Физика/2. Физика твердого тела

Д.ф.-м.н. Баранникова С.А., к.т.н. Шляхова Г.В., д.ф.-м.н. Зуев Л.Б.

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск, Россия

Структура элементов сверхпроводника после деформации волочением

Сплав Nb-Ti в течение последних сорока лет занимает особое положение в технике прикладной сверхпроводимости. Существенная часть научной информации в этой области получена в работах, посвященных исследованию изменений характеристик сверхпроводимости материалов при модификации структурного состояния посредством температурно-силовых воздействий [1-3].

При производстве проводников на основе НТСП наиболее ответственным этапом является волочение, в ходе которого композиционная заготовка деформируется вхолодную от Ø60…70 мм до Ø0,1…1,0 мм. По этим причинам настоящая работа ориентирована на анализ влияния холодной деформации волочением на структуру многожильного сверхпроводника на основе сплава Nb-Ti.

Материалы и методика эксперимента. Структура многожильного сверхпроводника на основе сплава Nb-47,5 мас.%Ti при деформации волочением исследовалась на промежуточной стадии производства сверхпроводящего кабеля при переходе Ø1,3→Ø1,2 мм в поперечном сечении.

Металлографические исследования поперечных сечений проводников на оптическом микроскопе показали, что сильнее всего продеформированы волокна Nb-Ti в промежуточном слое со стороны внешней поверхности, в результате чего волокна имеют «расплющенный» вид. Обнаружена зона локализации пластической деформации в промежуточном слое со стороны внутренней поверхности в виде дефекта в местах обрыва волокон Nb-Ti многожильного сверхпроводника (фиг. 1).

Фиг.1. Зона локализации пластической деформации

Для более детального рассмотрения структуры и определения параметров структуры трехслойного триметаллического композита технических многожильных сверхпроводников на основе ниобий-титанового сплава в условиях интенсивных пластических деформаций (размеры зерен и субзерен) был применен метод атомно-силовой микроскопии (АСМ). Изучали топографию поверхности шлифов в поперечных сечениях контактным методом. Анализ АСМ показал, что в промежуточном слое со стороны внутренней поверхности проводника все волокна Nb-Ti имеют округлую форму и их средний диаметр составил ~ 10 мкм (фиг. 2 а). Иная картина наблюдается в промежуточном слое со стороны внешней поверхности проводника. Здесь все волокна вытянутые, «расплющенные» вдоль направления деформации и имеют ромбическую форму с диагоналями ~ 13 и 11 мкм соответственно (фиг. 2 б).

а б

Рис.2 Топография внутренней (а) и внешней (б) поверхностей проводника

В результате интенсивной пластической деформации медь в сердечнике в поперечном сечении проводника приобрела структурную неоднородность, находится в наноструктурном состоянии и представляет собой чередование как отдельно стоящих крупнозернистых и мелкозернистых нанозерен, так и образующих часто целые конгломераты, содержащие до 8 зерен. Все зерна преимущественно округлой или слегка вытянутой формы со средним размером 800 нм. Сильнее всего деформирование меди в сердечнике произошло по границе сердечник - промежуточный слой проводника. В этом случае обнаружена неоднородность структуры зерен, и средний размер зерен составил ~ 855 нм. Между волокнами в матрице медь представлена равноосными зернами преимущественно сферической формы со средним размером 800 нм (фиг. 3).

Фиг.3. Топография меди в матрице между волоками

Топография поперечного сечения в месте обрыва проводника показала, что в зоне обрыва в области, прилегающей к сердечнику близлежащие волокна Nb-Ti стянулись в одну зону локализации деформации (фиг. 4). В месте обрыва проводника в матрице промежуточного слоя между волокнами средний размер зерна меди составил 900 нм.

Фиг.4. Топография в месте обрыва проводника

Выводы. Исследования структуры многожильного сверхпроводника на основе сплава Ni-Ti обнаружили: 1) изменения размеров и формы волокон Nb-Ti в промежуточном слое в направлении от внешней (виде ромба) к внутренней стороне (в виде овала) многожильного сверхпроводника; 2) структурную неоднородность зерен Cu в матрицe и оболочке, а так же неоднородность состава волокон Nb-Ti в промежуточном слое; 3) особенности дефектов промежуточного слоя в местах обрывов многожильного сверхпроводника.

Работа выполнена при частичной поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 11-08-00237-а.

Литература:

1. Kozlenkova N., Vedernikov G., Shikov A. at all. Study on Ic(T, B) for the Nb-Ti Strand Intended for ITER PF Insert Coil // IEEE Trans. Appl. Supercond. - 2004. - V. 14. - No. 2. - P. 1028-1030.

2. Lee P.J., Larbalestier D.C. Development of nanometer scale structures in composites of Nb-Ti and their effect on the superconducting critical current density // Acta Metall. - 1987. - V. 35. - No. 10. - P. 2523-2536.

3. Черный О.В., Тихинский Г.Ф., Сторожилов Г.Е. и др. Ниобий-титановые сверхпроводники с высокой токонесущей способностью // Сверхпроводимость: Физика, химия, техника. – 1991. - T. 4. - № 8. - С.1617-1623.