Brevet FR2294520A1 — publié le 19760709

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un supraconducteur à plusieurs noyaux qui comporte des noyaux supraconducteurs ainsi qu'un matériau non supraconducteur et dont les noyaux sont formés soit entièrement, soit partiellement d'une combinaison intermd ique de struc ture , W et de composition A B ainsi qu'une installation pour la réalisa 3 tion du procédé. En application d'une proposition de Suenaga et Sampson (Appl. Phys. - Lett. - Vol. 20 N 1 1, pages 443 à 445 , de Juin 1972), un supraconducteur à plusieurs noyaux, dont les noyaux contiennent du Nb3Sn et dont le matériau non supraconducteur est en cuivre, s'obtient en produisant, en premier lieu et par étirage, un corps composite contenant du niobium et du cuivre, lequel corps est plongé ensuite dans un bain d'étain où il se recouvre d'une couche d'étain de quelquesrm d'épaisseur avant d'être recuit pendant 150 heures à 750 C, afin de provoquer la diffusion de l'étain à travers le cuivre en direction des noyaux de niobium sur lesquels se forme une couche de Nb3Sn de 0,2 à 0,5pu d'épaisseur.Le supraconducteur ainsi réalisé coeitient plusieurs noyaux au niobium qui supportent chacun une couche de Nb3Sn sous un revetement de cuivre. Ce procédé connu présente l'inconvénient suivantJà savoir que la diffusion de l'étain exige un temps très long du fait que cet étain se diffuse de la surface extérieure vers l'intérieur du corps composite. Par ailleurs, la stabilité mécanique du supraconducteur, fabriqué en application du procédé connu, est relativement réduite du fait qu'au début du traitement à chaud l'étain, adhérant à la surface du corps composite, y provoque quelques avaries (cratères, craquelures, etc..) qui ne s'éliminent plus en cours du traitement thermique.D'autre part, dans le procédé connu la quantité d'étain appliquée est tellement faible qu'elle ne peut former une quantité suffisamment importante de la combinaison Nb3Sn supraconductrice d'où un rapport défavorable entre le Nb3Sn et le cuivre. Cet inconvénient ne peut guère être compensé par une couche d'étain plus épaisse à la surface du corps composite, étant donné que tout épaississement de cette couche d'étain nuirait à la stabilité mécanique du supraconducteur. L'invention s'est fixé pour objectif de créer un supraconducteur à plusieurs noyaux qui présente une grande stabilité mécanique et dont les noyaux se composent, dans une large mesure, de la combinaison intermé tallique supraconductrice A B. Le problème, base de l'invention, est résolu par le fait que les fils en métal A, enrobés d'un matériau non supraconducteur, sont enduits d'une couche mince de métal B, que plusieurs de ces fils sont introduits dans un tube en matériau non supraconducteur et que ce tube, contenant ces fils enduits, est transformé par étirage en un corps composite qui est ensuite recuit pendant une période de 10 à 80 heures sous une température de 650 à 750 C. Par le fait que chaque fil en métal A, enrobé d'un matériau non supraconducteur est doté d'une couche en métal B, l'épaisseur de chacune de ces couches peut être réduite à des valeurs très faibles et par le fait aussi que la surface extérieure de plusieurs fils, revêtus d'un matériau non supraconducteur, est supérieure à la surface extérieure d'un corps composite compact, l'application de la couche mince de l'enduit exige une quantité plus importante de métal B. Le fait aussi que plusieurs fils en métal A enduits d'une couche mince en métal B et enrobés d'un matériau non supraconducteur sont introduits dans un tube en matériau non supraconducteur, protège la surface extérieure du supraconducteur contre les avaries provoquées par le métal B. Etant donné qu'après l'étirage le métal B se trouve déjà réparti dans le corps composite, le temps nécessaire pour recuire ce corps composite se trouve très réduit. Dans le cadre de l'invention, il est prévu, pour enduire les fils d'une couche mince de métal B, soit d'introduire les fils enrobés, isolément ou par faisceau, dans le métal B liquide, soit de placer chaque fil enrobé dans une gaine en métal B, soit encore de remplir les espaces vides, existant dans le faisceau de fils enrobés, à l'aide d'un métal B pulvérulent. Il apparait -comme particulièrement avantageux de loger les fils en métal A, enrobés d'un matériau non supraconducteur et enduits d'une couche mince de métal B, dans une gaine en matériau entravant la diffusion B, avant d'être introduits dans un tube en matériau non supraconducteur. Par cette mesure, conforme à l'invention, on évite, lors du recuit, la diffusion du métal B vers l'extérieur, c'est à dire dans le matériau non supraconducteur.Le procédé défini par l'invention peut être mis en oeuvre avec beaucoup de succès si l'on utilise le cuivre comme matériau non supraconducteur, le niobium comme métal A, l'étain comme métal B et le tantale ou le tungstène comme matériau empêchant la diffusion. Le procédé défini par l'invention admet également l'emploi des corps suivants Matériau non supraconducteur : Argent Métal A : Vanadium, Tantale Métal B : Silicium, Aluminium, Germanium, Gallium, Le métal A, tout comme le métal B, peut également se présenter sous forme d'alliages comportant plusieurs éléments désignés sous métal A respectivement sous métal B. Conformément à l'invention, le procédé de fabrication de supra conducteurs à plusieurs noyaux, à l'aide d'un métal B à l'état liquide, est mis en oeuvre d'une manière particulièrement avantageuse, dans une ins tallation comportant un cylindre de guidage, un cylindre d'entrainement et un four de fusion imperméable au gaz, pouvant être chauffé, et comportant une conduite d'amenée et d'évacuation pour un gaz de protection, un tuyau de guidage à l'entrée et un tuyau de sortie refroidi à l'eau. Les supraconducteurs à plusieurs noyaux, réalisés conformément à l'invention, se caractérisent en particulier par leurs excellentes qualités mécaniques, par leur haute teneur en combinaison A3B, par leurs hautes qualités supraconductrices (bonne capacité de charge) et par leurs faibles colts de fabrication. Le fait d'utiliser un métal B à l'état liquide pour enduire les fils déjà enrobés d'un matériau non supraconducteor, permet l'application continue du procédé défini par l'invention. ce qui est un avantage considérable. On a décrit ci-après en référence aux dessins annexés deux exemples de réalisation non limitatifs. Sur ces dessins la figure I illustre le déroulement du procédé de fabrication; la figure 2 représente l'installation permettant d'enduire, à l'aide d'un métal B à l'état liquide, les fils déjà enrobés; la figure 3a est une coupe transversale d'un corps composite réali sé conformément à l'invention (produit intermédiaire); la figure 3b est une coupe transversale d'un supraconducteur à plusieurs noyaux, fabriqué conformément à l'invention. La figure 1 illustre schématiquement le déroulement du procédé de fabrication défini par l'invention. Dans un dispositif approprié et connu 1, un fil 2 en métal A est enrobé d'un matériau non supraconducteur 3. Comme métal A on utilise de préférence le niobium, alors que pour le matériau non supraconducteur la préférence va au cuivre. Les fils ainsi enrobés 4 sont, soit isolément, soit reliés en faisceau, enduits d'un métal B 6. Cette opération peut se faire de différentes manières a) les fils enrobés 4 sont conduits à travers un métal à l'état liquide B 6 (de l'étain de préférence); b) chaque fil enrobé 4 est logé dans une gaine en métal B 6 c) les espaces vides, dans le faisceau de fils enrobés 4, sont remplis à l'aide d'un métal B 6 sous forme de poudre (on utilise par exemple du silicium pulvérulent pour combler les vides entre les noyaux de vanadium enrobés de cuivre). Dans le dispositif 8 plusieurs fils enrobés 7 sont introduits dans un tube 9 en matériau non supraconducteur. On soumet alors cet ensemble à l'étirage pour créer le corps composite 10 qui prend la forme d'un fil ou d'une bande. Sans avoir procédé à un recuit préalable, la déformation peut atteindre 99, 9 %. Cette déformation peut être particulièrement importante lorsque les fils revêtus 4 ont été soumis à un traitement thermique avant d'être enduits de métal B (I à 3 heures entre 400 et 600"C).Dans le four 11, le corps composite 10 est recuit entre 10 et 80 heures sous 650 à 750 C et transformé ainsi en supraconducteur à plusieurs noyaux 12. Au cours du recuit, il se forme la combinaison supraconductrice A B. Pour éviter que, pendant l'opération du recuit du corps composite 10, le métal B ne se diffuse dans le matériau non supraconducteur du tube 9, les fils enrobés et enduits 7 peuvent, avant leur introduction dans ce tube 9, etre revetus d'un matériau empechant la diffusion B . Au système niobium-cuivreétain, on utilise pour empecher la diffusion soit du tungstène, soit du tantale, en limitant le diamètre de la gaine entre 50 et 100/um. Après la déformation ce diamètre se trouve réduit entre 1 et Sjxm. Cette mesure conforme à l'invention, permet de conserver à la majeure partie du matériau non supraconducteur, les qualités requises pour une stabilisation optimale. Le procédé peut etre mis en oeuvre d'une matière particulièrement avantageuse en enduisant les fils enrobés 4 à l'aide d'un métal à l'état liquide B 6, dans le dispositif tel que représenté à la figure 2. Cette installation comporte un four à fusion 13 équipé d'un chauffage 14, d'une conduite d'amenée 15 pour le gaz de protection et d'une conduite d'évacuation 16 pour ce gaz de protection. La plaque de fond 17 du four à fusion 13 comporte un manchon de sortie 18 en matière synthétique, en céramique, ou encore en métal, ou en charbon serti dans du métal. Le manchon de sortie 18 est long de 2 à 5 cm et comporte sur son extrémité un dispositif de refroidissement 19 à eau. Le couvercle 20 du four à fusion 13 est doté d'un manchon de guidage 21.Le fil enrobé 4 parvient du cylindre de guidage 22, traverse le manchon de guidage 21 et aboutit dans le four à fusion 13, qu'il traverse avant de sortir par le manchon de sortie 18 pour,s'enrouler sur le cylindre d'entrainement 23, mli par un moteur. Le four à-fusion 13 contient le bain du métal B 6, qui est traversé dans le sens vertical par le fil enrobé, lequel à cette occasion s'enduit d'une couche fine de ce métal B 6. Si le métal B utilisé est l'étain, la tempé rature du bain se situe entre 280 et 350 C. Pour éviter les réactions d'oxyda tion, l'enduit métallique est appliqué en présence d'un gaz de protection qui sera de préférence de l'argon.En modifiant soit le diamètre D du manchon, soit la vitesse de passage du fil 4, soit encore en modifiant la température au manchon de sortie 18 en agissant sur le dispositif de refroidissement 19, on peut modifier l'épaisseur de la couche métallique. L'inatallation définie par l'invention permet une exploitation continue du procédé. En utilisant l'étain on arrive à appliquer des couches métalliques d'une épaisseur variant entre 0, 02 et 1 mm sur les fils enrobés 4. Lorsque les fils énrobés 4 passent sous forme de faisceau dans l'installation décrite, les espaces vides existant dans ces faisceaux sont comblés par le mé tal B. La quantite de métal appli guée peut être définie par pesage. La figure 3a représente en coupe transversale un corps composite 10 réalisé en application du principe de l'invention, alors que la figure 3b montre la coupe transversale d'un supraconducteur 12, également réalisé en applica tion de l'invention. Le corps composite 10 contient sept fils 4, dont chacun se compose d'un fil 2 en métal A et d'un enrobage 3 en matériau non supraconduc teur. Ce faisceau est enduit de métal B 6 à l'état liquide, ce qui explique qu'on retrouve ce métal B 6 à l'intérieur du faisceau et à la surface de celui-ci. Le faisceau ainsi enduit et revêtu d'un tube 9 en matériau non supraconducteur prend, sous l'effet de l'étirage, la forme du corps composite 10- Par l'opé ration du recuit, le corps composite 10 se transforme en supraconducteur 12 à plusieurs noyaux qui peut encore contenir du métal A résiduel. Les noyaux 24 du supraconducteur 12 se composent entièrement, ou dans leur majeure partie, de la combinaison supraconductrice A3B et sont revêtus de matériaux 9, 3 non supraconducteurs. On trouvera ci-après la description de l'invention à l'aide d'un autre exemple de réalisation. On y réalise un fil en cuivre-niobium comportant 37 noyaux en niobium et accusant un diamètre de 0, 93 mm. Sur ce fil on applique, conformément à l'invention une couche d'étain d'une épaisseur de 35Dm. Sept de ces fils ainsi enduits sont introduits dans un tube de cuivre d'un diamètre intérieur de 3 mm et d'un diamètre extérieur de 4 mm. Par étirage, cet ensemble se transforme en un corps composite d'un diamètre de 0, 2 mm, qui est ensuite recuit pendant 30 heures à 680 C. A cet effet, les 259 noyaux en niobium se transforment quantitativement presque entièrement en Nb3Sn. Le diamètre des filaments se situe aux environs de 4, m . Lors des essai s sur des échantillons de faibles longueurs, on a mesuré en présence d'un flux magnétique de 5 Tesla et d'une température de 4, 2 K (température de l'hélium) desdensités de courant de ic =1,5. 105 A.cm-2 par c rapport au diamètre total. Rapporté au matériau supraconducteur, cela repré sente une densité de courant de ic = 106A.cm-2 . Les fils peuvent subir des c courbures dont le rayon se situe à + 30 mm sans altération de leurs qualités supraconductrice s. REVENDICATIONS 1) Procédé de fabrication d'un supraconducteur à plusieurs noyaux, qui comporte des noyaux supraconducteurs ainsi qu'un matériau non supraconducteur et dont les noyaux sont formés, soit entièrement, soit partiellement, d'une combinaison intermétallique de structure /3 W et de composition A3B caractérisé en ce que les fils en métal A, enrobés d'un matériau non supra conducteur sont enduits d'une couche mince de métal B, que plusieurs de ces fils sont introduits dans un tube en matériau non supraconducteur et que ce tube, contenant ces fils enduits, est transformé par étirage en un corps composite qui est ensuite recuit pendant une période de 10 à 80 heures sous une température de 650 à 750 C. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fils enrobés sont introduits, en vue de l'application de la couche de métal B, iso dément ou par faisceau, dans le métal B à ltétat liquide. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque fil enrobé est placé, en vue de l'application de la couche en métal B, dans une gaine en métal B. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les espaces vides existant dans le faisceau de fils préalablement enrobés sont remplis par un métal B pulvérulent. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que les fils en métal A enrobés d'un matériau non supraconducteur et enduits d'une couche mince de métal B sont logés dans une gaine en matériau entravant la diffusion B avant d'être introduits dans un tube en matériau non supraconducteur, 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on utilise le cuivre comme matériau non supraconducteur, le niobium comme métal A, l'étain comme métal B et le tungstène ou le tantale com me matériau empêchant la diffusion. 7) Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 5 et 6, caractérisée en ce qu elle comporte un cylindre de guidage (22), un cylindre d'entraînement (23), ainsi qu'un four à fusion (13), qui peut être chauffé et qui est doté d'une conduite d'amenée (15) et d'une conduite d'évacuation (16) pour le gaz de protection ainsi que d'un manchon de guidage (21) et d'un manchon de sortie (18) avec un système de refroidissement à eau,