RU2815890C1 - Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn - Google Patents
Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn Download PDFInfo
- Publication number
- RU2815890C1 RU2815890C1 RU2022115629A RU2022115629A RU2815890C1 RU 2815890 C1 RU2815890 C1 RU 2815890C1 RU 2022115629 A RU2022115629 A RU 2022115629A RU 2022115629 A RU2022115629 A RU 2022115629A RU 2815890 C1 RU2815890 C1 RU 2815890C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- rods
- niobium
- rod
- copper
- Prior art date
Links
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 48
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 31
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 30
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 229910020018 Nb Zr Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 21
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910020012 Nb—Ti Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910001257 Nb alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract description 6
- 230000006698 induction Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 229910000657 niobium-tin Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 11
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 8
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 7
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 7
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 3
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910008839 Sn—Ti Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000906 Bronze Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003192 Nb–Ta Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 229910020888 Sn-Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019204 Sn—Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- BLOIXGFLXPCOGW-UHFFFAOYSA-N [Ti].[Sn] Chemical compound [Ti].[Sn] BLOIXGFLXPCOGW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010974 bronze Substances 0.000 description 1
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области электротехники при создании длинномерных композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий. Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn состоит из медного чехла, внутри которого расположена медная матрица, в центре которой размещен оловосодержащий пруток, вокруг которого расположено множество прутков в медной оболочке. При этом медная матрица окружена многослойным диффузионным ниобиевым барьером. Множество прутков состоит из прутков, содержащих сплав Nb-Ti, и прутков Nb-Zr сплава. Каждый пруток Nb-Zr сплава представляет собой композит, выполненный из Nb-Zr сплава в виде стержня, окруженного ниобиевым барьером. Изобретение обеспечивает высокую токонесущую способность в длинномерном сверхпроводящем композиционном проводе на основе Nb3Sn в магнитных полях с индукцией выше 12 Тл. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области электротехники при создании длинномерных композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Современное развитие устройств физики высоких энергий требует создания сверхпроводящих материалов с высокой токонесущей способностью в магнитных полях вплоть до 16 Тл. Известно, что плотность критического тока сверхпроводника зависит, в числе и других факторов, от дефектов кристаллической структуры, а именно: плотности границ зерен, количества частиц вторых фаз нанометрического размера, примесей и т.д. Чем их больше, тем выше плотность тока, протекающего по сверхпроводнику. Одним из способов создания дефектов, искажений кристаллической решетки, образования фаз нанометрического размера и т.д. является легирование.
В последнее время с целью увеличения количества наноразмерных частиц в сверхпроводящем слое применяется метод внутреннего окисления. Для этого в конструкции сверхпроводника элементы: прутки, трубки, которые были выполнены из чистого ниобия, изготавливают из сплава Nb-Zr, а оксидные порошки вводят как легирующие элементы, например в источник олова. В процессе диффузионного отжига проводника финального размера кислород, содержащийся в порошке оксида, вступает в реакцию с цирконием с образованием оксида циркония. Частицы этого оксида, как правило, имеют наноразмеры и могут располагаться как в теле, так и по границам Nb3Sn зерен. Показано, что присутствие частиц оксида циркония в сверхпроводящем слое позволяет увеличить плотность критического тока сверхпроводящего слоя в магнитном поле 12 Тл при температуре 4,2 К до 9600 A/мм2 [«Internally oxidized Nb3Sn strands with fine grain size and high critical current density», X. Xu, M.D. Sumption, X.Peng, Adv. Mater. 2015, 27, 1346-1350].
Известна заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn (ЕР 2717340, опубл. 2014 г), состоящая из медьсодержащей матрицы, в центре которой размещен оловосодержащий пруток, вокруг которого расположено множество ниобийсодержащих прутков в медьсодержащей оболочке, медного чехла и диффузионного барьера, причем медьсодержащая матрица и медьсодержащая оболочка содержат олово.
При изготовлении указанной заготовки 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 частицы этого 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.
Известен сверхпроводящий многоволоконный Nb3Sn провод, стабилизированный цирконием (US 2003/0168246 А1, опубл. 2003 г), сформированный из множества волокон, каждое из которых состоит из множества Nb3Sn зерен, имеющих множество распределенных частиц ZrO2 и расположенных в металлической матрице, которая имеет электрическую проводимость при температуре ниже 77 К и коэффициент термического расширения такой же или выше, чем Nb3Sn. В данном проводе высокая токонесущая способность достигается увеличением количества центров пиннинга, которыми служат частицы ZrO2. Этот механизм работает в средних магнитных полях до 12 Тл. Для получения высокой токонесущей способности в магнитных полях более 12 Тл необходимо увеличивать верхнее критическое поле сверхпроводника. Как правило, с этой целью сверхпроводящее соединение легируют танталом и/или титаном. В описанном проводе не предусмотрено совместное легирование сверхпроводящего слоя, состоящего из множества Nb3Sn зерен, цирконием совместно с танталом и/или титаном, что не позволит достичь высокой токонесущей способности проводника в сильных магнитных полях.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является заготовка для получения сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn методом внутреннего источника олова [«Results on mono element internal tin Nb3Sn conductors (MEIT) with Nb7.5Ta and Nb(1Zr+Ox) filaments», Bruce A. Zeitlin, Eric Gregory, Jud Marte, Mark Benz, Tae Pyon et al. IEEE Transaction on applied superconductivity, vol. 15, №2, 2005], которая состоит из медной матрицы, в центре которой размещен оловосодержащий пруток, вокруг которого расположено множество прутков из сплава Nb - 1 мас. % Zr, каждый из которых имеет медную оболочку, многослойного ниобиевого барьера и медного чехла. В качестве источника олова использован пруток из сплава Sn-Ti, Sn-Cu или Sn-SnO.
Двойное легирование Nb3Sn сверхпроводящего слоя цирконием и титаном, даже при отсутствии частиц оксида циркония в сверхпроводящей фазе позволяет получить наибольшую плотность критического тока в проводнике после отжига при температуре 700°С. Однако получение сплава Sn-Ti и его последующая деформация является сложной задачей, поскольку олово с титаном образуют интерметаллидные соединения, которые представляют собой хрупкие, твердые частицы. Размер и распределение этих частиц трудно контролировать как при выплавке сплава, так и получении прутков из него. Это может привести к неравномерному легированию сверхпроводящего Nb3Sn слоя титаном, и снижению его критического тока. Кроме этого, присутствие крупных интерметаллидных частиц соединения олова с титаном может являться причиной обрывности провода при его волочении.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей является получение заготовки для изготовления длинномерного сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn методом внутреннего источника олова с высокой токонесущей способностью для использования в различных магнитных системах с полями выше 12 Тл.
Техническим результатом является обеспечение высокой токонесущей способности в длинномерном сверхпроводящем композиционном проводе на основе Nb3Sn в магнитных полях с индукцией выше 12 Тл.
Технический результат достигается в заготовке для изготовления длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn, состоящей из медного чехла, внутри которого расположена медная матрица, в центре которой размещен оловосодержащий пруток, вокруг которого расположено множество прутков в медной оболочке, при этом медная матрица окружена многослойным ниобиевым барьером, причем множество прутков состоит из прутков, содержащих сплав Nb-Ti, и прутков Nb-Zr сплава, при этом каждый пруток Nb-Zr сплава представляют собой композит, выполненный из Nb-Zr сплава в виде стержня, окруженного ниобиевым барьером.
В частном варианте исполнения прутки Nb-Zr сплава расположены вокруг оловосодержащего сердечника и по внутренней стороне диффузионного барьера.
В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, причем внутренний слой выполнен из сплава ниобия, а внешний слой из ниобия.
В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, причем внутренний слой выполнен из ниобия, а внешний слой из сплава ниобия.
Таким образом, использование в конструкции заготовки множества прутков, состоящих из прутков, содержащих сплав Nb-Ti, и прутков Nb-Zr сплава, в виде стержня, окруженного ниобиевым барьером, позволяет осуществить легирование сверхпроводящего слоя совместно титаном и цирконием. Согласно литературным данным [Superconducting critical temperatures, critical magnetic fields, lattice parameters, and chemical compositions of "bulk" pure and alloyed Nb3Sn produced by the bronze process, M. Suenaga, D. O. Welch, R. L. Sabatini, O. F. Kammerer and S. Okuda, J. Appl. Phys. 59, 840 (1986); doi: 10.1063/1.336607] легирование Nb3Sn слоя цирконием и титаном позволяет увеличить верхнее критическое поле сверхпроводника в целом, а значит и его критический ток в сильных полях. В связи с этим использование двух типов прутков, один из которых легирован титаном, а другой цирконием позволяет увеличить токонесущую способность сверхпроводника в целом.
Расположение прутков из Nb-Zr сплава в медной матрице вокруг оловосодержащего прутка позволяет уменьшить долю крупнозеренного Nb3Sn слоя, тем самым увеличить плотность границ зерен сверхпроводящего соединения и плотность критического тока проводника в целом. Расположение прутков Nb-Zr сплава по внутренней поверхности диффузионного барьера позволяет снизить долю столбчатых Nb3Sn зерен, элементный состав которых не является стехиометрическим и за счет этого увеличить токонесущую способность.
Использование двухслойного барьера, внутренний слой которого выполнен из сплава ниобия, позволяет изменить кинетику образования сверхпроводящего слоя, его зеренную структуру и увеличить токонесущую способность сверхпроводника.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено поперечное сечение заготовки. Каждая заготовка содержит медный чехол 1, внутри которого расположена медная матрица 2, в центре которой размещен оловосодержащий пруток 3, вокруг которого расположено множество прутков в медной оболочке 4, при этом медная матрица 2 окружена многослойным диффузионным ниобиевым барьером 5. Множество прутков состоит из прутков 6, содержащих сплав Nb-Ti, и прутков 7 Nb-Zr сплава.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение прутка 7 Nb-Zr сплава. Каждый пруток 7 представляет собой композит, выполненный из Nb-Zr сплава в виде стержня 8, окруженного ниобиевым барьером 9.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример
Для изготовления прутка Nb-Zr сплава была собрана сборка, состоящая из Nb-Zr стержня, ниобиевого барьера и медной оболочки. Полученную заготовку выдавливали на гидравлическом трубопрутковом прессе ПА-653 из контейнера с диаметром рабочей втулки 100 мм в пруток диаметром 46 мм. Выдавленный пруток, представляющий собой композит, деформировали до шестигранника с размером «под ключ» 3,2 мм. Полученные шестигранные прутки разрезали на мерные части с получением прутков Nb-Zr сплава.
При изготовлении заготовки для получения сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn прутки Nb-Zr сплава в количестве 144 шт. и прутки, содержащих сплав Nb-Ti, в количестве 462 шт. с размером «под ключ» 3,2 мм размещали в медной матрице. Оловосодержащий пруток помещали в центре матрицы. Медную матрицу с размещенными в ней шестигранными прутками заключали в двуслойный диффузионный барьер, внутренний слой которого был изготовлен из сплава Nb-Ta, а внешний из чистого ниобия. 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 К получена плотность критического тока 2942 А/мм2 на сечении без меди. Длина провода составила более 700 м.
Таким образом, использование заявленной заготовки позволяет получить длинномерный сверхпроводящий композиционный провод с высокой токонесущей способностью.
Claims (4)
1. Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn, состоящая из медного чехла, внутри которого расположена медная матрица, в центре которой размещен оловосодержащий пруток, вокруг которого расположено множество прутков в медной оболочке, при этом медная матрица окружена многослойным диффузионным ниобиевым барьером, отличающаяся тем, что множество прутков состоит из прутков, содержащих сплав Nb-Ti, и прутков Nb-Zr сплава, при этом каждый пруток Nb-Zr сплава представляет собой композит, выполненный из Nb-Zr сплава в виде стержня, окруженного ниобиевым барьером.
2. Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn по п. 1, отличающаяся тем, что прутки из сплава Nb-Zr расположены вокруг оловосодержащего прутка и по внутренней стороне диффузионного барьера.
3. Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn по п. 1, отличающаяся тем, что диффузионный ниобиевый барьер состоит из двух слоев, причем внутренний слой выполнен из сплава ниобия, а внешний слой из ниобия.
4. Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn по п. 1, отличающаяся тем, что диффузионный ниобиевый барьер состоит из двух слоев, причем внутренний слой выполнен из ниобия, а внешний слой из сплава ниобия.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2815890C1 true RU2815890C1 (ru) | 2024-03-25 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2507636C2 (ru) * | 2008-12-23 | 2014-02-20 | Лувата Эспоо Ой | Металлическая сборка, заготовка для сверхпроводника, сверхпроводник и способ, пригодный для получения сверхпроводника |
| RU2546136C2 (ru) * | 2013-08-12 | 2015-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" | СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Nb3Sn СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ПРОВОДА |
| WO2019132698A1 (ru) * | 2017-12-28 | 2019-07-04 | Акционерное Общество "Твэл" | ЗАГОТОВКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КОМПОЗИЦИОННОГО ПРОВОДА НА ОСНОВЕ Nb3Sn |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2507636C2 (ru) * | 2008-12-23 | 2014-02-20 | Лувата Эспоо Ой | Металлическая сборка, заготовка для сверхпроводника, сверхпроводник и способ, пригодный для получения сверхпроводника |
| RU2546136C2 (ru) * | 2013-08-12 | 2015-04-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" | СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Nb3Sn СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ПРОВОДА |
| WO2019132698A1 (ru) * | 2017-12-28 | 2019-07-04 | Акционерное Общество "Твэл" | ЗАГОТОВКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КОМПОЗИЦИОННОГО ПРОВОДА НА ОСНОВЕ Nb3Sn |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106170464B (zh) | 超导线及其制备方法 | |
| JP2018147842A (ja) | Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体及びＮｂ３Ｓｎ超電導線材 | |
| US5174831A (en) | Superconductor and process of manufacture | |
| JP4163719B2 (ja) | 粉末法Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の前駆体および製造方法 | |
| RU2815890C1 (ru) | Заготовка для получения длинномерного сверхпроводящего провода на основе Nb3Sn | |
| EP3961658B1 (en) | Blank for producing a long nb3 sn-based superconducting wire | |
| RU2741783C1 (ru) | Заготовка для изготовления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn | |
| JP7148103B2 (ja) | Ｎｂ３Ｓｎ超伝導線材用前駆体、その製造方法、および、それを用いたＮｂ３Ｓｎ超伝導線材の製造方法 | |
| US5160794A (en) | Superconductor and process of manufacture | |
| EP0582565B1 (en) | Superconductor and process of manufacture | |
| Morita et al. | Fabrication of New Internal Tin Nb $ _ {3} $ Sn Wire Using Sn-Zn Alloy as Sn Core | |
| JP4214200B2 (ja) | 粉末法Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材 | |
| JPH0636331B2 (ja) | Ｎｂ▲下３▼Ａ１化合物超電導線材の製造法 | |
| JP2008166173A (ja) | Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材およびそのための前駆体並びに前駆体用Ｎｂ複合単芯線 | |
| JP4723345B2 (ja) | Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材の製造方法およびそのための前駆体 | |
| RU170080U1 (ru) | Сверхпроводящий композиционный провод на основе диборида магния | |
| JPH04277409A (ja) | 化合物超電導線およびその製造方法 | |
| JP3046828B2 (ja) | Ｎｂ▲下３▼Ｓｎ複合超電導体の製造方法 | |
| JP2004111111A (ja) | 粉末法Ｎｂ▲３▼Ｓｎ超電導線材 | |
| JPH0492316A (ja) | 化合物線状体の製造方法 | |
| JP2005032631A (ja) | 粉末法Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材 | |
| JPS5933653B2 (ja) | 安定化超電導体の製造方法 | |
| JPS5858765B2 (ja) | ゴクホソタシンフクゴウチヨウデンドウセン | |
| JPH054765B2 (ru) | ||
| JPH05334930A (ja) | 化合物超電導線用の複合ビレット、及び化合物超電導線の製造方法 |