專利名稱:銀合金復合材料管,其制造方法和因而制得的超導導線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及銀合金復合材料,尤其涉及用于制備超導導線的銀合金復合 材料和銀合金復合材料管,其制造方法和因而制得的超導導線。
背景技術(shù):
目前一般采用金屬套管法(Powder-in_tube,簡稱PIT)來制備Bi系高
溫超導帶材,即將適當配比的前驅(qū)粉填充到外套管內(nèi),經(jīng)拔制后形成具有-定尺寸和橫截面積的單芯超導導線,然后將上述單芯超導導線截成多段裝入 另一外套管內(nèi)形成多芯結(jié)構(gòu),再經(jīng)拔制、軋制成為具有一定寬厚比的帶材, 最后進行多次反復的形變熱處理,從而獲得具有超導性能的高溫超導帶材。 在Bi系高溫超導帶材的制備過程中,外套管材料的加工性能是決定前驅(qū)粉 剪切流動和帶材塑性變形的主要參數(shù)之一,在很大程度上影響最終帶材的成 品率以及其機械性能。適宜的外套管材料需滿足以下條件
(1) 在機加工過程中能保持良好的加工性能;
(2) 在后續(xù)的熱處理過程中能保持良好的氧滲透性;
(3) 不與超導芯發(fā)生化學反應,即便是發(fā)生微弱的化學反應,也不能對超 導相的形成和織構(gòu)產(chǎn)生影響。
冃前通常采用純Ag作為內(nèi)包套材料,采用Ag合金作為外包套材料, Ag合金包套材料的種類及合金元素的含量有很多種,如比較常用的二元合 金有Ag-Cu、 Ag-Mn、 Ag-Au、 Ag-Sb、 Ag-Mg等;比較常用的三元合金有 Ag-Mn-Pd、 Ag-Au-Mg、 Ag-Au-Al、 Ag-Mg-Ni、 Ag-Au-Al、 Ag-Pd-Mg等。 在這些Ag合金中,合金元素的含量多種多樣,其中最常用的包套材料是 Ag-Mgx-Niy (x、 y為元素的質(zhì)量百分含量)合金,如Ag-Mg,7-Ni,3、 Ag-Mg0.07-Ni0.03、 Ag-Mg0.13-Ni0.68、 Ag-Mg0.9-Ni0.4、 Ag-Mg「o-Nio.4、 Ag-Mg,.廣 Ni0.5。然而,上述銀合金包套材料存在的主要問題是(1)機械強度較低。因為內(nèi)部的超導芯是很硬的陶瓷材料,外套管的機械強度低不利于超導 帶材在機加工過程中進行均勻變形,且有可能被超導粉刺穿,形成超導帶材
的表面缺陷如裂紋、孔洞等。(2)導電性能有所降低。
基于上述情況,需要提出一種適宜的包套材料來優(yōu)化超導帶材的機加工 性能和導電性能,從而提高整個超導帶材的電學和機械性能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于制備超導導線的外套管材料,即Ag-R (R為氧化 物陶瓷,如A1203、 CdO、 Ce02、 Sn02、 MgO、 Ti02、 Zr02等),Ag-R中 還可進一步包含NiO或Ni ,如Ag-R-NiO、 Ag-Ni-R。其中,優(yōu)選的是Ag-MgO、 Ag-Ni-MgO、 Ag-MgO-NiO或Ag-Mg-NiO。銀基體中添加的金屬元 素的適宜含量分別為(0.01-0.2)wt% Al 、 (0.08-0.16)wt% Cd、 (0.02-0.12)wt% Ce、 (0.01-0.14)wt% Sn、 (0.1-0.3)wt% Mg、 (0.01-0.35)wt% Ti、 (0.07-0.15)wt% Zr。如隨著Mg含量的增加,合金的硬度增大。當Mg含量 達到0.31wt。/o時便開始發(fā)脆,至lj 0.32 wt %時就會脆到不能使用,所以最合 適的Mg含量在0.1-0.3 wt。/。之間。另外,Ni在合金中可以阻止加熱時晶粒 長大,起到細化晶粒、提高材料塑性的作用。NiO能降低電阻率,提高抗弧 焊性和耐腐蝕性。最合適的Ni含量在0.1-0.32 wt %之間。合金中Mg和Ni 含量的優(yōu)選范圍分別是0.2-0.26 wt Q/。和0.18-0.25 wt %。
在現(xiàn)有技術(shù)中使用的銀合金如Ag-Mg-Ni等來作為超導導線的外套管材 料,通常不含有氧化物陶瓷成分,其主要原因是因為在機加工工藝中希望充 分利用其良好的延展性,而一般Ag-R與Ag-Mg-Ni等合金相比延展性較 差,但通過改進機加工工藝和研究Ag-R的性能發(fā)現(xiàn)該種銀合金復合材料可 以作為制備超導導線的銀合金外套管材料,其具有如下優(yōu)點(1)具有很 高的機械強度,如添加上述含量的Mg、 Ni元素的銀合金復合材料在高溫、 長時間退火后,抗拉強度依然很高,能達到480-570MPa,是其他Ag-Mg-Ni 合金的抗拉強度的3倍多。(2)導電性能相對于金屬Ag幾乎沒有下降或 下降甚微。因此,采用這種合金制備的高溫超導帶材具有較高的導電性能和 力學性能。制備上述銀合金復合材料的方法有多種,如內(nèi)氧化法、機械混合法、復 合制粉法、共沉淀法等,優(yōu)選的是內(nèi)氧化法。內(nèi)氧化法是在固體合金(合金 粉末或型材)內(nèi)發(fā)生的定向氧化法。合金內(nèi)氧化是自表面擴散的氧與固體合 金中較活潑的金屬溶質(zhì)反應析出氧化物顆粒的過程。因此,采用內(nèi)氧化法制
備Ag-R合金必須具備以下條件(1)氧在Ag基體中有相對較高的溶解度 和擴散速度;(2) R中的金屬元素在Ag中擴散速度低于氧的擴散速度; (3) R穩(wěn)定,要比Ag基體氧化物穩(wěn)定;(4) R不溶解于Ag基體。
木發(fā)明的另一目的是提供利用上述銀合金復合材料制備的銀合金復合材
料管及其制備方法。制備上述銀合金復合材料管包括如下步驟 al)通過內(nèi)氧化法制得銀合金粉末;
bl )利用上述制得的銀合金粉末通過粉末冶金方法制備成坯料; cl )利用上述制得的坯料制備銀合金復合材料管; 或包含以下歩驟
dl)先制成銀合金管,最后對管進行內(nèi)氧化處理。
銀合金管材的加工方法有很多種,比如離心鑄造法、鑄錠或棒料鉆孔 法、擠壓法、軋管機軋管法、拉拔法等,可根據(jù)需要選用合適的方法或?qū)⑵?中的幾種方法結(jié)合使用。為滿足制備超導導線所需要的銀合金復合材料管材 的要求,上述方法中優(yōu)選的是擠壓法,其次是擠壓和冷軋結(jié)合法。下面分別 介紹這兩種制管方法。
()擠壓法
在擠壓時,變形區(qū)內(nèi)的銀合金復合材料處于三向壓縮應力的狀態(tài),即軸 向壓應力、徑向壓應力和周向壓應力。所以變形區(qū)內(nèi)的銀合金的變形狀態(tài)為 兩向壓縮變形和一向延伸變形,即徑向壓縮變形s。周向壓縮變形se和軸向 延伸變形&。主變形狀態(tài)圖見圖l,其中l(wèi)表示s。 2表示se、 3表示&。
銀合金復合材料在這樣的變形狀態(tài)下,可以發(fā)揮其最大的塑性。因為擠 壓前的坯料中不可避免地存在著缺陷,如夾雜、縮孔等,經(jīng)過兩向壓縮一向 延伸變形后,即便是面缺陷也可被壓小而變成線缺陷,這樣就大大降低其對 銀合金復合材料管材的危害,也可充分發(fā)揮銀合金復合材料的塑性。必要時可進行軟化處理,以降低強度,增強塑性,可在400-50(TCN2氣氛下退火 30-60min。擠壓的道次加工率范圍為10-15%,兩次退火間的總加工率范圍 為50-70%,最后制成所需要尺寸的銀合金復合材料管材。
(2)擠壓和冷軋結(jié)合法
若單純采用軋制方法制備銀合金復合材料管材,其變形狀態(tài)為一向壓縮 兩向延伸,所以原始坯料中存在的氣孔、夾雜、縮孔等缺陷,經(jīng)軋制后,點 狀缺陷可能變?yōu)槊嫒毕荩蚨鴮︺y合金復合材料的塑性危害很大。因此,在 進行軋管前采用擠壓法先對錠坯進行開坯,以改善銀合金復合材料的組織和 性能。必要時可進行退火,在400-500。CN2氣氛下退火30-60min。然后再軋 管,其道次加工率范圍為10-15%,兩次退火間的總加工率范圍為50-70%。 最后制成所需要尺寸的銀合金管材。
銀合金復合材料管的晶粒尺寸一般小于50微米,最好小于20微米,以 進- -歩保證其強度和加工性能。
并且,在cl)或dl)歩驟前,可先將坯料進行晶粒細化,制備成超細 晶材料-。超細晶材料具有以下優(yōu)點
(1) 超細晶粒能阻止裂紋的傳播和擴展,具有很高的斷裂強度;
(2) 具有很高的延展性能和屈服性能。
晶粒越細小,塑性越高。因為在相同外力作用下,細小晶粒的晶粒內(nèi)部 和晶界附近的應變程度相差較小,變形較均勻,應力集中引起開裂的機會也 較小,這就使材料在斷裂之前能承受較大的變形量,所以細化晶粒可提高材 料的延伸率。
晶粒細化的方法有很多種,目前最常用的是大塑性變形(Severe Plastic Deformation,簡稱SPD)的方法,比如等通道角擠壓、多向鍛造、高壓扭 轉(zhuǎn)變形和異歩軋制等。
本發(fā)明的另一 目的是提供利用上述銀合金復合材料管制備超導導線的方 法,包括以下歩驟將適當配比的前驅(qū)粉填充到第一外套管內(nèi),經(jīng)拔制后形成具有一定尺寸 和橫截面積的單芯超導導線,然后將上述單芯超導導線截成多段裝入利用本 發(fā)明制備的外套管內(nèi)形成多芯結(jié)構(gòu),再經(jīng)拔制、軋制成為具有一定寬厚比的 帶材,最后進行多次反復的形變熱處理。
本發(fā)明可適用于任何超導材料,尤其適用于鉍系高溫超導材料。
本發(fā)明的另-目的是提出利用上述方法制備的超導導線結(jié)構(gòu),該導線最 外層的銀合金為本發(fā)明的銀合金復合材料。
采用本發(fā)明制備的超導導線具有以下優(yōu)點(1)具有較高的機械強 度;(2)具有良好的導電性。
卜'面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實例進行詳細描述,其中 圖1為擠壓法制備銀合金管材的主變形狀態(tài)圖; 圖2為一種制備銀合金復合材料管材的工藝流程圖3為一種制備Ag-Mg-NiO管材的工藝流程圖。
具休實施方式
實施例1: 利用內(nèi)氧化法制備Ag-MgO管材
如圖2所示,先在Ag基體中添加微量元素Mg,其重量百分含量為 0.11%,其余為Ag,制成Ag-Mg合金,再用霧化法制成合金粉末,通過內(nèi) 氧化使合金元素氧化成Ag-MgO粉末,然后通過粉末冶金方法制備成坯 料,再經(jīng)過鉆孔、開坯、擠壓工序,擠壓的道次加工率為10%,退火間的 總加工率為50%,退火溫度為400°C,退火時間為60min,退火時通>12保 護,最后制得Mg含量為0.1wt。/。的Ag-MgO管材。
實施例2: 利用內(nèi)氧化法制備Ag-Ni-MgO管材如圖2所示,先在Ag-Ni合金基體中添加微量元素Mg,制成Ag-Ni-Mg合金,其中Mg、 Ni的重量百分含量分別0.31%禾卩0.11%,其余為Ag, 再用霧化法制成合金粉末,通過內(nèi)氧化使合金元素氧化成Ag-Ni-MgO粉 末,然后通過粉末冶金方法制備成坯料,再經(jīng)過鉆孔、開坯、擠壓工序,擠 壓的道次加工率為15%,退火間的總加工率為60%,在45(TC退火60min, 通N2保護,最后制得Mg含量為0.3wt% 、 Ni的含量為0.1 wt。/。的Ag-Ni-MgO管。
實施例3: 利用內(nèi)氧化法制備Ag-MgO-NiO管
如圖2所示,先在Ag基體中添加微量元素Mg、 Ni,其中Mg的含量 為0.21wt%, Ni的含量為0.33%wt,其余為Ag,制成Ag-Mg-Ni合金,再
用霧化法制成合金粉末,通過內(nèi)氧化使合金元素氧化成Ag-MgO-NiO粉 末,然后通過粉末冶金方法制備成坯料。在制管之前先通過等通道角擠壓的 大塑性變形方法將錠坯進行晶粒細化,細化后的錠坯再經(jīng)過鉆孔、開坯、擠 壓工序,擠壓的道次加工率為10%,退火間的總加工率為70%,退火溫度 為500°C,退火時間為30min,通N2保護,最后制得Mg含量為0.2wt% 、 Ni的含量為0.32wt。/。的Ag-MgO-NiO管。銀合金復合材料管最終的晶粒尺 寸可細化到20微米。
實施例4: 利用內(nèi)氧化法制備Ag-Mg-NiO管
如圖3所示,先在Ag基體中添加微量元素Mg,制成Ag-Mg合金,再 添加己氧化的Ni,其中Mg的含量為0.27wt%, Ni的含量為0.19%wt,其余 為Ag,再用霧化法制成合金粉末,然后通過粉末冶金方法制備成坯料,再 經(jīng)過鉆孔、開坯、擠壓工序,擠壓的道次加工率為12%,退火間的總加工 率為55%,退火溫度為450。C,退火時間為45min,通N2保護,制得Mg含 量為0.26wt% 、 Ni含量為0.18 wt。/。的Ag-Mg-NiO管。最后將制成的管進行 內(nèi)氧化處理,處理溫度為65(TC、 1.5h。
實施例5: 利用內(nèi)氧化法制備Ag-MgO-NiO管如圖2所示,先在Ag基體中添加微量元素Mg、 Ni,其中Mg的含量 為0.24wt%, Ni的含量為0.26%wt,其余為Ag,制成Ag-Mg-Ni合金,再 用霧化法制成合金粉末,通過內(nèi)氧化使合金元素氧化成Ag-MgO-NiO粉 末,然后通過粉末冶金方法制備成坯料。在制管之前先通過等通道角擠壓的 大塑性變形方法將錠坯進行晶粒細化,細化后的錠坯再經(jīng)過鉆孔、開坯、擠 壓工序,擠壓的道次加工率為13%,退火間的總加工率為70%,退火溫度 為50(TC,退火時間為40min,通N2保護,最后制得Mg含量為0.23wt% 、 Ni的含量為0.25wt。/。的Ag-MgO-NiO管。銀合金復合材料管最終的晶粒尺 寸可細化到IO微米。
實施例6: 利用內(nèi)氧化法制備Ag-Mg-NiO管
如圖3所示,先在Ag基體中添加微量元素Mg,制成Ag-Mg合金,再 添加已氧化的Ni,其中Mg的含量為0.18wt%, Ni的含量為0.23%wt,其余 為Ag,再用霧化法制成合金粉末,然后通過粉末冶金方法制備成坯料,再 經(jīng)過鉆孔、開坯、擠壓工序,擠壓的道次加工率為11%,退火間的總加工 率為58%,退火溫度為450。C,退火時間為45min,通N2保護,制得Mg含 量為0.17wt。/。、 Ni含量為0.22 wt。/。的Ag-Mg-NiO管。最后將制成的管進行 內(nèi)氧化處理,處理溫度為650。C、 1.5h。
實施例7: 利用內(nèi)氧化法制備八§-八1203管
如圖2所示,先在Ag基體中添加微量元素Al,其含量為0.16wt%,其 余為Ag,制成Ag-Al合金,再用霧化法制成合金粉末,通過內(nèi)氧化使合金 元素氧化成Ag-Al203粉末,然后通過粉末冶金方法制備成坯料,再經(jīng)過鉆 孔、開坯、擠壓工序,擠壓的道次加工率為10%,退火間的總加工率為 50%,退火條件為45(TC退火50min,通N2保護,最后制得Al含量為 0.15wt。/o的Ag-Al2Oj。
實施例8: 利用內(nèi)氧化法制備Ag-CdO管如圖2所示,先在Ag基體中添加微量元素Cd,其含量為0.11wt。/。,其 余為Ag,制成Ag-Cd合金,再用霧化法制成合金粉末,通過內(nèi)氧化使合金 元素氧化成Ag-CdO粉末,然后通過粉末冶金方法制備成坯料,再經(jīng)過鉆 孔、擠壓開坯,再軋管,軋制的道次加工率為14%,退火間的總加工率為 58%,退火條件為480°C、 45min退火,通化保護,最后制得Cd含量為 0.1wt。/。的Ag-CdO管。
實施例9: 利用內(nèi)氧化法制備Ag-Ce02管
如圖2所示,先在Ag基體中添加微量元素Ce,其含量為0.11wt。/。,其 余為Ag,制成Ag-Ce合金,再用霧化法制成合金粉末,通過內(nèi)氧化使合金 元素氧化成Ag-Ce02粉末,然后通過粉末冶金方法制備成坯料,再經(jīng)過鉆 孔、開坯、擠壓工序,擠壓的道次加工率為15%,退火間的總加工率為 60%,退火溫度為440°C、退火時間為55min,通N^呆護,最后制得Ce含 量為0.1 wt%的Ag-Ce02管。
實施例10: 利用內(nèi)氧化法制備Ag-SnCb管
如圖2所示,先在Ag基體中添加微量元素Sn,其含量為0.13wt%,其 余為Ag,制成Ag-Sn合金,再用霧化法制成合金粉末,通過內(nèi)氧化使合金 元素氧化成Ag-SnCb粉末,然后通過粉末冶金方法制備成坯料,再經(jīng)過鉆 孔、開坯、擠壓工序,擠壓的道次加工率為13%,退火間的總加工率為 62%,退火條件為430°C、 50min退火,通&保護,最后制得Sn含量為 0.12wt。/。的Ag-Sn02管。
實施例lh 利用內(nèi)氧化法制備Ag-Ti02管
如圖2所示,先在Ag基體中添加微量元素Ti,其含量為0.26wt%,其 余為Ag,制成Ag-Ti合金,再用霧化法制成合金粉末,通過內(nèi)氧化使合金 元素氧化成Ag-Ti02粉末,然后通過粉末冶金方法制備成坯料,再經(jīng)過鉆孔、擠壓開坯,再軋管,軋制的道次加工率為11%,退火間的總加工率為
63%,退火條件為480°C、 45min退火,通N2保護,最后制得Ti含量為 0.25wt。/。的Ag-Ti02管。
實施例12: 利用內(nèi)氧化法制備Ag-Zr02管
如圖2所示,先在Ag基體中添加微量元素Zr,其含量為0.11wt。/。,其 余為Ag,制成Ag-Zr合金,再用霧化法制成合金粉末,通過內(nèi)氧化使合金 元素氧化成Ag-Zr02粉末,然后通過粉末冶金方法制備成坯料,再經(jīng)過鉆 孔、開坯、擠壓工序,擠壓的道次加工率為10%,退火間的總加工率為 60%,退火條件為500°C、 40min退火,通^保護,最后制得Zr含量為 0.1wt。/。的Ag-Zr02管。
實施例13: 利用Ag-MgO-NiO管材制備61芯Bi-2223高溫超導帶材
將適當配比的Bi-2212前驅(qū)粉填充到銀套管內(nèi),經(jīng)拔制形成直徑為 1.5mm、橫截面為圓形的單芯超導導線,然后將上述單芯超導導線截成61 段裝入利用本發(fā)明制備Ag-MgO-NiO外套管內(nèi)形成多芯結(jié)構(gòu),將上述多芯 經(jīng)過多次拔制,形成直徑為1.5mm的多芯圓線,然后將制得的圓線軋制成 帶材,寬為4.2mm,厚度為0.24mm,最后進行形變熱處理得到具有臨界電 流為120A的61芯Bi-2223高溫超導帶材。
權(quán)利要求
1、一種用于制備超導導線的銀合金復合材料,其特征在于所述的銀合金復合材料包含氧化物陶瓷。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備超導導線的銀合金復合材料,其特征 在于氧化物陶瓷為A120:;、 Cd0、 Ce02、 Sn02、 Mg0、 Ti02或Zr02。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備超導導線的銀合金復合材料,其特征 在于所述的銀合金復合材料還包含NiO或Ni 。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的用于制備超導導線的銀合金復合材料,其 特征在于所述的銀合金復合材料為Ag-MgO、 Ag-Ni-MgO、 Ag-MgO-NiO或 Ag-Mg.-NiO。
5、 根據(jù)權(quán)利要求卜4所述的用于制備超導導線的銀合金復合材料,其特 征在于所述的銀合金復合材料中Al的含量范圍為0. 01-0. 2wt%、Cd的含量范 圍為0. 08-0. 16wt°/。、 Ce的含量范圍為0. 02-0. 12wt,%、 Sn的含量范圍為 0. 01-0. 14wt%、Mg的含量范圍為0. 1-0. 3wt%、Ti的含量范圍為0. (U-0. 35wt°/。 和或Zr的含量范圍為0. 07-0. 15wt%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的用于制備超導導線的銀合金復合材料,其特 征在于所述的銀合金復合材料中Ni的含量范圍為0. 1-0. 32wt%。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的用于制備超導導線的銀合金復合材料,其特 征在于所述的銀合金復合材料中Mg的含量范圍為0. 2-0. 26wt。/。和或Ni的含 量范圍為0. 18-0. 25wt%。
8、種用于制備超導導線的銀合金復合材料管,其特征在于所述的銀合 金復合材料管的組成為權(quán)利要求1-7中任何一種。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于制備超導導線的銀合金復合材料管,其特 征在于所述的銀合金復合材料管的晶粒尺寸小于50微米。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于制備超導導線的銀合金復合材料管,其特 征在于所述的銀合金復合材料管的晶粒尺寸小于20微米。
11、 一種用于制備超導導線的的銀合金復合材料管的制造方法,包括以 下步驟al)通過內(nèi)氧化法制得銀合金粉末;bl )利用上述制得的銀合金粉末通過粉末冶金方法制備成坯料; C-l )利用上述制得的坯料制備銀合金復合材料管; 或包含以下步驟dl)先制成銀合金管,最后對管進行內(nèi)氧化處理;其特征在于制得的銀合金復合材料管為權(quán)利要求i-io中任何一種。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于制備超導導線的銀合金復合材料管的制 造方法,其特征在于cl)和dl)中包括擠壓法或擠壓和冷軋結(jié)合法。
13、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于制備超導導線的銀合金復合材料管的制 造方法,其特征在于cl)或dl)前將坯料進行晶粒細化,制備成超細晶材料。
14、 一種制備超導導線的方法,包括以下步驟將適當配比的前驅(qū)粉填充到第一外套管內(nèi),經(jīng)拔制后形成具有一定尺寸 和橫截面積的單芯超導導線,然后將上述單芯超導導線截成多段裝入第二外 套管內(nèi)形成多芯結(jié)構(gòu),再經(jīng)拔制、軋制成為具有一定寬厚比的帶材,最后進 行多次反復的形變熱處理,其特征在于第二外套管為權(quán)利要求1-10中任何一 種。
15、 一種超導導線,其特征在于超導導線的最外層的銀合金復合材料為 權(quán)利要求i-io中任何一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制備超導導線的銀合金復合材料和銀合金復合材料管,其制造方法和因而制得的超導導線,銀合金復合材料包含氧化物陶瓷,利用該銀合金復合材料管制備的超導導線具有較高的機械強度和良好的導電性。
文檔編號C22C5/06GK101469383SQ200710304309
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者孫海波 申請人:北京英納超導技術(shù)有限公司