DE2759631C2

DE2759631C2 - Process for the manufacture of a superconductor

Info

Publication number: DE2759631C2
Application number: DE2759631A
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Phys. Dr. 8520 Erlangen Ziegler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-03-16
Filing date: 1977-03-16
Publication date: 1982-01-21
Also published as: DE2759631B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters, bei dem der Supraleiter, der eine supraleitende Verbindung des Typs A₃B mit A15-Kristallstruktur enthält, aus zwei Komponenten dadurch gebildet wird, daß ein Vorprodukt mit diesen Komponenten einer Wärmebehandlung unterzogen wird, und bei dem zur Bildung des Vorprodukts in einer Matrix Leiteradern aus der ersten Komponente der supraleitenden Verbindung angeordnet werden, die jeweils von einer die zweite Komponente der supraleitenden Verbindung enthaltenden Schicht umschlossen sind. Ein solches Herstellungsverfahren eines Supraleiters ist aus der DE-OS 22 OO 769 bekannt.The invention relates to a method for producing a superconductor, in which the superconductor, which contains a superconducting compound of the A ₃ B type with an A15 crystal structure, is formed from two components by subjecting a preliminary product with these components to a heat treatment, and in which, in order to form the preliminary product, conductor cores from the first component of the superconducting compound are arranged in a matrix, each of which is enclosed by a layer containing the second component of the superconducting compound. Such a manufacturing method for a superconductor is known from DE-OS 22 00769.

Aus zwei Komponenten mit jeweils einem Element bestehende supraleitende intermetallische Verbindungen wie beispielsweise Nb₃Sn oder V₃Ga, die vom Typ A₃B sind und A15-Metallstruktur besitzen, haben sehr gute Supraleitungseigenschaften und zeichnen sich insbesondere durch ein hohes kritisches Magnetfeld B_C2, eine hohe Sprungtemperatur T_c und eine hohe kritische Stromdichte /_caus. Sie eignen sich deshalb besonders als Leiter für Supraleitungsspulen zum Erzeugen starker Magnetfelder. Darüber hinaus sind auch Ternärverbindungen wie beispielsweise Niob-Aluminium-Germanium Nb₃Alo.8Ge_o,2 von besonderem Interesse. Da diese Verbindungen im allgemeinen sehr spröde sind, ist jedoch ihre Herstellung in einer beispielsweise für Magnetspulen geeigneten Form schwierig. Mit dem bekannten Verfahren ist eine Herstellung von Supraleitern mit intermetallischen Verbindungen aus zwei Komponenten in Form langer Drähte oder Bänder möglich. Dieses Verfahren dient besonders zur Herstellung von sogenannten Vielkernleitern mit in einer normalleitenden Matrix angeordneten Drähten, beispielsweise aus Nb₃Sn oder V₃Ga, oder mit Niob- bzw. Vanadium-Drähten mit Oberflächenschichten aus den genannten Verbindungen. Dabei wird ein drahtförmiges duktiles Element der herzustellenden Verbindung, beisDielsweise ein Niob-Draht. mit einer Hülle aus dem übrigen Element der Verbindung, beispielsweise mit einer Zinn-Schicht versehen und mit einem Mantel aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden Material umgeben. Der so gewonnene Aufbau wird dann einer querschnittsverringernden Bearbeitung unterzogen. Dadurch erhält man einmal einen langen Draht wie er für Spulen benötigt wird. Zum anderen wird bei dieser Bearbeitung der Durchmesser der beispielsweise aus Niob oder Vanadium bestehenden Drahtkerne auf einen niedrigeren Wert in der Größenordnung von etwa 30 bis 50 μπι oder weniger reduziert, was im Hinblick auf die Supraleitungseigenschaften des Leiters von Vorteil ist. Ferner erhält man durch diesen Verfahrensschritt eine gute metallurgische Verbindung zwischen den einzelnen Materialien. Mehrere dieser drahtförmigen Bauteile können dann zu einem Verbundelement zusammengefaßt und einer weiteren Querschnittsverringerung unterzogen werden, wobei ein Vorprodukt eines Supraleiters mit einer Matrix und den darin eingelagerten Elementen der zu bildenden supraleitenden Verbindung erhalten wird. Dieses Vorprodukt wird dann einer Wärmebehandlung derart unterzogen, daß die gewünschte supraleitende Verbindung durch Reaktion des Kernmaterials mit dem weiteren Element der Verbindung gebildet wird.Superconducting intermetallic compounds consisting of two components with one element each, such as Nb ₃ Sn or V ₃ Ga, which are of the A ₃ B type and have an A15 metal structure, have very good superconducting properties and are characterized in particular by a high critical magnetic field B _C 2 , a high transition temperature T _c and a high critical current density / _c . They are therefore particularly suitable as conductors for superconducting coils for generating strong magnetic fields. In addition, ternary compounds such as niobium-aluminum-germanium Nb ₃ Alo.8Ge _o , 2 are of particular interest. Since these compounds are generally very brittle, however, it is difficult to produce them in a form suitable, for example, for magnetic coils. With the known method, it is possible to manufacture superconductors with intermetallic compounds from two components in the form of long wires or strips. This method is used in particular for the production of so-called multi-core conductors with wires arranged in a normally conductive matrix, for example made of Nb ₃ Sn or V ₃ Ga, or with niobium or vanadium wires with surface layers made of the compounds mentioned. A wire-shaped ductile element is used for the connection to be established, for example a niobium wire. provided with a sheath made of the remaining element of the connection, for example with a tin layer, and surrounded by a jacket made of a material that conducts well electrically and thermally. The structure obtained in this way is then subjected to a cross-section-reducing processing. This gives you a long wire like the one needed for coils. On the other hand, the diameter of the wire cores made of niobium or vanadium, for example, is reduced to a lower value in the order of about 30 to 50 μm or less, which is advantageous with regard to the superconducting properties of the conductor. This process step also gives a good metallurgical bond between the individual materials. Several of these wire-shaped components can then be combined to form a composite element and subjected to a further reduction in cross-section, a preliminary product of a superconductor having a matrix and the elements of the superconducting connection to be formed embedded therein being obtained. This preliminary product is then subjected to a heat treatment in such a way that the desired superconducting connection is formed by reaction of the core material with the further element of the connection.

Bei solchen Supraleitern werden jedoch häufig Sprungtemperaturen T_c gemessen, die weit unter dem theoretischen Wert für das Leitermaterial liegen. Die Größe dieses als 7>Degradation bezeichneten Verhaltens ist wesentlich von den Herstellungsparametern des Leiters, insbesondere von den Glühbedingungen, abhängig. Mit der T_c-Degradation ist auch eine Degradation der kritischen Stromstärke I_a insbesondere bei hohen Magnetfeldern, verbunden.In such superconductors, however, transition temperatures T _c are often measured that are far below the theoretical value for the conductor material. The magnitude of this behavior, referred to as 7> degradation, is essentially dependent on the production parameters of the conductor, in particular on the annealing conditions. The T _c degradation is also associated with a degradation of the critical current strength I _a, particularly in the case of high magnetic fields.

Als Ursache für dieses Degradationsverhalten werden Spannungen angesehen, die sich aufgrund der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der supraleitenden Verbindung und des sie umgebenden Matrixmaterials während der Abkühlung von der Diffusionstemperatur auf die Betriebstemperatur des Supraleiters ergeben. So ist beispielsweise der thermische Ausdehnungskoeffizient einer Kupfer-Matrix mit 16 · iO"⁶ K-' etwa doppelt so groß wie der von Nb oder Nb₃Sn mit 7 · 10~⁶ K-'. Auf das supraleitende Material wird also bei Betriebstemperatur von dem Matrixmaterial aus ein Druck ausgeübt. Die so bedingte Abnahme der Sprungtemperatur T_c und der kritischen Stromstärke I_c dieser Leiter kann dadurch teilweise rückgängig gemacht werden, daß diese Leiter einer äußeren Dehnung unterzogen werden. Bei einer zu starken Dehnung nimmt jedoch die kritische Stromstärke wieder ab. Bei Variation der äußeren Spannung des Leiters durchläuft also die kritische Stromstärke ein Maximum. Um eine Erhöhung der kritischen Stromstärke des Leiters zu erreichen, muß dieser also einer vorbestimmten Zugspannung ausgesetzt werden, deren Maximalwert nicht überschritten werden darf. Einen solchen Wert für die Leiter in einer supraleitenden Magnetspule einzustellen, ist sehr schwierig, da stets die Gefahr besteht, daß bei zu hohen Zugspannungen, beispielsweise in einer Größenordnung von 1%, eine irreversible /_c-Degradation eintritt, die durch Schädigungen des supraleitenden Materials bedingt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das eingangs genannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß diese inneren Spannungen in dem Supraleiter aufgrund unterschiedlicher Dehnungskoeffizienten seiner Materialien vermindert werden, ohne daßThe cause of this degradation behavior is considered to be stresses that arise due to the different thermal expansion coefficients of the superconducting connection and the surrounding matrix material during the cooling from the diffusion temperature to the operating temperature of the superconductor. For example, the coefficient of thermal expansion of a copper matrix with 16 · 10 " ⁶ K- 'is about twice as large as that of Nb or Nb ₃ Sn with 7 · 10 ~ ⁶ K-' The resulting decrease in the transition temperature T _c and the critical current I _{c of} these conductors can be partially reversed by subjecting these conductors to external expansion When the external voltage of the conductor varies, the critical current strength passes through a maximum. In order to achieve an increase in the critical current strength of the conductor, it must therefore be subjected to a predetermined tensile stress, the maximum value of which must not be exceeded. Such a value for the conductor Set in a superconducting magnet coil is very difficult because there is always the risk that too high In tensile stresses, for example in the order of 1%, irreversible / _c degradation occurs, which is caused by damage to the superconducting material.
The object of the present invention is therefore to improve the method mentioned at the beginning in such a way that these internal stresses in the superconductor due to different expansion coefficients of its materials are reduced without this

die Gefahr einer Beschädigung der supraleitenden Teile des Leiters besteht.there is a risk of damage to the superconducting parts of the conductor.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöstThis object is achieved by the invention specified in claim 1

Die Vorteile dieser Ausbildung des Verfahrens bestehen darin, daß aufgrund der zumindest annähernd gleichen Ausdehnungskoeffizienten des Matrixmaterials und der supraleitenden Verbindung bei einer Abkühlung von der Wärmebehandlungstemperatur auf die Betriebstemperatur des Leiters ein Druck von der Matrix iaif die supraleitenden Teile des Leiters praktisch ausgeschlossen istThe advantages of this design of the method are that due to the at least approximately the same expansion coefficient of the matrix material and the superconducting compound in one Cooling from the heat treatment temperature to the operating temperature of the conductor a pressure of the Matrix iaif the superconducting parts of the conductor practically is excluded

Weitere vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further advantageous developments of the method according to the invention are set out in the subclaims marked.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung noch weiter erläutert, in deren Figur schematisch ein Ausführungsbeispiel eines bei dem Verfahren nach der Erfindung gebildeten Vorproduktes gezeigt ist Dem Ausführungsbeispiel ist dabei ein Herstellungsverfahren eines Nb₃Sn-Multifilamentleiters zugrunde gelegt bei dem die supraleitende intermetallische Verbindung NbsSn aus dem ersten Element Niob und dem zweiten Element Zinn in einem Diffusionsbehandlungsschritt hergestellt wird.The invention is the drawing with reference hereinafter be further explained, in the figure schematically illustrates an embodiment of a precursor formed in the method of the invention is shown The embodiment is ₃ Sn multifilament based on a manufacturing method of an Nb wherein the superconductive intermetallic compound NbsSn from the first element niobium and the second element tin is produced in a diffusion treatment step.

Das in der Figur als Querschnitt veranschaulichte Vorprodukt 12 eines Nb₃Sn-Filamentleiters enthält eine Niobmatrix 13 mit eingelagerten Niobfilamenten 14, von denen in der Figur nur einige angedeutet sind. Das Vorprodukt 12 hat beispielsweise einen Außendurchmesser von 0,3 mm urd enthält 1000 Niobfilamente. Zwischen den Filamenten 14 und dem Matrixmaterial ist jeweils eine Zinnschicht 15 angeordnet. Statt der Zinnschicht kann auch eine Zinn-Kupfer-Legierung vorgesehen sein (Appl. Phys. Letters, 29, Nr. 6, 1976, Seite 384). Das in der Figur dargestellte Vorprodukt kann bereits einer querschnittsverringernden Behandlung, jedoch noch nicht der abschließenden Wärmebehandlung zur Ausbildung der NbJSn-Schicht unterzogen worden sein. _{The intermediate product 12 of an Nb 3} Sn filament conductor, illustrated as a cross section in the figure, contains a niobium matrix 13 with embedded niobium filaments 14, only a few of which are indicated in the figure. The intermediate product 12 has, for example, an outside diameter of 0.3 mm and contains 1000 niobium filaments. A tin layer 15 is arranged between the filaments 14 and the matrix material. Instead of the tin layer, a tin-copper alloy can also be provided (Appl. Phys. Letters, 29, No. 6, 1976, page 384). The preliminary product shown in the figure can already have been subjected to a cross-section-reducing treatment, but not yet to the final heat treatment for forming the NbJSn layer.

Das Vorprodukt 12 wird schließlich einer Diffusionsglühung, beispielsweise bei 750⁰C etwa 20 Stunden lang, unterzogen.The intermediate product 12 is finally subjected to diffusion annealing, for example at 750 ^° C. for about 20 hours.

Da der thermische Ausdehnungskoeffizient von Niob ungefähr gleich dem von Nb₃Sn ist, werden beim Abkühlen dieses so hergestellter. Leiters von der Diffusionstemperatur auf die Betriebstemperatur praktisch keine unerwünschten Druckspannungen von dem Matrixmaterial auf die supraleitenden Teile des Leiters ausgeübt, so daß entsprechende Degradationen auch nicht auftreten.Since the coefficient of thermal expansion of niobium is approximately the same as that of Nb ₃ Sn, it is produced in this way when it is cooled. Conductor from the diffusion temperature to the operating temperature practically no undesirable compressive stresses exerted by the matrix material on the superconducting parts of the conductor, so that corresponding degradations also do not occur.

Dem Ausführungsbeispiel ist zwar ein Herstellungsverfahren zur Ausbildung der supraleitenden intermetallischen Verbindung Nb₃Sn zugrunde gelegt. Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich jedoch ebensogut für alle bekannten supraleitenden Verbindungen wie beispielsweise V₃Ga oder V₃Si, die aus zwei Komponenten mit jeweils mindestens einem Element durch Wärmebehandlung ausgebildet werden.The exemplary embodiment is based on a production method for forming the superconducting intermetallic compound Nb ₃ Sn. However, the method according to the invention is just as suitable for all known superconducting compounds such as V ₃ Ga or V ₃ Si, which are formed from two components, each with at least one element, by heat treatment.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. A method for producing a superconductor, in which the superconductor, which contains a superconducting compound of the A ₃ B type with an Al5 crystal structure, is formed from two components in that a preliminary product with these components is subjected to a heat treatment, and in which to Formation of the preliminary product in a matrix conductor cores are arranged from the first component of the superconducting connection, each of which is enclosed by a layer containing the second component of the superconducting connection, characterized in that a matrix (13) made of the material of the first component is provided.

2. The method according to claim 1, characterized in that layers (15) around the conductor cores (14) can be provided from the first component, which is the second component of the superconducting Compound contained in the form of an alloy.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the compound NbjSn or V ₃ Ga or V ₃ Si is formed.