Brevet FR2133717A1 — publié le 19721201

La présente invention concerne des objets composites et leur procédé de fabrication. la présente invention concerne un objet composite comprenant plusieurs filaments longitudinaux d'un premier métal non ferro-5 magnétique ayant une résistivité électrique à 0°G inférieure à 3 micro-ohms par centimètre, chaque filament étant séparé des autres par une couche d'un second métal de résistivité électrique supérieure, les filaments étant liés métallurgiquement à leurs couches adjacentes de métal et les couches adjacentes de métal 10 des filaments adjacents étant liées métallurgiquement les unes aux autres. L'objet composite peut être sous la forme d'un tube dont la-paroi peut être formée par les filaments longitudinaux et les couches du second métal. La paroi peut être formée de .15 segments alternés des premier et second métaux. En variante, la paroi peut être formée par plusieurs filaments du premier métal dans une gangue du second métal. La face interne et/ou la face externe de la paroi peuvent être recouvertes d'un métal de plus grande résistivité 20 électrique, de préférence le second métal, qui est lié métallurgiquement à la paroi du tube. Le métal ayant une plus grande résistivité électrique peut être un métal non ferro-magnétique. Le métal, de plus grande résistivité électrique constitue 25 avantageusement moins de 50 i<> en poids de l'objet composite et de préférence ce pourcentage est inférieur à. 10 i<>. Il est également préférable que la résistivité du métal de plus grande résistivité soit au moins 10 fois, de préférence au moins 40 fois supérieure à celle du métal de plus faible résis-30 tivité. Ces proportions sont déterminées à la température ambiante, de sorte que si l'objet composite est utilisé à des températures très basses, par exemple lorsqu'il est refroidi par l'azote liquide ou l'hélium liquide, la différence entre les résistivités des métaux peut être encore plus grande. Dans un tel milieu froid, 35 la résistivité du métal de plus grande résistivité est de préférence au moins 2000 fois supérieure à celle du métal de faible résistivité. 72 13116 2 2133717 L'objet composite peut être retordu le long d'un axe longitudinal de sorte qu'à l'exception d'un filament central, chaque filament suit une trajectoire hélicoïdale. Il est encore préférable que le métal de faible conduc-5 tivité électrique soit le cuivre et que le métal de plus forte résistivité soit un alliage de cuivre avec 2 à 30 % en poids de nickel ou un alliage de titane ou bien un alliage de nickel avec 10.à 30 % en poids de chrome, de préférence de nickel avec 20 io en poids de chrome. 10 La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un objet, composite métallique qui consiste à assembler plusieurs éléments longitudinaux en un métal non ferromagnétique ayant une- faible résistivité électrique, à séparer . chaque élément des autres par une couche d'un métal ayant une 15 plus grande résistivité électrique que celle du métal des éléments^ à fixer l'ensemble à l'état cohérent et à allonger l'ensemble dans le sens de sa longueur pour allonger les éléments et produire - ■_ des filaments correspondants et pour lier les composants de 1'ensemble fermement les uns aux autres. 20 De préférence, la matière de plus grande résistivité est un métal et les composants de l'ensemble sont fixés les uns aux autres en liant métallurgiquement les éléments de faible résistivité électrique au métal de plus grande résistivité électrique . 25 L'ensemble peut être produit en utilisant un élément du métal de faible résistivité, en l'entourant d'une couche du métal de plus grande résistivité pour.former un sous-ensemble, en allongeant le sous-ensemble dans le sens de sa longueur pour fixer ses composants les uns aux autres, en découpant le -sous-30 ensemble allongé en un certain nombre de tronçons .et en réunissant ces tronçons pour former ledit ensemble. En variante, ledit ^ ensemble peut être formé en empilant un certain nombre de tubes du métal de plus grande résistivité et en disposant dans chaque tube un élément du métal de faible résistivité. Dans ce dernier cas, 35 les tubes ont de préférence une forme hexagonale et chaque élément a une section droite complémentaire pour pouvoir l'ajuster dans le tube correspondant. 72 13116 3 2133717 Il est également préférable que l'allongement soit initialement effectué par extrusion. Il est également préférable d'effectuer l'extrusion à une température élevée comprise par exemple entre 250° et 1000°C. 5 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant-à.titre explicatif, mais nullement limitatif, des formes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins : 10 la figure 1 est une vue en perspective d'un ensemble ; la figure 2 est une vue en perspective d'un ensemble allongé ; la figure 5 est une vue en perspective d'une partie d'un ensemble formé ; 15 la figure 4 est une .coupe, transversale d'un autre ensemble ; . la figure 5 est une vue en perspective d'un ensemble retordu ; ' la-figure 6 est-une coupe transversale d'un autre ensem-. 20 ble ; . la figure 7 est une coupe transversale d'un conducteur creux ; la figure 8 est une vue à grande échelle d'une partie de la figure 7 ; et 25 la figure 9 est une coupe transversale d'un autre conducteur. Dans une forme de réalisation, une tige 1 de cuivre de grande pureté/fe haute conductivité est introduite dans un tube 2 de l'alliage de cuivre contenant 30 i<> en poids de nickel, 30 l'ensemble est mis sous vide et est hermétiquement fermé et il est ensuite extrudé à une température de 550°C pour produire un barreau de cuivre recouvert d'une gaine de cupro-nickel liée métallurgiquement. le barreau est étiré à la température ambiante pour produire une tige qui est finalement déformée pour lui don-35 ner une section droite hexagonale comme indiqué en 5- la tige est ensuite découpée en un certain nombre de tronçons qui sont réunis, dans une gaine d'extrusion 6 du même cupro-nickel, les 72 l31ié 4 2133717 espaces restants étant comblés par de minces fils de cuivre recouverts d.e cupro-nickel 6a et cet ensemble est extrudé à une température de 950°C et étiré à la température ambiante. Le produit résultant est une matière composite dans laquelle plusieurs filaments 5 de cuivre sont séparés ies-uns des autres par des couches de cupronickel. L'alliage de cuivre et de 30 rfo en poids de nickel présente , , , cuivre une résistivité electrique environ 23 fois supérieure à celle du/ de grande pureté à la température ambiante. Lorsque la matière composite de cette forme de réalisation est refroidie à 4,2°K, 10 l'alliage de cuivre et de nickel présente une résistivité électrique environ 4750 fois supérieure à celle du cuivre de grande pureté. On peut ensuite rétordre 1'objet composite le long de son axe longitudinal (figure 5) de façon qu.Và l'exception d'un filament central 7, chaque filament de cuivre 8 suive une trajec-15 toire hélicoïdale le long de l'objet composite. L'objet composite retordu peut être utilisé pour transmettre un courant ou des signaux électriques et il présente de moins grandes pertes en courant alternatif et capte moins de bruit à partir de sources électriques de base. Ainsi, il peut être utilisé pour la transmis-20 sion d'énergie,par exemple dans des câbles électriques,en particulier dans des installations à-très basse température, c'est-à-dire lorsque le câble électrique est refroidi à la température de l'azote liquide ou même à celle de l'hélium liquide. Cette dernière température est d'environ 4,2°K, L'objet composite peut avoir n'importe 25 quel profil, désiré et par exemple, lorsqu'il est rectangulaire, il peut être utilisé pour garnir les espaces rectangulaires du rotor ou du stator d'un générateur ou moteur électrique, comme le savent les spécialistes. Dans une variante de l'invention, des filaments de cuivre 30 neufs recouverts d'un alliage de titane 10, comme du titane de pureté du commerce ou un alliage de titane désigné par "IMI 318" qui est un alliage de Ti, de 6 ^ en poids de Al et de 4 % en poids de V, sont formés comme décrit plus haut en se référant aux figures 1 à 3. Ces filaments sont ensuite assemblés dans une gaiœ 35 qui a été préparée de la manière suivante. On usine une gaine en cuivre à paroi épaisse à partir d'une billette de cuivre et on forme des fentes longitudinales 72 13116 2133717 par usinage dans la paroi externe de la gaine, et on forme dans ce cas- huit fentes qui sont également espacées autour de l'axe du tube. On lamine des bandes de titane du type "IMI 318" à l'épaisseur correcte et on les meule le long de leur bord pour 5 pouvoir les introduire dans les fentes, les bandes sont ensuite décapées et dégraissées et introduites dans les.fentes qui ont été également nettoyées. On prépare ensuite une gaine en titane de même composition que les bande s-,• on la décape, la dégraisse et la fait glisser sur la gaine de cuivre- pour former une enveloppe 10 externe. Les extrémités de l'enveloppe sont ensuite fermées hermétiquement par des disques soudés, électroniquement sous vide de manière à mettre l'intérieur de ,1a gaine sous'vide. On chauffe ensuite la gaine à une température comprise entre 450° et 580°C et l'ex-trude pour former une enveloppe tubulaire. On usine ensuite cette 15 enveloppe pour enlever les disques et pour- retirer le cuivre de l'alésage du tube. La "gainé finale - présente ainsi une enveloppe externe 11' en titane avec des segments -12 faisant saillie vers l'intérieur également'en titane-qui séparent des segments 13 de cuivre. "" 20 L'ensemble des filaments contenus .dans la gaine est ensuite allongé par extrusion à-chaud à-une température de 500°C + 75 °C pour'tasser l'ensemble et le-lier métallurgiquement à ' 11 état cohérent. .. . . . : Les figures 7 et 8 représentent un conducteur creux 25 qui serait normalement utilisé lorsqu'il est souhaitable de refroidir les" enroulements'd-1 une bobiney par exemple.dans des électroaimants, "des moteurs'électriques-.et des génératrices, ledit conducteur étant fabriqué "comme décrit .ci-après. On usine un cylindre en cuivre pour former dans sa 30 paroi externe des fentes radiales dans lesquelles on introduit des bandes en cupro-nickel. On place l'ensemble à l'intérieur d'un tube en cupro-nickel," oh le met sous .vide, on le ferme hermétiquement au sommet et à la base avec deux plaques en cuivre (dont une comporte un'bouchon) et "on chauffe l'ensemble à 450-570°C 35 et l'extrude sur un mandrin. On découpe ensuite-l'ensemble en tronçons de 60 cm environ et on usine le centre des tronçons pour mettre à découvert les bandes de cupro-nickel... On introduit 72 13116 s 2133717 un tube interne de revêtement en cupro-nickel et on.remet 1"ensemble sous vide, Te refermé, le réchauffé entre 450° et 570°C et 1'extru.de'à'nouveau. " - . .. On enlève ensuite les- joints d'extrémité et on étire 5 l'ensemble sous forme d'un-tube de-dimension voulue en utilisant un bouchon fixe ou-flottant. Sur le dessin, les segments 20 en cuivre correspondent au reste du cylindre en-cuivre utilisé initialement*. les barrières 21 sont formées par-des bandes de cupronickel introduites dans' les fentes du cylindre, ,et les enveloppes 10 interne ët externe 22 et 23 sont formées par les- tubes interne et externe en cupro-nickel utilisés initialement. Dans une variante,- les filaments de cuivre de grande pureté peuvent être remplacés par de l'aluminium. Ceci est d'une utilité particulière1 lorsque le conducteur doit être utilisé . 15 à de trè"s ' basses-températures, étant donnée .que la diminution de la résistivité de l'aluminium de grande pureté de la température ambiante à 4,2°]? environ est supérieure à celle du cuivre de grande' pureté de la température^ambiante à 4,2°K environ. En outre, les conducteurs en cuivre peuvent être utili-20 sés avec des "isolants" 'en alliage de cuivre à la température de i'azote liquide et" un exemple d'un conducteur tubulaire utilisant des brins d'aluminium dans un alliage de cuivre comprenant 1 fi d'étain est représenté'" sur la figure 9» LJensemble est réalisé de la manière suivante.- Un barreau.d'aluminium est introduit 25 dans un tube en alliage' de cuivre et de 1 d'étain, .des plaques d'extrémité en'cuivre sont ensuite soudées-par un-faisceau 'électronique sur le-tube de façon à pouvoir mettre l'intérieur sous videEnsuite, l'ensemble est chauffé entre 350° et 450°C et est extrudé pour -former une liaison métallurgique entre 30 le tube externe en cuivre et en étain. et l'aluminium. Le barreau extrudé est ensuite étiré en une tige et est soumis à une dernière passe à traders une filière hexagonale pour obtenir une tige de "section droite hexagonale. La tige est ensuite découpée en de courts tronçons qui sont empilés à l'intérieur de deux tubes con-35 centriques en alliage de cuivre et d'étain, .comme indiqué sur la figure 9. Le fil d'aluminium interne 25 entouré par une gangue •'d'alliage de cuivre et d'étain formée par les parois adjacentes 72 13116 2133717 en alliage de cuivre et d'étain 26 est situé par conséquent entre des tubes interne et externe en alliage: de cuivre et d'étain 27 et 28. l'ensemble est mis de nouveau sous vide, est hermétiquement fermé, est chauffé entre 350° et 45.0°C et est extrudé sous forme 5 d'un tube. Ce tube est ensuite étiré en utilisant un bouchon fixe ou flottant' pour former un élément creux. Si nécessaire, on peut donner au tube une section droite, externe rectangulaire ou carrée pendant les- dernières passes dans une série de filières, l'avantage d'utiliser un conducteur en aluminium dans un objet conducteur 10 réside dans le fait qu'il présente une très faible résistance aux températures voisines du point d'ébullition de l'azote liquide. Cela signifie qu'il peut être utilisé avantageusement à des tempé-rauures qui peuvent être maintenues, de manière relativement facile par un appareil classique à air liquide. Naturellement, il est 15 plus facile de maintenir une température de 77°K qu'une température de 4,2°K et5 il est possible d'utiliser l'azote liquide comme agent de refroidissement à une grande échelle industrielle. Dans une autre variante, on peut remplacer l'alliage de cuivre et de 30 fi> en poids de nickel ou l'alliage de titane par 20 un alliage de cuivre contenant jusqu'à 50 fi en poids de nickel, un alliage de nickel contenant de 10 à 30 fi en poids de chrome, un alliage de cuivre contenant de 5 à 7 fi en poids d'étain et de 0,01 à 0,02 fi en.poids de phosphore, un alliage de cuivre contenant 1 fi en poids de manganèse et 3 fi en poids de silicium, 25 un alliage de cuivre contenant 10 fi en poids de manganèse et 2 fi "en poids d'aluminium, un alliage de cuivre contenant 2 fi en poids de nickel et 12 fi en. poids de manganèse, un alliage de cuivre- contenant 45 fi en poids de nickel, 2 fi en poids de manganèse et 22 fi en poids de zinc, et un alliage de cuivre contenant 27,7 fi 30 en poids de zinc, 1,02 fi en poids d'étain et 0,02 fi en poids de fer. -^Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et représentées et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de 35 l'invention. 72 13116 8 2133717 RETEmiCAÎIOUS 1. Objet composite caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs filaments longitudinaux d'un premier métal non ferromagnétique présentant une résistivité électrique à 0°C qui est 5 inférieure à 3 micro-ohms par centimètre, chaque filament étant séparé des autres par une couche d'un second métal de plus grande résistivité électrique, les filaments étant liés métallurgiquement aux couches adjacentes de métal et les couches adjacentes de métal des filaments adjacents étant liées métallurgiquement les unes 10 aux autres. •• ... - 2. Objet composite selon la. revendication 1, caractérisé en ce qu'il est sous la forme d'un tube dont la'paroi est formée par les.filaments longitudinaux et'les couches du. second métal. 3. Objet composite selon la revendication 2, caractérisé 15 en ce que-la paroi est formée de segments-.alternés des premier et second métaux." , •• 4. Objet composite selon la revendication 3, caractérisé ■ en ce que"la paroi est formée de plusieurs filaments du premier métal dans une gângue du second métal. 20 5 • Ob jet composite selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la face interne ou la face externe ou les deux de'la paroi'sont recouvertes de métal de plus grande résistivité électrique", ledit métal étant lié métallurgiquement à la paroi du tube. 25 6. Objet composite selon l'une quelconque des revendi cations 1 à 5j caractérisé en ce que le métal de plus grande résistivité électrique constitue moins, de 50 fo en poids dudit objet. " 7. Objet composite selon la revendication 6, caractérisé 30 en ce que le métal de plus grande résistivité électrique constitue moins de 10 ^ en poids dudit objet. 8. 'Objet composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 7| caractérisé en ce que la résistivité du métal de plus grande résistivité est au moins 10 fois, de préférence'au 35 moins 40 fois supérieure à celle du métal de faible résistivité. 9. Objet composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le métal de faible 72 13116 9 2133717 résistivité électrique est-choisi dans le groupe comprenant le cuivre et l'aluminium et en. ce que le: métal de plus grande résistivité électrique 'est choisi dans le groupe comprenant un alliage de cuivre avec 2 à 30 fi de nickel ou 1 a 10 fi d'étain, un alliage 5 de titane, un alliage de nickel avec 10 à 30 fi en poids de chrome, de préférence un alliage-de nickel avec 20 fi en poids de chrome. 10. Procédé de fabrication d'un objet composite métallique, caractérisé en ce qu'il consiste à assembler plusieurs éléments longitudinaux d'un métal non ferro-magnétique ayant une 10 faible résistivité électrique, à séparer chaque élément des autres par une couche d'un métal ayant une plus grande résistivité électrique que le métal des éléments", à fixer l'ensemble à l'état •cohérent et à allonger l'ensemble dans le sens de sa longueur pour allonger les éléments et produire des filaments correspondants •15 et lier-métallurgiquement les composants de l'ensemble les uns aux autres. - 11.-Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les' composants sont liés ensemble métallurgiquement. 12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé 20 en ce que 1'ensemble est produit- en utilisant un élément du métal " de faible résistivité, en l'entourant d'une couche du métal de plus grande résistivité pour former un sous-ensemble, en allongeant aùx le sous-ensemble pour fixer les composants les uns/autres, en découpant le sous-ensemble allongé en un certain nombre de tronçons 25 et en empilant lesdits tronçons pour former l'ensemble. '13. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'ensemble est produit en .empilant un certain nombre de tubes du métal de plus grande résistivité et en introduisant dans chaque tube Un élément du métal de faible résistivité. 30 14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les tronçons découpés ont une section droite externe hexagonale. 15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les tubes ont une section droite: externe hexagonale et en ce que chaque élément a une section droite complémentaire '35 pour pouvoir l'ajuster dans son tube correspondant. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisé en ce que l'ensemble est introduit dans une 72 13116 10 2133717 gaine avant l'allongement. 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que la gaine est en un métal de plus grande résistivité électrique» - 5 18. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que la gaine comprend plusieur^segments sensiblement alternés . d'un métal'de faible résistivité électrique et d'un métal de plus grande résistivité électrique. • 19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 iO à 18,- caractérisé en çê que l'objet composite a la forme d'un tube. 20. Procédé selon.la revendication 19., ..caractérisé en ce que l'objet composite creux'présente une couche de métal de plus giande résistivité qui;est liée métallurgiquement à la face interne 15 ou la face externe du tube ou aux deux. ' .