CN117253670B - 一种渗氧Nb3Sn超导线材及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超导材料技术领域,公开了一种渗氧Nb3Sn超导线材及其制备方法与应用。从外周到中心依次为铜、Nb‑Ta‑X合金、SnCu的复合棒,拉拔后去除外周的铜,获得从外周到中心依次为Nb‑Ta‑X合金、SnCu的复合线;将所述复合线置于富含氧气的气体环境或包覆于金属氧化物中高温处理50h~200h制得含氧复合线;将所述含氧复合线表面覆铜后高温处理制得渗氧Nb3Sn超导线材;所述X为第Ⅳa族金属元素。本发明通过高温渗氧和镀铜制备出含有XO掺杂中心的Nb3Sn超导线材,解决了渗氧Nb3Sn超导线材加工困难的问题,有效降低了线材内部Nb3Sn晶粒,提高了Nb3Sn线材临界电流密度。
Description
技术领域
本发明属于超导材料技术领域,公开了一种渗氧Nb3Sn超导线材及其制备方法与应用。
背景技术
Nb3Sn超导线材是商业化用于制作磁体的重要材料,广泛应用于核聚变、医疗成像、科研用磁体等领域。临界电流密度是Nb3Sn超导线材一项关键的性能指标,提高Nb3Sn超导线材的临界电流密度可以通过提升其上临界磁场或细化Nb3Sn的晶粒来获得。前者可以通过在制备Nb3Sn超导线材的前驱体材料的Nb基体中添加微量元素的方法对Nb3Sn进行掺杂来实现。后者可以通过一定的方法在Nb中添加第二相的粒子,阻止Nb3Sn晶粒在热处理过程中合并并且提供新的形核中心来实现。
在Nb基体中直接添加第二相粒子会严重加剧其加工硬化,造成后续Nb3Sn复合线的断线。如何设计Nb3Sn线材结构和优化线材加工流程,使得第二相粒子以适合批量化制备长线的方式将引入Nb基体是目前细化Nb3Sn晶粒面临的主要问题。
发明内容
本发明的目的是一种渗氧Nb3Sn超导线材及其制备方法,通过结合高温渗氧获得一种Nb3Sn线材结构,该结构可以有效在Nb3Sn线材中引入氧化物掺杂元素,提高Nb3Sn超导线材热处理后临界电流密度。
基于上述目的,本发明提供了一种渗氧Nb3Sn超导线材及其制备方法与应用来满足本领域内的这种需要。
一方面,本发明提供了一种渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法,其包括:从外周到中心依次为铜、Nb-Ta-X合金、SnCu的复合棒,拉拔后去除外周的铜,获得从外周到中心依次为Nb-Ta-X合金、SnCu的复合线;
将所述复合线置于富含氧气的气体环境或包覆于金属氧化物中高温处理50h~200h制得含氧复合线;
将所述含氧复合线表面覆铜后高温处理制得渗氧Nb3Sn超导线材;
所述X为第Ⅳa族金属元素;
所述Nb-Ta-X合金中,Ta的质量占比为0.01~10%,X的质量占比为0.01~20%,余量为Nb。
进一步地,本发明提供的渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法中,所述X为Hf或Zr。
进一步地,本发明提供的渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法中,所述富含氧气的气体环境中,氧气浓度体积百分比不低于10%。
进一步地,本发明提供的渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法中,所述金属氧化物包括SnO粉末。
进一步地,本发明提供的渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法中,所述含氧复合线的制备中,高温处理为200℃~600℃。
另一方面,本发明提供了一种Nb3Sn超导线材,其采用上述渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法制得。
另一方面,本发明涉及上述的渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法在Nb3Sn超导线材中掺杂氧元素的应用。
另一方面,本发明涉及上述的渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法在提高Nb3Sn超导线材临界电流密度中的应用。
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:
本发明通过高温渗氧和镀铜制备出含有XO(X为第Ⅳa族金属元素)掺杂中心的Nb3Sn超导线材,解决了在Nb基体中直接添加第二相粒子会严重加剧其加工硬化,造成后续Nb3Sn复合线的断线的问题。通过在Nb3Sn超导线材内部引入XO(X为第Ⅳa族金属元素)掺杂中心,有效降低了线材内部Nb3Sn晶粒,提高了Nb3Sn线材临界电流密度。
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是从外周到中心依次为铜、Nb-Ta-X合金、SnCu的复合棒的结构截面示意图。其中,X为第Ⅳa族金属元素。
图2是本发明制得Nb3Sn超导线材的截面示意图。
附图标记说明如下:1、Cu基体;2、Nb-Ta-X合金基体;3、SnCu基体;4、Nb-Ta-X合金基体;5、覆铜基体。
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。
本发明提供了渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1:通过挤压或穿管制备得到从外周到中心依次为铜、Nb-Ta-X合金(X为第Ⅳa族金属元素)、SnCu的复合棒,拉拔至细丝,在经过物理或者化学方法去除复合棒外层的铜体,获得从外周到中心依次为Nb-Ta-X合金、SnCu的复合线。复合线的结构如图1所示。
步骤2:将步骤1得到的复合线置于富含氧气的气体环境或包覆于金属氧化物中进行200~600℃的高温热处理50h~200h制得含氧复合线。
步骤3:将步骤2得到含氧复合线表面覆铜(示例性地,采用电镀的方式进行表面覆铜),含氧复合线表面覆铜的结构如图2所示,然后高温处理制得渗氧Nb3Sn超导线材。
上述技术方案中,本发明的制备方法中未详尽描述的工艺参数,比如热挤压、拉拔,可参照现有Nb3Sn线材工艺执行,因此在本申请中不再赘述。
实施例1
本实施例提供了一种渗氧Nb3Sn超导线材的制备。
(1)通过将直径10mm内径8mm的Nb-Ta-Hf管(Ta的质量占比为0.01%,Hf的质量占比为0.01%,余量为Nb)装入外径11mm内径10.5mm的铜管中,在Nb管中装入9mm的SnCu棒,通过多道次冷拉拔,将11mm的复合棒拉拔至0.6mm复合线;
(2)将步骤(1)制备的0.6mm的Cu/Nb-Ta-Hf/SnCu复合线外部铜通过侵蚀方法去除制备出外径0.55mm的Nb-Ta-Hf/SnCu复合线;
(3)将步骤(2)外径0.55mm的Nb-Ta-Hf/SnCu复合线放入含氧体积百分比为10%的气体热处理炉中进行400℃ 100h热处理,保证O原子渗透进度Nb-Ta-Hf基体中形成HfO;
(4)将步骤(3)获得0.55mm的Nb-Ta-HfO/SnCu复合线通过电镀制备成外径0.7mm的Cu/Nb-Ta-HfO/SnCu复合线。
将制备出的0.7mm线材热处理检验,由此制得的Nb3Sn超导股线使用可以有效在Nb-Ta-Hf中引入O原子,经过热处理后,线材内部形成晶粒尺寸50nm左右的铌三锡晶粒,线材临界电流密度提升至5000A/mm2@4.2K,12T。
实施例2
本实施例提供了一种渗氧Nb3Sn超导线材的制备。
(1)通过将直径20mm内径16mm的Nb-Ta-Zr管(Ta的质量占比为5%,Zr的质量占比为10%,余量为Nb)装入外径22mm内径21mm的铜管中,在Nb管中装入15mm的SnCu棒,通过多道次冷拉拔,将22mm的复合棒拉拔至0.2mm复合线;
(2)将步骤(1)制备的0.2mm的Cu/Nb-Ta-Zr/SnCu复合线外部铜通过侵蚀方法去除制备出外径0.15mm的Nb-Ta-Zr/SnCu复合线;
(3)将步骤(2)外径0.15mm的Nb-Ta-Zr/SnCu复合线放入包裹SnO粉末放入热处理炉中进行200℃-200h热处理,保证O原子渗透进度Nb-Ta-Zr基体中形成ZrO;
(4)将步骤(3)获得0.15mm的Nb-Ta-ZrO/SnCu复合线通过电镀制备成外径0.3mm的Cu/Nb-Ta-ZrO/SnCu复合线。
将制备出的0.3mm线材热处理检验,由此制得的Nb3Sn超导股线使用可以有效在Nb-Ta-Zr中引入O原子,经过热处理后,线材内部形成晶粒尺寸60nm左右的铌三锡晶粒,线材临界电流密度提升至4500A/mm2@4.2K,12T。
实施例3
本实施例提供了一种渗氧Nb3Sn超导线材的制备。
(1)通过将直径100mm内径80mm的Nb-Ta-Hf管(Ta的质量占比为10%,Zr的质量占比为20%,余量为Nb)装入外径120mm内径101mm的铜管中,通过挤压和钻孔制备出外径15mm内径9.5mm的Cu/Nb-Ta-Hf管,将外径9mm的SnCu棒装入复合管中,通过多道次冷拉拔,将外径15mm的复合棒拉拔至0.1mm复合线;
(2)将步骤(1)制备的0.1mm的Cu/Nb-Ta-Hf/SnCu复合线外部铜通过侵蚀方法去除制备出外径0.05mm的Nb-Ta-Hf/SnCu复合线;
(3)将步骤(2)外径0.05mm的Nb-Ta-Hf/SnCu复合线包裹SnO粉末装入热处理炉中进行600℃ 50h热处理,保证O原子渗透进度Nb-Ta-Hf基体中形成HfO;
(4)将步骤(3)获得0.05mm的Nb-Ta-HfO/SnCu复合线通过电镀制备成外径0.1mm的Cu/Nb-Ta-HfO/SnCu复合线。
将制备出的0.1mm线材热处理检验,由此制得的Nb3Sn超导股线使用可以有效在Nb-Ta-Hf中引入O原子,经过热处理后,线材内部形成晶粒尺寸45nm左右的铌三锡晶粒,线材临界电流密度提升至5500A/mm2@4.2K,12T。
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 (4)
1.一种渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法,其特征在于,包括:从外周到中心依次为铜、Nb-Ta-X合金、SnCu的复合棒,拉拔后去除外周的铜,获得从外周到中心依次为Nb-Ta-X合金、SnCu的复合线;
将所述复合线置于富含氧气的气体环境或包覆于金属氧化物中高温处理50h~200h制得含氧复合线;
将所述含氧复合线表面覆铜后高温处理制得渗氧Nb3Sn超导线材;
所述Nb-Ta-X合金中,Ta的质量占比为0.01~10%,X的质量占比为0.01~20%,余量为Nb;
所述X为Hf或Zr;
所述富含氧气的气体环境中,氧气浓度体积百分比不低于10%;
所述金属氧化物包括SnO粉末;
所述含氧复合线的制备中,高温处理为200℃~600℃。
2.一种Nb3Sn超导线材,其特征在于,采用权利要求1所述的渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法制得。
3.权利要求1所述的渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法在Nb3Sn超导线材中掺杂氧元素的应用。
4.权利要求1所述的渗氧Nb3Sn超导线材的制备方法在提高Nb3Sn超导线材临界电流密度中的应用。
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