技術領域

本發明涉及一種實用化的低溫合金超導線材的制作方法，尤其涉及一種Nb₃Al超導線材前驅體導線的制作方法。

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（11.8T），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更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。

Nb₃Al超導線材制備是將截面積比為1:3的Al和Nb通過機械復合后，加工成長線，然后經過熱處理，使得熔融的Al向固相Nb擴散，反應生成Nb₃Al超導線材。在前驅體導線制備中，Al與Nb的復合方式可以采用套管法或者卷繞法。前者是將Al棒插入到Nb管中，然后通過拉拔制成單芯棒，而后者是將Al箔和Nb箔以Nb棒為中心進行卷繞，然后通過拉拔制作成單芯棒。由于Nb₃Al超導體主要通過熔融的Al向固相Nb擴散生成，反應過程如下：

Nb（s）+Al（l）→NbAl₃+Nb→Nb₂Al+Nb→Nb₃Al。

所以，與套管法相比，卷繞法中Nb與Al的擴散距離更短，更容易完全反應生成Nb₃Al超導體。

但是，由于Al與Nb的硬度相差非常大，在長線加工過程中會出現加工變形不匹配的問題。卷繞法中，是將厚度比為1:3的Al箔和Nb箔進行卷繞，由于Al的硬度較小，變形較快，當加工到一定長度后，在導線的截面中Al與Nb的面積比就會小于是1:3，因此，在Al與Nb反應過程中，無法完全生成Nb₃Al，而是存在剩余的Nb。

發明內容

本發明的目的在于提供一種Nb₃Al超導線材前驅體導線的制作方法，解決了現有技術由于Al箔和Nb箔變形不匹配，導致Nb₃Al卷繞法加工過程中Al與Nb的面積比小于1:3，從而無法完全生成Nb₃Al的問題。

本發明具體的技術方案是：一種Nb₃Al超導線材前軀體導線的制作方法，包括如下步驟：

制作復合棒：以Nb棒為中心，將厚度比為3:1的Nb箔和Al合金箔進行卷繞，卷繞后的直徑不大于Nb管的內徑，并裝入Nb管內，然后以每分鐘1~10米的速率進行拉拔加工，制備得Nb／Al合金復合棒；

組裝并密封：將至少兩根所述Nb／Al合金復合棒裝入Cu包套管內，并采用焊接的方式將Cu包套管密封，形成復合錠體；

熱擠出加工：將所述復合錠體在4000kN~6000kN的壓力下進行等靜壓加工，然后預加熱到100℃~500℃，并在4000kN~40,000kN的推力作用下，以每分鐘0.5m~5.0m速率進行熱擠出加工，獲得Cu包套的復合棒材。

拉拔加工：將所述復合棒材以每道次10%~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0.50~1.50mm的Nb₃Al超導線材前軀體導線。