CC BY
32
УДК 539.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СТРУКТУРЫ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ КАБЕЛЕ
НА ОСНОВЕ СПЛАВА ^-И
© С.А. Баранникова, Л.Б. Зуев, Г.В. Шляхова, С.В. Колосов
Ключевые слова: сверхпроводники; дефекты; микроструктура; локализация пластической деформации; волочение.
Обнаружено изменение формы и химического состава волокон ЫЪ -Т в бездефектной области и в зоне разрыва кабеля. Выявлен диффузионный Мз барьер вокруг волокон М>Т^ размещенных в медной матрице.
Использование сверхпроводников позволяет решить ряд технических проблем в тех областях техники, где применение традиционных электротехнических материалов экономически нецелесообразно или принципиально невозможно. Конструкция сверхпроводящего кабеля состоит из нескольких тысяч сверхпроводящих жил диаметром 2-5 мкм, относительное положение которых фиксируется матрицей [1, 2]. К таким кабелям предъявляются высокие требования, наиболее важными из которых являются величина и стабильность критических параметров, стабильность токовых характеристик, безобрывность сверхпроводящих волокон (жил), их структурная однородность по длине провода и малые отклонения от геометрических размеров поперечного сечения [1, 2]. Целью настоящей работы является исследование элементов структуры многожильного сверхпроводника на основе сплава КЪ-И Многожильный сверхпроводящий кабель на основе сплава ЫЪ-И в продольном сечении представляет собой трехслойную композитную конструкцию, в которой между медными сердечником и внешней оболочкой располагается промежуточный слой из волокон ЫЪ-И, размещенных в медной матрице (рис. 1) [1].
Рис. 1. Металлография сверхпроводящего кабеля
Для тонких исследований продольных сечений элементов кабеля использовали атомно-силовую микроскопию с применением контактного метода в режиме «постоянной силы». В этом случае в процессе сканирования скорость отработки сигнала рассогласования
устанавливалась таким образом, что система отрабатывала относительно гладкие особенности рельефа достаточно быстро и в то же время была достаточно медленной, чтобы отрабатывать крутые ступеньки. В итоге сигнал рассогласования слабо отображал гладкие участки рельефа (волокна) и с высоким контрастом отображал заметные шероховатости (ниобиевый барьер). В ходе этих исследований вокруг волокон ЫЪ-И, размещенных в медной матрице, удалось наблюдать диффузионный ЫЪ барьер (рис. 2), который проявляется высокоамплитудными максимумами, шириной до 260 нм, разделенных низкоамплитудными линиями рельефа для волокон ЫЪ-И и медной матрицы.
Рис. 2. Ниобиевый барьер вокруг волокон в матрице
Исследования в промежуточном слое со стороны внутренней поверхности на границе с медным сердечником обнаружен специфический дефект в местах обрыва сверхпроводящих жил [3, 4], показанный на рис. 3.
Исследования, проведенные с помощью растрового электронного микроскопа Carl Zeiss EVO 50 с приставкой для рентгеновского дисперсионного микроанализа Oxford Instruments, показали, что на продольном шлифе сверхпроводника был обнаружен спектр ниобия проявляющийся при исследовании этой области (рис. 4, табл. 1).
1615
2
0 5 10 15 мкм 20
Рис. 3. Обрыв волокна проводника: 1 - медная матрица; 2 -волокно Nb-Ti
10мкт 1 Электронное изображение 1
Рис. 4. Место набора спектров
Таблица 1
Содержание элементов в зоне исследования, ат. %
^\Спектр Ti Cu Nb
1 0,99 59,18 39,83
2 1,29 57,12 41,59
Волокна с частичным отсутствием ниобиевого барьера в зоне локализации пластической деформации в местах разрыва волокон ЫЪ-Т расположены в области, прилегающей к медному сердечнику. Это указывает на неравномерность степени деформации сердечника и последующих слоев ЫЪ-Т волокон от границы «медный сердечник» - «промежуточный слой волокон ЫЪ-Т в медной матрице». Можно предположить, что одной из причин обрыва волокон в проводнике мог быть
вариант сборки композитной заготовки для изготовления многоволоконного провода. Увеличение количества волокон в одном композитном проводе связано с уменьшением их размера и, как следствие, с увеличением количества пустот. В отсутствие надежного контакта волокон между собой, как и контакта волокон с сердечником и оболочкой, деформация почти аналогична продольному изгибу, что приводит к неравномерной деформации волокон.
В основе подходов, традиционно используемых при анализе ресурса пластичности технических сверхпроводников на основе сплава Nb-Ti, лежит представление о равномерности и однородности пластической деформации, что не соответствует современным представлениям. Экспериментальные данные о природе пластической деформации показывают, что присущая ей с самого начала деформирования неоднородность может приводить к раннему формированию одного или нескольких устойчивых очагов локализации пластического течения и в дальнейшем к обрыву жилы. Предпринятые в последнее время детальные исследования макролокализации деформации позволили установить однозначное соответствие между законом пластического течения на данном участке деформационной кривой и типом пространственно-временного распределения компонент тензора пластической дисторсии [5]. Эти факты должны приниматься во внимание при разработке технологии холодной деформации волочением до получения сверхпроводниковых жил требуемых размеров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шиков А.К., Панцырный В.И., Воробьева А.Е. и др. Меднониобие-вые высокопрочные высокоэлектропроводные обмоточные провода для импульсных магнитов // Металловедение и термообработка. 2002. № 11. С. 68-72.
2. Шиков А.К., Никулин А.Д., Силаев А.Г. и др. Разработка сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР в России // Изв. вузов. Цветная металлургия. 2003. № 1. С. 36-43.
3. Зуев Л.Б., Баранникова С.А., Шляхова Г.В., Колосов С.В. Исследование структур на микро- и мезоуровнях в деформируемых волочением технических сверхпроводниках на основе NbTi сплава // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. T. 9. № 4. С. 417-421.
4. Зуев Л.Б., Шляхова Г.В., Баранникова С.А., Колосов С.В. Исследование микроструктуры элементов кабеля из сверхпроводящего сплава Nb-Ti // Металлы. 2013. № 2. С. 83-89.
5. Зуев Л.Б., Данилов В.И., Баранникова С.А. Физика макролокализации пластического течения. Новосибирск: Наука, 2008. 327 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ по проекту № 11-08-00237-а.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Barannikova S.A., Zuyev L.B., Shlyakhova G.V., Kolosov S.V. RESEARCH OF ELEMENTS OF STRUCTURE IN SUPERCONDUCTING CABLE ON THE BASIS OF Nb-Ti ALLOY Change of form and chemical composition of Nb-Ti fibers in faultless area and in rupture zone of cable is revealed. Diffusive Nb barrier around the Nb-Ti fibers placed in a copper matrix is revealed.
Key words: superconductors; defects; microstructure; localization of plastic deformation; drawing.
1616
