Титан для кабелепровода в сверхпроводящей катушке

 

Использование: в термоядерных реакторах, накопителях энергии и других подобных устройствах. Сущность изобретения: титан для кабелепровода в сверхпроводящей катушке содержит, мас.%: 0,7-0,13 кислорода, до 0,10 железа, до 0,10 углерода+ азота и до 0,005 водорода. Титан демонстрирует высокие механические характеристики, а также высокую прочность на излом базового металла и сваренных участков, отвечающих требованиям применения титана в качестве проводящего кабелепровода в сверхпроводящей катушке. 2 з.п. ф-лы. 3 табл., 6 ил.

Изобретение относится к сверхпроводящему проволочному материалу, предназначенному для сильноточных устройств, применяемых в термоядерных реакторах, накопителях энергии и иных подобных устройствах.

До сих пор применение находит многожильный сверхпроводящий провод с принудительным охлаждением, образуемый стабилизатором и несколькими сотнями сверхпроводящих жил, скрученных вместе, причем каждая жила диаметром около 1 мм располагается внутри трубки из нержавеющей стали.

При использовании для изготовления сверхпроводника Nb₃Sn или сплава Nb₃Sn проблема заключается в том, что плотность критического тока сверхпроводнка уменьшается примерно на 20-40% по сравнению с этим показателем многожильного сверхпроводящего провода из Nb₃Sn или сплава Nb₃Sn. Полагают, что это может быть результатом деформации сжатия Nb₃Sn, вызванной различием между коэффициентами термической усадки Nb₃Sn и нержавеющей стали.

Одним из возможных решений является использование в качестве материала для кабелепровода никелевого сплава, такого как Инколой 908, который имеет практически одинаковый с Nb₃Sn коэффициент термической усадки при высокой прочности на растяжение при температуре жидкого гелия (обозначаемой далее как 4К). Однако поскольку такие сплавы являются ферромагнетиками и имеют также проблемы с коррозионной стойкостью, их до сих пор не применяют в качестве материала для изготовления кабелепроводов.

Титан (чистый титан и титановые сплавы) является немагнитным материалом с высокой коррозионной стойкостью, коэффициент термической усадки которого близок к такой же характеристике Nb₃Sn, а превосходная сбалансированность его прочности и вязкости при очень низких температурах указывает на превосходные перспективы его использования в качестве материала для кабелепроводов в сверхпроводящей катушке.

Технической задачей изобретения является создание сверхпроводника, позволяющего решить проблему снижения плотности критического тока в сверхпроводниках и обладающего хорошими механическими свойствами, а также высокой вязкостью разрешения.

Решение технической задачи изобретения достигается созданием титана для кабелепровода в сверхпроводящей катушке со сверхпроводящей проволокой, размещенной внутри кабелепровода, содержащего, мас. %: 0,07-0,13 кислорода, до 0,10 железа, до 0,10 углерода + азота и до 0,005 водорода.

На фиг. 1 приведен график, показывающий взаимозависимость между содержанием кислорода в титане при 4К и его вязкостью.

На фиг. 2 приведен график, показывающий взаимозависимость между содержанием кислорода в титане при 4К, величиной поглощения энергии по Шарпи и значением K_1c.

На фиг. 3a и 3b приведены графики, показывающие взаимозависимость между содержанием примесей, не считая кислорода, и вязкостью разрушения (значение K_1c и величина поглощения энергии по Шарпи).

На фиг. 4 приведен график, показывающий степень изменения вязкостных свойств и вязкости разрушения подвергнутого старению титана при 4К.

На фиг. 5 приведен график,показывающий механические свойства при 4К участков металла основы по сравнению со сварными участками титана.

Титан для кабелепровода сверхпроводящей катушки, полученный в соответствии с настоящим изобретением, включает ( мас.%): 0,07-0,13 O, до 0,10 Fe, до 0,10 C + N и до 0,005 H. Остальное приходится на долю титана и неизбежных примесей. Указанный титан демонстрирует хорошие механические свойства, коррозионную стойкость и характеристики термической усадки при 4К как для металла основы, так и сварного шва.

Материал для труб кабелепроводов, в которые помещается сверхпроводящая проволока, применяемая в ядерных реакторах и в иных подобных системах с большой силой тока, обычно должен обладать следующими свойствами: (1) одинаковым коэффициентом термической усадки с Nb₃Sn; (2) не магнитностью; (3) коррозионной стойкостью; (4) высокой прочностью, высокой вязкостью и надежностью при 4К; (5) свариваемостью (бездефектный сварной шов, сварной шов, обладающий теми же механическими свойствами, что и металл основы); (6) гибкостью (низкая прочность при комнатной температуре).

После определения проблем, с которыми приходится сталкиваться в применяемой технологии и которые нуждаются в решении, авторы изобретения провели различные исследования, касающиеся материала, удовлетворяющего требованиям к трубам кабелепроводов. Это вывело авторов изобретения на титан. Относительно перечисленных выше пунктов (1), (2) и (3) титан равен или превосходит материалы, применявшиеся ранее (нержавеющая сталь, никелевый сплав). Затем были проведены исследования относительно того, насколько титановые изделия отвечают требованиям пунктов (4), (5) и (6), исходя из конкретных значений, требующихся для сверхпроводящей проволоки.

Касаясь в первую очередь гибкости при комнатной температуре и свариваемости, авторы изобретения полагают, что в сравнении с титановым сплавом, обладающим высокой прочностью на разрыв, в котором в результате термообработки происходят значительные изменения, чистый титан при своей низкой прочности при комнатной температуре и небольших различиях в свойствах между металлом сварного шва и основы лучше подходит для изготовления труб кабелепровода. Кроме того, после изучения конкретных числовых значений требований к прочности, пластичности и вязкости при изготовлении труб кабелепроводов авторы изобретения установили следующие предельные значения относительно механических свойств при 4К.

Предел пропорциональности - σE ≥ 400 Мпа Предел текучести - σY ≥ 550 МПа - δν/σY ≥ 1,3 Удлинение - El≥10% - K_1c≥100 МПа·м^-1/2 - uE≥30 Дж Указанные предельные значения свойств были установлены на основании следующих факторов. Предел пропорциональности является пределом деформации, не вызывающим ухудшения свойств Nb₃Sn, предел текучести основывается на требующейся несущей способности кабелепровода при 4К, предел отношения текучести выводится из степени механической упрочняемости при 4К^*, требующейся для конструкционного материала, а предельные значения вязкости разрушения и ударного испытания по Шарпи должны не допустить хрупкого разрушения при 4К. Поскольку изготовление труб кабелепроводов требует обработки в холодном состоянии при комнатной температуре, более желательным является более низкий предел текучести при комнатной температуре. Кроме того, физические характеристики сварного шва должны быть близки к физическим характеристикам металла основы.

После этого авторы изобретения провели систематическое исследование зависимости между наличием рассеянных элементов (примесей) в чистом титане и условиями отжига и прочностными свойствами и вязкостью разрушения. Исследование показало, что условия, удовлетворяющие указанным предельным значениям свойств могут быть получены путем должного контроля наличия этих рассеянных элементов, причем сделали вывод, что чистый титан является идеальным материалом для кабелепроводов, удовлетворяющим всем указанным пунктам от (1) до (6). Примеси, в особенности кислород, оказывают заметное воздействие на прочностные характеристики чистого титана при комнатной температуре; известно, что присутствие кислорода способствует повышению прочности на разрыв.

На фиг. 1 графически показана зависимость предела текучести (0,2% несущей способности) металла основы и стыков при 4К от содержания кислорода. Обнаружено, что при 4К также повышение содержания кислорода вызывает соответствующее увеличение предела текучести (0,2% несущей способности) при уменьшении удлинения, практически таком же, как и при комнатной температуре. На фиг. 2 показана зависимость между содержанием кислорода, результатом ударного испытания по Шрапи и значением K_1c. Обнаружено, что в отличие от прочности на разрыв результаты ударных испытаний по Шарпи и значения K уменьшаются при повышении содержания кислорода. Относительно фиг. 3, показывающей зависимость между содержанием примесей, не считая кислорода, и вязкостью разрушения (значение K_1c) при 4К, можно видеть, что вязкость разрушения уменьшается при увеличении содержания примесей.

После формовки трубы кабелепровода сверхпроводника из Nb₃Sn подвергают заключительной операции старения с целью легирования. Обнаружено, что прочность при комнатной температуре и при 4К варьируется в широких пределах в зависимости от использованных условий старения. В качестве примера на фиг. 4 показаны изменения механических свойств при 4К чистого титана, подвергнутого обычным условиям легирования Nb₃Sn при 700^oC в течение 100 ч. При добавлении операции старения наблюдается заметное ухудшение прочности на разрыв, в то время как с другой стороны улучшается относительное удлинение и вязкость разрушения. Отсюда следует, что, стремясь улучшить прочность материала при 4К при определении химического состава и условий старения, необходимо полностью учитывать степень снижения прочности, вызванную операцией старения.

Однако свойства сварного шва при комнатной температуре и при 4К должны совпадать со свойствами металла основы. Преимущество, которым обладает чистый титан по сравнению с титановыми сплавами, заключается в том, что при условии использования в процессе сварки необходимой защиты дуги термическое воздействие ведет к меньшим изменениям в его текстуре и, следовательно, к меньшим изменениям в механических свойствах. На фиг. 5 в качестве примера показано сопоставление (перед искусственным старением) механических свойств при 4К участков металла основы и металла сварного шва чистого титана, полученного высоконадежным процессом сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа. Хотя полученные с помощью этого процесса сварные швы обладают несколько более высокой прочностью на разрыв и меньшими относительным удлинением и вязкостью разрушения, различия с металлом основы очень малы. При определении значений предельного содержания включений в материале, являющемся предметом изобретения, указанные данные полностью принимаются во внимание на общем основании.

Как показано на фиг. 1, при комнатной температуре и при 4К увеличение содержания кислорода ведет к увеличению предела пропорциональности и предела текучести и к снижению вязкости разрушения. Кислород является междуузельным элементом твердого раствора, повышающим внутреннее напряжение и прочность материала. В то же время для изменения режима деформации заметно снижается вязкость разрушения при сверхнизкой температуре (фиг. 2)^*. При содержании кислорода менее 0,07% предел пропорциональности недостаточен для того, чтобы не допустить деградации свойств Nb₃Sn и предела текучести при 4К. При содержании кислорода, превышающем 0,13%, относительное удлинение при 4К не превышает 10%, а вязкость разрушения К не превышает 100 МПа·м^-1/2, что затрудняет обеспечение структурной надежности и избежания вязкого разрушения.

Железо по содержанию уступает только кислороду. Повышение содержания железа ведет к понижению вязкости разрушения и имеет также тенденцию к снижению коррозионной стойкости. При содержании железа более 0,10% требуемые значения ударного испытания по Шарпи и K_1c не достигаются.

Как и в случае с кислородом, на вязкость разрушения оказывают воздействие содержание углерода и азота (C + N); если сказать конкретнее, то повышение содержания C + N ведет к выраженной деградации вязкости разрушения. Если содержание превышает 0,10%, требуемые значения ударного испытания по Шарпи и вязкости разрушения не достигаются.

Увеличение содержания водорода вызывает наряду с уменьшением вязкости разрушения при 4К образование гидридов, усиливающих водородное охрупчивание и заметно ухудшающих обрабатываемость в холодном состоянии. Поэтому содержание водорода не должно превышать 0,005%.

Примеры.

Свойства металла основы и сварного шва при комнатной температуре и при 4К изучали на примере материалов, имеющих химический состав в соответствии с настоящим изобретением и на примере материалов, имеющих иной состав. Химический состав, условия термообработки и условия сварки перечислены в табл.1 и 2. В табл. 1 (1) является материалом, соответствующим настоящему изобретению, материалы от (2) до (5) являются примерами материалов, в которых содержание кислорода или иных примесей не соответствует предельным значениям, предусмотренным настоящим изобретением.

Для получения плавок титана, имеющего химический состав, указанный в табл. 1, использовали вакуумно-дуговую печь с расходуемым электродом. Затем из этого титана путем горячей и холодной прокатки получили листы толщиной 1 мм, подвергнутые далее отжигу. Эти листы использовали далее для получения стыковых сварных швов, применив для этого условия сварки, указанные в табл. 2. Эти швы подвергли затем искусственному старению (выдержав в течение 100 ч при 700^oC с последующим охлаждением на воздухе), чтобы моделировать обработку для легирования Nb₃Sn. В табл. 3 перечисляются характеристики прочности и вязкости разрушения металла основы и сварных швов этих листов при комнатной температуре и при 4К.

Листы толщиной 2,5 мм готовили отдельно в качестве образцов для испытаний на разрыв и ударных испытаний Шарпи, проводимых при наложении листов друг на друга. Для определения вязкости разрушения готовили лист толщиной 15 мм. Испытания на изгиб проводились на трех образцах, каждый размерами 10х20х100 мм, вырезанных из центральной части листа.

Металл основы и сварного шва образца с высоким содержанием кислорода (2) удовлетворяют заданным значениям прочности на разрыв, однако значения относительного удлинения и результатов ударных испытаний Шарпи выходят за установленные рамки. При низкой прочности на разрыв при комнатной температуре образец с низким содержанием кислорода (3) обладает хорошей обрабатываемостью, но не демонстрирует требуемого предела текучести при 4К. Образец (4), материал с высоким содержанием примесей железа, демонстрирует недостаточные значения для результата ударных испытаний по Шарпи и K_1c и сходная тенденция наблюдается для образца (5), материала с высоким содержанием углерода и азота. Однако в случае материала, являющегося предметом изобретения, соответствующие предельные значения характеристик при 4К для металла основы и сварного шва, а также все иные свойства находятся в заданных пределах.

Таким образом, можно удостовериться, что материал трубки кабелепровода, являющийся предметом настоящего изобретения, обладает при 4К механическими свойствами, полностью удовлетворяющими заданным требованиям.

Титан для кабелепровода сверхпроводящей катушки согласно данному изобретению может использоваться в качестве материала для сильноточного кабелепровода в термоядерных реакторах, накопителях энергии и других подобных устройствах. Дополнительно к предотвращаемому снижению свойств сверхпроводника титановый материал согласно изобретению наглядно демонстрирует лучшие механические свойства при 4К, прочность на разрыв, свариваемость, коррозионную стойкость и гибкость при комнатной температуре.

Формула изобретения

1. Титан для кабелепровода в сверхпроводящей катушке со сверхпроводящей проволокой, размещенной внутри кабелепровода, содержащий, мас.

Кислород 0,07 0,13
Железо До 0,1
Углерод + азот До 0,1
Водород До 0,005
2. Титан по п.1, отличающийся тем, что сверхпроводящая проволока выполнена из Nb₃Sn или его сплава.

3. Титан по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит, мас.

Кислород 0,1
Железо 0,05
Углерод + азот 0,02
Водород 0,0018к

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6