Al超導線材前驅體的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于超導材料制備技術領域，具體涉及一種Nb3Al超導線材前驅體的制備方法。
【背景技術】
[0002]全超導可控磁約束熱核聚變能(托卡馬克)發電技術是人類未來可持續發展的戰略性新能源技術之一。正是由于可控核聚變能的資源充裕和環境友好等優點，其被公認為最可能解決未來全球能源危機、推動人類社會可持續發展行之有效的理想能源。目前，由多國參加的國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)的啟動對于推動可控聚變能基礎科學發展和工程技術進步具有重要意義，2006年11月我國正式加入ITER計劃。2010年，我國制訂的戰略規劃已明確將“超導磁約束核聚變技術”列為國家中長期重點支持的發展方向。
[0003]大型超導磁體是全超導可控磁約束聚變堆的關鍵，其主要功能是將超高溫(6000?10000萬1:)等離子體約束在磁容器中，實現可控的核聚變反應。在ITER設計中，高場磁體(TF和CS)需要產生非常高的磁場(11.8T)，同時承受巨大的洛侖茲力，目前該磁體采用Nb3Sn超導材料繞制。然而，未來示范堆和商用堆運行參數(磁場> 15T、電流>100kA，承載> 150噸/米、功率> 2GW)遠高于目前ITER設計參數，大的洛侖茲力產生的應力/應變導致Nb3Sn超導材料性能衰減問題變得尤為嚴重，難于滿足高場超導線圈應力/應變容限要求。因此，尋求具有更為優良綜合性能的高場磁體用超導材料是未來可控磁約束聚變示范堆和商業化過程中必須解決的問題。與Nb3Sn相比，Nb3Al超導材料具有更高的臨界磁場和更優良的應變容許特性，是未來磁約束聚變堆，尤其是示范堆階段高場磁體的理想選擇。
[0004]目前，Nb3Al前驅體導線的制備方法主要有兩種:套管法和卷繞法。兩者的主要區別是:前者是將A1棒插入到Nb管中，然后通過拉拔制成單芯棒；而后者是將A1箔和Nb箔以Nb棒為中心進行卷繞，然后通過拉拔制作成單芯棒。由于Nb3Al超導線材熱處理過程中要求Nb-Al擴散間距小于1微米，而且Nb3Al前驅體導線在加工過程中無法對Nb進行去應力退火，因此，相對于套管法，卷繞法前驅體導線的塑性變形加工量更小，更容易于加工。但是，在目前的卷繞法Nb3Al前驅體導線中，通常以Nb作為基體。由于Nb金屬也是低溫超導體，超導轉變溫度達9.2K，而Nb3Al超導線材的使用溫度在液氦溫度4.2K，這種情況造成了Nb基Nb3Al超導線材在使用過程中存在顯著的超導性能芯絲耦合和磁通跳躍等現象，從而導線Nb3Al超導線材的交流損耗值過大。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種Nb3Al超導線材前驅體的制備方法，解決了現有超導線材制備時存在的芯絲耦合、磁通跳躍的問題。
[0006]本發明的具體技術方案是，一種Nb3Al超導線材前驅體的制備方法，具體包括以下步驟:
[0007]步驟1，用Nb棒、含有Ta的箔材和Cu管制備單芯復合棒；
[0008]步驟2，將制得單芯復合棒通過乳制工序乳制成正六邊形的六方棒；
[0009]步驟3，將若干根制得的六方棒裝入Cu包套管內并密封，形成復合坯錠；
[0010]步驟4，將制得的復合坯錠通過熱擠出加工工序制得Cu包套的復合棒材；
[0011]步驟5，將制得的復合棒材通過多道次拉拔加工工序，制得Nb3Al超導線材前驅體導線。
[0012]本發明的特點還在于，
[0013]步驟1的具體實施方法為，以Nb棒為中心，將厚度比為3:1的Nb箔和A1箔對Nb棒進行卷繞，然后再卷1?3層含有Ta的箔材，作為阻隔層；將卷繞后的Nb棒裝入Cu管內，以每分鐘1?10m的速率進行拉拔加工，制得Nb/Al/Ta/Cu單芯復合棒。
[0014]步驟2的具體實施方法為，將經步驟1制得的Nb/Al/Ta/Cu單芯復合棒乳制成對邊距為1?10mm、長度200?300mm的正六邊形棒材，然后將表面Cu腐蝕去掉，制得六方棒。
[0015]步驟3的具體實施方法為，將至少兩根經步驟2制得的六方棒裝入Cu包套管內，并采用焊接的方式將Cu包套管密封，制得復合坯錠。
[0016]步驟4的具體實施方法為，將經步驟3制得的復合錠體在4000?6000kN的壓力下進行等靜壓加工，然后預加熱到100?300°C，并在4000?6000kN的推力作用下，以每分鐘0.5?1.5m的速率進行熱擠出加工，制得Cu包套的復合棒材。
[0017]步驟5的具體實施方法為，將經步驟4制得的復合棒材以每道次10%?20%變形率和每分鐘1?10m的速率進行多道次的拉拔加工，制得Nb3Al超導線材前驅體。
[0018]含有Ta的箔材為純Ta箔或Ta_Cu_Ta復合箔材。
[0019]單芯復合棒為Nb/Al/Ta/Cu單芯復合棒或Nb/Al/Ta_Cu_Ta單芯復合棒。
[0020]六方棒為Nb-Al/Ta 或 Nb-Al/Ta-Cu-Ta 六方棒。
[0021]超導線材前驅體導線的直徑為0.5?1.5mm。
[0022]本發明的有益效果是:一種Nb3Al超導線材前驅體的制備方法，通過采用Ta箔或Ta-Cu-Ta復合箔材阻隔層卷繞在Nb_Al箔復合體外面，再裝入銅管內進行后續加工，制備的Nb3Al超導線材前驅體導線在不影響超導轉變溫度、臨界電流密度和上臨界磁場等超導性能的前提下，有效抑制超導性能芯絲間耦合，顯著降低了最終超導線材的交流損耗值。
【具體實施方式】
[0023]下面結合【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0024]本發明一種Nb3Al超導線材前驅體的制備方法，具體包括以下步驟:
[0025]步驟1，用Nb棒、純Ta箔或Ta_Cu_Ta復合箔材和Cu管制備單芯復合棒:以Nb棒為中心，將厚度比為3:1的Nb箔和A1箔對Nb棒進行卷繞，然后再卷1?3層含有Ta的箔材，作為阻隔層；將卷繞后的Nb棒裝入Cu管內，以每分鐘1?10m的速率進行拉拔加工，制得Nb/Al/Ta/Cu單芯復合棒或Nb/Al/Ta_Cu_Ta單芯復合棒；
[0026]步驟2，將制得單芯復合棒通過乳制工序乳制成正六邊形的六方棒:將經步驟1制得的單芯復合棒乳制成對邊距為1?10mm、長度200?300mm的正六邊形棒材，然后將表面Cu腐蝕去掉，制得Nb-Al/Ta六方棒或Nb-Al/Ta-Cu-Ta六方棒；
[0027]步驟3，將若干根制得的六方棒裝入Cu包套管內并密封，形成復合坯錠:將至少兩根經步驟2制得的六方棒裝入Cu包套管內，并采用焊接的方式將Cu包套管密封，制得復合還錠；
[0028]步驟4，將制得的復合坯錠通過熱擠出加工工序制得Cu包套的復合棒材:將經步驟3制得的復合錠體在4000?6000kN的壓力下進行等靜壓加工，然后預加熱到100?300°C，并在4000?6000kN的推力作用下，以每分鐘0.5?1.5m的速率進行熱擠出加工，制得Cu包套的復合棒材；
[0029]步驟5，將制得的復合棒材通過多道次拉拔加工工序，制得Nb3Al超導線材前驅體導線:將經步驟4制得的復合棒材以每道次10%?20%變形率和每分鐘1?10m的速率進行多道次的拉拔加工，制得Nb3Al超導線材前驅體導線，其直徑為0.5?1.5mm。
[0030]實施例1
[0031]以直徑8mm，長度300mm的Nb棒為中心，將厚度0.3mm的Nb箔和厚度0.1mm的A1箔進行卷繞，然后再卷1層Ta箔作為阻隔層，卷繞后的直徑為23mm ;將卷繞后的Nb棒裝入內徑為24mm，厚度為6mm的Cu管內，并以每分鐘lm的速率進行拉拔加工，制得直徑為10mm的Nb/Al/Ta/Cu單芯復合棒；將Nb/Al/Ta/Cu單芯復合棒乳制成對邊距為1mm、長度200mm的正六邊形棒材，然后將表面Cu腐蝕去掉，制得Nb-Al/Ta六方棒；將144根長度為300mm的六方棒裝入Cu包套管內(內徑36mm和厚度6mm)，并采用焊接的方式將Cu包套管密封，制得復合坯錠；將復合錠體在4000kN的壓力下進行等靜壓加工，然后預加熱到100°C，并在4000kN的推力作用下，以每分鐘0.5m的速率進行熱擠出加工，制得Cu包套的復合棒材；將復合棒材以每道次10%變形率和每分鐘lm的速率進行多道次