[发明专利]制备铌三锡高场超导复合线的方法

说明书

本发明是用改进的铌管富锡法制备铌三锡高场超导复合线的方法，属于高场超导磁体的加工工艺。

超导线材是制造高场超导磁体的基础材料。大多数高场超导材料都是难以机械加工的化合物。铌三锡（Nb₃Sn）和钒三镓（V₃Ga）虽已获得不同程度的实用，但都存在一些问题。例如，目前认为成熟的表面扩散法制造的Nb₃Sn带材，某些电磁特性和机械性能尚不能满足大型高场磁体的要求。近年来，在铌钛复合线工艺完善的基础上，多芯Nb₃Sn复合线工艺取得了进展。过去通常采用青铜法制备多芯Nb₃Sn复合线，由于采用锡青铜作基体，加工硬化率高，加工过程中要经过频繁的中间热处理，而且青铜中Sn含量受到限制，重量百分比小于14%，从而影响Nb₃Sn的生长速率和超导性能。另一种表面镀Sn的外扩散法，Sn含量难以控制均匀。用这二种方法制得的复合线最终基体都是青铜，不利于磁热稳定。

1976年Koike等（Appl Phys Lett，29，384，1974）提出用铌管富锡法制备多芯Nb₃Sn超导复合线。它采用铌管中放置易冷加工的富Sn的Sn-Cu合金，Nb管外再包复OFHC Cu（高导电无氧铜）管，经过适当组合和热处理，制得在Nb管内壁形成连续Nb₃Sn层的多芯复合线。附图1说明了该方法的工艺流程。与青铜法相比，Nb管富Sn法的主要优点有：

1.工艺简单，无需任何中间热处理即可冷拉到最终尺寸。

2.Nb管可起到Sn扩散阻挡层的作用，Nb管外的OFHC    Cu不致被Sn沾污，使复合线具有良好的磁热稳定性，这对超导磁体的稳定工作是至关重要的。

3.有优异的超导临界特性。

4.可较方便地在富Sn合金中添加第三元素，例如Mg或Ti，进一步提高了材料的超导临界特性。

但Nb管富Sn法也有其缺点，主要是

1.使用Nb管，成本高。

2.由于富Sn合金放置在Nb管中，与Nb管的体积之比较小，因此在富Sn合金中添加第三元素的数量受到限制。

3.Nb管外的OFHC    Cu与Nb管芯的体积之比较大，约比青铜法的Cu与Nb芯加青铜的体积之比大三倍。由于OFHC    Cu的机械强度较差，因而与同样线规的青铜法复合线比，Nb管富Sn法制得的复合线的抗应力-应变能力较差。

本发明的目的是为了克服上述Nb管富Sn法的缺点，降低Nb₃Sn多芯复合线的生产成本，提高复合线的超导临界特性及其机械性能。

本发明对Nb管富Sn法作了以下三方面的改进：

1.使用二次或三次电子束轰击熔炼的纯Nb锭中心打孔制作单芯Cu/Nb复合挤压管代替Nb管以降低生产成本。

2.第三元素，如Mg或Ti，不仅可加入到富Sn合金中，而且可加入到Cu/Nb复合挤压管的内铜层中，使Mg或Ti的含量增高以提高材料的超导临界特性。

3.用多芯Cu/Nb复合管或Cu-（5-30）Vol%Nb（Vol%为体积百分比）合金管来代替Nb管富Sn法的Nb管内铜套层以改进材料的机械性能。

使用本发明所作的改进制造Nb₃Sn高场超导线材达到了降低生产成本，改进超导临界特性和机械性能的目的。由于采用价格低的二次或三次电子束轰击熔炼的高纯Nb锭（如三次轰击的纯Nb锭包括打孔损耗后，价格为600元/公斤）而不用价格高的Nb管（1850-2500元/公斤）使生产成本降低约30-50%。由于把Mg或Ti添加到挤压筒内铜套层或同时添加到内铜套层和富Sn合金中，使Mg或Ti的名义平均含量提高，从而既改善了线材性能的均匀性，也提高了超导临界特性。例如把Ti加入内Cu套层使Nb管芯内成份均匀化后，Ti的名义平均含量为0.76重量百分比，线材的超导临界磁场Hc₂（o）达到29T。而Ti加到富Sn合金中的名义平均含量仅为0.4重量百分比，Hc₂（o）只有26T。最后，用Cu/Nb复合管或Cu-（5-30）Vol%Nb合金管后，使Nb₃Sn的机械性能也得到了显著改进。例如用Cu-20Vol%Nb合金管代替Nb管内套Cu层可使单芯复合线的屈服强度σ_0.2提高30-40%。