Способ получения сверхпроводящих проводов на основе ниобий- титановых сплавов

 

Изобретение относится к электротехнике низких температур и может использоваться при производстве сверхпроводящих проводов, предназначенных для работы при гелиевых температурах в магнитных системах ускорителей заряженных частиц, накопителях энергии, томографах, криотурбогенераторах и криомоторах. Предложен способ получения сверхпроводящих проводов на основе ниобий-титановых сплавов, включающий размещение в стакан из меди или сплава на основе меди заготовки из ниобий-титанового сплава, герметизацию, горячее выдавливание и холодную деформацию с получением прутка, резку прутка на мерные части, последующую сборку в стакан из меди или сплава на основе меди мерных прутков до получения в последней композитной заготовке требуемого числа ниобий-титановых волокон и проведение холодных деформаций, отжигов и заключительную деформацию; при этом прутки, размещаемые в последнюю композицию заготовку, предварительно деформируют вхолодную с промежуточными отжигами при температуре 385-420^oC в течение 10 - 100 ч, после чего последнюю сборку вхолодную деформируют до такой величины суммарной деформации, чтобы выбрать все имеющиеся зазоры и дать не менее чем 10% деформацию, затем проводят дополнительный отжиг при температурно-временных режимах, соответствующих режиму промежуточного отжига, и последующие холодные деформации с отжигами до получения провода требуемого сечения. Способ обеспечивает повышение критической плотности тока и токонесущей способности проводов.

Изобретение относится к области электротехники низких температур и может использоваться при производстве сверхпроводящих проводов, предназначенных для работы при гелиевых температурах в магнитных системах ускорителей заряженных частиц, накопителей энергии, томографов, криотурбогенераторов и криомоторов.

Известен способ получения сверхпроводящих проводов, включающий операции сборки, горячее выдавливание, холодную деформацию и повторяющиеся циклы холодной деформации с отжигами. Технология изготовления сверхпроводящих проводов в значительной степени определяется требованиями к этим проводам по размерам сечения, длины, величины критического тока, потерям при перемагничивании [1]. В результате технологических операций, связанных с повторяющимися циклами холодной деформации и отжигами, критическая плотность тока в проводе возрастает. Так для провода сечением 2,5·3,5 мм, изготовленного в промышленных условиях, критическая плотность тока составила в поле 5 Тл 0,68·10⁵ А/см² [2].

Наиболее близким способом [3] получения сверхпроводящих проводов в стабилизирующей оболочке из меди и его сплавов на основе деформируемых, например, ниобий-титановых сплавов является способ, который состоит в следующем. Слиток из ниобий-титанового сплава помещают в стакан из меди или его сплава, герметизируют, нагревают до температуры 510-670^oC, выдавливают на пруток. После выдавливания передний и задний концы прутка, имеющие искаженную геометрию конструкции провода - "концевые эффекты", отрезают и пруток деформируют вхолодную до получения требуемого размера. Затем холоднодеформированный пруток разрезают на мерные части, которые помещают в стакан, проводят герметизацию, нагрев, выдавливание в многоволоконный пруток. При необходимости изготовления проводов с большим числом ниобий-титановых волокон (порядка нескольких тысяч) вышеизложенные операции изготовления композитной заготовки с помещением в нее холоднодеформированных прутков повторяются. После удаления "концевых эффектов" выдавленный пруток подвергают обработке, состоящей из повторяющихся циклов холодной деформации с отжигами при температуре 375^oC в течение 20 часов. Далее проводят заключительную до 98% холодную деформацию до получения провода заданного сечения. Этот способ изготовления сверхпроводящих проводов на основе ниобий-титановых сплавов обладает рядом недостатков: 1. Способ-прототип изготовления сверхпроводящих проводов не позволяет получить провода с высокими значениями критической плотности тока, особенно на проводах сечением более 15-20 мм², т.к. исключает возможность разместить при оптимальных предварительных деформациях достаточное количество отжигов. Ниобий-титановый сплав является пересыщенным β-твердым раствором. Распад ниобий-титанового сплава, приводящий к возрастанию его токонесущей способности в процессе отжигов, инициируется внутренними напряжениями, создаваемыми холодной деформацией. Поэтому одним из широко используемых приемов повышения критической плотности тока является увеличение числа циклов "отжиг-деформация". Практика производства сверхпроводящих проводов показывает, что перед отжигами необходима оптимальная величина холодной деформации, менее которой последующий отжиг не инициирует распад ниобий-титанового сплава. Однако, возможность выбора величины холодной деформации в этом оптимальном диапазоне деформации с последующими отжигами, т.е. числа циклов "отжиг-деформация", определяется соотношением диаметра выдавленного прутка и конечного диаметра провода. При производстве сверхпроводящих проводов горячее выдавливание сборок проводится на широко распространенных 630 тс прессах, что позволяет использовать сборки диаметрами не более 95-130 мм. На таких выдавленных прутках общая холодная деформация для проводов, например, сечением 3,5·2 мм или 4·7 мм составляет 99,33% и 99%, соответственно. Из-за ограниченной величины общей холодной деформации от выдавленного прутка до конечного размера провода невозможно увеличить число циклов "отжиг-деформация" при их оптимальном расположении, что исключает возможность достижения высокого уровня критической плотности тока в сверхпроводнике.

2. Нагрев последней композитной заготовки под выдавливание до температуры 510-670^oC приводят к росту ячеистой структуры ниобий-титанового сплава, полученной предшествующей холодной деформацией, полному снятию внутренних напряжений, растворению ранее выделившейся α-фазы, т.е. уничтожению факторов, обуславливающих распад ниобий-титанового сплава и повышение токонесущей способности провода.

3. Для изготовления сверхпроводников поперечных сечений до 20-28 мм² часто требуются провода минимальной длины около 1000 метров и весом более 100 кг, для чего необходимо выдавливать сборки диаметром более 250 мм на уникальном оборудовании, как, например, прессе с усилием до 7000 тс.

4. После горячего выдавливания последней сборки передний и задний концы прутка с искаженной геометрией поперечного сечения провода удаляются, что составляет порядка 10% от веса выдавленного конечного прутка и удорожает стоимость провода.

Вышеперечисленные недостатки отсутствуют в предлагаемом способе получения сверхпроводящих проводов на основе ниобий-титановых сплавов.

1. За счет размещения циклов деформации с промежуточными отжигами при их оптимальном расположении на прутках, вставляемых в последнюю композитную заготовку, достигается общее увеличение числа циклов "отжиг-деформация" при их оптимальном расположении в процессе изготовления провода, что обеспечивает возможность достижения высокого уровня критической плотности тока в сверхпроводнике и подготавливает условия для обеспечения металлургической связи в последней композитной заготовке при последующем отжиге.

2. Исключение нагрева последней сборки приводит к сохранению: мелкоячеистой структуры ниобий-титанового сплава, полученной предшествующей холодной деформацией; внутренних напряжений, ранее выделившейся α- фазы, т.е. факторов, обуславливающих распад ниобий-титанового сплава и повышение токонесущей способности провода.

3. Возможно изготовление сверхпроводников поперечных сечений до 20-28 мм², весом более 100 кг с использованием широко распространенного оборудования, как, например, пресс с усилием до 630 тс.

4. В прутке, получаемом из последней композитной заготовки, отсутствуют концы с искаженной геометрией поперечного сечения.

Технической задачей, решаемой с помощью предлагаемого изобретения, является получение сверхпроводящих проводов из ниобий-титановых сплавов больших поперечных сечений до 20-28 мм² и длин с критической плотностью тока в поле 5 Тл в 2,5-3 раза выше, чем по способу прототипа. Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом способе получения сверхпроводящих проводов на основе ниобий-титановых сплавов заготовки из ниобий-титанового сплава размещают в стакан из меди или сплава на основе меди, проводят герметизацию, горячее выдавливание и холодную деформацию с получением прутка, резку прутка на мерные части, последующую сборку в стакан из меди или сплава на основе меди мерных прутков до получения в последней композитной заготовке требуемого числа ниобий-титановых волокон, причем, прутки, размещаемые в последнюю композитную заготовку, предварительно деформируют вхолодную с промежуточными отжигами при температуре 385-420^oC в течение 10-100 часов, после чего последнюю композитную заготовку вхолодную деформируют до такой величины суммарной деформации, чтобы выбрать все имеющиеся зазоры и дать не менее чем 10% деформации, затем проводят дополнительный отжиг, при температурно-временных режимах, соответствующих режиму промежуточного отжига, проводят холодные деформации с отжигами и заключительную деформацию до получения провода требуемых размеров.

Пример конкретного выполнения.

Заготовка из Nb-50 мас.% Ti сплава по цилиндрической поверхности обертывали Nb листом, помещали в медный стакан, герметизировали в вакууме, полученную заготовку нагревали до температуры 580^oC в течение 1,5 часов и выдавливали на пруток на 630 тс прессе. После холодного волочения получали шестигранный профиль, от которого отрезали 55 мерных прутков, помещали в медный стакан, герметизировали в вакууме, полученную композитную заготовку нагревали до температуры 580^oC в течение 1,5 часов и выдавливали на пруток. 55-волоконный пруток деформировали вхолодную на шестигранник под ключ 6 мм с деформациями 50% и промежуточными отжигами в течение 12 часов при температуре 385^oC. Затем отрезали 54 мерных прутка и вместе с медным шестигранником помещали в медную трубу с внешним диаметром 61 мм, получая последнюю композитную заготовку. Исходя из конкретных размеров медного стакана и вставленных прутков определяли величину деформации, необходимую для устранения всех зазоров внутри последней композитной заготовки. В нашем конкретном случае она составляла 11%. С учетом дополнительной 10% деформации, обеспечивающей возможность осуществления металлургической связи элементов композитной заготовки при последующем отжиге, суммарная деформация должна быть не менее 21%. Исходя из технологических соображений суммарная холодная деформация была назначена около 30%. Передний конец последней композитной заготовки подсоединяли со специально изготовленной стальной захваткой и проводили волочение на цепном стане за несколько проходов до диаметра 48 мм. Следует отметить, что в прутке диаметром 48 мм отсутствовали концы с искаженной геометрией поперечного сечения, присущие прототипу. Пруток подвергали дополнительному отжигу при температуре 385^oC 12 час, обеспечивающему металлургическую связь элементов композитной заготовки, и затем путем холодной деформации с отжигами по 12 часов при температуре 385^oC в диапазоне деформаций 35-65% и заключительной деформации были изготовлены прямоугольные провода сечением 3,5·2 мм, 4·7 мм. В результате определений критической плотности тока в поле 5 Тл были получены следующие данные: для провода сечением 2·3,5 мм - 2,1·10⁵ А/см²; для провода сечением 4·7 мм - 1,5·10⁵ А/см².

Аналогичные результаты были получены при температурах промежуточного отжига 420^oC, при более высоких температурах промежуточного отжига отмечалась повышенная обрывность провода. При температурах промежуточного отжига менее 385^oC не достигалась металлургическая связь элементов холоднодеформированной последней композитной заготовки, что приводило к браку.

Таким образом, в результате перечисленных операций осуществления способа получены на стандартном оборудовании провода с критической плотностью тока в поле 5 Тл в 2,5-3 раза выше, чем по способу - прототипу: критические плотности тока в поле 5 Тл в способе-прототипе составили 0,68·10⁵ А/см² [2], по предлагаемому способу для провода сечением 2·3,5 мм - 2,1·10⁵ А/см²; для провода сечением 4·7 мм - 1,5·10⁵ А/см².

Была разработана и осуществлена технология получения последней композитной заготовки длиной до 6 метров и весом до 150 кг. Предлагаемый способ может быть использован для изготовления проводов и малых значений площади поперечного сечения с повышенной токонесущей способностью.

Источники информации: 1. "Металловедение и технология сверхпроводящих материалов". Под редакцией С.Фонера, Б. Шварца, М.: "Металлургиздат", 1987, стр. 231.

2. Глебов И.А. "Первая машина испытана", журнал "Химия и жизнь", N 12, 1981 г., стр.6.

3. "Superconductor material science metallurgy, fabrication and applications", edited by Simon Fornez, B.B. Schwartz, Plenum Press, 1981, рр. 303 - прототип.

Формула изобретения

Способ получения сверхпроводящих проводов на основе ниобий-титановых сплавов, включающий размещение в стакан из меди или сплава на основе меди заготовки из ниобий-титанового сплава, герметизацию, горячее выдавливание и холодную деформацию с получением прутка, резку прутка на мерные части, последующую сборку в стакан из меди или сплава на основе меди мерных прутков до получения в последней композитной заготовке требуемого числа ниобий-титановых волокон и проведение холодных деформаций, отжигов и заключительной деформации, отличающийся тем, что прутки, размещаемые в последнюю композитную заготовку, предварительно деформируют вхолодную с промежуточными отжигами при температуре 385 - 420^oС в течение 10 - 100 ч, после чего последнюю композитную заготовку вхолодную деформируют до такой величины суммарной деформации, чтобы выбрать все имеющиеся зазоры и дать не менее чем 10% деформацию, затем проводят дополнительный отжиг при температурно-временных режимах, соответствующих режиму промежуточного отжига.