^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.293295:538.945
ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА Nb-Ti СВЕРХПРОВОДНИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
© 2013 г. В. А. Белошенко, В. В. Чишко
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины, 83114 Донецк, ул. Р. Люксембург, 72
e-mail: chishko@ukr.net Поступила в редакцию 11.10.2012 г.; в окончательном варианте — 04.03.2013 г.
Представлены результаты исследований и проведен анализ влияния деформационно-термической обработки с использованием разнонаправленной деформации, равноканального углового и многоуглового прессования на механические свойства и критические параметры низкотемпературных сверхпроводников на основе сплавов Nb—Ti. Основное внимание уделяется равноканальному многоугловому прессованию, обеспечивающему существенное улучшение их функциональных характеристик. Обсуждаются физические механизмы выявленных эффектов структурной модификации.
Ключевые слова: №—1!, интенсивная пластическая деформация, структура, механические свойства, плотность критического тока.
БО1: 10.7868/80015323013090039
1. ВВЕДЕНИЕ
Анализ рынка и информационных потоков по сверхпроводимости [1] свидетельствует о том, что сплавы И являются одними из наиболее распространенных в настоящее время жестких деформируемых сверхпроводников. Приоритетными областями их использования являются приборостроение, медицина, энергетика, транспорт, обогащение полезных ископаемых, телекоммуникации. Широкое применение №—11 сплавов обусловлено удачной комбинацией высоких механических свойств и токонесущей способности с низкими затратами на сырье и изготовление. Известно, что для №>—11 сверхпроводников теоретический предел плотности критического тока /с составляет 1011 А/м2 [2], однако в поле 5 Тл при 4.2 К практически реализуется только около 4% этой величины. Учитывая данный факт и широкомасштабное применение указанных материалов, по настоящее время актуальным является разработка новых способов повышения их функциональных свойств и прежде всего /с.
Общепризнано, что /с может увеличиваться после различных видов деформационно-термической обработки. В то же время традиционные технологии производства №—1! сверхпроводников, основанные на методах пластической деформации с монотонным формоизменением заготовки (прокатка, экструзия, волочение), в значительной мере исчерпали свои возможности. В настоящем обзоре представлены результаты,
описывающие комплекс функциональных характеристик Nb—Ti сверхпроводников, структурное состояние которых изменялось с привлечением таких перспективных методов интенсивной пластической деформации (ИПД), как разнонаправленная деформация (РНД) и равноканальное угловое прессование (РКУП). В связи со знакопере-менностью деформации и отсутствием (в конечном итоге) формоизменения заготовки они позволяют создавать объемные наноструктурные материалы с уникальными характеристиками. Наиболее детально рассмотрены эффекты модификации структурно-фазового состояния и критических параметров Nb—Ti сверхпроводников при деформационно-термической обработке с использованием усовершенствованного процесса РКУП — равноканального многоуглового прессования (РКМУП), приоритет в разработке и реализации которого принадлежит Донецкому физико-техническому институту им. А.А. Галкина НАН Украины.
2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА
Сплавы Nb—Ti отличаются относительно большими значениями как температуры перехода в сверхпроводящее состояние ТС, так и верхнего критического магнитного поля BC.. Указанные характеристики определяются в основном химическим составом сверхпроводящего материала и слабо зависят от различных видов обработки.
1075
2*
Подробный анализ изменения ТС при пластической деформации выполнен в обзоре [3]. Показано, что ТС низкотемпературных сверхпроводников определяется характеристиками фононного спектра и параметрами электрон-фононного взаимодействия. Образующиеся в процессе деформационно-термической обработки дефекты кристаллической решетки и напряжения, изменяя данные характеристики, приводят к изменению ТС. В частности, для МЪ—11 сверхпроводников наблюдалось обратимое снижение ТС под нагрузкой на 0.4 К, обусловленное упругим мартенсит-ным превращением.
Высокие значения /с у сверхпроводников обеспечиваются при наличии в них структурных неод-нородностей. Таковыми являются вторичные фазы, высокоугловые границы зерен, скопления дислокаций [2, 4—6]. Характер, размер и распределение не-однородностей, ответственных за величину /с, зависят от технологических режимов обработки.
Сегодня достигнут существенный прогресс в понимании взаимосвязи между /с, количеством и размером фазовых выделений и структурных не-однородностей [6], тем не менее сведения об их оптимальном размере противоречивы. По данным [7] высокая плотность критического тока достигается в сплавах после холодной деформации и термообработки (ТО), приводящих к выделению частиц а-фазы сферической или эллипсоидальной формы размером ~50 нм, равномерно распределенных в матрице. Однако, как отмечают авторы [2, 8, 9], вследствие различной деформируемости гексагональных частиц а-фазы и ОЦК-матрицы при последующей деформации экструзией и волочением происходит трансформация эллипсоидальной формы частиц а-фазы в тонкую лентоподобную. Так, в работе [10] сделана оценка, согласно которой оптимальная толщина центров пиннинга составляет £,М/3 (£,М — расстояние близости), т.е. она не связана с длиной когерентности. Это находится в хорошем согласии с экспериментальными данными [2], по которым размер выделений а-фазы должен составлять 1—4 нм при расстоянии между ними 4—10 нм. В то же время авторы работы [11] считают, что толщина выделений должна быть равна длине когерентности сверхпроводника.
Важным фактором в повышении /с является пространственная ориентация выделений а-фазы. Обычно часть из них располагается перпендикулярно линиям магнитного потока и поэтому не оказывает влияния на изменение энергии флюк-соидов для поперечной силы Лоренца. Это отмечено в работе [12], где при раскатывании круглой проволоки в ленточный проводник ориентация выделений а-фазы относительно лицевой стороны могла достигать 10°, а плотность критического тока возрастала почти в два раза. К сожалению,
применяемые в настоящее время в промышленности способы изготовления сверхпроводящего провода не позволяют контролировать данный параметр.
С учетом того, что в сверхпроводниках на основе сплавов №—11 эффект близости слабо влияет на сверхпроводящие свойства при уменьшении толщины центров пиннинга, объемная сила пиннинга Fp (а следовательно, величина /с) определяется прямым суммированием элементарных сил пиннинга /р. Установлено, что границы зерен обеспечивают /р = 300—400 Н/м2, в то время как для мелких выделений а-фазы /р = 120 Н/м2 [2, 13]. Однако при деформационно-термической обработке плотность последних увеличивается намного быстрее, чем плотность границ зерен. В конечном итоге а-фаза может вносить больший вклад в объемную силу пиннинга по сравнению с границами зерен. Тогда, поскольку количество актов пиннингования возрастает с увеличением объемной доли а-фазы (при ее постоянной толщине), /с почти линейно растет с увеличением содержания а-11 [8, 9].
Хотя в настоящее время выделения а-11 рассматриваются как наиболее эффективные центры пиннинга, существует и иная точка зрения. В работе [14] показано, что в процессе формирования выделений а-11 возникает композиционная неоднородность сверхпроводящей фазы, играющая существенную роль в повышении функциональных характеристик сплава МЪ—Т1. Схожие результаты получены и для №—11 и МЪТаТ1 проволок, изготовленных путем твердофазной диффузии [15, 16]. Как отмечают авторы [17], указанная неоднородность связана с формированием протяженных областей с повышенным содержанием ниобия в процессе восходящей диффузии, имеющей место при ТО.
3. ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Повышение токонесущей способности №—11 сверхпроводника может быть достигнуто применением на стадиях его передела от слитка до проволоки легирования, холодной деформации, ТО, облучения и других процессов. Традиционная технология, включающая совместное деформирование сверхпроводящего сплава и материала стабилизатора и ТО, основана на необходимости создания в сплаве мелкодисперсных структурных неоднород-ностей и на том факте, что выделения а-11 являются наиболее эффективными центрами пиннинга [2, 8, 9]. Одним из условий этого является мелкий размер зерен и их однородное распределение [18].
Схема традиционного процесса изготовления сверхпроводящей проволоки на основе сплава №—11 включает 3 стадии: предварительную де-
формацию ер, осуществляемую между пакетной экструзией (если она теплая) и первой ТО, промежуточную деформацию Ае между ТО и заключительную деформацию ег после последней ТО [9]. Предварительная деформация улучшает химическую однородность в локальных масштабах, увеличивает коэффициент диффузии 11, плотность мест зарождения выделений а-фазы и границ зерен, сокращает диффузионные пути к местам зарождения а-фазы. Промежуточная деформация также повышает коэффициент диффузии 11, плотность мест зарождения выделений а-фазы и границ зерен, сокращает диффузионные пути к местам зарождения а-фазы, а кроме того, увеличивает ее объемное содержание. Заключительная деформация играет важную роль в формировании выделений а-11 оптимальных размеров (1—4 нм в толщину при расстоянии между ними 4—10 нм по данным [2, 8, 9]). Роль ТО заключается в увеличении объемного содержания а-фазы.
Требуемая суммарная величина деформации в цикле производства от исходного диаметра заготовки (перед пакетной экструзией) до конечного диаметра провода составляет е ~ 12 [2, 9]. Стадия сборки многожильной заготовки включает теплую экструзию, которая нивелирует влияние холодной деформации, осуществляемой при волочении одножильных прутков [19]. Это приводит к необходимости увеличения степени предварительной деформации. Показано [18], что желаемое количество фазовых выделений в общем случае может быть получено, когда степень предварительной холодн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.