专利名称：氧化锆稳定的复丝铌-锡超导线的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有至少一根超导材料的长丝的超导线。尤其是，本发明涉及一种包括氧化锆稳定的、铌锡超导体和基质材料的复丝超导线，以及这种复丝超导线的制造方法。
背景技术：
包括复丝的铌基诸如铌锡(以下简称"Nb^n")超导体的超导线，用于各种电磁应用，诸如磁铁、电动机、以及变压器。在小于17. 5K的深冷温度下的操作过程中，为了维持该超导线中的足够临界电流密度，线内包括长丝的Nb^n必须具有小于约l微米的超细晶粒尺寸。用于制造复丝Nb3Sn线的一种方法是"青铜法"，其中Nb3Sn的超细晶粒是在相当低的温度下热处理数天而在拉成丝的铌长丝表面上形成。 要求产生超细晶粒Nb3Sn的热处理时间是非常耗时的和不经济的。因此，需要一种包括由更快过程形成的超细晶粒Nb^n的超导线。同样需要的是一种更快地制造一种包括超细晶粒Nb3Sn的复丝超导线的方法。
发明内容
本发明通过提供一种其长丝包括氧化锆稳定的超细晶粒(在下文也简称为"UFG")Nb3Sn的复丝超导线满足这些及其它需要。该超导线是通过一种包含金属基质和至少一根具有氧化锆(亦称氧化锆，并且以下简称为"Zr(V')沉淀的铌合金棒的预制体的变形过程所形成。在温度高达IIO(TC下该Zr02沉淀用于稳定该Nb3Sn的超细晶粒微结构，并且在高于以前所使用的温度下进行热处理时，使Nb3Sn维持超细晶粒的微结构。通过使用较高的温度以形成Nb3Sn，热处理需要的时间可以大大降低。 相应地，本发明一方面提供一种超导线。该超导线包括至少一根具有长丝直径的长丝，其中至少一根长丝是连续的并且包括许多具有多个Zr02沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒，并且其中许多Nb3Sn晶粒具有平均粒径小于该长丝直径的约10% ;并且一种金属基质包围并接触至少一根长丝，其中该金属基质在温度约77K以下在电学上是导电的并且具有热膨胀系数基本上与Nb3Sn的热膨胀系数相同或大于Nb3Sn的热膨胀系数。
本发明的第二方面提供一种用于形成包含至少一个具有长丝直径的长丝的超导线的预制体，其中至少一根长丝包括许多具有多个Zr02沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒，并且一种金属基质包围并接触至少一根长丝。该预制体包括至少一根包括一种在固溶体内具有氧和锆的铌合金棒，其中锆和氧存在的原子比例约为l : 2 ;并且一种金属预制体基质包围并接触至少一根铌合金棒，其中该金属预制体基质包含锡。 本发明的第三方面是提供一种超导线，由一种包括至少一根包含在固溶体内具有氧和锆的铌合金的铌合金棒的预制体所形成，其中锆和氧存在的原子比例约为1 : 2，并且
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一种金属预制体基质包围并接触至少一根铌合金棒，其中该金属预制体基质包含锡。该超导线包括多根长丝，其中多根长丝的每一根是连续的并且具有长丝直径，其中至少一根长丝包括许多具有许多Zr02沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒，并且其中该许多Nb3Sn晶粒具有平均粒径小于该长丝直径的约10% ;并且一种金属基质包围并接触许多长丝，其中该金属基质在温度77K以下在电学上是导电的并且其中热膨胀系数基本上与Nb3Sn的热膨胀系数相同或大于Nb3Sn的热膨胀系数。 本发明的第四方面提供一种包括至少一根超导线的电磁器件，其中该超导线由一种包括至少一根包含在固溶体内具有氧和锆的铌合金的铌合金棒的预制体所构成，其中锆和氧存在的原子比例约为l : 2，和一种金属预制体基质包围并接触至少一根铌合金棒，和其中该金属预制体基质包含锡。该超导线包括许多长丝，其中许多长丝的每一根具有长丝直径，其中至少一根长丝是连续的并且包含许多具有许多Zr02沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒，其中许多Nb3Sn晶粒具有的平均粒径小于该长丝直径的约10% ;并且一种金属基质包围并接触许多长丝，其中该金属基质在温度77K以下电学上是导电的并且具有的热膨胀系数基本上与Nb3Sn的热膨胀系数相同或大于Nb3Sn的热膨胀系数。 本发明第五方面提供一种包括至少一根长丝的超导线的制造方法，其中至少一根长丝是连续的并且包括许多具有许多Zr02沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒，并且一种金属基质包围并接触至少一根长丝。该方法包括步骤提供一种在固溶体内具有氧和锆的铌合金，其
中锆和氧存在的原子比例约为l : 2 ;从该铌合金形成至少一根铌合金棒；对至少一根铌合
金棒提供一种金属基质材料；从金属基质材料和至少一根铌合金棒形成线；并且在预定温度下热处理线以预定时间，因此形式超导线。 本发明的第六方面提供一种用于包含在固溶体内具有氧和锆的至少一根铌合金棒的超导线的预制体的制造方法，其中锆和氧存在的原子比例约为1 : 2，并且一种金属预制体基质包围并接触至少一根铌合金棒。该方法包括步骤提供一种在固溶体内具有氧和
锆的铌合金，其中锆和氧存在的原子比例约为1 : 2 ;从铌合金形成至少一根铌合金棒；对该至少一根铌合金棒提供一种金属基质材料；通过用金属基质材料包围至少一根铌合金棒
以致使金属基质材料接触至少一根铌合金棒而形成预制体。 本发明第七方面提供的一种超导线包括至少一根具有长丝直径的长丝，其中至少一根长丝是连续的并且包含许多有许多Zr02沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒，其中许多Nb3Sn晶粒具有平均粒径小于该长丝直径的约10% ;并且一种金属基质包围并接触至少一根长丝，其中该金属基质具有的热膨胀系数基本上与Nb3Sn晶粒的热膨胀系数相同或大于Nb3Sn晶粒的热膨胀系数，并且其中超导线是由以下方法形成提供一种固溶体内具有氧和锆的
铌合金，其中锆和氧存在的原子比例约为1 : 2 ;从该铌合金形成至少一根铌合金棒；对至
少一根铌合金棒提供一种金属基质材料；从金属基质材料和至少一根铌合金棒形成线；并且在预定温度下热处理线以预定时间以便形成超导线。
本发明包括 1. —种超导线100，包括a)具有长丝直径的至少一根长丝IIO，其中所说至少一根长丝是连续的并且包括许多具有许多Zr02沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒，其中所说许多Nb3Sn晶粒具有的平均粒径小于所说长丝直径的约10X;以及b) —种金属基质包围并接触该至少一根长丝IIO，其中该金属基质在温度77K以下电学上是导电的并且具有的热膨胀
4系数基本上与Nb3Sn的热膨胀系数相同或大于Nb3Sn的热膨胀系数。 2.根据项1的超导线100，其中超导线IOO包括许多长丝110。 3.根据项2的超导线IOO，其中该许多长丝110包括至少一根含元素铌、铌锆合金
及其组合物的长丝IIO。 4.根据项1的超导线IOO，其中该长丝的直径小于约10微米。 5.根据项4的超导线400，其中该长丝的直径小于约2微米。 6.根据项5的超导线IOO，其中该长丝的直径在约2微米和约1微米之间。 7.根据项1的超导线IOO，其中该许多Nb3Sn晶粒具有平均粒径小于约1微米。 8.根据项7的超导线100，其中该许多Nb3Sn晶粒具有平均粒径小于约200纳米。 9.根据项1的超导线IOO，其中该至少一根长丝IIO包括一个包围元素铌芯的
Nb3Sn外层。 10.根据项1的超导线IOO，其中该金属基质使该至少一根长丝110具有一种压縮应变。 11.根据项1的超导线IOO，其中该金属基质使该至少一根长丝110具有零应变。
12.根据项1的超导线100，其中该许多Zr02沉淀在高达约IIO(TC下稳定该许多Nb3Sn晶粒。 13.根据项1的超导线IOO，其中该超导线100由一种预制体组成，该预制体包括a)至少一根铌合金棒，该至少一根铌合金棒包括一种在固溶体内具有氧和锆的铌合金，其中锆和氧存在的原子比例约为l : 2;和b) —种金属预制体基质包围并接触该至少一根铌合金棒，其中该金属预制体基质包含锡。 14.根据项13的超导线IOO，其中该金属预制体基质是一种铜-锡的青铜。
15.根据项13的超导线IOO，其中该金属预制体基质包含约5重量％和约13重量％之间的锡。 16.根据项1的超导线IOO，其中该超导线IOO与第二超导线IOO相结合以形成多层线。 17.根据项1的超导线IOO，其中该超导线100与一种第二超导线100缠绕以形成电缆。 18.根据项1的超导线IOO，其中该超导线100扁平化以形成带。 19. —种用于形成超导线100的预制体，其中该超导线IOO包括至少一根长丝
IIO，其中该至少一根长丝110包含许多具有许多Zr02沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒和一种
金属基质包围并接触该至少一根长丝IIO，该预制体包括a)至少一根铌合金棒，该至少
一根铌合金棒包含一种在固溶体内具有氧和锆的铌合金，其中锆和氧存在的原子比例约为
1 : 2;和b)金属预制体基质包围并接触该至少一根铌合金棒，其中该金属预制体基质包含锡。 20.根据项19的预制体，其中该金属预制体基质包含在约5重量％和约16重量％之间的锡。 21.根据项19的预制体，其中该金属预制体基质是一种铜_锡的青铜。
22.根据项19的预制体，其中锆包含至高达该铌合金的约8原子％ 。
23.根据项22的预制体，其中锆包含至高达该铌合金的约1原子％ 。
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24. —种超导线100，其中该超导线100由包括至少一根铌合金棒的预制体组成，该至少一根铌合金棒包含一种在固溶体内具有锆和氧的铌合金，其中锆和氧存在的原子比例约为l : 2，并且一种金属预制体基质包围并接触该至少一根铌合金棒，其中该金属预制体基质包含锡、该超导线100包括a)许多长丝110，其中该许多长丝110的每一根具有长丝直径，其中该许多长丝110是连续的并且包含许多具有多个Zr02沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒，其中该许多Nb3Sn晶粒具有平均粒径小于该长丝直径的约10% ;并且b) —种金属基质包围并接触该许多长丝IIO，其中该金属基质在温度77K以下电学上是导电的并且具有热膨胀系数基本上与Nb3Sn的热膨胀系数相同或大于Nb3Sn的热膨胀系数。
25.根据项24的超导线IOO，其中该许多长丝110包括至少一根含有元素铌、铌锆合金及其混合的长丝IIO。 26.根据项24的超导线100，其中该长丝直径小于约10微米。 27.根据项26的超导线100，其中该长丝直径小于约2微米。 28.根据项27的超导线IOO，其中该长丝直径在约2微米和约1微米之间。 29.根据项24的超导线100，其中该许多Nb3Sn晶粒具有平均粒径小于约1微米。 30.根据项29的超导线100，其中该许多Nb3Sn晶粒具有平均粒径小于约200纳米。 31.根据项24的超导线IOO，其中该许多长丝110的至少一根包含一个包围元素铌芯的N、Sn外层。 32.根据项24的超导线100，其中该金属基质使该许多长丝110具有一种压縮应变。 33.根据项24的超导线100，其中该金属基质使该许多长丝110具有零应变。
34.根据项24的超导线IOO，其中该许多Zr02沉淀在高达约IIO(TC下稳定该许多Nb3Sn晶粒。 35.根据项24的超导线100，其中该金属预制体基质是一种铜-锡青铜。 36.根据项24的超导线100，其中该金属预制体基质包含约5重量％和约13重
量％之间的锡。 37.根据项24的超导线100，其中该超导线100与第二超导线100相结合以形成多层线。 38.根据项24的超导线100，其中该超导线100与一种第二超导线100缠绕以形成电缆。 39.根据项24的超导线100，其中该超导线100扁平化以形成带。
40. —种包括至少一根超导线100的电磁器件，其中该超导线100由包含至少一根铌合金棒的预制体构成，该至少一根铌合金棒包括一种在固溶体内具有锆和氧的铌合金，其中锆和氧存在的原子比例约为1 : 2，并且一种金属预制体基质包围并接触该至少一根铌合金棒，其中该金属预制体基质包含锡，该超导线100包括a)许多长丝110，其中该许多长丝的每一根具有长丝直径，其中至少一根长丝是连续的并且包含许多具有许多Zr02沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒，其中该许多Nb3Sn晶粒具有平均粒径小于该长丝直径的约10%;并且b) —种金属基质包围并接触该许多长丝110，其中该金属基质在温度77K以下电学上是导电的并且具有热膨胀系数基本上与Nb3Sn的热膨胀系数相同或大于Nb3Sn的热膨胀系数。
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41.根据项40的电磁器件，其中该金属预制体基质是一种铜_锡青铜。 42.根据项40的电磁器件，其中该金属预制体基质包含约5原子％和约13原子％
之间的锡。 43.根据项40的电磁器件，其中该电磁器件是一种超导磁体、一种电动机、一种变 压器和一种发电器中的一种。 44.根据项43的电磁器件，其中该电磁器件是一种超导磁体，并且其中该超导磁 体结合进一种核磁共振机系统。 45. —种超导线100的制造方法，该超导线100包括至少一根长丝110，其中该至 少一根长丝110是连续的并且包含许多具有许多Zr02沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒并且一种 金属基质包围并接触该至少一根长丝110，该方法包括步骤a)提供一种在固溶体内具有 锆和氧的铌，其中锆和氧存在的原子比例约为1 : 2 ;b)从该铌合金形成至少一根铌合金 棒；c)对至少一根铌合金棒提供一种金属基质材料；d)从该金属基质材料和该至少一根铌 合金棒形成线；和e)在预定温度下热处理该线以预定时间，从而形成超导线100。
46.根据项45的方法，其中提供一种在固溶体内具有锆和氧的铌合金的步骤包 括a)提供一种包括元素铌和Nb205的合金；b)分解铌合金以形成具有氧溶解其中的元素 铌；c)对具有氧溶解其中的元素铌提供锆，其中锆和氧存在的比例约为l : 2;和d)形成一 种在固溶体内具有锆和氧的铌合金。 47.根据项46的方法，其中该分解铌合金以形成具有氧溶解其中的元素铌的步骤 包括真空电弧熔化合金以形成具有氧溶解其中的元素铌。 48.根据项46的方法，其中一种包括在固溶体内具有锆和氧的铌合金的形成步骤 包括真空电弧再熔锆和具有氧溶解其中的元素铌以形成在固溶体内具有锆和氧的铌合金。
49.根据项48的方法，进一步包括使铌合金均匀的步骤。 50.根据项49的方法，其中该使铌合金均匀的步骤包括在预定温度下热处理铌合 金以预定时间。 51.根据项45的方法，其中从该铌合金形成至少一根铌合金棒的步骤包括一种
电子放电研磨铌合金以由此形成至少一根铌合金棒，从该铌合金浇铸形成至少一根铌合金
棒，从该铌合金挤压形成至少一个棒，和从该铌合金拉拔形成至少一根铌合金棒。 52.根据项51的方法，进一步包括冷加工至少一根铌合金棒的步骤。 53.根据项52的方法，其中该冷加工至少一根铌合金棒的步骤包括至少锻造、挤
压成形和拉拔至少一根铌合金棒中的一种。 54.根据项45的方法，其中该从该金属基质材料和至少一根铌合金棒中形成线的 步骤包括a)通过用金属基质材料围绕至少一根铌合金棒以致该金属基质材料接触至少 一根铌合金棒，而形成预制体；和b)从该预制体形成线。 55.根据项54的方法，其中从该预制体形成线的步骤包括挤压该线，接着是拉拔 该线和锻造该线中的一种。 56.该根据项55的方法，在拉拔该线和锻造该线后还包括该线再堆积的步骤其中
该线再堆积的步骤包括挤压该线，接着拉拔该线和锻造该线中的一种。 57.根据项56的方法，其中该再堆积步骤重复至少一次。 58.根据项45的方法，其中在预定温度热处理该线以预定时间的步骤包括在约70(TC和约IIO(TC温度下热处理该线高达约48小时。 59.根据项45的方法，其中在预定温度下热处理该线以预定时间的步骤包括缠绕 该线和在缠绕该线之后在预定温度下热处理该线以预定时间。 60. —种用于超导线100的预制体的制造方法，其中该预制体包括至少一根铌合 金棒，至少一根铌合金棒包含一种在固溶体内具有锆和氧的铌合金，并且一种金属预制体 基质包围并接触该至少一根铌合金棒，该方法包括步骤a)提供一种在固溶体内具有锆和 氧铌合金，其中锆和氧存在的原子比例约为1 : 2 ;b)从该铌合金形成至少一根铌合金棒； c)对至少一根铌合金棒提供一种金属基质材料；和d)通过用金属基质材料围绕至少一根 铌合金棒以致使该金属基质材料接触至少一根铌合金棒而形成预制体。
61.根据项60的方法，其中提供一种在固溶体内具有锆和氧的铌合金的步骤包 括a)提供一种包括元素铌和Nb205的合金；b)分解铌合金以形成具有氧溶解其中的元素 铌；c)对具有氧溶解其中的元素铌中提供锆，其中锆和氧存在的比例约为l : 2;和d)形成 在固溶体内具有锆和氧的铌合金。 62.根据项61的方法，其中分解铌合金以形成具有氧溶解其中的元素铌的步骤包 括真空电弧熔化合金以形成具有氧溶解其中的元素铌。 63.根据项62的方法，其中在固溶体里具有锆和氧的铌合金的形成步骤包括真空 电弧再熔锆和具有氧溶解其中的元素铌合金以形成在固溶体内具有锆和氧的铌 合金。
64.根据项63的方法，进一步包括使铌合金均匀的步骤。 65.根据项64的方法，其中使铌合金均匀的步骤包括在预定温度下热处理铌合金 以预定时间。 66.根据项60的方法，其中从铌合金形成至少一根铌合金棒的步骤包括一个电子
放电研磨铌合金以形成至少一根铌合金棒，从铌合金浇铸至少一根铌合金棒，从铌合金挤
压成形至少一个棒，和从铌合金拉拔成至少一根铌合金棒。 67.根据项60的方法，进一步包括冷加工至少一根铌合金棒的步骤。 68.根据项67的方法，其中该冷加工至少一根铌合金棒的步骤包括至少锻造、挤
压成形和拉拔至少一根铌合金棒中之一种。 69. —种超导线IOO，该超导线IOO包括a)具有长丝直径的至少一根长丝IIO，其 中该至少一根长丝是连续的并且包含许多具有许多Zr02沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒，其中 该许多Nb3Sn晶粒具有平均粒径小于该长丝直径的约10X;并且b) —种金属基质包围并接 触至少一根长丝110，其中该金属基质具有热膨胀系数基本上与Nb3Sn的热膨胀系数相同或 大于N、Sn的热膨胀系数；其中该超导线100由以下步骤形成提供一种在固溶体内具有锆
和氧的铌合金，其中锆和氧存在的原子比为2 : 1 ;从该铌合金形成至少一根铌合金棒；对 至少一根铌合金棒提供一种金属基质材料；从该金属基质材料和至少一根铌合金棒中形成 线；并且在预定温度下热处理该线以预定时间而形成该超导线100。 从下面的详细说明、附图以及所附权利要求书能清楚看出本发明这些及其它方 面、优点、和显著特点。
图1是表示本发明超导线的剖视示意图。
具体实施例方式
在下文中，相似的标记符号是指图中所示的几个图的类似或相应部分。也要理解
术语诸如"顶部"、"底部"、"向外"、"向内"等等，为表述方便而不是限制性术语。 通常参考附图并且特别是图l，可理解说明是为了描述本发明的一个实施方案而
不是限制本发明。 图1是表示本发明超导线100的剖面图。超导线100包括至少一根长丝110。尽 管在图1所示的有七根这样的长丝110，包含在超导线100之内的长丝100的数目没有限 制。例如超导线100可以包括一种单长丝。 长丝110包括许多形成连续长丝110的铌_锡(以下简称为"Nb3Sn")晶粒。许 多氧化锆(以下简称为"Zr0/)沉淀存在于许多Nb^n晶粒中。在温度高达IIO(TC时该 Zr02沉淀用于稳定Nb3Sn的超细晶粒微结构，并且抑制Nb3Sn晶粒生长，因此在高于以前使 用的温度下，使Nb3Sn可维持超细晶粒的微结构。至少一种半粘结的Zr02沉淀存在于许多 Nb3Sn晶粒的每一个中以稳定每一个Nb3Sn晶粒并且抑制Nb3Sn晶粒生长。
具有Zr02沉淀的超导Nb3Sn以前已有描述于:Mark G. Benz ， Howard R. Hart ， Jr. ， Melissa L Murray, Robert L Zabala， Bruce A. K皿dsen禾口 ThomasR Raber的美 国专利5， 505， 790，题目为"Method for Enhancing Critical Currentin Triniobium Tin，，， 1999年4月9日公开；Melissa L. Murray, Mark G. Benz，禾口 Bruce A. K皿dsen的美 国专利5， 522， 945、题目为"Method for FormingTriniobium Tin Superconductor with Bismuth，，， 1996年6月4日公开；Neil A. Johnson, Melissa L Murray, Thomas R. Raber 禾口Mark G. Benz的美国专利5， 540， 787，题目为"Method for Forming Triniobium Tin Superconductor", 1996年7月30日公开；禾口 Mark G. Benz， Neil A. Johnson, Melissa L. Murray, Robert J. Zabala， Louis E. Hibbs， Jr.，禾口 Bruce A. K皿dsen的美国专利 5， 472， 936，题目为"Method for Making Triniobium Tin Semiconductor" 1995年12月5 日公开，这些以全文引入本文作参考。 许多Nb3Sn晶粒是具有平均粒径小于该长丝110直径的约10%的超细晶粒(同样， 在下文中简称为"UFG")。该长丝110的直径是小于约10微米；当线100弯曲或缠绕时，粗 丝更容易折断，这对于线100在应用中是普遍的。在一个实施方案中，长丝110具有直径小 于约2微米，并且优选的是在约1微米和约2微米之间。同样地，较大Nb3Sn颗粒尺寸妨碍 长丝110的弯曲能力。许多Nb3Sn晶粒的平均粒径是小于约1微米，并且优选的是，小于约 200纳米。 在一个实施方案中，线IOO进一步包括至少一根包括另一种超导材料诸如，但不 局限于，元素铌、铌锆合金及其混合的长丝110。 至少一根长丝110是由一种金属基质120围绕，该金属基质包围并接触至少一根 长丝IIO。金属基质材料120在深冷温度下(也就是约77K以下)电学上是导电的，为了 防止线100在室温和深冷温度循环过程中破损，金属基质具有与形成该至少一根长丝110 的许多Nb3Sn晶粒相容的热膨胀系数。在4. 2K到456K的温度范围中，Nb3Sn具有热膨胀系 数(AL/L。)为0. 282%。当金属基质120具有的热膨胀系数基本上与Nb3Sn的热膨胀系数 相同时，至少一根长丝110具有零应变。当金属基质120具有热膨胀系数大于Nb3Sn的热膨胀系数时，使至少一根长丝iio具有压縮应变-它易于增加至少一根长丝110和超导线 100的临界电流。如果当金属基质120具有热膨胀系数小于Nb^n的热膨胀系数时，使至少 一根长丝110具有拉伸应变_它易于降低至少一根长丝110和超导线100的临界电流。因 此，金属基质120应该具有的热膨胀系数基本上与Nb3Sn的热膨胀系数相同或大于Nb3Sn的 热膨胀系数。 金属基质120由一种包括锡的金属预制体基质组成。在一个实施方案中，该金属 预制体基质是一种铜_锡的青铜。该金属预制体基质优选的是包括约5原子％到约13原 子％的锡。 本发明的超导线100是通过首先是由一种包含铌、锆、和氧的铌合金形成，其中锆
和氧存在的比例约为i : 2(也就是，zr : o大致为i : 2)。在本发明的一个实施方案中，
该铌合金的制备通过首先熔化，优选是通过真空电弧熔化，一种元素铌和氧化铌(以下简
称"吣205")的合金进行分解吣205并且产生元素铌的坯料，其中在元素铌的坯料中溶解约 1到约3原子％的氧。然后将锆提供到铌坯料中。提供足够量的锆以致使锆和氧存在的比
例为约i : 2。锆可以包含高达铌坯料的8原子％。在一个实施方案中，提供足够的以包括
约铌合金的1原子％的量锆。该铌坯料和锆然后熔化，优选的是通过真空电弧再熔化，以形
成铌合金，其中在再熔化坯料内固溶体中锆和氧存在的原子比例约为i : 2。在一个实施方
案中，再熔化的铌合金坯料，现在在固溶体中包含氧和锆，在约50(TC到90(rC温度内热处
理以使该再熔化铌合金坯料均匀。 再熔化铌的合金坯料，现在包含锆和氧的固溶体，紧接着形成至少一根铌合金棒。
至少一根铌合金棒可以由各种方法形成。在一个实施方案中，至少一根铌合金棒是从再熔 化坯料的电子放电研磨形成。或者，至少一根铌合金棒可以由其它技术形成，诸如，但不限 于从再熔化铌合金坯料浇铸至少一根铌合金棒，从再熔化铌合金坯料拉拔形成至少一根铌 合金棒，和从再熔化铌合金坯料挤压成至少一根铌合金棒。 一旦成形，通过冷加工至少一根 铌合金棒，至少一根铌合金棒的机械加工性可以更进一步增加。可以使用的冷加工方法包 括，但是不限于，锻造、挤压、拉丝等等。 然后对至少一根铌合金棒提供一种金属基质材料以形成预制件，其中使金属基质 材料包围并且接触至少一根铌合金棒。在一个实施方案中，提供金属基质材料到至少一根 铌合金棒中以形成金属基质材料包围并接触至少一根铌合金棒的预制体。该金属基质材料 包括约5重量％到约13重量％的锡。在一个实施方案中，该金属基质材料是一种铜-锡的 青铜。该预制体可以由一张金属基质材料包裹至少一根铌合金棒周围而形成。或者，该预 制体可以通过提供固体形式的金属基质材料，通过该材料进行钻孔并插入至少一根铌合金 棒进入固体形状的基质材料。 然后金属基质材料和至少一根铌合金棒通过首先挤压预制体，接着是拉拔或者锻 造挤压成形预制体而制成线。 一旦拉拔或锻造，预制体可以通过重复挤压步骤，接着是拉拔 或锻造步骤而再堆积，以便获得所需要的线直径。再堆积步骤可以根据需要重复多次直至 获得所要求线直径。所得到的线包括由金属基质材料围绕的至少一根长丝，其中至少一根 长丝包括一种在固溶体内具有氧和锆的原子比例约为1:2的铌合金。
在线形成后，在预定温度下热处理线以预定时间，以形成包括由许多具有许多 Zr02沉淀的N、Sn晶粒形成长丝的超导线100。在一个实施方案中，拉拔或锻造的线在约70(TC到110(TC温度下热处理高达48小时。在热处理过程中，锡从青铜金属基质材料扩散 进入到至少一根长丝并且与其中的元素铌反应以在长丝中形成Nb3Sn晶粒。该Nb3Sn晶粒 通常含有ZrOd冗淀。 在有些情况下，锡不完全扩散进入到至少一根长丝110内。因此，至少一根长丝 110可以包含一种包围含元素铌的芯的Nb3Sn晶粒反应层。 因为Nb3Sn是一种脆性材料，当超导线100例如和其它的线缠绕以形成电缆或围 绕磁铁或电动机电枢缠绕时，该超导线100的至少一根长丝IIO可能受破损。这些困难可 以通过在热处理前进行缠绕拉拔或锻造线而克服。 超导线IOO可形成类似的电学上导电的结构，包括但不限于，扁平带，由多线形成
的多层线，和缠绕多线的电缆。发现超导线ioo应用于电磁仪器诸如，但不局限于，超导的 磁铁，诸如Evangelos Trifon Laskaris禾口MichaelAnthony Palmo的美国专利6， 172， 588， 题目为"Apparatus and Method for aSuperconductive Magnet with Pole Piece，，所描 述，2001年1月9日公开，该文献在此全文引用作为参考；电动机；变压器与发电器。这种 电磁仪器又可以组合进更大的系统中，例如一种核磁共振机系统。 为了说明，列出了典型的实施方案，然而上述说明不应认为是限制本发明的范围。 相应地，对于本领域技术人员在不背离本发明的精神和范围下可以进行各种改进，修改，和变换。
1权利要求
一种超导线(100)的制造方法，该超导线(100)包括至少一根长丝(110)，其中所说至少一根长丝(110)是连续的并且包含许多具有许多ZrO2沉淀配置其中的Nb3Sn晶粒并且一种金属基质包围并接触所说至少一根长丝(110)，该方法包括步骤a)提供一种在固溶体内具有锆和氧的铌，其中锆和氧存在的原子比例约为1∶2；b)从该铌合金形成至少一根铌合金棒；c)对至少一根铌合金棒提供一种金属基质材料；d)从该金属基质材料和该至少一根铌合金棒形成线；和e)在预定温度下热处理该线以预定时间，从而形成超导线(100)。
2. 根据权利要求l的方法，其中提供一种在固溶体内具有锆和氧的铌合金的步骤包括a) 提供一种包括元素铌和Nb205的合金；b) 分解铌合金以形成具有氧溶解其中的元素铌；c) 对具有氧溶解其中的元素铌提供锆，其中锆和氧存在的比例约为1 : 2;禾口d) 形成一种在固溶体内具有锆和氧的铌合金。
3. 根据权利要求2的方法，其中该分解铌合金以形成具有氧溶解其中的元素铌的步骤 包括真空电弧熔化合金以形成具有氧溶解其中的元素铌。
4. 根据权利要求2的方法，其中一种包括在固溶体内具有锆和氧的铌合金的形成步骤 包括真空电弧再熔锆和具有氧溶解其中的元素铌以形成在固溶体内具有锆和氧的铌合金。
5. 根据权利要求4的方法，进一步包括使铌合金均匀的步骤。
6. 根据权利要求5的方法，其中该使铌合金均匀的步骤包括在预定温度下热处理铌合 金以预定时间。
7. 根据权利要求l的方法，其中从该铌合金形成至少一根铌合金棒的步骤包括一种 电子放电研磨铌合金以由此形成至少一根铌合金棒，从该铌合金浇铸形成至少一根铌合金 棒，从该铌合金挤压形成至少一个棒，和从该铌合金拉拔形成至少一根铌合金棒。
8. 根据权利要求7的方法，进一步包括冷加工至少一根铌合金棒的步骤。
9. 根据权利要求8的方法，其中该冷加工至少一根铌合金棒的步骤包括至少锻造、挤 压成形和拉拔至少一根铌合金棒中的一种。
10. 根据权利要求l的方法，其中该从该金属基质材料和至少一根铌合金棒中形成线 的步骤包括a) 通过用金属基质材料围绕至少一根铌合金棒以致该金属基质材料接触至少一根铌 合金棒，而形成预制体；禾口b) 从该预制体形成线。
全文摘要
一种复丝超导线(100)，其中该长丝(110)包括氧化锆稳定的超细晶粒Nb3Sn。该超导线(100)是通过拉拔一种包含金属基质和在固溶体内具有锆和氧的至少一根铌合金棒，并且在有锡的情况下热处理该拉拔线以得到至少一个包括具有半粘结ZrO2沉淀配置其中的超细晶粒Nb3Sn的连续丝(110)而形成。在温度高达1100℃时ZrO2沉淀稳定Nb3Sn的超细晶粒的微结构，并且在大于以前使用的温度下热处理时，使Nb3Sn维持超细晶粒的微结构。通过使用较高的温度以形成Nb3Sn，热处理需要的时间可以大大降低。
文档编号H01B12/10GK101702344SQ200910206429
公开日2010年5月5日 申请日期2002年10月15日 优先权日2001年11月5日
发明者托马斯·R·拉伯, 西奥多·M·埃夫登, 贾德森·S·马特, 马克·G·本兹 申请人:通用电气公司