Сверхпроводящий композиционный провод на основе NbSn Российский патент 2022 года по МПК H01B12/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

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

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Сверхпроводящие композиционные провода на основе Nb₃Sn для магнитных систем должны обладать рядом необходимых эксплуатационных свойств, обеспечивающих, в том числе и стабильность работы всей магнитной системы. К числу таких характеристик относится относительное остаточное сопротивление (RRR), размер эффективного диаметра волокна и плотность критического тока. Для современных сверхпроводников, предназначенных для создания магнитных систем в устройствах физики высоких энергий, таких как Большой Адронный Коллайдер, Круговой Коллайдер Будущего, Международный Термоядерный Экспериментальный Реактор, предъявляются жесткие требования.

В частности, параметр RRR для провода на основе Nb₃Sn должен составлять не менее 100-150 единиц. Установлено, что значение данного показателя, главным образом определяется RRR внешней стабилизирующей меди. Одной из причин снижения параметра RRR провода является диффузия олова в медную стабилизацию во время диффузионного отжига. Этот отжиг необходим для формирования сверхпроводящей фазы Nb₃Sn путем диффузии олова из его источников к ниобиевым волокнам, при этом, олово может диффундировать и в стабилизирующую медь. Установлено, что даже малые концентрации олова способны привести к недопустимому снижению параметра RRR провода («An experimental study of the resistivity concentration dependence of alloys», Linde J.O., Helvetica Physica Acta, 41 (1968), с. 1005-1015). В связи с этим при разработке конструкций проводов на основе Nb₃Sn необходимо обеспечить защиту стабилизирующей меди от диффузии олова во время диффузионного отжига. Как правило, это достигается введением в конструкцию проводов диффузионных барьеров. При этом конструкция провода должна обеспечить отсутствие искажения сверхпроводящей части провода и разрывов диффузионных барьеров.

Известен композиционный сверхпроводящий Nb₃Sn провод [патент US 201201018437 А1, опубл. 2012 г.], полученный путем размещения в медной трубе, на внутренней поверхности которой размещен диффузионный барьер, изготовленный из материала, выбранного из группы: тантал, танталовый сплав, ниобий и ниобиевый сплав, множества прутков в медной трубе, сердечник которых состоит из олова или оловянного сплава или ниобия или ниобиевого сплава, причем прутки, содержащие олово или оловянный сплав, не соприкасаются друг с другом. Полученный провод термообрабатывают для формирования фазы Nb₃Sn.

Недостатком изготовления проводов является отсутствие на внутренней поверхности барьера медного или медьсодержащего подслоя, что может приводить к неравномерному волочению всей многоволоконной заготовки, локальному возникновению мест схватывания (прочного металлургического контакта) между диффузионным барьером и внутренними заготовками. Это может приводить к нарушению целостности многоволоконной заготовки или диффузионного барьера, и к снижению параметра RRR. В случае одинакового материала с двух сторон контактирующих поверхностей, схватывание происходит одновременно по всей поверхности, локальность практически отсутствует.

Известен способ формирования диффузионного танталового барьера [CN102298995, опубл. 2011 г.], необходимого для изготовления провода на основе Nb₃Sn, который состоит в изготовлении танталовой трубы из листа тантала с формированием продольного шва и нанесения на полученную трубную заготовку слоя бескислородной меди.

Недостатком описанного способа формирования диффузионного барьера является возможность как наложения слоев металла друг на друга, так и их расхождение. Отсутствие прочной металлургической связи между слоями металла в диффузионном барьере может привести к тому, что при его деформировании в составе многоволоконной заготовки, необходимой для формирования Nb₃Sn провода, могут возникнуть обрывы и локальные недопустимые искажения геометрии диффузионного барьера. Кроме этого, при расхождении слоев металла нарушается целостность барьерного слоя, что может привести к значительному снижению относительного остаточного сопротивления всего провода.

Наиболее близким является сверхпроводящий композиционный провод («Internal tin Nb₃Sn conductor development for high energy physics applications)), E. Gregory, T. Pyon, AIP Conference Proceedings 614, 958 (2002)), конструкция которого состоит из многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером из тантала, сформированного из листа или пластины внахлест, при этом каждая заготовка имеет медный чехол, и в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, при этом ниобийсодержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора медными разделителями.

К недостаткам указанной конструкции сверхпроводящего композиционного провода относится формирование диффузионного барьера из листа или пластины из тантала, что приводит к возникновению областей локального утолщения барьера в области нахлеста в процессе деформации многоволоконной заготовки. Кроме того, наличие в составе конструкции заготовок прутков из легкоплавкого олова или сплава на основе олова исключает использование операций горячей пластической деформации, которые могли бы обеспечить прочную металлургическую связь между танталовым диффузионным барьером и медной трубой, а также между танталовым диффузионным барьером и находящимися внутри него заготовками. Поэтому при последующей холодной пластической деформации отсутствие прочной металлургической связи между вышеуказанными компонентами будет являться причиной обрывности диффузионного барьера и/или заготовок внутри него и приводить к снижению параметра RRR провода.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей данного изобретения является получение сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn с величиной относительного остаточного сопротивления более 150 единиц.

Техническим результатом является обеспечение величины относительного остаточного сопротивления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn более 150 единиц, что обеспечивает стабильность работы магнитной системы, изготовленной из этого провода.

Технический результат достигается в сверхпроводящем композиционном проводе на основе Nb₃Sn, выполненного из многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером, при этом каждая заготовка имеет медный чехол, в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, при этом ниобийсодержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора разделителями, при этом труба и диффузионный барьер выполнены за одно целое, а внутренняя поверхность диффузионного барьера имеет покрытие в виде тонкого слоя меди.

В частном варианте исполнения труба имеет отверстие в виде многоугольника.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер выполнен из материала, выбранного из группы: ниобий, сплавы на основе ниобия, тантал, сплавы на основе тантала.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер выполнен из слоя ниобия или сплава на его основе, на внутренней поверхности которого расположены вставки из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа, расположенные на расстоянии друг от друга.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер выполнен путем чередования вставок из ниобия или его сплава и вставок из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа.

В частном варианте исполнения вставки имеют шестигранную, прямоугольную или круглую форму.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из ниобия.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия, а внешний слой выполнен из сплава на основе ниобия.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из тантала.

В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из сплава на основе тантала.

В частном варианте исполнения на внешней поверхности диффузионного барьера размещен упрочняющий слой, например, из меди, содержащей частицы Al₂O₃, псевдосплава Cu-Nb.

В частном варианте исполнения разделители выполнены из материала, выбранного из группы: высокочистая медь, сплав Cu-Mn, сплав Cu-Fe, сплав Cu-Ge.

В частном варианте исполнения разделители выполнены из прямоугольных и/или многоугольных пластин или прутков.

Выполнение медной трубы и диффузионного барьера за одно целое позволяет получить высокие значения RRR готового провода, поскольку в этом случае отсутствуют стыки диффузионного барьера и нет угрозы их расхождения, снижается вероятность повреждения диффузионного барьера при формировании многоволоконной заготовки, что в последующем могло бы приводить к сохранению целостности диффузионного барьера и повысить параметр RRR провода.

Использование в качестве материала диффузионного барьера тантала или сплава на его основе позволяет получать высокие значения RRR готового провода, поскольку в процессе диффузионного отжига тантал незначительно реагирует с оловом, что не позволяет попадать олову в стабилизирующую медь.

Использование в конструкции провода диффузионного барьера, состоящего из двух слоев, внешний слой которого выполнен из сплава ниобия, а внутренний слой выполнен из ниобия, позволяет снизить скорость образования сверхпроводящего соединения на поверхности барьера и, тем самым, предотвратить его полную проработку в процессе диффузионного отжига, а также позволяет не допустить диффузию олова в стабилизирующую медь во время диффузионного отжига, что позволяет повысить параметр RRR провода.

Использование комбинированного диффузионного барьера, состоящего из слоя ниобия или сплава на его основе и вставок, выполненных из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа, расположенных на расстоянии друг от друга, также позволяет предотвратить диффузию олова в стабилизирующую медь и повысить параметр RRR провода, поскольку тантал и железо препятствуют диффузии олова к ниобию и образованию сверхпроводящего слоя, и тем самым, предотвращают диффузию олова в стабилизирующую медь во время диффузионного отжига.

Использование в качестве материала разделителей высокочистой меди, сплавов Cu-Mn, Cu-Fe, Cu-Ge позволяет локально снизить диффузию олова на этих участках и тем самым предотвратить попадание олова в стабилизирующую медь и повысить параметр RRR провода.

Размещение на внешней поверхности диффузионного барьера упрочняющего слоя, например, из меди, содержащей частицы Al₂O₃, или псевдосплава Cu-Nb позволяет сохранить форму диффузионного барьера и его равномерную толщину, препятствует появлению локальных участков утонения. Это приводит к отсутствию мест локальной проработки диффузионного барьера в сверхпроводящее соединение и препятствует диффузии олова в стабилизирующую медь.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, множества заготовок 4, при этом внутренняя поверхность диффузионного барьера 3 имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение заготовки 4. Каждая заготовка 4 содержит медный чехол 6, в котором расположена медьсодержащая матрица 7, в центре которой размещен пруток 8, содержащий олово, вокруг которого расположены ниобийсодержащие прутки 9, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку 10, при этом ниобийсодержащие прутки 9 разделены медными разделителями 11 на сектора.

На фиг. 3 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, и имеет отверстие в виде многоугольника, при этом внутренняя поверхность диффузионного барьера 3 имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5.

На фиг. 4 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, который состоит из двух слоев, внутренний слой 12 которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия и внешнего слоя 13, выполненного из тантала или сплава на основе тантала, или ниобия, или сплава на основе ниобия, при этом внутренняя поверхность диффузионного барьера 3 имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5.

На фиг. 5 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, внутренняя поверхность которого имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5, при этом диффузионный барьер 3 выполнен путем чередования вставок 14 из ниобия или его сплава и вставок 15 из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа.

На фиг.6 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, внутренняя поверхность которого имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5, при этом диффузионный барьер 3 состоит из слоя 16 из ниобия или его сплава, на внутренней поверхности которого расположены вставки 15 из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа, расположенных на расстоянии друг от друга.

На фиг. 7 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, внутренняя поверхность которого имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5, при этом на внешней поверхности диффузионного барьера 3 размещен упрочняющий слой 17, например, из меди, содержащей частицы Al₂O₃, псевдосплава Cu-Nb.

Технология получения заявляемого сверхпроводящего композиционного провода заключается в формировании многоволоконной заготовки путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером, при этом каждая заготовка имеет медный чехол, в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, при этом ниобий содержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора разделителями, а труба и диффузионный барьер выполнены за одно целое, а внутренняя поверхность диффузионного барьера покрыта тонким слоем меди.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример исполнения.

Формирование заготовки осуществляли путем размещения в центре медного чехла высотой 300 мм, внешним диаметром 129,1 мм и внутренним отверстием диаметром 119 мм, оловянного прутка диаметром 19,5 мм, вокруг которого размещали 681 ниобийсодержащий пруток в медной оболочке с размером «под ключ» 3,8 мм, в медьсодержащей матрице. Указанное количество ниобийсодержащих прутков было разделено медными прутками - разделителями размером «под ключ» 3,8 мм на три сектора. Количество медных прутков - разделителей составило 57 шт.

Многоволоконная заготовка для изготовления провода на основе Nb₃Sn была сформирована путем размещения 31 заготовки с размером «под ключ» 3,2 мм, полученных путем деформирования из выше описанной заготовки, в трубе, выполненной за одно целое с диффузионным барьером, изготовленным из тантала, при этом внутренняя поверхность диффузионного барьера была покрыта тонким слоем меди.

Затем проводили деформирование полученной многоволоконной заготовки путем волочения до диаметра 1 мм. Длина полученного провода составила более 500 м.

Отжиг полученного сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn проводили в среде вакуума по ступенчатому режиму: нагрев до 370°С, выдержка 100 ч, затем нагрев до 665°С и выдержка при этой температуре 100 ч, затем охлаждение вместе с печью.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

На проводе, изготовленном с использованием вышеописанной многоволоконной заготовки, в магнитном поле с индукцией 12 Тл при температуре 4,2 К получена плотность критического тока более 2200 А/мм². При этом относительное остаточное сопротивление провода после диффузионного отжига составило более 250 единиц.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий. Технический результат - достижение величины относительного остаточного сопротивления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn более 150, что обеспечивает стабильность работы магнитной системы, изготовленной из этого провода. Технический результат достигается тем, что сверхпроводящий композиционный провод на основе Nb₃Sn изготовлен из многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером. При этом каждая заготовка имеет медный чехол, в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку. При этом ниобийсодержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора разделителями, причем труба и диффузионный барьер выполнены за одно целое, а внутренняя поверхность диффузионного барьера имеет покрытие в виде тонкого слоя меди. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Сверхпроводящий композиционный провод на основе Nb₃Sn, выполненный из многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером, при этом каждая заготовка имеет медный чехол, в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, при этом ниобийсодержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора разделителями, отличающийся тем, что труба и диффузионный барьер выполнены за одно целое, а внутренняя поверхность диффузионного барьера имеет покрытие в виде тонкого слоя меди, при этом диффузионный барьер выполнен:

либо из слоя ниобия или сплава на его основе, на внутренней поверхности которого расположены вставки из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа, расположенные на расстоянии друг от друга;

либо путем чередования вставок из сплава ниобия и вставок из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа;

либо из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из ниобия;

либо из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия, а внешний слой выполнен из сплава на основе ниобия;

либо из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из тантала;

либо из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из сплава на основе тантала.

2. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что труба имеет отверстие в виде многоугольника.

3. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что на внешней поверхности диффузионного барьера размещен упрочняющий слой, например, из меди, содержащей частицы Al₂O₃, псевдосплава Cu-Nb.

4. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что вставки имеют шестигранную, прямоугольную или круглую форму.

5. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что разделители выполнены из материала, выбранного из группы: высокочистая медь, сплав Cu-Mn, сплав Cu-Fe, сплав Cu-Ge.

6. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что разделители выполнены из прямоугольных и/или многоугольных пластин или прутков.