轧制结合快热急冷提高Nb3Al超导线材载流性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种轧制结合快热急冷提高Nb3Al超导线材载流性能的方法，涉及超导线材制备技术领域。本发明专利技术提出采用室温轧制结合快热急冷(RHQ)提高Nb3Al超导带材的载流性能。本发明专利技术通过室温轧制把RHQ制备得到的韧性Nb(Al)

【技术实现步骤摘要】
轧制结合快热急冷提高Nb3Al超导线材载流性能的方法


[0001]本专利技术涉及超导线材制备
，具体涉及一种轧制结合快热急冷提高Nb3Al超导线材载流性能的方法。

技术介绍

[0002]聚变能发电是一种使用氘和氚为原料发生可控核聚变反应而产生电能的发电方式，其原料来源丰富，发电过程的产物是氦气，不产生CO2等温室气体和颗粒污染物，因此聚变能发电是人类未来理想的清洁能源获取方式。用来发电的磁约束核聚变装置最关键核心的部件是超导磁体系统，用来在大空间产生强磁场，实现加热、约束和控制等离子体位形的功能，使等离子体达到足够高的温度、密度和约束时间，进而实现可控核聚变反应。我国已经将磁约束核聚变能作为中长期的重点研究方向，科技部成立“国家磁约束核聚变能发展研究专项”以稳定支持聚变能的研究。我国2006年加入国际热核聚变实验堆(ITER)计划，在全面吸收ITER的技术经验的基础上，2021年完成了中国聚变工程实验堆(CFETR)的工程设计，使我国的聚变能研究居于世界前列，也为下一阶段的聚变工程堆建设开启了新征程。
[0003]CFETR最难制造的是D形纵向场(TF)线圈磁体，每个高21米，宽14米，重460吨，由152根铠装电缆导体(CICC)绕制而成。每根CICC导体由900根Nb3Sn超导线材通过多级绞缆制成，其运行的最大电流95.6kA，最高磁场14.4T，由于在线材上产生高达1400KN/m的电磁应力，就使Nb3Sn超导线材的临界电流(I
c
)衰减到无应力状态的50％。因此导体设计时，大幅增加了Nb3Sn超导线材使用量，以弥补应力下线材的载流性能损失。目前最高性能的Nb3Sn超导材料仅仅能够达到CFETR的运行参数，无法满足未来聚变示范堆(DEMO)更高磁场、更强电流、耐受更大电磁应力的性能需求，因此开发性能更好的、可大规模制备的超导材料，替代Nb3Sn制备大型高场磁体刻不容缓。
[0004]与Nb3Sn相比，Nb3Al虽同为A15晶体结构，但其具有更为优异的抗应力特性：横向压缩应力不超过210MPa时，图1显示Nb3Al超导线材4.2K,12T外场下的临界电流(I
c
)几乎不衰减[1，A.Kikuchi,et.al.,IEEE Trans.Appl.Supercond.2008,18(2):1026
‑
1030]。在300MPa应力下，图2显示其15T外场下的载流性能(即临界电流I
c
)仅降低9％[2,B.Seeber,et.al..Supercond.Sci.Technol.2011,24:035011]；而图1显示，分散阻隔层内锡法(RRP)制备的Nb3Sn超导线材在80MPa的外加应力下，I
c
性能便出现10％的衰减。因此，Nb3Al超导线材绕制的大型超导磁体，能够耐受更大的电磁应力，满足聚变示范堆的性能需求。更重要的是，Nb3Al除了热处理成相工艺和Nb3Sn不同，前端的多芯前驱线制备工艺和步骤，以及后端的线材应用涉及的绞缆技术、磁体绕制方法、失超检测手段都和Nb3Sn超导线材相同，一旦解决Nb3Al热处理成相的问题，其大型超导磁体制备涉及的技术和工程问题都可以借鉴Nb3Sn的解决方案，是替代Nb3Sn的理想超导材料。
[0005]Nb3Al作为实用超导材料，最关键的性能指标是临界电流密度(J
c
)，即单位面积线材能够无阻输运的最大超导电流。超导线材的J
c
越高，能够承载的电流越强，绕制磁体需要的超导线材越少，磁体体积越小，制造成本越低。而决定J
c
性能的是超导相致密度、内部缺
陷密度、晶粒连接性等微结构特征，与超导线材的制备和热处理工艺密切相关。制备Nb3Al超导线材包括前驱线和热处理成相两个步骤，前驱线可以通过粉末装管法、套管法、卷绕法制备，热处理成相分为低温处理和高温热处理工艺。高载流(J
c
)性能Nb3Al超导线材主要采用快热急冷转变(RHQT)技术制备，使用卷绕法制备的Nb/Al多芯前驱线。即在前驱线中通过大电流，快速(<1s)将线材加热到～2000℃，随后立刻在约50℃的液镓池中淬冷，生成计量比的Nb(Al)
ss
过饱和固溶体线材，然后在800℃退火10小时转变得到Nb3Al超导线材，其超导性能达到T
c
约17.6K，H
c2
约28T，不含铜J
c
为1500A/mm2@4.2K,12T，线材长度达到1200m。
[0006]日本国立材料研究所(NIMS)关于RHQT法Nb3Al超导线材的大量研究表明，其载流性能(J
c
)对快热急冷(RHQ)温度非常敏感。Nb/Al前驱线RHQ过程中，只有将温度控制在1940～2060℃的优化温度区间时，才能反应生成计量比的Nb(Al)
ss
过饱和固溶体，其Al含量为25at％，800℃热处理后转变成具有高J
c
性能的Nb3Al超导线材。一旦RHQ的温度比优化的温度区间稍高，便反应生成分相Nb(Al)
ss
线材，由Al含量分别为18～20at％和30at％的贫Al和富Al的Nb(Al)
ss
相组成，800℃热处理得到的Nb3Al超导线材J
c
性能降低为十分之一。由于RHQ高温热处理过程优化的温度区间只有120℃，仅为热处理温度(～2000℃)的
±
3％，而前驱线的直径变化、RHQ过程的线材摆动、加载的电流波动都会影响RHQ的最高温度，因此需要精确控制前驱线的直径、RHQ工艺参数、RHQ设备制造精度，否则制备出的超导线材，性能沿长度方向起伏较大，不利于后续的超导磁体绕制，因为线材性能最差的部分决定了制备磁体的最高运行参数。
[0007]已有研究表明，快热急冷(RHQ)制备得到计量比Nb(Al)
ss
线材是韧性，Nb(Al)
ss
线材拉拔加工截面积减小40％时，经过800℃转变得到的Nb3Al超导线材J
c
性能比未拉拔的提高20％左右，因为拉拔在Nb(Al)
ss
母相中产生缺陷，促进了Nb3Al超导新相的形核和生长，使得制备的超导相晶粒更小、尺寸更均匀，超导线材的磁通钉扎力得以提高。然而RHQ温度稍高得到的贫Al和富Al的Nb(Al)
ss
组成的分相Nb(Al)
ss
线材，虽然是韧性，但拉拔加工再热处理后Nb3Al超导线材的J
c
性能很差，因为得到的超导相化学成分严重偏离化学计量比，基础超导性能很差不具备磁通钉扎能力。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的上述问题，本专利技术提供一种轧制结合快热急冷提高Nb3Al超导线材载流性能的方法，以解决现有技术处理难度大以及J
c
性能很差的技术问题。
[0009]本专利技术采用的技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.轧制结合快热急冷提高Nb3Al超导线材载流性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将Nb/Al前驱线进行快热急冷热处理：对前驱线加载大电流，在0.2s～10s内将线材加热到1800～2200℃后，立即进入40～50℃的液Ga池中淬冷，得到韧性的Nb(Al)
ss
线材；(2)将步骤(1)处理所得把Nb(Al)
ss
线材经过第一组的多道次室温冷轧，制备成厚度为Nb/Al前驱线当量直径的50～85％的Nb(Al)
ss
带材；(3)将步骤(2)处理所得Nb(Al)
ss
带材进行第二次的快热急冷热处理，条件与步骤(1)相同，得到微结构和成分均匀的Nb(Al)
ss
带材；(4)将步骤(3)处理所得Nb(Al)
ss
带材进行第二组的多道次室温冷轧，制备成厚度为步骤(3)所得Nb(Al)
ss
带材厚度的40～85％的Nb(Al)
ss
带材；(5)将步骤(4)处理所得Nb(Al)
ss
带材经750～850℃退火10小时，即可得到Nb3Al超导带材。2.如权利要求1所述的轧制结合快热急冷提高Nb3Al超导线材载流性能的方法，其特征在于，所述Nb/Al前驱线采用粉末装管法制备而得，其制备过程为：将粒径5～45μm的Nb粉、粒径25～45μm的Al粉在手套箱中称量、装入球磨罐，球磨30min后，取出粉体装入Nb管中填充紧实，随后对装粉的Nb管进行镟锻冷加工或辊模拉拔，制备出直径为1.4～1.6mm、长度为3～5m的Nb/Al前驱线。3.如权利要求2所述的轧制结合快热急冷提高Nb3Al超导线材载流性能的方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：余洲，刘光彬，刘连，王文涛，张勇，赵勇，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：