Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА НА ОСНОВЕ NbTi СПЛАВА

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, преимущественно предназначенных для работы в магнитных полях выше 5 Тл при высоких плотностях тока и низких гистерезисных потерях.

Известен способ получения композитного стабилизированного сверхпроводника на основе NbTi сплава, включающий операции формирования первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из стабилизирующего материала и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, повторную операцию сборки в чехлы из стабилизирующего материала, экструзию вторичной композитной заготовки и деформирование с промежуточными термообработками, выполняемые при температуре от 370 до 400^oC, до конечного размера провода, характерный тем, что процесс экструзии введен для обеспечения металлургической связи между элементами /1/.

Полученный путем экструзии композитный пруток обладает высокой плотностью упаковки и хорошей металлургической связью между элементами. Процесс экструзии составной заготовки является основным способом получения многокомпонентного прутка (от нескольких десятков элементов до нескольких тысяч). Основными преимуществами экструзии являются: создание радиального поля напряжений в процессе уменьшения площади поперечного сечения; гомогенность пластического течения; значительное уменьшение площади поперечного сечения. Однако, для обеспечения целостности как отдельных волокон, так и всего проводника, экструзия составных заготовок может производится в определенном температурном интервале.

Выбираемая температура экструзии является очень важным параметром. В литературе приводятся параметры от 510 до 670^oC. Верхняя граница температуры предварительного нагрева в основном определяется протеканием химической реакции с образованием хрупкого интерметаллического соединения Ti₂O, что приводит вначале к обрыву отдельного волокна, а затем может привести к обрыву или группы соседних волокон, или проводника в целом. Нижняя граница определяется сопротивлением деформации сплава NbTi и тем фактом, что при температуре менее 600^oC в о. ц.к. решетке NbTi проявляется тенденция к выделению α -Ti и упрочнению. Кроме того, считается, что если сцепление меди с NbTi происходит в процессе экструзии, то температуры менее 600^oC нежелательны.

Известен способ изготовления композитного сверхпроводника на основе NbTi сплава, выбранный в качестве прототипа /2/, включающий операции формирования первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из стабилизирующего материала и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, повторную операцию сборки в чехлы из стабилизирующего материала, экструзию вторичной композитной заготовки и деформирование с промежуточными термообработками, выполняемые при температуре от 370 до 400^oC, до конечного размера провода, при этом температура для экструзии композитной заготовки определена в 600^oC для высокониобиевых сплавов и сплавов промежуточного состава и 550^oC для высокотитановых сплавов.

Предложенные режимы экструзии составных заготовок позволяют получать длинномерные многоволоконные провода диаметром менее 1 мм, а диаметр волокна при этом может составлять 10 мкм и менее. Однако, предложенные температурные режимы выдавливания вызывают в NbTi сплаве рекристаллизацию или возврат, которые связаны с изменением субструктуры и распределением дислокаций, что приводит к уменьшению плотности критического тока в конечном композите. Таким образом, необходимая холоднодеформированная структура может быть обеспечена только в процессе последнего передела от прессованного прутка последней составной заготовки до конечного размера провода, что часто оказывается недостаточным для обеспечения требуемых токовых свойств в средних и высоких магнитных полях.

Токонесущая способность любых сверхпроводников определяется пиннингом флюксоидов магнитного потока. Основными центрами пиннинга в NbTi проводах, изготовленных по классической технологии (в отличии от проводов с искусственными центрами пиннинга), служат α -Ti выделения, получаемые в ходе многостадийных низкотемпературных термообработок. Размеры и плотность α -Ti частиц являются основными факторами той или иной силы пиннинга магнитного потока. Чем меньше диаметр выделившихся частиц и выше их плотность, тем сильнее пиннинг магнитного потока и, соответственно, выше токонесущая способность провода.

Размер частиц α -Ti определяется микроструктурой холодной деформации, поэтому все используемые сплавы подвергаются холодной деформации для развития мелкомасштабной гетерогенной микроструктуры. Развитая структура микрополос скольжения, обеспечиваемая, как правило, волочением, - это структура с плотностью ячеек до 4,9•10¹¹ см². Низкотемпературная термообработка такой холоднодеформированной структуры вызывает очень тонкие выделения α -Ti в стенках ячеек. Рост зародыша α -Ti происходит в объеме ячейки и ограничивается стенками ячейки. Плотность α -Ti выделений связана с плотностью дислокаций, которая в свою очередь зависит от степени холодной деформации. Таким образом, плотность выделений также определяется размером микрополос скольжения. Общее время термообработок вызывает в большей степени рост выделившейся фазы, нежели образование новых зародышей.

В условиях высокой степени холодной деформации проводов плотность дислокаций очень высока и достигает значений более 10¹² мм². В этих условиях происходит значительная взаимная аннигиляция дислокаций как по геометрическим причинам, так и вследствие процессов динамического возврата, инициируемых высокими плотностями точечных дефектов и дислокаций. Таким образом, на степень утонения микрополос могут влиять технологические параметры обработки, такие как скорость волочения, обжатие за проход, температура волочения, смазка. Уменьшение микрополос скольжения протекает вначале быстро и замедляется, когда вытяжка превышает -10³, но при этом тенденция уменьшения микрополос с ростом степени деформации сохраняется. Т.е. при увеличении степени холодной деформации выше определенной величины можно добиться, пусть не столь большого, но все же заметного уменьшения размера микрополос, а следовательно, дополнительного увеличения плотности критического тока проводника.

Во время промежуточных термообработок на начальной стадии происходит упорядочивание дислокационной структуры и некоторый рост микрополос скольжения. На более поздней стадии появляются выделения α -Ti, которые образуются в крайне насыщенных дислокациями стенках субзерен. Начало выделения α -Ti зависит от степени холодной деформации, т.е. величина холодной деформации является решающим фактором в определении кинетики выделений. Таким образом, необходимую плотность выделений можно обеспечить за более короткое время.

Дополнительными, но весьма ограниченными возможностями увеличения холодной деформации обладает технологическая схема с использованием крупных заготовок, например, диаметром 250 или 300 мм, но включение в технологическую цепочку дополнительного оборудования, связанного с изготовлением чехлов, сборки массивных заготовок, вакуумирования, транспортировки, да и работа непосредственно самого гидравлического пресса с усилием не менее 6000 тс приводит к заметному удорожанию продукции и не всегда экономически целесообразна в условиях выпуска небольших партий провода.

Дополнительными, но тоже ограниченными возможностями увеличения холодной деформации обладает и другая технологическая схема, основанная на холодном наложении дополнительной медной оболочки на сформированный в процессе горячей экструзии композитный пруток, но такая схема применима для проводов с малым объемным содержанием сверхпроводника в медной матрице и оставляет много открытых технологических вопросов при изготовлении проводов с повышенным содержанием сплава.

Техническая задача настоящего изобретения заключается в обеспечении повышенной токонесущей способности композита за счет увеличения холодной деформации путем снижения температуры экструзии.

Поставленная задача решается так, что если в известном способе изготовления композитного сверхпроводника на основе NbTi сплава, который включает операции формирования первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из стабилизирующего материала и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзии и деформирования первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резки шестигранного прутка на мерные длины, повторной операции сборки в чехлы из стабилизирующего материала, экструзии и деформирования с промежуточными термообработками, выполняемые при температуре от 370 до 400^oC, до конечного размера провода, температура экструзии композитных заготовок составляет 550 - 600^oC, то в предлагаемом способе температура экструзии не выше температуры промежуточных отжигов, необходимых для выделения α-фазы и которые не вызывают кардинального изменения холоднодеформированной структуры.

Проведенные структурные исследования волокон композитного прутка, полученного в ходе экструзии при пониженной температуре (380^oC), дают основание полагать, что сплав в основном сохранил в процессе экструзии структуру холодной деформации. Структура волокон центральных и периферийных усредняется; так, например, микротвердость волокон центральных и периферийных практически не различается, в то время, как различия микротвердости в волокнах аналогичных проводов, полученных путем горячей экструзии, составляет от 16 до 26% в зависимости от скоростных условий выдавливания.

Критерием наличия металлургической связи между элементами композита, ее надежности может служить соотношение расчетных и реальных объемных долей меди и NbTi сплава. Опытные работы, проведенные по холодному наложению дополнительной медной оболочки на прессованный многоволоконный композит в медной оболочке показали, что постоянное соотношение объемных долей меди и сплава наблюдается уже после 50% совместной холодной деформации, что соответствует значению вытяжки 2. В случае холодного выдавливания составной заготовки на гидравлическом прессе, например, с усилием 1600 тс, при использовании контейнеров с диаметром рабочего отверстия, например, 95 или 130 мм можно обеспечить значение вытяжки примерно от 4 до 10 в зависимости от объемного содержания NbTi сплава.

Отсутствие раннего выпадения α -Ti выделений в процессе холодного выдавливания обеспечивается гомогенностью NbTi сплава. Использование высокочистого высокогомогенного изначально рекристаллизованного сплава обеспечивает необходимую холодную вытяжку до получения готового размера провода в отсутствии отжигов для снятия напряжений.

В случае нагрева составной заготовки до температуры промежуточных отжигов время нагрева можно совместить непосредственно с одним из этапов стадии промежуточных термообработок.

Примеры конкретного выполнения
На фиг. 1 представлен сверхпроводящий провод диаметром 0,7 мм, включающий 198 волокон, с объемной долей NbTi сплава в медной матрице 50% (СКНТ 0,7-198-0,5), процесс изготовления которого включал операцию формирования первичной композитной заготовки, содержащей медную наружную оболочку и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, сборку 198 шестигранных прутков в медный чехол, экструзию вторичной композитной заготовки при температуре 390^oC и деформирование с промежуточными термообработками до конечного размера провода.

На фиг. 2а и 2б представлены общий вид и фрагмент сверхпроводящего провода диаметром 0,85 мм, включающий 12684 волокна, с объемной долей NbTi сплава в медной матрице 43% (СКНТ 0,85-12684-0,43), процесс изготовления которого включал операцию формирования первичной композитной заготовки, содержащей медную наружную оболочку и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, сборку 151 шестигранного прутка в медный чехол, экструзию вторичной композитной заготовки при температуре 380^oC, деформирование вторичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, сборку 84 шестигранных прутков в медный чехол, экструзию композитной заготовки при температуре 380^oC и деформирование с промежуточными термообработками до конечного размера провода.

Технический результат предложенного способа изготовления композитного сверхпроводника на основе NbTi сплава заключается в увеличении плотности критического тока в средних и высоких магнитных полях в среднем на 3-5 %.

Источники информации
1. "Металловедение и технология сверхпроводящих материалов". Под ред. Фонера С., Шварца Б., США, 1981; Пер. с англ. М.; "Металлургия", 1987., стр. 233).

2. "Металлургия сверхпроводящих материалов". Под ред. Т. Люмана и Д. Дью-Хьюза. Пер. с англ. М.; "Металлургия", 1984, стр. 87 (прототип).