FR2692714A1 - Fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti et son procédé de fabrication. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti possédant un filament supraconducteur (9) qui comporte un élément (1) fait d'un alliage Nb-Ti et un élément d'épinglage (2) fait de Nb ou d'un alliage de Nb n'ayant pas de propriétés supraconductrices dans le champ magnétique de fonctionnement, l'alliage à base de Nb-Ti contenant Ti à une teneur de 48 à 65 % en poids, et le filament supraconducteur contenant Nb ou l'alliage de Nb dans un rapport de 20 à 35 % en volume.
Description
La présente invention concerne un fil supraconducteur du type à alliage
Nb-Ti et son procédé de fabrication.
Un fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti présente une structure comprenant une matrice faite de Cu ou d'un alliage à base de Cu dans laquelle est incorporé au moins un filament supraconducteur en alliage à base de Nb-Ti. Un procédé de fabrication d'un fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti bien connu comprend les opérations suivantes: insérer un élément fait d'un lingot d'alliage Nb- Ti dans un tube fait de Cu ou d'alliage à base de Cu; soumettre le tube à un processus de réduction d'aire comportant extrusion et étirage, de manière à former une billette composite; réaliser un faisceau composé de plusieurs billettes composites et insérer le faisceau dans un tube de Cu ou d'alliage à base de Cu; et soumettre le tube à un processus de réduction d'aire comportant extrusion et étirage, de manière à former un élément composite final Ci-après, ce procédé sera
appelé plus simplement "procédé d'insertion".
On a récemment mis au point un procédé comprenant les opérations suivantes: encastrer préalablement un métal tel que Nb ou Ti, qui ne présente aucune propriété de supraconduction dans certaines conditions, à savoir une température de 4,2 K avec un champ magnétique de plusieurs teslas, dans un
alliage Nb-Ti initial et produire un fil composite sensiblement de la manière ci-
dessus indiquée Ci-après, ce procédé sera simplement appelé 'procédé
d'épinglage artificiel".
Dans cette description, on désigne par "centre d'épinglage", appelé
également "centre de pinning", une substance qui amène un flux magnétique quantifié à contenir la force de Lorentz dans un supraconducteur, ce qui permet de
faire passer plus de courant électrique dans le supraconducteur.
Dans le procédé d'insertion, on utilise comme centre d'épinglage une phase métallique, précipitée à partir de la matrice d'alliage Nb-Ti et appelée phase
a-Ti, pour commander une propriété principale du fil supraconducteur, c'est-à-
dire la densité de courant critique (ci-après appelée "Jc") Inversement, dans le procédé d'encastrement, on utilise comme centre d&épinglage un matériau non
supraconducteur encastré.
Dans le procédé d'insertion, un traitement thermique approprié accompagné par un formage à froid est nécessaire pour permettre que la phase de
a-Ti présente dans la matrice d'alliage Nb-Ti soit un centre d'épinglage efficace.
Toutefois, puisqu'il est difficile de connaître avec précision la quantité et la forme de la phase de a-Ti dans un procédé de fabrication de fil supraconducteur, il est très dur de concevoir avec précision un fil supraconducteur ayant une valeur Jc appropriée De plus, ce procédé impose plusieurs processus compliqués et longs,
ce qui élève inévitablement le coût de fabrication.
D'autre part, dans le procédé d'épinglage artificiel, on peut estimer la quantité et le changement de la forme des centres d'épinglage introduits Ainsi, il est possible de concevoir avec précision un matériau supraconducteur ayant une valeur Jc appropriée Toutefois, un inconvénient du procédé d'épinglage artificiel est que la valeur Jc augmente de façon certaine pour un champ magnétique faible de 1 à 3 T, mais diminue notablement dans un champ magnétique moyen ou élevé, de 4 T ou plus, par comparaison avec le procédé d'insertion (comme indiqué L R. Motowidlo et al, Adv Cryog Eng, vol 36, page 311, 1990; K Yamafuji et al, Cryogenics, vol 31, page 431, 1991) On n'a pas encore pu établir un procédé permettant d'empêcher la diminution importante de la valeur Jc pour un champ magnétique moyen ou élevé C'est la raison principale pour laquelle le procédé d'encastrement n'a pas encore été beaucoup utilisé en pratique par comparaison
avec le procédé d'insertion.
Cest un but de l'invention de produire un fil supraconducteur du type à
alliage Nb-Ti, dont la valeur Jc est augmentée pour un champ moyen ou élevé.
Un autre but de l'invention est de produire un procédé permettant de
fabriquer efficacement un fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti.
L'invention propose un fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti
possédant un filament supraconducteur qui comprend un élément fait d'alliage Nb-
Ti et un élément d'épinglage fait de Nb ou d'alliage de Nb (ce que l'on appelera ci-
après "alliage de Nb (A)") ne possédant pas de propriétés supraconductrices pour le champ magnétique de fonctionnement; l'alliage à base de Nb-Ti contenant Ti a une teneur de 48 à 65 % en poids, et le filament supraconducteur contenant Nb ou
un alliage de Nb (A) dans le rapport de 20 à 35 % en volume.
L'invention propose également un fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti possédant un filament supraconducteur qui comprend un élément fait d'alliage Nb-Ti et un élément d'épinglage fait de Ti ou d'alliage de Ti (que l'on appelera ci-après "alliage de Ti (B)") possédant une température critique inférieure à celle de l'alliage à base de Nb-Ti contenu dans l'élément d'alliage de Nb-Ti et, ou bien, n'ayant aucune propriété supraconductrice; l'alliage à base de Nb-Ti contenant Ti a une teneur de 25 à 45 % en poids, et le filament supraconducteur
contenant Ti ou un alliage de Ti dans un rapport de 20 à 35 % en volume.
La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise
à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est un graphe montrant la variation de la valeur de Bc 2 en fonction de la teneur en Ti de l'alliage à base de Nb-Ti;
les figures 2 A à 2 G sont des schémas montrant un procédé représen-
tatif de la fabrication du fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti selon l'invention; et la figure 3 est un schéma montrant un autre procédé représentatif de la
fabrication du fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti selon l'invention.
Selon un premier aspect de l'invention, la teneur en Ti de l'alliage à base de Nb-Ti est de 48 à 65 % en poids, et le rapport volumique de Nb ou de
l'alliage de Nb (A) dans un fil supraconducteur est de 20 à 35 % dans le fil supra-
conducteur du type à alliage Nb-Ti.
Selon un autre aspect de l'invention, la teneur en Ti de l'alliage à base de Nb-Ti est de 25 à 45 % en poids, et la fraction volumique de Ti ou de l'alliage
de Ti (B) dans un filament supraconducteur est de 20 à 35 % dans le fil supra-
conducteur du type à alliage Nb-Ti.
Un exemple d'alliage à base de Nb-Ti est un alliage possédant un élément supplémentaire tel que Ta, Hf L'élément supplémentaire peut contribuer à
augmenter le champ critique supérieur (ci-après appelé "Bc 2 ").
Un exemple d'alliage de Nb (A) est un alliage possédant un élément supplémentaire tel que Ti, Ta, AI, Mg, Fe, Hf, Cu, Ge, Ni, Zr et Cr Un exemple d'alliage à base de Ti (B) est un alliage possédant un élément supplémentaire tel
que Nb, Ta, Al, Mg, Fe, Hf, Cu, Ge, Ni, Zr et Cr.
On peut produire le fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti ci-
dessus présenté à l'aide de l'un quelconque des procédés suivants.
Le premier procédé comprend les opérations suivantes: combiner un élément fait d'un alliage Nb-Ti possédant de 48 à 65 % en poids de Ti avec un élément fait de Nb ou d'un alliage de Nb (A); soumettre les éléments combinés à un processus d'étirage afin de former une billette composite La fraction volumique de Nb ou de l'alliage de Nb (A) dans la billette composite est ajustée à une valeur de 20 à 35 % Ensuite, on forme un fil composite en mettant en faisceau plusieurs billettes composites; et on soumet le fil composite à un processus comportant extrusion et étirage, si nécessaire, afin de former un fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti Le fil supraconducteur obtenu avec le premier procédé contient un filament supraconducteur dont la structure comprend une matrice d'alliage à base de Nb-Ti et des centres d'épinglage de Nb ou d'alliage de Nb (A), l'alliage à base
de Nb-Ti contenant Ti à une teneur de 48 à 65 % en poids, et le filament supra-
conducteur contenant Nb ou l'alliage à base de Nb (A) dans un rapport de 20 à 35 % en volume. Le deuxième procédé comprend les opérations suivantes: combiner un élément fait d'un alliage Nb-Ti ayant de 25 à 45 % en poids de Ti avec un élément fait de Ti ou d'alliage de Ti (B); soumettre les éléments combinés à un processus d'étirage de manière à former une billette composite La fraction volumique de Ti ou de l'alliage de Ti (B) dans la billette composite est ajustée à une valeur de 20 à % Ensuite, on forme un faisceau composite en mettant en faisceau plusieurs billettes composites; et on soumet le fil composite à un processus comportant extrusion et étirage, si nécessaire, afin de former un fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti Le fil supraconducteur obtenu contient un filament supraconducteur dont la structure comprend une matrice d'alliage à base de Nb-Ti et des centres d'épinglage de Ti ou d'alliage de Ti (B), l'alliage à base de Nb-Ti contenant Ti à une teneur de 25 à 45 % en poids, et le filament supraconducteur contenant Ti ou
l'alliage de Ti (B) dans un rapport de 20 à 35 % en volume.
Un troisième procédé comprend les opérations suivantes: empiler un élément fait d'un alliage à base de Nb-Ti et un élément fait de Nb ou d'un alliage de Nb (A), ou bien un élément fait d'un alliage à base de Nb-Ti et un élément fait de Ti ou d'un alliage de Ti (B), en alternance l'un sur le dessus de l'autre; soumettre les éléments empilés à un processus de réduction d'aire, de manière à former une billette composite; former un fil composite en mettant en faisceau plusieurs des billettes composites ci-dessus indiquées; si nécessaire, soumettre de nouveau le fil composite à un traitement composite et à un processus de réduction
d'aire, de manière à obtenir un fil supraconducteur du type à alliage NbTi.
Lorsqu'on utilise dans ce procédé Nb ou un alliage de Nb (A) comme centre d'épinglage, l'alliage à base de Nb-Ti présente de préférence une teneur en Ti de 48 à 65 % en poids D'autre part, lorsqu'on utilise comme centre d'épinglage Ti ou un alliage de Ti (B), l'alliage à base de Nb-Ti possède de préférence une teneur en
Ti de 25 à 45 % en poids.
Comme types d'empilage d'un élément d'alliage à base de Nb-Ti et d'un élément de Nb ou d'alliage de Nb (A), ou bien d'un élément d'alliage à base de Nb-Ti et d'un élément de Ti ou d'alliage de Ti (B), on peut mentionner les trois
exemples suivants.
( 1) On empile deux types de plaques métalliques en alternance l'une sur le dessus de l'autre de manière continue L'un des deux types de plaque est fait d'alliage à base de Nb-Ti et l'autre est fait de Nb ou d'alliage de Nb (A) ou de Ti
ou d'alliage de Ti (B).
( 2) On assemble deux types de tubes métalliques de diamètres différents en alternance l'un sur l'autre de manière continue L'un des deux types de tube est fait d'alliage à base de Nb-Ti et l'autre est fait de Nb ou d'alliage de Nb
(A), ou bien de Ti ou d'alliage de Ti (B).
( 3) On empile deux types de feuillets métalliques en alternance l'un sur le dessus de l'autre Un des deux types de feuillets est fait d'alliage à base de Nb-Ti
et l'autre est fait de Nb ou d'alliage de Nb (A) ou de Ti ou d'alliage de Ti (B).
En épaisseur, la proportion de l'élément d'alliage à base de Nb-Ti à l'élément de Nb ou d'alliage de Nb (A), ou de l'élément d'alliage à base de Nb-Ti à
l'élément de Ti ou d'alliage de Ti (B), est de préférence comprise entre 1 et 20.
Avec le troisième procédé, il est facile d'introduire Nb ou l'alliage de Nb, ou bien Ti ou l'alliage de Ti (B), comme centre d'épinglage dans l'alliage à base de Nb-Ti Par conséquent, le troisième procédé permet de produire facilement un fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti ayant d'excellentes propriétés supraconductrices, en particulier une excellente densité de courant critique, sans qu'il faille faire appel à un traitement thermique complexe comme dans les
procédés classiques.
Dans le troisième procédé, la force d'épinglage est proportionnelle à la variation volumique des lignes de flux quantifié se chevauchant avec les épingles, soit, en d'autres termes, la variation du potentiel d'épinglage accompagnant un déplacement de lignes de flux quantifié dans un filament supraconducteur Par conséquent, pour augmenter la force d'épinglage lorsque la fraction volumique des épingles dans le filament supraconducteur ne change pas, il est nécessaire d'augmenter la variation volumique de la partie en chevauchement accompagnant le déplacement des lignes de flux quantifié De ce point de vue, il est préférable d'utiliser le premier type, dans lequel on empile deux types de plaques métalliques en alternance l'une sur le dessus de l'autre et on forme un fil composite par application d'un processus de réduction d'aire Avec ce procédé, la direction d'empilement de plaques métalliques faites d'alliage à base de Nb-Ti est différente avec des plaques métalliques formant des centres d'épinglage dans diverses directions, le résultat étant que la variation volumique des lignes de flux quantifié se chevauchant avec des épingles qui accompagne le déplacement des lignes de
flux quantifié augmente, ce qui permet d'obtenir une force d'épinglage élevée.
Un quatrième procédé comprend les opérations suivantes: préparer deux types d'éléments métalliques ayant des aires différentes en section droite, qui sont faits de Nb ou d'alliage de Nb, ou bien de Ti ou d'alliage de Ti; combiner physiquement les deux types d'éléments métalliques avec un élément fait d'alliage à base de Nb-Ti; soumettre les éléments combinés à un processus de réduction d'aire de manière à former une billette composite; former le fil composite en mettant en faisceau plusieurs billettes composites; et, si nécessaire, soumettre le fil composite à un traitement composite et à un processus de réduction d'aire, de manière à former le fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti voulu Lorsque, dans ce procédé, on utilise Nb ou un alliage de Nb (A) comme centre d'épinglage, l'alliage à base de Nb-Ti possède de préférence une teneur en Ti de 48 à 65 % en poids D'autre part, lorsqu'on utilise comme centre d'épinglage Ti ou un alliage de Ti (B), l'alliage à base de Nb-Ti possède de préférence une teneur en Ti de 25 à
% en poids.
Lorsqu'on forme au moins deux métaux ayant des aires différentes en section-droite, on peut employer un procédé dans lequel deux plaques métalliques
ayant des épaisseurs différentes sont empilées l'une sur le dessus de l'autre.
Le fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti ainsi obtenu par le quatrième procédé présente des centres d'épinglage ayant diverses aires en section droite dans le filament supraconducteur Un centre d'épinglage qui possède une aire relativement grande en section droite est efficace dans un champ magnétique faible Au contraire, un centre d'épinglage ayant une aire relativement petite en section droite est efficace dans un champ magnétique élevé En raison de ces propriétés, il est possible d'augmenter la valeur Jc d'un fil supraconducteur du type
à alliage Nb-Ti pour un champ magnétique moyen et un champ élevé.
On va ci-après décrire de façon détaillée les effets obtenus avec le fil
supraconducteur du type à alliage Nb-Ti selon l'invention.
Un alliage Nb-Ti est une solution solide complète, et ses propriétés supraconductrices sont affectées par sa teneur en Ti Par exemple, la température
critique (Tc) diminue constamment en proportion inverse de la teneur en Ti.
Lorsque la teneur en Ti est inférieure à 40 % en poids, comme représenté sur la figure 1, le champ critique supérieur (Bc 2) augmente proportionnellement à la teneur en Ti et, lorsque la teneur en Ti atteint l'intervalle de 40 à 50 % en poids, la valeur de Bc 2 est de 11 T ou plus Toutefois, lorsque la teneur en Ti dépasse 50 %
en poids, la valeur de Bc 2 commence à diminuer (voir C Meingast et al, J Appl.
Phys, vol 66, page 5962, 1989) De ce point de vu, le filament supraconducteur
ci-dessus cité dans le préambule de la description est constitué d'un alliage Nb-Ti
contenant Ti à une teneur de 46,5 % en poids, présentant une valeur élevée pour Bc 2, et du métal Nb comme centre d'épinglage L'alliage Nb- Ti contenant 46,5 % en poids de Ti est largement utilisé pour la précipitation dans la phase cc-Ti Cet alliage Nb-Ti est produit en une grande quantité et est excellent en ce qui concerne
ses propriétés de traitement et son uniformité.
Toutefois, puisque Nb est introduit volontairement dans l'alliage Nb-
Ti contenant 46,5 % en poids de Ti comme dans la littérature ci-dessus citée, l'alliage Nb-Ti ne convient plus pour former un fil supraconducteur Ainsi,
lorsqu'on introduit Nb dans l'alliage Nb-Ti comme centre d'épinglage, la compo-
sition du filament supraconducteur se déplace vers le côté riche en Nb, ce qui a pour effet de faire diminuer la valeur de Bc 2 Lorsqu'on introduit Ti dans l'alliage Nb-Ti comme centre d'épinglage, la composition du filament supraconducteur se déplace dans le côté riche en Ti, ce qui a pour effet de faire baisser la valeur de Bc 2. Pour améliorer les propriétés se rapportant à Jc, on estime de façon générale, non seulement pour le procédé d'encastrement, mais aussi pour le procédé d'insertion, qu'il faut ajuster la taille du centre d'épinglage, réalisé par le métal Nb volontairement introduit, à une valeur suffisamment petite pour donner un effet d'épinglage au moyen d'un formage à froid comportant l'étirage Toutefois, avec un tel traitement, même si la valeur de Jc augmente lorsque la taille du centre
d'épinglage diminue jusqu'à une distance de cohérence de la matrice d'alliage Nb-
Ti (par exemple 5,7 nm, ce qui est la valeur de la distance de cohérence pour un alliage à base de Nb-Ti pour lequel on a Bc 2 = 101), une pénétration d'électrons de supraconduction, de l'alliage de Nb-Ti dans les centres d'épinglage, ce que l'on
appelle "effet de proximité", se produit fréquemment, ce qui entraîne une diminu-
tion de la valeur de Tc et de celle de Bc 2 La demanderesse a effectué des études profondes et nombreuses et a découvert que la diminution de la valeur de Bc 2 en raison de l"'effet de proximité" présente une forte corrélation avec la détérioration des propriétés relatives à Jc pour un champ magnétique moyen et un champ
magnétique élevé.
Par conséquent, on peut obtenir une amélioration importante des
propriétés relatives à Je pour un champ magnétique moyen et un champ magné-
tique élevé en supprimant la diminution de la valeur de Bc 2 grâce à un ajustement
du rapport du métal d'épinglage introduit par rapport à la matrice d'alliage de Nb-
Ti dans le filament supraconducteur, afin de faire approcher à la valeur de Bc 2 la
valeur maximale.
L'invention repose sur les découvertes ci-dessus indiquées La demanderesse peut surmonter la diminution de la valeur de Bc 2 qui accompagne l'introduction de centres d'épinglage et améliorer les propriétés relatives à Jc pour le champ magnétique moyen et le champ magnétique élevé en fixant la teneur en Ti de l'alliage à base de Nb-Ti à une valeur de 48 à 65 % en poids, et le rapport volumique de Nb ou de l'alliage de Nb dans le filament supraconducteur à une valeur de 20 à 35 % lorsqu'on introduit Nb ou un alliage de Nb (A) comme centre
d'épinglage dans une matrice d'alliage à base de Nb-Ti du filament supra-
conducteur. De plus, on peut empêcher la diminution de la valeur de Bc 2 qui accompagne l'introduction d'un centre d'épinglage et améliorer les propriétés relatives à Jc pour le champ magnétique moyen et le champ magnétique élevé en fixant la teneur de Ti d'un alliage à base de Nb-Ti à une valeur de 25 à 45 % en poids, et le rapport volumique de Ti ou de l'alliage de Ti (B) dans le filament supraconducteur à une valeur de 20 à 35 % lorsqu'on introduit Ti ou un alliage de Ti (B) comme centre d'épinglage dans la matrice d'alliage à base de Nb-Ti du
filament supraconducteur.
Ci-après, on va décrire l'invention de façon détaillée à l'aide
d'exemples en se reportant aux dessins annexés.
EXEMPLE 1
Comme représenté sur la figure 2 A, on empile en alternance lune sur le dessus de l'autre de manière continue une plaque 1 d'alliage de Nb contenant
52 % en poids de Ti et une plaque 2 de Nb, de manière à former un corps empilé.
On insère le corps empilé dans un tube 3 de Cu d'un diamètre externe de 45 mm et d'un diamètre interne de 35 mm, de façon à obtenir une billette composite On ajuste à 20 % le rapport volumique des plaques 2 de Nb par rapport au corps empilé contenant les plaques 1 d'alliage Nb-Ti et les plaques 2 de Nb Après cela, on soumet la billette composite à un processus comportant extrusion à chaud et étirage, de manière à former un fil composite 4 d'un diamètre de 1,3 mm, comme représenté sur la figure 2 B A l'aide d'acide nitrique, on dissout et on élimine le cuivre Cu constituant la face externe du fil composite 4, si bien qu'on obtient le premier fil composite 5, représenté sur la figure 2 C. Comme représenté sur la figure 2 D, on insère 800 premiers fils composites 5 ainsi obtenus dans un tube 6 de Cu d'un diamètre externe de 45 mm et d'un diamètre interne de 35 mm, que l'on soumet de nouveau à un processus comportant extrusion à chaud et étirage, si bien qu'on obtient un deuxième fil composite 7 d'un diamètre de 1 mm, comme représenté sur la figure 2 E. De nouveau, comme représenté sur la figure 2 F, on insère 800 deuxièmes fils composites 7 ainsi obtenus dans un tube 8 de Cu d'un diamètre externe de 45 mm et d'un diamètre interne de 35 mm, que l'on soumet à un traitement comportant extrusion à chaud et étirage, si bien qu'on obtient l'élément composite final On obtient alors un fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti 9 voulu ayant une structure qui comprend 800 filaments supraconducteurs incorporés dans une matrice de Cu, comme représenté sur la figure 2 G. EXEMPLES 2 à 5 et EXEMPLES COMPARATIFS 1 à 4 On forme un fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti sensiblement de la même manière que dans l'exemple 1, sauf qu'on ajuste la composition de la plaque d'alliage Nb-Ti et le rapport volumique des plaques de Nb par rapport au corps empilé constitué de plaques d'alliage Nb-Ti et de plaques de Nb comme représenté dans le tableau 1 On mesure à une température de 4,2 K, dans de l'hélium liquide, pour des champs magnétiques de 5 T et 8 T, les densités de courant critiques (Jc) de fils supraconducteurs du type à alliage Nb-Ti des
exemples 1 à 5 et des exemples comparatifs 1 à 4.
TABLEAU 1
Composition de l'alliage Pourcentage des plaques Densité de courant critique; Jc (A/mm 2) Nb-Ti; * 1 de Nb dans le corps; * 2 5 T 8 T Exemple 1 Nb-52 % Ti (en poids) 20 % en volume 3 450 1 150 Exemple 2 " 30 % en volume 3 530 1 250 Exemple 3 " 35 % en volume 3 380 1 000 Exemple 4 Nb-65 % Ti (en poids) 25 % en volume 3 400 1 500 Exemple 5 " 30 % en volume 3 440 900 Exemple Comparatif 1 Nb-70 % Ti (en poids) 25 % en volume 2 450 400 Exemple Comparatif 2 Nb-65 % Ti (en poids) 15 % en volume 2 500 700 Exemple Comparatif 3 " 40 % en volume 2 200 500 Exemple Comparatif 4 Nb-46,5 % Ti (en poids) 25 % en volume 2 890 400 O
* 1: cette teneur Nb/Ti est identique à celle existant dans le filament supraconducteur d'un fil supraconducteur du type à alliage Nb- Ti.
* 2: cette teneur en Nb est identique à celle existant dans le filament supraconducteur d'un fil supraconducteur du type à alliage Nb- Ti.
A, "Il. FD t 1 il Comme cela apparaît sur le tableau 1, les fils supraconducteurs du type à alliage Nb-Ti des exemples 1 à 5 présentent des valeurs élevées pour Jc sous des champs magnétiques de 5 T et 8 T, par comparaison avec les exemples comparatifs
1 à 4 Ces valeurs élevées sont attribuées à la structure de chaque filament supra-
conducteur, qui comprend une matrice d'alliage Nb-Ti et des centres d'épinglage de Nb, avec une teneur en Ti comprise entre 48 et 65 % en poids pour la matrice d'alliage Nb-Ti et un rapport volumique de Ti compris dans l'intervalle de 20 à
% en volume dans le filament supraconducteur.
Lorsqu'on utilise comme centre d'épinglage un alliage à base de Nb-Ti contenant un élément tel que Ti, Ta, AI, Mg, Fe, Hf, Cu, Ge, Ni, Zr, Cr, sauf Nb, à une teneur de 20 % en poids, ou moins, on obtient les mêmes résultats que ceux
indiqués ci-dessus.
EXEMPLE 6
On empile en alternance l'une sur le dessus de l'autre de manière continue des plaques d'alliage Nb-Ti contenant 38 % en poids de Ti et des plaques de Ti métalliques, de manière à former un corps empilé On usine le corps empilé ainsi obtenu de façon à l'insérer dans un tube de Cu d'un diamètre externe de mm et d'un diamètre interne de 35 mm, si bien qu'on obtient une billette composite On règle le rapport volumique des plaques de Ti par rapport au corps empilé constitué par les plaques d'alliage Nb-Ti et les plaques de Ti à une valeur de 20 % On soumet ensuite la billette composite à un processus comportant extrusion à chaud et étirage, si bien qu'on forme un fil composite d'un diamètre de 1,3 mm A l'aide d'acide nitrique, on dissout et on élimine le cuivre formant la face
externe du fil composite, si bien qu'on obtient le premier élément composite.
Après cela, on soumet deux fois le premier fil composite obtenu à un processus de réduction d'aire comportant extrusion à chaud et étirage, si bien qu'on obtient le fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti voulu, possédant la même
structure en section droite que pour l'exemple 1.
EXEMPLES 7 à 10 et EXEMPLES COMPARATIFS 5 à 8 On forme un fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti sensiblement de la même manière que dans l'exemple 6, sauf que la composition des plaques d'alliage Nb- Ti et le rapport volumique des plaques de Ti par rapport au corps empilé constitué par les plaques d'alliage Nb-Ti et les plaques de Ti sont ajustés
comme indiqué dans le tableau 2.
On mesure à une température de 4,2 K, dans de l'hélium liquide, pour des champs magnétiques de S T et 8 T, les densités de courant critiques (Jc) des fils supraconducteurs du type à alliage Nb-Ti des exemples 6 à 10 et des exemples
comparatifs S à 8 Les résultats sont également présentés dans le tableau 2.
TABLEAU 2
Composition de l'alliage Pourcentage des plaques Densité de courant critique; Jc (A/mm 2) Nb-Ti; * 1 de Nb dans le corps; * 2 5 T 8 T Exemple 6 Nb-38 % Ti (en poids) 20 % en volume 3 350 1 250 Exemple 7 " 30 % en volume 3 510 1 250 Exemple 8 " 35 % en volume 3 460 1 000 Exemple 9 Nb-25 % Ti (en poids) 25 % en volume 3 410 950 Exemple 10 " 30 % en volume 3 440 1 000 Exemple Comparatif 5 Nb-20 % Ti (en poids) 25 % en volume 2 300 500 Exemple Comparatif 6 Nb-25 % Ti (en poids) 15 % en volume 2 700 650 Exemple Comparatif 7 " 40 % en volume 2 600 400 Exemple Comparatif 8 Nb-46,5 % Ti (en poids) 25 % en volume 2 890 400
* 1: cette teneur Nb/Ti est identique à celle existant dans le filament supraconducteur d'un fil supraconducteur du type à alliage Nb- Ti.
* 3: cette teneur en Nb est identique à celle existant dans le filamentsupraconducteur d'un fil supraconducteur du type à alliage Nb- Ti.
-à A, Comme on peut le voir dans le tableau 2, les fils supraconducteurs du type à alliage Nb-Ti des exemples 6 à 10 ont des valeurs Jc plus élevées pour des champs magnétiques de 5 T et 8 T, par comparaison avec les valeurs des exemples comparatifs 5 à 8 Ces valeurs élevées sont attribuées au fait que la structure de chaque filament supraconducteur comprend une matrice d'alliage Nb-Ti et des centres d'épinglage de Ti, la teneur en Ti étant comprise dans l'intervalle de 25 à % en poids de la matrice d'alliage Nb-Ti, et le rapport volumétrique de Ti étant
compris dans l'intervalle de 20 à 35 % en volume du filament supraconducteur.
Lorsqu'on utilise un alliage à base de Ti contenant un élément tel que Nb, Ta, AI, Mg, Fe, Hf, Cu, Ge, Ni, Zr, Cr, sauf Ti, avec une teneur de 20 % en
poids ou moins, on obtient les mêmes résultats que ceux ci-dessus indiqués.
EXEMPLE 11
On empile en alternance l'une sur le dessus de l'autre, de manière continue, une plaque 12 d'alliage à base de Nb-Ti, contenant 60 % en poids de Ti, et une plaque 13 de Nb, de manière à former un corps empilé On usine le corps empilé ainsi obtenu pour pouvoir l'insérer dans un tube 11 de Cu d'un diamètre externe de 200 mm et d'un diamètre interne de 170 mm, de manière à obtenir la première billette composite 14 On prépare deux types de plaques 13 de Nb L'une est une plaque de Nb d'une épaisseur de 10 mm L'autre est une plaque de Nb d'une épaisseur de 1 mm Pour former le corps empilé, on utilise une unité composée de quatre des premières plaques de Nb et une autre unité composée de quinze des deuxièmes plaques de Nb Ensuite, on soumet la première billette composite obtenue à un processus comportant extrusion à chaud et étirage, afin de former un fil composite d'un diamètre externe de 1,2 mm A l'aide d'acide nitrique, on dissout et on élimine le cuivre formant la face externe du fil composite, et on remplit de 1000 de ces fils composites un tube de Cu d'un diamètre externe de 45 mm et d'un diamètre interne de 38 mm, de sorte qu'on obtient une deuxième billette composite. Après cela, on soumet la deuxième billette composite ainsi obtenue à un processus de réduction d'aire comportant extrusion à chaud et étirage, afin d'obtenir un fil composite à âme unique d'un diamètre externe de 1,0 mm On insère de nouveau le fil composite ainsi obtenu dans un tube de Cu d'un diamètre externe de 45 mm et d'un diamètre interne de 38 mm, de sorte qu'on obtient une troisième billette composite On soumet cette troisième billette composite à un processus de réduction d'aire comportant extrusion à chaud et étirage, de sorte qu'on obtient le fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti voulu de l'exemple 11,
dont le diamètre externe est 0,2 mm.
EXEMPLE 12
Le fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti de l'exemple 12 est formé sensiblement de la même manière que celui de l'exemple 11, sauf qu'on utilise, pour former le corps empilé, une première unité composée de quatre des plaques de Nb d'épaisseur 10 mm et une autre unité composée de cinq plaques de
Nb d'épaisseur 1 mm.
EXEMPLE 13
On forme le fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti de l'exemple 13 sensiblement de la même manière que celui de l'exemple 11, sauf qu'on forme le corps empilé au moyen d'une première unité composée de quatre plaques de Nb d'épaisseur 10 mm et d'une autre unité composée d'une plaque d'alliage à base de Nb-Ti d'épaisseur plus 1 mm, à la place des quinze plaques de Nb d'épaisseur 1 mm.
On mesure les densités de courant critiques (Jc) des fils supra-
conducteurs du type à alliage Nb-Ti des exemples 11 à 13 à une température de 4,2 K, dans de l'hélium liquide, pour des champs magnétiques de 5 T et 8 T Ces
résultats sont également présentés dans le tableau 3.
TABLEAU 3
Densité de courant critique; (A/mm 2) Valeur du champ 5 T 8 T magnétique Exemple 16 3 620 1230 Exemple 17 3490 1 140 Exemple 18 3 130 1050 Dans les exemples 11 et 12, la plaque de Nb qui possédait une épaisseur de 10 mm avant traitement fonctionne comme un gros centre d'épinglage dans le fil supraconducteur final, d'une façon qui augmente la valeur Jc pour les champs magnétiques faibles, et la plaque de Nb qui possédait une épaisseur de 1 mm avant traitement fonctionne comme un petit centre d'épinglage, d'une façon qui augmente la valeur de Jc pour les champs magnétiques moyens et élevées Par conséquent, les fils supraconducteurs obtenus dans les exemples 11 et 12 ont des valeurs Jc plus élevées que celles des fils supraconducteurs obtenus dans l'exemple
13 qui emploit des plaques de Nb d'une même épaisseur.
EXEMPLE 14
On empile en alternance l'une sur le dessus de l'autre, d'une manière continue, une plaque d'alliage à base de Nb-Ti, contenant 28 % en poids de Ti, et une plaque de Ti, de manière à former un corps empilé Ensuite, on usine le corps empilé ainsi obtenu pour pouvoir l'insérer dans un tube de Cu d'un diamètre externe de 200 mm et d'un diamètre interne de 170 mm, si bien qu'on obtient une première billette composite On prépare deux types de plaques de Ti L'une possède une épaisseur de 10 mm, et l'autre une épaisseur de 1 mm Pour former le corps empilé, on utilise une première unité composée de quatre des plaques de Ti du premier type et une autre unité composée de quinze des plaques de Ti du
dernier type.
Ensuite, on soumet la première billette composite à un processus de réduction d'aire comportant extrusion à chaud et étirage, de manière à former un fil composite d'un diamètre externe de 1,2 mm A l'aide d'acide nitrique, on dissout et on élimine le cuivre formant la face externe du fil composite, puis on insère mille de ces fils composites dans un tube de Cu de diamètre externe 45 mm et de
diamètre interne 38 mm, de sorte qu'on obtient une deuxième billette composite.
Après cela, on soumet la deuxième billette composite obtenue à un processus de réduction d'aire comportant extrusion à chaud et étirage, afin d'obtenir un fil composite à âme unique d'un diamètre externe de 1,0 mm On insère de nouveau le fil composite à âme unique obtenu dans un tube de Cu de diamètre externe 45 mm et de diamètre interne 38 mm, de sorte qu'on obtient une troisième billette composite On soumet la troisième billette composite à un processus de réduction d'aire comportant extrusion à chaud et étirage, de sorte qu'on obtient le fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti voulu de l'exemple 14,
qui possède un diamètre externe de 0,2 mm.
EXEMPLE 15
On forme le fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti de l'exemple 15 sensiblement de la même manière que celui de l'exemple 14, sauf qu'on empile l'une sur le dessus de l'autre, d'une manière continue, quatre plaques de Ti
d'épaisseur 10 mm et cinq plaques de Ti d'épaisseur 1 mm.
EXEMPLE 16
On forme le fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti de l'exemple 16 sensiblement de la même manière que celui de l'exemple 14, sauf qu'on forme le corps empilé à l'aide d'une première unité composée de quatre plaques de Ti d'épaisseur 10 mm et d'une autre unité constituée par une plaque d'alliage à base de Nb-Ti d'épaisseur plus 1 mm, à la place des quinze plaques de Ti d'épaisseur
1 mm.
On mesure les densités de courant critiques (Jc) des fils supra-
conducteurs du type à alliage Nb-Ti des exemples 14 à 16 à une température de 4,2 K, dans de l'hélium liquide, pour des champs magnétiques de 5 T et 8 T Ces
résultats sont également présentés dans le tableau 4.
TABLEAU 4
Densité de courant critique; (A/mm 2) Valeur du champ 5 T 8 T magnétique Exemple 19 3480 1180 Exemple 20 3360 1090 Exemple 21 3060 1000 Dans les exemples 14 et 15, la plaque de Ti qui possédait une épaisseur de 10 mm avant traitement fonctionne comme gros centre d'épinglage dans le fil supraconducteur final, ce qui augmente la valeur Jc pour les champs magnétiques faibles, et la plaque de Ti qui possédait une épaisseur de 1 mm avant traitement fonctionne comme petit centre d'épinglage, ce qui augmente la valeur Jc pour les champs magnétiques moyens et élevés Par conséquent, les fils supraconducteurs obtenus dans les exemples 14 et 15 ont des valeurs Jc plus élevées par comparaison au fil supraconducteur obtenu dans l'exemple 16 utilisant des plaques de Ti de
même épaisseur.
Sur la base de ce qui vient d'être énoncé, on voit que, selon l'invention, on peut obtenir un fil supraconducteur du type à alliage de Nb-Ti possédant une valeur élevée de Jc même pour les champs magnétiques moyens et élevés et, de
préférence, disponible pour un aimant, etc, tel qu'utilisé en MRI.
Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du
dispositif et du procédé dont la description vient d'être donnée à titre simplement
illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas
du cadre de l'invention.
Claims (14)
1 Fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti, caractérisé en ce qu'il comprend un filament supraconducteur ( 9) comportant un élément ( 1, 12) fait d'alliage à base de Nb-Ti et un élément d'épinglage ( 2, 13) fait d'un métal choisi
dans le groupe formé par Nb et un alliage de Nb, n'ayant pas de propriétés supra-
conductrices pour le champ magnétique fonctionnel, o ledit alliage à base de Nb-Ti contient Ti à une teneur de 48 à 65 % en poids, et ledit filament supraconducteur contient Nb ou l'alliage de Nb dans un rapport de
20 à 35 % en volume.
2 Fil supraconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit alliage à base de Nb-Ti est un alliage choisi dans le groupe constitué par un alliage
Nb-Ti, un alliage Nb-Ti-Ta et un alliage Nb-Ti-Hf.
3 Fil supraconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit alliage de Nb est un alliage comportant un élément supplémentaire choisi dans le
groupe constitué par Ti, Ta, AI, Mg, Fe, Hf, Cu, Ge, Ni, Zr et Cr.
4 Fil supraconducteur du type à alliage Nb-Ti, caractérisé en ce qu'il comprend un filament supraconducteur ( 9) comportant un élément ( 1, 12) fait d'un alliage à base de Nb-Ti et un élément d'épinglage ( 2, 13) fait d'un métal choisi dans le groupe constitué par Ti, un alliage de Ti ayant une température critique inférieure à celle dudit alliage à base de Nb-Ti, et un alliage de Ti n'ayant pas de propriétés supraconductrices, o ledit alliage à base de Nb-Ti contient Ti à une teneur de 25 à 45 % en poids, et ledit filament supraconducteur contient Ti ou ledit alliage de Ti dans un rapport de
20 à 35 % en volume.
Fil supraconducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit alliage à base de Nb-Ti est un alliage choisi dans le groupe constitué par un alliage
de Nb-Ti, un alliage de Nb-Ti-Ta, et un alliage de Nb-Ti-Hf.
6 Fil supraconducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit alliage à base de Nb-Ti est un alliage comportant un élément supplémentaire
choisi dans le groupe constitué par Nb, Ta, AI, Mg, Fe, Hf, Cu, Ge, Ni, Zr et Cr.
7 Procédé de fabrication d'un fil supraconducteur du type à alliage Nb-
Ti, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: former un corps empilé en empilant alternativement un élément ( 1, 12) fait d'un alliage à base de Nb-Ti sur le dessus d'un élément d'épinglage ( 2, 13) fait d'un métal choisi dans le groupe formé par Nb et un alliage de Nb n'ayant pas de propriétés supraconductrices pour le champ magnétique de fonctionnement; former une billette composite en soumettant ledit corps empilé à un processus de réduction d'aire; et former un fil composite en mettant en faisceau plusieurs desdites billettes composites, o ledit alliage à base de Nb-Ti contient Ti à une teneur de 48 à 65 % en poids, et le filament supraconducteur finalement obtenu contient Nb ou ledit alliage de Nb
dans un rapport de 20 à 35 % en volume.
8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on soumet de nouveau ledit fil composite à un traitement composite et à un processus de
réduction d'aire.
9 Procédé de fabrication d'un fil supraconducteur du type à alliage Nb-
Ti, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: former un corps empilé en empilant alternativement un élément ( 1, 12) fait d'un alliage à base de Nb-Ti sur le dessus d'un élément d'épinglage ( 2, 13) fait d'un métal sélectionné dans le groupe constitué par Ti, un alliage de Ti ayant une température critique inférieure à celle dudit alliage à base de Nb-Ti, et un alliage de Ti n'ayant pas de propriétés supraconductrices; former une billette composite en soumettant ledit corps empilé à un processus de réduction d'aire; et former un fil composite en mettant en faisceau plusieurs desdites billettes composites, o ledit alliage Nb-Ti contient Ti à une teneur de 25 à 45 % en poids, et le filament supraconducteur finalement obtenu contient Nb ou ledit alliage de Nb
dans un rapport de 20 à 35 % en volume.
Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on soumet de nouveau ledit fil composite à un traitement composite et à un processus de
réduction d'aire.
11 Procédé de fabrication d'un fil supraconducteur du type à alliage Nb-
Ti, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: former un corps empilé en empilant alternativement un élément ( 1, 12) fait d'un alliage à base de Nb-Ti sur le dessus d'un élément d'épinglage ( 2, 13) fait d'un métal choisi dans le groupe constitué par Nb, un alliage de Nb ayant une température critique inférieure à celle dudit alliage à base de Nb-Ti, et un alliage de Nb n'ayant pas de propriétés supraconductrices; former une billette composite en soumettant ledit corps empilé à un processus de réduction d'aire; et former un fil composite en mettant en faisceau plusieurs desdites billettes composites, o au moins deux types d'éléments d'épinglage ayant des aires en section droite différentes sont utilisés, ledit alliage Nb-Ti contient Ti à une teneur de 48 à 65 % en poids, et le filament supraconducteur finalement obtenu contient Nb ou ledit
alliage de Nb dans un rapport de 20 à 35 % en volume.
12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on soumet de nouveau ledit fil composite à un traitement composite et à un processus de
réduction d'aire.
13 Procédé de fabrication d'un fil supraconducteur du type à alliage Nb-
Ti, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: former un corps empilé en empilant alternativement un élément ( 1, 12) fait d'un alliage à base de Nb-Ti sur le dessus d'un élément d'épinglage ( 2, 13) fait d'un métal choisi dans le groupe constitué par Ti, un alliage de Ti ayant une température critique inférieure à celle dudit alliage à base de Nb-Ti, et un alliage de Ti n'ayant pas de propriétés supraconductrices; former une billette composite en soumettant ledit corps empilé à un processus de réduction d'aire; et former un fil composite en mettant en faisceau plusieurs desdites billettes composites, o au moins deux types d'éléments d'épinglage ayant des aires en section droite différentes sont utilisés, ledit alliage à base de Nb-Ti contient Ti à une teneur de 25 à 45 % en poids, et le filament supraconducteur finalement obtenu contient Ti
ou ledit alliage de Ti dans un rapport de 20 à 35 % en volume.
14 Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'on soumet de nouveau ledit fil composite à un traitement composite et à un processus de
réduction d'aire.
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| US5374320A (en) | 1994-12-20 |
| DE4317703A1 (de) | 1993-12-23 |
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