一種高臨界電流密度Nb3Sn超導線材用CuNb復合棒的制備方法與流程

本發明屬于超導材料加工領域，具體涉及一種高臨界電流密度nb3sn超導線材用cunb復合棒的制備方法。

背景技術：

高臨界電流密度nb3sn超導線材是制造大型粒子加速器的重要材料，目前國際上在各個科學工程中批量交付使用的高臨界電流密度nb3sn超導線材的jc在12t，4.2k條件下可以達到2500a/mm²以上，而未來對性能要求甚至在2500a/mm²以上。如何獲得穩定的、高性能的高臨界電流密度nb3sn長線制備技術和批量化生產能力，是制造大型加速器需要解決的重要基礎材料問題之一。

影響nb3sn超導線材臨界電流密度的主要因素是其超導相含量以及晶界釘扎中心的密度，為了提高nb3sn超導線材的載流能力，需要大幅提高線材中的nb、sn含量以獲得高的nb3sn超導相的體積分數。通常可將nb錠裝入cu包套中焊接、擠壓、拉伸得到cunb單芯棒，再通過組裝、焊接、擠壓、拉拔等一系列工序得到高nb含量的cunb復合棒。但是由于nb錠初始晶粒尺寸較大，在后續加工過程中難以均勻破碎，導致超導線材拉伸過程中斷線和斷芯等情況發生，一方面降低了線材加工的成品率，另一方面制約著超導線材載流能力的提高。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種解決了現有方法制得的cunb復合棒中nb含量較低，芯絲尺寸較大，導致組裝困難，長線加工成品率低，從而導致超導線材性能偏低問題的高臨界電流密度nb3sn超導線材用cunb復合棒的制備方法。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

步驟1：首先，取若干根長度相等的nb棒并去除表面油污和雜質，然后在其表面電鍍cu箔層得到cunb單芯棒；

步驟2：將步驟1)的cunb單芯棒按六方排布堆垛裝入無氧銅包套中，中心區域擺放與cunb單芯棒規格相同的無氧銅棒，兩端加上銅蓋用電子束封焊，得到多芯cunb復合包套；

步驟3：將步驟2)得到的多芯cunb復合包套加熱至550℃-650℃，保溫1～4小時后擠壓得到cunb復合棒。

所述步驟1)nb棒為圓形或六方形，圓形nb棒直徑或六方形nb棒對邊長度為1.5～15mm。

所述步驟1)采用酸洗去除表面油污和雜質。

所述步驟1)電鍍cu箔層厚度為0.001～0.2mm，電鍍完后cunb單芯棒的cu/nb小于等于0.1。

所述步驟2)無氧銅包套直徑為φ80-300mm。

所述步驟2)擺放的cunb單芯棒與無氧銅棒的數量比為1：0.8-1.5。

本發明通過在初始晶粒尺寸細小、均勻的nb棒表面電鍍cu層，經過組裝、焊接、擠壓得到cunb復合棒，簡化了cunb單芯棒的制備流程，避免了由于nb錠初始晶粒尺寸粗大，擠壓后組織不均勻，導致超導線材后續加工過程中拉伸斷線、斷芯的問題。同時由于采用表面電鍍方法，更加準確的控制了cunb單芯棒中的cu/nb原子比，可以有效的、精確控制cunb復合棒中的nb含量；同時可以有效減小nb棒尺寸，減小初始包套尺寸；便于提高cunb復合包套中的nb芯絲數，提高導線長線加工率；同時采用直接組裝cunb復合包套，提高了效率，降低了加工過程的質量風險。

附圖說明

圖1是本發明cunb單芯棒截面示意圖，其中圖1a為圓形結構的cunb單芯棒，圖1b為六方形結構的cunb單芯棒；

圖2是本發明六方形結構cunb復合包套的截面示意圖；

圖3是本發明圓形結構cunb復合包套的截面示意圖；

圖4是表面電鍍cu后六方形結構的cunb單芯棒組裝局部放大圖；

圖5是表面電鍍cu后圓形結構cunb單芯棒組裝局部放大圖；

圖6是不同cu/nb比條件下對應nb棒尺寸表面銅箔厚度(r指單芯棒橫截面的cu/nb面積比；

圖7是cunb復合棒截面非銅區域示意圖；

圖8為依照本發明cunb復合棒隨著單芯棒cu/nb比下降nb含量增加的曲線圖。

圖中，1為銅箔層，2為nb棒，3為cunb單芯棒，4為無氧銅棒，5為無氧銅包套。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

實施例1：

步驟1：首先，參見圖1b，取對邊長度為4mm的六方形的nb棒2，然后酸洗去除表面油污和雜質，并在其表面電鍍厚度為0.05mm的cu箔層1得到cu/nb為0.05的cunb單芯棒3；

步驟2：參見圖2，圖4，將步驟1)的cunb單芯棒3按六方排布堆垛裝入直徑φ150mm的無氧銅包套5中，中心區域擺放與cunb單芯棒3規格相同的無氧銅棒4，unb單芯棒3與無氧銅棒4的數量比為1：0.8，兩端加上銅蓋用電子束封焊，得到多芯cunb復合包套；

步驟3：將步驟2)得到的多芯cunb復合包套加熱至580℃，保溫2小時后擠壓得到cunb復合棒。

實施例2：

步驟1：參見圖1b，首先，取直徑為9mm的圓形nb棒2，然后酸洗去除表面油污和雜質，并在其表面電鍍厚度為0.09mm的cu箔層1得到cu/nb等于0.05的cunb單芯棒3；

步驟2：參見圖3，圖5，將步驟1)的cunb單芯棒3按六方排布堆垛裝入直徑φ300mm的無氧銅包套5中，中心區域擺放與cunb單芯棒3規格相同的無氧銅棒4，unb單芯棒3與無氧銅棒4的數量比為1：1.0，兩端加上銅蓋用電子束封焊，得到多芯cunb復合包套；

步驟3：將步驟2)得到的多芯cunb復合包套加熱至650℃，保溫1小時后擠壓得到cunb復合棒。

實施例3：

步驟1：首先，取對邊長度為14mm的六方形的nb棒2，然后酸洗去除表面油污和雜質，并在其表面電鍍厚度為0.14mm的cu箔層1得到cu/nb小于等于0.04的cunb單芯棒3；

步驟2：將步驟1)的cunb單芯棒3按六方排布堆垛裝入直徑φ270mm的無氧銅包套5中，中心區域擺放與cunb單芯棒3規格相同的無氧銅棒4，unb單芯棒3與無氧銅棒4的數量比為1：1.5，兩端加上銅蓋用電子束封焊，得到多芯cunb復合包套；

步驟3：將步驟2)得到的多芯cunb復合包套加熱至550℃，保溫4小時后擠壓得到cunb復合棒。

實施例4：

步驟1：首先，取對邊長度為1.5mm的六方形的nb棒2，然后酸洗去除表面油污和雜質，并在其表面電鍍厚度為0.001mm的cu箔層1得到cu/nb等于0.1的cunb單芯棒3；

步驟2：參見圖圖7，將步驟1)的cunb單芯棒3按六方排布堆垛裝入直徑φ300mm的無氧銅包套5中，中心區域擺放與cunb單芯棒3規格相同的無氧銅棒4，unb單芯棒3與無氧銅棒4的數量比為1：1.2，兩端加上銅蓋用電子束封焊，得到多芯cunb復合包套；

步驟3：將步驟2)得到的多芯cunb復合包套加熱至620℃，保溫3小時后擠壓得到cunb復合棒。

按圖7的排布方式，由圖6可以看出降低單芯棒cu/nb比，復合棒中的nb含量隨著cu/nb比的降低從42％增加到58％，表明通過該種方法，可以有效降低cunb單芯棒中的cu/nb比，由圖8可以看出同時也會提高復合棒中的nb含量。