一种高场Nb₃Sn线材用CuNb复合管的制备方法

专利名称：一种高场Nb₃Sn线材用CuNb复合管的制备方法
技术领域：
本发明属于超导材料加工技术领域，涉及一种高场Nb3Sn线材用CuNb复合管的制 备方法。
背景技术：
多芯Nb3Sn超导股线是一种具有优异超导性能的高场低温超导材料，是制作IOT 以上超导磁体最理想的材料之一。近年来，各种强磁场实验中心以及各种科学实验装置 的建立，对Nb3Sn超导材料的需要及技术要求都提出了新的挑战，对于强磁场磁体所用的 Nb3Sn超导材料，要求磁场强度在12T、温度在4. 2K具有至少400A临界电流，所以要求超导 材料的CuNb区具有非常高的Nb、Cu面积比，这就提高了 CuNb复合体的制作难度，对工艺的 要求也随之提高。RRP法是近年来发展起来的特别针对强磁场用Nb3Sn线材制备而提出的 一种新型实验生产工艺，在RRP法工艺中，首先制备出具有一定厚度阻隔层的高Nb、Cu面积 比的多芯CuNb复合体；再通过加工制作成管材，然后将Sn或Sn合金插入CuNb复合管内冷 加工形成CuNbSn复合棒，即亚组元；再将这样的亚组元集束装入Cu管中构成最终坯料，力口 工这种最终坯料至所需尺寸的复合股线进行Nb3Sn的生成热处理。显然，在RRP法制备过 程中CuNb复合体的设计及加工质量是线材后续加工的重要因素，也是决定Nb3Sn超导线材 性能的关键要素之一。目前，现有技术中还没有涉及具体的高场Nb3Sn线材用的CuNb复合 体的制备工艺。

发明内容
本发明的目的是提供一种高场Nb3Sn线材用CuNb复合管的制备方法，生产出能够 满足强磁场用RRP法Nb3Sn线材生产所需要的、具有良好冶金结合的CuNb复合体。本发明所采用的技术方案是，高场Nb3Sn线材用CuNb复合管的制备方法，按以下 步骤进行步骤1制取六角单芯CuNb复合棒选取无氧Cu管与Nb棒，清洗去除Nb棒表面的油污以 及氧化层后，将Nb棒放入无氧Cu管内进行镟锻加工，使Cu与Nb之间的界面充分压紧、结 合，再进行拉伸加工，拉伸成型为六角单芯CuNb复合棒，其中六角单芯CuNb复合棒横截面 上Nb与Cu的面积比为70% -90% 30% -10% ；制取六角Cu芯棒拉伸加工获得六角Cu芯棒，六角Cu芯棒的长度和外部直径与 六角单芯CuNb复合棒相同；制取无氧Cu插缝棒拉伸加工圆形无氧Cu插缝棒，该插缝棒的直径小于六角单芯 CuNb复合棒的外部直径；将清洗过的Nb薄板卷制成大小直径不等的Nb筒，并按照Nb筒直径由大到小的顺 序套装在一起，得到Nb套筒；步骤2
将步骤1制得的多根六角单芯CuNb复合棒、六角Cu芯棒、圆形无氧Cu插缝棒按密 排六方结构组装装入步骤1制得的Nb套筒内，再一起装入清洗过的Cu管中，盖好Cu管的 上下盖后进行除气处理，除气温度为300°C -350°C，时间为1-2小时，得到CuNb复合坯锭； 待复合坯锭冷却后出炉进行真空电子束焊接；再将焊接好的CuNb复合坯锭进行热等静压， 热等静压温度为500°C _650°C，压力80MPa-100MPa，保压时间1_2小时；最后进行热挤压， 挤压预热温度为500°C -650°C，挤压速度控制为10mm/min-20mm/min，挤压比控制在10-15 之间，即得到高场Nb3Sn线材用CuNb复合管。本发明的特征还在于，Nb 棒直径为 11. 8mm-13mm，长度为 2000mm。Cu 管直径为 20mm-22mm，管壁厚度为 3. 3mm_3. 9mm,长度为 2000mm。Nb套筒是由1. 5mm壁厚的4片Nb薄板分别卷制成4个直径不同的筒，然后再 将4个筒按照直径由大到小的顺序套装在一起，Nb套筒整体外径为131mm-132mm，内径为 118mm-119mm0本发明的高场Nb3Sn线材用CuNb复合管的制备方法，制备的CuNb复合棒具有Nb 阻隔层包围、Nb芯丝对称分布、Nb芯丝大小均勻、各组元间达到良好的冶金结合等特点， 复合棒内部Cu、Nb面积比例可按需求调整，且复合棒可满足不同要求的高场股线的生产需要。


图1为本发明的制备方法中六角单芯CuNb复合棒的结构示意图；图2为采用实施例1制得的CuNb复合管制备的Nb3Sn股线I_V测试曲线；图3为采用实施例2制得的CuNb复合管制备的Nb3Sn股线I_V测试曲线；图4为采用实施例3制得的CuNb复合管制备的Nb3Sn股线I_V测试曲线。图中，1.无氧Cu管，2. Nb棒。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。本发明的高场Nb3Sn线材用CuNb复合管的制备方法，是将一定规格尺寸的Nb棒 Cu管进行组装，然后经镟锻、拉伸获得具有单Nb芯的六角单芯CuNb复合棒，同时制备六角 Cu芯棒以及圆形无氧Cu插缝棒；将六角单芯CuNb复合棒、六角Cu芯棒、圆形无氧Cu插缝 棒按密排六方组装于Cu管中，加盖上下盖后进行除气、电子束封焊、热等静压，最后进行挤 压加工获得满足使用要求的CuNb复合棒。本发明的高场Nb3Sn线材用CuNb复合管的制备方法，具体按以下步骤进行步骤1选取一定规格的无氧Cu管和Nb棒，考虑到Nb芯丝的总加工率，避免超导股 线的后续加工造成Nb芯丝的断裂，降低股线性能或者导致断线，选取的Nb棒直径在 11. 8mm-13mm,长度为2000mm，再根据所需要的Nb、Cu面积比选取合适的Cu管，为保证后续 制得的六角单芯CuNb复合棒横截面上Nb与Cu的面积比为70%-90% 30%-10%，所以 选取直径为20mm-22mm，厚度3. 3mm_3. 9mm,长度2000mm的Cu管，然后清洗去除Nb棒表面的油污以及氧化层后，将Nb棒放入Cu管内进行镟锻加工，使Cu与Nb之间的界面充分压 紧、结合，再进行拉伸加工，一般选取的加工率在20%以下，最后拉伸成型为六角单芯CuNb 复合棒，六角单芯CuNb复合棒的对边的尺寸即对边之间的距离一般为3mm-5mm，六角单芯 CuNb复合棒的结构如图1所示，里层为Nb棒2，外层为无氧Cu管1，其中六角单芯CuNb复 合棒横截面上Nb与Cu的面积比为70% -90% 30% -10% ；拉伸获得一定数量的六角Cu芯棒，六角纯铜芯棒的规格要与六角单芯CuNb复合 棒相同，六角对边的尺寸在3mm-5mm ；拉伸加工成一定数量的圆形无氧Cu插缝棒，插缝棒的尺寸小于六角芯棒的尺寸；将清洗过的厚度为1. 5mm的4片Nb薄板分别卷制成一定规格的Nb筒，并按照 直径由大到小的顺序套装在一起，得到Nb套筒，Nb套筒整体外径为131mm-132mm，内径为 118mm-119mm ；步骤2.将步骤1制得的多跟六角单芯CuNb复合棒、六角Cu芯棒、圆形无氧Cu插缝棒按 密排六方结构组装装入步骤1制得的Nb套筒内，再一起装入清洗过的Cu管中，盖好Cu管 的上下盖后进行除气处理，除气温度为300°C _350°C，时间为1-2小时，得到复合坯锭；待复 合坯锭冷却后出炉进行真空电子束焊接；再将焊接好的CuNb坯锭进行热等静压，热等静压 温度为500°C _650°C，压力80MPa-100MPa，保压时间1_2小时；最后进行热挤压，挤压预热 温度为500°C-650°C，挤压速度控制为10mm/min-20mm/min，挤压比控制在10-15之间，即得 到高场Nb3Sn线材用CuNb复合管。实施例1直径为20mm、厚度为3. 6mm、长2000mm的无氧Cu管和直径为12. 5mm、长2000mm
的Nb棒经清洗进行组装并镟锻至直径为16. 8mm、拉伸成型为对边距离为4. 22mm的六角单 芯CuNb复合棒，六角单芯CuNb复合棒中Nb与Cu的面积比为70% 30% ；制得和六角单 芯CuNb复合棒尺寸相同的六角Cu芯棒；拉伸加工有直径为1. 0mm, 1. 3mm, 1. 6mm, 2. 7mm, 3. 1mm, 3. 6mm六种不同规格的无氧Cu插缝棒；清洗厚度为1. 5mm的Nb薄板4片卷制成Nb 筒，由大到小的顺序套装在一起，Nb套筒的整体外径为132mm，内径为119mm ；将342支六角 单芯CuNb复合棒，253支六角Cu芯棒，圆形无氧Cu插缝棒直径为1. 0mm的36支，直径为 1. 3mm的60支，直径为1. 6mm的24支，直径为2. 7mm的12支，直径为3. 1mm的24支，直径 为3. 6mm的6支按密排六方组装在一起，装入Nb套筒内；其中圆形无氧Cu插缝棒将六角Cu 芯棒与Nb筒之间的缝隙插满；盖好上下盖后进行除气处理，除气温度为300°C，时间为2h ； 待坯锭冷却后出炉进行电子束焊接，焊接的真空度为5. 0X10_3Pa ；焊接好的CuNb坯锭进行 热等静压，等静压温度为550°C，压力lOOMPa，保压时间2小时；最后进行热挤压，挤压前坯 锭的预热温度为600°C，挤压速度为lOmm/min，挤压比为10，即得高场Nb3Sn线材用CuNb复 合管。采用上述实施例1制得的CuNb复合管制备的Nb3Sn股线，最终650°C热处理处理 100小时，测试条件为磁场强度12T、温度4. 22K及0. lmv/cm判据临界电流，Nb3Sn股线I-V 测试曲线见图2，临界电流Ic = 420A，大于400A电流，符合强磁场磁体所用的Nb3Sn超导 材料的指标。实施例2
直径为22mm、厚度为3. 3mm、长2000mm的无氧Cu管和直径为13mm、长2000mm的Nb 棒经清洗进行组装并镟锻至直径为16. 8mm、拉伸成型为对边距离为5mm的六角单芯CuNb复 合棒，六角单芯CuNb复合棒中Nb与Cu的面积比为80% 20% ；制得和六角单芯CuNb复 合棒尺寸相同的六角Cu芯棒；拉伸加工有直径为1. 0mm, 1. 3mm, 1. 6mm, 2. 7mm, 3. 1mm, 3. 6mm 六种不同规格的无氧Cu插缝棒；清洗厚度为1. 5mm的Nb薄板4片卷制成Nb筒，由大到小的 顺序套装在一起，Nb套筒的整体外径为131mm，内径为118mm ；将342支六角单芯CuNb复合 棒，253支六角Cu芯棒，圆形无氧Cu插缝棒直径为1. 0mm的36支，直径为1. 3mm的60支， 直径为1. 6mm的24支，直径为2. 7mm的12支，直径为3. 1mm的24支，直径为3. 6mm的6支 按密排六方组装在一起，装入Nb套筒内；其中圆形无氧Cu插缝棒将六角Cu芯棒与Nb筒之 间的缝隙插满；盖好上下盖后进行除气处理，除气温度为350°C，时间为lh ；待坯锭冷却后 出炉进行电子束焊接，焊接的真空度为5. OX 10_3Pa ；焊接好的CuNb坯锭进行热等静压，等 静压温度为500°C，压力80MPa，保压时间1小时；最后进行热挤压，挤压前坯锭的预热温度 为500°C，挤压速度为20mm/min，挤压比为15，即得高场Nb3Sn线材用CuNb复合管。采用上述实施例2制得的CuNb复合管制备的Nb3Sn股线，最终650°C热处理100 小时，测试条件为磁场强度12T、温度4. 22K及0. lmv/cm判据临界电流，Nb3Sn股线I-V测 试曲线见图3，临界电流Ic = 439A，大于400A电流，符合强磁场磁体所用的Nb3Sn超导材 料的指标。实施例3直径为21mm、厚度为3. 9mm、长2000mm的无氧Cu管和直径为11. 8mm、长2000mm的 Nb棒经清洗进行组装并镟锻至直径为16. 8mm、拉伸成型为对边距离为3mm的六角单芯CuNb 复合棒，六角单芯CuNb复合棒中Nb与Cu的面积比为90% 10%;制得和六角单芯CuNb复 合棒尺寸相同的六角Cu芯棒；拉伸加工有直径为1. 0mm，1. 3mm，1. 6mm, 2. 7mm, 2. 8mm, 2. 9mm 六种不同规格的无氧Cu插缝棒；清洗厚度为1. 5mm的Nb薄板4片卷制成Nb筒，由大到小的 顺序套装在一起，Nb套筒的整体外径为131. 5mm,内径为118. 5mm ；将342支六角单芯CuNb 复合棒，253支六角Cu芯棒，圆形无氧Cu插缝棒直径为1. 0mm的36支，直径为1. 3mm的60 支，直径为1. 6mm的24支，直径为2. 7mm的12支，直径为2. 8mm的24支，直径为2. 9mm的 6支按密排六方组装在一起，装入Nb套筒内；其中圆形无氧Cu插缝棒将六角Cu芯棒与Nb 筒之间的缝隙插满；盖好上下盖后进行除气处理，除气温度为330°C，时间为1. 5h ；待坯锭 冷却后出炉进行电子束焊接，焊接的真空度为5.0X10_3Pa ；焊接好的CuNb坯锭进行热等静 压，等静压温度为650°C，压力90MPa，保压时间1. 5小时；最后进行热挤压，挤压前坯锭的预 热温度为650°C，挤压速度为15mm/min，挤压比为13，即得高场Nb3Sn线材用CuNb复合管。采用上述实施例3制得的CuNb复合管制备的Nb3Sn股线，最终650°C热处理100 小时，测试条件为磁场强度12T、温度4. 22K及0. lmv/cm判据临界电流，Nb3Sn股线I-V测 试曲线见图4，临界电流Ic = 460A，大于400A电流，符合强磁场磁体所用的Nb3Sn超导材 料的指标。本发明方法制备的复合棒，具有Nb阻隔层包围、Nb芯丝对称分布、Nb芯丝大小均 勻、各组元间达到良好的冶金结合等特点，复合棒内部Cu、Nb面积比例可调整，该复合棒可 制备满足不同要求的高场用Nb3Sn股线。
权利要求
一种高场Nb3Sn线材用CuNb复合管的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行步骤1制取六角单芯CuNb复合棒选取无氧Cu管与Nb棒，清洗去除Nb棒表面的油污以及氧化层后，将Nb棒放入无氧Cu管内进行镟锻加工，使Cu与Nb之间的界面充分压紧、结合，再进行拉伸加工，拉伸成型为六角单芯CuNb复合棒，其中六角单芯CuNb复合棒横截面上Nb与Cu的面积比为70％-90％∶30％-10％；制取六角Cu芯棒拉伸加工获得六角Cu芯棒，六角Cu芯棒的长度和外部直径与六角单芯CuNb复合棒相同；制取无氧Cu插缝棒拉伸加工圆形无氧Cu插缝棒，该插缝棒的直径小于六角单芯CuNb复合棒的外部直径；将清洗过的Nb薄板卷制成大小直径不等的Nb筒，并按照Nb筒直径由大到小的顺序套装在一起，得到Nb套筒；步骤2将步骤1制得的多根六角单芯CuNb复合棒、六角Cu芯棒、圆形无氧Cu插缝棒按密排六方结构组装装入步骤1制得的Nb套筒内，再一起装入清洗过的Cu管中，盖好Cu管的上下盖后进行除气处理，除气温度为300℃-350℃，时间为1-2小时，得到CuNb复合坯锭；待复合坯锭冷却后出炉进行真空电子束焊接；再将焊接好的CuNb复合坯锭进行热等静压，热等静压温度为500℃-650℃，压力80MPa-100MPa，保压时间1-2小时；最后进行热挤压，挤压预热温度为500℃-650℃，挤压速度控制为10mm/min-20mm/min，挤压比控制在10-15之间，即得到高场Nb3Sn线材用CuNb复合管。
2.根据权利要求1所述的高场Nb3Sn线材用CuNb复合管的制备方法，其特征在于，所 述Nb棒直径为11. 8mm-13mm，长度为2000mm。
3.根据权利要求1所述的高场Nb3Sn线材用CuNb复合管的制备方法，其特征在于，所 述Cu管直径为20mm-22mm，管壁厚度为3. 3mm_3. 9mm,长度为2000mm。
4.根据权利要求1所述的高场Nb3Sn线材用CuNb复合管的制备方法，其特征在于，所述 Nb套筒是由1. 5mm壁厚的4片Nb薄板分别卷制成4个直径不同的筒，然后再将4个筒按照 直径由大到小的顺序套装在一起，Nb套筒整体外径为131mm-132mm，内径为118mm-119mm。
全文摘要
本发明公开了高场Nb3Sn线材用CuNb复合管的制备方法，选取无氧Cu管与Nb棒，拉伸成型为六角单芯CuNb复合棒；将多根六角单芯CuNb复合棒、六角Cu芯棒、圆形无氧Cu插缝棒按密排六方结构组装装入Nb套筒内，再一起装入Cu管中，盖好Cu管的上下盖后进行除气处理，得到复合坯锭，进行真空电子束焊接；再将焊接好的CuNb坯锭进行热等静压；最后进行热挤压，即得。本发明的制备方法，制备的CuNb复合棒具有Nb阻隔层包围、Nb芯丝对称分布、Nb芯丝大小均匀、各组元间达到良好的冶金结合等特点，复合棒内部Cu、Nb面积比例可按需求调整，且复合棒可满足不同要求的高场股线的生产需要。
文档编号H01B12/00GK101859612SQ201010181598
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者万小波, 冯勇, 刘向宏, 孙霞光, 张平祥, 李春广, 杜社军, 王天成, 管军强, 肖成举 申请人:西部超导材料科技有限公司