CN116612930B - 一种Nb3Sn超导线制备方法及超导线 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种Nb₃Sn超导线制备方法及超导线，方法包括：将Nb锭安装在第一Cu包套中，获得CuNb单体锭；将CuNb单体锭进行加工，形成CuNb单体棒；将CuNb单体棒组装在第二Cu包套中，经过加工后形成CuNb复合棒；将SnTi合金棒装入第一Cu管中，经过加工形成SnTiCu单体棒；将Cu锭装入Nb筒中，再装入第三Cu包套，经过加工形成含Nb阻隔层Cu芯棒；将SnTiCu单体棒、含Nb阻隔层Cu芯棒和CuNb复合棒组装在Ta管中，再装入第二Cu管中，获得最终坯料；对最终坯料进行加工，得到Nb₃Sn超导线。本申请在线材的芯部加入含Nb阻隔层Cu芯棒，改善了应力分布，提高了线材的加工性能，同时也提高了线材热处理后Nb₃Sn相的含量及临界电流。

Description

一种Nb3Sn超导线制备方法及超导线

技术领域

本申请涉及金属加工技术领域，特别涉及一种Nb₃Sn超导线制备方法及超导线。

背景技术

随着Nb₃Sn（铌三锡）在大型加速器磁体、核聚变反应堆等装置上的广泛应用，Nb₃Sn超导线材的需求量也越来越大，Nb₃Sn超导线材的批量化制备技术更需要与时俱进。

在Nb₃Sn超导线材的加工过程中，无氧铜的引入不仅有利于加工中的变形，热处理时起到促进Nb₃Sn相生成的作用，更能够在超导磁体运行时进行热传导，维持磁体的稳定运行，使超导线材实现实用化应用。目前，青铜法Nb₃Sn和ITER型内锡法Nb₃Sn有着损耗低的优势，但是临界电流低、加工周期长，分布式阻隔层Nb₃Sn线材相对于青铜法Nb₃Sn和ITER型内锡法Nb₃Sn虽然有着更高的临界电流密度，但是分布式阻隔层Nb₃Sn线材存在着加工难度大、亚组元变形差、RRR值低、损耗高、低场磁通跳跃等问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种Nb₃Sn超导线制备方法及超导线，用以解决现有技术中青铜法和ITER型内锡法制备的超导线材存在的加工周期长、临界电流低的问题，在线材的芯部加入含Nb阻隔层Cu芯棒，改善了应力分布，提高了线材的拉拔性能，同时也提高了线材热处理后Nb₃Sn相的含量及临界电流，也具有损耗低、无低场磁通跳跃的优点，保证磁体的稳定运行。

一方面，本申请实施例提供了一种Nb₃Sn超导线制备方法，包括：

将Nb锭安装在第一Cu包套中，获得CuNb单体锭；

将CuNb单体锭进行加工，形成CuNb单体棒；

将CuNb单体棒组装在第二Cu包套中，经过加工后形成CuNb复合棒；

将SnTi合金棒装入第一Cu管中，经过加工形成SnTiCu单体棒；

将Cu锭装入Nb筒中，再装入第三Cu包套，经过加工形成含Nb阻隔层Cu芯棒；

将SnTiCu单体棒、含Nb阻隔层Cu芯棒和CuNb复合棒组装在Ta管中，再装入第二Cu管中，获得最终坯料；

对最终坯料进行加工，得到Nb₃Sn超导线。

另一方面，本申请实施例还提供了一种Nb₃Sn超导线，该Nb₃Sn超导线采用上述方法制备得到。

本申请中的一种Nb₃Sn超导线制备方法及超导线，具有以下优点：

在制备过程中省去了现有的加工方法需要在坯料中心钻孔的步骤，缩短了线材加工周期；芯部采用含Nb阻隔层的Cu芯棒，不仅改善了加工过程中线材截面的变形情况；也提高了线材热处理后Nb₃Sn相的含量，进一步提高临界电流密度；同时也能提高超导线失超时的导热性，使超导磁体在低温下稳定运行；此外该结构Nb₃Sn超导线材具有损耗小、无低场磁通跳跃的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为本申请一实施例提供的含Nb阻隔层Cu芯棒结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的超导线最终坯料结构示意图；

图3为本申请另一实施例提供的超导线最终坯料结构示意图。

附图标号说明：100-第三Cu包套，200-Nb筒，300-Cu锭，400-第二Cu管，500-Ta管，600-SnTiCu单体棒，700-含Nb阻隔层Cu芯棒，800-CuNb复合棒。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种Nb₃Sn超导线制备方法，该方法包括以下步骤：

S100，将Nb锭安装在第一Cu包套中，获得CuNb单体锭。

示例性地，第一Cu包套可以采用无氧铜制成，其在装入Nb锭之前需要对Nb锭和第一Cu包套进行清洗，清洗后将Nb锭装入第一Cu包套并在第一Cu包套的两端盖上无氧铜制成的端盖，并在抽真空后采用真空电子束焊接技术将端盖焊接在第一Cu包套两端，即可得到CuNb单体锭。

在本申请的实施例中，Nb锭的直径在Φ80~Φ150mm之间，晶粒度在6级以上。

S110，将CuNb单体锭进行加工，形成CuNb单体棒。

示例性地，得到CuNb单体锭后，对其进行的加工包括依次进行的挤压、多道次拉拔、成型、定尺切断等，即可得到CuNb单体棒。此时CuNb单体棒为六棱柱结构。

在本申请的实施例中，CuNb单体锭的挤压比在6~12之间，CuNb单体棒的尺寸在H3.00mm~H6.00mm之间，Cu比在0.10~0.30之间。

S120，将CuNb单体棒组装在第二Cu包套中，经过加工后形成CuNb复合棒800。

示例性地，第二Cu包套也可以采用无氧铜制成，其在装入CuNb单体棒之前，需要对第二Cu包套和CuNb单体棒分别进行清洗，清洗并组装后可以在第二Cu包套两端盖上无氧铜制成的端盖，并在抽真空后采用真空电子束焊接技术将端盖焊接在第二Cu包套两端，最后依次经过热等静压、挤压、多道次拉拔、成型、定尺切断等工序加工，即可得到CuNb复合棒800。

本申请加工得到的CuNb复合棒800中有一部分为六棱柱，而另一部分则为根据需要加工得到的异型柱。

在本申请的实施例中，CuNb复合棒800的外径在Φ100~Φ280mm之间，芯数在150~800之间，Cu比在0.30~0.80之间，其中六棱柱的CuNb复合棒800的尺寸在H2.00mm~H5.00mm之间。

S130，将SnTi合金棒装入第一Cu管中，经过加工形成SnTiCu单体棒600。

示例性地，SnTi合金棒可以依次经过熔炼、车削、机加和拉拔得到，加工得到的SnTi合金棒及第一Cu管一起进行清洗后进行组装，该第一Cu管也可以采用无氧铜制成。在SnTi合金棒装入第一Cu管后，依次经过多道次冷拉拔、成型、定尺切断等工序加工，即可得到SnTiCu单体棒600。具体地，将熔炼得到的SnTi合金锭挤压获得SnTi合金棒，再将清洁后的SnTi合金棒穿过无氧铜管，进行冷拉拔获得SnTiCu单体棒。

本申请中的SnTiCu单体棒600主要为六棱柱，其尺寸与CuNb复合棒800中的六棱柱相当，而SnTiCu单体棒600也包含另一部分的异型柱。

在本申请的实施例中，SnTi合金棒中Ti元素占比在0.5~5.0wt.%之间，SnTiCu单体棒600的Cu比在0.20~0.60之间。

S140，将Cu锭300装入Nb筒200中，再装入第三Cu包套100，经过加工形成含Nb阻隔层Cu芯棒700。

示例性地，如图1所示，Cu锭300和第三Cu包套100也均可以采用无氧铜制成，在将Cu锭300装入Nb筒200，也需要对Cu锭300和Nb筒200进行清洗，清洗后再进行组装。组装完成后在第三Cu包套100的两端盖上端盖，并在抽真空后采用真空电子束焊接技术将端盖焊接第三Cu包套100两端，再依次经过挤压、切头锯尾和拉拔处理，获得含Nb阻隔层Cu芯棒700。

在本申请的实施例中，含Nb阻隔层Cu芯棒700也为六棱柱，但是径向截面的尺寸大于SnTiCu单体棒600或CuNb复合棒800中六棱柱的尺寸。

进一步地，含Nb阻隔层Cu芯棒700的尺寸在H10.00mm~H35.00mm之间，其中Nb阻隔层的厚度不小于六棱柱的CuNb复合棒800中2倍芯丝直径的尺寸。

S150，将SnTiCu单体棒600、含Nb阻隔层Cu芯棒700和CuNb复合棒800组装在Ta管500中，再装入第二Cu管400中，获得最终坯料。

示例性地，在组装前，也需要对SnTiCu单体棒600、含Nb阻隔层Cu芯棒700、CuNb复合棒800、Ta管500和第二Cu管400进行清洗，清洗后组装即可得到最终坯料。

在本申请的实施例中，将SnTiCu单体棒600、含Nb阻隔层Cu芯棒700和CuNb复合棒800组装在Ta管500后，含Nb阻隔层Cu芯棒700位于中心，多个SnTiCu单体棒600和多个CuNb复合棒800中依次交替并围绕在含Nb阻隔层Cu芯棒700四周设置，如图2所示。具体地，每个SnTiCu单体棒600周围具有6个CuNb复合棒800，而每个CuNb复合棒800周围具有3个CuNb复合棒800以及3个SnTiCu单体棒600。

进一步地，对于异形柱的SnTiCu单体棒600和CuNb复合棒800，当六棱柱的SnTiCu单体棒600和多个CuNb复合棒800将Ta管500填满后，Ta管500仍存在很多空隙，此时Ta管500和SnTiCu单体棒600、多个CuNb复合棒800之间的间隙，以及含Nb阻隔层Cu芯棒700和SnTiCu单体棒600、多个CuNb复合棒800之间的间隙由异形柱状的SnTiCu单体棒600和CuNb复合棒800填充。最终使Ta管500内部被完全填满。

S160，对最终坯料进行加工，得到Nb₃Sn超导线。

示例性地，最终坯料组装完成后依次经过多道次拉拔、扭绞、拉伸、镀铬和热处理，即可获得高临界电流密度的Nb₃Sn超导线。

本申请实施例还提供了一种Nb₃Sn超导线，该Nb₃Sn超导线采用上述的制备方法制备得到。

实施例1

步骤1，将直径为Φ104mm、晶粒度为6级的Nb锭清洁后装在Φ120/Φ105mm的第一Cu包套中，盖上端盖、焊接后获得CuNb单体锭，再经挤压、扒皮、多道次拉拔、成型、定尺切断等工序加工，获得尺寸为H5.88×300mm、Cu比为0.25的六棱柱状CuNb单体棒。

步骤2，将349支步骤1得到的CuNb单体棒清洗后组装在Φ135/Φ121×318mm第二Cu包套中，再经过除气、真空电子束焊接、热等静压、挤压、多道次拉拔、成型、定尺切断等工序加工，获得Cu比为0.50的六棱柱和异型柱状的CuNb复合棒，其中六棱柱状的CuNb复合棒尺寸为H3.49×2000mm。

步骤3，通过熔炼、车削、机加、拉拔获得Ti元素占比为1.5wt.%的SnTi合金棒，将清洁后的SnTi合金棒装入清洁后的第一Cu管中，经过多道次冷拉拔、成型、定尺切断，获得Cu比为0.35的六棱柱和异型柱状的SnTiCu单体棒，其中六棱柱的SnTiCu单体棒规格为H3.49×2000mm。

步骤4，将尺寸为Φ90×650mm的Cu锭装入尺寸为Φ161/Φ91×650mm的Nb筒中，再装入尺寸为Φ172/Φ162×670mm的第三Cu包套中，盖上端盖，经过焊接、挤压、切头锯尾、拉拔、成型、定尺切断等工序加工，获得尺寸为H17.44×2000mm的含Nb阻隔层Cu芯棒。

步骤5，将步骤2获得的CuNb复合棒、步骤3获得的SnTiCu单体棒和步骤4获得的含Nb阻隔层Cu芯棒清洁后，按照图2所示的组装方式组装在尺寸为Φ51/Φ50×2000mm的Ta管中，再将组装后的Ta管穿过尺寸为Φ65/Φ52×2000mm的第二Cu管，获得最终坯料。最终坯料由84个六棱柱CuNb复合棒、18个异型（12个梯形和6个扇形）CuNb复合棒和48个六棱柱SnTiCu单体棒组成，Nb芯丝总数量为35598，经过多道次拉拔、扭绞、拉伸、镀铬和热处理，获得Cu比为0.90、线径为Φ0.818mm的高临界电流密度的Nb₃Sn超导线。

实施例2

步骤1，将直径为Φ99mm、晶粒度为6级的Nb锭清洁后装在Φ110/Φ100mm的第一Cu包套中，盖上端盖、焊接后获得CuNb单体锭，再经过挤压、扒皮、多道次拉拔、成型、定尺切断等工序加工，获得尺寸为H5.88×300mm、Cu比为0.20的六棱柱状的CuNb单体棒。

步骤2，将253支步骤1得到的CuNb单体棒清洗后组装在Φ115/Φ103×320mm第二Cu包套中，再经过除气、真空电子束焊接、热等静压、挤压、多道次拉拔、成型、定尺切断等工序加工，获得Cu比为0.40的六棱柱和异型柱状的CuNb复合棒，其中六棱柱的CuNb复合棒的尺寸为H3.49×1500mm。

步骤3，通过熔炼、车削、机加、拉拔获得Ti元素占比在2.0wt.%的SnTi合金棒，将清洁后的SnTi合金棒装入清洁后的第一Cu管中，经过多道次冷拉拔、成型、定尺切断，获得Cu比为0.30的六棱柱和异型柱状的SnTiCu单体棒，其中六棱柱的SnTiCu单体棒的尺寸为H3.49×1500mm。

步骤4，将尺寸为Φ90×650mmCu锭装入尺寸为Φ161/Φ91×650mm的Nb筒中，再装入尺寸为Φ172/Φ162×670mm的第三Cu包套中，盖上端盖，经过挤压、切头锯尾、拉拔、成型、定尺切断等工序加工，获得尺寸为H17.44×2000mm的含Nb阻隔层Cu芯棒。

步骤5，将步骤2获得的CuNb复合棒、步骤3获得的SnTiCu单体棒和步骤4获得含Nb阻隔层Cu芯棒清洁后，按照图2所示的组装方式组装在尺寸为Φ51/Φ50×1500mm的Ta管中，再将组装后的Ta管穿过尺寸为Φ65/Φ52×1500mm的第二Cu管，获得最终坯料。最终坯料由84个六棱柱CuNb复合棒、18个异型（12个梯形、6个扇形）CuNb复合棒和48个六棱柱SnTiCu单体棒组成，Nb芯丝总数量为25806，经过多道次拉拔、扭绞、最终拉伸、镀铬和热处理，获得Cu比为0.90、线径为Φ0.818mm的高临界电流密度的Nb₃Sn超导线。

实施例3

步骤1，将直径为Φ99mm、晶粒度为6级的Nb锭清洁后装在Φ110/Φ100mm的第一Cu包套中，盖上端盖、焊接后获得CuNb单体锭，再经挤压、扒皮、多道次拉拔、成型、定尺切断等工序加工，获得尺寸为H5.88×300mm、Cu比为0.18的六棱柱状的CuNb单体棒。

步骤2，将253支步骤1得到的CuNb单体棒清洗后组装在Φ115/Φ103×320mm第二Cu包套中，再经过除气、真空电子束焊接、热等静压、挤压、多道次拉拔、成型、定尺切断等工序加工，获得Cu比为0.36的六棱柱和异型柱的CuNb复合棒，其中六棱柱的CuNb复合棒的尺寸为H4.00×1500mm。

步骤3，通过熔炼、车削、机加、拉拔获得SnTi合金棒，将清洁后的SnTi合金棒装入清洁后的第一Cu管中，经过多道次冷拉拔、成型、定尺切断，获得Cu比为0.30的六棱柱和异型柱状的SnTiCu单体棒，其中六棱柱的SnTiCu单体棒的尺寸为H4.00×1500mm。

步骤4，将直径为Φ100×650mmCu锭装入尺寸为Φ191/Φ101×650mm的Nb筒中，再装入尺寸为Φ202/Φ192×670mm的第三Cu包套中，盖上端盖，经过挤压、切头锯尾、拉拔、成型、定尺切断，获得尺寸为H20.00×1500mm的含Nb阻隔层Cu芯棒。

步骤5，将步骤2获得的CuNb复合棒、步骤3得到的SnTiCu单体棒和步骤4获得的含Nb阻隔层Cu芯棒清洁后，以图3所示的组装方式组装在尺寸为Φ64/Φ63×1500mm的Ta管中，再穿过尺寸为Φ85/Φ65×1500mm的第二Cu管，获得最终坯料。最终坯料由114个六棱柱CuNb复合棒、12个异型（梯形）CuNb复合棒、54个六棱柱SnTiCu单体棒和12个异型（扇形）SnTiCu单体棒组成，Nb芯丝总数量为31878，经过多道次拉拔、扭绞、最终拉伸、镀铬和热处理，获得Cu比为0.80、线径为Φ0.818mm的高临界电流密度的Nb₃Sn超导线。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种Nb₃Sn超导线制备方法，其特征在于，包括：

将Nb锭安装在第一Cu包套中，获得CuNb单体锭；

将所述CuNb单体锭进行加工，形成CuNb单体棒；

将所述CuNb单体棒组装在第二Cu包套中，经过加工后形成CuNb复合棒（800）；

将SnTi合金棒装入第一Cu管中，经过加工形成SnTiCu单体棒（600）；

将Cu锭（300）装入Nb筒（200）中，再装入第三Cu包套（100），经过加工形成含Nb阻隔层Cu芯棒（700）；

将所述SnTiCu单体棒（600）、含Nb阻隔层Cu芯棒（700）和CuNb复合棒（800）组装在Ta管（500）中，再装入第二Cu管（400）中，获得最终坯料；

对所述最终坯料进行加工，得到Nb₃Sn超导线。

2.根据权利要求1所述的一种Nb₃Sn超导线制备方法，其特征在于，将熔炼得到的SnTi合金锭挤压获得SnTi合金棒，再将清洁后的SnTi合金棒穿过无氧铜管，进行冷拉拔获得SnTiCu单体棒。

3.根据权利要求1所述的一种Nb₃Sn超导线制备方法，其特征在于，在将所述Cu锭（300）装入所述Nb筒（200）后，还在所述Nb筒（200）两端焊接端盖。

4.根据权利要求1所述的一种Nb₃Sn超导线制备方法，其特征在于，所述最终坯料进行加工后，还依次进行拉伸、镀铬和热处理。

5.根据权利要求1所述的一种Nb₃Sn超导线制备方法，其特征在于，所述SnTiCu单体棒（600）、含Nb阻隔层Cu芯棒（700）和CuNb复合棒（800）均为六棱柱，将所述SnTiCu单体棒（600）、含Nb阻隔层Cu芯棒（700）和CuNb复合棒（800）组装在所述Ta管（500）后，所述含Nb阻隔层Cu芯棒（700）位于中心，多个所述SnTiCu单体棒（600）和多个CuNb复合棒（800）围绕在所述含Nb阻隔层Cu芯棒（700）四周设置，且每个所述SnTiCu单体棒（600）周围具有6个所述CuNb复合棒（800），而每个所述CuNb复合棒（800）周围具有3个所述CuNb复合棒（800）以及3个所述SnTiCu单体棒（600）。

6.根据权利要求5所述的一种Nb₃Sn超导线制备方法，其特征在于，所述SnTiCu单体棒（600）和CuNb复合棒（800）还包括异形柱，六棱柱的所述SnTiCu单体棒（600）和多个CuNb复合棒（800）将所述Ta管（500）填满后，所述Ta管（500）和SnTiCu单体棒（600）、多个CuNb复合棒（800）之间的间隙，以及所述含Nb阻隔层Cu芯棒（700）和SnTiCu单体棒（600）、多个CuNb复合棒（800）之间的间隙由异形柱状的所述SnTiCu单体棒（600）和CuNb复合棒（800）填充。

7.一种Nb₃Sn超导线，其特征在于，所述Nb₃Sn超导线采用权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到。