通过熔融冶金程序制备金属间化合物Nb3Sn的方法技术

本发明专利技术涉及通过熔融冶金程序制备金属间化合物Nb3Sn的方法。该方法包括以下步骤：挤压Nb颗粒和Sn颗粒以形成起始电极，由此将挤压的起始电极在真空中在电弧中复熔，由此得到第一模制体。或者，该方法包括以下步骤：将Nb起始电极在真空中在电弧中复熔，其中将Sn颗粒引入在复熔期间形成的熔融Nb中，由此得到第一模制体。适当地选择Nb与Sn的摩尔比使得所得第一模制体包含至少50重量作为A15相的金属间化合物Nb3Sn以及如果合适的话游离Nb和/或Sn和不可避免的杂质。

Preparation of Intermetallic Compound Nb3Sn by Melting Metallurgical Procedure

The present invention relates to a method for preparing intermetallic compound Nb3Sn through a melt metallurgical process. The method comprises the following steps: extruding Nb and Sn particles to form an initial electrode, thereby remelting the extruded initial electrode in vacuum in an arc, thereby obtaining a first die. Alternatively, the method includes the following steps: the Nb starting electrode is remelted in an arc in vacuum, in which Sn particles are introduced into the molten Nb formed during remelting to obtain the first mold. The molar ratio of Nb to Sn is properly chosen so that the first module contains at least 50 weight intermetallic compounds Nb3Sn as A15 phase, free Nb and/or Sn and unavoidable impurities if appropriate.

【技术实现步骤摘要】
通过熔融冶金程序制备金属间化合物Nb3Sn的方法本专利技术涉及通过熔融冶金程序制备金属间化合物Nb3Sn的方法。本专利技术还涉及可通过所述方法制备的金属间化合物。Nb3Sn为来自铌-锡化合物组的金属间化合物。除Nb3Sn外，最熟知的相为Nb6Sn5和NbSn2。Nb3Sn以所谓的A15相结晶，并且已知是具有18.3K的转变温度的II类超导体。由于该转变温度，Nb3Sn具有明显比铌-钛更好的电性能，但也是极脆的材料，不能直接加工成用于超导线圈的丝(wire)。因此，延展性前体是化合物在超导丝和电缆(cable)中实际使用的基础。此处提到的实例是青铜方法，其基于由青铜制成的圆柱形模制体。青铜遍及钻孔，向所述孔中插入由特别掺杂的铌制成的棒。青铜棒的外表面被薄钽涂层覆盖并且以铜基体为夹套以改进拉引性能。由该棒拉出的丝然后可以以任何形状盘卷，但不是超导的。它仅在加热至约700℃的温度时获得该属性。在该过程期间，来自青铜的锡扩散到铌丝中。当丝中的组成达到Nb3Sn时终止退火。钽屏障防止锡在退火过程期间向铜夹套中扩散。在该处理以后，丝为超导的，但也是非常机械敏感的，当丝甚至轻微弯折时，实际超导的Nb3Sn可能断裂。在生产用于具有高末端能量的粒子加速器的空腔谐振器(cavityresonator)中，还有利的是使用超导材料如Nb3Sn。空腔谐振器在该上下文中是关键的，由此权宜之计是使用计算机控制的添加工艺生产这种组件。为此，在添加工艺中需要大量高纯度超导化合物以产生用于加工的相应颗粒。尤其是，A15相的高纯度Nb3Sn可用于生产空腔谐振器。Nb3Sn可通过使元素在900-1000℃下反应或者在600℃下由NbSn2和铌以及低含量的Cu作为催化剂得到。作为选择，氯化铌(V)和氯化锡(II)可在1000℃以下的温度下转化以制备Nb3Sn，由此作为副产物得到气体氯化氢。EP0109233公开了制备Nb3Sn的方法，其中卤化铌用液态锡转化，其中卤化铌在其离解温度之下使用并且产物(Nb3Sn)作为反应混合物中的沉淀物沉降。上述方法的缺点通常是Nb3Sn，即作为A15相的铌-锡的产生难以控制。通常，超过微不足道的量的其它铌-锡相作为副产物得到，并且随后难以与主要相分离。由于转化通常不是完全的，需要使用大过量的Sn，其又与随后提纯中的困难有关。因此，本专利技术的目的是至少部分地客服现有技术的缺点。本专利技术的另一目的是提供能够以高纯度和大量，特别是kg规模制备金属间化合物Nb3Sn的方法。本专利技术的另一目的是提供制备金属间化合物Nb3Sn的方法，通过所述方法可通过加入的Nb和Sn的量控制Nb3Sn的收率，并且其中与使用过量Nb或Sn有关的副产物基本是作为伴随产物的纯Nb或纯Sn。本专利技术的另一目的是提供制备金属间化合物Nb3Sn的方法，其基本产生A15相的Nb3Sn作为产物，其中产生仅微不足道或者非干扰量的其它铌-锡相。对解决至少一个上述目的的贡献由独立权利要求提供。从属权利要求为本专利技术的优选实施方案，其也贡献于解决至少一个上述目的。在本专利技术方法的上下文中描述的特征和细节也应当适用于本专利技术铌-锡化合物的上下文中，反之亦然。对解决至少一个上述目的的贡献由通过熔融冶金程序制备金属间化合物Nb3Sn的方法提供，其中所述方法包括以下步骤：i.挤压Nb颗粒和Sn颗粒以形成起始电极(startelectrode)，由此将挤压的起始电极在真空中在电弧中复熔(remelt)，由此得到第一模制体，或者ii.将Nb起始电极在真空中在电弧中复熔，其中将Sn颗粒引入在复熔期间的方法中形成的熔融Nb中，由此得到第一模制体，其中适当地选择Nb与Sn的摩尔比使得所得第一模制体包含至少50重量％作为A15相的金属间化合物Nb3Sn以及如果合适的话游离Nb和/或Sn和不可避免的杂质。优选地，加入的Sn和Nb的重量含量合计达100重量％，意指在本专利技术方法中没有加入其它金属或金属元素。根据本专利技术方法的第一备选方案，将Nb颗粒和Sn颗粒以预定的化学计量比挤压以形成起始电极。使用真空-电弧复熔程序(真空电弧熔融——VAR)将挤压的起始电极复熔，由此得到第一模制体。根据本专利技术方法的第二备选方案，使用真空-电弧复熔程序将纯铌起始电极复熔。在复熔期间，将指定量的锡加入形成的熔融Nb中，由此得到第一模制体。熔融圆柱形Nb栓(stud)或者由Nb片挤压的电极可用作Nb起始电极。在两个备选方案中，适当地选择Nb与Sn的摩尔比(或者反之亦然)使得所得模制体包含至少50重量％作为A15相的金属间化合物Nb3Sn。优选地，适当地选择Nb与Sn的摩尔比使得所得模制体包含至少75重量％，更优选至少90重量％，甚至更优选至少95重量％，仍更优选至少99重量％，甚至仍更优选至少99.5重量％作为A15相的金属间化合物Nb3Sn。如果使用过量的Nb或Sn，则本专利技术方法基本产生Nb3Sn作为主要产物以及游离Nb或Sn作为除不可避免的杂质外的伴随产物。不可避免的杂质特别是随原料引入的伴随元素。所述杂质通常以小于0.1重量％的量，优选以小于1000mg/kg的量，更优选以小于100mg/kg的量包含在方法的直接产物中，各自关于方法的直接产物中的杂质总量。其它不可避免的杂质为不是以A15相，即不是作为Nb3Sn存在的铌-锡化合物。尤其是，这些为Nb6Sn5和NbSn2。这些产物或金属间化合物也称为不想要的副产物。优选地，这些化合物各自独立地以小于5重量％的量，更优选以小于1重量％的量，甚至更优选以小于0.1重量％的量包含在方法的产物中。惊讶地发现本专利技术熔融冶金方法不仅可用于以千克规模生产Nb3Sn，而且主要形成A15相的Nb3Sn并且仅低浓度的不理想铌-锡化合物包含在方法的直接产物中。根据本专利技术的一个优选实施方案，本专利技术方法另外包括以下步骤：a.将第一模制体机械破碎以形成颗粒，b.将步骤a.中所得颗粒与Nb颗粒和/或Sn颗粒混合并挤压混合物以形成第二模制体，其中在第二模制体中，步骤a.中所得颗粒的含量为至多80重量％；c.将第二模制体在真空中在电弧中复熔，由此得到第三模制体；其中适当地选择Nb与Sn的摩尔比使得所得第三模制体包含至少70重量％作为A15相的金属间化合物Nb3Sn以及如果合适的话游离Nb和/或Sn和不可避免的杂质。借助这些额外的工艺步骤，方法的优选产物Nb3Sn可以以较高的纯度得到。不理想的铌-锡化合物的量可通过该方法甚至进一步降低。根据该实施方案，将所得第一模制体机械破碎以形成颗粒。将破碎颗粒尽可能均匀地与Nb颗粒和/或Sn颗粒混合并挤压以形成第二模制体。此处使用的来自第一模制体的颗粒的含量应当不多于80重量％。由于Nb3Sn含量如此高，第一模制体的材料是如此脆以致需要20重量％的最小含量的延展性材料以得到机械稳定的第二模制体。随后使用真空-电弧复熔程序将所述第二模制体复熔，由此得到第三模制体。参考最终产物适当地选择Nb与Sn的摩尔比使得所得第三模制体包含至少70重量％作为A15相的金属间化合物Nb3Sn。因此，起始于第一模制体，在第二模制体的生产中加入足量的Nb或Sn使得产生至少70重量％的3铌:1锡化学计量比的Nb3Sn，此外，在产物中得到基本游离Nb或游离Sn。优选地，适当地选择Nb与Sn本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.通过熔融冶金程序制备金属间化合物Nb3Sn的方法，其中方法包括以下步骤：i.挤压Nb颗粒和Sn颗粒以形成起始电极(101)，由此将挤压的起始电极在真空中在电弧中复熔(102)，由此得到第一模制体，或者ii.将Nb起始电极在真空中在电弧中复熔(201)，由此将Sn颗粒引入在复熔期间的方法中形成的熔融Nb中(202)，由此得到第一模制体，其中适当地选择Nb与Sn的摩尔比使得所得第一模制体包含至少50重量作为A15相的金属间化合物Nb3Sn以及如果合适的话游离Nb和/或Sn和不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
2017.11.28 EP 17204083.41.通过熔融冶金程序制备金属间化合物Nb3Sn的方法，其中方法包括以下步骤：i.挤压Nb颗粒和Sn颗粒以形成起始电极(101)，由此将挤压的起始电极在真空中在电弧中复熔(102)，由此得到第一模制体，或者ii.将Nb起始电极在真空中在电弧中复熔(201)，由此将Sn颗粒引入在复熔期间的方法中形成的熔融Nb中(202)，由此得到第一模制体，其中适当地选择Nb与Sn的摩尔比使得所得第一模制体包含至少50重量作为A15相的金属间化合物Nb3Sn以及如果合适的话游离Nb和/或Sn和不可避免的杂质。2.根据权利要求1的方法，其中方法还包括以下工艺步骤：a.将第一模制体机械破碎以形成颗粒(103、203)；b.将步骤a.中所得颗粒与Nb颗粒和/或Sn颗粒混合并挤压混合物以形成第二模制体(104、204)，其中在第二模制体中，步骤a.中所得颗粒的含量为至多80重量％；c.将第二模制体在真空中在电弧中复熔(105、205)，由此得到第三模制体，其中适当地选择Nb与Sn的摩尔比使得所得第三模制体包含至少70重量作为A15相的金属间化合物Nb3Sn以及如果合适的游离Nb和/或Sn和不可避免的杂质。3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于根据步骤ii.，将颗粒依次引入形成的熔融Nb材料中。4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于由第一模制体得到的颗粒包含第二模制体横截面积的至多四分之一的平均横截面积。5.根据前述...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·斯帕尼奥尔，S·奇拉克，M·维珍，M·舒尔塞斯，
申请(专利权)人：贺利氏德国有限两合公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE