氧化鋯穩定的復絲鈮-錫超導線的製作方法

2023-06-22 12:39:56

專利名稱：氧化鋯穩定的復絲鈮-錫超導線的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有至少一根超導材料的長絲的超導線。尤其是，本發明涉及一種包括氧化鋯穩定的、鈮錫超導體和基質材料的復絲超導線，以及這種復絲超導線的製造方法。
背景技術：
包括復絲的鈮基諸如鈮錫(以下簡稱"Nb^n")超導體的超導線，用於各種電磁應用，諸如磁鐵、電動機、以及變壓器。在小於17. 5K的深冷溫度下的操作過程中，為了維持該超導線中的足夠臨界電流密度，線內包括長絲的Nb^n必須具有小於約l微米的超細晶粒尺寸。用於製造復絲Nb3Sn線的一種方法是"青銅法"，其中Nb3Sn的超細晶粒是在相當低的溫度下熱處理數天而在拉成絲的鈮長絲表面上形成。 要求產生超細晶粒Nb3Sn的熱處理時間是非常耗時的和不經濟的。因此，需要一種包括由更快過程形成的超細晶粒Nb^n的超導線。同樣需要的是一種更快地製造一種包括超細晶粒Nb3Sn的復絲超導線的方法。

發明內容
本發明通過提供一種其長絲包括氧化鋯穩定的超細晶粒(在下文也簡稱為"UFG")Nb3Sn的復絲超導線滿足這些及其它需要。該超導線是通過一種包含金屬基質和至少一根具有氧化鋯(亦稱氧化鋯，並且以下簡稱為"Zr(V')沉澱的鈮合金棒的預製體的變形過程所形成。在溫度高達IIO(TC下該Zr02沉澱用於穩定該Nb3Sn的超細晶粒微結構，並且在高於以前所使用的溫度下進行熱處理時，使Nb3Sn維持超細晶粒的微結構。通過使用較高的溫度以形成Nb3Sn，熱處理需要的時間可以大大降低。 相應地，本發明一方面提供一種超導線。該超導線包括至少一根具有長絲直徑的長絲，其中至少一根長絲是連續的並且包括許多具有多個Zr02沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒，並且其中許多Nb3Sn晶粒具有平均粒徑小於該長絲直徑的約10% ;並且一種金屬基質包圍並接觸至少一根長絲，其中該金屬基質在溫度約77K以下在電學上是導電的並且具有熱膨脹係數基本上與Nb3Sn的熱膨脹係數相同或大於Nb3Sn的熱膨脹係數。
本發明的第二方面提供一種用於形成包含至少一個具有長絲直徑的長絲的超導線的預製體，其中至少一根長絲包括許多具有多個Zr02沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒，並且一種金屬基質包圍並接觸至少一根長絲。該預製體包括至少一根包括一種在固溶體內具有氧和鋯的鈮合金棒，其中鋯和氧存在的原子比例約為l : 2 ;並且一種金屬預製體基質包圍並接觸至少一根鈮合金棒，其中該金屬預製體基質包含錫。 本發明的第三方面是提供一種超導線，由一種包括至少一根包含在固溶體內具有氧和鋯的鈮合金的鈮合金棒的預製體所形成，其中鋯和氧存在的原子比例約為1 : 2，並且
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一種金屬預製體基質包圍並接觸至少一根鈮合金棒，其中該金屬預製體基質包含錫。該超導線包括多根長絲，其中多根長絲的每一根是連續的並且具有長絲直徑，其中至少一根長絲包括許多具有許多Zr02沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒，並且其中該許多Nb3Sn晶粒具有平均粒徑小於該長絲直徑的約10% ;並且一種金屬基質包圍並接觸許多長絲，其中該金屬基質在溫度77K以下在電學上是導電的並且其中熱膨脹係數基本上與Nb3Sn的熱膨脹係數相同或大於Nb3Sn的熱膨脹係數。 本發明的第四方面提供一種包括至少一根超導線的電磁器件，其中該超導線由一種包括至少一根包含在固溶體內具有氧和鋯的鈮合金的鈮合金棒的預製體所構成，其中鋯和氧存在的原子比例約為l : 2，和一種金屬預製體基質包圍並接觸至少一根鈮合金棒，和其中該金屬預製體基質包含錫。該超導線包括許多長絲，其中許多長絲的每一根具有長絲直徑，其中至少一根長絲是連續的並且包含許多具有許多Zr02沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒，其中許多Nb3Sn晶粒具有的平均粒徑小於該長絲直徑的約10% ;並且一種金屬基質包圍並接觸許多長絲，其中該金屬基質在溫度77K以下電學上是導電的並且具有的熱膨脹係數基本上與Nb3Sn的熱膨脹係數相同或大於Nb3Sn的熱膨脹係數。 本發明第五方面提供一種包括至少一根長絲的超導線的製造方法，其中至少一根長絲是連續的並且包括許多具有許多Zr02沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒，並且一種金屬基質包圍並接觸至少一根長絲。該方法包括步驟提供一種在固溶體內具有氧和鋯的鈮合金，其
中鋯和氧存在的原子比例約為l : 2 ;從該鈮合金形成至少一根鈮合金棒；對至少一根鈮合
金棒提供一種金屬基質材料；從金屬基質材料和至少一根鈮合金棒形成線；並且在預定溫度下熱處理線以預定時間，因此形式超導線。 本發明的第六方面提供一種用於包含在固溶體內具有氧和鋯的至少一根鈮合金棒的超導線的預製體的製造方法，其中鋯和氧存在的原子比例約為1 : 2，並且一種金屬預製體基質包圍並接觸至少一根鈮合金棒。該方法包括步驟提供一種在固溶體內具有氧和
鋯的鈮合金，其中鋯和氧存在的原子比例約為1 : 2 ;從鈮合金形成至少一根鈮合金棒；對該至少一根鈮合金棒提供一種金屬基質材料；通過用金屬基質材料包圍至少一根鈮合金棒
以致使金屬基質材料接觸至少一根鈮合金棒而形成預製體。 本發明第七方面提供的一種超導線包括至少一根具有長絲直徑的長絲，其中至少一根長絲是連續的並且包含許多有許多Zr02沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒，其中許多Nb3Sn晶粒具有平均粒徑小於該長絲直徑的約10% ;並且一種金屬基質包圍並接觸至少一根長絲，其中該金屬基質具有的熱膨脹係數基本上與Nb3Sn晶粒的熱膨脹係數相同或大於Nb3Sn晶粒的熱膨脹係數，並且其中超導線是由以下方法形成提供一種固溶體內具有氧和鋯的
鈮合金，其中鋯和氧存在的原子比例約為1 : 2 ;從該鈮合金形成至少一根鈮合金棒；對至
少一根鈮合金棒提供一種金屬基質材料；從金屬基質材料和至少一根鈮合金棒形成線；並且在預定溫度下熱處理線以預定時間以便形成超導線。
本發明包括 1. —種超導線100，包括a)具有長絲直徑的至少一根長絲IIO，其中所說至少一根長絲是連續的並且包括許多具有許多Zr02沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒，其中所說許多Nb3Sn晶粒具有的平均粒徑小於所說長絲直徑的約10X;以及b) —種金屬基質包圍並接觸該至少一根長絲IIO，其中該金屬基質在溫度77K以下電學上是導電的並且具有的熱膨脹
4係數基本上與Nb3Sn的熱膨脹係數相同或大於Nb3Sn的熱膨脹係數。 2.根據項1的超導線100，其中超導線IOO包括許多長絲110。 3.根據項2的超導線IOO，其中該許多長絲110包括至少一根含元素鈮、鈮鋯合金
及其組合物的長絲IIO。 4.根據項1的超導線IOO，其中該長絲的直徑小於約10微米。 5.根據項4的超導線400，其中該長絲的直徑小於約2微米。 6.根據項5的超導線IOO，其中該長絲的直徑在約2微米和約1微米之間。 7.根據項1的超導線IOO，其中該許多Nb3Sn晶粒具有平均粒徑小於約1微米。 8.根據項7的超導線100，其中該許多Nb3Sn晶粒具有平均粒徑小於約200納米。 9.根據項1的超導線IOO，其中該至少一根長絲IIO包括一個包圍元素鈮芯的
Nb3Sn外層。 10.根據項1的超導線IOO，其中該金屬基質使該至少一根長絲110具有一種壓縮應變。 11.根據項1的超導線IOO，其中該金屬基質使該至少一根長絲110具有零應變。
12.根據項1的超導線100，其中該許多Zr02沉澱在高達約IIO(TC下穩定該許多Nb3Sn晶粒。 13.根據項1的超導線IOO，其中該超導線100由一種預製體組成，該預製體包括a)至少一根鈮合金棒，該至少一根鈮合金棒包括一種在固溶體內具有氧和鋯的鈮合金，其中鋯和氧存在的原子比例約為l : 2;和b) —種金屬預製體基質包圍並接觸該至少一根鈮合金棒，其中該金屬預製體基質包含錫。 14.根據項13的超導線IOO，其中該金屬預製體基質是一種銅-錫的青銅。
15.根據項13的超導線IOO，其中該金屬預製體基質包含約5重量％和約13重量％之間的錫。 16.根據項1的超導線IOO，其中該超導線IOO與第二超導線IOO相結合以形成多層線。 17.根據項1的超導線IOO，其中該超導線100與一種第二超導線100纏繞以形成電纜。 18.根據項1的超導線IOO，其中該超導線100扁平化以形成帶。 19. —種用於形成超導線100的預製體，其中該超導線IOO包括至少一根長絲
IIO，其中該至少一根長絲110包含許多具有許多Zr02沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒和一種
金屬基質包圍並接觸該至少一根長絲IIO，該預製體包括a)至少一根鈮合金棒，該至少
一根鈮合金棒包含一種在固溶體內具有氧和鋯的鈮合金，其中鋯和氧存在的原子比例約為
1 : 2;和b)金屬預製體基質包圍並接觸該至少一根鈮合金棒，其中該金屬預製體基質包含錫。 20.根據項19的預製體，其中該金屬預製體基質包含在約5重量％和約16重量％之間的錫。 21.根據項19的預製體，其中該金屬預製體基質是一種銅_錫的青銅。
22.根據項19的預製體，其中鋯包含至高達該鈮合金的約8原子％ 。
23.根據項22的預製體，其中鋯包含至高達該鈮合金的約1原子％ 。
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24. —種超導線100，其中該超導線100由包括至少一根鈮合金棒的預製體組成，該至少一根鈮合金棒包含一種在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金，其中鋯和氧存在的原子比例約為l : 2，並且一種金屬預製體基質包圍並接觸該至少一根鈮合金棒，其中該金屬預製體基質包含錫、該超導線100包括a)許多長絲110，其中該許多長絲110的每一根具有長絲直徑，其中該許多長絲110是連續的並且包含許多具有多個Zr02沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒，其中該許多Nb3Sn晶粒具有平均粒徑小於該長絲直徑的約10% ;並且b) —種金屬基質包圍並接觸該許多長絲IIO，其中該金屬基質在溫度77K以下電學上是導電的並且具有熱膨脹係數基本上與Nb3Sn的熱膨脹係數相同或大於Nb3Sn的熱膨脹係數。
25.根據項24的超導線IOO，其中該許多長絲110包括至少一根含有元素鈮、鈮鋯合金及其混合的長絲IIO。 26.根據項24的超導線100，其中該長絲直徑小於約10微米。 27.根據項26的超導線100，其中該長絲直徑小於約2微米。 28.根據項27的超導線IOO，其中該長絲直徑在約2微米和約1微米之間。 29.根據項24的超導線100，其中該許多Nb3Sn晶粒具有平均粒徑小於約1微米。 30.根據項29的超導線100，其中該許多Nb3Sn晶粒具有平均粒徑小於約200納米。 31.根據項24的超導線IOO，其中該許多長絲110的至少一根包含一個包圍元素鈮芯的N、Sn外層。 32.根據項24的超導線100，其中該金屬基質使該許多長絲110具有一種壓縮應變。 33.根據項24的超導線100，其中該金屬基質使該許多長絲110具有零應變。
34.根據項24的超導線IOO，其中該許多Zr02沉澱在高達約IIO(TC下穩定該許多Nb3Sn晶粒。 35.根據項24的超導線100，其中該金屬預製體基質是一種銅-錫青銅。 36.根據項24的超導線100，其中該金屬預製體基質包含約5重量％和約13重
量％之間的錫。 37.根據項24的超導線100，其中該超導線100與第二超導線100相結合以形成多層線。 38.根據項24的超導線100，其中該超導線100與一種第二超導線100纏繞以形成電纜。 39.根據項24的超導線100，其中該超導線100扁平化以形成帶。
40. —種包括至少一根超導線100的電磁器件，其中該超導線100由包含至少一根鈮合金棒的預製體構成，該至少一根鈮合金棒包括一種在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金，其中鋯和氧存在的原子比例約為1 : 2，並且一種金屬預製體基質包圍並接觸該至少一根鈮合金棒，其中該金屬預製體基質包含錫，該超導線100包括a)許多長絲110，其中該許多長絲的每一根具有長絲直徑，其中至少一根長絲是連續的並且包含許多具有許多Zr02沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒，其中該許多Nb3Sn晶粒具有平均粒徑小於該長絲直徑的約10%;並且b) —種金屬基質包圍並接觸該許多長絲110，其中該金屬基質在溫度77K以下電學上是導電的並且具有熱膨脹係數基本上與Nb3Sn的熱膨脹係數相同或大於Nb3Sn的熱膨脹係數。
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41.根據項40的電磁器件，其中該金屬預製體基質是一種銅_錫青銅。 42.根據項40的電磁器件，其中該金屬預製體基質包含約5原子％和約13原子％
之間的錫。 43.根據項40的電磁器件，其中該電磁器件是一種超導磁體、一種電動機、一種變 壓器和一種發電器中的一種。 44.根據項43的電磁器件，其中該電磁器件是一種超導磁體，並且其中該超導磁 體結合進一種核磁共振機系統。 45. —種超導線100的製造方法，該超導線100包括至少一根長絲110，其中該至 少一根長絲110是連續的並且包含許多具有許多Zr02沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒並且一種 金屬基質包圍並接觸該至少一根長絲110，該方法包括步驟a)提供一種在固溶體內具有 鋯和氧的鈮，其中鋯和氧存在的原子比例約為1 : 2 ;b)從該鈮合金形成至少一根鈮合金 棒；c)對至少一根鈮合金棒提供一種金屬基質材料；d)從該金屬基質材料和該至少一根鈮 合金棒形成線；和e)在預定溫度下熱處理該線以預定時間，從而形成超導線100。
46.根據項45的方法，其中提供一種在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金的步驟包 括a)提供一種包括元素鈮和Nb205的合金；b)分解鈮合金以形成具有氧溶解其中的元素 鈮；c)對具有氧溶解其中的元素鈮提供鋯，其中鋯和氧存在的比例約為l : 2;和d)形成一 種在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金。 47.根據項46的方法，其中該分解鈮合金以形成具有氧溶解其中的元素鈮的步驟 包括真空電弧熔化合金以形成具有氧溶解其中的元素鈮。 48.根據項46的方法，其中一種包括在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金的形成步驟 包括真空電弧再熔鋯和具有氧溶解其中的元素鈮以形成在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金。
49.根據項48的方法，進一步包括使鈮合金均勻的步驟。 50.根據項49的方法，其中該使鈮合金均勻的步驟包括在預定溫度下熱處理鈮合 金以預定時間。 51.根據項45的方法，其中從該鈮合金形成至少一根鈮合金棒的步驟包括一種
電子放電研磨鈮合金以由此形成至少一根鈮合金棒，從該鈮合金澆鑄形成至少一根鈮合金
棒，從該鈮合金擠壓形成至少一個棒，和從該鈮合金拉拔形成至少一根鈮合金棒。 52.根據項51的方法，進一步包括冷加工至少一根鈮合金棒的步驟。 53.根據項52的方法，其中該冷加工至少一根鈮合金棒的步驟包括至少鍛造、擠
壓成形和拉拔至少一根鈮合金棒中的一種。 54.根據項45的方法，其中該從該金屬基質材料和至少一根鈮合金棒中形成線的 步驟包括a)通過用金屬基質材料圍繞至少一根鈮合金棒以致該金屬基質材料接觸至少 一根鈮合金棒，而形成預製體；和b)從該預製體形成線。 55.根據項54的方法，其中從該預製體形成線的步驟包括擠壓該線，接著是拉拔 該線和鍛造該線中的一種。 56.該根據項55的方法，在拉拔該線和鍛造該線後還包括該線再堆積的步驟其中
該線再堆積的步驟包括擠壓該線，接著拉拔該線和鍛造該線中的一種。 57.根據項56的方法，其中該再堆積步驟重複至少一次。 58.根據項45的方法，其中在預定溫度熱處理該線以預定時間的步驟包括在約70(TC和約IIO(TC溫度下熱處理該線高達約48小時。 59.根據項45的方法，其中在預定溫度下熱處理該線以預定時間的步驟包括纏繞 該線和在纏繞該線之後在預定溫度下熱處理該線以預定時間。 60. —種用於超導線100的預製體的製造方法，其中該預製體包括至少一根鈮合 金棒，至少一根鈮合金棒包含一種在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金，並且一種金屬預製體 基質包圍並接觸該至少一根鈮合金棒，該方法包括步驟a)提供一種在固溶體內具有鋯和 氧鈮合金，其中鋯和氧存在的原子比例約為1 : 2 ;b)從該鈮合金形成至少一根鈮合金棒； c)對至少一根鈮合金棒提供一種金屬基質材料；和d)通過用金屬基質材料圍繞至少一根 鈮合金棒以致使該金屬基質材料接觸至少一根鈮合金棒而形成預製體。
61.根據項60的方法，其中提供一種在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金的步驟包 括a)提供一種包括元素鈮和Nb205的合金；b)分解鈮合金以形成具有氧溶解其中的元素 鈮；c)對具有氧溶解其中的元素鈮中提供鋯，其中鋯和氧存在的比例約為l : 2;和d)形成 在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金。 62.根據項61的方法，其中分解鈮合金以形成具有氧溶解其中的元素鈮的步驟包 括真空電弧熔化合金以形成具有氧溶解其中的元素鈮。 63.根據項62的方法，其中在固溶體裡具有鋯和氧的鈮合金的形成步驟包括真空 電弧再熔鋯和具有氧溶解其中的元素鈮合金以形成在固溶體內具有鋯和氧的鈮 合金。
64.根據項63的方法，進一步包括使鈮合金均勻的步驟。 65.根據項64的方法，其中使鈮合金均勻的步驟包括在預定溫度下熱處理鈮合金 以預定時間。 66.根據項60的方法，其中從鈮合金形成至少一根鈮合金棒的步驟包括一個電子
放電研磨鈮合金以形成至少一根鈮合金棒，從鈮合金澆鑄至少一根鈮合金棒，從鈮合金擠
壓成形至少一個棒，和從鈮合金拉拔成至少一根鈮合金棒。 67.根據項60的方法，進一步包括冷加工至少一根鈮合金棒的步驟。 68.根據項67的方法，其中該冷加工至少一根鈮合金棒的步驟包括至少鍛造、擠
壓成形和拉拔至少一根鈮合金棒中之一種。 69. —種超導線IOO，該超導線IOO包括a)具有長絲直徑的至少一根長絲IIO，其 中該至少一根長絲是連續的並且包含許多具有許多Zr02沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒，其中 該許多Nb3Sn晶粒具有平均粒徑小於該長絲直徑的約10X;並且b) —種金屬基質包圍並接 觸至少一根長絲110，其中該金屬基質具有熱膨脹係數基本上與Nb3Sn的熱膨脹係數相同或 大於N、Sn的熱膨脹係數；其中該超導線100由以下步驟形成提供一種在固溶體內具有鋯
和氧的鈮合金，其中鋯和氧存在的原子比為2 : 1 ;從該鈮合金形成至少一根鈮合金棒；對 至少一根鈮合金棒提供一種金屬基質材料；從該金屬基質材料和至少一根鈮合金棒中形成 線；並且在預定溫度下熱處理該線以預定時間而形成該超導線100。 從下面的詳細說明、附圖以及所附權利要求書能清楚看出本發明這些及其它方 面、優點、和顯著特點。


圖1是表示本發明超導線的剖視示意圖。
具體實施例方式
在下文中，相似的標記符號是指圖中所示的幾個圖的類似或相應部分。也要理解
術語諸如"頂部"、"底部"、"向外"、"向內"等等，為表述方便而不是限制性術語。 通常參考附圖並且特別是圖l，可理解說明是為了描述本發明的一個實施方案而
不是限制本發明。 圖1是表示本發明超導線100的剖面圖。超導線100包括至少一根長絲110。盡 管在圖1所示的有七根這樣的長絲110，包含在超導線100之內的長絲100的數目沒有限 制。例如超導線100可以包括一種單長絲。 長絲110包括許多形成連續長絲110的鈮_錫(以下簡稱為"Nb3Sn")晶粒。許 多氧化鋯(以下簡稱為"Zr0/)沉澱存在於許多Nb^n晶粒中。在溫度高達IIO(TC時該 Zr02沉澱用於穩定Nb3Sn的超細晶粒微結構，並且抑制Nb3Sn晶粒生長，因此在高於以前使 用的溫度下，使Nb3Sn可維持超細晶粒的微結構。至少一種半粘結的Zr02沉澱存在於許多 Nb3Sn晶粒的每一個中以穩定每一個Nb3Sn晶粒並且抑制Nb3Sn晶粒生長。
具有Zr02沉澱的超導Nb3Sn以前已有描述於:Mark G. Benz ， Howard R. Hart ， Jr. ， Melissa L Murray, Robert L Zabala， Bruce A. K皿dsen禾口 ThomasR Raber的美 國專利5， 505， 790，題目為"Method for Enhancing Critical Currentin Triniobium Tin，，， 1999年4月9日公開；Melissa L. Murray, Mark G. Benz，禾口 Bruce A. K皿dsen的美 國專利5， 522， 945、題目為"Method for FormingTriniobium Tin Superconductor with Bismuth，，， 1996年6月4日公開；Neil A. Johnson, Melissa L Murray, Thomas R. Raber 禾口Mark G. Benz的美國專利5， 540， 787，題目為"Method for Forming Triniobium Tin Superconductor", 1996年7月30日公開；禾口 Mark G. Benz， Neil A. Johnson, Melissa L. Murray, Robert J. Zabala， Louis E. Hibbs， Jr.，禾口 Bruce A. K皿dsen的美國專利 5， 472， 936，題目為"Method for Making Triniobium Tin Semiconductor" 1995年12月5 日公開，這些以全文引入本文作參考。 許多Nb3Sn晶粒是具有平均粒徑小於該長絲110直徑的約10%的超細晶粒(同樣， 在下文中簡稱為"UFG")。該長絲110的直徑是小於約10微米；當線100彎曲或纏繞時，粗 絲更容易折斷，這對於線100在應用中是普遍的。在一個實施方案中，長絲110具有直徑小 於約2微米，並且優選的是在約1微米和約2微米之間。同樣地，較大Nb3Sn顆粒尺寸妨礙 長絲110的彎曲能力。許多Nb3Sn晶粒的平均粒徑是小於約1微米，並且優選的是，小於約 200納米。 在一個實施方案中，線IOO進一步包括至少一根包括另一種超導材料諸如，但不 局限於，元素鈮、鈮鋯合金及其混合的長絲110。 至少一根長絲110是由一種金屬基質120圍繞，該金屬基質包圍並接觸至少一根 長絲IIO。金屬基質材料120在深冷溫度下(也就是約77K以下)電學上是導電的，為了 防止線100在室溫和深冷溫度循環過程中破損，金屬基質具有與形成該至少一根長絲110 的許多Nb3Sn晶粒相容的熱膨脹係數。在4. 2K到456K的溫度範圍中，Nb3Sn具有熱膨脹系 數(AL/L。)為0. 282%。當金屬基質120具有的熱膨脹係數基本上與Nb3Sn的熱膨脹係數 相同時，至少一根長絲110具有零應變。當金屬基質120具有熱膨脹係數大於Nb3Sn的熱膨脹係數時，使至少一根長絲iio具有壓縮應變-它易於增加至少一根長絲110和超導線 100的臨界電流。如果當金屬基質120具有熱膨脹係數小於Nb^n的熱膨脹係數時，使至少 一根長絲110具有拉伸應變_它易於降低至少一根長絲110和超導線100的臨界電流。因 此，金屬基質120應該具有的熱膨脹係數基本上與Nb3Sn的熱膨脹係數相同或大於Nb3Sn的 熱膨脹係數。 金屬基質120由一種包括錫的金屬預製體基質組成。在一個實施方案中，該金屬 預製體基質是一種銅_錫的青銅。該金屬預製體基質優選的是包括約5原子％到約13原 子％的錫。 本發明的超導線100是通過首先是由一種包含鈮、鋯、和氧的鈮合金形成，其中鋯
和氧存在的比例約為i : 2(也就是，zr : o大致為i : 2)。在本發明的一個實施方案中，
該鈮合金的製備通過首先熔化，優選是通過真空電弧熔化，一種元素鈮和氧化鈮(以下簡
稱"唚205")的合金進行分解唚205並且產生元素鈮的坯料，其中在元素鈮的坯料中溶解約 1到約3原子％的氧。然後將鋯提供到鈮坯料中。提供足夠量的鋯以致使鋯和氧存在的比
例為約i : 2。鋯可以包含高達鈮坯料的8原子％。在一個實施方案中，提供足夠的以包括
約鈮合金的1原子％的量鋯。該鈮坯料和鋯然後熔化，優選的是通過真空電弧再熔化，以形
成鈮合金，其中在再熔化坯料內固溶體中鋯和氧存在的原子比例約為i : 2。在一個實施方
案中，再熔化的鈮合金坯料，現在在固溶體中包含氧和鋯，在約50(TC到90(rC溫度內熱處
理以使該再熔化鈮合金坯料均勻。 再熔化鈮的合金坯料，現在包含鋯和氧的固溶體，緊接著形成至少一根鈮合金棒。
至少一根鈮合金棒可以由各種方法形成。在一個實施方案中，至少一根鈮合金棒是從再熔 化坯料的電子放電研磨形成。或者，至少一根鈮合金棒可以由其它技術形成，諸如，但不限 於從再熔化鈮合金坯料澆鑄至少一根鈮合金棒，從再熔化鈮合金坯料拉拔形成至少一根鈮 合金棒，和從再熔化鈮合金坯料擠壓成至少一根鈮合金棒。 一旦成形，通過冷加工至少一根 鈮合金棒，至少一根鈮合金棒的機械加工性可以更進一步增加。可以使用的冷加工方法包 括，但是不限於，鍛造、擠壓、拉絲等等。 然後對至少一根鈮合金棒提供一種金屬基質材料以形成預製件，其中使金屬基質 材料包圍並且接觸至少一根鈮合金棒。在一個實施方案中，提供金屬基質材料到至少一根 鈮合金棒中以形成金屬基質材料包圍並接觸至少一根鈮合金棒的預製體。該金屬基質材料 包括約5重量％到約13重量％的錫。在一個實施方案中，該金屬基質材料是一種銅-錫的 青銅。該預製體可以由一張金屬基質材料包裹至少一根鈮合金棒周圍而形成。或者，該預 制體可以通過提供固體形式的金屬基質材料，通過該材料進行鑽孔並插入至少一根鈮合金 棒進入固體形狀的基質材料。 然後金屬基質材料和至少一根鈮合金棒通過首先擠壓預製體，接著是拉拔或者鍛 造擠壓成形預製體而製成線。 一旦拉拔或鍛造，預製體可以通過重複擠壓步驟，接著是拉拔 或鍛造步驟而再堆積，以便獲得所需要的線直徑。再堆積步驟可以根據需要重複多次直至 獲得所要求線直徑。所得到的線包括由金屬基質材料圍繞的至少一根長絲，其中至少一根 長絲包括一種在固溶體內具有氧和鋯的原子比例約為1:2的鈮合金。
在線形成後，在預定溫度下熱處理線以預定時間，以形成包括由許多具有許多 Zr02沉澱的N、Sn晶粒形成長絲的超導線100。在一個實施方案中，拉拔或鍛造的線在約70(TC到110(TC溫度下熱處理高達48小時。在熱處理過程中，錫從青銅金屬基質材料擴散 進入到至少一根長絲並且與其中的元素鈮反應以在長絲中形成Nb3Sn晶粒。該Nb3Sn晶粒 通常含有ZrOd冗澱。 在有些情況下，錫不完全擴散進入到至少一根長絲110內。因此，至少一根長絲 110可以包含一種包圍含元素鈮的芯的Nb3Sn晶粒反應層。 因為Nb3Sn是一種脆性材料，當超導線100例如和其它的線纏繞以形成電纜或圍 繞磁鐵或電動機電樞纏繞時，該超導線100的至少一根長絲IIO可能受破損。這些困難可 以通過在熱處理前進行纏繞拉拔或鍛造線而克服。 超導線IOO可形成類似的電學上導電的結構，包括但不限於，扁平帶，由多線形成
的多層線，和纏繞多線的電纜。發現超導線ioo應用於電磁儀器諸如，但不局限於，超導的 磁鐵，諸如Evangelos Trifon Laskaris禾口MichaelAnthony Palmo的美國專利6， 172， 588， 題目為"Apparatus and Method for aSuperconductive Magnet with Pole Piece，，所描 述，2001年1月9日公開，該文獻在此全文引用作為參考；電動機；變壓器與發電器。這種 電磁儀器又可以組合進更大的系統中，例如一種核磁共振機系統。 為了說明，列出了典型的實施方案，然而上述說明不應認為是限制本發明的範圍。 相應地，對於本領域技術人員在不背離本發明的精神和範圍下可以進行各種改進，修改，和變換。
1權利要求
一種超導線(100)的製造方法，該超導線(100)包括至少一根長絲(110)，其中所說至少一根長絲(110)是連續的並且包含許多具有許多ZrO2沉澱配置其中的Nb3Sn晶粒並且一種金屬基質包圍並接觸所說至少一根長絲(110)，該方法包括步驟a)提供一種在固溶體內具有鋯和氧的鈮，其中鋯和氧存在的原子比例約為1∶2；b)從該鈮合金形成至少一根鈮合金棒；c)對至少一根鈮合金棒提供一種金屬基質材料；d)從該金屬基質材料和該至少一根鈮合金棒形成線；和e)在預定溫度下熱處理該線以預定時間，從而形成超導線(100)。
2. 根據權利要求l的方法，其中提供一種在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金的步驟包括a) 提供一種包括元素鈮和Nb205的合金；b) 分解鈮合金以形成具有氧溶解其中的元素鈮；c) 對具有氧溶解其中的元素鈮提供鋯，其中鋯和氧存在的比例約為1 : 2;禾口d) 形成一種在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金。
3. 根據權利要求2的方法，其中該分解鈮合金以形成具有氧溶解其中的元素鈮的步驟 包括真空電弧熔化合金以形成具有氧溶解其中的元素鈮。
4. 根據權利要求2的方法，其中一種包括在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金的形成步驟 包括真空電弧再熔鋯和具有氧溶解其中的元素鈮以形成在固溶體內具有鋯和氧的鈮合金。
5. 根據權利要求4的方法，進一步包括使鈮合金均勻的步驟。
6. 根據權利要求5的方法，其中該使鈮合金均勻的步驟包括在預定溫度下熱處理鈮合 金以預定時間。
7. 根據權利要求l的方法，其中從該鈮合金形成至少一根鈮合金棒的步驟包括一種 電子放電研磨鈮合金以由此形成至少一根鈮合金棒，從該鈮合金澆鑄形成至少一根鈮合金 棒，從該鈮合金擠壓形成至少一個棒，和從該鈮合金拉拔形成至少一根鈮合金棒。
8. 根據權利要求7的方法，進一步包括冷加工至少一根鈮合金棒的步驟。
9. 根據權利要求8的方法，其中該冷加工至少一根鈮合金棒的步驟包括至少鍛造、擠 壓成形和拉拔至少一根鈮合金棒中的一種。
10. 根據權利要求l的方法，其中該從該金屬基質材料和至少一根鈮合金棒中形成線 的步驟包括a) 通過用金屬基質材料圍繞至少一根鈮合金棒以致該金屬基質材料接觸至少一根鈮 合金棒，而形成預製體；禾口b) 從該預製體形成線。
全文摘要
一種復絲超導線(100)，其中該長絲(110)包括氧化鋯穩定的超細晶粒Nb3Sn。該超導線(100)是通過拉拔一種包含金屬基質和在固溶體內具有鋯和氧的至少一根鈮合金棒，並且在有錫的情況下熱處理該拉拔線以得到至少一個包括具有半粘結ZrO2沉澱配置其中的超細晶粒Nb3Sn的連續絲(110)而形成。在溫度高達1100℃時ZrO2沉澱穩定Nb3Sn的超細晶粒的微結構，並且在大於以前使用的溫度下熱處理時，使Nb3Sn維持超細晶粒的微結構。通過使用較高的溫度以形成Nb3Sn，熱處理需要的時間可以大大降低。
文檔編號H01B12/10GK101702344SQ200910206429
公開日2010年5月5日 申請日期2002年10月15日 優先權日2001年11月5日
發明者託馬斯·R·拉伯, 西奧多·M·埃夫登, 賈德森·S·馬特, 馬克·G·本茲 申請人:通用電氣公司