CN116786622A - 一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法，以无氧铜锭横截面中心为圆心，将无氧铜锭横截面分为若干面积不等的同心圆环，每圆环区域钻均匀分布且大小相等的通孔，不同区域通孔大小不同，由内向外通孔直径由大变小，通孔层间距由内向外逐渐减小。通过多孔铜锭中孔的分布，将均匀分布的通孔改变为沿半径方向由内向外直径逐渐减小的通孔，由此增加了亚组元拉拔成型后Nb芯丝的均匀性，保证了后续长线加工能力及线材性能的稳定；放大了内层芯丝之间的层间距，缩小了外层芯丝之间的层间距，增加了通孔数量，提高了线材Nb/Sn比，提高线材临界电流密度；减少了热处理过程中芯丝的搭接，使线材磁滞损耗水平显著降低。
Description
技术领域
本发明涉及超导材料技术领域，具体为一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法。
背景技术
Nb3Sn超导线材具有高的临界电流密度，是制造高场磁体的重要原材料。内锡法是制备Nb3Sn超导线材的主要方法之一，目前国际上性能最高、应用最广的Nb3Sn超导线材均采用内锡法制备工艺，其通常采用多次复合的方式，即将Nb棒装入多孔铜锭1中挤压得到CuNb复合棒，然后将Sn2Ti合金棒插入钻孔后的CuNb复合棒中多道次拉拔成型得到亚组元，最后将亚组元集束组装入无氧铜管进行多道次拉拔得到Nb3Sn复合线。通过多孔铜锭1的设计可以改变超导线材中的Nb/Sn比，从而改变线材最终性能。
目前Nb3Sn超导线材用多孔铜锭通常采用多层均匀分布的方式，每层孔径大小相同，沿圆周均匀分布。而Nb3Sn超导线材主要采用冷拉拔方式加工，异型亚组元内层芯丝较外层芯丝变形更大，复合线中内层芯丝更细，易导致断线，且最终线材热处理后内层芯丝搭接，增大了线材的磁滞损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法，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：
一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法，包括以下步骤：
步骤1：选取无氧铜锭作为坯锭，采用深钻孔的方法沿坯锭长度方向钻若干层通孔，且每层通孔在坯锭半径方向上直径逐渐减小，通孔层间距为沿坯锭半径方向由内向外逐渐减小，得到多孔铜锭；
步骤2：将步骤1制得的多孔铜锭进行清洗，然后将不同直径的Nb棒清洗后插入清洗后的多孔铜锭的通孔中，随即将其两端加上铜盖再用真空电子束封焊，得到CuNb复合包套；
步骤3：将步骤2得到的CuNb复合包套进行挤压处理，将挤压得到的棒材多道次拉伸后定尺切断，得到CuNb复合棒；
步骤4：将步骤3得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，将清洁后的Sn2Ti合金棒插入清洗后的CuNb复合管中，得到亚组元坯料，经多道次拉伸成型处理，定尺切断后得到亚组元；
步骤5：将阻隔层及步骤4得到的亚组元清洁后，集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn最终坯料，然后进行多次拉伸，制得Nb3Sn超导线材。
进一步优选地，所述步骤1中，无氧铜锭的规格为直径300～550mm、长度600～1000mm；通孔的总数量为200～300个，每个通孔直径为5～25mm，且在其半径方向通孔直径逐渐减小；
进一步优选地，所述步骤1中，通孔层数4～7层，每层孔的数量为35～60个，最内层孔径为φ15mm～25mm，最外层孔径为φ8mm～14mm，通孔层间距为8~20mm，增大了内层孔间距，通孔层间距由内向外逐渐减小。
进一步优选地，所述步骤3中，挤压得到的棒材直径为70～110mm，多道次拉伸后定尺切断得到的CuNb复合棒长度为2000～2500mm。
进一步优选地，所述步骤4中定尺切断后得到亚组元长度为3000～3500mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法，以无氧铜锭横截面中心为圆心，将无氧铜锭横截面分为若干面积不等的同心圆环，每圆环区域钻均匀分布且大小相等的通孔，不同区域通孔大小不同，由内向外通孔直径由大变小，通孔层间距由内向外逐渐减小。通过多孔铜锭中孔的分布，将均匀分布的通孔改变为沿半径方向由内向外直径逐渐减小的通孔，由此增加了亚组元拉拔成型后Nb芯丝的均匀性，保证了后续长线加工能力及线材性能的稳定；放大了内层芯丝之间的层间距，缩小了外层芯丝之间的层间距，增加了通孔数量，提高了线材Nb/Sn比，提高线材临界电流密度；减少了热处理过程中各层芯丝的搭接，使线材磁滞损耗水平显著降低。
附图说明
图1为本发明的一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法中多孔铜锭的截面结构示意图；
图中：1、多孔铜锭；2、通孔；3、通孔层间距。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法，包括以下步骤：
步骤1：选取无氧铜锭作为坯锭，采用深钻孔的方法沿坯锭长度方向钻若干层通孔2，且每层通孔2在坯锭半径方向上直径逐渐减小，通孔层间距3沿坯锭半径方向由内向外逐渐减小，得到多孔铜锭1；无氧铜锭的规格为直径300～550mm、长度600～1000mm；通孔2的总数量为200～300个，每个通孔2直径为5～25mm，且在其半径方向通孔2直径逐渐减小；通孔2层数4～7层，每层孔的数量为35～60个，最内层孔径为φ15mm～25mm，最外层孔径为φ8mm～14mm，通孔层间距3为8~20mm，增大了内层孔间距，通孔层间距3由内向外逐渐减小。
步骤2：将步骤1制得的多孔铜锭1进行清洗，然后将不同直径的Nb棒清洗后插入清洗后的多孔铜锭1的通孔2中，随即将其两端加上铜盖再用真空电子束封焊，得到CuNb复合包套。
步骤3：将步骤2得到的CuNb复合包套进行挤压处理，将挤压得到的棒材多道次拉伸后定尺切断，得到CuNb复合棒；挤压得到的棒材直径为70～110mm，多道次拉伸后定尺切断得到的CuNb复合棒长度为2000～2500mm。
步骤4：将步骤3得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，将清洁后的Sn2Ti合金棒插入清洗后的CuNb复合管中，得到亚组元坯料，经多道次拉伸成型处理，定尺切断后得到亚组元；定尺切断后得到亚组元长度为3000～3500mm。
步骤5：将阻隔层及步骤4得到的亚组元清洁后，集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn最终坯料，然后进行多次拉伸，制得Nb3Sn超导线材。
实施例1
选取直径为300mm，长度为600mm的无氧铜锭作为坯锭，采用深钻孔的方法沿坯锭长度方向钻4层通孔2，最内层通孔2的孔径为φ15mm，最外层通孔2的孔径为φ8mm；每层通孔2的孔的数量为35～60个，通孔2总数量为200个，且在其半径方向通孔2直径由内向外逐渐减小，通孔层间距3为8~15mm，即得多孔铜锭1；
将制得的多孔铜锭1进行清洗；将清洗后的Nb棒插入清洗后的多孔铜锭1的通孔2中，随即将其两端加上铜盖再用真空电子束封焊，得到CuNb复合包套；
将得到的CuNb复合包套挤压得到φ70mm的棒材，将挤压得到的棒材多道次拉伸至φ47mm后定尺切断为2000mm的CuNb复合棒；
将得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，将清洁后的Sn2Ti合金棒插入清洗后的CuNb复合管中，得到亚组元坯料，经多道次拉伸成型处理，定尺切断后得到3000mm的亚组元；
将清洁后阻隔层及亚组元，集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn最终坯料，然后进行多次拉伸，即可制得Nb3Sn超导线材。
其中超导线材中Nb/Sn提高5%，线材在12T磁场下临界电流达到350A。
实施例2
选取直径为400mm，长度为800mm的无氧铜锭作为坯锭，采用深钻孔的方法沿坯锭长度方向钻5层通孔2，最内层通孔2的孔径为φ20mm，最外层通孔2的孔径为φ11mm；每层通孔2的数量为35～60个，通孔2的总数量为250个，且在其半径方向通孔2直径由内向外逐渐减小，通孔层间距3为10~17mm，即得多孔铜锭1；
将制得的多孔铜锭1进行清洗；将清洗后的Nb棒插入清洗后的多孔铜锭1的通孔2中，随即将其两端加上铜盖再用真空电子束封焊，得到CuNb复合包套；
将到的CuNb复合包套挤压得到φ100mm的棒材，将挤压得到的棒材多道次拉伸至φ47mm后定尺切断为2200mm的CuNb复合棒；
将得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，将用清洁后的Sn2Ti合金棒插入清洗后的CuNb复合管中，得到亚组元坯料，经多道次拉伸成型处理，定尺切断后得到3300mm的亚组元；
将清洁后阻隔层及亚组元，集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn最终坯料，然后进行多次拉伸，即可制得Nb3Sn超导线材。
其中超导线材中Nb/Sn提高7%，线材在12T磁场下临界电流达到370A。
实施例3
选取直径为550mm，长度为1000mm的无氧铜锭作为坯锭，采用深钻孔的方法沿坯锭长度方向钻6层通孔2，最内层通孔2的孔径为φ25mm，最外层通孔2的孔径为φ14mm；每层通孔2的数量为35～60个，通孔2的总数量为300个，且在其半径方向通孔2直径由内向外逐渐减小，通孔层间距3为15~20mm，即得多孔铜锭1；
将制得的多孔铜锭1进行清洗；将清洗后的Nb棒插入清洗后的多孔铜锭1的通孔2中，随即将其两端加上铜盖再用真空电子束封焊，得到CuNb复合包套；
将得到的CuNb复合包套挤压得到φ110mm的棒材，将挤压得到的棒材多道次拉伸至φ47mm后定尺切断为2500mm的CuNb复合棒；
将得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，将用清洁后的Sn2Ti合金棒插入清洗后的CuNb复合管中，得到亚组元坯料，经多道次拉伸成型处理，定尺切断后得到3500mm的亚组元；
将清洁后阻隔层及亚组元，集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn最终坯料，然后进行多次拉伸，即可制得Nb3Sn超导线材。
其中超导线材中Nb/Sn提高10%，线材在12T磁场下临界电流达到380A。
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，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
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)
1.一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选取无氧铜锭作为坯锭，采用深钻孔的方法沿坯锭长度方向钻若干层通孔（2），且每层通孔（2）在坯锭半径方向上直径逐渐减小，通孔层间距（3）沿坯锭半径方向由内向外逐渐减小，得到多孔铜锭（1）；
步骤2：将步骤1制得的多孔铜锭（1）进行清洗，然后将不同直径的Nb棒清洗后插入清洗后的多孔铜锭（1）的通孔（2）中，随即将其两端加上铜盖再用真空电子束封焊，得到CuNb复合包套；
步骤3：将步骤2得到的CuNb复合包套进行挤压处理，将挤压得到的棒材多道次拉伸后定尺切断，得到CuNb复合棒；
步骤4：将步骤3得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，将清洁后的Sn2Ti合金棒插入清洗后的CuNb复合管中，得到亚组元坯料，经多道次拉伸成型处理，定尺切断后得到亚组元；
步骤5：将阻隔层及步骤4得到的亚组元清洁后，集束装入清洗后的无氧铜管中，得到Nb3Sn最终坯料，然后进行多次拉伸，制得Nb3Sn超导线材。
2.根据权利要求1所述的一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法，其特征在于：所述步骤1中，无氧铜锭的规格为直径300～550mm、长度600～1000mm；通孔（2）的总数量为200～300个，每个通孔（2）直径为5～25mm。
3.根据权利要求1所述的一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法，其特征在于：所述步骤1中，通孔（2）层数4～7层，每层通孔（2）的数量为35～60个，最内层通孔（2）的孔径为φ15mm～25mm，最外层通孔（2）的孔径为φ8mm～14mm，通孔层间距（3）为8~20mm。
4.根据权利要求1所述的一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法，其特征在于：所述步骤3中，挤压得到的棒材直径为70～110mm，多道次拉伸后定尺切断得到的CuNb复合棒长度为2000～2500mm。
5.根据权利要求1所述的一种提高Nb3Sn芯丝均匀性的线材制备方法，其特征在于：所述步骤4中定尺切断后得到亚组元长度为3000～3500mm。
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