ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2012, том 76, № 1, с. 33-43
УДК 538.911; 537.312.62
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ N^Sn-ЛЕНТЫ, ПОЛУЧЕННОЙ ИЗ НАНОКОМПОЗИТА (Cu/Nb)/Cu12Sn © 2012 г. В. П. Коржов, М. И. Карпов, В. И. Внуков
Учреждение Российской академии наук Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка
E-mail: korzhov@issp.ac.ru
Многослойную ленту из сверхпроводящего соединения Nb3Sn получали термообработкой композитного проводника (Cu/Nb)/Cu12Sn, состоящего из прослоек бронзы Cu— 12%Sn и прослоек Cu/Nb, состоящих, в свою очередь, из слоев меди и ниобия наноразмерной толщины. Снаружи проводник мог быть покрыт медью, исполнявшей роль стабилизатора. Исследованы микроструктура поперечного сечения композитной ленты в зависимости от объемного соотношения прослоек Cu/Nb и бронзы и микроструктура самих прослоек Cu/Nb в зависимости от температуры отжига. Оптимальное соотношение композитных составляющих выглядело следующим образом: t№NN « « 0.288tCuSnNCuSn, где t и N — толщина и количество слоев ниобия и бронзы соответственно. Соблюдение оптимальной конструкции проводника заставляло увеличивать объемное содержание бронзы по сравнению с содержанием Cu/Nb-прослоек, что отрицательно сказывалось на микроструктуре композита. Это приводило к разрывам прослоек Cu/Nb. Разработана технология получения композита (Cu/Nb)/Cu12Sn как "прекурсора" для ленты из соединения Nb3Sn, учитывающая недостатки первых опытов.
ВВЕДЕНИЕ
Для получения достаточно протяженных многослойных наноструктурных композитов была разработана технология многократно повторяющейся пакетной прокатки [1—3]. В отличие от металлов и сплавов, получаемых методами интенсивной пластической деформации, формирующей нанокристаллическую структуру, в которых структурными элементами нанометрового диапазона обычно являются зерна, в наноструктурных композитах роль нанометровых элементов играют слои металлов. Пакетную прокатку можно отнести к классу интенсивной пластической деформации. Действительно, если в первом цикле прокатываемый пакет собирается из чередующихся фольг двух и более металлов или сплавов, во втором цикле — из уже многослойных фольг, полученных после первого цикла, и т. д., то отдельная фольга претерпевает колоссальную суммарную деформацию. На практике достаточно трех циклов, чтобы из фольги толщиной 0.3—0.5 мм получился слой ~10 нм.
Таким образом, был получен ряд многослойных нанокомпозитов, в том числе и нанокомпо-зиты из ниобия и сверхпроводящих сплавов ниобия с 30, 31 и 50 мас. % Т [4] и из ниобия и сверхпроводящего сплава ниобия с 30 мас. % Zr [5]. Было обнаружено, что анизотропия критической плотности тока]сф'сХ (/с\\ иЛх — критическая плотность тока при измерениях, когда плоскость прокатки композита была соответственно параллельна или перпендикулярна направлению внешнего
магнитного поля) имела большие значения, достигая в отдельных случаях 1000—2000. Это свидетельствовало об эффективном зацеплении вихревых магнитных нитей на несверхпроводящих межслойных границах МЪ—МЪТ1 и Nb—NbZr.
Естественное продолжение начатых исследований — опробовать метод пакетной прокатки для получения имеющего практическое значение сверхпроводящего соединения N^8^ Но если в случае сплавов NЪ—Т и NЪ—Zr их присутствие обеспечивалось уже на начальной стадии получения композитов и их сверхпроводящие свойства реализовывались в композитах Си^Ь/ЫЬТ!) и Cu(NЪ/NЪZr) непосредственно после деформации, то для Nb3Sn такое было невозможно вследствие его природной хрупкости.
Как и в "бронзовой технологии", в качестве источника олова использовали оловянную бронзу с 12 мас. % 8п. Вначале за первые два цикла получали многослойную композитную ленту Си^Ъ, отрезки которой вместе с отрезками ленты из бронзы в третьем цикле служили для изготовления другого, уже наноструктурного композита Си128п/(Си/ЫЪ). Элементами наноразмер-ного диапазона в нем были слои меди и ниобия. Композит Си128п/(Си/№) был исходным материалом для получения путем контролируемой термической обработки многослойной ленты на основе N^8^
Данная работа посвящена выбору оптимальной конструкции композита Си128п/(Си/№) и режимов его термической обработки для диффу-
зионного получения соединения ЫЪ38п, способного нести значительный критический ток.
1. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИХ ПОДГОТОВКА
Исходными материалами были бескислородная медь марки МБО, ниобий марки НВЧ и бронза состава Си—12 мас. % 8п. Для сборки многослойных пакетов Си/ЫЪ использовали Си- и ЫЪ-фольги шириной 45 мм. Медные фольги толщиной 0.3 и 0.15 мм получали прокаткой листа толщиной 3 мм. Ниобий в исходном состоянии был в виде пластин толщиной 10 мм. Их прокатывали при комнатной температуре до толщины 0.3 мм и разрезали на полосы нужной ширины. Перед сборкой в пакеты полосы отжигали в вакууме при 1100°С в течение 1 ч. Бронзу в виде плоских слитков размерами ~80 х 40 х 10 мм выплавляли в индукционной печи с разливкой в массивную медную изложницу. Слитки прокатывали до ленты толщиной 0.3 мм при комнатной температуре с промежуточными отжигами или без промежуточных отжигов, но с предварительным нагревом до 500—600°С.
2. НЕОПТИМИЗИРОВАННАЯ СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ ЛЕНТА
НА ОСНОВЕ №>38п
2.1. Получение композитной ленты (Си/ЫЪ)/Си128п
Для получения многослойной композитной ленты (Си/ЫЪ)/Си128п с нанометровыми по толщине слоями меди и ниобия использовали метод пакетной прокатки [1]. За первые два цикла получали многослойную композитную ленту Си/ЫЪ.
В первом цикле пакет шириной 40 и длиной 80 мм собирался из чередующихся 16 Си- и 15 ЫЪ-фольг толщиной соответственно 0.15 и 0.3 мм. Пакет сваривался прокаткой на вакуумном прокатном стане с нагревом до 950°С за два прохода с деформацией за один проход ~30%, и полученная монолитная заготовка затем уже прокатывалась при комнатной температуре без промежуточных отжигов до ленты толщиной 0.3 мм. На этом этапе толщины медных и ниобиевых слоев равнялись соответственно 6.5 и 13 мкм.
Во втором цикле пакет собирался из 31 отрезка ленты после первого цикла и подвергался такой же, как и в первом цикле, обработке прокаткой до ленты толщиной 0.3 мм. Количество медных и ниобиевых слоев в многослойной ленте, прокатанной из такого пакета, равнялось соответственно 496 по ~210 нм и 465 по ~420 нм (приводятся расчетные толщины слоев).
И, наконец, в третьем цикле пакет собирался из 16 отрезков ленты после второго цикла и 15
отожженных бронзовых фольг толщиной 0.3 мм, т.е. таким образом, чтобы наружными обкладками пакета были многослойные отрезки ленты Си/ЫЪ. Для предотвращения возможного образования соединения №38п на стадии вакуумной прокатки пакет прокатывался за один проход с нагревом до 750°С и обжатием не менее 35%.
Каждый раз перед сборкой пакетов все соприкасающиеся поверхности тщательно промывались в авиационном бензине для удаления жирового слоя и для лучшего схватывания подвергались механической обработке металлическими щетками. В третьем цикле, кроме того, отрезки лент Си/ЫЪ и бронзы отжигались для снятия наклепа после холодной деформации. Если твердость НУ поверхности холоднодеформированных фольг Си/ЫЪ и бронзы составляла 1.73 ± 0.03 и 2.68 ± 0.07 ГПа соответственно, то для фольг Си/ЫЪ после отжига при 700°С в течение 2 ч она понижалась до 1.41 ± 0.05 ГПа и для фольг бронзы до 0.82 ± 0.02 ГПа после отжига при 600°С в течение 1 ч.
Концы пакетов на данном этапе технологии получения лент скреплялись стальными заклепками. Пакет, составленный из многослойных Си/ЫЪ- и бронзовых отрезков прокатывался до толщины 0.4 мм. На завершающей стадии композитная лента (Си/ЫЪ)/Си128п имела такие количества и толщины слоев каждой из составляющих: ЫЪ - 7440 и 18 нм; Си - 7936 и 9 нм; Си128п — 15 и ~13 мкм.
2.2. Микроструктура многослойной ленты (Cu/Nb)/Cul2Sn
Микроструктурные исследования проводились методом растровой электронной микроскопии с использованием электронных сканирующих микроскопов "CamScan MV2300" и "Vega 2", оснащенных детекторами вторичных и отраженных электронов и рентгеновским микроанализатором. Съемка в отраженных электронах позволяла по световому контрасту легко различать медные, ниобиевые и бронзовые слои, а также слои, содержащие сверхпроводящее соединение Nb3Sn, образующееся после отжига композитных лент. Состав слоев определялся с помощью локального рентгеноспектрального анализа.
Микроструктура поперечных сечений композитных лент Cu/Nb и (Cu/Nb)/Cu12Sn вдоль направления прокатки показана на рис. 1 и 2. После первого цикла лента содержала 15 слоев ниобия (светлые слои) и 16 слоев меди (см. рис. 1а). На рис. 1б представлен фрагмент поперечного сечения ленты Cu/Nb после второго цикла. Макроструктура ленты (Cu/Nb)/Cu12Sn показана на рис. 1в и г. В сечении, перпендикулярном направлению прокатки, структура выглядит более ламинарной, чем в продольном. Видно, что лента со-
100 мкм 20 мкм 200 мкм 200 мкм
I_I I_I I_I I_I
Рис. 1. Микроструктура поперечного сечения композитных лент вдоль направления прокатки (а — Си/№>, 1-й цикл; б — Си/№>, 2-й цикл; в — 3-й цикл, (Си/№>)/Си128п) и поперек направления прокатки (г — 3-й цикл, (Си/МО/СиШп).
стоит из 15 слоев бронзы (темные слои) и 16 многослойных слоев Си/ЫЪ (светлые слои). По данным рентгеноспектрального анализа, в слоях бронзы содержалось от 12.4 до 12.7 мас. % олова, что удовлетворительно соответствовало ее номинальному составу. Каждый слой Си/ЫЪ содержал 496 медных и 465 ниобиевых слоев наноразмер-ной толщины. Их можно видеть на рис. 2, где при большом увеличении показана микроструктура одного произвольно выбранного многослойного слоя Си/ЫЪ. Толщина ЫЪ-слоев не превышала ~50 нм. Это по порядку величины совпадает с ее расчетным значением.
2.3. Микроструктура многослойной сверхпроводящей ленты на основе ЫЪ38п
Для получения сверхпроводящего соединения №38п ленту (Си/ЫЪ)/Си128п подвергали вакуумному отжигу при 750°С в течение 5 и 50 ч. В процессе отжига, вследствие реактивной диффузии, олово из бронзы диффундировало в многослойные слои Си/ЫЪ и образовывало с ниобием соединение ЫЪ38п. На месте слоев 12%-ной оловянной бронзы должен был оставаться твердый раствор 8п в меди
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.