RU2076363C1

RU2076363C1 - Method for manufacturing of multiple-conductor superconducting wire using nb*003sn compound

Info

Publication number: RU2076363C1
Application number: RU9595100564A
Authority: RU
Inventors: Н.С. Грязнов; А.Д. Никулин; А.К. Шиков; А.Г. Силаев; И.И. Давыдов; А.Е. Воробьева; М.Г. Клиневский; Л.И. Вождаев; К.А. Мареев
Priority date: 1995-01-12
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 1997-03-27
Also published as: RU95100564A

Abstract

FIELD: electric engineering, in particular, superconducting materials for manufacturing of superconducting magnetic systems for different purpose. SUBSTANCE: method of manufacturing of superconducting wire using bronze technology involves deposition of 3-10 mcm layer which is made from tin or tin alloy with at least one doping agent from list of In, Ga, Zn. Total amount of doping agents is in range of 1-40 %. EFFECT: increased level of critical current by 12-15 %. 2 cl

Description

Изобретение относится к получению сверхпроводящих материалов и может быть использовано в электротехнической промышленности и других отраслях науки и техники при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем различного назначения. The invention relates to the production of superconducting materials and can be used in the electrical industry and other fields of science and technology in the manufacture of superconducting magnetic systems for various purposes.

Известен способ получения сверхпроводящего провода на основе соединения Nb₃Sn, основанный на "бронзовой технологии", который включает: заключение стержня ниобия в оболочку из бронзы, содержащей олова 8-13 мас. герметизацию сборки путем сварки, горячее выдавливание композитной заготовки и последующую холодную деформацию прутка волочением до получения шестигранного профиля требуемого размера, разрезку шестигранного прутка на заготовки для последующей сборки их в бронзовую оболочку, повторную герметизацию сборки и последующую деформацию ее до получения шестигранного профиля требуемого размера. В зависимости от конструкции сверхпроводящего провода таких стадий может быть 2 или 3. На последней стадии сборку деформируют до необходимого размера провода, после чего проводят термодиффузионный отжиг с целью получения сверхпроводящего соединения Nb₃Sn на границе контакта ниобий-бронза (Металловедение и технология сверхпроводящих материалов. /под ред. С.Фенера и Б.Шварца, пер. с англ. М. Металлургия, 1987, с. 274-289).A known method of producing a superconducting wire based on the Nb ₃ Sn compound, based on "bronze technology", which includes: the conclusion of the niobium rod in a shell of bronze containing tin of 8-13 wt. sealing the assembly by welding, hot extrusion of the composite billet and subsequent cold deformation of the bar by drawing to obtain the hexagonal profile of the required size, cutting the hexagonal bar into billets for subsequent assembly into a bronze shell, re-sealing the assembly and its subsequent deformation to obtain the hexagonal profile of the required size. Depending on the design of the superconducting wire, there can be 2 or 3 of such stages. At the last stage, the assembly is deformed to the required wire size, followed by thermal diffusion annealing in order to obtain a Nb ₃ Sn superconducting compound at the niobium-bronze contact boundary (Metallurgy and technology of superconducting materials. / edited by S. Fener and B. Schwartz, trans. from English M. Metallurgy, 1987, S. 274-289).

При этом способе получения сверхпроводящего провода используется бронза с содержанием олова как правило 8-13 мас. Ограничение содержания олова в бронзе определяется главным образом требованием к ее пластичности в процессе получения провода. In this method of obtaining a superconducting wire, bronze is used with a tin content of typically 8-13 wt. The limitation of the tin content in bronze is determined mainly by the requirement for its plasticity in the process of obtaining the wire.

Известен ряд изобретений и работ по влиянию легирования ниобия и бронзы различными элементами на сверхпроводящие свойства получаемого провода. Такие добавки, как Ti, Zr, Zn, In повышают токовые характеристики сверхпроводящих проводов, особенно в высоких полях, однако затрудняют технологию получения провода (Levingston I. D. Effekt of Ta additions on bronse proctised Nb3Sn superconductors IEEE. Trans. Magn. 1978. Mag 14, N-5, p. 611-613). A number of inventions and works are known on the effect of alloying niobium and bronze with various elements on the superconducting properties of the resulting wire. Additives such as Ti, Zr, Zn, In increase the current characteristics of superconducting wires, especially in high fields, but complicate the technology for producing wires (Levingston ID Effekt of Ta additions on bronse proctised Nb3Sn superconductors IEEE. Trans. Magn. 1978. Mag 14, N-5, p. 611-613).

Наиболее близким по сущности является способ получения сверхпроводящего провода "бронзовая технология", при котором в композитной заготовке, предназначенной для получения провода, между стенкой чехла и композитными прутками, помещают ленту из Sn и Nb, причем Sn лента контактирует с композиционными прутками, после чего ее подвергают деформации до конечного размера провода, который термообрабатывают по заданному режиму (прототип, статья D.Hohno, I. Ikeno, N. Sadahata и M.Suginoto Ti added Nb3Sn wires by new fabrication processes IEEE. Trans. Magn. Mag-23, N-2, 1986, p. 964-967). The closest in essence is the method of producing a bronze technology superconducting wire, in which a tape of Sn and Nb is placed between the cover wall and the composite rods in the composite billet designed to receive the wire, whereby the Sn tape contacts the composite rods, after which it subjected to deformation to the final size of the wire, which is heat treated according to a given mode (prototype, article D. Hohno, I. Ikeno, N. Sadahata and M. Suginoto Ti added Nb3Sn wires by new fabrication processes IEEE. Trans. Magn. Mag-23, N -2, 1986, p. 964-967).

Недостатком этого способа является то, что в процессе волочения сборки более пластичная по сравнению с медью и бронзой полоса из олова утоняется до минимального размеров, что мало влияет на повышение содержания олова в бронзе при изготовлении провода, а также то, что область, богатая оловом, находится на периферии многожильного провода, что обуславливает неоднородность формирования слоя Nb₃Sn по сечению проводника.The disadvantage of this method is that in the process of drawing the assembly, the tin strip, which is more ductile than copper and bronze, is thinned to a minimum size, which has little effect on the increase in the tin content in bronze in the manufacture of the wire, and also that the region rich in tin located on the periphery of the stranded wire, which leads to heterogeneity of the formation of the Nb ₃ Sn layer along the cross section of the conductor.

Целью изобретения является повышение токовых характеристик сверхпроводящего провода, получаемого по "бронзовой технологии". Поставленная цель достигается тем, что в способе получения сверхпроводящего провода на основе соединения Nb₃Sn, заключающемся в том, что стержень ниобия размещают в оболочку из бронзы, содержащей олова 8-13 мас. герметизируют сборку путем сварки, проводят горячее выдавливание с последующей холодной деформацией прутка волочением до получения шестигранного профиля требуемого размера, разрезку шестигранного прутка на заготовки и сборку их в медную оболочку, герметизируют сборку, подвергают деформации до конечного размера провода, который термообрабатывают по заданному режиму, на поверхность элементов сборки перед операцией герметизации наносится слой олова или оловянного сплава, имеющего в составе In, Ga, Zn 1-40 мас. толщиной 3-10 мкм на каждой из ступеней обработки сборки. Нанесение олова или оловянного сплава на элементы сборки может осуществляться путем напыления или горячего лужения.The aim of the invention is to increase the current characteristics of a superconducting wire obtained by the "bronze technology". This goal is achieved by the fact that in the method of producing a superconducting wire based on the Nb ₃ Sn compound, namely, the niobium rod is placed in a bronze shell containing tin of 8-13 wt. seal the assembly by welding, conduct hot extrusion followed by cold deformation of the rod by drawing to obtain the hexagonal profile of the required size, cut the hexagonal rod into blanks and assemble them into a copper sheath, seal the assembly, deform it to the final size of the wire, which is heat treated according to the specified mode, on the surface of the elements of the assembly before the sealing operation is applied a layer of tin or tin alloy having in the composition of In, Ga, Zn 1-40 wt. 3-10 microns thick at each of the stages of assembly processing. The application of tin or tin alloy on the assembly elements can be carried out by spraying or hot tinning.

Для предотвращения стекания легкоплавкого сплава с поверхности элементов сборки в процессе нагрева ее перед выдавливанием толщина покрытия не должна превышать 10 мкм. Нижний предел толщины покрытия составляет 3 мкм, что определяется возможным эффектом повышения содержания олова в бронзе в процессе термообработки провода. To prevent dripping of the fusible alloy from the surface of the assembly elements during heating it before extrusion, the coating thickness should not exceed 10 microns. The lower limit of the coating thickness is 3 μm, which is determined by the possible effect of increasing the tin content in bronze during the heat treatment of the wire.

Так как в процессе получения сверхпроводящего провода предусмотрено несколько операций сборки шестигранников, то процесс покрытия элементов сборки сплавом на основе олова может осуществляться перед каждой операцией сборки. Since in the process of obtaining a superconducting wire several assembly operations of hexagons are provided, the process of coating the assembly elements with a tin-based alloy can be carried out before each assembly operation.

Таким образом, сборка перед последней операцией деформирования будет иметь элементы (шестигранники), в которых равномерно по сечению композита ниобий-бронза будут располагаться зоны богатые оловом. Так как они имеют достаточно узкую (3-5 мкм) зону внутри пластичной бронзы, то на обработку путем горячего выдавливания и волочения они практически не оказывают влияния. Thus, the assembly before the last deformation operation will have elements (hexagons) in which tin rich zones will be distributed uniformly over the cross section of the niobium-bronze composite. Since they have a fairly narrow (3-5 μm) zone inside the plastic bronze, they practically do not affect the processing by hot extrusion and drawing.

Легирование олова такими элементами, как In, Ga, Zn позволяет улучшить смачивание бронзы, а также повысить скорость и токовые характеристики образования соединения Nb₃Sn при термодиффузионном отжиге. Наиболее оптимальным является легирование олова этими элементами в пределах 1-40 мас.Doping tin with elements such as In, Ga, Zn can improve the wetting of bronze, as well as increase the rate and current characteristics of the formation of the Nb ₃ Sn compound during thermal diffusion annealing. The most optimal is the doping of tin with these elements in the range of 1-40 wt.

Пример выполнения. Перед сборкой конструктивных элементов (шестигранников), имеющих композиционную структуру с количеством жил 121, они подвергались лужению по всей поверхности, с помощью специальной фильеры, сплавом: 8% Sn, In; 0,5% Ga, 1% Zn. Толщина покрытия сохранялась на уровне 5-7 мкм. Шестигранники собирались в трубу из бронзы марки БрО 13, внутренняя поверхность которой также покрывалась этим же сплавом толщиной 3-5 мкм. Сборка герметизировалась, после чего подвергалась горячему выдавливанию с предварительным нагревом 600^oC в течение 2 часов и волочилась с промежуточными термообработками до диаметра 0,3 мм, после чего провод подвергался термодиффузионному отжигу.Execution example. Before assembling structural elements (hexagons) having a composite structure with 121 wires, they were tinned over the entire surface, using a special die, with an alloy: 8% Sn, In; 0.5% Ga, 1% Zn. The coating thickness remained at the level of 5-7 microns. Hexagons were assembled into a pipe made of BrO 13 bronze, the inner surface of which was also covered with the same alloy 3-5 microns thick. The assembly was sealed, after which it was subjected to hot extrusion with preliminary heating of 600 ^° C for 2 hours and was dragged with intermediate heat treatments to a diameter of 0.3 mm, after which the wire was subjected to thermal diffusion annealing.

Электрофизические измерения, проведенные на образцах провода, изготовленного по выбранной технологии, показали, что критический ток их на 12-15% выше по сравнению с проводом, полученным по обычной "бронзовой технологии", а прочностные характеристики мало отличаются друг от друга. Electrophysical measurements carried out on samples of the wire manufactured by the selected technology showed that their critical current is 12-15% higher compared to the wire obtained by the usual "bronze technology", and the strength characteristics differ little from each other.

Таким образом, совместное использование в предлагаемом способе упомянутых выше известных и отличительных признаков, позволяет получить новый технический результат, заключающийся в повышении критического тока по сравнению с проводником, полученным по обычной "бронзовой технологии", на 12-15% Thus, the joint use in the proposed method of the aforementioned known and distinguishing features, allows you to get a new technical result, which consists in increasing the critical current compared with the conductor obtained by the usual "bronze technology", 12-15%

Claims

A method of obtaining a multicore superconducting wire based on the Nb ₃ Sn compound, in which the niobium rod is placed in a bronze shell containing tin 8 13 wt. the resulting assembly with the elements is sealed by welding, hot extrusion is carried out followed by cold deformation of the bar by drawing to obtain the hexagonal profile of the required size, the hexagonal bar is cut into headers and assembled into a copper sheath, the resulting assembly with the elements is sealed, it is deformed to the final size of the wire, which is heat treated according to a given mode, while before sealing each assembly in it form zones containing tin, characterized in that these zones They mean by applying to the assembly elements a layer with a thickness of 3 10 μm tin or an alloy based on it containing one or more alloying elements selected from the list of Jn, Ga, Zu.

2. The method according to claim 1, characterized in that the total number of alloying elements is 1 40%