Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе nb3sn
Изобретение относится к области электротехники при создании длинномерных композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn состоит из медного чехла. Внутри чехла расположена медьсодержащая матрица, в центре которой размещен пруток, содержащий олово. Вокруг прутка, содержащего олово, расположено множество ниобийсодержащих прутков в медьсодержащей оболочке. Медьсодержащая матрица окружена диффузионным барьером. Ниобийсодержащий пруток представляет собой композит, содержащий матрицу из ниобия или его сплава, армированную волокнами из сплава Nb-Ti, которые расположены на расстоянии не менее одного среднего размера волокна сплава Nb-Ti до границы с медьсодержащей оболочкой и расстояние, между которыми составляет не менее одного среднего размера волокна из сплава Nb-Ti. Изобретение позволяет обеспечивать высокую токонесущую способность в сверхпроводящем композиционном проводе на основе Nb3Sn в магнитных полях с индукцией выше 12 Тл. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области электротехники при создании длинномерных композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Наиболее сложной проблемой при изготовлении сверхпроводящих проводов на основе Nb3Sn является выбор конструкции и технологии формирования сверхпроводящих материалов. Это соединение имеет сравнительно низкие механические свойства, что существенно ограничивает возможность использования традиционных методов деформации и затрудняет получение таких сверхпроводящих изделий, как проволока или лента, которые в первую очередь нужны для технического использования. Кроме этого современное развитие устройств физики высоких энергий требует создания сверхпроводящих материалов со все более высокой токонесущей способностью в магнитных полях более 12 Тл.
Показано, что легирование материала ниобиевых волокон титаном в количестве от 1 до 2 масс. % приводит к существенному увеличению плотности критического тока многоволоконных сверхпроводников на основе соединения Nb3Sn [«Superconducting critical temperatures, critical magnetic fields, lattice parameters, and chemical compositions of "bulk" pure and alloyed Nb3Sn produced by the bronze process» M. Suenaga, et al - J. Appl. Phys. 59, 840 (1986), « Effects of titanium addition to the niobium cores of the multifilamentary Nb3Sn superconductors)), T. Asano., Y. Iljima, K. Itoh, K. Tachikawa - J. Jap.Metals, v. 47, №12, pp. 1115-1122, 1983]. Использование в качестве материала волокон сплава ниобия с 1-2 мас. % титана приводит к резкому снижению деформируемости композиционных заготовок и множественным обрывам на стадии волочения композиционной заготовки для получения провода нужного поперечного сечения.
Для получения композиционных Nb3Sn сверхпроводников разрабатывают различные конструкции заготовок, позволяющие получить длинномерные сверхпроводники с необходимой токонесущей способностью.
Известна заготовка для сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn, представляющая собой множество биметаллических прутков Cu/Nb и прутков из сплава Nb-47% Ti, размещенных вокруг сердечника, состоящего из олова, расположенного внутри медной матрицы [«Advances in Nb3Sn Strand for Fusion and Particle Accelerator Applications**, Jeffrey A. Parrell, Michael B. Field, Youzhu Zhang, and S. Hong, IEEE Transaction on applied superconductivity, vol. 15, №2, 2005]. При изготовлении таких сверхпроводящих проводов возможно образование хрупкого интерметаллида Ti2Cu, присутствие которого снижает деформируемость композиционной заготовки и может приводить к ее обрывности. Кроме того, расположение прутков из сплава Nb-47% Ti вокруг сердечника олова может приводить к неравномерному легированию сверхпроводящего слоя, что приведет к снижению токонесущей способности всего сверхпроводящего провода.
Известен сверхпроводящий композиционный провод, изготовленный по способу (RU 2546136, опубл. 2015 г.), включающему формирование композиционной заготовки сверхпроводника, содержащей единичные волокна из ниобия и из сплава Nb-Ti, которые размещены в матрице из меди или медного сплава, источник олова, диффузионный барьер и медное покрытие, где первичную композиционную заготовку единичного волокна формируют из большого количества (более 19) прутков из ниобия и из сплава Nb-Ti, причем количество титана по отношению к ниобию в пересчете на все волокно составляет от 0,5 до 5 масс. %, каждая упомянутая первичная композиционная заготовка единичного волокна выполнена с покрытием из медного сплава.
В данном способе изготовления сверхпроводника не описывается взаимное расположение прутков из ниобия и сплава Nb-Ti в заготовке, что имеет ключевое значение. Если прутки из сплава Nb-Ti будут расположены на границе с медным покрытием, то в процессе термообработок при изготовлении провода образуется хрупкий интерметаллид Ti2Cu. Присутствие этого соединения внутри сложного композиционного провода будет препятствовать образованию равномерного мелкозеренного сверхпроводящего слоя, а также может привести к снижению пластических характеристик и обрывности на стадии волочения. Образование Ti2Cu приведет к снижению содержания титана в сверхпроводящем слое и, как следствие, к снижению его токонесущей способности.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является заготовка для получения сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn (ЕР 2717340, опубл. 2014 г.), состоящая из медьсодержащей матрицы, в центре которой размещен пруток, содержащий олово, вокруг которого расположено множество ниобийсодержащих прутков в медьсодержащей оболочке, медного чехла и диффузионного барьера, причем медьсодержащая матрица и медьсодержащая оболочка содержат олово.
При изготовлении указанных заготовок 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 эти 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.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей является получение заготовки для изготовления 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.
Технический результат достигается в заготовке для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn, состоящая из медного чехла, внутри которого расположена медьсодержащая матрица, в центре которой размещен пруток, содержащий олово, вокруг которого расположено множество ниобийсодержащих прутков в медьсодержащей оболочке, при этом медьсодержащая матрица окружена диффузионным барьером, причем ниобийсодержащий пруток представляет собой композит, содержащий матрицу из ниобия или его сплава, армированную волокнами из сплава Nb-Ti, которые расположены на расстоянии не менее одного среднего размера волокна сплава Nb-Ti до границы с медьсодержащей оболочкой и расстояние, между которыми составляет не менее одного среднего размера волокна из сплава Nb-Ti.
В частном варианте исполнения ниобийсодержащий пруток выполнен из втулки из ниобия или его сплава, в центре которой расположен цилиндрический стержень из ниобия или его сплава, и волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti, размещенных между втулкой и цилиндрическим стержнем.
В частном варианте исполнения ниобийсодержащий пруток выполнен из цилиндрического стержня из ниобия или его сплава с отверстиями для волокон из сплава Nb-Ti.
В частном варианте исполнения ниобийсодержащий пруток выполнен из множества волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti.
В частном варианте исполнения ниобийсодержащий пруток выполнен из множества волокон ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti, расположенных внутри чехла из ниобия или его сплава.
В частном варианте исполнения между медьсодержащей оболочкой и множеством волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti размещены медные прутки - заполнители.
В частном варианте исполнения волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti имеют одинаковый размер.
В частном варианте исполнения ниобийсодержащий пруток выполнен из центрального цилиндрического стержня из ниобия или его сплава, расположенного в центре, вокруг которого размещены волокна из ниобия или его сплава и волокна сплава Nb-Ti.
В частном варианте исполнения волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti имеют многогранное, например, треугольное, четырехугольное, шестиугольное, поперечное сечение.
В частном варианте исполнения волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti имеют круглое поперечное сечение.
Таким образом, применение ниобийсодержащего прутка, в конструкции которого в матрице из ниобия или его сплава волокна из сплава Nb-Ti, расположены на расстоянии не менее одного среднего размера волокна сплава Nb-Ti до границы с медьсодержащей оболочкой и расстояние, между которыми составляет не менее одного среднего размера волокна из сплава Nb-Ti., обеспечивают равномерное легирование титаном сверхпроводящего слоя в процессе диффузионного отжига. Благодаря этому описанная конструкция ниобийсодержащего прутка обеспечивает получение высокой токонесущей способности сверхпроводящего композиционного Nb3Sn провода. При этом наличие ниобия или его сплава между волокнами из сплава Nb-Ti и медьсодержащей оболочкой позволяет избежать образования интерметаллидных соединений системы титан - медь, что позволяет получить высокую токонесущую способность сверхпроводящего композиционного провода
Использование конструкций ниобийсодержащего прутка, состоящих из втулки из ниобия или его сплава, в центре которой расположен цилиндрический стержень из ниобия или его сплава, и волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti, размещенных между втулкой и цилиндрическим стержнем, а также из цилиндрического стержня из ниобия или его сплава с отверстиями для волокон из сплава Nb-Ti позволяет разместить волокна из сплава Nb-Ti на расстоянии не менее одного среднего размера этих волокон до границы с медьсодержащей оболочкой и получить высокую токонесущую способность сверхпроводящего композиционного провода.
Изготовление ниобийсодержащего прутка из множества волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti, а также при использовании медных прутков заполнителей, и чехлов из ниобия или его сплава позволяет разместить волокна сплава Nb-Ti таким образом, чтобы получить минимально разветвленную границу Cu/Nb и позволяет получить высокую токонесущую способность сверхпроводящего композиционного провода. При сильно разветвленной границе Cu/Nb возможно неравномерное легирование сверхпроводящего слоя титаном, что ведет к возникновению внутри сверхпроводника областей с различной токонесущей способностью. Это, в свою очередь, может привести к снижению критического тока всего сверхпроводника.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено поперечное сечение заготовки. Каждая заготовка содержит медный чехол 1, внутри которого расположена медьсодержащая матрица 2, в центре которой размещен пруток 3, содержащий олово, вокруг которого расположено множество ниобийсодержащих прутков 4 в медьсодержащей оболочке 5, при этом медьсодержащая матрица окружена диффузионным барьером 6.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение ниобийсодержащего прутка 4 в медьсодержащей оболочке 5. Ниобийсодержащий пруток 4 представляет собой композит, где матрица 7 из ниобия или его сплава армирована волокнами 8 сплава Nb-Ti, которые расположены на расстоянии не менее одного среднего размера волокна до границы с медьсодержащей оболочкой 5 и расстояние, между которыми составляет не менее одного среднего размера волокна.
На фиг. 3-8 представлены различные конструктивные исполнения ниобийсодержащего прутка 4 в медьсодержащей оболочке 5.
В частном варианте исполнения (фиг. 3) ниобийсодержащий пруток 4 выполнен из цилиндрического стержня 9 из ниобия или его сплава, расположенного в центре втулки 10 из ниобия или его сплава и волокон 11 из ниобия или его сплава и волокон 8 из сплава Nb-Ti, расположенных между втулкой 10 и цилиндрическим стержнем 9.
В частном варианте исполнения (фиг. 4) ниобийсодержащий пруток 4 выполнен из множества волокон 11 из ниобия или его сплава и волокон 8 из сплава Nb-Ti.
В частном варианте исполнения (фиг. 5) ниобийсодержащий пруток 4 выполнен из множества волокон 11 ниобия или его сплава и волокон 8 из сплава Nb-Ti, расположенных внутри чехла 12 из ниобия или его сплава.
В частном варианте исполнения (фиг. 6) между медьсодержащей оболочкой 5 и множеством волокон 11 из ниобия или его сплава и волокон 8 из сплава Nb-Ti размещены медные прутки - заполнители 13.
В частном варианте исполнения (фиг. 7) ниобийсодержащий пруток 4 выполнен из цилиндрического стержня 14 из ниобия или его сплава с отверстиями для волокон 8 из сплава Nb-Ti.
В частном варианте исполнения (фиг. 8) ниобийсодержащий пруток 4 выполнен из цилиндрического стержня 9 из ниобия или его сплава, вокруг которого размещены волокна 11 из ниобия или его сплава и волокна 8 сплава Nb-Ti.
Технология получения заявляемой заготовки для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn заключается в расположении внутри медного чехла медьсодержащей матрицы, в центре которой расположен пруток, содержащий олово, вокруг которого размещено множество ниобийсодержащих прутков в медьсодержащей оболочке. При этом медь содержащая матрица помещается в диффузионный барьер.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример
Для изготовления ниобийсодержащего прутка в медьсодержащей оболочке прутки из сплава НТ47 в количестве 24 шт. шестигранного поперечного сечения с размером «под ключ» 2,7 мм размещали в матрице из ниобия, представляющей собой прутки ниобия марки НбМ в количестве 889 шт. шестигранного поперечного сечения с размером «под ключ» 2,7 мм, причем каждый пруток из сплава НТ 47 был расположен на расстоянии 3 средних размеров прутка до границы с оболочкой из меди размером 0100,5×89 мм, расстояние между соседними прутками НТ47 составляло 2-3 средних размера прутка.
Полученную заготовку выдавливали на гидравлическом трубопрутковом прессе ПА-653 из контейнера с диаметром рабочей втулки 100 мм в пруток диаметром 34 мм. Выдавленный пруток деформировали до шестигранника с размером «под ключ» 2,48 мм. Полученные шестигранные прутки разрезали на мерные части. Затем формировали заготовку следующим образом. Полученные мерные части шестигранных прутков размещали в медной матрице, в центре которой располагали оловянный пруток. Медную матрицу с размещенными в ней мерными частями шестигранных прутков заключали в ниобиевый диффузионный барьер и медный чехол. 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 K получена плотность критического тока 2468 А/мм2.
Таким образом, использование заявленной заготовки позволяет получить сверхпроводящий композиционный провод с высокой токонесущей способностью.
1. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn, состоящая из медного чехла, внутри которого расположена медьсодержащая матрица, в центре которой размещен пруток, содержащий олово, вокруг которого расположено множество ниобийсодержащих прутков в медьсодержащей оболочке, при этом медьсодержащая матрица окружена диффузионным барьером, отличающаяся тем, что ниобийсодержащий пруток представляет собой композит, содержащий матрицу из ниобия или его сплава армированную волокнами из сплава Nb-Ti, которые расположены на расстоянии не менее одного среднего размера волокна сплава Nb-Ti до границы с медьсодержащей оболочкой и расстояние, между которыми составляет не менее одного среднего размера волокна из сплава Nb-Ti.
2. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn по п. 1, отличающаяся тем, что ниобийсодержащий пруток выполнен из втулки из ниобия или его сплава, в центре которой расположен цилиндрический стержень из ниобия или его сплава, и волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti, размещенных между втулкой и цилиндрическим стержнем.
3. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn по п. 1, отличающаяся тем, что ниобийсодержащий пруток выполнен из цилиндрического стержня из ниобия или его сплава с отверстиями для волокон из сплава Nb-Ti.
4. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn по п. 1, отличающаяся тем, что ниобийсодержащий пруток выполнен из множества волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti.
5. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn по п. 1, отличающаяся тем, что ниобийсодержащий пруток выполнен из множества волокон ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti, расположенных внутри чехла из ниобия или его сплава.
6. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn по п. 1, отличающаяся тем, что между медьсодержащей оболочкой и множеством волокон из ниобия или его сплава и волокон из сплава Nb-Ti размещены медные прутки - заполнители.
7. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn по п. 1, отличающаяся тем, что ниобийсодержащий пруток выполнен из центрального цилиндрического стержня из ниобия или его сплава, расположенного в центре, вокруг которого размещены волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti.
8. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn по любому из пп. 2, 4, 5, 6, 7, отличающаяся тем, что волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti имеют одинаковый размер.
9. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn по любому из пп. 2, 3, 4, 5, 6, 7, отличающаяся тем, что волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti имеют многогранное, например треугольное, четырехугольное, шестиугольное, поперечное сечение.
10. Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn по любому из пп. 2, 3, 4, 5, 6, 7, отличающаяся тем, что волокна из ниобия или его сплава и волокна из сплава Nb-Ti имеют круглое поперечное сечение.
