CC BY
77
УДК 621.315.55:621.771
ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКА ИЗ СПЛАВА ГОЪТ ПРИ ПРОКАТКЕ
© А.В. Фролова, В.В. Столяров
Ключевые слова: низкотемпературные сверхпроводники; импульсный ток; прокатка.
Исследовано влияние импульсного тока на деформируемость, структуру и свойства после прокатки с током сверхпроводника на основе сплава N - 47 вес. % Ті.
Сверхпроводник из сплава традиционно изготавливается путем сборки многоволоконной заготовки из одножильных проводов и дальнейшей обработки, которая включает дробную холодную деформацию и низкотемпературное старение между циклами [1]. При этом в процессе изготовления, в сверхпроводнике должна сформироваться наноструктура с равномерным распределением высокодисперсных выделений фазы аТ в сверхпроводящей матрице, за счет чего достигается высокая плотность критического тока, необходимая для возникновения сверхпроводимости в проводах [2, 3]. В работах [4, 5] было показано, что совмещение деформации с импульсным током для различного вида материалов приводит к снижению напряжений течения, измельчению микроструктуры, а также повышает деформируемость, микротвердость и другие механические характеристики материала. Влияние импульсного тока на скачки напряжений при растяжении в технически чистом титане ВТ1-0 и титановом сплаве ^49,з№50,7 показано в работе [4]. В работе [5] демонстрируется, что эффект тока является структурно-чувствительным свойством, зависящим от дисперсности структуры и режимов тока. В работе были исследованы особенности деформации с импульсным током и возможности ее применения на одножильных образцах из сверхпроводящего композита Си-ЫЬ-ЫЬТь Исследования проводились на одножильных, промежуточного размера прутках 09x120 мм, состоящих в сердцевине из сплава N - 47 вес. % Т^ стабилизирующей медной матрицы и диффузионного барьера из ниобия. Прокатка с током проводилась на установке, состоящей из прокатного стана, валки которого имеют калибры размером от 1 до 7 мм, генератора импульсного тока и осциллографа. Прокатка осуществлялась при комнатной температуре с постоянной скоростью 50 мм/с, в ступенчатом режиме при регулируемом разовом обжатии по диаметру 50 и 100 мкм. Плотность тока составляла 7 = 100 A/мм2, а длительность импульса т = 120^10-6 с. Истинная деформация е = 1п $0 / 32 (3 , 3 - диаметр прутка до и после прокатки) после прокатки составляла 0,5; 0,8; 2,2; 4,4. Отжиг проводился в муфельной печи при температуре 380 и 400 °С и времени выдержки 1 ч с последующим охлаждением в печи [2]. Статические испытания на растяжение с применением импульсного тока проводились для выявления особенностей проявления деформационного поведения (скачки напряже-
ний). Испытания осуществлялись при комнатной температуре на горизонтальной разрывной машине ИР 5081-20 со скоростью 0,5 мм/мин. с подключением генератора для пропускания через образец импульсного тока с установленными параметрами - плотностью тока 7 = 100 А/мм2 и длительностью т = 120 мкс. Для определения параметров тока использовался осциллограф.
Рис. 1. Зависимость микротвердости (^) от истинной деформации (е) в процессе ХП и прокатки с током с последующими отжигами: 1 - холодная прокатка + отжиг 380 °С; 2 -прокатка с током + отжиг 380 °С; 3 - ^ после ХП
700 ,
£00
и.
Рис. 2. Диаграмма растяжения сплава КЬТі после прокатки с током и отжига: 1 - без тока; 2 - с импульсным током, плотностью 3 = 100 А/мм2
1723
Сравнительный эксперимент показал, что при прокатке без тока и с током образцы деформируются без растрескивания, и в обоих случаях материал без затруднений катался до деформации е = 4,4. Однако введение тока при прокатке позволило увеличить степень обжатия при единичном проходе с 50 до 100 мкм, что свидетельствует о некотором технологическом преимуществе данного метода. Таким образом, в результате применения импульсного тока деформируемость при единичном обжатии увеличивается.
В процессе холодной прокатки (ХП), с увеличением накопленной деформации микротвердость в нио-бий-титановой сердцевине растет незначительно с 1562 до 1810 МПа (на 14 %), что обусловлено деформационным упрочнением. В ниобиевом и медном слое так же наблюдается тенденция к росту микротвердости. Далее были получены данные по микротвердости сплава в ходе ХП с промежуточными отжигами, температура которых составляла 380 °С, т. к. в интервале температур 380-400 °С происходит наиболее интенсивное выделение частиц а-Т [6]. При деформации е = 0,5 наблюдается повышение микротвердости на 33-36 % (с 1521 до 2346 МПа) по сравнению с данными при ХП, что связано со старением и выделением упрочняющей фазы а-Тг при нагреве происходит распад Р-ЫЪТьфазы с выделением дисперсных частиц а-фазы, сопровождающийся упрочнением. Значительное снижение микротвердости (на 30-32 %) после достижения степени деформации е = 0,81 может быть связано с рекристаллизацией в процессе отжига и частичным растворением упрочняющей а-фазы, которая является метастабильной и может как образовываться, так и растворяться в процессе отжига. В процессе прокатки с импульсным током микротвердость ниобий-титановой сердцевины и ниобиевого слоя растут с 2402 МПа (е = 0,50) до 3182 МПа (е = 4,40) и с 1850 МПа (е = 0,50) до 2080 МПа (е = 2,20), соответственно. Причем микротвердость при прокатке с током почти в 2 раза превышает значения микротвердости после ХП. Микротвердость в меди на начальном этапе деформирования также увеличивается (с 815 до 1852 МПа), но в процессе прокатки ее слой уменьшается, а влияние нагрева в процессе прокатки с током сохраняется, поэтому после накопленной степени деформации е = 3,0 значения микротвердости постепенно снижаются вплоть до 1654 МПа при е = 4,40. График (рис. 1) отражает динамику изменения микротвердости в центральной части прутка в ходе ХП и прокатки с импульсным током с последующими отжигами. На первом этапе рост деформации приводит к сильному увеличению и снижению микротвердости, соответственно при прокатке с током и без него. Дальнейшее увеличение деформации не значительно влияет на изменение
микротвердости. На рис. 2 приведены диаграммы растяжения с током и без тока образцов после прокатки с током и последующего отжига. Из сравнения двух кривых видно, что введение в образец одиночных импульсов тока приводит к появлению прыжков напряжения «вниз», а также снижает предел текучести и прочности металла на 100-130 МПа. Прыжки напряжения составляют 40-60 МПа и с увеличением деформации их амплитуда так же увеличивается при одинаковой плотности тока, j = 100 А/мм2. Причем, прыжки при подаче импульсов тока появляются на стадии пластической деформации, что подтверждает физическую природу эффекта, выявленную ранее в титановых сплавах [4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Потанина Л.В. Исследование качества двойных NbTi и тройных NbTiTa сплавов и разработка сверхпроводников на их основе для различных технических применений: автореф. дис. ... канд. тех. наук / Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара. М., 2006. 175 с.
2. Chernyi O.V., Andrievskaya N.F., Ilicheva V.O. et al. The microstructure and critical current density of Nb - 48 wt. % Ti superconductor with very high alpha-Ti precipitate volume and very high critical current // AIP Conf. Proc. 2002. V. 48. P. 883-890.
3. Ксенофонтов В.А., Лазарева М.Б., Мазилова Т.И. и др. Локальное распределение элементов в ß-фазе сверхпроводящего сплава ниобий-титан // Физика низких температур. 2008. Т. 34. № 11. С. 11271130.
4. Федоткин А.А., Столяров В.В. Особенности деформационного поведения наноструктурных титановых сплавов при растяжении под действием импульсного тока // Машиностроение и инженерное образование. 2012. № 1. С. 28-35.
5. Потапова А.А., Столяров В.В. Структурные изменения при элек-тропластической прокатке и отжиге в прутке сплава TiNi // Изв. вузов. Черная металлургия. 2010. № 10. С. 68-71.
6. Матросов Н.И., Чишко В.В., Сенникова Л.Ф. Влияние термообработки на свойства сверхпроводящей проволоки, полученной с применением равноканального многоуглового прессования // Вопросы материаловедения. 2007. № 2 (50). С. 60-69.
БЛАГОДАРНОСТИ: Авторы выражают благодарность ОАО «Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара» (ОАО «ВНИИНМ», г. Москва) за предоставленные образцы.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Frolova A.V., Stolyarov V.V. INFLUENCE OF PULSE CURRENT ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF SUPERCONDUCTOR-BASED ALLOY NbTi AT ROLLING
The effect of pulse current on the deformability, structure and properties after the rolling with a current of a superconductor-based alloy Nb - 47 wt. % Ti is investigated.
Key words: low temperature superconductors; pulse current; the rolling.
1724
