CN114664495A - 一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材及其制备方法 - Google Patents

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张科
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郭强
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Abstract

本发明属于超导线材制备技术领域，涉及一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材及其制备方法。该制备方法包括：先在稳定体的外部包覆阻隔层，然后在所述阻隔层的外部包覆青铜/铌复合体形成复合坯锭，最后对所述复合坯锭进行封焊、挤压、拉伸、热处理得到Nb3Sn超导线材。通过对青铜法Nb3Sn超导线材结构的改进，无氧铜稳定体位于线材内部、青铜/铌复合体形成的超导区域位于线材外侧，在保证稳定体能够正常发挥作用的同时，能够满足核磁共振谱仪（NMR）等超导磁体设计和制造过程中需要满足接头焊接等特殊需求，具有良好的应用前景。

Description

一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材及其制备方法
技术领域
本发明属于超导线材制备技术领域，涉及Nb3Sn超导线材的制备，尤其涉及一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材及其制备方法。
背景技术
目前，高场强超导磁体的制备需要大量用到青铜法Nb3Sn超导线材。在超导线材中，稳定体扮演着屏蔽电磁干扰、传输热量以及在超导体发生磁通跳跃进行分流的重要作用。其中，由于无氧铜的电导率和热导率高、磁扩散系数小，室温和低温下均具有较好的力学强度，延展性好，易于加工，与超导体复合性好，因此在超导线材中被用作稳定体，一般包覆在超导区外侧，并用铌或钽作为阻隔层材料与超导区隔离、避免锡扩散污染铜稳定体，被称为外稳定型结构线材。
然而，根据核磁共振谱仪（NMR）等的超导磁体设计和制造过程中的特殊需要，如满足接头焊接等，需要超导区分布在线材外层，同时也需要稳定体发挥作用，常规的外稳定型结构就无法满足相关要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材及其制备方法，以满足现有技术中超导磁体设计和制造过程中的特殊需要。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材，包括位于中心的稳定体，所述稳定体的外部包覆有阻隔层，所述阻隔层的外部包覆有青铜/铌复合体。
进一步，所述稳定体为无氧铜棒，所述阻隔层为铌或钽阻隔层。
进一步，所述青铜/铌复合体内含Sn的质量百分比为12%~17%，所述青铜/铌复合体的青铜基体内嵌有3000~30000个铌芯丝。
另一方面，本发明还提供了一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，先在稳定体的外部包覆阻隔层，然后在所述阻隔层的外部包覆青铜/铌复合体形成复合坯锭，最后对所述复合坯锭进行封焊、挤压、拉伸、热处理得到Nb3Sn超导线材。
进一步，所述制备方法具体包括以下步骤：
1）在无氧铜棒外部卷绕阻隔层；
2）在所述阻隔层的外部包覆青铜/铌复合体形成复合坯锭；
3）采用真空电子束焊机和无氧铜或紫铜盖，对所述复合坯锭先抽真空再封焊处理；
4）对封焊后的复合坯锭进行挤压处理得到复合棒材；
5）将所述复合棒材冷拉伸处理为圆线；
6）对所述圆线进行扩散反应热处理得到Nb3Sn超导线材。
进一步，所述步骤1）中无氧铜棒的直径规格为Φ20mm~Φ300mm，阻隔层为铌板或铌箔或钽板或钽箔，所述阻隔层的厚度为2mm~9mm。
进一步，所述步骤2）中青铜/铌复合体内含Sn的质量百分比为12%~17%，且所述青铜/铌复合体的青铜基体内嵌有3000~30000个铌芯丝。
进一步，所述步骤3）中封焊真空度小于1.0×102Pa。
进一步，所述步骤4）中挤压温度为450℃～700℃，复合棒材直径为Φ35mm～Φ100mm。
进一步，所述步骤5）中圆线规格为Φ0.3~Φ2mm。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：通过对青铜法Nb3Sn超导线材结构的改进，无氧铜稳定体位于线材内部、青铜/铌复合体形成的超导区域位于线材外侧，在保证稳定体能够正常发挥作用的同时，能够满足核磁共振谱仪（NMR）等超导磁体设计和制造过程中的特殊需要，如满足接头焊接等特殊需求。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的结构图；
图2为本发明提供的内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法的流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的方法的例子。
一方面，结合图1所示，本发明提供了一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材，包括位于中心的稳定体，所述稳定体的外部包覆有阻隔层，所述阻隔层的外部包覆有青铜/铌复合体。
进一步，所述稳定体为无氧铜棒，所述阻隔层为铌或钽阻隔层。
进一步，所述青铜/铌复合体内含Sn的质量百分比为12%~17%，所述青铜/铌复合体的青铜基体内嵌有3000~30000个铌芯丝。
另一方面，本发明还提供了一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，先在稳定体的外部包覆阻隔层，然后在所述阻隔层的外部包覆青铜/铌复合体形成复合坯锭，最后对所述复合坯锭进行封焊、挤压、拉伸、热处理得到Nb3Sn超导线材。
具体地，本发明提供的这种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用Φ20mm~Φ300mm×L的无氧铜棒，在其外层卷绕总厚度达2mm~9mm的铌（或钽）板或铌（或钽）箔作为阻隔层；
步骤2、在阻隔层的外层进一步包覆Sn含量为12%~17%（质量百分比）的青铜基体内嵌约3000~30000个铌芯丝的青铜/铌复合体，装配成复合坯锭；
步骤3、采用真空电子束焊机和无氧铜（或紫铜）盖将复合坯锭先抽真空再封焊，封焊真空度<1.0×102Pa；
步骤4、对封焊后的复合坯锭进行挤压处理，挤压温度为450℃～700℃，挤压后复合棒材直径Φ35mm～Φ100mm；
步骤5、采用冷拉伸的工艺将挤压后的复合棒材拉伸为Φ0.3~2mm的圆线；
步骤6、对圆线进行650℃×170h的扩散反应热处理，进行临界电流（4.2K，12T）的测试。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用Φ62mm×L的无氧铜棒，在其外层卷绕总厚度达4mm的铌板作为阻隔层；
步骤2、在阻隔层的外层进一步包覆Sn含量为14%（质量百分比）的青铜基体内嵌10890个铌芯丝的青铜/铌复合体，装配成复合坯锭；
步骤3、采用真空电子束焊机和Φ150mm×30mm的紫铜盖将铜坯锭两端先抽真空在封焊，封焊时真空度<1.0×102Pa；
步骤4、对封焊后的复合坯锭进行挤压处理：采用2500T热挤压机进行挤压加工，挤压温度500℃，挤压后复合棒材直径Φ40mm；
步骤5、采用冷拉伸的工艺将挤压后的复合棒材拉伸至Φ0.95mm的圆线；
步骤6、对圆线进行650℃×170h的扩散反应热处理，并进行临界电流（4.2K，12T）的测试，线材的临界电流为305A。
实施例2
本实施例提供了一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用Φ75mm×L的无氧铜棒，在其外层卷绕总厚度达8mm的铌板作为阻隔层；
步骤2、在阻隔层的外层进一步包覆Sn含量为15.5%（质量百分比）的青铜基体内嵌11180个铌芯丝的青铜/铌复合体，装配成复合坯锭；
步骤3、采用真空电子束焊机和Φ155mm×30mm的无氧铜盖将铜坯锭两端先抽真空在封焊，封焊时真空度<1.0×102Pa；
步骤4、对封焊后的复合坯锭进行挤压处理：采用2500T热挤压机进行挤压加工，挤压温度550℃，挤压后棒材直径Φ50mm；
步骤5、采用冷拉伸的工艺将挤压后的复合棒拉伸至Φ0.8mm的圆线；
步骤6、对圆线进行650℃×170h的扩散反应热处理，并进行临界电流（4.2K，12T）的测试，线材的临界电流为237A。
实施例3
本实施例提供了一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用Φ45mm×L的无氧铜棒，在其外层卷绕总厚度达3mm的铌板作为阻隔层；
步骤2、在阻隔层的外层进一步包覆Sn含量为13%（质量百分比）的青铜基体内嵌25190个铌芯丝的青铜/铌复合体，装配成复合坯锭；
步骤3、采用真空电子束焊机和Φ149mm×30mm的无氧铜盖将铜坯锭两端先抽真空在封焊，封焊时真空度<1.0×102Pa；
步骤4、对封焊后的复合坯锭进行挤压处理：采用2500T热挤压机进行挤压加工，挤压温度600℃，挤压后复合棒材直径Φ50mm；
步骤5、采用冷拉伸的工艺将挤压后的复合棒材拉伸至Φ1.0mm的圆线；
步骤6、对圆线进行650℃×170h的扩散反应热处理，并进行临界电流（4.2K，12T）的测试，线材的临界电流为310A。
该方法通过对青铜法Nb3Sn超导线材结构的改进，无氧铜稳定体位于线材内部、青铜/铌复合体形成的超导区域位于线材外侧，在保证稳定体能够正常发挥作用的同时，能够满足核磁共振谱仪（NMR）等超导磁体设计和制造过程中的特殊需要，如满足接头焊接等特殊需求。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材，其特征在于，包括位于中心的稳定体，所述稳定体的外部包覆有阻隔层，所述阻隔层的外部包覆有青铜/铌复合体。
2.根据权利要求1所述的内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材，其特征在于，所述稳定体为无氧铜棒，所述阻隔层为铌或钽阻隔层。
3.根据权利要求1所述的内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材，其特征在于，所述青铜/铌复合体内含Sn的质量百分比为12%~17%，所述青铜/铌复合体的青铜基体内嵌有3000~30000个铌芯丝。
4.一种内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，先在稳定体的外部包覆阻隔层，然后在所述阻隔层的外部包覆青铜/铌复合体形成复合坯锭，最后对所述复合坯锭进行封焊、挤压、拉伸、热处理得到Nb3Sn超导线材。
5.根据权利要求4所述的内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1）在无氧铜棒外部卷绕阻隔层；
2）在所述阻隔层的外部包覆青铜/铌复合体形成复合坯锭；
3）采用真空电子束焊机和无氧铜或紫铜盖，对所述复合坯锭先抽真空再封焊处理；
4）对封焊后的复合坯锭进行挤压处理得到复合棒材；
5）将所述复合棒材冷拉伸处理为圆线；
6）对所述圆线进行扩散反应热处理得到Nb3Sn超导线材。
6.根据权利要求5所述的内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中无氧铜棒的直径规格为Φ20mm~Φ300mm，阻隔层为铌板或铌箔或钽板或钽箔，所述阻隔层的厚度为2mm~9mm。
7.根据权利要求5所述的内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中青铜/铌复合体内含Sn的质量百分比为12%~17%，且所述青铜/铌复合体的青铜基体内嵌有3000~30000个铌芯丝。
8.根据权利要求5所述的内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中封焊真空度小于1.0×102Pa。
9.根据权利要求5所述的内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中挤压温度为450℃～700℃，复合棒材直径为Φ35mm～Φ100mm。
10.根据权利要求5所述的内稳定型青铜法Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，所述步骤5）中圆线规格为Φ0.3~Φ2mm。
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