Разработка научных основ технологии производства длинномерных композиционных сверхпроводящих материалов для магнитных систем

Актуальность Производство качественной и конкурентоспособной продукции, соответствующей по технико-экономическим показателям лучшим мировым образцам — важнейшая задача деятельности промышленных предприятий на современном этапе. Значительная роль в решении этой задачи отводится разработке и внедрению наукоемких технологических процессов.

К таким процессам относятся сверхпроводниковые технологиитехнологии, связанные с использованием явления сверхпроводимости. Характерным для сверхпроводников является нулевое электрическое сопротивление при температурах ниже критических величин, для низкотемпературных сверхпроводников — это температуры жидкого гелия.

Достижение в сверхпроводниках повышенного комплекса свойств реализовано путем эффективного использования наноструктурного состояния компонентов композиционных проводников [1]. В ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. академика А. А. Бочвара (г. Москва) (ВНИИНМ) разработаны, защищенные патентами РФ, уникальные технологии деформирования и термообработки многокомпонентных (Та, Nb, NbTi, Си, Cu-Sn), композиционных материалов, содержащих десятки тысяч микронного размера сверхпроводящих волокон с размерами зеренной структуры менее 50 нм, что обеспечило почти двукратное увеличение эксплуатационных свойств в технических сверхпроводниках [2].

Область практического применения сверхпроводников с каждым годом непрерывно расширяется. Низкотемпературные сверхпроводники (NbTi NbsSn) применяются в энергетике (магнитные системы термоядерных установок, накопители электроэнергии), транспорте, электротехнике, медицине (томографы), науке (магниты ускорителей, спектрометры и др). Сверхпроводники выпускаются в виде длинномерных (до 16 км) проводов и лент, позволяющих изготавливать крупномасштабные изделия различного назначения — такие как криодвигатели, медицинские диагностические томографы, кабели для мощных линий электропередач, трансформаторы, токоограничители, накопители электроэнергии, магнитные системы установок термоядерного синтеза и ускорительной техники и др.

На основе сверхпроводников изготовляются сверхпроводящие магниты, обмотка которых изготовлена из сверхпроводника. Расчет показывает, что для создания магнитного поля напряженностью 8−106 А/м (~105 Э) в соленоиде диаметром до 1 м сверхпроводящие магниты требуют в 104 раз меньшую мощность, чем обычные электромагниты. В настоящее время на основе интерметаллида NbsSn созданы сверхпроводящие магниты, позволяющие получать поля до ~ 6−106 А/м (-7- 104 Э).

Общемировой объем выпуска разного рода сверхпроводников в настоящее время составляет 1800−2000 тонн в год, причем на долю низкотемпературных сверхпроводников на основе Nb-Ti сплава приходится более 80% (в основном для ЯМР-томографов). По оценочному прогнозу к 2010 году рынок НТСП составит около 3000 т/год (3650 млн долл. США), а рынок ВТСП возрастет с 50 млн долл. США до 1600 млн долл. к 2003 г. -более, чем в 30 раз [1].

По оценкам всемирного банка к 2020 г. рынок электротехнических устройств, основанных на использовании явления сверхпроводимости, составит 244 млрд долл. США — за 20 лет возрастет более, чем на два порядка [1].

В настоящее время Российские компании совместно с рядом зарубежных фирм участвуют в подготовке и реализации выпуска сверхпроводников для сверхпроводящей магнитной системы международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), общее количество которых составляет свыше 700 тн.

Следует отметить, что опытно-промышленное производство сверхпроводников на основе NbsSn и сплава Nb-Ti для ИТЭР освоено в лабораторных условиях в ФГУП ВНИИНМ [3]. Создание промышленного производства ведется в настоящее время на базе ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов, Удмуртия). Цель работы.

Целью работы является исследование особенностей пластического деформирования, создание и совершенствование основных операций промышленной технологии производства длинномерных композиционных сверхпроводниковых материалов для Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР):

1. Разработка теоретических основ технологии производства длинномерных сверхпроводниковых композиционных материалов при многопроходном деформировании.

2. Исследование напряженного и деформированного состояния при пластической деформации композиционных заготовок.

3. Расчет параметров технологического инструмента, обеспечивающих создание улучшенного (смешанного) режима трения при производстве сверхпроводниковых длинномерных изделий.

4. Оптимизация параметров деформирующего инструмента в зависимости от технологических, технических и экономических условий.

Научная новизна работы.

Создана структурно-феноменологическая модель, учитывающая особенности физико-механических характеристик составляющих компонентов и пластического деформирования сверхпроводниковой заготовки, как многокомпонентной системы, включающей сердечник с хрупкими волокнами на основе сплава NbTi и соединения Nb, а также токостабилизирующую медную оболочку;

Выполнено теоретическое обоснование инженерных основ технологии производства длинномерных сверхпроводящих композитных изделий для международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), реализуемого в ОАО «Чепецкий механический завод" — созданы теоретические основы производства многопереходным деформированием сверхпроводниковых материалов с учетом особенностей деформирования элементов биметаллической заготовки: сердечника и оболочки. Практическая значимость.

Созданы основы технологии многопроходного деформирования при производстве длинномерных композиционных сверхпроводников для магнитных систем международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). В работе предложена и реализована методика проектирования маршрута многопереходного деформирования, обоснованы оптимальные вытяжка и углы наклона образующей технологического инструмента. Определены предельные режимы многопереходного деформирования.

Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований 2006~2008гг. (проект № 06−08−47), научно-исследовательской работы по заданию Министерства образования и науки «Разработка теории и основ пластического деформирования анизотропных неоднородных сверхпроводящих материалов применительно к технологиям получения непрерывных сверхпроводящих кабелей», а также по договорам с предприятием ОАО «Чепецкий механический завод» (г.Глазов, Удмуртия) и Всероссийским научно-исследовательским институтом неорганических материалов (ВНИИНМ) им. академика А. А. Бочвара (г. Москва).

Реализация работы.

Разработанные методики используются при отработке технологии изготовления сверхпроводников в условиях производства ОАО «Чепецкий механический завод», при выполнении дипломных и курсовых работ на кафедре «Динамика и прочность машин» Пермского государственного технического университета.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

— Всероссийской конференции «Зимняя школа по механике сплошных сред (XIV)», 2005, г. Пермь;

— Российской конференции «Актуальные проблемы механики сплошных сред"-2005, г. Екатеринбург;

— Всероссийской конференции «Информации, инновации, инвестиции» -2005, г. Пермь;

— Международной научно-методической конференции, посвященной 90-летию высшего математического образования «Актуальные проблемы математики, механики, информатики"-2006, г. Пермь;

— Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии"-2006, г. Пермь;

— Всероссийской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Прикладная математика и механика"-2007, г. Пермь;

— Всероссийской конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций"-2007, г. Екатеринбург;

— Всероссийской конференции молодых ученых с международным участием «Неравновесные процессы в сплошных средах"-2007, г. Пермь;

— Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» — 2008, г. Пермь.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста.

Список литературы

включает 91 наименований литературных источников.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. Определены минимальные значения коэффициентов разовых вытяжек на конечной стадии производства сверхпроводниковых изделий, обеспечивающих пластическую деформацию по всему сечению изделий.

2. Из условия прочности сверхпроводящих волокон центральной части изделий определены предельные значения разовых вытяжек при многократном деформировании.

3. Выполнены соответствующие технологические расчеты для сверхпроводящих волокон из ниобия и сплава Nb-Ti, показано влияние коэффициентов трения на величину предельных значений вытяжки.

4. Показано, что реализация условий улучшенного трения обеспечивает более высокую надежность процесса деформирования с позиций прочности сверхпроводящих волокон.

5. Предложена методика расчета параметров кручения при твистировании сверхпроводящей заготовки на заключительной стадии производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Актуальной проблемой мировой практики является разработка крупномасштабных магнитных систем на сверхпроводниках для установок термоядерного синтеза, в частности, международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР).

2. Создана структур но-феноменологическая модель, учитывающая особенности физико-механических характеристик составляющих компонентов и пластического деформирования сверхпроводниковой заготовки, как многокомпонентной системы, включающей сердечник с хрупкими волокнами на основе сплава NbTi и соединения Nb, а также токостабилизирующую медную оболочку.

3. Выполнено теоретическое обоснование инженерных основ технологии производства длинномерных сверхпроводящих композитных изделий для международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), реализуемого в ОАО «Чепецкий механический завод».

4. Создание теоретических основ технологии производства сверхпроводниковых материалов предполагает исследование особенностей деформирования сердечника, состоящего из большого количества сверхпроводящих волокон в бронзовой матрице, и медной оболочки, разделенных диффузионным барьером.

5. Предложены технологические маршруты многократного волочения для производства многоволоконных сверхпроводниковых прутковых изделий на основе ниобия и оловянной бронзы в медной оболочке и сплава Nb-Ti в медной матрице.

6. Определена степень деформации по проходам многократного волочения, учитывающая дополнительную сдвиговую деформацию при входе в волочильный инструмент и на выходе из него. Знание степени деформации позволяет определить деформационный разогрев компонентов сверхпроводниковой заготовки. Предложен критерий сохранения сплошности композиционной заготовки с учетом термоупругого состояния, сердечника и оболочки.

7. Определена нагнетающая способность напорных трубок-насадок и смазочного конуса рабочей волоки для ньютоновской смазки, зависимость вязкости которой от давления представлена в форме двух членов разложения в ряд Тейлора экспоненциальной зависимости динамической вязкости от давления.

8. С целью обеспечения высокого качества поверхности сверхпроводниковых изделий предложено использование волочения в улучшенном (смешанном) режиме трения. Предложена зависимость для определения коэффициента смешанного трения по величине толщины слоя смазки в начале зоны деформации.

9. Создана методика определения оптимальных углов конусности технологического инструмента, обеспечивающих минимальные значения напряжения волочения и энергозатраты при производстве сверхпроводников. Методика положена в основу патента РФ на изобретение «Способ волочения изделий».

Ю.Определены минимальные значения коэффициентов разовых вытяжек на конечной стадии производства сверхпроводниковых изделий, обеспечивающих пластическую деформацию по всему сечению изделий. Из условия прочности сверхпроводящих волокон центральной части изделий определены предельные значения разовых вытяжек при многократном деформировании.

11.Созданы теоретические основы процесса волочения при производстве сверхпроводниковых композиционных материалов для международного термоядерного экспериментального реактора.