[發(fā)明專利]一種Nb3Al超導(dǎo)線材的制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210429058.9
• 申請日: 2012-10-31
• 公開（公告）號: CN102930937A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 潘熙鋒;閆果;崔利軍;王大友;侯艷榮;劉向宏;馮勇;張平祥
• 申請（專利權(quán)）人: 西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司
• 主分類號: H01B13/00
• 分類號: H01B13/00;H01B12/04
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 羅笛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種低溫合金超導(dǎo)線材的制作方法，尤其涉及一種Nb₃Al超導(dǎo)線材的制作方法。

背景技術(shù)

全超導(dǎo)可控磁約束熱核聚變能（托卡馬克）發(fā)電技術(shù)是人類未來可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性新能源技術(shù)之一。由于可控核聚變能的資源充裕和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為最可能解決未來全球能源危機(jī)、推動人類社會可持續(xù)發(fā)展行之有效的理想能源。2010年，我國制訂的戰(zhàn)略規(guī)劃已明確將“超導(dǎo)磁約束核聚變技術(shù)”列為國家中長期重點(diǎn)支持的發(fā)展方向。大型螺管線圈繞制的超導(dǎo)磁體是全超導(dǎo)可控磁約束聚變堆的關(guān)鍵，其主要功能是將超高溫（6,000～10,000萬℃）氘氚等離子體約束在磁容器中，實(shí)現(xiàn)可控的核聚變反應(yīng)。

在ITER設(shè)計(jì)中，由TF線圈繞制的超導(dǎo)磁體需要產(chǎn)生非常高的磁場（H＝11.8T），同時(shí)承受巨大的洛侖茲力，目前該線圈采用Nb₃Sn超導(dǎo)材料繞制。然而，未來商用聚變反應(yīng)堆運(yùn)行參數(shù)（磁場>15T、電流>100kA，承載>150噸/米、功率>2GW）遠(yuǎn)高于目前的ITER設(shè)計(jì)參數(shù)，大的洛侖茲力產(chǎn)生的應(yīng)力/應(yīng)變導(dǎo)致Nb₃Sn超導(dǎo)線材性能衰減問題變得尤為嚴(yán)重，難于滿足高場磁體線圈應(yīng)力/應(yīng)變?nèi)菹抟蟆Ｒ虼耍瑢で缶哂懈觾?yōu)良綜合性能的高場磁體用超導(dǎo)材料是未來可控磁約束聚變反應(yīng)堆商業(yè)化過程中必須解決的基本問題。與Nb₃Sn相比，Nb₃Al超導(dǎo)材料在高磁場下具有更高的臨界電流密度和更優(yōu)良的應(yīng)力/應(yīng)變?nèi)菰S特性，是未來磁約束聚變反應(yīng)堆商業(yè)化應(yīng)用中高場磁體材料的理想選擇。

目前，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的高性能Nb₃Al超導(dǎo)線材制備方法是將原子比為3：1的Nb和Al進(jìn)行機(jī)械復(fù)合后，加工成長線，然后在真空環(huán)境下進(jìn)行“快速加熱和冷卻”（即：在0.1秒時(shí)間內(nèi)，將導(dǎo)線加熱到1940～2060℃，并瞬間冷卻）熱處理，使Nb和Al反應(yīng)生成Nb（Al）ss過飽和固溶體，最后通過成相熱處理，生成Nb₃Al超導(dǎo)線材。上述過程中所要求的“快速加熱和冷卻”熱處理過程，對設(shè)備和導(dǎo)線均勻性的要求太高；雖然采用在線連續(xù)電阻加熱方法，能在瞬間將導(dǎo)線加熱到所需要的溫度，但是，導(dǎo)線在瞬間冷卻過程中，需要承受巨大的熱應(yīng)力，因此造成經(jīng)常性的斷線，無法獲得長度大于300米的線材；而ITER超導(dǎo)磁體應(yīng)用要求導(dǎo)線長度至少達(dá)到1000米。

由于上述原因，目前國際上，還沒有一家企業(yè)能夠規(guī)模化生產(chǎn)滿足ITER項(xiàng)目要求的Nb₃Al超導(dǎo)線材。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種Nb₃Al超導(dǎo)線材的制作方法，解決現(xiàn)有的高性能Nb₃Al超導(dǎo)線材制作必須的“快速加熱和冷卻”熱處理和“經(jīng)常性斷線”的難題。

本發(fā)明為解決其發(fā)明目的，所提出的一種Nb₃Al超導(dǎo)線材制作方法為：制備Nb（Al）ss過飽和固溶體，加工成粉末，填充到Cu管中，制成Cu/Nb-Al線材，熱處理生成Nb₃Al超導(dǎo)線材。

所述的Nb（Al）ss過飽和固溶體，由Nb和Al_1-xNb_x中間合金熔化后混合均勻，緩慢冷卻和淬火而成。

具體步驟如下：

a、制備過飽和固溶體：以Nb和Al_1-xNb_x中間合金為原料，將其熔化后混合均勻，緩慢冷卻至1900~2100℃，獲得Nb-Al固溶體；然后將該固溶體放入鎵液中淬火，獲得Nb（Al）ss過飽和固溶體；

b、粉末加工：利用碾壓和高能球磨的方法，將所述Nb（Al）ss過飽和固溶體加工成粉末；

c、裝管拉拔：將所述Nb（Al）ss過飽和固溶體粉末填充到Cu管中，通過鏇鍛、輥軋和拉拔等工藝，將其加工成Cu/Nb-Al線材；

d、成相熱處理：將所述Cu/Nb-Al線材放入Ar氣氛保護(hù)或真空熱處理爐中，加熱，保溫，即可。

上述a中，所述的Al_1-xNb_x中間合金是指由Nb和Al兩組元素組成，且x=0.251~0.749的合金。熔化時(shí)，原材料中Nb與Al的原子比為3：1。

上述b中，所述粉末的顆粒度為100～1000目。

上述c中，所述Cu/Nb-Al線材的直徑為0.5～2.0mm。

上述d中，所述加熱溫度為750～950℃，保溫時(shí)間為10～50h。