Brevet FR2543741A1 — publié le 19841005

2543-4, Procédé de fabrication de supraconducteurs La présente invention concerne un procédé de fabrication de supra- conducteurs. Il est connu d'après le brevet français N O 2 165 660 de fabriquer des supraconducteurs réalisés en alliage de niobium et d'étain obtenus par diffusion de l'étain d'1 un bronze dans le niobium à une température de 8000 C environ et d'isoler électriquement les éléments supraconducteurs par du carbone ou de l'oxyde de magnésium qui ont la propriété de ne Das être solubles dans les métaux lors du traitement thermique considéré. Dans le procédé antérieur, comme il est décrit dans le brevet en page 4 ligne 28, le brin multifilamentaire est passé dans un bain d'hydroxyde de magnésium, au diamètre final juste avant le traitement thermique de diffusion Il en découle que les éléments supraconducteurs sont traités lorsqu'ils sont de faible diamètre et de très grande longueur L'incon- vénient de ce procédé réside dans le fait qu'il faut appliquer l'isolant sur une très grande longueur ce qui ne peut être réalisé qu'en embobinant les éléments supraconducteurs puis en les dévidant (page 5, ligne 1) pour les envider ensuite pour la confection d'un électroaimant Il est à remarquer que les supraconducteurs niobium -étain, Nb 3 Sn, sont cassants une fois la diffusion réalisée et que le dévidage et les envidages en spires sont difficiles à réaliser sans provoquer de cassures entraînant une impossibilité de fonctionnement des supraconducteurs. Le procédé selon la présente invention remédie à cet inconvénient. Dans celui-ci en effet la mise, en place de l'isolant électrique est réalisé sur une petite longueur ce qui en facilite la fabrication et en assure la fiabilité. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de supraconducteurs comportant dans l'ordre des étapes de fabrication sui- vantes: première étape mise en place en barreaux d'un premier élément métal- lique dans une matrice métallique à au moins deux éléments, ledit premier élément et un deuxième élément devant former le supraconducteur. deuxième étape filage et étirage desdits barreaux afin d'obtenir des tiges de forme extérieure hexagonale, troisième étape empilement des tiges de forme hexagonale en un ensemble constitué dudit empilement revêtu d'un tube de bronze; la deuxième et la troisième étapes peuvent être répétées une ou deux fois; la dernière fois ledit tube peut être en cuivre et/ou certaines desdites tiges pouvant être remplacées par des tiges de cuivre, au centre de l'empilement, ledit tube et lesdites tiges de cuivre servant à la stabi- lisation, quatrième étape filage et étirages multiples successifs dudit ensemble afin de réduire les sections et allonger les longueurs dudit ensemble pour réaliser un brin de faible diamètre, cinquième étape embobinage dudit brin en une bobine, sixième étape chauffage de la bobine à une température de 80 00 C environ pour réaliser la diffusion dudit premier élément métallique dans ledit deuxième élément, caractérisé en ce qu'au cours de la troisième étape et au début de celle-ci on empile lesdites tiges de forme hexagonale les unes contre les autres en même temps qu'une poudre d'oxyde dopé d'élément conducteur disposée entre les empilements et servant de barrières résistives et/ou qu'à la fin de la troisième étape on dispose entre ledit tube et une couronne résistive une poudre isolante électriquement, réfractaire et non soluble dans lesdits tubes et ladite couronne. La présente invention a également pour objet un procédé de fabri- cation de supraconducteurs comportant dans l'ordre des étapes de fabri- cation suivantes: première étape mise en place en barreaux d'un premier élément métal- lique dans une matrice métallique à au moins deux éléments, ledit premier élément et un deuxième élément devant former le supraconducteur. deuxième étape filage et étirage desdits barreaux afin d'obtenir des tiges de forme extérieure hexagonale, troisième étape empilement des tiges de forme hexagonale en un ensemble constitué dudit empilement revêtu d'un tube de bronze; la deuxième et la troisième étapes peuvent être répétées une ou deux fois. La dernière fois, ledit tube peut être en cuivre et/ou certaines desdites tiges pouvant être remplacées par des tiges de cuivre, au centre de l'empilement, ledit tube et lesdites tiges de cuivre servant à la stabi- lisation, -3- quatrième étape étirages multiples successifs dudit ensemble afin de réduire les sections et allonger les longueurs dudit ensemble Dour réaliser un brin de faible diamètre, cinquième étape enrobage des brins multifilamentaires par une gaine isolante, et mise en place d'une pluralité de brins afin de former un conducteur multibrins, sixième étape embobinage dudit multibrins en une bobine, septième étape chauffage de la bobine à une température de 8000 C environ pour réaliser la diffusion dudit premier élément métallique dans ledit deuxième élément, caractérisé en ce qu'au cours de la troisième étape et au début de celle- ci on empile lesdites tiges de forme hexagonale les unes contre les autres en même temps qu'une poudre d'oxyde dopé d'élément conducteur disposée entre les empilements et servant de barrières résistives et/ou qu'au cours de la cinquième étape on dispose entre lesdits multibrins et une gaine résistive une poudre isolante électriquement, réfractaire et non soluble dans ladite gaine résistive et lesdits multibrins. Selon une particularité de l'invention lesdites poudres peuvent être avantageusement précompactées dans un moule (par exemple sous une pression de quelques dizaines de kg/mm 2). Selon une particularité de l'invention, ladite poudre d'oxyde est de l'oxyde de magnésium Mg O dopé de cuivre ou d'un alliage de cuivre tel que le bronze ou le cupro-nickel. Selon une autre particularité de l'invention, ladite poudre iso- lante est de l'oxyde de magnésium Mg O ou d'aluminium Al 203. En se référant aux figures schématiques 1 à 3, ci-jointes on va décrire ci-après des exemples de mise en oeuvre de la présente invention exemples donnés à titre purement illustratif et nullement limitatif Les mêmes éléments représentés sur plusieurs de ces figures portent sur toutes celles-ci les mêmes références. La figure 1 représente une vue en coupe transversale schématique à l'échelle agrandie à une étape de sa fabrication un ensemble 7 de tiges multifilamentaires hexagonales 1 séparées par une poudre d'oxyde dopé d'éléments conducteurs 2, l'ensemble étant recouvert d'un tube de cuivre 4 et d'une couronne résistive 6 entre lesquels est disposée une 4 - poudre isolante 5 - La figure 2 représente une vue en coupe transversale schématique à l'échelle agrandie à une étape de sa fabrication une variante 71 ' d'un ensemble de tiges multifilamentaires hexagonales recouvert d'un tube de cuivre 4 et d'une couronne résistive 6 entre lesquels est disposée une poudre isolante 5. La figure 3 représente une vue en coupe transversale schématique à l'échelle très agrandie, à une étape de sa fabrication, de conducteurs multibrins enrobé par une gaine résistive contenant dans les espaces entre les conducteurs et la gaine une poudre isolante. Selon l'invention les barreaux et la matrice métalliques sont de préférence utilisés pour réaliser des brins supraconducteurs à base de niobium-étain Nb 3 Sn Lesdits brins peuvent être aussi à base de composés tels que le niobium-silicium et niobium Daluminium, le vanadium-gallium, le vanadium silicium ou de composés à base de phases de CHEVREL tel le plomb molybdène soufre Pb Mo 658 Dans le cas du niobium-étain, on part de barreaux de niobium disposés dans une matrice de bronze à base de cuivre et à au moins 10 % en poids d'étain Il est à noter que la diffusion de l'étain dans le niobium s'effectue à une température de 800 o C environ à la fin des étapes et après l'embobinage des mrltibrins en une bobine car les fils en aliiage niobium-étain une fois la diffusion effectuée ont la propriété d'être cassants et de ne pas supporter sans dommage certaines manipulations tels l'enroulement des fils. Dans une première étapede fabrication on met en place des barreaux de niobium dans une matrice de bronze. Dans une deuxième étape on file et on étire les barreaux de niobium et la matrice de façon à obtenir des tiges de forme hexagonale permettant dans une troisième étape d'empiler les tiges multifilamentaires de forme hexagonale tels que 1 de la figure 1 les unes contre les autres avec, entre les hexagones, de la poudre 2 d'oxyde de magnésium Mg O dopé d'élément conducteur tel le bronze ou le cuproniekel o La poudre peut 9 tre avantageusement précompactée. On obtient ainsi des barrières résistives dont la caractéristique électrique est de n'être ni trop conductrice ni tro D résistive afin de faire disparaître les courants induits parasites qui apparaissent dans le cuivre entre les filaments supraconducteurs et qui se dissipent en chaleur La figure 2 illustre une variante d'un ensemble de tiges multi- filamentaires 1 de forme hexagonale A la fin de la troisième étape valable pour les figures 1 et 2 on revêt le paquet de tiges multifilamen- taires 1 d'un tube de cuivre 4 qui sert à stabiliser le supraconducteur c'est-à-dire qu'il permet dans le cas oli le supraconducteur passe acci- dentellement à l'état normal de dériver le courant et d'empêcher le supraconducteur de brûler à cause de sa grande résistance; puis on enferme une poudre isolante électriquement 5 entre le tube de cuivre 4 et une couronne résistive 6 en cupronickel ou acier inoxydable La poudre isolante 5 sert à isoler électriquement les brins 7 ou 7 ' les uns des autres puisque les brins 7 ou 7 ' sont embobinés dans un stade final, entrent en contact et risquent de créer de ce fait des court-circuits La poudre isolante 5 illustrée dans les figures 1 et 2 est de préférence de l'oxyde de magnésium Mg O Elle peut être également de l'oxyde d'aluminium A 1203 ou du verre en poudre stable à 8000 C ou du quartz en poudre stable à 8000 C également. Au cours de la quatrième étape on exécute des étirages successifs, par exemple 30 fois, du brin représenté en figures 1 et 2 jusqu'à réduire la section du brin d'une centaine de fois par exemple en passant d'un diamètre de 50 millimètres à un diamètre de 0, millimètre, la couche d'oxyde 5 passant ainsi d'une épaisseur de 1 millimètre à une épaisseur de 10 microns. Au cours de la cinquième étape le brin ainsi allongé et de section réduite est embobiné de façon à former une bobine d'électroaimant par exemple. Au cours de la sixième étape on procède au traitement thermique, chauffage à 8000 C pour réaliser in situ sur la bobine la diffusion des éléments métalliques. La figure 3 illustre un produit plus élaboré que celui des figures 1 et 2 puisque les brins 7 ou 7 ', obtenus de la façon décrite précédemment dans les première, deuxième, troisième et quatrième éta Des sont mis en place, au cours d'une cinquième nouvelle étape, le nombre de brins 7 ou 7 ' étant par exemple de 7, à l'intérieur d'une gaine résistive 8 contenant une poudre isolante 9 identique à la poudre 5 -6 - définie précédemment La gaine résistive peut être réalisée en cupronickel ou acier inoxydable. La poudre isolante 9 peut être avantageusement précompactée dans un moule (par exemple sous une pression de quelques dizaines de kilogrammes par mm 2). L'ensemble constitue un conducteur multibrins 10 Au cours d'une nouvelle sixième étape on procède à au moins un étirage du conducteur multibrins 10 semblable à eelui de la quatrième étape décrite précédemment. Au cours d'une nouvelle septième étape le multibrins O 10 une fois étiré est embobiné sur une bobine d'électroaimant par exemple. Au cours d'une huitième étape on procède à un traitement thermique, chauffage à environ 800 C, afin de réaliser la diffusion des éléments métalliques pour former la phase supraconductrice. Les applications sont du domaine des supraconducteurs. -7- REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication de supraconducteurs comportant dans l'ordre des étapes de fabrication suivantes première étape mise en place en barreaux d'un premier élément métal- lique dans une matrice métallique à au moins deux éléments, ledit premier élément et un deuxième élément devant former le supraconducteur. deuxième étape filage et étirage desdits-barreaux afin d'obtenir des tiges de forme extérieure hexagonale, troisième étape empilement des tiges de forme hexagonale en un ensemble constitué dudit empilement revêtu d'un tube ( 4) de bronze; la deuxième et la troisième étapes peuvent être répétées une ou deux fois. La dernière fois, ledit tube peut être en cuivre et/ou certaines desdites tiges pouvant être remplacées par des tiges de cuivre servant à la stabilisation ( 6), quatrième étape filage et étirages multiples successifs dudit ensemble afin de réduire les sections et allonger les longueurs dudit ensemble pour réaliser un brin de faible diamètre, cinquième étape embobinage dudit brin en une bobine, sixième étape chauffage de la bobine à une température de 800 C environ pour réaliser la diffusion dudit premier élément métallique dans ledit deuxième élément, caractérisé en ce qu'au cours de la troisième étape et au début de celleci on empile lesdites tiges ( 1) de forme hexagonale les unes contre les autres en même temps qu'une poudre d'oxyde ( 2) dopé d'élément conducteur disposée entre les empilements et servant de barrières résis- tives et/ou qu'à la fin de la troisième étape on dispose entre ledit tube ( 4) et une couronne résistive ( 6) une poudre isolante ( 5) électri- quement, réfractaire et non soluble dans lesdits tubes ( 4) et ladite couronne ( 6), les poudres ( 2) et ( 5) pouvant être avantageusement précompactées. 2/ Procéde de fabrication de supraconducteurs comportant dans l'ordre des étapes de fabrication suivantes première étape mise en place en barreaux d'un premier élément métal- lique dans une matrice métallique à au moins deux éléments, ledit uremier 254374 'g élément et un deuxième élément devant former le sunracondueteur. deuxième étape filage et étirage desdits barreaux afin d'obtenir des tiges de forme extérieure hexagonale, troisième étape empilement des tiges de forme hexagonale en un ensemble constitué dudit empilement revêtu d'un tube ( 4 I de cuivre ettou certaines desdites tiges pouvant être remplacées par des tiges de cuivre servant à la stabilisation, quatrième étape filage et étirages multiples successifs dudit ensemble afin de réduire les sections et allontger les longueurs dudit ensemble pour réaliser un brin de faible diamètre, cinquième étape enrobage des brins multifilamentaires Dar une gaine isolante ( 8) et mise en place d'une pluralité de brins ( 7, 7 ') afin de former un conducteur multibrins ( 10), sixième étape embobinage dudit multibrins en une bobine, septième étape chauffage de la bobine à une température de 800 C environ pour réaliser la diffusion dudit premier élément métallique dans ledit deuxième élément, caractrisé en ee qu'au cours de la troslième étape et au début de celle-ci on empile lesdites tiges ( 1) de forme hexagonale les unes contre les autres en même tem Ds qu'une poudre d'oxyde ( 2) dopé d'élément conducteur disposée entre les empilements et servant de barrières résistives et/ou qu'au cours de la cinquième éta De on dispose entre lesdits multibrins ( 10) et ladite gaine résistive ( 8) une poudre isolante ( 9) électriquement, réfractaire et non soluble dans ladite gaine résistive et lesdits multibrins ( 10). 3/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite poudre d'oxyde est de l'oxyde de magnésium Mgb dopé de euivre ou d'un alliage de cuivre tel que le bronze ou le cupro-nickel. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caraetérisé en ce que ladite poudre isolante est de l'oxyde de magnésium Mg O ou d'aluminium AI 203 / Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite poudre isolante est du verre stable à 8000 Co 6/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite poudre isolante est du quartz stable à 800 C. 7/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que 2543741- -9 _ lesdits composés intermétalliques sont du niobium-étain Nb 3 Sn et que ledit premier élément est du bronze et ledit deuxième élément du niobium. 8/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ee que lesdits composés intermétalliques font partie du groupe de composés tels que le niobium-silicium Nb 3 Si, le niobium-aluminium Nb 3 Al, le vanadium-gallium v 3 Ga, le vanadium-silieium V 35 i. 9/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits composés intermétalliques sont des supracondueteurs à base de phases de CHEVREL tel le plomb molybdène-soufre Pb M 0658. 10/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdites poudres d'oxyde dopé et/ou lesdites poudres peuvent être précompactées sous une charge de quelques dizaines de kilogrammes par millimètre carré.