Результат интеллектуальной деятельности: Сверхпроводящий композиционный провод на основе NbSn

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Сверхпроводящие композиционные провода на основе Nb₃Sn для магнитных систем должны обладать рядом необходимых эксплуатационных свойств, обеспечивающих, в том числе и стабильность работы всей магнитной системы. К числу таких характеристик относится относительное остаточное сопротивление (RRR), размер эффективного диаметра волокна и плотность критического тока. Для современных сверхпроводников, предназначенных для создания магнитных систем в устройствах физики высоких энергий, таких как Большой Адронный Коллайдер, Круговой Коллайдер Будущего, Международный Термоядерный Экспериментальный Реактор, предъявляются жесткие требования.

В частности, параметр RRR для провода на основе Nb₃Sn должен составлять не менее 100-150 единиц. Установлено, что значение данного показателя, главным образом определяется RRR внешней стабилизирующей меди. Одной из причин снижения параметра RRR провода является диффузия олова в медную стабилизацию во время диффузионного отжига. Этот отжиг необходим для формирования сверхпроводящей фазы Nb₃Sn путем диффузии олова из его источников к ниобиевым волокнам, при этом, олово может диффундировать и в стабилизирующую медь. Установлено, что даже малые концентрации олова способны привести к недопустимому снижению параметра RRR провода («An experimental study of the resistivity concentration dependence of alloys», Linde J.O., Helvetica Physica Acta, 41 (1968), с. 1005-1015). В связи с этим при разработке конструкций проводов на основе Nb₃Sn необходимо обеспечить защиту стабилизирующей меди от диффузии олова во время диффузионного отжига. Как правило, это достигается введением в конструкцию проводов диффузионных барьеров. При этом конструкция провода должна обеспечить отсутствие искажения сверхпроводящей части провода и разрывов диффузионных барьеров.

Известен композиционный сверхпроводящий Nb₃Sn провод [патент US 201201018437 А1, опубл. 2012 г.], полученный путем размещения в медной трубе, на внутренней поверхности которой размещен диффузионный барьер, изготовленный из материала, выбранного из группы: тантал, танталовый сплав, ниобий и ниобиевый сплав, множества прутков в медной трубе, сердечник которых состоит из олова или оловянного сплава или ниобия или ниобиевого сплава, причем прутки, содержащие олово или оловянный сплав, не соприкасаются друг с другом. Полученный провод термообрабатывают для формирования фазы Nb₃Sn.

Недостатком изготовления проводов является отсутствие на внутренней поверхности барьера медного или медьсодержащего подслоя, что может приводить к неравномерному волочению всей многоволоконной заготовки, локальному возникновению мест схватывания (прочного металлургического контакта) между диффузионным барьером и внутренними заготовками. Это может приводить к нарушению целостности многоволоконной заготовки или диффузионного барьера, и к снижению параметра RRR. В случае одинакового материала с двух сторон контактирующих поверхностей, схватывание происходит одновременно по всей поверхности, локальность практически отсутствует.

Известен способ формирования диффузионного танталового барьера [CN102298995, опубл. 2011 г.], необходимого для изготовления провода на основе Nb₃Sn, который состоит в изготовлении танталовой трубы из листа тантала с формированием продольного шва и нанесения на полученную трубную заготовку слоя бескислородной меди.

Недостатком описанного способа формирования диффузионного барьера является возможность как наложения слоев металла друг на друга, так и их расхождение. Отсутствие прочной металлургической связи между слоями металла в диффузионном барьере может привести к тому, что при его деформировании в составе многоволоконной заготовки, необходимой для формирования Nb₃Sn провода, могут возникнуть обрывы и локальные недопустимые искажения геометрии диффузионного барьера. Кроме этого, при расхождении слоев металла нарушается целостность барьерного слоя, что может привести к значительному снижению относительного остаточного сопротивления всего провода.

Наиболее близким является сверхпроводящий композиционный провод («Internal tin Nb₃Sn conductor development for high energy physics applications)), E. Gregory, T. Pyon, AIP Conference Proceedings 614, 958 (2002)), конструкция которого состоит из многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером из тантала, сформированного из листа или пластины внахлест, при этом каждая заготовка имеет медный чехол, и в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, при этом ниобийсодержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора медными разделителями.

К недостаткам указанной конструкции сверхпроводящего композиционного провода относится формирование диффузионного барьера из листа или пластины из тантала, что приводит к возникновению областей локального утолщения барьера в области нахлеста в процессе деформации многоволоконной заготовки. Кроме того, наличие в составе конструкции заготовок прутков из легкоплавкого олова или сплава на основе олова исключает использование операций горячей пластической деформации, которые могли бы обеспечить прочную металлургическую связь между танталовым диффузионным барьером и медной трубой, а также между танталовым диффузионным барьером и находящимися внутри него заготовками. Поэтому при последующей холодной пластической деформации отсутствие прочной металлургической связи между вышеуказанными компонентами будет являться причиной обрывности диффузионного барьера и/или заготовок внутри него и приводить к снижению параметра RRR провода.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей данного изобретения является получение сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn с величиной относительного остаточного сопротивления более 150 единиц.

Техническим результатом является обеспечение величины относительного остаточного сопротивления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn более 150 единиц, что обеспечивает стабильность работы магнитной системы, изготовленной из этого провода.

Технический результат достигается в сверхпроводящем композиционном проводе на основе Nb₃Sn, выполненного из многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером, при этом каждая заготовка имеет медный чехол, в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, при этом ниобийсодержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора разделителями, при этом труба и диффузионный барьер выполнены за одно целое, а внутренняя поверхность диффузионного барьера имеет покрытие в виде тонкого слоя меди.

В частном варианте исполнения труба имеет отверстие в виде многоугольника.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер выполнен из материала, выбранного из группы: ниобий, сплавы на основе ниобия, тантал, сплавы на основе тантала.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер выполнен из слоя ниобия или сплава на его основе, на внутренней поверхности которого расположены вставки из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа, расположенные на расстоянии друг от друга.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер выполнен путем чередования вставок из ниобия или его сплава и вставок из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа.

В частном варианте исполнения вставки имеют шестигранную, прямоугольную или круглую форму.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из ниобия.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия, а внешний слой выполнен из сплава на основе ниобия.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из тантала.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из сплава на основе тантала.

В частном варианте исполнения на внешней поверхности диффузионного барьера размещен упрочняющий слой, например, из меди, содержащей частицы Al₂O₃, псевдосплава Cu-Nb.

В частном варианте исполнения разделители выполнены из материала, выбранного из группы: высокочистая медь, сплав Cu-Mn, сплав Cu-Fe, сплав Cu-Ge.

В частном варианте исполнения разделители выполнены из прямоугольных и/или многоугольных пластин или прутков.

Выполнение медной трубы и диффузионного барьера за одно целое позволяет получить высокие значения RRR готового провода, поскольку в этом случае отсутствуют стыки диффузионного барьера и нет угрозы их расхождения, снижается вероятность повреждения диффузионного барьера при формировании многоволоконной заготовки, что в последующем могло бы приводить к сохранению целостности диффузионного барьера и повысить параметр RRR провода.

Использование в качестве материала диффузионного барьера тантала или сплава на его основе позволяет получать высокие значения RRR готового провода, поскольку в процессе диффузионного отжига тантал незначительно реагирует с оловом, что не позволяет попадать олову в стабилизирующую медь.

Использование в конструкции провода диффузионного барьера, состоящего из двух слоев, внешний слой которого выполнен из сплава ниобия, а внутренний слой выполнен из ниобия, позволяет снизить скорость образования сверхпроводящего соединения на поверхности барьера и, тем самым, предотвратить его полную проработку в процессе диффузионного отжига, а также позволяет не допустить диффузию олова в стабилизирующую медь во время диффузионного отжига, что позволяет повысить параметр RRR провода.

Использование комбинированного диффузионного барьера, состоящего из слоя ниобия или сплава на его основе и вставок, выполненных из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа, расположенных на расстоянии друг от друга, также позволяет предотвратить диффузию олова в стабилизирующую медь и повысить параметр RRR провода, поскольку тантал и железо препятствуют диффузии олова к ниобию и образованию сверхпроводящего слоя, и тем самым, предотвращают диффузию олова в стабилизирующую медь во время диффузионного отжига.

Использование в качестве материала разделителей высокочистой меди, сплавов Cu-Mn, Cu-Fe, Cu-Ge позволяет локально снизить диффузию олова на этих участках и тем самым предотвратить попадание олова в стабилизирующую медь и повысить параметр RRR провода.

Размещение на внешней поверхности диффузионного барьера упрочняющего слоя, например, из меди, содержащей частицы Al₂O₃, или псевдосплава Cu-Nb позволяет сохранить форму диффузионного барьера и его равномерную толщину, препятствует появлению локальных участков утонения. Это приводит к отсутствию мест локальной проработки диффузионного барьера в сверхпроводящее соединение и препятствует диффузии олова в стабилизирующую медь.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, множества заготовок 4, при этом внутренняя поверхность диффузионного барьера 3 имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение заготовки 4. Каждая заготовка 4 содержит медный чехол 6, в котором расположена медьсодержащая матрица 7, в центре которой размещен пруток 8, содержащий олово, вокруг которого расположены ниобийсодержащие прутки 9, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку 10, при этом ниобийсодержащие прутки 9 разделены медными разделителями 11 на сектора.

На фиг. 3 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, и имеет отверстие в виде многоугольника, при этом внутренняя поверхность диффузионного барьера 3 имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5.

На фиг. 4 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, который состоит из двух слоев, внутренний слой 12 которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия и внешнего слоя 13, выполненного из тантала или сплава на основе тантала, или ниобия, или сплава на основе ниобия, при этом внутренняя поверхность диффузионного барьера 3 имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5.

На фиг. 5 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, внутренняя поверхность которого имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5, при этом диффузионный барьер 3 выполнен путем чередования вставок 14 из ниобия или его сплава и вставок 15 из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа.

На фиг.6 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, внутренняя поверхность которого имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5, при этом диффузионный барьер 3 состоит из слоя 16 из ниобия или его сплава, на внутренней поверхности которого расположены вставки 15 из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа, расположенных на расстоянии друг от друга.

На фиг. 7 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, внутренняя поверхность которого имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5, при этом на внешней поверхности диффузионного барьера 3 размещен упрочняющий слой 17, например, из меди, содержащей частицы Al₂O₃, псевдосплава Cu-Nb.

Технология получения заявляемого сверхпроводящего композиционного провода заключается в формировании многоволоконной заготовки путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером, при этом каждая заготовка имеет медный чехол, в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, при этом ниобий содержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора разделителями, а труба и диффузионный барьер выполнены за одно целое, а внутренняя поверхность диффузионного барьера покрыта тонким слоем меди.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример исполнения.

Формирование заготовки осуществляли путем размещения в центре медного чехла высотой 300 мм, внешним диаметром 129,1 мм и внутренним отверстием диаметром 119 мм, оловянного прутка диаметром 19,5 мм, вокруг которого размещали 681 ниобийсодержащий пруток в медной оболочке с размером «под ключ» 3,8 мм, в медьсодержащей матрице. Указанное количество ниобийсодержащих прутков было разделено медными прутками - разделителями размером «под ключ» 3,8 мм на три сектора. Количество медных прутков - разделителей составило 57 шт.

Многоволоконная заготовка для изготовления провода на основе Nb₃Sn была сформирована путем размещения 31 заготовки с размером «под ключ» 3,2 мм, полученных путем деформирования из выше описанной заготовки, в трубе, выполненной за одно целое с диффузионным барьером, изготовленным из тантала, при этом внутренняя поверхность диффузионного барьера была покрыта тонким слоем меди.

Затем проводили деформирование полученной многоволоконной заготовки путем волочения до диаметра 1 мм. Длина полученного провода составила более 500 м.

Отжиг полученного сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn проводили в среде вакуума по ступенчатому режиму: нагрев до 370°С, выдержка 100 ч, затем нагрев до 665°С и выдержка при этой температуре 100 ч, затем охлаждение вместе с печью.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

На проводе, изготовленном с использованием вышеописанной многоволоконной заготовки, в магнитном поле с индукцией 12 Тл при температуре 4,2 К получена плотность критического тока более 2200 А/мм². При этом относительное остаточное сопротивление провода после диффузионного отжига составило более 250 единиц.