АНАЛИЗ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ТЕРМОЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ
5.1. Основные задачи измерения акустической эмиссии при испытаниях композиционных проводов
В настоящее время в России и за рубежом для изготовления магнитных систем удержания горячей плазмы в термоядерном реакторе используются композиционные многоволоконные сверхпроводники, например, на основе ниобий-титановых сплавов или интерметаллидных соединений со структурой А15 (прежде всего Nb<Sn). Использование соединения NbiSn с критической температурой 18 К и критическим полем 22...23 Тл (тесла) позволяет достигать более высоких магнитных полей при уменьшении габаритов сверхпроводящих магнитов (например, в реакторе, создаваемом по международному проекту ИТЕР). Композиционные сверхпроводники используются для изготовления магнитов ускорителей заряженных частиц и медицинских томографов.
Производство технических сверхпроводников осуществляется по сложной технологии. Исходная сборка, состоящая из бронзовых, ниобиевых и медных элементов, подвергается многократной совместной деформации, в результате чего получается композиционный проводник из тонких нитей (волокон) ниобия в бронзовой (Cu-Sn) матрице. Технологическая схема получения сверхпроводников включает в себя несколько основных операций: изготовление исходных материалов: получение биметаллических Nb-(Cu-Sn) прутков; сборка заготовки, горячее выдавливание многоволоконного прутка; холодная деформация волочением с промежуточными отжигами; скручивание проводника и последующее калибровочное волочение до требуемого размера. Окончательный диффузионный отжиг создаст на Nb-волокнах за счет диффузии Sn из бронзы сверхпроводящее соединение Nb3Sn.
Для обеспечения высокой критической плотности тока I в сверхпроводящем композиционном проводе диаметром 0,15...1,5мм содержится до 50 000 ниобиевых волокон, скрученных вокруг оси. Толщина прослоек бронзы между волокнами составляет 0,5...3 мкм. а сами волокна имеют диаметр 1...Юмкм. Металлическая матрица служит для их механического закрепления и эффективного охлаждения в процессе работы при температуре жидкого гелия (-269 °C). Одной из основных трудностей производства таких сложных композиционных проводников является обеспечение больших пластических деформаций без образования повреждений (трещин). Используемые в качестве материала матрицы бронзы с предельным содержанием олова в твердом растворе (до 13,5 % Sn) позволяют получать в проводниках максимальное количество сверхпроводящего соединения NbiSn. Однако они малопластичны и труднодеформируемы, что увеличивает вероятность образования трещин при деформации.
Предел текучести при растяжении чистого ниобия в отожженной при 550 °C проволоке диаметром 1 мм в 2...3 раза больше, чем у бронзы, а относительное удлинение в 3...4 раза меньше. Объемное содержание Nb в композите (VNb) обычно составляет до 0,24; что является необходимым для получения наилучших значений по критическому току сверхпроводника. Верхний предел объемного содержания Nb в проводниках ограничен максимально допустимым содержанием олова в бронзе. Поэтому более прочные ниобиевые волокна можно рассматривать как армирующие в менее прочной бронзовой матрице. Обычно пластичность такого композита ограничена трещинообразованием на границе «волокно - матрица» из-за нарушения здесь однородности деформации материала.
Управлять пластичностью сплавов, регулируя соотношение и размеры элементов структуры, можно, «конструируя материал», создавая композиты с высокой технологической пластичностью (например, при волочении и скручивании). Такой подход реализован при управлении пластичностью многоволоконных композиционных сверхпроводников для крупных магнитных систем термоядерного реактора, получаемых по «бронзовой» технологии, пластичность которых обычно ограничена потерей устойчивости течения на границе «волокно - матрица». При лабораторных испытаниях изучается взаимосвязь механических свойств при растяжении таких композитов с их конструктивными и технологическими параметрами. Изменение конструктивных параметров композита «бронзовая матрица - волокна ниобия» (диаметр проводника 0,5...1,5 мм: коэффициент заполнения no Nb: VNb=0,12...0,24 и количество волокон 7500...44500) позволило изменять показатель упрочнения при растяжении проводника в пределах n=0,05...0,45. Деформационное упрочнение композиционных проводников этого типа при неизменном составе матрицы и волокон определяется в основном упрочнением бронзовой матрицы.
Способность матричных перемычек к устойчивой пластической деформации и степень упрочнения (показатель n) матрицы при неизменном химическом составе определяются прежде всего их поперечным размером. В переменных магнитных полях поперечные вихревые токи, протекающие по сверхпроводящим волокнам, замыкаясь через металлическую матрицу, приводят к значительным кооперативным потерям энергии. Эффективный способ борьбы с такими потерями - скручивание (твистирование) проводника вокруг оси с шагом твиста волокон меньше критического. Критический шаг твиста - расстояние между соседними витками волокон, на котором замыкаются поперечные вихревые токи. При скручивании все волокна ниобия вне продольной оси провода образуют в пространстве спирали. После z полных оборотов активного захвата машины шаг спирали (шаг твиста) λ=L/z выражали для сравнения проводников с разным диаметром d в единицах πd (рис. 26, а).
Скручивание - одна из технологических операций при производстве сверхпроводящего провода. В процессе скручивания провод подвергается упругопластической деформации кручением, растяжением и изгибом. В качестве меры деформации для сверхпроводящих волокон обычно применяется относительное удлинение, а для композита в целом - угол закручивания и шаг твиста. Минимальные динамические потери в импульсных магнитных системах обеспечиваются при скручивании сверхпроводящего провода с шагом твиста λ <(2...3)πd.
Для получения сильно закрученного вокруг своей оси проводника необходимо обеспечить его большую пластическую деформацию без образования трещин, обрыва волокон или изменения их диаметра по длине провода («сосисочность»). Поэтому требуются исследования механизма потери устойчивости течения и накопления повреждений (трещин и пор) при скручивании и последующем волочении для определения ответственного за данные процессы элемента структуры композиционного материала. Такие исследования проводятся на этапах конструирования и отработки технологии изготовления провода.
Изучение накопления повреждений при скручивании таких сложных композитов в реальном времени стало возможным только после создания аппаратуры и методик измерения акустической эмиссии.
Основные факторы потери устойчивости течения и оценки запаса пластичности композиционных проводников, различающихся конструкцией, определяли совместным анализом диаграмм деформации (при растяжении или кручении), АЭ-диаграмм, металлографическим и фрактографическим анализом. Такой анализ позволяет определить основные этапы пластической деформации и трещинообразования композиционного материала.
5.2. Испытания лабораторных образцов композиционных сверхпроводников с регистрацией акустической эмиссии. Примеры экспериментов
Измерения акустической эмиссии. Разработанная для испытания образцов композиционного провода малогабаритная аппаратура позволяла регистрировать АЭ в широком динамическом диапазоне и включала в себя: комплект широкополосных пьезодатчиков специальной конструкции для крепления на проволочном образце: предварительный усилитель (усиление 32 дБ в диапазоне 0,01...15 МГц), блок аналоговой обработки сигналов (дополнительный усилитель с дискретно изменяемым коэффициентом усиления, электронные фильтры и быстродействующий пиковый детектор). Динамический диапазон регистрации пиковых амплитуд составлял не менее 72 дБ.
Компьютерная измерительная система позволяла контролировать измерение АЭ во время испытания и обрабатывать архивированные сигналы после измерений из внутренних буферов памяти по протоколу обработки, задаваемому оператором в диалоговом режиме.
В данных испытаниях метод акустической эмиссии использовался для определения различных стадий пластической деформации и разрушения композиционного проводника. Кроме АЭ-диаграмм, по которым измерялась пиковая амплитуда АЭ. для анализа кинетики процессов разрушения рассчитывались зависимости суммы амплитуд импульсов акустической эмиссии (на интервалах в 2 с) от деформации образца провода. Диаграммы деформации, как и в других описанных выше экспериментах, совмещались с АЭ-диаграммами по меткам времени.
Металлографические исследования. Структуру композиционного провода изучали на поперечных шлифах на оптическом микроскопе «Неофот-21» при увеличении х800... 1000.
Фрактографические исследования. Макро- и микрофрактографический анализ проводили также на оптическом микроскопе МБС-9 и сканирующих микроскопах Hifachi-SW) и JSM-840 при увеличениях Х30...3000 и на измерительном микроскопе УИМ-21 и микроскопе ПМТ-3.
