ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЭЛЕМЕНТОВ СВЕРХПРОВОДНИКОВ
, ,
ИФПМ СО РАН, г. Томск, Россия
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. Токонесущая способность сверхпроводника зависит от его микроструктуры, то есть, формы, размеров и объемного содержания частиц, выделившихся при распаде твердого раствора. Выделения частиц несверхпроводящей фазы a-Ti служат наиболее эффективными центрами пиннинга в ниобий-титановых проволоках. Вместе с тем значительный вклад в формирование сверхпроводящих характеристик сплавов на основе Nb вносят нанофазы с повышенным содержанием этого элемента [1-2]. По этим причинам при разработке технологического процесса необходим учет накопления поврежденности (дефектности) структуры сверхпроводниковой композиционной заготовки на каждом этапе пластического деформирования. 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. На этом этапе необходимо обеспечить безобрывность процесса и заданную плотность микродефектов, контролирующих образование центров пиннинга, уже при производстве проводов.
В настоящей работе представлены результаты исследований структуры многожильного сверхпроводника на основе сплава Nb-47,5 мас.%Ti при деформации волочением 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 (рис. 1). Однако, размеры зерен и зубзерен медной оболочки и сердечника на оптическом микроскопе определить не удалось из-за малых размеров структурных элементов.
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 применяли (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 (рис. 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 (рис. 2 б). 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. Однако 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. Небольшие тёмные участки, не заполненные зернами, свидетельствуют о больших пластических деформациях при деформации волочением, в результате которых медь «выдавливается» из сердечника. В то же самое время средний размер зерен меди в оболочке проводника составил ~1050 нм. Наблюдается сильная неоднородность в структуре зерен, так максимальный размер зерна равен ~2120 нм, а минимальный размер зерна ~310 нм. «Пустоты» в этом случае практически отсутствуют. Между волокнами в матрице медь представлена равноосными зернами преимущественно сферической формы со средним размером 800 нм (рис. 3).
Топография поперечного сечения в месте обрыва проводника показала, что в зоне обрыва в области, прилегающей к сердечнику, волокно Nb-Ti «расщепилось» на несколько мелких областей, в результате чего близлежащие волокна стянулись в одну зону локализации деформации. В месте обрыва проводника в матрице промежуточного слоя между волокнами средний размер зерна меди составил 900 нм.
По результатам статистической обработки, средний размер зерна меди в матрице оказался сопоставим с размером зерна меди в месте обрыва проводника.
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.
В основе подходов, используемых традиционно при анализе ресурса пластичности технических сверхпроводников на основе сплава Nb-Ti [3], лежит представление о равномерности и однородности пластической деформации, о макромасштабной локализации непосредственно перед разрушением, что далеко не соответствует действительности. Современные экспериментальные данные о природе пластической деформации показывают, что ей присуща неоднородность с самого начала деформирования, которая может приводить к раннему формированию одного или нескольких устойчивых очагов локализации. Предпринятые в последнее время детальные исследования макролокализации деформации позволили установить однозначное соответствие между законом пластического течения на данном участке деформационной кривой и типом пространственно-временного распределения компонент тензора пластической дисторсии. Эти факты должны приниматься во внимание при разработке технологии холодной деформации волочением до получения сверхпроводника требуемых размеров.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований по проекту -а.
Литература
1. , Андрюшин . М.: Альфа-М, 20с.
2. , , и др. Разработка сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР в России // Известия Вузов. Цветная металлургия№ 1. - С. 36-43.
3. , , и др. Изучение деформированного состояния при разнонаправленной обработке Nb-Ti-сплава // Вопр. атом. науки и техн. Сер. «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники»№ 14. - C. 136-139.
