СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО СТАБИЛИЗИРОВАННОГО СВЕРХПРОВОДНИКА НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЯ А-15 Российский патент 1996 года по МПК H01B12/00 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, предназначенных для работы на переменном токе и в быстроменяющихся магнитных полях.

Известен способ получения композитного стабилизированного сверхпроводника на основе интерметаллического соединения типа A-15 (Nb₃Sn, Nb₃Al, V₃Ga), включающий формирование заготовки, содержащей материалы с тугоплавкими (Nb, V) и легкоплавкими (Sn, Al, Ga) компонентами соединения A-15, деформирование полученного композита до необходимого поперечного сечения с проведением промежуточной термообработки, разрезку сформированного провода на отдельные элементы, и потом дальнейшее формирование композита требуемым числом раз путем размещения элементов в чехле из матричного материала, а при заключительной сборке в чехле из стабилизирующего материала, например, в медном чехле, отделяя его от остальной части заготовки барьером из Nb или Ta, деформирование стабилизированной заготовки до требуемого размера и осуществление диффузионной термообработки для образования соединения типа A-15 (см. статью T.Takeuchi e.a. Effects of additive elements on continious ultra-fine Nb₃Al manyfilaments syperconductors, IEEE Trans. Magn. Mag.-25, No2, 1989, pp. 2068-2075).

Однако полученный таким способом сверхпроводник обладает большими потерями (т. е. имеет высокое тепловыделение) при работе на переменном токе промышленной частоты и в быстроменяющихся магнитных полях. Одна из причин высоких потерь это наличие сплошного кольца из стабилизирующего материала, в пределах которого в процессе изменения величины магнитного поля наводятся вихревые токи Фуко, вызывающие значительные потери, которые пропорциональны объему несверхпроводящего материала. Кроме того, наличие диффузионного барьера из Nb приводит к магнитному экранированию внутренней части провода и является источником дополнительных потерь при перемагничивании.

Следовательно, использование указанного провода для создания сверхпроводящих магнитных систем, предназначенных для работы в переменных полях, нецелесообразно.

Известен также способ изготовления композитного стабилизированного сверхпроводника на основе соединения A-15, выбранный в качестве прототипа, включающий этап формирования заготовки, содержащей матричный материал и второй материал, имеющий форму волокон нормальной электропроводности, затем деформирование заготовки до необходимого размера и диффузионную термообработку проводника с образованием сверхпроводящих волокон диффузией одного материала из матрицы во второй материал. При этом волокна или прутки со вторым материалом окружены содержащими диффундирующий легкоплавкий компонент материалом и располагаются в средней части проводника, а в периферийной части размещено кольцо из стабилизирующих проводников или прутков, сделанных из материала с высокой электропроводностью, причем эти проводники или прутки по отдельности или группами окружены материалом диффузионного барьера, препятствующим диффузии легкоплавкого компонента, и высокорезистивным материалом (см. патент США N4055887, публикация 01.11.77).

Использование стабилизирующей оболочки, выполненной в виде отдельных фрагментов, окруженных диффузионным и высокорезистивным слоями улучшает работоспособность проводника на переменных режимах, т.к. вихревые токи замыкаются в пределах каждого из фрагментов, и, следовательно, соответственным подбором размеров таких областей можно добиться уменьшения потерь.

Однако существующий способ периферийной стабилизации не позволяет получить композитный материал с возможно более высокой стабильностью и эффективным теплоотводом от всех зон проводника, добиться чего весьма важно при таких жестких режимах работы, какими являются режимы быстроизменяющегося магнитного поля или переменного тока промышленной частоты. Существенно, что необходим хороший теплоотвод от внутренних областей проводника, где размещены сверхпроводящие волокна основной источник тепловыделения в композите.

Это обусловлено тем, что вихревые потери возникают как в периферийной части провода, наиболее близкой к хладагенту (гелию) и где сосредоточена по патенту-прототипу вся стабилизация проводника, так и во внутренней зоне проводника.

Кроме того, обычно диффузионный барьер изготавливают совместно со стабилизирующим фрагментом, применяя операции выдавливания и волочения. При этом материал барьера упрочняется, а проведение отжига для снятия напряжений перед размещением фрагментов в композите разупрочняет лишь стабилизирующую, более легкоплавкую основу фрагмента (как правило, это медь), и не позволяет полностью снять напряжения в более тугоплавкой компоненте диффузионном барьере, изготовленном из ниобия, тантала или ванадия. В результате затрудняется получение проводников малых диаметров, менее 0,5 мм, с обеспечением целостности барьеров, наблюдаются развитие неравномерности сечения барьера и его обрывы.

Задача улучшение стабилизации внутренних зон проводника за счет обеспечения более равномерного, по сравнению с прототипом, размещения стабилизирующего материала и обеспечить целостность диффузионных барьеров, в том числе в проводниках диаметром менее 0,5 мм, за счет улучшения деформируемости барьера.

Это достигается тем, что в известном способе изготовления композитного стабилизированного сверхпроводника на основе соединения A-15, который включает операции формирования заготовки, состоящей из чехла, выполненного из материала с нормальной электропроводностью, расположенных в центральной части чехла шестигранных многоволоконных прутков, в которых волокна из тугоплавкого металла сверхпроводящего соединения распределены определенным образом в матрице из материала, содержащего легкоплавкий компонент сверхпроводящего соединения, и прутков стабилизирующего материала с высокой электропроводностью в оболочке из материала, не взаимодействующего с легкоплавким компонентом сверхпроводящего соединения, которые расположены вдоль внутреннего периметра чехла, деформирования заготовки до конечного размера и диффузионной термообработки для образования сверхпроводящего соединения A-15, стабилизирующий материал в виде медных профилей окружают материалом диффузионного барьера на стадии формирования композитной заготовки, а сам материал диффузионного барьера подвергают перед сборкой рекристаллизационному отжигу по режиму (0,4 0,7) Т плавления в течение 1-2 часов. Стабилизирующий материал равномерно распределяют по сечению композитной заготовки и размещают в нескольких плоскостях, направленных радиально от центра к периферии композитной заготовки.

Совместное использование в предлагаемом способе упомянутых выше известных и отличительных признаков позволяет получить новый технический результат, заключающийся в улучшении стабилизации внутренних зон проводника, обеспечении целостности диффузионных барьеров, в том числе в проводниках диаметром менее 0,5 мм. Применение рекристаллизационного отжига диффузионных барьеров перед размещением их в композитной заготовке позволяет снизить твердость материала барьера примерно на 20-10% благодаря чему удается добиться отсутствия неравномерности сечения и разрывов барьеров. При этом улучшается деформируемость композита на заключительной стадии его изготовления, увеличивается выход годного, и, следовательно, повышается надежность и экономичность производства сверхпроводников малых диаметров (менее 0,5 мм) с тонкими и ультратонкими волокнами диаметром менее 0,5 мкм.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. На фиг.1 изображен композитный стабилизированный многоволоконный сверхпроводник, содержащий 10285 ниобиевых волокон в бронзовой Cu 13 мас. Sn матрице. Сверхпроводник получили по "бронзовой" технологии (см. например, "Металловедение и технология сверхпроводящих материалов" /Под ред. С. Фонера, Б. Шварца.-М. Металлургия, 1987. С. 165-173), проводя первоначально сборку биметаллической заготовки путем размещения ниобиевого стержня диаметром (d) 44 мм в матричном бронзовом чехле d наруж. 93,5 мм, d внутр. 44,6 мм.

Полученная заготовка затем подвергалась деформированию методами горячего прессования и холодного волочения с проведением промежуточных отжигов и профилированию на шестигранник с размером под ключ S 6,3 мм. После разрезки на мерные части при дальнейшей сборке шестигранные композитные ниобий - бронзовые прутки с размерами S 6,3 мм в количестве 121 шт. размещали в матричном бронзовом чехле d наруж. 93,5 мм, d внутр. 44,6 мм.

Затем проводили дальнейшее формирование композитного прутка, деформируя его методами горячего прессования и холодного волочения с проведением промежуточных отжигов и профилируя на шестигранник S 6,3 мм. После этого, разрезав пруток на мерные части, выполняли окончательную 10285-волоконную (121x85) сборку 1 путем размещения в матричном бронзовом чехле Cu 13 мас. Sn 2 с d наруж. 93,5 мм и d внутр. 44,6 мм 85 шестигранных ниобий-бронзовых прутков 3, шести стабилизирующих медных шестигранных профилей 4, заменяющих каждый по четыре шестигранных ниобий-бронзовых прутка 3 размером S 6,3 мм и шести медных шестигранных профилей 5, заменяющих соответственно два шестигранных ниобий-бронзовых прутка S 6,3 мм каждый, как показано на фиг.1.

Стабилизированные шестигранные медные профили изготовили с применением специально изготовленного инструмента. Медные профили 4 и 5 выдавили из контейнера диаметром 52 мм в фигурные матрицы. Для изготовления диффузионных барьеров, окружающих медные профили, чтобы предотвратить отравление стабилизирующей меди оловом в процессе диффузионной термообработки, была использована заготовка из тантала, которую превратили в листы толщиной 0,3 мм под внутренние диффузионные барьеры 6 и 7 и 0,5 мм под внешний барьер 8. Листы 6 толщиной 0,3 мм после обрезки до необходимого размера штамповали в фигурном штампе. Соответственно был изготовлен штамп и для получения барьера 7 для медного профиля 5. Перед размещением танталовых листов в композитной заготовке был проведен их рекристаллизационный отжиг при 1200^oС в течение 2 часов в вакууме, что позволило снизить твердость тантала по Виккерсу от (100-120)HV до (85-90)HV. Готовый проводник диаметром 0,5 мм подвергался окончательной диффузионной термообработке по режиму 650^oC 144 ч, в процессе которой сформировалось сверхпроводящее соединение типа A-15 - Nb₃Sn.

Пример 2. Исходный биметаллический композит и первая 121-волоконная составная заготовка формировались как в примере 1. Затем эту заготовку превратили в шестигранник размером под ключ S 6,3 мм. После этого, разрезав пруток на мерные части и взяв 97 шестигранных ниобий-бронзовых прутков 3, шесть стабилизирующих медных шестигранных профилей 4, заменяющих по четыре шестигранных ниобий-бронзовых прутка 3 размером S 6,3 мм каждый, выполнили окончательную 11737-волоконную (121x97) сборку 1 путем размещения медных профилей в определенном порядке в пределах композита, как показано на фиг.2. Стабилизированные шестигранные медные профили изготовили с применением специально изготовленного инструмента. Медные профили 4 выдавили из контейнера диаметром 52 мм в фигурную матрицу. Для изготовления диффузионного барьера, окружающего медные профили, была использована заготовка из ниобия, которую превратили в листы толщиной 0,3 мм под внутренние диффузионные барьеры 6 и 0,5 мм под внешний барьер 8. Листы толщиной 0,3 мм после обрезки до необходимого размера штамповали в фигурном штампе. Перед размещением ниобиевых листов в композитной заготовке был проведен их рекристаллизационный отжиг при 1200^oС в течение 1 часа в вакууме, что позволило снизить твердость ниобия по Виккерсу с (85- 100)HV до (60-75)HV. Готовый проводник d пр. 0,5 мм подвергался окончательной диффузионной термообработке по режиму 650^oC 144 ч, в процессе которой сформировалось сверхпроводящее соединение типа A-15 Nb₃Sn.

Пример 3. Исходный биметаллический композит и первая 121-волоконная составная заготовка формировались как в примере 1. Затем эту заготовку превратили в шестигранник размером под ключ S 6,3 мм. После этого, разрезав пруток на мерные части и взяв 91 шестигранный ниобий-бронзовый пруток 3, тридцать стабилизирующих шестигранных профилей 9, заменяющих тридцать шестигранных ниобий-бронзовых прутков 3 размером S 6,3 мм, выполнили окончательную 11737-волоконную (121x97) сборку 1 путем размещения медных профилей в определенном порядке в пределах композита, как показано на фиг.3. Стабилизированные шестигранные профили размером под ключ S 6,3 мм изготовили из композитной медно-танталовой (Cu-Ta-Cu) сборки путем горячего прессования и волочения по принятой технологии. Перед размещением Cu-Ta-Cu профилей 10 в пределах композитной заготовки был проведен их рекристаллизационный отжиг при 900^oС в течение 2 часов в вакууме, что позволило снизить твердость тантала по Виккерсу с (120-140)HV до (90-100)HV. Готовый проводник d пр. 0,5 мм подвергался окончательной диффузионной термообработке по режиму 650^oC 144 ч, в процессе которой сформировалось сверхпроводящее соединение типа A-15 Nb₃Sn. ЫЫЫ2

Использование: изобретение относится к области электротехники и может быть применено в устройствах, предназначенных для работы на переменном токе и в быстроменяющихся магнитных полях. Сущность изобретения: способ позволяет улучшить стабилизацию внутренних зон проводника, обеспечить целостность диффузионных барьеров, в том числе в проводниках диаметром менее 0,5 мм. При этом улучшается деформируемость композита на заключительной стадии его изготовления, увеличивается выход годного и, следовательно, повышается надежность и экономичность производства сверхпроводников малых (менее 0,5 мм) диаметров с тонкими и ультратонкими волокнами. Улучшение стабилизации сверхпроводника достигается за счет равномерного размещения стабилизирующего материала по сечению заготовки или за счет размещения его в нескольких плоскостях, направленных радиально от центра к периферии композитной заготовки. Целостность диффузионных барьеров обеспечивается предварительным, перед размещением их в композитной заготовке, рекристаллизационным отжигом, что позволяет снизить твердость материала барьера примерно на 20 - 40%. 3 ил.

1. Способ изготовления композитного стабилизированного сверхпроводника на основе соединения А-15, включающий формирование композитной заготовки, состоящей из чехла, выполненного из материала с нормальной злектропроводностью, расположенных в центральной части чехла шестигранных многоволоконных прутков, в которых волокна из тугоплавкого металла сверхпроводящего соединения распределены определенным образом в матрице из материала, содержащего легкоплавкий компонент сверхпроводящего соединения, и стабилизирующих элементов, выполненных из материала с высокой электропроводностью, поверх которых расположен диффузионный барьер из материала, не взаимодействующего с легкоплавким компонентом сверхпроводящего соединения, деформирование заготовки до конечного размера и диффузионной термообработки для образования сверхпроводящего соединения А-15, отличающийся тем, что указанные стабилизирующие элементы выполняют в виде медных профилей, а диффузионные барьеры в виде листовых профилей, которые накладывают на стабилизирующие элементы на стадии формирования композитной заготовки, при этом стабилизирующие элементы равномерно распределяют по сечению композитной заготовки, а диффузионные барьеры до наложения их на стабилизирующие элементы подвергают рекристаллизационному отжигу по режиму (0,4 0,7) Т_пл в течение 1 2 ч. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стабилизирующие элементы располагают в нескольких плоскостях, направленных радиально от центра к периферии композитной заготовки.