Brevet FR2626410A1 — publié le 19890728

PROCEDE POUR AUGMENTER LA MASSE SPECIFIQUE ET AMELIORER L'HOMOGENEITE DES POUDRES DE PHASES CHEVREL ET FIL A PHASES CHEVREL OBTENU SELON CE PROCEDE La présente invention concerne un procédé pour augmenter la masse spécifique et améliorer l'homogénéité des poudres de phases Chevrel. Elle concerne également un fil à phases Chevrel obtenu selon ce procédé. Actuellement, les supraconducteurs commercialisés en NbTi et en Nb3Sn ne permettent pas d'engendrer des champs magnétiques supérieurs à 16 Tesla. Cette limitation est due à des paramètres propres aux matériaux utilisés, tels que la température critique T c et le champ critique Hic2, que l'on ne peut pas améliorer de façon sensible. On peut affirmer que ces matériaux connus ont atteint leurs limites. Les supraconducteurs réalisés au moyen de phases Chevrel ont, dans certains cas particuliers, des champs critiques extrêmement élevés ce qui les prédestine à la réalisation de bobines permettant a'engendrer des champs magnétiques statiques supérieurs à 16 Tesla. A titre d'exemple, le PbMo (PRIS) constitue une combinaison particulièrement intéressante sur le pian pratique étant donné que sa température critique est de 1 5 K et que son champ critique est de l'ordre de 52 Tesla à une température de 4,2 K. Ceci correspond approximativement à une valeur deux fois et demie supérieure à ce que l'on peut obtenir avec le meilleur supraconducteur actuellement commercialisé, à savoir le Nb3Sn.Grâce à ces supraconducteurs s'ouvre, du moins en théorie, la possibilité de réaliser des champs magnétiques statiques de plus de 45 Tesla, ce qui présente un intérêt considérable sur le plan scientifique et technique. Selon les techniques connues à ce jour, les poudres de phase Chevrel sont généralement broyées après leur dernier traitement thermique de telle manière que leurs grains aient des dimensions inférieures à I pm. Cette opération de concassage-broyage s'effectue par exemple dans un broyeur. Pour engendrer des champs magnétiques élevés, le supraconducteur doit se présenter sous la forme d'un fil susceptible d'être bobiné. Divers essais ont été effectués pour permettre la réalisation de fils à phases Chevrel. On peut distinguer deux techniques différentes, l'une consistant à déposer les phases Chevrel en phase gazeuse sur un substrat approprié en forme de fil, de câble ou de bande, et les techniques de la métallurgie des poudres décrites dans l'article "Ternary Supracondutors, EDS. Shenoy, Dunlap, Elsevier North Holland, 1981, Page 119". Pour une fabrication économique de grandes quantités de fils ou de câbles supraconducteurs à phases Chevrel, les techniques évoquées en dernier se sont révélées les plus avantageuses.La poudre de phases Chevrel est pressée de manière isostatique à froid ou à chaud en forme de cylindre puis insérée sous vide dans une ou plusieurs douilles métalliques. Parmi les matériaux utilisés pour la réalisation de ces douilles, on citera l'acier spécial associe à un barrage de diffusion en molybdène (oir l'article Proceedings of the International Conference on Niagnet Technology MT9, Ziirich 1985, page 560). D'autres barrières de diffusion telles le niobium, le tantale ou l'argent peuvent également être utilisées. On sait que l'on ne peut atteindre une densité de courant critique intéressante pour des supraconducteurs à phases Chevrel que si la porosité résiduelle des poudres de phases Chevrel est aussi faible que possible. En d'autre termes, plus la densité effective des poudres de phases Chevrel se rapproche de la densité théorique, plus la quantité de courant susceptible d'être transportée par ces supraconducteurs est importante. On a constaté, au cours des nombreux tests et des analyses effectués sur des phases Chevrel pressées à chaud, que parmi divers paramètres, la masse spécifique du matériau résultant influence de manière non négligeable sa densité de courant critique. Cette densité de courant critique des échantillons de phases Chevrel est atteinte suite à une élévation de la température portée à environ l1000C et à un accroissement de la pression d'environ 2, 5 Ksar. Lors de la fabrication de fils à phases Chevrel, ces conditions sont approximativement atteintes au cours du processus d'extrusion qui s'effectue à environ 1 200 C, et qui peut être suivi d'un martelage et/ou d'un étirage à chaud, et/ou d'un laminage à chaud. Un moyen permettant d'atteindre la densité requise des phases Chevrel a été décrite dans la demande de brevet européen publiée sous le N0 EP 5181 496. Le supraconducteur à phases Chevrel est extrudé au cours d'une première étape de déformation à une température comprise entre 10000C et l6000C de telle manière que sa section subisse une réduction dans une proportion de I à 10. Cette première étape de déformation est suivie de plusieurs étapes de déformation comprenant des extrusions et/ou des étirements à chaud. La densité de courant critique des phases Chevrel ainsi réalisées est comparable à celle du Nb3Sn pour des intensités de champ magnétique plus élevées, ce qui les rend utilisables pour la fabrication de bobines supraconductrices. On sait par ailleurs que les techniques du frittage en phase liquide ou vapeur permettent d'améliorer la liaison de particules pulvérulentes par adjonction d'une deuxième phase ou au moyen d'un liant. Les liants utilisés sont habituellement des composés de céramique et de métal, couramment appelés "Cermets".Pour qu' un tel processus puisse être appliqué à la préparation des poudres de phases Chevrel et des fils de phases Chevrel, les conditions suivantes sont à respecter - Le liant ne doit pas réagir chimiquement avec les phases Chevrel en dégradant les paramètres tels que la température critique Tc, le champ critique Hc2 et la densité de courant critique Jc, - il ne doit pas s'évaporer aux températures atteintes lors de la préparation desdites phases Chevrel, - il doit avoir de bonnes propriétés d'adhérence pour assurer le revêtement des poudres de phases Chevrel, et - il ne doit pas dégrader les qualités mécaniques desdites phases Chevrel aux températures de l'hélium liquide (environ 4,2 K). Le but de la présente invention consiste à améliorer la densité des supraconducteurs à phases Chevrel et de ce fait à augmenter leur densité de courant crtique. Il s'agit en fait d'obturer les pores résiduels de dimensions probablement microscopiques. En outre, on recherche une meilleure liaison entre les particules de poudre de phases Chevrel individuelles et en conséquence une amélioration des réactions chimiques et de l'homogénéité des supraconducteurs. Ces divers buts sont atteints par le procédé de l'invention caractérisé en ce que l'on introduit dans ces poudres de phases Chevrel des substances additives composées d'un métal, d'un mélange de plusieurs métaux et/ou d'un alliage de métaux, toutes ces substances ayant une température de fusion basse, inférieure à la température de traitement thermique de ces poudres. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, on introduit ces substances additives à l'état de poudres et l'on procède à un frittage en phase liquide ou gazeuse. Selon un autre mode de réalisation particulièrement avantageux, on introduit les substances additives en effectuant un revêtement des poudres de phases Chevrel par un procédé physique ou chimique. Ce revêtement est avantageusement effectué par vaporisation. Les substances additives sont de préférence choisies de telle manière qu'elles présentent une affinité particulière pour des substances parasitaires telles que l'oxygène. Selon un mode de réalisation préféré, lesdits substances additives comprennent le plomb et/ou l'étain et/ou des mélanges ou des alliages de plomb et d'étain. Dans le premier mode de réalisation avantageux, les poudres de substances additives sont introduites sous forme de grains dont les dimensions sont de préférence inférieures à l pm. Ces poudres de phases Chevrel sont de préférence des composés à base de plomb, de molybdène et de soufre, sous forme de composés stoechiométriques (PbMo6S8) ou non stoechiométriques (Pb#lo6,35S8). Elles sont avantageusement utilisées à l'état pulvérulent. Selon une autre forme de réalisation avantageuse, on utilise des agents de transfert chimique choisis parmi l'iode, le brome et le bromure de plomb PbBr2 pour mélanger lesdites substances additives auxdites poudres de phases Chevrel. Le fil obtenu selon le procédé de l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte des poudres de phases Chevrel dont la masse spécifique et l'homogénéité sont augmentées par le procédé décrit. La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'exemples de réalisation qui seront décrits en détail ci-dessous. Selon un premier exemple, on ajoute à une poudre ou à un mélange de poudres préparé pour former une phase Chevrel, tel que par exemple un composé de PbMo6S8 à l'état de mélange stoechiométrique ou un composé de Pb, lilo et S à l'état de mélange non stoechiométrique tel que par exemple le PbNlo6,35S8, un métal à faible température de fusion tel que par exemple l'étain, le plomb ou un alliage d'étain et de plomb, à l'état de poudre pure. Ce mélange s'effectue dans une proportion de 0,5 à 20% en poids et est ensuite soumis à un processus de frittage en phase fluide à une température qui est comprise entre 5000C et 15GG C. Le mélange est traité dans un malaxeur pendant 2 à 24 heures.Pour former le fil, on presse le mélange de façon isostatique à froid ou à chaud pour assurer au produit une mise en forme susceptible de permettre son introduction dans une boudineuse-extrudeuse. La suite du processus de fabrication d'un fil est décrite dans la demande de brevet européen publiée sous le N 0181496. Selon un deuxième exemple de réalisation, on effectue par un procédé physique ou chimique connu un revêtement de la poudre de phases Chevrel au moyen d'un métal à faible température de fusion tel que par exemple l'étain, le plomb etc., ou au moyen d'un alliage ayant les mêmes caractéristiques, tel que par exemple un alliage d'étain et de plomb. Après le processus de revêtement, on soumet les phases Chevrel ainsi traitées à un frittage en phase liquide ou gazeuse, à une température comprise entre 5000C et 1500"C. Comme précédemment, on presse le mélange de façon isostatique à froid ou à chaud. Selon un troisième exemple de réalisation, on ajoute à la poudre de phases Chrevel une substance chimique servant de véhicule aux substances additives, telles que le brome, l'iode ou le bromure de plomb (PblBr2) dans une proportion allant de I à 10 en poids et on soumet ce mélange à un frittage en phase fluide à une température comprise entre 5000C et 1500"C. Selon d'autres formes de réalisation, on peut mélanger à la poudre de phases Chevrel des poudres ou des mélanges de poudres des substances suivantes : bismuth, gallium, indium, antimoine thallium ou alliage de cessubstances avec du plomb ou de l'étain, ou encore des substances telles que du PbS, du MoS2 et Mo. Pour l'utilisation du niobium comme barrière de diffusion; l'étain additionné aux poudres de phases Chevrel s'est révélé avantageux du fait qu'il se produit une réaction chimique entre le niobium et l'étain, qui produit du Nb3Sn et empêche ou diminue la réaction entre le niobium et la poudre de phases Chevrel. Un pressage isostatique à chaud ou à froid est ensuite effectué sur cesmélanges. Le frittage en phase fluide peut être effectué pendant ou après la mise en forme du fil par extrusion, martelage ou laminage et étirage. Les additifs fondent à une température de quelques centaines de degrés et remplissent les pores existant entre les particules de poudre. A des températures plus élevées, une phase liquide favorise la diffusion de ces additifs entre les particules de poudre de phases Chevrel et accélère l'homogénéisation du matériau, ce qui permet d'obtenir une quasi soudure des particules poudreuses. Lors du frittage en phase gazeuse, la présence d'un moyen de transport (par exemple le brome ou similaire) engendre une réaction de transfert chimique qui permet d'atteindre le même résultat. La mesure de la densité de courant critique sur des échantillons de poudres de phases Chevrel et de conducteurs réalisés par ces procédés, permet de constater une amélioration d'un facteur 2 à 3 par rapport aux valeurs obtenues lors de la mesure d'échantillons de phases Chevrel et de cons'acteurs issus des procédés connus et dépourvus des additifs mentionnés précédemment. En outre, grâce à ces additifs, on atteint une diminution très importante de la bande passante lors de la mesure inductive de la température critique, ce qui constitue un indice important permettant d'affirmer qu'on obtient une homogénéité accrue du produit.Enfin, l'amélioration de l'homogénéité permet d'accroître le champ critique H Les fils à phases Chevrel réalisés selon ce procédé se caractérisent essentiellement par une augmentation de la densité de courant critique d'un facteur 2 à 3 par rapport à cette grandeur mesurée sur des fils à phases Chevrel conventionnels. De ce fait, on peut valablement envisager de réaliser industriellement des fils ou des fils à phases Chevrel. L'adjonction de métaux ou d'alliages métalliques, ayant des points de fusion bas, permet de réaliser un frittage en phase liquide ou gazeuse en liaison avec les poudres de phases Chevrel. Seuls des addititfs qui permettent d'augmenter de façon conséquente les paramètres critiques tels que T c et H2 peuvent être pris en considération, à condition que ces additifs permettent une imprégnation suffisante et qu'ils ne s'évaporent pas aux températures utilisées pour le traitement thermique. Revcndications 1. Procédé pour augmenter la masse spécifique et améliorer lthomogénéité des poudres de phases Chevrel, caractérisé en ce que l'on introduit dans ces poudres des substances additives composées d'un métal, d'un mélange de plusieurs métaux et/ou d'un alliage de métaux, toutes ces substances ayant une température de fusion basse, inférieure à la température de traitement thermique de ces poudres. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit les substances additives à l'état de poudres et en ce que l'on procède à un frittage en phase liquide ou gazeuse. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit les substances additives en effectuant un revêtement des poudres de phases Chevrel par un procédé physique ou chimique. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on effectue ledit revêtement par vaporisation. 5. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que les substances additives sont choisies de telle manière qu'elles présentent une affinité particulière pour des substances parasitaires telles que l'oxygène. 6. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que lesdites substances additives comprennent le plomb et/ou l'étain et/ou des mélanges ou des alliages de plomb et d'étain. 7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les poudres de substances additives sont constituées de grains dont les dimensions sont inférieures à 1 #m. S. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise des poudres de phases Chevrel qui sont des composés à base de plomb, de molybdène et de soufre, sous forme de com posés stoechiométriques (PbMo6S8) ou non stoechiométriques (Pb#lo S ). 6,35 8 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on utilise comme poudres de phases Chevrel des mélanges stoechiométriques ou non stoechiométriques de PbS, MoS2 et lElo à l'état pulsérulent. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise des agents de transfert chimique choisis parmi l'iode, le brome et le bromure de plomb PbBr2 pour mélanger lesdites substances additives auxdites poudres de phases Chevrel. Il. Fil de phases Chevrel obtenu selon le procédé de l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des poudres de phases Chevrel dont la masse spécifique et l'homogénéité sont augmentées par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.