Презентация на ктн14

1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА Nb3Sn СВЕРХПРОВОДНИКОВ ДЛЯ РАБОТЫ В СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

Коновалова Надежда Викторовна
Научный руководитель, к.т.н. Абдюханов И.М.

2. Области применения Nb3Sn сверхпроводников

Магнитная система ИТЭР
2

3. Цель работы:

Задачи:
Изучить микроструктуру и механические свойства
легированной
бронзы
с
содержанием
олова
14 - 16 мас. %, полученной разными методами: дуплекспроцессом, Osprey-технологией и полунепрерывным
литьем.
Цель работы:
разработка конструкции и технологических
режимов изготовления сверхпроводников на
основе соединения Nb3Sn с использованием
бронзовой матрицы с содержанием олова
15,5-16 мас.%, получаемых по бронзовому
методу, для работы в сильных магнитных
полях (12-18 Тл, 4,2К).
Изучить влияние деформации и термической обработки
на
микроструктуру
и
механических
свойства
легированной бронзы с содержанием олова 14-16
мас.%, полученной разными методами
Разработать конструкции и технологические режимы
изготовления
Nb3Sn
сверхпроводников
с
использованием бронзы с содержанием олова
16 мас. % легированной титаном.
Разработать конструкцию и режимы изготовления
сверхпроводников с волокнами из Nb-Ta сплава в
бронзовой матрице, легированной Ti или совместно Ti и
Zr.
Исследовать влияние легирования и содержания олова
в
бронзовой
матрице
на
микроструктуру
сверхпроводящего слоя и электрофизические свойства
стренда.
3

4. Научная новизна

Научная новизна
Получены новые данные по микроструктуре и механическим свойствам бронзы с содержанием олова 14 мас. %
легированной Ti и Zr, изготовленной дуплекс-процессом и по Osprey-технологии. Показано, что легирование
бронзы, полученной дуплекс-процессом, титаном от 0,1 до 0,25 мас.% приводит к уменьшению характерного
размера эвтектоидных включений на 44%. Совместное легирование Ti и Zr способствует дополнительному
уменьшению размера эвтектоидных включений на 33% относительно бронзы, легированной только Ti.
Получены новые данные по микроструктуре и механическим свойствам бронзы с содержанием олова до 16 мас. %,
полученной по Osprey-технологии и полунепрерывным литьем. Установлено, что использование этих методов
позволяет получить равномерное по сечению распределение частиц эвтектоида.
Дополнены имеющиеся литературные данные о влияние степени пластической деформации и режимов
термической обработки на микроструктуру и механические свойства легированной бронзы с содержанием олова 1416 мас. %, полученной разными методами: дуплекс-процессом и Osprey-технологией.
Установлено влияние увеличения содержания олова в бронзовой матрице с 14 до 16 мас. % на кинетику роста
зерен различной морфологии в Nb₃Sn слое, так, повышение концентрации Sn способствует увеличению доли
равноосных зерен на 12% и снижению доли остаточного ниобия и столбчатых зерен на аналогичную величину, что,
в свою очередь, ведет к повышению значения плотности критического тока.
4

5. Практическая значимость

Практическая значимость работы:
• По результатам проведенных исследований разработаны режимы изготовления бронзовых
полуфабрикатов с содержанием олова 14-16 мас. % для получения сверхпроводников на основе
соединения Nb3Sn.
• Разработаны конструкции и технологические режимы изготовления сверхпроводников на основе
соединения Nb3Sn с использованием легированной Ti бронзы, содержащей 16 мас. % Sn.
• По разработанным режимам в промышленных условиях изготовлены экспериментальные партии
сверхпроводников на основе соединения Nb3Sn c использованием легированной Ti бронзы,
содержащей 16 мас. % Sn и исследованы их свойства.
• Разработаны конструкции и изготовлены стренды с использованием бронзы легированной Ti или
совместно Ti и Zr и волоками из Nb-Ta сплава.
5

6.

Оловянная бронза: характерные особенности структуры и получения
Бронза полученная непрерывным литьем
12 мас.% Sn
16 мас.% Sn
15,5 мас.% Sn
α-твердый
раствор
Эвтектоид
(α + δ)
6

7.

Структура, состав и механические свойства бронзы, полученной разными методами: дуплекспроцессом, Osprey-технологией и полунепрерывным литьем
Дуплекс-процесс
Osprey-технология
Метод полунепрерывного литья
1: Плавильная печь
2: Разливочное устройство
3: Распылитель
4: Слиток
5: Устройство
извлечения/вращения
6: Разреженный газ
7: Контейнер для сбора
налипших к стенке частиц
8: Распылительная камера
9: Устройство для ввода
дисперсных частиц
легирующих элементов
1.Тигель
2.Чаша
3.Надставка
4.Изложница
5.Корпус печи
6.Индуктор
7.Бункер
подгруздки титана
8.Узел подачи
олова
1: Механизм для
создания вибрации
2: Разливочное
устройство
3: Распределительная
чаша
4: Кристаллизатор
5: Рабочая втулка
6: Слиток
7: Поршень из
нержавеющей стали
8: Гидравлический
цилиндр
1.Шток
2.Огарок
3.Расходуемый
электрод
4.Дуга
5.Жидкая ванна
6.Слиток
7.Кристаллизатор
№2
Осн.
15,3
0,18
Осн
15,1
0,24
-
-
0,15
-
№142-2
№151-1
№41
Cu
Sn
Ti
Осн.
13,8
0,11
Осн.
13,9
0,17
Осн.
13,5
0,18
-
-
0,15
Zr
мас. %
№13-2
Слиток
Cu
Sn
Ti
мас. %
№1
Осн.
14,2
-
№
152-2
Осн.
14,2
0,19
Слиток
№Д42
Осн.
14,2
0,19
БД9
Осн.
16,01
0,30
Пруток
№1 Ø8,0 мм
№2 Ø8,0 мм
Содержание Sn мас. %
14,0
15,5
7

8.

Исследование высокооловянной бронзы, полученной разными методами, в литом
состоянии
Дуплекс-процесс
Cu-14 мас. % Sn
Cu-14 мас. % Sn
Cu-14 мас. % Sn0,2 мас.%Ti
край
½ радиуса
центр
Cu-14 мас. % Sn0,2%Ti+0,15%Zr
Cu-14 мас. % Sn-0,25 мас.%Ti
8

9. Исследование высокооловянной бронзы, полученной разными методами, в литом состоянии

Дуплекс-процесс
№41
БрО14
Партия
α-твердый раствор
Место
Частицы соединения
Cu-Sn-Ti
Эвтектоид (α + δ)
Максимальный размер
эвтектоидных включений,
мкм
Характерный размер
эвтектоидных включений,
мкм
Характерный размер
тройных соединений, мкм
№13-2
№14-2
БрОT14-0,1% Ti БрОT14-0,2% Ti
№152-2
БрОT14-0,25% Ti
центр
край
центр
край
центр
край
центр
край
75±5
50±6
70±4
42±3
68±3
40±2
60±5
37±3
45±5
35±5
38±3
24±4
35±5
20±4
30±3
15±2
-
-
6±1
5±1
8±1
7±2
10±1
11±2
Cu-14%Sn-0,25%Ti
Osprey-технология
Cu-14%Sn-0,1%Ti
Cu-16%Sn-0,3% Ti
Cu-14%Sn-0,2%Ti
Увеличение содержание титана
Cu-14%Sn-0,25%Ti
9

10. Исследование высокооловянной бронзы, полученной разными методами, в литом состоянии

Дуплекс-процесс
Cu-14% Sn-0,2%Ti-0,15%Zr
Партия
№41
БрО14
Место
центр
Максимальный размер
75±5
эвтектоидных включений,
мкм
Характерный размер
45±5
эвтектоидных включений,
мкм
Характерный размер тройных
соединений, мкм
Эвтектоид
(α + δ)
Соединения с
Ti и Zr
№151-1
№14-2
БрОTЦр14-0,2% TiБрОT14-0,2% Ti
0,15%Zr
край
центр
край
центр
край
50±6
68±3
40±2
55±4
35±3
35±5
35±5
20±4
25±2
12±3
-
8±1
7±2
<1
<1
α-твердый
раствор
10

11. Исследование высокооловянной бронзы, полученной разными методами, в литом состоянии

Osprey-технология
Партия
Cu-14 мас. % Sn-0,2 мас.%Ti
Место
Максимальный размер
эвтектоидных
включений, мкм
Характерный размер
эвтектоидных
включений, мкм
Характерный размер
тройных соединений,
мкм
Эвтектоид
(α + δ)
α-твердый
раствор
№БД9
БрОТ16-0,3% Ti
центр
край
15±1
17±2
20±2
22±3
10±1
11±2
12±1
14±2
3±1
3±1
3±1
5±1
№14-2
БрОT14-0,2%
Ti
№152-2
БрОT140,25% Ti
Дуплекс-процесс
Партия
Место
Максимальный размер
эвтектоидных
включений, мкм
Характерный размер
эвтектоидных
включений, мкм
Cu-16 мас. % Sn-0,3 мас. % Ti
№Д42
БрОТ14-0,2% Ti
центр
край
№41
БрО14
центр
край
центр
край
центр
край
75±5
50±6
68±3
40±2
60±5
37±3
45±5
35±5
35±5
20±4
30±3
15±2
11

12.

Исследование высокооловянной бронзы, полученной разными методами, в литом
состоянии
Cu-14 мас. % Sn
край
центр
Полунепрерывное литье
Cu-15,5 мас. % Sn
720 °С – 24 ч
протяженные области
эвтектоида
12

13. Взаимосвязь структуры, твердости и механических свойств прутков из бронзы со степенью деформации

Osprey-технология
Cu-14%Sn-0,2%Ti
σВ
Взаимосвязь структуры, твердости и
механических свойств прутков из
бронзы со степенью деформации
σ0,2
δ
Дуплекс-процесс
Cu-14%Sn-0,2%Ti
δ
HV
σВ
σ0,2
σВ
δ
HV
σ0,2
HV
Cu-16%Sn-0,3%Ti
13

14. Взаимосвязь структуры, твердости и механических свойств прутков из бронзы со степенью деформации и режимами термообработки

Дуплекс-процесс
Cu-14%Sn-0,2%Ti
Cu-14% Sn-0,2%Ti-0,15%Zr
Osprey-технология
Cu-14%Sn-0,2%Ti
Cu-16%Sn-0,3%Ti
14

15. Механические свойства бронзы при повышенных температурах испытания

Тисп. = 20°С
Тисп. = 300-350°С
БрО14
Область
вязкого
разрушения
Температура испытания, ºС
Температура испытания, ºС
Области
хрупкого
разрушения
БрО14
142-2 (БрОТ14-0,2%Ti)
БрОТ14-0,1%Ti
Температура испытания, ºС
Д42 (БрОТ14-0,2%Ti)
15

16. Разработка конструкций и технологических режимов изготовления Nb3Sn сверхпроводников с использованием Osprey - бронзы

Cu стабилизирующая
оболочка
Бронзовая матрица
Nb сдвоеные волокна
ДМ1,5
Nb диффузионный
барьер
с Ta вставками
ДМ1
Партия
Диаметр сверхпроводника, мм
Обемная доля Cu (КЗCu, %)
Материал матрицы
Обемная доля Nb (КЗNb, %)
Диаметр волокна, мкм
Общее количество волокон
ДМ1
ДМ1,5
1,0
50
Cu-16 мас. % Sn-0,3
мас. % Ti (Партия БД
9)
31,5
1,5
2,0
19893
39132
16

17. Разработка технологических режимов изготовления композиционных прутков с повышенным до 16 мас.%Sn в бронзовой матрице

Стренды с увеличенным
содержанием олова до
16 мас. % могут быть
деформированы
волочением
с
суммарной
степенью
деформации до 30 %
17

18. Сравнительный анализ микроструктуры сверхпроводников партий ДМ 1 и ДМ1,5 с повышенным до 16% содержанием олова

ДМ1
ДМ1,5
Ø 1 мм
Частицы тройного
соединения Cu-Sn-Ti
Нарушение целостности
волокна
до РТО
Сильное искажение
волокна
РТО по режиму:
575°С, 100ч+650°С,100ч
18

19. Исследование влияния особенностей морфологии зеренной структуры фазы Nb3Sn сверхпроводников партий ДМ1 и ДМ1,5 с повышенным до

16 мас.% содержанием Sn в
бронзовой матрице.
Стренды для ИТЭР
Зона равноосных зерен
Зона столбчатых зерен
Зона остаточного Nb
Ø 0,4 мм
Ø 0,6 мм
Стренды ДМ1
Ø 0,8 мм
Ø 0,82 мм
Стренды ДМ1,5
Ø 1 мм
Ø 1 мм
РТО по режиму: 575 °С, 100 ч + 650 °С, 100 ч
19

20. Исследование влияния особенностей морфологии зеренной структуры фазы Nb3Sn сверхпроводников.

85
80
75
70
65
60
ИТЭР
55
ДМ1
50
ДМ 1,5
45
Средний размер зерна, нм
Исследование влияния особенностей морфологии зеренной структуры фазы Nb3Sn
сверхпроводников.
40
2,4
2,2
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
Диаметр волокна, мкм
Столбчатые зерна вдоль
Столбчатые зерна поперек
Образец
Объемная
доля
равноосных
зерен, %
ДМ1,0
ДМ1,5
53
54
ДМ1,0
ДМ1,5
ИТЭР
57
56
45
Объемная
Доля слоя
Средний
доля
столбчатых
размер
остаточного
зерен, %
равноосных
ниобия, %
зерен, нм
о
ТО 575 С, 100ч
21
26
70±7
19
27
50±5
о
о
ТО 575 С100ч+650 С,100ч
12
31
77±6
11
33
54±5
16
39
76±8
Коэф.
столбчатости
2,5
3
2,5
3
2,5
Анализ результатов исследования критических
характеристик образцов партий ДМ1,0 и ДМ 1,5
после РТО
Партия
Ø,
мм
Øволокна,
мкм
Магнитное
поле, Тл
ДМ1,0
1
2,3
12
885
ДМ1,0
ДМ 1,5
ИТЭР
0,82
1
0,82
1,65
1,4
2,2
12
12
12
813
651
750
Jc, А/мм2
РТО: 575оС100ч+650оС,100ч
20

21. Влияние двойного легирования (Nb,Ta,Ti)3Sn сверхпроводников с повышенным содержанием Sn в бронзе на их структуру и

сверхпроводящие свойства
Номер партии
Состав матрицы, мас.%
Состав волокон
Кол-во сдвоенных волокон
Общее количество волокон
Диаметр волокна (расчетный на
диаметре стренда 1 мм), мкм
Cu/nonCu (%Cu)
КЗNb расчетное, %
Т3
Т7
Cu-15,5мас.%SnCu-15,5мас.%Sn0,25мас.%Ti
0,2мас.%Ti-0,2мас.%Zr
Nb-3,5мас.%Ta
Nb-7,0мас.%Ta
39
34203
2,7
18 %
30 %
Т3
Режим РТО
575ºС,100ч+
650ºС,200ч
575ºС,100ч+
650ºС,100ч
575ºС,100ч+
680ºС,100ч
575ºС,100ч
+700ºС,100ч
575ºС,100ч
+720ºС,100ч
Т7
Доля
равноосн
ых зерен,
%
Доля
столбчаты
х зерен, %
Доля
остаточного
Nb,%
Ср. размер
зерна, нм
Доля
равноосных
зерен, %
Доля
столбчаты
х зерен, %
Доля
остаточн
ого Nb,%
Ср.
размер
зерна,
нм
44,4
49,5
6
84±10
54,5
40,6
4,9
84±10
55,0
36,5
8,5
71±8
55,6
39,1
5,3
75±9
59,0
35,9
5.1
96±3
57,3
36,6
6,1
77±4
65,4
33,9
0,7
107±7
75,6
22,9
1,5
93±11
72,7
26,2
1
111±14
80,1
19,4
0,5
107±13
720ºС,100ч
650ºС,100ч
21

22. Заключение

1. Показано, что бронза, полученная дуплекс-процессом, Osprey-технологией и полунепрерывным литьем в литом
состоянии характеризуется наличием эвтектоидных вклющений, распределенных в α-твердом растворе. Бронза,
полученная по Osprey- технологии (14 мас. % Sn-0,2 мас.%Ti) характеризуется меньшим размером включений
эвтектоида в 2-3 раза по сравнению с бронзой, полученной дуплекс процессом (14 мас. % Sn - 0,2 мас. % Ti) и
полунепрерывным литьем (14,0 мас. % Sn). Отмечено, что легирующий элемент Ti присутствует в структуре бронзы,
полученной дуплекс-процессом и по Osprey-технологии, в виде тройных соединений Cu-Sn-Ti. Показано, что
дополнительное введение Zr в бронзу, полученную дуплекс-процессом, позволяет уменьшить размер включений
эвтектоида на 33% и частицы, образованные легирующими элементами в 8 раз по сравнению с бронзой,
легированной только Ti.
2. Проведен сравнительный анализ зеренной структуры образцов бронзы, полученной разными методами. Сильное
модифицирующее воздействие на структуру бронзы, полученную дуплекс-процессом в литом состоянии оказывает
цирконий, введение которого приводит к уменьшению среднего размера зерна более чем в 5 раз (и составляет 40
мкм), по сравнению с размером зерна бронзы, нелегированной и легированной только Ti (200-230 мкм).
3. Получены новые данные по деформационной способности оловянной бронзы (с содержанием олова от 14 до 16
мас.% Sn) с различными легирующими добавками, полученной разными методами: дуплекс-процессом, Ospreyтехнологией и полунепрерывным литьем. Установлено, что оптимальная степень деформации между
термообработками бронзовых прутков, полученных по дуплекс-процессу должна составлять не более 50%, а в
случае Osprey-бронзы не более 40%. Проведение термообработки при 500 °С позволяет восстановить пластичность
бронзы до 45-55%.
4. Выявлено, что на образцах бронзы, независимо от ее способа получения и легирования, при температуре испытания
300-350 °С наблюдается резкое снижение относительного удлинения (провал пластичности). В интервале
температур, где наблюдается провал пластичности характер разрушения сильно меняется: присутствуют области как
22
вязкого, так и хрупкого излома.

23. Заключение

5. Разработаны конструкции и маршрут волочения сверхпроводников на основе соединения Nb3Sn с
содержанием Sn до 16 мас. % в бронзовой матрице с размером ниобиевого волокна 1,5 и 2,0 мкм на
конечном диаметре 1 мм.
6. Установлено влияние увеличения содержания олова в бронзовой матрице с 14 до 16 мас. % на кинетику
роста зерен различной морфологии в Nb₃Sn слое, так, повышение концентрации Sn способствует
увеличению доли равноосных зерен на 12% и снижению доли остаточного ниобия и столбчатых зерен на
аналогичную величину.
7. Установлено, что увеличение содержания олова в бронзовой матрице от 14 до 16 мас. % приводит к росту
доли равноосных зерен в Nb3Sn слое на ~12 % и уменьшению доли остаточного ниобия и столбчатых зерен
на ~12 %.
8. Проведены измерения критического тока, расчет плотности критического тока образцов двух партий. На
партии ДМ1,0 была достигнута плотность критического тока 885 А/мм2 (в поле 12 Тл при 4,2 К), что выше на
15 % по сравнению со сверхпроводником, изготовленным для магнитной системы ИТЭР.
9. Разработана конструкция и режимы изготовления и опробован маршрут волочения Nb3Sn сверхпроводников
по бронзовому методу с волокнами из Nb-Ta сплава в бронзовой матрице, легированной Ti или Ti и Zr.
10. Проведены измерения критического тока в магнитных полях от 12 до 18 Тл и расчет плотности критического
23

24. Спасибо за внимание

Коновалова Надежда Вмкторовна
Тел.: +7 (499) 190 89 99, доб. 8081
Моб. тел.: +7 (916) 6251693
E-mail: NViKonovalova@bochvar.ru

25.

25