[發明專利]極細芯絲超導線材的制備方法

無效

• 申請號: 201210548592.1
• 申請日: 2012-12-17
• 公開（公告）號: CN103871682A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 張亮
• 申請（專利權）人: 張亮
• 主分類號: H01B13/00
• 分類號: H01B13/00
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 韓玙

技術領域

本發明屬于材料制備技術領域，具體涉及一種極細芯絲超導線材的制備方法。

背景技術

全超導可控磁約束熱核聚變能（托卡馬克）發電技術是人類未來可持續發展的戰略性新能源技術之一。正是由于可控核聚變能的資源充裕和環境友好等優點，其被公認為最可能解決未來全球能源危機、推動人類社會可持續發展行之有效的理想能源。目前，由多國參加的國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）的啟動對于推動可控聚變能基礎科學發展和工程技術進步具有重要意義，2006年11月我國正式加入ITER計劃。2010年，我國制訂的戰略規劃已明確將“超導磁約束核聚變技術”列為國家中長期重點支持的發展方向。

大型超導磁體是全超導可控磁約束聚變堆的關鍵，其主要功能是將超高溫（6,000~10,000萬℃）等離子體約束在磁容器中，實現可控的核聚變反應。在ITER設計中，高場磁體（TF和CS）需要產生非常高的磁場（11.8特斯拉，T），同時承受巨大的洛侖茲力，目前該磁體采用Nb₃Sn超導材料繞制。然而，未來示范堆和商用堆運行參數（磁場>15T、電流>100kA，承載>150噸/米、功率>2GW）遠高于目前ITER設計參數，大的洛侖茲力產生的應力/應變導致Nb₃Sn超導材料性能衰減問題變得尤為嚴重，難于滿足高場超導線圈應力/應變容限要求。因此，尋求具有更為優良綜合性能的高場磁體用超導材料是未來可控磁約束聚變示范堆和商業化過程中必須解決的基本問題。與Nb₃Sn相比，Nb₃Al超導材料具有更高的臨界磁場和優良的應變容許特性，是未來磁約束聚變堆，尤其是示范堆階段高場磁體的理想選擇。目前，我國實用Nb₃Al超導長線的研究和制作基本上處于空白。

超導磁體產生磁場的原理是利用超導材料繞制成螺線管線圈，然后在線圈中通上交變電流，于是線圈的周圍就會產生感應磁場，其中線圈的中心磁感應強度最大。

由于超導材料內部存在晶界、位錯、雜相等缺陷，因此在超導磁體運行過程中會存在“交流損耗”，從而產生熱量。超導磁體長期運行在液氦或液氮等冷卻劑中，熱量的產生一方面會造成制冷成本的上升，另一方面會在超導磁體局部造成熱量的聚集，形成“熱島”；一旦這些“熱島”溫度超導線材的超導轉變溫度（Tc），就會導致超導磁體“失超”，從而對整個超導磁體產生“致命”的影響。因此，在超導線材的結構設計中，如何降低交流損耗和提升熱穩定性成為現有技術亟待解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種極細芯絲超導線材的制備方法，解決現有技術中存在的由于超導磁體運行過程中的“交流損耗”引起的“失超”問題，并且提升超導線材的熱穩定性。

本發明所采用的技術方案是：極細芯絲超導線材的制備方法，包括如下步驟：

第一步，組裝密封，將2000~4000根Cu/Nb/Al復合棒裝入Cu包套管內，并采用焊接的方式將Cu包套管密封，獲得復合錠體；

第二步，熱擠壓加工，將復合錠體在4000kN~6000kN的壓力下進行等靜壓加工，然后將錠體預加熱到200℃~600℃，并在4000kN~40,000kN的推力作用下，以每分鐘1m~10m的速率進行熱擠出加工，獲得一次組裝復合棒材；

第三步，制作亞組元，將一次組裝復合棒材以每道次15%~20%變形率和每分鐘1~10米的速率進行多道次的拉拔加工，獲得與所述Cu/Nb/Al復合棒尺寸相同的亞組元；

第四步，制作二次組裝復合棒材，將2000~4000根亞組元裝入Cu包套管內，并采用焊接的方式將Cu包套管密封，再將所述密封的Cu包套管在4000kN~6000kN的壓力下進行等靜壓加工，然后預加熱到200℃~600℃，并在4000kN~40,000kN的推力作用下，以每分鐘1m~10m的速率進行熱擠出加工，獲得二次組裝復合棒材；

第五步，拉伸加工，將二次組裝復合棒材以每道次15%~20%變形率和每分鐘1~10米的速率進行多道次的拉拔加工，獲得直徑為0.5~3.0mm的線材；

第六步，熱處理，將線材放入真空熱處理爐中，以8~20℃/min的加熱速率加熱到800~1200℃，保溫60~120h，然后自然冷卻到室溫，即獲超導線材。