Brevet FR2707419A1 — publié le 19950113

La présente invention concerne un conducteur en aluminium de grande pureté, utilisé aux très basses températures de 30 K ou moins, ainsi qu'un procédé pour sa production, le conducteur en aluminium étant utilisé dans des conditions dans lesquelles une déformation cyclique lui est imposée à très basse température. Dans les dispositifs et les équipements qui utilisent un supraconducteur, un conducteur, généralement appelé stabilisateur cryostatique, est disposé sur le supraconducteur et autour de celui-ci, pour le protéger par dérivation du courant électrique dans ce conducteur lorsque l'état de supraconductivité revient partiellement ou complètement à l'état de conductivité normale sous l'effet de perturbations thermiques, électriques ou magnétiques extérieures. Le passage de l'état de supraconductivité à l'état de conductivité normale (couramment appelé "quenching" ou extinction) s'accompagne de production de chaleur IGR (o I désigne le courant électrique et R la résistivité électrique du conducteur) dans les régions normales du conducteur o passe le courant. Par le fait que l'aluminium de grande pureté a une résistivité électrique remarquablement faible aux très basses températures et dans les champs magnétiques, la possibilité de l'utiliser en tant que stabilisateur cryostatique dans de telles applications a été discutée [F.R. Fickett, "Magneto-resistivity of Very Pure Polycrystalline Aluminum", Phy. Rev. B. Vol. 3, n' 6, 1971, p. 1941; "Superconducting Magnetic Energy Storage" Vol.1: Basic R&D 1984-85, EPRI GS-7053, édité par l'Electric Power Research Institute en nov. 1990]. L'utilisation d'un stabilisateur cryostatique fait d'aluminium de grande pureté a été envisagée pour des dispositifs de stockage d'énergie magnétique à supraconductivité (SMES = Superconducting Magnetic Energy Storage). Mais dans de tels dispositifs, qui stockent de grandes quantités de puissance électrique, des contraintes périphériques sont produites par le passage de courant à travers l'aimant et, lorsque les processus de charge et de décharge électrique sont répétés, des contraintes cycliques de traction et de compression sont imposees à répétition au supraconducteur et au stabilisateur cryostatique. Il est connu que de telles contraintes cycliques, qui comprennent une composante de déformation plastique aux très basses températures, exercent une influence nuisible sur l'aluminium de grande pureté aux très basses températures, sous la forme d'une augmentation de la résistivité électrique úAdvances in Cryogenic Engineering. 22, 486-489 (1976>]. En conséquence, dans les applications dans lesquelles des déformations cycliques sont imDosées aux très basses températures au stabilisateur cryostatique en aluminium de grande pureté, le composant conducteur en aluminium de grande pureté doit avoir une section transversale relativement grande, eu égard à une possible augmentation de la résistivité électrique du stabilisateur cryogénique tandis qu'il est en service, ou bien le conducteur doit être realise de manière à réduire la déformation plastique du stabilisateur cryostatique pour les mêmes contraintes, en augmentant la résistance mécanique des matériaux structurels des SMES. Toutefois, ces contre-mesures nécessitent une grande quantité de matériaux lorsqu'elles sont adoptées pour des structures aussi grandes que des SMES à l'échelle utilitaire et, en conséquence, elles sont très coûteuses. Par ailleurs, il est connu, d'après le compte rendu de la Conférence Internationale sur les matériaux cryogéniques, leurs applications et leurs propriétés, Shenyang, République Populaire de Chine, 7-10 juin 1988, que dans le cas o un conducteur en aluminium de grande pureté, ayant la même pureté que celle de l'aluminium de grande pureté selon la présente invention, est utilisé aux très basses temperatures, sa résistivité électrique dans les conditions de déformation cyclique ne reste pas suffisamment faible pour un stabilisateur si le nombre des déformations cycliques est trop élevé. La présente invention a pour but de mettre à disposition un conducteur en aluminium de grande pureté, utilisé aux très basses températures, ayant une pureté de 99,9 à 99,9999% en poids, de préférence de 99, 99 à 99,9999% en poids, caractérisé en ce que l'augmentation de sa résistivite électrique est maintenue faible dans les conditions o une déformation cyclique est produite aux très basses températures. Le terme "très basses températures" désigne ici une gamme de température de K ou moins. Un autre but de la présente invention est de mettre à disposition un procéde de production pour ce conducteur en aluminium. Les auteurs de la présente invention ont fait des recherches approfondies concernant la mise au point du conducteur en aluminium de grande pureté, dans lequel l'augmentation de la résistivité électrique aux très basses températures est maintenue faible, même après qu'une déformation cyclique a été imposée aux très basses températures. Ils ont ainsi découvert que, par le contrôle de la structure cristalline du conducteur en aluminium de grande pureté de sorte qu'elle consiste en Ci) un monocristal qui a un axe de cristal spécifique 111 ou 100 ou compris dans une plage angulaire non supérieure à 10 par rapport à l'axe 111 ou 100 dans la direction longitudinale du conducteur en aluminium, ou en (ii) un polycristal dont la plupart des grains cristallins ont des axes spécifiques respectifs, à savoir les axes 111 et/ou 100 et/ou des axes compris dans une plage angulaire non supérieure à 10 par rapport à l'axe 111 ou 100, dans la direction longitudinale du conducteur en aluminium, et ont une grosseur spécifique des grains de cristal, à savoir la grosseur moyenne des grains de cristal, comprise entre 0, 01 mm et 3,0 mm, l'augmentation de résistivité électrique du conducteur en aluminium peut être maintenue faible aux très basses températures, même après qu'une déformation longitudinale cyclique a été imposée aux très basses températures. L'invention est appliquée à de l'aluminium de grande pureté, ayant une pureté de 99,9 à 99,9999% en poids, de préférence de 99,99 à 99,9999% en poids. Dans le cadre de l'invention, la pureté de l'aluminium de grande pureté est définie par le pourcentage en poids obtenu en déduisant de 100 la quantité d'éléments métalliques et semi-métalliques qui sont contenus dans l'aluminium et qui sont détectés par exemple par GDMS (spectroscopie de masse à décharge luminescente). Les composants gazeux contenus dans l'aluminium, tels que les atomes d'oxygène, d'hydrogène ou de chlore, ne sont pas déduits. Un aluminium de grande pureté, ayant un niveau de pureté inférieur à 99,9% en poids, ne convient pas comme stabilisateur cryostatique pour des dispositifs tels que les SMES utilisant des supraconducteurs, par le fait que, même aux très basses températures, sa résistivité électrique n'est pas suffisamment faible pour un stabilisateur. Un véritable monocristal peut être produit par la méthode de cristallogênèse par recuisson sous contrainte. La méthode de Bridgeman, la méthode de Chalmers ou la méthode de Gzochralski, qui utilise un cristal orienté formant germe, peut être adoptée pour obtenir un conducteur en aluminium constitué par un quasi-monocristal qui présente l'axe ou ou les axes de cristal compris dans une plage angulaire non supérieure à 10' par rapport à l'axe ou dans la direction longitudinale du conducteur en aluminium. Une méthode de coulée continue particulière à très faible vitesse peut être adoptée pour obtenir un conducteur en aluminium constitué par le quasi- monocristal. Un polycristal du type en faisceau, constitué par un faisceau de grains dont chacun est en forme de colonne et est presque aussi long que la longueur du conducteur en aluminium dans la direction longitudinale de celui- ci, produit les mêmes effets que ceux du monocristal et il a l'orientation spécifique et efficace mentionnée ci- dessus. Une méthode de coulée continue particulière à très faible vitesse peut être adoptée pour obtenir un tel faisceau de polycristal. Un polycristal, constitué par des grains de cristal très grossiers, dont chacun (i) est aussi long que le diamètre du conducteur en aluminium dans la direction latérale du conducteur et (ii) est aligné l'un après l'autre dans la direction longitudinale du conducteur, et dont la plupart présentent l'axe K11i> et/ou ou respectivement, dans la direction longitudinale du conducteur, peut se comporter de manière semblable au monocristal susmentionné comme conducteur en aluminium de grande pureté utilisable aux très basses températures selon la présente invention. En outre, un conducteur en aluminium constitué par un polycristal dont la plupart des grains de cristal présentent l'axe ou et/ou les axes de cristal compris dans une plage angulaire non supérieure à i0 par rapport à l'axe ou respectivement, dans la direction longitudinale du conducteur en aluminium et ont une grosseur moyenne de grains entre 0,01 mm et 3,0 mm, de préférence entre 0,01 et 2,0 mm, se comporte effectivement lui aussi comme un aluminium de grande pureté utilisé aux très basses températures selon la présente invention. Une texture de cristal de filage ou une texture recristallisee convient pour un tel polycristal. Dans le cadre de la présente invention, une telle texture de cristal de filage ou texture recristallisée peut être obtenue en traitant par filage l'aluminium de grande pureté à 150-350'C et avec un rapport de réduction de surface de 1/10 à 1/150, de préférence de 1/20 a 1/100, en le refroidissant éventuellement & la température ambiante, en le chauffant ensuite jusqu'à une gamme de température de 250 à 530 C et en le maintenant à cette température pendant 10 à 120 mn. Comme on le verra d'après les tableaux 1 et 2 présentés ci- après, à la suite d'une déformation cyclique imposée 3000 fois à très basse température, l'aluminium de grande pureté de l'invention a une resistivité électrique dans l'hélium liquide inférieure à celle de l'aluminium utilisé dans les exemples comparatifs et il a donc d'excellentes propriétés en tant que stabilisateur cryostatique utilisé aux très basses températures. Exemple i Une barre en aluminium de grande pureté, ayant une pureté de 99,999% en poids, a été filée à 280'C dans une presse de filage à chaud (presse de filage de 1500 t de NIHON TEKKO) depuis un diamètre initial de 155 mm jusqu'à 25 mm. Après avoir coupé la barre pour obtenir une éprouvette de 210 mm de longueur, on a chauffé celle-ci rapidement à 450 C et on l'a maintenue à cette température pendant 10 mn. Une pièce de 10 mm de longueur a été découpée dans une partie d'extrémité de l'éprouvette de 210 mm de longueur et la surface de coupe a été usinée et polie. Après que la couche superficielle polie de la pièce eut été éliminée par décapage chimique et qu'il eut été vérifié que l'éprouvette était constituée par un cristal en forme de grains, la figure de pâles a été mesurée par diffraction des rayons X (méthode de réflexion de Schulz). Par suite, une structure a été constatée dans cette figure de pôles et il a été confirmé que la grosseur moyenne de grains était de 0,4 mm par la méthode de la moyenne d'aires de la surface décapée. Les mm restants de l'éprouvette de 210 mm de longueur ont été transformés au tour en une barre-éprouvette de mm de diamètre et de 200 mm de longueur. La barre- éprouvette a été recuite à 250 C pendant 2 h et la contrainte résiduelle sur la surface de la barre- éprouvette, due au travail au tour, a été éliminée. Puis l'éprouvette a été trempée avec des gabarits dans de l'hélium liquide et sa résistivité électrique a été mesurée à la très basse température de 4, 2'K par la méthode de l'affaiblissement des courants de Foucault. En outre, l'éprouvette de 200 mm susmentionnée a été soumise 3000 fois à une contrainte cyclique de traction de 0,1% et de compression, la température étant maintenue à 4,2'K, puis sa résistivité électrique a été mesurée dans l'hélium liquide par la méthode de l'affaiblissement des courants de Foucault, de la manière indiquée dans le paragraphe précédent. Les résultats sont présentés dans le tableau 1. Exemple Les mêmes opérations que dans l'exemple 1 ont été répétées, à cette exception que la pureté était de 99,9995% en poids au lieu de 99,999% en poids et que le traitement thermique de recristallisation a été effectué à 300 C pendant 60 mn au lieu de 450 C pendant 10 mn. Les résultats sont présentés dans le tableau 1. Tableau T,- Mesures sur des échantillons polycristallins Traitement Grosseur moyenne Résistivité électrique (terCq de grains déformation Après 3000 cycles ('C) Cm.) de déformation (mfan)(nocm) (nocm) Ex. I de 450 0,4 0,6 4,3 invention 10 Ex. 2 de 300 0,1 0,6 3,3 l'invention 60 Ex, I 300 0,4 0,58 9,70 comparatif* 60 Ces données sont tirées du compte rendu suivant de la Conférence Internationale sur les matières cryogéniques, leurs applications et leurs propriétés, Shenyang, République Populaire de Chine, 7-10 juin 1988 (tableau 3): KT. Hartwig et G,S, Yuan, Strength and Resistivity Changes Caused by Cyclic Strain at 4,2'K in Pure Aluminium, Cryogenic Materials '88, volume 2, Structural Materiais, Proceedings of the international Cryogenic Materials Conference, June 7- 10, 1988, Shenyang, China, 677 (1988), Z-xem-ple -3 Une barre quasi-monocristailine en aluminium de grande pureté, ayant une pureté de 99,999% en poids, mesurant 20 mm de diamètre et 250 mm de longueur, a été prépareée par la méthode de Chalmers, de sorte que son axe de cristal 4100> soit dans la direction longitudinale de la barre. La barre a été coupee et transformée au tour en une barre-éprouvette de 10 mm de diamètre et 200 mm de longueur. La barre- éprouvette a été recuite à 200 C pendant 2 h et la contrainte résiduelle sur la surface de la barre-éprouvette, due à la coupe et au travail au tour, a été éliminée. Par décapage de la barre-éprouvette monocristalline, il a été vérifié que ce traitement thermique n'avait pas amené de nouveaux grains recristallisés à émerger à la surface de la barre. La barre-éprouvette a été trempée avec des gabarits dans de l'hélium liquide et sa résistivité électrique a été mesurée à la très basse température de 4,2'K par la méthode de l'affaiblissement des courants de Foucault. En outre, la barre-éprouvette a été soumise à des contraintes de traction de 0,1% et de compression à la saturation de résistivité électrique (500 cycles de déformation cyclique), la température étant maintenue à 4,2 K, puis sa résistivité electrique a été mesurée dans l'hélium liquide de la manière indiquée dans le paragraphe précédent. Les résultats sont présentés dans le tableau 2. Les mêmes opérations que dans l'exemple 3 ont été répétées, à cette exception que l'axe du cristal , au lieu de l'axe , était orienté dans la direction longitudinale de la barre. Les résultats sont présentés dans le tableau 2. Exemnlie5 Les mêmes opérations que dans l'exemple 3 ont été repétées, à cette exception que l'axe du cristal déviant de 6 de , au lieu de l'axe (100>, était orienté dans la direction longitudinale de la barre. Les résultats sont présentes dans le tableau 2. Exemle6 Les mêmes opérations que dans l'exemple 3 ont été répétées, à cette exception que l'axe du cristal déviant de 6' de , au lieu de l'axe , était orienté dans la direction longitudinale de la barre. Les résultats sont présentés dans le tableau 2. Exemple comparatif 2 Les mêmes opérations que dans l'exemple 3 ont été répétées, à cette exception que l'axe du cristal , au lieu de l'axe , était orienté dans la direction longitudinale de la barre et que 3000 cycles de déformation cyclique ont été exercés, au lieu de 500 cycles. Les résultats sont présentés dans le tableau 2. Exemple comparatif 3 Les mêmes opérations que dans l'exemple 3 ont été répétées, à cette exception que l'axe du cristal déviant de 6 de , au lieu de l'axe , était orienté dans la direction longitudinale de la barre et que 3000 cycles de déformation cyclique ont été exercés, au lieu de 500 cycles. Les résultats sont présentés dans le tableau 2. Exem-ie comnparatif 4 Les mêmes opérations que dans l'exemple 3 ont été répétées, à cette exception que l'axe du cristal déviant de 15' de , au lieu de l'axe , etait orienté dans la direction longitudinale de la barre et que 3000 cycles de déformation cyclique ont été exercés, au lieu de 500 cycles. Les résultats sont présentés dans le tableau 2. Exemple comparatif 5 Les mêmes opérations que dans l'exemple 3 ont été répétées, à cette exception que l'axe du cristal déviant de 15' de , au lieu de l'axe , était orienté dans la direction longitudinale de la barre et que 3000 cycles de déformation cyclique ont été exercés, au lieu de 500 cycles. Les résultats sont présentés dans le tableau 2. il Tableau 2 Orientation du Résistivité électrique (4,2K) cristal du Avant déformation A la saturation conducteur (noti) (nQcm) 3 100 0,14 1,90 Exemples 4 111 0,13 1,68 de l'in 5 Déviant de 6' de 100 0,14 5,11 vention 6 ODéviant de 6' de 111 0,14 5,81 2 110 0,16 9,47 Exemples 3 Déviant de 6' de 110 0,17 13,70 compara 4 Déviant de 15' de 100 0,14 9,69 tifs S Déviant de 15' de 111 0,19 11,30 ____-- - ----_ --------------- -------------- --------------- ------------- REVENDICATIONS 1.- Conducteur en aluminium de grande pureté, utilisé aux très basses températures de 30 K ou moins, ayant une pureté de 99,9 à 99,9999% en poids, le conducteur en aluminium étant constitué par un monocristal ou un polycristal; le monocristal ayant un axe de cristal spécifique ou qui est essentiellement orienté dans la direction longitudinale du conducteur en aluminium; le polycristal étant composé de grains cristallins dont la plupart ont des axes de cristal spécifiques et/ou la direction longitudinale du conducteur en aluminium. 2.- Conducteur en aluminium de grande pureté selon la revendication 1, dans lequel la pureté du conducteur en aluminium est comprise entre 99,99 et 99,9999% en poids. 3.- Conducteur en aluminium de grande pureté selon la revendication i ou 2, dans lequel le conducteur en aluminium est constitué par un véritable monocristal ou un quasi-monocristai qui a un axe spécifique de cristal 1'l1> ou -100>, ou compris dans une plage angulaire non supérieure à i0O par rapport à l'axe Z 111> ou et/ou ou compris dans une plage angulaire non supérieure à 10 par rapport à ou 0,01 mm et 3,0 mm. 5.- Conducteur en aluminium de grande pureté selon la revendication 4, dans lequel la pureté du conducteur en aluminium est de 99,995 à 99, 9999% en poids, et la grosseur moyenne de grains est de 0,01 à 2,0 mm. 6.- Conducteur en aluminium de grande pureté selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, destiné à être utilisé dans des conditions o il est soumis à des déformations cycliques. 7.- Conducteur en aluminium de grande pureté selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, destiné à être utilisé avec un supraconducteur pour abaisser la possibilité d'extinction 8.- Conducteur en aluminium de grande pureté selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, utilisé comme composant d'un dispositif de stockage d'énergie magnétique à supraconduction. 9.- Procédé de fabrication d'un conducteur en aluminium de grande pureté utilisé à très basse température selon la revendication 4, dans lequel le matériau en aluminium de grande pureté, ayant une pureté de 99,9 à 99,9999 % en poids, est usiné par filage à un rapport de réduction de surface de 1/10 à 1/150 à 150- 350 C, de façon à donner une texture cristalline au matériau en aluminium usiné, il est éventuellement refroidi à la température ambiante, puis chauffé jusqu'à une gamme de température de 250'C à 530 C, et il est maintenu à cette température pendant une période de 10 mn à 120 mn.