CN111659749B - 一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法，采用低温下高电阻率的CuNi合金和无氧铜同时作为基体，CuNi合金紧密包裹在NbTi芯丝周围，有效阻隔芯丝之间发生耦合，本发明公开的方法通过三次组装、结合冷拉拔和不同次数的时效热处理制备不同CuNi合金占比、不同芯丝直径以及不同铜比的高性能、细芯丝、低损耗NbTi/CuNi/Cu超导复合线材，采用该制备方法，可根据线材的性能要求，通过调整CuNi合金板厚度、二次复合棒和三次复合线芯数和铜比、三次复合线时效热处理工艺，获得高临界电流密度、低损耗的NbTi/CuNi/Cu超导复合线材。

Description

一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法
技术领域
本发明属于超导复合线材加工方法技术领域，具体涉及一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法。
背景技术
NbTi/Cu超导线材由于其优异的加工性能和高的临界电流已广泛用于大科学装置（ITER）、磁共振成像仪（MRI）、磁控提拉单晶硅磁体（MCZ）等，随着超导磁体技术的更新，对其关键部件超导线材提出了更高的要求。国内重离子加速器项目（HIAF）中关键部件-快脉冲超导磁体，不仅要求超导线材具有高的临界电流，而且具有较低的交流损耗，因此，这就要求NbTi超导线材在保证高性能的前提下，芯数更多，芯丝更细，损耗更低。NbTi超导线材芯丝细芯化之后，采用常规无氧铜作为基体，芯丝之间会发生耦合，产生近邻效应，大大增加线材交流损耗，通常采用低温电阻率较高的材料将NbTi芯丝分隔开，CuNi合金在低温下的电阻率是无氧铜的1000倍，具有较高的低温电阻率和良好的加工性能，考虑到万芯级长线的加工性能，CuNi合金占整个线材的比例应尽量小，将CuNi合金薄板包裹在NbTi棒表面，最后将厚壁无氧铜管套在最外层，CuNi合金和无氧铜同时作为基体，通过多道次冷拉拔，芯丝直径减小至2~4μm时，CuNi合金可有效阻隔芯丝之间发生耦合，降低线材损耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法，采用低温下高电阻率的CuNi合金将NbTi芯丝阻隔开，同时增加复合线材芯丝数量，芯丝细芯化，解决线材交流损耗较高问题。
本发明所采用的技术方案是，一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将清洗干净的无氧铜管、CuNi合金薄板、上盖、下盖、铌板和NbTi合金棒进行组装，然后进行真空电子束焊接包套，最后通过热挤压获得NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯；
步骤2、将NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯采用常规扒皮模进行扒皮去除表面黑皮，然后进行10~20次冷拉拔，每道次拉拔加工率控制在5%～15%，最后通过定模拉伸成型为六角棒形状，加工率为5%~15%，将其切断、矫直，获得NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒；
步骤3、将NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒整齐的密排在铜管内，铜管和NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒之间的间隙采用小规格无氧铜棒进行填充，将组装好的NbTi/CuNi/Cu二次复合包套真空电子束焊接后进行热等静压，最后通过热挤压获得NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯；
步骤4、将NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯进行20~30次冷拉拔，每道次拉拔加工率控制在5%～15%，采用常规扒皮模进行扒皮去除表面黑皮，最后通过定模拉伸、切断、矫直获得NbTi/CuNi/Cu二次复合棒；
步骤5、将NbTi/CuNi/Cu二次复合棒密排在铜管内构成三次复合线，铜管和NbTi/CuNi/Cu二次复合棒之间的间隙采用小规格无氧铜棒进行填充，将三次复合线进行冷拉拔，道次加工率控制在10%～20%，同时对其进行多次时效热处理，最后通过定模成型获得满足性能要求的NbTi/CuNi/Cu超导复合线材。
本发明的特点还在于：
步骤1中无氧铜管壁厚为10mm～30mm，CuNi合金板的Ni元素质量百分比为5%～30%，CuNi合金板壁厚为3mm～5mm，铌板厚度为1mm～2mm，NbTi合金棒的直径为100mm～300mm，上盖为无氧铜，下盖为紫铜。
将清洗干净的无氧铜管、CuNi合金薄板、上盖、下盖、铌板和NbTi合金棒进行组装具体过程为：将铌板包裹在NbTi表面，接着将CuNi合金板包裹在铌板的表面，采用塑料扎带扎紧，然后将无氧铜管套在CuNi合金板的外面，最后将其放倒，试装配上盖和下盖，上盖采用圆锥子扣式、下盖采用圆台嵌入式进行装配。
步骤1真空电子束焊接的焊接条件为：真空度控制在10-3mbar～10-6mbar，焊接电流为50mA～150mA，聚焦电流为4000mA～7000mA，焊接速度为90°/min～160°/min。
步骤1热挤压条件为：预热温度为650℃～850℃，保温时间为3h～6h，挤压比为10～15。
步骤2采用常规扒皮模进行扒皮去除表面黑皮过程中采用1~2道次扒皮，物料总弯曲度不小于5mm/1000mm，单道次扒皮加工率不大于4%。
步骤3热等静压的条件为：温度为450℃～650℃，保温时间为2h~4h，包套外径下压量为3mm～8mm。
步骤3热挤压的条件为：预热温度为500℃～700℃，保温时间为2h～4h，挤压比为10～15。
步骤4中矫直过程中，每支复合棒总弯曲度不大于1mm/1000mm。
步骤5小规格无氧铜棒外径为42mm~56mm，冷拉拔采用低角度模具、小变形量加工至Φ0.8mm，道次加工率控制在10%~20%，时效热处理温度为300℃～400℃，次数为3～5次，每次热处理时间为15h～50h，时效热处理时首先采用卷曲机将复合线材盘成直径约1.5m的圆环，然后将复合线材放置在真空炉中，关好炉门抽真空，当真空度小于1×10-3Pa时开始加热，炉温到达设定温度时真空保温0.5h后开始充高纯氮气，炉室压力到达102kPa后停止充气，进行保温，保温结束后，继续充入高纯氮气进行强冷降温，当炉温小于70℃后，打开炉门，完成时效热处理。
本发明的有益效果是：
一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法，采用低温下高电阻率的CuNi合金和无氧铜同时作为基体，CuNi合金紧密包裹在NbTi芯丝周围，有效阻隔芯丝之间发生耦合，通过三次组装、结合冷拉拔和不同次数的时效热处理成功制备不同CuNi合金占比、不同芯丝直径以及不同铜比的高性能、细芯丝、低损耗NbTi/CuNi/Cu超导复合线材，采用该制备方法，可根据线材的性能要求，通过调整CuNi合金板厚度、二次复合棒和三次复合线芯数和铜比、三次复合线时效热处理工艺，获得高临界电流密度、低损耗的NbTi/CuNi/Cu超导复合线材。
附图说明
图1是本发明实施例1 NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的金相组织结构图；
图2是本发明实施例2 NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的金相组织结构图；
图3是本发明实施例3 NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的金相组织结构图；
图4是本发明实施例4 NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的金相组织结构图；
图5是本发明实施例5 NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的金相组织结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将清洗干净的无氧铜管、CuNi合金薄板、上盖、下盖、铌板和NbTi合金棒进行组装，然后进行真空电子束焊接包套，最后通过热挤压获得NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯；
无氧铜管壁厚为10mm～30mm，CuNi合金板的Ni元素质量百分比为5%～30%，CuNi合金板壁厚为3mm～5mm，铌板厚度为1mm～2mm，NbTi合金棒的直径为100mm～300mm，上盖为无氧铜，下盖为紫铜。
将清洗干净的无氧铜管、CuNi合金薄板、上盖、下盖、铌板和NbTi合金棒进行组装具体过程为：将铌板包裹在NbTi表面，接着将CuNi合金板包裹在铌板的表面，采用塑料扎带扎紧，然后将无氧铜管套在CuNi合金板的外面，最后将其放倒，试装配上盖和下盖，上盖采用圆锥子扣式、下盖采用圆台嵌入式进行装配。
真空电子束焊接的焊接条件为：真空度控制在10-3mbar～10-6mbar，焊接电流为50mA～150mA，聚焦电流为4000mA～7000mA，焊接速度为90°/min～160°/min。
热挤压条件为：预热温度为650℃～850℃，保温时间为3h～6h，挤压比为10～15。
步骤2、将NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯采用常规扒皮模进行扒皮去除表面黑皮，然后进行10~20次冷拉拔，每道次拉拔加工率控制在5%～15%，最后通过定模拉伸成型为六角棒形状，加工率为5%~15%，将其切断、矫直，获得NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒；
采用常规扒皮模进行扒皮去除表面黑皮过程中采用1~2道次扒皮，物料总弯曲度不小于5mm/1000mm，单道次扒皮加工率不大于4%。
步骤3、将NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒整齐的密排在铜管内，铜管和NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒之间的间隙采用小规格无氧铜棒进行填充，将组装好的NbTi/CuNi/Cu二次复合包套真空电子束焊接后进行热等静压，最后通过热挤压获得NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯；
热等静压的条件为：温度为450℃～650℃，保温时间为2h~4h，包套外径下压量为3mm～8mm。
热挤压的条件为：预热温度为500℃～700℃，保温时间为2h～4h，挤压比为10～15。
步骤4、将NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯进行20~30次冷拉拔，每道次拉拔加工率控制在5%～15%，采用常规扒皮模进行扒皮去除表面黑皮，最后通过定模拉伸、切断、矫直获得NbTi/CuNi/Cu二次复合棒；
矫直过程中，每支复合棒总弯曲度不大于1mm/1000mm。
步骤5、将NbTi/CuNi/Cu二次复合棒密排在铜管内构成三次复合线，铜管和NbTi/CuNi/Cu二次复合棒之间的间隙采用小规格无氧铜棒进行填充，将三次复合线进行冷拉拔，道次加工率控制在10%～20%，同时对其进行多次时效热处理，最后通过定模成型获得满足性能要求的NbTi/CuNi/Cu超导复合线材；
小规格无氧铜棒外径为42mm~56mm，冷拉拔采用低角度模具、小变形量加工至Φ0.8mm，道次加工率控制在10%~20%，时效热处理温度为300℃～400℃，次数为3～5次，每次热处理时间为15h～50h，时效热处理时首先采用卷曲机将复合线材盘成直径约1.5m的圆环，然后将复合线材放置在真空炉中，关好炉门抽真空，当真空度小于1×10-3Pa时开始加热，炉温到达设定温度时真空保温0.5h后开始充高纯氮气，炉室压力到达102kPa后停止充气，进行保温，保温结束后，继续充入高纯氮气进行强冷降温，当炉温小于70℃后，打开炉门，完成时效热处理。
实施例1
首先将1支厚度为4mm的CuNi合金板和3支厚度为1.5mm的铌板在卷管机上卷成直径约205mm的CuNi筒和铌筒，然后将外径Φ250mm、壁厚20mm的无氧铜管、厚度分别为55mm和30mm的无氧铜上盖和紫铜下盖、直径Φ197mm的NbTi合金棒以及CuNi筒和铌筒进行硝酸水溶液清洗，清洗干净后将其在洁净间进行组装，接着将组装好的包套进行真空电子束焊接，焊接时真空度控制在10-4mbar，焊接电流为150mA，聚焦电流为6000mA，焊接速度为140°/min，最后通过热挤压获得NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯，热挤压预热温度为800℃，保温时间为5h，挤压比为12；将NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯通过常规扒皮模扒皮去除表面黑皮和多道次冷拉拔，扒皮道次加工率小于4%，冷拉拔道次加工率小于15%，通过切断、矫直获得对边为H11.5mm、长度为550mm的NbTi/CuNi/Cu一次单芯六方棒；将432支NbTi/CuNi/Cu一次单芯六方复合棒整齐的密排在外径为Φ280mm、壁厚为10mm的铜管中，六方棒与铜管之间的间隙采用Φ3无氧铜棒进行填充，将加工好的无氧铜上盖和紫铜下盖扣在包套两端，将其进行真空电子束焊接，然后采用热等静压进一步消除包套内的间隙，热等静压温度为600℃，保温时间为3h，下压量为8mm，最后采用热挤压获得NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯，热挤压预热温度为700℃，保温时间为3h，挤压比为12；接着将NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯通过扒皮去除表面黑皮、多道次冷拉伸、切断、矫直获得Φ3.5mm的NbTi/CuNi/Cu二次复合棒，道次加工率小于15%；将85支NbTi/CuNi/Cu二次复合棒再一次整齐的密排在外径为Φ52mm、壁厚为4mm的铜管内，将组装好的三次复合包套采用低角度模具、小的变形量直接进行冷拉拔，道次加工率小于10%，同时冷拉拔过程中在不同规格对其进行时效热处理，时效热处理总次数为5次，每次热处理温度为400℃，每次热处理时间为30h，最终通过扭绞、过定模冷拉拔获得线径为Φ0.8mm的NbTi/CuNi/Cu三次复合线。制备得到NbTi/CuNi/Cu三次复合线电镜照片如图1所示，从图可以看出，85支二次复合棒和无氧铜构成整个三次复合线，每支二次复合棒包含432支NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒和1支铜芯棒，其中一次单芯复合棒中NbTi棒周围紧密包裹CuNi合金板，一次单芯复合棒、二次复合棒和三次复合线最外层均为高纯无氧铜。采用CuNi合金和无氧铜同时作为基体，通过三次组装，结合冷拉拔获得的NbTi/CuNi/Cu三次复合线材，芯丝直径约2.8μm，临界电流密度高达2780A/mm2(5T，4.22K)，单位体积内交流损耗为35.3mJ/cm3。
实施例2
首先将1支厚度为3mm的CuNi合金板和3支厚度为1.0mm的铌板在卷管机上卷成直径约152mm的CuNi筒和铌筒，然后将外径Φ182mm、壁厚14mm的无氧铜管、厚度分别为35mm和20mm的无氧铜上盖和紫铜下盖、直径Φ145mm的NbTi合金棒以及CuNi筒和铌筒进行硝酸水溶液清洗，清洗干净后将其在洁净间进行组装，接着将组装好的包套进行真空电子束焊接，焊接时真空度控制在10-3mbar，焊接电流为100mA，聚焦电流为4000mA，焊接速度为100°/min，最后通过热挤压获得NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯，热挤压预热温度为650℃，保温时间为3h，挤压比为11；将NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯通过常规扒皮模扒皮去除表面黑皮和多道次冷拉拔，扒皮道次加工率小于4%，冷拉拔道次加工率小于15%，通过切断、矫直获得对边为H12.0mm、长度为500mm的NbTi/CuNi/Cu一次单芯六方棒；将360支NbTi/CuNi/Cu一次单芯六方复合棒整齐的密排在外径为Φ280mm、壁厚为10mm的铜管中，六方棒与铜管之间的间隙采用Φ3无氧铜棒进行填充，将加工好的无氧铜上盖和紫铜下盖扣在包套两端，将其进行真空电子束焊接，然后采用热等静压进一步消除包套内的间隙，热等静压温度为600℃，保温时间为3h，下压量为5mm，最后采用热挤压获得NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯，热挤压预热温度为700℃，保温时间为3h，挤压比为15；接着将NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯通过扒皮去除表面黑皮、多道次冷拉伸、切断、矫直获得Φ4.5mm的NbTi/CuNi/Cu二次复合棒，道次加工率小于15%；将55支NbTi/CuNi/Cu二次复合棒再一次整齐的密排在外径为Φ45mm、壁厚为6mm的铜管内，将组装好的三次复合包套采用低角度模具、小的变形量直接进行冷拉拔，道次加工率小于10%，同时冷拉拔过程中在不同规格对其进行时效热处理，时效热处理总次数为4次，每次热处理温度为380℃，每次热处理时间为40h，最终通过扭绞、过定模冷拉拔获得线径为Φ0.8mm的NbTi/CuNi/Cu三次复合线。采用三次组装，结合冷拉拔获得的NbTi/CuNi/Cu三次复合线材，芯丝直径约4μm，临界电流密度高达2743A/mm2(5T,4.22K)，单位体积内交流损耗为41.3mJ/cm3。
实施例3
首先将1支厚度为3mm的CuNi合金板和3支厚度为1.0mm的铌板在卷管机上卷成直径约182mm的CuNi筒和铌筒，然后将外径Φ210mm、壁厚13mm的无氧铜管、厚度分别为40mm和25mm的无氧铜上盖和紫铜下盖、直径Φ175mm的NbTi合金棒以及CuNi筒和铌筒进行硝酸水溶液清洗，清洗干净后将其在洁净间进行组装，接着将组装好的包套进行真空电子束焊接，焊接时真空度控制在10-4mbar，焊接电流为120mA，聚焦电流为6000mA，焊接速度为130°/min，最后通过热挤压获得NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯，热挤压预热温度为700℃，保温时间为4h，挤压比为13；将NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯通过常规扒皮模扒皮去除表面黑皮和多道次冷拉拔，扒皮道次加工率小于4%，冷拉拔道次加工率小于15%，通过切断、矫直获得对边为H11.5mm、长度为550mm的NbTi/CuNi/Cu一次单芯六方棒；将432支NbTi/CuNi/Cu一次单芯六方复合棒整齐的密排在外径为Φ280mm、壁厚为10mm的铜管中，六方棒与铜管之间的间隙采用Φ3无氧铜棒进行填充，将加工好的无氧铜上盖和紫铜下盖扣在包套两端，将其进行真空电子束焊接，然后采用热等静压进一步消除包套内的间隙，热等静压温度为600℃，保温时间为3h，下压量为8mm，最后采用热挤压获得NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯，热挤压预热温度为700℃，保温时间为3h，挤压比为15；接着将NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯通过扒皮去除表面黑皮、多道次冷拉伸、切断、矫直获得Φ3.2mm的NbTi/CuNi/Cu二次复合棒，道次加工率小于15%；将102支NbTi/CuNi/Cu二次复合棒再一次整齐的密排在外径为Φ55mm、壁厚为5mm的铜管内，将组装好的三次复合包套采用低角度模具、小的变形量直接进行冷拉拔，道次加工率控制在10%以下，同时冷拉拔过程中在不同规格对其进行时效热处理，时效热处理总次数为3次，每次热处理温度为300℃，每次热处理时间为40h，最终通过扭绞、过定模冷拉拔获得线径为Φ0.8mm的NbTi/CuNi/Cu三次复合线。采用三次组装，结合冷拉拔获得的NbTi/CuNi/Cu三次复合线材，芯丝直径约2.3μm，临界电流密度高达2701A/mm2(5T,4.22K)，单位体积内交流损耗为31.2mJ/cm3。
实施例4
首先将1支厚度为5mm的CuNi合金板和4支厚度为1.5mm的铌板在卷管机上卷成直径约245mm的CuNi筒和铌筒，然后将外径Φ280mm、壁厚15mm的无氧铜管、厚度分别为60mm和30mm的无氧铜上盖和紫铜下盖、直径Φ230mm的NbTi合金棒以及CuNi筒和铌筒进行硝酸水溶液清洗，清洗干净后将其在洁净间进行组装，接着将组装好的包套进行真空电子束焊接，焊接时真空度控制在10-6mbar，焊接电流为150mA，聚焦电流为7000mA，焊接速度为160°/min，最后通过热挤压获得NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯，热挤压预热温度为850℃，保温时间为6h，挤压比为15；将NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯通过常规扒皮模扒皮去除表面黑皮和多道次冷拉拔，扒皮道次加工率小于4%，冷拉拔道次加工率小于15%，通过切断、矫直获得对边为H11.5mm、长度为550mm的NbTi/CuNi/Cu一次单芯六方棒；将432支NbTi/CuNi/Cu一次单芯六方复合棒整齐的密排在外径为Φ280mm、壁厚为10mm的铜管中，六方棒与铜管之间的间隙采用Φ3无氧铜棒进行填充，将加工好的无氧铜上盖和紫铜下盖扣在包套两端，将其进行真空电子束焊接，然后采用热等静压进一步消除包套内的间隙，热等静压温度为600℃，保温时间为3h，下压量为8mm，最后采用热挤压获得NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯，热挤压预热温度为700℃，保温时间为3h，挤压比为15；接着将NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯通过扒皮去除表面黑皮、多道次冷拉伸、切断、矫直获得Φ5.3mm的NbTi/CuNi/Cu二次复合棒，道次加工率小于15%；将37支NbTi/CuNi/Cu二次复合棒再一次整齐的密排在外径为Φ43mm、壁厚为3mm的铜管内，将组装好的三次复合包套采用低角度模具、小的变形量直接进行冷拉拔，道次加工率控制在10%以下，同时冷拉拔过程中在不同规格对其进行时效热处理，时效热处理总次数为3次，每次热处理温度为400℃，每次热处理时间为30h，最终通过扭绞、过定模冷拉拔获得线径为Φ0.8mm的NbTi/CuNi/Cu三次复合线。采用三次组装，结合冷拉拔获得的NbTi/CuNi/Cu三次复合线材，芯丝直径约4.5μm，临界电流密度高达2723A/mm2(5T,4.22K)，单位体积内交流损耗为44.3mJ/cm3。
实施例5
首先将1支厚度为5mm的CuNi合金板和3支厚度为1.5mm的铌板在卷管机上卷成直径约240mm的CuNi筒和铌筒，然后将外径Φ275mm、壁厚18mm的无氧铜管、厚度分别为60mm和30mm的无氧铜上盖和紫铜下盖、直径Φ225mm的NbTi合金棒以及CuNi筒和铌筒进行硝酸水溶液清洗，清洗干净后将其在洁净间进行组装，接着将组装好的包套进行真空电子束焊接，焊接时真空度控制在10-6mbar，焊接电流为140mA，聚焦电流为6500mA，焊接速度为150°/min，最后通过热挤压获得NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯，热挤压预热温度为850℃，保温时间为5h，挤压比为14；将NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯通过常规扒皮模扒皮去除表面黑皮和多道次冷拉拔，扒皮道次加工率小于4%，冷拉拔道次加工率小于15%，通过切断、矫直获得对边为H12.0mm、长度为500mm的NbTi/CuNi/Cu一次单芯六方棒；将360支NbTi/CuNi/Cu一次单芯六方复合棒整齐的密排在外径为Φ280mm、壁厚为10mm的铜管中，六方棒与铜管之间的间隙采用Φ3无氧铜棒进行填充，将加工好的无氧铜上盖和紫铜下盖扣在包套两端，将其进行真空电子束焊接，然后采用热等静压进一步消除包套内的间隙，热等静压温度为600℃，保温时间为3h，下压量为5mm，最后采用热挤压获得NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯，热挤压预热温度为700℃，保温时间为3h，挤压比为15；接着将NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯通过扒皮去除表面黑皮、多道次冷拉伸、切断、矫直获得Φ4.5mm的NbTi/CuNi/Cu二次复合棒，道次加工率小于15%；将78支NbTi/CuNi/Cu二次复合棒再一次整齐的密排在外径为Φ53mm、壁厚为4mm的铜管内，将组装好的三次复合包套采用低角度模具、小的变形量直接进行冷拉拔，道次加工率小于10%，同时冷拉拔过程中在不同规格对其进行时效热处理，时效热处理总次数为5次，每次热处理温度为380℃，每次热处理时间为40h，最终通过扭绞、过定模冷拉拔获得线径为Φ0.8mm的NbTi/CuNi/Cu三次复合线。采用三次组装，结合冷拉拔获得的NbTi/CuNi/Cu三次复合线材，芯丝直径约3.6μm，临界电流密度高达2782A/mm2(5T,4.22K)，单位体积内交流损耗为38.5mJ/cm3。实例1~5交流损耗分别为35.3、41.3、31.2、44.3、38.5 mJ/cm3，常规商业用MRI用NbTi/Cu超导线材交流损耗高达710 mJ/cm3，Cu5Ni基细芯丝超导线材交流损耗大幅度降低。随着芯丝直径的减小，线材交流损耗也逐渐降低，同时考虑到NbTi的加工性能，芯丝直径不可能无限的减小，因此需平衡芯丝直径和线材的性能。
实例1~5交流损耗分别为35.3、41.3、31.2、44.3、38.5 mJ/cm3，常规商业用MRI用NbTi/Cu超导线材交流损耗高达710 mJ/cm3，Cu5Ni基细芯丝超导线材交流损耗大幅度降低。随着芯丝直径的减小，线材交流损耗也逐渐降低，同时考虑到NbTi的加工性能，芯丝直径不可能无限的减小，因此需平衡芯丝直径和线材的性能。
通过上述方式，本发明公开的一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法，采用低温下高电阻率的CuNi合金和无氧铜同时作为基体，CuNi合金紧密包裹在NbTi芯丝周围，有效阻隔芯丝之间发生耦合，首先，制备NbTi/CuNi/Cu单芯复合棒坯，冷拉拔制备NbTi/CuNi/Cu单芯复合棒；然后，制备NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯，再次冷拉拔制备NbTi/CuNi/Cu二次复合棒；最后，定模成型得到NbTi/CuNi/Cu超导复合线材。本发明公开的方法通过三次组装、结合冷拉拔和不同次数的时效热处理制备不同CuNi合金占比、不同芯丝直径以及不同铜比的高性能、细芯丝、低损耗NbTi/CuNi/Cu超导复合线材，采用该制备方法，可根据线材的性能要求，通过调整CuNi合金板厚度、二次复合棒和三次复合线芯数和铜比、三次复合线时效热处理工艺，获得高临界电流密度、低损耗的NbTi/CuNi/Cu超导复合线材。

Claims (6)

1.一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将清洗干净的无氧铜管、CuNi筒、上盖、下盖、铌筒和NbTi合金棒进行组装，然后进行真空电子束焊接包套，最后通过热挤压获得NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯；
所述无氧铜管壁厚为10mm～30mm，所述CuNi筒的Ni元素质量百分比为5%～30%，所述CuNi筒壁厚为3mm～5mm，所述铌筒厚度为1mm～2mm，所述NbTi合金棒的直径为100mm～300mm，所述上盖为无氧铜，所述下盖为紫铜；
所述将清洗干净的无氧铜管、CuNi筒、上盖、下盖、铌筒和NbTi合金棒进行组装具体过程为：将铌筒包裹在NbTi表面，接着将CuNi筒包裹在铌筒的表面，采用塑料扎带扎紧，然后将无氧铜管套在CuNi筒的外面，最后将其放倒，试装配上盖和下盖，所述上盖采用圆锥子扣式、下盖采用圆台嵌入式进行装配；
步骤2、将NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒坯采用扒皮模进行扒皮去除表面黑皮，然后进行10~20次冷拉拔，每道次拉拔加工率控制在5%～15%，最后通过定模拉伸成型为六角棒形状，加工率为5%~15%，将其切断、矫直，获得NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒；
步骤3、将NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒整齐的密排在铜管内，铜管和NbTi/CuNi/Cu一次单芯复合棒之间的间隙采用无氧铜棒进行填充，将组装好的NbTi/CuNi/Cu二次复合包套真空电子束焊接后进行热等静压，最后通过热挤压获得NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯；
步骤4、将NbTi/CuNi/Cu二次复合棒坯进行20~30次冷拉拔，每道次拉拔加工率控制在5%～15%，采用扒皮模进行扒皮去除表面黑皮，最后通过定模拉伸、切断、矫直获得NbTi/CuNi/Cu二次复合棒；
步骤5、将NbTi/CuNi/Cu二次复合棒密排在铜管内构成三次复合线，铜管和NbTi/CuNi/Cu二次复合棒之间的间隙采用无氧铜棒进行填充，将三次复合线进行冷拉拔，道次加工率控制在10%～20%，同时对其进行多次时效热处理，最后通过定模成型获得满足性能要求的NbTi/CuNi/Cu超导复合线材；
所述冷拉拔采用低角度模具、小变形量加工至Φ0.8mm，道次加工率控制在10%~20%，时效热处理温度为300℃～400℃，次数为3～5次，每次热处理时间为15h～50h，时效热处理时首先采用卷曲机将复合线材盘成直径1.5m的圆环，然后将复合线材放置在真空炉中，关好炉门抽真空，当真空度小于1×10-3Pa时开始加热，炉温到达设定温度时真空保温0.5h后开始充高纯氮气，炉室压力到达102kPa后停止充气，进行保温，保温结束后，继续充入高纯氮气进行强冷降温，当炉温小于70℃后，打开炉门，完成时效热处理。
2.根据权利要求1所述一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法，其特征在于，步骤1所述真空电子束焊接的焊接条件为：真空度控制在10-3mbar～10-6mbar，焊接电流为50mA～150mA，聚焦电流为4000mA～7000mA，焊接速度为90°/min～160°/min。
3.根据权利要求1所述一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法，其特征在于，步骤1所述热挤压条件为：预热温度为650℃～850℃，保温时间为3h～6h，挤压比为10～15。
4.根据权利要求1所述一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法，其特征在于，步骤3所述热等静压的条件为：温度为450℃～650℃，保温时间为2h~4h，包套外径下压量为3mm～8mm。
5.根据权利要求1所述一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法，其特征在于，步骤3所述热挤压的条件为：预热温度为500℃～700℃，保温时间为2h～4h，挤压比为10～15。
6.根据权利要求1所述一种NbTi/CuNi/Cu超导复合线材的制备方法，其特征在于，步骤4中所述矫直过程中，每支二次复合棒总弯曲度不大于1mm/1000mm。
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