Studying the Structure of the Elements of the Cable of Technical Superconductors by Atomic Force Microscopy

S. A. Barannikova; G. V. Shlyakhova; L. B. Zuev

doi:10.17804/2410-9908.2016.1.007-015

S. A. Barannikova, G. V. Shlyakhova, L. B. Zuev

STUDYING THE STRUCTURE OF THE ELEMENTS OF THE CABLE OF TECHNICAL SUPERCONDUCTORS BY ATOMIC FORCE MICROSCOPY

DOI: 10.17804/2410-9908.2016.1.007-015

Microstructural evolution in a superconductive cable made of the Nb+47%Ti alloy and drawn to obtain intermediate reduction from Ø1.3 to Ø1.2 mm is studied by atomic force, optical and electron microscopies. This alloy is used for making current-carrying elements in the magnetic system of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). The aim of the paper is to analyze the effect of cold deformation by drawing on the structure of a Nb-Ti alloy-based multicore superconductor. The microstructures have been examined, as well as the effect they have on the properties of the cold-drawn superconductive Nb-Ti alloy. The micro structural parameters, such as grain and subgrain sizes, phase and chemical homogeneity of the grains, have been determined. Strain localization zones have been revealed in the sites of wire breakage. Changes in the chemical composition of Nb-Ti wires in defect-free breakage zones have been detected. It has been found that a diffusion Nb barrier is formed around the Nb-Ti wire placed in the copper binder.

Keywords: superconductors, defects, microstructure

References:

Ginzburg V.L., Andryushin E.A. Sverkhprovodimost [Superconductivity]. Moscow, Alfa-M Publ., 2006, 110 p. (In Russian).
Shikov A.K., Nikulin A.D., Silaev A.G., Pantsyrnyi V.I., Vedernikov G.P., Dergunova E.A., Potanina L.V., Plashkin E.I., Sudyev S.V. Development of superconductors for the magnetic system of ITER in Russia. Izvestiya VUZov. Tsvetnaya metallurgiya, 2003, no. 1, pp. 36–43. (In Russian).
Kozlenkova Nina I., Vedernikov Gennadi P., Shikov Alexander K., Potanina Ludmila V., Filatov Alexei V., Vorobieva Alexandra E., Pantsyrnyi Viktor I., Gubkin Igor N. Study on I/sub c/(T, B) for the NbTi strand intended for ITER PF insert coil. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2004, vol. 14, no. 2, pp. 1028–1030. DOI: 10.1109/TASC.2004.830385.
Lee P.J., Larbalestier D.C. Development of nanometer scale structures in composites of NbTi and their effect on the superconducting critical current density. Acta Metallurgica, 1987, vol. 35, iss. 10, pp. 2523–2536. DOI: 10.1016/0001-6160(87)90149-0.
Cherny O.V., Tikhinsky G.F., Storozhilov G.E., Lazareva M.B., Kornienko L.A., Andrievskaya N.F., Slezov V.V., Sagalovich V.V., Starodubov Ya.D., Savchenko V.I. Niobiumtitanium superconductors with high current-carrying ability. Sverkhprovodimost. Fizika, khimiya, tekhnika, 1991, vol. 4, no. 8, pp. 1617–1623. (In Russian).
Mironov V.L. Osnovy skaniruyushchei zondovoi mikroskopii [Foundations of Scanning Probe Microscopy]. N. Novgorod, IFM RAN Publ., 2004, 110 p. (In Russian).
Zuev L.B., Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Kolosov S.V. Research of a microstructure of elements of a cable from a superconducting alloy of Nb-Ti. Russian Metallurgy, 2013, vol. 2013, iss. 3, pp. 229–234. DOI: 10.1134/S0036029513030129.
Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Zuev L.B. Studying the fine structure of the elements of technical superconducting cables. Fizika i khimiya obrabotki materialov, 2014, no. 4, p. 80–88. (In Russian).
Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Zuev L.B. Studying the nanostructural elements of the cable of technical Nb-Ti superconductors. Izvestiya VUZov. Chernaya Metallurgiya, 2013, no. 10, pp. 64–67. (In Russian).
Shlyakhova G.V., Barannikova S.A., Zuev L.B. Studying the centers of plastic strain localization in a Nb-Ti-based superconducting cable. Metallofizika i noveishie tekhnologii, 2013, vol. 35, no. 4, pp. 453–465. (In Russian).
Zuev L.B., Zavodchikov S.Y., Poletika T.M., Cheremnykh G.S., Filippov V.B., Belov V.I., Arzhakova V.M., Bocharov O.V., Shikov A.K. Phase composition, structure and plastic deformation localization in Zr1%Nb alloy. In: P. Rudling, B. Kammenzind, eds. Proceedings of the 14th International Symposium on Zirconium in the Nuclear Industry. West Conshohocken, ASTM, 2006, pp. 264–274. DOI: 10.1520/STP37511S.
Zuev L.B., Danilov V.I., Barannikova S.A. Fizika makrolokalizatsii plasticheskogo techeniya [Physics of Plastic Flow Macrolocalization]. Novosibirsk, Nauka Publ., 2008. 327 p. (In Russian).
Zuev L.B., Barannikova S.A. Experimental study of plastic flow macro-scale localization process: pattern, propagation rate, dispersion. International Journal of Mechanical Sciences, 2014, vol. 88, pp. 1–7. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2014.06.012.

С. А. Баранникова, Г. В. Шляхова, Л. Б. Зуев

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЭЛЕМЕНТОВ КАБЕЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ МЕТОДАМИ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Mетодами атомно-силовой, электронной и оптической микроскопии исследована эволюция структуры на промежуточной стадии волочения при переходе Ø1,3→Ø1,2 мм сверхпроводящего кабеля на основе сплава ниобий-титан (Nb+47 % Ti), который используется в качестве токонесущих элементов в магнитной системе Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). Цель работы – анализ влияния холодной деформации волочением на структуру многожильного сверхпроводника на основе сплава Nb-Ti. Исследованы микроструктуры и их влияние на свойства сверхпроводящего сплава Nb-Ti после холодного волочения. Определены такие структурные параметры, как размеры зерен и субзерен. Выявлены зоны локализации пластической деформации в местах обрывов сверхпроводника. Обнаружено изменение формы волокон Nb-Ti в бездефектной области и в зоне разрыва кабеля. Выявлен диффузионный Nb барьер вокруг волокон Nb-Ti, размещенных в медной матрице.

Ключевые слова: Cверхпроводники, дефекты, микроструктура

Библиография:

Гинзбург В. Л., Андрюшин Е. А. Сверхпроводимость. – М. : Альфа-М, 2006. – 110 с. – ISBN 5-98261-088-6.
Разработка сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР в России / А. К. Шиков, А. Д. Никулин, А. Г. Силаев, А. Е. Воробьева, В. И. Панцырный, Г. П. Ведерников, Е. А. Дергунова, Л. В. Потанина, Э. И. Плашкин, С. В. Судьев // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2003. – № 1. – С. 36–43.
Study on I/sub c/(T, B) for the NbTi strand intended for ITER PF insert coil / Nina I. Kozlenkova, Gennadi P. Vedernikov, Alexander K. Shikov, Ludmila V. Potanina, Alexei V. Filatov, Alexandra E. Vorobieva, Viktor I. Pantsyrnyi, Igor N. Gubkin // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2004. – Vol. 14, no. 2. – P. 1028–1030. – DOI: 10.1109/TASC.2004.830385.
Lee P. J., Larbalestier D. C. Development of nanometer scale structures in composites of NbTi and their effect on the superconducting critical current density // Acta Metallurgica. – 1987. – Vol. 35, iss. 10. – P. 2523–2536. – DOI:10.1016/0001-6160(87)90149-0.
Ниобий-титановые сверхпроводники с высокой токонесущей способностью / О. В. Черный, Г. Ф. Тихинский, Г. Е. Сторожилов, М. Б. Лазарева, Л. А. Корниенко, Н. Ф. Андриевская, В. В. Слезов, В. В. Сагалович, Я. Д. Стародубов, В. И. Савченко // Сверхпроводимость. Физика, химия, техника. – 1991. – T. 4, № 8. – С.1617–1623.
Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии: учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – Н. Новгород : ИФМ РАН, 2004. – 110 с. – ISBN 5-948360-34-2.
Research of a microstructure of elements of a cable from a superconducting alloy of Nb-Ti / L. B. Zuev, G. V. Shlyakhova, S. A. Barannikova, S. V. Kolosov // Russian Metallurgy. – 2013. – Vol. 2013, iss. 3. – P. 229–234. – DOI: 10.1134/S0036029513030129.
Шляхова Г. В., Баранникова С. А., Зуев Л. Б. Исследование тонкой структуры элемен[1]тов кабеля технических сверхпроводников // Физика и химия обработки материалов. – 2014. – № 4. – С. 80–88. – ISSN 0015-3214.
Шляхова Г. В., Баранникова С. А., Зуев Л. Б. Исследование наноструктурных элементов кабеля технических сверхпроводников Nb-Ti // Известия Вузов. Черная металлургия. – 2013. – № 10. – С. 64–67. – ISSN 0368-0797.
Шляхова Г. В., Баранникова С. А., Зуев Л. Б. Исследование очагов локализации пластической деформации сверхпроводящего кабеля на основе сплава Nb-Ti // еталлофизикa и новейшие технологии. – 2013. – Т. 35, № 4. – С. 453–465. – ISSN 1024-1809.
Phase composition, structure and plastic deformation localization in Zr-1%Nb alloy / L. B. Zuev, S. Y. Zavodchikov, T. M. Poletika, G. S. Cheremnykh, V. B. Filippov, V. I. Belov, V. M. Arzhakova, O. V. Bocharov, A. K. Shikov // Zirconium in the Nuclear Industry: proc. 14th Int. Symposium / Ed. by P. Rudling, B. Kammenzind. – West Conshohocken : ASTM. – 2006. – P. 264–274. – DOI: 10.1520/STP37511S.
Зуев Л. Б., Данилов В. И., Баранникова С. А. Физика макролокализации пластического течения. – Новосибирск : Наука, 2008. – 327 с. – ISBN 978-5-02-023223-5.
Zuev L. B., Barannikova S. A. Experimental study of plastic flow macro-scale localization process: pattern, propagation rate, dispersion // International Journal of Mechanical Sciences. – 2014. – Vol. 88. – P. 1–7. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2014.06.012.

Библиографическая ссылка на статью

Barannikova S. A., Shlyakhova G. V., Zuev L. B. Studying the Structure of the Elements of the Cable of Technical Superconductors by Atomic Force Microscopy // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2016. - Iss. 1. - P. 7-15. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2016.1.007-015. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_75.html
(accessed: 06.04.2025).