ПОРОШОК Sn-Ti СПЛАВА ДЛЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ПРОВОДА, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ПРОВОДА С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
Sn-Ti ALLOY POWDER FOR SUPERCONDUCTING WIRE, ITS MANUFACTURING METHOD AND SUPERCONDUCTING WIRE MANUFACTURING METHOD WITH ITS USE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к порошку Sn-Ti сплава для сверхпроводящего провода, способу его изготовления и способу изготовления сверхпроводящего провода с его использованием, а более конкретно, к порошку Sn-Ti сплава для сверхпроводящего провода, причем указанный порошок Sn-Ti сплава позволяет улучшить сверхпроводящие свойства и механические свойства за счёт минимизации размера частиц Sn-Ti, диспергированных в сплаве на основе Sn, способу его получения и способу изготовления сверхпроводящего провода с его использованием.
Уровень техники
Сверхпроводимость представляет собой явление, при котором исчезает сопротивление току, а также потери тепла из-за сопротивления, возникающего при столкновении электронов внутри материала; сопротивление многих металлов скачкообразно становится равным 0 при низкой температуре от -265°C до -196°C, что соответствует диапазону температур жидкого гелия и жидкого азота, и материал с таким сопротивлением называется сверхпроводником, а температура, при которой возникает сверхпроводимость, называется «критической температурой».
Наиболее важными характеристиками сверхпроводника, в котором происходит описанное выше явление сверхпроводимости, является то, что сверхпроводник представляет собой нерезистивный материал без электрического сопротивления, препятствующего протеканию тока, и представляет собой диамагнитный материал, который не пропускает через себя магнитное поле.
В общем, все материалы состоят из молекулярных магнитов, которые притягиваются к магниту как целому, будучи расположенными в направлении внешнего магнитного поля; обычные материалы, в которых эффект расположения молекулярных магнитов в направлении магнитного поля очень слаб, и поэтому явление притяжения материалов к магниту практически не наблюдается в повседневной жизни, называются парамагнетиками, а материалы, которые легко притягиваются к магнитам из-за их свойств, как описано выше, то есть такие материалы, как железо, называются ферромагнитными материалами.
Однако, поскольку диамагнетики не имеют описанных выше молекулярных магнитов, электроны внутри них генерируют наведенный ток за счёт электромагнитной индукции по отношению к внешнему магнитному полю, и этот индуцированный ток блокирует внешнее магнитное поле и, соответственно, диамагнитные материалы получают усилие в направлении, в котором их толкает магнит.
То есть сверхпроводник не только имеет электрическое сопротивление «0», но также обладает очень сильными диамагнитными свойствами, как описано выше, и, соответственно, магнитное поле внутри объекта становится равным «0», полностью блокируя внешнее магнитное поле. При использовании сверхпроводника в качестве катушки, поскольку отсутствуют тепловые потери из-за сопротивления, можно изготовить электромагнит, способный образовывать очень сильное магнитное поле даже при малом токе, а если на сверхпроводник поместить магнит, который является диамагнитным материалом, магнитное поле магнита не может пройти через сверхпроводник и отклоняется, тем самым создавая эффект левитации магнита.
3
3
Сверхпроводящие материалы, не обладающие электрическим сопротивлением и в то же время обладающие диамагнитными свойствами, как описано выше, могут быть разделены на высокотемпературные сверхпроводники и низкотемпературные сверхпроводники, причём в первом случае сверхпроводящие свойства возникают вблизи температуры жидкого азота (77К), а в последнем – вблизи температуры жидкого гелия (4К). Более 1000 видов сверхпроводящих материалов, как описано выше, были обнаружены среди металлов, органических материалов, керамики и соединений, и около пяти-шести видов, таких как сплав Nb-Ti, который представляет собой сверхпроводящий материал на основе металла, и NbSn, NbAl и т.д., которые представляют собой сверхпроводящие материалы на основе соединений, в настоящее время находят практическое применение.
3
Кроме того, в настоящее время используется сверхпроводящий магнит, который генерирует сильное магнитное поле путем намотки сверхпроводящего провода, как указано выше, в виде катушки и пропускания через него большого тока, и устройства, которые, как ожидается, будут активно применяться в будущем, включают поезд на магнитной подушке, термоядерный реактор, ускоритель частиц, медицинские системы магнитной визуализации (МРТ), устройства ядерного магнитного резонанса (ЯМР), используемые в качестве оборудования для анализа различных физических свойств, систему анализа белкового материала (Фурье-ИЦР), ускоритель частиц, поезд на магнитной подушке и токамак для термоядерных реакторов и т.д. Типичным сверхпроводящим проводом сверхпроводящего магнита, используемого в этой области, является сверхпроводящий провод на основе NbSn.
3
3
3
Сверхпроводящий провод на основе NbSn имеет структуру, в которой большое количество ультратонких филаментов NbSn размещено в медной основе (матрице), а способы изготовления сверхпроводящего провода на основе NbSn включают метод внутренней диффузии, бронзовый метод, метод рулета с желе, порошковый метод, метод внешней диффузии или тому подобные известные методы.
3
3
Сверхпроводящий провод на основе NbSn в основном изготавливают методом внутренней диффузии, при котором термическая обработка выполняется на прекурсоре, полученном путём сверления отверстия в центральной части экструдированного материала, полученного путем размещения и введения Nb волокна (филамента) в соответствующем положении внутри металла на основе меди, и олово или сплав на основе олова вставлен в отверстие, и с ним многократно проводят процесс вытяжки, тем самым вызывая реакцию взаимной диффузии между волокном Nb, вставленным в прекурсор, и Sn или сплавом на основе Sn, образуя соединение NbSn, которое представляет собой сверхпроводящий материал, расположенный вокруг волокна Nb и на его периферийной поверхности.
Как описано выше, в основе из металлической меди были просверлены многочисленные отверстия, и в эти отверстия были вставлены волокна ниобия, и выполнялись различные процессы экструзии указанной выше основы из металлической меди для формирования стержня определённого диаметра и отверстие просверливали в центре материала стержня, и Sn или сплав на основе Sn вставляли в это отверстие в качестве сердцевины, так что множество волокон Nb вставлены и располагаются вокруг Sn или сплава на основе Sn в центре основы из металлической меди, и такая сборка называется «модулем».
3
То есть сверхпроводящий провод NbSn может быть сформирован путём изготовления прекурсора путём многократного волочения одного модуля, образованного объединением Cu, волокон Nb и Sn проволоки, с последующей термообработкой указанного прекурсора; а также путём плотной вставки множества прекурсоров, образованных путём волочения модуля, в медную трубку и её многократного волочения и выполнения её термообработки, подобно электрическому проводу, в который плотно вставлено множество медных проводов, может быть сформирован один сверхпроводящий провод, в котором множество сверхтонких сверхпроводящих проводов плотно размещены в одной медной трубке.
Здесь модуль втягивается в прекурсоры, имеющие различную форму поперечного сечения, так что их множество может быть вставлено в медную трубку, а Sn или сплав на основе Sn может быть вставлен между прекурсорами в качестве прокладки, чтобы устранить зазор между множеством прекурсоров, вставленных в медную трубку.
3
3
2
2
Сплав на основе Sn, используемый для модуля для изготовления сверхпроводящего провода NbSn методом внутренней диффузии, как описано выше, раскрыт в US 6,548,187, и сплав на основе Sn содержит Ti в количестве 5% масс. или менее, и получен путём литья расплавленного олова, нагретого до температуры 1300 - 1500°С, при этом сплав на основе олова получают, регулируя размер частиц соединения олово-титан, то есть их длину в среднем до 5 - 20 мкм и максимально 30 мкм или менее, и есть отчёт о том, что критическая плотность тока сверхпроводящего провода NbSn, изготовленного из вышеуказанного сплава на основе Sn, улучшена с 650 А/мм до 750 А/мм при 12T.
3
Однако, когда сплав на основе Sn в указанной выше форме, в котором диспергированы частицы SnTi, используется в модуле для сверхпроводящего провода NbSn и подвергается термообработке, диффузия между частицами SnTi и волокном Nb, окружающим сплав на основе олова, может оказаться недостаточной и это может ухудшить сверхпроводящие свойства.
Описание осуществлений
Техническая проблема
Настоящее изобретение предлагает порошок Sn-Ti сплава для сверхпроводящего провода, причём указанный порошок Sn-Ti сплава позволяет улучшить сверхпроводящие и механические свойства за счёт минимизации размера частиц Sn-Ti, диспергированных в сплаве на основе Sn, и добавления в сплав Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn, In и т.п., способ его получения и способ изготовления сверхпроводящего провода с его использованием.
Настоящее изобретение также предлагает порошок Sn-Ti сплава для сверхпроводящего провода, причем указанный порошок Sn-Ti сплава позволяет улучшить технологичность и производительность, способ его получения и способ изготовления сверхпроводящего провода с его использованием.
Решение проблемы
Изготавливают порошок Sn-Ti сплава для сверхпроводящего провода согласно настоящему изобретению,
причём сплав Sn-Ti плавят для получения интерметаллического соединения Sn-Ti, имеющего средний размер частиц 3 мкм или менее, и
содержание Ti во всем сплаве составляет от 0,5 до 3 мас.%.
Кроме того, настоящее изобретение относится к способу изготовления порошка Sn-Ti сплава для сверхпроводящего провода, включающему:
стадию плавления Sn-Ti сплава, на которой плавят сплав Sn-Ti или обработанный материал из Sn-Ti сплава; и
стадию формирования порошка Sn-Ti сплава, на которой осуществляют распыление расплавленного Sn-Ti сплава через форсунку в атмосфере инертного газа и его отверждение.
Также способ включает: стадию плавления Sn-Ti сплава на основе Sn и Ti с добавлением одного или более материалов, выбранных из Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn и In, и их плавления; и
стадию формирования порошка Sn-Ti сплава, на которой осуществляют распыление расплавленного Sn-Ti сплава через форсунку в атмосфере инертного газа и его отверждение.
Кроме того, во всем сплаве один или более материалов, выбранных из Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn и In, могут составлять 0,1 – 2 мас.%.
Способ изготовления сверхпроводящего провода с использованием порошка Sn-Ti сплава для сверхпроводящего провода включает: стадию формирования модуля или прокладки, на которой осуществляют прессование или экструзию порошка Sn-Ti сплава или введение Sn-Ti сплава в Cu трубку и выполнение её волочения;
стадию сборки модуля, на которой осуществляют размещение изготовленного модуля в Cu трубке; и
стадию изготовления сверхпроводящего провода, на которой осуществляют формирование сверхпроводящего провода путём выполнения процесса изготовления провода, такого как волочение.
Кроме того, способ включает: стадию формирования модуля или прокладки, на которой осуществляют изготовление модуля или прокладки путём добавления одного или более материалов, выбранных из Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn и In, в дополнение к порошку Sn-Ti сплава, выполнения прессования или экструзии вышеуказанного порошка Sn-Ti сплава и добавленных материалов или введения вышеуказанного порошка Sn-Ti сплава и добавленных материалов в Cu трубку и выполнения её волочения;
стадию сборки модуля, на которой осуществляют размещение изготовленного модуля в Cu трубке; и
стадию изготовления сверхпроводящего провода, на которой осуществляют формирование сверхпроводящего провода путём выполнения процесса изготовления провода, такого как волочение.
Кроме того, во всем сплаве один или более материалов, выбранных из Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn и In, могут составлять 0,1 – 2% масс.
Выгодные эффекты изобретения
С помощью средств решения проблем, описанных выше, можно улучшить сверхпроводящие и механические свойства, и повысить технологичность и производительность за счёт минимизации до 3 мкм или менее размера частиц Sn-Ti, диспергированных в сплаве на основе Sn, и добавления в сплав Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn, In и т.п.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет блок-схему, иллюстрирующую способ изготовления порошка Sn-Ti сплава для сверхпроводящего провода в соответствии с настоящим изобретением и способ изготовления сверхпроводящего провода с его использованием.
Фиг. 2 представляет фотографическое изображение, сравнивающее материал поперечного сечения интерметаллического соединения Sn-Ti, полученного в соответствии со способом изготовления порошка Sn-Ti сплава для сверхпроводящего провода в соответствии с настоящим изобретением, и поперечного сечения интерметаллического соединения в Sn сплаве в соответствии с предшествующим уровнем техники.
Осуществление изобретения
Предпочтительное осуществление способа изготовления сверхпроводящего провода согласно настоящему изобретению будет подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 представляет блок-схему, иллюстрирующую способ изготовления сверхпроводящего провода в соответствии с настоящим изобретением, а фиг. 2 представляет фотографическое изображение, сравнивающее материал поперечного сечения интерметаллического соединения Sn-Ti, полученного в соответствии со способом изготовления порошка Sn-Ti сплава для сверхпроводящего провода в соответствии с настоящим изобретением, и поперечного сечения интерметаллического соединения в Sn сплаве в соответствии с предшествующим уровнем техники.
3
Как правило, сверхпроводящие NbSn провода изготавливают путём плотного размещения в антидиффузионной трубке множества модулей, при этом модули и прокладки сформированы путём формирования отверстия в кованой медной заготовке посредством сверления ружейным сверлом, размещением Nb стержня в отверстие, а затем помещение Nb волокон в Cu основу вокруг стержня Nb, и эти модули и прокладки являются отрезанными и очищенными, и формируется заготовка для повторной укладки и выполняются такие стадии, как вытяжка, волочение проволоки, термообработка или тому подобное. Сверхпроводящий провод согласно настоящему изобретению характеризуется процессом формирования модулей и прокладок во время вышеописанного процесса изготовления.
В настоящем изобретении при изготовлении модуля или прокладки сплав Sn-Ti плавят для получения интерметаллического Sn-Ti соединения, имеющего средний размер частиц 3 мкм или менее, и расплавленный сплав Sn-Ti непосредственно используется в модуле или прокладке.
Здесь содержание Ti во всем сплаве Sn-Ti составляет от 0,5 до 3 мас.%.
Способ изготовления порошка Sn-Ti сплава, как указано выше, включает, как показано на фиг. 1, стадию плавления Sn-Ti сплава, на которой расплавляют сплав Sn-Ti или обработанный материал из Sn-Ti сплава, и стадию формирования порошка Sn-Ti сплава, на которой расплавленный сплав Sn-Ti распыляется через форсунку и затвердевает в атмосфере инертного газа.
-5
Подробно, на стадии формирования порошка Sn-Ti сплава, можно использовать способ, в котором осуществляют помещение Sn и Ti в печь, выполнение вакуумной откачки для снижения внутреннего давления распылительной камеры до 2,5 × 10 торр или менее, и затем создание атмосферы инертного газа для заполнения внутренней части распылительной камеры инертным газом, таким как газообразный Ar, до 1 бар и распыление инертного газа при 100 бар путём нагрева Sn-Ti сплава в печи до 1100 - 1300°C и его плавления и открытие отверстия печи для распыления расплавленного продукта из Sn-Ti сплава, но эта стадия не ограничивается вышеописанными условиями.
Способ изготовления сверхпроводящего провода с использованием порошка Sn-Ti сплава, изготовленного как описано выше, может включать стадию формирования модуля или прокладки, на которой осуществляют изготовление модуля или прокладки прессованием или экструзией порошка Sn-Ti сплава или введением порошка Sn-Ti сплава в Cu трубку и выполнением её волочения, стадию сборки модуля, на которой осуществляют введение изготовленного модуля в Cu трубку, и стадию изготовления сверхпроводящего провода, на которой осуществляют формирование сверхпроводящего провода выполнением процесса изготовления провода, такого как волочение.
В соответствии с этим можно устранить упрочнение границы раздела из-за остаточного напряжения на поверхности из-за усиленного измельчения отливок из сплава Sn в соответствии с предшествующим уровнем техники посредством механического измельчения и ухудшения сверхпроводящих свойств, вызванного этим упрочнением, и затруднение с точки зрения обработки, такое как увеличение времени термообработки в процессе изготовления, и, кроме того, может быть достигнута превосходное связывание между порошками во время обработки, и, прежде всего, форма частиц интерметаллического соединения Sn-Ti, сформированного в конечном сверхпроводящем проводе, может быть оптимизирована, а его размер может быть сведён к минимуму до состояния, которого трудно достичь в соответствии со способами предшествующего уровня техники.
Кроме того, технологичность и производительность могут быть повышены за счёт упрощения сложного процесса изготовления порошка, состоящего из прокатки, волочения, дробления, измельчения и т.п.
Фактически, при сравнении фотографии (A) интерметаллического соединения Sn-Ti, полученного в соответствии с настоящим изобретением, с фотографией (B) интерметаллического соединения Sn-Ti в сплаве Sn согласно предшествующему уровню техники, частицы интерметаллического соединения Sn-Ti, сформированные в соответствии с настоящим изобретением, имеют гораздо более близкую к сферической форму, чем частицы, полученные способом предшествующего уровня техники, и размер частиц также значительно меньше.
Далее описываются примеры осуществления способа изготовления порошка Sn-Ti сплава в соответствии с настоящим изобретением.
Пример 1 осуществления способа изготовления порошка Sn-Ti сплава в соответствии с настоящим изобретением включает стадию плавления сплава Sn-Ti с добавлением к материалу на основе Sn и Ti одного или более материалов, выбранных из Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn, In и их плавление, а также стадию формирования порошка Sn-Ti сплава, на которой осуществляют распыление расплавленного сплава Sn-Ti через форсунку в атмосфере инертного газа и его отверждение.
Содержание во всем сплаве одного или более материалов, выбранных из Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn и In, составляют от 0,1 до 2 мас.%.
-5
Более конкретно, на стадии формирования порошка Sn-Ti сплава может быть использован способ, в котором осуществляют загрузку в печь, помимо Sn и Ti, одного или более материалов, выбранных из Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn и In в количестве от 0,1 до 2 мас. % по отношению ко всему сплаву, выполнение вакуумной откачки для снижения давления внутри распылительной камеры до 2,5 × 10 торр или менее, и затем создание атмосферы инертного газа заполнением внутренней части распылительной камеры инертным газом, таким как газообразный Ar, до 1 бар и распыление инертного газа при 100 бар путем нагрева сплава Sn-Ti в печи до 1100–1300°C и его расплавления, и открытие отверстия печи для распыления расплавленного продукта из сплава Sn-Ti, но эта стадия не ограничивается вышеописанными условиями.
Способ изготовления сверхпроводящего провода с использованием порошка Sn-Ti сплава, изготовленного с использованием способа изготовления порошка Sn-Ti сплава в соответствии с примером 1 осуществления, может включать стадию формирования модуля или прокладки, на которой осуществляют изготовление модуля или прокладки путем выполнения прессования или экструзии порошка Sn-Ti сплава или размещения порошка Sn-Ti сплава в Cu трубку и выполнения её волочения, стадию сборки модуля, на которой осуществляют размещение изготовленного модуля в Cu трубке, и стадию изготовления сверхпроводящего провода, на которой осуществляют формирование сверхпроводящего провода путём выполнения процесса изготовления провода, такого как волочение.
Пример 2 осуществления способа получения порошка Sn-Ti сплава в соответствии с настоящим изобретением включает стадию плавления сплава Sn-Ti, на которой осуществляют плавление сплава Sn-Ti, и стадию формирования порошка Sn-Ti сплава, на которой осуществляют распыление расплавленного сплава Sn-Ti в атмосфере инертного газа через форсунку и его отверждение.
-5
Более подробно, на стадии формирования порошка Sn-Ti сплава можно использовать способ, в котором осуществляют введение Sn и Ti в печь, выполнение вакуумной откачки для снижения внутреннего давления распылительной камеры до 2,5 × 10 Торр или менее, а затем создание атмосферы инертного газа для заполнения внутренней части распылительной камеры инертным газом, таким как газообразный Ar, до 1 бар, и распыление инертного газа при 100 бар путём нагрева сплава Sn-Ti в печи до 1100 - 1300°C и его плавления и открытие отверстия печи для распыления расплавленного продукта из сплава Sn-Ti, но эта стадия не ограничивается вышеописанными условиями.
Способ изготовления сверхпроводящего провода с использованием порошка Sn-Ti сплава, изготовленного с использованием способа изготовления порошка Sn-Ti сплава в соответствии с примером 2 осуществления, может включать стадию формирования модуля или прокладки, на которой осуществляют изготовление модуля или прокладки путём добавления одного или более материалов, выбранных из Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn и In, в дополнение к порошку Sn-Ti сплава, прессования или экструзии вышеуказанного порошка Sn-Ti сплава и добавленных материалов или введения вышеуказанного порошка Sn-Ti сплава и добавленных материалов в Cu трубку и выполнения её обработки волочением, стадию сборки модуля, на которой осуществляют размещение изготовленного модуля в Cu трубке, и стадию изготовления сверхпроводящего провода, на которой осуществляют формирование сверхпроводящего провода путём выполнения процесса изготовления провода, такого как волочение.
Причём, во всем сплаве содержание материалов, выбранных из Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn и In, составляет от 0,1 до 2 мас.%.
В соответствии с этим можно устранить упрочнение границы раздела из-за остаточного напряжения на поверхности из-за усиленного измельчения отливок сплава Sn в соответствии с предшествующим уровнем техники, посредством механического измельчения и ухудшения сверхпроводящих свойств, вызванного упрочнением, и сложностей с точки зрения обработки, таких как увеличение времени термообработки в процессе изготовления, и, кроме того, может быть достигнуто превосходное связывание между порошками во время обработки, и, прежде всего, форма частиц интерметаллического соединения Sn-Ti, сформированного в готовом сверхпроводящем проводе, может быть оптимизирована, а их размер может быть минимизирован до состояния, которое трудно достичь в соответствии со способами предшествующего уровня техники. Кроме того, за счёт добавления Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn, In можно улучшить механические свойства, тем самым улучшив технологичность в ходе производства сверхпроводящего провода.
Кроме того, технологичность и производительность могут быть повышены за счёт упрощения сложного процесса изготовления порошка, состоящего из прокатки, вытяжки, дробления, измельчения и т.п.
В соответствии с описанной выше конфигурацией сверхпроводящие и механические свойства могут быть улучшены, а технологичность и производительность могут быть повышены за счёт минимизации размера частиц интерметаллического соединения Sn-Ti, диспергированных в сплаве на основе Sn по настоящему изобретению, до среднего размера частиц 3 мкм или менее, и добавления в сплав Nb, Ta, Cu, Zr, Hf, V, Zn, In и т.п.
Промышленная применимость
Порошок Sn-Ti сплава для сверхпроводящего провода, способ его изготовления и способ изготовления сверхпроводящего провода с его использованием согласно настоящему раскрытию применимы для изготовления сверхпроводящего провода и в различных областях промышленности материалов, где используются сверхпроводящие провода.