超导线材的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超导材料加工工程技术领域，具体涉及一种多芯MgB2超导线材的制备方法。
【背景技术】
[0002]2001年I月，日本科学家秋光纯(Akimitsu)领导的研究小组发现了二硼化镁的超导电性，轰动了整个凝聚态物理界，因为它创造了金属间化合物超导材料转变温度的新纪录，超导转变温度高达39K，随即在全世界范围内激起了研究的热潮。粉末套管法(PIT)是制备MgB2线材的主要工艺，采用PIT技术制备高Jc、高电磁稳定性MgB2线材已经成为国际超导材料研究的前沿。
[0003]由于单芯线材中MgB2超导芯的尺寸较大，线材在低场下承载大电流时会积聚大量的热量，从而导致失超。多芯线材减小了单个MgB2超导芯的尺寸，同时增大了整个超导芯的截面积，使其载流能力大大增强。另外从超导芯应力保护、减小磁通跃迀、热稳定性和交流损耗等角度综合考虑，多芯线材是MgB2超导线工业化应用较佳的发展方向。
[0004]目前公开报道的多芯MgB2超导线材的制备方法多采用Nb管或Ta管作为阻隔层；同时为了提高线材的机械性能，采用NbTi/Cu合金棒作为加强芯;并且为了提高中、高场下的临界电流密度，在前驱粉末中引入了化学掺杂。其制备工艺比较复杂、并且成本较高。如刘国庆等在《一种多芯MgB2/Fe/Cu超导线材的制备方法》(CN102693785B)中采用亚微米级TiC粉末掺杂，其前驱粉末的制备需先压制成块材，烧结后再经破碎、筛分并补充Mg粉和B粉，并且7芯线材的中心采用铜铌复合棒增强。白质明等在《一种溶液包覆法制备C掺杂多芯MgB2超导线材的制备方法KCN103956221A)中将Mg粉和B粉导入草酸乙醇溶液中，通过磁力搅拌、加热烘干、低温分解等步骤获得C掺杂的前驱粉末；同时采用Nb-Ti复合阻隔层，中心铜铌增强芯以及Cu-Ti合金层作为外包材料。王庆阳等在《Nb芯增强千米级7芯MgB2超导线材的机械性能及超导性能研究》一文中采用TiC作为掺杂粉末，以Nb管作为阻隔层，Cu管作为稳定层，并且中心采用Nb棒作为加强芯制备了7芯线材。这些方法制备出的线材在中、高场下具有优良的超导电性，但是它们的工艺复杂，生产周期较长，并且设备成本较高，同时采用Nb、Ta等金属管大大增加了原材料成本，这些都不利于工业化生产的要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对上述技术中的不足，提出一种简单的多芯MgB2超导线材的制备方法，具体来讲:采用低碳钢作为阻隔层，二次装管时分别采用低碳钢和Monel作为外包套，成本较低;通过乳制、拉拔、中间退火以及快速烧结等工艺分别制备出7芯和19芯超导线材，工艺简单、操作方便，利于工业化生产；同时制备出的线材具有较好的机械性能和超导电性。
[0006]1.—种多芯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、在氩气保护的手套箱中将摩尔比例为1:2?1:4的Mg粉和B粉装入球磨罐中，按原料与研磨球质量比为1:3?1:5的比例装入不锈钢研磨球，然后将装有原料粉末和研磨球的球磨罐密封后固定在球磨机上球磨;设定球磨时间为2?6h，且每球磨Ih暂停10?20min，筛除研磨球后得到球磨后的原料粉末；
步骤二、采用浓度为8%?10%的稀盐酸将低碳钢管内外壁浸洗干净，然后用浓度为10%?15%的亚硝酸钠对其进行钝化处理；
步骤三、把球磨后均匀细小的原料粉末装入外径为10?20_，壁厚为2?3_的低碳钢管中，采用振动装置振动并用捣棒压实后密封两端；
步骤四、将步骤三中装好粉末的低碳钢管进行拉拔，起始10?15个道次为直拉，道次加工率为20%?30%，拉拔速度为3?8m/min，15?20道次为盘拉，道次加工率为8%?15%，盘拉速度为15?30m/min，得到单芯线材;拉拔过程中，当总的道次加工率达到60%?90%时进行中间退火，退火工艺为600?800°C，保温10~30min，退火后采用化学方法去除线材表面氧化皮；
步骤五、对所述单芯线材进行去应力退火，退火工艺为500?700°C保温10~30min，采用化学方法去除表面氧化皮后截取等长的N段单芯线，N>1，并进行矫直；
步骤六、将步骤五中得到的N段单芯线装入的外包套管中，外包套管的材质为Fe，然后进行旋锻，旋锻的道次加工率为15%?30%，待单芯线密实后进行拉拔，当总加工率为70%?90%时进行中间退火，退火工艺为500~800°(:保温10~301^11，得到直径为1.5~1111111的多芯线材；步骤七、将所述多芯线材置于预设温度为800?1000°C的箱式电阻炉中烧结5?30min后取出，得到多芯结构的MgB2超导线材。
[0007]进一步的，步骤六中的所述的外包套管的材质为Monel。
[0008]Mg粉为雾化镁粉，纯度为98 wt%?99.83 wt%，粒径为5μπι?25μπι。
[0009]B粉为无定型硼粉，纯度为95 wt%?97 wt%，粒径为0.4μηι?0.6μηι。
[0010]低碳钢管的碳含量为0.05 wt%?0.13 ￥丨％，3丨含量为0.1 wt%?0.3 wt%，Mn含量为0.3% wt%?0.6界七％，？含量〈0.03界七％，3含量〈0.03 wt%。
[0011]手套箱严格控制箱体环境中氧含量<50ppm，水含量<50ppm。
[0012]球磨是在400rpm的转速下进行球磨的。
[0013]有益效果:
1.采用本发明的制备工艺，能够有效提高MgB2晶粒连接性和粉芯致密度，线材具有较低的屈服强度和较高的抗拉强度，有效较低了拉拔过程中的断丝现象，制得的线材具有较好的机械性能，能够满足绕制要求；
2.采用本发明的制备方法，制备出的多芯超导线材具有优良的超导电性，7芯结构的MgB2/Fe/Monel和MgB2/Fe/Fe超导线材在自场下1K时临界电流密度Jc高达4.0 X 105A/cm2 ；相同条件下19芯结构的MgB2/Fe/Monel和MgB2/Fe/Fe超导线材的Jc值分别为2 X 105A/cm2和1.3X105A/cm2；
3.本发明采用箱式电阻炉快速烧结，无需气氛保护，工艺简单，操作方便；以低碳钢和Monel为原材料，无需化学掺杂，制备成本低廉，利于工业化生产要求。
【附图说明】
[0014]图1为制备出的7芯线材截面金相图；
图2为制备出的19芯线材截面金相图； 图3为制备出的多芯线材在1K时的临界电流密度曲线。
【具体实施方式】
[0015]实施例1
步骤一、采用纯度为99.83 wt%、平均粒径为5μπι的物化Mg粉和纯度为97 wt%、平均粒径为0.4μπι的无定型B粉，在充满氩气的手套箱中将摩尔比例为1.1:2的Mg粉和B粉装入球磨罐中，按原料与研磨球质量比为1:3的比例装入不锈钢研磨球，然后将装有原料粉末和研磨球的球磨罐密封后固定在球磨机上球磨;设定球磨时间为4h，且每球磨Ih暂停1min，筛除研磨球后得到球磨后的原料粉末；
步骤二、采用浓度为8%的稀盐酸将低碳钢管内外壁浸洗干净，然后用浓度为10%的亚硝酸钠对其进行钝化处理；
步骤三、把球磨后均勾细小的原料粉末装入外径为14mm，壁厚为2mm的低碳钢管中，采用振动装置振动并用捣棒压实后密封两端；
步骤四、将步骤三中装好粉末的低碳钢管以20%的道次加工率直拉至直径为6mm的线材，直拉速度为6m/min;
步骤五、将步骤四中拉拔后的线材置于预设温度为650°C的箱式电阻炉中，保温15min后取出，自然冷却都室温，采用8%的稀盐酸清除线材表面的氧化皮；
步骤六、将步骤五中处理后的线材以15%的道次加工率盘拉至直径为2.8mm，盘拉速度为25m/min，再进行如步骤五的处理，但退火温度为500°C，保温30min;
步骤七、将步骤六中处理后的线材截取等长的7段，矫直后装入外径为16mm，壁厚为2.5mm的低碳钢管中；
步骤八、将步骤七中二次装管后的线材以15%的道次加工率进行旋锻，旋锻至直径6_后进行如步骤五的处理，但退火温度为700°C，保温1min;
步骤九、将步骤八中处理后的线材以10%的道次加工率盘拉至直径1.2_，盘拉速度为5m/min；
步骤十、将步骤九中所得的线材置于预设温度为800°C的箱式电阻炉中，保温1min后取出，自然冷却至室温，即得7芯MgB2/Fe/Fe超导线材，如图1所示。
[0016]实施例2
步骤一、采用纯度为99.2wt%、平均粒径为5μηι的物化Mg粉和纯度为96 wt%、平均粒径为
0.4μπι的无定型B粉，在充满氩气的手套箱中将摩尔比例为1.1: 2的Mg粉和B粉装入球磨罐中，按原料与研磨球质量比为1:4的比例装入不锈钢研磨球，然后将装有原料粉末和研磨球的球磨罐密封后固定在球磨机上球磨;设定球磨时间为5h，且每球磨Ih暂停15min，筛除研磨球后得到球磨后的原料粉末；
步骤二、采用浓度为10%的稀盐酸将低碳钢管内外壁浸洗干净，然后用浓度为15%的亚硝酸钠对其进行钝化处理；
步骤三、把球磨后均勾细小的原料粉末装入外径为14mm，壁厚为2mm的低碳钢管中，采用振动装置振动并用捣棒压实后密封两端；
步骤四、将步骤三中装好粉末的低碳钢管以20%的道次加工率直拉至直径为6mm的线材，直拉速度为5m/min; 步骤五、将步骤四中拉拔后的线材置于预设温度为600°C的箱式电阻炉中，保温20mi