CN1972758B - 提高Nb3Sn超导线材中的临界密度 - Google Patents

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Abstract

通过控制分布式阻挡层子单元设计中的下列参数在4.2K温度和12T磁场下获得了3000A/mm2的内锡线材临界电流密度∶青铜中Sn的重量百分比；Nb∶Sn原子比；可反应的阻挡层；相对于单丝厚度的阻挡层厚度；向Nb3Sn添加诸如Ti和Ta的掺杂物；重堆垛和线材变细的设计以便控制随后热反应阶段的最大单丝直径。

Description

提高Nb3Sn超导线材中的临界密度
相关申请
本申请要求于2004年2月19日提出的美国临时申请No.60/545,958为优先权。
技术领域
本申请主要涉及超导材料和它们的制造方法，更具体涉及在Nb3Sn超导线材中的临界电流密度。
背景技术
目前，存在两种基本的制造Nb3Sn超导线材的生产路线。最为常用的是所谓的“青铜路线”，这是因为它的特征在于青铜(铜-锡)基体中处理的Nb单丝。青铜路线的线材是目前世界范围内Nb3Sn线材生产主要来源。其普及的原因在于尽管需要中间退火，但生产过程相当直接且能够适于许多大的尺寸。对于需要较高超导临界电流水平的应用，使用所谓“内锡”工艺，(称“内锡”是因为在最后的热处理步骤之前锡与铜是分开的)，因为它能在高磁场下传输数倍于青铜工艺线材的超电流。这是因为内锡工艺允许产生具有更多锡的线材，因此能够在最终线材的横截面上提供更多的Nb3Sn。本发明是关于Nb3Sn线材生产的“内锡”工艺的改进。
超导线材的一个重要性能量度是临界电流密度，Jc，它定义为线材所能传输的最大电流除以线材的横截面积(或某个限定的面积分数)。用于表示临界电流密度的常用形式是非铜临界电流密度，其中除以的面积是除稳定铜之外的全部面积。通过“内锡”工艺制得的Nb3Sn超导线材(主要是Cu、Nb和Sn和/或它们合金制得的复合物)的Jc强烈依赖于线材横截面上存在的Nb和Sn的分数。通常，线材中Nb和Sn的分数越高，通过线束的热处理可以转变为Nb3Sn超导相的线材分数就越高。因此，通过内锡工艺制成的高Jc的Nb3Sn线束的新式设计包括高的Nb和Sn分数，和低的Cu含量。
尽管具有最高理论Jc的线材是仅由Nb和Sn以3∶1的化学计量原子比制成(因为这将最大化横截面上的Nb3Sn含量并最小化非超导Cu的分数)，实际上横截面中需要一定量的Cu。在超导组件(package)或“子单元(subelement)”中的铜具有几种作用，包括：
1.Cu使线材更容易进行处理，因为铜具有介于较硬的Nb和较软的Sn之间的硬度水平。因此，将Cu置于单丝之间，置于Sn芯和Nb单丝之间，和置于子单元之间以帮助拉拔过程。
2.需要少量的Cu以降低Nb和Sn转变为Nb3Sn所需的反应温度。这对于获得导致高Jc的Nb3Sn显微结构是需要的，从设备制造的观点也是需要的。
Cu还具有另外的作用，与本发明相关的一种作用是：
3.Nb单丝之间的铜作为Sn扩散的通道，以便允许Sn源分散到所有子单元和所有Nb单丝中。在热处理过程中存在可被线材中所有Nb单丝局部利用的足够的Sn，对于使Nb反应为Nb3Sn，以及获得导致高Jc的Nb3Sn显微结构是重要的。
因此设计高电流密度的Nb3Sn线材的问题被简化成，向能够加工和热处理产生可实际利用线束的组件中加入最优比例的Nb、Sn和Cu组分，其中当超电流接近其临界值时所述线束电稳定(即，以便使小的不均匀性不会导致没有上限值的超电流损失，这被称为“失超”(quench))。本发明确定了这种线材的设计和生产这种线材的方法。尽管本发明的许多单独要素可能是现有技术或在工业中是已知的，但本发明是所有能产生高临界电流密度的概念的唯一总结和协同整合。一些过去的设计例如Murase的美国专利No.4,776,899中的“管工艺(tube process)”，在扩散阻挡层中具有非常高的Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)值，而其它设计具有低LAR(见下文)的细单丝；而其它设计已具有分布式扩散阻挡层，该分布式扩散阻挡层的定义为：各个独立子单元周围的被铜分隔开的许多扩散阻挡层，而非包覆所有子单元的单一扩散阻挡层；但没有人解决所有对有效性关键的问题，也没有提供解决这些问题的方法。这种唯一性的证据在于，尽管许多这些单独的概念可回溯至1970年代中期，始于Hashimoto的美国专利No.3,905,839，然而本发明可典型在4.2K，12特斯拉下产生约3000A/mm2的非铜临界电流密度，并在4.2K，15特斯拉下产生约1700A/mm2的非铜临界电流密度，这比内锡超导线材的最初发明提高约10倍并且比1990年代晚期的现有技术值提高约50％。
发明内容
根据本发明，通过在分布式扩散阻挡层子单元设计中控制下列参数，在由内锡工艺制成的Nb3Sn超导线材中在4.2K和12T下获得3000A/mm2范围的非铜临界电流密度：扩散阻挡层内的Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)；包括扩散阻挡层的和在扩散阻挡层内的Nb∶Sn原子比；单丝组件区域中的局部面积比；可反应的Nb扩散阻挡层；相对于单丝半径的Nb扩散阻挡层厚度；向Nb3Sn中添加如Ti或Ta的掺杂物；以及重堆垛和线材变细以便控制热处理阶段的最大单丝直径。
附图说明
图1是用于帮助定义局部面积比或LAR的单丝组件(pack)的示意图；
图2是线材进行热处理前，依照本发明的超导线材的示意横截面视图(不按比例)；
图3是线材进行热处理前，图2线材中所使用的一个子单元的放大横截面视图；
图4是非铜临界电流密度相对于扩散阻挡层中的Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)的曲线图；
图5是依照本发明生产的线材在4.2K和12T-16T下的非铜临界电流密度相对于磁场的曲线图；
图6是依照本发明生产的线材在4.2K和1.8K以及20T-25T下的工程和非铜临界电流密度相对于磁场的曲线图；
图7显示了依照本发明生产的线材在热处理之前和之后的显微照片。
具体实施方式
关键术语的定义
对于本说明书，下面的术语应具有所述的含义：
临界电流密度-超导体的关键品质因数，它是特定的温度和磁场下，最大测量超电流除以总线材直径。
非铜临界电流密度-由于大部分Nb3Sn线束与非超导的铜稳定剂区域相结合，该值为了比较去掉了铜稳定剂的面积分数，以便可以在不同铜稳定剂分数的导体之间比较超导组件区域的性能。
层临界电流密度-非铜临界电流密度的变体，该值去掉了扩散阻挡层外侧上的稳定铜(见下文)和扩散阻挡层内部的未反应的残余青铜相(见下文)以及孔隙空间。反应后，这使横截面积只留下Nb3Sn的量。如果Nb3Sn相的品质较差，那么它的临界电流密度将低于相同量的高品质Nb3Sn。本发明产生高的总临界电流密度，部分原因是因为层临界电流密度高于以前在Nb3Sn线材中所获得的层临界电流密度。
子单元-在“分布式阻挡层”设计中，在铜管中进行重堆垛之前，将铜包覆的Nb棒和锡源组装在Nb扩散阻挡层中。将集中在一起构成最终重堆垛件的单元称为子单元。该重堆垛件将被拉拔成最终的线材；子单元是最终线材的关键构件。由于理想情况下这种外部Cu管在反应过程中是惰性的，所有的重要作用(扩散和反应)都发生在子单元内部。因此本发明的关键特点涉及子单元中的金属面积和尺寸比例。
局部面积比或LAR-在图1中，显示了多个单丝棒10的放大“局部区域”，所述多个单丝棒10限定了图3中子单元22的“单丝组件区域”15。每个单丝棒10均由Nb11和Cu12构成。LAR是子单元单丝组件区域的局部区域中Cu与Nb的面积比或体积比。它代表Nb单丝间隔的紧密程度和Cu通道(在反应阶段为Sn扩散所必需)的宽度。由于子单元的许多体积被Nb单丝组件区域占据，LAR的值强烈影响导体中Nb的总分数。
LAR＝Cu面积％/Nb面积％，且有Cu面积％+Nb面积％＝1
扩散阻挡层内Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)-内锡线材要求Sn扩散通过Cu以与Nb反应。在此过程中形成多种青铜相，每一种都具有特定的Sn和Cu比例。然而，当我们提到Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)时，我们指的是子单元扩散阻挡层内Sn与Sn+Cu的总的重量比，即使它不代表真实存在的青铜相。它相反用于说明子单元内可与Nb反应的总Sn量。
Nb∶Sn原子比-Nb与Sn的原子比。理想情况下该值是3∶1以形成化学计量的Nb3Sn。如果希望热处理过程后剩余有额外的未反应Nb阻挡层，那么该值需要大于3∶1。通常希望未反应的Nb阻挡层用于防止Sn扩散到扩散阻挡层外的基体Cu中，并避免降低线材的剩余电阻率(RRR)和稳定性。如果该值远大于3∶1，这时子单元中存在的Nb远大于形成Nb3Sn所需的Nb，并且尽管RRR高，但在子单元中存在浪费空间，从而降低了非Cu临界电流密度。
在本发明中，Nb3Sn线材设计参数的选择结合了导致高Jc的因素的认识。该设计结合了在最终线材中获得高Nb3Sn分数所必需的高的Nb和Sn分数，和小的Cu分数，但仍需满足下面列出的10个目的。本解释(caveat)意指所述Cu(Ca)需要具有适当的分布和/或导致Nb充分转变为高品质Nb3Sn显微结构的合金元素。
因此影响Jc的线材设计的重要材料细节包括：
1.通过使用Nb或Sn的合金对Nb3Sn掺杂例如Ti和Ta的元素以提高性能
2.包括和在子单元Nb扩散阻挡层内的Nb面积分数
3.包括子单元Nb扩散阻挡层和在该层内的Nb和Sn原子比
4.在“非铜分数”内Sn与Cu的面积比-子单元的Nb阻挡层包壳中的Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)
5.在单丝组件中Cu和Nb的面积比(局部面积比)
6.与单扩散阻挡层方法相反的分布式阻挡层(下文)方法
7.能反应形成Nb3Sn的Nb或Nb合金扩散阻挡层
8.Nb扩散阻挡层厚度与单丝直径的比，和因此在单丝和外部扩散阻挡层之间的Nb分布(分数)
9.最终线材中Nb单丝和Nb阻挡层环的绝对尺寸
10.热处理过程中Nb单丝在富Sn环境中的溶解的最小化，以及单丝完全转变成Nb3Sn时过度的Nb3Sn晶粒生长的最小化。
关于项目(item)1，在文献中众所周知，需要Nb合金(例如Nb-Ta、Nb-Ti、Nb-Ta-Ti)和/或Sn合金(例如Sn-Ti、Sn-Cu)以生产最高Jc的线束。因此，对所用的Nb和Sn合金的详细讨论在这里并不是必需的，尽管认为Nb和Sn合金的选择也是一种重要的设计参数，但掺杂若干例如Ta和/或Ti是获得最佳性能所必需的。
关于项目2，需要最大化子单元非铜区域中的Nb面积分数(即，Nb扩散阻挡层内部且包括该扩散阻挡层)，但同时受非铜区域中需要的Cu量和Sn量的限制。Nb分数来自于扩散阻挡层和被包封的Nb单丝组件区域。通过将Nb和一些形式的Cu包覆层结合来制备单个的Nb单丝。通常通过对铜包壳中Nb锭进行挤压实现，通过线材拉拔将其变细并形成六角形横截面以便于制造路线利用，但是也可以通过在圆棒上缠绕Cu箔并组装成圆形单丝的组件来形成。组装的细节对本发明并不重要；重要的是：包括扩散阻挡层和在该层内的Nb面积分数是指定面积的50-65％。
对于项目3，如前文描述，子单元中理想的Nb与Sn原子比应接近Nb3Sn的原子比，3∶1。然而，实际的考虑因素将影响该比例，当转变为Nb3Sn时，由于阻挡层管的厚度自然发生变化，导致锡向稳定基体中扩散。这种渗漏又会降低线材的RRR和稳定性，使得不对样品淬火(quench)时难以获得理论临界电流。因此在实际中这个最小比例是大约3.3∶1，但小于约3.7∶1以便最小化由未反应Nb组成的未充分利用的线材横截面。如果其它关键参数合适，则低于3∶1的值不会妨碍获得约3000A/mm2(4.2K，12T)的Jc，但会大大降低RRR从而使其成为不实用的导体。该参数的理解和控制是本发明实用性的一部分。
对于项目4，扩散阻挡层内的Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)是关键参数。该值需要大于约45％，且最高约65％，但优选50-60％，以便使Sn与Nb合金快速反应形成极高品质的Nb3Sn相。已经显示这些线材中形成的Nb3Sn相在4.2K，12T下具有5000A/mm2的层临界电流密度，远大于任何其它类型的Nb3Sn本体线材。对于非铜Jc，图4中清楚显示了我们的内锡线材中扩散阻挡层内Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)的作用。尽管扩散阻挡层中高的Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)值最为重要，但如果没有观察到其它所列重要标准，也不能确保高的电流密度。过去，扩散阻挡层内的高Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)值已存在于现有技术的具有不良结果的“管工艺”Nb3Sn中，其原因如本发明的一部分所述。
对于项目5，需要小的局部面积比(LAR)，优选0.10-0.30。最小化LAR对于提高项目1、子单元中的Nb量十分关键。然而，LAR必须大于0因为需要Cu作为锡的扩散网络。“管式工艺”内锡法中缺少铜扩散网络是该工艺不能提供高Jc的原因，尽管扩散阻挡层内具有高的Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)[参见Murase]。
对于项目6，使用Nb或Nb合金的分布式阻挡层。术语“分布式阻挡层”是指其中每个子单元都具有各自的扩散阻挡层的线束设计，与许多锡线材中所见到的环绕整个子单元集合的扩散阻挡层相对，例如用于ITER fusion tokamak项目的内锡设计。据我们所知，通过分布式阻挡层方法以商业数量制成的唯一现有技术内锡线材是所谓的“Modified Jelly Roll”，参见美国专利No.4,262,412和4,414,428。分布式阻挡层方法允许降低子单元中的Cu分数，这会提高扩散阻挡层中的Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)。这是因为在单一阻挡层方法中，由于实际的处理的原因，将子单元重堆垛在阻挡层中之前，子单元外必须留有大量的铜，这又会降低Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)。在本发明中，分布式阻挡层还可以在所有子单元之间提供高导电性铜的连续网络，从而提高电稳定性。单一阻挡层结构对于电流输运能力，特别是最高Jc水平下的电流输运能力，在电学上趋于亚稳定或不稳定。图2中显示了分布式阻挡层的实例，其中分别具有各自的阻挡层31的7个子单元22分布在整个横截面上。
对于项目7，作为扩散阻挡层的可反应Nb环对于最大化线材非铜部分中的Nb含量至关重要。许多内锡线材设计的特征在于惰性的Ta扩散阻挡层，但这会占据子单元横截面中的有用空间，如果使用Nb合金，则该空间将转变为有用的超导体。这一解释在于可反应Nb合金需要足够厚以便其不会全部反应，因此防止锡扩散到铜稳定剂基体中。获得这种恰当的平衡是本发明实施的一部分。
对于项目8，Nb扩散阻挡层的厚度应充分确保在热处理的某个阶段，单丝完全反应而阻挡层只是部分反应；在热处理中使用额外的时间以可控方式使希望的阻挡层分数反应。然而，阻挡层不应过厚否则该非铜区域将具有过大分数的未反应Nb，这会减小非铜Jc。优选的阻挡层厚度与单丝半径的比应为1∶1-6∶1。阻挡层厚度与单丝之间的关系也决定了子单元非铜部分的阻挡层分数。
对于项目9，单丝和阻挡层的绝对尺寸在确定实际热处理时间内Nb是否将完全反应时至关重要。典型地，对于内锡热处理，在适度的磁场中，即12-16特斯拉，较长和/或较高温度的热处理将产生较大的Nb3Sn晶粒尺寸和减小的层临界电流密度。因此较小的Nb单丝将允许选择热处理以便最小化完全反应的单丝中的晶粒尺寸，然而使阻挡层不完全反应，约为50-90％。典型地，在最终的线材条件下，这种Nb单丝直径应至少为0.5μm且不大于7μm，优选1-5μm。
对于项目10，选择适当的热处理是生产高Jc导体所需要的最后步骤。可以选择所有适当的设计参数，但通过热处理使线材反应过度或不足以获得小于最佳的Jc值。必须选择热处理以便使所有单丝和大部分但非全部的扩散阻挡层反应。必须根据经验对此加以确定，因为对于固定的线材设计，最佳热处理会随子单元的尺寸以及线材直径而变化。基本上与线材直径无关，最初的两个过程典型为210℃持续48小时和400℃持续48小时。需要这两个步骤以形成青铜相并引发锡在铜基体中的扩散。如果省略这些步骤，则线材会遭受锡爆裂(bursting)，如果它们过长，富锡青铜相能溶解内部单丝环中的Nb，减少反应可用的Nb。对于最终线材中大于约100μm的子单元，570℃持续48小时的过程对帮助锡扩散是有益的。Nb3Sn形成步骤优选在625-725℃、长度大约为10到大于200小时，这依赖于子单元的尺寸。需要对热处理进行研究以建立每种线材设计的最佳热处理。
根据本发明，已发现下列参数对于在复合线材结构所包含的子单元中产生希望的性能是有用的：扩散阻挡层中Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)至少为45％，优选50-55％；Nb∶Sn原子比等于或大于2.7但不大于3.7，优选约3.45；LAR为0.25-0.1；分布式阻挡层设计；可反应形成Nb3Sn的阻挡层(即，Nb或Nb合金，而不是例如纯Ta)；厚度大于图1中的Nb单丝11半径的阻挡层；添加到Nb3Sn中的诸如Ti或Ta的掺杂物；重堆垛和线材变细的设计以便使反应阶段单丝直径大约为3微米。需要存在所有这些参数，以便确保最终热处理后的线束具有3000A/mm2或更大的电流密度。
在图2中，显示了线材20的示意横截面，在热处理后该线材将构成复丝超导体。线材20并未按比例显示，但基本由堆垛在铜基体24中的多个子单元22组成。应注意的是，在示意图中重堆垛的子单元22形状是六角形，但在图3中为圆形。通常使用这样的形状以帮助超导线材的组装，并使用成型金属加工模具通过线材拉伸获得该形状。然而，子单元22可以是便于重堆垛的任何形状，这种重堆垛形状对于获得高临界电流密度并非至关重要。图2中子单元六角形棒的数目是7个；但该数目可以由1至大于100不等。线材20为其最终的形式；本领域中已知的是，前体子组件与铜包裹Nb棒进行一系列重堆垛，然后进行包括拉拔的机械加工将子组件22缩减为图1和2所示的结构。子单元22外侧的Cu24典型为最终线材面积的20-60％，但根据应用可以更多或更少。该值不影响子单元的临界电流密度，只影响线材的总超电流。
图3的放大横截面中可以很好地看到单个子单元22。通常在铜包壳34中制造子单元。为了确定子单元中的关键金属比例，只考虑包括Nb阻挡层31和在该层内的金属比例。这被定义为子单元的非Cu部分。子单元22包括Sn或Sn合金中心32。该合金几乎完全是Sn；它典型包括小于1重量％的Cu，尽管其它Sn合金也是可能的。Sn合金中心32构成子单元非铜面积的约23-27％。每个子单元22包括多个包覆在铜12的周围层中的Nb或Nb合金单丝11，例如具有7.5重量％Ta的Nb合金。铜35也围绕在Sn基中心32的周围。称为“LAR”的局部面积比是Nb单丝棒区域15内，中间铜12与单丝11的比。可以看到每个子单元22中也存在Nb或Nb合金的阻挡层31，其作用是不仅防止Sn扩散进入子单元22之间的铜填充稳定区域34，而且使得部分反应生成有助于临界电流密度的Nb3Sn。扩散阻挡层31中所有铜的面积总和占子单元面积的约15-25％。
在线材20热处理的初始210℃阶段，Sn扩散到铜基体中，例如从35处开始，形成高Sn％的青铜相。在400℃热处理阶段，Sn进一步从35处扩散到中间铜12中。如果将线材直接加热到Nb3Sn反应阶段而没有这些预反应过程，则锡从固体到液体的快速转变会在子单元中导致快速的差异膨胀和锡爆裂。应注意，本发明的部分实施是可以通过热处理将高Nb和Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)的子单元成功转变形成大体积分数的高品质Nb3Sn。可反应扩散阻挡层中和包含Nb单丝的铜网络中的Nb分布对于获得高Jc而不会在热处理过程中遭受Sn从子单元爆出的线材至关重要。因此本发明消除了“管工艺”高Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)线材遭受锡爆裂的缺陷。
对于大于约100μm的子单元，可以增加570℃且持续48小时的过程以帮助锡从锡源扩散到最远的单丝。在625-725℃热处理阶段，Cu-Sn相与Nb或Nb合金单丝11快速反应。在625-725℃阶段，Nb阻挡层31也反应从而有助于非铜临界电流密度。通过最终热处理阶段的温度和长度可以控制阻挡层反应的程度；由于增加的反应时间最终将导致减小的RRR，所以由最终用户在临界电流密度和RRR间进行权衡。Nb合金单丝11和阻挡层31构成子单元面积的约55-60％。表1汇总了生产本发明线材必需的关键参数。
表1
参数 范围 优选范围
总Nb含量 非Cu的50-65％ 非Cu的55-60％
扩散阻挡层中的Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％) 45-65％ 50-60％
局部面积比 0.10-0.30 0.15-0.25
Nb与Sn的原子比 2.7-3.7 3.1-3.6
Nb单丝直径 0.5-7微米 1-5微米
Nb扩散阻挡层厚度 0.8-11微米 1.5-8微米
Nb的Nb阻挡层分数 20-50％ 25-35％
通过下面的实施例进一步说明本发明，然而，应认为该实施例是举例说明而并非对本发明进行限制：
实施例
在开发和改进本发明的过程中，制备几种不同的线材用于说明上述原理。用于单丝和阻挡层的Nb合金是Nb7.5wt％Ta，使用的Sn合金是Sn0.7wt％Cu。将线材本体加工至0.7mm或0.8mm的直径，尽管由0.4mm-1.6mm直径制得更短长度，对应于35-195μm的子单元尺寸和0.9-5μm的单丝尺寸。最终制得与Modified Jelly Roll工艺制得的内锡线材一样好或更好的最终试件长度(piece length)，在0.7mm和0.8mm直径线材中通常可获得大于1km的试件长度，证明线材的提高性能不会牺牲可加工性。所有的线材均符合表1中列出的优选参数。图5中的曲线显示了在4.2K和12-16特斯拉的外加磁场范围下测量的最佳线材的临界电流密度。值得注意的是，该线材Jc值在4.2K、12T下约50％的提高跨越宽的磁场范围。在图6中显示的4.2K和1.8K以及20-25T下的Jc和JE的曲线(工程临界电流密度，即横截面包括铜稳定剂)显示了样品线材用于23T以上磁体的有效性，而以前认为该磁体难以通过制备Nb3Al或高温超导体获得。在图7中显示了热处理前后的典型样品线材的横截面显微照片。这些证明了依据本发明用于生产3000A/mm2级材料的关键因素是可理解的、可重复的和可控制的。
尽管根据具体实施方案对本发明进行了描述，根据本发明可以理解，本领域的技术人员能够对本发明进行许多变化，然而这些变化仍在本发明提出的范围内。因此，应广泛地理解本发明，并且仅通过附属的权利要求的范围和主旨对本发明进行限制。

Claims (13)

1.一种生产复丝Nb3Sn超导线材的方法，包括如下步骤：
a)在第一含Cu基体和第二含Cu基体中堆垛多个Cu包覆的Nb棒以形成用于所述超导线材的堆垛子单元，该第一含Cu基体被Nb扩散阻挡层包围，而该第二含Cu基体在阻挡层远离所述Cu包覆的Nb棒的另一侧；
b)在所述的子单元中提供Sn源；
c)在子单元中组装金属Nb、Cu和Sn，选择Nb、Cu和Sn的相对尺寸和比例以便使
(1)包括所述Nb扩散阻挡层的和在所述Nb扩散阻挡层内的子单元横截面上的Nb分数为50-65面积％；
(2)包括所述子单元的所述Nb扩散阻挡层的和在所述Nb扩散阻挡层内的Nb对Sn的原子比为2.7-3.7；
(3)在所述子单元的所述Nb扩散阻挡层内的Sn对Cu的比率Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)为45-65％；
(4)所述Cu包覆的Nb棒的Cu与Nb的局部面积比，即子单元单丝组件区域的局部区域中Cu与Nb的面积比或体积比为0.10-0.30；
(5)通过随后的热处理将所述Nb扩散阻挡层全部或部分转变为Nb3Sn；和
(6)所述Nb扩散阻挡层的厚度大于所述Cu包覆的Nb棒的Nb部分的半径；和
d)在另外的Cu基体中组装所述子单元并将组装形成的组合件变细形成线材形式，以便使
(1)所述复丝Nb3Sn超导线材包含多个所述子单元，每个子单元具有Nb扩散阻挡层以由此形成具有分布式阻挡层设计的线材；
(2)在最终线材中所述Cu包覆的Nb棒的Nb部分的直径在反应前为0.5-7μm，和
(3)通过热处理全部或部分转变为Nb3Sn的所述Nb扩散阻挡层在反应前的厚度为0.8-11μm，
e)对来自步骤d)中的最终尺寸的线材进行热处理以形成Nb3Sn超导相；和
f)其中Ta或Ti或其两者与所述Nb或所述Cu或所述Sn或它们的任意组合合金化以便向热处理之后的Nb3Sn提供掺杂物以形成(Nb，Ta)3Sn、(Nb，Ti)3Sn或(Nb，Ti，Ta)3Sn。
2.根据权利要求1的方法，其中使所述Nb或所述Cu或所述Sn与元素或化合物进行合金化以便强化该线材。
3.根据权利要求1的方法，其中子单元的Nb合金部分是包括所述Nb扩散阻挡层的和在所述Nb扩散阻挡层中的子单元所述横截面的55-60面积％。
4.根据权利要求1的方法，其中Nb扩散阻挡层占子单元的总Nb含量的20-50面积％。
5.根据权利要求4的方法，其中Nb扩散阻挡层占子单元的总Nb含量的25-35面积％。
6.根据权利要求1的方法，其中子单元中Nb合金与Sn合金的原子比是3.1-3.6。
7.根据权利要求1的方法，其中子单元中铜与锡合金的比例使Nb扩散阻挡层中Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)为50-60％。
8.根据权利要求1的方法，其中所述Cu包覆的Nb棒的Cu与Nb的局部面积比是0.15-0.25。
9.根据权利要求1的方法，其中在最终线材中所述Cu包覆的Nb棒的Nb部分在反应前具有1-5μm的直径。
10.根据权利要求1的方法，其中通过热处理全部或部分转变为Nb3Sn的Nb扩散阻挡层在反应前的厚度为1.5-8μm。
11.根据权利要求1的方法，其中通过热处理过程使Sn扩散进入所述Cu包覆的Nb棒中，该热处理使Nb在环形区域的溶解最小化，包括在180-220℃持续24-100小时的预反应阶段，随后在340-410℃持续24-50小时，接着在Nb3Sn形成阶段625-725℃持续12-200小时，选择热处理3个阶段中的每一个的均热时间以最大化Nb和Sn的转变以便形成超导Nb3Sn相，同时使接近但并非全部的Nb扩散阻挡层反应。
12.根据权利要求10的方法，其中在Nb3Sn反应阶段之前向热处理序列增加一个阶段，即在560-580℃持续24-200小时。
13.根据权利要求1的方法，其中将Cu包覆的Nb棒形成为六角形横截面，用于堆垛子单元。
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