提高Ｎｂ３Ｓｎ超导线材中的临界密度制造技术

通过控制分布式阻挡层子单元设计中的下列参数在４．２Ｋ温度和１２Ｔ磁场下获得了３０００Ａ／ｍｍ↑［２］的内锡线材临界电流密度：青铜中Ｓｎ的重量百分比；Ｎｂ∶Ｓｎ原子比；可反应的阻挡层；相对于单丝厚度的阻挡层厚度；向Ｎｂ↓［３］Ｓｎ添加诸如Ｔｉ和Ｔａ的掺杂物；重堆垛和线材变细的设计以便控制随后热反应阶段的最大单丝直径。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请主要涉及超导材料和它们的制造方法，更具体涉及在Nb3Sn超导线材中的临界电流密度。
技术介绍
目前，存在两种基本的制造Nb3Sn超导线材的生产路线。最为常用的是所谓的“青铜路线”，这是因为它的特征在于青铜(铜-锡)基体中处理的Nb单丝。青铜路线的线材是目前世界范围内Nb3Sn线材生产主要来源。其普及的原因在于尽管需要中间退火，但生产过程相当直接且能够适于许多大的尺寸。对于需要较高超导临界电流水平的应用，使用所谓“内锡”工艺，(称“内锡”是因为在最后的热处理步骤之前锡与铜是分开的)，因为它能在高磁场下传输数倍于青铜工艺线材的超电流。这是因为内锡工艺允许产生具有更多锡的线材，因此能够在最终线材的横截面上提供更多的Nb3Sn。本专利技术是关于Nb3Sn线材生产的“内锡”工艺的改进。超导线材的一个重要性能量度是临界电流密度，Jc，它定义为线材所能传输的最大电流除以线材的横截面积(或某个限定的面积分数)。用于表示临界电流密度的常用形式是非铜临界电流密度，其中除以的面积是除稳定铜之外的全部面积。通过“内锡”工艺制得的Nb3Sn超导线材(主要是Cu、Nb和Sn和/或它们合金制得的复合物)的Jc强烈依赖于线材横截面上存在的Nb和Sn的分数。通常，线材中Nb和Sn的分数越高，通过线束的热处理可以转变为Nb3Sn超导相的线材分数就越高。因此，通过内锡工艺制成的高Jc的Nb3Sn线束的新式设计包括高的Nb和Sn分数，和低的Cu含量。尽管具有最高理论Jc的线材是仅由Nb和Sn以3∶1的化学计量原子比制成(因为这将最大化横截面上的Nb3Sn含量并最小化非超导Cu的分数)，实际上横截面中需要一定量的Cu。在超导组件(package)或“子单元(subelement)”中的铜具有几种作用，包括1.Cu使线材更容易进行处理，因为铜具有介于较硬的Nb和较软的Sn之间的硬度水平。因此，将Cu置于单丝之间，置于Sn芯和Nb单丝之间，和置于子单元之间以帮助拉拔过程。2.需要少量的Cu以降低Nb和Sn转变为Nb3Sn所需的反应温度。这对于获得导致高Jc的Nb3Sn显微结构是需要的，从设备制造的观点也是需要的。Cu还具有另外的作用，与本专利技术相关的一种作用是3.Nb单丝之间的铜作为Sn扩散的通道，以便允许Sn源分散到所有子单元和所有Nb单丝中。在热处理过程中存在可被线材中所有Nb单丝局部利用的足够的Sn，对于使Nb反应为Nb3Sn，以及获得导致高Jc的Nb3Sn显微结构是重要的。因此设计高电流密度的Nb3Sn线材的问题被简化成，向能够加工和热处理产生可实际利用线束的组件中加入最优比例的Nb、Sn和Cu组分，其中当超电流接近其临界值时所述线束电稳定(即，以便使小的不均匀性不会导致没有上限值的超电流损失，这被称为“失超”(quench))。本专利技术确定了这种线材的设计和生产这种线材的方法。尽管本专利技术的许多单独要素可能是现有技术或在工业中是已知的，但本专利技术是所有能产生高临界电流密度的概念的唯一总结和协同整合。一些过去的设计例如Murase的美国专利No.4,776,899中的“管工艺(tube process)”，在扩散阻挡层中具有非常高的Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)值，而其它设计具有低LAR(见下文)的细单丝；而其它设计已具有分布式扩散阻挡层，该分布式扩散阻挡层的定义为各个独立子单元周围的被铜分隔开的许多扩散阻挡层，而非包覆所有子单元的单一扩散阻挡层；但没有人解决所有对有效性关键的问题，也没有提供解决这些问题的方法。这种唯一性的证据在于，尽管许多这些单独的概念可回溯至1970年代中期，始于Hashimoto的美国专利No.3,905,839，然而本专利技术可典型在4.2K，12特斯拉下产生约3000A/mm2的非铜临界电流密度，并在4.2K，15特斯拉下产生约1700A/mm2的非铜临界电流密度，这比内锡超导线材的最初专利技术提高约10倍并且比1990年代晚期的现有技术值提高约50％。
技术实现思路
根据本专利技术，通过在分布式扩散阻挡层子单元设计中控制下列参数，在由内锡工艺制成的Nb3Sn超导线材中在4.2K和12T下获得3000A/mm2范围的非铜临界电流密度扩散阻挡层内的Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)；包括扩散阻挡层的和在扩散阻挡层内的Nb∶Sn原子比；单丝组件区域中的局部面积比；可反应的Nb扩散阻挡层；相对于单丝半径的Nb扩散阻挡层厚度；向Nb3Sn中添加如Ti或Ta的掺杂物；以及重堆垛和线材变细以便控制热处理阶段的最大单丝直径。附图说明图1是用于帮助定义局部面积比或LAR的单丝组件(pack)的示意图；图2是线材进行热处理前，依照本专利技术的超导线材的示意横截面视图(不按比例)；图3是线材进行热处理前，图2线材中所使用的一个子单元的放大横截面视图；图4是非铜临界电流密度相对于扩散阻挡层中的Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)的曲线图；图5是依照本专利技术生产的线材在4.2K和12T-16T下的非铜临界电流密度相对于磁场的曲线图；图6是依照本专利技术生产的线材在4.2K和1.8K以及20T-25T下的工程和非铜临界电流密度相对于磁场的曲线图；图7显示了依照本专利技术生产的线材在热处理之前和之后的显微照片。具体实施例方式关键术语的定义对于本说明书，下面的术语应具有所述的含义临界电流密度-超导体的关键品质因数，它是特定的温度和磁场下，最大测量超电流除以总线材直径。非铜临界电流密度-由于大部分Nb3Sn线束与非超导的铜稳定剂区域相结合，该值为了比较去掉了铜稳定剂的面积分数，以便可以在不同铜稳定剂分数的导体之间比较超导组件区域的性能。层临界电流密度-非铜临界电流密度的变体，该值去掉了扩散阻挡层外侧上的稳定铜(见下文)和扩散阻挡层内部的未反应的残余青铜相(见下文)以及孔隙空间。反应后，这使横截面积只留下Nb3Sn的量。如果Nb3Sn相的品质较差，那么它的临界电流密度将低于相同量的高品质Nb3Sn。本专利技术产生高的总临界电流密度，部分原因是因为层临界电流密度高于以前在Nb3Sn线材中所获得的层临界电流密度。子单元-在“分布式阻挡层”设计中，在铜管中进行重堆垛之前，将铜包覆的Nb棒和锡源组装在Nb扩散阻挡层中。将集中在一起构成最终重堆垛件的单元称为子单元。该重堆垛件将被拉拔成最终的线材；子单元是最终线材的关键构件。由于理想情况下这种外部Cu管在反应过程中是惰性的，所有的重要作用(扩散和反应)都发生在子单元内部。因此本专利技术的关键特点涉及子单元中的金属面积和尺寸比例。局部面积比或LAR-在图1中，显示了多个单丝棒10的放大“局部区域”，所述多个单丝棒10限定了图3中子单元22的“单丝组件区域”15。每个单丝棒10均由Nb11和Cu12构成。LAR是子单元单丝组件区域的局部区域中Cu与Nb的面积比或体积比。它代表Nb单丝间隔的紧密程度和Cu通道(在反应阶段为Sn扩散所必需)的宽度。由于子单元的许多体积被Nb单丝组件区域占据，LAR的值强烈影响导体中Nb的总分数。LAR＝Cu面积％/Nb面积％，且有Cu面积％+Nb面积％＝1扩散阻挡层内Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)-内锡线材要求Sn扩散通过Cu以与Nb反应。在此过程中形成多种青铜相，每一种都具有特定的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产复丝Ｎｂ↓［３］Ｓｎ超导线材的方法，包括如下步骤：ａ）在第一含Ｃｕ基体和第二含Ｃｕ基体中堆垛多个由Ｃｕ包覆的Ｎｂ棒以形成用于所述超导线材的堆垛子单元，该第一含Ｃｕ基体被中间Ｎｂ扩散阻挡层包围，而该第二含Ｃｕ基体在阻挡层远离所述棒的另一侧；ｂ）在所述的子单元中提供Ｓｎ源；ｃ）在子单元中组装所述金属，选择Ｎｂ、Ｃｕ和Ｓｎ的相对尺寸和比例以便使（１）包括所述扩散阻挡层的和在该层中的子单元横截面上的Ｎｂ分数为５０－６５面积％；（２）包括所述子单元扩散阻挡层的和在该层中的Ｎｂ对Ｓｎ的原子比为２．７－３．７；（３）在所述子单元扩散阻挡层中Ｓｎ对Ｃｕ的比率Ｓｎ重量％／（Ｓｎ重量％＋Ｃｕ重量％）为４５－６５％；（４）所述Ｃｕ包覆Ｎｂ棒的Ｃｕ与Ｎｂ的局部面积比（ＬＡＲ）为０．１０－０．３０；（５）通过随后的热处理将所述Ｎｂ扩散阻挡层全部或部分转变Ｎｂ↓［３］Ｓｎ；和（６）所述Ｎｂ扩散阻挡层的厚度大于所述Ｃｕ包覆Ｎｂ棒的Ｎｂ部分的半径；和ｄ）在另外的Ｃｕ基体中组装所述的子单元并将所述的组合件变细形成线材形式，以便使（１）所述复丝Ｎｂ↓［３］Ｓｎ超导线材包含多个所述子单元，每个子单元具有Ｎｂ扩散阻挡层以由此形成具有分布式阻挡层设计的线材；（２）在最终线材中所述铜包覆Ｎｂ棒的Ｎｂ部分的直径在反应前为０．５－７μｍ，和（３）通过热处理全部或部分转变为Ｎｂ↓［３］Ｓｎ的所述Ｎｂ扩散阻挡层在反应前的厚度为０．８－１１μｍ，和ｅ）对来自步骤ｄ）中的最终尺寸的线材进行热处理以形成Ｎｂ↓［３］Ｓｎ超导相。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-2-19 60/545,9581.一种生产复丝Nb3Sn超导线材的方法，包括如下步骤a)在第一含Cu基体和第二含Cu基体中堆垛多个由Cu包覆的Nb棒以形成用于所述超导线材的堆垛子单元，该第一含Cu基体被中间Nb扩散阻挡层包围，而该第二含Cu基体在阻挡层远离所述棒的另一侧；b)在所述的子单元中提供Sn源；c)在子单元中组装所述金属，选择Nb、Cu和Sn的相对尺寸和比例以便使(1)包括所述扩散阻挡层的和在该层中的子单元横截面上的Nb分数为50-65面积％；(2)包括所述子单元扩散阻挡层的和在该层中的Nb对Sn的原子比为2.7-3.7；(3)在所述子单元扩散阻挡层中Sn对Cu的比率Sn重量％/(Sn重量％+Cu重量％)为45-65％；(4)所述Cu包覆Nb棒的Cu与Nb的局部面积比(LAR)为0.10-0.30；(5)通过随后的热处理将所述Nb扩散阻挡层全部或部分转变Nb3Sn；和(6)所述Nb扩散阻挡层的厚度大于所述Cu包覆Nb棒的Nb部分的半径；和d)在另外的Cu基体中组装所述的子单元并将所述的组合件变细形成线材形式，以便使(1)所述复丝Nb3Sn超导线材包含多个所述子单元，每个子单元具有Nb扩散阻挡层以由此形成具有分布式阻挡层设计的线材；(2)在最终线材中所述铜包覆Nb棒的Nb部分的直径在反应前为0.5-7μm，和(3)通过热处理全部或部分转变为Nb3Sn的所述Nb扩散阻挡层在反应前的厚度为0.8-11μm，和e)对来自步骤d)中的最终尺寸的线材进行热处理以形成Nb3Sn超导相。2.根据权利要求1的方法，其中Ta或Ti或其两者与所述Nb或所述Cu或所述Sn或它们的任意组合合金化以便向热处理之后的Nb3Sn提供掺杂物以形成(Nb，Ta)3Sn、(Nb，Ti...

【专利技术属性】
技术研发人员：M菲尔德，J帕雷尔，张友筑，S霍格，
申请(专利权)人：牛津超导技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]