Способ изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе NbSn Российский патент 2023 года по МПК H01B12/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

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

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Современное развитие устройств физики высоких энергий требует создания сверхпроводящих материалов с высокой токонесущей способностью в магнитных полях вплоть до 16 Тл. Известно, что плотность критического тока сверхпроводника зависит от плотности границ зерен и состава сверхпроводящей фазы. Основной операцией, отвечающей за формирование микроструктуры сверхпроводящего слоя, является диффузионная термообработка.

Сверхпроводящие композиционные провода на основе Nb₃Sn, как правило, подвергаются многоступенчатым термообработкам, что позволяет обеспечить формирование равноосного мелкозеренного сверхпроводящего слоя, а значит и высокую токонесущую способность сверхпроводника в целом.

Известен способ изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе ND3S11 [Nb₃Sn Phase Growth and Superconducting Properties During Heat Treatment, Emanuela Barzi and Sara Mattafirri, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 13, NO. 2, 2003], состоящий в формировании сверхпроводящего провода по методу внутреннего источника олова и проведение термообработки провода финального размера по режиму: 400°С, 80 ч (скорость нагрева 150°С/час)+(650-750)°С, (2-400) ч. На первой ступени диффузионной термообработки формируется бронзовая матрица с высоким содержанием олова, затем на второй ступени термообработки олово из бронзовой матрицы диффундирует к ниобиевым волокнам и происходит образование сверхпроводящего Nb₃Sn слоя. При этом на первой ступени при неправильно подобранном режиме нагрева, определении температуры этой стадии и времени выдержки может происходить растворения тугоплавкого ниобия волокон в Cu-Sn матрице. Процесс растворения представляет собой разрушение кристаллической решетки твердого металла и переход его атомов в жидкий металл. Движущая сила этого процесса - различие в величине термодинамических потенциалов атомов твердого металла в кристаллической решетке и в жидком металле. По мере растворения это различие постепенно уменьшается и через некоторый промежуток времени исчезает вообще. [В.И. Никитин «Физико- химические явления при воздействии жидких металлов на твердые», Атомиздат 1967 г., с. 441]. Процесс образования сверхпроводящего соединения на второй ступени в этом случае идет через образование промежуточных интерметаллидов и структура слоя характеризуется наличием большого количества крупных Nb₃Sn зерен. Их присутствие приводит к уменьшению плотности границ зерен, а значит к меньшей плотности критического тока сверхпроводящего провода. При быстром нагреве до температуры первой стадии процессы растворения олова в медной матрице и образование высокооловянной бронзы сопровождаются присутствием жидкой фазы внутри проводника и ведут к образованию промежуточной nausite фазы. Таким образом, недостатком описанного выше способа изготовления сверхпроводника является проведение диффузионной термообработки проводника готового размера с первой ступенью при температуре 400°С, и со скоростью нагрева до температуры этой ступени 150°С/час, поскольку при этом образуется большое количество nausite фазы, которая затем трансформируется в крупнозеренный сверхпроводящий Nb₃Sn слой.

Известен способ изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn [US 7585377 В2, опубл. 2009;Cu diffusion in Nb₃Sn internal tin superconductors during heat treatment, Ian Pong, Luc-Rene Oberli, Luca Buttura, Supercond. Sci.Technol. 26(2013)], состоящий в формировании сверхпроводящего провода по методу внутреннего источника олова и проведение термообработки провода финального размера по режиму: на первой ступени термообработку проводят при температуре 180-220°С в течение 24-100 ч, на второй ступени термообработку проводят при температуре 340-410°С в течение 24-50 ч, на третьей ступени термообработку проводят при температуре 625-725°С в течение 12-200 ч.

Несмотря на то, что на первой ступени этой термообработки при достаточно низких температурах олово и медь должно образовывать бронзу и чистого олова в проводнике может не быть, на второй стадии наблюдается образование тройной Cu-Nb-Sn фазы, которая в дальнейшем препятствует диффузии олова к ниобиевым волокнам и затрудняет образование сверхпроводящего слоя. Также микроструктура сверхпроводящей Nb₃Sn фазы, сформированной из тройной Cu-Nb-Sn фазы характеризуется наличием крупных зерен, что приводит к снижению плотности границ зерен и плотности критического тока сверхпроводника.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn [US 2018/0212136 А1, опубл. 2018] по методу внутреннего источника покрытого медью Nb₃Sn композиционного провода, содержащего Nb, Sn, Cu и легированного титаном и/или танталом, путем волочения до диаметра от 2 до 0,2 мм и проведения термообработки по двухступенчатому режиму: на первой ступени термообработку проводят при температуре 350-380°С в течение 24-400 ч, а вторую ступень термообработки проводят при температуре 620-750°С и продолжительности от 24 до 400 ч.

Согласно литературным данным nausite фаза формируется при температурах ниже 408°С [A new understanding of the heat treatment of Nb-Sn superconducting wires, Ch. Sanabria, 2017], причем с увеличением длительности отжига на этой ступени, толщина слоя увеличивается. Поэтому проведение термообработки провода при температуре первой ступени ниже 400°С ведет к образованию nausite фазы, что приводит к снижению критической плотности тока сверхпроводника.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей является разработка способа получения 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, полученного по разработанному способу.

Технический результат достигается в способе изготовления сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn, включающем формирование первой легированной титаном и/или танталом многоволоконной заготовки путем размещения в медном чехле диффузионного барьера и медной матрицы, в центре которой размещен оловосодержащий пруток, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, ее деформирование до получения композиционного прутка требуемого размера, резку его на мерные части, формирование второй многоволоконной заготовки из полученных мерных частей путем их сборки в металлическом чехле, деформирование второй многоволоконной заготовки путем ее волочения с получением провода диаметром от 2 до 0,2 мм с последующей его термообработкой по ступенчатому режиму, где вторую ступень термообработки проводят при температуре 620-750°С и продолжительности от 24 до 400 ч, причем на первой ступени термообработку проводят при температуре 410-500°С в течение 5-200 ч.

В частном варианте первую многоволоконную заготовку легируют титаном и/или танталом и по крайней мере еще одним элементом, выбранным из ряда: Zr, Hf, Al, Mg, Μn, Ga, In, Y, Ce, La, Nd, Те, Zn.

В частном варианте при формировании второй многоволоконной заготовки в металлическом чехле часть полученных мерных частей композиционного прутка заменяют медьсодержащими прутками.

В частном варианте при формировании второй многоволоконной заготовки в металлический чехол дополнительно помещают медьсодержащие прутки.

Проведение термообработки по ступенчатому режиму, где на первой ступени термообработку проводят при температуре 410-500°С в течение 5-200 ч позволяет избежать образования тройной nausite фазы и получить сверхпроводящий Nb₃Sn слой, микроструктура которого характеризуется равноосными зернами, что обеспечивает высокую токонесущую способность сверхпроводника.

Легирование первой многоволоконной заготовки титаном и/или танталом и по крайней мере еще одним элементом, например, иттрием Y, позволяет не только повысить верхнее критическое поле сверхпроводящего провода, а значит и его токонесущую способность в сильных магнитных полях, но и получить меньшее количество nausite фазы в процессе термообработки. Кроме того, это способствует образованию более равноосных зерен сверхпроводящей Nb₃Sn фазы меньшего размера, что приводит к увеличению плотности границ зерен и возрастанию токонесущей способности сверхпроводника в целом.

Технология изготовления сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn по заявляемому способу включает следующие основные этапы:

1. Формирование первой многоволоконной заготовки;

2. Деформирование первой многоволоконной заготовки до прутка требуемого размера;

3. Резка полученного прутка на мерные части;

4. Формирование второй многоволоконной заготовки;

5. Деформирование второй многоволоконной заготовки путем волочения до необходимого размера;

6. Проведение термообработки путем отжига провода для образования сверхпроводящего соединения.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение первой многоволоконной заготовки 1. Заготовка 1 содержит медный чехол 2, диффузионный барьер 3, внутри которого расположена медная матрица 4, в центре которой размещен оловосодержащий пруток 5, вокруг которого расположено множество ниобийсодержащих прутков 6 в медьсодержащей оболочке 7.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение второй многоволоконной заготовки, выполненной путем размещения в металлической чехле 8 множества заготовок 1.

На фиг. 3 представлено поперечное сечение второй многоволоконной заготовки, выполненной путем размещения в металлической чехле 8 множества заготовок 1 и медьсодержащих прутков 9.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Пример.

Формирование первой многоволоконной заготовки осуществляют путем размещения в центре медного чехла высотой 300 мм, внешним диаметром 109 мм и внутренним отверстием диаметром 102 мм, ниобиевого диффузионного барьера, толщина которого составляет 5 мм, оловянного прутка диаметром 19,5 мм, вокруг которого размещают 948 ниобиевых легированных титаном прутков в медной оболочке с размером «под ключ» 2,5 мм, в медной матрице. Затем указанную заготовку деформируют до размера «под ключ» 3,8 мм. Полученный пруток разрезают на мерные части.

Вторую многоволоконную заготовку для изготовления сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn формируют путем размещения 37 мерных частей в медном чехле.

Полученную вторую многоволоконной заготовку деформируют путем волочения до диаметра 1 мм.

Отжиг композиционного провода на основе Nb₃Sn проводят в среде вакуума по ступенчатому режиму: нагрев до 450°С, выдержка 100 ч, затем нагрев до 665°С и выдержка при этой температуре 40 ч., и охлаждение вместе с печью.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

На проводе, термообработанном по указанному режиму, получена плотность критического тока на сечении без меди более 2500 А/мм² в магнитном поле с индукцией 12 Тл при температуре 4,2 К.

Изобретение относится к области электротехники при создании длинномерных композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий. Способ получения сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn включает формирование первой легированной титаном и/или танталом многоволоконной заготовки путем размещения в медном чехле диффузионного барьера и медной матрицы. В центре матрицы размещен оловосодержащий пруток, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку. Формирование второй многоволоконной заготовки из полученных мерных частей путем их сборки в металлическом чехле. Деформирование второй многоволоконной заготовки путем ее волочения с получением провода диаметром от 2 до 0,2 мм с последующей его термообработкой по ступенчатому режиму. На первой ступени термообработку проводят при температуре 410-500°С в течение 5-200 ч, а вторую ступень термообработки проводят при температуре 620-750°С и продолжительности от 24 до 400 ч. Изобретение обеспечивает высокую токонесущую способность в сверхпроводящем композиционном проводе на основе Nb₃Sn в магнитных полях с индукцией выше 12 Тл. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn, включающий формирование первой легированной титаном и/или танталом многоволоконной заготовки путем размещения в медном чехле диффузионного барьера и медной матрицы, в центре которой размещен оловосодержащий пруток, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, ее деформирование до получения композиционного прутка требуемого размера, резку его на мерные части, формирование второй многоволоконной заготовки из полученных мерных частей путем их сборки в металлическом чехле, деформирование второй многоволоконной заготовки путем ее волочения с получением провода диаметром от 2 до 0,2 мм с последующей его термообработкой по ступенчатому режиму, где вторую ступень термообработки проводят при температуре 620-750°С и продолжительности от 24 до 400 ч, отличающийся тем, что на первой ступени термообработку проводят при температуре 410-500°С в течение 5-200 ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первую многоволоконную заготовку легируют титаном и/или танталом и по крайней мере еще одним элементом, выбранным из ряда: Zr, Hf, Al, Mg, Μn, Ga, In, Y, Ce, La, Nd, Те, Zn.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании второй многоволоконной заготовки в металлическом чехле часть полученных мерных частей композиционного прутка заменяют медьсодержащими прутками.

4. Способ по любому из пп. 1, 3, отличающийся тем, что при формировании второй многоволоконной заготовки в металлический чехол дополнительно помещают медьсодержащие прутки.