Sn超导线材的制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于超导材料加工技术领域，涉及一种高临界电流密度Nb3Sn超导线材的制备方法。
【背景技术】
[0002]国际热核聚变实验堆(Internat1nalThermonuclear Experimental Reactor),SPITER，是世界上最大的核聚变装置，旨在通过可控热核聚变反应获得新的能量来源以解决日益严峻的能源危机。我国于2003年2月正式加入ITER计划谈判，2006年11月正式加入ITER计划。中国作为ITER项目的成员国之一将以实物形式提供约30吨Nb3Sn超导线材用于环向场(TF)线圈的制造。
[0003]ITER用Nb3Sn超导线材要求中等临界电流密度(Jc)和低的磁滞损耗。内锡法是目前生产Nb3Sn超导线材的首选方法，其加工周期短，成本较低，线材综合性能较好。为了降低磁滞损耗需要增加股线中铜的含量来减少芯丝偶联或搭桥，从而减小有效芯丝直径，但铜含量增加的同时Nb3Sn超导相的含量相对减少，会导致Jc有一定程度的下降，无法满足要求。在现有的ITER线材中，由于热处理过程中外层芯丝距Sn源较远，热处理后芯丝没有充分反应，影响了线材的载流能力。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种高临界电流密度Nb3Sn超导线材的制备方法，解决了现有Nb3Sn超导线材制备方法存在的因热处理过程中外层芯丝距Sn源较远导致热处理后芯丝没有充分反应，从而影响线材的载流能力的问题。
[0005]本发明所采用的技术方案是:一种高临界电流密度Nb3Sn超导线材的制备方法，具体包括以下步骤:
[0006]步骤1:选取无氧铜锭作为坯锭，采用深孔钻的方法沿坯锭长度方向钻多层均匀分布的若干通孔，得到多孔铜锭；
[0007]步骤2:对步骤I得到的多孔铜锭进行清洗，再将清洗后的Nb棒插入清洗后的多孔铜锭通孔中，两端加上铜盖并用电子束封焊，得到CuNb多芯包套；
[0008]步骤3:将步骤2得到的CuNb多芯包套加热至550?650°C，保温I?4小时后挤压，将挤压得到的棒材拉伸后定尺切断得到CuNb复合棒；
[0009]步骤4:将步骤3得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，将清洁后的SnTi合金棒插入CuNb复合管中得到亚组元坯料，拉伸成型得到亚组元；
[0010]步骤5:将清洁后的SnT1、SnCu合金棒或纯Sn棒装入清洗后的无氧铜管中，拉伸得到Sn/Cu插棒；
[0011]步骤6:将步骤4得到的亚组元、步骤5得到的Sn/Cu插棒及阻隔层清洁后集束装入清洗后的无氧铜管中得到Nb3Sn最终坯料，然后进行多次拉伸，制得成品Nb3Sn超导线材。
[0012]本发明的特点还在于，
[0013]步骤I中，无氧铜锭直径为200?300mm、长度为500?800mm。
[0014]步骤I中，通孔为4?5层，每个通孔直径为9?15mm，共100?250个通孔。
[0015]步骤2中，清洗多孔铜锭的清洗剂为体积浓度为25%?40 %的硝酸溶液;清洗Nb棒的清洗剂为硝酸，氢氟酸和水组成的混合溶液，混合溶液中各组分的体积浓度为:硝酸25 %?35%，氢氟酸15%?25%，余量为水。
[0016]步骤2中，电子束封焊的电流为50?150mA，真空度不大于10—2Pa。
[0017]步骤3中，挤压得到的多芯复合棒直径为50?100mm，定尺寸切断得到的CuNb复合棒直径为40?60mm，长度为1000?2000mm。
[00? 8] 步骤4中CuNb复合管中心孔径为Φ 15?25mm，SnTi合金棒采用丙酮清洁，亚组元的定尺长度为1500?3000mm。
[0019]步骤5中，采用SnTi或SnCu合金棒或纯Sn棒，直径为10?20mm，无氧Cu管内径为Φ1?20mm、壁厚为3?10mm，拉伸得到的Sn/Cu插棒直径为2?4mm，定尺切断长度为1500?3000mmo
[0020]步骤6中，亚组元和无氧铜管采用硝酸清洁，硝酸的体积浓度为25%?40%，阻隔层材料为Ta，采用清洗剂为硝酸，氢氟酸和水组成的混合溶液，混合溶液中各组分的体积浓度为:硝酸25%?35%，氢氟酸15%?25%，余量为水。
[0021 ] 步骤6中，拉伸速率为5?60m/min，道次加工率为10%?20%。
[0022]本发明的有益效果是，一种高临界电流密度Nb3Sn超导线材的制备方法，通过在最终坯料组装时加入Sn/Cu插棒，提高了股线中Sn的含量，使得热处理过程中有更多的Sn参与反应，增加的Sn扩散至邻近的半圆和扇形亚组元芯丝中，提高了芯丝中特别是最外层芯丝中生成的Nb3Sn相含量，使得股线在保持较低磁滞损耗水平的情况下，临界电流密度Jc提高10%以上。
【附图说明】
[0023]图1是本发明一种高临界电流密度Nb3Sn超导线材的制备方法中的最终坯料结构示意图。
[0024]图中，1.无氧铜管，2.亚组元，3.Sn/Cu插棒，4.阻隔层。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0026]本发明一种高临界电流密度Nb3Sn超导线材的制备方法，具体包括以下步骤:
[0027]步骤1:选取直径为200?300mm、长度为500?800mm的无氧铜锭作为坯锭，采用深孔钻的方法沿还锭长度方向钻4?5层均勾分布的共计100?250个直径为9?15mm的通孔，得到多孔铜锭；
[0028]步骤2:对步骤I得到的多孔铜锭首先采用金属清洁剂去除表面油污，然后用体积浓度为25 %?40 %的硝酸溶液清洁内孔和表面，将清洗后的Nb棒插入清洗后的多孔铜锭通孔中，在多孔铜锭两端加上铜盖并用电子束封焊，封焊电流为50?150mA，真空度不大于10一2Pa，得到CuNb多芯包套；
[0029]步骤3:将步骤2得到的CuNb多芯包套加热至500°C?650°C，保温I?4小时后进行挤压，得到直径为50?10mm的多芯CuNb复合棒，将多芯复合棒拉伸至Φ 40?60mm后定尺切断为1000?2000mm的CuNb复合棒；
[0030]步骤4:将步骤3得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，中心孔径为Φ 15?25mm，将用丙酮清洁后的SnTi合金棒插入CuNb复合管中得到亚组元2坯料，经过多道次拉伸和成型，定尺切断得到六方和异型亚组元2，定尺长度为1500?3000mm;
[0031]步骤5:将直径为10?20mm的SnT1、SnCu合金棒或纯Sn棒用丙酮清洁后装入内径为Φ 10?20mm、壁厚为3?1mm的无氧铜管I中，经过多道次拉伸至Φ 2?4mm，定尺切断得到Sn/Cu插棒3，定尺长度为1500?3000mm;
[0032]步骤6:用体积浓度为25%?40%的硝酸溶液清洁步骤4得到的亚组元2、步骤5得到的Sn/Cu插棒3和无氧铜管I，用25?35%硝酸，15?25%氢氟酸和余量为水的溶液清洁Ta阻隔层4，如图1所示，将清洁后的19支亚组元2、12支Sn/Cu插棒3和Ta阻隔层4集束装入清洁后的无氧铜管I中得到Nb3Sn最终还料，然后进行多道次拉伸，拉伸速度选择5?30m/min，加工率选择10?20%，S卩可制得成品Nb3Sn超导线材。
[0033]实施例1
[0034]步骤1:选取直径为200mm、长度为600mm的无氧铜锭作为坯锭，采用深孔钻的方法沿坯锭长度方向钻4层均匀分布的共计100个直径为9mm的通孔，得到多孔铜锭；
[0035]步骤2:对步骤I得到的多孔铜锭首先采用金属清洁剂去除表面油污，然后用体积浓度为30%的硝酸溶液清洁内孔和表面，将清洗后的Nb棒插入清洗后的多孔铜锭通孔中，在多孔铜锭两端加上铜盖并用电子束封焊，封焊电流为90mA，真空度不大于10—2Pa,得到CuNb多芯包套；
[0036]步骤3:将步骤2得到的CuNb多芯包套加热至500°C，保温2小时后进行挤压，得到直径为50mm的多芯CuNb复合棒，将多芯复合棒拉伸至Φ 40mm后定尺切断为1400mm的CuNb复合棒；
[0037]步骤4:将步骤3得到的CuNb复合棒进行深孔钻得到CuNb复合管，中心孔径为Φ15mm，将用丙酮清洁后的SnTi合金棒插入CuNb复合管中得到亚组元2坯料，经过多道次拉伸和成型，定尺切断得到六方和异型亚组元2，定尺长度为2000mm;
[0038]步骤5:将直径为20mm的SnTi合金棒用丙酮清洁后装入内径为Φ20πιπι、壁厚为1mm的无氧铜管I中，经过多道次拉伸至Φ 3mm，定尺切断得到Sn/Cu插棒3，定尺长度为2000mm；