Brevet FR2010116A1 — publié le 19700213

La présente invention «. pour objets une épissure supraconductrice à champ élevé pour fil composite supraconducteur et un procédé pour la réaliser- . Jusqu'à présent, les épissures."; supraconductrIces à champ 5 élevé ont servi à relier des fils d'alliage supraconducteurs à champ élevé .On obtient de telles épissures aisément en soudant par points les extrémités découvertes du fil d'alliage supraconducteur .Cependant, cette technique de soudage par points ne peut servir pour obteplr des épissures supraconductrlces à champ .0 élevé pour les fils composites supraconducteurs à champ élevé quand ces fils comprennent une couche supraconductrice liée à un substrat formé (ï^ûn fil à bas point de fusion .Cette classe de supraconducteuusccQçpoâltes à champ élevé, comme Nby3n,V~Ga et VjSi est caractérisée par sa dureté et sa fragilité et sa 15 grande réactivité avec l'oxygène de l'atmosphère qui donne des couches d'oxyde Isolant .Des tentatives ont été faites en vue d'obtenir des épissures supraconductrlces à champ élevé entre de tels supraconducteurs composites, par exemple par soudage pas ultra-sons, soudage à froid et en appliquant une mince cou-20 che de soudure supraconductrice à bas point de fusion entre les parties du fil supraconducteur à relier . Tous ces essais en vue d'obtenir une épissure supraconductrice à champ élevé sont restés sans succès . L'usage de matières de soudure supraconductrlces à bas point de fusion, comme l'indium, le plomb ou 25 l'étaln, donne une résistance très faible sans assurer une jonction supraconductrice entre les deux fils supraconducteurs à relier, parce que ces métaux servant de soudure sont caractérisés par un champ critique peu élevé, ce qui rend une telle jonction irtutîûofeSftftepour assurer des liaisons sur un fil de bobinage 50 supraconducteur à champ élevé ou pour des applications qui nécessitent la présence de la jonction dans une région où l'intensité du champ magnétique est relativement élevée . De façon particulière, on prend soin de placer ces épissures ou jonctions . îiLors du champ principal de l'aimant et dans la zone de 35 bordure de faible Intensité du champ de l'aimant .Toutefois;, dans cette zone, le champ d'aimants à champ élevé peut atteindre une valeur de l'ordre de vingt kilogauss ce qui, comme II a été dit plus haut, est très supérieur à l'intensité critique de champ pour des supraconducteurs à bas point de fusion de type X ,comme 40 l'indium , le plomb ou l'étaln . 69 18319 2 2010116 Il est nécessaire de réaliser des épissures supraconductri- ces à champ élevé dans' la fabrication de solénoïdes supraconducteurs à champ extrêmement élevé destinés à fonctionner dans le mode persistant où l'on-relie ensemble les extrémités du solé-5 noïde au moyen d'un shunt supraconducteur tel que les courants de supraconductivité puissent continuer à circuler sans perte dans le circuit fermé du solénoïde .Ces solénoïdes sont classiquement construits avec du fil d'alliage supraconducteur à champ élevé Nb-2r , les extrémités du fil du solénoïde étant soudées par 10 points ensemble pour former une jonction supraconductrice et les champs produits atteignant 60 kilogauss dans le mode persistant. Cependant, il est souhaitable de pouvoir utiliser un fil composite supraconducteur à champ élevé comme NbySn , qui peut produire un champ magnétique supérieur à 100 kilogauss dans le mode 15 persistant , à condition toutefois de pouvoir réaliser une épissure supraconductrice à champ élevé convenable . On a réalisé des solénoïdes supraconducteurs à circuit fermé à l'aide de Nb^Sn . Par exemple, un solénoïde de cë genre ast décrit dans un article intitulé "Inductive Behavior of Sup«reoïi-20 ducting Magnets" ( Journal of Applied" Physlcs, vol.^jN0 11B Novembre 1963 , pages 3226-3237 ) .Cependant, ce 3olénoïde à boucle fermée construit antérieurement n'a pas été réalisé avac un fil composite supraconducteur daçs le sens que ce fil n'est pps un supraconducteur composite, capable de présenter une ■5 supraconductivité à champ élevé avant de subir une"réaction finale à température élevée qùîa-.lieu après bobinage du solénoïde». Plus particulièrement, le fil employé dans ce solénoïde antérieur est un manchon de niobium renfermant un mélange de poudres de niobium et d'état%. «.Ainsi, dans cet état, le fil n'est pas 30 un supraconducteur composé » Une épissure a été faite an plaçant les deux extrémités libres du manchon ou de la gaine de niobium renfermant le mélange en poudre dans un récipient de niobium rempli d'un mélange de poudres de niobium et d'étain „L'ensemble du solénoïde a été ensuite traité de manière à transformer .le 35 mélange de poudres contenu dans la gaine et la jonction de niobium en . Bien qu'on puisse employer un tel procédé pour fabriquer un solénoïde supraconducteur à base de niobium et d'étain capable de fonctionner, dans le mode persistant, la technique qui consiste à traiter le solénoïde en place pour conver-40 tir les poudres qui le constituent en matériau supraconducteur BAD ORIGINAL 69 18319 5 2010116 est absolument impraticable pour fabriquer des solénoïdes à champ élevé . En conséquence, le besoin s'est fait sentir d'une épissure supraconductrice à champ élevé pour relier des fils composlt e.s. 5 supraconducteurs à champ élevé . L'invention vise principalement une épissure supraconductrice à champ élevé pour un fil composite supraconducteur ainsi qu'un procédé pour réaliser cette épissure . Dans le procédé selon l'invention pour réaliser une épissure 10 supraconductrice entre deux fils composites supraconducteurs à champ élevé, on comprime des poudres d'éléments constituants d'un supraconducteur composite à chanp élevé entre les surfaces libres des couches supraconductdces et, autour d'elles, sur les deux parties de fil supraconducteur destinées à être raccordées, les 15 poudres comprimées étant ensuite traitées sur place à haute température entre les deux parties de fil pour réagir en donnant un pont composite supraconducteur à champ élevé entre les deux fils supraconducteurs, réalisant ainsi une épissure supraconductrice à champ élevé . 20 Suivant une autre caractéristique, le fil supraconducteur à champ élevé est en Nb^Sn et les poudres que l'on comprime et fait réagir sont des poudres de Nb et Sn. Suivant une autre caractéristique, la poudre de Sn constitue 4 à 16% en poids de la poudre comprimée et la réaction entre les 25 poudres se fait à une température comprise entre 930°C et 1000°C ' dans une atmosphère Inerte . L'invention a aussi pour objet une épissure supraconductrice à champ élevé réalisée par le procédé ci-dessus . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî-30 tront dans la description qui va suivre . Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple : la Fig.l est une vue en perspective d'une épissure supraconductrice à champ &Levé réalisée suivant l'invention ; la Fig.2 est une vue en coupe agrandie de l'ensemble repré-55 senté sur la Fig.l , suivant la ligne 2-2 dans la direction des flèches ; la Flg.3 est une vue détaillée agrandie d'une partie de l'ensemble représenté sur la Fig.2, définie par la ligne 3-3 et Illustrant la composition en poudre avant la réaction à haute tempé-40 rature ; 69 18319 4 2010116 " - •: ■ '"5 la Fig.4 est une vue analogue à celle de la Flg.3 représentant la composition en poudre après la réaction à haute température . Sur la Fig.l est représentée une épissure supraconductrice 5 à champ élevé 1, destinée à établir , un pont entre deux supraconducteurs composites à champ élevé . Cette épissure ou jonction 1 comprend un bloc 2 de matériau divisé formant un élément composite supraconducteur à champ élevé rendu compact par fusion et soudé aux éléments 3 et 4 de fil composite supraconducteur à champ élevé 10 qui sont noyés dans le bloc 2. Ce bloc supraconducteur à champ élevé 2 forme une jonction supraconductrice à champ élevé entre les deux éléments de fil 3 et 4. Dfens cette description, le terme de matériau " à champ élevé" désigne un matériau supraconducteur ayant une Intensité critique 15 de champ magnétique supérieure à 20 à 4,2°K . De mê me, lie terme supraconducteur composite ou composé, désigne un matériau supraconducteur qui est essentiellement un composé par opposition à un alliage . Comme exemples de supraconducteurs composites, on peut citer Nb^Sn , Vyîa et TE^SI , des alliages é^a.\ 20 tant au contraire du type Nb-Zr et Bo-Re . L'épissure ou jonction supraconductrice suivant l'invention est décrite cl-après en détail, ainsi que le procédé permettant de la réaliser en se référant maintenant aux-Fig.2,3 et 4 .Les deux portions 3 et 4 de fil supraconducteur destinéesà être re- 25 liées peuvent avoir une forme et une géométrie très variables . Par exemple II peut s'agit des extrémités de deux fils de section circulaire ou, comme dans le cas représenté, des extrémités d'un fil supraconducteur en forme de ruban .Des conducteurs en forme de ruban de ce type conviennent particulièrement pour bo-j)0 biner des solénoïdes supraconducteurs à champ extrêmement élevé. Dans le cas particulier illustré le ruban supraconducteur comporte un substrat en forme de ruban 5, par exemple en alliage molybdène-nickel , ayant un point de fusion de 1320°C et fourni dans le commerce par la firme Haynes Stellite Co ; de Kohomo, 35 Indiana ,Etats-Unis d'Amérique sous le nom de Hastelloy Alloy B. Dans un exemple particulier, le ruban 5 a une épaisseur de 0,05mm et une largeur de 2,3 mm. Une mince couche 6 de matériau supraconducteur à champ élevé est formée sur le ruban-substrat 5 • 9e matériau supraconducteur peut êfere choisi parmi divers maté-4$ rlaux, comme Nb^tr déposé sous une de 0,0076 mm sur 69 18319 5 2010116 le ruban 5. Une couche superficielle 7 de métal non supraconducteur , tel que l'argent ou le cuivre, forma une gaine conductrice recouvrant la couche supraconductrice 6. De préférence, la gaine conductrice 7 a une bonne conductivlté" thermique aussi bien 5 qu'électrique, et elle est déposée dans le cas de l'argent avec une épaisseur de 0,013 mm sur la couche suprac onductrice 6. Dans Ja partie où est établie la jonction 1, 1Ê couche d'argent 7 est enlevée des extrémités des parties de fil supraconducteur , 3 et 4 destinées à être relléeSj, la couche supraconductrice 10 6 étant dénudée, dans la zone de la jonction, de façon qu'un contact électrique Intime puisse s'établir dans la couche supraconductrice 6. Sn réalisant l'épissure 1, on fait chevaucher - les extrémités libres des parties 3 et 4 de 19 mm., en les tenant espacés de 0,4 mm environ dans la cavité d'un moule rempli d'un 15 matériau en poudre contenant les éléments constituants d'un supraconducteur oomposé à champ élevé .Par exemple2 quand on joint deux couches supraconductrlces 6 de Nb^Sn, 1® meals est rempli de poudres de Nb et Sn Intimement mélangées s la dimension des particules étant de préférence Inférieure à celles passant 20 au tamis de 0,0^4 mm d'ouverture .Dans le cas des poudres de niobium et d'étain , le mélange de poudres contient entre 4 et 16# en poids d'étain et, de préférence, 8$ en poids d'étain . Une fois que lës parties de fil supraconducteur.. 3 et 4 ont été noyées dans le mélangé de poudres, on amène ces poudres 25 et les couches supraconductrlces 6 en contact Intime en soumettant le moule contenant les poudres et les fils .. 3 et 4 à une compression dans une presse hydraulique .Ds préférences cette opération de compression de poudre se fait sous une pression £ comprise entre 700 et 1400 kg/cm . Au cours de cette opération, 30 les particules des poudres s'unissent mécaniquement pour former un bloc 2 diun mSme matériau formé d'un assemblage de particules dont la résistance mécanique est suffisante pour qu'on puisse retirer le bloc du moule et qu'il conserve sa forme obteçsue lors de la compression . Bous cette forme, le bloc 2 peut supporter ub 35 minimum de manipulation nécessaire dagts le transport de' l'lépissure 1 jusqu'au four . Dans cet état compact, avant tout autre traitement* une zone de lc.éplssure comprise entre les parties de fil supraconducteur 3 et 4 est représentéede façon plus détaillée sur la Fig«3. 40 D'une manière plus spécifique le mélange des poudres de niobium BAD ORIGINAL r« 6 20101 16 69 18319 6 et d'étain est en contact Intime avec une mince coucha L'épissure 1 est ensuite placée dans un four, sous atmosphère de gaz inertes somme l'hélium, et II se produit un® réaction à hqute température qui forme un pont supr ac ond uc t oiât entr® 15 les couches 6 . D'une façon plus spécifique , dans 1® cas des poudres de niobium et d*étala, l'épissure est chauffée à une température supérieure à 93Q°G, de préférence entre 950 et 960°C pendant trois minutes environ pour former le matériau supraconducteur à champ élevé, Nb^Sn eh l'occurrence, qui établir un pont 20 supraconducteur entre les deua: couches 6. On peut suppop©E3que l'étaln qui a un point de fusion relativement bas, réagit avao la couche d8oxyde 8 pour décomposer la couche isolante 8 et que* par ailleurs l'étaln diffuse dans les particules de niobium et \ réagit pour former Nb^Sn à 1"extérieur de toutes les particules 23 de niobium en contact intime et pour constituer un contact intime de Nb-jSn à l'interface avec les couches supraconductrlces 6. Il en résulte la formation d!un pont décomposé Nb^Sn supraconducteur à champ élevé entre les deux couches supraconductrlces 6 de Nb_Sn .Ce pont conserve sa structure particulaire telle 30 QS® représentée sur 1&: J?igo4 . Une bobine de solénoïde faîte avec le ruban de Mb^Sn décrit précédemment dont les extrémités sont reliées entre elles par l'épissure 1 a été essayée avec succès dans le mode persistant pour produire des champs magnétiques supérieurs à 17 kiio-35 gauss , avec un courant de 69,9 Ampères . Aucune altération &u champ magnétique n'a été observée dépassant plus ou moins 0,195 parties par million par heure, ce qui indique bien que lBépissure 1 est réellement supraeonductrice et convient pour la production de champs magnétiques de haute îfrtehsité extrêmement stables. 40 L'épissure supraconductrice à structure divisée et traitée PAO ORIGINAL 6f 18319 7 2010116 thermiquement suivant la description cl-dessus peut être utilisée de la même manière oour relier d'autres types de couches composées supraconductrlces à champ élevé 6, comme des couches de V-jGa et VySl . Le pànt composé supraconducteur à champ élevé établi entre deux couches 6 pe^t être obtenu avec d'autres composés supraconducteurs, comme V^Ga ou V^Si , en le formant de manière analogue entre les deux parties supraconductrlces à relier. D'une façon plus spécifique, les poudres contenant les éléments constituants d'un composé supraconducteur à champ élevé sont .com-10 primées dans l'espace séparant les deux parties supraconductrlces à relier 3 et 4 . On fait réagir les poudres comprimées à haute température dans une atmosphère inerte pour former le matériau supraconducteur en place entre les deux parties J> et 4 à relier . 69 18319 8 2010116 keveedications 1-Eplssure supraconductrice, servant à relier deux parties de matériau composite supraconducteur à champ élevé et comprenant un preçrïét et un deuxième éléments composites supraconducteurs 5 à champ élevé séparés par un certain intervalle dans la zone où doit être établie l'épissure, caractérisée par un élément formant une épissure supraconductrice . entre les deux éléments supraconducteurs séparés, cette épissure comportant un corps ou bloc supraconducteur qui constitue un pont entre les premier et 10 deuxième éléments supraconducteurs et est fo&mé -d'un matériau,-à structure partlculalre rendu homogène par fuslofton et soudé par fusion aux deux- éléments supraconducteurs pour réaliser une é-plssure supraconductrice entre eux . 2-Epissure suivant la revendication 1, caractérisée en ce 15 que le premier et le second éléments à relier compr#nftent -un substrat recouvert d'une couche du matériau composite supraconducteur à champ élevé . 5-Epissure suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le corps supraconducteur est un bloc de matériau formé de 20 particules dans lequel sont noyées la première et la seconde parties supraconductrlces à relier . 4-Epissure suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau supraconducteur ainsi que le matériau à structure partlculalre sont tous deux Nb^Sn . 25 5-Epissure suivant la revendication 1, caractérisée en .ce que le bloc à structure partlculalre est constitué de^nêmes éléments que les éléments constituantsdes parties supraconductrlces composites à champ élevé à relier . 6-Procçdé pour ré&liser uneé£i®5$0?e supraconductrice entre 50 deux parties de matériau composite supraconducteur à champ élé- vé , caractérisé en ce que l'on dispose une couche de matériau à structure partlculalre entre les surfaces libres de deux éléments composites supraconducteurs à champ élevé destinés à être reliés, cette couche prise ainsi en sandwich renfermant les élé-55 ments constituants d'un composé supraconducteur à champ élevé, on comprime le matériau à structure partlculalre pour l'amener en contact intime avec les deux éléments à relier, et on chauffé le matériau comprimé, sur place entre ces deux parties, pour former entre elles une épissure composite supraconductrice;à 40 champ élevé . 69 18319 9 2010116 7-Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau comprimé à structure partlculalre contient les mêmes éléments constituants que les éléments constituants de la partie composite supraconductrice à champ élevé à laquelle II doit être 5 relié . 8-Procédé suivant la revendication J, caractérisé en ce que le matériau composite supraconducteur à champ élevé de l'élément à relier est Nb-^Sn et le matériau à structure partlculalre destiné à être comprimé et traité thermlquement est formé de par- 10 ticules de Nb et Sn . 9-Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les particules de Sn renferment entre 4# et lS% en poids dn matériau fuswàné de particules comprimées de Nb et Sn. 10-Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce 15 que les particules comprimées de Nb et Sn sont chauffées à une température comprise entre 900°C et 1000°C . 11-Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les particules de Nb et Sn sont comprimées ensemble en une masse compacte et en contact intime avec le Nb^Sn se trouvant 20 sur les parties à relier, sous une pression de l'ordre de 700 à 1400 kg/cm2 .