СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО МНОГОВОЛОКОННОГО ЛЕГИРОВАННОГО ПРОВОДА НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКОГО 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 проводников, работоспособных в переменных магнитных полях и обладающих малыми потерями мощности при работе на переменном токе.

Известен способ получения композитного многоволоконного легированного сверхпроводника на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn, включающий деформацию до необходимого поперечного сечения с проведением промежуточных отжигов заготовки, содержащей деформируемую бронзовую медно-оловянную матрицу и ниобий, причем ниобий легирован 1 8 мас. гафния, затем проведение диффузионного отжига полученного провода, в результате чего образуется композитный сверхпроводник, представляющий собой систему сверхпроводящих волокон Nb₃Sn, содержащих гафний в бронзовой матрице (см. статью Takenchi T. e.a. Effecte of the IVa Element Addition on the Composite-processed Nb₃Sn-Cryogenics, 81, 10 p. 585-590;статью Sekine H. e.a. Improvements of Current-carrying Capacities of the Composite-processed Nb₃Sn in High MaguFields,-Appl Phus Lett, 79, 35, 6, p. 471-473).

Известно, что легирование ниобиевых волокон гафнием способствует двух-трехкратному возрастанию скорости роста сверхпроводящей фазы в проводниках. Присутствие гания в слоях интерметаллида увеличивает их критическую температуру Т_к и верхнее критическое магнитное поле Hk₂, при этом в высоких магнитных полях (> 14 T критическая плотность тока J_k в образцах, легированных гафнием, в 1,5 2 раза больше, чем у нелегированных образцов (см. обзор А.К. Шикова, А. Е. Воробьевой и А.Д. Никулина "Многожильные сверхпроводники на основе Nb₃Sn", М. 1986, с.45). Показано также, что при определенных условиях: достаточном массовом содержании гафния в волокнах (больше 1 мас. Hf), оптимальной диффузионной термообработке проводника, оптимальных размерах ниобиевых волокон и межволоконного пространства, в процессе диффузионного отжига на границе раздела волокон с матрицей формируются кроме слоев соединения Nb₃Sn слои интерметаллида Nb-Sn-Hf. Содержание ниобия, олова и гафния в них переменного по величине и изменяется в зависимости от расстояния до фазы Nb₃Sn, которую они окружают, и до бронзовой матрицы, с которой непосредственно граничат. Такие несверхпроводящие слои обладают более высоким по сравнению с матрицей поперечным удельным электросопротивлением, и потому наличие их положительно сказывается на улучшении работы сверхпроводника в быстроменяющихся магнитных полях и на переменном токе. Объясняется это тем, что токи, появляющиеся при взаимодействии внешнего магнитного поля с материалом матрицы, протекают по сверхпроводящим волокнам и замыкаются через несверхпроводящую бронзовую матрицу, обеспечивая тем самым электрическую связь между волокнами, являющуюся источником потерь (тепловыделения). Эти потери, в частности, тем меньше, чем больше удельное поперечное электросопротивление матрицы (см. книгу под редакцией С.Фомера и Б.Шварца "Металловедение и технология сверхпроводящих материалов". М. 1987, с. 65, 93).

Однако, так как растворимость гафния в ниобии при невысоких температурах (до 500^oC) ограничена (см. "Диаграммы состояния металлических систем", под. ред. Н.В. Агеева, выпуски X, с. 36-38, XIX, с.66), то значительное (больше 1 мас.) содержание гафния в ниобии приводит к снижению пластичности материала жил, значительному деформационному упрочнению ниобия, и, как следствие, к обрывности волокон и провода в целом и, следовательно, к снижению выхода годного.

Известно также техническое решение, представляющее собой способ получения композитного сверхпроводника на основе соединения Nb₃Sn с одновременным легированием материалов матрицы и волокон, близкое по технической сущности к заявленному решению и взятое в качестве прототипа (см. статью Sekine H. e.a. Studies on the Composite-processed Nb-Hf/Cu-Sn-Ga High Field Supercondicto IEEE Trans. Magn, MOG-17; N 1, 1981, p. 383-386). Это способ, включающий операции формирования композита, содержащего легированный 1 5 мас. гафния ниобий в легированной 0,1 10 мас. галия бронзовой медно-оловянной матрице, затем деформирования его до необходимого поперечного сечения с проведением промежуточной термообработки, осуществление окончательной термообработки с целью образования интерметаллического соединения Nb₃Sn, содержащего гафний и галий, в процессе диффузионного взаимодействия между ниобием и матричным материалом.

Одновременное легирование материалов матрицы галием и волокон гафнием приводит к резкому возрастанию токонесущей способности в высоких магнитных полях 14 18 Т_л за счет увеличения Т_к образующейся фазы Nb₃Sn на 0,6 0,9К и Нк₂ на 6 7 Т_л, вследствие присутствия легирующих элементов в сверхпроводящем соединении (см. обзор А.К. Шикова, А.Е. Воробьевой, А.Д. Никулина "Многожильные сверхпроводники на основе Nb₃Sn", М. 1986, с. 56).

Однако существующий способ легирования не позволяет получить композитный материал с высоким значением удельного электросопротивления зоны между волокнами, что можно реализовать при образовании на границе раздела Nb₃Sn бронзовая матрица, кроме соединения Nb₃Sn высокорезистивного интерметаллидного слоя, обогащенного легирующими элементами. Это связано с тем, что наличие галия в матричном материале затрудняет процесс образования интерметаллида Nb-Sn-Hf вокруг Nb₃Sn. Формирование высокорезистивного слоя возможно при увеличении содержания гафния в ниобии до 5 мас. и выше. Однако это не целесообразно, так как приведет к ограниченной деформируемости композита из-за повышенной твердости и низкой пластичности ниобия, легированного гафнием в количестве, большем 4 мас. При этом затрудняется обработка композита методами горячего прессования и холодной прокатки или волочения, наблюдается значительная обрывность провода и, соответственно, низкий выход годного.

Целью изобретения является увеличения удельного электросопротивления границы раздела волокон и матричного материала за счет образования на ней в процессе диффузионного взаимодействия наряду с соединением Nb₃Sn, по крайней мере, еще одного интерметаллидного соединения, расположенного между вновь образованной фазой Nb₃Sn и матричным материалом, а также повышение работоспособности сверхпроводящего провода в переменных магнитных полях и на переменном токе, увеличение выхода годного провода.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления композитного многоволоконного легированного сверхпроводника на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn, при котором формируют композит посредством размещения волокон из легированного ниобия в чехле из легированного бронзового медно-оловянного материала, деформируют полученный композит до необходимого поперечного размера с проведением промежуточных термообработок, и осуществляют окончательную термообработку для образования в процессе диффузионного взаимодействия интерметаллического соединения Nb₃Sn, в качестве матричного материала используют сплав меди с оловом, содержащий 0,05 1 мас. Hf, и размещают в нем ниобиевые волокна, легированные 1 4 мас. гафния.

Одновременное легирование материалов матрицы и волокон гафнием приводит к увеличению критических характеристик (Т_к, H_k2, J_k) и улучшает эксплуатационные свойства сверхпроводника при его работе в переменных магнитных полях и на переменном токе за счет формирования высокорезистивных слоев на границе раздела Nb₃Sn и матрицы и, следовательно, снижения потерь от электромагнитной связи Nb₃Sn волокон.

Существенным отличием от прототипа является наличие одной и той же легирующей добавки гафния, как в материале волокон, так и в матричном материале. Поэтому не затрудняется образование высокорезистивной области, содержащей гафний в составе интерметаллидного соединения, как, например, это имеет место при одновременном легировании ниобия гафнием, а матрицы галлием.

Важно также то, что за счет легирования гафнием матрицы можно уменьшить его содержание в ниобии. При этом деформации до необходимого поперечного сечения проводника подвергается композит, ниобиевая компонента которого содержит небольшое (до 4 мас.) количество легирующей добавки, поэтому улучшается обрабатываемость композита, увеличивается выход годного и, следовательно, повышается экономичность изготовления проводника.

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".

На фиг. 1 изображен общий вид многоволоконного сверхпроводника.

Фиг.2 содержит условный вид одного ниобиевого волокна после диффузионной термообработки, включающий три коаксиальные области: центральную - непрореагировавший ниобий, среднюю-фаза Nb₃Sn, крайнюю фаза Nb-Sn-Hf и им соответствующую картину взаимного распределения ниобия, олова, гафния в пределах каждой из областей, полученную по данным микрорентгеноспектрального анализа.

Пример
Композитный многоволоконный сверхпроводник 1, содержащий 1464 волокон 2 в матрице 3 получали по бронзовой технологии. Первоначально проводилась сборка биметаллической заготовки путем размещения ниобиевого стержня диаметром d 44^-0,1 мм, металлургически легированного 2 мас. гафния в матричном бронзовом (Cu 13 мас. Sn 0,1 мас.) Hf чехле (бронза так же металлургически легирована гафнием добавка вводилась в состав шихты на этапе изготовления бронзового слитка). Внешний диаметр чехла d 93,5^-0,3 мм, внутренний диаметр d 44,6^+0,2 мм. Полученная заготовка затем подвергалась деформированию методами горячего прессования и холодного волочения с проведением промежуточных отжигов и профилирования на шестигранник с размером под ключ S 6,3 мм. После разрезки на мерные части при дальнейшей сборке шестигранные композитныеNb-Hf} -{ Cu-Sn-Hf} прутки с размером под ключ S 6,3 в количестве 121 штуки размещали в матричном бронзовом Cu 13 мас. Sn -0,1 мас. Hf чехле, металлургически легированном гафнием, с наружным диаметром 93,5^-0,3 мм, внутренним диаметром 44,6^+0,2 мм. Затем проводили дальнейшее формирование композитного прутка, деформируя его методами горячего прессования и холодного волочения с проведением промежуточных отжигов и профилирования на шестигранник S 6,3 мм. После чего, разрыв пруток на мерные части, выполняли окончательную 14641-волоконную (121х121) сборку так же, как и при формировании 121-волоконной заготовки, в легированном гафнием Cu 13 мас. (Sn 0,1 мас.) Hf бронзовом чехле. Готовый проводник Ф 1,0 мм подвергался окончательной термообработке по режиму 720^oC 72 ч, в процессе которой в результате диффузии олова и гафния из бронзовой матрицы 3 в ниобиевые волокна 2 сформировались волокна Nb₃Sn 4, содержащие до 1,5 ат. гафния 5, а вокруг них слои интерметаллида переменного состава Nb-Sn-Hf 6. Содержание ниобия 7 в них по данным микрорентгеноспектрального анализа находится в пределах 0,1 74 ат. чем дальше от границы с фазой Nb₃Sn, тем меньше; олова 8 содержится 8 24 ат. причем максимальная концентрация зарегистрирована в центральной области фазы Nb-Sn-Hf. Количество гафния 5 в этой фазе лежит в пределах 0,5 20 ат. и максимально недалеко от центральной области фазы, ближе к границе с Nb₃Sn.

Заявляемый способ более экономичен по сравнению с известным за счет увеличения выхода годного провода, вследствие снижения количества гафния в ниобии и уменьшения при этом обрывности волокон и провода в целом.

Кроме того, использование предлагаемого способа получения многоволоконного сверхпроводника позволяет улучшить работоспособность проводов в переменных магнитных полях и на переменном токе, так как увеличивается удельное электросопротивление межволоконного пространства. Поэтому увеличивается надежность работы проводников на переменных режимах.

Использование: для изготовления проводников, работоспособных в переменных магнитных полях и обладающих малыми потерями мощности при работе на переменном токе. Сущность изобретения: сверхпроводящий провод получают формированием композита путем размещения, по крайней мере, одного волокна из ниобия, легированного 1 - 4 мас.% гафния, в чехле из сплава меди с оловом, легированного 0,05 - 1 мас.% гафния. Изобретение позволяет улучшить критические характеристики провода и повысить его эксплуатационную надежность. 2 ил.

Способ получения сверхпроводящего многоволоконного легированного провода на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn, при котором формируют композит путем размещения по крайней мере одного волокна из ниобия, легированного 1 4 мас. гафния, в чехле из легированного сплава меди с оловом, постадийно деформируют и термообрабатывают композит до необходимого поперечного размера и образования интерметаллического соединения Nb₃Sn, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы провода в быстро меняющихся магнитных полях и на переменном токе, а также увеличения критических характеристик, в качестве указанного сплава используют сплав меди с оловом, легированный 0,05 1 мас. гафния.