一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法

摘要

本发明公开了一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，该方法包括以下步骤：一、将MgB2粉末研磨后装入第一镍管中得到第一装管复合体；二、第一装管复合体经第一拉拔和退火后得到单芯线材；三、将单芯线材和增强棒装到第二镍管中得到第二装管复合体；四、第二装管复合体经第二拉拔、辊模拉伸和第三拉拔得到多芯线材；五、将多芯线材进行平辊轧制和快速升降温热处理得到多芯MgB2超导带材。本发明采用拉拔、辊模拉伸、轧制和快速升降温热处理，解决了先位法制备多芯MgB2超导带材过程中芯丝断裂和断线的问题，避免了MgB2超导芯丝生成非超导的杂质相以及MgB2带材之间出现的粘连现象。

权利要求

1.一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将MgB2粉末在氩气保护下进行研磨，然后装入第一镍管中，填满压实后用锡堵头封住第一镍管的两端，得到第一装管复合体；

步骤二、将步骤一中得到的第一装管复合体进行多道次第一拉拔，然后进行退火，得到直径为2.0mm～8.0mm的单芯线材(1)；所述第一拉拔的道次加工率为10％～20％；

步骤三、将步骤二中得到的单芯线材(1)依次进行定尺、截断和酸洗处理，然后将多根酸洗后的单芯线材(1)和相同尺寸的增强棒(2)集束组装到第二镍管(3)中，得到第二装管复合体；所述集束组装过程中增强棒(2)装入第二镍管(3)的中心，酸洗后的单芯线材(1)沿圆周方向围绕增强棒(2)排列成圆环状结构装入第二镍管(3)中；所述酸洗后的单芯线材(1)、增强棒(2)和第二镍管(3)的长度均相同；

步骤四、将步骤三中得到的第二装管复合体依次进行多道次第二拉拔、多道次辊模拉伸和多道次第三拉拔，得到多芯线材；所述第二拉拔的道次加工率为5％～15％；所述辊模拉伸的道次加工率为12％～18％，所述第三拉拔的道次加工率为5％～10％；

步骤五、将步骤四中得到的多芯线材进行多道次平辊轧制，得到多芯带材，然后将多芯带材在氩气保护下进行快速升降温热处理，最终得到多芯MgB2超导带材；所述平辊轧制的道次加工率为15％～20％。

2.根据权利要求1所述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤一中经研磨后MgB2粉末的粒度为0.5μm～2.0μm，所述第一镍管的外径为10mm～25mm，壁厚为1.0mm～2.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤二中所述退火的制度为：以200℃/h～300℃/h的速率升温到550℃～650℃，保温1h～2h后随炉冷却至室温。

4.根据权利要求1所述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤三中所述单芯线材(1)的数量分别为6根、12根、12根和30根，对应所述增强棒(2)的数量分别为1根、1根、7根和7根，对应形成7芯、13芯、19芯和37芯的第二装管复合体。

5.根据权利要求1所述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤三中所述增强棒(2)为蒙乃尔/铜复合棒，所述蒙乃尔/铜复合棒的外层为蒙乃尔合金，内层为铜，其中蒙乃尔合金和铜的质量比为1：(1～2)。

6.根据权利要求1所述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤三中所述第二镍管(3)的外径为15mm～30mm，壁厚为1.5mm～3.0mm，长度为1.0m～3.0m。

7.根据权利要求1所述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤四中所述第二拉拔、辊模拉伸和第三拉拔过程中，当第二装管复合体的总加工率为70％～

85％时，进行中间退火处理，所述中间退火处理的制度为：以200℃/h～300℃/h的速率升温到550℃～650℃，保温1h～2h后随炉冷却至室温。

8.根据权利要求1所述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤四中所述多芯线材的直径为1.5mm～2.5mm。

9.根据权利要求1所述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤五中所述快速升降温热处理的制度为：在1min～10min内升温到900℃～950℃并保温5min～20min，然后在1min～10min内冷却至室温。

10.根据权利要求1所述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤五中所述多芯MgB2超导带材的厚度为0.4mm～0.6mm，宽度为3mm～6mm。

说明书

一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法

技术领域

[0001] 本发明属于超导材料制备技术领域，具体涉及一种先位法制备多芯 MgB2超导带材的方法。

背景技术

[0002] MgB2是一种具有高温超导性能的金属化合物，在电子、电力、机械及国防领域具有广阔的应用前景。目前最常见的MgB2带材制备方法为原位粉末装管法(in-situ PIT)和先位粉末装管法(ex-situ PIT)。

[0003] 原位粉末装管法以Mg和B的混合粉末为前驱粉末，装入套管后加工成带材，再进行热处理，使混合粉末形成MgB2超导相。该方法前驱粉末中的Mg粉、B粉化学性质活泼，在热处理过程中容易与套管金属发生化学反应，改变了超导芯丝中的超导相组分，所形成的反应扩散层甚至会阻碍超导电流通过。另外，Mg粉和B粉存在明显的流动差异性，使最终形成MgB2超导相的成分产生偏析，相转变时产生大量的孔洞，降低超导线材的有效载流面积。

[0004] 先位粉末装管法直接将MgB2粉末装入套管后通过拉拔或轧制加工成带材，由于前驱粉末为单一相，不存在相转变，MgB2超导相的成分不会产生偏析和孔洞，是一种理想的制备多芯MgB2超导带材的方法。但在多芯MgB2带材制备过程中，一般采用无氧铜管作为包套材料，其强度较低，对芯丝中的MgB2超导粉末约束力较小。常规的拉拔或轧制工艺中芯丝变形不均匀，芯丝容易断裂，甚至产生断线现象，严重影响了多芯MgB2超导带材的使用。另一方面，由于带材的制备过程不存在相转变，导致超导芯丝中 MgB2粉末之间的连接性较差，所以通常需要进行一次高温热处理来改善晶粒连接性能。但常规的高温热处理过程中的升降温时间过长，导致MgB2超导芯丝与套管发生扩散反应，晶粒长大或生成非超导的杂质相，并且长时间的高温会使MgB2带材之间出现粘连现象，最终影响MgB2带材的超导性能。

发明内容

[0005] 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，提供一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法。该方法以强度较高的镍管作为套管，采用拉拔、辊模拉伸和轧制工艺，并通过快速升降温热处理，解决了先位法制备多芯MgB2超导带材过程中芯丝断裂和断线的问题，避免了 MgB2超导芯丝生成非超导的杂质相以及MgB2带材之间出现的粘连现象，最终得到芯丝连续、MgB2超导相分布均匀的多芯MgB2超导带材。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

[0007] 步骤一、将MgB2粉末在氩气保护下进行研磨，然后装入第一镍管中，填满压实后用锡堵头封住第一镍管的两端，得到第一装管复合体；

[0008] 步骤二、将步骤一中得到的第一装管复合体进行多道次第一拉拔，然后进行退火，得到直径为2.0mm～8.0mm的单芯线材；所述第一拉拔的道次加工率为10％～20％；

[0009] 步骤三、将步骤二中得到的单芯线材依次进行定尺、截断和酸洗处理，然后将多根酸洗后的单芯线材和相同尺寸的增强棒集束组装到第二镍管中，得到第二装管复合体；所述集束组装过程中增强棒装入第二镍管的中心，酸洗后的单芯线材沿圆周方向围绕增强棒排列成圆环状结构装入第二镍管中；所述酸洗后的单芯线材、增强棒和第二镍管的长度均相同；

[0010] 步骤四、将步骤三中得到的第二装管复合体依次进行多道次第二拉拔、多道次辊模拉伸和多道次第三拉拔，得到多芯线材；所述第二拉拔的道次加工率为5％～15％；所述辊模拉伸的道次加工率为12％～18％，所述第三拉拔的道次加工率为5％～10％；

[0011] 步骤五、将步骤四中得到的多芯线材进行多道次平辊轧制，得到多芯带材，然后将多芯带材在氩气保护下进行快速升降温热处理，最终得到多芯MgB2超导带材；所述平辊轧制的道次加工率为15％～20％。

[0012] 上述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤一中经研磨后MgB2粉末的粒度为0.5μm～2.0μm，所述第一镍管的外径为10mm～25mm，壁厚为1.0mm～2.5mm。

[0013] 上述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤二中所述退火的制度为：以200℃/h～300℃/h的速率升温到550℃～650 ℃，保温1h～2h后随炉冷却至室温。

[0014] 上述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤三中所述单芯线材的数量分别为6根、12根、12根和30根，对应所述增强棒的数量分别为1根、1根、7根和7根，对应形成7芯、13芯、19 芯和37芯的第二装管复合体。

[0015] 上述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤三中所述增强棒为Monel/Cu复合棒，所述Monel/Cu复合棒的外层为 Monel合金，内层为Cu，其中Monel合金和Cu的质量比为1：(1～2)。

[0016] 上述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤三中所述第二镍管的外径为15mm～30mm，壁厚为1.5mm～3.0mm，长度为1.0m～3.0m。

[0017] 上述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤四中所述第二拉拔、辊模拉伸和第三拉拔过程中，当第二装管复合体的总加工率为70％～85％时，进行中间退火处理，所述中间退火处理的制度为：以200℃/h～300℃/h的速率升温到550℃～650℃，保温1h～2h后随炉冷却至室温。

[0018] 上述的一种先位法制备多芯MgB2超导材的方法，其特征在于，步骤四中所述多芯MgB2线材的直径为1.5mm～2.5mm。

[0019] 上述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤五中所述快速升降温热处理的制度为：在1min～10min内升温到900℃～950℃并保温5min～20min，然后在1min～10min内冷却至室温。

[0020] 上述的一种先位法制备多芯MgB2超导带材的方法，其特征在于，步骤五中所述多芯MgB2带材的厚度为0.4mm～0.6mm，宽度为3mm～6mm。

[0021] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0022] 1、本发明采用拉拔使装管复合体初步变形，然后进行辊模拉伸，在拉应力和压应力的共同作用下，装管复合体中芯丝变形较为均匀，芯丝之间的结合力增强，芯丝中MgB2粉末分布均匀，MgB2粉末之间的连接性得到改善，再通过平辊轧制使多芯线材均匀变形且致密度提高；最后通过快速升降温热处理，形成晶粒连接性良好的MgB2超导相，降低了MgB2超导芯丝与套管之间发生的扩散反应，避免了MgB2超导芯丝生成非超导的杂质相以及MgB2带材之间出现的粘连现象，最终得到芯丝连续、MgB2超导相分布均匀的多芯MgB2超导带材。

[0023] 2、本发明使用强度较高的镍管作为套管，可以提高多芯MgB2超导带材的抗拉强度，有效消除拉拔、拉伸和轧制导致的带材受力不均缺陷，减少了加工过程中的断线现象。

[0024] 3、本发明将MgB2粉末研磨至0.5μm～2.0μm后再装入第一镍管，MgB2粉末在第一镍管中的分布较为均匀，粉末之间的作用力和连接性也较为均匀，在后续的拉拔、拉伸和轧制过程中芯丝变形较为均匀，不易产生破裂。

[0025] 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

[0026] 图1是本发明实施例1中第二装管复合体的结构示意图。

[0027] 图2是本发明实施例1制备的13芯带材的横截面金相图。

[0028] 图3是本发明实施例1中第二装管复合体的结构示意图。

[0029] 附图标记说明

[0030] 1—单芯线材；  2—增强棒；  3—第二镍管。

具体实施方式

[0031] 实施例1

[0032] 本实施例包括以下步骤：

[0033] 步骤一、将MgB2粉末在氩气保护下进行研磨，然后装入第一镍管中，填满压实后用锡堵头封住第一镍管的两端，得到第一装管复合体；所述研磨后MgB2粉末的粒度为1.2μm；所述第一镍管的外径为20mm，壁厚为 2.0mm；

[0034] 步骤二、将步骤一中得到的第一装管复合体经19道次第一拉拔，然后进行退火，得到直径为2.4mm的单芯线材1；所述19道次第一拉拔的道次加工率均为20％；所述退火处理的制度为：以200℃/h的速率升温到 650℃，保温1h后随炉冷却至室温；

[0035] 步骤三、将步骤二中得到的单芯线材1依次进行定尺、截断和酸洗处理，然后将12根酸洗后的单芯线材1和1根相同尺寸的Monel/Cu复合棒 2集束组装到第二镍管3中，得到13芯第二装管复合体(如图1所示)；所述Monel/Cu复合棒2中Monel合金和Cu的质量比为1:
2；所述第二镍管3的外径为15mm，壁厚为1.5mm，长度为2.0m；所述集束组装过程中1根Monel/Cu复合棒2装入第二镍管3的中心，酸洗后的12根单芯线材 1沿圆周方向围绕Monel/Cu复合棒2排列成圆环状结构装入第二镍管3 中；所述酸洗后的单芯线材1、Monel/Cu复合棒2和第二镍管3的长度相同；

[0036] 步骤四、将步骤三中得到的第二装管复合体依次进行15道次第二拉拔、17道次辊模拉伸和5道次第三拉拔，得到直径为1.5mm的多芯线材；所述15道次第二拉拔中前3道次加工率均为5％，后12道次加工率均为 10％；所述17道次辊模拉伸的道次加工率均为15％；所述5道次第三拉拔的道次加工率均为8％；在依次进行第二拉拔、辊模拉伸和第三拉拔过程中，当所述第二装管复合体的总道次加工率为70％时，进行中间退火处理，所述中间退火处理的制度为：以200℃/h的速率升温到650℃，保温 1h后随炉冷却至室温；

[0037] 步骤五、将步骤四中得到的多芯线材经8道次平辊轧制，得到多芯带材，然后将多芯带材在氩气保护下进行快速升降温热处理，最终得到厚度为0.4mm、宽度为3.0mm的多芯MgB2超导带材；所述8道次平辊轧制的道次加工率均为20％；所述快速升降温热处理的制度为：在10min内升温到900℃并保温20min，然后在10min内冷却至室温。

[0038] 图2为本实施例制备的13芯带材的横截面金相图，其中a表示MgB2超导芯丝，b表示Monel/Cu复合棒芯，c表示带材最外层的Ni管，由图2 可以看出，本实施例制备的MgB2多芯超导带材横截面中12根MgB2超导芯丝分布均匀，无错位、断芯现象，Ni-MgB2界面上未出现明显的反应扩散层。

[0039] 实施例2

[0040] 本实施例包括以下步骤：

[0041] 步骤一、将MgB2粉末在氩气保护下进行研磨，然后装入第一镍管中，填满压实后用锡堵头封住第一镍管的两端，得到第一装管复合体；所述研磨后MgB2粉末的粒度为0.8μm；所述第一镍管的外径为15mm，壁厚为 1.5mm；

[0042] 步骤二、将步骤一中得到的第一装管复合体经16道次第一拉拔，然后进行退火，得到直径为4.0mm的单芯线材1；所述16道次第一拉拔的道次加工率均为15％；所述退火处理的制度为：以250℃/h的速率升温到 600℃，保温1.5h后随炉冷却至室温；

[0043] 步骤三、将步骤二中得到的单芯线材1依次进行定尺、截断和酸洗处理，然后将12根酸洗后的单芯线材1和7根相同尺寸的Monel/Cu复合棒 2集束组装到第二镍管3中，得到19芯的第二装管复合体(如图3所示)；所述Monel/Cu复合棒2中Monel合金和Cu的质量比为
1:1.5；所述第二镍管3的外径为25mm，壁厚为2.5mm，长度为1.5m；所述集束组装过程中7根Monel/Cu复合棒2装入第二镍管3的中心，酸洗后的12根单芯线材1沿圆周方向围绕Monel/Cu复合棒2排列成圆环状结构装入第二镍管3 中；所述酸洗后的单芯线材1、Monel/Cu复合棒2和第二镍管3的长度相同；

[0044] 步骤四、将步骤三中得到的第二装管复合体依次19道次第二拉拔、 20道次辊模拉伸和5道次第三拉拔，得到直径为2.0mm的多芯线材；所述19道次第二拉拔中前4道次加工率均为8％，后12道次加工率均为12％；所述20道次辊模拉伸的道次加工率均为12％；所述5道次第三拉拔的道次加工率均为5％；在依次进行第二拉拔、辊模拉伸和第三拉拔过程中，当所述第二装管复合体的总道次加工率为75％时，进行中间退火处理，所述中间退火处理的制度为：以250℃/h的速率升温到600℃，保温1.5h后随炉冷却至室温；

[0045] 步骤五、将步骤四中得到的多芯线材进行8道次平辊轧制，得到多芯带材，然后将多芯带材在氩气保护下进行快速升降温热处理，最终得到厚度为0.5mm、宽度为4.5mm的多芯MgB2超导带材；所述8道次平辊轧制的道次加工率均为18％；所述快速升降温热处理的制度为：在5min内升温到920℃并保温15min，然后在5min内冷却至室温。

[0046] 本实施例制备的MgB2多芯超导带材中MgB2超导芯丝分布均匀，无错位、断芯现象，Ni-MgB2界面上未出现明显的反应扩散层。

[0047] 实施例3

[0048] 本实施例包括以下步骤：

[0049] 步骤一、将MgB2粉末在氩气保护下进行研磨，然后装入第一镍管中，填满压实后用锡堵头封住第一镍管的两端，得到第一装管复合体；所述研磨后MgB2粉末的粒度为0.5μm；所述第一镍管的外径为10mm，壁厚为 1.0mm；

[0050] 步骤二、将步骤一中得到的第一装管复合体经20道次第一拉拔，然后进行退火，得到直径为2.0mm的单芯线材1；所述20道次第一拉拔的道次加工率均为15％；所述退火处理的制度为：以300℃/h的速率升温到 630℃，保温1.2h后随炉冷却至室温；

[0051] 步骤三、将步骤二中得到的单芯线材1依次进行定尺、截断和酸洗处理，然后将30根酸洗后的单芯线材1和7根相同尺寸的Monel/Cu复合棒 2集束组装到第二镍管3中，得到37芯的第二装管复合体；所述Monel/Cu 复合棒2中Monel合金和Cu的质量比为1:1.5；所述第二镍管3的外径为 20mm，壁厚为2.5mm，长度为1.0m；所述集束组装过程中7根Monel/Cu 复合棒2装入第二镍管3的中心，酸洗后的30根单芯线材1沿圆周方向围绕Monel/Cu复合棒2排列成圆环状结构装入第二镍管3中；所述酸洗后的单芯线材1、Monel/Cu复合棒2和第二镍管3的长度相同；

[0052] 步骤四、将步骤三中得到的第二装管复合体依次15道次第二拉拔、 25道次辊模拉伸和3道次第三拉拔，得到直径为1.8mm的多芯线材；所述第二拉拔中前3道次加工率均为10％，后12道次加工率均为12％；所述25道次辊模拉伸的道次加工率均为15％；所述3道次第三拉拔的道次加工率均为10％；在依次进行第二拉拔、辊模拉伸和第三拉拔过程中，当所述第二装管复合体的总道次加工率为85％时，进行中间退火处理，所述中间退火处理的制度为：以300℃/h的速率升温到630℃，保温1.2h后随炉冷却至室温；

[0053] 步骤五、将步骤四中得到的多芯线材进行8道次平辊轧制，得到多芯带材，然后将多芯带材在氩气保护下进行快速升降温热处理，最终得到厚度为0.4mm、宽度为4mm的多芯MgB2超导带材；所述8道次平辊轧制的道次加工率为18％；所述快速升降温热处理的制度为：在2min内升温到930℃并保温15min，然后在2min内冷却至室温。

[0054] 本实施例制备的MgB2多芯超导带材中MgB2超导芯丝分布均匀，无错位、断芯现象，Ni-MgB2界面上未出现明显的反应扩散层。

[0055] 实施例4

[0056] 本实施例包括以下步骤：

[0057] 步骤一、将MgB2粉末在氩气保护下进行研磨，然后装入第一镍管中，填满压实后用锡堵头封住第一镍管的两端，得到第一装管复合体；所述研磨后MgB2粉末的粒度为2.0μm；所述第一镍管的外径为25mm，壁厚为 2.5mm；

[0058] 步骤二、将步骤一中得到的第一装管复合体经22道次第一拉拔，然后进行退火，得到直径为8.0mm的单芯线材1；所述22道次第一拉拔的道次加工率均为10％；所述退火处理的制度为：以300℃/h的速率升温到 550℃，保温2h后随炉冷却至室温；

[0059] 步骤三、将步骤二中得到的单芯线材1依次进行定尺、截断和酸洗处理，然后将6根酸洗后的单芯线材1和1根相同尺寸的Monel/Cu复合棒2 集束组装到第二镍管3中，得到7芯第二装管复合体；所述Monel/Cu复合棒2中Monel合金和Cu的质量比为1:1；所述第二镍管3的外径为30mm，壁厚为3.0mm，长度为3.0m；所述集束组装过程中1根Monel/Cu复合棒 2装入第二镍管3的中心，酸洗后的6根单芯线材1沿圆周方向围绕 Monel/Cu复合棒2排列成圆环状结构装入第二镍管3中；所述酸洗后的单芯线材1、Monel/Cu复合棒2和第二镍管3的长度相同；

[0060] 步骤四、将步骤三中得到的第二装管复合体依次进行15道次第二拉拔、12道次辊模拉伸和3道次第三拉拔，得到直径为2.5mm的多芯线材；所述15道次第二拉拔中前3道次加工率均为10％，后12道次加工率均为 15％；所述12道次辊模拉伸的道次加工率均为18％；所述3道次第三拉拔的道次加工率均为10％；在依次进行第二拉拔、辊模拉伸和第三拉拔过程中，当所述第二装管复合体的总道次加工率为80％时，进行中间退火处理，所述中间退火处理的制度为：以300℃/h的速率升温到550℃，保温 2h后随炉冷却至室温；

[0061] 步骤五、将步骤四中得到的多芯线材经9道次平辊轧制得到多芯带材，然后将多芯带材在氩气保护下进行快速升降温热处理，最终得到厚度为 0.6mm、宽度为6mm的多芯MgB2超导线材；所述9道次平辊轧制的道次加工率均为15％；所述快速升降温热处理的制度为：在1min内升温到950 ℃并保温5min，然后在1min内冷却至室温。

[0062] 本实施例制备的MgB2多芯超导带材中MgB2超导芯丝分布均匀，无错位、断芯现象，Ni-MgB2界面上未出现明显的反应扩散层。

[0063] 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。