Сверхпроводящий провод на основе соединения nb3sn

Авторы патента:

Полезная модель относится к области электротехники при создании электротехнических устройств, преимущественно предназначенных для работы в магнитных полях выше 10 Тл, при высоких плотностях тока и низких гистерезисных потерях и может быть использовано в электротехнической промышленности и других отраслях науки и техники при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем различного назначения. Разработан сверхпроводящий провод на основе соединения Nb₃Sn, выполненный из многоволоконной заготовки, путем размещения в чехле из меди или сплава Cu-Sn прутков, полученных из первичной многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в чехле из сплава Cu-Sn блоков, каждый из которых состоит из Nb-содержащих прутков, при этом блоки разделены между собой посредством размещения между ними прутков, изготовленных из сплава Cu-Sn, а толщина стенки чехла первичной многоволоконной заготовки составляет 0,5-0,8 минимального расстояния между ближайшими Nb-содержащими прутками, не принадлежащими одному блоку, причем в каждом Nb-содержащем прутке размещен вдоль центральной оси легирующий вкладыш из сплава Ti-Sn, содержащий олово в количестве от 3 до 15 масс.%. Технический результат полезной модели заключается в увеличении критической плотности тока сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn.

Известен способ изготовления композитного сверхпроводника на основе NbSn, включающий операции формирования первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из матричного материала и осевой цилиндрический блок из ниобия, содержащий продольно расположенный легирующий компонент, деформирования первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резки шестигранного прутка на мерные длины, формирования вторичной композитной заготовки, состоящей из внешнего чехла из сплава Cu-Sn с пространством для размещения первичной заготовки, деформирования второго композита до необходимого сечения сверхпроводника и проведения диффузионной термообработки при 600-800°C для образования сверхпроводящего соединения NbSn, эффект искусственного легирования, достигаемый за счет формирования первичной композитной заготовки путем изготовления небольшого числа (одной-трех) полостей вдоль всей длины цилиндрической заготовки из ниобия, затем заполнение их соответствующими по размеру и числу вкладышами (стержнями, трубками, пластинами) из добавочных компонентов, таких как тантал или титан (Патент Японии «Manufacture of superconductor». JP 3-78914 B4 от 04.04.91 г., «Furukawa Electric Co LTD» МПК H01B 12/10).

Использование ограниченного числа (1-3) вкладышей из легирующего компонента - титана, удаленных от границы раздела ниобия с бронзой, наряду с простой технологией позволяет избежать образования интерметаллида TiCu и обеспечить эффективное производство легированных проводников с низким уровнем гистерезисных потерь и высокой токонесущей способностью (Jc=600 А/мм² в поле 12 Тл).

Однако известный способ не позволяет получить равномерное легирование волокна по всему объему. Это обусловлено наличием определенного промежутка между источниками легирования и источником олова, различного направления роста зерен фазы NbSn и, как следствие, образованием неравномерной структуры фазы NbSn.

Известно также [например, статья T. Takeuchi, T. Asano, Y. Jijima, K. Tachikawa Effect of the IV A element addition on the composite-processed superconducting Nb₃Sn, Cryogenics, 1981, 10, р. 585-590], что максимальное значение критической плотности тока фиксируется в многоволоконных ниобий-оловянных проводниках при содержании в ниобиевом волокне титана в количестве ~2 мас.%. Добавление требуемого количества титана (2 мас.%) в ниобиевое волокно реализуется при использовании выше описанного метода. Однако, несмотря на введение в ниобий необходимого количества титана сверхпроводящие слои Nb(Ti)₃Sn в центре волокна имеют состав, далекий от стехиометрического, и более крупную столбчатую зеренную структуру вследствие снижения концентрации олова от границы с матрицей до центра волокна. По этой причине, несмотря на достаточное содержание Ti, центральные слои Nb(Ti)₃Sn имеют более низкие сверхпроводящие характеристики по сравнению с периферийными. При этом имеет место резкое снижение деформируемости сплава Nb - 2% Ti, что приводит к снижению выхода в годное.

Наиболее близкой является заготовка для изготовления сверхпроводящего провода на основе соединения Nb₃Sn, способ получения которой описан во втором варианте формулы изобретения [Патент РФ 2233491 МПК H01B 12/00, опубл. 27.07.2004], согласно которому формируют первичную многоволоконную заготовку путем размещения в чехле из сплава Cu-Sn Nb-содержащих прутков и деформируют ее, а затем из ее прутков формируют многоволоконную заготовку путем размещения этих прутков в чехле из меди или сплава Cu-Sn, при этом при формировании первичной многоволоконной заготовки Nb-содержащие прутки объединяют в блоки путем размещения между ними прутков из сплава Cu-Sn, а толщину стенки чехла первичной многоволоконной заготовки выбирают равной 0,5-0,8 минимального расстояния между ближайшими Nb-содержащими прутками, не принадлежащими одному блоку.

Недостатками сверхпроводящего провода, полученного по известному способу, являются диффузия олова в ниобиевое волокно только со стороны бронзовой матрицы, что приводит к образованию Nb₃Sn фазы неоднородного и нестехиометричного состава, а также ограниченное содержание в бронзовой матрице олова, идущего на образование сверхпроводящей фазы. Эти недостатки не позволяют получить сверхпроводящий провод с максимальной токонесущей способностью.

Задачей полезной модели является получение сверхпроводящего провода на основе соединения Nb₃Sn из многоволоконной заготовки, обладающего высокой токонесущей способностью.

Технический результат полезной модели заключается в увеличении критической плотности тока сверхпроводящего провода на основе Nb₃Sn.

Технический результат достигается в разработанном сверхпроводящем проводе на основе соединения Nb₃Sn, выполненном из многоволоконной заготовки, путем размещения в чехле из меди или сплава Cu-Sn прутков, полученных из первичной многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в чехле из сплава Cu-Sn блоков, каждый из которых состоит из Nb-содержащих прутков, при этом блоки разделены между собой посредством размещения между ними прутков, изготовленных из сплава Cu-Sn, а толщина стенки чехла первичной многоволоконной заготовки составляет 0,5-0,8 минимального расстояния между ближайшими Nb-содержащими прутками, не принадлежащими одному блоку, причем в каждом Nb-содержащем прутке размещен вдоль центральной оси легирующий вкладыш из сплава Ti-Sn, содержащий олово в количестве от 3 до 15 масс.%.

Сверхпроводящий провод на основе Nb₃Sn. обладает повышенной токонесущей способностью за счет приближения фазы Nb(Ti)₃Sn, образующейся в волокнах, к стехиометрическому составу, формирования более однородной мелкозеренной структуры фазы и увеличении количества фазы Nb(Ti)₃Sn за счет обеспечения дополнительного притока олова из центра волокна к образующейся в процессе реакционной термообработки сверхпроводящей фазе.

Таким образом, в многоволоконной заготовке для изготовления сверхпроводящего провода на основе соединения Nb₃Sn, в ниобиевые волокна наряду с титаном введено олово, что в процессе диффузионной термообработки сверхпроводящего провода обеспечивает дополнительный приток этого элемента из центра волокна к формирующемуся слою Nb₃Sn, тем самым обеспечивая получение сверхпроводящей фазы с составом, близким к стехиометрическому, и более однородной мелкозеренной структурой и, как следствие, возрастание критической плотности тока сверхпроводящего провода.

Использование легирующего вкладыша из сплава Ti-Sn с содержанием олова менее 3 масс.% не приводит к получению необходимой критической плотности тока сверхпроводящего провода. Использование легирующего вкладыша с содержанием олова в титане более 15 масс.% приводит к резкому возрастанию обрывности провода в процессе его изготовления и, как следствие, существенному снижению выхода в годное.

На Фиг. 1 представлена схема расположения блоков в первичной многоволоконной заготовке, на Фиг. 2 - сверхпроводящий провод.

Сверхпроводящий провод на основе соединения Nb₃Sn состоит из следующих элементов (Фиг. 1, Фиг. 2): 1 - легирующий вкладыш из сплава Ti-Sn; 2 - Nb-содержащий пруток; 3 - пруток из сплава Cu-Sn; 4 - чехол первичной многоволоконной заготовки; 5 - пруток, полученный из первичной многоволоконной заготовки; 6 - чехол из меди.

Сверхпроводящий провод на основе соединения Nb₃Sn изготавливают следующим образом.

Nb-содержащие прутки (2) с легирующим вкладышем из сплава Ti-Sn (1) получают путем размещения во втулке из ниобия вдоль ее центральной оси легирующего вкладыша (прутка) из сплава Ti-Sn, их совместного деформирования в медной технологической оболочке методами горячего прессования и холодного волочения и профилирования в пруток шестигранного сечения и разрезки на мерные длины. При формировании первичной многоволоконной заготовки шестигранные Nb-содержащие прутки (2) с легирующим вкладышем из сплава Ti-Sn (1) размещают в виде блоков вместе с шестигранными бронзовыми прутками (сплав Cu-Sn) (3), которые располагают между блоками, в бронзовом чехле (сплав Cu-Sn) (4). Толщину стенки чехла первичной многоволоконной заготовки выбирают в интервале 0,5-0,8 минимального расстояния между соседними Nb-содержащими прутками. Затем первичную многоволоконную заготовку деформируют методами горячего прессования и холодного волочения с проведением промежуточных отжигов и профилируют на шестигранник. Разрезают прутки первичной многоволоконной заготовки на мерные части, формируют многоволоконную заготовку путем размещения в трубе - чехле из меди (6) шестигранных прутков (5), полученных из первичной многоволоконной заготовки. Из многоволоконной заготовки изготавливают сверхпроводящий провод на основе соединения Nb₃Sn.

Пример 1

Nb-содержащие прутки с легирующим вкладышем из сплава Ti-Sn получают путем размещения во втулке из ниобия с твердостью по Бринеллю HB=45-50 МПа и диаметром (d) d_внеш.=88 мм и d_внутр. =19 мм легирующего вкладыша (прутка) диаметром 19 мм из сплава Ti - 3 масс.% Sn, их совместного деформирования в медной технологической оболочке с толщиной стенки 2,5 мм методами горячего прессования на прессе усилием 1600 т.е. из контейнера 95 мм в пруток 22 мм и холодного волочения, профилирования на шестигранник с размером под ключ S=5,4 мм и разрезки на мерные длины. При формировании первичной многоволоконной заготовки (Фиг. 1) шестигранные Nb-содержащие прутки с легирующим вкладышем из сплава Ti - 3 масс.% Sn с размером под ключ S=5,4 мм в количестве 72 штук размещают в виде блоков вместе с шестигранными бронзовыми прутками (сплав Cu - 14 масс.% Sn) с размером под ключ S=5,4 мм в количестве 127 штук, которые располагают между блоками, в чехле из сплава Cu 14 масс.% Sn с наружным диаметром 93,5 мм и внутренним диаметром 85,3 мм. Толщину стенки чехла первичной многоволоконной заготовки выбирают в интервале 0,5-0,8 минимального расстояния между соседними Nb-содержащими прутками. Затем первичную многоволоконную заготовку деформируют методами горячего прессования на прессе усилием 1600 т.е. из контейнера 95 мм в пруток 22 мм и последующего холодного волочения со степенью разовой деформации не более 20% с проведением промежуточных отжигов и профилировали на шестигранник размером под ключ S=4,2 мм. Разрезают прутки первичной многоволоконной заготовки на мерные части, формируют многоволоконную заготовку (Фиг. 2) с 13212 волокнами (36×367) путем размещения в трубе-чехле из меди 367-ми шестигранных прутков, полученных из первичной многоволоконной заготовки. В качестве материала чехла использовали безкислородную медь марки OFC-Grade 2 с d_наруж.=131,3 мм и d_внутр.=94,5 мм.

Из многоволоконной заготовки путем ее прессования в пруток 35 мм и последующего волочения с промежуточными отжигами изготовили сверхпроводящий провод на основе соединения Nb₃Sn диаметром 0,82 мм с длиной единичного куска более 1000 м, образцы которого подвергались окончательной термообработке по режиму 575°C - 150 ч + 650°C - 200 ч для проведения измерений критической плотности тока. Критическая плотность тока данного сверхпроводящего провода (легирующий вкладыш выполнен из сплава Ti - 3 масс.%» олова) составила 824 А/мм² в магнитном поле 12 Тл при температуре 4,2 К, что на 7% превышает значение данного параметра у провода, описанного в прототипе.

Пример 2

Сверхпроводящий провод на основе соединения Nb₃Sn, содержащий 13212 ниобий - титан-оловянное волокно, диаметром 0,82 мм с длиной единичного куска более 1000 м, получали таким же способом, который описан в примере 1, лишь с тем отличием, что Nb-содержащие прутки с легирующим вкладышем из сплава Ti-Sn получают путем размещения во втулке из ниобия с твердостью по Бринеллю HB=45-50 МПа и диаметром (d) d_внеш.=88 мм и d_внутр.=19 мм легирующего вкладыша (прутка) диаметром 19 мм из сплава Ti - 15 масс.%, их совместного деформирования в медной технологической оболочке с толщиной стенки 2,5 мм методами горячего прессования на прессе усилием 1600 т.е. из контейнера 95 мм в пруток 22 мм и холодного волочения, профилирования на шестигранник с размером под ключ S=5,4 мм и разрезки на мерные длины. Критическая плотность тока данного сверхпроводящего провода (легирующий вкладыш выполнен из сплава Ti - 15 масс.% Sn) составила 963 А/мм² в магнитном поле 12 Тл при температуре 4,2 К, что на 25% превышает значение данного параметра у провода, описанного в прототипе.

Пример 3

Сверхпроводящий провод на основе соединения Nb₃Sn, содержащий 13212 ниобий - титан-оловянное волокно, диаметром 0,82 мм с длиной единичного куска более 1000 м, получали таким же способом, который описан в примере 1, лишь с тем отличием, что Nb-содержащие прутки с легирующим вкладышем из сплава Ti-Sn получают путем размещения во втулке из ниобия с твердостью по Бринеллю HB=45-50 МПа и диаметром (d) d_внеш.=88 мм и d_внутр.=19 мм легирующего вкладыша (прутка) диаметром 19 мм из сплава Ti - 25 масс.% Sn, их совместного деформирования в медной технологической оболочке с толщиной стенки 2,5 мм методами горячего прессования на прессе усилием 1600 т.е. из контейнера 95 мм в пруток 22 мм и холодного волочения, профилирования на шестигранник с размером под ключ S=5,4 мм и разрезки на мерные длины. В результате был получен сверхпроводящий провод диаметром 0,82 мм с длиной единичных кусков не более 30 м, поскольку из-за резкого возрастания прочностных характеристик сплава Ti-Sn, вызванного высоким содержанием олова (25 масс.%), он разрушался при деформации волочением. Таким образом, использование при формировании Nb-содержащих прутков легирующего вкладыша из сплава Ti - 25 масс.% 8п приводит к значительному снижению выхода в годное в связи с резким возрастанием обрывности в процессе изготовления сверхпроводящего провода.

Пример 4 (Контрольный пример)

Сверхпроводящий провод на основе соединения Nb₃Sn, содержащий 13212 ниобий - титан-оловянное волокно, диаметром 0,82 мм с длиной единичного куска более 1000 м, получали таким же способом, который описан в примере 1, лишь с тем отличием, что Nb-содержащие прутки с легирующим вкладышем из чистого Ti получают путем размещения во втулке из ниобия с твердостью по Бринеллю HB=45-50 МПа и диаметром (d) d_внеш.=88 мм и d_внутр.=19 мм легирующего вкладыша (прутка) диаметром 19 мм из чистого Ti, их совместного деформирования в медной технологической оболочке с толщиной стенки 2,5 мм методами горячего прессования на прессе усилием 1600 т.е. из контейнера 95 мм в пруток 22 мм и холодного волочения, профилирования на шестигранник с размером под ключ S=5,4 мм и разрезки на мерные длины. Критическая плотность тока данного сверхпроводящего провода (легирующий вкладыш выполнен из чистого Ti составила 772 А/мм² в магнитном поле 12 Тл при температуре 4,2 К.

Таким образом, получен сверхпроводящий провод на основе соединения Nb₃ Sn, выполненный из многоволоконной заготовки, обладающий увеличенной критической плотностью тока за счет, формирования более однородной мелкозеренной структуры фазы, и увеличении количества фазы Nb(Ti)₃Sn за счет обеспечения дополнительного притока олова из центра волокна к образующейся в процессе реакционной термообработки сверхпроводящей фазе, что в конечном итоге приводит к возрастанию токонесущей способности сверхпроводящего провода.

Сверхпроводящий провод на основе соединения Nb₃ Sn, выполненный из многоволоконной заготовки, путем размещения в чехле из меди или сплава Cu-Sn прутков, полученных из первичной многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в чехле из сплава Cu-Sn блоков, каждый из которых состоит из Nb-содержащих прутков, при этом блоки разделены между собой посредством размещения между ними прутков, изготовленных из сплава Cu-Sn, а толщина стенки чехла первичной многоволоконной заготовки составляет 0,5-0,8 минимального расстояния между ближайшими Nb-содержащими прутками, не принадлежащими одному блоку, отличающийся тем, что в каждом Nb-содержащем прутке размещен вдоль центральной оси легирующий вкладыш из сплава Ti-Sn, содержащий олово в количестве от 3 до 15 мас.%.