JP4402815B2 - Ｎｂ３Ａｌ超電導多芯線とその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線およびその製造方法に関し、特に、高磁界特性およびコイル等の成形加工性に優れるＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎｂ₃Ａｌ化合物系超電導線は、超電導線として一般的なＮｂ₃ＳｎおよびＮｂＴｉに比較して、高磁界における臨界電流密度特性に優れているため、核融合炉や高エネルギ−加速器などの超電導線自身に大きな電磁力が加わる大型・応用超電導機器への利用が期待されている。
【０００３】
従来のＮｂ₃Ａｌ化合物系超電導線の製造方法として、急熱急冷・変態（ＲＨＱＴ）法がある。このＲＨＱＴ法では、例えば、ジェリ−ロ−ル（Jelly−Roll；以下、ＪＲとする）法に基づいて形成されたＮｂ／Ａｌ多芯複合線を１ｍ／ｓｅｃの速度で移動させつつ通電加熱することにより０．１秒で２０００℃まで加熱し、冷媒と電極を兼ねた液体Ｇａに浸漬することによって体心立方（ｂｃｃ）相のＮｂに２５ａｔ％Ａｌが過飽和に固溶したＮｂ（Ａｌ）ｓｓを形成する。そして、このＮｂ（Ａｌ）ｓｓに７００℃から８００℃の変態熱処理を施すことによってｂｃｃ相からＡ１５型化合物ヘマッシブ変態させることにより化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ化合物系超電導線を形成する。
【０００４】
上記したＲＨＱＴ法に基づくＮｂ（Ａｌ）ｓｓは、冷間加工性に優れることからコイル状に巻いた状態で変態熱処理を施すワインド・アンド・リアクト（Wind and React）法を適用できる。このため、巻き径が小なる高磁界用内層コイルの成形に有効であるが、変態熱処理による積層欠陥の生成が不可避であり臨界温度Ｔｃは１７．９Ｋ、また臨界磁場Ｂｃ２（４．２Ｋ）は２７Ｔと超電導特性に限界がある。
【０００５】
このような超電導特性を改善するものとして、急熱急冷における到達最大温度を下げる、あるいはＣｕ、Ｇｅ、Ｓｉ等の第３元素を添加することによってＡ１５型化合物が直接生成され、化学量論組成のＮｂ₃Ａｌ化合物が形成されることが確認されている。このＡ１５型化合物は長範囲規則性が低下した不規則性の特徴を有し、規則化のために７００℃から８００℃の熱処理を施すことによって臨界温度Ｔｃは１８．５Ｋ、またＢｃ２（４．２Ｋ）は２９Ｔまで向上し、高磁界での臨界電流密度Ｊｃが改善される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＡ１５型化合物が直接生成するＮｂ₃Ａｌ化合物系超電導線では、熱処理によって不規則Ａ１５型化合物を規則化すると高磁界での臨界電流密度Ｊｃが向上する反面、低磁界での臨界電流密度Ｊｃが低下する。また、脆くなってコイル成形時の巻き込み性や撚り線導体化等の成形加工性が低下する。機械的強度は超電導部に対するＮｂマトリックスの割合を大にすることにより補強できるが、この場合にはoverallＪｃが大幅に低下するという問題がある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、高磁界特性に優れ、かつ、コイル成形等の成形加工を阻害しない機械的強度を有するＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線およびその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、過飽和固溶体からＡ１５相に変態したＮｂ₃Ａｌフィラメントおよび不規則Ａ１５相を規則化させたＮｂ₃Ａｌフィラメントを同一の断面内に有するＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線を提供する。
【０００９】
また、本発明は、上記目的を達成するため、過飽和固溶体から変態したＮｂ₃Ａｌが体積比で５０％以上のＮｂ₃Ａｌフィラメントと、
該Ｎｂ₃Ａｌフィラメントに不規則Ａ１５相から規則化したＮｂ₃Ａｌフィラメントを分散・混合した構成を有するＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線を提供する。
【００１０】
また、本発明は、上記目的を達成するため、Ｎｂのマトリックスで被覆した複数本のサブマルチ線を内周部と外周部に積層して積層体を形成し、
前記積層体をＮｂのマトリックスで被覆してマルチ線を形成し、
前記マルチ線を所定の温度で１次加熱し、
１次加熱された前記マルチ線を冷却用金属材で冷却処理して前記外周部に過飽和固溶体フィラメント、前記内周部に不規則Ａ１５相を生成させ、
冷却後に所定の温度で２次加熱して前記外周部に過飽和固溶体からＡ１５相に変態したＮｂ₃Ａｌフィラメント、前記内周部に不規則Ａ１５相を規則化させたＮｂ₃Ａｌフィラメントを生成させるＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線の製造方法を提供する。
【００１１】
上記したＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線およびその製造方法によると、延性に富む過飽和固溶体からＡ１５相に変態したＮｂ₃Ａｌフィラメントと超電導特性の良好な不規則Ａ１５相を規則化させたＮｂ₃Ａｌフィラメントとを同一の断面内に配置することによって、曲げ等の機械的歪みによる不規則Ａ１５相Ｎｂ₃Ａｌフィラメントの破断を防ぐとともに超電導特性、特に、overallＪｃを大にできる。
【００１２】
過飽和固溶体Ｎｂ（Ａｌ）ｓｓを生成させるには高温で固溶体を形成する必要がある。外周部のフィラメントがそのような条件を満たすとき、線材・横断面の中心部で不規則Ａ１５相フィラメントを生成させるにはＮｂとＡｌ間の拡散反応が終了していないことが必須で、そのためには、外周部に配されるものと比較してシングル線材のＡｌあるいはＡｌ合金の厚さ（太さ）を２倍以上大きくする必要がある。一方、その比が１００を越えると未反応Ｎｂが大量に残ってＮｂ₃Ａｌの体積比が低くなりoverallＪｃが小になる。また、Ｎｂ（Ａｌ）ｓｓの固溶限は温度の上昇とともに増加するので、中心部に配置されるサブマルチ線の公称Ａｌ濃度を外周部に配されるものと比較して１ａｔ％以上高くすることにより、過飽和固溶体フィラメントと不規則Ａ１５相フィラメントが共存する加熱温度域が存在する。公称Ａｌ濃度が５ａｔ％以上高くなるとＮｂ₂Ａｌ相が大量に生成し、結局、不規則Ａ１５相の体積比が低くなりoverallＪｃは小さくなってしまう。
【００１３】
Ｎｂ（Ａｌ）ｓｓの固溶限は、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｓｉの第３元素を添加することにより減少する。中心部に配置されるサブマルチ線にＡｌ合金、また外周部に純Ａｌを用いると不規則Ａ１５相フィラメントと過飽和固溶体フィラメントを同時に生成することができる。そのためにはＣｕを０．５ａｔ％、Ｇｅを５ａｔ％、またＳｉを５ａｔ％以上それぞれＡｌに添加して過飽和固溶体を不安定化させる必要がある。しかし、添加量がそれぞれ２ａｔ％、２０ａｔ％、１５ａｔ％を越えるとＡｌ合金が脆くなり、Ｎｂ／Ａｌ複合体の加工性が低下する。過飽和固溶体と不規則Ａ１５相を混合してフィラメントを形成する場合は、過飽和固溶体の体積率を５０％以上とすることでフィラメントの最低限の加工性を確保できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
表１は、後述する実施例１〜４で形成されるＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線の構成、機械的特性、および超電導特性を示す。
【表１】

本発明のＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線は、サブマルチ線を複数本組み込んでマルチ構造線とすることにより形成される。サブマルチ線の製造方法には多くの方法が存在するが、本発明ではＪＲ法とロッドインチュ−ブ（ＲＩＴ）法で作製したサブマルチ線について説明する。
【００１５】
〔実施例１〕
図１は、Ｎｂ₃Ａｌ超電導多芯線の断面を示し、（ａ）は本発明の実施の形態にかかるマルチ線、（ｂ）は比較例としての標準試料であるマルチ線である。
（ａ）のマルチ線は、中心部にＮｂジャケットで被覆したＡｇ安定化材１を７本配置し、その周囲に内周部としてＡｌ−２ａｔ％Ｃｕ合金のフィラメント数が７９９９（４２１×１９）本のＮｂ／Ａｌ−２ａｔ％Ｃｕ・ＲＩＴ法サブマルチ線２を１層（計１２本）配置し、また、その外側に外周部としてＮｂ−２５ａｔ％Ａｌの組成を有し、Ａｌの層厚が１００ｎｍのＪＲＮｂ／Ａｌサブマルチ線３を３層（計６６本）配置してマルチ線４を形成し、このマルチ線４に急熱急冷（ＲＨＱ）処理を施した。
【００１６】
（ｂ）のマルチ線は、中心部にＮｂジャケットで被覆したＡｇ安定化材１を７本配置し、その周囲に内周部としてフィラメント状のＮｂ５を配置し、また、その外側に外周部としてＮｂ−２５ａｔ％Ａｌの組成を有し、Ａｌの層厚が１００ｎｍのＪＲＮｂ／Ａｌサブマルチ線３を３層（計６６本）配置しており、急熱急冷条件の異なる標準試料１および２としている。このマルチ線についても同様に急熱急冷処理を施した。
【００１７】
図２は、急熱急冷処理のときの通電電流に対する変態熱処理後の臨界温度Ｔｃを示し、（ａ）は実施例１のマルチ線の臨界温度Ｔｃの変化、（ｂ）は標準試料のマルチ線の臨界温度Ｔｃの変化である。ＲＨＱ処理後、定電流電源から供給される電流値による急熱急冷処理条件に基づいて、８００℃で１０時間の変態熱処理を施したところ、本発明のマルチ線では、外周部に配置されたＪＲサブマルチ（フィラメント）だけが過飽和固溶体になっており、内周部に配置されたＲＩＴサブマルチ（フィラメント）では不規則Ａ１５相が生じる。臨界温度Ｔｃも１８．２Ｋを越える値が得られている。表１に示すように、低磁界の臨界電流密度Ｊｃが若干小さくなるが、高磁界での臨界電流密度Ｊｃは改善され、良好な曲げ加工性を保持している。また、高い臨界温度Ｔｃを示すＲＨＱ条件の選択範囲が広い。
【００１８】
比較例のマルチ線では、標準試料１について、不規則Ａ１５相が生成するＲＨＱ条件では臨界温度Ｔｃが高く、表１に示すように高磁界での臨界電流密度Ｊｃが大きい。しかし、低磁界になっても臨界電流密度Ｊｃは向上せず、急冷後の曲げ加工性が低下する。標準試料２について、過飽和固溶体が生成するＲＨＱ条件では臨界温度Ｔｃが低いが、急冷後は表１に示すように極めて良好な曲げ加工性を有する。磁界が減少すると臨界電流密度Ｊｃは向上するが、高磁界側で臨界電流密度Ｊｃは急速に劣化する。このようにＲＨＱ条件により特性が大きく異なる。
【００１９】
〔実施例２〕
中心部にＮｂジャケットで被覆したＡｇ安定化材を７本配置し、その周囲に内周部としてＮｂ−２５ａｔ％Ａｌの組成を有し、Ａｌの層厚が１μｍのＪＲＮｂ／Ａｌサブマルチ線を配置し、また、その外側に外周部としてＮｂ−２５ａｔ％Ａｌの組成を有し、Ａｌの層厚が１００ｎｍのＪＲＮｂ／Ａｌサブマルチ線を配置してマルチ線を形成した。内周部に配置したＪＲＮｂ／Ａｌサブマルチ線のＡｌの層厚は外周部の層厚より１０倍厚く形成されている。
【００２０】
このマルチ線に急熱急冷処理を施したところ、外周部に配置されたＪＲＮｂ／Ａｌサブマルチ（フィラメント）は過飽和固溶体になっており、内周部に配置されたＪＲＮｂ／Ａｌサブマルチ（フィラメント）では不規則Ａ１５相が生じた。このマルチ線に８００℃で１０時間の変態熱処理を施したところ、表１に示すように、低磁界の臨界電流密度Ｊｃが若干小さくなるものの高磁界での臨界電流密度Ｊｃは改善され、良好な曲げ加工性が得られた。
【００２１】
〔実施例３〕
Ｎｂジャケットで被覆したＡｇ安定化材を中心部に７本配置し、その周囲に内周部としてＮｂ−２７．５ａｔ％Ａｌの組成を有し、Ａｌの層厚が１００ｎｍのＪＲＮｂ／Ａ１サブマルチ線を配置し、また、その外側に外周部としてＮｂ−２５ａｔ％Ａｌの組成を有し、Ａｌの層厚が１００ｎｍのＪＲＮｂ／Ａｌサブマルチ線を配置してマルチ線を形成した。内周部に配置したサブマルチ線の公称Ａｌ濃度は外周部の公称Ａｌ濃度より２．５ａｔ％高くした。
【００２２】
このマルチ線に急熱急冷処理を施したところ、外周部に配置されたＪＲＮｂ／Ａｌサブマルチ（フィラメント）は過飽和固溶体になっており、内周部に配置されたＪＲＮｂ／Ａｌサブマルチ（フィラメント）では不規則Ａ１５相が生じた。このマルチ線に８００℃で１０時間の変態熱処理を施したところ、表１に示すように、低磁界の臨界電流密度Ｊｃが若干小さくなるものの高磁界での臨界電流密度Ｊｃは改善され、良好な曲げ加工性が得られた。
【００２３】
〔実施例４〕
Ｎｂジャケットで被覆したＡｇ安定化材を中心部に７本配置し、その周囲に内周部としてＮｂ／Ａｌ−２ａｔ％ＣｕのＲＩＴ法７芯線４０本とＮｂ／Ａｌ−５ａｔ％ＭｇのＲＩＴ法７芯線８１本を混合して作成したサブマルチ線を配置し、また、その外側に外周部と同一のサブマルチ線を配置してマルチ線を形成した。
【００２４】
このマルチ線に急熱急冷処理を施したところ、各フィラメントには過飽和固溶体と不規則Ａ１５相が約７：３の割合で混合して生じた。このマルチ線を８００℃で１０時間の変態熱処理を施したところ、表１に示すように、低磁界の臨界電流密度Ｊｃが若干小さくなるものの高磁界での臨界電流密度Ｊｃは改善される。この場合でも、コイル成形に必要な曲げ加工性は確保されている。
【００２５】
上記したＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線によると、断面内での配置あるいは混合比を制御して、不規則Ａ１５相と過飽和固溶体を同時に生じさせるようにしたので、過飽和固溶体が不規則Ａ１５相を機械的に支持する。このことによって余分なＮｂマトリックスを増大させることなしに良好な成形加工性を保持しながら高磁界特性が改善される。例えば、Wind and React法に基づく巻き径の小なる１ＧＨｚクラスＮＭＲ超電導マグネットの最内層コイル等の形成が可能になる。また、撚り線による大電流容量化も可能となり、最大経験磁場が高くなる次世代核融合炉超電導マグネット導体に適する。超電導特性では、実用線材として使用されているＮｂ₃Ｓｎの２倍以上の臨界電流密度Ｊｃを示し、優れた耐歪み特性を有するので、核融合炉や高エネルギ−加速器などの大型超電導システムの強磁場化を実現するとともにシステム全体のコンパクト化を図ることができ、装置コストを低減することができる。
【００２６】
なお、上記した実施の形態で適用した公称Ａｌ濃度、ＮｂとＡｌ間の拡散距離、合金添加の有無等の製造パラメ−タは、ＪＲ法、ＲＩＴ法以外の他の製造方法であるクラッドチップ押出し法、粉末押出し法においても同様に適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明のＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線およびその製造方法によると、延性に富む過飽和固溶体からＡ１５相に変態したＮｂ₃Ａｌフィラメントと超電導特性の良好な不規則Ａ１５相を規則化させたＮｂ₃Ａｌフィラメントを同一の断面内に配置したため、高磁界特性に優れ、かつ、コイル成形等の成形加工を阻害しない機械的強度を付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線を示し、
（ａ）は、本発明のマルチ線の断面図
（ｂ）は、比較例としての標準試料であるマルチ線の断面図
【図２】急熱急冷処理のときの通電電流に対する変態熱処理後の臨界温度Ｔｃを示す説明図
【符号の説明】
１ Ａｇ安定化材
２ Ｎｂ／Ａｌ−２ａｔ％Ｃｕ・ＲＩＴ法サブマルチ線
３ ＪＲＮｂ／Ａｌサブマルチ線
４ マルチ線
５ Ｎｂ

Claims (15)

1. 過飽和固溶体からＡ１５相に変態したＮｂ₃Ａｌフィラメントおよび不規則Ａ１５相を規則化させたＮｂ₃Ａｌフィラメントを同一の断面内に有することを特徴とするＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線。
2. 前記過飽和固溶体からＡ１５相に変態したＮｂ₃Ａｌフィラメントは、前記断面の外周部に配置される構成の請求項第１項記載のＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線。
3. 前記不規則Ａ１５相を規則化させたＮｂ₃Ａｌフィラメントは、前記断面の内周部に配置される構成の請求項第１項記載のＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線。
4. 前記過飽和固溶体からＡ１５相に変態したＮｂ₃Ａｌフィラメントは、２２ａｔ％から２５ａｔ％の公称Ａｌ濃度を有する構成の請求項第１項記載のＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線。
5. 前記不規則Ａ１５相を規則化させたＮｂ₃Ａｌフィラメントは、前記過飽和固溶体からＡ１５相に変態したＮｂ₃Ａｌフィラメントの公称Ａｌ濃度より１ａｔ％から５ａｔ％大なる公称Ａｌ濃度を有する構成の請求項第１項記載のＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線。
6. 前記不規則Ａ１５相を規則化させたＮｂ_３Ａｌフィラメントは、元素Ｍの添加に基づいて組成がＮｂ_ｙ（Ａｌ_１−ｘＭ_ｘ）_１−ｙで表記されるとき、前記元素Ｍは、元素Ｃｕ、元素Ｇｅ、元素Ｓｉのうちのいずれか１つであり、前記元素Ｍが前記元素Ｃｕの場合、添加量ｘが０．００５−０．０２であり、元素Ｇｅの場合、添加量ｘが０．０５−０．２であり、元素Ｓｉの場合、添加量ｘが０．０５−０．１５である構成の請求項第１項記載のＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線。
7. 前記過飽和固溶体からＡ１５相に変態したＮｂ_３Ａｌフィラメントは、Ａｌ、純Ａｌ、又は元素Ｍの添加に基づいて組成がＮｂ_ｙ（Ａｌ_１−ｘＭ_ｘ）_１−ｙで表記されるとき、前記元素Ｍは元素Ｍｇであり、前記元素Ｍｇの添加量ｘが０−０．１である構成の請求項第１項記載のＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線。
8. 過飽和固溶体から変態したＮｂ₃Ａｌが体積比で５０％以上のＮｂ₃Ａｌフィラメントと、
   該Ｎｂ₃Ａｌフィラメントに不規則Ａ１５相から規則化したＮｂ₃Ａｌフィラメントを分散・混合した構成を有することを特徴とするＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線。
9. 前記断面の任意の位置にＮｂの拡散バリヤで被覆されたＡｇが内部安定化材として配置される構成の請求項第１項あるいは第８項記載のＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線。
10. Ｎｂのマトリックスで被覆した複数本のサブマルチ線を内周部と外周部に積層して積層体を形成し、
    前記積層体をＮｂのマトリックスで被覆してマルチ線を形成し、
    前記マルチ線を所定の温度で１次加熱し、
    １次加熱された前記マルチ線を冷却用金属材で冷却処理して前記外周部に過飽和固溶体フィラメント、前記内周部に不規則Ａ１５相を生成させ、
    冷却後に所定の温度で２次加熱して前記外周部に過飽和固溶体からＡ１５相に変態したＮｂ₃Ａｌフィラメント、前記内周部に不規則Ａ１５相を規則化させたＮｂ₃Ａｌフィラメントを生成させることを特徴とするＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線の製造方法。
11. 前記内周部の前記サブマルチ線のＡｌ層厚が前記外周部のＡｌ層厚より２倍から１００倍大である請求項第１０項記載のＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線の製造方法。
12. 前記サブマルチ線のＮｂシ−スを除いた公称Ａｌ濃度が、前記外周部で２２ａｔ％から２５ａｔ％の範囲にあり、前記内周部で前記外周部より１ａｔ％から５ａｔ％大である請求項第１０項記載のＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線の製造方法。
13. 前記内周部のＮｂ_３Ａｌフィラメント部に元素Ｍが添加されて組成がＮｂ_ｙ（Ａｌ_１−ｘＭ_ｘ）_１−ｙで表記されるとき、前記元素Ｍは、元素Ｃｕ、元素Ｇｅ、元素Ｓｉのうちのいずれか１つであり、前記元素Ｍが前記元素Ｃｕの場合、添加量ｘが０．００５−０．０２であり、元素Ｇｅの場合、添加量ｘが０．０５−０．２であり、元素Ｓｉの場合、添加量ｘが０．０５−０．１５である請求項第１０項記載のＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線の製造方法。
14. 前記サブマルチ線を構成するＮｂとＡｌから成る複合体がＡｌ層厚、公称Ａｌ濃度、元素添加の有無において異なるものの混合物で、前記Ａｌ層厚が２倍から１００倍小であり、前記公称Ａｌ濃度が１ａｔ％から５ａｔ％小であり、又は元素添加しないものの体積比が５０％以上であって、前記内周部と前記外周部とを区別せずに結束する請求項第１０項記載のＮｂ_３Ａｌ超電導多芯線の製造方法。
15. Ｎｂの拡散バリヤで被覆されたＡｇが内部安定化材として前記積層体内の任意の位置に配置される請求項第１０項記載のＮｂ₃Ａｌ超電導多芯線の製造方法。

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