RU2157012C1

RU2157012C1 - METHOD FOR PRODUCING COMPOSITE MATERIAL ON THE NbTi ALLOY

Info

Publication number: RU2157012C1
Application number: RU99103129/09A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Салунин; И.Н. Губкин; Г.П. Ведерников; В.С. Беляев; Э.И. Плашкин
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2000-09-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: method involves molding primary composite billet having external coating from stabilizing material and axial cylindrical block from NbTi alloy. The primary composite billet is extruded and deformed to produce hexahedral bar. The hexahedral bar is cut to produce measured length bars that are packed into envelopes from stabilizing material and subjected to extrusion for producing secondary composite billet, and deformed with intermediate heat treatments at 370 to 400 C to obtain the final size of the wire. Composite billet extrusion is carried out at a temperature not exceeding 400 C. EFFECT: increased critical current density in medium and high intensity magnetic fields. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах, преимущественно предназначенных для работы в магнитных полях выше 5 Тл при высоких плотностях тока и низких гистерезисных потерях. The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in devices primarily designed to operate in magnetic fields above 5 T at high current densities and low hysteresis losses.

Известен способ получения композитного стабилизированного сверхпроводника на основе NbTi сплава, включающий операции формирования первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из стабилизирующего материала и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, повторную операцию сборки в чехлы из стабилизирующего материала, экструзию вторичной композитной заготовки и деформирование с промежуточными термообработками, выполняемые при температуре от 370 до 400^oC, до конечного размера провода, характерный тем, что процесс экструзии введен для обеспечения металлургической связи между элементами /1/.A known method of producing a composite stabilized superconductor based on NbTi alloy, including the operation of forming a primary composite billet containing an outer shell of a stabilizing material and an axial cylindrical block of NbTi alloy, extrusion and deformation of the primary composite billet to produce a hexagonal bar, cutting the hexagonal bar into measured lengths, repeated assembly operation into covers made of stabilizing material, extrusion of the secondary composite preform and deformation with intermediate weft heat treatments performed at a temperature of from 370 to 400 ^o C, to the final wire size, characterized in that the extrusion process is introduced to ensure metallurgical bonds between the elements / 1 /.

Полученный путем экструзии композитный пруток обладает высокой плотностью упаковки и хорошей металлургической связью между элементами. Процесс экструзии составной заготовки является основным способом получения многокомпонентного прутка (от нескольких десятков элементов до нескольких тысяч). Основными преимуществами экструзии являются: создание радиального поля напряжений в процессе уменьшения площади поперечного сечения; гомогенность пластического течения; значительное уменьшение площади поперечного сечения. Однако, для обеспечения целостности как отдельных волокон, так и всего проводника, экструзия составных заготовок может производится в определенном температурном интервале. The composite bar obtained by extrusion has a high packing density and a good metallurgical bond between the elements. The process of extrusion of a composite billet is the main way to obtain a multicomponent rod (from several tens of elements to several thousand). The main advantages of extrusion are: the creation of a radial stress field in the process of reducing the cross-sectional area; homogeneity of plastic flow; a significant reduction in cross-sectional area. However, to ensure the integrity of both individual fibers and the entire conductor, the extrusion of composite preforms can be carried out in a certain temperature range.

Выбираемая температура экструзии является очень важным параметром. В литературе приводятся параметры от 510 до 670^oC. Верхняя граница температуры предварительного нагрева в основном определяется протеканием химической реакции с образованием хрупкого интерметаллического соединения Ti₂O, что приводит вначале к обрыву отдельного волокна, а затем может привести к обрыву или группы соседних волокон, или проводника в целом. Нижняя граница определяется сопротивлением деформации сплава NbTi и тем фактом, что при температуре менее 600^oC в о. ц.к. решетке NbTi проявляется тенденция к выделению α -Ti и упрочнению. Кроме того, считается, что если сцепление меди с NbTi происходит в процессе экструзии, то температуры менее 600^oC нежелательны.The selected extrusion temperature is a very important parameter. Parameters from 510 to 670 ^o C are given in the literature. The upper limit of the preheating temperature is mainly determined by the course of a chemical reaction with the formation of a brittle intermetallic compound Ti ₂ O, which first leads to the breakage of an individual fiber, and then can lead to the breakage or groups of neighboring fibers. or the conductor as a whole. The lower boundary is determined by the deformation resistance of the NbTi alloy and the fact that at a temperature of less than 600 ^o C in about. c.k. the NbTi lattice tends to release α-Ti and harden. In addition, it is believed that if the adhesion of copper to NbTi occurs during extrusion, temperatures of less than 600 ^o C are undesirable.

Известен способ изготовления композитного сверхпроводника на основе NbTi сплава, выбранный в качестве прототипа /2/, включающий операции формирования первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из стабилизирующего материала и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, повторную операцию сборки в чехлы из стабилизирующего материала, экструзию вторичной композитной заготовки и деформирование с промежуточными термообработками, выполняемые при температуре от 370 до 400^oC, до конечного размера провода, при этом температура для экструзии композитной заготовки определена в 600^oC для высокониобиевых сплавов и сплавов промежуточного состава и 550^oC для высокотитановых сплавов.A known method of manufacturing a composite superconductor based on NbTi alloy, selected as a prototype / 2 /, including the operation of forming a primary composite billet containing an outer shell of a stabilizing material and an axial cylindrical block of NbTi alloy, extrusion and deformation of the primary composite billet to obtain a hexagonal rod, cutting a hexagonal bar into measured lengths, re-assembling into covers made of stabilizing material, extruding a secondary composite billet and deformations curing with intermediate heat treatments, carried out at a temperature of 370 to 400 ^o C, to the final wire size, while the temperature for extrusion of the composite billet is defined as 600 ^o C for high-niobium alloys and alloys of intermediate composition and 550 ^o C for high-titanium alloys.

Предложенные режимы экструзии составных заготовок позволяют получать длинномерные многоволоконные провода диаметром менее 1 мм, а диаметр волокна при этом может составлять 10 мкм и менее. Однако, предложенные температурные режимы выдавливания вызывают в NbTi сплаве рекристаллизацию или возврат, которые связаны с изменением субструктуры и распределением дислокаций, что приводит к уменьшению плотности критического тока в конечном композите. Таким образом, необходимая холоднодеформированная структура может быть обеспечена только в процессе последнего передела от прессованного прутка последней составной заготовки до конечного размера провода, что часто оказывается недостаточным для обеспечения требуемых токовых свойств в средних и высоких магнитных полях. The proposed modes of extrusion of composite preforms allow to obtain long multi-fiber wires with a diameter of less than 1 mm, and the fiber diameter can be 10 microns or less. However, the proposed extrusion temperature regimes cause recrystallization or recovery in the NbTi alloy, which is associated with a change in the substructure and distribution of dislocations, which leads to a decrease in the critical current density in the final composite. Thus, the necessary cold-deformed structure can be provided only during the last redistribution from the pressed rod of the last composite billet to the final wire size, which is often insufficient to provide the required current properties in medium and high magnetic fields.

Токонесущая способность любых сверхпроводников определяется пиннингом флюксоидов магнитного потока. Основными центрами пиннинга в NbTi проводах, изготовленных по классической технологии (в отличии от проводов с искусственными центрами пиннинга), служат α -Ti выделения, получаемые в ходе многостадийных низкотемпературных термообработок. Размеры и плотность α -Ti частиц являются основными факторами той или иной силы пиннинга магнитного потока. Чем меньше диаметр выделившихся частиц и выше их плотность, тем сильнее пиннинг магнитного потока и, соответственно, выше токонесущая способность провода. The current carrying capacity of any superconductors is determined by the pinning of fluxoids of the magnetic flux. The main pinning centers in NbTi wires manufactured according to the classical technology (in contrast to wires with artificial pinning centers) are α-Ti precipitates obtained in the course of multi-stage low-temperature heat treatments. The size and density of α-Ti particles are the main factors of one or another magnetic flux pinning force. The smaller the diameter of the released particles and the higher their density, the stronger the pinning of the magnetic flux and, accordingly, the higher the current carrying capacity of the wire.

Размер частиц α -Ti определяется микроструктурой холодной деформации, поэтому все используемые сплавы подвергаются холодной деформации для развития мелкомасштабной гетерогенной микроструктуры. Развитая структура микрополос скольжения, обеспечиваемая, как правило, волочением, - это структура с плотностью ячеек до 4,9•10¹¹ см². Низкотемпературная термообработка такой холоднодеформированной структуры вызывает очень тонкие выделения α -Ti в стенках ячеек. Рост зародыша α -Ti происходит в объеме ячейки и ограничивается стенками ячейки. Плотность α -Ti выделений связана с плотностью дислокаций, которая в свою очередь зависит от степени холодной деформации. Таким образом, плотность выделений также определяется размером микрополос скольжения. Общее время термообработок вызывает в большей степени рост выделившейся фазы, нежели образование новых зародышей.The particle size of α-Ti is determined by the microstructure of cold deformation; therefore, all the alloys used are subjected to cold deformation for the development of a small-scale heterogeneous microstructure. The developed structure of slip microbands, provided, as a rule, by drawing, is a structure with a cell density of up to 4.9 • 10 ¹¹ cm ² . The low-temperature heat treatment of such a cold-deformed structure causes very fine precipitations of α-Ti in the cell walls. The α-Ti nucleus growth occurs in the cell volume and is limited by the cell walls. The density of α-Ti precipitates is related to the dislocation density, which in turn depends on the degree of cold deformation. Thus, the density of the precipitates is also determined by the size of the slip microbands. The total heat treatment time causes to a greater extent the growth of the precipitated phase than the formation of new nuclei.

В условиях высокой степени холодной деформации проводов плотность дислокаций очень высока и достигает значений более 10¹² мм². В этих условиях происходит значительная взаимная аннигиляция дислокаций как по геометрическим причинам, так и вследствие процессов динамического возврата, инициируемых высокими плотностями точечных дефектов и дислокаций. Таким образом, на степень утонения микрополос могут влиять технологические параметры обработки, такие как скорость волочения, обжатие за проход, температура волочения, смазка. Уменьшение микрополос скольжения протекает вначале быстро и замедляется, когда вытяжка превышает -10³, но при этом тенденция уменьшения микрополос с ростом степени деформации сохраняется. Т.е. при увеличении степени холодной деформации выше определенной величины можно добиться, пусть не столь большого, но все же заметного уменьшения размера микрополос, а следовательно, дополнительного увеличения плотности критического тока проводника.Under conditions of a high degree of cold deformation of the wires, the dislocation density is very high and reaches values greater than 10 ¹² mm ² . Under these conditions, significant mutual annihilation of dislocations occurs both for geometric reasons and due to dynamic return processes initiated by high densities of point defects and dislocations. Thus, the technological parameters of processing, such as drawing speed, compression during passage, drawing temperature, lubrication, can affect the degree of thinning of microbands. The decrease in the slip microwaves at first proceeds quickly and slows down when the hood exceeds -10 ³ , but the tendency to decrease in the microwaves with an increase in the degree of deformation remains. Those. with an increase in the degree of cold deformation above a certain value, one can achieve, albeit not so large, but nevertheless a noticeable decrease in the size of microbands, and, consequently, an additional increase in the critical current density of the conductor.

Во время промежуточных термообработок на начальной стадии происходит упорядочивание дислокационной структуры и некоторый рост микрополос скольжения. На более поздней стадии появляются выделения α -Ti, которые образуются в крайне насыщенных дислокациями стенках субзерен. Начало выделения α -Ti зависит от степени холодной деформации, т.е. величина холодной деформации является решающим фактором в определении кинетики выделений. Таким образом, необходимую плотность выделений можно обеспечить за более короткое время. During intermediate heat treatments at the initial stage, the dislocation structure is ordered and some slip microwaves increase. At a later stage, α-Ti precipitates appear, which are formed in subgrain walls extremely saturated with dislocations. The onset of α-Ti release depends on the degree of cold deformation, i.e. The magnitude of cold deformation is a decisive factor in determining the kinetics of precipitates. Thus, the necessary density of the precipitates can be provided in a shorter time.

Дополнительными, но весьма ограниченными возможностями увеличения холодной деформации обладает технологическая схема с использованием крупных заготовок, например, диаметром 250 или 300 мм, но включение в технологическую цепочку дополнительного оборудования, связанного с изготовлением чехлов, сборки массивных заготовок, вакуумирования, транспортировки, да и работа непосредственно самого гидравлического пресса с усилием не менее 6000 тс приводит к заметному удорожанию продукции и не всегда экономически целесообразна в условиях выпуска небольших партий провода. Additional, but very limited possibilities for increasing cold deformation are possessed by the technological scheme using large workpieces, for example, with a diameter of 250 or 300 mm, but the inclusion in the technological chain of additional equipment related to the manufacture of covers, the assembly of massive workpieces, evacuation, transportation, and work directly the hydraulic press itself with an effort of at least 6,000 tf leads to a noticeable rise in price of products and is not always economically feasible under conditions of production of large batches of wire.

Дополнительными, но тоже ограниченными возможностями увеличения холодной деформации обладает и другая технологическая схема, основанная на холодном наложении дополнительной медной оболочки на сформированный в процессе горячей экструзии композитный пруток, но такая схема применима для проводов с малым объемным содержанием сверхпроводника в медной матрице и оставляет много открытых технологических вопросов при изготовлении проводов с повышенным содержанием сплава. Another, but also limited, possibility of increasing cold deformation is another technological scheme based on the cold superposition of an additional copper sheath on a composite rod formed during hot extrusion, but this scheme is applicable for wires with a small volume content of a superconductor in a copper matrix and leaves a lot of open technological issues in the manufacture of wires with a high alloy content.

Техническая задача настоящего изобретения заключается в обеспечении повышенной токонесущей способности композита за счет увеличения холодной деформации путем снижения температуры экструзии. The technical task of the present invention is to provide increased current carrying capacity of the composite by increasing cold deformation by lowering the extrusion temperature.

Поставленная задача решается так, что если в известном способе изготовления композитного сверхпроводника на основе NbTi сплава, который включает операции формирования первичной композитной заготовки, содержащей наружную оболочку из стабилизирующего материала и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзии и деформирования первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резки шестигранного прутка на мерные длины, повторной операции сборки в чехлы из стабилизирующего материала, экструзии и деформирования с промежуточными термообработками, выполняемые при температуре от 370 до 400^oC, до конечного размера провода, температура экструзии композитных заготовок составляет 550 - 600^oC, то в предлагаемом способе температура экструзии не выше температуры промежуточных отжигов, необходимых для выделения α-фазы и которые не вызывают кардинального изменения холоднодеформированной структуры.The problem is solved so that if in a known method of manufacturing a composite superconductor based on NbTi alloy, which includes the operation of forming a primary composite billet containing an outer shell of a stabilizing material and an axial cylindrical block of NbTi alloy, extrusion and deformation of the primary composite billet to obtain a hexagonal bar , cutting a hexagonal bar into measured lengths, re-assembling into covers made of stabilizing material, extrusion and deformation with ezhutochnymi heat treatments performed at a temperature of from 370 to 400 ^o C, to a final size wire, the temperature of extrusion of the composite billet is 550 - 600 ^o C, in the proposed method, an extrusion temperature not higher than the intermediate annealing temperature necessary to isolate α-phase and are not cause a radical change in the cold-deformed structure.

Проведенные структурные исследования волокон композитного прутка, полученного в ходе экструзии при пониженной температуре (380^oC), дают основание полагать, что сплав в основном сохранил в процессе экструзии структуру холодной деформации. Структура волокон центральных и периферийных усредняется; так, например, микротвердость волокон центральных и периферийных практически не различается, в то время, как различия микротвердости в волокнах аналогичных проводов, полученных путем горячей экструзии, составляет от 16 до 26% в зависимости от скоростных условий выдавливания.Structural studies of the fibers of the composite rod obtained during extrusion at a low temperature (380 ^o C), suggest that the alloy mainly retained the structure of cold deformation during extrusion. The structure of the central and peripheral fibers is averaged; for example, the microhardness of the central and peripheral fibers practically does not differ, while the microhardness differences in the fibers of similar wires obtained by hot extrusion range from 16 to 26%, depending on the speed of extrusion.

Критерием наличия металлургической связи между элементами композита, ее надежности может служить соотношение расчетных и реальных объемных долей меди и NbTi сплава. Опытные работы, проведенные по холодному наложению дополнительной медной оболочки на прессованный многоволоконный композит в медной оболочке показали, что постоянное соотношение объемных долей меди и сплава наблюдается уже после 50% совместной холодной деформации, что соответствует значению вытяжки 2. В случае холодного выдавливания составной заготовки на гидравлическом прессе, например, с усилием 1600 тс, при использовании контейнеров с диаметром рабочего отверстия, например, 95 или 130 мм можно обеспечить значение вытяжки примерно от 4 до 10 в зависимости от объемного содержания NbTi сплава. The criterion for the presence of a metallurgical bond between the elements of the composite and its reliability can be the ratio of the calculated and real volume fractions of copper and NbTi alloy. Experimental work on the cold application of an additional copper shell on an extruded multi-fiber composite in a copper shell showed that a constant ratio of the volume fractions of copper and alloy is observed after 50% joint cold deformation, which corresponds to a draw value of 2. In the case of cold extrusion of a composite billet on a hydraulic press, for example, with a force of 1600 tf, when using containers with a diameter of the working hole, for example, 95 or 130 mm, it is possible to provide a drawing value of about 4 to 10 depending on the volume content of the NbTi alloy.

Отсутствие раннего выпадения α -Ti выделений в процессе холодного выдавливания обеспечивается гомогенностью NbTi сплава. Использование высокочистого высокогомогенного изначально рекристаллизованного сплава обеспечивает необходимую холодную вытяжку до получения готового размера провода в отсутствии отжигов для снятия напряжений. The absence of early precipitation of α-Ti precipitates during cold extrusion is ensured by the homogeneity of the NbTi alloy. The use of a high-purity highly homogeneous initially recrystallized alloy provides the necessary cold drawing to obtain the finished wire size in the absence of annealing to relieve stresses.

В случае нагрева составной заготовки до температуры промежуточных отжигов время нагрева можно совместить непосредственно с одним из этапов стадии промежуточных термообработок. In the case of heating the composite preform to an intermediate annealing temperature, the heating time can be combined directly with one of the stages of the intermediate heat treatment stage.

Примеры конкретного выполнения
На фиг. 1 представлен сверхпроводящий провод диаметром 0,7 мм, включающий 198 волокон, с объемной долей NbTi сплава в медной матрице 50% (СКНТ 0,7-198-0,5), процесс изготовления которого включал операцию формирования первичной композитной заготовки, содержащей медную наружную оболочку и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, сборку 198 шестигранных прутков в медный чехол, экструзию вторичной композитной заготовки при температуре 390^oC и деформирование с промежуточными термообработками до конечного размера провода.Case Studies
In FIG. 1 shows a superconducting wire with a diameter of 0.7 mm, including 198 fibers, with a volume fraction of NbTi alloy in the copper matrix 50% (SKNT 0.7-198-0.5), the manufacturing process of which included the operation of forming a primary composite billet containing a copper outer shell and axial cylindrical block of NbTi alloy, extrusion and deformation of the primary composite billet to obtain a hexagonal rod, cutting hexagonal bars into measured lengths, assembling 198 hexagonal bars in a copper case, extrusion of the secondary composite billet The temperature of 390 ^o C and deformation with intermediate heat treatments to the final wire size.

На фиг. 2а и 2б представлены общий вид и фрагмент сверхпроводящего провода диаметром 0,85 мм, включающий 12684 волокна, с объемной долей NbTi сплава в медной матрице 43% (СКНТ 0,85-12684-0,43), процесс изготовления которого включал операцию формирования первичной композитной заготовки, содержащей медную наружную оболочку и осевой цилиндрический блок из NbTi сплава, экструзию и деформирование первичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, сборку 151 шестигранного прутка в медный чехол, экструзию вторичной композитной заготовки при температуре 380^oC, деформирование вторичной композитной заготовки до получения шестигранного прутка, резку шестигранного прутка на мерные длины, сборку 84 шестигранных прутков в медный чехол, экструзию композитной заготовки при температуре 380^oC и деформирование с промежуточными термообработками до конечного размера провода.In FIG. 2a and 2b show a general view and a fragment of a superconducting wire with a diameter of 0.85 mm, including 12684 fibers, with a volume fraction of NbTi alloy in the copper matrix of 43% (SKNT 0.85-12684-0.43), the manufacturing process of which included the operation of forming the primary a composite billet containing a copper outer shell and an axial cylindrical block of NbTi alloy, extruding and deforming the primary composite billet to produce a hexagonal rod, cutting the hexagonal rod into measured lengths, assembling 151 hexagonal bars in a copper case, extrusion ary composite preform at a temperature of 380 ^o C, the deformation of the secondary composite billet to obtain a hexagonal rod, cutting hexagonal rod to length, the assembly 84 hex rods in a copper sheath extruding the composite billet at a temperature of 380 ^o C and deformation with intermediate heat treatments to a final wire size .

Технический результат предложенного способа изготовления композитного сверхпроводника на основе NbTi сплава заключается в увеличении плотности критического тока в средних и высоких магнитных полях в среднем на 3-5 %. The technical result of the proposed method for manufacturing a composite superconductor based on the NbTi alloy is to increase the critical current density in medium and high magnetic fields by an average of 3-5%.

Источники информации
1. "Металловедение и технология сверхпроводящих материалов". Под ред. Фонера С., Шварца Б., США, 1981; Пер. с англ. М.; "Металлургия", 1987., стр. 233).Sources of information
1. "Metallurgy and technology of superconducting materials." Ed. Foner S., Schwartz B., USA, 1981; Per. from English M .; Metallurgy, 1987., p. 233).

2. "Металлургия сверхпроводящих материалов". Под ред. Т. Люмана и Д. Дью-Хьюза. Пер. с англ. М.; "Металлургия", 1984, стр. 87 (прототип). 2. "Metallurgy of superconducting materials." Ed. T. Lumann and D. Dew-Hughes. Per. from English M .; "Metallurgy", 1984, p. 87 (prototype).

Claims

1. A method of manufacturing a composite superconductor based on an NbTi alloy, comprising forming a primary composite billet containing an outer shell of a stabilizing material and an axial cylindrical block of NbTi alloy, extruding and deforming the primary composite billet to produce a hexagonal bar, cutting the hexagonal bar into measured lengths, assembling into covers made of a stabilizing material, extrusion of a secondary composite billet and deformation with intermediate heat treatments performed at a temperature Ur from 370 to 400 ^o C, up to the final wire size, characterized in that the composite extrusion billet is carried out at a temperature not exceeding 400 ^o C.

2. The method according to claim 1, characterized in that the extrusion of the composite preforms is carried out at a temperature of intermediate heat treatments.