一种制备青铜法Nb₃Sn超导线材的方法

专利名称：一种制备青铜法Nb₃Sn超导线材的方法
技术领域：
本发明属于超导材料加工技术领域，涉及一种制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法。
背景技术：
Nb^n超导材料由于在10T以上高场条件下具有高的临界电流密度，成为目前高场 磁体制造关键的材料，在实用化超导材料中具有重要的地位。青铜法由于其加工性能优良 而作为较为成熟的Nb3Sn超导线材的生产方法被广泛采用。Nb3Sn超导线材的重要性能指 标就是单根线材长度、非铜区临界电流密度和磁滞损耗，而线材设计和加工工艺是其中的 关键技术。在传统的青铜法制备Nb3Sn超导线材中，采用六方亚组元集束后放入圆形铜套 中，并采用圆形青铜插棒填充六方亚组元与圆形铜套的空隙。由于空隙属于不规则形状，因 此圆形插棒并不能将圆形铜套内部的空隙填满，需要采用热等静压技术(即将坯料内部压 实，使得挤压时内部芯丝和阻隔层变形均匀)将封焊后的圆形铜套压实后挤压，最后拉伸 至成品。并且，圆形青铜插棒的填充并不均匀，会造成最终线材内部的芯丝和阻隔层分布不 均匀，导致线材性能不高。

发明内容
本发明的目的是提供一种制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，制备出来的线材内
部芯丝和阻隔层的分布均匀，并省去了热等静压的过程，减少了加工流程。 本发明所采用的技术方案是， 一种制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，按以下步骤
进行 步骤l， 取直径为①100-O 150mm高锡青铜管、青铜六方管、Nb或Nb合金棒、以及多种形 状的异型青铜插棒，清洗干净；在高锡青铜管中填入青铜六方管，将Nb或Nb合金棒分别插 入青铜六方管中，用异型青铜插棒填充入高锡青铜管内青铜六方管之间的空隙，得到一次 坯料； 步骤2， 将步骤1组装好的一次坯料的两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为35-50mA，焊接真 空度< 10—3Pa ;
步骤3， 将步骤2封焊后的坯料在520-65(TC下保温60-120min后进行挤压，获得多芯青铜 /Nb复合棒，或多芯青铜/Nb合金复合棒，挤压比为7-15 ;
步骤4， 将步骤3挤压后的多芯青铜/Nb复合棒，或多芯青铜/Nb合金复合棒去掉头尾、清 洗，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420-520°C ，道次加工率在20-30 % ，得到六方青 铜/Nb复合棒，或六方青铜/Nb合金复合棒；
步骤5，
取数根步骤4制得的六方青铜/Nb复合棒，或六方青铜/Nb合金复合棒，采用密排 六方的方式集束，然后和阻隔层材料一起装入①120-①275mm铜管内，并用多种形状的异 型青铜插棒填充铜管中的空隙，采用真空电子束将铜管两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为 70-90滅，焊接真空度< 10—3Pa，得到盖封后的二次坯料；
步骤6， 再将在步骤5得到的盖封后的二次坯料进行在520-65(TC下保温60_120min后
进行挤压，挤压比为7-15，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420-52(TC，道次加工率在
20-30%，即制得成品Nb3Sn超导线材。 本发明的特征还在于， 阻隔层材料为Ta板或Nb板。 采用本发明的制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，在圆形青铜和铜套内用异型青 铜插棒填满缝隙，然后进行挤压、拉伸、退火工艺，制得的Nb3Sn超导线材内部芯丝和阻隔层 的分布均匀，省去了热等静压的过程，减少了生产流程、减低成本。


图1是采用现有方法制备Nb3Sn超导线材的电镜扫描照片。 图2是采用本发明实施例1的方法制得的Nb3Sn超导线材的电镜扫描照片。
具体实施例方式
下面通过具体实施方式
对本发明进行详细说明。 本发明制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，按以下步骤进行 步骤l， 取直径为①100-①150mm高锡青铜管、青铜六方管、Nb或Nb合金棒、以及多种形 状的异型青铜插棒，清洗干净；在高锡青铜管中填入19-40根青铜六方管，将Nb或Nb合金 棒分别插入青铜六方管中，用异型青铜插棒填充入高锡青铜管内青铜六方管之间的空隙， 得到一次坯料；
步骤2， 将组装好的一次坯料的两端用铜盖焊接盖封，焊接盖封过程在真空下进行，焊接 电流为35-50滅，焊接真空度< 10—3Pa ;
步骤3， 将步骤2封焊后的坯料在520-65(TC下保温60_120min后，挤压获得多芯青铜/Nb 复合棒，或多芯青铜/Nb合金复合棒，挤压比为7-15 ;
步骤4， 将挤压后的多芯青铜/Nb复合棒，或多芯青铜/Nb合金复合棒去掉头尾、清洗，然 后进行反复拉伸、退火，退火温度为420-52(TC，道次加工率在20-30%，最终得到六方青铜 /Nb复合棒，或六方青铜/Nb合金复合棒；
步骤5， 取250-700根步骤4制得的六方青铜/Nb复合棒，或六方青铜/Nb合金复合棒，采 用密排六方的方式集束，然后和阻隔层材料(Ta板或Nb板) 一起装入①120-①275mm铜管
4内，并用多种形状的异型青铜插棒填充铜管中的空隙，采用真空电子束将铜管两端用铜盖 焊接盖封，焊接电流为70-90滅，焊接真空度< 10—卞a，得到盖封后的二次坯料；
步骤6， 再将在步骤5得到的盖封后的二次坯料进行在520-65(TC下保温60_120min后 进行挤压，挤压比为7-15，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420-52(TC，道次加工率在 20-30%，即制得成品青铜法Nb3Sn超导线材。 本发明中不限制异型青铜插棒各组元的规格，因为规格可以在很大范围内变化，
而主要强调采用异型插棒的这种组装加工方法。本发明中采用异型插棒可以提高坯料内的
占空系数，即减少坯料的空隙。采用异型插棒的坯料内部空隙很小，直接挤压内部各部分变
形也是均匀的。 实施例1 取直径为①100mm高锡青铜管、青铜六方管、Nb7. 5wt. % Ta棒、以及多种形状的 异型青铜插棒，清洗干净，高锡青铜管中填37根青铜六方管，将Nb7. 5wt. % Ta棒插入六 方管中，用多种形状的异型青铜插棒填充铜管中的空隙；两端用铜盖焊接盖封，焊接电流 为50mA，焊接真空度〈10—3Pa ;将封焊后的坯料在65(TC下保温120min，挤压获得直径为 ①45mm多芯青铜/Nb7. 5wt. % Ta复合棒，挤压比为7 ;然后去掉头尾、清洗，反复拉伸、退 火，退火温度为420°C ，道次加工率在20% ，得到对边为4. 4mm六方青铜/Nb7. 5wt. % Ta合 金复合棒；将313根六方青铜/Nb7. 5wt. % Ta复合棒集束和Ta阻隔层装入①120mm铜管 内，用多种形状的异型青铜插棒填充坯料中的空隙，采用真空电子束将铜管两端用铜盖焊 接盖封，焊接电流为85mA，焊接真空度〈10—卞a，得到二次坯料；65(TC下保温120min后进行 挤压，挤压比为7，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420°C ，道次加工率在20% ，制备得 到规格为OO. 82mm的成品Nb3Sn超导线材。 制得的青铜法Nb3Sn超导线材单根长度超过4000m，临界电流为201A/mm2，全体积 磁滞损耗为110mJ/cm3， n值为38。
实施例2 取直径为①120mm高锡青铜管、青铜六方管、Nb棒、以及多种形状的异型青铜插 棒，清洗干净，在高锡青铜管中填19根青铜六方管，将Nb棒插入六方管中，用多种形状 的异型青铜插棒填充铜管中的空隙；两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为40mA，焊接真空度 < 10—3Pa ;将封焊后的坯料在52(TC下保温60min，挤压获得直径为①45mm多芯青铜/Nb复 合棒，挤压比为15;将挤压后的多芯青铜/Nb复合棒去掉头尾、清洗，反复拉伸、退火，退火 温度为52(TC，道次加工率在30%，得到对边为5. Omm的六方青铜/Nb复合棒；将700根六 方青铜/Nb复合棒集束后和Nb阻隔层装入①220mm铜管内，用多种形状的异型青铜插棒填 充坯料中的空隙，采用真空电子束将坯料两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为90mA，焊接真空 度< 10—卞a，得到二次坯料；在52(TC下保温60min后进行挤压，挤压比为15，然后进行反复 拉伸、退火，退火温度为52(TC，道次加工率在30%，制备得到0 0. 82mm的成品Nb3Sn超导 线材。 制得的青铜法Nb3Sn超导线材单根长度超过6000m，临界电流为192A/mm2，全体积 磁滞损耗为430mJ/cm3， n值为37。
实施例3
取直径为①150mm高锡青铜管、青铜六方管、Nbl. 5wt. % Ta棒、以及多种形状的 异型青铜插棒，清洗干净，高锡青铜管中填40根青铜六方管，将Nbl. 5wt. % Ta棒插入六 方管中，用多种形状的异型青铜插棒填充铜管中的空隙；两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为 45mA，焊接真空度〈10—3Pa ;将封焊后的坯料在60(TC下保温80min，挤压获得直径为①45mm 多芯青铜/Nbl.5wt. % Ta复合棒，挤压比为10 ;然后去掉头尾、清洗，反复拉伸、退火，退火 温度为480。C，道次加工率在25%，得到对边为4. 6mm六方青铜/Nbl. 5wt. % Ta合金复合 棒；将250根六方青铜/Nbl.5wt. % Ta复合棒集束和Ta阻隔层装入①275mm铜管内，用多 种形状的异型青铜插棒填充坯料中的空隙，采用真空电子束将坯料两端用铜盖焊接盖封， 焊接电流为70mA，焊接真空度〈10—卞a，得到二次坯料；60(TC下保温80min后进行挤压，挤 压比为10，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为480°C ，道次加工率在25% ，制备得到规格 为OO. 82mm的成品Nb3Sn超导线材。 制得的青铜法Nb3Sn超导线材单根长度超过5000m，临界电流为210A/mm2，全体积 磁滞损耗为213mJ/cm3， n值为38。 采用实施例1制备得到Nb3Sn超导线材后，采用扫描电镜检查线材的横截面，如图 2所示，可以看到内部各组元的均匀性好。图1为现有方法制备Nb3Sn超导线材的电镜扫描 照片，可以看到内部各组元的均匀性差。另外在性能检测中，n值表征芯丝均匀性的，n值越 大表示芯丝的圆度和均匀性越好。采用圆形插棒和热等静压后得到的线材的n值为31，而 采用异型插棒得到的线材的n值为37，所以大大提高了芯丝的圆度和均匀性，并且制得的 超导线材临界电流> 190A/mm2，全体积磁滞损耗< 500mJ/cm3，长度都在4000m以上，满足超 导线材的性能指标。
权利要求
一种制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，其特征在于，按以下步骤进行步骤1，取直径为Φ100-Φ150mm高锡青铜管、青铜六方管、Nb或Nb合金棒、以及多种形状的异型青铜插棒，清洗干净；在高锡青铜管中填入青铜六方管，将Nb或Nb合金棒分别插入青铜六方管中，用异型青铜插棒填充入高锡青铜管内青铜六方管之间的空隙，得到一次坯料；步骤2，将步骤1组装好的一次坯料的两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为35-50mA，焊接真空度＜10-3Pa；步骤3，将步骤2封焊后的坯料在520-650℃下保温60-120min后进行挤压，获得多芯青铜/Nb复合棒，或多芯青铜/Nb合金复合棒，挤压比为7-15；步骤4，将步骤3挤压后的多芯青铜/Nb复合棒，或多芯青铜/Nb合金复合棒去掉头尾、清洗，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420-520℃，道次加工率在20-30％，得到六方青铜/Nb复合棒，或六方青铜/Nb合金复合棒；步骤5，取数根步骤4制得的六方青铜/Nb复合棒，或六方青铜/Nb合金复合棒，采用密排六方的方式集束，然后和阻隔层材料一起装入Φ120-Φ275mm铜管内，并用多种形状的异型青铜插棒填充铜管中的空隙，采用真空电子束将铜管两端用铜盖焊接盖封，焊接电流为70-90mA，焊接真空度＜10-3Pa，得到盖封后的二次坯料；步骤6，再将在步骤5得到的盖封后的二次坯料进行在520-650℃下保温60-120min后进行挤压，挤压比为7-15，然后进行反复拉伸、退火，退火温度为420-520℃，道次加工率在20-30％，即制得成品Nb3Sn超导线材。
2. 根据权利要求1所述的制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，其特征在于，所述阻隔层 材料为Ta板或Nb板。
全文摘要
本发明公开了一种制备青铜法Nb3Sn超导线材的方法，在高锡青铜管中填入青铜六方管，将Nb或Nb合金棒分别插入青铜六方管中，用异型青铜插棒填充入高锡青铜管内青铜六方管之间的空隙，得到一次坯料；然后两端用铜盖焊接盖封，进行挤压，然后进行反复拉伸、退火，然后和阻隔层材料一起装入铜管内，并用多种形状的异型青铜插棒填充铜管中的空隙，两端用铜盖焊接盖封，再进行挤压，然后进行反复拉伸、退火，即制得。采用本发明的青铜法制备Nb3Sn超导线材的方法，在圆形青铜和铜套内用异型青铜插棒填满缝隙，然后进行挤压、拉伸、退火工艺，制得的Nb3Sn超导线材内部芯丝和阻隔层的分布均匀，省去了热等静压的过程，减少了生产流程。
文档编号H01B12/02GK101719400SQ20091025455
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月28日 优先权日2009年12月28日
发明者冯勇, 刘向宏, 张平祥, 张科, 贾晶晶, 郭建华 申请人:西部超导材料科技有限公司