CN116475263B - 一种分布式人工钉扎NbTi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加工技术领域，公开了一种分布式人工钉扎NbTi超导线材的制备方法，该方法通过对NbTi锭轴向和径向进行规律钻孔，钻孔尺寸和形状可根据性能要求设计，得到具有轴向径向多孔NbTi锭。随后将钉扎棒机械加工，得到与孔径尺寸匹配的钉扎棒，对其进行组装、焊接、挤压、多道次拉拔、定尺切断，得到具有高密度均匀钉扎中心的NbTi/Cu单芯棒。最后再将其进行二次组装、焊接、挤压、多道次拉拔、热处理，最终得到具有分布式人工钉扎中心的NbTi/Cu复合线，在提高临界电流的同时，解决了其他人工钉扎方法具有的钉扎中心不均匀的问题。
Description
技术领域
本发明涉及超导材料加工技术领域，具体为一种分布式人工钉扎NbTi超导线材的制备方法。
背景技术
目前常用的超导材料多为低温超导材料和高温超导材料，其中低温超导材料以NbTi/Cu超导线材为主，常应用于医用核磁共振成像仪（MRI）、核聚变反应堆（ITER）等方向。超导材料的三个参数临界温度、临界磁场以及临界电流限制着超导材料的发展，其中临界磁场可以通过建立磁通钉扎中心（APC）来实现提升。通过均匀化NbTi合金的组织和成分、添加元素、增加热处理等方式都可提高临界磁场，这些方法增加了超导材料中的钉扎中心从而提升了临界电流，人们发现细小均匀、高密度的钉扎中心可提高临界电流，因此人工钉扎技术应运而生。人为主动地建立钉扎中心无疑可以更直接、更有效的提高钉扎中心密度。常用的人工钉扎方法有棒基法、扩散法以及轧卷法等。棒基组合法的最大优点是可以根据设计对钉扎中心进行任意组合，但是其在使用过程中的缺点是在加工的最后阶段钉扎中心的排列又会变得无序且不均匀，提高的临界电流有限，整体效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式人工钉扎NbTi超导线材的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种分布式人工钉扎NbTi超导线材的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备具有多个钉扎孔的NbTi锭；
S2、根据NbTi锭表面钉扎孔的孔径制备相对应尺寸的钉扎棒；
S3、将清洗干净的无氧铜管、上盖、下盖、Nb阻隔层、钉扎棒以及多孔NbTi锭进行组装，并对其进行真空电子束焊接，获得NbTi/Cu单芯锭；
S4、将焊接好的NbTi/Cu单芯锭进行热挤压、多道次冷拉拔以及定尺切断，得到NbTi/Cu单芯棒；
S5、将清洗干净的无氧铜管、上盖、下盖以及NbTi/Cu单芯棒进行组装、焊接得到NbTi/Cu复合锭，并对NbTi/Cu复合锭进行挤压、多道次冷拉拔以及时效热处理，最终获得具有分布式人工钉扎中心的NbTi/Cu复合线。
进一步优选地，所述S1中制备具有多个钉扎孔的NbTi锭时，在NbTi锭的轴向和径向，使用深孔钻钻出多个孔径大小一致的圆形钉扎孔，且轴向的圆形钉扎孔和径向的圆形钉扎孔之间不接触并钻通。
进一步优选地，所述S1中制备具有多个钉扎孔的NbTi锭时，在NbTi锭的轴向和径向，使用线切割加工多个大小一致矩形钉扎孔，轴向的矩形钉扎孔和径向的矩形钉扎孔尺寸一致，且轴向的矩形钉扎孔和径向的矩形钉扎孔之间不接触并钻通。
进一步优选地，所述使用深孔钻钻出多个孔径大小一致的钉扎孔或所述使用线切割加工多个大小一致的钉扎孔得到的钉扎孔的面积为NbTi锭径向截面面积的11%~21%。
进一步优选地，所述钉扎棒的材料包括Nb、Ti、Ta和V，并且同一NbTi锭由单一材质的钉扎棒或多种材质的钉扎棒构成，钉扎棒的外径与钉扎孔的孔径相差0.5mm。
进一步优选地，所述将焊接好的NbTi/Cu单芯锭进行热挤压时，热挤压的温度为500±80℃，保温时间为8h。
进一步优选地，所述对NbTi/Cu复合锭进行时效热处理时，时效热处理温度控制为350℃~550℃，时效热处理的时间为30h~50h，每两次时效热处理的中间应变为0.3~0.6之间，最终应变为3~6。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在NbTi锭的轴向和径向使用深孔钻钻出多个孔径大小一致的圆形钉扎孔，保证轴向的圆形钉扎孔和径向的圆形钉扎孔不接触钻通；还可以在NbTi锭的轴向和径向使用线切割加工多个大小一致矩形钉扎孔，保证轴向的矩形钉扎孔和径向的矩形钉扎孔尺寸一致且不接触钻通。对NbTi锭轴向和径向进行规律钻孔，钻孔尺寸和形状可根据性能要求设计，得到具有轴向径向多孔NbTi锭。随后将钉扎棒机械加工，得到与孔径尺寸匹配的钉扎棒，对其进行组装、焊接、挤压、多道次拉拔、定尺切断，得到具有高密度均匀钉扎中心的NbTi/Cu单芯棒。最后再将其进行二次组装、焊接、挤压、多道次拉拔、热处理，最终得到具有分布式人工钉扎中心的NbTi/Cu复合线，在提高临界电流的同时，解决了其他人工钉扎方法具有的钉扎中心不均匀的问题。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：
一种分布式人工钉扎NbTi超导线材的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备具有多个钉扎孔的NbTi锭；在NbTi锭的轴向和径向，使用深孔钻钻出多个孔径大小一致的圆形钉扎孔，轴向的圆形钉扎孔和径向的圆形钉扎孔之间不接触并钻通；还可以在NbTi锭的轴向和径向，使用线切割加工多个大小一致矩形钉扎孔，轴向的矩形钉扎孔和径向的矩形钉扎孔尺寸一致，且轴向的矩形钉扎孔和径向的矩形钉扎孔之间不接触并钻通；使用深孔钻钻出多个孔径大小一致的钉扎孔或使用线切割加工多个大小一致的钉扎孔得到的钉扎孔的面积为NbTi锭径向截面面积的11%~21%。
S2、根据NbTi锭表面钉扎孔的孔径制备相对应尺寸的钉扎棒；钉扎棒的材料包括Nb、Ti、Ta和V，并且同一NbTi锭由单一材质的钉扎棒或多种材质的钉扎棒构成，钉扎棒的外径与钉扎孔的孔径相差0.5mm。
S3、将清洗干净的无氧铜管、上盖、下盖、Nb阻隔层、钉扎棒以及多孔NbTi锭进行组装，并对其进行真空电子束焊接，获得NbTi/Cu单芯锭。
S4、将焊接好的NbTi/Cu单芯锭进行热挤压、多道次冷拉拔以及定尺切断，得到NbTi/Cu单芯棒，热挤压的温度为500±80℃，保温时间为8h；NbTi/Cu单芯棒道次加工率为9%~10%，拉拔所使用的的模具角度为7°~9°；定尺切断长度为700mm。
S5、将清洗干净的无氧铜管、上盖、下盖以及NbTi/Cu单芯棒进行组装、焊接得到NbTi/Cu复合锭，并对NbTi/Cu复合锭进行挤压、多道次冷拉拔以及时效热处理，最终获得具有分布式人工钉扎中心的NbTi/Cu复合线。时效热处理温度控制为350℃~550℃，时效热处理的时间为30h~50h，每两次时效热处理的中间应变为0.3~0.6之间，最终应变为3~6。
实施例1
制备具有多个钉扎孔的NbTi锭时，首先在Φ193.7mm、长450mm的NbTi锭轴向上用深孔钻均匀钻得4个定位孔，然后用深孔钻加工得到4个Φ30.6mm，公差为+0.50mm的圆形钉扎孔，约所占NbTi锭径向截面面积的11%，随后通过深孔钻沿着径向方向钻孔，在轴向方向每隔60mm，钻7个定位孔并用深孔钻加工出Φ30.6mm、公差为-0.50mm的圆形钉扎孔。接着车削出4个Φ30.6mm，长450mm以及7个Φ30.6mm，长194mm的以Ta为材料的钉扎棒，即Ta棒，并且将7个Φ30.6mm，长194mm的Ta棒两端打磨至与NbTi锭外表面平齐。随后将打磨完成的Ta棒插入对应的钉扎孔中，在将Φ245.5/Φ195.5/460mm的无氧铜管套在Nb阻隔层上，接着将Nb阻隔层套在插有钉扎棒的NbTi锭上，最后将厚度分别为30mm和20mm的上下盖嵌入到无氧铜管两端，组装前需要清洗无氧铜管、上盖、下盖、Nb阻隔层、Ta棒以及多孔NbTi锭，保证无氧铜管、上盖、下盖、Nb阻隔层、Ta棒以及多孔NbTi锭表面内部洁净，通过真空电子束焊接将无氧铜管与上下盖焊接牢靠，获得NbTi/Cu单芯锭。紧接着对NbTi/Cu单芯锭，通过热挤压得到Φ75mm的NbTi/Cu单芯棒，热挤压的温度为500±80℃，保温时间为8h，经过多道次冷拉拔、定尺切断得到H30mm×700mm的NbTi/Cu单芯棒，NbTi/Cu单芯棒道次加工率为9%，拉拔所使用的的模具角度为8°。将H30mm×700mm的NbTi/Cu单芯棒、Φ275.0/Φ251.2/710mm的无氧铜管、以及厚度分别为30mm和20mm的上下盖进行组装，组装前需要清洗无氧铜管、上盖、下盖以及NbTi/Cu单芯棒，保证无氧铜管、上盖、下盖以及NbTi/Cu单芯棒表面内部洁净，通过真空电子束焊接将无氧铜管与上下盖焊接牢靠，获得NbTi/Cu复合锭。紧接着通过挤压得到Φ75mm的NbTi/Cu复合线，经过多道次冷拉拔，拉拔过程中进行进行单次时效热处理，热处理温度为430℃，热处理时间为40h。每两次时效热处理的中间应变为0.5，最终应变为4.3，得到线径0.68mm、铜比1.0的分布式人工钉扎NbTi/Cu复合线，其临界电流密度高达3746A/mm2（4T，4.2K）。
实施例2
制备具有多个钉扎孔的NbTi锭时，首先在Φ193.7mm、长560mm的NbTi锭轴向上用深孔钻均匀钻得8个定位孔，然后用线切割加工得到8个Φ37.5mm，公差为+0.50mm的圆形钉扎孔，约所占NbTi锭径向截面面积的15%，随后通过深孔钻沿着径向方向钻孔，在轴向方向每隔60mm，钻9个定位孔并用线切割加工出Φ37.5mm、公差为-0.50mm的圆形钉扎孔。接着车削出8个Φ37.5mm，长560mm的以Nb为材料的钉扎棒，即Nb棒以及9个Φ37.5mm，长194mm的以Ta为材料的钉扎棒，即Ta棒，并且将8个Φ37.5mm，长560mm的Nb棒以及9个Φ37.5mm，长194mm的Ta棒两端打磨至与NbTi锭外表面平齐。随后将打磨完成的Nb、Ta棒插入对应的钉扎孔中，在将Φ245.5/Φ195.5/460mm的无氧铜管套在Nb阻隔层上，接着将Nb阻隔层套在插有钉扎棒的NbTi锭上，最后将厚度分别为30mm和20mm的上下盖嵌入到无氧铜管两端，组装前需要清洗无氧铜管、上盖、下盖、Nb阻隔层、Nb、Ta棒以及多孔NbTi锭，保证无氧铜管、上盖、下盖、Nb阻隔层、Nb、Ta棒以及多孔NbTi锭表面内部洁净，通过真空电子束焊接将无氧铜管与上下盖焊接牢靠，获得NbTi/Cu单芯锭。紧接着通过热挤压得到Φ75mm的NbTi/Cu单芯棒，热挤压的温度为500±80℃，保温时间为8h，经过多道次冷拉拔、定尺切断得到H30mm×700mm的NbTi/Cu单芯棒，NbTi/Cu单芯棒道次加工率为9%，拉拔所使用的的模具角度为9°。将H30mm×700mm的NbTi/Cu单芯棒、Φ262.0/Φ237.2/710mm的无氧铜管、以及厚度分别为30mm和20mm的上下盖进行组装，组装前需要清洗无氧铜管、上盖、下盖以及NbTi/Cu单芯棒，保证无氧铜管、上盖、下盖以及NbTi/Cu单芯棒表面内部洁净，通过真空电子束焊接将无氧铜管与上下盖焊接牢靠，获得NbTi/Cu复合锭。紧接着通过挤压得到Φ75mm的NbTi/Cu复合线，经过多道次冷拉拔，拉拔过程中进行进行单次时效热处理，热处理温度为550℃，热处理时间为50h，每两次时效热处理的中间应变为0.3，最终应变为6，得到线径0.826mm、铜比1.0的分布式人工钉扎NbTi/Cu复合线，其临界电流密度高达3692A/mm2（4T，4.2K）。
实施例3
制备具有多个钉扎孔的NbTi锭时，首先在Φ193.7mm、长450mm的NbTi锭轴向上用深孔钻均匀钻得2个定位孔，然后用线切割加工得到2个长100mm、宽30mm，公差为+0.50mm的矩形钉扎孔，约所占NbTi锭径向截面面积的21%，随后沿着径向方向钻孔，在轴向方向每隔60mm，钻7个定位孔并用线切割加工出长30mm、宽30mm公差为-0.50mm的矩形钉扎孔。接着车削2个长100mm、宽30mm、高450mm以及7个长30mm、宽30mm、高194mm的以Ta为材料的钉扎棒，即Ta棒，并且将7个长30mm、宽30mm、高194mm的Ta棒两端打磨至与NbTi锭外表面平齐。随后将打磨完成的Ta棒插入对应的钉扎孔中，在将Φ245.5/Φ195.5/460mm的无氧铜管套在Nb阻隔层上，接着将Nb阻隔层套在插有钉扎棒的NbTi锭上，最后将厚度分别为30mm和20mm的上下盖嵌入到无氧铜管两端，组装前需要清洗无氧铜管、上盖、下盖、Nb阻隔层、Ta棒以及多孔NbTi锭，保证无氧铜管、上盖、下盖、Nb阻隔层、Ta棒以及多孔NbTi锭表面内部洁净，通过真空电子束焊接将无氧铜管与上下盖焊接牢靠，获得NbTi/Cu单芯锭。紧接着通过热挤压得到Φ75mm的NbTi/Cu单芯棒，热挤压的温度为500±80℃，保温时间为8h，经过多道次冷拉拔、定尺切断得到H30mm×700mm的NbTi/Cu单芯棒，NbTi/Cu单芯棒道次加工率为10%，拉拔所使用的的模具角度为7°。将H30mm×700mm的NbTi/Cu单芯棒、Φ275.0/Φ251.2/710mm的无氧铜管、以及厚度分别为30mm和20mm的上下盖进行组装，组装前需要清洗无氧铜管、上盖、下盖以及NbTi/Cu单芯棒，保证无氧铜管、上盖、下盖以及NbTi/Cu单芯棒表面内部洁净，通过真空电子束焊接将无氧铜管与上下盖焊接牢靠，获得NbTi/Cu复合锭。紧接着通过挤压得到Φ75mm的NbTi/Cu复合线，经过多道次冷拉拔，拉拔过程中进行进行单次时效热处理，热处理温度为350℃，热处理时间为30h，每两次时效热处理的中间应变为0.6，最终应变为3，得到线径1.21mm、铜比1.0的分布式人工钉扎NbTi/Cu复合线，其临界电流密度高达3658A/mm2（4T，4.2K）。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种分布式人工钉扎NbTi超导线材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备具有多个钉扎孔的NbTi锭，制备具有多个钉扎孔的NbTi锭时，在NbTi锭的轴向和径向，使用深孔钻钻出多个孔径大小一致的钉扎孔，且轴向的钉扎孔和径向的钉扎孔之间不接触并钻通或在NbTi锭的轴向和径向，使用线切割加工多个大小一致的钉扎孔，轴向的钉扎孔和径向的钉扎孔尺寸一致，且轴向的钉扎孔和径向的钉扎孔之间不接触并钻通，所述钉扎孔的形状为圆形或矩形，且使用深孔钻钻出的多个钉扎孔或者线切割加工的多个钉扎孔前，通过深孔钻沿NbTi锭的轴向和径向分别加工多个定位孔；
S2、根据NbTi锭表面钉扎孔的孔径制备相对应尺寸的钉扎棒；
S3、将清洗干净的无氧铜管、上盖、下盖、Nb阻隔层、钉扎棒以及多孔NbTi锭进行组装，并对其进行真空电子束焊接，获得NbTi/Cu单芯锭；
S4、对焊接好的NbTi/Cu单芯锭进行热挤压、多道次冷拉拔以及定尺切断，得到NbTi/Cu单芯棒；
S5、将清洗干净的无氧铜管、上盖、下盖以及NbTi/Cu单芯棒进行组装、焊接得到NbTi/Cu复合锭，并对NbTi/Cu复合锭进行挤压、多道次冷拉拔以及时效热处理，最终获得具有分布式人工钉扎中心的NbTi/Cu复合线。
2.根据权利要求1所述的一种分布式人工钉扎NbTi超导线材的制备方法，其特征在于：所述使用深孔钻钻出多个孔径大小一致的钉扎孔或所述使用线切割加工多个大小一致的钉扎孔得到的钉扎孔的面积为NbTi锭径向截面面积的11%~21%。
3.根据权利要求1所述的一种分布式人工钉扎NbTi超导线材的制备方法，其特征在于：所述钉扎棒的材料包括Nb、Ti、Ta和V，并且同一NbTi锭由单一材质的钉扎棒或多种材质的钉扎棒构成，钉扎棒的外径与钉扎孔的孔径相差0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种分布式人工钉扎NbTi超导线材的制备方法，其特征在于：所述对焊接好的NbTi/Cu单芯锭进行热挤压时，热挤压的温度为500±80℃，保温时间为8h。
5.根据权利要求1所述的一种分布式人工钉扎NbTi超导线材的制备方法，其特征在于：所述对NbTi/Cu复合锭进行时效热处理时，时效热处理温度控制为350℃~550℃，时效热处理的时间为30h~50h，每两次时效热处理的中间应变为0.3~0.6之间，最终应变为3~6。
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| 人工钉扎中心NbTi超导线材的新进展;刘向宏;现代制造(第25期);第66-67页 * |
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