Введение к работе
Актуальность темы. Постоянный прогресс в науке и технике требует создания новых типов материалов, отвечающих все более высоким требованиям. Разработка таких материалов на современном этапе развития материаловедения включает в себя не только сугубо научный поиск путей достижения комплекса требуемых физических свойств, но и обеспечение требований экономичности, доступности и возможности организации эффективного промышленного производства нового разработанного материала. Иными словами разработка нового материала неразрывно связана с разработкой новых технологических процессов их получения. Так, например, анализ уровня прочности промышленных сплавов за последние 20-30 лет показывает отсутствие существенного роста прочностных свойств коммерчески доступных материалов на основе металлов. Традиционный метод повышения механических свойств путем подбора легирующих элементов и использования различных способов термомеханической обработки уже не может обеспечить растущие запросы машиностроения, авиастроения, энергетики и других ведущих отраслей промышленности. Наиболее перспективный путь решения данной проблемы, по-видимому, связан с разработкой композиционных материалов нового класса, обладающих уникальными свойствами, обусловленными переходом к наноразмерной дисперсности компонентов. Это так называемые нанокристаллические - со средним размером зерен порядка 10 нм и субмикрокристаллические - со средним размером зерен порядка 100 нм, материалы. Данные материалы обладают комплексом свойств, существенным образом отличающимся от свойств обычных технических крупнозернистых материалов. Это справедливо в отношении физических, химических и механических свойств, что в ряде случаев открывает совершенно новые перспективы в конструировании и создании различных устройств и продуктов в разных областях техники.
Круг материалов, получаемых методами, обеспечивающими формирование ультра мелкодисперсных структур, в настоящее время очень широк - металлы, интерметаллиды, фазы внедрения, оксиды, керамика, металлополимерные системы, фуллерены, нанотрубки и нанопроволоки и другие. Также достаточно разнообразен набор методов получения нанокристаллических материалов. Причем, если методы получения изолированных нанокристаллических частиц, нанокластеров и нанопорошков (например - газофазное испарение и конденсация, осаждение из коллоидных растворов, термическое разложение, плазмохимический синтез) достаточно хорошо освоены, то компактные нанокристаллические материалы начали получать сравнительно недавно. Однако, несмотря на большое количество проведенных исследований, существует ряд пробелов в понимании природы особенностей структуры нанометрического масштаба, а также главным образом вопросов, связанных с технологической реализацией наноструктур в практически требуемых материалах, например в массивных изделиях. Тем не менее, реализация в промышленности присущих нанокристаллическим материалам в частности аномально высоких механических свойств является, как отмечалось, чрезвычайно важной практической задачей.
Следует отметить, что зачастую для различных конкретных применений помимо требования высокой прочности к свойствам материалов предъявляют и другие не менее жесткие требования. Так, например, настоятельная необходимость разработки высокопрочных и одновременно высокоэлектропроводных материалов, имеющих прочность более 1000 МПа и проводимость на уровне 70% от проводимости высокочистой меди, проявилась уже в настоящее время. Это, в частности, обусловлено потребностью создания обмоточных проводов для крупных импульсных магнитных систем, рассчитанных на рекордно высокие напряженности магнитного поля от 50 Тл вплоть до 100 Тл. Такие проекты разрабатываются в США, Японии и ЕС. Необходимость создания таких систем диктуется не
только существенным расширением возможностей проведения фундаментальных исследований в области физики твердого тела, но и возможностью решения ряда практически важных задач, связанных с разработкой перспективной элементной базы полупроводниковой техники. Помимо этого, новые материалы, при их использовании в качестве проводникового материала, существенным образом расширяют возможности создания электронных и электротехнических устройств, работающих в предельно тяжелых условиях, например в аэрокосмической отрасли, робототехнике. Значительна перспектива применения данных материалов в энергетике, например для создания линий электропередач, работающих в условиях Крайнего Севера. Другим примером необходимости разработки уникального композиционного материала является создание упрочненных микрокомпозиционным высокоэлектропроводным сплавом технических сверхпроводников на основе интерметаллического соединения Nb3Sn, способных выдерживать без деградации критического тока вдвое более высокие деформации. Это позволит экономически обоснованно реализовать проекты по созданию нового класса сверхпроводящих ЯМР магнитов с повышенной чувствительностью, рассчитанных на уровень магнитного поля порядка 20 Тл и частоты до 1 ГГц, а также повысить надежность работы особо крупных магнитных систем.
Цель работы. В настоящей работе ставилась цель создания высокопрочных, высокоэлектропроводных материалов в технически применимом виде путем разработки технологических процессов их получения на основе комплексного исследования механизмов достижения высоких прочностных и электропроводящих свойств в микрокомпозиционных материалах, получаемых методами интенсивной пластической деформации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработка конструкций, выбор исходных материалов и разработка основ технологии производства промышленного уровня макрокомпозиционных высокопрочных, высокоэлектропроводных проводов типа Си/нерж. сталь применительно к созданию наружных секций крупномасштабных импульсных магнитных систем.
-
Разработка гипотетической модели строения структуры микрокомпозиционного материала с максимально высокими значениями механической прочности и электрической проводимости.
-
Исследования эволюции микроструктуры композиционных проводов в процессе глубокой пластической деформации вплоть до достижения нанометрического размера составляющих и установление взаимосвязи структурных параметров Cu-Nb микрокомпозиционного материала с его механическими и электропроводящими свойствами.
-
Разработка конструкций и металлургических основ технологических схем процессов получения нового класса микрокомпозиционных материалов с металлической матрицей, обладающих уникальным сочетанием высокой прочности и электропроводности, которые обеспечиваются переходом к нанометрическому уровню дисперсности компонентов.
-
Исследования методами оптической и электронной микроскопии и рентгенографии особенностей кристаллической структуры компонентов микрокомпозиционных проводников системы Cu-Nb
-
Исследования механических свойств макро- и микрокомпозиционных проводников различных конструкций при комнатной и криогенных температурах и установление взаимосвязей со структурными параметрами.
-
Исследования при комнатной и криогенных температурах электрической проводимости разработанных микрокомпозиционных проводников системы Cu-Nb, полученных разными методами и имеющих различные конструкции.
8. Разработка технологии получения многоволоконных сверхпроводников на основе Nb3Sn с повышенными прочностными свойствами.
Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту.
В диссертационной работе впервые предложены и разработаны металлургические основы технологических процессов получения технических высокопрочных, высокоэлектропроводных материалов с использованием эффектов аномального повышения прочностных свойств, связанных с реализацией наноразмерного масштаба микроструктуры в двухфазных композиционных материалах на основе системы Cu-Nb.
На основании анализа литературных данных и результатов собственных исследований предложена гипотетическая модель строения микроструктуры высокопрочного, высокоэлектропроводного микрокомпозиционного материала, позволившая рассчитать состав сплава для получения in situ композитов Cu-Nb, а также сформулировать критерии выбора конструкций композитов Cu-Nb с непрерывными волокнами.
Проведены систематические исследования механических и
электропроводящих свойств микрокомпозиционных материалов на основе
системы Cu-Nb, как при комнатной, так и при криогенных температурах.
При этом отработаны оптимальные конструкции, режимы деформации и
термообработки микрокомпозиционных проводников, позволившие
получить материал с пригодными для эксплуатации в инженерных конструкциях различного вида свойствами.
Проведены исследования микроструктуры, сверхтонкой электрической структуры материалов, приготовленных различными методами интенсивной пластической деформации. Впервые обнаружено специфическое состояние граничной области межфазного контакта материалов, отличающихся по типу кристаллической решетки.
Разработаны конструкции и технологии получения многоволоконных стабилизированных сверхпроводников на основе интерметаллического соединения Nb3Sn с повышенными прочностными свойствами. Повышение прочности сверхпроводников более чем в 1,5 раза достигнуто путем замены части стабилизирующей меди на упрочняющий микрокомпозиционный слой Cu-Nb.
Проведенные исследования позволили сформулировать ряд новых положений, которые выносятся на защиту:
1. Металлургические основы технологических процессов получения
микрокомпозиционных материалов на основе системы Cu-Nb, пригодных в
частности для использования в качестве обмоточных проводников
импульсных магнитных систем, рассчитанных на генерирование рекордно
высоких магнитных полей напряженностью до 100 Тл и
макрокомпозиционных проводов типа Cu/нерж. Сталь.
2. Гипотетическая модель строения микроструктуры высокопрочного,
высокоэлектропроводного композиционного материала, позволившая
рассчитать состав сплава для получения in situ композитов Cu-Nb, а также
сформулировать критерии выбора конструкций композитов Cu-Nb с
непрерывными волокнами.
-
Результаты электронномикроскопических и рентгеноструктурных исследований, измерений механических свойств при комнатной и криогенных температурах образцов микрокомпозиционных материалов: аномально высокие прочностные свойства при сохранении достаточно высокой электропроводности в длинномерных проводниках укрупненного сечения.
-
Экспериментальные результаты по стабильности механических и электропроводящих свойств микрокомпозиционных Cu-Nb проводов в процессе длительного вылеживания при комнатной температуре. Установлена зависимость степени протекания явлений релаксации
дислокационных структур в матричном материале микрокомпозиционных проводников с технологической предысторией их получения. 5. Повышение прочности технических многоволоконных сверхпроводников на основе Nb3Sn более чем в 1,5 раза, которое достигнуто путем замены части стабилизирующей меди на упрочняющий микрокомпозиционный слой Cu-Nb.
Научная и практическая ценность работы. Предложенные в работе металлургические основы технологии получения объемных микрокомпозиционных материалов с нанометрическим уровнем структуры и разработанные на их основе процессы промышленного производства позволили получить обмоточные длинномерные проводники крупного сечения с уникальным сочетанием прочностных и электропроводящих свойств. Конструкции разработанных проводников и технологии их получения защищены патентами РФ. Разработанный новый класс материалов - высокопрочные, высокоэлектропроводные микрокомпозиционные обмоточные провода, открыл принципиально новые возможности для практического применения, например в импульсных магнитных системах с рекордно высоким уровнем напряженности магнитного поля.
Работа проводилась в рамках выполнения договоров с РНЦ «Курчатовский институт», международных научно-исследовательских проектов и соглашений с Католическим Университетом Лейвена (Бельгия), Университетом Оксфорда (Великобритания), Университетом Амстердама (Нидерланды), с Лос-Аламосской Национальной Лабораторией США, с Национальной Лабораторией Высоких Магнитных Полей США и ряда коммерческих контрактов с организациями в Бельгии, США, Нидерландах и Польше.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международных, Российских конференциях, совещаниях и семинарах, таких как:
Международная конференция по магнитной технологии МТ-13, Виктория,
Канада (1993)
Рабочее совещание Европейской международной организации «Евромагтек» Ross Priory, Шотландия (1993).
Международная конференция по магнитной технологии МТ-14 Тампере, Финляндия (1995)
Рабочее совещание по высокопрочным, высокоэлектропроводным обмоточным материалам импульсных магнитных систем. 04.10-08.10 1995 г. ЛАНЛ (Лос-Аламос, США).
Международное совещание «Высокие магнитные поля: промышленность, материалы и технология» 27.02-02.03 1996 г. (Таллахасси, США).
Международная конференция по магнитной технологии МТ-15, Пекин, Китай (1997)
Международная конференция по магнитной технологии МТ-16, Джексонвиль, США (1999)
5-я Международная конференция «Продукция и технологии: продвижение на рынок», Москва, Россия (2000)
Международный симпозиум по исследованиям в высоких магнитных полях RHMF-2000, Порто, Португалия (2000)
Научно-практическая конференция материаловедческих обществ России «Новые конструкционные материалы», Звенигород, Россия (2000).
Международная конференция по магнитной технологии МТ-17, Женева, Швейцария (2001)
Научная сессия МИФИ-2002, Секция «Ультрадисперсные (нано-) материалы», Москва, Россия (2002)
1-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур», МИСиС, Москва, Россия (2002)
6-я Конференция по ультрадисперсным материалам, Томск, Россия, (2002).
По теме диссертации опубликовано более 30 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка цитируемой литературы. Содержит 249 страниц, 106 рисунков, 32 таблицы, 236 литературных ссылок.
