СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКА НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЯ А-15 Российский патент 1997 года по МПК H01B12/00 

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

Известен способ получения композитного сверхпроводника на основе интерметаллического соединения A-15, например, Nb₃Sn, включающий деформацию до необходимого поперечного сечения с проведением промежуточных отжигов заготовки, содержащей деформируемую бронзовую медно-оловянную матрицу и ниобий; дальнейший диффузионный отжиг полученного провода, в результате которого образуется композитный сверхпроводник, представляющий собой систему сверхпроводящих волокон на основе Nb₃Sn в бронзовой матрице (см. патент Великобритании N 1280583, H1K, H01V 11/00 05.07.72).

Однако полученные таким образом сверхпроводники обладают исходным небольшим значением поперечного удельного электросопротивления, которое уменьшается в процессе диффузионной термообработки из-за обеднения по олову бронзовой матрицы, вследствие образования на ниобиевых волокнах соединения Nb₃Sn. Поэтому использование указанных композитов для создания сверхпроводящих магнитных систем, предназначенных для работы в переменных полях неэффективно, так как в матрице с низким сопротивлением в поперечном к оси провода направлении переменное магнитное поле будет наводить поперечные вихревые токи, протекающие по сверхпроводящей фазе и замыкающиеся через матрицу, обеспечивая таким образом электрическую связь между сверхпроводящими волокнами, являющуюся источником потерь. Кроме того, в пределах материала матрицы будут наводиться вихревые токи Фуко, которые приведут к дополнительным потерям.

Известен также способ получения композитного сверхпроводника с легированным материалом матрицы на основе соединения A-15, например Nb₃Sn, включающий формирование композита, содержащего ниобий в легированной цинком деформируемой бронзовой медно-оловянной матрице, причем легирующий элемент вводится в состав шихты, из которой получают бронзовый сплав; затем деформирование композита до необходимого поперечного сечения с проведением промежуточных отжигов; осуществление окончательной термообработки с целью образования интерметаллического соединения Nb₃Sn в процессе диффузионного взаимодействия между ниобием и матричным материалом (см. статью Wada H, Kimura M. Tachikawa K. Superconducting Properties of the Composit-processed Nb₃Sn Superconductor with the Cu-Sn-Zn Matrix J. Mater. Sci. 1978, v. 13, p.p. 1943-1950 "прототип").

Введение легирующих добавок в медно-оловянную шихту способствует в конечном счете ускорению образования слоев интерметаллида Nb₃Sn, увеличивает критические характеристики, улучшает эксплуатационные свойства композитных сверхпроводников.

Однако существующий способ легирования не позволяет получить композитный материал с возможно более высоким значением удельного электросопротивления при сохранении высоких сверхпроводящих свойств и экономичности изготовления проводников. Это обусловлено тем, что легирующие добавки, которые могут существенно повысить значение удельного электросопротивления матрицы, имеют ограниченную растворимость в бронзе в твердом состоянии, и приводят к ограниченной деформируемости композита из-за наличия выделений вторых фаз с повышенной твердостью и низкой пластичностью. При этом затрудняется обработка композита методами горячего прессования и холодной прокатки или волочения, требуются большие затраты энергии и времени на проведение промежуточных отжигов, необходимых для снятия возникающего при деформации композита наклепа; наблюдается значительная обрывность провода и соответственно низкий выход годного.

Целью изобретения является повышение удельного электросопротивления материала матрицы с уменьшением при этом кооперативных потерь при работе на переменном токе и в быстроменяющихся магнитных полях в композитном сверхпроводнике на основе соединения A-15, а также упрощение изготовления проводника.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления композитного сверхпроводника на основе соединения A-15, например Nb₃Sn, с легированным материалом матрицы, который включает операции формирования композита посредством размещения ниобия в легированной бронзовой медно-оловянной матрице, деформирования композита до необходимого поперечного сечения с проведением промежуточных отжигов, диффузионной термообработки полученного продукта для образования соединения Nb₃Sn, легирующую добавку, которую выполняют в виде прутков цилиндрической, шестигранной или другой формы, равномерно распределяют по объему составной заготовки при ее сборке. Легирующую добавку выбирают из материалов с удельным электросопротивлением при 20^oC не ниже 8•10^-8 Ом•м и имеющих коэффициент диффузии в материал матрицы не ниже 10^-13 см²/сек при температуре 600 800^oC, например, из таких, как никель, железо. За счет диффузии легирующего элемента из прутков в материал матрицы, например в бронзу, медь 13 мас. олова, объем бронзы насыщается частично растворимой в ней легирующей добавкой, а образующиеся при этом выделения вторых фаз (например интерметаллическое непластичное соединение (Cu_1-yNi_y)₂Sn с переменным содержанием Ni и Cu в зависимости от расстояния до границы Ni (бронза чем ближе, тем больше никеля) не являются помехой, так как деформационный предел проводника завершен ранее на предшествующих диффузионной термообработке этапах.

Существенным отличием от прототипа является исключение операции легирования шихты, что позволяет максимально до предела растворимости повысить содержание олова в бронзе (13,5 мас. или 7,7 ат. Sn для бронзы Cu-Sn), в результате чего увеличивается токонесущая способность полученного сверхпроводника, упрощается изготовление бронзового слитка.

Важно также то, что деформации до необходимого поперечного сечения подвергается композит, матричная компонента которого не содержит растворенного в ней легирующего элемента, что позволяет уменьшить число промежуточных отжигов за весь период деформирования композита, ибо повышен ресурс пластичности бронзы и композита в целом; кроме того, легирующие вставки, например из никеля, железа, имеют хорошую деформируемость.

Устранение непосредственного контакта легирующей вставки с бронзовой матрицей, достигаемое за счет введения вокруг вставки защитного медного барьера, сводит к минимуму диффузионное взаимодействие легирующего материала с материалом бронзовой матрицы, которое может произойти в процессе нагрева композитной заготовки под прессование или во время промежуточных термообработок.

На фиг. 1 и фиг. 2 изображены поперечные сечения проводов с Ni легирующими вставками, отличающиеся друг от друга геометрией размещения вставок по сечению провода. (Nb волокна не показаны).

Пример 1.

Для получения композитного сверхпроводника на основе Nb₃Sn с матрицей, легированной никелем, проводилась первоначальная сборка биметалла: ниобиевый пруток размещался в бронзовом Cu-13 мас. Sn чехле цилиндрической формы, и затем сборка подвергалась деформированию методами горячего прессования и холодного волочения с проведением промежуточных отжигов и профилированию на шестигранник с размером под ключ 6,3 мм. В дальнейшем при сборке 121-волоконной заготовки шестигранные композитные ниобий-бронзовые прутки с размером под ключ S 6,3 мм в количестве 108 шт снова размещались в бронзовом Cu 13 мас. Sn чехле, а 13 никелевых прутков размером S 6,3 мм равномерно распределялись между ниобий-бронзовыми шестигранниками (фиг. 1). Затем проводилось деформирование композитной заготовки методами горячего прессования и холодного волочения с применением промежуточных термообработок так же, как и в случае с биметаллической заготовкой.

Полученный шестигранник (1) размером S 6,3 мм содержал 108 ниобиевых и 13 никелевых волокон в бронзовой матрице. Из 121 такого шестигранника собрали третью по счету сборку опять в Cu 13 мас. Sn бронзовом чехле и указанном выше способом превратили в провод диаметром 0,5 мм, содержащий 13068 ниобиевых [2] и 1573 никелевых волокон [3] в бронзовой матрице [4] Готовый провод подвергается термообработке при температуре 720^oC в течение 72 ч, в процессе которой произошла диффузия никеля в бронзовую матрицу, а олова из матрицы в ниобиевые волокна. В результате этого процесса сформировалось соединение Nb₃Sn, а также интерметаллид, содержащий никель, медь, олово.

Пример 2.

Исходный биметаллический композит формировался как в примере 1. Затем проводилась сборка 121-волоконной составной заготовки, которая содержала 121 ниобиево-бронзовую композитную вставку, спрофилированную на шестигранник с размером под ключ S 6,3 мм и бронзовый Cu 13 мас. Sn чехол. Эту заготовку, как ранее и биметаллическую, превратили в шестигранник размером под ключ S 6,3 мм (1).

Взяв 108 таких шестигранников, а также 13 композитных медно-никелевых шестигранников размером под ключ S 6,3 мм, их разместили в бронзовом Cu-13 мас. Sn чехле, и полученную сборку описанным ранее способом превратили в провод диаметром 0,5 мм, содержащий 13068 ниобиевых (2) волокон и 13 медно-никелевых вставок (3) ((4) медный защитный барьер) в бронзовой матрице (5). Термообработка проводника осуществлялась по режиму 750^oC 48 ч.

Использование предлагаемого способа легирования материала матрицы сверхпроводника на основе соединения A-15 обеспечивает по сравнению с существующим способом (прототипом) следующие преимущества:
а) возможность повышения удельного электросопротивления материала матрицы при сохранении высоких сверхпроводящих свойств проводника, что особенно важно для уменьшения кооперативных потерь при работе сверхпроводника на переменном токе и в быстроменяющихся магнитных полях;
б) улучшение деформируемости композита на всех стадиях изготовления проводника, а также упрощение изготовления проводника, так как исключается легирование матричной шихты;
в) уменьшение количества промежуточных отжигов для снятия наклепа с бронзы, ибо из-за того, что материал матрицы композита на всех стадиях изготовления провода не содержит легирующей добавки ресурс пластичности бронзы повышен; по этой же причине уменьшается обрывность провода, и соответственно увеличивается выход годного.

Использование: в устройствах, предназначенных для работы на переменном токе и в быстроизменяющихся магнитных полях. Сущность изобретения: сверхпроводник на основе соединения A-15 с легированной матрицей получают путем формирования композита, его деформирования с проведением промежуточных отжигов и окончательной термообработки для образования интерметаллидов. При этом легирующую добавку выбирают из материалов с удельным электросопротивлением не ниже 8k10^-8 Ом•м при t = +20^oC в виде прутков, равномерно распределенных по объему композита при его сборке. Изобретение позволяет упростить и удешевить процесс получения сверхпроводника и повысить удельное сопротивление материала матрицы. 13. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения сверхпроводника на основе соединения А-15 с легированной матрицей, включающий формирование композита, деформирование его до заданного поперечного сечения с проведением промежуточных отжигов и окончательную термообработку для образования интерметаллидов типа А-15, отличающийся тем, что, с целью повышения удельного электросопротивления материала матрицы, а также упрощения и удешевления изготовления, легирующую добавку матрицы выбирают из материалов с удельным электросопротивлением не ниже 8 • 10^- 8 Ом•м при +20^oС, в соотношении, определяемом объемом прутков из материала добавки, равномерно распределенных по сечению композита, число которых определяется коэффициентом диффузии материала легирующей добавки и матричной бронзы при параметрах окончательной термообработки. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью ограничения диффузионного взаимодействия материала легирующей добавки с материалом матрицы до этапа окончательной термообработки, пруток из легирующего материала окружают барьером из меди.