Способ получения многоволоконной заготовки для изготовления сверхпроводящего провода на основе соединения nb3sn (варианты)

 

Изобретение относится к получению сверхпроводящих материалов и может быть использовано в электротехнической промышленности и других отраслях науки и техники при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем различного назначения. Способ получения многоволоконной заготовки для изготовления сверхпроводящего провода на основе соединения Nb₃Sn включает формирование первичной многоволоконной заготовки путем размещения в чехле из сплава Cu-Sn Nb-содержащих прутков, которую деформируют и формируют многоволоконную заготовку путем размещения прутков, полученных из первичной многоволоконной заготовки, в чехле из меди или сплава Cu-Sn, при этом при формировании первичной многоволоконной заготовки Nb-содержащие прутки разделяют между собой путем размещения между ними прутков из сплава Cu-Sn, а толщину стенки чехла первичной многоволоконной заготовки выбирают в интервале 0,5-0,8 минимального расстояния между ближайшими Nb-содержащими прутками. В другом варианте получения многоволоконной заготовки 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 в интервале 0,5-0,8 минимального расстояния между ближайшими Nb-содержащими прутками, не принадлежащими одному блоку. Технический результат предлагаемого способа состоит в получении проводника с равномерным расположением волокон в поперечном сечении проводника и повышении критической плотности тока сверхпроводящего проводника в поле 12 Тл на 15-30%. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к получению сверхпроводящих материалов и может быть использовано в электротехнической промышленности и других отраслях науки и техники при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем различного назначения.

Известен способ изготовления многоволоконной заготовки для получения сверхпроводящего провода на основе соединения Nb₃Sn, согласно которому формируют многоволоконную заготовку путем размещения в чехле из сплава Cu-Sn Nb-содержащих прутков, деформируют многоволоконную заготовку, причем, в случае необходимости получения большого числа волокон, стадии формирования многоволоконной заготовки и ее деформирования могут быть повторены с размещением в чехле прутков, полученных из предыдущей многоволоконной заготовки [1].

При использовании данного способа равномерное расположение волокон можно получить только при одностадийном формировании многоволоконной заготовки, однако, в таком случае максимальное число волокон в проводнике не может существенно превышать 1500 шт. из-за существенных технических трудностей при формировании заготовки. Но для получения проводников с высокими значениями критической плотности тока, которые обеспечиваются диаметром волокна в готовом проводе порядка 2-3 мкм, число волокон должно существенно превышать это количество. Так, провод диаметром 0,7-0,8 мм содержит, как правило, 7-12 тысяч волокон.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ получения многоволоконной заготовки для производства сверхпроводника с большим числом Nb₃Sn волокон, согласно которому сначала формируют первичную многоволоконную заготовку путем размещения в чехле из сплава Cu-Sn Nb-содержащих прутков, которую деформируют до прутка требуемого размера, и пруток разрезают на мерные отрезки. Из прутков первичной заготовки формируют многоволоконную заготовку путем размещения этих прутков в чехле из меди или сплава Сu-Sn [2]. Многоволоконной здесь и далее называется вторая заготовка, полученная из прутков первичной многоволоконной заготовки.

Недостатком этого способа являются низкие значения критической плотности тока получаемого сверхпроводящего провода вследствие неравномерного расположения ниобиевых волокон по сечению провода, поскольку волокна, находящиеся в центре каждой стренги, представляющей собой деформированный пруток первичной многоволоконной заготовки, расположенный в многоволоконной заготовке, окружены меньшим количеством сплава Cu-Sn, являющимся источником диффузии олова в ниобий для получения соединения Nb₃Sn, чем волокна, находящиеся на периферии стренги.

Неравномерное распределение волокон в готовом проводе, изготовленном из заготовки, полученной согласно прототипу, обусловлено тем, что на стадии формирования многоволоконной заготовки расстояние между ближайшими Nb-содержащими прутками, принадлежащими соседним стренгам, равно двойной толщине стенки чехла первичной многоволоконной заготовки после ее деформирования, а Nb-содержащие прутки, принадлежащие одной стренге, непосредственно контактируют друг с другом.

Техническая задача предлагаемого способа заключается в получении равномерного распределения волокон в поперечном сечении провода и повышении критической плотности тока сверхпроводящего провода.

Указанная техническая задача достигается тем, что в предлагаемом способе получения многоволоконной заготовки для изготовления сверхпроводящего провода на основе соединения Nb₃Sn, 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 разделяют между собой 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 соседними Nb-содержащими прутками.

В другом варианте изобретения указанная техническая задача достигается тем, что в предлагаемом способе получения многоволоконной заготовки для изготовления сверхпроводящего провода на основе соединения Nb₃Sn, 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 разделяют на равные по количеству прутков блоки путем размещения между блоками прутков из сплава Cu-Sn, а толщину стенки чехла первичной многоволоконной заготовки выбирают равной 0,5-0,8 минимального расстояния между соседними Nb-содержащими прутками, не принадлежащими одному блоку.

В предлагаемом изобретении, при формировании многоволоконной заготовки, иллюстрируемой фиг.1, где 1 - Nb-содержащий пруток; 2 - пруток из сплава Cu-Sn; 3 - чехол первичной многоволоконной заготовки; 4 - чехол многоволоконной заготовки, минимальное расстояние между соседними Nb-содержащими прутками, принадлежащими одной стренге, определяется размером размещенного между ними прутка из сплава Cu-Sn, а минимальное расстояние между ближайшими Nb-содержащими прутками, принадлежащими соседним стренгам, определяется удвоенной толщиной стенки чехла первичной многоволоконной заготовки. Таким образом, если при формировании первичной многоволоконной заготовки толщину стенки ее чехла выбирают равной половине поперечного размера прутков из сплава Cu-Sn, то на стадии формирования многоволоконной заготовки расстояния между любыми соседними Nb-содержащими прутками равны. Таким образом размещение между Nb-содержащими прутками прутков из сплава Cu-Sn в первичной многоволоконной заготовке позволяет получить равномерное размещение волокон в готовом проводе.

При деформировании первичной многоволоконной заготовки до прутка и многоволоконной заготовки до готового провода периферийные прутки первичной многоволоконной заготовки, как правило, деформируются неравномерно, что приводит к искажению их геометрии в поперечном сечении и появлению в готовом проводе пар волокон, принадлежащих соседним стренгам, расстояние между которыми меньше критического, т.е. требуемого с точки зрения влияния на гистерезисные потери в проводе. В случае высоких требований к проводу по гистерезисным потерям, толщину чехла первой многоволоконной заготовки увеличивают на 50-60%, что обеспечивает гарантированное расстояние между волокнами соседних стренг и не приводит к резкому увеличению гистерезисных потерь. Исходя из этого, толщину стенки чехла первичной многоволоконной заготовки выбирают в интервале 0,5-0,8 минимального расстояния между соседними Nb-содержащими прутками.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1.

Многоволоконная заготовка для изготовления сверхпроводящего провода, содержащая 7641 волокно, получена по способу, включающему формирование первичной многоволоконной заготовки, ее деформирование и формирование многоволоконной заготовки.

Для изготовления первичной многоволоконной заготовки 27 Nb-содержащих прутков помещают в чехол из сплава Cu-Sn, а между ними размещают 46 прутков из сплава Cu-Sn. Все прутки имеют шестигранную форму с размером “под ключ” 8,65 мм. Наружный диаметр чехла составляет 94,0 мм, толщина стенки 4,5 мм.

Схема расположения Nb-содержащих прутков в первичной многоволоконной заготовке представлена на фиг.2, где 1 - Nb-содержащие прутки, 2 - прутки из сплава Cu-Sn, 3 - чехол первичной многоволоконной заготовки.

Полученную заготовку выдавливали на прессе усилием 1600 т.с. из контейнера 95 мм на пруток 22 мм. Полученный пруток деформировали с промежуточными отжигами до шестигранника с размером “под ключ”, равным 3,1 мм. Полученные шестигранники разрезали на мерные длины и формировали многоволоконную заготовку путем размещения полученных шестигранных прутков в количестве 285 шт в медном чехле.

Полученную многоволоконную заготовку деформировали путем выдавливания на пруток 22 мм и волочения с промежуточными отжигами до диаметра 0,74 мм.

На данном проводе, в поле 12 Тл была получена критическая плотность тока 650 А/мм², что на 15% превышает показатели прототипа.

Пример 2.

Многоволоконная заготовка для изготовления сверхпроводящего провода, содержащая 7596 волокон, получена по способу, включающему формирование первичной многоволоконной заготовки, ее деформирование и формирование многоволоконной заготовки. Формирование первичной многоволоконной заготовки проводили путем размещения в чехле из сплава Cu-Sn 36 блоков, каждый из которых состоял из двух Nb-содержащих прутков шестигранной формы с размером “под ключ”, равным 5,5 мм. Блоки разделены между собой путем размещения между ними шестигранных прутков, изготовленных из сплава Cu-Sn, с размером “под ключ” 5,5 мм. Общее число прутков, разделяющих блоки, - 127. Наружный диаметр чехла составил 93,5 мм, толщина стенки 3,25 мм. Схема расположения блоков в первой многоволоконной заготовке представлена на фиг.3, где, 1 - Nb-содержащие прутки, 2 - прутки из сплава Cu-Sn, 3 - чехол первичной многоволоконной заготовки.

Полученную заготовку вылавливали на прессе усилием 1600 т.с. из контейнера 95 мм на пруток 22 мм. Полученный пруток деформировали с промежуточными отжигами до шестигранника с размером “под ключ”, равным 3,6 мм. Полученные шестигранники разрезали на мерные длины и формировали многоволоконную заготовку путем их размещения (в количестве 211 шт.) в медном чехле диаметром 95 мм.

После деформирования многоволоконной заготовки путем выдавливания и последующего волочения с промежуточными отжигами до диаметра 0,72 мм приведенный диаметр волокна в проводнике составил 2,7 мкм. На данном проводе в поле 12 Тл была получена критическая плотность тока 770 А/мм², что на 200 А/мм² превышает критическую плотность тока по прототипу.

Таким образом получен новый технический результат, заключающийся в получении провода с равномерным расположением волокон в поперечном сечении и повышении критической плотности тока сверхпроводящего провода в поле 12 Тл на 15-30%.

Источники информации

1. Металловедение и технология сверхпроводящих материалов. Под редакцией С.Фернера и Б.Шварца, перевод с английского. М.: Металлургия, 1987, с.282-283.

2. Патент России №2050605 от 13.03.96 г. - прототип.

Формула изобретения

1. Способ получения многоволоконной заготовки для изготовления сверхпроводящего провода на основе соединения Nb₃Sn, согласно которому формируют первичную многоволоконную заготовку путем размещения в чехле из сплава Cu-Sn Nb-содержащих прутков, которую деформируют, и формируют многоволоконную заготовку путем размещения прутков, полученных из первичной многоволоконной заготовки, в чехле из меди или сплава Cu-Sn, отличающийся тем, что при формировании первичной многоволоконной заготовки Nb-содержащие прутки разделяют между собой путем размещения между ними прутков из сплава Cu-Sn, а толщину стенки чехла первичной многоволоконной заготовки выбирают в интервале 0,5-0,8 минимального расстояния между ближайшими Nb-содержащими прутками.

2. Способ получения многоволоконной заготовки для изготовления сверхпроводящего провода на основе соединения Nb₃Sn, согласно которому формируют первичную многоволоконную заготовку путем размещения в чехле из сплава Cu-Sn Nb-содержащих прутков, которую деформируют, и формируют многоволоконную заготовку путем размещения прутков, полученных из первичной многоволоконной заготовки, в чехле из меди или сплава Cu-Sn, отличающийся тем, что 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 в интервале 0,5-0,8 минимального расстояния между ближайшими Nb-содержащими прутками, не принадлежащими одному блоку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3