專利名稱：一種以Nb47Ti棒作為添加Ti元素制備高場(chǎng)Nb₃Sn超導(dǎo)股線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以Nb47Ti棒作為添加源添加Ti元素制備高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線的方法，屬于超導(dǎo)材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在高場(chǎng)Nb3Sn股線制備過(guò)程中以Nb47Ti棒的形式添加Ti元素的方法。
背景技術(shù)：
內(nèi)錫法Nb3Sn股線主要應(yīng)用在熱核聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)堆(ITER)、NMR、高能物理、粒子加速器磁體等高技術(shù)領(lǐng)域，為了提高高場(chǎng)下股線的載流能力，商用Nb3Sn股線都需要添加第三元素Ti或Ta，考慮到成本及添加方法，添加Ti元素是首選。在內(nèi)錫法Nb3Sn股線制備工藝中，因Cu、Nb、Sn各組元彼此獨(dú)立，設(shè)計(jì)靈活，使得Ti元素的添加方法具有多樣性及靈活性。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，較為成熟的Ti添加方式有兩種一種是將Ti添加在Sn源中形成Sn-Ti合金，另一種是以Nb47Ti芯作為獨(dú)立的組元替換少數(shù)Nb芯。第一種方法發(fā)展較早，也見(jiàn)于國(guó)內(nèi)外相關(guān)論文及專利，但是由于Sn-Ti合金的制作成本較高，而且合金中較大尺寸Ti6Sn5顆粒的硬脆性也限制了該方法的進(jìn)一步發(fā)展。Nb47Ti的添加方法成本低，而且塑性很好，是Nb3Sn股線制備較為理想的Ti添加方法。該方法尚處于初始應(yīng)用階段，其中的關(guān)鍵技術(shù)被國(guó)外一些超導(dǎo)材料生產(chǎn)公司作為商業(yè)秘密所掌握，相關(guān)的論文及專利也僅僅限于介紹。以Nb47Ti的方式添加Ti元素，分布方式的設(shè)計(jì)決定了股線熱處理過(guò)程中Ti擴(kuò)散的均勻性，從而決定了 Ti元素的添加效果；而添加數(shù)量決定了 Ti的添加比例；在加工過(guò)程中要保證Nb47Ti芯絲與Nb芯絲的同步變形以保證股線的正常拉伸，所以加工方式以及加工參數(shù)則決定了該方法能否成功應(yīng)用于生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種以Nb47Ti棒作為添加Ti元素制備高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線的方法。技術(shù)方案—種以Nb47Ti棒作為添加Ti元素制備高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線的方法，其特征在于步驟如下步驟1采用CuNb單芯棒進(jìn)行包套組裝由外到內(nèi)依次為Cu包套、Nb阻隔層、CuNb 單芯棒和Nb47Ti單芯棒、純Cu芯棒；組裝過(guò)程為在密排的純Cu芯棒中心層外圍密排分布 CuNb單芯棒，在CuNb單芯棒中間對(duì)稱均勻分布設(shè)置若干Nb47Ti單芯棒，再套上Nb阻隔層后一起裝進(jìn)Cu包套中，最后用純銅插縫棒插進(jìn)Nb阻隔層與CuNb單芯棒之間的縫隙，蓋好上下蓋，完成組裝；所述的CuNb單芯棒、Nb47Ti單芯棒和純Cu芯棒的形狀均為六方；所述Nb47Ti單芯棒與CuNb單芯棒大小形狀相同；
所述CuNb單芯棒為200 400支；所述Nb47Ti單芯棒為5 20支；步驟2對(duì)組裝好的CuNb多芯包套進(jìn)行除氣處理在真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行，打開(kāi)包套一端的端蓋，除氣真空度為，除氣溫度為450°C，待包套溫度降至50°C以下時(shí)可以出爐，完成除氣工序；步驟3對(duì)除氣后的包套進(jìn)行焊接處理在真空電子束焊機(jī)中進(jìn)行，當(dāng)真空度到 5. 0 X IO-3Pa后對(duì)包套的上下端蓋進(jìn)行電子束封焊，將各組元密封在Cu包套內(nèi)；待包套冷卻 30min后取出，完成焊接；步驟4對(duì)焊接的包套進(jìn)行擠壓在臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行，擠壓前將包套充分加熱至 600°C，再按照10 30mm/S的速度擠壓，擠壓比控制在10 20，得到高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線制備用具有Nb47Ti芯的CuNb多芯復(fù)合棒；步驟5亞組元的制備將獲得的具有Nb47Ti的CuNb多芯復(fù)合棒截?cái)酁閱胃?. 2 1. 5m,在深孔加工設(shè)備上進(jìn)行深孔加工去掉中心部分Cu區(qū)獲得具有Nb47Ti的CuNb多芯復(fù)合管，經(jīng)過(guò)清洗的Sn合金組裝在復(fù)合管內(nèi)獲得具有Sn源的CuNb-Sn多芯復(fù)合體，再拉伸加工這種復(fù)合體獲得用于組裝最終坯料的亞組元；步驟6最終坯料加工按照產(chǎn)品要求將若干數(shù)目的亞組元與純Cu芯棒集束組裝在 Cu管內(nèi)獲得最終坯料，經(jīng)過(guò)拉伸加工這種最終坯料獲得高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線。有益效果本發(fā)明提出的一種以Nb47Ti作為添加源添加Ti元素制備高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線的方法，以Nb47Ti作為添加源替換部分Nb芯絲來(lái)達(dá)到Ti元素添加的目的，解決了高場(chǎng)Nb3Sn 股線生產(chǎn)過(guò)程中以Nb47Ti作為添加源添加Ti元素的關(guān)鍵技術(shù)，可應(yīng)用于高場(chǎng)Nb3Sn股線的制備。本發(fā)明中的Nb47Ti的分布方式、數(shù)量、后續(xù)的加工方法及參數(shù)等已成功應(yīng)用于生產(chǎn)試驗(yàn)，Nb47Ti均勻?qū)ΨQ分布于Nb芯絲中間，利于熱處理時(shí)Ti元素?cái)U(kuò)散的均勻性，充分參與Nb3Sn的生成反應(yīng)；使用了一套成熟的清洗、組裝、除氣、焊接、擠壓、拉拔工序，制備的具有Nb47Ti芯CuNb多芯復(fù)合棒各組元界面間達(dá)到了冶金結(jié)合，使用該復(fù)合棒制備了可應(yīng)用于高場(chǎng)磁體制備的Nb3Sn超導(dǎo)股線。本方法使用了已經(jīng)商業(yè)化的Nb47Ti棒，成本較低；且Nb47Ti具有優(yōu)異的冷加工塑性，非常利于Nb3Sn股線的冷拉加工；該工藝可加工性好，可用于生產(chǎn)使用。


圖1 為具有8支Nb47Ti芯，334支Nb芯的CuNb包套的設(shè)計(jì)；圖2 為具有18支Nb47Ti芯，3 支Nb芯的CuNb包套設(shè)計(jì)；圖3 為具有18支Nb47Ti芯，324支Nb芯的CuNb棒擠壓截面圖；圖4 為利用該發(fā)明獲得的具有Nb47Ti芯CuNb棒制備的Nb3Sn股線熱處理時(shí)Ti 的擴(kuò)散分布圖。I-Cu包套，2-Nb阻隔層，3-CuNb芯棒區(qū)，4_均勻?qū)ΨQ分布的NbTi芯棒，5-中心Cu 芯棒區(qū)。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例1 設(shè)計(jì)具有334支CuNb芯棒，8支NbTi/Cu芯棒的高場(chǎng)Nb3Sn股線生產(chǎn)用多芯CuNb包套，如圖1所示。圖中1為Cu包套，2為Nb阻隔層，3為334支密排的CuNb芯棒區(qū)，4為均勻?qū)ΨQ分布的8支NbTi/Cu芯棒，5為中心Cu芯棒區(qū)。步驟1采用CuNb單芯棒進(jìn)行包套組裝在中心純Cu芯棒區(qū)外圍密排分布CuNb單芯棒，在CuNb單芯棒中間對(duì)稱均勻分布設(shè)置Nb47Ti/Cu芯，再套上Nb阻隔層后一起裝進(jìn)Cu 包套中，最后用純銅插縫棒插進(jìn)CuNb單芯棒與Nb阻隔層之間的縫隙，蓋好上下蓋，完成組裝；所述的CuNb單芯棒、Nb47Ti/Cu芯棒和純Cu芯棒的形狀均為六方；步驟2對(duì)組裝好的CuNb多芯包套進(jìn)行除氣處理打開(kāi)包套一端的端蓋，除氣真空度為10_2Pa，除氣溫度為450°C，待溫度降低至50°C以下時(shí)出爐，完成除氣工序；步驟3對(duì)除氣后的包套進(jìn)行焊接處理在真空電子束焊機(jī)中進(jìn)行，焊接真空度為 5. OX 10_3Pa，對(duì)包套的上下端蓋進(jìn)行電子束封焊，將各組元密封在Cu包套內(nèi)；待包套冷卻 30min后取出，完成焊接；步驟4對(duì)焊接的包套進(jìn)行擠壓在臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行，擠壓前將包套充分加熱至 6000C，擠壓速度為20mm/S，擠壓比為10. 15，得到高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線制備用具有Nb47Ti芯的CuNb多芯復(fù)合棒。擠壓后棒材中各組元界面完全達(dá)到冶金結(jié)合，且形狀規(guī)則，與設(shè)計(jì)相符。步驟5亞組元的制備將獲得的具有Nb47Ti的CuNb多芯復(fù)合棒截?cái)酁閱胃?. 2m， 在深孔加工設(shè)備上進(jìn)行深孔加工去掉中心部分Cu區(qū)，獲得具有Nb47Ti芯的CuNb多芯復(fù)合管。將清洗過(guò)的Sn合金組裝在清洗過(guò)的具有Nb47Ti芯的CuNb多芯復(fù)合管內(nèi)，獲得具有Sn 源的CuNb-Sn多芯復(fù)合體，再拉伸加工這種復(fù)合體獲得用于組裝最終坯料的亞組元。步驟6高場(chǎng)Nb3Sn股線的加工將M支亞組元以及7支純Cu芯棒集束組裝在Cu 管內(nèi)獲得最終坯料，經(jīng)過(guò)拉伸加工這種最終坯料獲得高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線。實(shí)施例2 將實(shí)施例1中的NbTi/Cu芯棒數(shù)量改為18支，同時(shí)CuNb芯棒數(shù)量為3 支，組裝、除氣、焊接、擠壓、股線加工工序同實(shí)施例，得到的具有NbTi芯絲的CuNb多心復(fù)合棒截面圖如圖3所示。圖中1為Cu包套，2為Nb阻隔層，3為3M支密排的CuNb芯棒區(qū)，4為均勻?qū)ΨQ分布的18支NbTi/Cu芯棒，5為中心Cu芯棒區(qū)。由圖中可見(jiàn)，截面中各組元的形狀、排布與設(shè)計(jì)圖2相符，且Cu與Nb阻隔層，CuNb芯棒間的Cu以及NbTi/Cu芯棒間的Cu 無(wú)分層現(xiàn)象，并達(dá)到冶金結(jié)合。圖四為利用該發(fā)明獲得的具有Nb47Ti芯CuNb棒制備的Nb3Sn股線熱處理時(shí)Ti的擴(kuò)散分布圖，可見(jiàn)Ti已經(jīng)均勻分布于股線的·界面，達(dá)到了良好的添加效果。
權(quán)利要求
1.一種以Nb47Ti棒作為添加Ti元素制備高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線的方法，其特征在于步驟如下步驟1采用CuNb單芯棒進(jìn)行包套組裝由外到內(nèi)依次為Cu包套、Nb阻隔層、CuNb單芯棒和Nb47Ti單芯棒、純Cu芯棒；組裝過(guò)程為在密排的純Cu芯棒中心層外圍密排分布CuNb 單芯棒，在CuNb單芯棒中間對(duì)稱均勻分布設(shè)置若干Nb47Ti單芯棒，再套上Nb阻隔層后一起裝進(jìn)Cu包套中，最后用純銅插縫棒插進(jìn)Nb阻隔層與CuNb單芯棒之間的縫隙，蓋好上下蓋，完成組裝；所述的CuNb單芯棒、Nb47Ti單芯棒和純Cu芯棒的形狀均為六方；步驟2對(duì)組裝好的CuNb多芯包套進(jìn)行除氣處理在真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行，打開(kāi)包套一端的端蓋，除氣真空度為10_2Pa，除氣溫度為450°C，待包套溫度降至50°C以下時(shí)可以出爐， 完成除氣工序；步驟3對(duì)除氣后的包套進(jìn)行焊接處理在真空電子束焊機(jī)中進(jìn)行，當(dāng)真空度到 5. 0 X IO-3Pa后對(duì)包套的上下端蓋進(jìn)行電子束封焊，將各組元密封在Cu包套內(nèi)；待包套冷卻 30min后取出，完成焊接；步驟4對(duì)焊接的包套進(jìn)行擠壓在臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行，擠壓前將包套充分加熱至 600°C，再按照10 30mm/S的速度擠壓，擠壓比控制在10 20，得到高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線制備用具有Nb47Ti芯的CuNb多芯復(fù)合棒；步驟5亞組元的制備將獲得的具有Nb47Ti的CuNb多芯復(fù)合棒截?cái)酁閱胃?. 2 1. 5m,在深孔加工設(shè)備上進(jìn)行深孔加工去掉中心部分Cu區(qū)獲得具有Nb47Ti的CuNb多芯復(fù)合管，經(jīng)過(guò)清洗的Sn合金組裝在復(fù)合管內(nèi)獲得具有Sn源的CuNb-Sn多芯復(fù)合體，再拉伸加工這種復(fù)合體獲得用于組裝最終坯料的亞組元；步驟6最終坯料加工按照產(chǎn)品要求將若干數(shù)目的亞組元與純Cu芯棒集束組裝在Cu 管內(nèi)獲得最終坯料，經(jīng)過(guò)拉伸加工這種最終坯料獲得高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述以Nb47Ti棒作為添加Ti元素制備高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線的方法， 其特征在于所述Nb47Ti芯與Nb芯大小形狀相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述以Nb47Ti棒作為添加Ti元素制備高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線的方法， 其特征在于所述Nb芯為200 400支。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述以Nb47Ti棒作為添加Ti元素制備高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線的方法， 其特征在于所述Nb47Ti芯為5 20支。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以Nb47Ti作為添加源添加Ti元素制備高場(chǎng)Nb3Sn超導(dǎo)股線的方法，以Nb47Ti作為添加源替換部分Nb芯絲來(lái)達(dá)到Ti元素添加的目的，解決了高場(chǎng)Nb3Sn股線生產(chǎn)過(guò)程中以Nb47Ti作為添加源添加Ti元素的關(guān)鍵技術(shù)，可應(yīng)用于高場(chǎng)Nb3Sn股線的制備。本發(fā)明中的Nb47Ti的分布方式、數(shù)量、后續(xù)的加工方法及參數(shù)等已成功應(yīng)用于生產(chǎn)試驗(yàn)，Nb47Ti均勻?qū)ΨQ分布于Nb芯絲中間，利于熱處理時(shí)Ti元素?cái)U(kuò)散的均勻性，充分參與Nb3Sn的生成反應(yīng)；使用了一套成熟的清洗、組裝、除氣、焊接、擠壓、拉拔工序，制備的具有Nb47Ti芯CuNb多芯復(fù)合棒各組元界面間達(dá)到了冶金結(jié)合，使用該復(fù)合棒制備了可應(yīng)用于高場(chǎng)磁體制備的Nb3Sn超導(dǎo)股線。
文檔編號(hào)H01B12/00GK102339664SQ20111024727
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者馮勇, 劉向宏, 劉建偉, 孫霞光, 張豐收, 李建峰, 李春廣, 管軍強(qiáng), 肖成舉 申請(qǐng)人:西部超導(dǎo)材料科技有限公司