CN113113186B - 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 (5)
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，真空热处理温度180℃~250℃，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%，真空热处理后进行绞缆。
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，其特征在于将Nb3Sn股线复绕到线轮上，置于真空热处理炉中进行热处理。
4.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。
5.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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