CN116487110A - 一种高镍含量的NbTi超导开关线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高镍含量的NbTi超导开关线及其制备方法,其包括以下步骤:S1:将NbTi棒材装入Nb筒,再装入到钻孔CuNi锭中,经过除气体、真空电子束焊接、热等静压以及挤压制备为NbTi/CuNi复合棒坯;S2:将所述NbTi/CuNi复合棒坯进行扒皮、冷拉拔和退火;S3:进行冷连轧,同时与时效热处理交替进行,进行归圆,获得NbTi/CuNi复合线;S4:将所述NbTi/CuNi复合线进行扭绞、拉拔和涂漆,获得NbTi超导开关线。本发明解决了高Ni含量的NbTi超导开关线硬度高,加工硬化严重,在拉拔过程中出现频繁断线,断芯以及性能低下的问题。在磁体励磁过程中,未出现失超的情况。
Description
技术领域
本发明属于超导材料制备技术领域,涉及一种高镍含量的NbTi超导开关线及其制备方法。
背景技术
超导开关是超导磁体中的关键部件,其作用主要有:第一、超导磁体完成励磁后,超导开关闭合,切断电源,超导开关与磁体间形成无损耗的闭合回路;第二、在磁体的运行过程中,一旦失超,超导开关便会自动断开,防止磁体损毁。
在Cu基二元合金中,Ni与Cu同为面心立方结构,原子半径相近,能形成置换固溶体,因此CuNi合金具有较为优良的冷加工性能,同时其高电阻特性能满足超导开关线材的性能要求,因此被用于NbTi超导开关线材的基体。但是,随着Ni含量的增加,高硬度的CuNi合金不但会增加挤压过程中的“闷车”风险,而且在扒皮工序中,表面会出现撕裂形貌,严重影响物料的表面状态,同时在多道次的冷拉拔过程中更容易导致线材断线,给超导开关线材的研发带来挑战。国际上通常采用CuNi作为NbTi超导开关线的基体,是因为Cu与Ni为面心立方结构,原子半径相近,能形成置换固溶体,具备较好的冷加工性能。目前,高Ni含量的NbTi超导开关线在磁体励磁过程中,多次出现失超的情况。
发明内容
本发明的目的在于解决高Ni含量的NbTi超导开关线在磁体励磁过程中,多次出现失超的情况。
本发明申请人发现在线材直径不变的情况下,增加芯丝数量,减少芯丝直径能有效解决这一问题,但伴随芯数的增加,超导线材的加工难度增大,对加工过程中多芯丝的协同变形能力要求更高。而由于高Ni含量的NbTi超导线材硬度高,加工硬化严重,使用常规的制备工艺在拉拔过程中出现频繁断线,断芯以及性能低下的问题。
由此,本发明提供了一种高镍含量的NbTi超导开关线及其制备方法来满足本领域内的这种需要。
一方面,本发明涉及一种高镍含量的NbTi超导开关线的制备方法,其包括以下步骤:S1:将多个NbTi棒材分别装入多个Nb筒,再装入到钻孔CuNi锭中,经过除气体、真空电子束焊接上下盖、热等静压和挤压制备为直径小于90mm的NbTi/CuNi复合棒坯;
S2:将所述NbTi/CuNi复合棒坯进行扒皮去除表面氧化层,然后多次冷拉拔退火;
S3:进行多次冷连轧,所述冷连轧与时效热处理交替进行1~8次,进行归圆,获得NbTi/CuNi复合线;
S4:将所述NbTi/CuNi复合线进行扭绞、拉拔和涂漆,获得NbTi超导开关线。
进一步地,本发明提供的高镍含量的NbTi超导开关线的制备方法中,所述NbTi棒材和所述钻孔CuNi锭的原料为退火态;
所述钻孔CuNi锭的Ni含量为30wt.%~70wt.%;所述钻孔CuNi锭的直径为100~200mm;
所述NbTi棒材的Nb含量为40wt.%~60wt.%,直径为1~3mm,所述NbTi棒材的数量为500~700支;
所述Nb筒的壁厚为0.4~0.8mm。
进一步地,本发明提供的高镍含量的NbTi超导开关线的制备方法中,所述热等静压的温度为600~900℃;
所述挤压的温度为800~1100℃。
进一步地,本发明提供的高镍含量的NbTi超导开关线的制备方法中,所述多次冷拉拔退火包括:进行多次冷拉拔,每次冷拉拔的加工率为10~30%;每累积加工率达到100%时,便进行一次退火,使得硬度低于HV200;
退火温度为700~900℃。
进一步地,本发明提供的高镍含量的NbTi超导开关线的制备方法中,所述冷连轧的道次间加工率为10~15%。
进一步地,本发明提供的高镍含量的NbTi超导开关线的制备方法中,所述扭绞的节距为35~60mm。
进一步地,本发明提供的高镍含量的NbTi超导开关线的制备方法中,所述S4中的所述拉拔为冷拉拔,所述拉拔过程中进行加热;
所述加热的温度为500~700℃,所述加热时走线的速度为10~30m/min。
进一步地,本发明提供的高镍含量的NbTi超导开关线的制备方法中,所述涂漆后得到漆膜厚度为0.5~0.7mm。
另一方面,本发明涉及一种NbTi超导开关线,其采用上述的制备方法制得。
与现有技术相比,本发明提供的技术方案至少具备下述的有益效果或优点:
本发明选用NbTi棒和钻孔CuNi锭原料均为退火态,进一步限定NbTi棒、钻孔CuNi锭、Nb筒的规格,配合特定的挤压温度和热等静压温度,用于优化芯丝的变形情况。本发明的步骤S3中,一旦开始时效热处理,便不能进行退火,目的是高温退火过程中析出的ω相对超导线材性能的影响非常大;选择冷连轧是因为该工艺在对物料进行减径时,物料所受的压应力大,拉应力小,在减径的过程中不会发生缩颈而引发断线;由于冷连轧后的物料形状不规则,因此在冷连轧后还需采用辊模拉丝及对物料进行归圆。本发明的步骤S2~4中,解决了物料加工硬化,断线和缩颈的问题;扭绞的节距限定目的是保证所有的芯丝充分换位,减弱超导线材的涡流损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的实施例1制备得到的高镍含量的NbTi超导开关线的横截面示意图。
具体实施方式
下面,结合实施例对本发明的技术方案进行说明,但是,本发明并不限于下述的实施例。
下述各实施例中所述实验方法和检测方法,如无特殊说明,均为常规方法;所述试剂和材料,如无特殊说明,均可在市场上购买得到。
实施例1
本实施例提供了高镍含量的NbTi超导开关线的具体实施过程。
首先,采用Ni含量为30wt.%,直径为100mm的钻孔CuNi锭,孔数为500个,直径为1mm的小规格NbTi棒材500支,壁厚为0.4mm的加厚Nb筒作为原材料,其中钻孔CuNi锭和NbTi棒材均为退火态。随后将NbTi棒材装入Nb筒中,然后装入到钻孔CuNi锭,后经过除气体、真空电子束焊接、热等静压以及挤压制备为NbTi/CuNi复合棒坯,其中挤压温度为800℃,热等静压温度为600℃。之后将获得的NbTi/CuNi复合棒坯进行扒皮、冷拉拔和退火,其中冷加工变形率为10%,退火温度为700℃,当累积加工率每达到100%时,便需要进行一次退火,以保证整支物料的硬度低于HV200。接下来将NbTi/CuNi复合棒坯进行冷连轧,同时与时效热处理交替进行1次,冷连轧的道次间加工率为10%,由于冷连轧后的物料形状不规则,因此在冷连轧后还需采用辊模拉丝及对物料进行归圆,获得NbTi/CuNi复合线。再对NbTi/CuNi复合线进行扭绞,扭绞的节距为35mm,之后进行最终拉拔,在拉拔时加装感应加热炉,加热温度控制在500℃,线材在感应加热炉中的走线速度控制在10m/min。最后对线材进行绝缘涂漆,漆膜厚度为0.5mm,获得NbTi超导开关线。在整个制备过程中未出现断线,以及断芯问题,经测试,线材在0.5T,4.2K下的Jc≥3900A/mm2,在磁体励磁过程中,未出现失超的情况。
实施例2
本实施例提供了高镍含量的NbTi超导开关线的具体实施过程。
首先,采用Ni含量在40wt.%,直径为120mm的钻孔CuNi锭,孔数为630个,直径为1.5mm的小规格NbTi棒材630支,壁厚为0.5mm的加厚Nb筒作为原材料,其中钻孔CuNi锭和NbTi棒材均为退火态。随后将NbTi棒材装入Nb筒中,然后装入到钻孔CuNi锭,后经过除气体、真空电子束焊接、热等静压以及挤压制备为NbTi/CuNi复合棒坯,其中挤压温度为900℃,热等静压温度为700℃。之后将获得的NbTi/CuNi复合棒坯进行扒皮、冷拉拔和退火,其中冷加工变形率为15%,退火温度为800℃,当累积加工率每达到100%时,便需要进行一次退火,以保证整支物料的硬度低于HV200。接下来将NbTi/CuNi复合棒坯进行冷连轧,同时与时效热处理交替进行3次,冷连轧的道次间加工率为12%,由于冷连轧后的物料形状不规则,因此在冷连轧后还需采用辊模拉丝及对物料进行归圆,获得NbTi/CuNi复合线。再对NbTi/CuNi复合线进行扭绞,扭绞的节距为40mm,之后进行最终拉拔,在拉拔时加装感应加热炉,加热温度控制在600℃,线材在感应加热炉中的走线速度控制在20m/min。最后对线材进行绝缘涂漆,漆膜厚度为0.6mm,获得NbTi超导开关线。在整个制备过程中未出现断线,以及断芯问题,经测试,线材在0.5T,4.2K下的Jc≥3900A/mm2,在磁体励磁过程中,未出现失超的情况。
实施例3
本实施例提供了高镍含量的NbTi超导开关线的具体实施过程。
首先,采用Ni含量为60wt.%,直径为150mm的钻孔CuNi锭,孔数为650个,直径为2mm的小规格NbTi棒材650支,壁厚为0.7mm的加厚Nb筒作为原材料,其中钻孔CuNi锭和NbTi棒材均为退火态。随后将NbTi棒材装入Nb筒中,然后装入到钻孔CuNi锭,后经过除气体、真空电子束焊接、热等静压以及挤压制备为NbTi/CuNi复合棒坯,其中挤压温度为1000℃,热等静压温度为800℃。之后将获得的NbTi/CuNi复合棒坯进行扒皮、冷拉拔和退火,其中冷加工变形率为20%,退火温度为800℃,当累积加工率每达到100%时,便需要进行一次退火,以保证整支物料的硬度低于HV200。接下来将NbTi/CuNi复合棒坯进行冷连轧,同时与时效热处理交替进行6次,冷连轧的道次间加工率为15%,由于冷连轧后的物料形状不规则,因此在冷连轧后还需采用辊模拉丝及对物料进行归圆,获得NbTi/CuNi复合线。再对NbTi/CuNi复合线进行扭绞,扭绞的节距为50mm,之后进行最终拉拔,在拉拔时加装感应加热炉,加热温度控制在650℃,线材在感应加热炉中的走线速度控制在25m/min。最后对线材进行绝缘涂漆,漆膜厚度为0.6mm,获得NbTi超导开关线。在整个制备过程中未出现断线,以及断芯问题,经测试,线材在0.5T,4.2K下的Jc≥3900A/mm2,在磁体励磁过程中,未出现失超的情况。
实施例4
本实施例提供了高镍含量的NbTi超导开关线的具体实施过程。
首先,采用Ni含量为70wt.%,直径为2000mm的钻孔CuNi锭,孔数为700个,直径为3mm的小规格NbTi棒材700支,壁厚为0.8mm的加厚Nb筒作为原材料,其中钻孔CuNi锭和NbTi棒材均为退火态。随后将NbTi棒材装入Nb筒中,然后装入到钻孔CuNi锭,后经过除气体、真空电子束焊接、热等静压以及挤压制备为NbTi/CuNi复合棒坯,其中挤压温度为1100℃,热等静压温度为900℃。之后将获得的NbTi/CuNi复合棒坯进行扒皮、冷拉拔和退火,其中冷加工变形率为30%,退火温度为900℃,当累积加工率每达到100%时,便需要进行一次退火,以保证整支物料的硬度低于HV200。接下来将NbTi/CuNi复合棒坯进行冷连轧,同时与时效热处理交替进行8次,冷连轧的道次间加工率为15%,由于冷连轧后的物料形状不规则,因此在冷连轧后还需采用辊模拉丝及对物料进行归圆,获得NbTi/CuNi复合线。再对NbTi/CuNi复合线进行扭绞,扭绞的节距为60mm,之后进行最终拉拔,在拉拔时加装感应加热炉,加热温度控制在700℃,线材在感应加热炉中的走线速度控制在30m/min。最后对线材进行绝缘涂漆,漆膜厚度为0.7mm,获得NbTi超导开关线。在整个制备过程中未出现断线,以及断芯问题,经测试,线材在0.5T,4.2K下的Jc≥3900A/mm2,在磁体励磁过程中,未出现失超的情况。
如上所述,较好的描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。上述实施例和说明书仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,本发明不受上述实施例的限制,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种改变和改进,均应落入本发明确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种高镍含量的NbTi超导开关线的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:将多个NbTi棒材分别装入多个Nb筒,再装入到钻孔CuNi锭中,经过除气体、真空电子束焊接上下盖、热等静压和挤压制备为直径小于90mm的NbTi/CuNi复合棒坯;
S2:将所述NbTi/CuNi复合棒坯进行扒皮去除表面氧化层,然后多次冷拉拔退火;
S3:进行多次冷连轧,所述冷连轧与时效热处理交替进行1~8次,再进行归圆,获得NbTi/CuNi复合线;
S4:将所述NbTi/CuNi复合线进行扭绞、拉拔和涂漆,获得NbTi超导开关线。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述NbTi棒材和所述钻孔CuNi锭的原料为退火态;
所述钻孔CuNi锭的Ni含量为30wt.%~70wt.%;所述钻孔CuNi锭的直径为100~200mm;
所述NbTi棒材中Nb含量为40wt.%~60wt.%,直径为1~3mm,所述NbTi棒材的数量为500~700支;所述Nb筒的壁厚为0.4~0.8mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述热等静压的温度为600~900℃;
所述挤压的温度为800~1100℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述多次冷拉拔退火包括:进行多次冷拉拔,每次冷拉拔的加工率为10~30%;每累积加工率达到100%时,便进行一次退火,使得硬度低于HV200;
退火温度为700~900℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述冷连轧的道次间加工率为10~15%。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述扭绞的节距为35~60mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述S4中的所述拉拔为冷拉拔,所述拉拔过程中进行加热;
所述加热的温度为500~700℃,所述加热时走线的速度为10~30m/min。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述涂漆后得到漆膜厚度为0.5~0.7mm。
9.一种NbTi超导开关线,其特征在于采用权利要求1~8任一项所述的制备方法制得。
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