具有PIT元件的用于含Nb3Sn超导线材的半成品线材和半成品线材的制造方法技术

本发明专利技术涉及一种用于含有Nb3Sn的超导线材的半成品线材(1)，包括：铜稳定套管(2)；稳定套管(2)内部的环形闭合的扩散阻挡层(3)；扩散阻挡层(3)内部的多个PIT元件(6)，这些PIT元件分别包括：含铜包套(8)、小管(9)和含锡的粉末芯部(10)；其特征在于，小管(9)由铌或含铌的合金构成，使得扩散阻挡层(3)在半成品线材(1)横截面中具有面积比例ADF且3％≤ADF≤9％，并且还具有壁厚WDF且8μm≤WDF≤25μm，此外还将多个填充元件(5)布置在扩散阻挡层(3)内部，所述填充元件在内侧贴靠在PIT元件(6)上.本发明专利技术提供一种用于含Nb3Sn超导线材的半成品线材以及生产这种半成品线材的方法，可用来实现特别高的载流能力，同时可以保证铜稳定体的高导电性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于含Nb3Sn的超导线材的半成品线材，包括：-铜稳定套管，-铜稳定套管内部的环形闭合的扩散阻挡层，-扩散阻挡层内部的多个PIT元件，各自包括含铜的包套，小管，以及含锡的粉末芯部。本专利技术还涉及一种用于制造这种半成品线材的方法。
技术介绍
这样的半成品线材及其制造方法在EP 1 983 583 B1中公开。Nb3Sn超导线材用于实际上没有损耗地传导大电流，尤其是在用于产生强磁场的超导电磁线圈中使用。Nb3Sn与其它金属超导材料(如NbTi)相比能够实现较高的电流密度，并且可以在较高的磁场中使用，但却是一种比较脆的材料，这种材料无法(或者只能以极小的程度)塑性变形；Nb3Sn尤其是不能承受拉拔。因此通常这样来制造Nb3Sn超导线材，即首先制造能较好地塑性变形的并含有形成Nb3Sn所需化学元素的半成品线材，并且使其具有对于希望的应用期望的形状，例如将其卷绕成为螺旋线圈。然后进行反应退火，在此期间形成脆性的超导A15相。在实践中多数通过“青铜法”制造Nb3Sn超导线材，其中，在半成品线材中将铌棒设置在由CuSn合金(“青铜”)构成的基体中；这种半成品线材能良好地变形和拉拔。在“内锡”(Internal Tin)法中，在半成品线材中，通常在铜基体中设置铌棒和锡块，；这里可以提供大量的锡，并且可在成品线材中实现相应大的Nb3Sn面积比例，但是与铜相比很软的锡尤其是在拉拔时使得半成品线材的处理变得困难。在“粉末套管”法(Powder in Tube，PIT)中，通常将含锡粉末设置在铌小管中；这里也可以提供大量的锡并且可实现高载流能力。由EP 1 983 583 B1已知，这样来制造用于Nb3Sn超导线材的半成品线材，即，将在外套中设置一束六边形的PIT元件。外套包括由Cu制成的外套管、由Ta制成的中间套管和由Cu制成的内套管；通过静液压挤压制造外套，在挤压之后钻孔成芯。PIT元件分别包括铜包套和粉末冶金的芯部。通过拉拔和中间退火使包含PIT元件的外套变形，最后进行反应退火。中间套管具有比例为10～25％全部多丝线并用于机械强化，从而提高了屈服点。因此成品Nb3Sn超导线材能够更好承受电磁系统中出现的洛伦兹力，并且由此能够实现更高的载流能力。EP 1 983 582 A2记载了一种类似的半成品芯材，其中六边形的PIT元件由分别具有铜包套钽芯部的六角形的强化丝线包围。PIT元件和强化丝线设置在铜外套中。强化丝线也用于机械强化。超导线材除了超导丝线之外还包含一种良好导电的、通常由高纯度铜制成的常导相。能良好导电的常导相提供了与超导丝线并联的电流路径，可在超导体转变为常导状态的情况下承担之前在超导丝线中流动的电流。由此防止超导线材被破坏。由DE 10 2012 218 222 A1已知一种基于“内锡”法的用于Nb3Sn超导线材的半成品线材。将多个含铌的六边形元件、含锡的中央结构和铜基体设置在铜套管中，所述铜套管具有内侧的由钽和/或铌组成的扩散阻挡层。扩散阻挡层可防止锡扩散到铜套管中并由此引起铜稳定结构体的电特性变差。由EP 2 713 413 A2也已知一种类似的Nb3Sn超导线材。由DE 10 2004 035 852 B4已知一种基于“粉末套管法”用于具有Nb3Sn的超导导体元件的丝线前驱结构，其中将多个丝线布置在铜基体之中。每个丝线均具有一个用锡或者锡合金粉末填充的含铌的管。每个管都用钽包套包围，以防止锡扩散到铜基体之中。由EP 1 705 721 B1也已知基于“粉未套管法”具有钽阻挡层的单芯导体。US 4,411,712建议，用铜锡合金包套铌棒，并且将其成束设置在由高纯度的铜制成的管中。所述管可以具有由防止锡扩散的材料(例如钽)组成的层，以保持高纯度铜的高导电性。WO 2006/011170 A1还已知一种用于MgB2超导线材的围绕导电芯部的环形扩散阻挡层，所述芯部由MgB2丝线包围。
技术实现思路
本专利技术的任务在于，提供一种用于含Nb3Sn的超导线材的半成品线材以及一种用于制造这种半成品线材的方法，可用来实现特别高的载流能力，同时可以保证铜稳定体的高导电性。所述目的通过开头所述类型的半成品线材来实现，所述半成品线材的特征在于，小管由铌或含铌的合金构成，扩散阻挡层在半成品线材横截面中具有面积比例ADF，其中3％≤ADF≤9％，扩散阻挡层还具有壁厚WDF，其中8μm≤WDF≤25μm，此外还在扩散阻挡层内部设置多个填充元件，所述填充元件在内侧贴靠在PIT元件上。所述目的还可以通过用于制造根据本专利技术的半成品线材的方法来实现，所述方法包括以下步骤：a) 通过挤压、尤其是通过静液压挤压制作外套，所述外套包括铜稳定套管前驱体、铜稳定套管前驱体内部的扩散阻挡层前驱体以及扩散阻挡层前驱体内部的内部元件前驱体，用于内部元件前驱体的材料选择成，使得直接在即将通过挤压发生塑性变形之前用于内部元件前驱体的材料的平均粒度MKI最多为用于扩散阻挡层前驱体的材料的平均粒度MKD的3倍。b) 在外套的长度上将内部元件前驱体的至少一部分从外套中去除，c) 将多个PIT元件前驱体与多个填充元件前驱体一起设置在扩散阻挡层前驱体的内部，所述填充元件前驱体贴靠在剩余的外套的内侧上和PIT元件前驱体上，d) 对这样获得的半成品线材前驱体进行减小横截面的成形，由此获得半成品线材。在本专利技术的范围内设定，在“粉末套管法”半成品线材中，针对锡设置扩散阻挡层，在扩散阻挡层内部设置多个(通常是50个或更多，多数情况下是100个或更多)PIT元件。扩散阻挡层可在反应退火过程中阻止锡从半成品线材的内部、尤其是从PIT元件扩散到铜稳定套管之中。由此可避免对(由高纯度铜构成的)铜稳定套管的污染，从而能够在铜稳定套管中可靠地实现高的剩余电阻比RRR。在本专利技术的范围内，将用于保护铜稳定套管的扩散阻挡层的面积比例减小到最低程度，从而能够将更大的面积比例提供给完成的超导体，并且因此而提高了载流能力。根据本专利技术，将环形闭合的扩散阻挡层用于多个PIT元件，这一方面简化了半成品线材的制造，另一方面还能保持铜稳定体保护的面积需求较小。此外，半成品线材中环绕的扩散阻挡层的面积比例总体上选择得小于目前为止例如“粉末套管”法的半成品线材中的钽中间管的情况。在“粉末套管”法的范围内，使用面积比例为10～25％的钽中间管用于机械稳定，参见EP 1 983 583 B1。在本专利技术的范围内认识到，由在反应退火过程中锡不能通过扩散渗透的材料、如钽或铌构成的中间管(“扩散阻挡层”)在半成品线材中占据9％或更少、优选8％或更少并且尤其优选7％或更少的面积比例，对于在“粉末套管”法中起作为扩散阻挡层的功能就足够了。在本专利技术的范围，相应地在(已经拉拔的)半成品线材中使用壁厚为25μm或更少、优选为22μm或更少、尤其优选20μm或更少的扩散阻挡层。为了能够实现扩散阻挡层的这种小壁厚并且同时能够保证扩散阻挡层在其周边任意位置都不存在不密封性(开口)，根据本专利技术使PIT元件贴靠在填充元件上，填充元件又贴靠在半成品线材(已成形的)外套的内侧上；PIT元件通常不是直接贴靠在(已成形的)外套的内侧上。由此，在对尚未变形的半成品线材(“前驱半成品线材”)进行减小横截面的成形之前，可以利用填充元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于含Nb3Sn的超导线材的半成品线材(1)，包括：‑铜稳定套管(2)，‑铜稳定套管(2)内部的环形闭合的扩散阻挡层(3)，‑扩散阻挡层(3)内部的多个PIT元件(6)，这些PIT元件分别包括：含铜包套(8)，小管(9)，以及含锡的粉末芯部(10)，其特征在于，小管(9)由铌或含铌的合金构成，扩散阻挡层(3)在半成品线材(1)的横截面中具有面积比例ADF，其中3％≤ADF≤9％，扩散阻挡层还具有壁厚WDF，其中8μm≤WDF≤25μm，并且在扩散阻挡层(3)的内部还设置多个填充元件(5)，所述填充元件在内侧贴靠在PIT元件(6)上.

【技术特征摘要】
2015.02.24 DE 102015203305.81.用于含Nb3Sn的超导线材的半成品线材(1)，包括：-铜稳定套管(2)，-铜稳定套管(2)内部的环形闭合的扩散阻挡层(3)，-扩散阻挡层(3)内部的多个PIT元件(6)，这些PIT元件分别包括：含铜包套(8)，小管(9)，以及含锡的粉末芯部(10)，其特征在于，小管(9)由铌或含铌的合金构成，扩散阻挡层(3)在半成品线材(1)的横截面中具有面积比例ADF，其中3％≤ADF≤9％，扩散阻挡层还具有壁厚WDF，其中8μm≤WDF≤25μm，并且在扩散阻挡层(3)的内部还设置多个填充元件(5)，所述填充元件在内侧贴靠在PIT元件(6)上.2.根据权利要求1所述的半成品线材(1)，其特征在于，填充元件(5)在外侧直接贴靠在扩散阻挡层(3)上.3.根据上述权利要求中任一项所述的半成品线材(1)，其特征在于，中央的填充元件(7)在外侧邻接于PIT元件(6).4.根据上述权利要求中任一项所述的半成品线材(1)，其特征在于，填充元件(5)是含铜的.5.根据上述权利要求中任一项所述的半成品线材(1)，其特征在于，PIT元件(6)具有六边形的横截面.6.根据上述权利要求中任一项所述的半成品线材(1)，其特征在于，PIT元件(6)中的由铌或含铌的合金构成的小管(9)具有圆形的横截面.7.根据上述权利要求中任一项所述的半成品线材(1)，其特征在于，扩散阻挡层(3)的面积比例ADF为4％≤ADF≤8％。8.根据上述权利要求中任一项所述的半成品线材(1)，其特征在于，铜稳定套管(2)在半成品线材(1)横截面中具有面积比例ASH，其中12％≤ASH≤30％，优选18％≤ASH≤30％，特别优选22％≤ASH≤27％.9.根据上述权利要求中任一项所述的半成品线材(1)，其特征在于，对于扩散阻挡层(3)的壁厚WDF有10μm≤WDF≤22μm.10.根据上述权利要求中任一项所述的半成品线材(1)，其特征在于，铜稳定套管(2)具有外径DSH，其中0.5mm≤DSH≤1.2mm，优选0.6mm≤DSH≤0.9mm.11.根据上述权利要求中任一项所述的半成品线材(1)，其特征在于，由铌或含铌的合金构成的小管(9)具有直径其中优选12.根据上述权利要求中任一项所述的半成品线材(1)，其特征在于，含锡的粉末芯部(10)中的总锡含量GSn为至少按质量80％，特别是按质量85％≤GSn≤90％.13.根据上述权利要求中任一项所述的半成品线材(1)，其特征在于，扩散阻挡层(3)含有按质量至少50％的铌或者按质量至少50％的钽。14.用于含有Nb3Sn的超导电缆的半成品电缆(40)，包括多个扭绞的根据权利要求1至13中任一项所述的半成品线材(1)，所述半成品电缆(40)尤其是设计成扁平电缆.15.含Nb3Sn的超导线材或含Nb3Sn的超导...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·托内，B·赛勒，
申请(专利权)人：布鲁克EAS有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE