一种Ti掺杂内锡法Nb3Sn前驱体线材的制备方法与流程

本发明属于超导材料制备技术领域，涉及一种ti掺杂内锡法nb3sn前驱体线材的制备方法。

背景技术：

铌三锡（nb3sn）低温超导体是目前10t以上高场超导磁体应用最主要的材料，已在高能粒子加速器、核磁共振谱仪（nmr）、以及磁约束核聚变（iter）等较多领域有广泛的应用。通常的nb3sn超导线材的制备方法主要有内锡法和青铜法；前者能提供充足的sn源，加工周期短，制造成本低，在高磁场下能承载更大的输运临界电流，因此，内锡法nb3sn超导线材是目前制备强磁场（12t~20t）用超导磁体的主要选择。

一般说来，内锡法nb3sn超导线材前驱体导线主要采用三次复合的方法制备，主要步骤如下：（1）第一次复合是将nb棒与铜包套管复合成单芯棒；（2）第二次复合是将若干根cu-nb单芯棒和中心铜棒装入铜包套，并通过真空电子束封装、热等静压和热挤压等工序进行复合，制作成多芯复合棒。随后，将多芯复合棒中心钻孔，并插入锡（sn）棒；同时经过拉拔加工成cu/nb-sn亚组元；（3）第三次复合是将若干根cu/nb-sn亚组元装入cu管中，然后通过拉拔、轧制等冷加工手段，制作成nb3sn超导线材前驱体导线；最后，经过热处理后生成nb3sn超导线材。

由于nb3sn属于晶界钉轧超导体，即晶粒尺寸越小，单位体积内晶界面积越大，其超导性能也越好，同时高场下临界电流密度也越高。为了抑制nb3sn超导体热处理过程中晶粒生长速度，减小超导体晶粒尺寸，通常会在nb3sn超导体中引入少量的ti元素掺杂。

目前常规的引入ti元素掺杂的方法是在第二次复合包套中，利用cu/nb-47ti（nb-47wt.%ti合金）棒材替代部分的cu-nb复合棒材，从而实现ti元素的引入，如图1所示，随后在热处理过程中，ti元素经过cu作为路径，扩散到周围的nb棒中，从而达到抑制nb3sn超导体晶粒生长的目的。在现有的方法中，由于nb-47ti棒材与nb棒的硬度和延展性存在差异，同时在导线塑性加工过程中，由于加工硬化速率不同，导致该结构线材加工困难，而造成经常性断线，从而降低了线材的成品率，增加了导线制备成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有方法中线材塑性加工性能差、容易断线的缺点，提供一种新型的ti掺杂内锡法nb3sn前驱体线材的制备方法，显著改善目前内锡法nb3sn线材的塑性加工特性，提升线材的成品率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案；

一种ti掺杂内锡法nb3sn前驱体线材的制备方法，包括以下步骤：

（1）制作一次复合棒：将nb棒插入nb-ti合金管中，再将所得到的nb-ti/nb复合棒插入到内圆外六方形的cu管中，形成cu/nb-ti/nb复合棒；

（2）包套组装：将若干根同样尺寸的上述cu/nb-ti/nb复合棒和中心cu棒按最密排布装入包含阻隔层的铜包套中，然后进行真空电子束焊接密封，获得多芯cu-nb复合包套坯料；

（3）制作二次复合棒材：将上述多芯cu-nb复合包套坯料进行热等静压和热挤压加工，获得多芯复合棒材；

（4）制作cu-nb-sn复合体亚组元：将上述多芯复合棒材进行中心钻孔，随后将sn棒插入该通孔中，并通过拉拔和辊轧等加工方式，将其加工成一定形状的cu-nb-sn复合体亚组元；

（5）穿管拉拔：将若干根上述cu-nb-sn复合体亚组元和若干根中心cu棒按照最密排布装入无氧铜管中，然后对再次复合的铜包套cu-nb-sn复合体进行拉拔和辊轧等加工，从而获得最终成品的ti掺杂内锡法nb3sn前驱体线材。

进一步的，步骤（1）中，可以采用nb-ti合金箔材代替nb-ti合金管，方法是将nb-ti合金箔材缠绕在nb棒中，随后将所得到的nb-ti/nb复合棒插入到内圆外六方形的cu管中，形成cu/nb-ti/nb复合棒。

步骤（1）中，所述的nb-ti合金箔材或nb-ti合金管中的ti含量为1~10wt.%，即nb-(1~10)wt.%ti合金。

步骤（2）中，所述阻隔层为纯的金属nb或ta箔卷绕而成。

步骤（4）中，可以采用sn-cu合金棒代替sn棒，所述用sn-cu合金棒中的cu含量为1~3wt.%，即sn-(1~3)wt.%cu合金棒。

步骤（5）中，最终成品的nb3sn前驱体线材尺寸为0.5mm~2.0mm，亚组元的数量为30~198根。

本发明采用延展性更好的nb-(1~10)wt.%ti合金箔材或管材包覆nb棒制作成一次复合棒，如图2所示，从而在cu基体中均匀地分布同质化的一次复合棒，这样更有利于导线的复合加工，从而降低线材的制作成本。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：通过采用均匀分布、且ti含量较低的nb-ti合金管或者箔材作为ti掺杂源，在不改变nb3sn线材结构的情况下，其各项性能指标与常规方法制得的线材的各项性能指标相当，同时显著改善了导线塑性加工特性，提高了线材的成品率，降低了加工成本，因此，本发明具有非常好的应用前景。

附图说明

图1为常规的nb3sn前驱体线材制备方法获得的多孔铜锭的结构示意图；

图2为本发明nb3sn前驱体线材的制备方法获得的多孔铜锭的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种ti掺杂内锡法nb3sn前驱体线材的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）制作一次复合棒：将长度300mm、直径9.8mmnb棒插入同样长度、外径11.8mm、壁厚为1.0mm的nb-1wt.%ti合金管中，然后再将所得nb-ti/nb复合棒插入到内孔径为12mm，对边距为h15mm的六方形cu管中，形成cu/nb-ti/nb复合棒；

（2）包套组装：将上述同样尺寸的30根的cu/nb-ti/nb复合棒和7根中心cu棒按最密排布装入包含nb阻隔层的铜包套中，铜包套管内径为120mm、壁厚为15mm，长度为300mm；然后进行真空电子束焊接密封，获得（30+7）芯cu-nb复合包套坯料；

（3）制作二次复合棒材：将上述（30+7）芯cu-nb复合包套坯料在600^oc先后进行热等静压和热挤压加工，获得直径为45mm的（30+7）芯复合棒材；

（4）制作cu-nb-sn亚组元：将上述（30+7）芯复合棒材进行中心钻孔，孔径为22.5mm，随后将直径22mm的sn棒插入该通孔中，并通过拉拔和辊轧等加工方式，将其加工成对边距为h6.0mm的六方形cu-nb-sn复合体亚组元；

（5）穿管拉拔：将长度为3米、对边距为h6.0mm的36根cu-nb-sn复合体亚组元和1根中心cu棒按照最密排布装入外圆内六方的无氧铜包套管，该包套管内孔对边距为h30mm，外径为40mm；然后对再次复合的铜包套cu-nb-sn复合体进行拉拔和辊轧等加工，直到线材直径为0.5mm，即获得所需的ti掺杂内锡法nb3sn前驱体线材。

上述前驱体线材在加工过程中未出现断线现象，同时该线材进行最终热处理后，获得高性能的nb3sn超导线材，该线材非铜区的临界电流密度（jc）在4.2k、12t下达到2500a/mm²。

实施例2

一种ti掺杂内锡法nb3sn前驱体线材的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）制作一次复合棒：将长度450mm、直径9.8mmnb棒插入同样长度、外径11.8mm、壁厚为1.0mm的nb-1wt.%ti合金管中，然后再将所得nb-ti/nb复合棒插入到内孔径为12mm，对边距为h15mm的六方形cu管中，形成cu/nb-ti/nb复合棒；

（2）包套组装：将上述同样尺寸的90根的cu/nb-ti/nb复合棒和37根中心cu棒按最密排布装入包含ta阻隔层的铜包套中，铜包套管内径为195mm、壁厚为15mm，长度为450mm；然后进行真空电子束焊接密封，获得（90+37）芯cu-nb复合包套坯料；

（3）制作二次复合棒材：将上述（30+7）芯cu-nb复合包套坯料在600^oc先后进行热等静压和热挤压加工，获得直径为70mm的（90+37）芯复合棒材；

（4）制作cu-nb-sn亚组元：将上述（30+7）芯复合棒材进行中心钻孔，孔径为35mm，随后将直径为34.5mm的sn-1wt.%cu棒插入该通孔中，并通过拉拔和辊轧等加工方式，将其加工成对边距为h4.5mm的六方形cu-nb-sn复合体亚组元；

（5）穿管拉拔：将尺寸为长度为3米、对边距为h4.5mm的54根cu-nb-sn复合体亚组元和7根中心cu棒按照最密排布装入外圆内六方的无氧铜包套管中，铜包套管尺寸为内孔对边距为32mm，外径为42mm，长度为3米，然后对再次复合的铜包套cu-nb-sn复合体进行拉拔和辊轧等加工，直到线材直径为1.0mm，即获得所需的ti掺杂内锡法nb3sn前驱体线材；

上述前驱体线材在加工过程中未出现断线现象，同时该线材进行最终热处理后，获得高性能的nb3sn超导线材，该线材非铜区的临界电流密度（jc）在4.2k、12t下达到3000a/mm²。

实施例3

一种ti掺杂内锡法nb3sn前驱体线材的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）制作一次复合棒：将长度400mm、直径5.8mmnb棒插入同样长度、外径6.8mm、壁厚为0.5mm的nb-5wt.%ti合金管中，然后再将所得nb-ti/nb复合棒插入到内孔径为7mm，对边距为h8.5mm的六方形cu管中，形成cu/nb-ti/nb复合棒；

（2）包套组装：将上述同样尺寸的159根的cu/nb-ti/nb复合棒和61根中心cu棒按最密排布装入包含ta阻隔层的铜包套中，铜包套管内径为160mm、壁厚为15mm，长度为450mm；然后进行真空电子束焊接密封，获得（159+61）芯cu-nb复合包套坯料；

（3）制作二次复合棒材：将上述（159+61）芯cu-nb复合包套坯料在600^oc先后进行热等静压和热挤压加工，获得直径为65mm的（159+61）芯复合棒材；

（4）制作cu-nb-sn亚组元：将上述（159+61）芯复合棒材进行中心钻孔，孔径为32.5mm，随后将直径为32mm的sn-2wt.%cu棒插入该通孔中，并通过拉拔和辊轧等加工方式，将其加工成对边距为h3.0mm的六方形cu-nb-sn复合体亚组元；

（5）穿管拉拔：将尺寸为长度为3米、对边距为h3.0mm的108根cu-nb-sn复合体亚组元和19根中心cu棒按照最密排布装入外圆内六方的无氧铜包套管中，铜包套管尺寸为内孔对边距为40mm，外径为48mm，长度为3米，然后对再次复合的铜包套cu-nb-sn复合体进行拉拔和辊轧等加工，直到线材直径为1.5mm，即获得所需的ti掺杂内锡法nb3sn前驱体线材。

上述前驱体线材在加工过程中未出现断线现象，同时该线材进行最终热处理后，获得高性能的nb3sn超导线材，该线材非铜区的临界电流密度（jc）在4.2k、12t下达到2650a/mm²。

实施例4

一种ti掺杂内锡法nb3sn前驱体线材的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）制作一次复合棒：将厚度为0.1mm、宽度为400mm的nb-10wt.%ti合金箔材缠绕在长度400mm、直径6.3mmnb棒上，直到直径为6.9mm，然后再将所得nb-ti/nb复合棒插入到内孔径为7mm，对边距为h8.5mm的六方形cu管中，形成cu/nb-ti/nb复合棒；

（2）包套组装：将上述同样尺寸的159根的cu/nb-ti/nb复合棒和61根中心cu棒按最密排布装入包含ta阻隔层的铜包套中，铜包套管内径为160mm、壁厚为15mm，长度为450mm；然后进行真空电子束焊接密封，获得（159+61）芯cu-nb复合包套坯料；

（3）制作二次复合棒材：将上述（159+61）芯cu-nb复合包套坯料在600^oc先后进行热等静压和热挤压加工，获得直径为65mm的（159+61）芯复合棒材；

（4）制作cu-nb-sn亚组元：将上述（159+61）芯复合棒材进行中心钻孔，孔径为32.5mm，随后将直径为32mm的sn-3wt.%cu棒插入该通孔中，并通过拉拔和辊轧等加工方式，将其加工成对边距为h3.0mm的六方形cu-nb-sn复合体亚组元；

（5）穿管拉拔：将尺寸为长度为3米、对边距为h4.5mm的198根cu-nb-sn复合体亚组元和19根中心cu棒按照最密排布装入外圆内六方的无氧铜包套管中，铜包套管尺寸为内孔对边距为52mm，外径为65mm，长度为3米，然后对再次复合的铜包套cu-nb-sn复合体进行拉拔和辊轧等加工，直到线材直径为2.0mm，即获得所需的ti掺杂内锡法nb3sn前驱体线材。

上述前驱体线材在加工过程中未出现断线现象，同时该线材进行最终热处理后，获得高性能的nb3sn超导线材，该线材非铜区的临界电流密度（jc）在4.2k、12t下达到2800a/mm²。