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稀有金属 2017,41(04),445-448 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy15111801
挤压工艺制备MgB2超导线材及其性能研究
王大友 单迪 闫果 王庆阳 冯勇 张平祥
西部超导材料科技股份有限公司超导材料制备国家工程实验室
西安理工大学印刷包装与数字媒体学院
西北有色金属研究院超导材料研究所
摘 要：
采用粉末装管法 (PIT) 已经可以制备出千米量级MgB2超导长线, 但依然没有完全满足应用需求, 如何继续提高线材的单根长度仍然是MgB2超导材料研究领域的一个重要方向。在传统的原位PIT法制备MgB2超导线材的过程中, 引入挤压工艺对其进行加工处理。分别用Cu和Cu-Nb作为中心增强材料, 组装两个37芯MgB2包套, 通过挤压、拉拔工艺对其进行加工处理。采用金相显微镜 (OM) 和扫描电子显微镜 (SEM) 对线材截面和断口的微观形貌进行分析, 采用1μV·cm-1的电压判据和标准四引线法测量样品在4.2 K下的Ic-B曲线, 得出样品在该温度下的Jc-B曲线, Ic为临界电流, B为磁场强度, Jc为临界电流密度。结果发现挤压过程所有组元变形基本同步, 挤压工艺有效地增加了芯丝致密度。制备的直径3.0 mm Cu芯线材在4 T, 4.2 K下Jc达到2.48×10~4A·cm-2;Cu-Nb芯线材在4 T, 4.2 K下Jc达到1.59×10~4A·cm-2。采用挤压工艺加工MgB2复合包套的途径是可行的, 但挤压过程中复合体一次变形量超过90%, 目前采用的导体结构需要进一步优化, 将有助于提高所制备线材的长度和性能。
关键词：
MgB;挤压;制备技术;超导线材;
中图分类号： TM26
作者简介：王大友 (1981-) , 男, 山东阳谷人, 硕士, 高级工程师, 研究方向:超导材料制备技术, E-mail:nelsm@c-wst.com;;闫果, 教授高级工程师, 电话:029-86569373, E-mail:gyan@c-wst.com;
收稿日期：2013-12-25
基金：国家科技部高技术研究发展计划 (863计划) 项目 (2014AA032701);陕西省自然科学基础研究计划项目 (2014JM25059) 资助;
Synthesis and Properties of MgB2 Superconducting Wires Fabricated by Extrusion Method
Wang Dayou Shan Di Yan Guo Wang Qingyang Feng Yong Zhang Pingxiang
National Engineering Laboratory for Superconducting Materials, Western Superconducting Technologies Co., Ltd.
Faculty of Printing, Packaging Engineering and Digital Media Technology, Xi'an University of Technology
Research Center of Superconducting Material, Northwest Institute for Nonferrous Metal Research
Abstract：
MgB2 superconducting wire of kilometers could be prepared by powder in tube method (PIT) . But it still could not fully meet the requirements of application. How to improve the length of single wire was still an important research field of MgB2 superconducting material. In the traditional PIT process, the extrusion method was introduced. Two MgB2 composite wires were fabricated with the extrusion procedure, where Cu and Cu-Nb bars were adopted as central strengthening cores, respectively. Two superconducting wires with a diameter of 3 mm were processed by extrusion and drawing. The morphology of the cross section and fracture surface was analyzed by means of optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM) . The Ic-B curve of the sample was measured with 1 μV·cm-1voltage criterion and standard four-probe method. The Jc-B curves of the samples at the temperature were calculated.Icwas critic current, B was magnictic field strength, Jcwas critic current density. The deformation of all components of the extrusion process was found to be synchronized. The extrusion technology could effectively increase the density of core wire. At 4 T, 4. 2 K, the Jcof MgB2 with Cu and Cu-Nb core reached 2. 48 × 10~4A·cm-2and 1. 59 × 10~4A·cm-2. It was feasible to process the MgB2 superconducting wires by extrusion technology, but the current use of the conductor structure needed to be further optimized.
Keyword：
MgB2; extrusion; fabrication technique; superconducting wire;
Received： 2013-12-25
为满足Mg B2超导线材的实用化需求, 国内外多个超导材料研发团队针对提高Mg B2超导线材的长度和性能, 尤其是临界电流密度 (Jc) , 开展了大量研究工作[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12], 包括通过元素掺杂来增加有效的磁通钉扎中心或优化粉末制备技术来提高芯丝致密度, 如分步粉末装管法、原位粉末与先位粉末相结合法、中心Mg扩散法等。而线材的加工技术方面为得到更高的芯丝致密度, 通常综合采用旋锻、轧制、拉拔等技术将线材加工至最终尺寸[13,14], 通过以上途径Mg B2超导线材的性能得到了大幅提升, 但依然没有完全满足应用需求。
目前采用粉末装管法 (PIT) 已经可以制备出千米量级Mg B2超导长线, 但是, 实现良好的Mg B2超导接头仍是超导界公认的难题, 严重制约了线材的应用, 为避免超导接头带来的电流损失, 如何继续提高线材的单根长度仍然是一个重要的研究方向。但是, 随着线材长度的增加, 在可加工的线材直径范围内, 线材的长径比被无限延长, 这个过程给PIT粉末装管过程带来巨大挑战。
等[15]把静液挤压技术引入到Mg B2线材制备中, 挤压压力为700~1330 MPa, 一次变形量可达到70%~90%, 获得的线材具有更高的芯丝密度、更均匀的芯丝结构和更好的晶粒连通性。
在目前真正实现商业应用的Nb Ti和Nb3Sn低温超导线材的制备过程中, 采用挤压技术制备万米量级的低温超导线材工艺已十分成熟。挤压技术采用大的变形量不仅可以提高Mg B2芯丝致密度, 还有利于金属阻隔层和金属稳定体界面之间实现冶金结合, 从而提高线材的强度。此外, 采用挤压工艺制备线材要求包套的长径比一般在3~4之间。这样可以大幅度增加复合体的直径, 缩短包套长度。若Mg B2超导线材采用挤压加工工艺, 则线材的长径比被大大缩小, 明显简化PIT粉末装管过程。
本文在传统的原位PIT法制备Mg B2超导线材的过程中, 引入挤压工艺对其进行加工处理, 探索挤压工艺制备高性能Mg B2超导长线的可能。
1 实验
1.1 挤压用包套准备
单芯棒制备:将晶态高纯硼粉、镁粉、碳按化学式Mg B1.98C0.02称量。在手套箱中充分研磨约30 min, 将研磨后的粉末装入Nb管 (外径10 mm, 内径8 mm) , 粉末在管中达到紧密, 将Nb管两端用Cu圆柱堵头封堵。再将Nb管装入长无氧铜管 (内径13 mm, 内径11 mm) 。按照10%的道使次加工率加工至直径为Φ7.8 mm。然后采用六方模进行多道次加工, 最终制备出长度为154 mm、对比边距6.65 mm的Mg B2/Nb/Cu单芯棒。
包套组装:为改善多芯线材加工过程中芯丝内部容易发生断芯的现象, 分别采用Cu和Cu-Nb作为中心增强材料, 以密排六方的方式组装两个37芯Mg B2包套, 包套筒外径64 mm、内径48 mm, 包套空隙采用多种不同直径的Cu插棒填充以提高包套填充率。组装好的挤压用包套如图1所示, 包套组装完成后进行真空封焊。
1.2 挤压及拉拔加工
综合考虑粉末和金属包套对挤压温度的要求, 挤压温度选为520℃, 稍低于Mg-B固固反应温度527℃。为保证挤压过程中包套内外部同步变形, 包套在520℃保温20 min, 使挤压样品内部温度达到均衡, 并且在挤压前对挤压模具进行预热。挤压比为10, 采用正向挤压8mm·s-1的挤压速度将包套挤出, 同时注意通过改善润滑条件减少线材在挤压过程中的温升。将挤压完的直径为Φ20 mm的复合体进行多道次拉拔, 至直径为Φ3.0 mm, 最后对线材进行成相热处理。
1.3 分析测试
采用金相显微镜 (OM) 和扫描电子显微镜 (SEM) (JSM-6700) 对线材截面和断口的微观形貌进行分析。
采用1μV·cm-1的电压判据和标准四引线法测量样品在4.2 K、不同磁场 (B) 条件下的临界电流 (Ic) , 得出样品在4.2 K、不同磁场条件下的临界电流密度曲线 (Jc-B) 。
2 结果与讨论
图2显示的是挤压完线材整体形貌, 直径为Φ20 mm, 长度约1.6 m。沿着长度方向上, 尺寸均匀。样品表面光滑, 无裂纹、波浪、毛刺、气泡、起皮、香肠等缺陷, 说明在挤压过程中, 所有组元变形基本同步, 也证明了采用挤压工艺加工Mg B2复合包套的途径是可行的。
图1 组装完成的复合体Fig.1 Macroscopical images of composites
(a) Cu cored; (b) Cu-Nb cored
图2 挤压后的复合棒材Fig.2 Schematic illustration of composite bars after extrusion
挤压后的复合棒材, 在从Φ20~Φ3 mm范围内进行多道次拉拔的加工过程中, 加工性能良好, 但在继续加工过程中, 开始出现断线现象。图3所示为Φ3.0 mm的线材截面, 可以看出两种线材的芯丝都发生了一定程度的不均匀变形, 但是未发生芯丝断裂和Nb阻隔层破裂的现象, 说明挤压后的复合包套仍然可以进行多道次拉拔, 但是由于包套内部多种材料强度差异较大, 在进一步拉拔过程中发生断裂。
图3 拉拔加工至直径Φ3.0 mm的线材截面图Fig.3 Cross sections ofΦ3.0 mm composite wires after drawing
在后续的工作中考虑如下几方面的工艺优化可能会进一步改善线材的加工性能: (1) 对粉末装管工艺进行优化, 比如预制粉末复合棒再进行装管; (2) 在拉拔过程中增加中间退火, 缓解挤压及拉拔产生的内部应力; (3) 复合导体结构和尺寸设计也有待于进一步优化, 比如改变单芯线的尺寸, 改变Cu和Nb包套的厚度等来减少在拉拔过程中出现的微观缺陷或断裂现象; (4) 优化挤压工艺参数进一步提高线材的均匀性和稳定性。
为了分析芯丝的致密程度, 对两种线材断口进行分析。如图4 (a, b, c) 分别显示的是切断的Cu芯、Cu-Nb芯以及未引入挤压工艺的Cu芯线材的芯丝形貌。可见图4 (a, b) 样品芯丝颗粒非常致密细小, 无孔洞和裂纹出现, 挤压加工获得的线材较未引入挤压工艺的线材具有更高的芯丝密度和更好的晶粒连通性。
图5显示的是Φ3.0 mm的两种结构的Mg B2复合超导线材的Jc-B特性, Cu芯线材在4 T、4.2K下Jc达到2.48×104A·cm-2;Cu-Nb芯线材在4T, 4.2 K下Jc达到1.59×104A·cm-2。通过对比发现线材在磁场下的载流性能略低于目前采用传统加工技术制备的线材, 原因为挤压完经后续拉拔加工产生了部分芯丝缺陷, 因此需要进一步对挤压工艺和后续加工过程进行优化。此外, Cu芯样品的性能优于Cu-Nb芯的样品性能, 分析原因可能是Cu-Nb结构的线材中Nb芯丝存在较大的微观缺陷导致性能降低。
此外, 随着磁场的增大, 电流衰减的非常迅速。同样的趋势也发生在
等[15]报道的采用静液挤压方式制备Mg B2超导线材中。如果可以有效地引入磁通钉扎中心, 对于掺杂物种类、掺杂量和热处理温度进行进一步研究, 其电流衰减的现象将会得到改善。
图4 Φ3.0 mm线材的断面形貌Fig.4 SEM images of wires with diameter of 3.0 mm
(a) Cu cored wire; (b) Cu-Nb cored wire; (c) Cu cored wire without extrusion
图5 Cu芯和Cu-Nb芯样品的Jc-B性能Fig.5 Critical current density Jcas function of magnetic field B
3 结论
在传统的原位PIT法制备Mg B2超导线材的过程中, 增加挤压工艺对其进行加工处理, 有效地增加了芯丝致密度, 挤压过程所有组元变形基本同步, 证明了采用挤压工艺加工Mg B2复合包套的途径是可行的。采用挤压工艺制备的Φ3.0 mm Cu芯线材在4 T, 4.2 K下Jc达到2.48×104A·cm-2;Cu-Nb芯线材在4 T, 4.2 K下Jc达到1.59×104A·cm-2。
挤压过程中复合体一次变形量超过90%, 目前采用的导体结构需要进一步优化, 将有助于提高所制备线材的长度和性能。
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