Cu/MgB2 süper iletken tellerin ekstrüzyon-haddeleme sürecinde üretimi ve üretim parametrelerinin ürün özelliklerine etkilerinin incelenmesi
Fabrication of Cu/MgB2 superconductor wires by using extrusion-rolling process and investigation of the effect of manufacturing parameters on product properties
Yazar: MEHMET CENGİL
Danışman: DOÇ. DR. FEHMİ NAİR
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Soğuk haddeleme = Cold rolling ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites

Özet:
Bu çalışmada bakır ile kılıflandırılmış MgB2 özlü süperiletken tellerin laboratuvar ölçeğinde üretimi ve üretim parametrelerinin ürün özelliklerine etkilerinin incelenmesi amaçlanmıştır.
Direkt ekstrüzyon ve kalibreli haddeleme teknikleri kullanılarak tek özlü, çok özlü ve bariyer malzemeli süperiletken teller üretilmiştir. Ekstrüzyon işleminde kullanılan biletler tüp içinde toz (powder in tube, PIT) tekniği ile hazırlanmıştır. Elektrolitik Cu içerisine açılan deliğe farklı kompaklama oranlarında MgB2 toz doldurularak hazırlanan yarı mamul Cu/MgB2 kompozit biletler, direkt ekstrüzyon tekniği ile çubuk formuna dönüştürülmüştür. Üretilen çubuklara kalibreli haddeleme işlemi uygulanarak minimum 0.5 mm çapındaki tek özlü süperiletken teller üretilmiştir. Çok özlü tel üretiminde kullanılan biletler, elektrolitik bakır boru içerisine tek özlü Cu/MgB2 çubukların yerleştirilmesi ile elde edilmiştir. Hazırlanan biletler kalibreli haddeleme tekniği ile çok özlü Cu/MgB2 süperiletken tellere dönüştürülmüştür. Bariyer malzemeli biletler, bakır ile MgB2 toz arasına bariyer malzemesi yerleştirilerek hazırlanmış ve haddeleme tekniği ile tel formuna dönüştürülmüştür. 
Tek özlü Cu/MgB2 kompozit biletlerin ekstrüzyon işlemi sırasındaki metal akış davranışı incelenmiştir. Bilet tasarımı, ekstrüzyon oranı, toz kompaklama miktarı ve ısıl işlem gibi üretim parametrelerinin metal akış davranışına etkileri araştırılmıştır. Eksenel ve radyal yönde homojen kesit yapısına sahip Cu/MgB2 çubukların üretimi için gerekli olan parametreler belirlenmiştir. Kalibreli haddeleme sürecinin tel kesitine etkisi incelenmiştir. Çok özlü ve bariyer malzemeli tel üretilebilmesi için gerekli olan temel parametreler ve üretim süreci belirlenmiştir. Üretilen tellerin mekanik, metalürjik ve süperiletkenlik özellikleri incelenmiştir. Manyetik özelliklerinden dolayı daha çok bobin formunda kullanılan süperiletken tellerin sarım kabiliyeti araştırılmıştır.
Tek özlü tel üretimi için hazırlanan biletlerin radyal kesitinde, bilet ile bilet öz alanı arasındaki oranın (α) 2.78' den daha büyük olmaması gerektiği tespit edilmiştir. Ekstrüzyon işlemi sırasında 6.25' ten daha büyük bir ekstrüzyon oranı kullanılması durumunda bilet içerisine doldurulan tozların şekil değiştirme kabiliyetinin düştüğü ve Cu/MgB2 çubukların üretilemediği görülmüştür. Bariyer malzemeli tellerin sarım kabiliyetinin olmadığı, 450°C 15 dakika tavlanan tek özlü tellerin ise 5 mm çapındaki bobin haline getirilebildiği tespit edilmiştir. 
Sonuç olarak eksenel ve radyal yönde düzgün ve sürekli öz yapısına sahip ve süperiletkenlik özellikleri açısından literatür ile benzer nitelikte tek özlü, çok özlü ve bariyer malzemeli süperiletken teller üretilmiştir.

Abstract:
In this study, it is purposed to manufacture the superconductor wires having MgB2 core covered by Cu at laboratory conditions and, to determine the effect of manufacturing parameters on properties of final product.
Mono-core, multi-core and mono-core with barrier-material superconductor wires were fabricated by using direct extrusion and the groove-rolling processes. The billets used extrusion process were prepared with PIT (Powder-inTube) method. The semi-product Cu/MgB2 composite billets prepared by filling MgB2 powders into a hole drilled inside the electrolytic Cu at different compaction rates were turned into the rod form with extrusion process. Manufactured rods were reduced to minimum 0.5 mm in diameter by using the groove-rolling process to obtain mono-core superconductor wires. The billets used in manufacturing multi-core wires were acquired by placing mono-core Cu/MgB2 rods into the electrolytic Cu pipes concentrically. The prepared billets were turned into multi-core Cu/MgB2 superconductor wires with the groove-rolling process. The billets with the barrier material were prepared by placing barrier material between Cu and MgB2 powder and, they were turned into wire form with the groove-rolling process.
The metal forming behavior of mono-core Cu/MgB2 composite billets were investigated at direct extrusion process. The effects of manufacturing parameters like billet geometry, powder compaction, extrusion rate and heat treating on metal forming behavior were investigated. The parameters required for manufacturing of Cu/MgB2 rods having homogeneous section area in radial and axial direction were determined. It was investigated the effects of the groove-rolling process on the radial section of the wires. The main parameters for manufacturing multi-core and mono-core with barrier materials superconductor wires, and the manufacturing process were determined. The mechanical, metallurgical and superconducting properties of the acquired wires were investigated. The winding ability of superconductor wires mostly used in the form of coil because of the magnetic properties were determined.   
It was ascertained that the ratio of billet to billet core (α) would not be exceeded the value of 2.78 at the area of radial section of the billets prepared for manufacturing mono-core wire. When the extrusion ratio was used greater than 6.25 at the extrusion process, it was observed that the ability of forming of MgB2 powder filled into the billet diminished and, Cu/MgB2 rods could not be manufactured at this condition. There was no winding ability of the wires with barrier material. However, it was ascertained that the mono-core wires annealed at 450 °C for 15 minutes could be formed to the coils having a diameter of 5 mm. 
In conclusion, mono-core, multi-core and mono-core with barrier-material superconductor wires having the core structure consistently distributed in radial and axial direction, and capable of similar superconducting properties when compared with previous studies in literature were manufactured.