Residual stress analysis of insulation coatings for magnet technologies

High temperature MgO-ZrO₂ insulation coatings were grown on long-length Stainless-Steel (SS) tapes by reel-to-reel sol-gel method for applications of High Temperature Superconductor/Low Temperature Superconductor (HTS/LTS) coils and magnets. The residual stresses were investigated analytically at various temperature ranges, 580°C to 25°C (room temperature) and -196°C (liquid helium temperature), and 630°C to 25°C and -196°C for different thicknesses to be 13, 12, and 7 μm. The maximum stress values were obtained to be 1.92 GPa in tension for SS substrate with the 13 μm coating and -2.42 GPa in compression for the 7 μm MgO-ZrO₂ coating in the temperature range between 630°C and liquid helium temperature. The surface morphologies and microstructure of sample were also characterized using a scanning electron microscope (SEM). SEM observations revealed that MgO-ZrO₂ coatings have a mosaic like crack structure.

Wysokoemperaturowe powłoki izolacyjne MgO-ZrO₂ wytworzono na długich taśmach ze stali nierdzewnej metodą reel-toreel zol-żel dla zastosowań w cewkach i magnesach typu wysokotemperaturowy nadprzewodnik/niskotemperaturowy nadprzewodnik. Naprężenia badano analitycznie w różnych zakresach temperatur, 580°C do 25°C (temperatura pokojowa) i -196°C (temperatura ciekłego helu), oraz 630°C do 25°C i -196°C dla różnych grubości powłoki: 13, 12 i 7 μm. Maksymalne wartości naprężeń otrzymano w zakresie temperatur pomiedzy 630°C a temperatura ciekłego helu: 1,92 GPa (rozciągające) dla podłoża ze stali nierdzewnej z powłoką o grubości 13 μm oraz -2,42 GPa (ściskające) dla powłoki MgO-ZrO₂ o grubości 7 μm. Morfologia powierzchni i mikrostruktura próbek zostały również scharakteryzowane za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Obserwacje w SEM wykazały, że powłoki MgO-ZrO₂ mają strukturę pęknięć podobną do mozaiki.