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二硼化镁(MgB2)是截止目前临界温度Tc最高的简单金属化合物超导体,其超导转变温度Tc达39K,远远高于低温超导体,同时又不存在高温超导体中难以克服的弱连接问题,合成容易,加工简便,原材料成本低廉并且资源丰富,具有广阔的研究和应用前景,从而成为超导研究领域的一大热点。超导材料由于其固有脆性,必须加工成线带材才能应用,而MgB2超导体属于陶瓷结构,烧制成成品后很难锻造、挤压成所需的形状。而采用等静压工艺可以在高温高压条件下提高线带材的致密度,努力形成织构组织,改善晶体的连接性,并最终提高MgB2超导材料的临界电流密度。
本文通过有限元分析软件MSC.Marc对MgB2线材的热等静压过程进行了模拟分析,得到了相对密度、等效应力、应变以及温度场等结果,分析了保温温度、保压压力、保温保压时间、升温速率、降温速率等不同的工艺参数对MgB2线材热等静压结果的影响,并运用正交实验优化了工艺参数。运用DEFORM软件模拟了MgB2线材挤压过程并对模角、挤压比等工艺参数进行了比较,确定了挤压的优化工艺。
研究表明,当初始相对密度达到0.6左右时,冷等静压对其相对密度的提高已经贡献不大,必须采用热等静压才能继续提高其相对密度;Marc软件可以有效地模拟MgB2线材热等静压成形过程,由模拟结果可知,MgB2线材的相对密度从中心到包套逐渐增大但并不成线性关系;线材的相对密度出现奇异点,造成整个线材临界电流密度的减小;温度、保压压力、保压时间、降温速率等工艺参数对MgB2等静压工艺结果的影响较大,而升温速率的影响较小。总体上说,保温温度越大,保压压力越大,保压时间越长,降温速率越小,MgB2等静压成形后相对密度结果越好。MgB2线材热等静压的最佳工艺参数为:保温温度950℃,保压压力200 MPa,保压时间2.5h,升温速率600℃/h(即升温时间1.5h)。
等静压成形所得的MgB2线材相对密度不均匀,很难达到完全致密,因此等静压成形后可以通过挤压等挤压成形来进一步提高其致密度。用有限元模拟软件Deform模拟了初始相对密度为0.9的线材挤压成形过程,比较了挤压比γ=4、9和12三种情况下,α=30°、45°、60°和75°四种不同模角的的线材挤压情况,经过综合比较确定了挤压比γ=9,模角α=60°时获得的线材的相对密度分布较好,并且挤压力不大,模具的损耗小。