CN114596996A - 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。

Description

一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法
技术领域
本发明属于超导线带材加工技术领域，具体涉及一种千米级多芯MgB2超导线材的制备方法。
背景技术
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-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。
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):285–291)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MaY 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。
针对目前研究现状，发明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。
发明内容
本发明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。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：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：
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。
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，本发明在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，本发明将(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。
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。
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-0.1mm～0mm，与Mg棒的装配公差均为0mm～0.1mm。本发明中底端定位的Cu环与顶端定位的Cu环均用于Mg棒的中心定位，且在二次组装前的定尺工序中要剪掉，不参与最终的成相热处理；通过对底端定位的Cu环与顶端定位的Cu环的高度限定，避免过短在定位过程中易于脱落的现象，以及过长造成浪费的现象，同时控制对应的装配公差，保证了底端定位的Cu环、顶端定位的Cu环均准确地环套在Mg棒上且位于一次包套Nb管内，以实现精确定位功能。
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，步骤二中所述CCB粉为粒度200nm～400nm、C质量含量4％～5％的无定形粉末。通过限定CCB粉的粒度为亚微米级粒度，以保证其具有较高的反应活性，提高了千米级多芯MgB2超导线材中MgB2超导相的纯度；本发明采用的CCB粉中的C元素作为体系中的掺杂物，在反应过程中进入MgB2晶格替代部分B原子，产生晶格畸变，形成超导磁通钉扎中心，通过限定CCB粉中的C质量含量以形成足够的有效钉扎，同时避免过量掺杂导致未参与反应的C形成非超导的杂质相，进一步保证了千米级多芯超导线材中MgB2超导相的形成。
本发明中采用的CCB粉(Carbon Coated Boron)为碳包覆硼粉。
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，步骤二中所述一次包套Nb管的规格为外径10mm～18mm，管壁厚度1mm～2.5mm；所述中心Mg棒的质量纯度为99.5％以上，规格为直径3.0mm～7.0mm；所述(Mg,CCB)/Nb单芯棒的直径为2.6mm～6.0mm。本发明中一次包套Nb管作为阻隔层在后续加工和热处理过程中阻挡前驱粉体包括CCB粉与基体材料外包套Monel管接触，通过限定一次包套Nb管的的外径，保证了后续加工过程的顺利进行，且兼顾粉末装填的经济性和可行性，同时限定一次包套Nb管的管壁厚度以与外径相配合，进一步保证了后续加工过程中一次包套Nb管的顺利连续变形，避免出现破裂现象；通过限定中心Mg棒的尺寸规格与一次包套Nb管的规格相互匹配，促进中心Mg棒与装填在中心Mg棒与一次包套Nb管之间的CCB粉的充分反应程度，提高了后续成相热处理过程中形成MgB2超导相的纯度；通过限定(Mg,CCB)/Nb单芯棒的直径以与后续采用的外包套Monel管相配合，以满足常规目标产物即具有7～37芯结构的千米级多芯MgB2超导线材的尺寸要求。
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，步骤三中所述NbCu中心替换棒为Cu管包覆Nb棒的复合棒材，且Cu管与Nb棒的质量比为1:1。采用等质量比的Cu管包覆Nb棒的复合棒材作为二次装管的中心替换棒，其中Nb作为增强体材料，Cu作为稳定体材料，兼顾了多芯MgB2超导线材的机械性能和电磁性能。
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，步骤三中所述集束组装时将1根或7根NbCu中心替换棒放置于外包套Monel管中心位置，然后在外层均匀分布1～2层(Mg,CCB)/Nb单芯棒；所述亚组元(Mg,CCB)/Nb单芯棒与NbCu中心替换棒的横截面均为圆形。通过上述限定保证了经旋锻成型得到的多芯MgB2线材的横截面为圆形，即目标产物为线材。
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，步骤四中所述旋锻的道次为3～5道次，每道次加工率为15％～20％，所述拉拔的每道次加工率为10％～15％，所述轧制后的多组元多芯装管复合体的直径为3.28mm～3.89mm，所述多芯MgB2线材的直径为0.8mm～1.0mm。本发明对集束组装后得到的多组元多芯装管复合体采用较大道次加工率的旋锻工艺，提高了NbCu中心替换棒与亚组元(Mg,CCB)/Nb单芯棒之间的结合性能，快速降低了亚组元之间的孔隙；通过限定拉拔参数、轧制后的多组元多芯装管复合体的直径保证了多组元多芯装管复合体的顺利连续变形，且控制多芯MgB2线材的直径为0.8mm～1.0mm，满足了目前常用的超导工频线的尺寸要求。
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，所述成相热处理的制度为：在流通氩气保护条件下，将多芯MgB2线材的两端压9制后在650℃～680℃保温2h～5h。Mg的熔点为650℃，考虑到采用Mg扩散工艺制备MgB2超导线材时Mg扩散距离较远的特点，选用在Mg熔点温度以上的液相扩散工艺进行成相热处理，并结合控制保温时间，保证了MgB2超导相的生成，同时避免了温度过高导致外包套材料强度降低。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明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，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和连续性，实现了千米级MgB2多芯超导线材的制备。
2、本发明在(Mg,CCB)/Nb单芯棒的加工过程中，采用旋锻和孔型轧制等完全压应力变形的加工工艺，避免了(Mg,CCB)/Nb单芯棒中Mg棒的断裂和不连续问题，提高了(Mg,CCB)/Nb单芯棒的成品率，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。
3、本发明通过对MgB2多芯超导线材结构的设计和工艺路线的选择、工艺参数的优化，解决了Mg扩散工艺无法制备实用化超导长线带材的问题，从而制备出满足磁体、电缆等实际应用的千米级MgB2多芯超导线材。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1的千米级37芯MgB2超导线材的集束组装结构设计示意图。
图2为本发明实施例1制备的37芯MgB2线材的横截面微观结构图。
图3为本发明实施例1制备的37芯MgB2超导线材的横截面微观结构图。
附图标记说明:
1—外包套Monel管； 2—中心Mg棒； 3—CCB粉；
4—一次包套Nb管； 5—(Mg,CCB)/Nb单芯棒； 6—NbCu中心替换棒。
具体实施方式
本发明实施例1～实施例4中采用的CCB粉为土耳其PAVAZUM公司的商品。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对目标产物千米级37芯MgB2超导线材的集束组装结构进行设计，如图1所示，该结构包括外包套和亚组元，其中，外包套Monel管1的外径×壁厚×长度为32mm×2.5mm×1100mm状态为退火态，24根亚组元(Mg,CCB)/Nb单芯棒5和中心位置处7根NbCu中心替换棒6的直径均为3.9mm，6根角部位置(Mg,CCB)/Nb单芯棒5的直径为2.6mm，且(Mg,CCB)/Nb单芯棒5的中心位置处为中心Mg棒2，中心Mg棒2的外层装填环形的CCB粉3，最外层为一次包套Nb管4；所述NbCu中心替换棒6为Cu管包覆Nb棒的复合棒材，且Cu管与Nb棒的质量比为1:1；
步骤二、将直径6mm、质量纯度为99.9％的中心Mg棒插入采用Cu环底端定位的外径×内径为15mm×11mm的一次包套Nb管中，然后将C包覆B粉即粒度300nm、C质量含量为4.5％的无定形粉末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，按照外包套Monel管1的长度1100mm定尺截断和矫直，得到直径3.9mm和直径2.6mm的(Mg,CCB)/Nb单芯棒，并将NbCu中心替换棒6加工至直径3.9mm；
所述底端定位的Cu环、顶端定位的Cu环规格相同，外径×内径×高度均为
Figure BDA0003555794760000081
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、酸洗以去除表面油污和氧化层并烘干，且(Mg,CCB)/Nb单芯棒的清洗、酸洗过程中采用乳胶管密封两端，避免其管内CCB粉与清洗液、酸洗液接触，然后进行集束组装，得到多组元37芯装管复合体；所述集束组装时将7根NbCu中心替换棒放置于外包套Monel管中心位置，然后在外层均匀分布2层(Mg,CCB)/Nb单芯棒；所述亚组元(Mg,CCB)/Nb单芯棒与NbCu中心替换棒的横截面均为圆形；
步骤四、将步骤三中得到的多组元37芯装管复合体进行旋锻、拉拔、孔型轧制和多模拉拔的冷塑性加工，得到直径为0.84mm的37芯MgB2线材；所述旋锻的道次为3道次，每道次加工率为18％，旋锻后多组元37芯装管复合体的直径为23mm，所述拉拔的每道次加工率为15％，所述孔型轧制后的多组元多芯装管复合体的直径为3.89mm；
步骤五、在流通氩气保护条件下，将步骤四中得到的37芯MgB2线材的两端压制后在650℃保温5h进行成相热处理，得到长度为1180米的多芯MgB2超导线材。
图2为本实施例制备的多芯MgB2线材的横截面微观结构图，图2中外层灰色大圆环为外包套Monel管，大圆环内30个不规则形状的黑色小环形区域为CCB粉，由CCB粉包裹的不规则形状浅灰色区域为中心Mg棒，CCB粉外层的深灰色区域为一次包套Nb管，大圆环内中心7个深灰色区域为Nb棒，Nb棒之间的灰白色区域为稳定体Cu。
图3为本实施例制备的多芯MgB2超导线材的横截面微观结构图，从图3可知，图3中外层灰色大圆环为Monel包套层，大圆环里面30个不规则形状的黑色区域为Mg扩散到B粉中后形成的孔洞，孔洞外层是MgB2超导层，MgB2超导层外层为Nb阻隔层，中心7个深灰色区域为Nb棒，Nb棒之间的灰白色区域为稳定体Cu。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对目标产物千米级19芯MgB2超导线材的集束组装结构进行设计，该结构包括外包套和亚组元，其中，外包套Monel管的外径×壁厚×长度为25mm×2mm×2000mm，状态为退火态，18根亚组元(Mg,CCB)/Nb单芯棒和中心位置处1根NbCu中心替换棒的直径均为4mm，且(Mg,CCB)/Nb单芯棒的中心位置处为中心Mg棒，中心Mg棒的外层装填环形的CCB粉，最外层为一次包套Nb管；所述NbCu中心替换棒为Cu管包覆Nb棒的复合棒材，且Cu管与Nb棒的质量比为1:1；
步骤二、将直径3mm、质量纯度为99.8％的中心Mg棒插入采用Cu环底端定位的外径×内径为10mm×8mm的一次包套Nb管中，然后将C包覆B粉即粒度400nm、C质量含量为5％的无定形粉末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，按照外包套Monel管1的长度2000mm定尺截断和矫直，得到直径4mm的(Mg,CCB)/Nb单芯棒，并将NbCu中心替换棒加工至直径4mm；
步骤二中所述底端定位的Cu环、顶端定位的Cu环规格相同，外径×内径×高度均为
Figure BDA0003555794760000101
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、酸洗以去除表面油污和氧化层并烘干，且(Mg,CCB)/Nb单芯棒的清洗、酸洗过程中采用乳胶管密封两端，避免其管内CCB粉与清洗液、酸洗液接触，然后进行集束组装，得到多组元19芯装管复合体；所述集束组装时将1根NbCu中心替换棒放置于外包套Monel管中心位置，然后在外层均匀分布1层(Mg,CCB)/Nb单芯棒；所述亚组元(Mg,CCB)/Nb单芯棒与NbCu中心替换棒的横截面均为圆形；
步骤四、将步骤三中得到的多组元19芯装管复合体进行旋锻、拉拔、孔型轧制和多模拉拔的冷塑性加工，得到直径为0.8mm的19芯MgB2线材；所述旋锻的道次为4道次，每道次加工率为15％，旋锻后多组元19芯装管复合体的直径为19mm，所述拉拔的每道次加工率为10％，所述孔型轧制后的多组元多芯装管复合体的直径为3.28mm；
步骤五、在流通氩气保护条件下，将步骤四中得到的19芯MgB2线材的两端压制后在660℃保温3h进行成相热处理，得到长度为1560米的多芯MgB2超导线材。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对目标产物千米级7芯MgB2超导线材的集束组装结构进行设计，该结构包括外包套和亚组元，其中，外包套Monel管的外径×壁厚×长度为25mm×3mm×2000mm，6根亚组元(Mg,CCB)/Nb单芯棒和中心位置处1根NbCu中心替换棒的直径均为6mm，且(Mg,CCB)/Nb单芯棒的中心位置处为中心Mg棒，中心Mg棒的外层装填环形的CCB粉，最外层为一次包套Nb管；所述NbCu中心替换棒为Cu管包覆Nb棒的复合棒材，且Cu管与Nb棒的质量比为1:1；
步骤二、将直径7mm、质量纯度为99.8％的中心Mg棒插入采用Cu环底端定位的外径×内径为18mm×13mm的一次包套Nb管中，然后将C包覆B粉即粒度200nm、C质量含量为4％的无定形粉末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，按照外包套Monel管的长度2000mm定尺截断和矫直，得到直径6mm的(Mg,CCB)/Nb单芯棒，并将NbCu中心替换棒加工至直径6mm；
步骤二中所述底端定位的Cu环、顶端定位的Cu环规格相同，外径×内径×高度均为
Figure BDA0003555794760000111
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、酸洗以去除表面油污和氧化层并烘干，且(Mg,CCB)/Nb单芯棒的清洗、酸洗过程中采用乳胶管密封两端，避免其管内CCB粉与清洗液、酸洗液接触，然后进行集束组装，得到多组元7芯装管复合体；所述集束组装时将1根NbCu中心替换棒放置于外包套Monel管中心位置，然后在外层均匀分布1层(Mg,CCB)/Nb单芯棒；所述亚组元(Mg,CCB)/Nb单芯棒与NbCu中心替换棒的横截面均为圆形；
步骤四、将步骤三中得到的多组元7芯装管复合体进行旋锻、拉拔、孔型轧制和多模拉拔的冷塑性加工，得到直径为1.0mm的7芯MgB2线材；所述旋锻的道次为5道次，每道次加工率为20％，旋锻后多组元7芯装管复合体的直径为17mm，所述拉拔的每道次加工率为20％，所述孔型轧制后的多组元多芯装管复合体的直径为3.48mm；
步骤五、在流通氩气保护条件下，将步骤四中得到的7芯MgB2线材的两端压制后在680℃保温2h进行成相热处理，得到长度为1150米的多芯MgB2超导线材。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对目标产物千米级37芯MgB2超导线材的集束组装结构进行设计，该结构包括外包套和亚组元，其中，外包套Monel管的外径×壁厚×长度为38mm×3mm×1500mm，24根亚组元(Mg,CCB)/Nb单芯棒和中心位置处7根NbCu中心替换棒的直径均为4.5mm，6根角部位置(Mg,CCB)/Nb单芯棒的直径为3.2mm，且(Mg,CCB)/Nb单芯棒的中心位置处为中心Mg棒，中心Mg棒的外层装填环形的CCB粉，最外层为一次包套Nb管；所述NbCu中心替换棒为Cu管包覆Nb棒的复合棒材，且Cu管与Nb棒的质量比为1:1；
步骤二、将直径6mm、质量纯度为99.8％的中心Mg棒插入采用Cu环底端定位的外径×内径为15mm×11mm的一次包套Nb管中，然后将C包覆B粉即粒度250nm、C质量含量为4.5％的无定形粉末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，按照外包套Monel管的长度1500mm定尺截断和矫直，得到直径4.5mm和直径3.2mm的(Mg,CCB)/Nb单芯棒，并将NbCu中心替换棒加工至直径4.5mm；
步骤二中所述底端定位的Cu环、顶端定位的Cu环规格相同，外径×内径×高度均为
Figure BDA0003555794760000131
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、酸洗以去除表面油污和氧化层并烘干，且(Mg,CCB)/Nb单芯棒的清洗、酸洗过程中采用乳胶管密封两端，避免其管内CCB粉与清洗液、酸洗液接触，然后进行集束组装，得到多组元37芯装管复合体；所述集束组装时将7根NbCu中心替换棒放置于外包套Monel管中心位置，然后在外层均匀分布2层(Mg,CCB)/Nb单芯棒；所述亚组元(Mg,CCB)/Nb单芯棒与NbCu中心替换棒的横截面均为圆形；
步骤四、将步骤三中得到的多组元37芯装管复合体进行旋锻、拉拔、孔型轧制和多模拉拔的冷塑性加工，得到直径为1.0mm的37芯MgB2线材；所述旋锻的道次为5道次，每道次加工率为18％，旋锻后多组元37芯装管复合体的直径为25mm，所述拉拔的每道次加工率为20％，所述孔型轧制后的多组元多芯装管复合体的直径为3.48mm；
步骤五、在流通氩气保护条件下，将步骤四中得到的7芯MgB2线材的两端压制后在680℃保温2h进行成相热处理，得到长度为1620米的多芯MgB2超导线材。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

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-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芯MgB2超导线材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述CCB粉为粒度200nm～400nm、C质量含量4％～5％的无定形粉末。
5.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，步骤二中所述一次包套Nb管的规格为外径10mm～18mm，管壁厚度1mm～2.5mm；所述中心Mg棒的质量纯度为99.5％以上，规格为直径3.0mm～7.0mm；所述(Mg,CCB)/Nb单芯棒的直径为2.6mm～6.0mm。
6.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，步骤三中所述NbCu中心替换棒为Cu管包覆Nb棒的复合棒材，且Cu管与Nb棒的质量比为1:1。
7.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，步骤三中所述集束组装时将1根或7根NbCu中心替换棒放置于外包套Monel管中心位置，然后在外层均匀分布1～2层(Mg,CCB)/Nb单芯棒；所述亚组元(Mg,CCB)/Nb单芯棒与NbCu中心替换棒的横截面均为圆形。
8.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，步骤四中所述旋锻的道次为3～5道次，每道次加工率为15％～20％，所述拉拔的每道次加工率为10％～15％，所述轧制后的多组元多芯装管复合体的直径为3.28mm～3.89mm，所述多芯MgB2线材的直径为0.8mm～1.0mm。
9.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，所述成相热处理的制度为：在流通氩气保护条件下，将多芯MgB2线材的两端压制后在650℃～680℃保温2h～5h。
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