一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，该方法包括：一、对目标产物的集束组装结构设计；二、将中心Mg棒插入Nb管中后装填CCB粉得到(Mg,CCB)/Nb装管复合体，经旋锻和孔型轧制后得到(Mg,CCB)/Nb单芯棒；三、将亚组元、外包套集束组装得到多组元多芯装管复合体；四、经冷塑性加工得到多芯MgB2线材；五、成相热处理得到千米级多芯MgB2超导线材。本发明专利技术通过在粉末装填时采用Cu环两端定位和压实，保证了Mg棒精确地处于中心位置，结合完全压应力变形，解决了Mg棒不连续断裂、偏心等问题，提高了MgB2超导相的成相反应均匀性和连续性，实现了千米级MgB2多芯超导线材的制备。多芯超导线材的制备。多芯超导线材的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法


[0001]本专利技术属于超导线带材加工
，具体涉及一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法。

技术介绍

[0002]MgB2材料的超导电性发现已经整整二十年了，已经从最初的提高材料性能及相关基础研究转变到目前的应用研究方面。超导业界已经达成共识，MgB2材料在液氢温区、中低磁场条件下具有明显的技术优势和成本优势。意大利ASG公司制备出首台基于MgB2超导材料的核磁共振成像仪(MRI)，证实了该材料在MRI应用领域的可行性。欧洲原子能中心在其大型强子对撞机的高光升级项目上(HL
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LHC)采用MgB2超导电缆作为20K到4.2K温区的电流引线。美国Hyper Tech公司采用MgB2超导材料进行了超导故障限流器(SFCL)、超导储能装置(SMES)、风电电机等研究。
[0003]MgB2应用的基础是制备出高性能的超导线带材。国际上已经形成了以意大利ASG公司、美国Hyper Tech公司、韩国Sam Dong公司和日本Hitachi公司等为代表的数家能够生产千米级MgB2长线的厂家。其中，意大利ASG公司的MgB2商品线主要采用先位法粉末装管工艺(ex situ PIT)，美国Hyper Tech公司的MgB2商品线主要采用连续粉末装管成型工艺(CTFF)，日本Hitachi公司和韩国Sam Dong公司的MgB2长线主要采用原位法粉末装管工艺(in situ PIT)。因此，上述厂家生产的MgB2线材是以粉末装管工艺为主要特征的所谓第一代MgB2线材生产技术。而由意大利Edison SpA公司的G.Giunchi等人最初提出的Mg熔渗技术(Supercond.Sci.Technol.16,(2003):285
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291)被称为第二代MgB2线材制备技术(IMD或AIMI)。目前这种技术还处在研发阶段，美国的俄亥俄州立大学、Hyper Tech公司，日本国立材料研究所(NIMS)、Hitachi公司均有相关报道，但主要以短样品的性能为主(Supercond.Sci.Technol.25,(2012):115023、27,(2014):085012)。国内中科院电工所Ma Y W小组报道了采用IMD工艺制备出百米级7芯结构高性能的MgB2线材并进行了小螺线管的绕制和测试(Supercond.Sci.Technol.2016,(29):065003)。基本上还处于实验室研究阶段，千米级的长线鲜有报道。
[0004]针对目前研究现状，专利技术人所在研究小组在国家自然科学基金(51772250)的支持下系统开展了Mg扩散工艺制备多芯MgB2超导线材的研究，提出了一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法。该方法通过在粉末装填过程中采用Cu环两端定位和压实，保证了Mg棒精确地处于中心位置，结合完全压应力变形的加工工艺，解决了Mg扩散工艺制备多芯MgB2长线过程中芯部Mg棒不连续断裂、Mg棒偏心等问题，提高了成相热处理过程中MgB2超导相的成相反应均匀性和连续性，实现了千米级MgB2多芯超导线材的制备。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0007]步骤一、对目标产物千米级多芯MgB2超导线材的集束组装结构进行设计；
[0008]步骤二、将中心Mg棒插入采用Cu环底端定位的一次包套Nb管中，然后将C包覆B粉即CCB粉均匀装填到中心Mg棒与一次包套Nb管的空隙中，装填过程中采用Cu环压实，装填结束后采用Cu环顶端定位，得到(Mg,CCB)/Nb装管复合体，再将(Mg,CCB)/Nb装管复合体进行旋锻和孔型轧制，经定尺和矫直，得到(Mg,CCB)/Nb单芯棒；
[0009]步骤三、根据步骤一中的组成和结构设计，将亚组元包括NbCu中心替换棒与步骤二中得到的(Mg,CCB)/Nb单芯棒、外包套Monel管清洗后进行集束组装，得到多组元多芯装管复合体；
[0010]步骤四、将步骤三中得到的多组元多芯装管复合体进行旋锻、拉拔、轧制和多模拉拔的冷塑性加工，得到多芯MgB2线材；
[0011]步骤五、将步骤四中得到的多芯MgB2线材进行成相热处理，得到千米级多芯MgB2超导线材。
[0012]由于金属Mg的晶体结构为密排六方结构(HCP)，而室温下密排六方金属的滑移面只有(0001)一个，滑移方向为<1_1_20>，滑移面上有三个滑移方向，所以其滑移系只有三个，与Cu、Nb等面心立方金属相比，Mg在室温下的塑性变形性能较差，因此在Mg扩散工艺制备MgB2线材中特别是在单芯复合线材加+工过程中，中心Mg棒容易断裂而导致芯棒的不连续分布，后续热处理成相过程中无法形成连续的MgB2超导相。针对该技术难题，首先，本专利技术在CCB粉装填过程中，采用Cu环两端定位和压实的方法，通过Cu环压实减少了CCB粉之间的孔隙，结合在装填前与装填结束后采用Cu环对中心Mg棒的底端和顶端进行定位，使得(Mg,CCB)/Nb装管复合体中的Mg棒精确地处于中心位置，避免了Mg棒偏向一侧导致该侧的B粉较少而相对一侧的CCB粉较多，进而扩散反应过程中出现Mg和/或CCB的剩余相、造成成相反应过程不完全，从而解决了Mg扩散工艺制备多芯MgB2长线过程中芯部Mg棒不连续、Mg棒偏心等问题，提高了成相热处理过程中MgB2超导相的成相反应均匀性，实现了千米级MgB2多芯超导线材的制备；其次，本专利技术将(Mg,CCB)/Nb装管复合体进行旋锻和孔型轧制制备得到(Mg,CCB)/Nb单芯棒，避免采用拉拔工艺，使得(Mg,CCB)/Nb装管复合体完全处在压应力下进行变形，进一步避免了(Mg,CCB)/Nb单芯棒中Mg棒的断裂，且在二次装管复合时采用强度较高的Monel合金作为外包套，保证了多组元多芯装管复合体先在压应力下发生塑性变形，再采用部分拉拔工序，以提高制备效率和产品尺寸精度，避免了多芯MgB2线材中Mg芯的断裂，有利于千米级MgB2多芯超导线材的制备。
[0013]上述的一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，步骤一所述设计的结构包括外包套和亚组元，其中，外包套为Monel管，外径为25mm～38mm，壁厚为2mm～3mm，状态为退火态，且设计的结构为7～37芯结构。该优选的外包套管尺寸保证了目标产物多芯MgB2超导线材达到千米量级长度，同时兼顾集束组装和后续加工可行性两方面的因素；采用退火态的外包套Monel管克服了多组元多芯装管复合体在后续冷塑性加工过程中无法进行退火以消除加工硬化的缺陷，保证了多芯MgB2超导线材可加工至目标尺寸千米级；该优选的芯数设计保证了(Mg,CCB)/Nb单芯棒中的阻隔层即一次包套Nb管不出现破裂，进而保证了多芯MgB2超导线材中的芯丝不出现断裂。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、对目标产物千米级多芯MgB2超导线材的集束组装结构进行设计；步骤二、将中心Mg棒插入采用Cu环底端定位的一次包套Nb管中，然后将C包覆B粉即CCB粉均匀装填到中心Mg棒与一次包套Nb管的空隙中，装填过程中采用Cu环压实，装填结束后采用Cu环顶端定位，得到(Mg,CCB)/Nb装管复合体，再将(Mg,CCB)/Nb装管复合体进行旋锻和孔型轧制，经定尺和矫直，得到(Mg,CCB)/Nb单芯棒；步骤三、根据步骤一中的组成和结构设计，将亚组元包括NbCu中心替换棒与步骤二中得到的(Mg,CCB)/Nb单芯棒、外包套Monel管清洗后进行集束组装，得到多组元多芯装管复合体；步骤四、将步骤三中得到的多组元多芯装管复合体进行旋锻、拉拔、轧制和多模拉拔的冷塑性加工，得到多芯MgB2线材；步骤五、将步骤四中得到的多芯MgB2线材进行成相热处理，得到千米级多芯MgB2超导线材。2.根据权利要求1所述的一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，步骤一所述设计的结构包括外包套和亚组元，其中，外包套为Monel管，外径为25mm～38mm，壁厚为2mm～3mm，状态为退火态，且设计的结构为7～37芯结构。3.根据权利要求1所述的一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述底端定位的Cu环、顶端定位的Cu环规格相同，高度均为10mm，且与一次包套Nb管的装配公差均为
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0.1mm～0mm，与Mg棒的装配公差均为0mm～0.1mm。4.根据权利要求1所述的一种千米级多...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆阳，杨芳，熊晓梅，刘国庆，闫果，李建峰，冯勇，张平祥，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：