Brevet FR2720541A1 — publié le 19951201

Procédé pour fabriquer des éléments supraconducteurs pour aimants cMS ou des applications analogues. et élément sunraconducteur ainsi fabriqué La présente invention a trait à un procédé de fabrication d'éléments supraconducteurs présentant une bonne résistance mécanique et perméables à des particules subatomiques, en particulier pour aimants CNS (détecteurs de particules) ou d'autres applications nécessitant des caractéristiques techniques similaires, et à un élément supraconducteur fabriqué par un tel procédé. Dans la fabrication d'aimants cNS il s'est avéré nécessaire d'enfermer le supraconducteur, consistant normalement en un câble tressé supraconducteur dans une gaine d'aluminium stabilisatrice, à l'intérieur d'un support rigide capable de résister à des contraintes électromécaniques et qui en même temps est perméable à des particules subatomiques.Bien que le problème puisse être résolu en utilisant un alliage d'aluminium durcissant par vieillissement, la contrainte de cisaillement minimale estimée, supérieure à 10 N/fl2, pouvant être transmise entre le stabilisateur et l'alliage n'a jusqu'à présent pu être atteinte en utilisant des procédés traditionnels d'assujettissement aluminium-alliage d'aluminium, à savoir par rivetage du support rigide sur la gaine en aluminium, ou par brasage du support après cuivrage des éléments constitutifs (qui est également un procédé relativement coQ- teux). Un autre procédé connu pour assujettir le câble supraconducteur à la gaine d'aluminium stabilisatrice consiste en une opération de filage combiné qui procure une excellente adhérence des éléments constitutifs. Cependant, d'une part, aucun produit de ce genre obtenu par filage combiné n'a encore été soumis au degré précité de contrainte de cisaillement alors que, d'autre part, le fait d'assujettir l'alliage-sup port à la gaine en aluminium du supraconducteur par filage combiné risque, en raison des températures opératoires que cela comporte, de nuire sérieusement au courant critique dans le supraconducteur et, avant tout, de poser de sérieux problêmes mécaniques en ce qui concerne le passage du câble et de la gaine d'aluminium stabilisatrice combinés, qui forment nécessairement un ensemble important et déjà relativement rigide, à travers la filière de filage combiné. La présente invention a pour objet de créer un procédé de fabrication d'éléments supraconducteurs présentant une bonne résistance mécanique et perméables à des particules subatomiques, en particulier pour aimants CMS, destiné à remédier aux inconvénients précités et qui soit en même temps relativement simple et économique. Ce but est atteint, pour un procédé de fabrication d'éléments supraconducteurs présentant une bonne résistance mécanique et perméables à des particules subatomiques, en particulier pour aimants CMS, selon l'invention par le fait qu'il comprend l'opération consistant à former par filage combiné simultanément, autour d'un seul câble supraconducteur, une première gaine appliquée sur le câble par filage et constituée d'une première matière stabilisatrice, et une seconde gaine appliquée par filage sur la première gaine et constituée d'une autre matière formant support mécanique. Plus spécifiquement, la première matière consiste en aluminium pur alors que la seconde matière consiste en un alliage d'aluminium d'une composition telle qu'il soit susceptible de durcir par vieillissement ; de plus, pour permettre à l'opération de filage combiné et simultané de s'effectuer dans de bonnes conditions les deux matières précitées doivent présenter le même taux de filage combiné. L'opération de filage combiné simultané s'effectue en forçant au moins une paire de lingots, identiques pour les deux matières précitées, simultanément et sous la même pression dans un dispositif de mise en forme présentant deux filières concentriques disposées en série l'une avec l'autre le long d'un axe et alimentées par deux chambres annulaires concentriques, destinées à recevoir chacune les lingots de l'une desdites matières dans des positions diamétralement opposées, et en faisant passer le câble supraconducteur simultanément le long dudit axe et à travers les deux filières à la même vitesse que la vitesse de filage des deux matières précitées. Ceci permet, d'une part, d'atteindre un degré de cohésion suffisant des trois constituants, simultanément filés de façon combinée, pour résister aux contraintes de cisaillement produites et, d'autre part, d'éviter une dégradation thermique sérieuse de la matière constitutive du câble en n'effectuant qu'une seule opération de chauffage et, plus particulièrement, en procédant avec un gradient de température propre à réduire considérablement l'échauffement du câble. Il s'est en effet avéré, de façon surprenante, que l'excellente adhérence de la gaine d'aluminium et de la gaine-support en alliage d'aluminium l'une à l'autre dépendait des pressions échangées entre les deux constituants à l'état fluide lors de leur passage, sous pression et en contact intime, à travers les filières du dispositif de mise en forme.Ceci permet par conséquent d'effectuer le procédé à des températures beaucoup plus basses que celles qui seraient nécessaires si la gaine support devait être appliquée de la manière normale par filage combiné sur le constituant fini (câble + gaine d'aluminium). Enfin, une fois l'équipement nécessaire fabriqué, l'opération de filage combiné simultané selon la présente invention peut s'effectuer d'une manière simple, à bas prix et à haute vitesse. Dans un mode de réalisation avantageux du procédé de l'invention le câble supraconducteur est porté à une première température préétablie avant d'être amené à passer à travers les filières, les lingots de la première matière sont portés à une seconde température préétablie et les lingots de la seconde matière sont portés à une troisième température préétablie, cette troisième température étant supérieure à la seconde température et la seconde température étant supérieure à la première température. Selon une caractéristique avantageuse du procédé de l'invention les filières sont chauffées avec un gradient de température qui va en diminuant en direction du câble supraconducteur. D'autre part, l'élément supraconducteur de l'invention, doué d'une bonne résistance mécanique et perméable à des particules subatomiques, en particulier pour aimants CMS, comprend un câble supraconducteur formé d'une tresse de fils supraconducteurs, une première gaine recouvrant entièrement et noyant le câble supraconducteur et formée d'une première matière perméable auxdites particules et une seconde gaine qui, recouvrant et noyant au moins une partie de la première gaine et formée d'une seconde matière perméable auxdites particules, présente des caractéristiques mécaniques meilleures que celles de ladite première matière, le câble et les gaines étant assujettis entre eux en contact intime par filage combiné de façon à transmettre des contraintes de cisaillement supérieures à 10 newtons par millimètre carré. Une forme de réalisation non limitative de la présente invention est décrite ci-dessous à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue éclatée schématique de l'équipement destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, et de l'opération de filage combiné simultané de l'invention les figures 2 et 3 sont des vues en coupe transversale de deux éléments supraconducteurs différents fabriqués selon la présente invention ; la figure 4 montre à plus grande échelle un détail de la figure 1 ; les figures 5 et 6 sont des vues frontales de deux parties différentes de l'équipement de la figure 1, indiquées respectivement par les flèches C et D de cette dernière. Sur les figures 1 à 3 le nombre 1 indique un équipement pour fabriquer, en une seule opération de filage combiné simultané, un élément supraconducteur présentant une bonne résistance mécanique et qui est en même temps perméable à des particules subatomiques. Une première forme de réalisation d'un tel élément est désignée dans son ensemble par 2 sur la figure 2 et comprend un câble supraconducteur connu 3 formé d'une tresse de fils supraconducteurs (non représentés individuellement) tressés d'une manière connue ; une première gaine 4 recouvrant toute la surface latérale du câble 3 et dans laquelle celui-ci est noyé complètement comme dans une matrice ; et une seconde gaine 5 recouvrant l'ensemble de la surface latérale de la gaine 4 et dans laquelle la gaine 4 est complètement noyée avec le câble 3 à l'intérieur de celle-ci. Etant donné que le câble 3 se présente sous la forme d'une courroie , les gaines 4 et 5 présentent une section sensiblement rectangulaire bien que les trois constituants puissent bien entendu tous présenter une section quelconque. Une deuxième forme de réalisation de l'élément supraconducteur selon l'invention est désignée dans son ensemble par 6 sur la figure 3 et, le même système de numérotation étant utilisé que celui employé pour désigner des éléments constitutifs semblables de la figure 2, comprend un câble supraconducteur tressé 3 complètement noyé dans une gaine 4. Dans ce cas cependant, contrairement à une seconde gaine 5 dans laquelle la gaine 4 est complètement noyée, l'élément 6 comprend une seconde gaine 7 extérieure à la gaine 4 et qui, dans l'exemple non limitatif représenté, laisse une face latérale 8 exposée, laquelle face latérale 8 est en outre moletée dans l'exemple représenté, de sorte que la gaine 4 n'est que partiellement noyée dans la gaine extérieure 7. Dans les deux formes de réalisation 2 et 6 la première gaine 4 est réalisée en une première matière, par exemple de l'aluminium pur, perméable à des particules subatomiques et capable d'agir en tant que stabilisateur pour le câble 3, et la gaine extérieure 5 ou 7 est réalisé en une seconde matière différente, également perméable à des particules subatomiques, mais présentant une bonne résistance mécanique et, plus spécifiquement, des caractéristiques mécaniques meilleures que celles de la première matière, comme par exemple un alliage d'aluminium d'une composition propre à le rendre durcissable par vieillissement, par exemple par précipitation de phases intermétalliques au niveau des limites de grains après traitement par dissolution (par exemple un alliage AlMgSi selon ASTM 6061). Selon la présente invention, la structure précitée des éléments 2 et 6 est également caractérisée par un câble 3, une gaine 4 et une seconde gaine 5 ou 7 qui sont intimement mis en contact entre eux par filage combiné (conduisant de façon caractéristique à une diffusion intermétallique partielle des éléments constitutifs du produit) de façon à échan ger des contraintes de cisaillement de plus de 10 newtons par millimèrre carré. Ceci est obtenu selon l'invention en réalisant par filage combiné simultanément (c'est-à-dire en une seule opération) le câble 3, la gaine 4 et la seconde gaine 5 (ou 7) en utilisant l'équipement 1. Ainsi qu'il ressort également des figures 4, 5 et 6, l'équipement 1 peut être monté sur une presse à filer traditionnelle d'un type connu quelconque dont sont représentés le bâti ou partie fixe 10 et des organes de poussée ou presseurs 11 qui, étant tous montés sur la partie déplaçable de la presse (non représentée), sont amenés à fonctionner ensemble et simultanément à la même vitesse. Outre les organes de poussée 11, l'équipement 1 comprend également un conteneur 12 pouvant être monté de manière amovible dans la partie fixe 10 de la presse au moyen d'une bague taraudée 12a (ou réalisé en une pièce avec la partie 10), et un dispositif de mise en forme 13 (représenté seulement en partie dans la mesure où il est symétrique, et dont une vue à plus grande échelle est représentée sur la figure 4) qui peut être monté sur le conteneur 12 du côté opposé aux organes de poussée 11 et à l'intérieur duquel le câble 3 peut être reçu en glissant.Dans l'exemple représenté le câble 3 est déroulé d'une bobine 14 montée à l'intérieur d'une étuve de préchauffage 15 et est guidé le long d'une courbe de 1800 à l'intérieur du dispositif 13 lorsqu'il est introduit dans celui-ci excentriquement par rapport à l'axe 16 du dispositif 13, du côté opposé au conteneur 12, et est retiré du dispositif 13 du même côté que celui où il y a été introduit, mais en étant aligné sur l'axe 16. Selon une première caractéristique de l'invention (figure res 1 et 5) le conteneur 12 se présente sous la forme d'un bloc comportant deux paires différentes de logements cylindriques 18 et 19, destinés chacun à recevoir un lingot respectif (non représenté) de matière à filer de façon combinée conjointement avec le câble 3. Le conteneur 12 selon l'invention peut donc contenir simultanément et avec le même espacement radial, deux lingots identiques d'une première matière (par exemple de l'aluminium pur) à l'intérieur des logements 19 et deux lingots, pouvant éventuellement présenter des sections différentes mais ayant la même longueur que les deux premiers lingots, d'une seconde matière (par exemple un alliage d'aluminium) à l'intérieur des logements 18.Des organes de poussée 11 (au nombre de quatre) permettent de comprimer simultanément les quatre lingots (non représentés) de deux matières différentes se trouvant dans les logements 18 et 19, en poussant les blocs respectifs 20 à l'intérieur des logements. Etant donné que le conteneur 12 est rigide, les lingots préchauffés à l'intérieur des logements 18 et 19 sont par conséquent soumis à une pression telle que la matière constitutive des lingots, bien qu'étant techniquement encore à l'état solide, se comporte comme un fluide (c'est-à-dire qu'elle revêt la structure atomique désordonnée typique des liquides) bien qu'étant d'und haute viscosité, et soit amenée à partir des logements 18, 19 du conteneur 12 dans le dispositif de mise en forme 13. Comme représenté clairement sur la figure 4, le dispositif de mise en forme 13 comprend un cadre extérieur rigide 22 en forme de godet et un plateau 23 sur lequel l'extrémité ouverte du cadre 22 est montée, de manière étanche aux fluides, pour former un boîtier clos. Le plateau 23 présente également deux paires d'organes de remplissage 24 et 25 (figure 6) qui s'adaptent à l'intérieur des logements respectifs 18 et 19 du côté opposé aux organes de poussée 11.Des organes de remplissage 24 sont disposés de façon diamétralement opposée, l'entrée étant décalée par rapport à l'axe du logement respectif 18 et déplacée radialement vers l'extérieur du cadre 22 ; d'autre part, des organes de remplissage 25 sont disposés de façon diamétralement opposée avec un décalage de 900 par rapport aux organes de remplissage 24, l'entrée étant décalée par rapport à l'axe du logement respectif 19 et déplacée en direction de l'axe du cadre 22.Le bottier clos défini par le cadre 22 et le plateau 23 est divisé intérieurement en deux chambres annulaires concentriques 28 et 29 par un diaphragme tronconique rigide 27 monté contre le plateau 23 au moyen d'une bague 26 de sorte que les organes de remplissage 24 permettent à la matière fluidifiée se trouvant dans les logements 18 de passer dans la chambre radialement la plus extérieure 28, et que les organes de remplissage 25 permettent à la matière fluidifiée se trouvant dans les logements 19 de passer dans la chambre 29 plus proche de l'axe 16. A travers le cadre 22 et le plateau 23 il est formé un conduit de guidage 30 en forme d'arc qui se termine sensiblement de façon à être aligné sur l'axe 16 et accessible du côté opposé au plateau 23 à travers une douille perforée 31 logée excentriquement à l'intérieur du cadre 22 et pouvant être raccordée de manière connue (non représentée) à la sortie de l'étuve 15. Un support ou pont 32 est aligné sur la sortie axiale du guide 30, s'étend en direction d'une ouverture terminale 34 dans le cadre 22 et au-delà du bord terminal du diaphragme 27, et présente un orifice calibré 35 pour supporter le câble 3 de façon que celui-ci puisse glisser et soit aligné sur l'axe 16. Au bord terminal du diaphragme 27 est montée une première filière 38 présentant un orifice calibré 39 aligné sur l'orifice 35.La filière 38 s'étend axialement en direction de l'extrémité de la chambre 28 au moyen d'un gradin 40 où une seconde filière 41, introduite dans l'ouverture 34, est disposée concentriquement et axialement en série avec la filière 38 le long de l'axe 16, et présente un orifice calibré 42 plus grand que l'orifice 39. Le pont 32, la filière 38 et la filière 41 sont supportés mutuellement au moyen de blocs 44 espacés radialement entre eux à l'intérieur des chambres 28 et 29, et la forme et la position axiale des deux filières concentriques 38 et 41 se faisant face définissent deux passages annulaires al et a2 (figure 4) vers l'ouverture 34. Le cadre 22 est de préférence équipé extérieurement d'un premier nombre de résistances électriques chauffantes 50 et d'un second nombre de résistances 52 proches de la filière 41. Selon le procédé de la présente invention deux lingots d'aluminium sont introduits dans les logements 19, et deux lingots d'alliage d'aluminium sont introduits dans les logements 18 ; le câble 3 est amené à passer par le dispositif 13, comme représenté sur la figure 1, en l'introduisant le long du guide 30 jusqu'à ce qu'il sorte de l'orifice 35 ; le dispositif 13 est relié, de façon étanche aux fluides, au conteneur 12 de sorte que les organes de remplissage 24 et 25 s'ajustent à l'intérieur des extrémités des logements 18 et 19 du côté opposé aux organes de poussée 11 et les organes de poussée 11 sont mis en action simultanément et à la même vitesse de façon à plonger à l'intérieur des logements 18 et 19 et à presser les lingots graduellement hors des logements et à travers les entrées excentrées des organes de remplissage 24 et 25. Par conséquent, 1'aluminium remplit la chambre 29 en s'écoulant dans celle-ci simultanément en deux endroits diamétralement opposés qui correspondent aux entrées des organes de remplissage 25 et, en se frayant un chemin autour des blocs 44, est expulsé par filage à travers l'orifice 39 pour se déposer sur le câble 3 qui est amené le long du guide 30 à la même vitesse que celle à laquelle l'aluminium filé passe par le trou 39 et qui est réglée par la pression exercée par les organes de poussée 11. En même temps l'alliage d'aluminium remplit la chambre 28 en s'écoulant dans celle-ci simulta nément en deux endroits diamétralement opposés qui correspondent aux entrées des organes de remplissage 24 et, en se frayant un chemin autour des blocs 44, est expulsé par filage à travers l'orifice 42 directement sur la gaine d'aluminium 4 en voie d'être formée à travers un orifice adjacent 39.Le gradin 40 formé sur la filière 38 immédiatement en aval de l'orifice 39, qui permet de calibrer les dimensions extérieures de la gaine 4, agit comme un pont pour supporter l'ensemble câble 3 + gaine 4 durant le filage combiné simultané de la seconde gaine 5, et l'orifice 42 permet de calibrer les dimensions finales du produit fini 2. Pour obtenir un produit différent, tel que l'élément 6, il suffit de modifier simplement la filière 38 extérieurement de sorte qu'elle touche la filière 41 du côté 8 devant être laissé découvert, et de manière à laisser subsister un dégagement limité à une portion angulaire prédéterminée pour la sortie d'alliage d'aluminium à travers la filière 41. Pour que le processus de filage combiné simultané soit effectif et que l'assuré l'assujettissement mécanique nécessaire du câble 3 à la gaine 4, et de la gaine 4 à la gaine 5 (ou 7), soit assuré il est essentiel de régler les pressions de filage des différentes matières et, dans ce but, le taux de filage combiné des matières différentes constitutives des deux gaines doit être identique. Ceci est obtenu conformément à l'équation mathématique suivante (1) #A/#B = vAa/Ab où A est le diamètre des logements 19, XB est le diamètre des logements 18, Aa est l'aire de section de la gaine 4 et Ab est l'aire de section de la gaine 5 (ou 7). I1 faut également assurer une pression suffisante sur la matière dans la chambre 28 pour permettre à la gaine la plus extérieure (5 ou 7) d'être expulsée par filage combiné simul tanément avec la gaine intérieure 4, ce qui est obtenu selon l'équation mathématique suivante (2) a1 > a2 où al et a2 sont les aires des sections (annulaires ou partiellement annulaires) disponibles pour le flux le plus extérieur de matière filée conjointement, immédiatement en amont et en aval de l'orifice de filage de la gaine intérieure 4, comme représenté schématiquement sur la figure 4. Un réglage effectif des températures est également nécessaire, en particulier pour réduire à un minimum tout préjudice porté à la matière constitutive du câble 3 et, dans ce but, tout préchauffage du câble 3 dans l'étuve 15 est effectué à une première température préétablie inférieure à celle à laquelle le supraconducteur peut éventuellement être détérioré, et en tout état de cause, sensiblement inférieure & celles auxquelles les lingots sont portés. Plus spécifiquement, les lingots d'aluminium sont préalablement portés à environ 4000C, et les lingots d'alliage d'aluminium à environ 5000C, lequel préchauffage, combiné avec l'utilisation appropriée de résistances 50 et 52, assure dans les filières 41 et 38 un gradient de température qui va en diminuant vers le câble 3 durant le processus de filage combiné. Lorsque les lingots dans les logements 18 et 19 ont été complètement pressés hors de ceux-ci les organes de poussée 11 sont retirés ; les logements 18 et 19 sont nettoyés et de nouveaux lingots sont introduits et pressés hors des logements par réintroduction des organes de poussée 11. Un début correct du processus de filage combiné est assuré par un dispositif chauffant 13 au moyen de résistances 50 et 52 de sorte que, par l'introduction successive d'un nombre suffisant de lingots, la présente invention permet de produire des éléments supraconducteurs de toute longueur voulue. REVENDICATIONS 1. Procédé pour fabriquer des éléments supraconducteurs présentant une bonne résistance mécanique et perméables à des particules subatomiques, en particulier pour aimants CMS, caractérisé en ce qu'il comprend l'opération consistant à former par filage combiné simultanément, autour d'un seul câble supraconducteur, une première gaine (4) appliquée par filage sur le câble et réalisée en une première matière stabilisatrice, et une seconde gaine (5) appliquée par filage sur la première gaine et réalisée en une seconde matière formant support mécanique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux matières précitées présentent le même taux de filage combiné. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première matière précitée est de l'aluminium pur et la seconde matière précitée est un alliage d'aluminium d'une composition telle qu'il soit durcissable par vieillissement. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filage combiné simultané s'effectue en forçant au moins une paire de lingots, identiques pour les deux matières précitées, simultanément et sous une même pression dans un dispositif de mise en forme (13) présentant deux filières concentriques (38, 41) disposées en série l'une avec l'autre le long d'un axe (16), et alimentées par deux chambres annulaires concentriques (28, 29), chacune desquelles reçoit les lingots de l'une desdites matières en des endroits diamétralement opposés, et en faisant passer le câble supraconducteur (3) simultanément le long de l'axe (16) et à travers les deux filières (38, 41) à la même vitesse que la vitesse de filage des deux matières précitées. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le câble supraconducteur (3) est porté à une première température préétablie avant d'être amené à passer à travers les filières (38, 41), en ce que les lingots de ladite première matière sont portés à une seconde température préétablie et les lingots de ladite seconde matière sont portés à une troisième température préétablie, la troisième température étant supérieure à ladite seconde température et la seconde température étant supérieure à ladite première température. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les filières (38, 41) sont chauffées avec un gradient de température qui va en diminuant en direction du câble supraconducteur (3). 7. Elément supraconducteur présentant une bonne résistance mécanique et perméable à des particules subatomiques, en particulier pour aimants CMS, caractérisé en ce qu'il comprend un câble supraconducteur (3) formé d'une tresse de fils supraconducteurs, une première gaine (4) qui, recouvrant en tièdement et noyant le câble supraconducteur (3), se compose d'une première matière perméable auxdites particules, et une seconde gaine (5) qui, recouvrant et noyant au moins une partie de la première gaine (4), se compose d'une seconde matière perméable auxdites particules et présente des caractéristiques mécaniques meilleures que celles de la première matière, le câble (3) et les gaines (4, 5) étant assujettis entre eux en contact intime par filage combiné de façon à transmettre des contraintes de cisaillement de plus de 10 newtons par millimètre carré. 8. Elément supraconducteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première desdites matières est de l'aluminium pur, et la seconde matière est un alliage d'alumini um d'une composition telle qu'il soit durcissable par vieillissement. 9. Elément supraconducteur caractérisé en ce qu'il est obtenu en utilisant le procédé décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 6.