DE2333892A1

DE2333892A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von bauteilen mit konzentrisch zueinander angeordneten schichten aus niob und kupfer

Info

Publication number: DE2333892A1
Application number: DE19732333892
Authority: DE
Inventors: Richard Dr Maier; Horst Muesebeck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-07-03
Filing date: 1973-07-03
Publication date: 1975-01-23

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Bauteilen mit konzentrisch zueinander angeordneten Schichten aus Niob und Kupfer

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen mit konzentrisch zueinander angeordneten Schichten aus Niob und Kupfer, bei welchem ein Niobrohr außen mit einem Kupferrohr umgeben und die miteinander in Berührung stehenden Rohre unter Vakuum derart erhitzt werden, daß eine feste Verbindung zwischen dem Niob und dem Kupfer entsteht, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Für die Herstellung verschiedener supraleitender Bauelemente, wie beispielsweise supraleitender Resonatoren für Teilchenbeschleuniger oder supraleitender Kabel, insbesondere für Wechselstrom, ist es oft wünschenswert, eine supraleitfähige Niobschicht mit einem Metall zu verbinden, welches bei der zur Aufrechterhaltung der Supraleitfähigkeit des Niobs erforderlichen tiefen Temperatur gut elektrisch normalleitend ist und eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt. Als solches Metall ist Kupfer von besonderem Interesse, da es mechanisch gut bearbeitbar ist und wegen seiner hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit zur elektrischen Stabilisierung des als Supraleiter dienenden Niobs besonders gut geeignet erscheint. Das Kupfer kann dabei insbesondere die im supraleitenden Niob fließenden Ströme beim Übergang des Niobs vom supraleitenden in den elektrisch normalleitenden Zustand, beispielsweise im Falle einer Überlastung, wenigstens teilweise übernehmen und die dabei oder durch Wechselstromverluste im Niob entstehende Verlustwärme an ein angrenzendes Kühlmittel, insbesondere flüssiges Helium, ableiten. Zu diesem Zweck ist ein möglichst inniger, elektrisch und

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thermisch gut leitender Kontakt zwischen dem Niob und dem Kupfer erforderlich.

Eine innige, fest haftende Verbindung von Niob mit Kupfer bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten und ist beispielsweise durch einfaches Verlöten von Kupfer und Niob oder durch galvanische Abscheidung von Kupfer auf Niob nicht zu erreichen. Die bekannten Verfahren zum Beschichten von Kupfer mit Niob durch schmelzflußelektrolytische Abscheidung des Niobs auf einem Kupferträger sind dann nicht anwendbar, wenn nicht das Niob auf einem vorgefertigten Kupferträger abgeschieden werden soll, sondern wenn ein vorgefertigtes Niobteil, beispielsweise ein Niobrohr, mit Kupfer verbunden werden soll. Dies ist aus fertigungstechnischen Gründen oft wünschenswert, beispielsweise wenn man ein vorgefertigtes Niobrohr als Supraleiter verwenden will, und insbesondere dann erforderlich, wenn das Niob zur Verringerung der Wechselstromverluste Vorbehandlungen unterzogen werden soll, beispielsweise einer mehrstündigen Bntgasungsglühung bei Temperaturen von etwa 2000⁰C im Ultrahochvakuum. Wegen der niedrigen Schmelztemperatur des Kupfers ist eine derartige Glühbehandlung einer beretts auf einem Kupferträger abgeschiedenen Niobschicht nicht möglich, da bereits bei Temperaturen nahe am Schmelzpunkt des Kupfers durch Kriechvorgänge für eine spätere Anwendung untragbare Formänderungen des Kupferträgers auftreten können. Das Niob muß also in einem solchen Falle zunächst allein geglüht werden und darf erst nach dem Glühen mit dem Kupfer verbunden werden. Auch in anderen Fällen kann es beispielsweise aus fertigungstechnischen Gründen erforderlich sein, die Niobteile vorzufertigen und sie erst dann mit Kupfer zu verbinden.

Durch die deutsche Offenlegungsschrift 1 916 292 ist bereits ein Verfahren zum Beschichten von Niob mit Kupfer bekannt. Bei diesem Verfahren wird die zu beschichtende, metallisch

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reine Nioboberfläche mit wenigstens an der Oberfläche metallisch reinem Kupfer in Kontakt gebracht und durch anschließendes Erhitzen des Niobs auf eine Temperatur zwischen 800 und 2500 C unter Vakuum mit einem Restgasdruck von höchstens 10" Torr das Kupfer mit dem Niob verbunden.

Obwohl dieses Verfahren eine innige Verbindung zwischen Niob und Kupfer liefert, können gewisse Schwierigkeiten insbesondere dann auftreten, wenn aus einem Niobrohr und einem Kupferrohr ein Bauteil mit konzentrisch zueinander angeordneten Schichten aus Niob und Kupfer hergestellt werden soll, bei welchem die Niobschicht innen liegt. Solche Bauteile sind beispielsweise für supraleitende Hohlraumresonatoren oder als äußeres Leiterohr für Supraleitungskabel mit zwei koaxial zueinander angeordneten Leiterrohren von Interesse. Die erwähnten Schwierigkeiten hängen damit zusammen, daß das Niob einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Kupfer hat, so daß sich das Niobrohr beim Erhitzen weniger stark ausdehnt als das Kupferrohr und zwischen beiden Rohren ein feiner Spalt entsteht.

Diese Schwierigkeit kann zwar umgangen werden, wenn man, wie dies in der deutschen Offenlegungsschrift 1 916 292 beschrieben ist, das Kupferrohr bis über seine Schmelztemperatur von 1083 0 erhitzt, so daß es aufschmilzt. Um ein Ablaufen der Kupferschmelze von der Oberfläche des Niobrohres zu verhindern, ist es dabei jedoch erforderlich, das Kupferrohr mit einem eigenen Stützrohr außen zu umgeben. Diese Maßnahme ist verhältnismäßig aufwendig. Außerdem können auch gute Gründe dafür bestehen, die bei der Verbindung des Niobs mit dem Kupfer anzuwendenden Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Kupfers zu halten. Je höher die angewandten Temperaturen sind, desto größer ist nämlich die Gefahr, daß das Niob wegen seiner hohen Reaktivität gegenüber Sauerstoff und Stickstoff auch bei hohem Vakuum derartige Restgase

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aufnehmen kann. Da insbesondere bei Wecliselstromsupraleitern der Strom nur in einer dünnen Oberflächenschicht transportiert wird, sind solche Gasreaktionen im Hinblick auf eine damit verbundene Erhöhung der Wechselstromverluste unerwünscht. Die andere in der deutschen Offenlegungsschrift 1 916 292 beschriebene Verfahrensvariante, bei welcher das Niobrohr außen galvanisch mit Kupfer beschichtet und dann das beschichtete Rohr mit etwa um 100 C pro Minute ansteigender Temperatur auf etwa 1060 bis 1075°C erhitzt und etwa 10 Minuten bis zwei Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten wird, ist ebenfalls verhältnismäßig aufwendig und insbesondere dann nicht anwendbar, wenn ein vorgefertigtes Niobrohr mit einem vorgefertigten Kupferrohr verbunden werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen mit konzentrisch zueinander angeordneten Schichten aus Niob und Kupfer mit außen liegender Kupferschicht anzugeben, bei dem von vorgefertigten Niob- und Kupferrohren ausgegangen werden kann und ein Schmelzen des Kupferrohres nicht erforderlich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß derart verfahren, daß die beiden Rohre zunächst gemeinsam auf eine zur Herstellung einer Diffusionsverbindung zwischen dem Niob und dem Kupfer ausreichende, unterhalb der Schmelztemperatur des Kupfers liegende Temperatur erhitzt werden, anschließend das Niobrohr unter Abkühlung um etwa 200 bis 35O⁰C von innen so weit aufgeweitet wird, daß es eng am Kupferrohr anliegt, und dann zusammen mit dem Kupferrohr solange auf der ursprünglichen Temperatur gehalten wird, bis die Diffusionsverbindung hergestellt ist.

Durch die Aufweitung des Niobrohres wird dabei erreicht, daß der Spalt, der beim Erhitzen auf die Diffusionstemperatur

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infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Niobrohr und dem Kupferrohr entsteht, wieder geschlossen wird. Allerdings würde sich dieser Spalt nach dem Aufweiten des Niobrohres ohne zusätzliche Maßnahmen wieder etwas öffnen> da das Niobrohr infolge seiner Elastizität nach dem Aufweiten wieder etwas zurückfedert. Diese Schwierigkeit wird beim erfindungsgemäßen Verfahren jedoch dadurch umgangen, daß das Niobrohr bei seiner Aufweitung gleichzeitig um etwa 200 bis 35O⁰C abgekühlt wird. Bei der anschließenden Wiedererwärmung auf die Temperatur des Kupferrohres dehnt sich dann nämlich das Niobrohr mindestens wieder um den Betrag aus, um den es nach der Ausweitung zurückgefedert ist. Nach seiner Wiedererwärmung auf die Temperatur des Kupfers liegt das ausgeweitete Niobrohr daher fest mit seiner Außenfläche an der Innenfläche des Kupferrohres an.

Ein besonders enges Anliegen des Niobrohres an der Innenseite des Kupferrohre3 kann dadurch erreicht werden, daß man das Niobrohr soweit aufweitet, daß zusammen mit ihm auch das an ihm anliegende Kupferrohr geringfügig aufgeweitet wird.

Im Hinblick auf die beim erfindungsgemäßen Verfahren anzuwendenden Temperaturen hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, zunächst das Niob- und das Kupferrohr auf eine Temperatur von etwa 900 bis 1050⁰C zu erhitzen, anschließend während der Aufweitungdas Niobrohr auf eine Temperatur von etwa 700⁰C abzukühlen und dann das Niob- und das Kupferrohr noch gemeinsam etwa 10 bis 100 Minuten lang auf einer Temperatur von 900 bis 1050⁰C zu halten.

Um eine gute Verbindung zwischen dem Niob und dem Kupfer zu sichern, sollte ferner der Restgasdruck des Vakuums während

-4 der Wärmebehandlung nicht höher als 10 Torr sein. Besonders günstig ist es, wenn man in einem Vakuum mit einem Restgas-

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druck von weniger als 10 Torr arbeitet. Ferner empfiehlt' es sich, die Oberfläche des Niobrohres und des Kupferrohres zu reinigen, bevor man die Rohre ineinanderschiebt. Beispielsweise können die Rohroberflächen zur Reinigung chemisch oder elektrochemisch poliert werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere eine Vorrichtung geeignet, die eine zylinderförmige, evakuierbare Kammer zur Aufnahme der zu verbindenden Rohre, eine diese Kammer außen umschließende Hochfrequenzheizspule und einen in der Kammer in Richtung von deren Längsachse verschiebbar angeordneten, kühlbaren Ziehstempel aufweist.

Anhand einer Figur und eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Die Figur zeigt schematisch im Längsschnitt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Vorrichtung besteht aus einer etwa zylinderförmigen Kammer 1, beispielsweise aus Edelstahl, die durch eine Öffnung 2 im Kammerboden 3 evakuierbar ist. Innerhalb der Kammer 1 ist ein in Richtung der Längsachse der Kammer verschiebbarer Ziehstempel 4 angebracht. Der Schaft 5 des Ziehstempels ist innen hohl ausgebildet. Dem Hohlraum kann durch eine, beispielsweise aus Kupfer bestehende, Rohrleitung 6 eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, zugeführt werden, die nach dem Austritt aus dem offenen Ende der Rohrleitung 6 zwischen dieser und dem Mantel des Schaftes 5 zurückströmt und durch den Rohrstutzen 7 wieder aus dem Ziehstempel austreten kann. Zur Abdichtung der Durchführung des Ziehstempelschaftes 5 durch den Kammerboden 3 sind Dichtungsringe 8, beispielsweise Simmerringe, vorgesehen, die den Schaft 5 eng umschließen. Als Halterung für das Niob-und das Kupferrohr ist ein Bau-

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teil 9 aus mechanisch festem, möglichst schlecht wärmeleitendem Material, beispielsweise einer geeigneten Keramik, vorgesehen. An ihrer Außenseite wird die Kammer 1 von einer Hochfrequenzheizspule 10 umschlossen, die zum Aufheizen des Niobrohres und des Kupferrohres dient.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst ein Niobrohr 11 und ein dieses möglichst eng

umschließendes Kupferrohr 12 auf das Stützteil 9 aufgesetzt. Dann wird die Kammer 1 beispielsweise durch Verschrauben des Kammerbodens 3 mit dem Oberteil der Kammer geschlossen und bis zu einem Restgasdruck von vorzugsweise höchstens etwa 10 Torr evakuiert. Der Hochfrequenzheizspule 10 wird dann Hochfrequenzenergie zugeführt, welche das Niobrohr 11 und das Kupferrohr 12 auf eine Temperatur von etwa 1000⁰G erhitzt. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Niob und Kupfer dehnt sich bei dieser Erwärmung auf 1000 C das Kupferrohr etwa um 2 $, das Niobrohr dagegen nur um etwa 0,84 $ aus. Bei einem ursprünglichen Außendurchmesser des Niobrohres und Innendurchmessers des Kupferrohres von beispielsweise etwa 5 cm entsteht dabei zwischen dem Kupferrohr und dem Niobrohr ein etwa 0,6 mm breiter Spalt.

Um diesen Spalt zu überbrücken, wird der Ziehstempel 4 beispielsweise hydraulisch durch das Niobrohr 11 hindurchgezogen. Dabei weitet er dieses soweit auf, daß es wieder eng am erhitzten Kupferrohr 12 anliegt. Der mit Wasser gekühlte Ziehstempel 4 wird so langsam durch das Niobrohr 11 hindurchgezogen, daß sich das Niobrohr auf eine Temperatur von etwa 700⁰C abkühlt. Diese Abkühlung bereitet keine Schwierigkeiten, da infolge der induktiven Erhitzung der Rohre durch die Hochfrequenzspule 10 das außenliegende Kupferrohr 12 wesentlich schneller erhitzt wird als das innenliegende Niobrohr 11, das^egen der Abschirmwirkung des einen geschlossenen Mantel

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bildenden Kupferrohres 12 nur durch Strahlung erwärmt wird. InfiLge des Elastizitätsmoduls des Niobs, der bei der Temperatür, bei der die Aufweitung erfolgt, etwa 20 000 N/mm beträgt, federt das Niobrohr nach Aufweitung um etwa 0,25 $> seines Durchmessers zurück. Bei der im Anschluß an die Aufweitung erfolgendenWiedererwärmung des Niobrohres dehnt sich dieses aber nun soweit aus, daß es sich eng an das Kupferrohr anschmiegt. Wenn das Niobrohr wieder die ursprüngliche Temperatur von etwa 1000⁰C erreicht hat, wird die Anordnung beispielsweise noch 60 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten. Dabei bildet sich eine Diffusionsschicht zwischen dem Kupfer und dem Niob aus, die eine feste, auch elektrisch und thermisch gut leitende Verbindung zwischen dem Kupfer und dem Niob bewirkt. Im Anschluß an die Wärmebehandlung wird das nunmehr aus den fest miteinander verbundenen Rohren 11 und 12 bestehende Bauteil abkühlen lassen und dann aus der Vorrichtung herausgenommen. Das Bauteil kann je nach dem Verwendungszweck, für den es bestimmt ist, in seiner Form belassen oder auch noch weiter verarbeitet werden. Außerdem brauchen das Niob- und das Kupferrohr nicht unbedingt einen kreisförmigen Querschnitt zu besitzen, sondern können auch andere, beispielsweise ellipsenförmigejoder rechteckige, Querschnitte aufweisen.

4 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

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1. Verfahren zum Herstellen von Bauteilen mit konzentrisch zueinander angeordneten Schichten aus Niob und Kupfer, bei welchem ein Niobrohr außen mit einem Kupferrohr umgeben und die miteinander in Berührung stehenden Rohre unter Vakuum derart erhitzt werden, daß eine feste Verbindung zwischen dem Niob und dem Kupfer entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rohre zunächst gemeinsam auf eine zur Herstellung einer Diffusionsverbindung zwischen dem Niob und dem Kupfer ausreichende, unterhalb der Schmelztemperatur des Kupfers liegende Temperatur erhitzt werden, anschließend das Niobrohr urifer Abkühlung um etwa 200 bis 35O⁰C von innen soweit aufgeweitet wird, daß es eng am Kupferrohr anliegt, und dann zusammen mit dem Kupferrohr solange auf der ursprünglichen Temperatur gehalten wird, bis die Diffusionsverbindung hergestellt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit dem Niobrohr auch das an diesem anliegende Kupferrohr geringfügig aufgeweitet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Niob- und das Kupferrohr zunächst auf eine Temperatur von etwa 900 bis 105O⁰C erhitzt werden, anschließend während der Aufweitung das Niobrohr auf eine Temperatur von etwa 700⁰C abgekühlt wird und dann das Niob- und das Kupferrohr noch gemeinsam etwa 10 bis 100 Minuten lang auf einer Temperatur von 900 bis 1050⁰C gehalten werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche T bis 3, gekennzeichnet durch eine zylinderförmige, evakuierbare Kammer (1) zur Aufnahme der zu verbindenden Rohre (11, 12), eine diese Kammer außen umschließende Hochfrequenzheizspule (10) und einen in der Kammer in Richtung von deren Längsachse verschiebbar angeordneten, kühibaren Ziehstempel ^ A^g 8 4/0176

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