СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОЖИЛЬНОГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ПРОВОДА НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЯ NB*003SN Российский патент 1997 года по МПК H01B12/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам получения сверхпроводящих проводов на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn, и может быть использовано для изготовления токонесущих элементов сверхпроводящих магнитных систем различного назначения.

Известен способ получения сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn путем сборки ниобиевого стержня в чехол из матричного материала, в качестве которого берут деформируемый бронзовый сплав меди с оловом, деформации полученного композита до необходимого поперечного размера с проведением промежуточных термообработок, разрезки полученного композитного прутка на отдельные элементы, дальнейшего формирования композита требуемое число раз путем размещения в чехле из бронзового матричного материала композитных элементов и деформации композита с проведением промежуточных термообработок, осуществления окончательной термообработки провода для образования соединения Nb₃Sn (см. ТИ 10.13.82 на провод марки МКНО-14641).

Однако в настоящее время в процессе серийного изготовления отмечаются случаи брака сверхпроводника из-за нарушения сцепления матричного материала 1, содержащего ниобиевые стержни 2, с чехлом 3, сопровождающиеся отслоем оболочки (чехла) от матричной части провода (фиг. 1). Для того, чтобы продолжить изготовление проводника, необходимо удалять места отслоя. При этом снижается выход годного и уменьшается единичная длина готового провода.

Для современных магнитных систем все чаще требуются обмоточные провода с единичной длиной провода более 1000 м, что вызывает необходимость получать с каждой композитной заготовки провод без обрывов и потерь материала, за исключением потерь, предусмотренных технологией. (См. ТИ 10.13.82).

Известен также способ получения сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn, близкий по технической сущности к заявленному решению и взятый в качестве прототипа: провод марки МКНОС-14641, выпускаемый по технологической инструкции ТИ 10.13.82. Это способ, заключающийся в сборке ниобиевого стержня в чехол из матричного материала, в качестве которого берут деформируемый бронзовый сплав меди с оловом, деформировании полученного ниобий-бронзового композита до необходимого поперечного размера с проведением промежуточных термообработок, разрезки сформированного прутка на отдельные элементы, и потом дальнейшее формирование композитного провода путем размещения композитных ниобий-бронзовых элементов в бронзовом чехле, а при формировании конечной заготовки в чехле из стабилизирующего материала, в качестве которого обычно выбирают медь, отделяя ее от матричного материала барьером из ниобия, тантала или других аналогичных материалов, деформирования заготовки с проведением промежуточных отжигов и осуществления окончательной термообработки для образования соединения Nb₃Sn. Этим способом получают большое количество длинномерных (до 1000 м) стабилизированных сверхпроводящих проводов марок МКНОС-14641 и МКНОС-44521, содержащих, соответственно, 14641 и 44521 ниобиевую жилу в бронзовой матрице.

Однако указанный способ не позволяет уменьшить дефекты и обрывность провода, вызванные плохим сцеплением матричного материала, в качестве которого используется бронза Сu 13 мас. олова с бронзовым же чехлом, что имеет место при изготовлении промежуточных 121- и 211-жильных прутков, из которых собирают заготовки для получения проводов, соответственно МКНОС-14641 и МКНОС-44521.

Брак объясняется тем, что диффузионное взаимодействие между чехлом и матричным материалом не обеспечивает сохранения надежного их сцепления в процессе всех используемых технологических переделов.

Целью изобретения является улучшение сцепления чехла с матричным материалом, содержащим ниобиевые жилы, увеличение выхода годного и единичной длины провода.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления композитного многожильного сверхпроводника на основе соединения Nb₃Sn, который включает операции сборки композита, его деформирования с проведением промежуточных термообработок, разрезки сформированного прутка на отдельные элементы, затем дальнейшее формирование композита требуемое число раз и осуществление окончательной термообработки с целью образования соединения Nb₃Sn, между матричным материалом, содержащим ниобиевые жилы, и бронзовым чехлом помещают барьер, который изготавливают из легко деформирующегося при механической обработки материала, не образующего препятствующих деформационному переделу соединений с материалом матрицы и чехла. При этом используют материал, для которого коэффициент диффузии олова из чехла и матричного материала в материал барьера в процессе всех применяемых при изготовлении проводника температурных воздействий больше, чем коэффициент взаимной диффузии олова между чехлом и матричным материалом. Барьер выполняют в виде по крайней мере одной свернутой в трубу пластины и размещают в кольцевой полости, которую предусматривают между чехлом и матричным материалом.

Другое отличие состоит в том, что барьер изготавливают с разрывами сплошности, равномерно перфорированным, например отверстиями, или сетчатым.

Существенное отличие от прототипа заключается в том, что в результате предполагаемой операции введения барьера образуются зоны диффузионной сварки между чехлом и матричным материалом, проходящие по объему барьера и по всей длине композита. Указанное отличие обусловлено диффузионным взаимодействием между компонентам барьера, чехла и матричного материала, которое протекает достаточно эффективно при тепловых воздействиях во время выдавливания и промежуточных термообработок, необходимых для снятия напряжений, возникающих при деформации.

В качестве материала барьера, удовлетворяющего всем предъявленным требованиям, можно использовать ряд металлов и сплавов: медь, латунь, железо. Однако нет веских доказательств того, что есть металлы или сплавы, которые были бы лучше, чем медь, пригодны для этой цели.

Важно также то, что в результате технологических переделов на конечном размере провода медный барьер полностью сольется с чехлом и матрицей, будучи насыщен диффундирующим из них в медь оловом, что обеспечит быструю доставку олова в процессе окончательной диффузионной термообработки из периферийных областей проводника (т.е. чехла) во внутренние (т.е. в матрицу), где размещены ниобиевые жилы.

При расчете диффузионного проникновения олова из бронзовых Cu-13 мас. олова чехла и матричного материала в медный барьер до концентрации олова в барьере, равной среднему арифметическому значению между начальной и конечной концентрациями олова в чехле и матрице можно применять соотношение

где X расстояние от исходной границы между чехлом (или матричным материалом) и медным барьером, принимаемое равным половине достаточной толщины медного барьера;
τ суммарная длительность равнозначных температурных воздействий;
D коэффициент диффузии олова из бронзы Cu 13 мас. Sn в медь; (см. книгу Л. С. Даркен и Р. В. Гурри "Физическая химия металлов". М. "Металлургия, 1960).

Подставляя в формулу значения D_Sn-Cu 6,5• 10^-12см²/с для температуры выдавливания 600-650^oC и D_Sn-Cu 1,5•120^-12 см²/с для температуры промежуточной термообработки 500-550^oC и суммарное значение t₁ = 3600 с для операции выдавливания, τ₂ = 36000 с для промежуточных термообработок, получаем, что при переделе исходной заготовки диаметром d_наружн 93,5 мм в провод d_пр 3 мм достаточно заложить в заготовку медный барьер толщиной 20 мкм. (Встречаются сборки, в которых с целью экономии более дорогостоящей бронзы Cu 13 мас. Sn чехол выполняют из бронзы Cu (7-10) мас. Sn. При этом в вышеприведенных расчетах надо использовать другое численное значение коэффициента диффузии D_Sn-Cu, однако порядок всех параметров при этом не изменится).

Исходя из практики сборки композитных заготовок, можно сказать, что технологичнее изготовлять и устанавливать в заготовке барьер большей, чем указанная толщина.

В тех случаях, когда резервы олова в проводе ограничены или отсутствуют (как правило, это все стабилизированные проводники) целесообразно ради ускорения доставки олова к ниобиевым жилам использовать перфорированный медный барьер в виде сетки или пластины с отверстиями. При таком подходе необходимо предварительно обрабатывать медные заготовки. Однако в результате ускорения доставки олова из чехла через перфорированный барьер во внутренние области проводника (этот параметр контролируется режимом диффузионной термообработки сверхпроводника) удается сформировать наиболее благоприятную для конкретного рабочего диапазона магнитных полей по морфологии и приближенности к стехиометрическому составу зеренную структуру сверхпроводящего соединения Nb₃Sn, т.е. обеспечить максимальную токонесущую способность используемого сверхпроводника.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от прототипа и таким образом соответствует критерию изобретения "новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, т. е. заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Композитный нестабилизированный многожильный сверхпроводник 1, содержащий 14641 жилу 2 в бронзовой Cu 13мас. Sn матрице 3 получали по "бронзовой" технологии, проводя первоначально сборку ниобиевого стержня d_исх. 44^-0,1 мм, в матричном бронзовом чехле d_наруж. 93,5^-0,3 мм, и d_внутр. 44,6^+0,2 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 штук размещали в матричном бронзовом чехле с наружным диаметром 93,5^-0,3 мм, внутренним диаметром 44,6^+0,2 мм, а в образующуюся между чехлом и матричным материалом (представленным 121-им композитным прутком) кольцевую полость помещали барьерный элемент 4, выполненный в виде свернутой в трубу внахлест пластины из меди. Исходя из минимального расчетного значения толщины медной пластины (см. выше, 20 мкм) и технологичности сборки исходную толщину барьера выбрали равной 0,3 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-5. После чего, разрезав пруток на мерные части, выполняли окончательную 14641-жильную (121 х 121) сборку 1 так же, как и при формировании 121-жильной заготовки (фиг. 2): 6 чехол. Готовый проводник d_пр 1,0 мм подвергался окончательной термообработке по режиму 700^oC 72 ч.

Пример 2. Композитный стабилизированный многожильный сверхпроводник, содержащий 14641 жилу в бронзовой Cu 13 мас. Sn матрице получали по бронзовой технологии, как описано в примере 1, но за тем исключением, что в кольцевую полость между чехлом и матричным материалом, содержащим 121 ниобиевую жилу помещали барьерный элемент, представляющий собой свернутую в трубу внахлест пластину из меди толщиной 0,3 мм, в которой было проделано 105 отверстий диаметром 5 мм с расстоянием между ними и между рядами отверстий десять мм (указанные значения выбраны экспериментально). Кроме того, проводя окончательную сборку, медный барьер не устанавливали, т.к. между матричным материалом, содержащим 14641 жилу и чехлом, выполненным из меди, взятой в качестве стабилизатора, размещали барьер из ниобия для предотвращения отравления стабилизирующей меди оловом в процессе диффузионной термообработки.

Использование предлагаемого способа получения многожильного сверхпроводящего провода позволяет полностью устранить брак продукции, вызываемый плохим сцеплением бронзового матричного материала и бронзового чехла. Тем самым достигается увеличение выхода годного, повышается единичная длина готового провода.

Для получения сравнительных данных по сцеплению оболочки (чехла) композитного ниобий-бронзового прутка с матричным материалом, содержащим 121 или 14641 ниобиевую жилу проводились лабораторные испытания на срез с использованием гидравлического пресса усилием 10 т двух серий образцов диаметром d_обр. 22 мм и длиной 40 мм. В одной из серий во всех образцах был размещен медный сплошной барьер между матричным материалом и бронзовой оболочкой (чехлом). Каждая серия состояла из трех образцов, содержащих 121 жилу в бронзовой матрице, и трех образцов, содержащих 14641 жилу. Для проведения испытаний в верхней части всех образцов делали проточку диаметром 0,9•d₀ мм, где d₀ диаметр зоны прутка, занимаемой жилами, глубиной 1,5 мм, а снизу стачивали оболочку на высоту 2 мм. За величину среза принимали усилие, показываемое в момент начала продавливания зоны прутка, занимаемой жилами. Для всех образцов, содержащих медный барьер, усилие выдавливания на 15 20% выше, чем для образцов без барьера. Таким образом показано, что в образцах с медным барьером сцепление матричного материала, содержащего ниобиевые жилы с оболочкой (чехлом) лучше по сравнению с образцами без такого барьера.

Использование: для изготовления токонесущих элементов сверхпроводящих магнитных систем. Сущность изобретения: сверхпроводящий провод получают путем размещения ниобиевого стержня в чехле из матричного материала - сплава меди с оловом, деформируют заготовку с проведением промежуточных термообработок, разрезают сформированный пруток и производят дальнейшее формирование композита требуемое число раз. При этом в кольцевой полости между бронзовым матричным материалом и бронзовым чехлом размещают барьер из меди, выполненный в виде, по крайней мере, одной свернутой в трубу пластины. Изобретение позволяет увеличить выход годного и единичную длину провода, а также повысить его качество. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения Nb₃Sn, при котором формируют композит путем размещения ниобиевого стержня в чехле из матричного материала, представляющего собой сплав меди с оловом, деформируют полученную заготовку до необходимого поперечного размера с проведением промежуточных термообработок, разрезают сформированный пруток на отдельные элементы и производят дальнейшее формирование композита требуемое число раз путем размещения композитных ниобий-бронзовых элементов в чехле из матричного материала, деформируют заготовки с проведением промежуточных отжигов до необходимого размера и осуществляют окончательную термообработку до образования соединения Nb₃Sn, отличающийся тем, что, с целью улучшения сцепления чехла с матричным материалом, содержащим ниобиевые жилы, увеличения выхода годного и единичной длины провода, в кольцевой полости между бронзовым матричным материалом и бронзовым чехлом размещают барьер из меди, выполненный в виде по крайней мере одной свернутой в трубу пластины. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что барьер выполняют с равномерно перфорированными отверстиями.