Brevet FR2539550A1 — publié le 19840720

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un supraconducteur stabilisé par de l'aluminium, et le supraconduc- teur ainsi produit. Au cours des dernières années, à la suite du développe- ment pris par les aimants supraconducteurs et des possibilités améliorées de leur réalisation pratique, il est apparu une tendance de plus en plus nette à souhaiter voir diminuer leur poids, augmenter leur densité de courant et s'améliorer leur stabilité A la lumière de ces facteurs, l'aluminium de pureté élevée s'est révélé être, par comparaison avec le cuivre de pureté élevée, un matériau stabilisant de grande efficacité puisqu'il possède une masse spécifique inférieure d'un tiers à celle du cuivre, qu'il présente une conductivité élec- trique élevée aux températures extrêmement basses, qu'il possède une forte conductivité thermique, qu'il possède une propriété de saturation du point de vue de l'effet de résistance magnétique, etc. Le supraconducteur stabilisé par de l'aluminium que la technique antérieure a proposé jusqu'à ce jour comporte des fils d'aluminium de pureté élevée disposés en torons (et éventuellement fusionnés au moyen de soudure) sur la périphérie d'un fil supra- conducteur 2, par exemple en Cu/Nb-Ti ou Cu/Nb 3 Sn, comme illustré sur la figure 1 (cf demande de brevet japonais (OPI) n'163383/79 (le sigle 'OPI" désigne ici une demande de brevet japonais non examinée publiée)) Le supraconducteur présentant une telle struc- ture est toutefois inférieur du point de vue mécanique et du point de vue électromagnétique du fait que l'adhésion n'est pas suffisam- ment forte entre les fils d'aluminium 1 et le fil supraconducteur 2 en Cu/Nb-Ti ou Cu/Nb 3 Sn Pour éliminer cet inconvénient, on peut remplir llélément composite tout entier de soudure, mais alors le prétraitement des fils d'aluminium devient difficile, car la surface des fils d'aluminium est revêtue d'un oxyde stable. En relation avec les considérations véridiques ci- dessus énoncées, l'invention se donne pour but de produire un supra- conducteur stabilisé par de l'aluminium qui comporte un ruban, ou une bande, d'aluminium et un fil supraconducteur en Cu/Nb-Ti ou Cu/Nb 3 Sn combinés en un élément composite par un procédé simple et de rendement élevé. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue en section droite d'un supraconducteur stabilisé par de l'aluminium selon la technique antérieure; la figure 2 est un schéma explicatif montrant le déroulement du processus mis en jeu dans le procédé de l'invention pour la fabrication d'un supraconducteur stabilisé par de l'aluminium; la figure 3 est un schéma explicatif montrant le déroulement du processus dans lequel des bandes d'aluminium et un fil supraconducteur sont combinés par le procédé de l'invention pour produire un supraconducteur stabilisé par de l'aluminium; la figure 4 est un schéma explicatif montrant diverses formes du ruban, ou de la bande, d'aluminium, la partie (A) représen- tant un ruban plat, et les parties (B) et (C) représentant des rubans plats analogues au ruban plat de la partie (A) à l'exception du fait qu'ils contiennent respectivement une et deux rainures; et la figure 5 est un schéma explicatif montrant diverses structures lparties (A à F)l qui présentent diverses combinaisons positionnelles de fils supraconducteurs et de bandes d'aluminium. On va maintenant décrire la structure de l'invention en se reportant à la figure 2, à la figure 3 et à la figure 4. Alimentation Comme le montre plus spécialement la figure 2, les références 10 et Il désignent des bandes d'aluminium et la référence 12 un fil supraconducteur Les références A, B et C désignent les moyens d'alimentation en ces matériaux de base Les moyens délivrent des rubans, ou bandes, minces (généralement deux, occasionnellement un) d'aluminium de pureté élevée, supérieure à 99,9 %, et un fil supraconducteur en Cu/Nb-Ti ou Cu/Nb 35 n. On peut produire les fils supraconducteurs par un procédé classique Les fils supraconducteurs de Cu/Nb-Ti peuvent être obtenus par une opération classique de laminage à froid ou & chaud d'une billette composite de Cu/Nb-Ti ou par insertion à froid de tubes, ces opérations étant suivies d'une abrasion de la surface. D'autre part, les fils supraconducteurs en Cu/Nb 3 Sn peuvent être produits par des procédés classiques, par exemple bronze, diffusion solide-liquide, etc. En plus du cuivre, il est possible d'utilisercomme matrice de fils supraconducteurs,des alliages de cuivre tels que Cu-Ni, Cu-Be. Les tailles, formes, etc des matériaux de base respectifs sont déterminées préalablement par des mesures expérimentales portant sur les transformations quantitatives subies par lès matériaux de base pendant le laminage Leurs tailles varient en fonction de la qualité des matériaux et des conditions de laminage. Plus particulièrement, les expériences préparatoires peuvent comprendre un dégraissage et un meulage des surfaces de divers échantillons de matériaux de base, dont les tailles et les formes varient (par exemple avec ou sans rainure), un laminage des matériaux sous atmosphère inerte ou réductrice suivant des conditions variables de laminage, comme par exemple la température de chauffage et le rapport de réduction de section, et une vérification de la résistance d'adhésion entre matériaux de base et des propriétés supraconductrices Il nnest pas nécessaire que les expériences prépa- ratoires soient effectuées dans un banc de production, et on pourra les réaliser facilement en utilisant un four de chauffage, un gaz inerte ou réducteur et une machine de laminage. D'un point de vue théorique, les proportions quanti- tatives entre l'aluminium et le fil supraconducteur peuvent varier librement et, en pratique, elles sont déterminées en fonction de divers facteurs conceptuels tels que la taille du supraconducteur, le rapport de la surface au volume, la quantité d'aluminium utilisé comme agent stabilisant et le courant critique. Le mince ruban d'aluminium peut posséder une section droite rectangulaire plate simple, comme représenté sur la partie (A) de la figure 4 Il est toutefois souhaitable que le mince ruban d'aluminium contienne une rainure 13 par exemple, comme représenté sur la partie (B) ou (C) de la figure 4, o le ruban est conçu pour loger un fil supraconducteur. La section droite du fil supraconducteur peut préser L er toute forme ordinaire, par exemple celle d'un cercle ou d'un x ctangle aplati On préfère toutefois généralement les formes correspondant à un plus grand rapport surface-volume,puisque l'adhé- sio à la bande d'aluminium est alors plus forte. Les surfaces des matériaux de base destinées à venir mutuellement en contact sont de préférence préalablement dégraissées ou abrasées à un degré voulu D'autre part, il est souhaitable que ces surfaces subissent un prêtraitement de dégraissage et d'abrasion sur un banc placé entre les moyens d'alimentation A, B et C et le four de chauffage D dans le schéma illustré sur la figure 2. On peut choisir la combinaison des matériaux de base de façon qu'elle soit adaptée au poids unitaire du supraconducteur à produire Le poids unitaire du supraconducteur n'est pas limité par le laminage proprement dit Ainsi, il est théoriquement possible de produire un supraconducteur ayant tout poids unitaire voulu dans la mesure o des moyens d'alimentation A, B et C appropriés, une machine de rembobinage G appropriée et des matériaux de base appropriés sont prévus à cet effet. (L'appareil de fabrication possède une structure simple et offre une grande souplesse d'utilisation puisqu'il admet des variations de la combinaison des parties qui le constituent). Four de chauffage Selon l'état de surface des matériaux de base, la qualité de ces matériaux, les -conditions de laminage, etc, il est possible de réaliser par laminage à froid la combinaison en un élément composite du ruban d'aluminium mince et du fil supraconducteur de Cu/NbTi ou Cu/Nb 3 Sn Pour améliorer l'adhésion entre les constituants (entre le ou les bandes d'aluminium et le fil supraconducteur de Cu/Nb-Ti ou Cu/Nb 3 Sn (en réalité, la couche la plus extérieure de cuivre)), il est souhaitable de chauffer à l'avance les constituants, puis de les laminer à chaud. La température de chauffage dépend des propriétés mécaniques et de l-état de surface des éléments de base particuliers, de l'atmosphère de chauffage et du rapport de réduction de section, de sorte qu'elle doit être déterminée empiriquement De façon générale, la température et le rapport de réduction de section sont corrélés; on peut abaisser la température des matériaux proportion- nellement à l'augmentation du rapport de réduction de section. Il n'est pas obligatoire de chauffer tous les matériaux (la bande d'aluminium et le fil supraconducteur) à une seule et-même température On peut les chauffer à des températures variables en fonction des diverses conditions ci-dessus mentionnées. Selon l'invention, le fil supraconducteur destiné à faire fonction de l'âme aura sa couche sa plus extérieure formée en cuivre ou en alliage de cuivre Lorsque la température de l'âme est élevée, le fil supraconducteur est alors susceptible de former une couche d'un composé intermétallique avec la bande d'aluminium Cette couche de composé intermétallique est cassante au point que des craquelures peuvent se produire et éventuellement fausser l'adhésion entre la bande d'aluminium et le fil supraconducteur S'il se produit que le fil supraconducteur de Cu/Nb-Ti constitue l'âme, ses pro- priétés peuvent être dégradées dans le cas o la température de l'âme dépasse 500 C, parce que la partie Nb-Ti de l'alliage réagit à l'effet de vieillissement. En raison des deux points ci-dessus indiqués, l'inven- tion autorise le chauffage du fil supraconducteur constituant l'âme à une température ne dépassant pas 500 C. Comme moyen de chauffage, il peut être adopté un four cylindrique, tel que le four de chauffage D de la figure 2 D'autre part, le chauffage peut être réalisé sous forme de passage d'un courant électrique ou bien par application d'ondes de haute fréquence, par exemple. Lorsque l'on craint que les traitements thermiques ne conduisent à une oxydation de la surface des matériaux soumis aux traitements et n'empêchent la réalisation d'une forte adhésion, il faut effectuer le chauffage sous atmosphère non oxydante, par appli- cation constante d'un gaz inerte ou réducteur. Laminage Le laminage selon l'invention peut être réalisé au moyen de toute machine de laminage ordinaire Si l'on augmente le rapport de réduction de section (un paramètre qui exerce une influence importante sur la qualité des matériaux, l'état de surface, etc) dans le but d'assurer la production d'un supraconducteur stabilisé par de l'aluminium présentant une forte adhésion entre ses consti- tuants de sorte que la contrainte de cisaillement exercée sur les matériaux pendant un cycle de laminage dépasse la contrainte de cisaillement correspondant à la rupture des matériaux, il devient alors nécessaire de diminuer le rapport de réduction de section par cycle et d'effectuer le laminage en plusieurs passes. Le cylindre E, qui est représenté sur la figure 2, donne un meilleur fonctionnement lorsqu'il est un cylindre du type menant. Refroidissement Selon la température des matériaux à l'issue du laminage et selon la vitesse de laminage, il peut se former, à l'interface de la bande d'aluminium et du fil supraconducteur en Cu/Nb-Ti ou Cu/Nb 35 n, un composé de Cu et AI De nouveau, selon l'extension du composé formé, l'interface peut être devenue cassante Ainsi, si cela est nécessaire, il se peut qu'il faille refroidir les matériaux laminés à chaud au moyen d'un dispositif de refroidissement F. Bobinage Le supraconducteur stabilisé par de l'aluminium est enroulé une fois qu'il a été entièrement préparé On peut utiliser une machine G de mise en bobine ou en botte qui est adaptée au poids unitaire du supraconducteur produit et qui satisfait les conditions voulues. Cabestan (facultatif) A titre facultatif, on peut mettre en place un cabestan l avant la machine de bobinage dans le sens d'avancement du traitement, de façon que le supraconducteur passe, après refroidissement, sur ce cabestan, pour être ensuite enroulé sur la machine de bobinage. La figure 3 est un schéma explicatif montrant un processus dans lequel les bandes 10 et ll et le fil supraconducteur 12 sont laminés pour former un supraconducteur. On va maintenant décrire l'invention en s'aidant des exemples suivants Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux exemples. EXEMPLE 1 Deux bandes d'aluminium de pureté élevée ( 99,9 %), présentant une épaisseur de 3,5 mm et une largeur de 20,0 mm et comportant chacune suivant leur centre une rainure d'une profondeur de 1,0 mm et d'une largeur de 4,0 mm, sont délivrées au niveau supé- rieur et au niveau inférieur, et un ruban plat semiconducteur de Cu/Nb-Ti, d'une épaisseur de 2,0 mm et d'une largeur de 3,8 mm, est délivré au niveau moyen, après quoi ils sont laminés ensemble avec un rapport de réduction de section de 50 % Avant d'être délivrés à la machine de laminage, les bandes d'aluminium et le ruban plat supraconducteur subissent-un dégraissage et une abrasion de surface de degré voulu Dans une atmosphère de gaz réducteur, les bandes d'aluminium sont chauffées à 350 C tandis que le ruban plat supra- conducteur est chauffé à 250 'C, pendant leur acheminement à la machine de laminage Après le laminage, l'élément composite chaud sortant juste de la machine de laminage subit un refroidissement à l'eau froide qui empêche la formation d'un composé au niveau des inter- faces Ensuite, l'élément composite refroidi est enroulé sur la machine de bobinage. Dans le supraconducteur stabilisé au moyen d'aluminium ainsi produit, la résistance au cisaillement des interfaces des bandes d'aluminium et du fil plat supraconducteur en Cu/Nb-Ti n'est pas inférieure à 3 kg/cm Le fil plat supraconducteur en Cu/Nb-Ti- incorporé dans ltélément composite subit un resserrement suivant les lignes centrales dans la direction longitudinale Le supra- conducteur se trouve dans un état exempt de défauts telsque ruptures. Puisque la température de chauffage est relativement basse, la supra- conductivité (la valeur du courant critique) du fil plat supra- conducteur de Cu/Nb-Ti n'est pas sensiblement affectée par le traitement. Dans la présente expérience, le supraconducteur produit a une longueur totale de 100 m Il est utilisé environ 5 m de cette longueur totale pour conditionner le fonctionnement de l'appareil. Ainsi, le rendement est de 95 % Puisque la longueur nécessaire pour le conditionnement est invariable quelle que soit la longueur totale du supraconducteur à produire, on augmente le rendement proportion- nellement à l'augmentation de la longueur-totale. EXEMPLE 2 Deux bandes d'aluminium de pureté élevée ( 99,99 %) ayant une épaisseur de 3,5 mm et une largeur de 20,0 mm et contenant chacune centralement une rainure d'une profondeur de 1,0 mm et d'une largeur de 4,0 mm sont délivrées aux niveaux supérieur et inférieur, et un fil plat supraconducteur en Cu/Nb-Ti-dgune épaisseur de 2,0 mm et d'une largeur de 3,8 mm est délivré au niveau moyen, après quoi ils sont laminés ensemble à un rapport de réduction de section de 50 %. Avant d'être délivrés à la machine de laminage, les bandes d 8 aluminium et le fil plat supraconducteur subissent un - dégraissage et une abrasion superficielle de degré voulu. Les matériaux sont chauffés sous une atmosphère de gaz réducteur Les bandes d'aluminium et le fil plat supraconducteur sont chauffés à des températures variant entre la température ambiante et 600 C, puis sont laminés Après le laminage, les éléments composites produits sont refroidis au moyen d'eau froide. On a soumis les échantillons du supraconducteur stabi- lisé par de l'aluminium ainsi produit à un essai de résistance au cisaillement pour l'interface entre les bandes d'aluminium et le fil plat supraconducteur de Cu/Nb-Ti La relation existant entre la résistance au cisaillement et la température de chauffage de l'me (fil supraconducteur) pour chaque échantillon est indiquée dans le tableau ci-après. Tempéra- ture de l'âme Tempéra- ture ambiante C C 300 o C 400 C 500 C 600 C 7000 C Tempéra- ture ambiante A A A X X x Température de At C 200 C 300 C 400 C 500 C 600 C 0 O O 0 0 0 0 o o o o A o o o o o 0 0 0 0 0 0 o o o o o o o o o o o o 0 O 0 0 0 0 à A AA A A X X X X X X X X X X X X Légende: Le cercle O se rapporte à une résistance au cisaillement de l'interface dépassant 3 kg/mm 2. Le triangle A se rapporte à une résistance au cisailler de l'interface comprise entre 2 et 3 kg/mm 2. La croix X se rapporte à une résistance au cisaillement de l'interface qui est inférieure à 2 kg/mm 2. t nent On a également fait subir à ces échantillons des essais relativement au courant critique L'échantillon dont l'âme a été chauffée jusqu'à 600 C présente une dégradation de 10 % de son courant critique, tandis que l'échantillon dont l'âme a été chauffée à 700 C présente une dégradation de 15 %. Effets Les effets relatifs à l'invention sont énumérés ci- dessous. ( 1) Puisque l'adhésion entre les matériaux constituants est de nature métallurgique et que le rapport de remplissage du conducteur est de 100 %, l 2 adhésion entre le fil supraconducteur et les bandes d'aluminium et celle entre les bandes d'aluminium sont satisfai- santes Ainsi, le semiconducteur produit présente des propriétés mécaniques et électriques excellentes et une stabilité élevée. ( 2) Puisque l'appareil de fabrication du supraconducteur stabilisé par de l'aluminium possède une structure simple, le conditionne- ment du fonctionnement est facile à accomplir. ( 3) Le conditionnement du fonctionnement ne demande que les quelques premiers mètres de la longueur du supraconducteur produit Le reste de la longueur du supraconducteur constitue le produit proprement dit Ainsi, le rendement est très élevé. ( 4) Tout au long du processus de fabrication comportant l'opération de laminage, il est possible de maintenir l'état des matériaux sous observation Ainsi, on peut effectuer facilement le contr 6 le de qualité du produit tout au long du banc de production. ( 5) On peut modifier librement le poids unitaire du supraconducteur produit en changeant de manière appropriée les moyens d 2 alimen- tation et la machine de bobinage La liberté du choix du poids unitaire est encore améliorée par le fait que l'opération consis- tant à réunir les moyens d'alimentation peut s'effectuer sans interruption du fonctionnement du banc de production Ainsi, l'appareil de fabrication du supraconducteur stabilisé par de l'aluminium offre une grande souplesse. ( 6) Le supraconducteur stabilisé par de l'aluminium peut facilement être obtenu dans des structures variables par un choix approprié du nombre des bandes d'aluminium et de celui des fils supra- conducteurs à utiliser Des exemples de structure sont illustrés sur la figure 5 lparties (A à F)l Sur cette figure, les parties hachurées sont les fils supraconducteurs et les parties non hachurées-sont les bandes d'aluminium. ( 7) On peut avantageusement traiter les matériaux à des températures inférieures à 5000 C pour fabriquer le supraconducteur stabilisé par de l'aluminium, bien que cette température puisse varier en fonction des types de matériaux et de l'état de surface des matériaux Puisque les matériaux autorisent une fixation aisée de la température, haute et basse, il n'existe pas de possibilité que la supraconductivité soit altérée par suite d'un ajustement médiocre de la température. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé dont la description vient d'gtre donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 Procédé de fabrication d'un supraconducteur stabilisé par de l'aluminium, caractérisé en ce qu'il consiste à combiner par laminage, en un élément composite, un-élément allongé mince d'alu- minium ( 10, 11) et un fil supraconducteur ( 12) constitué d'un matériau choisi dans le groupe formé du cuivre et d'un alliage de cuivre comme matrice. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe (D) le fil supraconducteur pour effectuer le laminage (E) à une température qui n'est pas supérieure à 500 'C. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'aluminium est constitué d'un aluminium de pureté élevée supérieure ou égale à 99,9 %. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil supraconducteur est un fil supraconducteur à plusieurs âmes formé d'ames extrêmement fines. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les fines âmes sont constituées d'un matériau choisi dans le groupe formé de Cu/Nb-Ti et Cu/Nb 35 n. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'aluminium comporte une rainure dans laquelle le fil supraconducteur est placé. 7 Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce qulil comprend en outre les opérations consistant à soumettre l'élément d'aluminium et le fil supraconducteur à un traitement de dégraissage et d'abrasion avant de les mettre en contact l'un avec l'autre. 8 Supraconducteur stabilisé par de l'aluminium produit par le procédé de la revendication 1.