Введение к работе
Актуальность темы
Возрастающие требования современной науки и техники являются причиной постоянного совершенствования конструкций низкотемпературных сверхпроводников и технологий их получения, изучением и разработками которых занимаются во всем мире уже не одно десятилетие.
Важнейшей задачей при разработке технологии изготовления сверхпроводников для различных областей применения является исследование влияния размерных факторов конструкционных элементов сверхпроводника на токонесущую способность, а также разработка надежных методов контроля геометрии его поперечного сечения, как на промежуточных стадиях получения, так и в готовом продукте. К сверхпроводникам, предназначенным для использования в магнитной системе Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР, предъявляется ряд специфических требований - обеспечение высокой и стабильной токонесущей способности в стационарных режимах работы и устойчивости к внешним электромагнитным и механическим возмущениям в динамичных режимах. Актуальность работы по изучению взаимосвязи характеристик сверхпроводников с их геометрическими параметрами очевидна, так как в процессе длительного технологического передела соотношение компонентов может меняться, что оказывает влияние на размеры элементов готового провода, а, следовательно, и на его эксплуатационные свойства.
Цель работы:
Обеспечение стабильности эксплуатационных свойств композиционных сверхпроводящих материалов на основе NbsSn при промышленном выпуске и разработка методов контроля их геометрических параметров.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: Определение взаимосвязи между геометрическими параметрами конструкционных элементов и токонесущей способностью NbsSn сверхпроводников для ИТЭР;
Изучение влияния диаметра ниобиевого волокна на структуру сверхпроводящего слоя Nb3Sn;
Анализ причин нестабильности параметров конструкционных элементов и определение технологических этапов, приводящих к их возможным отклонениям при производстве NbsSn сверхпроводников;
Разработка методики контроля объемного отношения «медь/не медь» в NbsSn сверхпроводниках на промежуточных стадиях процесса производства;
Разработка методики неразрушающего контроля объемного отношения «медь/не медь» в готовом NbsSn сверхпроводнике.
Научная новизна работы:
1. Впервые установлена зависимость токонесущей способности NbsSn сверхпроводника для ИТЭР от приведенного диаметра ниобиевого волокна в проводниках с различным соотношением «медь/не медь» по сечению провода.
2. Определено влияние размера ниобиевых волокон на размер и морфологию
зерен сверхпроводящей фазы NbsSn, определяющих токонесущую способность
сверхпроводника.
3. Исследована возможность применения непрерывного неразрушающего
контроля отношения «медь/не медь» по длине композиционного
стабилизированного NbsSn сверхпроводника с помощью вихретокового контроля.
Практическая значимость:
Выявлены стадии технологического процесса, на которых возможно возникновение нестабильности размеров конструкционных элементов композиционного сверхпроводника и показана необходимость контроля продукции после завершения этих стадий.
Увеличен выход годной продукции на 5% за счет уточнения длины дефектных технологических участков с нестабильной геометрией сечения в композиционном прутке после прессования.
Разработана методика компьютерного анализа изображения поперечного сечения провода для контроля отношения «медь/не медь» на промежуточных стадиях процесса производства NbsSn сверхпроводников. Проведена апробация методики на ОАО «Чепецкий механический завод» (ОАО «ЧМЗ», г. Глазов), принято решение об использовании разработанной методики для контроля промышленных партий сверхпроводящих проводов на основе соединения NbsSn.
Разработана и предложена для включения в технологический процесс производства сверхпроводников методика непрерывного неразрушающего контроля отношения «медь/не медь» по длине провода методом вихретокового контроля.
Достоверность:
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных средств и методик проведения исследований и подтверждается статистической обработкой результатов исследований. Электрофизические испытания экспериментальных образцов проводили на современных стендах, установленных на ОАО «ЧМЗ» в 2008 году по методикам, прошедшим метрологическую аттестацию. Для проведения металлографического анализа использовался оптический микроскоп Leica, а для исследования тонкой структуры сверхпроводящего слоя в волокнах современные сканирующие микроскопы JEOL JSM-6700 и JSM-4760. Обработку данных проводили с помощью современного программного обеспечения.
На защиту выносится:
Результаты исследования взаимосвязи параметров конструкции сверхпроводящего провода с зеренной структурой NbsSn фазы и токонесущей способностью.
Результаты оценки стабильности параметров конструкции провода в процессе его изготовления.
Разработка методик контроля объемного отношения «медь/не медь» в сверхпроводящих проводах на основе соединения NbsSn с использованием компьютерного анализа изображения и методом вихревых токов.
Личный вклад автора заключается в подготовке и проведении экспериментов, анализе, обработке и обобщении экспериментальных данных. Постановка целей и задач работы выполнялась совместно с научным руководителем. Соавторы совместных публикаций принимали участие в обсуждении соответствующих результатов работы и проведении экспериментов.
Апробация результатов работы.
Разработанная методика измерения отношения «медь/не медь» прошла апробацию в процессе промышленного производства сверхпроводящих ND3S11 проводов на ОАО «ЧМЗ», что подтверждено актом промышленной апробации между ОАО «ВНИИНМ» и ОАО «ЧМЗ».
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
8-ая международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» 24-26 июня 2009 г, Санкт-Петербург.
ICEC 23 - ICMC, International Cryogenic Engineering Conference 23 -International Cryogenic Material Conference 2010, 19-23 July 2010, Wroclaw, Poland.
19-ая Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и диагностике, 6-8 сентября 2011 г, Самара.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата, из них 2 работы в изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка использованной литературы из 82 наименований. Работа изложена на 146 страницах текста, содержит 14 таблиц и 77 рисунков.
