本发明属于低温超导材料制备方法技术领域，具体涉及一种多芯nb3al超导前驱体线材的制备方法。
背景技术
nb3al是目前超导转变温度(tc)、临界电流密度(jc)和上临界场(hc2)等综合实用性能最好的低温超导材料。它与nb3sn相比，超导转变温度达到19.3k，也属于a15结构金属间化合物和晶界钉扎超导体；而且具有更高的上临界场和更好的高场临界电流密度特性；尤其重要的是，它比nb3sn具有更优良的应力-应变容许特性。因此nb3al超导线材被认为在下一代热磁约束聚变反应堆(iter)、高能粒子加速器(lhc)和核磁共振谱仪(nmr)等超导磁体应用上有着巨大的潜力。
目前，nb3al超导线材的制备过程分为“前驱体线材制备”和“热处理”两部分。制备用于磁场强度高于15t的nb3al超导磁体的高性能nb3al超导线材，其热处理方法是“高温急热急冷(rhq)+成相热处理”。这种热处理工艺复杂，对前驱体线材要求较高：
前驱体线材通常采用卷绕法，即将nb、al箔材卷绕至nb棒上，装入圆筒形的cu包套，两端电子束焊接封口、再静液挤压、多次拉拔制作成单芯棒；单芯棒经多芯组装、静液挤压和反复拉拔等工艺制作成多芯线材。
在卷绕法制备nb3al前驱体线材的过程中，通常要将数米长的nb箔、al箔卷绕至直径仅为数毫米的nb棒上，卷绕起始的起头困难；在卷绕的过程中要求箔材与nb棒之间以及各层箔材之间贴合紧密、均匀，方可使卷绕装管填充率大于90％；并且卷绕后的复合体尺寸偏差也必须保证在±0.2mm之内。因此，要求卷绕设备的卷绕速度、卷绕力度的精度和一致性要求很高。对nb箔、al箔尺寸精度以及平整度也要求较高。卷绕后的复合体会很容易出现尺寸偏差大，装管填充率低、层间贴合不均匀等问题。并且卷绕后的复合体各层箔材之间相互挤压、缠绕、拉扯形成约束，后期很难调整，进而导致后续加工各组元的变形不均匀，在后续的急冷急热并伴随拉动的过程中，容易出现断线以及线材中各组元的成分偏析的缺陷，最终影响超导线材的性能。导致其加工难度大，产品的一致性差，合格率低。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于逐层堆叠的nb3al超导前驱体线材的制备方法，该方法操作简单，箔材的组装填充率高，各层箔材的紧密度均匀一致。以其制备的最终超导线材的性能好，产品的一致性强，合格率高。尤其适用于超导长线材的制备。
本发明实现其发明的目的所采用的技术方案是：一种基于逐层堆叠的nb3al超导前驱体线材的制备方法，其做法是：
a、nb-al复合包套的制备
取开管状nb盒的上盖，从下至上将nb箔和al箔交替堆叠于管状nb盒的矩形槽中，再将管状nb盒的上盖盖上；最后将管状nb盒内套于cu管中，将cu管的两端端口用真空电子束焊接密封，即得到nb-al复合包套；
b、nb-al单芯棒的制备
将步骤a所述nb-al复合包套经静液挤压获得nb-al复合棒，nb-al复合棒经多次反复拉拔至对边距为5～15mm，再腐蚀去铜后获得nb-al单芯棒。
c、nb3al超导前驱体线材的制备
将步骤b所述的多个nb-al单芯棒密排组装至cu或cu合金包套中，经电子束封焊获得nb-al多芯复合包套，nb-al多芯复合包套经静液挤压获得nb-al多芯复合棒，nb-al多芯复合棒经多次反复拉拔加工获得多芯线材；多芯线材腐蚀去铜即得nb3al超导前驱体线材。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明方法将数米长的nb箔、al箔整体卷绕成卷筒状，改为将小面积的独立的矩形片状nb箔、al箔从下至上逐层交替堆叠装入管状nb盒的矩形槽。箔材不再是相互拉扯、缠绕的整体。相反，各层片状箔材之间相互独立，可以自由的沿管状nb盒的竖向移动。交替堆叠过程中，可以随时从上部施加向下的推紧力，将堆叠层压紧，使得堆叠层紧密贴合，将设定量的箔材装填完毕，从而保证装填率达到要求，堆叠层复合体的尺寸偏差小；同时，竖向的推紧力可以向下自由传递，使得各箔材自动产生相应的竖向位移调整，从而使得各堆叠层的紧密度均匀一致。
总之，本发明方法在堆叠过程中，能够自动调节各箔材的竖向位置，避免了卷绕法对卷绕设备的精密需求，以及对箔材的平整度和均匀性的要求。其装填操作十分简单，箔材的组装填充率高，各堆叠层的紧密度均匀一致。在后期的静液挤压、拉拔过程中，也能够更方便箔材的位移和形变，形成更紧密、均匀的材料；在后续的急冷急热并伴随拉动的过程中，不易出现断线以及线材中各组元的成分偏析的缺陷，其最终超导线材的性能好，产品的一致性强，合格率高。尤其适用于超导长线材的制备。
进一步，本发明的步骤a中nb箔厚度为0.03～0.3mm，al箔厚度为0.01～0.1mm，nb箔、al箔的纯度均优于99.9％；
进一步，本发明的步骤a中nb箔或al箔的层数在100-150层，nb盒壁厚为1-10mm；
进一步，本发明的步骤a中nb盒的矩形槽体积与整个nb盒体积的比为2-3:4。
这种低厚度、高纯度nb箔和al箔，能进一步保证各层箔材之间贴合紧密、均匀。壁厚适中的nb盒也保证了在后续加工时各组元的变形均匀，致密，进一步保证了成品线材的性能。
进一步，本发明的步骤b获得nb-al单芯棒的对边距为5.0～15.0mm。
采用这种nb-al单芯棒保证了在后续静液挤压、多次反复拉拔加工过程中，变形均匀、线材不宜断裂。
更进一步，本发明的步骤c中装入cu或cu合金包套的nb-al单芯棒的数量为19、37或61。
这样能够保证制得的超导线材截面成圆形。
再进一步，本发明的步骤c中nb3al超导线材前驱体直径为0.5～1.5mm。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明中交替堆叠有nb箔和al箔的管状nb盒的主视结构示意图。
图2为图1的左视结构示意图。
具体实施方式
实施例1
图1、图2示出，本发明的一种具体实施方式是，一种基于逐层堆叠的nb3al超导前驱体线材的制备方法，其步骤是：
a、nb-al复合包套的制备
取开管状nb盒2的上盖1，从下至上将nb箔3和al箔4交替堆叠于管状nb盒2的矩形槽中，再将管状nb盒2的上盖1盖上；最后将管状nb盒2内套于cu管中，将cu管的两端端口用真空电子束焊接密封，即得到nb-al复合包套；
所述的nb箔3厚度为0.03mm，al箔4厚度为0.01mm，nb箔3、al箔4的纯度均优于99.9％。
所述的nb箔3或al箔4的层数在100层，nb盒2壁厚为1mm。
所述的nb盒2的矩形槽体积与整个nb盒2体积的比为2:4。
b、nb-al单芯棒的制备
将步骤a所述nb-al复合包套经静液挤压获得nb-al复合棒，nb-al复合棒经多次反复拉拔至对边距为5mm，再腐蚀去铜后获得nb-al单芯棒,nb-al单芯棒的对边距为5.0mm。
c、nb3al超导前驱体线材的制备
将步骤b所述的19个nb-al单芯棒密排组装至cu包套中。经电子束封焊获得nb-al多芯复合包套，nb-al多芯复合包套经静液挤压获得nb-al多芯复合棒，nb-al多芯复合棒经多次反复拉拔加工获得多芯线材；多芯线材腐蚀去铜即得nb3al超导前驱体线材,nb3al超导线材的前驱体直径为0.5mm。
取本实施例中超导前驱体线材的一段进行高温急热急冷(rhq)和成相热处理后，对所获得的nb3al线材进行超导性能测试，其超导转变温度达到18.2k，临界电流密度jc在4.2k、15t下，达到755a/mm2。
实施例2
一种逐层堆叠nb3al超导前驱体线材的制备方法，其步骤是：
a、nb-al复合包套的制备
取开管状nb盒2的上盖1，从下至上将nb箔3和al箔4交替堆叠于管状nb盒2的矩形槽中，再将管状nb盒2的上盖1盖上；最后将管状nb盒2内套于cu管中，将cu管的两端端口用真空电子束焊接密封，即得到nb-al复合包套；
所述的nb箔3厚度为0.13mm，al箔4厚度为0.05mm，nb箔3、al箔4的纯度均优于99.9％。
所述的nb箔3或al箔4的层数在125层，nb盒2壁厚为5mm。
所述的nb盒2的矩形槽体积与整个nb盒2体积的比为2.5:4。
b、nb-al单芯棒的制备
将步骤a所述nb-al复合包套经静液挤压获得nb-al复合棒，nb-al复合棒经多次反复拉拔至对边距为5mm，再腐蚀去铜后获得nb-al单芯棒,nb-al单芯棒的对边距为10.0mm。
c、nb3al超导前驱体线材的制备
将步骤b所述的37个nb-al单芯棒密排组装至cu合金包套中。经电子束封焊获得nb-al多芯复合包套，nb-al多芯复合包套经静液挤压获得nb-al多芯复合棒，nb-al多芯复合棒经多次反复拉拔加工获得多芯线材；多芯线材腐蚀去铜即得nb3al超导前驱体线材,nb3al超导线材的前驱体直径为1.0mm。
取本实施例中线材的一段进行高温急热急冷(rhq)和成相热处理后，对所获得的nb3al线材进行超导性能测试，其超导转变温度达到17.5k，临界电流密度jc在4.2k、15t下，达到690a/mm2。
实施例3
一种逐层堆叠nb3al超导前驱体线材的制备方法，其步骤是：
a、nb-al复合包套的制备
取开管状nb盒2的上盖1，从下至上将nb箔3和al箔4交替堆叠于管状nb盒2的矩形槽中，再将管状nb盒2的上盖1盖上；最后将管状nb盒2内套于cu管中，将cu管的两端端口用真空电子束焊接密封，即得到nb-al复合包套；
所述的nb箔3厚度为0.3mm，al箔4厚度为0.1mm，nb箔3、al箔4的纯度均优于99.9％。
所述的nb箔3或al箔4的层数在150层，nb盒2壁厚为10mm。
所述的nb盒2的矩形槽体积与整个nb盒2体积的比为3:4。
b、nb-al单芯棒的制备
将步骤a所述nb-al复合包套经静液挤压获得nb-al复合棒，nb-al复合棒经多次反复拉拔至对边距为5mm，再腐蚀去铜后获得nb-al单芯棒,nb-al单芯棒的对边距为15.0mm。
c、nb3al超导前驱体线材的制备
将步骤b所述的61个nb-al单芯棒密排组装至cu包套中。经电子束封焊获得nb-al多芯复合包套，nb-al多芯复合包套经静液挤压获得nb-al多芯复合棒，nb-al多芯复合棒经多次反复拉拔加工获得多芯线材；多芯线材腐蚀去铜即得nb3al超导前驱体线材,nb3al超导线材的前驱体直径为1.5mm。
取本实施例中线材的一段进行高温急热急冷(rhq)和成相热处理后，对所获得的nb3al线材进行超导性能测试，其超导转变温度达到18.5k，临界电流密度jc在4.2k、15t下，达到792a/mm2。