Способ изготовления композитного сверхпроводника на основе nbti сплава

Классификация по МПК: H01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2157012
Дата публикации: 
Среда, Сентябрь 27, 2000
Начало действия патента: 
Вторник, Февраль 16, 1999


Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, преимущественно предназначенных для работы в магнитных полях выше 5 Тл при высоких плотностях тока и низких гистерезисных потерях. Согласно изобретению способ изготовления композитного сверхпроводника на основе NbTi сплава, включающий операции формирования первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из стабилизирующего материала и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, сборку в чехлы из стабилизирующего материала, экструзию вторичной композитной заготовки и деформирование с промежуточными термообработками, выполняемыми при температуре от 370 до 400°С, до конечного размера провода, характерен тем, что экструзию композитных заготовок проводят при температуре не более 400°С. Технический результат предложенного способа изготовления композитного сверхпроводника на основе NbTi сплава заключается в увеличении плотности критического тока в средних и высоких магнитных полях в среднем на 3-5% по сравнению со свойствами проводника, полученного с использованием экструзии при температуре 550-600°С. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

,


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, преимущественно предназначенных для работы в магнитных полях выше 5 Тл при высоких плотностях тока и низких гистерезисных потерях.

Известен способ получения композитного стабилизированного сверхпроводника на основе NbTi сплава, включающий операции формирования первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из стабилизирующего материала и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, повторную операцию сборки в чехлы из стабилизирующего материала, экструзию вторичной композитной заготовки и деформирование с промежуточными термообработками, выполняемые при температуре от 370 до 400oC, до конечного размера провода, характерный тем, что процесс экструзии введен для обеспечения металлургической связи между элементами /1/.

Полученный путем экструзии композитный пруток обладает высокой плотностью упаковки и хорошей металлургической связью между элементами. Процесс экструзии составной заготовки является основным способом получения многокомпонентного прутка (от нескольких десятков элементов до нескольких тысяч). Основными преимуществами экструзии являются: создание радиального поля напряжений в процессе уменьшения площади поперечного сечения; гомогенность пластического течения; значительное уменьшение площади поперечного сечения. Однако, для обеспечения целостности как отдельных волокон, так и всего проводника, экструзия составных заготовок может производится в определенном температурном интервале.

Выбираемая температура экструзии является очень важным параметром. В литературе приводятся параметры от 510 до 670oC. Верхняя граница температуры предварительного нагрева в основном определяется протеканием химической реакции с образованием хрупкого интерметаллического соединения Ti2O, что приводит вначале к обрыву отдельного волокна, а затем может привести к обрыву или группы соседних волокон, или проводника в целом. Нижняя граница определяется сопротивлением деформации сплава NbTi и тем фактом, что при температуре менее 600oC в о. ц.к. решетке NbTi проявляется тенденция к выделению α -Ti и упрочнению. Кроме того, считается, что если сцепление меди с NbTi происходит в процессе экструзии, то температуры менее 600oC нежелательны.

Известен способ изготовления композитного сверхпроводника на основе NbTi сплава, выбранный в качестве прототипа /2/, включающий операции формирования первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из стабилизирующего материала и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, повторную операцию сборки в чехлы из стабилизирующего материала, экструзию вторичной композитной заготовки и деформирование с промежуточными термообработками, выполняемые при температуре от 370 до 400oC, до конечного размера провода, при этом температура для экструзии композитной заготовки определена в 600oC для высокониобиевых сплавов и сплавов промежуточного состава и 550oC для высокотитановых сплавов.

Предложенные режимы экструзии составных заготовок позволяют получать длинномерные многоволоконные провода диаметром менее 1 мм, а диаметр волокна при этом может составлять 10 мкм и менее. Однако, предложенные температурные режимы выдавливания вызывают в NbTi сплаве рекристаллизацию или возврат, которые связаны с изменением субструктуры и распределением дислокаций, что приводит к уменьшению плотности критического тока в конечном композите. Таким образом, необходимая холоднодеформированная структура может быть обеспечена только в процессе последнего передела от прессованного прутка последней составной заготовки до конечного размера провода, что часто оказывается недостаточным для обеспечения требуемых токовых свойств в средних и высоких магнитных полях.

Токонесущая способность любых сверхпроводников определяется пиннингом флюксоидов магнитного потока. Основными центрами пиннинга в NbTi проводах, изготовленных по классической технологии (в отличии от проводов с искусственными центрами пиннинга), служат α -Ti выделения, получаемые в ходе многостадийных низкотемпературных термообработок. Размеры и плотность α -Ti частиц являются основными факторами той или иной силы пиннинга магнитного потока. Чем меньше диаметр выделившихся частиц и выше их плотность, тем сильнее пиннинг магнитного потока и, соответственно, выше токонесущая способность провода.

Размер частиц α -Ti определяется микроструктурой холодной деформации, поэтому все используемые сплавы подвергаются холодной деформации для развития мелкомасштабной гетерогенной микроструктуры. Развитая структура микрополос скольжения, обеспечиваемая, как правило, волочением, - это структура с плотностью ячеек до 4,9·1011 см2. Низкотемпературная термообработка такой холоднодеформированной структуры вызывает очень тонкие выделения α -Ti в стенках ячеек. Рост зародыша α -Ti происходит в объеме ячейки и ограничивается стенками ячейки. Плотность α -Ti выделений связана с плотностью дислокаций, которая в свою очередь зависит от степени холодной деформации. Таким образом, плотность выделений также определяется размером микрополос скольжения. Общее время термообработок вызывает в большей степени рост выделившейся фазы, нежели образование новых зародышей.

В условиях высокой степени холодной деформации проводов плотность дислокаций очень высока и достигает значений более 1012 мм2. В этих условиях происходит значительная взаимная аннигиляция дислокаций как по геометрическим причинам, так и вследствие процессов динамического возврата, инициируемых высокими плотностями точечных дефектов и дислокаций. Таким образом, на степень утонения микрополос могут влиять технологические параметры обработки, такие как скорость волочения, обжатие за проход, температура волочения, смазка. Уменьшение микрополос скольжения протекает вначале быстро и замедляется, когда вытяжка превышает -103, но при этом тенденция уменьшения микрополос с ростом степени деформации сохраняется. Т.е. при увеличении степени холодной деформации выше определенной величины можно добиться, пусть не столь большого, но все же заметного уменьшения размера микрополос, а следовательно, дополнительного увеличения плотности критического тока проводника.

Во время промежуточных термообработок на начальной стадии происходит упорядочивание дислокационной структуры и некоторый рост микрополос скольжения. На более поздней стадии появляются выделения α -Ti, которые образуются в крайне насыщенных дислокациями стенках субзерен. Начало выделения α -Ti зависит от степени холодной деформации, т.е. величина холодной деформации является решающим фактором в определении кинетики выделений. Таким образом, необходимую плотность выделений можно обеспечить за более короткое время.

Дополнительными, но весьма ограниченными возможностями увеличения холодной деформации обладает технологическая схема с использованием крупных заготовок, например, диаметром 250 или 300 мм, но включение в технологическую цепочку дополнительного оборудования, связанного с изготовлением чехлов, сборки массивных заготовок, вакуумирования, транспортировки, да и работа непосредственно самого гидравлического пресса с усилием не менее 6000 тс приводит к заметному удорожанию продукции и не всегда экономически целесообразна в условиях выпуска небольших партий провода.

Дополнительными, но тоже ограниченными возможностями увеличения холодной деформации обладает и другая технологическая схема, основанная на холодном наложении дополнительной медной оболочки на сформированный в процессе горячей экструзии композитный пруток, но такая схема применима для проводов с малым объемным содержанием сверхпроводника в медной матрице и оставляет много открытых технологических вопросов при изготовлении проводов с повышенным содержанием сплава.

Техническая задача настоящего изобретения заключается в обеспечении повышенной токонесущей способности композита за счет увеличения холодной деформации путем снижения температуры экструзии.

Поставленная задача решается так, что если в известном способе изготовления композитного сверхпроводника на основе NbTi сплава, который включает операции формирования первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из стабилизирующего материала и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзии и деформирования первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резки шестигранного прутка на мерные длины, повторной операции сборки в чехлы из стабилизирующего материала, экструзии и деформирования с промежуточными термообработками, выполняемые при температуре от 370 до 400oC, до конечного размера провода, температура экструзии композитных заготовок составляет 550 - 600oC, то в предлагаемом способе температура экструзии не выше температуры промежуточных отжигов, необходимых для выделения α-фазы и которые не вызывают кардинального изменения холоднодеформированной структуры.

Проведенные структурные исследования волокон композитного прутка, полученного в ходе экструзии при пониженной температуре (380oC), дают основание полагать, что сплав в основном сохранил в процессе экструзии структуру холодной деформации. Структура волокон центральных и периферийных усредняется; так, например, микротвердость волокон центральных и периферийных практически не различается, в то время, как различия микротвердости в волокнах аналогичных проводов, полученных путем горячей экструзии, составляет от 16 до 26% в зависимости от скоростных условий выдавливания.

Критерием наличия металлургической связи между элементами композита, ее надежности может служить соотношение расчетных и реальных объемных долей меди и NbTi сплава. Опытные работы, проведенные по холодному наложению дополнительной медной оболочки на прессованный многоволоконный композит в медной оболочке показали, что постоянное соотношение объемных долей меди и сплава наблюдается уже после 50% совместной холодной деформации, что соответствует значению вытяжки 2. В случае холодного выдавливания составной заготовки на гидравлическом прессе, например, с усилием 1600 тс, при использовании контейнеров с диаметром рабочего отверстия, например, 95 или 130 мм можно обеспечить значение вытяжки примерно от 4 до 10 в зависимости от объемного содержания NbTi сплава.

Отсутствие раннего выпадения α -Ti выделений в процессе холодного выдавливания обеспечивается гомогенностью NbTi сплава. Использование высокочистого высокогомогенного изначально рекристаллизованного сплава обеспечивает необходимую холодную вытяжку до получения готового размера провода в отсутствии отжигов для снятия напряжений.

В случае нагрева составной заготовки до температуры промежуточных отжигов время нагрева можно совместить непосредственно с одним из этапов стадии промежуточных термообработок.

Примеры конкретного выполнения
На фиг. 1 представлен сверхпроводящий провод диаметром 0,7 мм, включающий 198 волокон, с объемной долей NbTi сплава в медной матрице 50% (СКНТ 0,7-198-0,5), процесс изготовления которого включал операцию формирования первичной композитной заготовки, содержащей медную наружную оболочку и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, сборку 198 шестигранных прутков в медный чехол, экструзию вторичной композитной заготовки при температуре 390oC и деформирование с промежуточными термообработками до конечного размера провода.

На фиг. 2а и 2б представлены общий вид и фрагмент сверхпроводящего провода диаметром 0,85 мм, включающий 12684 волокна, с объемной долей NbTi сплава в медной матрице 43% (СКНТ 0,85-12684-0,43), процесс изготовления которого включал операцию формирования первичной композитной заготовки, содержащей медную наружную оболочку и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, сборку 151 шестигранного прутка в медный чехол, экструзию вторичной композитной заготовки при температуре 380oC, деформирование вторичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, сборку 84 шестигранных прутков в медный чехол, экструзию композитной заготовки при температуре 380oC и деформирование с промежуточными термообработками до конечного размера провода.

Технический результат предложенного способа изготовления композитного сверхпроводника на основе NbTi сплава заключается в увеличении плотности критического тока в средних и высоких магнитных полях в среднем на 3-5 %.

Источники информации
1. "Металловедение и технология сверхпроводящих материалов". Под ред. Фонера С., Шварца Б., США, 1981; Пер. с англ. М.; "Металлургия", 1987., стр. 233).

2. "Металлургия сверхпроводящих материалов". Под ред. Т. Люмана и Д. Дью-Хьюза. Пер. с англ. М.; "Металлургия", 1984, стр. 87 (прототип).

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ изготовления композитного сверхпроводника на основе NbTi сплава, включающий формирование первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из стабилизирующего материала и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, сборку в чехлы из стабилизирующего материала, экструзию вторичной композитной заготовки и деформирование с промежуточными термообработками, выполняемыми при температуре от 370 до 400oC, до конечного размера провода, отличающийся тем, что экструзию композитных заготовок проводят при температуре не более 400oC.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что экструзию композитных заготовок проводят при температуре промежуточных термообработок.