Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе NbSn Российский патент 2021 года по МПК H01B12/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области электротехники при создании длинномерных композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Наиболее сложной проблемой при изготовлении сверхпроводящих проводов на основе Nb₃Sn является выбор конструкции и технологии формирования сверхпроводящих материалов. Это соединение имеет сравнительно низкие механические свойства, что существенно ограничивает возможность использования традиционных методов деформации и затрудняет получение таких сверхпроводящих изделий, как проволока или лента, которые в первую очередь нужны для технического использования. Кроме этого современное развитие устройств физики высоких энергий требует создания сверхпроводящих материалов со все более высокой токонесущей способностью в магнитных полях более 12 Тл.

Показано, что легирование материала ниобиевых волокон титаном в количестве от 1 до 2 масс. % приводит к существенному увеличению плотности критического тока многоволоконных сверхпроводников на основе соединения Nb₃Sn [«Superconducting critical temperatures, critical magnetic fields, lattice parameters, and chemical compositions of "bulk" pure and alloyed Nb₃Sn produced by the bronze process» M. Suenaga, et al - J. Appl. Phys. 59, 840 (1986), « Effects of titanium addition to the niobium cores of the multifilamentary Nb₃Sn superconductors)), T. Asano., Y. Iljima, K. Itoh, K. Tachikawa - J. Jap.Metals, v. 47, №12, pp. 1115-1122, 1983]. Использование в качестве материала волокон сплава ниобия с 1-2 мас. % титана приводит к резкому снижению деформируемости композиционных заготовок и множественным обрывам на стадии волочения композиционной заготовки для получения провода нужного поперечного сечения.

Для получения композиционных Nb₃Sn сверхпроводников разрабатывают различные конструкции заготовок, позволяющие получить длинномерные сверхпроводники с необходимой токонесущей способностью.

Известна заготовка для сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn, представляющая собой множество биметаллических прутков Cu/Nb и прутков из сплава Nb-47% Ti, размещенных вокруг сердечника, состоящего из олова, расположенного внутри медной матрицы [«Advances in Nb₃Sn Strand for Fusion and Particle Accelerator Applications**, Jeffrey A. Parrell, Michael B. Field, Youzhu Zhang, and S. Hong, IEEE Transaction on applied superconductivity, vol. 15, №2, 2005]. При изготовлении таких сверхпроводящих проводов возможно образование хрупкого интерметаллида Ti₂Cu, присутствие которого снижает деформируемость композиционной заготовки и может приводить к ее обрывности. Кроме того, расположение прутков из сплава Nb-47% Ti вокруг сердечника олова может приводить к неравномерному легированию сверхпроводящего слоя, что приведет к снижению токонесущей способности всего сверхпроводящего провода.

Известен сверхпроводящий композиционный провод, изготовленный по способу (RU 2546136, опубл. 2015 г.), включающему формирование композиционной заготовки сверхпроводника, содержащей единичные волокна из ниобия и из сплава Nb-Ti, которые размещены в матрице из меди или медного сплава, источник олова, диффузионный барьер и медное покрытие, где первичную композиционную заготовку единичного волокна формируют из большого количества (более 19) прутков из ниобия и из сплава Nb-Ti, причем количество титана по отношению к ниобию в пересчете на все волокно составляет от 0,5 до 5 масс. %, каждая упомянутая первичная композиционная заготовка единичного волокна выполнена с покрытием из медного сплава.

В данном способе изготовления сверхпроводника не описывается взаимное расположение прутков из ниобия и сплава Nb-Ti в заготовке, что имеет ключевое значение. Если прутки из сплава Nb-Ti будут расположены на границе с медным покрытием, то в процессе термообработок при изготовлении провода образуется хрупкий интерметаллид Ti₂Cu. Присутствие этого соединения внутри сложного композиционного провода будет препятствовать образованию равномерного мелкозеренного сверхпроводящего слоя, а также может привести к снижению пластических характеристик и обрывности на стадии волочения. Образование Ti₂Cu приведет к снижению содержания титана в сверхпроводящем слое и, как следствие, к снижению его токонесущей способности.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является заготовка для получения сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn (ЕР 2717340, опубл. 2014 г.), состоящая из медьсодержащей матрицы, в центре которой размещен пруток, содержащий олово, вокруг которого расположено множество ниобийсодержащих прутков в медьсодержащей оболочке, медного чехла и диффузионного барьера, причем медьсодержащая матрица и медьсодержащая оболочка содержат олово.

При изготовлении указанных заготовок сверхпроводящего провода в процессе промежуточных операций, например, горячего прессования, могут образовываться интерметаллические соединения ниобия с оловом на границе ниобийсодержащего прутка с медьсодержащей оболочкой. При дальнейшем волочении такой заготовки эти соединения будут являться концентраторами напряжений и приводить к разрушению элементов и провода в целом. Также образование несверхпроводящих интерметаллидных соединений на границе ниобийсодержащих прутков с оболочкой будет препятствовать образованию сверхпроводящего соединения Nb₃Sn и снижать токонесущую способность сверхпроводящего провода в целом.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей является получение заготовки для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn с высокой токонесущей способностью для использования в различных магнитных системах с полями выше 12 Тл.

Техническим результатом является обеспечение высокой токонесущей способности в сверхпроводящем композиционном проводе на основе Nb₃Sn в магнитных полях с индукцией выше 12 Тл.

Технический результат достигается в заготовке для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn, состоящая из медного чехла, внутри которого расположена медьсодержащая матрица, в центре которой размещен пруток, содержащий олово, вокруг которого расположено множество ниобийсодержащих прутков в медьсодержащей оболочке, при этом медьсодержащая матрица окружена диффузионным барьером, причем ниобийсодержащий пруток представляет собой композит, содержащий матрицу из ниобия или его сплава, армированную волокнами из сплава Nb-Ti, которые расположены на расстоянии не менее одного среднего размера волокна сплава Nb-Ti до границы с медьсодержащей оболочкой и расстояние, между которыми составляет не менее одного среднего размера волокна из сплава Nb-Ti.

В частном варианте исполнения ниобийсодержащий пруток выполнен из втулки из ниобия или его сплава, в центре которой расположен цилиндрический стержень из ниобия или его сплава, и волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti, размещенных между втулкой и цилиндрическим стержнем.

В частном варианте исполнения ниобийсодержащий пруток выполнен из цилиндрического стержня из ниобия или его сплава с отверстиями для волокон из сплава Nb-Ti.

В частном варианте исполнения ниобийсодержащий пруток выполнен из множества волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti.

В частном варианте исполнения ниобийсодержащий пруток выполнен из множества волокон ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti, расположенных внутри чехла из ниобия или его сплава.

В частном варианте исполнения между медьсодержащей оболочкой и множеством волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti размещены медные прутки - заполнители.

В частном варианте исполнения волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti имеют одинаковый размер.

В частном варианте исполнения ниобийсодержащий пруток выполнен из центрального цилиндрического стержня из ниобия или его сплава, расположенного в центре, вокруг которого размещены волокна из ниобия или его сплава и волокна сплава Nb-Ti.

В частном варианте исполнения волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti имеют многогранное, например, треугольное, четырехугольное, шестиугольное, поперечное сечение.

В частном варианте исполнения волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti имеют круглое поперечное сечение.

Таким образом, применение ниобийсодержащего прутка, в конструкции которого в матрице из ниобия или его сплава волокна из сплава Nb-Ti, расположены на расстоянии не менее одного среднего размера волокна сплава Nb-Ti до границы с медьсодержащей оболочкой и расстояние, между которыми составляет не менее одного среднего размера волокна из сплава Nb-Ti., обеспечивают равномерное легирование титаном сверхпроводящего слоя в процессе диффузионного отжига. Благодаря этому описанная конструкция ниобийсодержащего прутка обеспечивает получение высокой токонесущей способности сверхпроводящего композиционного Nb₃Sn провода. При этом наличие ниобия или его сплава между волокнами из сплава Nb-Ti и медьсодержащей оболочкой позволяет избежать образования интерметаллидных соединений системы титан - медь, что позволяет получить высокую токонесущую способность сверхпроводящего композиционного провода

Использование конструкций ниобийсодержащего прутка, состоящих из втулки из ниобия или его сплава, в центре которой расположен цилиндрический стержень из ниобия или его сплава, и волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti, размещенных между втулкой и цилиндрическим стержнем, а также из цилиндрического стержня из ниобия или его сплава с отверстиями для волокон из сплава Nb-Ti позволяет разместить волокна из сплава Nb-Ti на расстоянии не менее одного среднего размера этих волокон до границы с медьсодержащей оболочкой и получить высокую токонесущую способность сверхпроводящего композиционного провода.

Изготовление ниобийсодержащего прутка из множества волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti, а также при использовании медных прутков заполнителей, и чехлов из ниобия или его сплава позволяет разместить волокна сплава Nb-Ti таким образом, чтобы получить минимально разветвленную границу Cu/Nb и позволяет получить высокую токонесущую способность сверхпроводящего композиционного провода. При сильно разветвленной границе Cu/Nb возможно неравномерное легирование сверхпроводящего слоя титаном, что ведет к возникновению внутри сверхпроводника областей с различной токонесущей способностью. Это, в свою очередь, может привести к снижению критического тока всего сверхпроводника.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение заготовки. Каждая заготовка содержит медный чехол 1, внутри которого расположена медьсодержащая матрица 2, в центре которой размещен пруток 3, содержащий олово, вокруг которого расположено множество ниобийсодержащих прутков 4 в медьсодержащей оболочке 5, при этом медьсодержащая матрица окружена диффузионным барьером 6.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение ниобийсодержащего прутка 4 в медьсодержащей оболочке 5. Ниобийсодержащий пруток 4 представляет собой композит, где матрица 7 из ниобия или его сплава армирована волокнами 8 сплава Nb-Ti, которые расположены на расстоянии не менее одного среднего размера волокна до границы с медьсодержащей оболочкой 5 и расстояние, между которыми составляет не менее одного среднего размера волокна.

На фиг. 3-8 представлены различные конструктивные исполнения ниобийсодержащего прутка 4 в медьсодержащей оболочке 5.

В частном варианте исполнения (фиг. 3) ниобийсодержащий пруток 4 выполнен из цилиндрического стержня 9 из ниобия или его сплава, расположенного в центре втулки 10 из ниобия или его сплава и волокон 11 из ниобия или его сплава и волокон 8 из сплава Nb-Ti, расположенных между втулкой 10 и цилиндрическим стержнем 9.

В частном варианте исполнения (фиг. 4) ниобийсодержащий пруток 4 выполнен из множества волокон 11 из ниобия или его сплава и волокон 8 из сплава Nb-Ti.

В частном варианте исполнения (фиг. 5) ниобийсодержащий пруток 4 выполнен из множества волокон 11 ниобия или его сплава и волокон 8 из сплава Nb-Ti, расположенных внутри чехла 12 из ниобия или его сплава.

В частном варианте исполнения (фиг. 6) между медьсодержащей оболочкой 5 и множеством волокон 11 из ниобия или его сплава и волокон 8 из сплава Nb-Ti размещены медные прутки - заполнители 13.

В частном варианте исполнения (фиг. 7) ниобийсодержащий пруток 4 выполнен из цилиндрического стержня 14 из ниобия или его сплава с отверстиями для волокон 8 из сплава Nb-Ti.

В частном варианте исполнения (фиг. 8) ниобийсодержащий пруток 4 выполнен из цилиндрического стержня 9 из ниобия или его сплава, вокруг которого размещены волокна 11 из ниобия или его сплава и волокна 8 сплава Nb-Ti.

Технология получения заявляемой заготовки для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn заключается в расположении внутри медного чехла медьсодержащей матрицы, в центре которой расположен пруток, содержащий олово, вокруг которого размещено множество ниобийсодержащих прутков в медьсодержащей оболочке. При этом медь содержащая матрица помещается в диффузионный барьер.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример

Для изготовления ниобийсодержащего прутка в медьсодержащей оболочке прутки из сплава НТ47 в количестве 24 шт. шестигранного поперечного сечения с размером «под ключ» 2,7 мм размещали в матрице из ниобия, представляющей собой прутки ниобия марки НбМ в количестве 889 шт. шестигранного поперечного сечения с размером «под ключ» 2,7 мм, причем каждый пруток из сплава НТ 47 был расположен на расстоянии 3 средних размеров прутка до границы с оболочкой из меди размером 0100,5×89 мм, расстояние между соседними прутками НТ47 составляло 2-3 средних размера прутка.

Полученную заготовку выдавливали на гидравлическом трубопрутковом прессе ПА-653 из контейнера с диаметром рабочей втулки 100 мм в пруток диаметром 34 мм. Выдавленный пруток деформировали до шестигранника с размером «под ключ» 2,48 мм. Полученные шестигранные прутки разрезали на мерные части. Затем формировали заготовку следующим образом. Полученные мерные части шестигранных прутков размещали в медной матрице, в центре которой располагали оловянный пруток. Медную матрицу с размещенными в ней мерными частями шестигранных прутков заключали в ниобиевый диффузионный барьер и медный чехол. Заготовку волочили до размера «под ключ» 3,8 мм.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

На проводе, полученном с использованием набора заготовок, в магнитном поле с индукцией 12 Тл при температуре 4,2 K получена плотность критического тока 2468 А/мм².

Таким образом, использование заявленной заготовки позволяет получить сверхпроводящий композиционный провод с высокой токонесущей способностью.

Изобретение относится к области электротехники при создании длинномерных композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn состоит из медного чехла. Внутри чехла расположена медьсодержащая матрица, в центре которой размещен пруток, содержащий олово. Вокруг прутка, содержащего олово, расположено множество ниобийсодержащих прутков в медьсодержащей оболочке. Медьсодержащая матрица окружена диффузионным барьером. Ниобийсодержащий пруток представляет собой композит, содержащий матрицу из ниобия или его сплава, армированную волокнами из сплава Nb-Ti, которые расположены на расстоянии не менее одного среднего размера волокна сплава Nb-Ti до границы с медьсодержащей оболочкой и расстояние, между которыми составляет не менее одного среднего размера волокна из сплава Nb-Ti. Изобретение позволяет обеспечивать высокую токонесущую способность в сверхпроводящем композиционном проводе на основе Nb₃Sn в магнитных полях с индукцией выше 12 Тл. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn, состоящая из медного чехла, внутри которого расположена медьсодержащая матрица, в центре которой размещен пруток, содержащий олово, вокруг которого расположено множество ниобийсодержащих прутков в медьсодержащей оболочке, при этом медьсодержащая матрица окружена диффузионным барьером, отличающаяся тем, что ниобийсодержащий пруток представляет собой композит, содержащий матрицу из ниобия или его сплава армированную волокнами из сплава Nb-Ti, которые расположены на расстоянии не менее одного среднего размера волокна сплава Nb-Ti до границы с медьсодержащей оболочкой и расстояние, между которыми составляет не менее одного среднего размера волокна из сплава Nb-Ti.

2. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn по п. 1, отличающаяся тем, что ниобийсодержащий пруток выполнен из втулки из ниобия или его сплава, в центре которой расположен цилиндрический стержень из ниобия или его сплава, и волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti, размещенных между втулкой и цилиндрическим стержнем.

3. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn по п. 1, отличающаяся тем, что ниобийсодержащий пруток выполнен из цилиндрического стержня из ниобия или его сплава с отверстиями для волокон из сплава Nb-Ti.

4. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn по п. 1, отличающаяся тем, что ниобийсодержащий пруток выполнен из множества волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti.

5. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn по п. 1, отличающаяся тем, что ниобийсодержащий пруток выполнен из множества волокон ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti, расположенных внутри чехла из ниобия или его сплава.

6. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn по п. 1, отличающаяся тем, что между медьсодержащей оболочкой и множеством волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti размещены медные прутки - заполнители.

7. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn по п. 1, отличающаяся тем, что ниобийсодержащий пруток выполнен из центрального цилиндрического стержня из ниобия или его сплава, расположенного в центре, вокруг которого размещены волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti.

8. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn по любому из пп. 2, 4, 5, 6, 7, отличающаяся тем, что волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti имеют одинаковый размер.

9. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn по любому из пп. 2, 3, 4, 5, 6, 7, отличающаяся тем, что волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti имеют многогранное, например треугольное, четырехугольное, шестиугольное, поперечное сечение.

10. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn по любому из пп. 2, 3, 4, 5, 6, 7, отличающаяся тем, что волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti имеют круглое поперечное сечение.