[发明专利]一种铌铜复合件的制备方法

说明书

本发明公开了一种通过热等静压扩散连结技术制备铌铜复合件的方法。该方法包括下述步骤：1)铌、铜件的准备：根据产品的要求，准备不同厚度的铌、铜件，并对所述铌、铜件表面进行清洗；2)装配：将清洗后的铌、铜件组装在一起；3)封焊：按照铌/铜复合件的结构，在真空或气氛保护下进行封焊；4)热等静压：将步骤3)封焊后的铌/铜复合件进行热等静压处理，即得。本发明制备的铜铌复合件具有界面形状可控，界面组织均匀，界面结合强度优于基体，铌、铜层厚度可调、综合使用成本低等优点。

技术领域

本发明属于射频超导粒子加速器技术领域，具体涉及一种通过热等静压扩散连结技术制备铌铜复合件的方法。

背景技术

射频超导谐振腔(简称超导腔)是超导带电粒子加速器的核心部件，通常工作在4.2K或2K，主要作用是将其中的射频电磁场储能转化为带电粒子的动能，使加速器获得高品质的带电粒子束流。目前研制超导腔的首先材料是金属铌。常用的研制方法是基于高纯铌板，利用磨具冲压成型部件，之后通过部件间高纯铌的高真空电子束焊接成型整个超导腔。因金属铌的材料机械性能、有限导热能力以及加速器对超导腔具有高加速剃度的需求，通常只能采用2-4mm厚的高纯铌板加工超导腔；相应的超导腔机械稳定性较差，需要额外的加强筋增加超导腔的机械稳定性，加强筋的引入增加超导腔研制的复杂程度；同时高纯铌材价格较高(约5000元/公斤)，导致纯铌超导腔造价昂贵。超导腔的稳定性(包括：机械稳定性和热稳定性)和造价是保证大型超导带电粒子加速器具有高稳定性、低研制成本和低运行成本的关键。

为了提高纯铌超导腔的稳定性，降低其材料成本(主要来自铌材成本)，同时保持纯铌超导腔的射频超导性能。得益于高纯铜的高导热特性(4.2K，约为铌材的6倍)、价格便宜、厚铜结构的高机械稳定性和铌材的良好射频超导性能等特点，理想的方案是采用厚铜基底与铌材复合研制超导腔。包括：1)厚铜基底腔镀铌膜(百微米量级)成型超导腔。2)高纯铌-厚高纯无氧铜复合板成型超导腔。方案2中要求铌层厚度小于2.0mm，铜层厚度约3-12mm；先分别制备高纯铌板和高纯无氧铜板，通过特殊技术手段实现高纯铌板和高纯无氧铜板的有效复合；再利用磨具冲压成型部件，之后将部件的铌部分通过高真空电阻束焊接成型超导腔。两种方案中都采用厚铜层，薄铌层结构，理论上都能提高超导腔机械稳定性和热稳定性，同时降低超导腔的材料成本。

申请号为201811596667.7的发明专利申请中公开一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法。该方法实现了高纯铌和无氧铜的爆炸焊接复合。由于爆炸焊接的铌铜复合板为“啮合+部分冷焊”焊接结构，成型复合板具有如下特点：1)铌铜界面结合强度较低；2)铌和铜界面不平整，为锯齿型结构如图1所示；3)针对超导腔应用，爆炸成形制备铌铜复合板适合厚度分别＞2mm的铜板和铌板复合；上述特点相互制约，限制爆炸焊接铜铌复合板在超导腔中的应用。具体影响如下：界面结合强度低导致超导腔的调谐性能和机械性能差；界面的锯齿结构不利于铌铜复合超导腔部件间的电子束焊接，锯齿结构会有残余杂质和应力，导致超导腔的射频超导性能差；爆炸成形铌铜复合板中铌的厚度大于2mm，不利于降低超导腔的造价。

发明内容

本发明的目的是提供一种铌/铜复合件的制备方法。该方法制备的铌/铜复合件具有界面形状可控，无锯齿结构，界面组织均匀，界面结合强度优于基体，铌、铜层厚度可调以及在超导腔中使用成本低等优点。

本发明所提供的铌/铜复合件的制备方法，包括铌、铜件的准备、装配、封焊、扩散焊接4个主要步骤，其具体步骤如下：

1)铌、铜件的准备：根据产品的要求，准备相应尺寸的铌件和铜件，并对所述铌、铜件进行表面处理；

2)铌、铜件装配：将清洗后的铌件、铜件组装在一起；

3)铌、铜件封焊：按照铌/铜复合件的结构，在真空或气氛保护下进行封焊；

4)将步骤3)中封焊后的铌/铜复合件进行热等静压处理，即得。