CH620043A5 - - Google Patents

Description

La présente invention concerne un supraconducteur multibrin stabilisé à l'aluminium et son procédé de fabrication.

La supraconductibilité — ou pouvoir de conduction avec résistance ohmique nulle — que de nombreux métaux possèdent à basse température présente un grand intérêt scientifique et industriel, parce qu'elle permet de faire fonctionner diverses sortes de dispositifs à grande puissance avec des pertes d'énergie électrique minimales. Ce phénomène disparaît lors du dépassement de l'un quelconque des trois seuils: température critique (Tc), champ magnétique critique (Hc) et intensité critique (Jc). Etant donné que les applications les plus intéressantes et utiles de la supraconductibilité impliquent la présence de courants ou de champs intenses, on s'est efforcé, dans l'industrie des supraconducteurs, de fabriquer des conducteurs pour lesquels ces seuils soient aussi élevés que possible. Une matière dotée d'un pouvoir supraconducteur intéressant est l'alliage Nb-Ti ; on utilise typiquement des alliages de Nb à 40-60% d'atomes de Ti.

Le technicien sait depuis un certain temps qu'une manière de relever les seuils de supraconduction d'un supraconducteur donné consiste à stabiliser ce dernier en établissant un trajet de courant de remplacement à conductibilité normale, afin qu'en cas de retour du supraconducteur à une conductibilité normale, le courant dispose d'un trajet dérivé. De cette manière, on peut faire passer des courants plus intenses à travers le supraconducteur, sans redouter de voir des variations locales d'intensité ou de champ magnétique détruire le supraconducteur. En outre, la dérivation offre au supraconducteur un délai au cours duquel il peut reprendre son pouvoir supraconducteur.

Le technicien sait aussi que la reprise par des supraconducteurs d'une conductibilité normale est habituellement localisée. En conséquence, il importe de placer le shunt dans le voisinage physique immédiat du supraconducteur, pour éviter que tout le courant ne passe en dérivation.

Compte tenu de ces données, pour choisir une matière de stabilisation dans la conception d'un supraconducteur, il faut prendre en considération les facteurs suivants: la matière choisie doit avoir une résistance ohmique aussi faible que possible afin d'engendrer, si elle a à conduire du courant, le moins possible de chaleur pour que le supraconducteur reprenne rapidement sa supraconduction, exigeant ainsi moins de matière stabilisante; elle doit avoir une haute conductibilité thermique, afin de disperser rapidement la chaleur éventuellement engendrée, et aussi de réduire le temps nécessaire pour ramener l'assemblage à très basse température avant emploi du supraconducteur; elle doit de préférence être facilement pénétrée par un flux magnétique, afin de réduire réchauffement dû à un tel flux.

La matière répondant le mieux à ces desiderata est l'aluminium à très haute pureté (99,999%). Toutefois, ce dernier, bien qu'il ait, en outre, pour avantages d'être léger, facile à se procurer et de coût modéré, n'est pas exempt d'inconvénients. En particulier, il n'a pas été jusqu'à présent possible de soumettre à un travail mécanique conjoint de l'aluminium pur et les éléments, composés ou alliages dotés des meilleures supraconductions, par exemple Nb-Ti ou NbîSn, car ceux-ci ont une dureté et une ténacité très supérieures à celles de l'aluminium. En conséquence, selon la technique antérieure, au cours des opérations mécaniques habituellement exécutées — par exemple extrasion, tréfilage, laminage et étampage —, l'aluminium ne conserve pas sa disposition initiale par rapport aux matériaux supraconducteurs.

Il est bien connu du technicien en supraconducteurs que la densité de courant critique Jc d'une matière donnée dépend de la forme de l'éprouvette et que des fils à diamètre faible (de l'ordre de quelques microns) sont beaucoup plus satisfaisants à cet égard que de gros fils. Etant donné qu'il est difficile de fabriquer des fils ayant de tels diamètres microscopiques, on a coutume d'insérer un certain nombre de tiges dans une billette en matière convenable, non supraconductrice, et d'amener par tréfilage l'ensemble à un diamètre considéré, comme celui d'un fil fin ordinaire.

Ainsi, bien qu'on soit parvenu, selon la technique antérieure, à stabiliser à l'aluminium un supraconducteur monobrin (voir par exemple brevet US N° 3514850), cette possibilité ne satisfait pas les besoins technologiques: on ressent le besoin d'un conducteur multibrin.

En conséquence, la présente invention a pour but de proposer un supraconducteur multibrin stabilisé à l'aluminium, ainsi qu'un procédé permettant de fabriquer facilement et à bon compte un tel supraconducteur.

La présente invention répond au besoin existant dans l'industrie des supraconducteurs d'un supraconducteur multibrin stabilisé à l'aluminium, en prévoyant un processus en deux stades.

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D'abord, on prépare une billette en un alliage d'aluminium dans laquelle sont disposées, en motif géométriquement symétrique, une série de tiges en matière supraconductrice. On extrade ce produit et on lui ajoute ensuite une gaine en aluminium extra-pur, qu'on enferme elle-même dans une gaine métallique, qui peut typiquement être en cuivre. On tréfile alors le produit; grâce à la symétrie de répartition de l'alliage Nb-Ti, l'aluminium pur subit, en se déplaçant, une réduction de section uniforme, et est enfermé par la gaine, que l'on élimine finalement. Cette méthode permet d'obtenir un supraconducteur en Nb-Ti multibrin, stabilisé à l'aluminium pur.

On va maintenant se référer, pour décrire des modes de réalisation préférés de l'invention, aux dessins annexés, sur lesquels :

les fig. 1 à 4 illustrent chacune un stade du procédé selon l'invention et représentent en perspective le produit selon l'invention tel qu'il se présente après le stade respectif ;

la fig. 5 représente une disposition préférée prévue dans le produit selon l'invention au cours d'un stade préliminaire.

La fig. 1 représente une billette 10 en alliage d'aluminium. Une série de tiges 20 en matière supraconductrice sont insérées dans des trous percés en nombre correspondant dans la billette. Le nombre de trous, en soi, n'est pas critique, mais il est sssentiel que la disposition des trous soit symétrique afin que, lors de l'extru-sion, les diverses tiges subissent des pressions aussi égales que possible. Dans un exemple concret, on insère 55 tiges d'alliage de Nb à 45% d'atomes de Ti, ayant toutes un diamètre de 4,52 mm, dans des trous percés dans une billette de 76 mm de long et 51 mm de diamètre, en un alliage de type 1100 selon les spécifications de l'American Aluminum Association.

La fig. 2 montre la billette représentée sur la fig. 1 allongée par extrusion. Dans l'exemple décrit, la billette est préchauffée à 155;'C et a, après extrusion, 15,9 mm de diamètre et à peu près 76 cm de long.

La fig. 3 montre la billette extradée représentée sur la fig. 2 enfermée dans des tubes concentriques 22 en aluminium pur,

puis 21 en cuivre. Avantageusement, on nettoie d'abord la billette par polissage, dégraissage et décapage à l'acide. A ce stade, la billette extradée décrite ci-dessus, de 15,9 x 76 cm, a un diamètre de 14,2 mm; le tube en aluminium pur a des diamètres extérieur de 18,9 mm et intérieur de 14,5 mm et le tube en cuivre (de pureté industrielle), des diamètres extérieur de 25,4 mm et intérieur de 19,05 mm.

La fig. 4 montre le produit final. Le diamètre de la billette sous double gaine a été ramené à la grandeur souhaitée (0,66 mm dans l'exemple décrit, par tréfilage assurant typiquement une réduction de section de 10% par passe) et sa gaine extérieure en cuivre a été enlevée à l'acide nitrique.

Par cette méthode, il est facile de conférer par tréfilage la grosseur voulue au produit composite, stabilisé à l'aluminium extra-pur, mou.

On l'a dit, le nombre de tiges insérées dans la billette n'est pas

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en soi déterminant, mais il semble essentiel de disposer les tiges de manière à faire en sorte que chaque tige subisse dans toutes les directions le même effort, égal à celui subi par chacune des autres tiges. Il semble qu'ainsi, il soit moins gênant que l'aluminium ait une dureté très faible par rapport à celle des tiges en Nb-Ti. L'assemblage équivaut, pour ce qui est de l'aluminium, à une âme centrale d'un seul tenant. En outre, du fait que la billette est enfermée dans la gaine molle en aluminium et que l'ensemble est enveloppé de cuivre, le produit composite subit la réduction de section, comme s'il était en une seule et même matière, car aucune voie de fuite n'est offerte à l'aluminium plus mou.

La fig. 5 représente 55 tiges de Nb-Ti ayant une disposition convenable pour la mise en œuvre de l'invention. On remarquera, en observant les tiges suivant les directions a à f, que l'ensemble a un contour presque circulaire tout en présentant la même disposition suivant chacune des six flèches. Si, par exemple, on disposait des tiges périphériques de manière à rendre l'ensemble absolument hexagonal, le pourtour ne serait plus circulaire à un degré suffisant.

Un traitement thermique appliqué à des matières supracon-ductrices est souvent avantageux, bien que pour des motifs parfois différents: dans le cas du composé Nb3Sn, un traitement thermique est nécessaire à la formation du composé ; pour Nb-Ti, un traitement thermique (typiquement 24 à 72 h à 350-375° C) améliore la supraconductibilité. On pense généralement que, pour Nb-Ti, ce traitement n'est efficace qu'après un écrouissage accusé, car il assure une normalisation des dislocations cristallines apparues, par exemple pendant le tréfilage. Il en résulte qu'il faut appliquer le traitement thermique après avoir tréfilé le produit jusqu'à lui conférer, ou presque, son diamètre définitif.

Malheureusement, le traitement thermique porte atteinte, dans une certaine mesure, à la pureté de la gaine extérieure en aluminium : les éléments de l'alliage tendent à diffuser dans le métal plus pur. On peut contrecarrer cet effet jusqu'à un certain degré, par un choix judicieux de l'alliage, car on constate que des alliages du type 1100 sont moins contaminants que ceux, par exemple, du type 6061. En variante ou en outre, on peut mettre en œuvre plus d'aluminium pur qu'il n'est nécessaire et rogner l'excédent après traitement thermique: ainsi, les impuretés diffusent dans un plus grand volume et sont moins nocives. De toute manière, on obtient de bonnes conductibilités électriques : dans un exemple concret, on opère le traitement thermique après tréfilage du conducteur jusqu'à son diamètre final de 0,66 mm et élimination à l'acide de la gaine en cuivre. Le traitement comporte un réchauffage à 280° C, opéré en 8 h, et un maintien de 1 h à cette température. On porte ensuite à une température de 340e C qu'on maintient pendant 60 h. La résistivité finale de l'ensemble du conducteur est de 0,58 x 10~8 Si/cm à 9 K (c'est-à-dire avant que l'alliage Nb-Ti ne devienne supraconducteur) ; on note une densité de courant critique de 4,12 x 104 A/cm2 dans un champ magnétique de 5 T (calculé sur la section du conducteur).

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1. Supraconducteur multibrin stabilisé à l'aluminium pur, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de tiges ou fils supraconducteurs noyés dans une matrice en alliage d'aluminium, elle-même entourée d'une gaine essentiellement formée d'aluminium pur.

2. Supraconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tiges ou fils supraconducteurs sont en alliage niobium/ti-tane.

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REVENDICATIONS

3. Procédé de fabrication de supraconducteur multibrin stabilisé à l'aluminium selon la revendication 1, caractérisé en ce que:

a) on prépare une billette cylindrique en alliage d'aluminium, percée d'une pluralité de trous parallèles à l'axe du cylindre;

b) on insère des tiges de matière supraconductrice dans lesdits trous ;

c) on extrade la billette pour l'allonger suivant son axe;

d) on enveloppe la billette extradée d'un tube essentiellement formé d'aluminium pur;

e) on enveloppe encore la billette extradée ainsi enveloppée d'une gaine métallique;

f) on transforme par tréfilage l'ensemble résultant en un fil fin,

et g) on élimine la gaine métallique extérieure de l'ensemble.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ensemble subit un traitement thermique à un stade intermédiaire du processus de tréfilage.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on opère le traitement thermique à approximativement 350° C pendant 24 à 72 h.

6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la gaine métallique est en cuivre.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on élimine le cuivre par attaque à l'acide nitrique.

8. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la billette est percée de 55 trous dans lesquels on insère les tiges en matière supraconductrice.

9. Procédé selon l'une des revendications 3, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce qu'on soumet l'ensemble à un traitement thermique une fois l'opération de tréfilage terminée.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on opère le traitement thermique à environ 340° C pendant 60 h approximativement.

11. Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'on élimine la gaine de cuivre avant le traitement thermique.

12. Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'on fait précéder le traitement thermique d'un réchauffement à 280: C approximativement, opéré en 8 h environ, et d'un maintien à cette température pendant 1 h environ.