CN113113186A - 一种改进Nb3Sn超导股线卢瑟福绞缆性能的优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种改进Nb3Sn超导股线卢瑟福绞缆性能的优化方法,Nb3Sn超导股线的横截面由内向外分别由锡合金区、Nb芯丝区和Cu基材区组成;将Nb3Sn超导股线进行真空热处理,使热处理后Nb3Sn超导股线的外层Cu基材的硬度比热处理前降低20%~50%。本发明在绞缆前对Nb3Sn股线进行预热处理,使外层Cu基材发生一定程度软化,而内部Nb芯丝的硬度几乎不变,从而保证芯丝在绞缆过程中不会发生较大塑性变形,防止Nb3Sn股线的临界性能出现大幅下降,提高绞缆的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于超导材料加工方法技术领域,具体涉及一种改进Nb3Sn超导线材卢瑟福绞缆性能的优化方法。
背景技术
高性能Nb3Sn(铌三锡)超导线材在12T、4.5K的条件下临界电流密度Jc达2000A/mm2以上,是目前产生高场磁场的主要超导材料。在实际工程应用中,绕制高场磁体通常采用绞缆后的Nb3Sn超导股线。Nb3Sn超导股线的绞缆与普通铜电缆的绞制方法类似,通过多级扭绞而成。但不同于普通电缆的是,Nb3Sn股线由Cu(铜)、Nb(铌)、Sn(锡)三种材料加工制备而成,股线在绞缆过程中对形变十分敏感,特别是绞缆张力、横向变形量等参数,过大的载荷和横向变形量很容易在绞缆过程中产生较大塑性变形,直接导致股线中超导区域产生破裂,进而降低Nb3Sn超导股线的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进Nb3Sn超导股线卢瑟福绞缆性能的优化方法,解决现有绞缆过程中Nb3Sn股线因产生较大塑性变形而导致的亚组元破裂问题,避免Nb3Sn线材绞缆后性能下降。
本发明所采用的技术方案是一种改进Nb3Sn超导股线卢瑟福绞缆性能的优化方法,Nb3Sn超导股线的横截面由内向外分别由锡合金区、Nb芯丝区和Cu基材区组成;将Nb3Sn超导股线进行真空热处理,使热处理后Nb3Sn超导股线的外层Cu基材的硬度比热处理前降低20%~50%。
进一步地,热处理后Nb3Sn超导股线比热处理前Nb3Sn股线的屈服强度降低0%~15%。
进一步地,真空热处理温度180℃~250℃。
进一步地,将Nb3Sn股线复绕到线轮上,置于真空热处理炉中进行热处理。
进一步地,真空热处理恒温保持30~120分钟;停止加热,测试外层Cu基材的硬度及Nb3Sn股线的屈服强度。当测试的外层Cu基材的硬度未达到要求时,则继续热处理直至测试的外层Cu基材的硬度达到要求。
进一步地,测试外层Cu基材的硬度时,先截取一段经过热处理的Nb3Sn股线,对横截面打磨、抛光后,测试外层Cu基材的硬度;与热处理前的Nb3Sn股线的Cu基材的硬度做对比计算热处理后Cu基材的硬度变化率。
本发明的有益效果是:绞缆前对Nb3Sn股线进行热处理,热处理使外层Cu基材硬度降低,同时防止Sn/Cu扩散反应造成股线的脆性断裂,保证股线的屈服强度。绞缆过程中Nb3Sn股线主要由外层Cu基材协调变形,而Nb芯丝的塑性变形量较小,有效控制了因产生较大塑性变形引起的股线临界性能降低的现象,提高绞缆的可靠性。
附图说明
图1,是本发明使用的Nb3Sn股线截面示意图。
图2,是实施例1热处理前后外层Cu基材的硬度。
图3,是实施例1热处理前后Nb3Sn股线的拉伸应力-应变曲线。
具体实施方式
一种改进Nb3Sn超导股线卢瑟福绞缆性能的优化方法,Nb3Sn超导股线的横截面由内向外分别由锡合金区、Nb芯丝区和Cu基材区组成;将Nb3Sn超导股线进行真空热处理,使热处理后Nb3Sn超导股线的外层Cu基材的硬度比热处理前降低20%~50%。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
一种改进Nb3Sn超导股线卢瑟福绞缆性能的优化方法,Nb3Sn超导股线的横截面,参看图1,由内向外分别由锡合金1、Nb芯丝区2和Cu基材区3组成。优化方法具体包括以下步骤:
步骤1:将直径1.00mm的Nb3Sn股线复绕到钢线轮上,置于真空热处理炉中,在250℃下恒温保持30分钟;
步骤2:停止加热,在步骤1中经过热处理所得的Nb3Sn股线上截取长度为10mm的样品,对股线的横截面进行打磨、抛光,采用维氏硬度仪测试外层Cu基材不同位置的硬度;
步骤3:在步骤1中经热处理所得的Nb3Sn股线上截取长度为300mm的样品,测试热处理后Nb3Sn股线的屈服强度;
步骤4:将步骤2热处理后外层Cu基材的硬度和热处理前作对比,结果如图2所示,热处理后Cu基材的硬度下降24%~34%;将步骤3中热处理后Nb3Sn股线的拉伸力学性能和热处理前作对比,结果如图3所示,热处理后Nb3Sn股线的屈服强度比热处理前下降11%。完成绞缆前的预热处理。
步骤5:对经过热处理的Nb3Sn股线进行绞缆,对绞缆后的Nb3Sn股线的临界性能进行测试,与绞缆前的Nb3Sn股线性能进行比较,线材临界电流基本保持不变,同时对反应后线材截面微观组织观察,线材内部亚组元变形良好,由此可知,经过热处理的Nb3Sn股线在绞缆过程中,可提高绞缆可靠性,保证缆线超导性能不会出现损降。
实施例2
步骤1:将直径0.82mm的Nb3Sn股线复绕到钢线轮上,置于真空热处理炉中,在200℃下恒温保持120分钟;
步骤2:停止加热,在步骤1中热处理所得的Nb3Sn股线上截取长度为10mm的样品,对股线横截面进行打磨、抛光,采用维氏硬度仪在外层Cu基材上测试5个点的硬度;
步骤3:在步骤1中热处理所得的Nb3Sn股线上截取长度为300mm的样品,测试热处理后Nb3Sn股线的屈服强度;
步骤4:将步骤2热处理后外层Cu基材的硬度和热处理前作对比,热处理后Cu基材的硬度下降22%~30%;将步骤3热处理后Nb3Sn股线的拉伸力学性能和热处理前作对比,热处理后Nb3Sn股线的屈服强度比热处理前下降12%。完成绞缆前的预热处理。
步骤5:对经过热处理的Nb3Sn股线进行绞缆,对绞缆后的Nb3Sn股线的临界性能进行测试,与绞缆前的Nb3Sn股线性能进行比较,整体下降1%,在有效范围内,由此可知,经过热处理的Nb3Sn股线在绞缆过程中,可提高绞缆可靠性。
实施例3
步骤1:将直径1.00mm的Nb3Sn股线复绕到钢线轮上,置于真空热处理炉中,在180℃,恒温保持60分钟;
步骤2:停止加热,在步骤1中热处理所得的Nb3Sn股线上截取长度为10mm的样品,对股线横截面进行打磨、抛光,采用维氏硬度仪在外层Cu基材上测试5个点的硬度;
步骤3:在步骤1中热处理所得的Nb3Sn股线上截取长度为300mm的样品,测试热处理后Nb3Sn股线的屈服强度;
步骤4:将步骤2热处理后外层Cu基材的硬度和热处理前作对比,热处理后Cu基材的硬度下降20%~30%;将步骤3热处理后Nb3Sn股线的拉伸力学性能和热处理前作对比,热处理后Nb3Sn股线的屈服强度比热处理前下降9%。完成绞缆前的预热处理。
步骤5:对经过热处理的Nb3Sn股线进行绞缆,对绞缆后的Nb3Sn股线的临界性能进行测试和微观截面观察,与绞缆前的Nb3Sn股线性能进行比较,临界电流下降1%,线材内部亚组元变形良好,无明显畸变,由此可知,经过热处理的Nb3Sn股线在绞缆过程中,可提高绞缆可靠性。
实施例4
步骤1:将直径1.30mm的Nb3Sn股线复绕到钢线轮上,置于真空热处理炉中,在250℃,恒温保持120分钟;
步骤2:停止加热,在步骤1中热处理所得的Nb3Sn股线上截取长度为10mm的样品,对股线横截面进行打磨、抛光,采用维氏硬度仪在外层Cu基材上测试5个点的硬度;
步骤3:在步骤1中热处理所得的Nb3Sn股线上截取长度为300mm的样品,测试热处理后Nb3Sn股线的屈服强度;
步骤4:将步骤2热处理后外层Cu基材的硬度和热处理前作对比,热处理后Cu基材的硬度下降42%~50%;将步骤3热处理后Nb3Sn股线的拉伸力学性能和热处理前作对比,热处理后Nb3Sn股线的屈服强度比热处理前下降15%。
步骤5:对经过热处理的Nb3Sn股线进行绞缆,对绞缆后的Nb3Sn股线的临界性能进行测试和微观截面观察,与绞缆前的Nb3Sn股线性能进行比较,临界电流总体保持不变,无明显损降,同时线材内部亚组元变形良好。由此可知,经过热处理的Nb3Sn股线再进行绞缆,可提高Nb3Sn超导缆线可靠性。
还对Nb3Sn股线的热处理进行多次试验并对性能进行测试,发现当Nb3Sn股线的Cu基材的硬度下降小于20%时,此时屈服强度下降较小,对Nb3Sn股线进行绞缆,线材内部亚组元绞缆过程中出现明显的不规则变形,对绞缆后的Nb3Sn股线临界性能进行测试,发现其与未进行热处理的绞缆的Nb3Sn股线性能比较,其临界电流下降10%~20%,主要由于Nb3Sn股线的Cu基材的硬度依然比较高,在绞缆时,Cu基材形变易引起Nb芯丝形变,导致线材整体性能出现明显的损降。
当Nb3Sn股线的Cu基材的硬度下降大于50%,屈服强度下降大于15%时,对Nb3Sn股线进行绞缆,发现在绞缆过程找那个,线材出现明显的缩颈,甚至断线,对绞缆后的Nb3Sn股线临界性能进行测试,发现其与未进行热处理的绞缆的Nb3Sn股线性能比较,出现10%~30%的损降,随着Cu基材的硬度下降越大和线材拉伸强度的下降,经过热处理的绞缆的Nb3Sn股线的性能下降越明显,说明随着Nb3Sn股线的Cu基材的硬度越小,在绞缆时,Cu基材形变越大,越易引起Nb芯丝塑性形变和线材不规则变形,由此导致缆线出现严重的质量和性能退化问题。
因此,由以上实验可知,Nb3Sn股线的Cu基材的硬度下降率须有一个合理范围。将其控制在合理范围内,则可以保证在Nb3Sn股线绞缆时,大部分的塑性形变发生在Cu基材上,而Nb芯丝硬度几乎不变,Nb芯丝塑性形变很小,才可以保证Nb3Sn股线绞缆后的超导性能。只有在经过热处理后Nb3Sn股线的Cu基材的硬度比热处理前Nb3Sn股线的Cu基材硬度下降在20%-50%之间时,此时屈服强度下降率小于15%,而Nb芯丝的硬度几乎不变,经过热处理的Nb3Sn股线绞缆后的超导性能才会有效保证线材临界电流和剩余电阻比。
Claims (6)
1.一种改进Nb3Sn超导股线卢瑟福绞缆性能的优化方法,Nb3Sn超导股线的横截面由内向外分别由锡合金区、Nb芯丝区和Cu基材区组成;其特征在于将Nb3Sn超导股线进行真空热处理,使热处理后Nb3Sn超导股线的外层Cu基材的硬度比热处理前降低20%~50%。
2.根据权利要求1所述的改进Nb3Sn超导股线卢瑟福绞缆性能的优化方法,其特征在于热处理后Nb3Sn超导股线比热处理前Nb3Sn股线的屈服强度降低0%~15%。
3.根据权利要求1所述的改进Nb3Sn超导股线卢瑟福绞缆性能的优化方法,其特征在于真空热处理温度180℃~250℃。
4.根据权利要求2所述的改进Nb3Sn超导股线卢瑟福绞缆性能的优化方法,其特征在于将Nb3Sn股线复绕到线轮上,置于真空热处理炉中进行热处理。
5.根据权利要求3所述的改进Nb3Sn超导股线卢瑟福绞缆性能的优化方法,其特征在于真空热处理恒温保持30~120分钟;停止加热,测试外层Cu基材的硬度及Nb3Sn股线的屈服强度。
6.根据权利要求4所述的改进Nb3Sn超导股线卢瑟福绞缆性能的优化方法,其特征在于测试外层Cu基材的硬度时,先截取一段经过热处理的Nb3Sn股线,对横截面打磨、抛光后,测试外层Cu基材的硬度;与热处理前的Nb3Sn股线的Cu基材的硬度做对比计算热处理后Cu基材的硬度变化率。
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