научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ БРОНЗЫ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ОЛОВА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ БРОНЗЫ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ОЛОВА»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2007, том 103, № 2, с. 165-179

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.35'6:539.25:538.945

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ БРОНЗЫ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ОЛОВА

© 2007 г. Е. Н. Попова*, С. В. Сударева*, Е. П. Романов*, Е. А. Дергунова**, И. М. Абдшханов**, А. Е. Воробьева**, Л. В. Елохина*

*Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **ВНИИ неорганических материалов им. акад. Бочвара, 123060 Москва, ул. Рогова, 5

Поступила в редакцию 04.04.2006 г.; в окончательном варианте - 28.04.2006 г.

Методом просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии с привлечением рентгено-структурного анализа изучены легированные титаном, цирконием и бором бронзы Си-Бп с повышенным (14 мас. %) содержанием олова, в литом, гомогенизированном и деформированном состояниях. Эти сплавы представляют интерес в качестве матрицы сверхпроводящих композитов №/Си-Бп, в которых высокое содержание олова и легирование бронзовой матрицы позволяют повысить сверхпроводящие характеристики за счет оптимизации структуры и свойств слоев соединения NbзSn, образующегося на границе ниобия с бронзой путем реакционной диффузии. Изучено распределение легирующих элементов в бронзе в разных состояниях. Показано, что Zr распределяется в сплаве равномерно и не образует крупных включений, в то время как Т образует в литом состоянии крупные пластинчатые выделения, которые могут отрицательно повлиять на технологические характеристики бронзовой матрицы и композита в целом.

PACS 61.66.Dk, 74.70.Ad

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время во всем мире активизируются исследования, направленные на более широкое практическое применение явления сверхпроводимости. Сверхпроводники должны удовлетворять определенным требованиям потребителя к технологическим и токонесущим характеристикам, а именно, обладать достаточной длиной, высокими критическими токами, малыми гистере-зисными потерями. Сверхпроводники на основе сплава №-Т1 и соединения №3Бп уже находят достаточно широкое применение, например, в ускорителях элементарных частиц, в установках для термоядерного синтеза, в ЯМР-приборах, они незаменимы при создании сильных импульсных магнитных полей, поэтому исследования сверхпроводников разного типа активно ведутся учеными и технологами всего мира [1].

Многоволоконные композиты на основе соединения №3Бп занимают особое место среди всех известных в настоящее время сверхпроводящих материалов. В последние годы разработка таких проводников ведется по двум основным направлениям, а именно, создание сверхпроводников для Интернационального Термоядерного Экспериментального Реактора - ИТЭР [2] и получение сверхпроводников с максимально высокими свойствами [3]. ВНИИНМ им. акад. Бочвара принимает активное участие в разработке сверхпроводников

для ИТЭР, и при этом решается целый ряд научных и технических проблем.

Известно, что при использовании "бронзового метода" изготовления композитов на основе №>38п приходится ограничивать концентрацию олова в бронзовой матрице, поскольку предел его растворимости в бронзе составляет <15 мас. %, и при более высокой концентрации происходит выделение хрупких фаз, препятствующих пластической деформации. В связи с этим необходимо сравнительно высокое отношение объемов бронзовой матрицы и ниобия (3:1), чтобы обеспечить достаточное количество олова в поперечном сечении. Другой путь - максимально повышать количество олова в бронзовой матрице, учитывая при этом опасность понижения ее пластических характеристик. При получении многоволоконной проволоки №/Си-Бп причины возможного разрушения, особенно на ранних стадиях изготовления, кроются не в образовании частиц №3Бп во время промежуточных отжигов и не в деформационном упрочнении № волокон, а именно в структуре бронзовой матрицы [4]. Именно поэтому представляет интерес изучение структуры бронзы с высоким содержанием олова в разных состояниях (литом, гомогенизированном, деформированном).

В работе [5] изучена структура бронзы с 10 и 13 мас.% Бп и бронзовой матрицы одно- и многожильных композитов №/Си-Бп и показано, что при переходе от свободной бронзы с высоким со-

держанием олова к бронзовой матрице многожильного композита в бронзе происходит изменение механизма деформации. Это изменение заключается в том, что сдвиговые процессы интенсифицируются, и скольжение дислокаций сменяется двойникова-нием с одновременным выделением хрупкой е-фазы CuзSn мартенситного типа. Это объясняется прежде всего тем, что олово заметно понижает энергию дефектов упаковки (ЭДУ) медных сплавов [6], создавая благоприятные условия для возникновения двойников, которые наблюдались в оловянной бронзе и в других исследованиях [7].

Основным способом повышения сверхпроводящих характеристик композитов, изготовленных по "бронзовой" технологии, особенно в сильных магнитных полях, было и остается легирование, причем легирующие добавки вводят как в ниобиевые волокна, так и в бронзовую матрицу [8]. Во многих публикациях обсуждается влияние титана и ряда других легирующих элементов (тантала, гафния, германия, циркония, галлия) на свойства сверхпроводников на основе [9, 10]. Отмечается, что легирующие добавки повышают скорость роста диффузионного слоя и тормозят рост зерен, причем наиболее перспективным легирующим элементом представляется титан, поскольку он не только увеличивает толщину сверхпроводящих слоев, но и способствует повышению верхнего критического поля. Кроме того, легирование титаном приводит к более низкой чувствительности композита к внутренним напряжениям, т.е. к более стабильным характеристикам.

Однако, несмотря на большой накопленный экспериментальный материал, возможности легирования для повышения сверхпроводящих характеристик далеко не исчерпаны. Особенно это касается современных композиционных проводников, содержащих десятки и сотни тысяч волокон. Поэтому необходимы дальнейшие исследования, в частности, направленные на выявления механизма влияния тех или иных легирующих элементов на структуру и свойства всех составляющих композита - бронзовой матрицы, ниобие-вых волокон и диффузионного слоя ЫЪ^п.

В работах [11-13] изучено распределение титана (при введении как в бронзовую матрицу, так и в ниобиевые волокна) и галлия (при введении в бронзовую матрицу) в технических многожильных сверхпроводящих композитах (с числом волокон 7225 и 44521). В ниобиевые волокна Т вводился как простым металлургическим, так и "искусственным" легированием. При искусственном легировании в результате взаимной диффузии ниобия и титана происходит равномерное распределение легирующего элемента, и он проникает в бронзовую матрицу только после очень длительных диффузионных отжигов. При обычном металлургическом легировании ниобиевых воло-

кон, так же, как и при введении Т в бронзовую матрицу, возможно понижение пластичности последней за счет образования в ней хрупких интер-металлидов и окислов титана.

Проблема пластичности бронзовой матрицы легированных композитов рассмотрена в [14], где показано, что большинство легирующих элементов, такие как Ga, Zn, А1, приводят к понижению пластичности бронзы за счет уменьшения ЭДУ и интенсификации сдвиговых процессов (двойнико-вания, образования дефектов упаковки, выделения хрупкой е-фазы).

Влияние Zr, Mg и Zn, введенных в бронзовую матрицу, на кинетику формирования и тонкую структуру композитов №/Си^п рассмотрено в работе [15], где показано, что все изученные легирующие добавки приводят к увеличению скорости роста сверхпроводящего слоя и его толщины.

В настоящей работе исследованы бронзы с повышенным содержанием олова (14 мас. %) и с легирующими добавками Zr, Т и Т + В в разных состояниях, а именно, после литья, гомогенизации и деформации.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Исследованные бронзы изготовлены во ВНИИНМ им. акад. Бочвара (см. таблицу). Для получения бронзы с высоким содержанием олова -до 14 мас. % - использовалась плавка дуплекс, т.е. сочетание индукционно-вакуумной и вакуумно-дуговой плавки. При индукционно-вакуумном переплаве вводились все исследуемые легирующие элементы ^г, Т^ Т + В) и проводилось раскисление. На 2-й стадии полученный слиток использовался как электрод для вакуумно-дугового переплава. Применялось специальное оборудование для получения однородной микро- и макроструктуры. В настоящей работе была поставлена задача выяснить, что происходит с легирующими добавками, как они распределяются в сплаве, какое влияние оказывают на его структуру, образуются ли интерметаллиды, оксиды, карбиды.

Тонкую структуру бронз изучали на просвет в электронном микроскопе JEM-200CX. Для этих исследований из массивных образцов на электроискровом станке вырезали пластинки толщиной ~0.9 мм и утоняли их вручную с двух сторон на наждачном полотне. Затем их подвергали химической полировке в смеси из трех концентрированных кислот - азотной, серной и плавиковой - в соотношении 3 : 2 : 1, промывали в дистиллированной воде и высушивали.

Металлографические исследования проводили на микроскопе NEOPHOT-32. Шлифы для металлографических исследований готовили обычным способом (на наждачном полотне от крупного до самого мелкого с последующей полировкой

Описание образцов для исследования

№ Форма, размеры Состав, мас. % Обработка Н, МПа

1 Цилиндр, 0 8 мм Си-14%Бп Литье 1365

2 Цилиндр, 0 8 мм Си-14% Бп Гомогенизация 1124

3 Шестигр. пруток 5 = 5.45 мм Си-14% Бп Холодное волочение 1736

4 ~20 х 20 х 10 мм Си-Шп-0.^г Литье 1741

5 ~20 х 20 х 9 мм Си-Шп-0.^г Гомогенизация 1068

6 Шайба 0 36 мм, h = 8 мм Си-Шп-0.^г Горячее прессование 1811

7 ~10 х 10 х 7 мм Си-Шп-0.2^ Литье 1186

8 ~10 х 10 х 9 мм Си-Шп-0.2^ Гомогенизация 1096

9 Шайба 0 37 мм, h = 9 мм Си-Шп-0.2^ Горячее прессование 1374

10 ~20 х 20 х 9 мм Си-Шп-0.2Т^0.003В Литье 1514

11 ~20 х 20 х 7 мм Си-Шп-0.2Т^0.003В Гомогенизация 1097

12 Шайба 0 36, h = 8 мм Си-Шп-0.2Т^0.003В Горячее прессование 1258

на сукне с алмазной пастой). Шлифы для металлографических исследований травили разбавленной азотной кислотой.

Сканирующая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ выполнялись в микроскопе-микр

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.

Показать целиком