Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе NbSn Российский патент 2024 года по МПК H01B12/02 

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, в числе и других факторов, от дефектов кристаллической структуры, а именно: плотности границ зерен, количества частиц вторых фаз нанометрического размера, примесей и т.д. Чем их больше, тем выше плотность тока, протекающего по сверхпроводнику. Одним из способов создания дефектов, искажений кристаллической решетки, образования фаз нанометрического размера и т.д. является легирование.

В последнее время с целью увеличения количества наноразмерных частиц в сверхпроводящем слое применяется метод внутреннего окисления. Для этого в конструкции сверхпроводника элементы: прутки, трубки, которые были выполнены из чистого ниобия, изготавливают из сплава Nb-Zr, а оксидные порошки вводят как легирующие элементы, например в источник олова. В процессе диффузионного отжига проводника финального размера кислород, содержащийся в порошке оксида, вступает в реакцию с цирконием с образованием оксида циркония. Частицы этого оксида, как правило, имеют наноразмеры и могут располагаться как в теле, так и по границам Nb₃Sn зерен. Показано, что присутствие частиц оксида циркония в сверхпроводящем слое позволяет увеличить плотность критического тока сверхпроводящего слоя в магнитном поле 12 Тл при температуре 4,2 К до 9600 A/мм² [«Internally oxidized Nb₃Sn strands with fine grain size and high critical current density», X. Xu, M.D. Sumption, X.Peng, Adv. Mater. 2015, 27, 1346-1350].

Известна заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb₃Sn (ЕР 2717340, опубл. 2014 г), состоящая из медьсодержащей матрицы, в центре которой размещен оловосодержащий пруток, вокруг которого расположено множество ниобийсодержащих прутков в медьсодержащей оболочке, медного чехла и диффузионного барьера, причем медьсодержащая матрица и медьсодержащая оболочка содержат олово.

При изготовлении указанной заготовки 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 частицы этого 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.

Известен сверхпроводящий многоволоконный Nb₃Sn провод, стабилизированный цирконием (US 2003/0168246 А1, опубл. 2003 г), сформированный из множества волокон, каждое из которых состоит из множества Nb₃Sn зерен, имеющих множество распределенных частиц ZrO₂ и расположенных в металлической матрице, которая имеет электрическую проводимость при температуре ниже 77 К и коэффициент термического расширения такой же или выше, чем Nb₃Sn. В данном проводе высокая токонесущая способность достигается увеличением количества центров пиннинга, которыми служат частицы ZrO₂. Этот механизм работает в средних магнитных полях до 12 Тл. Для получения высокой токонесущей способности в магнитных полях более 12 Тл необходимо увеличивать верхнее критическое поле сверхпроводника. Как правило, с этой целью сверхпроводящее соединение легируют танталом и/или титаном. В описанном проводе не предусмотрено совместное легирование сверхпроводящего слоя, состоящего из множества Nb₃Sn зерен, цирконием совместно с танталом и/или титаном, что не позволит достичь высокой токонесущей способности проводника в сильных магнитных полях.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является заготовка для получения сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn методом внутреннего источника олова [«Results on mono element internal tin Nb₃Sn conductors (MEIT) with Nb7.5Ta and Nb(1Zr+O_x) filaments», Bruce A. Zeitlin, Eric Gregory, Jud Marte, Mark Benz, Tae Pyon et al. IEEE Transaction on applied superconductivity, vol. 15, №2, 2005], которая состоит из медной матрицы, в центре которой размещен оловосодержащий пруток, вокруг которого расположено множество прутков из сплава Nb - 1 мас. % Zr, каждый из которых имеет медную оболочку, многослойного ниобиевого барьера и медного чехла. В качестве источника олова использован пруток из сплава Sn-Ti, Sn-Cu или Sn-SnO.

Двойное легирование Nb₃Sn сверхпроводящего слоя цирконием и титаном, даже при отсутствии частиц оксида циркония в сверхпроводящей фазе позволяет получить наибольшую плотность критического тока в проводнике после отжига при температуре 700°С. Однако получение сплава Sn-Ti и его последующая деформация является сложной задачей, поскольку олово с титаном образуют интерметаллидные соединения, которые представляют собой хрупкие, твердые частицы. Размер и распределение этих частиц трудно контролировать как при выплавке сплава, так и получении прутков из него. Это может привести к неравномерному легированию сверхпроводящего Nb₃Sn слоя титаном, и снижению его критического тока. Кроме этого, присутствие крупных интерметаллидных частиц соединения олова с титаном может являться причиной обрывности провода при его волочении.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

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

Технический результат достигается в заготовке для изготовления длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn, состоящей из медного чехла, внутри которого расположена медная матрица, в центре которой размещен оловосодержащий пруток, вокруг которого расположено множество прутков в медной оболочке, при этом медная матрица окружена многослойным ниобиевым барьером, причем множество прутков состоит из прутков, содержащих сплав Nb-Ti, и прутков Nb-Zr сплава, при этом каждый пруток Nb-Zr сплава представляют собой композит, выполненный из Nb-Zr сплава в виде стержня, окруженного ниобиевым барьером.

В частном варианте исполнения прутки Nb-Zr сплава расположены вокруг оловосодержащего сердечника и по внутренней стороне диффузионного барьера.

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

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

Таким образом, использование в конструкции заготовки множества прутков, состоящих из прутков, содержащих сплав Nb-Ti, и прутков Nb-Zr сплава, в виде стержня, окруженного ниобиевым барьером, позволяет осуществить легирование сверхпроводящего слоя совместно титаном и цирконием. Согласно литературным данным [Superconducting critical temperatures, critical magnetic fields, lattice parameters, and chemical compositions of "bulk" pure and alloyed Nb₃Sn produced by the bronze process, M. Suenaga, D. O. Welch, R. L. Sabatini, O. F. Kammerer and S. Okuda, J. Appl. Phys. 59, 840 (1986); doi: 10.1063/1.336607] легирование Nb₃Sn слоя цирконием и титаном позволяет увеличить верхнее критическое поле сверхпроводника в целом, а значит и его критический ток в сильных полях. В связи с этим использование двух типов прутков, один из которых легирован титаном, а другой цирконием позволяет увеличить токонесущую способность сверхпроводника в целом.

Расположение прутков из Nb-Zr сплава в медной матрице вокруг оловосодержащего прутка позволяет уменьшить долю крупнозеренного Nb₃Sn слоя, тем самым увеличить плотность границ зерен сверхпроводящего соединения и плотность критического тока проводника в целом. Расположение прутков Nb-Zr сплава по внутренней поверхности диффузионного барьера позволяет снизить долю столбчатых Nb₃Sn зерен, элементный состав которых не является стехиометрическим и за счет этого увеличить токонесущую способность.

Использование двухслойного барьера, внутренний слой которого выполнен из сплава ниобия, позволяет изменить кинетику образования сверхпроводящего слоя, его зеренную структуру и увеличить токонесущую способность сверхпроводника.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение заготовки. Каждая заготовка содержит медный чехол 1, внутри которого расположена медная матрица 2, в центре которой размещен оловосодержащий пруток 3, вокруг которого расположено множество прутков в медной оболочке 4, при этом медная матрица 2 окружена многослойным диффузионным ниобиевым барьером 5. Множество прутков состоит из прутков 6, содержащих сплав Nb-Ti, и прутков 7 Nb-Zr сплава.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение прутка 7 Nb-Zr сплава. Каждый пруток 7 представляет собой композит, выполненный из Nb-Zr сплава в виде стержня 8, окруженного ниобиевым барьером 9.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример

Для изготовления прутка Nb-Zr сплава была собрана сборка, состоящая из Nb-Zr стержня, ниобиевого барьера и медной оболочки. Полученную заготовку выдавливали на гидравлическом трубопрутковом прессе ПА-653 из контейнера с диаметром рабочей втулки 100 мм в пруток диаметром 46 мм. Выдавленный пруток, представляющий собой композит, деформировали до шестигранника с размером «под ключ» 3,2 мм. Полученные шестигранные прутки разрезали на мерные части с получением прутков Nb-Zr сплава.

При изготовлении заготовки для получения сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn прутки Nb-Zr сплава в количестве 144 шт. и прутки, содержащих сплав Nb-Ti, в количестве 462 шт. с размером «под ключ» 3,2 мм размещали в медной матрице. Оловосодержащий пруток помещали в центре матрицы. Медную матрицу с размещенными в ней шестигранными прутками заключали в двуслойный диффузионный барьер, внутренний слой которого был изготовлен из сплава Nb-Ta, а внешний из чистого ниобия. 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 К получена плотность критического тока 2942 А/мм² на сечении без меди. Длина провода составила более 700 м.

Таким образом, использование заявленной заготовки позволяет получить длинномерный 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 получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn состоит из медного чехла, внутри которого расположена медная матрица, в центре которой размещен оловосодержащий пруток, вокруг которого расположено множество прутков в медной оболочке. При этом медная матрица окружена многослойным диффузионным ниобиевым барьером. Множество прутков состоит из прутков, содержащих сплав Nb-Ti, и прутков Nb-Zr сплава. Каждый пруток Nb-Zr сплава представляет собой композит, выполненный из Nb-Zr сплава в виде стержня, окруженного ниобиевым барьером. Изобретение обеспечивает высокую токонесущую способность в длинномерном сверхпроводящем композиционном проводе на основе Nb₃Sn в магнитных полях с индукцией выше 12 Тл. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn, состоящая из медного чехла, внутри которого расположена медная матрица, в центре которой размещен оловосодержащий пруток, вокруг которого расположено множество прутков в медной оболочке, при этом медная матрица окружена многослойным диффузионным ниобиевым барьером, отличающаяся тем, что множество прутков состоит из прутков, содержащих сплав Nb-Ti, и прутков Nb-Zr сплава, при этом каждый пруток Nb-Zr сплава представляет собой композит, выполненный из Nb-Zr сплава в виде стержня, окруженного ниобиевым барьером.

2. Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn по п. 1, отличающаяся тем, что прутки из сплава Nb-Zr расположены вокруг оловосодержащего прутка и по внутренней стороне диффузионного барьера.

3. Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn по п. 1, отличающаяся тем, что диффузионный ниобиевый барьер состоит из двух слоев, причем внутренний слой выполнен из сплава ниобия, а внешний слой из ниобия.

4. Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn по п. 1, отличающаяся тем, что диффузионный ниобиевый барьер состоит из двух слоев, причем внутренний слой выполнен из ниобия, а внешний слой из сплава ниобия.