Brevet FR2511202A1 — publié le 19830211

La présenre invention concerne des conducteurs supraconducteurs stabilisés de grande longueur, aux procédés de leur fabrication et au; dispositifs réalisés avec de tels supraconducteurs. Les matières qui ont une supraconductivité v champ élevé sont bien connues comme par exemple les alliages Nb Zr et Nb'Di, les composés intermètalliques N3 Sn et V Ga. il est connu de stabiliser ces matières par une matrice à haute conductibilité thermique et électrique pour éliminer le défaut de dégradation qui se traduit par une impossibilité d'obtenir en bobinage les performances mesurées en échantillon court. Ces matériaux stabilisants sont choisis parmi les métaux comme le cuivre, l'aluminium, l'argent, l'or.Le r81e joué par cette matrice stabi- lisatrice est double - elle créo un court-circuit électrique lors d'un passage acci dentel à l'état normal du supraconducteur, - elle facilite les échanges thermiques entre le fluide réfrigé rant(hélium liquide) et le supraconducteur permettant ainsi le refroidissement de celui-ci et l'élimination rapide des échauS- fements locau résultant des déplacements des lignes de flu^ dans le matériau supraconducteur. :Ds mèthodes les plus couramment utilisées pour réaliser ce gainage de supraconducteur par la matrice stabilisatrice consistent en une transformation siiaultanée par filage, laminage, étirage, martelage ou tréfilage, de barreau en matière supraconduc- trice et c'.e leurs gaines constituées par des tubes ou pots en matière stabilisatrice dans lesquels lesdits barreau: sont insérés. Des supraconducteurs mono ou multifilamentaires sont ainsi obtenus. On sait également que les supraconducteurs seront d'autant plus stables que la taille de leurs filaments supraconducteurs sera faible et que ces filaments seront disposés en hélice à l'in-'Géw rieur de la matrice stabilisatrice desdits supraconducteurs. Parmi les procédés classiques de transformation, le filage à la presse est celui qui est le plus utilisé car cette transforma- tion effectuée à chaud présente l'avantage d'assurer une excellen- te liaison métallurgique entre les différents éléments du supracon- ducteur. Ceci facilite les transformations ultérieures à froid ar laminage ou étirage, tréfilage ; en effet, les éventuels glissements relatifs entre ces éléments sont suppririés et la déformation du supraconducteur reste homogène dans toute sa section. Par ailleurs, la bonne liaison conduit à des résistances de contact nulles améliorant les transferts électriques et thermiques du supra- conducteur et de ce fait sa stabilité. Cependant, cette transformation à chaud dun supraconducteur du type Cuivre - Niobium Titane présente des limitations technologiques importantes associées au conditions de cette transfor- mation. En effet, la présence de Titane (ou de zirconium dans 1 alliage Nb Zr) conduit lors des opérations de déformation à températures élevées à la formation d'une couche de diffusion de nature eutectique entre le cuivre et l'alliage supraconducteur. Cette couche eutectique est extremement fragile et se rompt lors des déformations ultérieures. Son fractionnement en grains durs engendre des casses de l'ensemble ou d'une partie du conducteur supraconducteur interdisant son emploi. Les paramètres qui régissent la formation de ce composé fragile lors d'une déformation à chaud sont principalement : - la température à laquelle l'assemblage "Matrice-Supraconduc teur" est porté, lors du préchauffage avant déformation ou pendant la déformation. - le tau de déformation ou réduction de section de l'assemblage en effet, le corroyage à chaud libère une énergie qui élève la tem pératrre interne du supraconducteur, notamment au niveau des zones de contact entre matrice et supraconducteur. Pour éviter la formation de cette couche fragile, il a faillu limiter la température de déformation à des valeurs inférieures a 5500 C ainsi que le tau de déformation ou réduction de section inférieur à 10. La transformation réalisée aux températures basses conduit à des valeurs élevées de la résistance ç la déformation des éléments composants et de ce fait de plus importants efforts de déformation sont nécessaires, qui sont toutefois limités par la puissance des outillage existants, presse d'extrusion par exemple. Ceci conduit, en pratique, à utiliser des tatr de déformation OU rap- ports d'extrusion, faibles, donc peu économiques ainsi que des supraconducteurs courts. De plus, la limitation du taux de déformation exclue la possibilité d'utiliser de très gros assemblages de gros diamètre et de grand volume unitaire, car le produit obtenu après déformation chaud présente alors des dimensions incompatibles avec la capa- cité des oyes de déformations ultérieures tels que bancà étirer. tc limitation du volubile unitaire de l'assemblage à déformer associée a la fois à la température et au taux ce réduction de section apparaît donc comme l'inconvéneint majeur des procédés utilisés jusqu'alors, car il importe pour les utilisateurs de disposer de poids unitaires élevés, plusieurs centaines de kilogram- mes par exemple, qui conduisent à des grandes longueurs unitaires de l'ordre de plusieurs kilomètres sans joint, c'est-à-dire sans interruption de filaments supraconducteurs. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients. La pressente invention a pour objet un supraconducteur écono mique ayant une longueur de l'ordre de plusieurs dizaines de ki- lomètres et une grande stabilité électrique et thermique. 1 présente invention a en outre pour objets, un Procédé de fabrication de ce supraconducteur et un dispositif réalisé avec un tel supraconducteur. Un supraconducteur conforme à l'invention comprenant un ou plusieurs filaments supraconducteurs noyés dans une matrice sta- bilisatrice, est caractérisé en ce qu'il comprend, autour de cha- cun de ces filaments supraconducteurs, une couche d'antidiffusion qui sépare ladite matrice stabilisatrice et ledit filament su- praconducteur, et empêche la formation de composé dur fragile à leur surface de contacT.. Un procédé de fabrication de ce supraconducteur comprenant une constitution d'une ébauche ayant au moins une tige en matériau supraconducteur et une matrice en matériau stabilisateur, et une réduction de section de cette ébauche par déformation d'abord c: température élevée puis à froid, est caractérisé en ce qu'il comprend, dans la constitution de ladite ébauche, au moins une formation d1 une couche d'antidiffusion entre la tige supraconductrice et la matrice stabilisatrice, Pour mieux faire comprendre l'invention, on en décrit ciaprès un certain nombre d'exemples de réalisation illustrés par des dessins ci-annexées dont - la figure 1 représente à une très grande échelle, une vue schématique d'une coupe transversale d'un supraconducteur monofilamentaire conforme à l'invention, - la figure 2 représente à une très grande échelle, une vue schématique d'une coupe transversale d'un autre supraconducteur monofilamentaire conforme à l'invention, - la figure 3 représente à une très grande échelle, une vue sché matique d'une coupe transversale d'une ébauche d'un supraconduc- tueur muntifilamentaire conforne Y invention, - la figure 4 représente à une très grande échelle, une vue schématique d'une coupe transversale d d'un supraconducteur multi- filamentaire résultat d'une ébauche de la figure 3, - la figure 5 représente à une grande échelle, une vue schéma- tique dùne coupe transversale d'une ébauche d'un autre supraconducteur multifilamentaire conforme à l'invention, - la figure 6 représente à une très grande échelle, une vue schématique d'une coupe transversale d'un autre supraconducteur multifilamentaire issu d'une ébauche ce la figure 5, - la figure 7 représente à une très grande échelle, une vue schématique d'une coupe transversale d'un autre supraconducteur multifilamentaire conforme à l'inventoion, - la figure 8 représente , une très grande échelle, une vue schématique d'une coupe transversale d'une ébauche dlun autre supraconducteur multifilamentaire conforme à l'inventoion. Un supraconducteur 1, conforme à 1 'invention, illustré dans la figure 1, comprend un filament fin en matériau supraconducteur 2, une matrice en matériau stabilisateur 3 et une couche d'antidiffusion 4 CIUi sépare le filament 2 et la matrice ce 3 tout en ayant avec eti: une liaison métallurgique.La couche d'antidiffusion 4, est étanche et suffisamment épaisse sur toute son étendue pour empêcher une formation de couche de diffusion, couche de composé de nature entectique entre la matrice stabilisatrice 3 et le filament supraconducteur 2 notamment au cours de la fabrication du supraconducteur 1, lors de la défor- mation de celui ci à températures élevées en vue d'une réduction de sa section. La couche d'antidiffusion 4 est en matériau capable de subir les mimes déformations que celles de la matrice 3 et du filament supraconducteur 2.La couche d'antidiffusion 4 ne forme ni avec le filament supraconducteur 2 ni avec la ma trice stabilisatrice 3 un composé fragile au cours de la fabri- cation du supraconducteur 3. Belon l'invention, la couche d'an- tidiffusion 4 est de préférence constiftiée avec du Niobium, Tan- tale, Vanadium, Molybdène ou certains de leurs alliages. Le fila- ment supraconducteur 2 est constitué de préférence avec des alliages de Niobium-Titane ou Niobium-Zirconium, ou des alliages ternaires de Niobium-Titane ou Niobium-Zirconium, avec du Tant aIe, Vanadium, Zirconium ou Hafnium.La matrice stabilisatrice 3 est de préférence en cuivre pur, en aluminium, en argent ou en or ou en un alliage de cuivre avec du nicl-el, de l'étain, du zinc, sui- vant la température choisie pour effectuer la déformation du supraconducteur 1 en vue de la réduction de sa section. La matrice ce 3 peut êre composée et constituée par du cuivre pur dans sa face en contact avec la couche d'antidiffusion et par du cuivre nickel d-ns sa face tournée vers l'extérieur. Dans l'exemple illustré dans la figure 2 le supraconduc- teur 5 est constitué avec un conducteur supraconducteur 1 dé crit ci-dessus, entouré d'une gaine 6 en matériau à forte resistivité tel que le cupronickel à 25 % de nickel. Les supraconducteurs multifilamentaires 7, 8, 9 représentés dans les figures 4, 6 et 7 sont réalisés avec des supra- conducteurs monofilamentaires 1 ou 2 des figures 1 et 2 noyés dans une matrice stabilisatrice en cuivre. Le supraconducteurs multifilamentaire 10, illustré dans la figure 8 comprend plusieurs rangées de supraconducteurs manofi lamentaires 1 ou 2, alternant avec plusieurs rangées de conducteurs en cuivre 11 et une matrice 12 en supraconducteurs 1 ou 2 et les conducteurs ll sont en liaison métallurgique avec la matrice 12.Le supraconducteur multifilamentaire 10 a l'avantage a t avoir ses conducteurs supraconducteurs 1 ou 2 isolés transversalement les uns des autres et de ce fait une forte diminu tion voire une suppression de pertes dues au courant induit, tout en bénéficiant d'une bonne conductibilité longitudinale qui assure la stabilisation nécessaire. Un procédé de fabrication d'un supraconducteur, conforme à l'invention, comprend, dans la a constitution de l'ébauche de ce supraconducteur formée d'une tige en matériau supraconducteur et d une matrice en matériau stabilisateur, au moins la formation d'une couche d'antidiffusion en Niobium, Tantale, Vanadium ou Molybdène ou certains de leurs alliages, entre ladite tige supraconductrice et cette matrice stabilisatrice. Selon l'invention, la formation de la couche antidiffusion est réalisée soit sur las tige en matériau supraconducteur, soit cans 12 matrice stabilisatrice. Cette formation de couche d'antidiffusion est obtenue soit par applica- tion d'une bande ou d'une tube en matériau d'antidiffusion autour du fil en matériau supraconducteur ou dans l'alésage de la matrice stabilisatrice, relevant ledit fil, soit par dépôt électrolytique de matériau d'antidiffusion à partir d'un sel fondu soit par pulvé- risation par plasma du matériau d'antidiffusion. Selon le procédé de l'invention, le conducteur supraconducteur 1 de la figure 1 peut être réalisé en plaçant, dans un pot de cuivre usine, un barreau ou un lingot en alliage NbTi autour du- quel a été ajusté un tube de A1 Ou roulés une bande de le Nb de quelque milimetres d'épaiseur, ce tube ou cette bande servant de couche d'antidiffusion. Après fermeture etmise sous atmosphere neutre ou sous vide, l'ébauche constituée par l'ensemble "barreau de Nb Ti-tube ou bande Nb-pot de cuivre" subit une extrusion à une température de l'ordre de 9000 C avec un rapport de réduc- tion supérieur à 100, suivie d'une trempe à l'eau.Cette ébauche qui peut avoir, au départ, un diamètre de 250mm. se présentera après extrusion, sous la forme d'un supraconducteur de 25 mm de diamètre. A ce stade, ledit supraconducteur peut être étiré, laminé, martelé ou tréfilé à froid, en vue d'une réduction de sa section aux dimensions prévues. D'une manière analogue, le supraconducteur 5 de la figure 2 est réalisé à partir d'une ebauche constituée par un ensemble "barreau de NbTi - tube ou bande Nb - Pot de cuivre - Gaine Cupronickel". Cette ébauche est laminée à une température de 800 C environ avec de fortes passes a un taux de 80 % en allongement par exemple. Après plusieurs passes effectuées à une température éle ve, la réduction de section du supraconducteur obtenu aux dîme:- sions voulues, peut entre effectuée à froid r des moyens cosnuc. La presence de la couche d'antidiffusion, constituée par le tube ou la bande de Niobium, conduit à de nombreux avantages qui ne sont pas rencontés dans les procédés de fabrication connus. Ces avantages sont liés au fait qu'il est dés lors possible d'utiliser des températures de préchauffage ou de déformation beaucoup plus élevées (550 C a 100 C) sans craindre la formation de copmposés fragiles dont le fractionnement en grains durs engendre des casses du filament supraconducteur ou de conducteur supracon duteur lui-même, lors de la réduction subséquente de sa section. Ces avantages se traduisent par exemple en une mise en oeuvre d'ébauches de supraconducteur de volumes beaucoup plus importants conduisant à l'obtention de supraconducteurs continus de grandes longeurs, - une utilisation de taux de déformation élevés par pesse, améliorant la rentabilité du procédé et permenttant le cor coeur du conducteur.- une obtention de structure métal lnrgiquea à h es valeurs de la striction (au-dessus ne 80 p0) liée G la possibilité de e retenir, par trempe à ar%i::: du domaine monophasé, la phase duc ss,- une possibilité d'utilisation d'alliages supraconducteurs plus durs mécaniquement parlant et à hautes caractéristiques de courant critique conduisant à des densités de courent élevées dans le conducteur supraconducteur fini. L'utilisation de taux de déformation élevés par passe est rendue possible par la chute importante de la résistance à la déformation en passant d'une température de déformation donnée a une température de déformation plus élevée. le tableau I donne différentes températures de déformation et des valeurs correspondantes de résistance à la déformation, exprimées en pourcentage par rapport à une valeur de référence qui correspond à une résistance à la déformation à 5500 C. Tableau : Température :400 C:500 C:550 C:600 C:700 C:800 C:1000 C: : Résistance à la : : : : : : : : : : : : : : : : : déformation par : . . rapport à celle : : : : : : : à 550 C : 190%: 130 %: 100%: 72%: 41% : 25% : 14% L'obtentiion de structures métallurgiques à hautes valeurs de la striction facilite la formation de filaments extra fins de l'ordre du micron, la striction étant en relation étroite avec la tréfilabilité. La finesse des filaments est habituellement exigée dans les supraconducteurs destinés ain applications en champ variable. Dans la réalisation du supraconducteur 7 mentionné plus haut et illustré dans la figure 4, une ébauche 13, montrée à la figure 3, est formée avec 51 conducteurs supraconducteurs 1 (fig. 1) au NbTi, de diamètre 7,6 ma et de longueur 250 mm environ. Ces 61 conducteurs avec leur couche d'antidiffusion 4 sont disposés en un ensemble hexagonal compact. Cet ensemble hexagonal est inséré dans une billette cylindrique 14 en cuivre pur, de diamètre 85 mm et ayant un alésage hexagonal. Ce mode d'assemblage de l'ébauche 13 est plus commode que la méthode d'assemblage connue qui consiste à insérer un ensemble hexagonal dans un alésage cylindrique et de combler les vides par des pièces rapportées compliquées, non représentées. L'ébauche 13 est fermée hermétiquement awr deux extrémités, puis placée sous atmosphère neutre ou sous vide et portée d une température de 9000 C environ. On l'extrude dans une presse à filer avec un fort rapport de filage, supérieur à 100, suivi d'une trempe à l'eau. Après extrusion, ébauche est soumise à une réduction de section par déformation à froid jusqu'à l'obtention d'un supraconducteur 7. Une section transversale du supraconducteur 7 obtenu est représentée dans la figure 4. Le supraconducteur 7 a aors un diamètre extérieur de 0,5 mm. et comprend des filaments supraconducteurs EbTi de 40 microns de diamètre et des couches d'antidiffusion Nb de 2 microns d'épaisseur.L'examen du supraconducteur 7 au microscope montre qu'aucune couche de composé fragile de nature eutectique ne s'est formée dans ledit supraconducteur. Les filaments fins libGi ne sont pas interrompus et aucune présence de fragments de ce composé fragile ne s'est révélée. Dans un autre exemple de réalisation, le supraconducteur 8 mentionné plus haut et illustré dans les figures 5 et 6 est obtenu avec une ébauche 15 comprenant 397 conducteurs supraconducteurs 1 ou 2 de 7,15 mm de diamètre et de 350 mm de longueur, regroupés en un ensemble hexagonal et insérés dans lXa- lésage hexagonal d'une matrice 16 constituée par une billette en cuivre pur de diamètre extérieur 190 ma. L'ébauchc 15 est hermétiquement fermée, mise sous vide ou sous atmosphère neutre, portée à une température de 9000 C puis extrudée à cette température. Après extrusion, l'ébauche 15 est laminée à froid jusqu'à l'obtention d'un diamètre de 20 mn puis étirée et tréfilée à froid, tout en subissant des traitements thermiques intermédiaires de 15h à 3750C et une torsion autour de son axe afin que les filaments supraconducteurs soient disposés de façon hélicoidale dans le supraconducteur fini 8. Be supraconducteur 8 dont une section transversale est illustrée dans la fig. 6, af une longueur de t'1a- sieurs kilomètres, un diamètre extérieur de 0,2 mmwdes filaments supraconducteurs (NbTi) de 6 microns de diamètre et des couches d'antidiffusion (Nb) ayant une épaisseur voisine du micron. Suivant une variante de réalisation, dans la constitution de ébauche du supraconducteur 9 mentionné plus haut et illustré dans la figure 7, les conducteurs supraconducteurs 1 ou 2 qui occupent les angles 17 et le centre 18 de l'ensemble hexagonal do conducteurs de cette ébauche sont remplacés par des conducteurs de cuivre de meme diamètre. Le supraconducteur 9 qui en résulte a des filaments supraconducteurs mien répartis et disposés en hélice dans la matrice stabilisatrice. Dans un antre exemple de réalisation, le supraconducteur 10 mentionné plus haut est obtenu à partir d'une ébauche formée d'une billette de cupronickel 12 (figure 8) percée de trous 19 dans lesquels sont insérés d'une façon alternée, des conducteurs supraconducteurs 1 ou 2 et des conducteurs de cuivre pur 11. Cette ébauche est soumise à des opérations de réduction de section à température élevée puis a froid comme dans les exemples précédents jusqu'à lSobtention d'un supraconducteur aux dimensions voulues. Les supraconducteurs réalisés conformément à l'invention ont l'avantage d'avoir une longueur continue c'est-à-diro sans soudure et sans joints de plusieurs dizaines de kilomètres et une grande stabilité thermique et électrique. Les dispositifs tels que les bobinages magnétiques qui peuvent titre facilement réalisés avec des supraconducteurs de grands longueurs de l'invention ont par conséquent un prix de revient économique tout en ayant d'excellentes caractéristiques de fonctionnement. REVENDICATIONS 1. Supraconducteur comprenant un ou plusieurs filaments supraconducteurs noyés dans une stabilisatrice, caractérisé en ce qu'il comprend, autour de chacun de ces fila- ments supraconducteurs (2) , une couche d'antidîffusion (4) qui sépare ledit filament supraconducteur (2) de ladite matrice stabilisatrice (3), et empêche la formation de composé dur,fragile à leur surface de contact. 2. Supraconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'antidiffusion (4) qui sépare le filament supraconducteur (2) , de la matrice stabilisatrice (3), est tanche. 3. Supraconducteur selon l ' une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche d'antidiffusion (4) est constituée par un matériau d'antidiffusion tel que Niobium, Tantale, Vanadium, Molybdène. 4. Supraconducteur selon l'tme des revendications 1 et 2,caractérisé en ce que la couche d'antidiffusion (4) est constituée par un alliage de deux ou plusieurs matériaux d'antidiffusion suivants: Niobium, Tantale, Vanadium. Ialolybdène . 5. Procédé de fabrication du supraconducteur de l'une des revendicationsprécédentes, cemprensîft une constitution d'une ébauche fermée au moins d'une tige en matériau supraconducteur et d'une matrice en matériau stabilisateur, et une réduction de section de cette ébauche par déformation d'abord à tempéra ure élevée puis à froid, caractérisé en ce qu'il comprend, dans la constitution de ladite ébauche, au moins une formation d'une couche d'antidiffusien ;4) entre la tige supracondue- trice et la matrice stabilisatrice. 6. nroeédé~selon la revendication 5, caractérisé en ce que la formation de la couche ctantidiffusion (4) est réalisée, par application d'un tube de luTiobium, Tantale, Vanadium, Xolybiène ou & d'un de leurs alliages autour de la tige supra- conductrice, 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la formation de la couche'd'antidiffusion (4) est réalisée par enroulement d'une bande de Niobium, Tantale, Vanadium, I-olybdène ou d'un de leurs alliages autour'de la tige supraconductrice. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la formation de la couche d'antidiffusion est réalisée par dépôt électrolytique d'un sel fondu d'un matériau d'antidiffusion sur la tige supraconductrice ou dans le creux de la matrice stabilisatrice qui reçoit ladite tige supraconductrice. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la formation de la couche d'antidiffusion est réalisée par pulvérisation par plasma d'un matériau d'antidiffusion sur la tige supraconductrice ou dans 3a creux de la matrice stabilisatrice qui reçoit ladite tige supraconductrice. 10. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend, dans la constitution d'ébauche, un assemblage de conducteurs en un ensemble hexagonal de conducteurs dans un alésage hexagonal de la matrice stabilisatrice. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un'.assemblage de conducteurs de cuivre dans le centre et dans les angles de l'ensemble hexagonal et de conducteurs supraconducteurs dans le restant de cet ensemble hexagonal. 12. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend, dans la constitution d'ébauche, une formation d'une matrice en matériau à grande résistivité tel que le cupronickel avec des trous longitudinaux et une disposition alternée de conducteurs en matériau stabilisateur et de conducteurs supraconducteurs, dans ces trous.