郭 強(qiáng)，張平祥，2，馮 勇，劉向宏，李建峰，王瑞龍

(1.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司 超導(dǎo)材料制備國家工程實驗室，陜西 西安 710018)(2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

0 引 言

強(qiáng)流重離子加速器裝置(High intensity heavy-ion accelerator facility， HIAF)是中科院近代物理研究所提出的“十二五”重大科研設(shè)施，其目的是解決我國空間探索和核能開發(fā)領(lǐng)域中與粒子輻射相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)難題以及探索原子核存在極限和奇特結(jié)構(gòu)、宇宙中鐵以上重元素的來源、高能量密度物質(zhì)性質(zhì)等重大前沿科學(xué)問題[1-2]。該裝置中的部分磁體將采用超導(dǎo)技術(shù)。為了獲得強(qiáng)流重離子束，磁鐵系統(tǒng)需在快脈沖循環(huán)方式下(±2.25 T/s)工作。在快脈沖磁場中，超導(dǎo)電纜會產(chǎn)生交流損耗，從而影響磁體運(yùn)行的穩(wěn)定性。液氦內(nèi)冷超導(dǎo)電纜工作在變化的磁場中，將產(chǎn)生交流損耗，主要包括超導(dǎo)線的磁滯損耗和耦合電流損耗、超導(dǎo)線之間的耦合損耗及銅鎳管道的渦流損耗[3]。

目前，國際上低損耗NbTi超導(dǎo)線材的研究機(jī)構(gòu)主要有美國LUVATA公司、德國BRUKER EAS公司以及中國西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司。為了提高該種超導(dǎo)線材的臨界電流密度，要求超導(dǎo)芯絲必須在5 μm以下不發(fā)生斷裂。為了降低NbTi超導(dǎo)線的損耗，各國均在超導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計和基體材料的選擇上開展了相關(guān)研究[4]。在國內(nèi)，隨著HIAF項目的啟動，即近代物理研究所對NbTi超導(dǎo)線提出了新的要求，提高臨界電流密度(Jc)的同時盡可能降低渦流損耗和磁滯損耗。在工程方面，為了使制備出的超導(dǎo)線材能夠應(yīng)用于特種磁體上，要求線材長度必須達(dá)到一定值以上，這就要求線材所使用的原材料具有極高的均勻性。

本研究以Cu5Ni合金為基體，設(shè)計并制備芯數(shù)分別為12 960芯和10 800芯的NbTi超導(dǎo)線，系統(tǒng)分析了NbTi/Cu5Ni超導(dǎo)線的截面形貌、芯絲形貌、磁滯損耗及時效熱處理次數(shù)對其臨界電流密度和n值的影響，探索千米級NbTi/Cu5Ni超導(dǎo)長線的制備工藝，為重離子裝置的研制提供材料基礎(chǔ)。

1 實 驗

表1為2種新型結(jié)構(gòu)的NbTi超導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，芯數(shù)分別為12 960芯和10 800芯，芯絲直徑分別為4.1 μm和4.4 μm，銅比為2.0。線材制備均在西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司完成?；竟に囘^程分為以下3步：①單芯棒的制備：將Cu5Ni管、Nb片和NbTi棒進(jìn)行清洗、組裝、焊接、擠壓和多道次拉拔，獲得一次六方棒；②二次復(fù)合棒的制備：將Cu管和360支一次六方單芯棒進(jìn)行清洗、組裝、擠壓和多道次拉拔獲得二次六方棒；③三次復(fù)合線的制備：將Cu管和30支二次六方單芯棒進(jìn)行清洗、組裝、焊接、擠壓和多道次拉拔，時效熱處理獲得10 800芯線材；將Cu管和36支二次六方單芯棒進(jìn)行清洗、組裝、焊接、擠壓和多道次拉拔，時效熱處理獲得12 960芯線材。線材扭矩為9～11 mm，最終將線材冷拉伸至φ0.8 mm。

表1NbTi/Cu5Ni超導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

Table 1 Structure design parameters of NbTi/Cu5Ni wires

2種超導(dǎo)線材的時效熱處理溫度為420 ℃，每次時效時間為20 h，時效次數(shù)分別為3、4、5次。采用純Nb片阻礙NbTi合金與基體在時效熱處理過程中擴(kuò)散反應(yīng)形成TiCu化合物，從而避免對超導(dǎo)線材的加工性能和臨界電流密度產(chǎn)生影響。

采用金相顯微鏡觀察樣品的截面形貌，采用JSM-6460掃描電鏡觀察芯絲形貌，采用化學(xué)稱重法測量超導(dǎo)線材的銅比。將長度為1.2 m的超導(dǎo)線材纏繞在TC4鈦合金骨架上，測量5、6、7 T磁場下的臨界電流，判據(jù)為0.1 μV/cm。通過臨界電流、銅比及線材面積計算不同磁場條件下的臨界電流密度。在測試臨界電流時獲得的電流電壓曲線上，將0.1 μV/cm和1 μV/cm的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合獲得的直線斜率即為n值。

將2種新型結(jié)構(gòu)的Cu5Ni基NbTi超導(dǎo)線材拉伸至不同規(guī)格(直徑分別為0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.2 mm)，獲得不同芯絲直徑的Cu5Ni基NbTi超導(dǎo)線材。依據(jù)IEC 61788—2013標(biāo)準(zhǔn)，在寧波材料研究所利用振動樣品磁強(qiáng)計(VSM)測試樣品的磁滯損耗(Qh)，測試磁場為±3 T。

2 結(jié)果與分析

2.1 多芯NbTi超導(dǎo)線材的截面及芯絲形貌分析

圖1為2種新型結(jié)構(gòu)NbTi超導(dǎo)線材的截面整體形貌和單個亞組元形貌。從圖1a可以看出，10 800芯線材的整體變形良好，30個亞組元與初始組裝后截面相當(dāng)，表明在擠壓和拉拔變形過程中NbTi合金和Cu5Ni合金的協(xié)調(diào)變形較好。從圖1b可以看出，單個亞組元中共360根超導(dǎo)芯絲，從亞組元心部到邊部，芯絲變形逐漸由近似圓形變?yōu)槔L的菱形，特別在亞組元最外層，芯絲被嚴(yán)重拉長，表明亞組元在拉拔過程中NbTi合金和Cu5Ni合金的協(xié)調(diào)變形較差。主要原因在于Cu5Ni合金的加工硬化效果遠(yuǎn)高于高純無氧銅，與NbTi的楊氏模量差異較大。從圖1c、d可以看出，12 960芯線材整體變形良好，36個亞組元與初始組裝后截面相當(dāng)，亞組元整體分布均勻，表明在擠壓和拉拔變形過程中NbTi合金和Cu5Ni合金的協(xié)調(diào)變形較好。與10 800芯線材相同，亞組元心部和邊部芯絲形狀差異較大。邊部芯絲變?yōu)榱庑?，不利于芯絲在縱向的連續(xù)性，可能出現(xiàn)斷芯的風(fēng)險，因此需要在后續(xù)的工藝過程中優(yōu)化改善。

圖1 10 800芯和12 960芯NbTi/Cu5Ni超導(dǎo)線材截面形貌Fig.1 Cross sections morphologies of NbTi/Cu5Ni wires：(a)10 800-filament；(b)sub-element of 10 800-filament wire；(c)12 960-filament；(d)sub-element of 12 960-filament wire

圖2為不同次數(shù)時效熱處理工藝后12 960芯NbTi/Cu5Ni超導(dǎo)線材的芯絲表面形貌。從圖2可以看出，最終芯絲直徑約為4.1 μm，在縱向未形成香腸狀形貌，表明制備線材所使用的NbTi棒(初始尺寸為190 mm)成分均勻性和組織均勻性較好，直徑由190 mm深度加工變形到4.1 μm后，單根芯絲不同位置的尺寸仍然保持一致。線材分別經(jīng)過3次和4次時效熱處理后，其芯絲表面整體光滑平整，粗細(xì)均勻。時效熱處理次數(shù)增加至5次，芯絲表面有顆粒狀的CuTi化合物生成，如圖2c所示。

圖2 不同次數(shù)時效熱處理后12 960芯NbTi/Cu5Ni超導(dǎo)線芯絲表面形貌Fig.2 Surface morphologies of filaments in the 12 960-NbTi/Cu5Ni wires after different aging heat treatments： (a)3 times；(b)4 times；(c)5 times

NbTi超導(dǎo)體中的超導(dǎo)相為β相，釘扎相為α沉淀相。α沉淀相的析出數(shù)量、密度、尺寸、彌散程度極大地影響磁通釘扎力，進(jìn)而影響臨界電流密度[5-7]。李建峰[8]對NbTi/Cu超導(dǎo)線分別進(jìn)行60 h(15 h×4次)和120 h(40 h×4次)的時效熱處理，研究發(fā)現(xiàn)，長時間的熱處理有利于NbTi/Cu超導(dǎo)線材臨界電流密度的提高。單次時效時間延長會導(dǎo)致α沉淀相的過度長大，在同等應(yīng)變的條件下無法有效細(xì)化α沉淀相，α沉淀相尺寸和分布大于磁通格子時，不能產(chǎn)生有效的磁通釘扎力，使臨界電流密度有一定的降低。但另一方面，長時間時效又會使α沉淀相的密度增大，從而使臨界電流密度有一定提高。如果時效使臨界電流密度升高和降低的幅度基本相當(dāng)，會導(dǎo)致最終臨界電流密度基本不發(fā)生變化。因此本研究將時效熱處理次數(shù)定為3～5次，目的是提高Cu5Ni基NbTi超導(dǎo)線材的臨界電流密度。但是長時間多次的時效熱處理又會帶來NbTi和Cu的擴(kuò)散反應(yīng)，因此在單芯棒組裝過程中加入Nb片阻礙該反應(yīng)過程。從圖2c中可以看出，即使加入阻隔層，在經(jīng)過5次時效處理后，Ti與Cu仍然發(fā)生了擴(kuò)散反應(yīng)，形成CuTi化合物顆粒。該化合物顆粒的生成對線材的加工性能是不利的，特別是不利于長線材的制備，因此在批量化生產(chǎn)過程中時效熱處理次數(shù)應(yīng)控制在4次。

2.2 不同時效熱處理次數(shù)線材的低溫性能分析

研究表明[8]，對于相對多次時效熱處理的樣品來說，其體內(nèi)的α-Ti沉淀相更細(xì)小，密度更高，分布彌散，而且亞晶粒直徑更小，使NbTi超導(dǎo)線的磁通釘扎力顯著提高，因而其臨界電流密度比相對時效次數(shù)少的樣品高。時效熱處理次數(shù)對NbTi超導(dǎo)線材性能的影響在于多次時效熱處理與冷加工相結(jié)合是否恰當(dāng)。在冷加工中產(chǎn)生的亞帶內(nèi)包含大量的“亞帶”核，在隨后的熱處理期間，α-Ti在這些位置沉淀，使得亞帶在進(jìn)一步的冷加工過程中細(xì)化。由于亞帶邊界是α-Ti優(yōu)先析出處，因此，亞帶的細(xì)化又促使時效處理時析出的α-Ti更彌散分布。在NbTi超導(dǎo)線材中，主要的釘扎相是在時效過程中析出的α-Ti，當(dāng)α-Ti的尺寸和間距同磁通格子相匹配時產(chǎn)生最大的釘扎力。因此時效總時間相同時，多次短時間時效能夠顯著提高臨界電流密度[9-12]。

本研究對2種新型結(jié)構(gòu)的Cu5Ni基NbTi超導(dǎo)線材分別進(jìn)行3、4、5次時效熱處理，通過優(yōu)化時效次數(shù)來提高線材臨界電流密度。表2為10 800芯和12 960芯線材經(jīng)過不同次數(shù)時效熱處理后的臨界電流密度。從表2可以看出，隨時效熱處理次數(shù)由3次增加至5次，10 800芯線材Jc(4.2 K，5 T)由2 295 A/mm2逐漸提高到2 902 A/mm2，當(dāng)時效熱處理次數(shù)為5次時，線材均具有最高的臨界電流密度，增加幅度較為明顯。隨時效熱處理次數(shù)由3次增加至5次，12 960芯線材Jc(4.2 K，5 T)由2 395 A/mm2逐漸提高到2 871 A/mm2，同樣在時效熱處理次數(shù)為5次時，線材具有最高的臨界電流密度。從表2中也可以看到，時效熱處理工藝相同時，12 960芯線材的臨界電流密度與10 800線材幾乎相當(dāng)。芯數(shù)增多，芯絲直徑減少，但臨界電流密度幾乎不變，表明12 960芯線材中未發(fā)生斷芯現(xiàn)象。

表2經(jīng)不同次數(shù)時效熱處理后NbTi/Cu5Ni超導(dǎo)線材的Jc值(A/mm2)

Table 2 The Jc value of NbTi/Cu5Ni wires after different times of aging heat treatments

表3為NbTi/Cu5Ni超導(dǎo)線材經(jīng)過不同次數(shù)時效熱處理后的n值。由表3可知，2種線材在不同時效熱處理次數(shù)條件下的n值基本一致，均在34～37之間變化。n值可以表征芯絲變形均勻性及斷芯程度。n值基本一致表明了芯絲變形均勻一致，未發(fā)生香腸狀現(xiàn)象。隨著芯數(shù)增加，芯絲尺寸變小，n值基本一致，也表明芯絲未發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

表3NbTi/Cu5Ni超導(dǎo)線材經(jīng)不同次數(shù)時效熱處理后的n值(4.2K，5T)

Table 3 The n value of NbTi/Cu5Ni wires after different times of aging heat treatment

2.3 線材磁滯損耗性能分析

圖3分別為10 800芯和12 960芯NbTi/Cu5Ni超導(dǎo)線材在4.2 K、±3 T條件下的M-H曲線圖。從圖3可以看出，2種新型結(jié)構(gòu)的Cu5Ni基NbTi超導(dǎo)線材在外加磁場為3 T下，M-H曲線仍沒有閉合，表現(xiàn)出良好的抗磁性。通過擬合M-H曲線面積和理論計算，獲得了2支線材在±3 T磁場下的磁滯損耗。10 800芯和12 960芯線材的磁滯損耗分別為40.3、34.2 mJ/cm3。圖4為不同規(guī)格的Cu5Ni基NbTi超導(dǎo)線材的磁滯損耗隨芯絲直徑的變化曲線。從圖4可以看出，隨著線材芯絲直徑的減小，磁滯損耗逐漸降低，當(dāng)線材芯絲直徑由4.6 μm減小到2.6 μm時，磁滯損耗由40.3 mJ/cm3降低至18.2 mJ/cm3。因此，通過減小線材的芯絲直徑，可有效降低線材的磁滯損耗。

2.4 Cu5Ni基NbTi超導(dǎo)線材的交流損耗計算

交流損耗是表征超導(dǎo)線材在磁體中實際應(yīng)用的主要參數(shù)，其計算過程極其復(fù)雜，包括超導(dǎo)芯絲的磁滯損耗、超導(dǎo)絲之間的耦合損耗、超導(dǎo)線的自場損耗、超導(dǎo)線之間的耦合損耗。但交流損耗的主要部分來自于磁滯損耗及超導(dǎo)絲之間的耦合損耗，自場損耗較小，可以忽略。強(qiáng)流重離子加速器(HIAF)快脈沖超導(dǎo)二極磁鐵的中心磁場最大值為2.25 T，磁場的變化率為±2.25 T/s，磁場上升時間和下降時間均為1 s，周期為2.2 s。在上述條件下可計算交流損耗的各個組成部分。

磁滯損耗可以通過M-H曲線圖計算得到，為8.94 kJ/m3，脈沖磁場的周期為2.2 s，則可以計算

圖3 NbTi/Cu5Ni超導(dǎo)線材的M-H曲線圖Fig.3 M-H curves of NbTi/Cu5Ni wires：(a)10 800-filament wire；(b)12 960-filament wire

圖4 磁滯損耗隨NbTi/Cu5Ni超導(dǎo)線材芯絲直徑變化曲線Fig.4 Variation curve of Qh with the filament diameter of NbTi/Cu5Ni wires

單位電纜長度的磁滯損耗功率分別為0.052 W/m。

耦合電流損耗包括超導(dǎo)絲與超導(dǎo)絲之間的耦合損耗和超導(dǎo)線與超導(dǎo)線之間的耦合損耗?？梢圆捎梦墨I(xiàn)[13-16]中提出的經(jīng)驗公式計算超導(dǎo)線之間耦合損耗的大小，式中的橫向電阻率是一個關(guān)鍵參數(shù)，與基體材料有關(guān)。Cu5Ni在液氦溫度的電阻率為1.0×10-7Ω·m，超導(dǎo)線的扭矩為10 mm。通過計算得到在2.25 T/s脈沖磁場變化速率下超導(dǎo)線材的耦合電流損耗為0.07 W/m。

如果橫向外磁場以三角波的形式變化，即在Tm時間內(nèi)從0增加到Bm，然后再下降到0，下降時間為Tm，則超導(dǎo)線單位體積的耦合損耗Pf(W/m3)為：

(1)

式中，Lt為超導(dǎo)線材扭矩，mm；Bm為最大磁場，T；Tm為磁場從0增加到Bm的時間，s；ρet為橫向電阻率，Ω·m。

通過以上計算得到NbTi超導(dǎo)線材在使用條件下的交流損耗為0.122 W/m。而采用高純無氧銅為基體時，通過以上方法計算得到的交流損耗為0.521 W/m。說明采用Cu5Ni合金作為基體時，可以明顯降低NbTi超導(dǎo)線材的交流損耗，最終滿足客戶的技術(shù)要求(≤0.21 W/m)。

3 結(jié) 論

(1)設(shè)計并制備了2種新型結(jié)構(gòu)的Cu5Ni基NbTi超導(dǎo)線材，獲得了12 960芯和10 800芯的高臨界電流、低損耗超導(dǎo)線材，為重離子裝置研制奠定了材料基礎(chǔ)。

(2)時效熱處理次數(shù)由3次增加到5次，10 800芯超導(dǎo)線材的Jc(5 T,4.2 K)由2 295 A/mm2增加到2 902 A/mm2。

(3)直徑為0.8 mm的12 960芯和10 800芯超導(dǎo)線材在4.2 K、±3 T條件下的磁滯損耗分別為34.2 mJ/cm3和40.3 mJ/cm3。隨著線材芯絲直徑由4.6 μm減小至2.6 μm，磁滯損耗由40.3 mJ/cm3降低至18.2 mJ/cm3。