НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2012, том 48, № 2, с. 176-181
УДК 538.945:621.357.7+669.293
НАНЕСЕНИЕ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ Nb3Sn И ВЫСОКОЧИСТОГО Nb НА РОТОР КРИОГЕННОГО ГИРОСКОПА
© 2012 г. В. Н. Колосов*, А. А. Шевырев**
*Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦРоссийской академии наук, Апатиты e-mail: tantal@chemy.kolasc.net.ru **Научно-производственный центр "Синтез", Москва e-mail: shevyrev@demos.ru Поступила в редакцию 29.06.2011 г.
На бериллиевые шары с предварительно нанесенным защитным медным слоем из солевых расплавов последовательно осаждены сверхпроводящие покрытия Nb3Sn и высокочистого ниобия. Исследованы их структура и критические характеристики. Показано, что они пригодны для использования в качестве рабочих слоев ротора криогенного гироскопа.
ВВЕДЕНИЕ
Ограничение точности используемых в настоящее время гироскопов обусловлено дрейфовыми ошибками, возникающими вследствие трения, изменения размеров их чувствительных элементов в результате износа и изменения температуры, а также химического взаимодействия с окружающей средой [1]. Влияние перечисленных факторов на точность показаний гироскопического прибора в значительной мере может быть снижено при использовании сверхпроводящего (СП) криогенного гироскопа [2]. Его главным рабочим органом является сверхпроводящее сферическое тело — ротор. Возникновение сил подвеса ротора обусловлено результатом взаимодействия внешнего магнитного поля и поля сверхпроводника, создаваемого экранирующим током. При этом магнитное поле не проникает в тело ротора, и он представляет собой идеальный диамагнетик.
СП-гироскоп позволяет существенно повысить точность и устойчивость систем навигации и стабилизации, поскольку он функционирует при низких температурах, при которых коэффициенты расширения материалов близки к нулю, а химическая активность материалов незначительна. Кроме того, СП-подвес устойчив, в нем практически отсутствует трение, и потому он не имеет износа.
Для надежной работы криогенного гироскопа требуется, чтобы СП-материал ротора имел протяженную область мейсснеровского диамагнетизма и не имел тенденции к захвату магнитного потока. Данным требованиям удовлетворяет покрытие из высокочистого ниобия, поверхность которого соответствует 13—14 классам обработки [3]. При использовании СП-подвеса ротор можно
раскручивать до высоких угловых скоростей [2]. При этом возникают центробежные ускорения, превосходящие в тысячи раз ускорение свободного падения g. Поэтому материал основы ротора при малой плотности должен иметь высокую прочность, т.е. должен обладать высокой удель-е
ной жесткостью — (Е — модуль упругости, р — Р8
плотность материала).
В [4] показано, что электролизом из расплава солей возможно нанесение ниобиевых покрытий на сферы из титана (р = 4.5 г/см3). Эти покрытия по химической чистоте и стабильности свойств в целом удовлетворяют техническим требованиям, предъявляемым к СП-слою ротора криогенного гироскопа. Однако удельная жесткость титана, составляющая 2.44 х 106 м [5], недостаточно высока для обеспечения работы гироскопа без искажения формы ротора при больших перегрузках. Кроме того, ротор с одним СП-слоем из ниобия, описанный в [3, 4], исключает использование магнитного поля для разгона. Это усложняет конструкцию гироскопа, поскольку требует сложной аэродинамической системы разгона с использованием направленных струй газообразного гелия [1].
Цель данной работы — исследование возможности нанесения на шар из материала с высокой удельной жесткостью СП-покрытий, пригодных в качестве рабочих слоев ротора криогенного гироскопа и способных обеспечить разгон ротора магнитным полем.
ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ
Главными требованиями к материалу основы ротора криогенного гироскопа являются низкая
плотность в сочетании с высокими значениями модуля упругости и коэффициента теплопроводности. Совокупности этих требований наиболее полно удовлетворяет бериллий. По сравнению с титаном его плотность в 2.4 раза ниже, а удельная жесткость в 6.8 раз выше [5]. При низких температурах коэффициент теплопроводности бериллия также существенно выше, чем у титана и при 50 К близок к коэффициенту теплопроводности меди (рис. 1). Таким образом, наряду с высокой прочностью, бериллиевая основа ротора будет обеспечивать устойчивость сверхпроводящего состояния его рабочего слоя при возможных флуктуациях окружающей температуры в процессе работы гироскопа.
Для обеспечения разгона ротора магнитным полем его рабочее покрытие должно быть выполнено в виде двух расположенных один на другом слоев из СП-материалов с различной критической температурой. Причем материал внутреннего слоя должен иметь более высокую критическую температуру, чем материал наружного слоя [6]. В начале разгона ротора в гирокамере следует поддерживать температуру ниже критической температуры материала внутреннего слоя СП-покрытия, но выше критической температуры материала наружного слоя. При последующем включении магнитного поля в результате его взаимодействия с магнитным полем, наведенным на наружной поверхности внутреннего СП-слоя, возникает подъемная сила и осуществляется магнитный подвес ротора. При этом наружный слой СП-покрытия остается в нормальном состоянии и имеет остаточное электрическое сопротивление. Оно позволяет разгонять ротор переменным магнитным полем. После достижения ротором заданной угловой скорости в гирокамере следует понизить температуру до величины, ниже критической температуры СП-материала наружного слоя и создать необходимый вакуум. Ротор при этом будет вращаться по инерции с заданной угловой скоростью. В качестве материалов внутреннего и наружного СП-слоев в настоящей работе выбраны соответственно соединение МЪ38п и высокочистый ниобий.
Слой МЪ38п наносили бестоковым осаждением из солевого расплава с использованием предварительно нанесенного слоя ниобия [7]. Слой ниобия, необходимый для формирования МЪ38п, наносили электрохимическим осаждением из фторидного расплава [8], а рабочий слой высокочистого ниобия — из хлоридно-фторидного расплава [9]. Однако при нанесении ниобия на бе-риллиевую подложку из расплава солей возникало препятствие — более высокий отрицательный потенциал бериллия по отношению к ниобию, который приводит к интенсивной коррозии подложки [10]. Для предотвращения коррозии на бериллий
X х 102, Вт/(м К)
300 -
100
50
30
10
5.0
3.0
1.0
0.5
0.3
0.1
0.05
0.03 4
Рис. 1. Зависимости теплопроводности ряда металлов
от температуры [6].
перед осаждением ниобия следует наносить защитный слой. Ранее показано, что в качестве материала защитного слоя могут использоваться медь, никель или молибден [4]. Вследствие низкой теплопроводности никеля и молибдена (рис. 1) в настоящем исследовании в качестве материала защитного слоя была выбрана медь. Таким образом, в окончательном варианте ротор криогенного гироскопа представлял собой композицию Ве + Си + + МЪ38п + М (рис. 2).
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве основы ротора использовали бе-риллиевые шары диаметром 30 мм. Методы нанесения покрытий, исследование их структуры и свойств, а также реактивы и их подготовка в основном соответствовали применявшимся в [7— 10]. Отличие заключалось в методике нанесения высокочистого слоя ниобия 4 (рис. 2) и в наличии электрохимической ячейки с подвижным электрическим контактом (рис. 3), которую использовали как для нанесения слоев на поверхность шаров, так и для электрохимической полировки наружного ниобиевого слоя.
Электрохимическая ячейка содержала цилиндрический контейнер 7, внутри которого поме-
10 20 50 100 200
Т, К
(а)
(б)
(в)
(г)
Рис. 2. Разрез ротора СП-криогенного гироскопа: 1 — бериллиевая основа, 2 — защитный медный слой, 3 — слой №з8п, 4 — слой высокочистого ниобия; — диаметр основы, ВЯ — конечный размер ротора.
щали рабочий узел, включающий катод в виде вращающегося стержня 1, прижимной диск 2 с нагрузочными шайбами 3, анод в виде полого цилиндра 6 и подвижный дисковый электрод 8, жестко соединенный со стержнем 1. Между при-
Рис. 3. Схема узла токоподвода, для нанесения металлических покрытий на сферические подложки: 1 — катод, 2 — прижимной диск с опорной втулкой, 3 — нагрузочные шайбы, 4 — бериллиевые шары, 5 — водный электролит или солевой расплав, 6 — анод, 7 — контейнер для электролита, 8 — подвижный дисковый электрод.
Рис. 4. Вид исходной заготовки шара из бериллия (а), после нанесения защитного покрытия (б), после нанесения СП-слоев и № (в) и после полировки поверхности ниобиевого слоя (г).
жимным диском 2 и подвижным дисковым электродом 8 размещали шары 4. Величину нагрузки на шары в местах их контактов с прижимным диском 2 и электродом 8 в процессе нанесения покрытий задавали весом нагрузочных шайб 3. Электрический контакт обеспечивался в любых точках шаров за счет их перекатывания при вращении электрода 8. Его скорость вращения в процессе нанесения слоев составляла 40—60 об/мин.
Для оценки качества ротора его подвергали десятикратному термоциклированию в интервале между комнатной температурой и температурой кипения жидкого гелия 4.2 К и раскрутке с последующим вращением со скоростью 15000 об/мин в течение 5 ч.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Покрытия наносили в следующей последовательности. Вначале изготавливали шары из бериллия и проводили их полировку. После полировки они имели зеркальную поверхность (рис. 4а) с высотой неровностей профиля по 10 точкам Яг, не превышающей 0.15—0.20 мкм. Затем на поверхность шаров наносили защитный слой из меди. Известно, что в водных растворах, содержащих ионы сульфатов, при рН < 4 бериллий подвергается коррозии [10]. Поэтому для предотвращения коррозии первичный слой меди на шары наносили из цианистого электролита состава (г/л): 125 К2Си(СМ)3 и 50 ШС1. Из-за образования прочных комплексных ионов и их малой степени диссоциации активность ионов меди в этом электролите снижалась, и ее потенциал становился отрицательнее, чем в сернокислых растворах [10]. В результате контактного вытеснения меди бериллием не происходило. В вышеприведенном электролите на бериллий были нанесены
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.