DE2511656A1 - Verfahren fuer die herstellung von supraleitenden kabeln aus nb tief 3 al, sowie mit diesem verfahren erziehlte supraleitende kabel - Google Patents

Verfahren fuer die herstellung von supraleitenden kabeln aus nb tief 3 al, sowie mit diesem verfahren erziehlte supraleitende kabel

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DE2511656A1 DE19752511656 DE2511656A DE2511656A1 DE 2511656 A1 DE2511656 A1 DE 2511656A1 DE 19752511656 DE19752511656 DE 19752511656 DE 2511656 A DE2511656 A DE 2511656A DE 2511656 A1 DE2511656 A1 DE 2511656A1
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Giancarlo Sacerdoti
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Alluminio E Metalli Alumetal SpA Soc
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Description

1. Societä Alluuninio e Metalli (ALUIJETAL) S,p.A. Foro Bonaparte, 31 - Mailand - Italien
2. "CCBIITATO NAZIONALE MERGIA NUOLEARE" - Viale Regina llargherita, 125 - Roma - Italien
(Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der italienischen Voranmeldung Nr. 49510 A/74 vom 22.3.1974 in Anspruch genommen)
YERi1AHREN PUR DIE HERSTELLUNG VON SUPRALEITENDEN KABELN AUS Nb Al, SOViIS KIT DIESM VERFAHREN ERZIELTE SUPRALEITENDE KABEL.
Die vorliegende Erfindung "betrifft ein Verfahren für die Herstellung von supraleitenden Kabeln aus NbJIl. Wie bekannt werden die intermetallischen Verbindungen mit einem im allgemeinen als /3 -V/oIfram. oder A 15artig bestimmten Kristallgefüge, welche den Systemen Nb-Al, Nb~Ge, Nb-Sn oder speziellen ternären, von diesen abgeleiteten Systemen angehören, immer mehr als supraleitende Werkstoffe fur di« Verwendung in starken Magnetfeldern in Betracht gezogen·
Es ist ausserdem bekannt, dass es sich bei der Verbinddung Nb-JIl ura ein supraleitendes Material mit hohem kritischem Magnetfeld und einer hohen kritischen Temperatur handelt.
Um ein supraleitendes Kabel aus NbJiI herzustellen, indem
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man ein mit Aluminium beschichtetes Nb-Band analog zur Herstellung von supraleitenden: Kabeln aus Nb ..Sn bei hohen'
Il 3
Temperaturen reagieren lasst, bis die intermetallische Verbindung Nb,Al durch Inter-Diffusion erzielt wird, ist wie bekannt eine Reaktionsteniperatur über 12000C notwendig.
Durch diese hohe Temperatur wird die Herstellung von supraleitenden Kabeln aus Nb-Al unvorteilhaft mit'. Bezug auf die Herstellung von supraleitenden Kabeln aus Nb^, fur welche eine Reaktionstemperatur von nur 700 - 8000C no twending ist.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem die intermetallische Verbindung NbJIl bei Temperaturen unter 10000C, das heisst bei Temperaturen, die mit denjenigen, die für die Herstellung der intermetallischen Verbindung NbJIl notwending vergleichbar sind, erzielt .werden kann, um somit supraleitende Kabel aus Nb-Al in Bedingungen herstellen zu können, die sich nicht nachteilig von den fur die Herstellung von supraleitenden Kabeln aus Nb-Sn verlangten Bedingungen unterscheiden· Die-Erfindung hat ausserdem die Aufgabe, ein Verfahren zu verwirklichen, mit welchem in einer Kupfermatrize stabilisierte ein- und vieldrähtige supraleitende Kabel erzielt werden
Il >
können.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren für die Herstellung von in einer Kupfermatrize eingebetteten supraleitenden Kablen aus NbJU. bereitzu— stellen, welches einfach und wirtschaftlich in der Industrie verwirklicht werden kann.
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Diese und andere Ziele,velche fur den auf diesem Gebiet spezialisierten Techniker klarw.aus der folgenden Beschreib bung hervorgehen werden, werden erreicht durch ein Verfahren fur die üerstellung von supraleitenden Kabeln aus NbJLl, welches nach der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Formation von übereinander gelegten Kb- und Al-Folien gebildet wird,. diese For-
Il "
mation in einen Kupferbehalter eingeführt wird, dieser Kupferbehalter mit den darin angeordneten Folien einer plastischen Verformungsbearbeitung so lange ausgesetzt wird, bis die Dicke der Al-Folie auf einen Wert unter etwa 1,5/um verringert wird, und das derart bearbeitete Produkt schliesslich einer Warmbehandlung bei einer Temperatur zwischen 8000C und 10000C ausgesetzt wird. In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet das Symbol yum einen Micrometer oder einen millionsten Teil eines Meters. Beim Ubereinanderlegen der Nbr und Al-Folien wird eine Al-Folie zwischen zwei Nb-Folien angeordnet, so dass ein Sandwich der Art Nb/Al/fab oder vorzugsweise ein Sandwich der Art Nb/Al/Nb/ Al/Kb.../8To erzielt wird.
Der Kupferbehalter muss derart geformt sein, dass er mit dem in ihn eingeführten Paket der Nb- und Al-Folien zusammenpÄßst· Ausserdem ist zu bemerken, dass bei den oben beschriebenen Sandwicharten immer die Nb-Folie mit der Innenoberflache des Kupferbehälters in Berührung kommtj bei der Verwirklichung des erfindungsgeinassen Verfahrens muss die Berührung zwischen Aluminium und Kupfer- verhindert werden· · .
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung werden diese Sandwichs erzielt durch Übereinanderlegen einer Nb- und einer Al-Folie, welche darauf in Form einer Spule auf-
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gewickelt werden; diese Spule wird in einen zylinderformigen Kupferbehälter eingeführt". '
Anstatt das aus Ifb/Al bestehende Sandwich zu einer Spule aufzurollen, kann offensichtlich auch ein Sandwich der Art Nb/Al/Nb/Al.../ΑΙ zu einer Spule aufgewickelt werden.
Mit dem erfindungsgemassen Verfahren können ausserdem auf vorteilhafte Art und Weise vieldrähtige supraleitende Kabel hergestellt werden. Zu diesem Zweck kann man zum Beispiel einen Kupferzylinder, in dem eine aus einem Nb/Al-Sandwieh aufgerollte Spule angeordnet worden ist, verformen, bis ein Draht von einer bestimmten Lange erreicht wird, diesen Draht in eine Vielzahl von Abschnitten zerschneiden, diese Abschnitte in einem anderen Kupferbehalter vereinigen, den Behälter mit den darin angeordneten Drahtabschnitten verformen, bis die Dicke der - ' einzelnen Al-iblien auf einen Wert unter etwa 1,5/um ' verringert wird, das derart bearbeitete Produkt zweckmassig einer Torsion aussetzen um eine magnetische Entkopplung der einzelnen-Drahte zu erhalten, und schliesslich einer Warmbehandlung bei einer Temperatur zwischen 8000C und 10000C unterziehen.
Bei den supraleitenden Kabeln aus Nb^Al nach der vorliegenden Erfindung, welche in eine Kupfermatrize eingebettet sind, hat das Kupfer die Aufgabe, dem elektrischen Strom einen alternativen. Weg zu verleihen, falls ein Abschnitt des supraleitenden Kabels aus Nb,Al ortsweise widerstandsfähig wird, so dass eine ubermassige Erwärmung verhindert und eine wenigstens teilweise Stabilisierung des in Betrieb stehenden Kaböis begünstigt wird.
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Wie "bekannt stellen die vie}.drahtigen supraleitenden Kabel (mit fur die magnetische Entkopplung zweckaiassig verdrehten Drahten) die modernste lösung fur die Stabilisation des im Betrieb,stehenden Kabels dar; die Herstellung solcher Kabel wurde jedoch bisher auf dehnbare Supraleiter, wie Hb-Ti oder Nb-Zr Legierungen beschrankt, deren Verformung keine besonderen Probleme stellt* Da die Verbindung Nb-Al bessere supraleitende Eigenschaften als diese Legierungen besitzt, ist die erfindungsgemässe Herstellung eines mit Kupfer stabilisierten vieldrahtigen Kabels mit
Il
Nb Al-Drahten ein erheblicher technischer Fortschritt bezüglich dem herkömmlichen Stand der Technik,
Erstaunlicherweise hat sich herausgestellt, dass für die Bildung der Nb Al Phase bei zwischen 8000C und 10000G begriffenen Diffusionstemper'atureri und in Zeitspannen,welche
It
mit denjenigen fur die Herstellung der Verbindung Nb^Sn vergleichbar sind, das heisst von mehr als zehn Minuten bis zu einigen Stunden, die Dicke der Al-Folie vor der Reaktion kleiner als et?/a 1,5/um sein muss; wenn die Foliendicke mehr als 1,5 /um betragt, und man bei der gleichen Temperatur arbeitet, sind auch (und vor allem, bei zunehmender Dicke) nicht supraleitende Metallverbindungen wie Nb_Al und NbAl. vorhanden.
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die anliegende beispielsweise Zeichnung genauer beschrieben, in
Il
welcher die einzige Figur zwei ubereinandergelegte und um einen Kupferkern zu einer Spule aufgerollte, in einem zylinderföraigen Kupferbehalter angeordnete Nb- und Al-
Folien scheraatisch im Querschnitt mit vergrössertem Massstab darstellt, v^obei der Klarheit wegen die Bickenmasse
der Elemente zueinander im Missverhältnis gezeigt sind·
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Mit Bezug auf diese Zeichnung werden eine Al-Folie und eine gleich breite aber lkager.e Nb-Folie üb er θ inander ge- ■ legt und darauf eng auf einen aus einem Rundeisen aus Kupfer bestehenden Kern 1 zu einer Spule aufgewickelt. Die AlrFolie wurde, der Klarheit wegen, nicht schraffiert dargestellt. Dank der grösseren länge der Nb-Folie, kommt der Rundstab aus Kupfer direkt mit der Nb-Folie in Berührung, wobei auch die Aussenoberflache der Spule von der Nb-Polie gebildet wird. In den in der Zeichnung dargestellten Spulenq.uerschnitt erkennt man die radial zu einem Sandwich der Art Nb/Al/Nb/Al/Nb .../Nb übereinandergelegten Nb- und Al-Folien.
Diese Spule wird wie in der Zeichnung abgebildet in einen zylinderförmigen Kupferbehalter 2 eingeführt. Der Kupfer-
It
behalter kann an den beiden Enden offen sein. In einigen Fallen ist es jedoch vorteilhaft, dass der Kupferbehalter zumindest an einem Ende geschlossen ist, insbesondere die plastische Verformung durch Strangpressen erfolgt.
Der Behalter mit der darin angeordneten Spule wird darauf einer plastischen Verformung zum Beispiel durch Ziehen
ausgei wird.
ausgesetzt, bis ein Kabel der gewünschten Grosse erzielt
Wahrend die Dicke der Nb-Folie nicht kritisch ist, wird die Dicke der Al-Folie derart gewählt, dass sie am Ende des Verforniungsprozesses" weniger als etwa 1,5/ura beträgt.
Darauf wird das Kabel einer Warmbehandlung bei einer Temperatur zwischen 80O0G und 100O0C unterzogen, so dass sich durch Interdiffusion zwischen Nb und Al die supraleitende
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ORIGINAL INSPECTED ^ > , 'T
intermetallische- Verbindung Nb Al bildet und ein in eine
eingebettetes s erzielt wird.
Kupfermatrize eingebettetes supraleitendes Kabel aus Nb Al
Der Rundstab 1 aus Cu kann auch weggelassen werden. Die Verwendung des Eundstabes erleichtert das Aufwickeln des Nb/Al-Folienpaares in Form einer Spule und die nachfolgenden Verformungen des zusammengesetzten Zylinders·
Die Verformung kann auf verschiedene Art, wie zum Beispiel durch Strangpressen, Walzen, Gesenkschmieden usw. durchgeführt werden.
Die Verformung wird normalerweise ohne Erhitzung durchgeführt. Jedoch, wenn man. von grossen Durchmessern des Kupferbehalters ausgeht um sehr lange Kabel zu"erhalten, kann eine Verformung unter Erhitzung durchgeführt werden. Die diesbezüglichen Temperaturen sind jedoch stets weit unter der Temperatur der nachfolgenden wärmebehandlung und haben keinen -Einfluss auf die Bildung der intermetallischen Verbindung.
Fur die Herstellung von vieldrähtigen supraleitenden Kabeln kann eine Vielzahl von analog zum auf der anliegenden Zeichnung dargestellten Beispiel ausgelegten Elementen in einem Kupferbehalter angeordnet werden. Darauf wird das Ganze verformt, bis die Dicke der Al-Folie auf einen Wert unter etwa 1,5/um verringert wird, und schliesslich einer Warmbehandlung bei einer Temperatur zwischen 8000C und 10000C unterzogen.
Um die vorliegende Erfindung besser zu erläutern,folgt
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Il
ein Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemassen Verfahrens,
Über eine Nb-Folie mit' den folgenden Abmessungen:
. . lange : 500 mm Breite : '40 mm Dicke: 0,1 mm
wurde eine Al-Folie mit folgenden Abmessungen gelegt:
Länge : 4-80 mm
Breite : 40 mm
Dicke o, 015mm
Die beiden Folien wurden derart übereinandergelegt, dass die kürzere Al-Folie die darunterliegende Nb-Folie über beinahe den ganzen Langenunterschied, das heisst über
Il
etwa 20 mm freilasst.
Il
Die derar.t ubereinandergelegten Folien wurden auf einen zylindrischen Kupferkern mit einem Durchmesser von 3 mm zu einer Spule aufgewickelt. Dabei wurde zuerst der nicht von der Aluminiumfolie bedeckte Abschnitt der Nb-Folie aufgewickelt, so dass das Kupferrundeisen mit dem Nb und nicht mit dem Al in Berührung kommt.
Die auf diese Art un-d Weise erzielte Spule mit einem Gesamtdurchmesser von 9 mm, deren Aussenoberflache aus Nb besteht, wurde in einen zylinderförmigen Kupferbehalter mit einem Innendurchmesser von 9 mm und einem Aussendurch-
Il
messer von 14 mm eingeführt.
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Der Behälter mit der darin angeordnetem Spule, welcher im wesentlichen der anliegenden" Abbildung entspricht, wurde gewalzt, bis ein Walzdräht mit den Abmessungen 3x3 mm erzielt wurde. Der Walzdraht wurde ansehüessend gesenkgeschmiedet, bis ein Durchmesser von 1,66 mm erreicht wurde, und schliesslich gezogen, bis ein Kabel mit einem Durchmesser von 0,2 mm erzielt wurde* Wahrend diesem bei Zimmertemperatur durchgeführten Yerformungsprozess wurde das Produkt nicht nachgeglüht.
Nach der oben beschriebenen Verformung betrug die Dicke der -Al-Folie etwa 0,21 /um, da sie im Verhältnis 70 : 1 verkleinert wurde. Dieses Verhältnis ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen dem Ausgangsdurchmesser des zusammengesetzten Zylinders von 14 mm, und demjenigen des Kabels nach der Verformung, das heisst 0,2 mm. Dieses Verhältnis entspricht pr—— = r— " Ausser den oben genannten Kabelmustern mit einem Enddurchmesser von 0,2. mm
und einer Dicke der Al-Folie von etwa --* mm = 0,21 /um,
wurden auch in verschiedenen Zwischenstufen des oben erwähnten Verformungsprosesses Muster entnommen, und zwar mit einem Durchmesser von 0,45 mm, 0,72 mm, 0,95 mm und
1,66 mm. Da die entsprechenden Verkleinerungsverhaltnis-
14 31
se in den verschiedenen Entnahmestufen - = -Λ — bzw.
0,45 1
0,72 " 1 Dzw* 0,95 1 1,66 1 wies ,die Al-Folie folgende Dicken auf: 2*231_ M = 0,48,U01" 2*212. „» = 0,77/a, ^
ji · / iy »4 / 14»(
0 015
1,02 /um und mm = 1,70/Um. / 8,4 * /
Die verschiedenen lauster wurden einer Warrabe hand lung bei einer Temperatur zwischen 8000C und 10000C und über ver-
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schiedene Zeitspannen unterzogen, um die intermetallische Verbindung Nb Al zu entwickeln.·- ·' .
Alle Küster wurden ausserdera. einer Beugungsanalyse mit Röntgenstrahlen unterzogen, um die Beschaffenheit der vorhandenen Phasen der intermetallischen Verbindungen festzustellen. Ferner wurden Messungen mit kritischen Stromwerten bei einer Temperatur von 4,20K in Abhängigkeit eines Magnetfeldes bis 64.000 Gauss vorgenommen·
Il
Die ermittelten Daten und Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen sind aus der folgenden Tabelle ersichtlich.
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cn ο to
Anzahl Kabel- Dicke Al- Temperatur Dauer der 1 Vorhandene Kritische Strom (A) 4,7
Muster durch- Folie Warmbehandlg. Warmbehandlg. intermetal werte bei 64 K 4,4
.messer lische Gauss 3,9
(mm) (mm) ■' (°c) (Std.) Phasen 4,8
·. t 0,2 · 0,21 950 0,5 Nb3Al 12,9
'. 2 0,2 0,21 . 950 1 Nb3Al 10,7
i 3" 0,2 0,21 950 0,5 Nb3Al 10,7
4 0,2 0,21 950 1,5 Nb3Al 10,1
5 0,45 0,48 950 1 Nb3Al 10,7,
6 .0,72 0,77 950 1 Nb3Al
7 0,72 0,77 950 2 Nb3Al
8 0,95 1 ,02 950 2 Nb3Al
9 1 ,66 1 ,78 . 950 2 Nb2Al +
Nb3Al
Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass bei Reaktionszeiten bis zu 2 Stunden nur die Phase Ifb.Al auftritt, wenn die Dicke der Al-Folie nach der Verformung weniger als 1,5/um beträgt (Muster 1 - 8). Y/enn die JOlie dagegen dicker als 1,5 /um ist (Muster 9), erscheinen auch nicht supraleitende Phasen (im vorliegenden J?all die Phase Nb Al).
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen klar aus der obigen Beschreibung hervor, können aber folgendermassen zusammengefasst werden«,
I ti H
Mit dem. erfindungsgemassen "/erfahren können ein- und vieldrähtige supraleitende Kabel aus NbJIl bei industriell annehmbaren Temperaturen hergestellt werden·
If
Ausserdera können damit mit Hilfe einer Kupfer ummantelung verfestigte, das heisst in Kupfer eingebettete Kabel erzielt werden*
509840/0364

Claims (7)

  1. Patentanwalt
    Hamburg 1 · Beim Strohhcuse 34 den 17. März 1975
    Telefon: 24 *74S ~ *T -
    Anwaltsakte: 4869 · <(5. 2511656
    PATENTANSPRÜCHE
    Λ J Verfahren fur die Herstellung von supraleitenden Kabeln aus Nb ..Al, dadurch gekennzeichnet, dass eine Formation von übereinander gelegten Nb- und Al-Folien
    gebildet wird, diese Formation in einen Kupferbehalter eingeführt v/ird, dieser Küpferbehälter mit den darin angeordneten Folien einer plastischen Verformungsbearbeitung so lange ausgesetzt wird, bis die Dicke der Al-Folie auf einen Wert unter etwa 1,5/um verringert wird, und das derart bearbeitete Produkt schliesslich einer Warmbehandlung bei einer Temperatur zwischen 80O0C und 100O0C ausgesetzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    Il
    dass in der Formation von ubereinandergelegten Nb- und
    II.
    Al-Folien die Nb- und Al-Folien derart ubereinandergelegt werden, dass zwischen zwei Nb-Folien eine Al- Folie zu liegen kommt, so dass ein Sandwich der Art Nb/Al/Nb o.der vorzugsweise ein Sandwich der Art Nb/Al/Nb/Al/Nb... /Nb erzielt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, .ti
    dass fur die Bildung dieser Sandwichs eine Al-Folie
    über eine Nb-Folie gelegt wird, und diese übereinanderliegenden Folien zu wenigstens einer die genannte Formation bildende Spule aufgewickelt werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese Spule um einen Kupferkern aufgewickelt wird.
  5. 5. Verfahren fur die Herstellung von supraleitenden .
    509840/0364
    Kabeln aus lib Αχ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere vorzugsweise um, einen.Kupferkern zu Spulen gewickelte Formationen von über Nb-Folien gelegten Al-Folien gebildet werden,j ede zu Spule gewickelte Formation in einen Kupferbehälter eingeführt wird, dieser
    II'.
    Behalter in einem, geraeinsamen Kupferbehalter angeordnet werden, dieser gemeinsame Kupferbehalter danach einer plastischen Verformung ausgesetzt wird, bis die Dicke der Al-Folien auf einen Wert unter etwa 1,5/Um verkleinert wird und danach eine V/armbehandlung"des derart bearbeiteten Produktes bei einer Temperatur zwischen 8000C und 10000C durchgeführt wird.
  6. 6. Verfahren fur die Herstellung von supraleitenden Kabeln aus Fb,Al nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise um einen Kupferkern zu Spule gewickelte in einen Kupferbehälter eingeführte von
    über Nb-Folien gelegten Al-Folien bestehende Formation zusammen mit dem Behälter einer ersten plastischen Verformung ausgesetzt wird,· das-so bearbeitete Produkt in eine Vielzahl ■ von Abschnitten zerteilt wird, diese Abschnitte dann in einem gemeinsamen Kupferbehalter angeordnet werden, der gemeinsame Kup"ferbehalter dann einer weiteren plastischen Verformung so lange ausge-i setzt wird, bis die Dicke der Al-Folie auf einen Wert unter etwa 1,5/um herabgesetzt wird, und das so er-
    Il
    haltene -Produkt einer VYarniebehandlung bei einer Temperatur zwischen 8000C und 10000C ausgesetzt wird,
  7. 7. In Kupfereingebetteter supraleitende Kabel aus FbJIl, welche mit dem Verfahren nach einem beliebigen der obigen Ansprüche erzielt worden sind.
    509840/03
DE19752511656 1974-03-22 1975-03-18 Verfahren fuer die herstellung von supraleitenden kabeln aus nb tief 3 al, sowie mit diesem verfahren erziehlte supraleitende kabel Ceased DE2511656A1 (de)

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