Создаем порядок из хаоса

Создаем порядок из хаоса

© М.В.Дегтярев, Л.М. Воронова, Т.И. Чащухина

Высокочистый ниобий является материалом, применяемым для изготовления сверхпроводящих радиочастотных резонаторов в линейных ускорителях. Для получения максимальных характеристик сверхпроводящего резонатора необходимо поддерживать минимально возможный температурный градиент между его поверхностным слоем, выделяющим теплоту, и гелием, который его охлаждает. Поэтому основными факторами, влияющими на параметры ниобиевого резонатора, являются значения термического сопротивления стенки и сопротивления Капицы на границе ниобий-сверхтекучий гелий. Существующие технологии изготовления сверхпроводящих СВЧ резонаторов не позволяют уменьшать сопротивление Капицы без значительного увеличения стоимости прибора. Поэтому снижение термического сопротивления стенок резонатора остается фактически единственным путем его совершенствования. Фононная составляющая теплопроводности сильно зависит от микроструктуры материала. Фонон-дислокационное рассеивание происходит чаще всего на границах зерен. Шероховатость поверхности или нарушение сплошности материала значительно увеличивает локальное поверхностное сопротивление, что приводит к местному перегреву и тепловому пробою. В последнее время усилия ученых и технологов сосредоточены на возможной замене ультра мелкозернистого Nb на очень крупнозернистый или монокристаллический. Монокристаллический Nb имеет потенциальные преимущества, дающие меньшее значение шероховатости поверхности по сравнению с поликристаллическим материалом. Получение листов больших размеров из монокристаллического ниобия является сложной научно-технологической задачей, которая в настоящее время не решена. Выход на поверхность изделия нескольких различно ориентированных даже очень крупных зерен не решает проблему шероховатости. Шероховатость появляется при заключительной электрополировке готового изделия вследствие различной скорости полируемости зерен с разной ориентировкой. Решением проблемы может быть создание в ниобии однородно ориентированной (текстурированной) зеренной структуры, не склонной к образованию дефектов поверхности при заключительной электрополировке. 

Традиционно такой текстурованный материал получают в 2 этапа. В начале создают текстуру деформации, которая затем при нагреве трансформируется в текстуру рекристаллизации (формирование новых зерен одинаковой ориентировки).

Ученые лаборатории прецизионных сплавов и интерметаллидов Института физики металлов имени М.Н. Михеева обнаружили оригинальный способ получения текстурованного состояния в ниобии. Новизна полученных ими результатов заключается в том, что текстура при отжиге создается из полностью бестекстурного деформированного состояния с сильной разориентировкой отдельных кристаллитов. Традиционно используемые в промышленности методы деформации, такие как прокатка, не могут обеспечить необходимую разориентировку кристаллитов. Высокая подвижность дефектов кристаллического строения, которой отличается ниобий, с одной стороны, обеспечивает достижение больших деформаций при комнатной температуре, а при нагреве – высокую скорость развития процессов перестройки структуры, а с другой стороны – препятствует развитию рекристаллизации недостаточно разориентированной структуры.

Успешность проведенного исследования определялась, во-первых, методическими возможностями Института. ИФМ одним из первых в Советском Союзе в начале 80-х годов 20 века внедрил в своей исследовательской практике метод деформации «сдвиг под высоким давлением», позволяющий любые металлы и сплавы подвергать огромным деформациям при комнатной температуре без разрушения. В лабораторных условиях этот метод деформации оказывается удобным и относительно дешевым.

Полученные результаты открывают перспективу разработки новых технологий, включающих поверхностную обработку, позволяющую получить бестекстурное сильно разориентированное состояние в поверхностном слое крупногабаритной заготовки, и последующий нагрев, обеспечивающий преобладающий рост зерен одной ориентации.

Краткая формула