RU2640813C1 - Method for obtaining superconductors based on magnesium diboride - Google Patents
Method for obtaining superconductors based on magnesium diboride Download PDFInfo
- Publication number
- RU2640813C1 RU2640813C1 RU2016132682A RU2016132682A RU2640813C1 RU 2640813 C1 RU2640813 C1 RU 2640813C1 RU 2016132682 A RU2016132682 A RU 2016132682A RU 2016132682 A RU2016132682 A RU 2016132682A RU 2640813 C1 RU2640813 C1 RU 2640813C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- magnesium
- metal shell
- size
- heat treatment
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники, в частности к технологии получения длинномерных композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для создания электротехнических изделий.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to a technology for producing lengthy composite wires based on superconducting compounds designed to create electrical products.
Известен способ получения одноволоконных композиционных сверхпроводников на основе диборида магния, заключающийся в заполнении металлической трубы (металлической оболочки) коммерческим порошком диборида магния, деформации полученной заготовки, термообработке [R. Nast, S.I. Schlachter, S. Zimmer, H. Reiner, W. Goldacker. Mechanically reinforced MgB2 wires and tapes with high transport currents, Physica C. 372-376 (2002), 1241-1244].A known method of producing single-fiber composite superconductors based on magnesium diboride, which consists in filling a metal pipe (metal sheath) with commercial powder of magnesium diboride, deformation of the obtained preform, heat treatment [R. Nast, SI Schlachter, S. Zimmer, H. Reiner, W. Goldacker. Mechanically reinforced MgB 2 wires and tapes with high transport currents, Physica C. 372-376 (2002), 1241-1244].
Недостатком этого способа является заполнение оболочки синтезированным мелкодисперсным порошком диборида магния, содержащим примеси, в частности оксиды бора или магния, находящиеся в исходных веществах, взятых для синтеза диборида магния. Кроме того, при заполнении ампулы синтезированным мелкодисперсным порошком диборида магния создаются благоприятные условия для его загрязнения в процессе подготовительных операций. Очевидно, что в описанном способе термообработка проводится не для синтеза сверхпроводника, а для осуществления диффузионного взаимодействия отдельных частиц диборида магния. Загрязненные границы частиц диборида магния, на которых концентрируются примеси, создают дополнительные трудности для проведения диффузионной сварки при термообработке, что крайне негативно сказывается впоследствии на сверхпроводящих характеристиках полученных проводников.The disadvantage of this method is the filling of the shell with synthesized fine powder of magnesium diboride containing impurities, in particular boron or magnesium oxides, which are in the starting materials taken for the synthesis of magnesium diboride. In addition, when filling an ampoule with synthesized fine powder of magnesium diboride, favorable conditions are created for its contamination during preparatory operations. It is obvious that in the described method, the heat treatment is carried out not for the synthesis of a superconductor, but for the diffusion interaction of individual particles of magnesium diboride. The contaminated boundaries of magnesium diboride particles, on which impurities are concentrated, create additional difficulties for diffusion welding during heat treatment, which subsequently negatively affects the superconducting characteristics of the resulting conductors.
Известен способ получения одноволоконных композиционных сверхпроводников и многоволоконных кабелей на их основе с использованием диборида магния [B.A. Glowacki, M. Majors. MgB2 conductors for dc and ac application, Physica C. 372-376 (2002), 1235-1240.], включающий заполнение металлической трубы (металлической оболочки) смесью порошков магния и бора в требуемой стехиометрии, деформацию полученной заготовки сначала экструзией, затем прокаткой, термообработку. При проведении синтеза диборида магния в оболочке одновременно происходят два процесса: синтез диборида магния и диффузионные процессы в дибориде магния, вследствие чего вопрос чистоты границ частиц диборида магния не стоит так остро, как в способе, описанном в работе [R. Nast, S.I. Schlachter, S. Zimmer, H. Reiner, W. Goldacker. Mechanically reinforced MgB2 wires and tapes with high transport currents, Physica C. 372-376 (2002), 1241-1244]. Кроме того, по окончании синтеза диборида магния в оболочке границы частиц получаются более чистыми, чем при использовании процесса диффузионной сварки порошка диборида магния. При проведении синтеза диборида магния в ампуле особое значение имеет чистота используемых исходных порошков бора и магния. Магний принадлежит к числу достаточно активных химических элементов и легко окисляется на воздухе с образованием тонкой оксидной пленки на поверхности каждой из частиц. Мелкодисперсный порошок бора не только гигроскопичен, но и достаточно быстро окисляется с образованием оксида.A known method for producing single-fiber composite superconductors and multi-fiber cables based on them using magnesium diboride [BA Glowacki, M. Majors. MgB 2 conductors for dc and ac application, Physica C. 372-376 (2002), 1235-1240.], Including filling a metal pipe (metal sheath) with a mixture of magnesium and boron powders in the required stoichiometry, deformation of the obtained preform by extrusion, then rolling heat treatment. During the synthesis of magnesium diboride in the shell, two processes simultaneously occur: the synthesis of magnesium diboride and diffusion processes in magnesium diboride, as a result of which the question of the purity of the particle boundaries of magnesium diboride is not as acute as in the method described in [R. Nast, SI Schlachter, S. Zimmer, H. Reiner, W. Goldacker. Mechanically reinforced MgB 2 wires and tapes with high transport currents, Physica C. 372-376 (2002), 1241-1244]. In addition, upon completion of the synthesis of magnesium diboride in the shell, the particle boundaries are cleaner than when using the diffusion welding process of magnesium diboride powder. When carrying out the synthesis of magnesium diboride in an ampoule, the purity of the used initial boron and magnesium powders is of particular importance. Magnesium is one of the fairly active chemical elements and is easily oxidized in air with the formation of a thin oxide film on the surface of each of the particles. Fine boron powder is not only hygroscopic, but also oxidizes quite quickly with the formation of oxide.
Наличие примесей в исходной смеси порошков магния и бора негативно сказывается на качестве сверхпроводящей сердцевины. При термообработке, во время синтеза и протекания диффузионных процессов в дибориде магния в присутствии занесенных примесей возможно образование несверхпроводящих фаз, что значительно снижает сверхпроводящие характеристики провода. Недостатками указанного способа являются: сильная зависимость состава синтезируемого диборида магния от качества исходных порошков магния и бора, возможного наличия несверхпроводящих фаз и примесей в сердцевине провода и, как следствие, низкие значения критических характеристик, а именно критической плотности тока, Jc≈5×105 А/см2 при 4,2 К в собственном поле [R. Nast, S.I. Schlachter, S. Zimmer, H. Reiner, W. Goldacker. Mechanically reinforced MgB2 wires and tapes with high transport currents, Physica C. 372-376 (2002), 1241-1244].The presence of impurities in the initial mixture of powders of magnesium and boron adversely affects the quality of the superconducting core. During heat treatment, during the synthesis and the occurrence of diffusion processes in magnesium diboride in the presence of impurities, the formation of nonsuperconducting phases is possible, which significantly reduces the superconducting characteristics of the wire. The disadvantages of this method are: a strong dependence of the composition of the synthesized magnesium diboride on the quality of the initial magnesium and boron powders, the possible presence of nonsuperconducting phases and impurities in the core of the wire and, as a result, low values of critical characteristics, namely, critical current density, J c ≈5 × 10 5 A / cm 2 at 4.2 K in the own field [R. Nast, SI Schlachter, S. Zimmer, H. Reiner, W. Goldacker. Mechanically reinforced MgB 2 wires and tapes with high transport currents, Physica C. 372-376 (2002), 1241-1244].
Известен способ получения сверхпроводящих проводов на основе диборида магния [патент РФ №2290708, опубл. 2006 г.], включающий формирование полой металлической ампулы (металлической оболочки), заполнение названной ампулы порошком, содержащим компоненты сверхпроводящего соединения, деформирование полученного ампульно-порошкового элемента и его термообработку. Ампулу заполняют порошком, представляющим собой смесь стехиометричного состава, состоящую из порошка гомогенного гранулированного магния с очищенной пассивированной поверхностью и порошка аморфного бора, затем ампульно-порошковый элемент деформируют экструзией с последующим волочением с получением заготовки одножильного провода.A known method of producing superconducting wires based on magnesium diboride [RF patent No. 2290708, publ. 2006], including the formation of a hollow metal ampoule (metal shell), filling the named ampoule with powder containing components of the superconducting compound, deformation of the resulting ampoule-powder element and its heat treatment. The ampoule is filled with a powder, which is a mixture of stoichiometric composition, consisting of a powder of homogeneous granular magnesium with a cleaned passivated surface and amorphous boron powder, then the ampoule-powder element is deformed by extrusion, followed by drawing to obtain a single-core wire preform.
Недостатком данного способа является использование смеси порошков магния и бора стехиометрического состава, что может приводить к неполноте реакции между магнием и бором ввиду высокой летучести магния при температурах синтеза выше температуры плавления магния, 650°C, что может привести к наличию в сверхпроводящей сердцевине остаточного бора как примесной фазы и снизить токонесущую способность сверхпроводника. Кроме того, применение экструзии (прессования) в процессе получения проводника ухудшает его деформируемость, поскольку при нагреве под экструзию в порошковой сердцевине могут образоваться области сверхпроводящего соединения, характеризующегося высокой твердостью. При дальнейшей деформации это может приводить к обрывности проводников и к снижению качества сверхпроводящего соединения.The disadvantage of this method is the use of a mixture of powders of magnesium and boron with a stoichiometric composition, which can lead to an incomplete reaction between magnesium and boron due to the high volatility of magnesium at synthesis temperatures above the melting point of magnesium, 650 ° C, which can lead to the presence of residual boron in the superconducting core as impurity phase and reduce the current carrying capacity of the superconductor. In addition, the use of extrusion (pressing) in the process of obtaining a conductor worsens its deformability, since when heated under extrusion in the powder core, regions of a superconducting compound with a high hardness can form. With further deformation, this can lead to breakage of the conductors and to a decrease in the quality of the superconducting connection.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения сверхпроводников на основе диборида магния [патент WO 03/035575 A1, опубл. 2003 г. – прототип], включающий изготовление цилиндрического провода, содержащего сердечник из диборида магния, окруженный металлической оболочкой, причем провод получают путем деформирования металлической трубы, внутри которой заранее размещено соединение - диборид магния или элементы его прекурсора, прокатку провода, а затем термообработку в диапазоне температур от 800 до 870°C. Причем соотношение элементов прекурсора в смеси порошков магния и бора составляет стехиометрическое соотношение 1:2. Материалом металлической трубы являются железо, никель, медь или сплавы на их основе.Closest to the proposed technical solution is a method for producing superconductors based on magnesium diboride [patent WO 03/035575 A1, publ. 2003 - prototype], including the manufacture of a cylindrical wire containing a core of magnesium diboride surrounded by a metal sheath, and the wire is obtained by deforming a metal pipe inside which a compound is placed in advance - magnesium diboride or elements of its precursor, rolling the wire, and then heat treatment in temperature range from 800 to 870 ° C. Moreover, the ratio of precursor elements in a mixture of magnesium and boron powders is a stoichiometric ratio of 1: 2. The material of the metal pipe is iron, nickel, copper or alloys based on them.
Недостатком данного способа является использование смеси порошков магния и бора стехиометрического состава, что может приводить к неполноте реакции между этими элементами ввиду высокой летучести магния при температурах синтеза, которые выше температуры плавления магния 650°C, что может привести к наличию в сверхпроводящей сердцевине остаточного бора как примесной фазы и снизить токонесущую способность сверхпроводника. Также к недостаткам указанного способа следует отнести использование в качестве материала оболочки меди, поскольку медь реагирует с магнием как элементом прекурсора, что снижает количество сверхпроводящей фазы и может привести к снижению токонесущей способности сверхпроводника. Железо также может реагировать с бором, что снижает количество этого элемента в реакции синтеза диборида магния и может привести к снижению токонесущей способности проводника.The disadvantage of this method is the use of a mixture of powders of magnesium and boron with a stoichiometric composition, which can lead to incomplete reactions between these elements due to the high volatility of magnesium at synthesis temperatures that are higher than the melting point of magnesium 650 ° C, which can lead to the presence of residual boron in the superconducting core as impurity phase and reduce the current carrying capacity of the superconductor. The disadvantages of this method include the use of copper shell as a material, since copper reacts with magnesium as an element of the precursor, which reduces the amount of superconducting phase and can lead to a decrease in the current carrying capacity of the superconductor. Iron can also react with boron, which reduces the amount of this element in the synthesis reaction of magnesium diboride and can lead to a decrease in the current carrying capacity of the conductor.
Технической задачей изобретения является получение сверхпроводящих композиционных проводов на основе диборида магния с высокой токонесущей способностью за счет использования смеси порошков с составом Mg : B=(1,01-1,3):2.An object of the invention is to obtain superconducting composite wires based on magnesium diboride with a high current-carrying ability through the use of a mixture of powders with the composition Mg: B = (1.01-1.3): 2.
Техническим результатом является получение в проводнике конечного размера сверхпроводящей сердцевины с составом, близким к стехиометрическому, позволяющей повысить токонесущую способность сверхпроводников на основе диборида магния.The technical result is to obtain in a conductor of a finite size a superconducting core with a composition close to stoichiometric, which allows to increase the current-carrying capacity of superconductors based on magnesium diboride.
Технический результат достигается применением способа получения сверхпроводников на основе диборида магния, включающего формирование заготовки путем заполнения металлической оболочки порошком, содержащим компоненты сверхпроводящего соединения, деформирование полученной заготовки путем волочения и/или прокаткой до конечного размера и ее термообработку, причем используют порошок, представляющий собой смесь состава Mg : B=(1,01-1,3):2, состоящую из порошка магния с размером частиц не более 100 мкм и порошка аморфного или кристаллического бора с размером частиц не более 10 мкм, а термообработку проводят на проводнике конечного размера при температуре 600-790°C в течение 1-20 ч.The technical result is achieved by the application of a method of producing superconductors based on magnesium diboride, including forming a workpiece by filling a metal shell with powder containing components of a superconducting compound, deforming the obtained workpiece by drawing and / or rolling to a final size and heat treatment, using a powder, which is a mixture of the composition Mg: B = (1.01-1.3): 2, consisting of magnesium powder with a particle size of not more than 100 microns and amorphous or crystalline boron powder having a particle size of not more than 10 microns, and heat treatment is performed on the final size the conductor at a temperature of 600-790 ° C for 1-20 hours.
В частном варианте металлическая оболочка изготовлена из биметаллической трубы, внутренний слой которой выполнен из ниобия или сплавов на основе ниобия, а наружный слой - из меди или сплавов на основе меди.In a particular embodiment, the metal shell is made of a bimetallic pipe, the inner layer of which is made of niobium or niobium-based alloys, and the outer layer is made of copper or copper-based alloys.
В другом частном варианте металлическая оболочка изготовлена из материала, обладающего высоким сродством к кислороду, например из высокочистого титана или сплава на основе титана.In another particular embodiment, the metal shell is made of a material having a high affinity for oxygen, for example, high-purity titanium or an alloy based on titanium.
В другом частном варианте металлическая оболочка изготовлена из биметаллической трубы, внутренний слой которой выполнен из материала, обладающего высоким сродством к кислороду, например высокочистого титана или сплава на основе титана, а наружный слой из высокоэлектропроводного материала.In another particular embodiment, the metal shell is made of a bimetallic pipe, the inner layer of which is made of a material having high affinity for oxygen, for example, high-purity titanium or a titanium-based alloy, and the outer layer is made of highly conductive material.
В другом частном варианте в качестве высокоэлектропроводного материала используют алюминий, медь, серебро, золото или сплавы на их основе.In another particular embodiment, aluminum, copper, silver, gold, or alloys based thereon are used as the highly conductive material.
В другом частном варианте волочение и/или прокатку проводят с промежуточными отжигами при температуре не выше 600°C.In another particular embodiment, the drawing and / or rolling is carried out with intermediate annealing at a temperature not exceeding 600 ° C.
В другом частном варианте промежуточные отжиги проводят в среде инертного газа.In another particular embodiment, intermediate annealing is carried out in an inert gas environment.
В другом частном варианте промежуточные отжиги проводят в среде вакуума.In another particular embodiment, the intermediate annealing is carried out in a vacuum.
В другом частном варианте термообработку на проводнике конечного размера проводят в среде вакуума.In another particular embodiment, heat treatment on a conductor of finite size is carried out in a vacuum environment.
В другом частном варианте термообработку на проводнике конечного размера проводят в среде инертного газа.In another particular embodiment, the heat treatment on a conductor of finite size is carried out in an inert gas environment.
В другом частном варианте перед заполнением порошком металлической оболочки диаметр одного из ее концов уменьшают с помощью операции ковки вплоть до исчезновения внутреннего отверстия, внутри металлической оболочки размещают металлическую сетку, размер ячеек которой сопоставим с размером частиц порошковой смеси, после заполнения полученной заготовки порошковой смесью с другого конца металлической оболочки также размещают металлическую сетку.In another particular embodiment, before filling the metal shell with powder, the diameter of one of its ends is reduced by forging until the internal hole disappears, a metal mesh is placed inside the metal shell, the mesh size of which is comparable to the particle size of the powder mixture, after filling the obtained preform with the powder mixture from the other the end of the metal shell also place a metal mesh.
В другом частном варианте в качестве материала металлической сетки используют никель, железо, титан, цирконий, тантал, молибден или сплавы на их основе.In another particular embodiment, nickel, iron, titanium, zirconium, tantalum, molybdenum or alloys based on them are used as the material of the metal mesh.
Таким образом, заполнение металлической ампулы смесью порошков нестехиометричного состава Mg : B=(1,01-1,3):2 позволяет компенсировать испарение магния во время протекания процесса синтеза и приводит к формированию максимального количества диборида магния стехиометрического состава. При недостаточном содержании магния в смеси, т.е. Mg : B=x:2, где x<1,01 (x - содержание Mg), после финальной термообработки образуется сверхпроводящее соединение диборид магния достехиометрического состава и в сверхпроводящей сердцевине наблюдается присутствие несверхпроводящего остаточного бора, что приводит к снижению максимальной возможной токонесущей способности сверхпроводника, при x>1,3 содержание магния в смеси оказывается чрезмерным, получаемое сверхпроводящее соединение является стехиометричным, однако наличие областей остаточного балластного магния в порошковой сердцевине приводит к снижению максимально возможной токонесущей способности проводника.Thus, filling a metal ampoule with a mixture of powders of non-stoichiometric composition Mg: B = (1.01-1.3): 2 allows you to compensate for the evaporation of magnesium during the synthesis process and leads to the formation of the maximum amount of magnesium diboride stoichiometric composition. With insufficient magnesium in the mixture, i.e. Mg: B = x: 2, where x <1.01 (x is the Mg content), after the final heat treatment, a superconducting compound of magnesium diboride of pre-stoichiometric composition is formed and the presence of a non-superconducting residual boron is observed in the superconducting core, which reduces the maximum possible current-carrying capacity of the superconductor , for x> 1.3, the magnesium content in the mixture is excessive, the resulting superconducting compound is stoichiometric, however, the presence of regions of residual ballast magnesium in the powder core leads to leads to a decrease in the maximum possible current carrying capacity of the conductor.
Размер частиц магния в смеси магния и бора не должен превышать 100 мкм, поскольку присутствие более крупных частиц приводит к неравномерному распределению исходного магния в порошковой сердцевине проводника и может привести к появлению областей сверхпроводящего соединения достехиометрического и застехиметрического состава, что впоследствии приведет к снижению токонесущей способности проводника в целом. Размер частиц бора не должен превышать 10 мкм, поскольку с увеличением размера этих частиц будет снижаться скорость протекания реакции образования соединения диборида магния, что приведет к увеличению длительности и температуры заключительной термообработки. Это, в свою очередь, может привести к образованию более крупнозеренного сверхпроводящего соединения диборида магния и снижению токонесущей способности проводника.The size of the magnesium particles in the mixture of magnesium and boron should not exceed 100 μm, since the presence of larger particles leads to an uneven distribution of the initial magnesium in the powder core of the conductor and can lead to the appearance of regions of a superconducting compound of pre-stoichiometric and stoichiometric composition, which will subsequently lead to a decrease in the current-carrying capacity of the conductor generally. The particle size of boron should not exceed 10 μm, since with an increase in the size of these particles, the rate of the reaction of the formation of magnesium diboride compounds will decrease, which will lead to an increase in the duration and temperature of the final heat treatment. This, in turn, can lead to the formation of a coarser superconducting compound of magnesium diboride and a decrease in the current carrying capacity of the conductor.
В результате получают сверхпроводящие композиционные проводники на основе диборида магния с увеличенной критической плотностью тока за счет отклонения состава исходной порошковой смеси от стехиометрического, что позволяет пренебречь испарением магния во время синтеза сверхпроводящего соединения в проводнике конечного размера и получить большее количество стехиометрического сверхпроводящего диборида магния. Кроме того, использование в качестве материала металлической оболочки металла или сплава, обладающего высоким сродством к кислороду, позволяет снизить количество в сверхпроводящей сердцевине балластных примесных несверхпроводящих соединений, таких как оксид магния, что приводит к повышению количества и качества образовавшегося сверхпроводящего диборида магния.As a result, superconducting composite conductors based on magnesium diboride with an increased critical current density are obtained due to the deviation of the composition of the initial powder mixture from the stoichiometric one, which allows neglecting the evaporation of magnesium during the synthesis of the superconducting compound in a finite-size conductor and to obtain a larger amount of stoichiometric superconducting magnesium diboride. In addition, the use of a metal shell or a metal material having a high affinity for oxygen reduces the amount of ballast impurity non-superconducting compounds in the superconducting core, such as magnesium oxide, which leads to an increase in the quantity and quality of the formed superconducting magnesium diboride.
Проведение термообработки при температуре 600-790°C в течение 1-20 часов в вакууме или в инертном газе обеспечивает формирование в порошковой сердцевине провода сверхпроводящей фазы требуемого состава и структуры, что позволяет получить сверхпроводящий провод с требуемыми токонесущими характеристиками.Carrying out heat treatment at a temperature of 600-790 ° C for 1-20 hours in vacuum or in an inert gas ensures the formation of a superconducting phase of the required composition and structure in the powder core of the wire, which makes it possible to obtain a superconducting wire with the required current-carrying characteristics.
Проведение термообработки при температуре ниже 600°C и выше 790°C в течение времени менее 1 часа и более 20 часов не позволяет сформировать в сердцевине стехиометрическую сверхпроводящую фазу требуемого состава и структуры. Так как сверхпроводящий диборид магния образуется в результате реакции мелкодисперсного магния с порошком аморфного или кристаллического мелкодисперсного бора, при температуре ниже 600°C парциального давления паров магния недостаточно для образования диборида магния во всем объеме сердцевины, а при температуре выше 790°C возможно образование высших боридов магния, которые являются балластными несверхпроводящими фазами и присутствие их в порошковой сердцевине приводит к снижению общей токонесущей способности сверхпроводника.Carrying out heat treatment at temperatures below 600 ° C and above 790 ° C for a time of less than 1 hour and more than 20 hours does not allow the formation of a stoichiometric superconducting phase in the core of the required composition and structure. Since superconducting magnesium diboride is formed as a result of the reaction of finely dispersed magnesium with an amorphous or crystalline fine boron powder, at a temperature below 600 ° C the partial pressure of magnesium vapor is not sufficient for the formation of magnesium diboride in the entire core, and higher temperatures can be formed at temperatures above 790 ° C magnesium, which are ballast non-superconducting phases and their presence in the powder core leads to a decrease in the total current carrying capacity of the superconductor.
Проведение промежуточных отжигов при получении сверхпроводящих композиционных проводников на основе диборида магния при деформации нежелательно при температурах выше 600°C в связи с возможностью образования областей сверхпроводящего соединения, которые могут препятствовать прохождению дальнейшей деформации.Carrying out intermediate anneals in the preparation of superconducting composite conductors based on magnesium diboride during deformation is undesirable at temperatures above 600 ° C due to the possibility of formation of regions of the superconducting compound, which can impede the passage of further deformation.
Использование описанных материалов и режимов в соответствии с предложенными диапазонами привело к получению нового технического результата: получению в проводнике финального размера сверхпроводящей сердцевины с составом, близким к стехиометрическому, позволяющей повысить токонесущую способность сверхпроводников на основе диборида магния, за счет использования порошка, представляющего собой смесь состава Mg : B=(1,01-1,3):2, состоящую из порошка магния с размером частиц не более 100 мкм и порошка аморфного или кристаллического бора с размером частиц не более 10 мкм, деформирования полученной заготовки путем волочения и/или прокатки, термообработки на проводнике конечного размера при температуре 600-790°C в течение 1-20 ч, применения в качестве материалов металлической оболочки биметаллической трубы, наружный слой которой может быть изготовлен из меди или сплавов на основе меди, а внутренний слой может быть изготовлен из ниобия или сплавов на основе ниобия; а также биметаллической трубы, наружный слой которой может быть изготовлен из высокоэлектропроводного материала, а внутренний слой может быть изготовлен из материала, обладающего высоким сродством к кислороду, также за счет использования в качестве металлической оболочки трубы из материала, обладающего высоким сродством к кислороду.Using the described materials and modes in accordance with the proposed ranges led to a new technical result: obtaining in the conductor the final size of the superconducting core with a composition close to stoichiometric, which allows to increase the current carrying capacity of superconductors based on magnesium diboride, due to the use of a powder, which is a mixture of the composition Mg: B = (1.01-1.3): 2, consisting of magnesium powder with a particle size of not more than 100 microns and an amorphous or crystalline boron powder with size m of particles of not more than 10 microns, deformation of the obtained workpiece by drawing and / or rolling, heat treatment on a conductor of final size at a temperature of 600-790 ° C for 1-20 hours, the use of a bimetallic pipe as a metal shell material, the outer layer of which can be made of copper or copper-based alloys, and the inner layer may be made of niobium or niobium-based alloys; as well as a bimetallic pipe, the outer layer of which can be made of highly conductive material, and the inner layer can be made of a material with high affinity for oxygen, also due to the use of a pipe with a material with high affinity for oxygen as a metal shell.
Технология изготовления сверхпроводника по заявляемому способу включает следующие основные этапы:The manufacturing technology of the superconductor according to the claimed method includes the following main steps:
1. Формирование заготовки;1. The formation of the workpiece;
2. Деформирование полученной заготовки с порошковой смесью до необходимого размера;2. Deformation of the obtained preform with a powder mixture to the required size;
3. Проведение термообработки для образования сверхпроводящего соединения.3. Heat treatment to form a superconducting compound.
Пример 1. Порошки магния и аморфного бора смешивают в соответствии со следующим соотношением Mg : B=1,01:2 до образования однородной шихты. Берут металлическую трубу из высокочистого титана длиной 300 мм, внешним диаметром 18 мм, с толщиной стенки 1,4 мм, один из концов которой был закован вплоть до исчезновения внутреннего отверстия, и внутри нее размещают никелевую сетку, размер ячеек которой сопоставим с размером порошка, затем заполняют смесью порошков бора и магния, после этого с другого конца металлической трубы размещают никелевую сетку. Полученную заготовку с порошковой смесью деформируют волочением с промежуточными отжигами при температурах 500-550°C вплоть до диаметра 1 мм и проводят термообработку в вакууме при температуре 700°C течение 2 часов.Example 1. Powders of magnesium and amorphous boron are mixed in accordance with the following ratio Mg: B = 1.01: 2 until a homogeneous charge is formed. A metal pipe is made of high-purity titanium with a length of 300 mm, an external diameter of 18 mm, and a wall thickness of 1.4 mm, one of the ends of which was chained up to the disappearance of the internal hole, and a nickel mesh is placed inside it, the cell size of which is comparable to the size of the powder, then filled with a mixture of boron and magnesium powders, then a nickel mesh is placed at the other end of the metal pipe. The obtained preform with a powder mixture is deformed by drawing with intermediate annealing at temperatures of 500-550 ° C up to a diameter of 1 mm and heat treatment is carried out in vacuum at a temperature of 700 ° C for 2 hours.
Пример 2. Порошки магния и аморфного бора смешивают в соответствии со следующим соотношением Mg : B=1,3:2 до образования однородной шихты и полученной смесью заполняют биметаллическую трубу, внутренний слой которой выполнен из ниобия, а наружный слой выполнен из меди длиной 300 мм, внешним диаметром 26 мм, с толщиной стенки 6,65 мм. Полученную заготовку после герметизации деформируют прокаткой, а затем волочением вплоть до диаметра 1 мм и проводят термообработку в среде инертного газа при температуре 600°C в течение 20 часов.Example 2. Powders of magnesium and amorphous boron are mixed in accordance with the following ratio Mg: B = 1.3: 2 until a homogeneous charge is formed and the resulting mixture is filled in a bimetallic tube, the inner layer of which is made of niobium, and the outer layer is made of copper 300 mm long , with an outer diameter of 26 mm, with a wall thickness of 6.65 mm. After sealing, the resulting preform is deformed by rolling, and then by drawing up to a diameter of 1 mm, and heat treatment is carried out in an inert gas medium at a temperature of 600 ° C for 20 hours.
Кроме того, из прутков диаметром 5,7 мм, полученных после волочения, но до их термообработки, изготавливали многоволоконные провода. При этом полученные прутки рубили на мерные части и формировали многоволоконные композиционные заготовки путем помещения 14 названных нарубленных прутков в медный чехол длиной 400 мм, диаметром 44 мм, с толщиной стенки 5 мм. После герметизации проводили деформирование полученной многоволоконной заготовки путем волочения до диаметра 1 мм. Термообработку полученных одноволоконных и многоволоконных проводников проводили в среде высокочистого аргона при температуре 600°C в течение 20 часов. Затем проводили измерения критического тока на образцах полученных многоволоконных проводов.In addition, multi-fiber wires were made from rods with a diameter of 5.7 mm obtained after drawing, but before their heat treatment. At the same time, the obtained rods were chopped into measuring parts and multi-fiber composite billets were formed by placing the 14 named chopped rods in a copper case 400 mm long, 44 mm in diameter, with a wall thickness of 5 mm. After sealing, the obtained multi-fiber preform was deformed by drawing to a diameter of 1 mm. The heat treatment of the obtained single-fiber and multi-fiber conductors was carried out in high-purity argon at a temperature of 600 ° C for 20 hours. Then, critical current was measured on samples of the obtained multifiber wires.
Пример 3. Порошки магния и аморфного бора смешивают в соответствии со следующим соотношением Mg : B=1,2:2 до образования однородной шихты и полученной смесью заполняют металлическую трубу из титана марки ВТ 1-0 длиной 300 мм, внешним диаметром 14 мм, с толщиной стенки 2 мм. Полученную заготовку после герметизации деформируют волочением с промежуточными отжигами при температурах 500-550°C вплоть до диаметра 1 мм и проводят термообработку в вакууме при температуре 790°C в течение 1 часа.Example 3. Powders of magnesium and amorphous boron are mixed in accordance with the following ratio Mg: B = 1.2: 2 until a homogeneous charge is formed and the resulting mixture is filled in a metal tube of titanium grade VT 1-0 300 mm long, external diameter 14 mm, s wall thickness 2 mm. After sealing, the obtained preform is deformed by drawing with intermediate annealing at temperatures of 500-550 ° C up to a diameter of 1 mm and heat treatment is carried out in vacuum at a temperature of 790 ° C for 1 hour.
Определение величины критического тока полученных проводов проводили стандартным четырехконтактным методом в собственном поле. Критический ток определяли из вольтамперных характеристик на уровне напряжений Е=1 мкВ/см. Плотность критического тока рассчитывают как отношение величины критического тока к площади поперечного сечения сверхпроводящей сердцевины. На всех полученных проводах плотность критического тока составила не менее 6,5⋅106 А/см2, что характеризует преимущество предлагаемого способа.The critical current value of the obtained wires was determined by the standard four-contact method in the own field. The critical current was determined from the current-voltage characteristics at the voltage level E = 1 μV / cm. The critical current density is calculated as the ratio of the critical current to the cross-sectional area of the superconducting core. On all the wires obtained, the critical current density was at least 6.5 610 6 A / cm 2 , which characterizes the advantage of the proposed method.
Таким образом, заявленным способом получают сверхпроводники на основе диборида магния, состав сверхпроводящей сердцевины которых близок к стехиометрическому, что позволило повысить токонесущую способность этих сверхпроводников.Thus, the claimed method produces superconductors based on magnesium diboride, the composition of the superconducting core of which is close to stoichiometric, which made it possible to increase the current-carrying capacity of these superconductors.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016132682A RU2640813C1 (en) | 2016-08-09 | 2016-08-09 | Method for obtaining superconductors based on magnesium diboride |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016132682A RU2640813C1 (en) | 2016-08-09 | 2016-08-09 | Method for obtaining superconductors based on magnesium diboride |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2640813C1 true RU2640813C1 (en) | 2018-01-12 |
Family
ID=68235380
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016132682A RU2640813C1 (en) | 2016-08-09 | 2016-08-09 | Method for obtaining superconductors based on magnesium diboride |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2640813C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2701867C1 (en) * | 2018-05-16 | 2019-10-02 | Общество с ограниченной ответственностью"Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") | METHOD OF PRODUCING SOLID ELECTROLYTE RbAg4I5 |
| WO2021133192A1 (en) * | 2019-12-26 | 2021-07-01 | Акционерное Общество "Твэл" | Method for manufacturing a superconducting composite wire based on nb3sn |
| RU2804454C1 (en) * | 2019-12-26 | 2023-09-29 | Акционерное Общество "Твэл" | METHOD FOR MANUFACTURING SUPERCONDUCTING COMPOSITE WIRE BASED ON Nb3Sn |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003035575A1 (en) * | 2001-10-19 | 2003-05-01 | Infm Istituto Nazionale Per La Fisica Della Materia | A METHOD INCLUDING A HEAT TREATMENT OF MANUFACTURING SUPERCONDUCTING WIRES BASED ON MgB2 |
| RU2290708C2 (en) * | 2004-12-20 | 2006-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Method for producing magnesium diboride based high-temperature superconductors |
| US8934951B2 (en) * | 2012-08-14 | 2015-01-13 | Nexans | Arrangement with at least one superconductive cable |
| RU2575517C2 (en) * | 2013-06-18 | 2016-02-20 | Нексанс | Method of producing super conducting cable |
-
2016
- 2016-08-09 RU RU2016132682A patent/RU2640813C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003035575A1 (en) * | 2001-10-19 | 2003-05-01 | Infm Istituto Nazionale Per La Fisica Della Materia | A METHOD INCLUDING A HEAT TREATMENT OF MANUFACTURING SUPERCONDUCTING WIRES BASED ON MgB2 |
| RU2290708C2 (en) * | 2004-12-20 | 2006-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Method for producing magnesium diboride based high-temperature superconductors |
| US8934951B2 (en) * | 2012-08-14 | 2015-01-13 | Nexans | Arrangement with at least one superconductive cable |
| RU2575517C2 (en) * | 2013-06-18 | 2016-02-20 | Нексанс | Method of producing super conducting cable |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2701867C1 (en) * | 2018-05-16 | 2019-10-02 | Общество с ограниченной ответственностью"Инэнерджи" (ООО "Инэнерджи") | METHOD OF PRODUCING SOLID ELECTROLYTE RbAg4I5 |
| WO2021133192A1 (en) * | 2019-12-26 | 2021-07-01 | Акционерное Общество "Твэл" | Method for manufacturing a superconducting composite wire based on nb3sn |
| RU2804454C1 (en) * | 2019-12-26 | 2023-09-29 | Акционерное Общество "Твэл" | METHOD FOR MANUFACTURING SUPERCONDUCTING COMPOSITE WIRE BASED ON Nb3Sn |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7018954B2 (en) | Processing of magnesium-boride superconductors | |
| EP3107879B1 (en) | Superconducting wires and methods of making thereof | |
| US20050163644A1 (en) | Processing of magnesium-boride superconductor wires | |
| US7226894B2 (en) | Superconducting wire, method of manufacture thereof and the articles derived therefrom | |
| Kumakura et al. | Superconducting Properties of Diffusion-Processed Multifilamentary ${\rm MgB} _ {2} $ Wires | |
| JP2008226501A (en) | MgB2 SUPERCONDUCTIVE WIRE | |
| EP1361617A2 (en) | Method for the production of superconductive wires based on hollow filaments made of MgB2 | |
| RU2640813C1 (en) | Method for obtaining superconductors based on magnesium diboride | |
| JP2002373534A (en) | Superconducting wire, its producing method, and superconducting magnet using it | |
| USRE32178E (en) | Process for producing compound based superconductor wire | |
| Giunchi et al. | Advancements in the Reactive Liquid ${\rm Mg} $ Infiltration Technique to Produce Long Superconducting ${\rm MgB} _ {2} $ Tubular Wires | |
| WO2003035575A1 (en) | A METHOD INCLUDING A HEAT TREATMENT OF MANUFACTURING SUPERCONDUCTING WIRES BASED ON MgB2 | |
| JP2008140769A (en) | METHOD FOR MANUFACTURING Bi2223 SUPERCONDUCTING WIRE ROD | |
| JP4500901B2 (en) | Composite sheathed magnesium diboride superconducting wire and its manufacturing method | |
| RU2290708C2 (en) | Method for producing magnesium diboride based high-temperature superconductors | |
| Tsapleva et al. | The Materials Science of Modern Technical Superconducting Materials | |
| EP3503230A1 (en) | Magnesium diboride superconducting wire with magnesium coated iron sheath and method of obtaining | |
| US20090048114A1 (en) | Alloy superconductor and methods of making the same | |
| Hur et al. | High Critical Current Density ${\rm MgB} _ {2}/{\rm Fe} $ Multicore Wires Fabricated by an Internal Mg Diffusion Process | |
| US8530389B2 (en) | Process for the preparation of oxide superconducting rods | |
| WO2002073709A2 (en) | Processing of magnesium-boride superconductors | |
| JPH06168635A (en) | Compound superconducting wire material and manufacture thereof | |
| Akimov et al. | Multifilamentary composite MgB/sub 2/wires: preparation and testing | |
| CN109837402A (en) | Intermetallic compound Nb is prepared by fusion metallurgy program3The method of Sn | |
| JP2004296253A (en) | Manufacturing method of bismuth based oxide superconducting wire rod |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190810 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210513 |