一种基于粉体套管行星旋轧的超导线材制备方法

摘要

本发明公开了一种基于粉体套管行星旋轧的超导线材制备方法；其特征在于，包括以下步骤：1)将超导前驱粉末装入金属管内；2)将步骤1)中得到的装管复合体进行整体的塑性变形；若干个轧辊呈辐射状分布在金属管的外壁四周；每一个所述轧辊同时进行自转和公转，使装管复合体进行轴向进给而不转动；所述装管复合体在轴向进给的过程中进行塑性变形至目标尺寸；所述轧辊的数量为M，M≥3且M为正整数；3)对步骤2)中得到的定尺截断的单芯线材进行二次组装，所述单芯线材装入金属套管内，构成多芯导体结构；4)将步骤3)中得到的二次装管复合体进行整体的塑性变形；5)对步骤4)中得到的多芯线材进行后续处理，得到成品超导线、带材。

权利要求

1.一种基于粉体套管行星旋轧的超导线材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将超导前驱粉末装入金属管内；

所述超导前驱粉末是按照原子比例进行配料，混合均匀后得到的松散粉末；

2)将步骤1)中得到的装管复合体进行整体的塑性变形；

所述塑性变形过程中通过行星旋轧辊轧模具进行，所述行星旋轧辊轧模具中包括若干个轧辊；

若干个所述轧辊呈辐射状分布在金属管的外壁四周；每一个所述轧辊同时进行自转和公转，使装管复合体进行轴向进给而不转动；所述装管复合体在轴向进给的过程中进行塑性变形至目标外径；

所述公转的轴为金属管的管轴；

所述轧辊的数量为M，M≥3且M为正整数；

3)对步骤2)中得到的定尺截断的单芯线材进行二次组装，所述单芯线材装入金属套管内，构成多芯导体结构；

4)将步骤3)中得到的二次装管复合体进行整体的塑性变形；

所述塑性变形过程中通过行星旋轧辊轧模具进行，所述行星旋轧辊轧模具中包括若干个轧辊；

若干个所述轧辊均匀分布在金属套管的外壁处；每一个所述轧辊同时进行自转和公转，使二次装管复合体进行轴向进给而不转动；所述二次装管复合体在轴向进给的过程中进行塑性变形至目标尺寸；

所述公转的轴为金属套管的管轴；

所述轧辊的数量为N，N≥3且N为正整数；

5)对步骤4)中得到的多芯线材进行后续处理，得到成品超导线、带材。

2.根据权利要求1所述的一种基于粉体套管行星旋轧的超导线材制备方法，其特征在于：所述轧辊的自转和公转速度的分析计算过程为：先设定轧辊自转速度，再根据理论公式计算轧辊公转匹配速度，将自转和公转匹配速度作为参数输入有限元软件ABAQUS中，根据模拟结果中装管复合体的转动情况反复调整公转匹配速度，直至二者匹配。

说明书

一种基于粉体套管行星旋轧的超导线材制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超导材料的制备方法，具体是一种基于粉体套管行星旋轧的超导线材制备方法。

背景技术

[0002] 超导是21世纪具有重大经济和战略意义的高新技术，在诸多领域具有广阔的应用前景。如何采用合适的制备工艺以获得高质量的线材或带材，则是超导技术能否成功应用的关键。

[0003] 粉末套管(Powder-in-Tube，PIT)拉拔是目前实用化高温超导线材的主要制备工艺路线，如已商业化的MgB2、Bi2223、Bi2212超导线材的生产均采用该法，2008年新发现的Fe(铁)基超导材料，由于硬度和脆性大、塑性加工困难，PIT也是首选的技术途径。

[0004] 超导线材PIT制备的流程，是先将按规定原子比配料并混合均匀的松散超导前驱粉末装入金属管内，将装管复合体进行整体的塑性变形(拉拔)至一定尺寸；然后对定尺截断的单芯线材进行二次组装，装入金属套管内构成多芯导体结构；再以一定的道次加工率对二次装管复合体进行多次拉拔至一定直径，得到多芯线材；最后，通过多次形变热处理形成形变织构，得到最终的成品线、带材。

[0005] 在用PIT制备超导长材的过程中，金属包套和超导粉末组成复合体需经过多道次拉拔加工才能达到需要的尺寸要求，其整体塑性变形至关重要。

[0006] 由于金属线材在拉丝模内拉拔时承受了很大的轴向拉力，同时包套材料的应力应变变化、粉末密度变化以及粉末与包套材料的相互作用，各道次拉拔中会产生显著的应力波动及变形不均等问题。

[0007] 实践中，由于多芯超导线带材的加工不稳定，拉拔过程中夹具多次往复运动产生的不连续拉拔行为，制备千米级线材时很容易出现断线、以及各种表面和内部缺陷，如长度方向出现线材尺寸、微观组织及界面等不均匀的现象，导致长线材的超导性能整体下降。

[0008] 为解决上述超导线材PIT生产过程存在的问题、提高所制备超导线材的长度与性能，本领域技术人员已经尝试过多种方法。

[0009] 现有技术中包括采用中心增强的Bi-2212线材以降低断芯率，以提高线材的均匀性与载流性能。现有技术中还包括将挤压技术引入到MgB2线材制备中，即将复合体挤压成形后再进行拉拔加工。由于在挤压可加工的线材直径范围内，线材的长径比随着线材长度的增加被无限延长，给PIT粉末装管过程带来很大难度。此外，在美国能源部支持下，Innovare公司等还采用了在常规拉拔过程中叠加超声振动的方法来制备Nb3Sn超导线材，以期减少拉拔力与拉拔时的断线现象。

[0010] 拉拔时，材料始终处于一向拉应力和二向压应力状态，金属沿拉拔的轴向产生延伸变形，沿径向产生压缩变形。由于上述技术措施仍然建立在拉拔工艺的基础上，并未改变超导线材PIT拉拔过程的基本受力状态与变形特征，因此也无法从根本上解决现有PIT拉拔工艺在稳定性、致密度与均匀性等方面存在的问题。

[0011] 综上所述，现有技术中亟需一种新的工艺技术，来改变PIT拉拔缩径的力学状态，有效控制断线等缺陷，并改善超导线材制备的均匀性、提高电传导性能。

发明内容

[0012] 本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种基于粉体套管行星旋轧的超导线材制备方法。

[0013] 为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于粉体套管行星旋轧的超导线材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0014] 1)将超导前驱粉末装入金属管内；

[0015] 所述超导前驱粉末是按照原子比例进行配料，混合均匀后得到的松散粉末；

[0016] 2)将步骤1)中得到的装管复合体进行整体的塑性变形；

[0017] 所述塑性变形过程中通过行星旋轧辊轧模具进行，所述行星旋轧辊轧模具中包括若干个轧辊；

[0018] 若干个所述轧辊呈辐射状分布在金属管的外壁四周；每一个所述轧辊同时进行自转和公转，使装管复合体进行轴向进给而不转动；所述装管复合体在轴向进给的过程中进行塑性变形至目标外径；

[0019] 所述公转的轴为金属管的管轴；

[0020] 所述轧辊的数量为M，M≥3且M为正整数；

[0021] 3)对步骤2)中得到的定尺截断的单芯线材进行二次组装，所述单芯线材装入金属套管内，构成多芯导体结构；

[0022] 4)将步骤3)中得到的二次装管复合体进行整体的塑性变形；

[0023] 所述塑性变形过程中通过行星旋轧辊轧模具进行，所述行星旋轧辊轧模具中包括若干个轧辊；

[0024] 若干个所述轧辊均匀分布在金属套管的外壁处；每一个所述轧辊同时进行自转和公转，使二次装管复合体进行轴向进给而不转动；所述二次装管复合体在轴向进给的过程中进行塑性变形至目标尺寸；

[0025] 值得说明的是：如果目标尺寸的外径太小，旋轧二次装管复合体的过程中，仅通过一道次旋轧结果可能不理想，往往需要多道次旋轧。具体实现方式是：逐道次调大轧辊倾斜角，使旋轧得到的二次装管复合体外径逐渐减小至目标外径。

[0026] 所述公转的轴为金属套管的管轴；

[0027] 所述轧辊的数量为N，N≥3且N为正整数；

[0028] 5)对步骤4)中得到的多芯线材进行后续处理，得到成品超导线、带材。

[0029] 进一步，所述轧辊的自转和公转速度的分析计算过程为：先设定轧辊自转速度，再根据理论公式计算轧辊公转匹配速度，将自转和公转速度作为参数输入有限元软件ABAQUS中，根据模拟结果中装管复合体的转动情况反复调整公转速度，直至二者匹配[0030] 值得说明的是：所述轧辊的自转和公转速度还可以通过实验、经验值取值等方式获取。

[0031] 本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：

[0032] 1)本发明通过行星旋轧的方式取代了现有技术中的拉拔成形，大幅降低了粉体套管复合体成形过程中所受的轴向拉力、表面摩擦力，从而极大地减小了断线的概率；

[0033] 2)本发明中的同一组行星旋轧辊轧模具可以旋轧不同外径的线材，具有广泛的应用性

[0034] 3)本发明中的管外壁受到周期性连续外力作用，变形更加均匀，有利于内部粉体的位置重置、提高管内粉体压缩成形的均匀性与致密度，避免“香肠效应”等缺陷，从而提升最终超导线材产品的电学性能。

附图说明

[0035] 图1为本发明三辊行星旋轧的粉体套管成形的侧向示意图；

[0036] 图2为本发明三辊行星旋轧的粉体套管成形的正向示意图；

[0037] 图3为本发明八辊行星旋轧的粉体套管成形的轴侧示意图；

[0038] 图4为有限元模拟得到的粉体套管拉拔与旋轧(初始拉力)轴向载荷-位移曲线；

[0039] 图5为有限元模拟得到的粉体套管拉拔与三辊行星旋轧粉体轴心处静水应力-位移曲线。

[0040] 图6为粉体套管拉拔的轴向应力分布云图；

[0041] 图7为三辊行星旋轧的粉体套管的轴向应力分布云图；

[0042] 图8为八辊行星旋轧的粉体套管的轴向应力分布云图；

[0043] 图中：轧辊1、管坯料2、超导前驱粉末3。

具体实施方式

[0044] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

[0045] 实施例1：

[0046] 一种基于粉体套管行星旋轧的超导线材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0047] 1)将超导前驱粉末装入金属管内；

[0048] 所述超导前驱粉末是按照原子比例进行配料，混合均匀后得到的松散粉末；

[0049] 所述金属管的管坯料2选用6061铝合金，管坯外径为20mm，长度70mm，壁厚1.5mm。屈服应力188Mpa，弹性模量68900Mpa,泊松比0.4,密度2.90g/mm3。

[0050] 所述超导前驱粉末3为氧化铁粉，参数为：弹性模量14000Mpa，内摩擦角35.8°，膨胀角0°，泊松比0.3。

[0051] 2)将步骤1)中得到的装管复合体进行整体的塑性变形；

[0052] 所述塑性变形过程中通过行星旋轧辊轧模具进行，所述行星旋轧辊轧模具中包括三个轧辊1；

[0053] 三个所述轧辊呈辐射状分布在金属管的外壁四周；每一个所述轧辊1同时进行自转和公转，使装管复合体进行轴向进给而不转动；所述装管复合体在轴向进给的过程中进行塑性变形至目标尺寸；

[0054] 所述公转的轴为金属管的管轴；

[0055] 2.1)如图1和2所示，利用三维造型软件建立轧辊1、管坯、粉体模型；

[0056] 所述轧辊1的参数为：

[0057] 轧辊的公转和自转速度与轧辊的形状和结构有关；

[0058] 本实施例中的轧辊1为如图1所示的回转体结构；所述回转体结构的母线包括相连的弧线I和弧线II，所述弧线I回转成球台结构I，所述弧线II回转成球台结构II；所述球台结构I的大圆面与球台结构II的小圆面重合；

[0059] 本实施例中轧辊1的参数为：

[0060] 所述轧辊1的轧辊高为19mm，轧辊底部直径为60mm，轧辊顶部直径为20mm，轧辊圆台侧面为直径230mm的弧面。轧辊轴线与坯料中心线的倾斜角为50°，轧辊轴线与坯料中心线的偏转角为25°。

[0061] 2.2)将步骤1)中的模型导入有限元模拟软件ABAQUS中，并输入管坯和粉体材料参数，设置轧辊1的自转与公转匹配速度，使装管复合体只轴向进给而不转动；

[0062] 在本实施例中，所述轧辊1的自转速度为3.14rad/s；

[0063] 所述轧辊1的公转速度为6.28rad/s；

[0064] 2.3)在有限元模拟软件ABAQUS中将装管复合体进行整体的塑性变形(行星旋轧)至管坯外形尺寸为142mm×14mm×1.5mm；

[0065] 2.4)在数值模拟结果中输出管坯的轴向应力、管坯前端面的轴向载荷随其位移的变化曲线以及粉体材料轴心位置处的一个单元所受的静水应力随其位移的变化曲线；

[0066] 如图4所示，即为有限元模拟得到的粉体套管拉拔与三辊行星旋轧(初始拉力)轴向载荷-位移曲线；

[0067] 如图5所示，即为有限元模拟得到的粉体套管拉拔与三辊行星旋轧粉体轴心处静水应力-位移曲线。

[0068] 数值模拟的结果表明，三辊行星旋轧制备单芯线材过程中管坯的轴向最大应力值为100Mpa、轴向初始载荷最大值为9000N；远小于拉拔成形制备单芯线材时的轴向最大应力值600Mpa、轴向最大载荷值20000N(参见图4)；

[0069] 上述数据结果说明：行星旋轧制备超导线材的轴向载荷远低于拉拔成形，从而大大降低线材断线的概率；管坯内部粉体的静水应力在径向上由外至内逐渐增大；

[0070] 三辊行星旋轧过程中轴心处的静水应力最大值140Mpa，高于拉拔成形过程中相同位置的最大静水应力119Mpa(参见图5)，说明通过行星旋轧得到的超导线材内部粉体致密度更高，相比于拉拔成形，有利于提高超导线材产品的电学性能。

[0071] 3)对步骤2)中得到的定尺截断的单芯线材进行二次组装，将所述单芯线材装入金属套管内，构成多芯导体结构；

[0072] 4)将步骤3)中得到的二次装管复合体进行整体的塑性变形；

[0073] 所述塑性变形过程中通过行星旋轧辊轧模具进行，所述行星旋轧辊轧模具中包括三个轧辊1；

[0074] 三个所述轧辊1均匀分布在金属套管的外壁处；每一个所述轧辊1同时进行自转和公转，使二次装管复合体进行轴向进给而不转动；所述二次装管复合体在轴向进给的过程中进行塑性变形至目标尺寸；

[0075] 所述轧辊1的自转速度为3.14radian/s；所述轧辊1的公转速度为6.28radian/s；

[0076] 所述公转的轴为金属套管的管轴；

[0077] 5)对步骤4)中得到的多芯线材进行后续处理，得到成品超导线、带材。

[0078] 将本实施例与现有技术中进行对比：

[0079] 与如图6所示的粉体套管拉拔的轴向应力分布云图相比，如图7所示，即为三辊行星旋轧的粉体套管的轴向应力分布云图；经过与现有技术中使用的粉体套管拉拔技术相比，本实施例中的三辊行星旋轧的粉体套管的轴向应力分布更加均匀，且轴向应力小于粉体套管拉拔的轴向应力。

[0080] 综上所述，现有技术中的拉拔成形技术相比，本实施例通过行星旋轧的方式大幅降低了粉体套管复合体成形过程中所受的轴向拉力、表面摩擦力，减小了断线的概率；不仅如此，本发明中的管外壁受到周期性连续外力作用，变形更加均匀，有利于内部粉体的位置重置、提高管内粉体压缩成形的均匀性与致密度，从而提升最终超导线材产品的电学性能。

[0081] 实施例2：

[0082] 一种基于粉体套管行星旋轧的超导线材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0083] 1)将超导前驱粉末装入金属管内；

[0084] 所述超导前驱粉末是按照原子比例进行配料，混合均匀后得到的松散粉末；

[0085] 所述金属管的管坯料2选用6061铝合金，管坯外径为20mm，长度70mm，壁厚1.5mm。3
屈服应力188Mpa，弹性模量68900Mpa,泊松比0.4,密度2.90g/mm。

[0086] 所述超导前驱粉末3为氧化铁粉，参数为：弹性模量14000Mpa，内摩擦角35.8°，膨胀角0°，泊松比0.3。

[0087] 2)将步骤1)中得到的装管复合体进行整体的塑性变形；

[0088] 所述塑性变形过程中通过行星旋轧辊轧模具进行，所述行星旋轧辊轧模具中包括八个轧辊1；

[0089] 八个所述轧辊呈辐射状分布在金属管的外壁四周；每一个所述轧辊1同时进行自转和公转，使装管复合体进行轴向进给而不转动；所述装管复合体在轴向进给的过程中进行塑性变形至目标尺寸；

[0090] 所述公转的轴为金属管的管轴；

[0091] 2.1)利用三维造型软件建立轧辊1、管坯、粉体模型；

[0092] 所述轧辊1的参数为：

[0093] 所述轧辊1为如图3所示的回转体结构；所述回转体结构的母线包括弧线I和弧线II；所述弧线I和弧线II的圆心位于同一侧；所述弧线I回转成球台结构I；所述弧线II回转成球台结构II；所述球台结构I的大圆面与球台结构II的大圆面重合；所述球台结构I的小圆面直径与球台结构II的小圆面直径相等；

[0094] 所述轧辊1的整体结构呈鼓状，所述轧辊1的轴向长度为60mm，两端圆面直径为5mm，中间圆截面直径为10mm。轧辊轴线与坯料中心线的倾斜角为30°，轧辊轴线与坯料中心线的偏转角为25°。

[0095] 2.2)将步骤1)中的模型导入有限元模拟软件ABAQUS中，并输入管坯和粉体材料参数，设置轧辊1的自转与公转匹配速度，使装管复合体只轴向进给而不转动；

[0096] 在本实施例中，所述轧辊1的自转速度为12.56rad/s；

[0097] 所述轧辊1的公转速度为6.28rad/s；

[0098] 2.3)在有限元模拟软件ABAQUS中将装管复合体进行整体的塑性变形(行星旋轧)至管坯外形尺寸为142mm×14mm×1.5mm；

[0099] 2.4)在数值模拟结果中输出管坯的轴向应力、管坯前端面的轴向载荷随其位移的变化曲线以及粉体材料轴心位置处的一个单元所受的静水应力随其位移的变化曲线；

[0100] 数值模拟的结果为：八辊行星旋轧制备单芯线材过程中管坯的轴向最大应力值为200Mpa、轴向初始最大拉力值为7500N；远小于拉拔成形制备单芯线材时的轴向最大应力值
600Mpa、轴向最大载荷值20000N(参见图4)；

[0101] 上述数据结果说明：行星旋轧制备超导线材的轴向载荷远低于拉拔成形，从而大大降低线材断线的概率；管坯内部粉体的静水应力在径向上由外至内逐渐增大；

[0102] 所述管坯内部粉体轴心处的静水应力最大值126Mpa，高于拉拔成形过程中相同位置的最大静水应力119Mpa(参见图5)，说明通过行星旋轧得到的超导线材内部粉体致密度更高，相比于拉拔成形，有利于提高超导线材产品的电学性能。

[0103] 3)对步骤2)中得到的定尺截断的单芯线材进行二次组装，将所述单芯线材装入金属套管内，构成多芯导体结构；

[0104] 4)将步骤3)中得到的二次装管复合体进行整体的塑性变形；

[0105] 所述塑性变形过程中通过行星旋轧辊轧模具进行，所述行星旋轧辊轧模具中包括八个轧辊1；

[0106] 八个所述轧辊1均匀分布在金属套管的外壁处；每一个所述轧辊1同时进行自转和公转，使二次装管复合体进行轴向进给而不转动；所述二次装管复合体在轴向进给的过程中进行塑性变形至目标尺寸；

[0107] 所述轧辊1的自转速度为12.56radian/s；所述轧辊1的公转速度为6.28radian/s；

[0108] 所述公转的轴为金属套管的管轴；

[0109] 5)对步骤4)中得到的多芯线材进行后续处理，得到成品超导线、带材。

[0110] 与如图6所示的粉体套管拉拔的轴向应力分布云图相比，如图8所示，即为八辊行星旋轧的粉体套管的轴向应力分布云图；经过与现有技术中使用的粉体套管拉拔技术相比，本实施例中的八辊行星旋轧的粉体套管的轴向应力分布更加均匀，且轴向应力小于粉体套管拉拔的轴向应力。

[0111] 综上所述，现有技术中的拉拔成形技术相比，本实施例通过行星旋轧的方式大幅降低了粉体套管复合体成形过程中所受的轴向拉力、表面摩擦力，减小了断线的概率；不仅如此，本发明中的管外壁受到周期性连续外力作用，变形更加均匀，有利于内部粉体的位置重置、提高管内粉体压缩成形的均匀性与致密度，从而提升最终超导线材产品的电学性能。