книги / Механика пластического деформирования трансверсально-изотропных композиционных сверхпроводниковых материалов
..pdfМеталлохимическое взаимодействие титана с другими элементами
Взаимодействие металлов между собой и с другими химическими элементами определяется свойствами, обусловленными расположением их в периодической системе, размером атомных радиусов, положением в ряду электрического напряжения, валентностью и ионизационным потенциалом.
Большие атомные радиусы имеют металлы с малыми атомными номерами (К, Na, Li, Ba, Са, Мg), а малые радиусы – элементы с большими атомными номерами – типичные металлоиды (В, С, N, О, Н) и некоторые тяжелые металлы (Tl, Sn, РЬ, SЬ, Вi, Те, Ро). Титан, входящий в группу переходных элементов, имеет атомный радиус среднего размера, близкий к атомному радиусу циркония, гафния, ванадия, ниобия и тантала, что обусловливает близость металлохимических свойств этих металлов, выражающуюся, в частности, в их способности легко образовывать твердые растворы.
1.5.5. Сплав «ниобий–титан»
Сплав ниобия с 44 % титана имеет верхнее критическое поле при температуре 4,2 К порядка 88,1 А/см. До 1965 г. его рассматривали в качестве возможного материала для изготовления магнитов. Однако этот сплав имеет очень низкую удельную теплоемкость; поэтому он менее стабилен, чем сплав «ниобий – цирконий». Действительно, первые катушки, навитые из ниобий-титановой проволоки, имевшей плохой контакт с медной оболочкой, полученной гальваническим способом, могли работать только при высокой напряженности внешнего поля. Это объясняется значительным снижением критической плотности тока в сильных полях.
Стабильность, обнаруженная у катушек, навитых из ниобийтитановой проволоки, полученной методом совместной протяжки с медью, объясняется хорошим контактом между сверхпроводником и медью и в меньшей степени низким удельным сопротивлением меди. Последнее качество связано с большой чистотой меди, не загрязненной процессом электролиза и окончательной термообработкой проволоки. Термообработка, первоначально предназначенная лишь
31
для получения в сверхпроводнике необходимой силы пиннинга, также эффективно действует на медь, производя ее отжиг. Хотя фирмы пока не раскрывают подробностей производства композиционных проволок из сплава «ниобий–титан–медь» методом совместной протяжки, главные черты этого процесса состоят в следующем.
Ниобиевый и титановый порошки сплавляются в вакууме в слиток с помощью электрической дуги. Обычно он весит от 4 до 40 кг. Слиток затем впрессовывается в гильзу из меди высокой чистоты, образуя холодное соединение. Эта стадия процесса наиболее важна, поскольку от нее зависит стабильность получаемой проволоки. Составная заготовка затем проковывается и протягивается до образования проволоки или более сложной композиции. Для облегчения протяжки может быть применен промежуточный отжиг. Окончательное изделие получается
ввиде одинарного провода диаметром 0,04 см или в форме большого криостатически стабильного проводника, состоящего из прямоугольной медной матрицы, внутри которой заключено некоторое число ниобийтитановых проволок. Провод из медной матрицы наружного диаметром 0,04 см, содержащей сотню очень тонких сверхпроводящих нитей, может быть внутренне стабильным. Можно изготовить полый композит для обеспечения циркуляции хладагента внутри него. Для изготовления сверхпроводника нужных размеров или с необходимым соотношением сечений сверхпроводника и меди нет никаких серьезных препятствий, кроме веса слитка. Во всех типах ниобий-циркониевых композитных сверхпроводников фактором, определяющим свойства сверхпроводника, является окончательная термообработка. В процессе изготовления
вструктуре сверхпроводника и меди возникают многочисленные дислокации и дефекты. Что касается сплава «ниобий–титан», то он необходим для образования центров пиннинга; в меди же эти дефекты нежелательны. Сила пиннинга в сверхпроводнике после холодной его обработки сравнительно мала и не может обеспечить необходимую плотность тока при высокой напряженности поля. При нагреве составного ниобийтитанового сверхпроводника в интервале 300…400 °С в течение 30 мин происходит, по-видимому, осаждение на дислокациях испаренного кислорода, существенно увеличивающее силу пиннинга. В то же время при такой обработке происходит отжиг меди, снижающий ее удельное сопротивление.
32
Полученный совместной протяжкой с медью ниобий-титановый композитный сверхпроводник в настоящее время применяется почти исключительно для изготовления сверхпроводящих катушек, способных создавать поля напряженностью до 70 кАсм.
Свойства сплава «ниобий–титан» |
|
Плотность γ , кг/м3............................................................................. |
5600 |
Удельная теплоемкость С, кДж/кг·град............................................ |
0,18 |
Удельное сопротивление меди ρ, Ом·см.......................................... |
3·105 |
Модуль упругости ρ, кг/мм2 .............................................................. |
9500 |
Предел текучести σт, кг/мм2 .................................................................. |
70 |
Ткр, 0К...................................................................................................... |
9,6 |
Нкр, кА/см................................................................................................ |
96 |
Соединение кусков сверхпроводящей проволоки из сплава «ниобий – титан» может быть осуществлено контактной сваркой. Одножильная проволока из сплава «ниобий–титан» обычно имеет следующие параметры: диаметр сверхпроводящей жилы равен 0,025 см, а толщина медного покрытия составляет 0,004–0,012 см.
На рис. 1.8 показаны пределы прочности композитов в функции соотношения Сu /(Nb – Тi).
Таким образом, актуальной проблемой мировой практики является разработка крупномасштабных магнитных систем на сверхпроводниках для установок термоядерного синтеза, в частности, международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). Для реализации крупномасштабных проектов, требующих выпуска большого объема высококачественных сверхпроводников, необходимы разработка технологии и организация промышленного производства в РФ сверхпроводниковых материалов. Сверхпроводниковая заготовка представляет собой композиционное тело. Учитывая особенности геометрии принятой к внедрению на ОАО «ЧМЗ» конструкции, сверхпроводниковая заготовка в настоящей работе рассматривается как биметаллическая, состоящая из сверхпроводящего сердечника и токостабилизирующей медной оболочки. Создание теоретических основ процесса волочения для производства сверхпроводниковых изделий предполагает исследование особенностей деформирования би-
33
Рис. 1.8. Пределы прочности при растяжении в зависимости от объемной доли нитей Nb–Тi в медной матрице [7]
металлической заготовки: сердечника, состоящего из большого количества сверхпроводящих волокон в бронзовой матрице, и медной оболочки, разделенных диффузионным барьером из тантала и ниобия.
|
Список литературы к главе 1 |
1. |
Гелин Ф.Д. Металлические материалы: справочник. – |
Минск.: Вышая школа, 1987. – 288 – 291 с. |
|
2. |
Ниобий, тантал и их сплавы (сборник обзоров) / перевод |
с англ. А.М. Захарова [и др.]; под ред. Е.М. Савицкого. – М.: Метал-
лургия, 1966. – 331 с.
3. Дж. Уильямс. Сверхпроводимость и ее применение в техни-
ке. – М.: Мир, 1973. – 295 с.
34
4. Сверхпроводящие машины и устройства / перевод с англ. Е.Ю. Клименко; под ред. С. Фонера, Б. Шварца. – М.: Мир, 1977. –
763с.
5.Халм Дж. К., Маттиас Б.Т., Вильсон М.Н. Металловедение итехнология сверхпроводящих материалов. – М.: Металлургия, 1987. –
559с.
6.Иванов О.С. Сверхпроводящие сплавы системы «ниобий – титан – цирконий – графит». – М.: Наука, 1971. – 166 с.
7.Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы. – М.: Мир,
1976. – 704 с.
8.Афонин В.К. Металлы и сплавы: справочник. – М.: Метал-
лургия, 2003. – 532 с.
9.Мнеян М.Г. Сверхпроводники в современном мире. – М.: Просвещение, 1991. – 159 с.
10.Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников – М.: Наука: Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, 1982. – 240 с.
11.Kamerlingh Onnes H. Leiden Comm. – 1911. – Vol. 122. – P. 124.
12.Deaver B.S., Jr., Fairbank W.M. // Phys. Rev. Lett. – 1961. – Vol. 7. – P. 43.
13.Doll R., Nabauer M. // Phys. Rev. Lett. – 1961. – Vol. 7. – P. 51.
14.Meissner W., Ochsenfeld R. // Naturwiss. – 1933. – Vol. 21. – P. 787.
15.Абрикосов А.А. // ЖЭТФ. – 1957. – Т. 32, – С. 1442.
16.Essmann V., Traube H. // Phys. Lett. 1967. – Vol. 24A. – P. 526.
17.Пан В.Н., Прохоров В.Г., Шпигель А.С. Металлофизика сверхпроводников. – Киев: Наукова думка, 1984. – 192 с.
18.Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела. – М., 1969.
19.Рашков Н., Ганчева М. Пътност на дислокациите получении при единомерна пластична деформация на армко желязо / Годишн. висш.
хим.-технол. ин-т. – София, 1967 (1971). – Вып. 14, №4. – С. 441.
20.Кристенсен Р. Введение в механику композитов: пер. с англ. –
М.: Мир, 1982. – 334 с.
21.Разработка сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР
вРоссии / А.К. Шиков, А.Д. Никулин, А.Г. Силаев [и др.] // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2003. – №1. – С. 36–43.
22.URL: http://atomexpo.ru
35
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОСЕСИММЕТРИЧНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Рассмотрим вопросы, связанные с основами пластической деформации при производстве сверхпроводниковых композиционных изделий.
2.1. Современное состояние технологии волочения длинномерных осесимметричных композиционных изделий
Технические сверхпроводящие провода представляют собой композиционную конструкцию из разнородных материалов с ультратонкими нитями сверхпроводникового материала [1]. Технология их изготовления была освоена в свое время в СССР, США, Японии, Германии и других индустриальных странах [2].
На рис. 2.1 приведены основные этапы производства композиционных сверхпроводников. Характерной для всех этапов производства композиционных сверхпроводников является операция их деформирования по технологии процесса волочения, что подтверждает необходимость исследования процесса волочения при производстве сверхпроводниковых изделий.
Из рис. 2.1 видно, что технология производства сверхпроводящих проводов включает этапы повторных плавок и волочений, отжига, химической обработки и т.д.. В настоящее время фактически создана специальная область металлургии и материаловедения. Таким образом, сверхпроводящий провод весьма сложная и дорогая конструкция. Сверхпроводимость стала большой отдельной отраслью промышленности.
На рис. 2.2 приведена технологическая схема производства заготовок для сверхпроводников на заключительном этапе. Монопрутки из ниобия и высокооловянистой бронзы или сплава Nb–Ti помеща-
36
ются в стакан из высокочистой меди. Дно стакана заваривается в вакууме, и сборка подвергается прессованию на диаметр 60–70 мм. После прессования заготовка подвергается пластической деформации
Рис. 2.1. Этапы производства композиционных сверхпроводников
на цепном стане до диаметра 30 мм и многократному пластическому деформированию на конечный диаметр с промежуточными термообработками, твистированию, калибровке, и заключительной термообработке. При этом прутки, размещаемые в последнюю композицион-
37
ную заготовку, предварительно деформируют с промежуточными отжигами при температуре 385–420 °C в течение 10–100 ч. После чего последнюю сборку деформируют до такой величины суммарной деформации, чтобы выбрать все имеющиеся зазоры. Затем проводят дополнительный отжиг при температурно-временных режимах, соответствующих режиму промежуточного отжига, и последующие холодные деформации с отжигами до получения провода с требуемым сечением. Способ обеспечивает повышение критической плотности тока и токонесущей способности проводов [3].
Холодная пластическая деформация сверхпроводников обеспечивает измельчение структуры микроскольжения и сверхпроводящее состояние, что достигается при степени холоднойдеформации > 100 [4].
Рис. 2.2. Принципиальная технологическая схема производства заготовок для сверхпроводящих проводов
В настоящей работе приводятся исследования технологии многооперационного пластического деформирования композиционных сверхпроводящих материалов на основе:
–ниобия в матрице из оловянной бронзы;
–сплава «ниобий–титан» в медной матрице применительно к созданию промышленной технологии их производства в ОАО «Чепецкий механический завод».
Параметры конструкции многоволоконных прутков.
1. Композиционный пруток на основе ниобия и оловянной бронзы в медной оболочке с диффузионным Nb–Ti барьером:
1) диаметр прутка, провода:
–максимальный – 60 мм,
–минимальный – 0,7 мм;
38
2)количество ниобиевых волокон – 8000, 16 000, 19 000 шт;
3)бронза оловянная с содержанием Sn – 14 %;
4)коэффициент заполнения бронзовой матрицы ниобием – 0,27;
5)коэффициент заполнения медью – 0,5;
6)диаметр единичной Nb жилы в природе 0,7 мм–5 мкм.
2. Композиционные прутки на основе Nb–Ti-сплава в медной матрице:
1)диаметр прутка, провода:
–максимальный – 70 мм,
–минимальный – 0,5 мм;
2)количество Nb–Ti волокон – до 5000 шт;
3)Nb–Ti-сплав – 50 % Nb, 50 % Ti;
4)коэффициент заполнения Nb–Ti сплавом – 0,4;
5)диаметр единичной Nb–Ti жилы в проводе 0,7 мм–10 мкм;
6)длина готового провода (максимально) 30 000 м. Оборудование для деформации сверхпроводниковых компози-
ционных изделий:
–цепной стан усилием 50 т;
–однониточный – деформация с диаметра 70 до 30 мм;
–горизонтальные волочильные барабаны.
Диаметры барабанов:
•2500 мм – деформация с диаметра 30 до диаметра 20 мм;
•1500 мм – деформация с диаметра 25 до диаметра 10 мм;
•1000 мм – деформация с диаметра 20 до диаметра 5,7 мм;
•750 мм – деформация с диаметра 10 до диаметра 3,5 мм;
•450(350) мм – для однократной или многократной деформации
сдиаметра 4 до диаметра 0,7 мм.
2.2. Режимы пластического деформирования
При изготовлении сверхпроводниковых композиционных изделий наиболее трудоёмкой является технология волочения. Операция волочения является одной из самых продолжительных и ответственных втехнологической цепочке изготовления сверхпроводников и в значи-
39
тельной степени определяет качество готовой продукции. Процесс волочения является высокопроизводительным и прогрессивным способом обработки металлов давлением. Волочение – это способ обработки металла давлением, при котором обрабатываемый металл в виде заготовки постоянного поперечного сечения протягивается через конический канал технологического инструмента. Заготовка, проходя через волоку, деформируется, при этом заготовка принимает форму наименьшего сечения волочильного инструмента. Поскольку различие в диаметрах сверхпроводниковой заготовки и готового сверхпроводникового изделия велико, то для производства используется технология многократного волочения с промежуточными термическими обработками с целью восстановления ресурса пластичности обрабатываемого металла. Сложность при этом заключается в том, что материал волокон сердечника, материал диффузионного барьера, бронзовая матрица и медная оболочка имеют различные теплофизические и механические свойства. Ресурс пластичности и напряженное состояние компонентов сверхпроводниковой заготовки при этом будут также различны. Данные обстоятельства усложняют технологию многократного пластическогодеформирования.
При волочении существуют холодная деформация (увеличиваются прочностные характеристики, уменьшаются показатели вязкости и несколько снижается плотность из-за увеличения количества микроразрушений), деформация с предварительным подогревом (для увеличения вязкости металла), деформация с предварительным охлаждением (для увеличения прочности).
Все способы деформации волочением характеризуются тремя особенностями:
а) линейные размеры сечения деформируемого металла уменьшаются до заданных величин во всех направлениях одновременно;
б) появляется возможность получения сплошных и полых профилей с произвольной конфигурацией поперечного сечения, не изменяющегося по длине профиля;
в) величина деформации за один переход ограничивается максимально допустимым напряжением растяжения, возникающим в поперечном сечении протягиваемого металла у выхода из деформационной зоны.
40