CN110610781B - 一种高性能铁基超导线材的热处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高性能铁基超导线材的热处理装置及方法，该方法是在真空条件下，采用“卷对卷”的连续在线加热、拉拔和液Ga淬火冷却的方式，将线材超导芯丝加热到熔融温度附近，当线材运动速率为10‑100 mm/s时，经过2‑3道次、线材截面收缩率20‑50%的热拉拔后，可以达到提高铁基超导线材织构度和芯丝致密性的效果，从而获得高性能铁基高温超导线材。该方法新颖简单，易于推广，非常适合于工业化千米级铁基高温超导长线制备，该材料在强磁场超导磁体领域有着巨大的商业价值。

Description

一种高性能铁基超导线材的热处理装置及方法
技术领域
本发明属于面向强磁场应用的高温超导材料制备方法技术领域，具体涉及一种高性能铁基超导线材的热处理装置及方法。
背景技术
自2008年日本科学家发现了新型铁基高温超导体家族以来，已发现的铁基超导体包括：RE(O,F)FeAs（1111相，RE=稀土元素）、M 1-x R xFe2As2（122相，M=Ba、Sr或Ca，R=K或Na）、Fe(Se,Te)（11相）、Li1-xFeSe（111相）、KxFe2-ySe2和 (Li1−xFex)OHFeSe等。其中122相超导体临界转变温度T c可以达到38 K、临界电流密度在高场下衰减很慢，J c在4.2 K、10 T下已超过1000 A/mm2、上临场磁场H c2（0 K）超过100 T、各向异性小（小于2），同时实用化超导线带材可以采用简单的粉末装管法制备，因此它被认为在下一代强磁场超导磁体领域有着巨大的应用价值。
近年来，由于前躯体粉末、超导芯丝致密度，以及氧化物、FeAs杂质等多方面的显著优化，铁基超导带材在临界电流密度J c性能方面得到了大幅度提高。目前，实用化的122相铁基超导线带材主要采用先位粉末装管法制备，即ex-situ PIT法。具体步骤如下：在Ar气氛保护的手套箱中，将高纯金属Ba（或Sr）块、K块、Fe粉和As粉按比例混合后，密封在金属管中，随后将金属管在高纯Ar气氛保护管式炉中，加热至800 oC ~900 oC，保温10 h~40 h，生成M 1-xKxFe2As2超导体（M=Ba或Sr）；然后将M 1-xKxFe2As2超导体与少量Sn粉混合，在高纯Ar气氛下进行球磨，随后将球磨好的Sn掺杂的M 1-xKxFe2As2粉末装入Ag金属管中，并通过拉拔加工成Ag/M 1-xKxFe2As2单芯线材；然后将多根单芯线材共同装入金属包套管中，并加工成多芯线材。为了进一步提高超导芯丝的致密性，目前的工艺还会将多芯线材，利用热等静压方法，在10 MPa ~100 MPa压力下加热至800 oC ~950 oC，保温0.5 h~4 h，即获得实用化的铁基高温超导线材。
值得指出的是，对于超导磁体领域的应用，相比于超导带材（磁场垂直和平行于带材表面时，超导性能存在差异），利用超导线材制作磁体时，设计和绕制工艺通常会更加简单；因此，超导线材比超导带材更具有的实用价值。
与YBCO和Bi-2223等高温超导体类似，铁基超导体也存在晶粒弱连接现象，因此大角度晶界（大于9度）会急剧地抑制超导材料的晶界输运临界电流密度性能。为了解决这一难题，通常要求将高温超导材料制备成具有一定织构度的超导线带材。例如：YBCO涂层导体带材通过外延生长方式，生成百米级、甚至千米级的准单晶织构外延薄膜；而Bi-2223超导体具有无限层四方相晶体结构，同时各向异性较大（大于7），因此可以通过冷轧的方式，不断地生成轧制织构，并通过后续成相热处理，生成织构度较高的Bi-2223超导带材。研究表明：采用冷轧方式加工带材时，当材料的各向异性越小时，所产生的织构度也越小。
另一方面，对于常规粉末装管法制备的超导线材，通常存在孔洞、致密度低、晶粒连接性差等缺点。为了提高超导体的晶粒连接性，Bi-2223超导带材采用高温、高压的方式，进行成相热处理，可以获得致密度接近100%的高性能Bi-2223超导带材；类似地，采用热等静压的方式可以显著提高MgB2超导线材高场下临界电流密度性能上。同样地，通过热等静压方式也可以提高铁基超导线材的芯丝致密度和晶粒连接性，但是对线材织构度的影响很小。总之，利用现有的线材拉拔、孔型轧制等冷加工工艺，很难获得织构度高的铁基超导线材。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以同时提高铁基超导线材织构度和芯丝致密性的连续在线加热、拉拔和淬火的高性能铁基超导线材的热处理装置及方法。
一种高性能铁基超导线材的热处理装置，包括真空室，真空室内设有液镓池，液镓池内装有金属液镓，所述真空室内沿铁基超导前驱线材的运动方向还依序设有放线轮、铜线轮、拉拔模具、压线销轮和收线轮，所述铜线轮上的电极和液镓池上的电极分别电连接至一加热模块，在铜线轮和压线销轮之间流动的线材部分为线材加热部分；铁基超导前驱线材从放线轮放出，经过铜线轮后穿过拉拔模具，从拉拔模具从来的铁基超导前驱线材经压线销轮下压而浸没于金属液镓内，最后收卷于收线轮上。
所述拉拔模具位于镓液面的上方，并靠近压线销轮端。
所述放线轮和铜线轮之间还设有用于绷紧铁基超导前驱线材的压线轮。
一种高性能铁基超导线材的热处理方法，采用上述的热处理装置对铁基超导前驱线材进行热处理，该热处理的方法包括以下步骤：
1）真空室的真空度调节至10-4 Pa及以上，控制铁基超导前驱线材运动速率为10~100 mm/s；
2）控制铁基超导前驱线材加热部分的最高温度为850~950℃；
3）依次采用不同孔径的拉拔模具，对铁基超导前驱线材进行2-3道次拉拔，相比于热处理前铁基超导前驱线材，最终铁基超导前驱线材的横截面积缩小达到20~50 %；
4）铁基超导前驱线材热处理完后，去除表面吸附的金属Ga或生成的Ga化合物，随后即获得所需的高性能铁基超导线材。
本发明采用以上技术，具有以下有益效果：本发明所制备的铁基超导线材织构度高、超导芯丝晶粒连接性好，因此所制备的超导线材临界电流密度高，相比于现有方法的制备的线材载流性能提高了50%以上。同时，由于该方法不需要采用后续的热等静压热处理，工艺简单，显著降低了铁基超导线材的制备工艺复杂度和热处理成本，因此非常适合于高性能铁基超导线材的制备，有利于大规模的推广应用，有着巨大的商业价值。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明一种高性能铁基超导线材的热处理装置的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种高性能铁基超导线材的热处理装置，包括真空室1，真空室1内设有液镓池2，液镓池2内装有金属液镓，所述真空室1内沿铁基超导前驱线材的运动方向还依序设有放线轮3、铜线轮4、拉拔模具5、压线销轮6和收线轮7，所述铜线轮4上的电极和液镓池2上的电极分别电连接至一加热模块9，在铜线轮4和压线销轮6之间流动的线材部分为线材加热部分；铁基超导前驱线材从放线轮3放出，经过铜线轮4后穿过拉拔模具5，从拉拔模具5从来的铁基超导前驱线材经压线销轮6下压而浸没于金属液镓内，最后收卷于收线轮7上。
所述拉拔模具5位于镓液面的上方，并靠近压线销轮6端。
所述放线轮3和铜线轮4之间还设有用于绷紧铁基超导前驱线材的压线轮8。
本发明采用常规粉末装管法制备的多芯的铁基超导前躯体线材，随后采用上述的热处理装置，经过2-3道次缓慢拉拔过程，最后在去除表面液Ga后，即获得超导芯丝致密且织构度高的铁基超导线材。
具体方法包括以下步骤：
1）真空室1的真空度调节至10-4 Pa及以上，控制铁基超导前驱线材运动速率为10~100 mm/s；
2）控制铁基超导前驱线材加热部分的最高温度为850~950℃；
3）依次采用不同孔径的拉拔模具5，对铁基超导前驱线材进行2-3道次拉拔，相比于热处理前铁基超导前驱线材，最终铁基超导前驱线材的横截面积缩小达到20~50 %；
4）铁基超导前驱线材热处理完后，去除表面吸附的金属Ga或生成的Ga化合物，随后即获得所需的高性能铁基超导线材。
经研究结果表明：将铁基超导体加热到接近熔融温度附近，并进行缓慢的热拉拔和快速冷却，有利于获得织构度非常高的超导线材；同时由于拉拔过程本身对超导芯丝施加了足够的压力，因此采用原位热拉拔和快速冷却方法生成的超导芯丝致密度也非常高，相比于常规粉末装管法制备的铁基超导线材，该方法制备的铁基超导线材载流性能可以提高50 %以上。总之，该本发明不仅可以大幅度提高铁基超导线材的织构度，而且所获得的线材超导芯丝非常致密，是一种简单可靠、易于推广的高性能铁基超导线材制备方法。
实施例一
热处理具体过程如下：
（1）取一根长度100米、直径1.5mm铁基超导前躯体线材，将头部两米加工成直径1.4mm，然后将线材装入放线轮3中，采用孔径1.4mm拉拔模具5，按图1所示进行穿线，经过液镓池2，最后将线材头部固定在收线轮7上。
（2）关上真空室1门，并抽真空；使得真空室1内的真空度保持在10-4Pa；
（3）打开加热模块9，采用恒流模式加热，通过调节加热电流，使得线材的最高温度达到850 oC；随后，打开收线轮7的驱动电机，使得线材运动速率保持为10mm/s；完成线材的本次热处理过程。
（4）将拉拔模具5换成1.3mm孔径，重复以上（1）到（3）的热处理过程；
（5）将拉拔模具5换成1.2mm孔径，重复上述（1）到（3）的热处理过程；本次热处理完成后，线材的横截面积缩小为36 %；
（6）去除铁基超导线材表面的Ga或Ga化合物，即获得高性能的铁基超导线材。
该多芯铁基超导线材经过分析测试后，织构度相比于常规方法制备的线材提高了45 %，芯丝致密度达到铁基超导体理论密度的90%。线材起始超导转变温度T c达到了38K，超导转变宽度△T c为2.0 K；在4.2 K、10T条件下，线材临界电流I c达到180 A，可以满足实用化高场超导磁体应用要求。
实施例二
热处理具体过程如下：
（1）取一根长度200米、直径1.2mm铁基超导前躯体线材，将头部两米加工成直径1.14mm，然后将线材装入放线轮3中，采用孔径1.14mm拉拔模具5，按图1所示进行穿线，经过液镓池2，最后将线材头部固定在收线轮7上。
（2）关上真空室1门，并抽真空；使得真空室1内的真空度保持在10-4 Pa；
（3）打开加热模块9，采用恒流模式加热，通过调节加热电流，使得线材的最高温度达到900 oC；随后，打开收线轮7的驱动电机，使得线材运动速率保持为100mm/s；完成线材的本次热处理过程。
（4）将拉拔模具5换成1.08mm孔径，重复以上（1）到（3）的热处理过程；本次热处理完成后，线材的横截面积缩小为20 %；
（6）去除铁基超导线材表面的Ga或Ga化合物，即获得高性能的铁基超导线材。
该多芯铁基超导线材经过分析测试后，织构度相比于常规方法制备的线材提高了30%，芯丝致密度达到铁基超导体理论密度的85%。线材起始超导转变温度T c达到了37.5 K，超导转变宽度△T c为2.5 K；在4.2 K、10T条件下，线材临界电流I c达到168 A，可以满足实用化高场超导磁体应用要求。
实施例三
热处理具体过程如下：
（1）取一根长度100米、直径1.5mm铁基超导前躯体线材，将头部两米加工成直径1.35mm，然后将线材装入放线轮3中，采用孔径1.35mm拉拔模具5，按图1所示进行穿线，经过液镓池2，最后将线材头部固定在收线轮7上。
（2）关上真空室1门，并抽真空；使得真空室1内的真空度保持在10-4 Pa；
（3）打开加热模块9，采用恒流模式加热，通过调节加热电流，使得线材的最高温度达到950 oC；随后，打开收线轮7的驱动电机，使得线材运动速率保持为10mm/s；完成线材的本次热处理过程。
（4）将拉拔模具5换成1.20mm孔径，重复以上（1）到（3）的热处理过程；
（5）将拉拔模具5换成1.06mm 孔径，重复上述（1）到（3）的热处理过程；本次热处理完成后，线材的横截面积缩小为50 %；
（6）去除铁基超导线材表面的Ga或Ga化合物，即获得高性能的铁基超导线材。
该多芯铁基超导线材经过分析测试后，织构度相比于常规方法制备的线材提高了52%，芯丝致密度达到铁基超导体理论密度的90%。线材起始超导转变温度T c达到了37.8K，超导转变宽度△T c为1.2 K；在4.2 K、10T条件下，线材临界电流I c达到192 A，可以满足实用化高场超导磁体应用要求。

Claims (4)

1.一种高性能铁基超导线材的热处理装置，其特征在于：包括真空室，真空室内设有液镓池，液镓池内装有金属液镓，所述真空室内沿铁基超导前驱线材的运动方向还依序设有放线轮、铜线轮、拉拔模具、压线销轮和收线轮，实现对铁基超导前驱线材缓慢的热拉拔和快速冷却，所述铜线轮上的电极和液镓池上的电极分别电连接至一加热模块，在铜线轮和压线销轮之间流动的线材部分为线材加热部分；铁基超导前驱线材从放线轮放出，经过铜线轮后穿过拉拔模具，从拉拔模具出来的铁基超导前驱线材经压线销轮下压而浸没于金属液镓内，最后收卷于收线轮上。
2.根据权利要求1所述的一种高性能铁基超导线材的热处理装置，其特征在于：所述拉拔模具位于镓液面的上方，并靠近压线销轮端。
3.根据权利要求1所述的一种高性能铁基超导线材的热处理装置，其特征在于：所述放线轮和铜线轮之间还设有用于绷紧铁基超导前驱线材的压线轮。
4.一种高性能铁基超导线材的热处理方法，其特征在于：采用权利要求1-3之一所述的热处理装置对铁基超导前驱线材进行热处理，该热处理的方法包括以下步骤：
1）真空室的真空度调节至10-4 Pa及以上，控制铁基超导前驱线材运动速率为10~100mm/s；
2）控制铁基超导前驱线材加热部分的最高温度为850~950℃；
3）依次采用不同孔径的拉拔模具，对铁基超导前驱线材进行2-3道次拉拔，相比于热处理前铁基超导前驱线材，最终铁基超导前驱线材的横截面积缩小达到20~50 %；
4）铁基超导前驱线材热处理完后，去除表面吸附的金属Ga或生成的Ga化合物，随后即获得所需的高性能铁基超导线材。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111554505B (zh) * 2020-05-26 2022-12-20 合肥夸夫超导科技有限公司 一种PbMo6S8超导线材的制备方法
CN114446536A (zh) * 2022-02-24 2022-05-06 福建师范大学 一种改进的制备Nb3Al超导长线材的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108806879A (zh) * 2018-05-24 2018-11-13 西南交通大学 一种快热快冷法制备Nb3Al超导线材的装置
CN109548222A (zh) * 2019-01-17 2019-03-29 西南石油大学 一种加热装置及用于制备长线材超导体的综合热处理系统
CN109609750A (zh) * 2019-01-17 2019-04-12 西南石油大学 一种制备高性能超导线材的零张力同步传动热处理系统
CN109767875A (zh) * 2018-12-18 2019-05-17 西部超导材料科技股份有限公司 一种MgB2超导材料热处理装置及处理方法
JP2019079672A (ja) * 2017-10-24 2019-05-23 国立研究開発法人物質・材料研究機構 Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材用の急熱急冷処理済みの前駆体線材、及びＮｂ３Ａｌ超伝導線材用の前駆体線材の熱処理方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019079672A (ja) * 2017-10-24 2019-05-23 国立研究開発法人物質・材料研究機構 Ｎｂ３Ａｌ超伝導線材用の急熱急冷処理済みの前駆体線材、及びＮｂ３Ａｌ超伝導線材用の前駆体線材の熱処理方法
CN108806879A (zh) * 2018-05-24 2018-11-13 西南交通大学 一种快热快冷法制备Nb3Al超导线材的装置
CN109767875A (zh) * 2018-12-18 2019-05-17 西部超导材料科技股份有限公司 一种MgB2超导材料热处理装置及处理方法
CN109548222A (zh) * 2019-01-17 2019-03-29 西南石油大学 一种加热装置及用于制备长线材超导体的综合热处理系统
CN109609750A (zh) * 2019-01-17 2019-04-12 西南石油大学 一种制备高性能超导线材的零张力同步传动热处理系统

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