WO2020005089A1 - СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn - Google Patents

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn Download PDF

Info

Publication number
WO2020005089A1
WO2020005089A1 PCT/RU2018/000419 RU2018000419W WO2020005089A1 WO 2020005089 A1 WO2020005089 A1 WO 2020005089A1 RU 2018000419 W RU2018000419 W RU 2018000419W WO 2020005089 A1 WO2020005089 A1 WO 2020005089A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
niobium
diffusion barrier
copper
composite wire
alloy
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/000419
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ильдар Мансурович АБДЮХАНОВ
Максим Викторович АЛЕКСЕЕВ
Анастасия Сергеевна ЦАПЛЕВА
Руслан Теймурович АЛИЕВ
Евгений Андреевич ЗУБОК
Мария Владимировна КРЫЛОВА
Виктор Иванович ПАНЦЫРНЫЙ
Александр Геннадьевич СИЛАЕВ
Сергей Михайлович ЗЕРНОВ
Original Assignee
Акционерное Общество "Твэл"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Твэл" filed Critical Акционерное Общество "Твэл"
Priority to RU2020142441A priority Critical patent/RU2770617C1/ru
Priority to PCT/RU2018/000419 priority patent/WO2020005089A1/ru
Publication of WO2020005089A1 publication Critical patent/WO2020005089A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
    • H01B12/10—Multi-filaments embedded in normal conductors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to the field of electrical engineering and can be used to create composite wires based on superconducting compounds for the manufacture of electrical products.
  • Superconducting composite wires based on Nb 3 Sn for magnetic systems should have a number of necessary operational properties that ensure, inter alia, the stability of the entire magnetic system. These characteristics include relative residual resistance (RRR), effective fiber diameter, and critical current density.
  • RRR relative residual resistance
  • the RRR parameter for a wire based on Nb 3 Sn should be at least 100-150 units. It was found that the value of this indicator is mainly determined by the RRR of the external stabilizing copper.
  • One of the reasons for reducing the RRR parameter of the wire is the diffusion of tin into copper stabilization during diffusion annealing. This annealing is necessary for the formation of the superconducting phase of Nb 3 Sn by diffusion of tin from its sources to niobium fibers, while tin can diffuse into stabilizing copper.
  • Nb 3 Sn wire obtained by placing in a copper pipe, on the inner surface of which there is a diffusion barrier made of a material selected from the group: tantalum, tantalum alloy, niobium and niobium alloy, many rods in a copper pipe, the core of which consists of tin or tin alloy or niobium or niobium alloy, and the rods containing tin or tin alloy, do not touch each other.
  • the resulting wire is heat treated to form the Nb 3 Sn phase.
  • a drawback of wire manufacture is the absence of a copper or copper-containing sublayer on the inner surface of the barrier, which can lead to uneven drawing of the entire multi-fiber preform, the local occurrence of setting points (strong metallurgical contact) between the diffusion barrier and the inner preforms. This can lead to a violation of the integrity of the multi-fiber preform or diffusion barrier, and to a decrease in the parameter RRR. In the case of the same material on both sides of the contacting surfaces, setting occurs simultaneously over the entire surface, locality is practically absent.
  • the disadvantage of the described method of forming a diffusion barrier is the possibility of both superposing metal layers on each other, and their divergence.
  • the absence of a strong metallurgical bond between the metal layers in the diffusion barrier can lead to the fact that when it is deformed as part of a multifiber preform necessary for the formation of Nb 3 Sn wires, breaks and local unacceptable distortions of the geometry of the diffusion barrier can occur.
  • the layers of metal diverge the integrity of the barrier layer is violated, which can lead to a significant decrease in the relative residual resistance of the entire wire.
  • the disadvantages of this design of the superconducting composite wire include the formation of a diffusion barrier from a sheet or plate of tantalum, which leads to the appearance of areas of local thickening of the barrier in the overlap region during the deformation of the multifiber blank.
  • the presence in the structure of the workpiece blanks from fusible tin or an alloy based on tin eliminates the use of hot plastic deformation operations, which could provide a strong metallurgical bond between the tantalum diffusion barrier and the copper pipe, as well as between the tantalum diffusion barrier and the workpieces inside it. Therefore, with subsequent cold plastic deformation, the absence of a strong metallurgical bond between the above components will cause the diffusion barrier and / or blanks to break openly inside it and lead to a decrease in the RRR parameter of the wire.
  • the objective of the invention is to obtain a superconducting composite wire based on Nb 3 Sn with a relative residual resistance of more than 150 units.
  • the technical result is to provide a value of the relative residual resistance of a superconducting composite wire based on Nb 3 Sn of more than 150 units, which ensures the stability of the magnetic system made of this wire.
  • a superconducting composite wire based on Nb 3 Sn made of a multifilament billet formed by placing a plurality of billets surrounded by a diffusion barrier in the pipe, with each billet having a copper sheath, a bar containing tin placed in the center of the billet, and around it niobium-containing rods are located, each of which has a copper-containing shell, while niobium-containing rods are placed in a copper-containing matrix and are divided into sectors by dividers, with
  • the pipe and diffusion barrier are made in one piece, and the inner surface of the diffusion barrier has a coating in the form of a thin layer of copper.
  • the pipe has a hole in the form of a polygon.
  • the diffusion barrier is made of a material selected from the group: niobium, niobium-based alloys, tantalum, tantalum-based alloys.
  • the diffusion barrier is made of a layer of niobium or an alloy based on it, on the inner surface of which there are inserts from a material selected from the group: tantalum, tantalum-based alloys, iron, iron-based alloys located at a distance from each other.
  • the diffusion barrier is made by alternating inserts from niobium or its alloy and inserts from a material selected from the group: tantalum, tantalum-based alloys, iron, and iron-based alloys.
  • the inserts are hexagonal, rectangular or round.
  • the diffusion barrier consists of two layers, the inner layer of which is made of an alloy based on niobium, and the outer layer is made of niobium.
  • the diffusion barrier consists of two layers, the inner layer of which is made of niobium, and the outer layer is made of an alloy based on niobium.
  • the diffusion barrier consists of two layers, the inner layer of which is made of niobium or an alloy based on niobium, and the outer layer is made of tantalum.
  • the diffusion barrier consists of two layers, the inner layer of which is made of niobium or an alloy based on niobium, and the outer layer is made of an alloy based on tantalum.
  • a reinforcing layer is placed on the outer surface of the diffusion barrier, for example, from copper containing particles A1 2 Oz, a Cu-Nb pseudo-alloy.
  • the separators are made of a material selected from the group: high-purity copper, Cu-Mn alloy, Cu-Fe alloy, Cu-Ge alloy.
  • the dividers are made of rectangular and / or polygonal plates or rods.
  • tantalum or an alloy based on it as a diffusion barrier material allows one to obtain high RRR values of the finished wire, since tantalum slightly reacts with tin during diffusion annealing, which does not allow tin to enter stabilizing copper.
  • a diffusion barrier consisting of two layers in the design of the wire, the outer layer of which is made of niobium alloy and the inner layer is made of niobium, can reduce the rate of formation of a superconducting compound on the surface of the barrier and, thereby, prevent its full development during diffusion annealing, and also allows to prevent diffusion of tin into stabilizing copper during diffusion annealing, which allows to increase the parameter RRR of the wire.
  • a combined diffusion barrier consisting of a layer of niobium or an alloy based on it and inserts made of a material selected from the group: tantalum, tantalum-based alloys, iron, iron-based alloys located at a distance from each other, also helps to prevent diffusion tin to stabilizing copper and increase the RRR parameter of the wire, since tantalum and iron prevent the diffusion of tin to niobium and the formation of a superconducting layer, and thereby prevent the diffusion of tin into stabilizing copper in diffusion annealing belt.
  • the diffusion barrier reinforcement layer such as copper containing particles of A1 2 0z, or pseudoalloy Cu-Nb diffusion barrier preserves its shape and a uniform thickness, prevents the occurrence of local necking portions. This leads to the absence of local penetration of the diffusion barrier into the superconducting compound and prevents the diffusion of tin into stabilizing copper.
  • FIG. 1 shows a cross section of a multi-fiber preform 1, made by placing in a pipe 2, made in one piece with a diffusion barrier 3, a plurality of preforms 4, while the inner surface of the diffusion barrier 3 has a coating in the form of a thin layer of copper 5.
  • FIG. 2 shows a cross section of the workpiece 4.
  • Each workpiece 4 contains a copper case 6, in which is located a copper-containing matrix 7, in the center of which a tin rod 8 is placed, around which niobium-containing rods 9 are located, each of which has a copper-containing shell 10, while the niobium-containing rods 9 are divided by sectors with copper dividers 11.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a multi-fiber preform 1 made by placing a plurality of preforms 4 in a pipe 2, made integrally with a diffusion barrier 3, and has a hole in the form of a polygon, while the inner surface of the diffusion barrier 3 has a coating in the form of a thin layer of copper 5.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a multi-fiber preform 1 made by placing a plurality of preforms 4 in a pipe 2 made in one piece with a diffusion barrier 3, which consists of two layers, the inner layer 12 of which is made of niobium or an alloy based on niobium and the outer layer 13, made of tantalum or an alloy based on tantalum, or niobium, or an alloy based on niobium, while the inner surface of the diffusion barrier 3 has a coating in the form of a thin layer of copper 5.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a multi-fiber preform 1 made by placing a plurality of preforms 4 in a pipe 2, made integrally with a diffusion barrier 3, the inner surface of which is coated with a thin layer of copper 5, while the diffusion barrier 3 is made by alternating inserts 14 of niobium or its alloy and inserts 15 from a material selected from the group: tantalum, alloys based on tantalum, iron, alloys based on iron.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a multi-fiber preform 1, made by placing a plurality of preforms 4 in a pipe 2, made in one piece with a diffusion barrier 3, the inner surface of which is coated in the form of a thin layer of copper 5, while the diffusion barrier 3 consists of a layer 16 of niobium or its alloy, on the inner surface of which there are inserts 15 from a material selected from the group: tantalum, alloys based on tantalum, iron, alloys based on iron, located at a distance from each other.
  • FIG. 7 shows a cross-section of a multi-fiber preform 1, made by placing a plurality of preforms 4 in a pipe 2, made in one piece with a diffusion barrier 3, the inner surface of which has a coating in the form of a thin layer of copper 5, while a reinforcing layer is placed on the outer surface of the diffusion barrier 3 17, for example, from copper containing AI 2 O 3 particles, a Cu-Nb pseudo-alloy.
  • the technology for producing the inventive superconducting composite wire is to form a multi-fiber preform by placing a plurality of preforms surrounded by a diffusion barrier in the pipe, each preform having a copper cover, a bar containing tin placed in the center of the preform, and niobium containing rods located around it, each of which has a copper-containing shell, while the niobium-containing rods are placed in a copper-containing matrix and are divided into sectors by dividers, and the pipe and diffusion the barrier is made in one piece, and the inner surface of the diffusion barrier is covered with a thin layer of copper.
  • the preform was formed by placing in the center of a copper cover 300 mm high, with an external diameter of 129.1 mm and an internal hole with a diameter of 119 mm, a tin rod with a diameter of 19.5 mm, around which 681 niobium-containing bars were placed in a copper shell with a “turnkey” size 3, 8 mm, in a copper-containing matrix.
  • the indicated number of niobium-containing rods was separated by copper rods - dividers with a "turnkey” size of 3.8 mm into three sectors.
  • the number of copper bars - dividers was 57 pcs.
  • a multi-fiber preform for the manufacture of wire based on Nb 3 Sn was formed by placing 31 preforms with a "turnkey" size of 3.2 mm, obtained by deformation from the above-described preform, in a pipe made in one piece with a diffusion barrier made of tantalum, the inner surface of the diffusion barrier was coated with a thin layer of copper.
  • the resulting multi-fiber preform was deformed by drawing to a diameter of 1 mm.
  • the length of the resulting wire was more than 500 m.
  • the obtained superconducting composite wire based on Nb 3 Sn was annealed in a vacuum in a stepwise fashion: heating to 370 ° C, holding for 100 h, then heating to 665 ° C and holding at this temperature for 100 h, then cooling with the furnace.
  • a critical current density of more than 2200 A / mm was obtained on a wire made using the multi-fiber preform described above in a magnetic field with an induction of 12 T at a temperature of 4.2 K. Moreover, the relative residual resistance of the wire after diffusion annealing amounted to more than 250 units.

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий. Сверхпроводящий композиционный провод на основе Nb3Sn, изготовленный из многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером, при этом каждая заготовка имеет медный чехол, в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, в вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, при этом ниобийсодержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора разделителями, причем труба и диффузионный барьер выполнены за одно целое, а внутренняя поверхность диффузионного барьера имеет покрытие в виде тонкого слоя меди.. Техническим результатом является достижение величины относительного остаточного сопротивления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn более 150, что обеспечивает стабильность работы магнитной системы, изготовленной из этого провода.

Description

Сверхпроводящий композиционный провод на основе Nb3Sn.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании композиционных проводов на основе сверхпроводящих соединений, предназначенных для изготовления электротехнических изделий.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Сверхпроводящие композиционные провода на основе Nb3Sn для магнитных систем должны обладать рядом необходимых эксплуатационных свойств, обеспечивающих, в том числе и стабильность работы всей магнитной системы. К числу таких характеристик относится относительное остаточное сопротивление (RRR), размер эффективного диаметра волокна и плотность критического тока. Для современных сверхпроводников, предназначенных для создания магнитных систем в устройствах физики высоких энергий, таких как Большой Адронный Коллайдер, Круговой Коллайдер Будущего, Международный Термоядерный Экспериментальный Реактор, предъявляются жесткие требования.
В частности, параметр RRR для провода на основе Nb3Sn должен составлять не менее 100-150 единиц. Установлено, что значение данного показателя, главным образом определяется RRR внешней стабилизирующей меди. Одной из причин снижения параметра RRR провода является диффузия олова в медную стабилизацию во время диффузионного отжига. Этот отжиг необходим для формирования сверхпроводящей фазы Nb3Sn путем диффузии олова из его источников к ниобиевым волокнам, при этом, олово может диффундировать и в стабилизирующую медь. Установлено, что даже малые концентрации олова способны привести к недопустимому снижению параметра RRR провода («Ап experimental study of the resistivity concentration dependence of alloys», Linde J.G., Helvetica Physica Acta, 41 (1968), c. 1005-1015) . В связи с этим при разработке конструкций проводов на основе Nb3Sn необходимо обеспечить защиту стабилизирующей меди от диффузии олова во время диффузионного отжига. Как правило, это достигается введением в конструкцию проводов диффузионных барьеров. При этом конструкция провода должна обеспечить отсутствие искажения сверхпроводящей части провода и разрывов диффузионных барьеров.
Известен композиционный сверхпроводящий Nb3Sn провод [патент US 201201018437 А1, опубл. 2012 г.], полученный путём размещения в медной трубе, на внутренней поверхности которой размещен диффузионный барьер, изготовленный из материала, выбранного из группы: тантал, танталовый сплав, ниобий и ниобиевый сплав, множества прутков в медной трубе, сердечник которых состоит из олова или оловянного сплава или ниобия или ниобиевого сплава, причем прутки, содержащие олово или оловянный сплав, не соприкасаются друг с другом. Полученный провод термообрабатывают для формирования фазы Nb3Sn.
Недостатком изготовления проводов является отсутствие на внутренней поверхности барьера медного или медьсодержащего подслоя, что может приводить к неравномерному волочению всей многоволоконной заготовки, локальному возникновению мест схватывания (прочного металлургического контакта) между диффузионным барьером и внутренними заготовками. Это может приводить к нарушению целостности многоволоконной заготовки или диффузионного барьера, и к снижению параметра RRR. В случае одинакового материала с двух сторон контактирующих поверхностей, схватывание происходит одновременно по всей поверхности, локальность практически отсутствует.
Известен способ формирования диффузионного танталового барьера [CN102298995, опубл. 2011г.], необходимого для изготовления провода на основе Nb3Sn, который состоит в изготовлении танталовой трубы из листа тантала с формированием продольного шва и нанесения на полученную трубную заготовку слоя бескислородной меди.
Недостатком описанного способа формирования диффузионного барьера является возможность как наложения слоев металла друг на друга, так и их расхождение. Отсутствие прочной металлургической связи между слоями металла в диффузионном барьере может привести к тому, что при его деформировании в составе многоволоконной заготовки, необходимой для формирования Nb3Sn провода, могут возникнуть обрывы и локальные недопустимые искажения геометрии диффузионного барьера. Кроме этого, при расхождении слоев металла нарушается целостность барьерного слоя, что может привести к значительному снижению относительного остаточного сопротивления всего провода.
Наиболее близким является сверхпроводящий композиционный провод («Internal tin Nb3Sn conductor development for high energy physics applications», E. Gregory, T. Pyon, AIP Conference Proceedings 614, 958 (2002)), конструкция которого состоит из многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером из тантала, сформированного из листа или пластины внахлест, при этом каждая заготовка имеет медный чехол, и в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, при этом ниобийсодержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора медными разделителями.
К недостаткам указанной конструкции сверхпроводящего композиционного провода относится формирование диффузионного барьера из листа или пластины из тантала, что приводит к возникновению областей локального утолщения барьера в области нахлеста в процессе деформации многоволоконной заготовки. Кроме того, наличие в составе конструкции заготовок прутков из легкоплавкого олова или сплава на основе олова исключает использование операций горячей пластической деформации, которые могли бы обеспечить прочную металлургическую связь между танталовым диффузионным барьером и медной трубой, а также между танталовым диффузионным барьером и находящимися внутри него заготовками. Поэтому при последующей холодной пластической деформации отсутствие прочной металлургической связи между вышеуказанными компонентами будет являться причиной обрывности диффузионного барьера и/или заготовок внутри него и приводить к снижению параметра RRR провода.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей данного изобретения является получение сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn с величиной относительного остаточного сопротивления более 150 единиц.
Техническим результатом является обеспечение величины относительного остаточного сопротивления сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn более 150 единиц, что обеспечивает стабильность работы магнитной системы, изготовленной из этого провода.
Технический результат достигается в сверхпроводящем композиционном проводе на основе Nb3Sn, выполненного из многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером, при этом каждая заготовка имеет медный чехол, в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, при этом ниобийсодержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора разделителями, при этом труба и диффузионный барьер выполнены за одно целое, а внутренняя поверхность диффузионного барьера имеет покрытие в виде тонкого слоя меди. В частном варианте исполнения труба имеет отверстие в виде многоугольника.
В частном варианте исполнения диффузионный барьер выполнен из материала, выбранного из группы: ниобий, сплавы на основе ниобия, тантал, сплавы на основе тантала.
В частном варианте исполнения диффузионный барьер выполнен из слоя ниобия или сплава на его основе, на внутренней поверхности которого расположены вставки из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа, расположенные на расстоянии друг от друга.
В частном варианте исполнения диффузионный барьер выполнен путем чередования вставок из ниобия или его сплава и вставок из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа.
В частном варианте исполнения вставки имеют шестигранную, прямоугольную или круглую форму.
В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из ниобия.
В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия, а внешний слой выполнен из сплава на основе ниобия.
В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из тантала.
В частном варианте исполнения диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из сплава на основе тантала. В частном варианте исполнения на внешней поверхности диффузионного барьера размещен упрочняющий слой, например, из меди, содержащей частицы А12Оз, псевдосплава Cu-Nb.
В частном варианте исполнения разделители выполнены из материала, выбранного из группы: высокочистая медь, сплав Cu-Mn, сплав Cu-Fe, сплав Cu-Ge.
В частном варианте исполнения разделители выполнены из прямоугольных и/или многоугольных пластин или прутков.
Выполнение медной трубы и диффузионного барьера за одно целое позволяет получить высокие значения RRR готового провода, поскольку в этом случае отсутствуют стыки диффузионного барьера и нет угрозы их расхождения, снижается вероятность повреждения диффузионного барьера при формировании многоволоконной заготовки, что в последующем могло бы приводить к сохранению целостности диффузионного барьера и повысить параметр RRR провода.
Использование в качестве материала диффузионного барьера тантала или сплава на его основе позволяет получать высокие значения RRR готового провода, поскольку в процессе диффузионного отжига тантал незначительно реагирует с оловом, что не позволяет попадать олову в стабилизирующую медь.
Использование в конструкции провода диффузионного барьера, состоящего из двух слоев, внешний слой которого выполнен из сплава ниобия, а внутренний слой выполнен из ниобия, позволяет снизить скорость образования сверхпроводящего соединения на поверхности барьера и, тем самым, предотвратить его полную проработку в процессе диффузионного отжига, а также позволяет не допустить диффузию олова в стабилизирующую медь во время диффузионного отжига, что позволяет повысить параметр RRR провода. Использование комбинированного диффузионного барьера, состоящего из слоя ниобия или сплава на его основе и вставок, выполненных из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа, расположенных на расстоянии друг от друга, также позволяет предотвратить диффузию олова в стабилизирующую медь и повысить параметр RRR провода, поскольку тантал и железо препятствуют диффузии олова к ниобию и образованию сверхпроводящего слоя, и тем самым, предотвращают диффузию олова в стабилизирующую медь во время диффузионного отжига.
Использование в качестве материала разделителей высокочистой меди, сплавов Cu-Mn, Cu-Fe, Cu-Ge позволяет локально СНИЗИТЬ диффузию олова на этих участках и тем самым предотвратить попадание олова в стабилизирующую медь и повысить параметр R R провода.
Размещение на внешней поверхности диффузионного барьера упрочняющего слоя, например, из меди, содержащей частицы А120з, или псевдосплава Cu-Nb позволяет сохранить форму диффузионного барьера и его равномерную толщину, препятствует появлению локальных участков утонения. Это приводит к отсутствию мест локальной проработки диффузионного барьера в сверхпроводящее соединение и препятствует диффузии олова в стабилизирующую медь.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, множества заготовок 4, при этом внутренняя поверхность диффузионного барьера 3 имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение заготовки 4. Каждая заготовка 4 содержит медный чехол 6, в котором расположена медьсодержащая матрица 7, в центре которой размещен пруток 8, содержащий олово, вокруг которого расположены ниобийсодержащие прутки 9, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку 10, при этом ниобийсодержащие прутки 9 разделены медными разделителями 11 на сектора.
На фиг. 3 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1 , выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, и имеет отверстие в виде многоугольника, при этом внутренняя поверхность диффузионного барьера 3 имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5.
На фиг. 4 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, который состоит из двух слоев, внутренний слой 12 которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия и внешнего слоя 13, выполненного из тантала или сплава на основе тантала, или ниобия, или сплава на основе ниобия, при этом внутренняя поверхность диффузионного барьера 3 имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5.
На фиг. 5 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, внутренняя поверхность которого имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5, при этом диффузионный барьер 3 выполнен путем чередования вставок 14 из ниобия или его сплава и вставок 15 из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа.
На фиг. 6 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, внутренняя поверхность которого имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5, при этом диффузионный барьер 3 состоит из слоя 16 из ниобия или его сплава, на внутренней поверхности которого расположены вставки 15 из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа, расположенных на расстоянии друг от друга.
На фиг. 7 представлено поперечное сечение многоволоконной заготовки 1, выполненной путем размещения множества заготовок 4 в трубе 2, выполненной за одно целое с диффузионным барьером 3, внутренняя поверхность которого имеет покрытие в виде тонкого слоя меди 5, при этом на внешней поверхности диффузионного барьера 3 размещен упрочняющий слой 17, например, из меди, содержащей частицы AI2O3, псевдосплава Cu-Nb.
Технология получения заявляемого сверхпроводящего композиционного провода заключается в формировании многоволоконной заготовки путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером, при этом каждая заготовка имеет медный чехол, в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, при этом ниобий содержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора разделителями, а труба и диффузионный барьер выполнены за одно целое, а внутренняя поверхность диффузионного барьера покрыта тонким слоем меди.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример исполнения.
Формирование заготовки осуществляли путем размещения в центре медного чехла высотой 300 мм, внешним диаметром 129,1мм и внутренним отверстием диаметром 119 мм, оловянного прутка диаметром 19,5 мм, вокруг которого размещали 681 ниобийсодержащий пруток в медной оболочке с размером «под ключ» 3,8 мм, в медьсодержащей матрице. Указанное количество ниобийсодержащих прутков было разделено медными прутками - разделителями размером «под ключ» 3,8 мм на три сектора. Количество медных прутков - разделителей составило 57 шт.
Многоволоконная заготовка для изготовления провода на основе Nb3Sn была сформирована путем размещения 31 заготовки с размером «под ключ» 3,2 мм, полученных путем деформирования из выше описанной заготовки, в трубе, выполненной за одно целое с диффузионным барьером, изготовленным из тантала, при этом внутренняя поверхность диффузионного барьера была покрыта тонким слоем меди.
Затем проводили деформирование полученной многоволоконной заготовки путем волочения до диаметра 1 мм. Длина полученного провода составила более 500 м.
Отжиг полученного сверхпроводящего композиционного провода на основе Nb3Sn проводили в среде вакуума по ступенчатому режиму: нагрев до 370°С, выдержка 100 ч, затем нагрев до 665°С и выдержка при этой температуре 100 ч, затем охлаждение вместе с печью.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
На проводе, изготовленном с использованием вышеописанной многоволоконной заготовки, в магнитном поле с индукцией 12 Тл при температуре 4,2 К получена плотность критического тока более 2200 А/мм . При этом относительное остаточное сопротивление провода после диффузионного отжига составило более 250 единиц.

Claims

Формула изобретения
1. Сверхпроводящий композиционный провод на основе Nb3Sn, выполненный из многоволоконной заготовки, сформированной путем размещения в трубе множества заготовок, окруженных диффузионным барьером, при этом каждая заготовка имеет медный чехол, в центре заготовки размещен пруток, содержащий олово, а вокруг него расположены ниобийсодержащие прутки, каждый из которых имеет медьсодержащую оболочку, при этом ниобийсодержащие прутки помещены в медьсодержащую матрицу и разделены на сектора разделителями, отличающийся тем, что труба и диффузионный барьер выполнены за одно целое, а внутренняя поверхность диффузионного барьера имеет покрытие в виде тонкого слоя меди.
2. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что труба имеет отверстие в виде многоугольника.
3. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, диффузионный барьер, выполнен из материала, выбранного из группы: ниобий, сплавы на основе ниобия, тантал, сплавы на основе тантала.
4. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что диффузионный барьер выполнен из слоя ниобия или сплава на его основе, на внутренней поверхности которого расположены вставки из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа, расположенные на расстоянии друг от друга.
5. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что диффузионный барьер выполнен путем чередования вставок из ниобия или его сплава и вставок из материала, выбранного из группы: тантал, сплавы на основе тантала, железо, сплавы на основе железа.
6. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 4, 5, отличающийся тем, что вставки имеют шестигранную, прямоугольную или круглую форму.
7. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из ниобия.
8. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен ниобия, а внешний слой выполнен из сплава на основе ниобия.
9. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из тантала.
10. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что диффузионный барьер состоит из двух слоев, внутренний слой которого выполнен из ниобия или сплава на основе ниобия, а внешний слой выполнен из сплава на основе тантала.
11. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что на внешней поверхности диффузионного барьера размещен упрочняющий слой, например, из меди, содержащей частицы А12ОЗ, псевдосплава Cu-Nb.
12. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что разделители выполнены из материала, выбранного из группы: высокочистая медь, сплав Cu-Mn, сплав Cu-Fe, сплав Cu-Ge.
13. Сверхпроводящий композиционный провод по п. 1, отличающийся тем, что разделители выполнены из прямоугольных и/или многоугольных пластин или прутков
PCT/RU2018/000419 2018-06-25 2018-06-25 СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn WO2020005089A1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020142441A RU2770617C1 (ru) 2018-06-25 2018-06-25 Сверхпроводящий композиционный провод на основе Nb3Sn
PCT/RU2018/000419 WO2020005089A1 (ru) 2018-06-25 2018-06-25 СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2018/000419 WO2020005089A1 (ru) 2018-06-25 2018-06-25 СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020005089A1 true WO2020005089A1 (ru) 2020-01-02

Family

ID=68984575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000419 WO2020005089A1 (ru) 2018-06-25 2018-06-25 СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2770617C1 (ru)
WO (1) WO2020005089A1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130053250A1 (en) * 2011-08-25 2013-02-28 Hitachi Cable, Ltd. Nb3Sn SUPERCONDUCTOR WIRE AND METHOD FOR MANUFACTURING Nb3Sn SUPERCONDUCTOR WIRE
RU2522901C2 (ru) * 2012-11-20 2014-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn
RU2547814C1 (ru) * 2013-12-04 2015-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ Nb3Sn СВЕРХПРОВОДНИКА МЕТОДОМ ВНУТРЕННЕГО ИСТОЧНИКА ОЛОВА
US9330819B2 (en) * 2012-10-05 2016-05-03 Bruker Eas Gmbh Semi-finished wire for a Nb3Sn superconducting wire
US20160247606A1 (en) * 2015-02-24 2016-08-25 Bruker Eas Gmbh Semifinished wire with PIT elements for a superconducting wire containing Nb3Sn and method of producing the semifinished wire
US20180068766A1 (en) * 2016-09-06 2018-03-08 David B. Smathers Diffusion barriers for metallic superconducting wires

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130053250A1 (en) * 2011-08-25 2013-02-28 Hitachi Cable, Ltd. Nb3Sn SUPERCONDUCTOR WIRE AND METHOD FOR MANUFACTURING Nb3Sn SUPERCONDUCTOR WIRE
US9330819B2 (en) * 2012-10-05 2016-05-03 Bruker Eas Gmbh Semi-finished wire for a Nb3Sn superconducting wire
RU2522901C2 (ru) * 2012-11-20 2014-07-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД НА ОСНОВЕ Nb3Sn
RU2547814C1 (ru) * 2013-12-04 2015-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ Nb3Sn СВЕРХПРОВОДНИКА МЕТОДОМ ВНУТРЕННЕГО ИСТОЧНИКА ОЛОВА
US20160247606A1 (en) * 2015-02-24 2016-08-25 Bruker Eas Gmbh Semifinished wire with PIT elements for a superconducting wire containing Nb3Sn and method of producing the semifinished wire
US20180068766A1 (en) * 2016-09-06 2018-03-08 David B. Smathers Diffusion barriers for metallic superconducting wires

Also Published As

Publication number Publication date
RU2770617C1 (ru) 2022-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2563501C (en) Superconductive cable and method for the production thereof
US10741309B2 (en) Diffusion barriers for metallic superconducting wires
US20090170709A1 (en) Method for producing a superconductive electrical conductor
US8173901B2 (en) Multifilament superconductor, as well as method for its production
US4055887A (en) Method for producing a stabilized electrical superconductor
US9680081B2 (en) Precursor wire for Nb3Al superconducting wire, Nb3Al superconducting wire, method for producing precursor wire for Nb3Al superconducting wire, and method for producing Nb3Al superconducting wire
RU2770617C1 (ru) Сверхпроводящий композиционный провод на основе Nb3Sn
Scanlan et al. Progress and plans for the US HEP conductor development program
Shikov et al. Development of the superconductors for ITER magnet system
US4532703A (en) Method of preparing composite superconducting wire
JP2007311126A (ja) 化合物超電導体及びその製造方法
RU2436199C1 (ru) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОЙ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ЛЕНТЫ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЯ Nb3Sn
RU2134462C1 (ru) Способ получения сверхпроводника на основе соединения nb3sn
RU2076363C1 (ru) Способ получения многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения nb*003sn
JP2007042455A (ja) Ｎｂ３Ａｌ系超電導線材の製造方法、Ｎｂ３Ａｌ系超電導線材製造用一次複合材及びその製造方法、並びにＮｂ３Ａｌ系超電導線材製造用多芯複合材
EP3745428A1 (en) Blank for manufacturing a superconducting composite wire based on nb3sn
US11574749B2 (en) Diffusion barriers for metallic superconducting wires
JP2015213005A (ja) 超伝導部材の製造方法
RU2441300C1 (ru) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОЙ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ЛЕНТЫ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЯ Nb3Sn
RU2069399C1 (ru) Способ изготовления композитного сверхпроводника на основе соединения nb*003sn
JPS63102115A (ja) 超電導合金線材の製造方法
RU2436198C1 (ru) КОМПОЗИТНАЯ СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ ЛЕНТА НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЯ Nb3Sn
WO2021133192A1 (ru) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КОМПОЗИЦИОННОГО ПРОВОДА НА ОСНОВЕ Nb3Sn
JPH04133215A (ja) Ｎｂ↓３（Ａｌ，Ｇｅ）超伝導線材の製造方法
JPH03108212A (ja) 超電導合金線材の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18923931

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2020142441

Country of ref document: RU

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18923931

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1