金属超导线的扩散屏障制造技术

在各种实施例中，超导线包含由Ta合金组成的扩散屏障，其抵抗内部扩散并为导线提供优越的机械强度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属超导线的扩散屏障相关申请本申请要求2016年9月6日提交的美国临时专利申请No.62/383,676的权益和优先权，其全部公开内容通过引用包含于此。
在各种实施例中，本专利技术涉及包含用于防止低导电相的扩散屏障的超导线的形成和加工。
技术介绍
超导材料在冷却到低于其特征临界温度时显示为没有电阻。虽然已经识别了临界温度高于氮气的77K沸点的高温超导体材料，但这些材料通常是特异的(例如钙钛矿陶瓷)，难以加工，并且不适合强场应用。因此，对于需要导线和导线圈及其束的实际超导应用，最常使用金属超导体Nb-Ti和Nb3Sn。虽然这些材料的临界温度低于77K，但是加工这些材料(例如，拉成导线)的相对容易性以及它们在高电流和高磁场下工作的能力已经导致它们的广泛使用。典型的金属超导线具有嵌入铜(Cu)导电基体内的超导相的多股(或“丝”)。尽管Nb-Ti具有足以直接拉伸成细导线的延展性，但其适用性通常限于以具有低于约8特斯拉的强度的磁场为特征的应用。Nb3Sn是脆性金属间相，不能承受拉丝变形，因此通常在拉丝后经由扩散热处理形成。Nb3Sn超导材料通常可用于以具有高达至少20特斯拉的强度的磁场为特征的应用中。因此，已经利用几种不同的技术来制造基于Nb3Sn的超导线。例如，在“青铜工艺”中，大型复合材料由Nb杆和围绕Nb杆的Cu-Sn合金杆(包括例如13-15％Sn)制成。由于这些材料是可延展的，因此可以将复合材料拉伸至合适的直径，然后将拉伸的复合材料退火。热处理导致在Nb和Cu-Sn之间的界面处相互扩散和Nb3Sn相的形成。用于形成基于Nb3Sn的超导线的其他工艺类似地涉及在拉丝之后脆性Nb3Sn相的形成。例如，纯Sn或具有Cu或Mg的Sn合金可以合并在初始复合材料的内部中并在拉伸后退火。可替换地，Nb丝可以嵌入Cu基体中并拉伸成导线。随后可以用Sn涂覆所得到的导线。加热涂覆的导线，形成Sn-Cu相，其最终与Nb丝反应形成Nb3Sn相。虽然上面详述的技术已经导致成功制造用于许多不同应用的金属超导线，但是所得到的导线通常表现出不足的电性能。典型的超导线包含许多上述Nb3Sn或Nb-Ti丝，它们嵌入Cu稳定器中，设置在Cu稳定器周围和/或被Cu稳定器围绕，Cu稳定器为导线提供足够的延展性，以便在工业系统中进行处理和结合。虽然这种Cu稳定器本身不是超导的，但是Cu的高导电性可以使导线具有令人满意的整体电性能。遗憾的是，来自超导丝的各种元素(例如，Sn)可能与Cu稳定器的部分反应，形成低导电性相，其负面地影响整个导线的整体导电性。虽然已经利用扩散屏障来保护Cu稳定器免受超导丝的影响，但是这些屏障往往具有不均匀的横截面积，并且甚至可能由于在扩散屏障和Cu稳定器的共处理期间的不均匀变形而局部破裂。尽管可以简单地使这种扩散屏障更厚，但是由于扩散屏障材料本身的导电性较低，这种解决方案会影响导线的整体导电性。例如，对于前沿和未来的应用，例如新的粒子加速器和对撞机，磁铁被设计为超出了现有的导线能力；这种导线在15特斯拉时需要的非铜临界电流密度大于2000A/mm2。由于扩散屏障是非铜部分的一部分，因此最小化任何屏障材料的体积是重要的，同时任何强度益处都是有利的。鉴于上述情况，需要金属超导线的改进的扩散屏障，其基本上防止涉及Cu稳定器的有害反应，同时保持均匀地薄，以便不占据导线的总横截面积的显著部分。
技术实现思路
根据本专利技术的各种实施例，超导线和/或其前体(例如，用于形成导线的复合丝)以扩散屏障为特征，该扩散屏障包括钽(Ta)合金，基本上由其组成或由其组成。扩散屏障通常设置在Cu导线基体的至少一部分和超导丝之间，和/或超导丝和合并在超导线内和/或周围的稳定元件之间，该稳定元件用于获得额外的机械强度。根据本专利技术的实施例，单丝可各自包括Cu基(例如，Cu或青铜(Cu-Sn))基体内的Nb基芯，基本上由其组成或由其组成，并且单丝的堆叠组件可以被设置在Cu基基体内并拉伸以形成复合丝。因此，复合丝可各自包括Cu基基体内的多个Nb基单丝，基本上由其组成或由其组成。当复合丝被堆叠以形成最终导线时，根据本专利技术实施例的扩散屏障可以设置在每个复合丝周围，和/或扩散屏障可以设置在复合丝的堆叠周围和在复合丝的堆叠与外部Cu稳定器或基体之间。在各种实施例中，复合丝设置在Cu基基体(例如，Cu基管)内并被拉伸成超导线(或其前体)并进行热处理。一个或多根复合丝本身可在其中包含扩散屏障，和/或扩散屏障可设置在超导线的Cu基基体内和复合丝周围。在各种实施例中，扩散屏障包括Ta-W合金，基本上由其组成或由其组成，该Ta-W合金包括例如0.2％至10％的W或0.2％至5％的W。例如，扩散屏障可包括Ta和约2.5％-3％的W的合金(即Ta-3W)，基本上由其组成或由其组成。在各种实施例中，扩散屏障包括其中具有一种或多种另外的合金元素的Ta-W合金(例如，Ta-3W)，基本上由其组成或由其组成，所述合金元素例如Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re和/或Si。这些合金元素可以单独或共同存在于扩散屏障中，浓度最高为按重量计5％(例如，在0.05％和5％之间，在0.1％和3％之间，在0.2％和2％之间，在0.2％和1％之间，或在0.2％至0.5％之间)。在本专利技术的各种实施例中，由包含一种或多种这些另外的合金元素的Ta-W合金形成的焊缝可具有朝向这种焊缝的中心更等轴的晶粒结构；因此，由这些材料形成的用作扩散屏障的焊接管当在导线制造期间被拉伸成小尺寸时可以表现出优越的机械性能和可加工性。根据本专利技术实施例的Ta合金扩散屏障还可以表现出有利的延展性，这至少部分地由于低氧含量和/或高纯度水平。例如，根据本专利技术实施例的扩散屏障具有小于500ppm、小于200ppm、小于100ppm、或甚至小于50ppm的氧含量。另外或可替换地，根据本专利技术实施例的扩散屏障可具有超过99.9％，或甚至超过99.99％的纯度。有利地，与常规扩散屏障材料相比，根据本专利技术实施例的Ta合金扩散屏障具有精细的晶粒结构(例如，小的平均晶粒尺寸)，并且这使得超导线内的扩散屏障的变形和加工在没有局部变薄的情况下基本上是均匀的，局部变薄会使扩散屏障破裂并损害导线的性能。扩散屏障的小晶粒尺寸(例如，小于20μm，小于10μm，小于5μm，在1和20μm之间，或在5和15μm之间)由合金元素的存在引起，并且因此，根据本专利技术实施例的扩散屏障不需要额外的加工(例如，如锻造，例如三轴锻造，热处理等)来产生精细的晶粒结构。因此，经由使用根据本专利技术的扩散屏障，可以降低整体制造成本和复杂性。根据本专利技术的实施例的扩散屏障的优越的晶粒结构和/或机械特性使得扩散屏障能够提供保护以免受半导体导线内的有害扩散而不占用导线的过量的横截面(即，载流)面积。(相比之下，使用具有较小机械性能和/或较少细化的晶粒结构的各种其他扩散屏障将需要使用较大的屏障，其将有害地影响最终导线的延展性、导电性和/或各种其他性质。)根据本专利技术实施例的导线表现出很少或没有与Cu基体的相互扩散，同时在其临界温度以下保持良好的强场、高电流超导特性。使用Ta合金扩散屏障有利地使得超导线的较小横截面被扩散屏障占据，因此更多的横截面可以被载流超导丝占据。然而，根据本专利技术实施例的扩散屏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有扩散阻力和机械强度的超导线，所述超导线包括：包含Cu的外部导线基体；设置在所述导线基体内的包括含有0.2％‑10％的W的Ta合金的扩散屏障；以及被所述扩散屏障围绕并通过所述扩散屏障与所述外部导线基体分离的多根复合丝，其中：每根复合丝包括(i)多根单丝和(ii)围绕所述多根单丝的包含Cu的包层，每根单丝包括：包含Nb的芯和围绕所述芯的包含Cu的包层，所述扩散屏障占据所述超导线的横截面积的3％‑10％，以及所述扩散屏障延伸穿过所述超导线的轴向尺寸。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.06 US 62/3836761.一种具有扩散阻力和机械强度的超导线，所述超导线包括：包含Cu的外部导线基体；设置在所述导线基体内的包括含有0.2％-10％的W的Ta合金的扩散屏障；以及被所述扩散屏障围绕并通过所述扩散屏障与所述外部导线基体分离的多根复合丝，其中：每根复合丝包括(i)多根单丝和(ii)围绕所述多根单丝的包含Cu的包层，每根单丝包括：包含Nb的芯和围绕所述芯的包含Cu的包层，所述扩散屏障占据所述超导线的横截面积的3％-10％，以及所述扩散屏障延伸穿过所述超导线的轴向尺寸。2.根据权利要求1所述的导线，其中每根单丝的芯包含与Ti、Zr、Hf、Ta、Y或La中的至少一种合金化的Nb。3.根据权利要求1所述的导线，其中每根单丝的芯包括Nb3Sn。4.根据权利要求1所述的导线，其中所述扩散屏障包括Ta-3W。5.根据权利要求1所述的导线，其中所述扩散屏障另外包含选自由Ru、Pt、Pd、Rh、Os、Ir、Mo、Re或Si组成的集合的一种或多种合金元素。6.根据权利要求1所述的导线，其中每根复合丝具有六边形横截面形状。7.根据权利要求1所述的导线，其中每根单丝具有六边形横截面形状。8.根据权利要求1所述的导线，还包括稳定元件，所述稳定元件设置在所述多根复合丝内并被所述扩散屏障围绕，所述稳定元件包括含有0.2％-10％的W的Ta合金。9.根据权利要求1所述的导线，其中所述超导线的屈服强度为至少100MPa。10.一种具有扩散阻力和机械强度的超导线，所述超导线包括：包含Cu的导线基体；以及嵌入所述导线基体内的多根复合丝，其中：每根复合丝包括：(i)多根单丝，(ii)扩散屏障，其包含含有0.2％-10％的W的Ta合金并延伸穿过所述复合丝的轴向尺寸并围绕所述多根单丝，以及(iii)围绕所述扩散屏障的包含Cu的包层，所述扩散屏障将所述包层与所述多根单丝分离，所述扩散屏障共同占据所述超导线的横截面积的3％-10％，以及每根单丝包括包含Nb的芯和围绕所述芯的包含Cu的包层。11.根据权利要求10所述的导线，...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·B·斯马瑟斯，P·艾蒙，
申请(专利权)人：HC施塔克公司，
类型：发明
国别省市：美国,US