用于含Nb3Sn的超导体线材的基于具有粉末填充的芯管的含Nb的杆元件的子元件和相关的制备方法技术

本发明专利技术涉及用于含Nb3Sn的超导体线材(55)的子元件(1)，其中所述子元件(1)配置有：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于含Nb3Sn的超导体线材的基于具有粉末填充的芯管的含Nb的杆元件的子元件和相关的制备方法
[0001]本专利技术涉及用于含Nb3Sn的超导体线材的子元件，其中所述子元件配置有
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含Sn的芯，
[0003]‑
内基体，其包含Cu并且其包围所述含Sn的芯，
[0004]‑
相互邻接的含Nb的杆元件的区域，所述区域包围所述内基体，其中所述含Nb的杆元件各自配置有含Nb的芯纤丝和含Cu的纤丝壳，
[0005]更特别地，其中含Nb的杆元件各自以六边形配置在外横截面中，
[0006]‑
外基体，其包含Cu并包围所述含Nb的杆元件的区域。
[0007]在EP 2 717 340 A2中已经公开了一种这样的子元件。
[0008]超导体材料能够在几乎没有欧姆损耗的情况下传输电流，并且例如用于构造磁线圈，使用其可以产生特别高的磁场强度。
[0009]一种重要的超导体材料，特别是用于构造磁线圈的超导体材料是Nb3Sn。由于Nb3Sn不适合塑性变形，因此含Nb3Sn的超导体线材(也用于短:Nb3Sn超导体线材)的制造通常涉及首先制造包含Nb和Sn的预备导体(也称为子元件)，其通常用Cu作为基体材料。通过横截面逐渐减小的再成形，并通过捆扎多个子元件，将预备导体加工成完全制造的导体。这种制造的导体通常再次经受横截面逐渐减小的再成形，然后通过例如缠绕线圈使其成为期望几何形状。随后，在反应性热处理中，产生超导Nb3Sn相，使得将制造的导体转化成完成的Nb3Sn超导体线材。因此，Nb3Sn超导体线材的制备是整体困难的多级操作。本文已经开发许多路线，其方法和发生的并且与完成的Nb3Sn超导体线材的质量相关的反应具有相当大的差异。
[0010]在所谓的青铜路线的情况下，通过青铜基体在预备导体中提供与预备导体的Nb反应的Sn。青铜路线的实施相对简单，但是青铜基体的Sn含量限制了Nb3Sn相的形成。
[0011]在内部锡路线的情况下，在预备导体中，通常在中心设置锡源，并且在反应性热处理中，来自芯的Sn通常通过Cu基体与预备导体的Nb反应。在根据粉末装管原理(缩写为PIT)的程序的情况下，含Sn的粉末布置在由Nb或Nb合金制成的管中。填充的Nb管布置在含Cu的护套中，以得到PIT元件。PIT元件被拉制并捆扎。在反应性热处理中，PIT芯中的Sn直接与在护套中的Nb管反应。例如，通过EP 3 062 359 B1描述典型的PIT方法。PIT方法虽然比青铜路线更复杂，但实现了更好的导电性能。
[0012]EP 2 779 258 B1描述了PIT方法的一种变型，其中使用Nb或Nb合金的外管以及Nb或Nb合金的内管，而不是一个Nb管。内管用含Sn和Cu的粉末分开填充并拉制，其中包含的粉末被压实。此后，拉制的内管被插入外管中。
[0013]内部锡路线也可以根据重新堆叠杆方法原理进行(缩写为RRP并涉及杆的重新捆扎)。在这种情况下，通常各自包括Nb杆和围绕的Cu纤丝壳的多根六边形Nb纤丝(也称为含Nb的杆元件)通过Cu基体在内部和外部环形捆扎并包围。布置在内部的是包含Sn的中心，并且在外部布置扩散阻挡件和Cu壳。以这种方式配置的子元件被拉制成六边形外横截面，被捆扎并被铜基体包围
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以形成线材；参加US 7,585,377 B2。利用RRP方法，可以在完成的Nb3Sn超导体线材中实现非常高的超导导电性能。
[0014]EP 2 717 340 A2描述了用于RRP方法的Nb3Sn超导体线材的半成品，其用于还额外含Sn的含Nb的杆元件和含Cu的纤丝壳。在一个变型中，建议通过元素Sn的粉末形成含Sn的结构，其在内部Cu基体中在中心设置，所述元素Sn的粉末包含在内部的含Cu的基体中的钻孔中。
[0015]用于Nb3Sn超导体线材的制造的导体的更具体的变型设想了其中NaCl填充在Cu夹套中的NbCu杆和Cu杆的捆扎。NaCl用水排出并用Sn替代；参见US 5,534,219 A。
[0016]WO 2015/175064 A2描述了Nb3Sn超导体线材和相关的制备方法，其中在反应性热处理期间形成金属氧化物沉淀。类似的Nb3Sn超导体线材由X.Xu等在“Internally Oxidized Nb3Sn Strands with Fine Grain Size and High Critical Current Density”,Adv.Mater.2015,27,第1346
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1350页中描述。
[0017]专利技术目的
[0018]本专利技术的目的是提供用于含Nb3Sn的超导体线材的子元件，使用其能够以简单且成本有效的方式来实现改进的超导导电性能。

技术实现思路

[0019]根据本专利技术通过开始陈述的类型的子元件来实现该目的，其特征在于含Sn的芯包括芯管，其中已经引入含Sn的粉末，所述含Sn的粉末处于压实状态。
[0020]本专利技术设想用基于压实的含Sn的粉末的含Sn的芯配备用于RRP方法的子元件。通过使用含Sn的粉末，可以以简单的方式调节含Sn的芯的组成，特别地Sn和其他元素的元素部分的分布，并将其调整到期望的应用，所述其他元素特别是金属，如Cu；特别地，没有必要制备具有用于不同应用的不同组成的昂贵的含Sn的芯杆。以这种方式可以优化在反应性热处理(也称为反应性退火)中的超导相(Nb3Sn)的形成，从而以简单且成本有效的方式优化完成的超导体线材的导电性能。通过调节含Sn的芯和/或含Sn的粉末的组成，可以增加完成的超导体线材的重要的细粒Nb3Sn部分的导电性能(临界电流密度)。
[0021]如本专利技术所设想的，通过将含Sn的粉末压实不仅可以在超导线材的横截面中获得特别高的超导相分数，而且还可以改进Sn从含Sn的芯扩散到含Nb的杆元件的区域中，并提高Nb3Sn形成的整体效率。特别地，可以进一步增加细粒Nb3Sn分数中的Sn的比例，并且可以进一步增加细粒部分本身的比例，从而促进完成的超导体线材的整体导电性能(整合在线材横截面上的临界电流密度)，并且同时，由于组成易于调节，也可以将该部分的临界电流密度保持在高水平。
[0022]在基于常规PIT子元件的超导体线材的情况下，与基于RRP的超导体线材相比，重要细粒的Nb3Sn部分的比例通常更低。在本专利技术的上下文中，用于形成Nb3Sn相的Nb的至少主要部分是由于含Nb的杆元件。不需要将昂贵的Nb管作为Nb的主要来源，而这是PIT方法中所需要的。在作为Nb源的含Nb的杆元件的区域中，与作为Nb源的Nb管相比，Sn的扩散变得更容易，因为含Cu的纤丝壳提供了快速扩散路径的网络；借助这些路径，甚至可以通过来自压实的粉末芯的Sn容易地达到径向更远的子元件的区域。因此，可以增加完成的超导体线材中细粒Nb3Sn部分的比例(体积比例)，这改进完成的超导线材的超导导电性能(整合在线材横截面上的临界电流)。
[0023]同时，通过使用作为Sn源的压实的含Sn的粉末，细粒Nb3Sn部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.制造用于含Nb3Sn的超导体线材(55)的子元件(1)的方法，其中所述子元件(1)配置有：
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含Sn的芯(2)，
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内基体(5)，其包含Cu并且其包围所述含Sn的芯(2)，
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相互邻接的含Nb的杆元件(8，30)的区域(7)，所述含Nb的杆元件(8，30)包围所述内基体(5)，其中所述含Nb的杆元件(8，30)各自配置有含Nb的芯纤丝(9；31)和含Cu的纤丝壳(10)，特别地，其中所述含Nb的杆元件(8，30)各自以六边形配置在外横截面中，
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外基体(6)，其包含Cu并包围所述含Nb的杆元件(8，30)的区域(7)，其特征在于，所述含Sn的芯(2)是使用以下步骤单独制造的：a)将含Sn的粉末(4)引入芯管(3)，b)横截面减小地再成形包括含Sn的粉末(4)的芯管(3)，其中所述含Sn的芯(2)的含Sn的粉末(4)被压实，并且其特征在于，单独制造的含Sn的芯(2)被插入到所述子元件(1)的所述内基体(5)中的凹道(43)中。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行所述方法，使得在得到的子元件(1)中，所述芯管(3)的壁厚WS和所述芯管(1)的直径D满足以下条件：WS≤0.15*D，优选地WS≤0.10*D。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述含Sn的粉末(4)是包含至少两种不同的化学形式的Sn的粉末混合物，特别地，其中所述含Sn的粉末(4)包含以下化学形式中至少两种的Sn：
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元素Sn，
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Nb和Sn的一种或多种不同组成的金属间相或合金，优选地NbSn2和/或Nb6Sn5，
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Cu和Sn的一种或多种不同组成的金属间相或合金，
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Sn和Ti的一种或多种不同组成的金属间相或合金；
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Sn和Ta的一种或多种不同组成的金属间相或合金。4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述含Sn的粉末(4)是包含含Cu的粉末部分的粉末混合物，特别地，其中所述含Cu的粉末部分包含元素Cu。5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述芯管(3)是含Cu的，特别地，具有至少25wt％的Cu，优选地，具有至少50wt％的Cu。6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述芯管(3)是含Nb的，特别地，具有至少50wt％的Nb，优选地，具有至少75wt％的Nb。7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：
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相互邻接的含Nb的杆元件(8，30)的区域(7)的含Nb的杆元件(30)中的至少一部分构造有含Nb的芯纤丝(31)，其不仅包含Nb，还包含Ti、Ta、Hf和/或Zr，和/或
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跨越相互邻接的含Nb杆元件(8，30)的区域(7)是额外的杆元件(20)，其包括Ti，Ta，Hf和/或Zr。8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述含Sn的粉末(4)是包含含Ta
和/或含Ti和/或含Hf和/或含Zr的粉末部分的粉末混合物。9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，相互邻接的含Nb的杆元件(8，30)的区域(7)还包含至少一种合金组分X，其特征在于，所述含Sn的粉末(4)还包含至少一种配对组分Pk，特别地，其中所述含Sn的粉末(4)是包含粉末部分的粉末混合物，所述粉末部分包含配对组分Pk，并且其特征在于，所述合金组分X和所述配对组分Pk以这样的方式被选择和布置，以使其在反应性热处理子元件(1)时，其中来自含Sn的芯(2)的Sn和来自含Nb的杆元件(8，30)的Nb反应得到Nb3Sn...

【专利技术属性】
技术研发人员：K，
申请(专利权)人：布鲁克EAS有限公司，
类型：发明
国别省市：