SU860625A1

SU860625A1 - Method of producing superconductive coating based on intermetallic compound

Info

Publication number: SU860625A1
Application number: SU792766848A
Authority: SU
Inventors: В.М. Пан; Г.А. Клименко; Ю.И. Белецкий; В.С. Флис; П.Б. Шендерович; Е.С. Гольденберг
Original assignee: Опытное Конструкторско-Технологическое Бюро Института Металлофизики Ан Усср
Priority date: 1979-06-06
Filing date: 1979-06-06
Publication date: 1990-08-30

Abstract

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКОГО СОЕЛИНЕНИЯ, на трубчатых проводниках, каждый из которых имеет слой тугоплавкого компонента, размещенный между сло ми меди, заключающийс в том, что трубчатый проводник меньшего диаметра устанавливают в проводнике большего диаметра, создают в зазоре между ними жидкую ванну с легкоплавким компонентом указанного соединени , контактирующую с поверхност ми проводников на части периметра каждого из них, и вращением указанных проводников осуществл ют операции последовательного погружени участков поверхности проводников, извлечени их из расплава и диффузионного отжига, отличающи йс тем, что, с целью повышени качества покрыти , трубчатые проводниС ки привод т в соприкосновение и осуществл ют вращение поворотом одного (Л из них.A method for producing superconducting coatings based on intermetallic solonination on tubular conductors, each of which has a layer of refractory component located between the layers of copper, consisting in that the smaller size of the conductor of the conductor is located in the same layer and the composition is in place. a low-melting component of said compound, which contacts with the surfaces of the conductors on a part of the perimeter of each of them, and rotates the said conductors and sequential immersion of the surface areas of the conductors, their extraction from the melt and diffusion annealing, characterized in that, in order to improve the quality of the coating, the tubular conductors bring into contact and rotate one of them (L of them.

Description

Изобретение относитс к электротехнике и может быть использовано при -изготовлении жесткого сверхпровод щего кабел линии электропередачи .The invention relates to electrical engineering and can be used in the fabrication of a rigid superconducting cable of an electric power line.

Известен способ получени сверхпровод щего покрыти на основе интерметалличесКого соединени , при котором поверхность из металла тугоплавкого компонента упом нутого соединени погружают в расплав легкоплавкого компонента, затем извлекают ее из расплава и выполн ют диффузный отжиг. Перечисленные операции составл ют процесс термообработки в присутствии легкоплавкого компонента сверхпрово- д щего интерметаллического соединени A known method for producing a superconducting coating based on an intermetallic compound in which the surface of the metal of the refractory component of the compound is immersed in the melt of the low-melting component, then it is removed from the melt and diffusion annealing is performed. These operations make up the heat treatment process in the presence of a low-melting component of the superconducting intermetallic compound.

00 Clt00 clt

о о: about o:

со структурой типа А-15. Причем, например , дл получени сверхпроводни ка на основе станнида ниоби врем to погружени в расплав олова или олов СП нистой бронзы составл ет 30 с - 2 ч при температуре 800-1100 С, а врем диффузионного отжига в том же интервале температур составл ет 5-100 ч. Операции погружени и диффузионного отжига могут повтор тьс . В качестве легкоплавкого компонента в паре с ниобием вместо олова может быть алюминий . Аналогичную технологию примен ют дл получени галлида ванади , отличие только в температурном интервале . 38 При осуществлении защиты стабилизи рующего СЛОЯ; например меди или алюми ни , от воздействи расплава легкоплавкого компонента или его паров по известному способу можно изготавливать трубчатый коаксиальньй сверхпроводник , сосго щий из композитных труб Однако с целью повышени производител ности поступают по ругому, Известен способ изготовлени сверх провод щего кабельного издели на основе интерметаллического соединени j заключающршс в сборке в коаксил внутреннего и наружного трубчатого проводников каждый из которых содержит слои меди и размещенньй меж,цу ними слой тугоплавкого компонента интерметаллического соединени , например ниоби , образовани сверхпровод щего сло с помощью термообработки в присутствии легкоплавкого .компонента , интерметаллического соединени и вращени коаксила во врем термообработки . Защиту стабилизирующего сло меди на концевых участках проводников осуществл ют путем приварки заглутпеКс Дп получени сверхпровод щего (СП) сло в межтрубномзазоре коаксила создают жидкую ванну из легкоплавкого компонента упом нутого СП - соединени , при этом легкоплавкий компо нент контактирует с поверхност ми композитных труб лшпь на части периметра каждой из них. В расплаве легк плавкого компонента, напримерj олова дл случа образовани сло станнида ниоби , соответствующие слои меди наружной и внутренней композитных труб р ас ТВ о р ют с , При вращении коаксила происходит совместное вращение обоих композитны труб, последовательно выполн ютс операции погружени поверхности туго плавкого компонента в расплав легкоплавкого компонента, извлечени ее из расплава и диффузионного отжига. Дп увеличени длительности последней операции примен ют дискретное вр щение коаксила. В кабельных издели х, где жидкий гелий прокачиваетс в межтрубном зазоре коаксила, величина межтрубного зазора обусловлена электроизол ционньми свойствами хладагента. При передаче больших мощностей (более 2ГТЗА,) этот saiaop превышает 50 мм на сторону. На стадии образовани -СП-сло композитные трубы врардаютс с одинаковой угловой скоростью. Из-за большого расхождени в диаметрах обеих труб . линейные скорости входа поверхности тугоплавкого компонента каждой трубы в жидкую ванну легкоплавкого компонента отличаютс . При больших скорост х движени , например, ниобиевой подложки в жидкой ванне вследствие . растворени поверхностного сло ниоби уменьшаетс толщина СП-сло . Как было установлено экспериментами в ИМФ АИ УССР, по измерению толщины сло станнида ниоби с помощью микроструктурного и микрорентгеноспектрального анализов толщина СП-сло на внутренней поверхности наружной трубы была всегда меньше на 10-50% толпшны СП-сло на наружной поверхности внутренней трубы,. Величина передаваемого тока зависит от толщины СП-сло . Втрубчатом коаксиальном сверхпроводнике обычно по СП-слою внутреннего проводн1-1ка пропускаетс транспортный электрический ток, а ток, прохол; щий по СП-слою наружного проводника; оказывает экранирующее действие на возникающее при прохождении тока переменное магнитное поле о Передача меньшего тока ло наруж-Чому проводнику ухудшает экранирующее действие. Таким образом, изза неидентичных условий образовани СП-сло на внутренней поверхности наружного проводника и на наружной поверхности внутренней толщины СП-слои , D каждом проводнике не разньк Это пг кв:5дит к снижению качества и надежкссгл сверхпровод щего кабельного издели , в чем и состоит основной недостаток известного способа. Цель изобретени - устранение указанного недостатка известного способа, а именно в повьш1ении качества покрыти . Поставленна цель достигаетс тем, что в известном способе получени сверхпровод 1чего покрыти на.основе интерметаллического соединени на трубчатых проводниках, каждый из которых имеет слой тугоплавкого компонента , размещенньй между сло ми меди, заключающийс в том, что трубчатьш проводник меньшего диаметра устанавливают в проводншсе большего диаметра, создшот в зазоре между ними жидкую ванну с легкоплавким компонентом указанного соединени , контактирующую с поверхност ми проводников на части периметра каждого из них, и вращением указанных провод ников осуществл ют операции последовательного погружени участков повер ности проводников, извлечени их из расплава и диффузионного отжига, тру чатые проводники привод т в соприкос новение и осуществл ют вращение пово ротом одной из них. При обкатке за счет сил трени в точке контакта обеспечиваетс равенство линейных скоростей перемещени обеих труб и достигаетс полна I идентичность условий образовани СП-соединени на соответствующих поверхност х обоих проводников (труб). Способ осуществл етс следующим образом. На концевые участки внутреннего трубчатого проводника приваривают заглушки, например, ,из металла тугоплавкого компонента. Помещают его в наружньм проводник, с одной стороны которого приваривают аналогичную загл шку, а с другой загружают шихту из легкоплавкого компонента и привар вают контейнер дл слива непрореагировавшего легкоплавкого компонента. Сборку осутцествл ют либо в вакууме 1 , либо в среде инертног газа аргона, затем проводники помеща ют в горизонтальную печь. Шихту рассчитьшают так, чтобы в процессе тер 1Ообработки внутренний проводник (композитна труба) контактировал с расплавом легкоплавкого компонента на 0,1-0,9 ее периметра. После нагре ва труб до 800--1100°С осуществл ют вращение наружной трубы со скоростью 0,5-10 об/ч, причем при изотермической выдержке в течение 5-100 ч враще ние осуществл ют через каждые 1-50 ч, с Выбор скорости вращени , температурного интервала обработки и времени диффузионного отлдага .обусловлен термодиффузионными параметрами контактирующих металлов (особенност ми термодинамики растворени и диффузии), а также услови ми получени сло тугоплавкого компонента на стабилизирующей подложке (гор ча совместна деформаци , напыление в вакууме, ионна бомбардировка и т.п. (и размерами обрабатываемых проводников) композитных труб). Чем меньше диаметры композитных труб при прочих равных услови х , тем предпочтительнее назначать более высокие o6opoTiii вращени . Выбор части периметра внутренней композитной трубы, на котором осуществл етс контакт с легкоплавким компонентом , преим тцественно зависит от размеров обрабатываемых труб. Чем больше отличаютс диаметры труб, тем меньша часть поверхности трубы должна находитьс в контакте. При вращении нар окной трубы происходит раздельное обеих труб сборки, причем внутренн труба обкать1ваетс по наружной. Последовательно выполн ютс операции погружени поверхности тугоплавкого компонента в расплав легкоплавкого компонента, извле- чени ее из расплава и диффузионного отжига, После термообработки трубы наклон ют , сливают остатки непрореагировавшего легкоплавкого компонента, удал ют заглушки и выполн ют финишную злектрохимическую обработку СП-сло . Па чертеже показано поперечное сечение проводников в сборе, В наружной трубе 1 со сло ми 2-4 стабилизирующего металла меди, тугоплавкого компонента 3 и меди размещена внутренн труба 5, имеюща аналогичные слои 2-4. Вращение наружной трубы, показанное стрелкой, ос тцествл ют со скоростью вдоль ее продольной оси. Вращение внутренней трубы осуществл етс за счет сил трени . Жидка ванна 6 покрывает только часть наружной noBepkности внутренней трубы 5. Пример. Были вз ты две композитные трубы 1 и 5, одна диаметром 76 мм со слоем меди тотщиной 2,5 мм, слоем ниоби толщиной 0,3 мм и слоем меди толщиной 0,5 мм, друга труба диаметром 51 мм имеет те же слои. На концевых участках трубы 0 51 мм механической обработкой и травлением удал ют оба сло меди на дш-гне примерно 15-30 мм и помещают ее в вакуумную камеру или камеру с инертной Р&кой, Затем к слою ниоби приваривают с обоих концов трубы 5 заглушку из того же металла. Дл сварки может быть использован электронный, лазерньй луч или дуга. От выбора источника сварки зависит длина удаленных слоев 2 и 4 меди. Аналогично обрабатываютс концы трубы диаметром 76 мм, С одного конца трубы приваривают заглушку, Загружают в трубу олово и помещают в трубу 5, Количество олова рассчитыают так, чтобы жидка бронзова ванна 6 содержала 70% олова и покрывала 0,2-0,4 поверхности композитной трубы 5. С другого конца трубы 1 затем приваривают ниобиевый контейнер дл слива непрореагировавшего расплава. Сборку помещают в нагревательную печь с инертной или вакуумной средой и нагревают до 830-850 С. Олово расплавл етс и раствор ет слой меди 4 на части поверхности труб 1 и 5. Образуетс бронзова ванна 6. При изотермической выдержке трубу 1 при помощи специального привода начинают вращать со скоростью 1-2 об/ч. После поворота на 180-240 С делаю остановку на 10-15 мин. Когда трубу 8 8 провернут на один o6opoTj то через каждый час выполн ют поворот на 360450 . .Общее врем изотермической выдержки составл ет 20 ч. Послетермообработки при остывании труб 1 и 5 сборку поднимают в вертикальной плоскости примерно на 30 и сливают остатки бронзы в ниобиевый контейнер. По достижении комнатной температуры трубы вынимают из нагревательной печи, механическим путем отрезают заглушки и ниобиевый контейнер. Производ т разделение труб 1 и 5 и выполн ют финишную электрохимическую обработку образовавшегос СП-сло . Толщина последнего равна 20-30 мк. Измерени критического тока показали, что плотность критического тока сверхпровод щего сло на обеих трубах составл ет 4-5-10 А/см. в поле 60 кЭ.with structure type A-15. Moreover, for example, to obtain a superconductor based on a niobium stannide, the time for immersion in molten tin or sintered bronze tin is 30 seconds to 2 hours at a temperature of 800-1100 ° C, and the diffusion annealing time in the same temperature range is 5- 100 hours. Immersion and diffusion annealing may be repeated. As a low-melting component, paired with niobium instead of tin may be aluminum. A similar technology is used to produce vanadium gallide, the only difference is in the temperature range. 38 In the implementation of the protection of the stabilizing layer; for example, copper or aluminum, a molten fusible component or its vapor can be produced by a known method to produce a tubular coaxial superconductor composed of composite tubes. However, in order to increase performance, another method is used to manufacture an extra-conductive cable product based on an intermetallic compound j enclosed in the assembly in the coaxil of the inner and outer tubular conductors, each of which contains layers of copper and a layer of refractory between them an intermetallic compound component, such as niobium, the formation of a superconducting layer by heat treatment in the presence of a low-melting component, an intermetallic compound, and rotation of the coaxil during heat treatment. The stabilizing copper layer at the end sections of the conductors is protected by welding a plug-in layer to obtain a superconducting (SP) layer in the coaxil inter-pipe gap to create a liquid bath from the low-melting component of the above SP-compound, while the low-melting component contacts the surfaces of the composite pipes and splits the part perimeter of each of them. In the melt of a lightly fusible component, for example, tin, for the case of formation of a niobium stannide layer, the corresponding copper layers of the outer and inner composite pipes are packaged. As the coaxil is rotated, both composite pipes rotate together, and the surface of the fusible component is continuously submerged. into the melt of the low-melting component, extracting it from the melt and diffusion annealing. Dp increases the duration of the last operation using discrete coaxil insertion. In cable products, where liquid helium is pumped in the coaxil annulus, the annulus size is due to the electrical insulating properties of the refrigerant. When transferring high power (more than 2 GTSA), this saiaop exceeds 50 mm per side. In the formation stage of the PSC layer, composite pipes are rooted at the same angular velocity. Due to the large difference in the diameters of both pipes. The linear velocities of the entrance of the surface of the refractory component of each pipe into the liquid bath of the fusible component differ. At high speeds of motion, for example, a niobium substrate in a liquid bath due to. dissolving the superficial layer of niobium, the thickness of the supernatant layer is reduced. As it was established by experiments in the IMP AI of the Ukrainian SSR, by measuring the thickness of the stannide stratum niobium using microstructural and X-ray microanalysis, the thickness of the superconducting layer on the inner surface of the outer pipe was always 10-50% smaller than the superconductive layer in the outer surface of the inner pipe. The magnitude of the transmitted current depends on the thickness of the SP-layer. In a coaxial superconductor, a transport electric current is usually passed through the internal layer of the internal conductor, and the current is penetrated through the superconductor; in the joint venture layer of the outer conductor; It has a shielding effect on the alternating magnetic field arising when a current passes. The transfer of a smaller current to the outer conductor impairs the shielding effect. Thus, due to the non-identical conditions of formation of a JV-layer on the inner surface of the outer conductor and on the outer surface of the inner thickness of the J-layers, D each conductor is not distinguished. This is pg q: 5dit to lower quality and reliability of the superconducting cable product, which is the main the disadvantage of this method. The purpose of the invention is to eliminate this drawback of a known method, namely in improving the quality of the coating. The goal is achieved by the fact that in a known method of producing superconducting a single coating based on an intermetallic compound on tubular conductors, each of which has a layer of a refractory component, placed between copper layers, the fact that a smaller diameter conductor is installed in a larger diameter conductor , creating in the gap between them a liquid bath with a low-melting component of the compound in contact with the surfaces of the conductors on the part of the perimeter of each of them, and rotation In the case of these conductors, the operations of sequentially immersing the portions of the conductors, extracting them from the melt and diffusion annealing, friction conductors bring into contact and rotate one of them. When running in due to friction forces at the point of contact, the linear velocities of movement of both pipes are equal and complete I identity of the conditions for the formation of SC compounds on the corresponding surfaces of both conductors (pipes) is achieved. The method is carried out as follows. On the end sections of the inner tubular conductor weld plugs, for example, of the metal of the refractory component. It is placed in an outer conductor, on the one hand of which a similar plug is welded, and on the other, the charge is charged from the low-melting component and the container is welded to drain the unreacted low-melting component. The assembly is cooled either in vacuum 1 or in an inert argon gas medium, then the conductors are placed in a horizontal furnace. The charge is calculated so that during the termination process 1, the inner conductor (composite tube) is in contact with the melt of the low-melting component at 0.1-0.9 of its perimeter. After the pipes are heated to 800-1-100 ° C, the outer pipe is rotated at a speed of 0.5-10 rev / h, and during isothermal holding for 5-100 hours, the rotation is performed every 1-50 hours, s. rotation speed, temperature processing interval, and diffusion time, are caused by the thermal diffusion parameters of the contacting metals (features of dissolution and diffusion thermodynamics), as well as the conditions for obtaining the refractory component layer on the stabilizing substrate (hot joint deformation, evaporation in vacuum , ion bombardment, etc. (and the size of the processed conductors) of composite pipes). The smaller the diameters of the composite tubes, ceteris paribus, the more preferable is to assign higher o6opoTiii rotations. The selection of the part of the perimeter of the inner composite tube, which is in contact with the low-melting component, mainly depends on the size of the pipes being machined. The more the pipe diameters differ, the smaller the part of the pipe surface must be in contact. During rotation of the pipe, a separate assembly of both pipes occurs, and the inner pipe is wrapped around the outer pipe. The operations of immersing the surface of the refractory component into the melt of the low-melting component, extracting it from the melt and diffusion annealing are performed successively. After heat treatment, the pipes are tilted, the remnants of the unreacted low-melting component are removed, the plugs are removed and the SP-layer is subjected to final electrochemical treatment. In the drawing, a cross section of the conductor assembly is shown. In the outer tube 1 with layers 2-4 of the stabilizing metal copper, the refractory component 3 and copper there is an inner tube 5 having similar layers 2-4. The rotation of the outer tube, shown by the arrow, occurs at a speed along its longitudinal axis. The rotation of the inner tube is carried out by friction forces. Liquid bath 6 covers only part of the outer noBepknosti inner tube 5. Example. Two composite pipes 1 and 5 were taken, one with a diameter of 76 mm with a copper layer 2.5 mm thick, a niobium layer 0.3 mm thick and a copper layer 0.5 mm thick, the other pipe with a diameter of 51 mm has the same layers. At the end sections of the 0 51 mm pipe, by machining and etching, both copper layers on the core are removed, approximately 15-30 mm, and placed in a vacuum chamber or chamber with an inert P & Then, a plug is welded to the niobium layer at both ends of the pipe 5 from the same metal. E-beam, laser beam or arc can be used for welding. The length of the removed layers 2 and 4 of copper depends on the choice of the welding source. The ends of the pipe with a diameter of 76 mm are treated in the same way. A plug is welded at one end of the pipe, Tin is loaded into the pipe and placed in 5 pipe. The amount of tin is calculated so that the liquid bronze bath 6 contains 70% of tin and covers 0.2-0.4 of the composite surface. pipes 5. At the other end of the pipe 1, a niobium container is then welded to drain unreacted melt. The assembly is placed in a heating furnace with an inert or vacuum medium and heated to 830-850 C. The tin melts and dissolves the copper layer 4 on the surface part of pipes 1 and 5. A bronze bath 6 is formed. With isothermal aging, pipe 1 is started rotate at a speed of 1-2 rev / h. After turning 180-240 C, I stop for 10-15 minutes. When the tube 8-8 is turned by one o6opoTj, then every hour an 360450 turn is made. The total isothermal holding time is 20 hours. After the heat treatment, as the pipes 1 and 5 cool down, the assembly is raised in a vertical plane by about 30 and the bronze residues are poured into the niobium container. Upon reaching room temperature, the pipes are removed from the heating furnace, the plugs and the niobium container are mechanically cut off. The pipes 1 and 5 are separated and the final electrochemical treatment of the formed SP layer is performed. The thickness of the latter is 20-30 microns. Measurements of the critical current showed that the critical current density of the superconducting layer on both tubes is 4-5-10 A / cm. in a field of 60 kOe.

4four

Claims

The method of producing a superconducting coating based on an intermetallic compound, on tubular conductors, each of which has a layer of a refractory component,