一种NbTi/CuMn/Cu超导复合线材的制备方法与流程

本发明属于超导复合线材加工领域，具体涉及一种nbti/cumn/cu超导复合线材的制备方法。

背景技术：

随着国内重离子加速器项目(hiaf)项目的启动，相应的一系列配套设施陆续处于设计及研发阶段，其中主要的核心器件之一超导磁体的设计对nbti超导线提出了高的要求，由于该磁体服役在高速脉冲电流下，采用常规nbti/cu超导线绕制的磁体，在交变的磁场下超导线损耗较高，能量损失较大，不但影响磁体的稳定性，而且对液氦消耗较多，因此降低nbti超导线的交流损耗并同时具备高的临界电流将是研发的重点，其中主要的交流损耗是超导线材磁滞损耗、基体涡流损耗、自场损耗以及其它附加损耗。由于cumn合金低温下的电阻率相比无氧铜较高，基体电阻率的增大可有效降低超导复合线材的涡流损耗，同时超导复合线材细芯化可有效降磁滞损耗，但是cumn合金相比无氧铜，硬度大、强度高，在冷加工过程中很容易产生加工硬化现象，这对细芯丝、低损耗超导线材的加工带来了极大的挑战，因此相比常规nbti/cu超导线材的制备，通常采用大的变形量冷拉拔加工，细芯丝、低损耗nbti/cumn/cu超导线材的加工需要开发新的线材结构、冷拉拔技术、热挤压技术等等。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种nbti/cumn/cu超导复合线材的制备方法，解决了现有方法加工的nbti超导复合线材芯丝粗大、交流损耗较高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种nbti/cumn/cu超导复合线材的制备方法，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1，制备nbti/cumn单芯复合棒坯：

将清洗干净的cumn合金管、上盖、下盖、铌筒和nbti合金棒进行组装，通过真空电子束焊接包套，最后通过热挤压获得nbti/cumn一次单芯复合棒坯；

步骤2，冷拉拔制备nbti/cumn单芯复合棒：

将步骤1中获得的nbti/cumn单芯复合棒坯进行20～30道次冷拉拔，每道次拉拔加工率控制在10％～30％，冷拉拔过程中通过扒皮将其表面黑皮去除，然后通过定模拉伸成型为六角棒形状，将其切断、矫直，获得nbti/cumn一次单芯复合棒；

步骤3，制备nbti/cumn/cu二次复合棒坯：

将步骤2中获得的nbti/cumn单芯复合棒整齐的密排在铜管内，铜管和单nbti/cumn单芯复合棒之间的间隙采用铜插棒进行填充，将组装好的nbti/cumn/cu二次复合包套进行热等静压减小单芯复合棒之间的间隙，最后通过热挤压获得nbti/cumn/cu二次复合棒坯；

步骤4，再次冷拉拔制备nbti/cumn/cu二次复合棒：

将步骤3中获得的nbti/cumn/cu二次复合棒坯进行30～40道次冷拉拔，每道次拉拔加工率控制在10％～20％，采用扒皮的方式去除表面黑皮，最后通过切断、矫直获得nbti/cumn/cu二次复合棒；

步骤5，定模成型得到nbti/cumn/cu超导复合线材：

将步骤4中的nbti/cumn/cu二次复合棒再一次整齐的密排在铜管内，将组装好的三次复合线进行冷拉拔，道次加工率控制在5％～10％，同时在不同规格对其进行多次时效热处理，最后通过定模成型获得复合要求的nbti/cumn/cu三次复合线。

本发明的其他特点还在于，

步骤1中cumn合金管的mn元素质量百分比为0.5％～5.0％，cumn合金管厚度为20mm～50mm，铌筒厚度为0.5mm～1mm，nbti合金棒的直径为150mm～250mm。

优选的，步骤1中nbti/cumn一次单芯包套上盖为cumn合金，下盖为紫铜，上盖和下盖均采用嵌入式进行装配。

优选的，步骤1中真空电子束焊接时真空度控制在10^-3mbar～10^-6mbar，焊接电流为50ma～150ma，聚焦电流为4000ma～7000ma，焊接速度为90°/min～160°/min。

优选的，步骤1中热挤压的预热温度为650℃～850℃，保温时间为3h～6h，挤压比为10～15。

优选的，步骤2中定模拉伸成型为六角棒形状的加工率控制在5％～10％。

优选的，步骤3中nbti/cumn/cu二次复合包套热等静压温度为550℃～750℃，包套外径下压量为5mm～10mm。

优选的，步骤3中nbti/cumn/cu二次复合包套热挤压预热温度为600℃～800℃，保温时间为3h～5h，挤压比为15～20。

优选的，步骤5中nbti/cumn/cu三次复合线冷拉拔采用低角度模具、小变形量进行加工，时效热处理温度为300℃～400℃，次数为3～5次，每次热处理时间为15h～50h。

本发明的有益效果是，一种nbti/cumn/cu超导复合线材的制备方法，采用cumn合金管作为基体，通过三次组装、冷拉拔的方法获得不同芯数、不同芯丝直径、不同铜比的细芯丝、低损耗nbti/cumn/cu超导复合线材，采用该制备方法，可根据线材的性能要求，灵活调整复合线材的芯数、铜比和时效热处理工艺，最终获得高临界电流密度、低损耗的铌钛复合线材。

附图说明

图1是本发明的实施例1制备得到的nbti/cumn/cu超导复合线材的横截面金相照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种nbti/cumn/cu超导复合线材的制备方法，其特征在于，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1，制备nbti/cumn单芯复合棒坯：

将清洗干净的cumn合金管、上盖、下盖、铌筒和nbti合金棒进行组装，通过真空电子束焊接包套，最后通过热挤压获得nbti/cumn一次单芯复合棒坯；

步骤1中cumn合金管的mn元素质量百分比为0.5％～5.0％，cumn合金管厚度为20mm～50mm，铌筒厚度为0.5mm～1mm，nbti合金棒的直径为150mm～250mm；

步骤1中nbti/cumn一次单芯包套上盖为cumn合金，下盖为紫铜，上盖和下盖均采用嵌入式进行装配；

步骤1中真空电子束焊接时真空度控制在10^-3mbar～10^-6mbar，焊接电流为50ma～150ma，聚焦电流为4000ma～7000ma，焊接速度为90°/min～160°/min；

步骤1中热挤压的预热温度为650℃～850℃，保温时间为3h～6h，挤压比为10～15；

步骤2，冷拉拔制备nbti/cumn单芯复合棒：

将步骤1中获得的nbti/cumn单芯复合棒坯进行20～30道次冷拉拔，每道次拉拔加工率控制在10％～30％，冷拉拔过程中通过扒皮将其表面黑皮去除，然后通过定模拉伸成型为六角棒形状，将其切断、矫直，获得nbti/cumn一次单芯复合棒；

步骤2中定模拉伸成型为六角棒形状的加工率控制在5％～10％，加工率超过这个范围不利于芯丝变形；

步骤3，制备nbti/cumn/cu二次复合棒坯：

将步骤2中获得的nbti/cumn单芯复合棒整齐的密排在铜管内，铜管和nbti/cumn单芯复合棒之间的间隙采用铜插棒进行填充，将组装好的nbti/cumn/cu二次复合包套进行热等静压减小单芯复合棒之间的间隙，最后通过热挤压获得nbti/cumn/cu二次复合棒坯；

步骤3中nbti/cumn/cu二次复合包套热等静压温度为550℃～750℃，包套外径下压量为5mm～10mm；

步骤3中nbti/cumn/cu二次复合包套热挤压预热温度为600℃～800℃，保温时间为3h～5h，挤压比为15～20；

步骤4，再次冷拉拔制备nbti/cumn/cu二次复合棒：

将步骤3中获得的nbti/cumn/cu二次复合棒坯进行30～40道次冷拉拔，每道次拉拔加工率控制在10％～20％，采用扒皮的方式去除表面黑皮，最后通过切断、矫直获得nbti/cumn/cu二次复合棒；

步骤5，定模成型得到nbti/cumn/cu超导复合线材：

将步骤4中的nbti/cumn/cu二次复合棒再一次整齐的密排在铜管内，将组装好的三次复合线进行冷拉拔，道次加工率控制在5％～10％，同时在不同规格对其进行多次时效热处理，最后通过定模成型获得复合要求的nbti/cumn/cu三次复合线。

步骤5中nbti/cumn/cu三次复合线冷拉拔采用低角度模具、小变形量进行加工，时效热处理温度为300℃～400℃，次数为3～5次，每次热处理时间为15h～50h。

本发明的一种nbti/cumn/cu超导复合线材的制备方法，采用cumn合金管作为基体，通过三次组装、冷拉拔的方法获得不同芯数、不同芯丝直径、不同铜比的细芯丝、低损耗nbti/cumn/cu超导复合线材，采用该制备方法，可根据线材的性能要求，通过调整一次单芯复合棒、二次复合棒以及三次复合线的设计参数获得芯丝直径3～50μm、铜比2～10、芯数10000～40000芯的细芯丝、低损耗nbti/cumn/cu超导复合线材。

实施例1

将外径φ182mm、壁厚30mm的cumn合金管，其中mn元素质量百分比为0.5％％～5.0％、厚度为40mm的cumn合金上盖、厚度为25mm的紫铜下盖、直径φ170mm的nbti合金棒以及3支直径φ150mm、壁厚0.5mm的铌筒进行硝酸水溶液清洗，清洗干净后将其在洁净间进行组装，然后将组装好的包套进行真空电子束焊接，焊接时真空度控制在10^-4mbar，焊接电流为100ma，聚焦电流为5000ma，焊接速度为120°/min，最后通过热挤压获得nbti/cumn一次单芯复合棒坯，热挤压预热温度为700℃，保温时间为3h，挤压比为10；将nbti/cumn一次单芯复合棒坯经过20道次冷拉拔和扒皮去除表面黑皮，冷拉拔道次加工率控制在20％，通过切断、矫直获得对边为h12.0mm、长度为550mm的nbti/cumn一次单芯六方棒；将360支nbti/cumn一次单芯六方复合棒整齐的密排在外径为φ280mm、壁厚为10mm的铜管中，六方棒与铜管之间的间隙采用φ3的铜棒进行填充，将加工好的铜上盖和下盖扣在包套两端，将其进行真空电子束焊接，然后采用热等静压进一步消除包套内的间隙，热等静压温度控制在600℃，下压量控制在为8mm，最后采用热挤压获得nbti/cumn/cu二次复合棒坯，热挤压预热温度为650℃，保温时间为3h，挤压比为18；接着将nbti/cumn/cu二次复合棒坯通过30道次冷拉伸、扒皮去除表面黑皮、切断、矫直获得直径为φ5mm的nbti/cumn/cu二次复合棒，道次加工率控制在15％；将36支nbti/cumn/cu二次复合棒再一次整齐的密排在外径为φ42mm、壁厚为6mm的铜管内，将组装好的三次复合包套采用低角度模具、小的变形量直接进行冷拉拔，道次加工率控制在10％以下，同时冷拉拔过程中在不同规格对其进行时效热处理，时效热处理总次数为5次，每次热处理温度为400℃，每次热处理时间为30h，最终通过扭绞、过定模冷拉拔获得线径为φ0.8mm的nbti/cumn/cu三次复合线。制备得到nbti/cumn/cu三次复合线电镜照片如图1所示，从图1可以看出，36支二次复合棒和无氧铜构成整个三次复合线，每支二次复合棒包含360支nbti/cumn一次单芯复合棒，其中一次单芯复合棒最外层为cumn合金，二次复合棒和三次复合线最外层均为高纯无氧铜。采用三次组装，结合冷拉拔获得的nbti/cumn/cu三次复合线材，芯丝直径约5μm，临界电流密度高达2980a/mm²(5t，4.22k)，单位体积内交流损耗为44.5mj/cm³。

实施例2

将外径φ248mm、壁厚25mm的cumn合金管，其中mn元素质量百分比为0.5％％～5.0％、厚度为55mm的cumn合金上盖、厚度为30mm的紫铜下盖、直径φ197mm的nbti合金棒以及4支直径φ200mm、壁厚0.8mm的铌筒进行硝酸水溶液清洗，清洗干净后将其在洁净间进行组装，然后将组装好的包套进行真空电子束焊接，焊接时真空度控制在10^-5mbar，焊接电流为120ma，聚焦电流为6000ma，焊接速度为140°/min，最后通过热挤压获得nbti/cumn一次单芯复合棒坯，热挤压预热温度为800℃，保温时间为5h，挤压比为12；将nbti/cumn一次单芯复合棒坯经过25道次冷拉拔和扒皮去除表面黑皮，冷拉拔道次加工率控制在20％，通过切断、矫直获得对边为h11.4mm、长度为500mm的nbti/cumn一次单芯六方棒；将432支nbti/cumn一次单芯六方复合棒整齐的密排在外径为φ280mm、壁厚为10mm的铜管中，六方棒与铜管之间的间隙采用φ3的铜棒进行填充，将加工好的铜上盖和下盖扣在包套两端，将其进行真空电子束焊接，然后采用热等静压进一步消除包套内的间隙，热等静压温度控制在600℃，下压量控制在为5mm，最后采用热挤压获得nbti/cumn/cu二次复合棒坯，热挤压预热温度相比一次包套温度降低至750℃，保温时间为4h，挤压比为15；接着将nbti/cumn/cu二次复合棒坯通过35道次冷拉伸、扒皮去除表面黑皮、切断、矫直获得直径为φ4.5mm的nbti/cumn/cu二次复合棒，道次加工率控制在15％；将55支nbti/cumn/cu二次复合棒再一次整齐的密排在外径为φ45mm、壁厚为8mm的铜管内，将组装好的三次复合包套采用低角度模具、小的变形量直接进行冷拉拔，道次加工率控制在10％以下，同时冷拉拔过程中在不同规格对其进行时效热处理，时效热处理总次数为4次，每次热处理温度为380℃，每次热处理时间为40h，最终通过扭绞、过定模冷拉拔获得线径为φ0.8mm的nbti/cumn/cu三次复合线。采用三次组装，结合冷拉拔获得的nbti/cumn/cu三次复合线材，芯丝直径约3μm，临界电流密度高达2840a/mm²(5t,4.22k)，单位体积内交流损耗为37.2mj/cm³。

实施例3

将外径φ220mm、壁厚20mm的cumn合金管，其中mn元素质量百分比为0.5％％～5.0％、厚度为40mm的cumn合金上盖、厚度为38mm的紫铜下盖、直径φ150mm的nbti合金棒以及4支直径φ160mm、壁厚0.5mm的铌筒进行硝酸水溶液清洗，清洗干净后将其在洁净间进行组装，然后将组装好的包套进行真空电子束焊接，焊接时真空度控制在10^-3mbar，焊接电流为50ma，聚焦电流为4000ma，焊接速度为90°/min，最后通过热挤压获得nbti/cumn一次单芯复合棒坯，热挤压预热温度为650℃，保温时间为3h，挤压比为10；将nbti/cumn一次单芯复合棒坯经过30道次冷拉拔和扒皮去除表面黑皮，冷拉拔道次加工率控制在10％，通过切断、矫直获得对边为h11.4mm、长度为500mm的nbti/cumn一次单芯六方棒；将432支nbti/cumn一次单芯六方复合棒整齐的密排在外径为φ280mm、壁厚为10mm的铜管中，六方棒与铜管之间的间隙采用φ3的铜棒进行填充，将加工好的铜上盖和下盖扣在包套两端，将其进行真空电子束焊接，然后采用热等静压进一步消除包套内的间隙，热等静压温度控制在550℃，下压量控制在为5mm，最后采用热挤压获得nbti/cumn/cu二次复合棒坯，热挤压预热温度相比一次包套温度降低至600℃，保温时间为4h，挤压比为15；接着将nbti/cumn/cu二次复合棒坯通过40道次冷拉伸、扒皮去除表面黑皮、切断、矫直获得直径为φ4.5mm的nbti/cumn/cu二次复合棒，道次加工率控制在10％；将60支nbti/cumn/cu二次复合棒再一次整齐的密排在外径为φ45mm、壁厚为8mm的铜管内，将组装好的三次复合包套采用低角度模具、小的变形量直接进行冷拉拔，道次加工率控制在10％以下，同时冷拉拔过程中在不同规格对其进行时效热处理，时效热处理总次数为3次，每次热处理温度为300℃，每次热处理时间为40h，最终通过扭绞、过定模冷拉拔获得线径为φ0.8mm的nbti/cumn/cu三次复合线。采用三次组装，结合冷拉拔获得的nbti/cumn/cu三次复合线材，芯丝直径约3μm，临界电流密度高达2850a/mm²(5t,4.22k)，单位体积内交流损耗为37.0mj/cm³。

实施例4

将外径φ300mm、壁厚50mm的cumn合金管，其中mn元素质量百分比为0.5％％～5.0％、厚度为40mm的cumn合金上盖、厚度为38mm的紫铜下盖、直径φ250mm的nbti合金棒以及4支直径φ160mm、壁厚1mm的铌筒进行硝酸水溶液清洗，清洗干净后将其在洁净间进行组装，然后将组装好的包套进行真空电子束焊接，焊接时真空度控制在10^-6mbar，焊接电流为150ma，聚焦电流为7000ma，焊接速度为160°/min，最后通过热挤压获得nbti/cumn一次单芯复合棒坯，热挤压预热温度为850℃，保温时间为6h，挤压比为15；将nbti/cumn一次单芯复合棒坯经过28道次冷拉拔和扒皮去除表面黑皮，冷拉拔道次加工率控制在10％，通过切断、矫直获得对边为h11.4mm、长度为500mm的nbti/cumn一次单芯六方棒；将450支nbti/cumn一次单芯六方复合棒整齐的密排在外径为φ280mm、壁厚为10mm的铜管中，六方棒与铜管之间的间隙采用φ3的铜棒进行填充，将加工好的铜上盖和下盖扣在包套两端，将其进行真空电子束焊接，然后采用热等静压进一步消除包套内的间隙，热等静压温度控制在750℃，下压量控制在为10mm，最后采用热挤压获得nbti/cumn/cu二次复合棒坯，热挤压预热温度相比一次包套温度降低至800℃，保温时间为5h，挤压比为20；接着将nbti/cumn/cu二次复合棒坯通过40道次冷拉伸、扒皮去除表面黑皮、切断、矫直获得直径为φ4.5mm的nbti/cumn/cu二次复合棒，道次加工率控制在20％；将60支nbti/cumn/cu二次复合棒再一次整齐的密排在外径为φ45mm、壁厚为8mm的铜管内，将组装好的三次复合包套采用低角度模具、小的变形量直接进行冷拉拔，道次加工率控制在7％以下，同时冷拉拔过程中在不同规格对其进行时效热处理，时效热处理总次数为5次，每次热处理温度为400℃，每次热处理时间为15h，最终通过扭绞、过定模冷拉拔获得线径为φ0.8mm的nbti/cumn/cu三次复合线。采用三次组装，结合冷拉拔获得的nbti/cumn/cu三次复合线材，芯丝直径约2.5μm，临界电流密度高达2790a/mm²(5t,4.22k)，单位体积内交流损耗为37.3mj/cm³。

实施例5

将外径φ300mm、壁厚50mm的cumn合金管，其中mn元素质量百分比为0.5％％～5.0％、厚度为40mm的cumn合金上盖、厚度为38mm的紫铜下盖、直径φ250mm的nbti合金棒以及4支直径φ160mm、壁厚1mm的铌筒进行硝酸水溶液清洗，清洗干净后将其在洁净间进行组装，然后将组装好的包套进行真空电子束焊接，焊接时真空度控制在10^-5mbar，焊接电流为100ma，聚焦电流为5000ma，焊接速度为160°/min，最后通过热挤压获得nbti/cumn一次单芯复合棒坯，热挤压预热温度为850℃，保温时间为4h，挤压比为12；将nbti/cumn一次单芯复合棒坯经过20道次冷拉拔和扒皮去除表面黑皮，冷拉拔道次加工率控制在10％，通过切断、矫直获得对边为h11.4mm、长度为500mm的nbti/cumn一次单芯六方棒；将450支nbti/cumn一次单芯六方复合棒整齐的密排在外径为φ280mm、壁厚为10mm的铜管中，六方棒与铜管之间的间隙采用φ3的铜棒进行填充，将加工好的铜上盖和下盖扣在包套两端，将其进行真空电子束焊接，然后采用热等静压进一步消除包套内的间隙，热等静压温度控制在750℃，下压量控制在为8mm，最后采用热挤压获得nbti/cumn/cu二次复合棒坯，热挤压预热温度相比一次包套温度降低至800℃，保温时间为5h，挤压比为18；接着将nbti/cumn/cu二次复合棒坯通过30道次冷拉伸、扒皮去除表面黑皮、切断、矫直获得直径为φ4.5mm的nbti/cumn/cu二次复合棒，道次加工率控制在20％；将60支nbti/cumn/cu二次复合棒再一次整齐的密排在外径为φ45mm、壁厚为8mm的铜管内，将组装好的三次复合包套采用低角度模具、小的变形量直接进行冷拉拔，道次加工率控制在7％以下，同时冷拉拔过程中在不同规格对其进行时效热处理，时效热处理总次数为3次，每次热处理温度为350℃，每次热处理时间为30h，最终通过扭绞、过定模冷拉拔获得线径为φ0.8mm的nbti/cumn/cu三次复合线。采用三次组装，结合冷拉拔获得的nbti/cumn/cu三次复合线材，芯丝直径约3μm，临界电流密度高达2790a/mm²(5t,4.22k)，单位体积内交流损耗为37.3mj/cm³。