CN110875106B - 一种高强度Bi-2223超导带材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度Bi‑2223超导带材及其制备方法，所述超导带材自上而下由高强度合金带材层、锡带层、Bi‑2223超导带材层、锡带层及高强度合金带材层组成。通过粉末装管方法加工和热处理Bi‑2223超导带材，然后再通过各带材层叠，使锡带融化，并通过矩形模进行尺寸整形后冷却而成。本发明制备的高强度Bi‑2223超导带材，有效改善了Bi‑2223超导带材的抗拉强度，满足了高磁场应用对Bi‑2223超导带材力学性能的高要求。

Description

一种高强度Bi-2223超导带材及其制备方法

技术领域

本发明属于材料制备工艺技术领域，特别是涉及一种高强度Bi-2223超导带材及其制备方法。

背景技术

(Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃Ox(Bi-2223)高温超导带材基于粉末装管工艺(PIT)制备，技术路线为前驱粉末装入银管进行拉拔加工，然后截断成等长度的多根，在银或银合金管内进行二次组装、拉拔和轧制，最终获得银或银合金基体的带材。带材轧制完成后，必须经过成相热处理才能得到Bi-2223超导相。因此，基体材料的选择必须满足如下两个条件：一是前驱粉末不与基体材料发生反应；二是基体材料必须能够实现氧分子的自由扩散，保证热处理过程中前驱粉末和氧反应生成Bi-2223超导相。目前已知的仅有金属银和部分银合金满足上述条件。

经高温热处理后，银或银合金的力学性能极大的降低，特别是其抗拉强度仅有约120MPa，实际在Bi-2223超导带材的磁体应用中，磁场是通过对Bi-2223超导带材通电流而产生，由于在通电流条件下将产生大的洛伦兹力，往往要求Bi-2223超导带材的抗拉强度达到250MPa以上，对于更高的磁场，产生的洛伦兹力也越大，需要的抗拉强度相应也越高。因此，改善当前的Bi-2223超导带材制备工艺，进一步提高Bi-2223超导带材的抗拉强度，对于满足高磁场条件下Bi-2223超导带材的应用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度Bi-2223超导带材及其制备方法，解决传统粉末装管工艺中Bi-2223超导带材抗拉强度低，无法满足高磁场应用的问题。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是一种高强度Bi-2223超导带材，所述超导带材由五层带材上下叠加而成，自上而下依次为高强度合金带材层、锡带层、超导带材层、锡带层及高强度合金带材层；所述高强度合金带材层材质为铜合金、不锈钢合金或者镍合金带材。

本发明还提供了高强度Bi-2223超导带材的制备方法，制备步骤如下：

1)，将Bi-2223前驱粉末装入银管内，进行多道次拉拔加工，获得截面为正六边形的单芯亚组元；

2)，将上述步骤1)获得的单芯亚组元截断为等长的数段，按照密排六方装入银或银合金管进行二次组装，得到多芯复合棒材，之后对多芯复合棒材先进行多道次的拉拔加工，再进行多道次的平辊轧制，最后得到多芯带材；

3)，在7％-10％氧含量的氩气或氮气中，对步骤2)得到的多芯带材进行热处理,获得超导带材；

4)，以步骤3)获得的Bi-2223超导带材为中心，在其两面由内向外分别依次叠放一条锡带、一条高强度合金带材，叠放的五条带材表面相互平行贴合，侧面平齐；将叠放好的五条带材加热使锡带融化后，通过矩形模对带材尺寸进行加工后水冷使锡凝固，获得高强度的Bi-2223超导带材。

在所述步骤1)中，所述银管外径为20mm-50mm，壁厚为2mm-4mm，拉拔道次加工率为10％-25％，单芯亚组元截面的正六边形对边距为2mm-5mm。

在所述步骤2)中，银合金管为银镁镍合金管、银锰合金管或者银镁合金管；多芯复合棒材的芯丝数为7、19、37、55、85或者121芯，拉拔道次加工率为10％-25％，线材拉拔至1.6mm后进行平辊轧制，轧制道次压下量为10％-80％，获得多芯带材厚度为0.2mm-0.23mm。

在所述步骤3)中，热处理温度为820℃-830℃，热处理时间为70h-100h。

在所述步骤4)中，锡带和高强度金属带的宽度与Bi-2223超导带材的宽度相等，锡带的厚度为50μm-100μm，高强度合金带材的厚度为10μm-50μm；高强度合金带材为铜合金、不锈钢合金或者镍合金带材。

在所述步骤4)中，将步骤3)获得的超导带材卷绕在滚轮上，在超导带材滚轮的上下两侧分别间隔依次设置有卷绕有锡带的滚轮及卷绕有高强度合金带材的滚轮；卷绕在各滚轮上的带材以超导带材为中心，在超导带材上下两面分别依次叠放锡带、高强度合金带材的方式同时通过使五条带材上下表面相互平行贴合的横向导向轮、使其宽度相同且侧面平齐的纵向导向轮；然后通过使锡带融化的高温区；再通过尺寸固定的矩形模，通过位于矩形模出口端的水冷区域后将制得的高强度带材收集在滚轮上。

在所述步骤4)中，在靠近高温区带材进口端的一侧设置有压设在带材上下表面的压下轮实现五条带材的预结合，压下轮的上下轮间距为两根锡带总厚度的90％-95％、Bi-2223超导带材厚度和两根高强度合金带材的厚度之和。

在所述步骤4)中，高温区温度为300℃-500℃，高温区长度为40cm-80cm。

在所述步骤4)中，五根带材的运行速率为10m/min-40m/min。

在所述步骤4)中，矩形模的宽度与五根带材的宽度相同，厚度为两根锡带总厚度的40％-60％、Bi-2223超导带材和两根高强度合金带材的厚度之和。

本发明的有益效果是：本发明的一种高强度Bi-2223超导带材及其制备方法，通过卷对卷快速走带的方式，实现在Bi-2223超导带材两侧焊接高强度合金带材，克服了常规工艺制备Bi-2223超导带材力学性能差的不足，实现了在不牺牲Bi-2223超导带材性能的前提下，有效提高其力学性能，满足了高磁场条件下应用对Bi-2223超导材料力学性能的高要求。

附图说明

图1，是本发明制备方法中在Bi-2223超导带材两侧焊接高强度合金的装置示意图。

图2，是本发明制备方法中焊接有高强度合金的Bi-2223超导带材侧立面的结构示意图。

具体实施方式

本发明的高强度的Bi2223的超导带材制备方法，步骤具体如下：一种高强度Bi-2223超导带材的制备方法，制备步骤如下：

1)，将Bi-2223前驱粉末装入外径为20mm-50mm，壁厚为2mm-4mm的银管内，进行多道次拉拔加工，拉拔道次加工率为10％-25％，获得截面为正六边形的单芯亚组元，单芯亚组元截面的正六边形对边距为2mm-5mm；

2)，将上述步骤1)获得的单芯亚组元截断为等长的数段，按照密排六方装入银或银合金管进行二次组装，得到多芯复合棒材，之后对多芯复合棒材先进行多道次的拉拔加工，再进行多道次的平辊轧制，最后得到多芯带材；银合金管材质为银镁镍、银锰或者银镁合金，多芯复合棒材的芯丝数为7、19、37、55、85、或者121芯，拉拔道次加工率为10％-25％，线材拉拔至1.6mm后进行平辊轧制，轧制道次压下量为10％-80％，获得厚度为0.2mm-0.23mm的多芯带材；

3)，在7％-10％氧含量的氩气或氮气中，对步骤2)得到的多芯带材进行热处理,获得超导带材；热处理温度为820℃-830℃，热处理时间为70h-100h；

4)，以步骤3)获得的Bi-2223超导带材为中心，在其两面由内向外分别依次叠放一条锡带、一条高强度合金带材，叠放的五条带材表面相互平行贴合，侧面平齐；将叠放好的五条带材加热使锡带融化后，通过矩形模对带材尺寸进行加工后水冷使锡凝固，获得高强度的Bi-2223超导带材。锡带融化的温度为300℃-500℃，锡带融化的高温区长度为40cm-80cm。

以下结合具体实施例对本发明的制备方法，作进一步地详细说明。

实施例1

本发明的一种Bi-2223超导带材制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将Bi-2223前驱粉末装入外径50mm、壁厚4mm的银管内，按照25％的加工量拉拔至直径10mm，随后以10％的加工量拉拔获得单芯亚组元，单芯亚组元截面为正六边形，对边距为5mm；

步骤2，将上述单芯亚组元截断为等长55段，按照密排六方装入银管内，按照18％的道次加工率拉拔至直径10mm，随后以10％的加工量拉拔至直径1.6mm，然后以30％的道次压下量进行平辊轧制，最终获得厚度为0.23mm的55芯的多芯带材；

步骤3，在7％氧含量的氩气中，对步骤2所得55芯的多芯带材在830℃进行78h热处理得到超导带材；

步骤4，参看图1，为五条带材叠放结合的实施装置结构示意图。设置一列间隔上下设置的5个放线轮，在中间放线轮上卷绕有步骤3制得的超导带材3，在位于超导带材3上下两侧的放线轮上分别卷绕有锡带2，在锡带的外侧的放线轮上分别卷绕有高强度合金带1。在本实施例中，锡带的厚度为100μm，高强度合金带的厚度为50μm；高强度合金带材质为铜合金。在5个放线轮同一侧，依次间隔设置有横向导向轮4、纵向导向轮5、一组相对设置的压轮6、纵向导向轮5、高温区7、纵向导向轮5、矩形模8、冷却装置9及收纳滚轮10。以超导带材为中心，在超导带材的上下两个表面上分别依次叠放锡带及高强度合金带，超导带材、锡带及高强度合金带材的宽度相同。叠放好的五条带材穿过横向导向轮4，每组横向导向轮为上下相对设置的导向轮，导向轮横跨在五条带材形成的复合带材的上下表面，用于压平带材表面，使五条带材相互平行且表面贴合；然后五条带材穿过纵向导向轮，后再穿过压轮6。每组纵向导向轮为左右相对设置的导向轮，导向轮抵靠在五条带材的侧面，使五条带材的侧面平齐。压轮6为相对上下设置的压轮，包括上压轮和下压轮，上压轮与下压轮间距为两根锡带总厚度的90％-95％、超导带材厚度和两根高强度合金带材的厚度之和。在本实施例中，上压轮和下压轮之间的间距为0.51mm。五条带材通过压轮进行预压合，使五条带材的厚度受到一定挤压，使其表面紧密结合在一起。通过预压合，五条带材在后续的加工工序中，则不会出现五条带材的各带材表面间不贴合的不良现象发生。经过预压合的五条带材通过纵向导向轮的侧面导向进入高温区7，使锡带融化，使超导带材、锡带及高强度合金带材结合在一起。高温区的温度为300℃-500℃，高温区长度为40cm-80cm。在本实施例中，高温区温度为500℃，高温区长度为50cm。经过高温区的五条带材在纵向导轮的导向下穿过矩形模8进行带材的尺寸整形。矩形模的宽度与五根带材的宽度相同。其厚度为两根锡带总厚度的40％-60％、超导带材和两根高强度合金带材的厚度之和。在本实施例中，矩形模厚度为0.41mm。经过矩形模整形的结合在一起的五条带材经过冷却装置冷却后被收纳在收纳滚轮上，获得最终的高强度Bi-2223超导带材。冷却装置为水淋冷却，其设置在矩形模的出口端。在步骤4)中，五条带材的运行速度为30m/min。该速度满足锡带在高温区中得到充分融化。

参看图2为最终获得高强度的超导带材的侧立面结构示意图。最外层为高强度合金带层层1，中心层为超导带材层3，在高强度合金带材层与超导带材层间为锡带层2。通过高强度合金带材、锡带及超导带材的复合形式实现超导带材的高强度。

对制备的高强度超导带材进行抗拉强度测试，测试条件以77K温度下Bi-2223超导带材临界电流衰减5％作为其力学性能的判据，该Bi-2223超导带材的抗拉强度为280MPa。

实施例2

本发明的一种Bi-2223超导带材制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将前驱粉末装入外径20mm、壁厚2mm的银管内，按照13％的加工量拉拔至直径10mm，随后以10％的加工量拉拔获得单芯亚组元，单芯亚组元截面为正六边形，对边距为2mm；

步骤2，将上述单芯亚组元截断为等长37段，按照密排六方装入银锰合金管内，按照15％的道次加工率拉拔至直径10mm，随后以10％的加工量拉拔至1.6mm，然后以80％的道次压下量进行平辊轧制，最终获得厚度为0.2mm的37芯多芯带材；

步骤3，在7％氧含量的氮气中，对步骤2所得37芯带材在825℃进行90h热处理，获得超导带材；

步骤4，其具体实施步骤及实施装置与实施例1的步骤4相同，区别在于带材厚度及各参数有所不同。将步骤3获得的Bi-2223超导带材、厚度为50μm的两根锡带、厚度为20μm的两根不锈钢合金带材按照图1的方式以10m/min的速度，运行通过上下轮间距为0.335mm，随后通过温度为400℃，长度为60cm的高温加热区，最终通过厚度为0.3mm的矩形模，经水冷后获得高强度的Bi-2223超导带材。

对制备的高强度超导带材进行抗拉强度测试，测试条件以77K温度下Bi-2223超导带材临界电流衰减5％作为其力学性能的判据，该Bi-2223超导带材的抗拉强度为310MPa。

实施例3

本发明的一种Bi-2223超导带材制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将前驱粉末装入外径30mm、壁厚2.5mm的银管内，按照20％的加工量拉拔至直径10mm，随后以10％的加工量拉拔获得单芯亚组元，单芯亚组元截面为正六边形，对边距为3mm；

步骤2，将上述单芯亚组元截断为等长121段，按照密排六方装入银镁合金管内，按照25％的道次加工率拉拔至直径10mm，随后以10％的加工量拉拔至1.6mm，然后以50％的道次压下量进行平辊轧制，最终获得厚度为0.2mm的121芯带材；

步骤3，在10％氧含量的氮气中，对步骤2所得121芯带材在820℃进行100h热处理，获得超导带材；

步骤4，其具体实施步骤及实施装置与实施例1的步骤4相同，区别在于带材厚度及各参数有所不同。将步骤3获得的Bi-2223带材、厚度为70μm的两根锡带、厚度为10μm的两根铜合金带材按照图1的方式以20m/min的速度，运行通过上下轮间距为0.3488mm，随后通过温度为300℃，长度为80cm的高温加热区，最终通过厚度为0.3mm的矩形模，经水冷后获得高强度的Bi-2223超导带材。

对制备的高强度超导带材进行抗拉强度测试，测试条件以以77K温度下Bi-2223超导带材临界电流衰减5％作为其力学性能的判据，该Bi-2223超导带材的抗拉强度为270MPa。

实施例4

本发明的一种Bi-2223超导带材制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将前驱粉末装入外径50mm、壁厚3.5mm的银管内，按照18％的加工量拉拔至直径10mm，随后以10％的加工量拉拔获得单芯亚组元，单芯亚组元截面为正六边形，对边距为3mm；

步骤2，将上述单芯亚组元截断为等长85段，按照密排六方装入银镁镍合金管内，按照20％的道次加工率拉拔至直径10mm，随后以10％的加工量拉拔至1.6mm，然后以10％的道次压下量进行平辊轧制，最终获得厚度为0.21mm的85芯带材；

步骤3，在8％氧含量的氩气中，对步骤2所得85芯带材在828℃进行70h热处理，获得超导带材；

步骤4，其具体实施步骤及实施装置与实施例1的步骤4相同，区别在于带材厚度及各参数有所不同。将步骤3获得的Bi-2223带材、厚度为60μm的两根锡带、厚度为30μm的两根不锈钢合金带材按照图1的方式以40m/min的速度，运行通过上下轮间距为0.3488mm，随后通过温度为300℃，长度为80cm的高温加热区，最终通过厚度为0.3mm的矩形模，经水冷后获得高强度的Bi-2223超导带材。

对制备的高强度超导带材进行抗拉强度测试，测试条件以以77K温度下Bi-2223超导带材临界电流衰减5％作为其力学性能的判据，该Bi-2223超导带材的抗拉强度为350MPa。

实施例5

本发明的一种Bi-2223超导带材制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将前驱粉末装入外径40mm、壁厚2.5mm的银管内，按照15％的加工量拉拔至直径10mm，随后以10％的加工量拉拔获得单芯亚组元，单芯亚组元截面为正六边形，对边距为5mm；

步骤2，将上述单芯亚组元截断为等长7段，按照密排六方装入银锰合金管内，按照18％的道次加工率拉拔至直径10mm，随后以10％的加工量拉拔至1.6mm，然后以10％的道次压下量进行平辊轧制，最终获得厚度为0.2mm的7芯带材；

步骤3，在10％氧含量的氩气中，对步骤2所得7芯带材在824℃进行85h热处理，获得超导带材；

步骤4，其具体实施步骤及实施装置与实施例1的步骤4相同，区别在于带材厚度及各参数有所不同。将步骤3获得的Bi-2223带材、厚度为80μm的两根锡带、厚度为40μm的两根镍合金带材按照图1的方式以25m/min的速度，运行通过上下轮间距为0.424mm，随后通过温度为350℃，长度为60cm的高温加热区，最终通过厚度为0.35mm的矩形模，经水冷后获得高强度的Bi-2223超导带材。

对制备的高强度超导带材进行抗拉强度测试，测试条件以以77K温度下Bi-2223超导带材临界电流衰减5％作为其力学性能的判据，该Bi-2223超导带材的抗拉强度为420MPa。

Claims (9)

1.一种高强度Bi-2223超导带材，其特征在于高强度Bi-2223超导带材由五层带材上下叠加而成，自上而下依次为高强度合金带材层、锡带层、超导带材层、锡带层及高强度合金带材层；所述高强度合金带材层材质为铜合金、不锈钢合金或者镍合金带材；所述超导带材层包括银包套带或银合金包套带，在所述银包套带或银合金包套带内分布有与所述银包套带或银合金包套带同等长度的多根密实紧邻的细银包套带，在所述细银包套带内填充有Bi-2223超导粉末；高强度Bi-2223超导带材制备步骤如下：

1)，将Bi-2223前驱粉末装入银管内，进行多道次拉拔加工，获得截面为正六边形的单芯亚组元；

2)，将上述步骤1)获得的单芯亚组元截断为等长的数段，按照密排六方装入银或银合金管进行二次组装，得到多芯复合棒材，之后对多芯复合棒材先进行多道次的拉拔加工，再进行多道次的平辊轧制，最后得到多芯带材；

3)，在7％-10％氧含量的氩气或氮气中，对步骤2)得到的多芯带材进行热处理,获得超导带材；

4)，将步骤3)所得的超导带材卷绕在滚轮上，在超导带材滚轮的上下两侧分别间隔依次设置有卷绕有锡带的滚轮及卷绕有高强度合金带材的滚轮；卷绕在各滚轮上的各带材以超导带材为中心，在超导带材上下两面分别依次叠放锡带、高强度合金带材的方式同时通过使五条带材上下表面相互平行贴合的横向导向轮、使其宽度相同且侧面平齐的纵向导向轮后，通过上下压轮进行预压合，上下压轮间距为两根锡带总厚度的90％-95％、超导带材厚度和两根高强度合金带材的厚度之和；然后通过使锡带融化的高温区；再通过尺寸固定的矩形模，通过位于矩形模出口端的水冷区域后将制得的高强度Bi-2223超导带材收集在滚轮上。

2.根据权利要求1所述的高强度Bi-2223超导带材，其特征在于在所述步骤1)中，所述银管外径为20mm-50mm，壁厚为2mm-4mm，拉拔道次加工率为10％-25％，单芯亚组元截面的正六边形对边距为2mm-5mm。

3.根据权利要求1所述的高强度Bi-2223超导带材，其特征在于在所述步骤2)中，银合金管为银镁镍合金管、银锰合金管或者银镁合金管；多芯复合棒材的芯丝数为7、19、37、55、85或者121芯，拉拔道次加工率为10％-25％，线材拉拔至1.6mm后进行平辊轧制，轧制道次压下量为10％-80％，获得多芯带材厚度为0.2mm-0.23mm。

4.根据权利要求1所述的高强度Bi-2223超导带材，其特征在于在所述步骤3)中，热处理温度为820℃-830℃，热处理时间为70h-100h。

5.根据权利要求1所述的高强度Bi-2223超导带材，其特征在于在所述步骤4)中，锡带和高强度金属带的宽度与Bi-2223超导带材的宽度相等，锡带的厚度为50μm-100μm，高强度合金带材的厚度为10μm-50μm；高强度合金带材为铜合金、不锈钢合金或者镍合金带材。

6.根据权利要求1所述的一种高强度Bi-2223超导带材，其特征在于在所述步骤4)中，在靠近高温区带材进口端的一侧设置有压设在带材上下表面的压下轮实现五条带材的预结合，压下轮的上下轮间距为两根锡带总厚度的90％-95％、Bi-2223超导带材厚度和两根高强度合金带材的厚度之和。

7.根据权利要求1所述的高强度Bi-2223超导带材，其特征在于在所述步骤4)中，高温区温度为300℃-500℃，高温区长度为40cm-80cm。

8.根据权利要求1所述的高强度Bi-2223超导带材，其特征在于在所述步骤4)中，五根带材的运行速率为10m/min-40m/min。

9.根据权利要求1所述的高强度Bi-2223超导带材，其特征在于在所述步骤4)中，矩形模的宽度与五根带材的宽度相同，厚度为两根锡带总厚度的40％-60％、Bi-2223超导带材和两根高强度合金带材的厚度之和。

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