KR20220015494A - Ｎｂ3Ｓｎ 함유 초전도체 와이어를 위한 분말 충전된 코어 튜브를 갖는 Ｎｂ 함유 로드 요소를 기반으로 하는 하위 요소, 및 관련된 제조 방법 - Google Patents
Ｎｂ3Ｓｎ 함유 초전도체 와이어를 위한 분말 충전된 코어 튜브를 갖는 Ｎｂ 함유 로드 요소를 기반으로 하는 하위 요소, 및 관련된 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 Nb3Sn 함유 초전도체 와이어(55)를 위한 하위 요소(1)에 관한 것으로서, 하위 요소(1)는 - Sn 함유 코어(2), - Cu를 포함하고 Sn 함유 코어(2)를 둘러싸는 내부 매트릭스(5), - 내부 매트릭스(5)를 둘러싸는, 서로 인접한 Nb 함유 로드 요소(8, 30)들의 영역(7)으로서, Nb 함유 로드 요소(8, 30)는 각각 Nb 함유 코어 필라멘트(9; 31) 및 Cu 함유 필라멘트 케이싱(10)으로 형성되고, 특히 Nb 함유 로드 요소(8, 30)는 각각 외부 횡단면이 육각형으로 형성되는 것인 Nb 함유 로드 요소(8, 30)들의 영역, - Cu를 포함하고 Nb 함유 로드 요소(8, 30)들의 영역(7)을 둘러싸는 외부 매트릭스(6)로 형성되는 것인, 하위 요소(1)에 있어서, Sn 함유 코어(2)는 Sn 함유 분말(4)로 충전되어 있는 코어 튜브(3)를 포함하고, Sn 함유 분말(4)은 압축된 상태인 것을 특징으로 한다. 본 발명은 단순하고 비용 효율적인 방식으로, 개선된 초전도 전류 용량이 달성될 수 있게 하는, Nb3Sn 함유 초전도체 와이어를 위한 하위 요소를 제공한다.
Description
본 발명은 Nb3Sn 함유 초전도체 와이어를 위한 하위 요소에 관한 것으로서, 하위 요소는,
- Sn 함유 코어,
- Cu를 포함하고 Sn 함유 코어를 둘러싸는 내부 매트릭스,
- 내부 매트릭스를 둘러싸는, 서로 인접한 Nb 함유 로드 요소들의 영역 - 여기서 Nb 함유 로드 요소는 각각 Nb 함유 코어 필라멘트 및 Cu 함유 필라멘트 케이싱으로 형성되고, 특히 Nb 함유 로드 요소는 각각 외부 횡단면이 육각형으로 형성됨 -,
- Cu를 포함하고 Nb 함유 로드 요소들의 영역을 둘러싸는 외부 매트릭스로 형성된다.
이러한 하위 요소는 EP 2 717 340 A2호로부터 공지되어 있다.
초전도체 재료는 실질적으로 저항 손실(ohmic loss) 없이 전류를 전달할 수 있으며, 예를 들어 특히 높은 자기장 강도가 생성될 수 있는 자석 코일을 구성하는데 사용된다.
특히 자석 코일의 구성에 중요한 초전도체 재료는 Nb3Sn이다. Nb3Sn은 소성 변형될 수 없기 때문에, Nb3Sn 함유 초전도체 와이어(또한, 줄여서 Nb3Sn 초전도체)를 제조하기 위해서는 보통 우선 Nb 및 Sn을 포함하는 전구체(또한 하위 요소로도 언급됨)가 제조되며, 일반적으로 매트릭스 재료로서 Cu가 사용된다. 전구체는 복수의 하위 요소의 횡단면이 테이퍼지는 성형 및 번들링을 통해 완성된 전도체를 형성하도록 가공된다. 이러한 완성된 전도체는 대부분 횡단면이 테이퍼지는 성형 과정이 한 번 더 적용된 다음, 예를 들어 코일의 권취를 통해 원하는 기하학적 형상을 획득하게 된다. 이어서, 반응 열처리 과정에서 초전도성 Nb3Sn 상이 생성되어, 이에 의해 완성된 전도체로부터 완성된 Nb3Sn 초전도체 와이어가 형성된다. 따라서, Nb3Sn 초전도체 와이어의 제조는 여러 단계로 이루어지며, 전반적으로 어려운 프로세스이다. 이 경우, 접근 방식에 있어서 그리고 완성된 Nb3Sn 초전도체 와이어의 품질과 관련된, 진행된 반응에서 상당한 차이를 포함하는 복수의 루트가 개발되었다.
소위 청동 루트에서, 전구체의 Nb와 반응하게 되는 Sn은 전구체에서 청동 매트릭스를 통해 제공된다. 청동 루트는 비교적 간단하게 수행될 수 있는데, 그러나 청동 매트릭스의 Sn 함량은 Nb3Sn 상의 형성을 제한한다.
"내부 주석"(internal tin) 루트에서, 전구체에는 일반적으로 중앙에 주석 소스가 배치되고, 여기서 반응 열처리 과정에서 Sn이 코어로부터 대부분 Cu 매트릭스를 통과하여 전구체의 Nb와 반응한다. "파우더 인 튜브(Powder in Tube)" 원리(약어로 PIT)에 따른 접근 방식의 경우, 여기서 Sn 함유 분말이 Nb 또는 Nb 합금으로 이루어진 튜브에 배치된다. 충전된 Nb 튜브는 Cu 함유 케이싱에 배치되고, 이에 의해 PIT 요소가 획득된다. PIT 요소들은 인장되고 번들링된다. 반응 열처리 과정에서, PIT 코어의 Sn은 케이싱된 Nb 튜브와 직접적으로 반응한다. 전형적인 PIT 프로세스는 예를 들어 EP 3 062 359 B1호에 설명되어 있다. PIT 프로세스는 청동 루트보다 더 복잡하지만, 그러나 보다 개선된 전류 용량을 달성한다.
EP 2 779 258 B1호는 PIT 프로세스의 변형예를 설명하며, 여기서 Nb 또는 Nb 합금으로 이루어진 외부 튜브 및 Nb 또는 Nb 합금으로 이루어진 내부 튜브가 하나의 Nb 튜브 대신 사용된다. 내부 튜브는 Sn 함유 분말 및 Cu 함유 분말로 별도로 충전되고 인장되며, 여기서 포함된 분말은 압축된다. 이어서, 인장된 내부 튜브는 외부 튜브에 삽입된다.
"내부 주석" 루트는 또한 "리스택 로드 프로세스(Restack Rod Process)"(약어로 RRP, "로드의 결속 프로세스") 원리에 따라서도 또한 수행될 수 있다. 여기서, 다수의 육각형의 Nb 필라멘트(Nb 함유 로드 요소로도 또한 언급됨)는 일반적으로 각각 Nb 로드 및 둘러싸는 Cu 필라멘트 케이싱을 포함하고, 링 형상으로 번들링되고, 내부 및 외부에서 Cu 매트릭스에 의해 둘러싸인다. 내부에는 Sn을 포함하는 중심이 배치되고, 외부에는 확산 장벽과 Cu 케이싱이 배치된다. 이러한 방식으로 형성된 하위 요소는 육각형 외부 횡단면으로 인장되고, 번들링되고, 와이어를 형성하기 위해 구리 매트릭스에 의해 둘러싸인다(US 7,585,377 B2호 참조). RRP 프로세스에 의해, 완성된 Nb3Sn 초전도체 와이어의 특히 높은 초전도 전류 용량이 달성될 수 있다.
EP 2 717 340 A2호는 추가적으로 Sn을 또한 함유하는 Nb 함유 로드 요소를 위해 Cu 함유 필라멘트 케이싱이 사용되는 RRP 프로세스를 위한 Nb3Sn 초전도체 와이어의 반제품을 설명한다. 변형예에서, 내부 Cu 매트릭스의 중앙에 배치되는 Sn 함유 구조는 내부 Cu 함유 매트릭스의 보어에 포함된 원소 Sn으로 이루어진 분말에 의해 형성되는 것이 제안된다.
Nb3Sn 초전도체 와이어를 위한 완성된 전도체의 보다 특별한 변형예는, NbCu 로드와 Cu 로드를 NaCl 충전재와 함께 Cu 재킷에 번들로 제공한다. NaCl은 물로 헹궈지고, Sn으로 대체된다(US 5,534,219 A호 참조).
WO 2015/175064 A2호에서 Nb3Sn 초전도체 와이어 및 관련된 제조 방법이 설명되며, 반응 열처리 과정 동안 금속 산화물 침전물이 형성된다. 유사한 Nb3Sn 초전도체 와이어는 X. Xu 외 "미세 입자 크기 및 높은 임계 전류 밀도를 갖는 내부적으로 산화된 Nb3Sn 스트랜드" 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지, 2015년, 27호, 1346-1350 페이지에서 설명된다.
본 발명의 과제는, 개선된 초전도체 전류 용량이 간단하고 비용 효율적인 방식으로 달성될 수 있는, Nb3Sn 함유 초전도체 와이어를 위한 하위 요소를 제공하는 것이다.
이러한 과제는 본 발명에 따르면, Sn 함유 코어가 Sn 함유 분말이 충전되어 있는 코어 튜브를 포함하고, 여기서 Sn 함유 분말은 압축된 상태에 있는 것을 특징으로 하는, 도입부에 언급된 유형의 하위 요소에 의해 달성된다.
본 발명은 압축된 Sn 함유 분말을 기반으로 하는 Sn 함유 코어가 장착된 RRP 프로세스를 위한 하위 요소를 제공한다. Sn 함유 분말의 사용을 통해, Sn 함유 코어의 조성, 특히 Sn 및 기타 요소들, 특히 Cu와 같은 금속의 원소 분율의 분포가 간단한 방식으로 설정될 수 있고, 원하는 용도에 맞게 조정될 수 있고; 특히 상이한 용도를 위해 상이한 조성의 고가의 Sn 함유 코어 로드를 생산하는 것을 필요로 하지 않는다. 이를 통해, 반응 열처리 과정에서(반응 어닐링 과정으로도 또한 언급됨) 초전도 상(Nb3Sn)의 형성의 최적화가 수행될 수 있고, 이에 따라 완성된 초전도체 와이어의 전류 용량의 최적화가 간단하고 비용 효율적인 방식으로 수행될 수 있다. Sn 함유 코어 또는 Sn 함유 분말의 조성의 설정을 통해, 완성된 초전도체 와이어에서 중요한 소위 미세 입자 Nb3Sn 분획(fine grained Nb3Sn fraction)의 전류 용량(임계 전류 밀도)이 향상될 수 있다.
본 발명에 따라 제공된 Sn 함유 분말의 압축을 통해, 초전도체 와이어의 횡단면에서 특히 높은 분율의 초전도 상이 획득될 수 있을 뿐만 아니라, Sn 함유 코어로부터 Nb 함유 로드 요소들의 영역으로의 Sn의 확산도 또한 개선되고, 전반적으로 Nb3Sn 형성의 효율성이 개선될 수 있다. 특히, 미세 입자 Nb3Sn 분획에서의 Sn의 분율뿐만 아니라, 미세 입자 분획 자체의 분율도 또한 보다 증가될 수 있고, 이는 완성된 초전도체 와이어의 전류 용량(와이어 횡단면에 걸쳐 통합된 임계 전류 밀도)을 전반적으로 상승시키고, 동시에 이러한 분획의 임계 전류 밀도도 또한 간단한 방식으로 설정 가능한 조성을 통해 높게 유지될 수 있다.
종래의 PIT 하위 요소를 기반으로 하는 초전도체 와이어의 경우, RRP 기반 초전도체 와이어에 비해 일반적으로 중요한 미세 입자 Nb3Sn 분획의 더 작은 분율이 획득된다. 본 발명의 맥락에서, Nb의 적어도 우세한 부분은 Nb 함유 로드 요소에 의한 Nb3Sn 상의 형성에 기여한다. PIT 방법에서 요구되는 Nb의 주요 소스로서 고가의 Nb 튜브를 필요로 하지 않는다. Nb 소스로서의 Nb 함유 로드 요소들의 영역에서, Cu 함유 필라멘트 케이싱은 신속한 확산 경로의 네트워크를 제공하고, 이를 통해 반경 방향으로 더 외부에 위치된 하위 요소의 영역도 또한 압축된 분말 코어로 이루어진 Sn로부터 양호하게 도달될 수 있기 때문에, Sn의 확산은 Nb 소스로서의 Nb 튜브에 비해 보다 용이해진다. 이를 통해, 완성된 초전도체 와이어에서 미세 입자 Nb3Sn 분획의 분율(체적비)이 증가될 수 있고, 이는 완성된 초전도체 와이어의 초전도 전류 용량(와이어 횡단면에 걸쳐 통합된 임계 전류)을 개선시킨다.
Sn 소스로서 압축된 Sn 함유 분말의 사용을 통해, 미세 입자 Nb3Sn 분획의 초전도 전류 용량(임계 전류 밀도) 및 완성된 구조에서의 분율이 동시에 향상될 수 있으므로, 본 발명에 따른 조치들의 조합을 통해, 개별 조치의 예상된 효과를 훨씬 능가하는 완성된 초전도체 와이어의 전류 용량의 개선이 전반적으로 획득된다.
하위 요소에서 코어 튜브의 벽 두께(WS)가 코어 튜브의 직경(D)에 비해 작은 경우, 예를 들어 WS ≤ 0.15*D, 바람직하게는 WS ≤ 0.10*D인 경우, 및/또는 코어 튜브와 내부 매트릭스의 Nb 함유 로드 요소들의 영역의 내부 측면 사이의 반경 방향 최대 거리(GA)가 코어 튜브의 직경(D)에 비해 작은 경우, 대략 GA ≤ 0.30*D, 바람직하게는 GA ≤ 0.20*D, 특히 바람직하게는 GA ≤ 0.10*D인 경우, 및/또는 Nb 함유 코어 필라멘트 간의 거리(FA)(외부 측면에서 외부 측면으로의 최소 거리)가 Nb 함유 코어 필라멘트의 직경(FD)에 비해 작은 경우, 대략 FA ≤ 0.30*FD, 바람직하게는 FA ≤ 0.20*FD, 특히 바람직하게는 FA ≤ 0.15*FD, 특히 매우 바람직하게는 FA ≤ 0.10*FD인 경우, 특히 우수한 전류 용량이 달성될 수 있다(또한 이에 대해 도 1 참조). 3개의 조치 모두 각각 그 자체로 그리고 바람직하게는 조합하여 Sn 함유 코어, 특히 압축된 Sn 함유 분말로부터 Nb 함유 코어 필라멘트로 Sn의 확산을 개선시키고, 균일하게 하며, 이는 또한 전류 용량이 보다 개선된, 미세 입자 Nb3Sn 분획의 보다 큰 분율을 가능하게 한다.
코어 튜브 내의 압축된 Sn 함유 분말은 일반적으로 이론적 밀도의 적어도 25%, 바람직하게는 적어도 40%, 및 특히 바람직하게는 적어도 50%를 포함한다. Sn 함유 분말의 (Sn의 화학적 형태, 특히 원소 Sn을 포함하여, 합금에 포함된 Sn 및 금속 간 상으로 결합된 Sn과는 무관한) Sn 함량은 일반적으로 적어도 40 중량%, 바람직하게는 적어도 50 중량%, 및 특히 바람직하게는 적어도 60 중량%이다.
바람직한 실시예
본 발명에 따른 하위 요소의 바람직한 실시예에서, Sn 함유 코어에서 Sn 함유 분말은 프레스 구조를 포함하며, 이러한 프레스 구조는 충전된 코어 튜브의 횡단면이 감소되는 성형에 의해 획득될 수 있다. 다시 말하면, Sn 함유 분말은 특히 Sn 함유 분말로 충전된 코어 튜브의 사전 수행된 인장, 롤링, 프레싱 또는 압출을 통해 실질적으로 반경 방향으로 가압된다. 프레스 구조는 예를 들어 횡방향 연마 및/또는 X선 회절 측정을 통해 분말 입자의 정렬 및 그 응력 상태를 통해 결정될 수 있다. 횡단면이 감소되는 성형을 통해, Sn 함유 분말의 압축이 간단한 방식으로 달성될 수 있고; 이러한 압축은 또한 축방향 프레스 방법에 비해 매우 균일하게 수행될 수 있고, 또한 축방향 길이가 더 긴 경우에도 문제 없이 수행될 수 있다.
Sn 함유 분말이 적어도 2개의 상이한 화학적 형태로 Sn을 함유하는 분말 혼합물인 실시예가 또한 바람직하며, 특히 Sn 함유 분말은 다음의 화학적 형태 중 적어도 2개의 Sn을 포함한다:
- 원소 Sn,
- Nb 및 Sn, 바람직하게는 NbSn2 및/또는 Nb6Sn5의 상이하게 조성된 하나 이상의 금속 간 상 또는 합금,
- Cu 및 Sn의 상이하게 조성된 하나 이상의 금속 간 상 또는 합금,
- Sn 및 Ti의 상이하게 조성된 하나 이상의 금속 간 상 또는 합금,
- Sn 및 Ta의 상이하게 조성된 하나 이상의 금속 간 상 또는 합금.
이것은 다른 요소의 분율의 동시적인 설정 시, Sn 함유 분말의 Sn 분율의 설정을 단순화한다. Sn 외에 추가적으로, Sn 함유 코어에 포함된 요소는 특히 (3원상 또는 피닝 센터의 형성을 통해, 또는 일반적으로 구조의 설정을 통해) 성형 특성의 개선, 확산 거동의 개선 또는 전류 용량의 개선에 기여할 수 있다.
Sn 함유 분말이 Cu 함유 분말 분율을 포함하는 분말 혼합물인 실시예가 유리하고, 특히 Cu 함유 분말 분율이 원소 Cu를 포함한다. 하위 요소 또는 코어의 성형 특성은 특히 원소 Cu가 분말에 포함된 경우 Cu 분율에 의해 개선될 수 있다. Cu에 의해 또한 반응 열처리 과정 동안 Nb 함유 로드 요소로의 Sn의 확산 가속화가 달성될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 코어 튜브는 Cu 함유이고, 특히 적어도 25 중량% Cu, 바람직하게는 적어도 50 중량% Cu를 함유한다. Cu 함유 코어 튜브는 횡단면 감소 성형에 대한 우수한 성형 특성을 포함하고; 또한 포함된 Cu는 코어로부터 Nb 함유 로드 요소로의 Sn 확산을 개선하는데 기여할 수 있다.
코어 튜브가 Nb 함유이고, 특히 적어도 50 중량% Nb, 바람직하게는 적어도 75 중량% Nb를 함유하는 실시예가 특히 바람직하다. Nb 함유 코어 튜브에 의해, 높은 Sn 분율, 특히 NbSn2를 갖는 Nb 함유 상이 반응 열처리 과정 동안 코어 튜브 상에 초기에 형성될 수 있고; 또한 외부로의 Sn 확산이 초기에 차단된다. 더 높은 온도에서 높은 Sn 분율을 갖는 Nb 함유 상은 Sn 및 Nb3Sn으로 분해되며, 이에 의해 Sn 소스는 반응 열처리 과정의 후반 시점에 Nb 함유 로드 요소에 비교적 가깝게 제공된다. 이를 통해, 특히 미세하고 균일한 Nb3Sn 구조가 달성될 수 있고(미세 입자 Nb3Sn 분획의 높은 분율), 이것은 초전도 전류 용량을 향상시킨다. 또한, Nb3Sn이 형성되는 하위 요소의 면적 분율이 증가될 수 있다. 두 가지는 높은 초전도 전류 용량에 기여한다. 이러한 실시예에서, 코어 튜브는 전형적으로 코어 튜브의 직경(D)에 비해 너무 작게 선택되지 않은 벽 두께(WS)로, 대략 WS ≥ 0.01*D 또는 WS ≥ 0.02*D도 또한 선택된다. 본 발명의 맥락에서, 특히 Nb-Cu 합금으로 이루어진 코어 튜브가 또한 바람직하게는 적어도 50 중량% Nb의 분율 및 적어도 25 중량% Cu의 분율로 사용될 수 있다.
또한, - 서로 인접하는 Nb 함유 로드 요소들의 영역의 Nb 함유 로드 요소의 적어도 일 부분이 Nb 외에 추가적으로 Ti, Ta, Hf 및/또는 Zr도 또한 포함하는 Nb 함유 코어 필라멘트로 형성되고, 및/또는 - 서로 인접하는 Nb 함유 로드 요소들의 영역에 Ti, Ta, Hf 및/또는 Zr을 포함하는 추가 로드 요소가 혼합되는 것이 제공되는 실시예가 바람직하다. 반응 열처리 과정에 의해 형성된 Nb3Sn에 Ta, Ti, Hf 및/또는 Zr을 첨가함으로써, 완성된 초전도체 와이어의 전류 용량이 향상될 수 있다(상원상 형성). "도핑 로드"의 사용은, 특히 Nb3Sn이 또한 형성되는 장소에 근접하게 요소 Ta, Ti, Hf 및/또는 Zr의 목표된 도입을 가능하게 한다. Ti/Ta/Hf/Zr이 합금된 코어 필라멘트를 갖는 Nb 함유 로드 요소가 사용되는 경우, 전형적으로 하위 요소의 단지 개별 Nb 함유 로드 요소만이, Ti/Ta/Hf/Zr이 합금된 이러한 Nb 함유 코어 필라멘트로 형성되는데; 그러나 대안적으로 모든 Nb 함유 로드 요소는 또한 Ti/Ta/Hf/Zr이 합금된 Nb 함유 코어 필라멘트로 형성될 수도 있다. 추가의 로드 요소들이 혼합되는 경우, 이들은 일반적으로 Nb를 포함하지 않는다(그러나, Nb 분율이 있는 추가의 로드 요소들을 형성하는 것도 또한 가능함). 추가의 로드 요소는 균질하게 조성될 수 있거나(즉, 코어 필라멘트 및 필라멘트 케이싱을 포함하지 않음), 또는 Cu 또는 Cu 함유 케이싱으로 둘러싸여 있다.
또한, Sn 함유 분말이 Ta 함유 및/또는 Ti 함유 및/또는 Hf 함유 및/또는 Zr 함유인 분말 분율을 포함하는 분말 혼합물인 실시예가 바람직하다. 반응 열처리 과정에 의해 형성된 Nb3Sn에의 Ta, Ti, Hf 및/또는 Zr의 합금을 통해, 완성된 초전도체 와이어의 전류 용량이 향상될 수 있다(3상). Ta, Ti, Hf 및/또는 Zr을 코어의 Sn 함유 분말에 분말 분율로서 도입하는 것은 특히 간단하다. 특히, (Ta/Ti/Hf/Zr의 방출 후에) 더 이상 Nb3Sn 자체를 형성할 수 없는 "도핑 로드"가 필요하지 않다. 또한, 이러한 방법으로 반응 열처리 과정 동안 Sn 확산이 증가될 수 있고, 이는 초전도 특성에 긍적적으로 작용한다.
유리한 실시예에서, 서로 인접하는 Nb 함유 로드 요소들의 영역은 또한 적어도 하나의 합금 성분(X)을 포함하고, Sn 함유 분말은 또한 적어도 하나의 파트너 성분(Pk)을 포함하고, 특히 여기서 Sn 함유 분말은 파트너 성분(Pk)을 포함하는 분말 분율을 포함하는 분말 혼합물이고, 합금 성분(X) 및 파트너 성분(Pk)은, 하위 요소의 반응 열처리 과정에서 Sn 함유 코어로부터의 Sn 및 Nb 함유 로드 요소로부터의 Nb가 Nb3Sn에 대해 반응할 수 있고, 침전물(XPk)을 형성할 수 있도록 선택되고 배치되는 것이 제공된다. 침전물(XPk)의 형성을 통해, 초전도 상에서 전류 용량(임계 전류 밀도)이 향상될 수 있는 피닝 센터(Pinning Center)가 생성될 수 있다. XPk는 여기서 침전물의 X 및 PK의 모든 화학량론적 비율을 나타낸다. Nb3Sn의 형성을 위한 일반적인 반응 열처리 과정은 경우에 따라서는 중간 안정기를 갖고 최대 온도 600℃-800℃까지의 온도의 증가를 포함한다.
적어도 하나의 파트너 성분(Pk)이 산소를 포함하는 이러한 실시예의 개발예가 바람직하다. 코어에 산소를 제공하고 Nb3Sn 구조에서 산화 침전물을 형성하는 것은 특히 간단하게 가능하며; 특히 Sn 함유 코어 또는 분말 코어의 합금 성분(X) 및 파트너 성분(Pk)은 일반적으로 하위 요소의 성형 특성을 손상시키지 않고 제공될 수 있다. 산소(O)에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, (예를 들어 ZnS의 형성을 위한) 황, (예를 들어 Ca2Si의 형성을 위한) 규소, (예를 들어 Fe3C의 형성을 위한) 탄소 또는 (예를 들어 CaF2의 형성을 위한) 염소 또는 불소와 같은 할로겐이 사용될 수 있고, 이에 의해 비산화성 침전물이 형성될 수 있다.
바람직하게는, 이러한 개발예에서 Sn 함유 분말이 Pk 함유 분말 분율을 포함하는 것이 제공되고, 여기서 Pk 함유 분말 분율은 합금 성분(X)에 의해 환원될 수 있는 금속 산화물을 포함하며, 특히 금속 산화물의 금속은 Sn, Cu, Zn, Nb, Fe, Ni, Cr, Co 및/또는 W을 포함하고 그리고/또는 금속 산화물은 SnO2, Cu2O, CuO, ZnO, Ag2O 및/또는 Nb2O5를 포함한다. 이러한 재료 시스템은 초전도 전류 용량의 양호한 개선을 보여주고, 간단하게 사용할 수 있으며 비용 효율적이다. 전형적으로, 금속 산화물은 NbO2보다 낮은 산화 전위를 포함한다.
바람직한 개발예에서, 합금 성분(X)은 Nb보다 산화되기 쉬운 금속을 포함하고, 특히 합금 성분(X)은 여기서 Zr, Al, Ti, Hf 및/또는 Be를 포함한다. 이러한 합금 성분은 간단하게 취급할 수 있고, 초전도체 와이어의 전류 용량의 개선을 위한 효과적인 침전물을 형성한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 합금 성분(X)은 Nb 함유 코어 필라멘트에서 Nb 함유 로드 요소의 적어도 일 부분에 포함된다. 이것은 간단하게 구성될 수 있고, 침전물이 Nb3Sn 구조의 원하는 장소에 형성될 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 하위 요소의 실시예가 또한 유리하고,
하위 요소는 또한
- 외부 매트릭스를 둘러싸는 확산 장벽 - 특히 확산 장벽은 Nb, Ta 및/또는 V의 요소들 중 적어도 하나를 포함함 -, 및
- Cu를 포함하고 확산 장벽을 둘러싸는 케이싱 구조 - 특히 케이싱 구조가 육각형 외부 횡단면을 포함함 - 를 포함한다. 확산 장벽은 Sn이 반경 방향으로 외부를 향해 케이싱 구조 내부로 확산되는 것을 방해하거나 또는 방지한다. 이를 통해, 케이싱 구조가 반응 열처리 과정 후에 높은 (일반적으로 전도성) 전기 전도도를 유지하는 것이 보장되며, 이는 작동 중의 초전도체 와이어를 안정화하고 보호한다. 바람직하게는, 확산 장벽은 적어도 50 중량% Nb, Ta 및/또는 V로 형성된다. 케이싱 구조는 바람직하게는 (완전히 조성된) 하위 요소가 먼저 횡단면이 감소되는 성형이 적용되기 전에 육각형 외부 횡단면을 포함한다.
본 발명의 맥락에서 또한 Nb3Sn 함유 초전도체 와이어를 위한 하위 요소, 특히 상기 설명된 본 발명에 따른 하위 요소를 제조하기 위한 방법을 포함하고,
여기서 하위 요소는
- Sn 함유 코어,
- Cu를 포함하고 Sn 함유 코어를 둘러싸는 내부 매트릭스,
- 내부 매트릭스를 둘러싸는, 서로 인접한 Nb 함유 로드 요소들의 영역 - Nb 함유 로드 요소는 각각 Nb 함유 코어 필라멘트 및 Cu 함유 필라멘트 케이싱으로 형성되고, 특히 Nb 함유 로드 요소는 각각 외부 횡단면이 육각형으로 형성됨 -,
- Cu를 포함하고 Nb 함유 로드 요소들의 영역을 둘러싸는 외부 매트릭스로 형성되는 이러한 방법은, Sn 함유 코어가
a) 코어 튜브에 Sn 함유 분말이 충전되는 단계,
b) Sn 함유 분말을 포함하는 코어 튜브에 횡단면이 감소되는 성형이 적용되는 단계 - Sn 함유 코어의 Sn 함유 분말은 압축됨 - 에 의해 별도로 제조되고,
별도로 제조된 Sn 함유 코어가 하위 요소의 내부 매트릭스의 리세스 내에 삽입되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로, 완성된 초전도체 와이어에서 높은 초전도 전류 용량을 포함하는 하위 요소가 간단하고 비용 효율적인 방식으로 제조될 수 있다. 외부 매트릭스 주변에는 확산 장벽이 배치되어 있을 수 있거나 또는 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 변형예는, 리세스가 있는 내부 매트릭스, 서로 인접한 Nb 함유 로드 요소들의 영역 및 외부 매트릭스를 포함하는 하위 요소의 메인 본체가 별도로 제조되고, 다음 단계들
a`) Cu를 포함하는 일 부분으로 된 내부 구조 또는 복수의 부분으로 된 내부 구조 주위에 Nb 함유 로드 요소가 배치되고, Nb 함유 로드 요소 주위에 Cu를 포함하는 적어도 하나의 외부 구조가 배치되고, 이에 의해 중간 본체가 획득되는 단계,
b`) 중간 본체에 횡단면이 감소되는 성형이 적용되는 단계, 및
c`) 횡단면이 감소된 내부 구조에 리세스가 도입되고, 이에 의해 리세스가 있는 내부 매트릭스 및 전반적으로 메인 본체가 획득되는 단계를 포함하는 것을 제공한다. 이러한 절차에 의해, 간단하고 비용 효율적인 방식으로 메인 본체가 별도로 제조될 수 있고, 이 경우 마찬가지로 별도로 제조된 Sn 함유 코어도 사용될 수 있다. 단계 a`)의 하위 단계는 임의의 순서로 수행될 수 있다. 내부 구조의 (연속적인) 리세스는 전형적으로 드릴링에 의해 도입된다. Cu를 포함하는 외부 구조(예를 들어 외부 튜브) 외에 추가적으로, 외부 구조와 Nb 함유 로드 요소 사이에 장벽 튜브가 삽입될 수 있다. 장벽 튜브에 대해 대안적으로, 튜브를 형성하기 위해 권취된 장벽 시트도 또한 사용될 수 있다. 내부 구조는 일체형 로드로서 가장 간단하게 형성될 수 있는데; 그러나 내부 구조는 부분 요소로, 특히 육각형의 부분 요소의 번들 또는 섹터 형상의 부분 요소의 번들로도 또한 구성될 수도 있다. 원하는 경우, 메인 본체는 확산 장벽 및 이를 둘러싸는 케이싱 구조로 제조될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 중간 본체는 단계 a`)의 맥락에서, (아직 변형되지 않은) 사전 확산 장벽 튜브 및 (아직 변형되지 않은) 사전 케이싱 구조 튜브에 의해 제조될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 단계 b`) 후에 확산 장벽 및 케이싱 구조가 횡단면이 감소된 중간 본체 상에 배치될 수도 있다.
Nb3Sn 함유 초전도체 와이어를 제조하기 위한 방법도 또한 본 발명의 범위에 속하며, 다음 단계들을 포함한다:
- 상기 설명된 본 발명에 따른 방법에 따라 복수의 하위 요소가 제조되는 단계;
- 제조된 하위 요소에 횡단면이 감소되는 성형이 적용되는 단계;
- 성형된 하위 요소는 완성된 전도체 배열체로 번들링되는 단계 - 여기서 복수의 성형된 하위 요소가 서로에 대해 배치되고, Cu 함유 와이어 외부 구조에 의해 둘러싸임 -;
- 완성된 전도체 배열체에 횡단면이 감소되는 성형이 적용되는 단계;
- 성형된 완성된 전도체 배열체는 원하는 기하학적 형상으로 형성되고, 특히 코일로 권취되는 단계;
- 성형된 완성된 전도체 배열체에는, 하위 요소로부터의 Nb 및 Sn이 Nb3Sn을 형성시키도록 반응하는 반응 열처리 과정이 적용되는 단계. 이러한 방법에 의해, Nb3Sn 함유 초전도체 와이어의 높은 전류 용량이 간단하고 비용 효율적인 방식으로 획득될 수 있다.
본 발명의 추가의 이점은 본원의 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해진다. 상기 언급된 및 하기에 설명되는 특징은 또한 본 발명에 따라 각각 개별적으로 자체적으로 또는 복수의 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 도시되고 설명된 실시예는 최종적인 열거로서 이해되어서는 안 되며, 오히려 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 특징을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 하위 요소의 제1 실시예를 개략적인 횡단면도로 도시한다.
도 2는 Ta를 포함하는 추가의 로드 요소가 Nb 함유 로드 요소와 혼합되어 있는, 본 발명에 따른 하위 요소의 제2 실시예를 개략적인 횡단면도로 도시한다.
도 3은 Ta를 추가적으로 포함하는 Nb 함유 코어 필라멘트로 Nb 함유 로드 요소의 일 부분이 형성되는, 본 발명에 따른 하위 요소의 제3 실시예를 개략적인 횡단면도로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 하위 요소를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 변형예를 개략적으로 도시한다.
도 5는 Nb3Sn 함유 초전도체 와이어를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 변형예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 메인 본체를 위한 복수의 부분으로 된 내부 구조를 사용하여, 본 발명에 따른 하위 요소를 제조하기 위한 도 4에 도시된 변형예의 변형을 개략적으로 도시한다.
도 2는 Ta를 포함하는 추가의 로드 요소가 Nb 함유 로드 요소와 혼합되어 있는, 본 발명에 따른 하위 요소의 제2 실시예를 개략적인 횡단면도로 도시한다.
도 3은 Ta를 추가적으로 포함하는 Nb 함유 코어 필라멘트로 Nb 함유 로드 요소의 일 부분이 형성되는, 본 발명에 따른 하위 요소의 제3 실시예를 개략적인 횡단면도로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 하위 요소를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 변형예를 개략적으로 도시한다.
도 5는 Nb3Sn 함유 초전도체 와이어를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 변형예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 메인 본체를 위한 복수의 부분으로 된 내부 구조를 사용하여, 본 발명에 따른 하위 요소를 제조하기 위한 도 4에 도시된 변형예의 변형을 개략적으로 도시한다.
도 1은 Nb3Sn 함유 초전도체 와이어의 제조에 사용될 수 있는 본 발명에 따른 하위 요소(1)(전구체로도 또한 언급됨)의 제1 실시예를 개략적인 횡단면도로 도시한다.
하위 요소(1)는 여기서 대략 53 중량% Nb 및 대략 47 중량% Ti를 함유하는 합금으로 제조된 코어 튜브(3), 및 코어 튜브(3) 내에 충전된 Sn 함유 분말(4)("분말 코어")에 의해 형성되는 Sn 함유 코어(2)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 코어 튜브(3)는 또한 원소 Cu로 제조될 수 있다.
Sn 함유 분말(4)은 여기서 원소 Sn 분말, 원소 Cu 분말, NbSn2 분말, SnTi2 분말 및 CuO 분말로 이루어진 분말 혼합물이다. 분말 혼합물에서 (원소 Sn 분말, NbSn2 분말 및 SnTi2 분말로 이루어진) Sn의 총 함량은 여기서 대략 60 중량%이다.
코어 튜브(3)의 벽 두께(WS)는 코어 튜브(3)의 직경(D)에 비해 작고, 여기서 대략 WS = 0.03*D; 일반적으로 바람직하게는 WS ≤ 0.15*D 또는 또한 WS ≤ 0.10*D 또는 심지어 WS ≤ 0.05*D이다.
Sn 함유 분말(4)은 코어 튜브(3) 내에 압축된 상태로 존재하며, 이는 충전된 코어 튜브(3)의 횡단면을 감소시키는 선행된 성형으로 인한 결과이다(이에 대해 도 4 참조). Sn 함유 분말은 여기서 이론적 밀도의 대략 50%로 압축되어 있으므로, 여전히 일정 비율의 공극("기공")을 포함한다.
Sn 함유 코어(2)는 여기서 원소 Cu로 제조된 내부 매트릭스(5)에 의해 둘러싸인다. 내부 매트릭스(5)와 여기서 마찬가지로 원소 Cu로 이루어진 외부 매트릭스(6) 사이에는, 서로 인접한 Nb 함유 로드 요소(8)의 링 형상 영역(7)이 존재한다. Nb 함유 로드 요소(8)의 각각은 Nb 함유 코어 필라멘트(9), 및 Nb 함유 코어 필라멘트(9)를 둘러싸는 Cu 함유 필라멘트 케이싱(10)을 포함한다.
Nb 함유 코어 필라멘트(9)는 여기서 Nb와 Hf의 합금으로 이루어진다. 이러한 합금은 대부분 주로 Nb로 이루어지며; Hf 분율은 여기서 1 중량% 이하이다. Cu 함유 필라멘트 케이싱(10)은 여기서 원소 Cu로 이루어지고; 대안적으로, Sn의 특정 분율이 Cu 함유 필라멘트 케이싱(10)에 제공될 수도 있다. Nb 함유 로드 요소(8)는 여기서 육각형 외부 횡단면을 포함한다.
코어 튜브(3)의 외부 측면과 Nb 함유 로드 요소(8)들의 영역(7)의 내부 측면 사이의 반경 방향 최대 거리(GA), 즉 내부 매트릭스(5)의 반경 방향 최대 벽 두께는, 마찬가지로 코어 튜브(3)의 직경(D)에 비해 작은데, 여기서 대략 GA = 0.10*D; 일반적으로 바람직하게는 GA ≤ 0.30*D 또는 또한 GA ≤ 0.20*D이다.
또한, 도시된 단면에서 Nb 함유 코어 필라멘트(9) 사이의 최소 거리(FA)는 Nb 함유 코어 필라멘트(9)의 직경(FD)에 비해 작으며, 여기서 대략 FA = 0.30*FD; 일반적으로 바람직하게는 FA ≤ 0.30*FD 또는 FA ≤ 0.20*FD 또는 또한 FA ≤ 0.15*FD 또는 심지어 FA ≤ 0.10*FD이다.
도시된 실시예에서, 여기서 원소 Nb로 제조된 튜브 형상의 확산 장벽(11)이 외부 매트릭스(6) 주위에 배치된다. 확산 장벽(11)은 또한, 여기서 원소 Cu로 제조되고 육각형 외부 횡단면을 포함하는 케이싱 구조(12)에 의해 둘러싸인다.
하위 요소(1)는 Nb3Sn 함유 초전도체 와이어를 제조하기 위해 사용될 수 있으며, 일반적으로 복수의 하위 요소(1)가 인장되고, 번들링되고 원하는 기하학적 형상으로 형성되고(이에 대해 도 5 참조), 최종적으로 반응 열처리 과정이 적용된다. 이 경우, Sn 함유 코어(3)로부터의 Sn은, 주로 Nb 함유 로드 요소(8)들의 영역(7)으로부터의 Nb와 반응하고, 여기서 Nb3Sn이 형성된다.
도시된 실시예에서, Sn 함유 분말(4)에 포함된 Cu는 Sn의 반경 방향 외부를 향한 확산을 가속화한다. SnTi2로부터의 Ti 및 여기서 또한 Sn 함유 코어(2)의 코어 튜브(3)로부터의 약간의 분율로 3원상(Nb, Sn 및 Ti 함유)의 형성을 보장하고, 이는 완성된 Nb3Sn 함유 초전도체 와이어의 초전도 전류 용량을 향상시키고; 또한 Ti는 Sn의 반경 방향 외부를 향한 확산의 가속화에도 또한 기여할 수 있다. 또한, Nb 함유 코어 필라멘트(9)에서 (합금 성분(X)으로서) Hf는 Sn 함유 분말(4)의 CuO로부터 (파트너 성분(Pk)으로서) 산소와 반응하여 (침전물(XPk)로서) Hf 산화물 입자를 형성하고, 이는 피닝 센터로서 Nb3Sn 상의 전류 용량을 향상시킬 수 있다.
여기서 높은 Nb 함량으로 제조된 코어 튜브(3)에는, 반응 열처리 과정에서 NbSn2의 층이 형성되며, 이는 반응 열처리 과정의 제1 단계에서 Sn의 반경 방향 외부로의 계속된 확산을 지연시킨다. 더 높은 온도에서의 반응 열처리 과정의 제2 단계에서, NbSn2는 Sn과 Nb3Sn으로 분해되므로, Nb 함유 로드 요소(8)들의 영역(7)의 근처에서 반경 방향으로 Sn이 방출된다. 이에 따라, Nb 함유 로드 요소(8)들의 이전의 영역(7)에서, Nb3Sn의 매우 미세한 구조가 반응 열처리 과정의 마지막에 획득될 수 있고, 이러한 구조는 높은 초전도 전류 용량을 갖는다. 또한, Nb3Sn은 이전의 코어 튜브(3) 또는 그 이전의 표면의 영역에서도 또한 획득될 수 있다.
도 2는 제1 실시예와 유사한, 본 발명에 따른 하위 요소(1)의 제2 실시예를 도시하고; 단지 실질적인 차이만이 이하에서 설명된다.
Nb 함유 로드 요소(8)들의 영역(7)에서, 여기서 몇몇 추가 로드 요소(20)가 Nb 함유 로드 요소(8)와 혼합된다(해칭으로 도시됨). 추가 로드 요소(20)는 마찬가지로 육각형 윤곽을 포함하며, Nb 함유 로드 요소(8)와 동일한 크기를 갖는다. 추가 로드 요소(20)는 여기서 Nb 및 Ti를 포함하고, 이에 대응하여 여기서 Nb와 Ti의 합금으로 이루어지며; 추가적으로 (합금 성분(X)으로서) Hf도 또한 포함할 수 있다. 추가 로드 요소(20)는 균질한(구조화되지 않은) 조성을 갖는다. 이러한 Ti는 또한 (Nb, Sn 및 Ti로 이루어진) 3원상의 형성을 가능하게 하고, 이에 의해 완성된 Nb3Sn 초전도체 와이어의 전류 용량이 개선된다. 이러한 경우, SnTi2와 Sn 함유 코어(2)의 Sn 함유 분말(4)의 분말 혼합물을 제공하는 것을 필요로 하지 않는다.
도 3은 제1 실시예와 유사한, 본 발명에 따른 하위 요소(1)의 제3 실시예를 도시하고; 여기서도 또한 단지 실질적인 차이만이 이하에서 설명된다.
Nb 함유 로드 요소(8, 30)들의 영역(7)에는, 여기서 몇몇 Nb 함유 로드 요소(30)는 Nb 외에 Ti도 또한 포함하는 Nb 함유 코어 필라멘트(31)로 형성된다. 이에 상응하게, Nb 함유 코어 필라멘트는 Nb와 Ti의 합금으로 제조되고; 추가적으로 또한 Hf(즉, 합금 성분(X))를 포함할 수 있다. 이러한 Ti는 또한 (Nb, Sn 및 Ti로 이루어진) 3원상의 형성을 가능하게 하고, 이에 의해 완성된 Nb3Sn 초전도체 와이어의 전류 용량이 개선된다. 또한 이러한 경우, SnTi2와 Sn 함유 코어(2)의 Sn 함유 분말(4)의 분말 혼합물을 제공하는 것을 필요로 하지 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 하위 요소(1)의 제조의 예시적인 변형예를 개략적인 부분 이미지로 도시한다.
하위 요소(1)를 제조하기 위해, 우선 별도의 제조 프로세스에서 중간 본체(40)가 제공된다. 이러한 중간 본체(40)는 여기서 원소 Cu로 제조된, 일 부분으로 된 Cu 함유 내부 구조(41)를 포함한다. 내부 구조(41)는 (도시된 바와 같이) 외부가 둥글거나 또는 프로파일링된 형태로 형성될 수 있다. 내부 구조(41)는 Nb 함유 로드 요소(8)의 링으로 둘러싸여 있다. Nb 함유 로드 요소(8) 주위에는, 여기서 원소 Cu로 제조된 Cu 함유 외부 구조(42)가 배치된다. 외부 구조(42)는 (도시된 바와 같이) 내부가 둥글거나 또는 프로파일링된 형태로 형성될 수 있다.
도시된 실시예에서, 중간 본체(40)는 또한 외부 구조(42) 주위에 배치된, 여기서 원소 Nb로 이루어진 확산 장벽(11), 및 확산 장벽(11) 주위에 배치되고 여기서 육각형 외부 형상을 포함하는, 여기서 원소 Cu로 이루어진 케이싱 구조(12)를 포함한다.
그런 다음, 중간 본체(40)에는 횡단면이 감소되는 성형, 예를 들어 압출이 적용된다. 이어서, (횡단면이 감소된) 내부 구조(42)에 리세스(개구)(43), 여기서는 보어가 도입된다. 이러한 방식으로 단면이 감소되고 천공된 중간 본체(40)는 하위 요소(1)의 메인 본체(44)로서 또한 지칭된다. 이 경우, 이전의 내부 구조(41)는 내부 매트릭스(5)에 대응하고, 이전의 외부 구조(42)는 외부 매트릭스(6)에 대응한다.
또한, 별도의 제조 프로세스에서, 여기서 Nb와 Ti의 합금으로 이루어진 코어 튜브(3) 내에는 Sn 함유 분말(4)이 충전된다. 그런 다음, 이러한 충전된 코어 튜브(3)에는 예를 들어 압출에 의해 횡단면이 감소되는 성형이 적용된다. 이 경우, Sn 함유 분말(4)은 압축되는데, 즉 실질적으로 반경 방향으로 압축된다. 이를 통해, 하위 요소(1)를 위한 Sn 함유 코어(2)가 획득된다.
이 경우, 별도로 제조된 Sn 함유 코어(2)는 별도로 제조된 메인 본체(44)의 리세스(43) 내에 삽입되고, 이에 의해 완전한 하위 요소(1)가 획득된다.
확산 장벽(11) 및 케이싱 구조(12)는 대안적으로 메인 본체(44)와 Sn 함유 코어(2)가 함께 결합된 후에 하위 요소(1) 상에 배치될 수 있다는 점에 유의해야 한다(상세히 도시되지 않음).
도 5는 본 발명에 따른 하위 요소(1)를 기반으로 한 Nb3Sn 함유 초전도체 와이어(55)의 본 발명에 따른 제조의 예시적인 변형예를 개략적인 부분 이미지로 도시한다.
예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이 제조된 하위 요소(1)(전구체로도 또한 지칭됨)에는 우선, 예를 들어 압출과 같은 횡단면이 감소되는 성형이 적용된다. 그런 다음, 횡단면이 감소된 복수의 하위 요소(1)는 와이어 외부 구조(50)에 번들링되고, 이에 의해 완성된 전도체 배열체(51)가 획득된다. 하위 요소(1)의 육각형 외부 형상으로 인해 번들링이 간단하게 가능해진다. 와이어 외부 구조(50)는 (도시된 바와 같이) 내부가 둥글거나 또는 프로파일링된 형태로 형성될 수 있다. 외부를 향해 와이어 외부 구조(50)는 여기서 둥글게 형성되는데; 그러나 예를 들어 직사각형 외부 형상과 같은 다른 외부 형상도 또한 가능하다. 이어서, 완성된 전도체 배열체(51)에는 횡단면이 감소되는 성형, 예를 들어 압출이 적용된다.
성형된 완성된 전도체 배열체(51)는 이제 원하는 기하학적 형상으로 형성되며, 이를 위해 도시된 변형예에서는 예를 들어 코일(53), 여기서는 솔레노이드 코일을 형성하기 위해 코일 본체(52)에 권취된다. 권취된 완성된 전도체 배열체(51) 또는 코일(53)은 이 경우, 코일(53)이 가열되는 오븐(54)에 배치되며, 전형적으로 600℃ 내지 800℃의 최대 온도까지 가열된다. 이러한 반응 열처리 과정 동안, 초전도 Nb3Sn 상은 완성된 전도체 배열체(51)에 포함되는 하위 요소에 형성된다.
반응 열처리 과정을 통해, 완성된 전도체 배열체(51)는 사용 준비된 Nb3Sn 함유 초전도체 와이어(55)가 된다. (예를 들어 액체 헬륨으로의) 충분한 냉각 시, Nb3Sn 함유 초전도체 와이어(55)에 형성된 Nb3Sn 필라멘트는 손실 없이 전류를 전달할 수 있는 초전도 상태를 취한다. 본 발명을 통해, Nb3Sn 함유 초전도체 와이어(55)는 특히 높은 전류 용량을 포함한다.
도 6은 본 발명에 따른 하위 요소를 위한 메인 본체(44)를 제조하기 위해 도 4에서 설명된 변형예의 변형을 개략적인 부분 이미지로 설명한다. 단지, 도 4와의 실질적인 차이만이 설명된다.
도 6에 도시된 변형에서, 외부를 향해 프로파일링된 내부 구조(41)는 실질적으로 섹터 형상으로 형성되고 중간 본체(40)의 내부 공간을 함께 형성하거나 또는 충전하는 4개의 부분 피스(61, 62, 63, 64)로 구성된다. 이에 의해, 내부 구조(41)의 제조가 용이해질 수 있다. 도시된 변형의 부분 피스(61-64)는 동일하게 구성되는데, 단지 상이하게 배향되고 서로 인접하게 배치된다는 점에 유의해야 한다.
중간 본체(40)의 횡단면이 감소되는 성형 및 리세스(43)의 도입 후에, 메인 본체(44)가 획득되며, 그 내부 매트릭스(5)는 - 복수의 부분으로 된 내부 구조(41)에 대응하여 - 마찬가지로 복수의 부분으로 형성되는데; 그러나 매트릭스(5)의 부분들은 (특히 상호 간의 지지로 인해) 메인 본체(44)에 견고하게 안착되어, 더 이상의 유지 수단을 필요로 하지 않고, 메인 본체(44)는 도 4에 도시된 바와 같이 계속 취급될 수 있다. 특히, 메인 본체(44)에서 도 4에 도시된 바와 같이, Sn 함유 코어는 본 발명에 따른 하위 요소를 획득하기 위해 사용될 수 있다.
1 하위 요소
2 Sn 함유 코어
3 코어 튜브
4 Sn 함유 분말 / 분말 코어
5 내부 매트릭스
6 외부 매트릭스
7 Nb 함유 로드 요소들의 영역
8 Nb 함유 로드 요소
9 Nb 함유 코어 필라멘트
10 Cu 함유 필라멘트 케이싱
11 확산 장벽
12 케이싱 구조
20 추가 로드 요소
30 Nb 함유 코어 필라멘트가 추가 구성 요소를 포함하는 Nb 함유 로드 요소 / Nb 함유 로드 요소의 부분
31 추가 구성 요소가 있는 코어 필라멘트
40 중간 본체
41 내부 구조
42 외부 구조
43 리세스 / 개구
44 메인 본체
50 와이어 외부 구조
51 완성된 전도체 배열체
52 코일 본체
53 코일
54 오븐
55 Nb3Sn 함유 초전도체 와이어
61-64 내부 구조의 부분 피스
D 코어 튜브의 직경
FA Nb 함유 코어 필라멘트 간의 최소 거리
FD Nb 함유 코어 필라멘트의 직경
GA 최대 거리
WS 코어 튜브의 벽 두께
2 Sn 함유 코어
3 코어 튜브
4 Sn 함유 분말 / 분말 코어
5 내부 매트릭스
6 외부 매트릭스
7 Nb 함유 로드 요소들의 영역
8 Nb 함유 로드 요소
9 Nb 함유 코어 필라멘트
10 Cu 함유 필라멘트 케이싱
11 확산 장벽
12 케이싱 구조
20 추가 로드 요소
30 Nb 함유 코어 필라멘트가 추가 구성 요소를 포함하는 Nb 함유 로드 요소 / Nb 함유 로드 요소의 부분
31 추가 구성 요소가 있는 코어 필라멘트
40 중간 본체
41 내부 구조
42 외부 구조
43 리세스 / 개구
44 메인 본체
50 와이어 외부 구조
51 완성된 전도체 배열체
52 코일 본체
53 코일
54 오븐
55 Nb3Sn 함유 초전도체 와이어
61-64 내부 구조의 부분 피스
D 코어 튜브의 직경
FA Nb 함유 코어 필라멘트 간의 최소 거리
FD Nb 함유 코어 필라멘트의 직경
GA 최대 거리
WS 코어 튜브의 벽 두께
Claims (19)
- Nb3Sn 함유 초전도체 와이어(55)를 위한 하위 요소(1)를 제조하기 위한 방법으로서,
상기 하위 요소(1)는,
- Sn 함유 코어(2),
- Cu를 포함하고 상기 Sn 함유 코어(2)를 둘러싸는 내부 매트릭스(5),
- 상기 내부 매트릭스(5)를 둘러싸는, 서로 인접한 Nb 함유 로드 요소(8, 30)들의 영역(7)으로서, 상기 Nb 함유 로드 요소(8, 30)는 각각 Nb 함유 코어 필라멘트(9; 31) 및 Cu 함유 필라멘트 케이싱(10)으로 형성되고, 특히 상기 Nb 함유 로드 요소(8, 30)는 각각 외부 횡단면이 육각형으로 형성되는 것인 Nb 함유 로드 요소(8, 30)들의 영역,
- Cu를 포함하고 상기 Nb 함유 로드 요소(8, 30)들의 영역(7)을 둘러싸는 외부 매트릭스(6)
로 형성되는 것인, 방법에 있어서,
상기 Sn 함유 코어(2)는,
a) 코어 튜브(3)에 Sn 함유 분말(4)이 충전되는 단계,
b) 상기 Sn 함유 분말(4)을 포함하는 상기 코어 튜브(3)에 횡단면이 감소되는 성형이 적용되는 단계로서, 상기 Sn 함유 코어(2)의 상기 Sn 함유 분말(4)은 압축되는 것인 단계
에 의해 별도로 제조되고,
상기 별도로 제조된 Sn 함유 코어(2)는 상기 하위 요소(1)의 상기 내부 매트릭스(5)의 리세스(43) 내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 방법은, 획득된 상기 하위 요소(1)에서 상기 코어 튜브(3)의 벽 두께(WS) 및 상기 코어 튜브(1)의 직경(D)에 대해, WS ≤ 0.15*D, 바람직하게는 WS ≤ 0.10*D가 적용되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 Sn 함유 분말(4)은 적어도 2개의 상이한 화학적 형태로 Sn을 포함하는 분말 혼합물이고, 특히 상기 Sn 함유 분말(4)은 Sn을 이하의 화학적 형태, 즉
- 원소 Sn,
- Nb 및 Sn, 바람직하게는 NbSn2 및/또는 Nb6Sn5의 상이하게 조성된 하나 이상의 금속 간 상 또는 합금,
- Cu 및 Sn의 상이하게 조성된 하나 이상의 금속 간 상 또는 합금,
- Sn 및 Ti의 상이하게 조성된 하나 이상의 금속 간 상 또는 합금;
- Sn 및 Ta의 상이하게 조성된 하나 이상의 금속 간 상 또는 합금
중 적어도 두 가지의 화학적 형태로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Sn 함유 분말(4)은 Cu 함유 분말 분율을 포함하는 분말 혼합물이고, 특히 상기 Cu 함유 분말 분율이 원소 Cu를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코어 튜브(3)는 Cu 함유이고, 특히 적어도 25 중량% Cu, 바람직하게는 적어도 50 중량% Cu를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코어 튜브(3)는 Nb 함유이고, 특히 적어도 50 중량% Nb, 바람직하게는 적어도 75 중량% Nb를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 서로 인접하는 Nb 함유 로드 요소(8, 30)들의 영역(7)의 상기 Nb 함유 로드 요소(30)의 적어도 일 부분은, Nb 외에 추가적으로 Ti, Ta, Hf 및/또는 Zr도 또한 포함하는 Nb 함유 코어 필라멘트(31)로 형성되고, 및/또는
- 상기 서로 인접하는 Nb 함유 로드 요소(8, 30)들의 영역(7)에 Ti, Ta, Hf 및/또는 Zr을 포함하는 추가 로드 요소(20)가 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Sn 함유 분말(4)은 Ta 함유 및/또는 Ti 함유 및/또는 Hf 함유 및/또는 Zr 함유인 분말 분율을 포함하는 분말 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 서로 인접하는 Nb 함유 로드 요소(8, 30)들의 영역(7)은 또한 적어도 하나의 합금 성분(X)을 포함하고,
상기 Sn 함유 분말(4)은 또한 적어도 하나의 파트너 성분(Pk)을 포함하고,
특히 상기 Sn 함유 분말(4)은 상기 파트너 성분(Pk)을 포함하는 분말 분율을 포함하는 분말 혼합물이고,
상기 합금 성분(X) 및 상기 파트너 성분(Pk)은, 상기 하위 요소(1)의 반응 열처리 과정에서 상기 Sn 함유 코어(2)로부터의 Sn 및 상기 Nb 함유 로드 요소(8, 30)로부터의 Nb가 Nb3Sn에 대해 반응할 수 있고, 침전물(XPk)을 형성할 수 있도록 선택되고 배치되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 적어도 하나의 파트너 성분(Pk)은 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제10항에 있어서,
상기 Sn 함유 분말(4)은 Pk 함유 분말 분율을 포함하고, 상기 Pk 함유 분말 분율은 상기 합금 성분(X)에 의해 환원될 수 있는 금속 산화물을 포함하고,
특히 상기 금속 산화물의 금속이 Sn, Cu, Zn, Nb, Fe, Ni, Cr, Co 및/또는 W를 포함하고 그리고/또는 상기 금속 산화물이 SnO2, Cu2O, CuO, ZnO, Ag2O 및/또는 Nb2O5를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금 성분(X)은 Nb보다 산화되기 쉬운 금속을 포함하고, 특히 상기 합금 성분(X)은 Zr, Al, Ti, Hf 및/또는 Be를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금 성분(X)은 상기 Nb 함유 코어 필라멘트(9; 31)에서 상기 Nb 함유 로드 요소(30)의 적어도 일 부분에 포함되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하위 요소(1)는 또한
- 상기 외부 매트릭스(6)를 둘러싸는 확산 장벽(11)으로서, 특히 상기 확산 장벽(11)은 Nb, Ta 및/또는 V의 요소들 중 적어도 하나를 포함하는 것인 확산 장벽, 및
- Cu를 포함하고 상기 확산 장벽(11)을 둘러싸는 케이싱 구조(12)로서, 특히 상기 케이싱 구조(12)는 육각형 외부 횡단면을 포함하는 것인 케이싱 구조
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은, 획득된 상기 하위 요소(1)에서 상기 코어 튜브(3)와 상기 내부 매트릭스(5)의 상기 Nb 함유 로드 요소(8, 30)들의 영역의 내부 측면 사이의 반경 방향 최대 거리(GA) 및 상기 코어 튜브(3)의 직경(D)에 대해, GA ≤ 0.30*D, 바람직하게는 GA ≤ 0.20*D, 특히 바람직하게는 GA ≤ 0.10*D가 적용되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은, 획득된 상기 하위 요소(1)에서 상기 Nb 함유 코어 필라멘트(9; 31)들 간의 외부 측면에서 외부 측면으로의 최소 거리(FA) 및 상기 Nb 함유 코어 필라멘트(9; 31)의 직경(FD)에 대해, FA ≤ 0.30*FD, 바람직하게는 FA ≤ 0.20*FD, 특히 바람직하게는 FA ≤ 0.15*FD, 매우 바람직하게는 FA ≤ 0.10*FD가 적용되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 리세스(43)가 있는 상기 내부 매트릭스(5), 상기 서로 인접한 Nb 함유 로드 요소(8, 30)들의 영역(7) 및 상기 외부 매트릭스(6)를 포함하는 상기 하위 요소(1)의 메인 본체(44)는,
a`) Cu를 포함하는 일 부분으로 된 또는 복수의 부분으로 된 내부 구조(41) 주위에 상기 Nb 함유 로드 요소(8, 30)가 배치되고, 상기 Nb 함유 로드 요소(8, 30) 주위에 Cu를 포함하는 적어도 하나의 외부 구조(42)가 배치되어, 중간 본체(40)가 획득되는 단계;
b`) 상기 중간 본체(40)에 횡단면이 감소되는 성형이 적용되는 단계;
c`) 상기 횡단면이 감소된 내부 구조(41)에 리세스(43)가 도입되어, 상기 리세스(43)가 있는 상기 내부 매트릭스(5) 및 전반적으로 상기 메인 본체(44)가 획득되는 단계
에 의해 별도로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법. - Nb3Sn 함유 초전도체 와이어(55)를 제조하기 위한 방법에 있어서, 다음 단계들:
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따라 복수의 하위 요소(1)가 제조되는 단계;
- 상기 제조된 하위 요소(1)에 횡단면이 감소되는 성형이 적용되는 단계;
- 상기 성형된 하위 요소(1)는 완성된 전도체 배열체(51)로 번들링되는 단계로서, 상기 복수의 형성된 하위 요소(1)는 서로에 대해 배치되고, Cu 함유 와이어 외부 구조(50)에 의해 둘러싸이는 것인 단계;
- 상기 완성된 전도체 배열체(51)에 횡단면이 감소되는 성형이 적용되는 단계;
- 상기 성형된 완성된 전도체 배열체(51)는 원하는 기하학적 형상으로 형성되고, 특히 코일(53)로 권취되는 단계;
- 상기 성형된 완성된 전도체 배열체(51)에는, 상기 하위 요소로부터의 상기 Nb 및 상기 Sn이 Nb3Sn을 형성시키도록 반응하는 반응 열처리 과정이 적용되는 단계
를 포함하는 것인, 방법. - 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 하위 요소.
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