专利名称：铌三锡高场导体的制备方法
技术领域：
本发明是铌管富锡法制备Nb3Sn高场导体的方法的改进，属于超导导体加工工艺。
添加第三元素是提高Nb3Sn高场性能的有效途径。采用Nb管富锡法制备Nb3Sn导体，在Nb材中添加第三元素Ti(Proc，of Joint Japan-China Seminar IIon Superconductivity，Sendai，Japan，1986，P8)或在富锡合金中添加第三元素Ti(低温物理，V7，1985，274)均可明显改善Nb3Sn导体在大于12特斯拉磁场区域的载流能力，其原因主要是提高了上临界场Hc2，而在富锡合金中添加第三元素Mg，可明显改善Nb3Sn导体在小于12特斯拉磁场区域的载流能力，这归因于进入Nb3Sn反应层的Mg以Mg-Nb-O化合物沉淀相粒子弥散分布在Nb3Sn层靠近Cu-Sn-Mg母材侧的晶粒中，并细化了这部分晶粒，从而增强了磁通钉扎(低温物理学报V9，1987，107)。
由于Ti和Mg改善Nb3Sn材料载流能力的机制不同;另外，由于Ti进入A15型(Nb，Ti)3Sn化合物晶格，并占据Nb原子的结晶学位置(J.Appl.Phys V55，1984，4330)，进入Nb3Sn反应层的Mg以Mg-Nb-O化合物沉淀相弥散分布在Cu-Sn-Mg母材侧的Nb3Sn晶粒中，因此，Ti和Mg在Nb3Sn中的存在形态也不同。因而，可以在Nb3Sn中同时加入Ti和Mg，从而在0-20特斯拉的整个磁场区改善Nb3Sn的载流能力。
发明人曾在CN85107979A中改进了铌管富锡法制备Nb3Sn高场导体的方法。本发明的目的在于进一步对铌管富锡法加以改进，同时将Ti和Mg作为第三元素和第四元素加入到母材和铌材中，使Ti和Mg联合对改善Nb3Sn导体的载流能力发生作用，从而明显提高Nb3Sn导体在0-20特斯拉整个实用磁场区域的载流能力，即提高Nb3Sn导体的临界电流密度。
以下说明一般的铌管富锡法制备二元或添加一种合金元素的Nb3Sn高场导体的方法。
图1是铌管富锡法制备二元Nb3Sn高场导体的方法。图中1是用中频感应炉熔炼富Sn的Sn-Cu合金，含铜量为5-8wt%(wt%是重量百分比)，2是将富锡合金车皮、冷锻和冷拉成棒，3是酸洗工艺。4为一定尺寸的紫铜管，一般选择Cu管尺寸应保证Cu管和富锡合金的均匀化后，Sn的名义平均成份小于38wt%，5是酸洗工艺。6，7，8分别是Cu管与富锡合金棒。9与10为Nb管及其酸洗工艺。11与12为OFHC铜管及其酸洗工艺。30是内层包铜富锡合金棒、中间Nb管和外层OFHC Cu管单芯复合棒，31是将单芯复合棒冷拉成一定尺寸的六角棒并进行长度定尺，32是复合棒酸洗。40和41是OFHC Cu管及其酸洗。50为OFHC Cu管与多根单芯复合棒进行多芯复合，51和52是多芯复合棒的冷拉和拧扭工艺。61为绕制磁体，62与63为Nb3Sn生成扩散热处理。
把第三元素Ti单独添加到Nb材中的铌管富锡法制备Nb3Sn导体的工艺流程与图1基本相同，只需用含Ti为(0.5-1.5)wt%的Nb-Ti合金管代替图1中的铌管9。含Ti为(0.5-1.5)wt%的Nb-Ti合金管的制备方法如图2所示。图中20是电子束轰击的高纯Nb材，21是海绵钛经真空自耗电弧炉熔炼的纯Ti材料，22是将纯Nb和纯Ti经真空自耗电弧炉熔炼得的Nb-(0.5-1.5)wt%Ti合金锭，23是合金锭中心打孔并在500-800℃下热挤压成管材并继续冷加工成所需尺寸。
把第三元素Ti或Mg单独加入到富锡的Sn-Cu合金中的Nb管富锡法制备Nb3Sn导体的工艺流程亦与图1基本相同，只是以含Ti量为(0.5-1.5)wt%或含Mg量为(0.4-1.2)wt%的富锡合金代替图1中的Sn-Cu合金1。图3说明了含Ti或含Mg的富锡合金制备方法，图中70是用非自耗真空电弧炉熔炼的Cu-(30-100)wt%Ti或Cu-(40-100)wt%Mg中间合金，71是中间合金加Sn和Cu熔炼成Sn-(0-5)wt%Cu-(0.5-1.5)wt%Ti或Sn-(0-5)wt%Cu-(0.4-1.2)wt%Mg的富锡合金。
上述添加一种元素的铌管富锡法制备Nb3Sn的方法在CN85107979中已有叙述。
本发明的特征在于将Ti和Mg作为第三和第四元素同时加入到母材或Nb材中，制得同时含有Ti和Mg的Nb3Sn高场导体。
使用本发明的方法，Nb3Sn导体的临界电流密度和磁场的关系如图4所示。图中曲线a为不添加第三元素的二元素Nb3Sn导体，曲线b为将Mg添加到富锡合金中制得的Nb3Sn导体，曲线c是在Nb材中添加Ti得到的Nb3Sn导体，曲线d是在富锡合金中加Ti得到的Nb3Sn导体。本发明同时添加二种元素的含Ti、Mg的Nb3Sn导体的关系曲线为图中e。由图可见，采用本发明的方法制备的含Ti、Mg的Nb3Sn高场导体在0-20特拉斯的实用磁场范围，其临界电流密度显著提高，因而提高了Nb3Sn导体加载流能力。
以下结合
本发明的多个实施例实施例1用图2方法制得的Nb-(0.5-1.5)wt%Ti合金管23代替图1中的Nb管9，用以图3方法制得的Sn-(0-5)wt%Cu-(0.4-1.2)wt%Mg富Sn合金代替图1中的Cu-Sn合金1。即在Nb3Sn导体制备过程中，Ti作为第三元素添加到Nb材中的同时，Mg作为第四元素加入到母材富锡合金中。其余工艺与图1相同。
实施例2先按图5的流程制备Cu-Ti或Cu-Mg合金，图中80是用真空中频感应炉熔炼Cu-(30-50)wt%Ti或Cu-(40-60)wt%Mg中间合金，81是中间合金加Cu熔炼成Cu-(0.4-1.5)wt%Ti或Cu(0.2-3)wt%Mg合金管。
用按图5方法制得的Cu-(0.4-1.5)wt%Ti或Cu-(0.2-3)wt%Mg合金管82代替图1中的紫铜管4，用按图3方法制得的含Mg或Ti的富锡合金Sn-(0-5)wt%Cu-(0.4-1.2)wt%Mg或Sn-(0-5)wt%Cu-(0.5-1.5)wt%Ti代替图1中的富锡合金1，即在Nb3Sn导体制备工艺中，Ti和Mg作为第三元素和第四元素分别添加到Nb管内的Cu材和富Sn合金中。第三元素Ti和第四元素Mg的添加位置可以互换，即如以Cu-Ti合金代替图1中的紫铜管4，则以含Mg的富Sn合金代替图1中的1;如以Cu-Mg合金代替图1中的紫铜管4，则以含Ti的富锡合金代替图1中的1。
实施例3如图6所示，它是用经电子束轰击的高纯Nb锭中心打孔制作单芯Cu/Nb/Cu-(0.4-1.5)wt%Ti挤压管代替图1中的内外套Cu的Nb管，同时使用Sn-(0-5)wt%Cu-(0.4-1.2)wt%Mg富锡合金棒代替Sn-Cu富锡合金。图6中71为图3中的Sn-(0-5)wt%Cu-(0.4-1.2)wt%Mg富锡合金棒，2，3是即图1中的富锡合金车皮、冷锻和冷拉成棒以及酸洗工艺，只是现在富锡合金中含Mg。82为图5工艺所得到的Cu-(0.4-1.5)wt%Ti合金管状内套筒，5是如图1中相同的酸洗工艺。90是经电子束轰击熔炼的Nb锭中心打孔代替了图1中的9(铌管)。10、11、12与图1相同。16是将内、中、外的Cu-(0.4-1.5)wt%Ti套筒、打孔的Nb锭和OFHC Cu管相配合，在真空中进行电子束封焊，制成Cu/Nb/Cu-(0.4-1.5)wt%Ti复合管状挤压锭，17是管状挤压锭在500-800℃下热挤压，18是将挤压管冷拉和冷轧成所需尺寸，19是酸洗工艺。33是将含Mg的富锡合金棒与Cu/Nb/Cu-(0.4-1.5)wt%Ti挤压管复合成单芯复合棒。其余标号31、32、40、41、50、51、52、61、62、63的流程与图1相同。
实施例4工艺流程同图6，只是用打孔的Nb-(0.5-1.5)wt%Ti合金锭代替中心打孔的Nb锭90，以纯紫铜内套筒代替Cu-(0.4-1.5)wt%Ti合金管状内套筒82。即形成Cu/Nb-(0.5-1.5)wt%Ti/Cu挤压管再与含Mg的富锡合金复合。
权利要求
1.本发明是铌管富锡法制备Nb3Sn高场导体方法的改进，属于超导导体的加工工艺，本发明的特征在于将Ti和Mg作为第三和第四元素同时加入到母材和铌材中。
2.按权利要求1所述的制备Nb3Sn高场导体的方法，其特征在于Ti作为第三元素加入Nb材中，Mg作为第四元素添加到母材富锡合金中。
3.按权利要求1或2所述的制备Nb3Sn高场导体的方法，其特征在于加入到Nb材中的Ti是以Nb-(0.5-1.5)wt%Ti合金管的形式加入的，而加入到富锡合金中的Mg是以Sn-(0-5)wt%Cu-(0.4-1.2)wt%Mg合金的形成加入的。
4.按权利要求1所述的制备Nb3Sn高场导体的方法，其特征在于将Ti和Mg作为第三和第四元素同时分别加入到Nb管内的Cu材和富锡合金中，第三和第四元素Ti和Mg的添加位置可以互换。
5.按权利要求1或4所述的制备Nb3Sn高场导体的方法，其特征在于加入到铜材中的第三元素Ti或第四元素Mg是以Cu-(0.4-1.5)wt%Ti或Cu-(0.2-3)wt%Mg的形成加入的，而添加到富锡合金中的第四元素或第三元素Ti是以Sn-(0-5)wt%Cu-(0.4-1.2)wt%Mg或Sn-(0-5)wt%Cu-(0.5-1.5)wt%Ti的形成加入的。
6.按权利要求1所述的制备Nb3Sn高场导体的方法，其特征在于第三元素Ti是以Cu/Nb/Cu-(0.4-1.5)wt%Ti挤压管形成加入，第四元素Mg是以Sn-(0-5)wt%Cu-(0.4-1.2)wt%Mg的形成加入到富Sn合金中的。
7.按权利要求1所述的制备Nb3Sn高场导体的方法，其特征在于第三元素Ti是以Cu/Nb-(0.5-1.5)wt%Ti/Cu挤压管的形式加入，第四元素Mg是以Sn-(0-5)wt%Cu-(0.4-1.2)wt%Mg形式加入到富Sn合金中的。
全文摘要
本发明是铌管富锡法制备Nb
文档编号H01B12/00GK1034088SQ88105619
公开日1989年7月19日 申请日期1988年12月23日 优先权日1988年12月23日
发明者何牧 申请人:中国科学院上海冶金研究所