Deutsche Tagung f ¨ur Forschung mit ... - SNI-Portal

Materialien/Werkstoffe Poster: Do., 13:00–15:30 D-P386
Untersuchung intermetallischer Phasenbildung in Nb3Sn Supraleitern
mittels Synchrotron-Tomographie und Neutronendiffraktion
Astrid Haibel 1 , Christian Scheuerlein 2 , Rainer Schneider 1 , Jens-Uwe
Hoffmann 1 , Robert Wimpory 1 , Bella Lake 1 , John Banhart 1 , Alan Tennant 1
1 Hahn-Meitner-Institut Berlin – 2 European Organization for Nuclear Research CERN,
Geneva
Tieftemperatur-Supraleiter aus Nb3Sn werden häufig für Anwendungen eingesetzt, bei
denen Magnetfelder höher als 10 Tesla erreicht werden sollen. Allerdings ist Nb3Sn,
wie auch viele Hochtemperatur-Supraleiter, sehr spröde. Deshalb gestaltet sich die
Herstellung solcher supraleitender Drähte deutlich komplizierter als bei herkömmlichen
Magnetspulen.
Zuerst werden die Subelemente Nb, Cu und Sn eingehüllt in eine Tantaldiffusionsbarriere
und einen Kupfermantel extrudiert. Anschließend wird der Drahtquerschnitt
durch Walzen und Ziehen auf einen Durchmesser kleiner 1 mm reduziert. Aus diesen
Drähten werden die Magnetspulen geformt. Erst die fertigen Spulen werden dann einer
Wärmebehandlung ausgesetzt, wobei sich aus den einzelnen Subelementen schließlich
die supraleitende Phase bildet.
Während dieser termischen Behandlung entstehen aus dem reinen Zinn und dem umgebenden
Kupfer sukzessive verschiedene intermetallische Phasen (z.B. Cu6Sn5 und
Cu3Sn) bevor sich schließlich Zinn und Niob zur supraleitenden Nb3Sn-Phase verbinden.
Abhängig von der Temperatur und der Zeit der Wärmebehandlung entstehen dabei
zwei verschiedene Arten von Poren. Zum einen bilden sich sehr kleine Poren (etwa
1µm 2 Querschnitt) ringförmig um die supraleitenden Filamente, zum anderen entstehen
größere Poren direkt in den Zinn-Diffusionszentren. Diese Poren verringern die
Homogenität der supraleitenden Adern und führen zu lokalen Spannungen. Das erhöht
die Bruchwahrscheinlichkeit der Filamente, was zur Verringerung der kritischen Stromdichte
führen kann.
Die Transformation von Nb und Sn in die supraleitende Phase Nb3Sn und der Entstehungsmechanismus
beider Porenarten wurde mittels Synchrotron-Tomographie (BES-
SY) untersucht. Die Tomographiedaten zeigen dabei deutlich die Porenentstehung und
deren Diffusion aufgrund nicht optimierter Prozessparameter. Um den Phasenentstehungsprozess
der supraleitenden Nb3Sn-Phase in-situ zu analysieren, wurde die Neutronendiffraktion
eingesetzt. Dabei wurden Diffraktogramme der Proben während der gesamten
Wärmebehandlung im Temperofen aufgenommen. Die verschiedenen kristallographischen
Strukturen aller Bestandteile und Phasen zeigen deutlich trennbare Peaks
im Diffraktionsspektrum. Beide Messmethoden ergänzen sich bei der Erforschung der
Bildung supraleitender Nb3Sn-Strukturen und ermöglichen somit die Optimierung der
Prozessparameter.