Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Для создания современных сверхпроводящих магнитных систем с индукцией поля В > 14 Тл, работающих при температуре жидкого гелия (4,2 К), требуются сверхпроводники с конструктивной плотностью критического тока ік> 2-ю* А/см2 в этих полях [І]. В настоящее время столь высокая токонесущая способность может быть достигнута практически только в многожильных композиционных проводниках на основе интерметаллидного соединения Nb3Sn. Однако широко известный и используемый в мировой практике, благодаря совокупности своих технических, технологических и экономических параметров, метод бронзовой технологии не удовлетворяет указанным современным требованиям к величине критического тока. Повышение конструктивной плотности критического тока в проводнике возможно за счет экстенсивного фактора (увеличение доли сверхроводящего соединения Nb3Sn в сечении композиционного провода) и интенсивного фактора (увеличение критического тока в самом соединении Nb3Sn за счет роста Вх2, усиления плннинга и т.д.). Это обусловливает интерес к модифицированию бронзовой технологии и переходу к другим технологическим схемам, обеспечивающим повышение конструктивной плотности критического тока.
Модифицирование традиционной бронзовой технологии осуществляется в основном за счет легирования ниобиевых жил и/или бронзовой матрицы различными элементами (ті, Та, Zr и т.п.). Это способствует увеличению толщины токонесущего слоя (экстенсивный фактор), а легирование фазы Nb3Sn повышает величину второго критического поля В 2 (интенсивный фактор). В результате существенно повышается токонесущая способность. Однако легирование требует дополнительных достаточно трудоемких технологических операций: гомогенизирующих переплавов,
отжигов, что существенно усложняет всю технологическую схему, особенно при изготовлении длинномерной промышленной пертий проводника.
Из альтернативных технологических схем наиболее привлекательной является технология изготовления проводников с внутренним источником олова. Введение в конструкцию проводника элементов чистого олова существенно увеличивает долю сверхпроводящей фазы в сечении проводника и позволяет достигать величин плотности критического тока в пересчете на сечение провода без стабилизирующих элементов на уровне (^.0,5)-105 А/см2 в полях 14+16 Тл. Однако легкоплавкие элементы конструкции композита накладывают ограничения на метода его деформации: затрудняется деформация гидроэксгрузией, что делает технически сложным обработку крупных композиционных сборок для изготовления длинномерных кусков провода.
Указанные недостатки известных модифицированных и альтернативных технологических схем изготовления проводников на основе Hb3Sn делают актуальным поиск путей повышения токонесущей способности промышленного провода, получаемого по бронзовой технологии.
Целью данной диссертационной работы явилось исследование закономерностей влияния условий фазообразупцего отжига, в частности температурно-временннх параметров, диффузионно-активной среды и давления, на токонесущую способность промышленных многожильных композиционных проводников на основе m>3Sn различной конструкции, изготовленных методом бронзовой технологии, в области высоких полей (В > 10 Тл) и оптимизация этих условий для достижения максимальных величин критических токов ( ^(14Тл) > 2-Ю* А/см2 ).
Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:
- Провести анализ имеющихся литературных данных по факторам,
влияющим на токонесущую способность проводников, изготовленных методом бронзовой технологии.
Разработать и создать экспериментальные установки для проведения термообработок образцов в условиях, вакуума, диффузионно-активных газовых сред, под давлением до I ГЛа, а также стенды для измерения электрофизических параметров проводников и отдельных элементов их конструкций.
Исследовать закономерности и особенности влияния температур-но-времанных параметров вакуумного фазообразувдего отжига на критические токи в области высоких полей для образцов многожильных проводников различной конструкции, оптимизировать эти параметры для получения максимальных критических токов.
Исследовать влияние термобарической обработки и обработки в диффузионно-активной среде на критические токи и критические поля тех же проводников, определить режимы обработки, позволяющие получить повышение критических токов по сравнению с вакуумным отжигом и достигнуть величины ^(14Гл) > 2-Ю4 А/см2.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:
Выявлено, что экспериментально полученные закономерности влияния температурно-временных параметров фазообразукщего отжига на величину Зк и вид зависимости jK (В) в области средних и высоких полей (В > 10 Тл) являются общими для проводников различной конструкции и практически подтверждают модель шшнинга Крамера [2].
Установлено, что при термобарической обработке с гидростатическим обжатием 0,5+1 ГПа происходит релаксация внутренних напряжений и заростаною их источника - пор Киркендалла, что приводит к повышению токонесущей способности промышленного провода на І5Ж в поле
16 Тл, 30% в поле 18 Тл.
- Показано, что термообработка исследованных проводников в диф
фузионно-активной среде (атмосфере водорода) приводит к повышеншо
второго критического поля Вї2(4,2К) на \4 Тл из-за увеличения оста
точного электросопротивления при легировании решетки Nb3Sn атомами
водорода и, как следствие, позволяет существенно повысить токонесу
щую способность промышленных проводников, особенно в области высоких
полей: на 25 в поле 14 Тл, 60% в поле 16 Тл, 110% в поле 18 Тл.
Практическая значимость работы. В диссертационной работе достигнуты следующие практически значимые результаты:
- Определены температурно-временные параметры вакуумного фазо-
образунцего откига промышленных проводников на основе Nb3Sn заданных
конструкций для достижения на них максимальных значений, критического
тока для величин магнитного поля от 8 до 16 Тл. Достигнуть величины
конструктивной плотности критического тока ік на уровне
(1,6+2,1)'10* А/см2 в поле 14 Тл, в зазисимости от конструкции про
мышленного проводника. Оптимизированные режимы фазообразуюшего от
жига применены при изготовлении в ОКБ "Горизонт" внутренних секций
элементов магнитно-фокусирующей системы, имеющих следующие пара
метры: Наружный диаметр, мм - 350
Диаметр рабочего отверстия, мм - 130
Высота елемента, мм - 400
Индукция магнитного поля в центре, Тл -12
Рабочий ток, А -.550
- Определены оптимальные режимы гидрогенизации, позволившие
достигнуть конструктивных плотностей критического тока Зжа(2,4+2,6)>
І04 А/см2 в поле 14 Тл для промышленных проводников, изготовленных
по традиционной бронзовой технологии, что удовлетворяет техническим
треоованиям и позволяет их использовать для создания высокополевых магнитных систем с индукцией > 14 Тл. Простота технического осуществления и эффективность водородного легирования проводников на основе Nb3Sn> изготовленных по любой технологической схеме, создают предпосылки для широкого распространения этого метода термообработки.
- Создана уникальная экспериментальная установка для измерения
малых электросопротивлений при температуре от 30 до 4,2 К, позволив
шая установить, что гидрогенизация проводника (по оптимальным для
повышения іж режимам) приводит к несущественному росту электросопро
тивления меди марки МВЭ, и, следовательно, не снижает качества теп
ловой стабилизации проводника со стабилизирующими элементами, изго
товленными из этой меди.
Апробация работы. .Основные результата доложены и обсуждены на:
Всесоюзной школе-семинаре по технической сверхпроводимости ИАЭ им.Курчатова (26 февраля-2 марта 1990 года, г.Протвино, Московская область);
Всесоюзной школе-семинаре молодых специалистов MOM (20-24 декабря 1990 года, г.Калининград, Московская область);
XII Международной конференции по Магнитной Технологии (МТ-12)(23-28 июня 1991 года, г.Ленинград);
хг? Международной конференции по Криогенной Технике и Криогенным Материалам (1СЮ/1СЫС)(8-12 июня 1992 года, г.Киев, Украина).
Публикации. Основные результаты,работы опубликованы в 7 научных статьях, тезисах докладов конференций и научно-технических отчетах, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 85 наименований, и приложения (акт о внедрении результатов работы). Объем работы составляет 145
страниц машинописного текста, включая 65 рисунков и 8 таблиц.