^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.293'6:539.25
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СЛОЕВ Nb3Sn
В МНОГОВОЛОКОННЫХ КОМПОЗИТАХ С КОЛЬЦЕВЫМИ Nb-ВОЛОКНАМИ
© 2015 г. И. Л. Дерягина, Е. Н. Попова, Е. И. Патраков
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: deryagina@mail.ru Поступила в редакцию 14.04.2014 г.; в окончательном варианте — 03.09.2014 г.
Изучены структура и морфология слоев Nb3Sn в сверхпроводящих композитах Nb/Cu-Sn с кольцевыми (трубчатыми) волокнами ниобия после разных режимов диффузионного отжига. Показано, что применение кольцевых волокон обеспечивает практически полную проработку ниобия при всех исследованных режимах диффузионного отжига. Слои Nb3Sn с минимальным размером зерен получены в композитах после укороченного двухступенчатого диффузионного отжига 575°С/100 ч + 625°С/50 ч. Применение в конструкции композита ниобиевых трубок вместо сплошных стержней приводит, при определенных режимах диффузионного отжига, к улучшению морфологии сверхпроводящего слоя, состоящего только из мелкодисперсных равноосных зерен. Это позволяет достичь максимальную для композитов, полученных по бронзовой технологии, критическую плотность тока 2200 А/мм2.
Ключевые слова: сверхпроводящий композит, бронзовая технология, Nb3Sn, диффузионный отжиг, морфология.
DOI: 10.7868/S0015323015030043
ВВЕДЕНИЕ
Сверхпроводящая фаза МЪ38п в композитах, полученных по бронзовой технологии, состоит из слоев зерен разной морфологии: мелких равноосных, столбчатых и крупных неправильной формы [1]. Поскольку границы зерен служат центрами пиннинга магнитного потока, то для повышения силы пиннинга необходимо увеличивать долю поверхности зерен при имеющемся объеме фазы №38п, т.е. измельчать зерно [2]. Минимальными размерами обладают равноосные зерна в мелкодисперсной зоне сверхпроводящих слоев. Следовательно, для повышения критического тока 1с и критической плотности тока /с необходимо увеличивать толщину слоя равноосных зерен, сужать слой столбчатых зерен и слой аномально крупных равноосных зерен на границе ниобия с бронзовой матрицей. Для достижения максимальных значений /с следует стремиться к получению слоев №38п, состоящих только из мелкодисперсных равноосных зерен. Тем не менее, априори полагается, что образование столбчатых зерен при бронзовой технологии получения сверхпроводников на основе №38п неизбежно. Однако в волокнах композитов, полученных с использованием легированной титаном оспрей-бронзы, после первой ступени диффузионного отжига формируются широкие (около 1 мкм) слои сверхпроводящей фа-
зы на основе только равноосных зерен [3]. Таким образом, экспериментируя с диаметром и формой волокон ниобия, со способами легирования композита, возможно получение фазы №38п, состоящей только из равноосных зерен. Формирование слоев №38п во время диффузионного отжига начинается с образования в теле №-волокон мелких зародышей этой фазы [4, 5], которые сначала по мере отжига увеличиваются в размерах, а затем образуют сплошной слой зерен МЪ38п. Подбором режимов диффузионного отжига можно добиться минимального размера зерен сверхпроводящей фазы и, соответственно, максимально увеличить силу пиннинга, чтобы повысить верхнее критическое поле Вс2 и /с сверхпроводника в высоких магнитных полях.
Интерметаллид МЪ38п имеет область гомогенности по олову от 18 до 25 ат. % [6]. В то же время Вс2 и /с этого сверхпроводника проявляют сильную зависимость от состава фазы [7]. Поэтому для достижения высоких сверхпроводящих характеристик необходимо получить фазу МЪ38п, максимально близкую к стехиометрии по составу. В работах [8, 9] показано, что зерна №38п, имеющие различную морфологию, отличаются и по составу фазы. Наиболее близок к стехиометрии №38п состав равноосных зерен. Столбчатые зерна содержат минимально допустимое для фазы
247
2*
Обозначение, режимы диффузионного отжига, критический ток композитов
Обозначение Диффузионный отжиг * Iс, А
O 575°С, 150 ч 95.5
A 575°С, 300 ч 101
B 625°С, 150ч 95.5
С 625°С,300ч 98
D 675°С,50ч 78
Е 675°С, 100ч 75
F** 575°С, 150 ч + 650°С, 200 ч 92
G 575°С, 150 ч + 625°С, 100 ч 99
H 575°С, 100 ч + 625°С, 50 ч 101
* Токи измерены во ВНИИНМ [10]. **р _ режим диффузионного отжига, апробированный для многоволоконных сверхпроводящих композитов Интернационального термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) [11].
№38п количество олова. Этот факт еще раз подтверждает необходимость снижения доли столбчатых зерен.
В многоволоконных сверхпроводниках №>/Си— 8п, получаемых по бронзовой технологии, обычно используют сплошные волокна ниобия, размещенные в бронзовой матрице. Для повышения /с композитов в ОАО "ВНИИНМ" (г. Москва) была разработана конструкция сверхпроводников на основе размещенных в бронзовой матрице трубок ниобия со вставками из сплава №—11 [10]. Геометрические параметры композита рассчитывались таким образом, чтобы во время диффузионного отжига олово из бронзовой матрицы с внешней и внутренней сторон трубок сформировало фазу №38п по всей толщине трубчатых волокон ниобия. Поскольку в поперечном сечении трубки имеют форму колец, такие композиты называют композитами с кольцевыми волокнами. В настоящей работе исследовано влияние режимов диффузионного отжига на глубину проработки МЪ-волокон и морфологию слоев МЪ38п в композитах с кольцевыми волокнами.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Работа выполнена на образцах многоволоконных композитов МЪ/Си—8п с кольцевыми № волокнами, разработанными, изготовленными и аттестованными по величине критического тока (/с) в ОАО "ВНИИНМ" (г. Москва). Бронзовая матрица композита с кольцевыми волокнами содержит 7 стрендов (пучков волокон) из 271 трубки ниобия (всего — 1897 трубчатых волокон). От слоя стабилизирующей меди бронза отделена ниоби-евым барьером [10]. Финальный диаметр компо-
зита составляет 0.62 мм. Внешний диаметр трубок ниобия, согласно техническому заданию, должен составлять 7.1 мкм, а толщина стенок трубок — 0.9 мкм. Режимы отжига исследованных композитов и их критические токи (в поле 12 Тл, при 4.2 К) по данным ВНИИНМ [10] представлены в таблице.
Исследования структуры слоев Nb3Sn проведены в просвечивающем (JEM-200CX) и сканирующем (Inspect F) электронных микроскопах.
Образцы для просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) готовились в виде продольных тонких фольг методом механического утонения продольных шлифов с последующим химическим травлением. Для сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) образцы готовились в виде полированных шлифов поперечных сечений и в виде изломов проволоки многоволоконного композита. Изломы композиционной проволоки получали в жидком азоте непосредственно перед фрактографическим исследованием в СЭМ.
Расчет среднего размера зерна проводился с использованием программы статистического анализа изображений SIAMS-600 по микрофотографиям тонкой структуры сверхпроводящих слоев, полученных методом ПЭМ. При этом для каждого образца обрабатывали не менее 30 полей изображений и строили гистограммы распределения зерен по размерам. Расчет доли волокон с остаточным ниобием и площади остаточного ниобия проводился по анализу изображений изломов всех волокон (271 волокно) центрального стренда каждого из композитов, подвергнутых различным режимам диффузионного отжига.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ
В многоволоконных сверхпроводящих композитах традиционной конструкции (со сплошными волокнами ниобия) после всех стадий деформации размер Nb-волокон (в зависимости от их количества в композите) в поперечном сечении составляет 2.5—3 мкм в композитах с одиночными волокнами и 2—4 мкм — в композитах со спаренными волокнами. Соответственно, для образования в процессе диффузионного отжига сплошного слоя Nb3Sn, распространяющегося на всю глубину волокна, олово должно диффундировать из бронзовой матрицы в волокна ниобия на глубину не менее 1.5 мкм.
В конструкции композита с кольцевыми волокнами использование трубок ниобия вместо сплошных Nb стержней и наличие в этом случае двухсторонней реакционной поверхности (внешняя и внутренняя поверхность трубки) позволяет снизить необходимую для образования сплошного слоя Nb3Sn глубину диффузии олова (при тол-
<
90
80
70
50 60 70 80 90 Средний размер зерна, нм
100
Рис. 1. Зависимость критического тока проводников ([10]) от среднего размера зерен №>з8п после разных режимов диффузионного отжига.
щине стенки трубки 0.9 мкм) до 0.45 мкм. Благодаря этому полного преобразования ниобия в сверхпроводящую фазу №38п можно добиться за более короткое время отжига. Для улучшения на-нокристаллической структуры образовавшихся слоев №38п (снижения доли столбчатых зерен и размеров равноосных зерен) необходимо подбирать условия температурно-временных режимов диффузионного отжига [12].
Варьируя режимы диффузионного отжига, можно существенно изменять значения критического тока (разница между минимальными и максимальными токами составляет более 25%) (см. таблицу). Расчет среднего размера зерна и параметра СКО (средне-квадратичное отклонение), проделанный на основе анализа тонкой структуры сверхпроводящих слоев по результатам ПЭМ, позволил установить корреляцию между критическим током и средним размером зерна фазы №38п (рис. 1).
Проведенное исследование показало, что структура сверхпроводящих слоев при кольцевой
конструкции композита наиболее чувствительна к температуре диффузионного отжига. Так, при одноступенчатом отжиге повышение температуры отжига от 625°С (режим В) до 675°С (режим В), несмотря на снижение времени отжига от 150 до 50 ч, приводит к росту среднего размера зерна в 1.6 раза и снижению 1с на 20% (рис. 1). Увеличение длительности отжига при этой же температуре до 100 ч усугубляет процессы роста размеров зерен, что приводит к дальнейшему снижению критического тока (рис. 1, режим Е).
Максимальные значения критического тока (99—101 А) из всей серии исследованных образцов получены при длительном низкотемпературном отжиге (режим А, 575°С/300 ч) и при двухступенчатых отжигах, проведенных по режимам О (575°С/150 ч + 625°С/100 ч) и Н (575°С/100 ч + + 625°С/50 ч) (см. табл
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.