CN116453757A - 一种低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超导材料技术领域，公开了一种低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法。本发明将铌锭装于无氧铜包套，两端加紫铜盖并通过电子束封焊，获得铜‑铌单芯包套；经过加热、保温、挤压、拉拔、六方成型、定尺切断得到目标尺寸的铜‑铌单芯棒；将铜‑铌单芯棒和无氧铜棒一同装入无氧铜包套筒体中，两端加紫铜盖并通过电子束封焊，后经加热、保温、挤压得到铜‑铌复合棒；在铜‑铌复合棒中心钻孔，插入锡棒获得Nb3Sn超导线材亚组元；将Nb3Sn超导线材亚组元拉拔后绞缆，在表面电镀铬获得Nb3Sn超导线材。本发明制备出的Nb3Sn超导线材铜超比为0.25~0.35，临界电流Ic提高了45.09%。
Description
技术领域
本发明属于超导材料技术领域，涉及一种低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法。
背景技术
由于Nb3Sn（铌三锡）在高场条件下具有高的临界电流密度，成为10T以上高场磁体制造的关键材料。现已被广泛应用于高频核磁共振谱仪、10T以上强磁场装置、热核聚变及高能物理加速器等现代仪器装置的制造。Nb3Sn线材加工主要通过将芯材装载入无氧铜基体中，再经过多道次冷拉拔，加工至目标规格。因此，成品Nb3Sn线材中含有相当量的铜，而铜是非超导相，线材中铜超比的高低对线材的载流能力影响巨大。因此，设计一种低铜超比、高电流密度的铌三锡超导线材制备方法具有重要意义。
发明内容
为克服现有技术问题，本发明提供了一种低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法。通过本发明制备方法得到的Nb3Sn超导线材，铜超比（铜超比为铜基复合超导体中，铜和超导体的体积之比）为0.25~0.35，电流密度可提高45.09%。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明通过以下步骤制备低铜比Nb3Sn超导线材。
步骤一：将铌锭装于内径与铌锭外径相同的无氧铜包套中，并在两端加紫铜盖通过电子束封焊，获得铜-铌单芯包套；
步骤二：将铜-铌单芯包套加热、保温、挤压、拉拔、六方成型、定尺切断，得到目标规格的铜-铌单芯棒；
步骤三：将铜-铌单芯棒和与其规格相同的无氧铜棒装入无氧铜包套筒体中，在两端加紫铜盖并通过电子束封焊，获得铜-铌复合包套，经加热、保温、挤压得到铜-铌复合棒；
步骤四：在铜-铌复合棒中心处钻孔，将锡棒插入，获得Nb3Sn超导线材亚组元，拉拔至一定规格，将相同规格的亚组元集束后绞缆，在表面电镀铬，获得Nb3Sn超导线材；本发明所述的一定规格是根据生产需要的指定规格，本发明对具体规格范围不做特别限定。
铌锭规格为直径φ100mm~φ250mm；无氧铜包套规格为φ120mm~φ280mm。
保温时间为2h~5h，保温温度400℃~600℃，挤压后室温拉拔、六方成型，六方成型尺寸为H3.50mm~H6.00mm；铜-铌单芯棒定尺矫切长度由复合包套筒体长度决定。
铜-铌单芯棒的数量为120支~700支，无氧铜棒数量为80支~450支，组装后所获得铜-铌复合棒规格为φ150mm~φ320mm。
步骤三中挤压温度为500℃~650℃，保温时间为3h~4h；铜-铌复合棒外径为φ45mm~φ75mm。
步骤四中钻孔孔径为φ18mm~φ25mm，钻孔孔径比锡棒大1.0mm~3.0mm。
拉拔后得到的Nb3Sn超导线材亚组元尺寸为φ0.10mm~φ0.15mm，铜超比为0.25~0.35；集束范围为61~121支亚组元。
步骤四中表面电镀铬的铬层厚度为50μm~150μm。
在Nb3Sn超导线材上取样，并采用热处理使线材中的铌、锡元素反应生成铌三锡，成品出炉后测试其临界电流值。具体热处理的方法不作特别限定，示例性地，热处理为三段式热处理，步骤为：210℃热处理48h，再经过400℃热处理48h，最后经过665℃热处理50~100h。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具备以下有益效果或优点：
采用本发明制备方法得到的超导线材铜超比为0.25~0.35，因为拥有较高的Nb3Sn相体积占比，线材的载流能力大幅提升，线材载流能力最大可提升45.09%。采用本发明工艺制备的Nb3Sn超导线可以有效避免集束冷拉拔时出现的断线问题，制备的复合线亚组元变形良好，热处理组元扩散、反应均匀性高。
附图说明
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明铜-铌单芯包套截面图。
图2是本发明铜-铌复合包套截面图。
图3是本发明低铜比Nb3Sn超导线材截面图。
附图标记说明如下：1、无氧铜包套；2、铌锭；3、铜-铌单芯棒；4、无氧铜棒；5、无氧铜包套筒体；6、铬镀层；7、Nb3Sn超导线材亚组元。
具体实施方式
下面，结合实施例对本发明的技术方案进行说明，但是，本发明并不限于下述的实施例。
下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
实施例1
本实施例提供了一种铜超比0.250、临界电流值943.5的一种低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将φ100mm的铌锭2装于内径与铌锭外径相同的无氧铜包套1（φ120mm×铌锭长度）中，在两端加紫铜盖（φ120mm×20mm）通过电子束封焊，获得铜-铌单芯包套。
步骤二：将铜-铌单芯包套加热至400℃、保温2h，挤压、拉拔、六方成型、定尺切断，得到H3.50mm的铜-铌单芯棒3。
步骤三：将120支铜-铌单芯棒3和与其具有相同规格的80支无氧铜棒4一同装入φ150mm无氧铜包套筒体5中，在两端加紫铜并通过电子束封焊，获得φ150mm铜-铌复合包套；加热500℃、保温3h、挤压后得到φ45mm铜-铌复合棒。
步骤四：在铜-铌复合棒中心处钻孔，孔径为φ18mm，将φ17mm锡棒插入，获得Nb3Sn超导线材亚组元，对获得的Nb3Sn超导线材亚组元拉拔至φ0.10mm，将规格相同的61支Nb3Sn超导线材亚组元绞缆，在Nb3Sn超导线材亚组元7表面电镀50μm厚的铬形成铬镀层6，最终获得长度为6000m的Nb3Sn超导线材。
从Nb3Sn超导线材上取样，通过210℃热处理48h，再经过400℃热处理48h，最后经过665℃热处理50h，使线材中的铌、锡元素反应生成铌三锡，出炉后采用4引线法测试其临界电流值，线材铜超比通过化学法进行测试，即称重获得1m线材重量，采用化学腐蚀法将线材表面铜元素去除，再称重，最终根据密度、重量差值计算得出线材铜超比。
测定结果如表1所示。
表1：本发明制备方法与常规工艺制备得到的Nb3Sn线性能测试结果
由表1数据可知，本发明制备方法得到的Nb3Sn线相比于常规制备方法得到的Nb3Sn线，铜超比降低程度明显，临界电流值有明显提高，并且增幅达到45.09%。通过本发明制备方法加工过程中断线次数为0次。
实施例2
本实施例提供了一种铜超比0.300、临界电流值1299.5的一种低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将φ200mm的铌锭2装于内径与铌锭外径相同的无氧铜包套1（φ220mm×铌锭长度）中，在两端加紫铜盖（φ220mm×20mm）通过电子束封焊，获得铜-铌单芯包套。
步骤二：将铜-铌单芯包套加热至500℃、保温3h，挤压、拉拔、六方成型、定尺切断，得到H4.00mm的铜-铌单芯棒3。
步骤三：将350支铜-铌单芯棒3和与其具有相同规格的225支无氧铜棒4一同装入φ200mm无氧铜包套筒体5中，在两端加紫铜并通过电子束封焊，获得φ200mm铜-铌复合包套；加热600℃、保温4h、挤压后得到φ52mm的铜-铌复合棒。
步骤四：在铜-铌复合棒中心处钻孔，孔径为φ20mm，将φ18mm锡棒插入，获得Nb3Sn超导线材亚组元，对获得的Nb3Sn超导线材亚组元拉拔至φ0.12mm，将规格相同的91支Nb3Sn超导线材亚组元绞缆，在Nb3Sn超导线材亚组元7表面电镀100μm厚的铬形成铬镀层6，最终获得长度为5500m的Nb3Sn超导线材。
从Nb3Sn超导线材上取样，通过210℃热处理48h，再经过400℃热处理48h，最后经过665℃热处理70h，使线材中的铌、锡元素反应生成铌三锡，出炉后采用4引线法测试其临界电流值，线材铜超比通过化学法进行测试，即称重获得1m线材重量，采用化学腐蚀法将线材表面铜元素去除，再称重，最终根据密度、重量差值计算得出线材铜超比。
测定结果如表2所示。
表2：本发明制备方法与常规工艺制备得到的Nb3Sn线性能测试结果
由表2数据可知，本发明制备方法得到的Nb3Sn线相比于常规制备方法得到的Nb3Sn线，铜超比降低程度明显，临界电流值有明显提高，并且增幅达到44.05%。通过本发明制备方法加工过程中断线次数为0次。
实施例3
本实施例提供了一种铜超比0.350、临界电流值1299.5的一种低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将φ250mm的铌锭2装于内径与铌锭外径相同的无氧铜包套1（φ280mm×铌锭长度）中，在两端加紫铜盖（φ280mm×20mm）通过电子束封焊，获得铜-铌单芯包套。
步骤二：将铜-铌单芯包套加热至600℃、保温5h，挤压、拉拔、六方成型、定尺切断，得到H6.00mm的铜-铌单芯棒3。
步骤三：将700支铜-铌单芯棒3和与其具有相同规格的450支无氧铜棒4一同装入φ320mm无氧铜包套筒体5中，在两端加紫铜盖并通过电子束封焊，获得φ320mm铜-铌复合包套；加热650℃、保温4h、挤压后得到φ75mm的铜-铌复合棒。
步骤四：在铜-铌复合棒中心处钻孔，孔径为φ25mm，将φ22mm锡棒插入，获得Nb3Sn超导线材亚组元，对获得的Nb3Sn超导线材亚组元拉拔至φ0.15mm，将规格相同的121支Nb3Sn超导线材亚组元绞缆，在Nb3Sn超导线材亚组元7表面电镀150μm厚的铬形成铬镀层6，最终获得长度为6500m的Nb3Sn超导线材。
从Nb3Sn超导线材上取样，通过210℃热处理48h，再经过400℃热处理48h，最后经过665℃热处理100h，使线材中的铌、锡元素反应生成铌三锡，出炉后采用4引线法测试其临界电流值，线材铜超比通过化学法进行测试，即称重获得1m线材重量，采用化学腐蚀法将线材表面铜元素去除，再称重，最终根据密度、重量差值计算得出线材铜超比。
测定结果如表3所示。
表3：本发明制备方法与常规工艺制备得到的Nb3Sn线性能测试结果
由表3数据可知，本发明制备方法得到的Nb3Sn线相比于常规制备方法得到的Nb3Sn线，铜超比降低程度明显，临界电流值有明显提高，并且增幅达到41.21%。通过本发明制备方法加工过程中断线次数为0次。
本发明提供一种低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法，将Nb3Sn超导线材亚组元拉伸后将一定数量的拉伸完成的亚组元进行绞缆，获得了低铜比Nb3Sn超导线材。采用本方法制备的Nb3Sn超导线材具有较高的Nb3Sn相体积占比，铜超比可达到0.300~0.333，线材的载流能力大幅提升，提高能力分别达到45.09%、44.05%和42.41%。采用本工艺制备Nb3Sn超导线可以有效避免集束冷拉拔时出现的断线问题，本方法制备的复合线亚组元变形良好，热处理组元扩散、反应均匀性高。
如上所述，较好的描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。上述实施例和说明书仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种改变和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将铌锭装于无氧铜包套中，并在两端加紫铜盖通过电子束封焊，获得铜-铌单芯包套；
步骤二：将所述铜-铌单芯包套加热、保温、挤压、拉拔、六方成型、定尺切断，得到目标规格的铜-铌单芯棒；
步骤三：将所述铜-铌单芯棒与规格相同的无氧铜棒装入无氧铜包套筒体中，在两端加紫铜盖并通过电子束封焊，获得铜-铌复合包套，经加热、保温、挤压得到铜-铌复合棒；
步骤四：在所述铜-铌复合棒中心处钻孔，将锡棒插入，获得Nb3Sn超导线材亚组元，拉拔后将相同规格的所述Nb3Sn超导线材亚组元集束后绞缆，在表面电镀铬，获得所述低铜比Nb3Sn超导线材。
2.根据权利要求1所述的低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，所述铌锭规格为直径φ100mm~φ250mm；
所述无氧铜包套内径与铌锭外径一致。
3.根据权利要求1所述的低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，所述保温温度为400℃~600℃，保温时间为2h~5h，并挤压；
经室温拉拔，六方成型，六方成型尺寸为H3.50mm~H6.00mm；
所述铜-铌单芯棒长度与所述无氧铜包套筒体长度一致。
4.根据权利要求1所述的低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，所述铜-铌单芯棒的数量为120支~700支，所述无氧铜棒数量为80支~450支；
所述铜-铌单芯棒与规格相同的无氧铜棒组装后的规格为φ150mm~φ320mm。
5.根据权利要求1所述的低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述挤压温度为500℃~650℃，保温时间为3h~4h；
所述步骤三得到的铜-铌复合棒外径为φ45mm~φ75mm。
6.根据权利要求1所述的低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述钻孔孔径为φ18mm~φ25mm，钻孔孔径比所述锡棒大1.0mm~3.0mm。
7.根据权利要求1所述的低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，所述拉拔后得到的Nb3Sn超导线材亚组元尺寸为φ0.10mm~0.15mm，铜超比为0.25~0.35；
所述集束的范围为61支~121支亚组元。
8.根据权利要求1所述的低铜比Nb3Sn超导线材的制备方法，其特征在于，所述表面电镀铬的铬层厚度为50μm~150μm。
9.一种低铜比Nb3Sn超导线材，其特征在于，采用权利要求1~8任一项所述方法制备。
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