CN112967845A - 一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超导线材制备技术领域，涉及一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，包括：将Mg粉和B粉按照1:2的原子比进行混合，研磨得到前驱体粉末；将前驱体粉末装入Cu/Nb管中组装成Cu/Nb/MgB2单芯棒，通过旋锻将Cu/Nb/MgB2单芯棒加工至与Cu中心棒相同的尺寸；将尺寸相同的Cu/Nb/MgB2单芯棒和Cu中心棒依次进行定尺、截断，放入Monel管中组装成多芯复合包套；将多芯复合包套通过旋锻加工获得成品线材；将成品线材进行热处理，得到MgB2多芯超导线材。该方法通过旋锻加工方式改善线材中的形变缺陷，减少断芯或断线现象，制备出性能均匀、满足实际需求的千米级MgB2超导线材。

Description

一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法
技术领域
本发明属于超导线材制备技术领域，涉及一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法。
背景技术
自2001年日本科学家报道二元金属间化合物-二硼化镁(MgB2)的超导特性以来，因其具有39K的超导转变温度、较长的相干长度且原材料成本低廉等优点，被认为在制冷机工作温度(15～25K)下医疗核磁共振成像仪(MRI)用超导磁体的应用上有着巨大的潜力。MgB2超导线材通常采用粉末装管法(PIT)进行制备，该方法是将前驱体粉末装入金属管中，拉伸成线材后进行成相热处理得到的。MRI用超导磁体所需MgB2超导线材长度一般为千米级甚至更长，为满足实际需求、推动MgB2超导线材的实用化进程，制备性能均匀的千米级MgB2线材势在必行。
粉末中的颗粒之间是非连续存在的个体，因此其具有与金属材料截然不同的加工性能。传统制备过程中采用拉伸制备MgB2线材时，粉末的变形是通过金属包套与粉末之间的切向摩擦力作用进行的，这一方面会导致粉末变形不均匀，出现竹节状结构缺陷；另一方面会使得金属包套被粉末摩擦挤压破损，降低线材的输运性能；类似缺陷的积累将影响线材性能的均匀性，严重时产生断线现象，这种情况在制备千米级MgB2多芯线材过程中更加严重，导致线材长度受到限制，遏制了MgB2线材的实用化发展进程。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，以克服传统拉伸加工方式导致的MgB2线材性能不均匀及断线的现象。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
这种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将Mg粉和B粉按照1:2的原子比进行混合，研磨得到前驱体粉末；
2)将所述前驱体粉末装入Cu/Nb管中组装成Cu/Nb/MgB2单芯棒，通过旋锻将Cu/Nb/MgB2单芯棒加工至与Cu中心棒相同的尺寸；
3)将尺寸相同的Cu/Nb/MgB2单芯棒和Cu中心棒依次进行定尺、截断，放入Monel管中组装成多芯复合包套；
4)将所述多芯复合包套通过旋锻加工获得成品线材；
5)将所述成品线材进行热处理，得到MgB2多芯超导线材。
进一步，步骤2)中，所述Cu/Nb/MgB2单芯棒、Cu中心棒的直径均为Φ2.5mm～Φ6.0mm。
进一步，步骤3)中，所述Cu/Nb/MgB2单芯棒的数量为18～48根，Cu中心棒的数量为1～7根。
进一步，步骤4)中，旋锻加工时：当所述多芯复合包套的直径为Φ20mm～Φ40mm时，每道次模具之间的间隔为2mm；当所述多芯复合包套的直径为Φ10mm～Φ20mm时，每道次模具之间的间隔为2mm；当所述多芯复合包套的直径为Φ1.0mm～Φ10mm时，每道次模具之间的间隔为0.5mm。
进一步，所述旋锻时的进线速度为5mm/s。
进一步，步骤5)中，所述热处理具体为：将线材置于惰性气体环境中30min～60min加热至580℃～670℃，保温1h～4h。
进一步，所述MgB2多芯超导线材的直径为Φ0.5mm～Φ5mm，长度为1.7km～2.8km。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：采用旋锻加工方式施加的正压力对线材进行变形，通过正压力促使粉末与金属包套同步发生形变，减少由于摩擦力导致的粉末竹节状和金属包套破损的形变缺陷，从而制备出性能均匀、满足MRI用超导磁体需求的千米级MgB2超导线材，进而推动MgB2超导线材的实用化进程。
附图说明
图1为本发明实施例1中直径Φ1.0mm的千米级30+7芯MgB2超导线材不同位置临界电流对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供了一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，具体包括以下步骤：
1)将Mg粉和B粉按照1:2的原子比进行混合，研磨得到前驱体粉末；
2)将前驱体粉末装入Cu/Nb管中组装成Cu/Nb/MgB2单芯棒，通过旋锻将Cu/Nb/MgB2单芯棒加工至与Cu中心棒相同的尺寸；
3)将尺寸相同的Cu/Nb/MgB2单芯棒和Cu中心棒依次进行定尺、截断，放入Monel管中组装成多芯复合包套；
4)将多芯复合包套通过旋锻加工获得成品线材；
5)将成品线材进行热处理，得到MgB2多芯超导线材。
进一步，步骤2)中，Cu/Nb/MgB2单芯棒、Cu中心棒的直径均为Φ2.5mm～Φ6.0mm。
进一步，步骤3)中，Cu/Nb/MgB2单芯棒的数量为18～48根，Cu中心棒的数量为1～7根。
进一步，步骤4)中，旋锻加工时：当多芯复合包套的直径为Φ20mm～Φ40mm时，每道次模具之间的间隔为2mm；当多芯复合包套的直径为Φ10mm～Φ20mm时，每道次模具之间的间隔为2mm；当多芯复合包套的直径为Φ1.0mm～Φ10mm时，每道次模具之间的间隔为0.5mm。
进一步，旋锻时的进线速度为5mm/s。
进一步，步骤5)中，热处理具体为：将线材置于惰性气体环境中30min～60min加热至580℃～670℃，保温1h～4h。
进一步，MgB2多芯超导线材的直径为Φ0.5mm～Φ5mm，长度为1.7km～2.8km。
综上，本发明提供的这种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，摒弃了采用传统的拉伸加工方式加工线材，由于拉伸加工线材中粉末的变形是通过金属包套与粉末之间的切向摩擦力作用进行的，这会导致出现粉末竹节状和金属包套破损的缺陷，降低线材的输运性能及均匀性，无法制备出满足MRI需求的千米级MgB2线材。而本发明提供的这种方法，采用旋锻施加的正压力对线材进行加工，改善线材中的形变缺陷，减少断芯或断线现象，制备出性能均匀、满足实际需求的千米级MgB2多芯超导线材。
实施例1
本实施例提供了一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，具体包括如下步骤：
1)制备前驱体粉末：在手套箱中称取Mg粉353g，C包覆B粉343g，将Mg粉和B粉按照1:2的原子比进行混合，机械混合20s后得到前驱体粉末；
2)制备单芯棒和中心棒：将前驱体粉末装入Cu/Nb管中组装成Cu/Nb/MgB2单芯棒，通过旋锻将单芯棒加工至直径4.0mm；将Cu棒通过旋锻加工至直径4.0mm，得到中心棒；
3)制备30+7芯复合包套：将步骤2)制得的Cu/Nb/MgB2单芯棒和Cu中心棒截成3m长的短棒，其中Cu/Nb/MgB2单芯棒30根，Cu中心棒7根，装入Monel管中，组装成30+7芯复合包套；
4)复合包套旋锻加工：将步骤3)制备得到的30+7芯复合包套采用旋锻方式进行加工，加工后线材尺寸Φ1.0mm，长度为2.8km；
5)线材热处理：将步骤4)制得的线材在流通Ar条件下，30min加热至600℃保温2.5h，随炉冷却得到长度为2.8km的30+7芯MgB2超导线材。
经测试可知，该线材在4.2k、4T下临界电流为190A，临界电流密度为1.9×105A/cm2。为测试线材的均匀性，在其不同位置处取样品并测试其临界电流偏差为±10％，结果如图1所示。而采用拉伸加工的30+7芯MgB2线材在加工过程中存在断线情况，且最终成品线材的临界电流密度为7.6×104A/cm2@(4.2k，4T)，不同位置处临界电流偏差为±30％。
实施例2
本实施例提供了又一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，具体包括如下步骤：
1)制备前驱体粉末：在手套箱中称取Mg粉402g，C包覆B粉394g，将Mg粉和B粉按照1:2的原子比进行混合，机械混合20s后得到前驱体粉末；
2)制备单芯棒和中心棒：将前驱体粉末装入Cu/Nb管中组装成Cu/Nb/MgB2单芯棒，通过旋锻将单芯棒加工至直径6.0mm；将Cu棒通过旋锻加工至直径6.0mm，得到中心棒；
3)制备18+1芯复合包套：将步骤2)制得的Cu/Nb/MgB2单芯棒和Cu中心棒截成2.5m长的短棒，其中Cu/Nb/MgB2单芯棒18根，Cu中心棒1根，装入Monel管中，组装成18+1芯复合包套；
4)复合包套旋锻加工：将步骤3)制备得到的18+1芯复合包套采用旋锻方式进行加工，加工后线材尺寸Φ1.0mm，长度为2.0km；
5)线材热处理：将步骤4)制得的线材在流通Ar条件下，60min加热至670℃保温1h，随炉冷却得到长度为2.0km的18+1芯MgB2超导线材。
经测试可知，该线材的临界电流密度为1.7×105A/cm2@(4.2k，4T)，不同位置处线材的临界电流偏差为±15％。
实施例3
本实施例提供了又一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，具体包括如下步骤：
1)制备前驱体粉末：在手套箱中称取Mg粉320g，C包覆B粉316g，将Mg粉和B粉按照1:2的原子比进行混合，机械混合20s后得到前驱体粉末；
2)制备单芯棒和中心棒：将前驱体粉末装入Cu/Nb管中组装成Cu/Nb/MgB2单芯棒，通过旋锻将单芯棒加工至直径2.5mm；将Cu棒通过旋锻加工至直径2.5mm，得到中心棒；
3)制备48+7芯复合包套：将步骤2)制得的Cu/Nb/MgB2单芯棒和Cu中心棒截成2m长的短棒，其中Cu/Nb/MgB2单芯棒48根，Cu中心棒7根，装入Monel管中，组装成48+7芯复合包套；
4)复合包套旋锻加工：将步骤3)制备得到的48+7芯复合包套采用旋锻方式进行加工，加工后线材尺寸Φ1.0mm，长度为1.7km；
5)线材热处理：将步骤4)制得的线材在流通Ar条件下，30min加热至580℃保温4h，随炉冷却得到长度为1.7km的48+7芯MgB2超导线材。
经测试可知，该线材的临界电流密度为1.5×105A/cm2@(4.2k，4T)，不同位置处线材的临界电流偏差为±12％。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)将Mg粉和B粉按照1:2的原子比进行混合，研磨得到前驱体粉末；
2)将所述前驱体粉末装入Cu/Nb管中组装成Cu/Nb/MgB2单芯棒，通过旋锻将Cu/Nb/MgB2单芯棒加工至与Cu中心棒相同的尺寸；
3)将尺寸相同的Cu/Nb/MgB2单芯棒和Cu中心棒依次进行定尺、截断，放入Monel管中组装成多芯复合包套；
4)将所述多芯复合包套通过旋锻加工获得成品线材；
5)将所述成品线材进行热处理，得到MgB2多芯超导线材。
2.根据权利要求1所述的千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述Cu/Nb/MgB2单芯棒、Cu中心棒的直径均为Φ2.5mm～Φ6.0mm。
3.根据权利要求1所述的千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述Cu/Nb/MgB2单芯棒的数量为18～48根，Cu中心棒的数量为1～7根。
4.根据权利要求1所述的千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，步骤4)中，旋锻加工时：当所述多芯复合包套的直径为Φ20mm～Φ40mm时，每道次模具之间的间隔为2mm；当所述多芯复合包套的直径为Φ10mm～Φ20mm时，每道次模具之间的间隔为2mm；当所述多芯复合包套的直径为Φ1.0mm～Φ10mm时，每道次模具之间的间隔为0.5mm。
5.根据权利要求4所述的千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，所述旋锻时的进线速度为5mm/s。
6.根据权利要求1所述的千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述热处理具体为：将线材置于惰性气体环境中30min～60min加热至580℃～670℃，保温1h～4h。
7.根据权利要求1所述的千米级多芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，所述MgB2多芯超导线材的直径为Φ0.5mm～Φ5mm，长度为1.7km～2.8km。
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