DE69108723T2

DE69108723T2 - Supraleitender draht.

Info

Publication number: DE69108723T2
Application number: DE69108723T
Authority: DE
Inventors: James Wong
Original assignee: Composite Materials Tech
Current assignee: Composite Materials Tech
Priority date: 1990-05-17
Filing date: 1991-05-15
Publication date: 1995-09-21
Anticipated expiration: 2011-05-16
Also published as: JPH05508733A; FI924628L; FI924628A0; EP0528989A4; DE69108723D1; EP0528989A1; EP0528989B1; AU7980791A; FI108174B; WO1991018429A1; US5182176A; JP3134881B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei der Herstellung von qualitativ hochwertigem, feinem supraleitendem NbTi-Filamentdraht müssen sich die Hersteller stark auf die Integrität von Diffusionsbarrieren verlassen. Diese Barrieren, üblicherweise aus Nb, sind zwischen der Kupferplattierung und der supraleitenden NbTi-Legierung angeordnet, die den Großteil eines Filaments bildet. Die Barriere dient dazu, die Bildung von spröden CuTi-Zwischenmetallelementen an der Filamentoberfläche zu hemmen. Gegenwärtige Verarbeitungsschemata für die Herstellung von supraleitendem NbTi-Draht, der 4.000 bis 7.000 Filamente mit bei der endgültigen Drahtgröße jeweils einem Durchmesser von ungefähr 6 um enthält, verwenden Nb-Barrieren, die ungefähr 4 % des (Nicht-Kupfer-)Filamentvolumens darstellen. Bei dem Verfahren wird die Barriere üblicherweise Temperaturen von 500º bis 800ºC für eine Dauer von ungefähr 15 Stunden ausgesetzt, gefolgt von drei oder mehr Wärmebehandlungen mit einer Dauer von 40 bis 80 Stunden bei 300º bis 450ºC, wenn der Draht auf seine endgültige Größe gebracht wird. In auf diese Weise hergestellten feinen Filamentleitern können Stromdichten (Jc) von über 2.750 A/mm² bei 5 Tesla (T) und 1.600 A/mm² bei 7 T (4,2ºK) erreicht werden (siehe beispielsweise "Superconducting Wire and Cable for the Superconducting Super Collider", T.S. Kreilick, E. Gregory, D. Christopherson, G.P. Swenson und J. Wong, Supercollider 1, Plenum Press, 1989, 235-243).
Obwohl dies nicht inakzeptabel ist, liegen diese Stromdichten deutlich unterhalb der 3.800 A/mm² (5T, 4,2ºK), die in Drähten mit Filamenten größeren Durchmessers erzielt wurden. Die Verminderung der Stromdichte bei einer Verfeinerung der Filamente ist direkt den Problemen mit der Diffusionsbarriere zuzuschreiben.
Die langen Zeitdauern bei hohen Temperaturen während des Verarbeitens tragen dazu bei, daß die Nb-Barriere aufgrund von Ti-Diffusion aus dem NbTi-Legierungskern unterminiert wird. Es wird daran erinnert, daß bei der Diffusion von Ti in die reine Nb-Barriere an der Oberfläche des NbTi-Legierungs-Filamentkerns eine Ti-Verarmung stattfindet, was insgesamt zu einem geringeren Jc in dem Kern führt. Die Diffusion von Ti durch die Barriere führt auch zu der Bildung einer CuTi-Verbindung an der Oberfläche des Filaments. Diese spröde CuTi-Verbindung bricht bei der Kaltreduktion, was zu "Knollen" führt, die sowohl das Jc als auch die Duktilität des Drahtes nachteilig beeinflussen. Die Grenzflächen zwischen der Kupfermatrix, der Nb-Barriere und dem NbTi-Kern in einem Filament spielen bei diesem Verfahren eine zentrale Rolle.
In Fällen, in denen unregelmäßige Grenzflächen auftreten, wird ein extensives lokales Ausdünnen der Diffusionsbarriere beobachtet. Dieser Effekt ist in Gebieten am stärksten ausgeprägt, in denen Vorsprünge in die Barriere und sogar in das umgebende Kupfer hinein vorliegen. Es wird davon ausgegangen, daß in diesen Bereichen die CuTi-Verbindung zuerst gebildet wird, und dies in einer größeren Menge als in Bereichen, in denen ein solches Ausdünnen nicht auftritt. Diese CuTi-Bereiche, die Knollen, brechen beim Ziehen des Drahtes und bewirken nachfolgend ein Abschnüren des Filaments. Als Folge davon weist der Draht eine stark verminderte Jc- Leistung auf, und er neigt zum Brechen.
Die offensichtliche Lösung des Problems des Ausdünnens der Diffusionsbarrieren besteht darin, einfach eine dickere Barriere zu verwenden, so daß keine dünnen Stellen auftreten, die Probleme verursachen. Jedoch geht eine Erhöhung der Barrierendicke nur auf Kosten des NbTi. Die Barriere trägt bei Betriebsmagnetfeldern kein Jc, so daß eine größere Dicke der Barriere insgesamt das Jc vermindert. Zusätzlich löst eine Erhöhung der Barrierendicke in keiner Weise das Problem des Herauslösens von Ti aus dem NbTi. Obwohl dies nicht so dramatisch wie das Problem der Bildung der CuTi-Verbindung ist, kann dieses Problem nicht ignoriert werden, wenn die Stromkapazität verbessert werden soll. Obwohl also eine höhere Dicke der Barriere eine offensichtliche Lösung für das Problem des Ausdünnens der Barriere ist, ist dies alles andere als ideal.
Wir haben herausgefunden, daß es anstelle des Kompensierens von Oberflächenunregelmäßigkeiten durch ein Vergrößern der Barriere besser ist, diese Unregelmäßigkeiten zu beseitigen, also hinter der Diffusionsbarriere eine Oberfläche auszubilden, die so gleichmäßig wie möglich ist. Wenn die Diffusionsbarriere von einer gleichförmigen Oberfläche umgeben ist, ist sie wirksamer. Die Bildung von Knollen kann weitestgehend vermieden werden, und falls die Barriere dicker ausgeführt werden muß, kann der notwendige Zuwachs minimiert werden. Die Herstellung von gleichförmigen NbTi-Oberflächen bei Filamenten ist die Hauptaufgabe der Erfindung.
Wenn zwei oder mehr Metalle gleichzeitig verarbeitet werden, hängt das Ausmaß der Unregelmäßigkeiten an ihrer Grenzfläche von vielen Faktoren ab. Dies sind unter anderem:
1. Die relative Härte der Materialien;
2. Die Korngröße innerhalb der Materialien;
3. Das Gefüge und die Gesamtstruktur innerhalb der Materialien, wie sie durch vorhergehende metallurgische und mechanische Bearbeitungen vorgegeben sind (beispielsweise Warmbearbeitungen, Kaltbearbeitungen und Gesamtdeformationen).
Vom Standpunkt der Gleichförmigkeit aus ist die ideale Grenzfläche eine Grenzfläche zwischen zwei Metallen von annähernd gleicher Härte, die jeweils sehr feine Körner ausgerichtet mit der Ebene der Grenzfläche aufweisen, so daß sie die glattestmögliche Oberfläche aufweisen. Offensichtlich entsprechen gewalzte Blechmaterialien dieser Beschreibung sehr gut. Die Verwendung von gewalztem Blech zum Zweck einer erhöhten Filament-Gleichförmigkeit bildet die Basis der vorliegenden Erfindung. Ein früheres Patent, welches mit der Nr. 4 646 197 auf Supercon, Inc., erteilt wurde, bezieht sich auf die Herstellung von Ta-Kondensatordraht, wobei feinkörniges Ta-Blech um einen Rohblock aus Nb oder Ta gewickelt wurde, um eine glatte Drahtoberfläche mit einem merklichen Widerstand gegen ein Ta-Kornwachstum entlang dem Draht bei hohen Temperaturen zu schaffen.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird auf die nachfolgende Beschreibung und die Beispiele Bezug genommen, die sich auf die beigefügte Zeichnung beziehen. In der Zeichnung zeigen:
- Figur 1 die schematische Gestalt eines Monofilament- Blockes, der Lagen aus einer supraleitenden Legierung gemäß der Erfindung enthält;
- Figur 2 die schematische Gestaltung eines Multifilament- Blockes, der das gemäß der Erfindung hergestellte Monofilament verwendet.
Bei der Herstellung von feinem supraleitendem Filamentdraht wird gegenwärtig ein Monofilamentdraht hergestellt, aus dem nachfolgend ein Multifilamentdraht hergestellt wird, indem ein oder mehrere Arbeitsschritte des Aufschichtens ausgeführt werden. Der Monofilamentdraht wird aus einem Block hergestellt, der im allgemeinen aus drei Elementen besteht: einem Rohblock aus supraleitender Legierung, einem Barrierematerial, welches die Form von um den Rohblock gewickeltem Blech hat, und einer Extrusionsumhüllung aus Kupfer, welche die Barriere und den Rohblock umgibt. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein viertes Element hinzugefügt: eine Reihe von feinkörnigen Lagen (ASTM-Mikrokorn-Nummer > 8) aus supraleitendem Material, die zwischen den Barrierelagen und dem Rohblock angeordnet sind (siehe Fig. 1). Diese supraleitenden Lagen vermindern das Ausmaß der Oberflächenunregelmäßigkeiten der Grenzfläche zwischen der Diffusionsbarriere und dem Rohblock, und sie erhöhen vermutlich auch das Jc aufgrund des erhöhten Magnetfluß-Pinnings, das durch sowohl die feinere Kornstruktur in den Lagen als auch die Anwesenheit der Grenzflächen zwischen den Lagen gewährleistet wird.
Die Lage aus supraleitender Legierung kann die gesamte supraleitende Querschnittsfläche oder einen beliebigen Teil davon bilden, wobei der Betrag durch das Maß der benötigten Gleichförmigkeit und die speziellen Anforderungen der Anwendung bestimmt wird. Die Lage kann jede Zusammensetzung aufweisen, wobei die Beschränkung vorliegt, daß sie aus derselben Basislegierung wie der zentrale Rohblock besteht. Wenn der Rohblock beispielsweise aus Nb mit 46,5 Gew.-% Ti (NbTi46,5) besteht, kann die NbTi-Lage die Zusammensetzung Nb mit 50 Gew.-% Ti (NbTi50) aufweisen. Dies wird wiederum von der Anwendung bestimmt.
Die glatte Oberfläche überdeckt die feinen Unregelmäßigkeiten der Rohblock-Oberfläche, so daß kein lokales Ausdünnen der Diffusionsbarriere als Folge des Eindringens von Körnern oder durch bei der Herstellung des Rohblockes verbleibenden Ungenauigkeiten auftreten kann. Die Möglichkeit der Veränderung der Zusammensetzung der Lage stellt außerdem einen großen Vorteil hinsichtlich der Diffusionsverluste dar. Im Falle von NbTi dient die Verwendung von Ti-reichen Lagen um den Rohblock dazu, Diffusionsverluste zu kompensieren, so daß das Jc des NbTi-Bereiches aufrechterhalten wird. Die Verwendung von höheren Ti-Konzentrationen (ungefähr 50 Gew.-% Ti) in der Lage kann auch eine verbesserte Jc-Leistung bereitstellen. Aus diesen Legierungen mit 50 Gew.-% Ti bestehende Rohblöcke sind schwierig kaltzubearbeiten, jedoch tritt dieses Problem nicht auf, wenn der supraleitende Bereich geeignet zwischen der Ti-reichen Lage und einem weniger reichen Rohblock getrennt ist.
Das Anwenden der vorliegenden Erfindung hat einen weiteren Vorteil bei der Verwendung der NbTi-Lage gezeigt. Zusammengefaßt ausgedrückt bestand das durchgeführte Experiment in der Herstellung von zwei Monofilament-Blöcken, von denen einer einen Standard-Rohblock und der andere um einen festen NbTi-Kern gewickelte NbTi-Lagen enthielt. Nach der Verarbeitung wurde herausgefunden, daß der die Lagen enthaltende Draht eine höhere Stromdichte als das feste NbTi-Material aufwies. Dies stellte sich unabhängig von der Größe des Drahtes und innerhalb des gesamten, bei den Jc-Tests verwendeten Magnetfeldbereichs von 1 bis 9 T ein. Das Jc in dem Bereich der Lagen wurde basierend auf den bekannten Block- Abmessungen berechnet, und es wurde herausgefunden, daß es um 8-10 % höher als bei festem NbTi ist. Wir haben daher Grund zu der Annahme, daß die Verwendung von NbTi-Lagen auch die Stromdichte eines Filaments erhöhen kann. Diese Erhöhung liegt wahrscheinlich an einer Verbesserung des Fluß-Pinnings, hervorgerufen durch die Grenzflächen zwischen den Lagen; jedoch ist dies bis jetzt nicht mit Sicherheit bekannt.
Die vorliegende Erfindung bildet sicher eine wesentliche Verbesserung der gegenwärtigen Barriere-Technologie. Sowohl die gegenwärtige Nachfrage nach qualitativ hochwertigem, supraleitendem NbTi-Draht mit 6 um-Filamenten als auch die Nachfrage der Magnet-Industrie nach Draht mit Filamenten bis herab zu 2,5 um werden durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung befriedigt. Insbesondere ist zur Herstellung des benötigten 2,5 um-Materials (23.000 Filamente) ein zusätzliches Aufschichten notwendig. Dieser zusätzliche Verarbeitungsschritt bringt auf die Barrieren einen noch höheren Druck auf, als er bei der Herstellung von 6 um-Filamentmaterial ausgeübt wird. Die vorliegende Erfindung hilft, die Wirksamkeit der Barrieren zu maximieren, so daß mit der geringsten Menge von Barrierematerial die größte Wirkung erzielt werden kann.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Anwenden der Erfindung wird in dem nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispiel angegeben.

BEISPIEL I

In Figur 1 ist schematisch ein Querschnitt durch einen NbTi-Monofilament-Block dargestellt. Der Block ist typisch für NbTi-Monofilament, wobei jedoch NbTi50-Lagen dort mit aufgenommen wurden, wo üblicherweise ein fester NbTi-Rohblock verwendet worden wäre. Die Nb-Diffusionsbarriere und die NbTi-Lagen nehmen jeweils ungefähr 4 % des Nicht-Kupfer- Volumens ein. Die NbTi-Lagen weisen eine Zusammensetzung von NbTi50 auf, um die Ti-Verarmung während der Verarbeitung zu kompensieren und das Jc bei dem fertigen Leiter etwas zu erhöhen. Die Lage wird aus einem NbTi50-Rohblock hergestellt, indem dieser so gewalzt und geglüht wird, daß die Korngröße der 0,38 mm (0,015 Inch) dicken Lage unterhalb eines nominellen Durchmessers von ungefähr 22 um liegt (ASTM-Mikrokorngrößen-Nummer > 8).
Es müssen drei Monofilament-Blöcke hergestellt werden, damit für den späteren Multifilament-Block genug Material bereitsteht. Alle dieser Blöcke werden in der gleichen Weise hergestellt und in der gleichen Weise bearbeitet. Zuerst werden die NbTi-Rohblöcke und die OFHC-Kupfer-Extrusionsumhüllungen, Kopfstücke und Endstücke maschinell auf die geeigneten Dimensionen gebracht, und die Nb- und die NbTi-Lagen werden auf Größe geschnitten. Die Standard-Monofilamentgestaltung erfordert einen 0,61 m (24 Inch) langen Kern, so daß die NbTi-Rohblöcke auf diese Länge und das gesamte Material der Lagen auf diese Breite geschnitten werden muß. Auf der Basis der Gestaltung von Figur 1 benötigt jeder Block eine Nb-Lage mit einer Länge von 1,76 m (69,5 Inch) und einer Dicke von 0,38 mm (0,015 Inch) sowie eine NbTi50-Lage mit einer Länge von 1,73 m (68,0 Inch) und einer Dicke von 0,38 mm (0,015 Inch). Das Zusammenfügen ist leichter, wenn kontinuierliche Streifen verwendet werden, jedoch können, falls notwendig, einige kürzere Abschnitte verwendet werden.
Nachdem alle diese Teile gereinigt wurden, werden die Monofilament-Blöcke zusammengefügt. Es muß darauf geachtet werden, Leerräume im Bereich der Lagen zu minimieren. Die NbTi- Rohblöcke werden zuletzt eingesetzt. Das Kupferkopfstück und das Kupferendstück werden dann oben und unten durch Elektronenstrahlschweißen im Vakuum an jedem Block befestigt.
Die verkapselten Blöcke werden dann durch eine Erwärmung bei 650º für eine Dauer von 3 Stunden für die Extrusion vorbereitet. Die Blöcke werden dann bei 650ºC von einem Ummantelungsdurchmesser von 18 cm (7,125 Inch) auf einen Durchmesser von 2,54 cm (1,00 Inch) extrudiert. Die Extrusionsprodukte werden dann beschnitten, um das überschüssige Kupfer an den Kopf- und den Endstücken zu entfernen, und sie werden dann auf die Größe zum Aufschichten kaltgezogen: hexagonaler Draht mit 2,6 mm (0,1033 Inch) von Flachseite zu Flachseite.
In Figur 2 ist schematisch der Multifilament-Block dargestellt, der aus dem hexagonalen Monofilamentdraht hergestellt wird. Obwohl die Monofilamente tatsächlich hexagonal sind, sind sie zur Vereinfachung im Querschnitt als Kreise dargestellt. Nachdem eine ausreichende Menge von OFHC-Kupfer gezogen und hexagonal geformt wurde, wird sowohl das Kupfer als auch der NbTi-Monofilamentdraht auf Längen von 80,32 cm (31,625 Inch) Länge geschnitten. Die Umhüllung, die Kopf- und die Endstücke werden maschinell bearbeitet, alle Teile werden gereinigt, und dann wird der Block zusammengefügt. Die Filamente sind symmetrisch in den in Figur 2 dargestellten Proportionen angeordnet, wobei die Absicht dahintersteht, den Leerraum zu minimieren, der unvermeidbar dann entsteht, wenn ein hexagonales, dicht gepacktes Feld in eine runde Umhüllung eingepaßt wird. Wenn das Filament-Feld komplett ist, wird die Kupferumhüllung auf es aufgeschoben. Am Umfang des Feldes werden soweit notwendig weitere Kupferfilamente zugefügt, um eine feste Pressung zu gewährleisten. Dann werden das Kopfstück und das Endstück an der Umhüllung durch Elektronenstrahlschweißen im Vakuum befestigt.
Der Multifilament-Block wird dann heißisostatisch gepreßt, um die verschiedenen Unterelemente zu vereinigen. Als Ergebnis der Monofilament-Gestaltung weist der heißisostatisch gepreßte Multifilament-Block ein Verhältnis von Abstand zu Durchmesser (s/d) von 0,168 auf. Hierbei bezeichnet der Durchmesser den durchschnittlichen NbTi-Filamentdurchmesser einschließlich seiner Barriere, und der Abstand bezeichnet die Strecke zwischen benachbarten Filamenten. Ein geringes Verhältnis s/d ist wichtig, um zu verhindern, daß die Filamente während des Extrudierens abgeschnürt werden; wenn die Filamente relativ zu ihrem Durchmesser dicht gepackt sind, stellen sie einander eine mechanische Stütze bereit. Ein Verhältnis s/d von 0,168 ist für ein Multifilament dieser Art geeignet.
Nach dem heißisostatischen Pressen werden das Kopfstück und das Endstück des Multifilament-Blockes maschinell bearbeitet, so daß der Umhüllungsdurchmesser nach dem heißisostatischen Pressen erreicht wird. Als nächstes wird der Block erhitzt, und er wird dann von einem Ummantelungsdurchmesser von 31,4 cm (12,36 Inch) auf einen Durchmesser von 8,25 cm (3,25 Inch) extrudiert. Das extrudierte Produkt wird abgeschnitten und dann auf den Durchmesser gezogen, bei dem das Wärmebehandlungsschema beginnt. Das Verwenden von Wärmebehandlungen, die von den Kaltbearbeitungen getrennt sind, dient dazu, das Jc des fertigen Leiters zu optimieren. Das Wärmebehandlungsschema kann sachlich begründet verändert werden, jedoch ist das folgende Schema typisch für einen NbTi-Leiter mit feinem Filament: 375ºC für eine Dauer von 40 Stunden bei jedem Drahtdurchmesser von 2,54 cm (1,00 Inch), 1,62 cm (0,640 Inch), 1,17 cm (0,460 Inch) und 0,82 cm (0,325 Inch).
Nach der letzten Wärmebehandlung wird das Multifilament auf den Enddurchmesser von 0,8 mm (0,0318 Inch) gezogen, wobei der Filamentdurchmesser ungefähr 6 um beträgt. Ein solcher Leiter ist gut zur Verwendung in fortschrittlichen Geräten geeignet, beispielsweise dem Superconducting Super Collider. Die Anwendung der Erfindung sollte das Jc wesentlich über die 2.750 A/mm² (5T, 4,2ºK) erhöhen, die üblicherweise bei vergleichbaren feinen NbTi-Filamentleitern erhalten werden. Die Teilstücklänge (die durchschnittliche Länge der Drahtsegmente, welche die Endgröße erreichen) sollte aufgrund der höheren Duktilität des knollenfreien Drahtes ebenfalls wesentlich höher sein.
In Übereinstimmung mit der Erfindung, wie sie in Beispiel 1 beschrieben ist, können die Titanverluste dadurch ausgeglichen werden, daß der NbTi-Rohblock des Monofilaments mit NbTi-Lagen umgeben wird, die einen höheren Titananteil als der Rohblock aufweisen. Dieses Verfahren erfordert allerdings, daß die beiden Legierungen geschmolzen werden, was teuer ist. Ferner sind Legierungen mit einem höheren Titananteil schwieriger kaltzubearbeiten als herkömmliche Legierungen, so daß die Herstellung von Lagen mit einem hohen Titananteil ein Problem darstellt.
Eine Alternative zur Verwendung von Lagen aus einer Legierung mit hohem Titananteil besteht darin, Lagen zu verwenden, welche die gleiche Zusammensetzung wie der Rohblock aufweisen, und diese Lagen mit relativ dünnen Schichten aus reinem Titan abzuwechseln. Diese dünnen Titanschichten dienen als Vorrat für Titan, welches in die Legierungslagen diffundiert, wenn diese Titan an die Niob-Barriere verlieren.
Diese Titanlagen sollten im allgemeinen sehr viel dünner als die NbTi-Lagen sein, um eine vollständige Diffusion des Titans zu unterstützen. Ein Dickenverhältnis zwischen NbTi- Lagen und Titanlagen von 7:1 oder höher wird bevorzugt. Das Gesamtvolumen der NbTi- und der Titan-Lagen sollte nicht mehr als ungefähr 15 % des Filamentvolumens betragen, da die Titanverarmung nicht sehr viel weiter in das Filament fortschreitet. Sowohl die NbTi- als auch die Titanlagen sollten einen nominellen Korndurchmesser von weniger als 22 um haben (ASTM-Mikrokorn-Nummer > 8), um eine maximale Wirksamkeit der Barriere zu gewährleisten. Die äußerste Titanschicht sollte innerhalb der äußersten NbTi-Schicht liegen. Die Nb- Barriere sollte also mit Titan nicht direkt in Berührung stehen, da dies nur eine Diffusion von Titan in die Barriere unterstützt.
Obwohl sich die obige Diskussion auf NbTi konzentriert, ist es offensichtlich, daß diese Prinzipien auf jeden Filament- Supraleiter zweiter Art angewendet werden können, bei dem ähnliche Diffusionsverluste auftreten (beispielsweise NbZr, welches Zr verliert). Dies gilt auch für das nachfolgende, nicht einschränkende Beispiel, welches ein bevorzugtes Verfahren zum Ausführen der Erfindung angibt:

BEISPIEL II

In Figur 3 ist schematisch ein Querschnitt durch einen NbTi- Monofilament-Block dargestellt. Der Block ist typisch für NbTi-Monofilament, wobei jedoch eine Reihe von Lagen aus NbTi46,5 und reinem Titan dort aufgenommen wurden, wo üblicherweise ein fester NbTi-Rohblock verwendet worden wäre. Die Nb-Diffusionsbarriere nimmt ungefähr 4 % des Nicht-Kupfer-Volumens ein, während das Volumen der Lage aus NbTi/Titan ungefähr 5% beträgt. Sowohl die NbTi- als auch die Titanlagen werden ausgehend von Rohblöcken durch Walzen und Heißglühen in einer solchen Weise hergestellt, daß der nominelle Durchmesser ihrer Körner unterhalb von ungefähr 22 um ist (ASTM Mikrokorn-Nummer > 8). Die Titanlage sollte für eine maximale Bearbeitbarkeit eine Reinheit des Grades 2 oder höher aufweisen.
Es müssen drei Monofilament-Blöcke hergestellt werden, damit für den späteren Multifilament-Block genug Material bereitsteht. Alle dieser Blöcke werden in der gleichen Weise hergestellt und in der gleichen Weise bearbeitet. Zuerst werden die NbTi-Rohblöcke und die OFHC-Kupfer-Extrusionsumhüllungen, Kopfstücke und Endstücke maschinell auf die geeigneten Dimensionen gebracht, und die Niob-, die NbTi- und die Titan-Lagen werden auf Größe geschnitten. Die Standard-Monofilamentgestaltung erfordert einen 0,61 m (24 Inch) langen Kern, so daß die NbTi-Rohblöcke auf diese Länge und das gesamte Material der Lagen auf diese Breite geschnitten werden muß. Auf der Basis der Gestaltung von Figur 3 benötigt jeder Block eine Nb-Lage mit einer Länge von 1,83 m (72,0 Inch) und einer Dicke von 0,38 mm (0,015 Inch), eine NbTi46,5-Lage mit einer Länge von 1,73 m (68,0 Inch) und einer Dicke von 0,38 mm (0,015 Inch) und eine Titan-Lage mit eine Länge von 1,73 m (68 Inch) und einer Dicke von 0,05 mm (0,002 Inch). Das Zusammenfügen geht leichter, wenn kontinuierliche Streifen verwendet werden, jedoch können, falls notwendig, einige kürzere Abschnitte verwendet werden.
Nachdem alle diese Teile gereinigt wurden, werden die Monofilament-Blöcke zusammengefügt. Es muß darauf geachtet werden, Leerräume im Bereich der Lagen zu minimieren. Die NbTi- Rohblöcke werden zuletzt eingesetzt. Das Kupferkopfstück und das Kupferendstück werden dann oben und unten durch Elektronenstrahlschweißen im Vakuum an jedem Block befestigt. Die verkapselten Blöcke werden dann durch eine Erwärmung bei 650º für eine Dauer von 3 Stunden für die Extrusion vorbereitet. Die Blöcke werden dann bei 650ºC von einem Ummantelungsdurchmesser von 18 cm (7,125 Inch) auf einen Durchmesser von 2,54 cm (1,00 Inch) extrudiert. Die Extrusionsprodukte werden dann beschnitten, um das überschüssige Kupfer an den Kopf und den Endstücken zu entfernen, und sie werden dann auf die Größe zum Aufschichten kaltgezogen: hexagonaler Draht mit 2,6 mm (0,1033 Inch) von Flachseite zu Flachseite.
Das Produkt wird dann behandelt, wie dies oben in Verbindung mit Figur 2 dargestellt wurde. Nachdem eine ausreichende Menge von OFHC-Kupfer gezogen und hexagonal geformt wurde, wird sowohl das Kupfer als auch der NbTi-Monofilamentdraht auf Längen von 80,32 cm (31,625 Inch) Länge geschnitten. Die Umhüllung, die Kopf- und die Endstücke werden maschinell bearbeitet, alle Teile werden gereinigt, und dann wird der Block zusammengefügt. Die Filamente sind symmetrisch in den in Figur 2 dargestellten Proportionen angeordnet, wobei die Absicht dahintersteht, den Leerraum zu minimieren, der unvermeidbar dann entsteht, wenn ein hexagonales, dicht gepacktes Feld in eine runde Umhüllung eingepaßt wird. Wenn das Filament-Feld komplett ist, wird die Kupferumhüllung auf es aufgeschoben. Am Umfang des Feldes werden, soweit notwendig, weitere Kupferfilamente zugefügt, um eine feste Pressung zu gewährleisten. Dann werden das Kopfstück und das Endstück an der Umhüllung durch Elektronenstahlschweißen im Vakuum befestigt.
Der Multifilament-Block wird dann heißisostatisch gepreßt, um die verschiedenen Unterelemente zu vereinigen. Als Ergebnis der Monofilament-Gestaltung weist der heißisostatisch gepreßte Multifilament-Block ein Verhältnis von Abstand zu Durchmesser (s/d) von 0,168 auf. Hierbei bezeichnet der Durchmesser den durchschnittlichen NbTi-Filamentdurchmesser einschließlich seiner Barriere, und der Abstand bezeichnet die Strecke zwischen benachbarten Filamenten. Ein geringes Verhältnis s/d ist wichtig, um zu verhindern, daß die Filamente während des Extrudierens abgeschnürt werden; wenn die Filamente relativ zu ihrem Durchmesser dicht gepackt sind, stellen sie einander eine mechanische Stütze bereit. Ein Verhältnis s/d von 0,168 ist für ein Multifilament dieser Art geeignet.
Nach dem heißisostatischen Pressen werden das Kopfstück und das Endstück des Multifilament-Blockes maschinell bearbeitet, so daß der Umhüllungsdurchmesser nach dem heißisostatischen Pressen erreicht wird. Als nächstes wird der Block erhitzt, und er wird dann von einem Ummantelungsdurchmesser von 31,4 cm (12,36 Inch) auf einen Durchmesser von 8,25 cm (3,25 Inch) extrudiert. Das extrudierte Produkt wird abgeschnitten und dann auf den Durchmesser gezogen, bei dem das Wärmebehandlungsschema beginnt. Das Verwenden von Wärmebehandlungen, die von den Kaltbearbeitungen getrennt sind, dient dazu, das Jc des fertigen Leiters zu optimieren. Das Wärmebehandlungsschema kann sachlich begründet verändert werden, jedoch ist das folgende Schema typisch für einen NbTi-Leiter mit feinem Filament: 375ºC für eine Dauer von 40 Stunden bei Drahtdurchmessern von 2,54 cm (1,00 Inch), 1,62 cm (0,640 Inch), 1,17 cm (0,460 Inch) und 0,82 cm (0,325 Inch).
Nach der letzten Wärmebehandlung wird der Multifilament- Draht auf den Enddurchmesser von 0,8 mm (0,0318 Inch) gezogen, wobei der Filamentdurchmesser ungefähr 6 um beträgt. Ein solcher Leiter ist gut zur Verwendung in fortschrittlichen Geräten geeignet, beispielsweise dem Superconducting Super Collider. Die Anwendung der Ausführungsform gemäß Beispiel II sollte das Jc wesentlich über die 2.750 A/mm² (ST, 4,2ºK) erhöhen, die üblicherweise bei vergleichbaren feinen NbTi-Filamentleitern erhalten werden. Die Teilstücklänge (die durchschnittliche Länge der Drahtsegmente, welche die Endgröße erreichen) sollte aufgrund der höheren Duktilität des knollenfreien Drahtes ebenfalls wesentlich höher sein.

Claims

1. Supraleitendes Filament mit einem Kern aus einer supraleitenden NbTi-Legierung, der von wenigstens zwei getrennten Schichten aus einer NbTi-Legierung umgeben ist, wobei eine Barriere aus hochschmelzendem Metall die Schichten und eine Hülle aus normalem Metall die Barriere umgibt, wobei die Hülle, die Schichten und der Kern metallurgisch miteinander verbunden sind.

2. Supraleitendes Filament nach Anspruch 1, bei dem die Grenzflächen zwischen den Schichten aus der NbTi-Legierung um weniger als 0,5 um voneinander beabstandet sind.

3. Supraleitendes Filament nach Anspruch 1, bei dem die Ti- Konzentration in wenigstens einer der getrennten Schichten höher als in dem Kern ist.

4. Verfahren zum Herstellen eines supraleitenden Filaments mit den folgenden Schritten: ein Kern aus einer supraleitenden NbTi-Legierung wird mit wenigstens zwei getrennten Schichten aus einer NbTi-Legierung umgeben, eine die Schichten umgebende hochschmelzende Metallbarriere sowie eine die Barriere umgebende Hülle aus normalem Metall werden angebracht, und es werden die Hülle, die Schichten sowie der Kern durch gemeinsame, wenigstens 10-fache Reduktion metallurgisch miteinander verbunden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit dem Schritt, daß mehrere Wärmebehandlungen von über 450ºC mit einer Gesamtdauer von wenigstens 10 Stunden ausgeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die getrennten Schichten aus der NbTi-Legierung eine Ausgangskorngröße von weniger als 22 um Nenndurchmesser aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Schichten aus der feinkörnigen NbTi-Lage von wenigstens einer Schicht aus einem der Metalle Nb oder Ti durchsetzt sind.

8. Verfahren zum Herstellen eines Monofilaments aus einer supraleitenden NbTi-Legierung mit den folgenden Schritten: ein Rohblock aus einer supraleitenden NbTi-Legierung wird mit wenigstens zwei Schichten einer feinkörnigen supraleitenden NbTi-Lage sowie einer äußeren Barriereschicht aus einem hochschmelzenden Metall umgeben, die Barriere wird mit einer Kupferumhüllung umgeben, wobei die feinkörnigen Schichten eine Korngröße mit einem Durchmesser von weniger als 22 um aufweisen, das resultierende Produkt wird heißextrudiert, und das extrudierte Produkt wird zu Draht mit einem Filamentdurchmesser von weniger als 10 um reduziert, so daß jede der NbTi-Schichten weniger als 0,5 um dick ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Schichten der feinkörnigen NbTi-Lage von wenigstens einer Ti-Schicht durchsetzt sind.