Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЯ NBSN

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, преимущественно предназначенных для работы в магнитных полях выше 10 Тл при высоких плотностях тока и низких гистерезисных потерях.

Известен способ получения композитного сверхпроводника на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn ("бронзовая" технология), включающий формирование заготовки, наружной оболочки в виде бронзовой трубы, размещаемого в ней ниобиевого прутка, деформирование полученного композита с промежуточными термообработками до необходимого поперечного сечения, резку сформированного провода на отдельные прутки и дальнейшее формирование композита требуемое число раз путем размещения прутков в наружной оболочке в виде бронзовой трубы, деформирование заготовки с промежуточными термообработками до конечного диаметра провода требуемого размера и осуществление окончательной диффузионной термообработки для образования соединения Nb₃Sn /1/.

Проводники, полученные этим способом, обладают высокими значениями критического тока, критической температуры и верхнего критического поля, но неудовлетворительной степенью стабилизации, связанной с низкой теплопроводностью и высоким сопротивлением матрицы. В случае больших магнитных систем требуется введение дополнительного стабилизирующего металла, в большинстве случаев которым является медь высокой чистоты, что в свою очередь требует введения барьера из тантала, а часто комбинированного барьера из тантала и ниобия, препятствующих диффузии атомов олова в стабилизирующую медь. В этом случае проводник представляет собой многокомпонентную систему из металлов и сплавов с различными механическими свойствами, а некоторые из них вместе с тем обладают ограниченной пластичностью. Обычно в таких проводах, предназначенных для работы в средних и высоких магнитных полях, используются до пяти различных металлов и сплавов (медь, ниобий, тантал, БрO13, НТ-50), при этом некоторые элементы провода из одного и того же материала имеют разную конфигурацию: например, из ниобия выполнен и диффузионный барьер (фактически тонкостенная труба) и волокна. При этом в процессе изготовления провода структурные изменения, происходящие на границе их соприкосновения с другими материалами, совершенно разные. На границе соприкосновения ниобиевого диффузионного барьера с медью возможно наличие твердого раствора на основе меди (α-фаза) и твердого раствора на основе ниобия (β-фаза); на границе ниобия с танталовым барьером - только твердый раствор. На границе ниобиевого волокна с бронзовой матрицей возможно образование интерметаллического соединения Nb₃Sn. Поэтому режимы термомеханической обработки для всех перечисленных материалов не могут быть одинаковыми, и в первую очередь рассматриваются и применяются режимы, которые соответствуют наиболее малопластичным материалам, в данном случае которым является бронза.

В процессе обработки бронза значительно быстрее из перечисленных компонентов конструкции подвергается механическому упрочнению, ее пластические свойства падают до одного процента и менее. Сочетание высокой прочности и низкой пластичности приводит к тому, что провод начинает разрушаться. Вследствие этого возникает необходимость в многократных отжигах.

Известен также способ изготовления стабилизированного композитного сверхпроводника на основе Nb₃Sn, выбранный в качестве прототипа, включающий формирование первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из матричного материала и осевой цилиндрический блок из ниобия, содержащий продольно расположенный легирующий компонент, деформирование с промежуточными термообработками при 450÷550^oС первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, повторную сборку в чехлы из меди с введением диффузионного барьера из тантала или комбинированного из тантала и ниобия, деформирование с промежуточными термообработками при 450÷550^oС до конечного диаметра провода и проведение диффузионной термообработки при 600÷750^oС, при этом возможность обеспечения совместной деформации многокомпонентной системы композитного сверхпроводника на всех стадиях изготовления для достижения размера готового провода обеспечивается за счет проведения промежуточных отжигов через каждые 18÷25% холодной деформации до размера провода ~6,4 мм и через 30÷50% ниже этого размера в течение 1 часа при температуре 500^oС [2]. Отжиги обычно проводят в печах периодического действия, например, в вакуумных печах или камерных печах с нейтральной атмосферой.

Недостатками этого способа являются трудности в обеспечении большой строительной длины, связанные с разрушением барьерных материалов из тугоплавких металлов на заключительной стадии производства. Причиной этому является различное цикличное упрочнение меди и бронзы, составляющих значительные объемы проводника.

Барьерные материалы, занимая промежуточное положение между матричным и стабилизирующим материалами, является концентратором напряжений, имеет на заключительной стадии изготовления значительную степень деформации и испытывает при этом цикличные знакопеременные напряжения. Упрочнение меди, бронзы и тантала в композитном проводе в процессе цикличного чередования холодной деформации и промежуточных отжигов представлено на фиг.1. Аналогичная картина наблюдается и в случае комбинированного диффузионного барьера, составленного из тугоплавких металлов тантала и ниобия.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение обрывности провода, связанной с разрушением диффузионного барьера в процессе холодной деформации композита.

Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления композитного сверхпроводника на основе Nb₃Sn, выбранный в качестве прототипа, включающий формирование первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из матричного материала и осевой цилиндрический блок из ниобия, содержащий продольно расположенный легирующий компонент, деформирование с промежуточными термообработками при 450÷550^oС первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, повторную сборку в чехлы из меди с введением диффузионного барьера из тантала или комбинированного из тантала и ниобия, деформирование с промежуточными термообработками при 450÷550^oС до конечного диаметра провода и проведение диффузионной термообработки при 600÷750^oС, обеспечивает возможность совместной деформации многокомпонентной системы композитного сверхпроводника на всех стадиях изготовления для достижения размера готового провода за счет разупрочнения диффузионных барьеров из тантала или ниобия путем введения дополнительных промежуточных термообработок композитного сверхпроводника, которые проводят на проход через каждые 50÷99,5% холодной деформации при температуре от 700 до 795^oС при условии прогрева 1 мм наружной оболочки провода по диаметру за 60÷5 с и времени выдержки при этой температуре от 3 до 10 с в печах непрерывного действия протяжного типа.

Современные технологии изготовления многоволоконных проводов на основе соединения Nb₃Sn предполагают использование бронзы с максимальным содержанием олова. Обычно используют сплавы из области насыщенного α-раствора, содержащие от 13 до 14,5% (по массе) олова. Нижний предел образования жидкой фазы в этих сплавах - 798^oС, поэтому предложенный температурный интервал не должен вызвать оплавление бронзы.

Процесс образования фазы Nb₃Sn на границе раздела бронза-ниобий происходит во времени и начинается при температурах выше ~ 300÷350^oС. Скорость образования фазы Nb₃Sn при температуре 375^oС составляет примерно 2,17•10^-5 мкм/мин (0,13 мкм за 100 ч). С ростом температуры скорость роста фазы заметно увеличивается, но даже при температуре 750^oС составляет всего 5,56•10^-4 мкм/мин (1 мкм за 30 ч). Учитывая кратковременность дополнительно вводимых отжигов и их ограниченное количество, выделившийся объем фазы, если он имеется, настолько минимален, что сколько-нибудь заметного влияния на пластичность проводника оказывать не будет.

В NbTi сплаве в условиях вышеуказанного температурного интервала кратковременных отжигов происходят процессы возврата и начальные стадии полигонизации, не связанные с распадом твердого раствора и не приводящие к снижению пластичности проводника.

Изменения прочностных свойств комбинированного Nb/Ta барьера проводника МКНОС-7225 в ходе кратковременных высокотемпературных отжигов в зависимости от температуры и времени отжига представлены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно заметное снижение прочности комбинированного Nb/Ta барьера в композитном проводе в процессе кратковременных высокотемпературных отжигов, что обеспечивает дальнейшую холодную деформацию композита без нарушения целостности барьера и, как результат, без разрушения самого провода.

Кратковременный отжиг для проводника большой строительной длины или массы может быть обеспечен только в печах непрерывного действия протяжного типа (например, проходные и индукционные печи), способных обеспечить за счет своих конструктивных особенностей (изменение скорости протяжки) минимизацию времени на прогрев материала до температуры отжига и самого отжига, обеспечивая высокую стабильность характеристик провода.

Кратковременный отжиг может проводиться в условиях вакуума, с использованием нейтральной (аргон, гелий, азот) или восстановительной (водород) атмосферы.

Примеры конкретного выполнения
На фиг. 2 представлен сверхпроводящий провод на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn диаметром 0,81 мм, включающий 7225 волокон, с объемной долей стабилизирующей меди 60% (МКНОС-7225-0,81). Маршрут термообработок, проведенных в проходной печи с восстановительной атмосферой, окончательно сформированного провода представлен в таблице 2. По указанной технологии была выпущена партия провода общей массой более 200 кг в отсутствие обрывности провода.

В таблице 2 технологический маршрут включает два кратковременных высокотемпературных отжига, направленных на разупрочнение комбинированного Nb/Ta барьера.

Новый технический результат предложенного способа изготовления композитного сверхпроводника на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn заключается в устранении обрывности провода за счет разупрочнения диффузионных барьеров из тантала и ниобия в процессе кратковременных высокотемпературных отжигов, не связанных с образованием интерметаллического соединения Nb₃Sn и распадом твердого раствора NbTi сплава на промежуточных стадиях изготовления.

Источники информации
1. "Металловедение и технология сверхпроводящих материалов". Под ред. С. Фонера и Б. Шварца. Пер. с англ. М.: "Металлургия", 1987, с. 282.

2. "Bronze-route Nb₃Sn superconducting wires with improved J_c and reduced bridging", Advanced in Cryogenic Engineering (Materials), Vol.36, Edited by R. P. Reed and F. R. Fikett, Plenum Press, New York, 1990 (p.139-146) (прототип).