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Influence of two-stage annealing treatment on critical current of bronze-processed multifilamentary Nb3Sn superconducting materials

1987; University of Toronto Press; Volume: 35; Issue: 7 Linguagem: Inglês

10.1016/0001-6160(87)90089-7

1878-0768

Shojiro Ochiai, Kōzō Osamura, Makoto Ryoji,

Particle accelerators and beam dynamics

The influence of changes of volume fraction of Nb3 Sn, grain size and upper critical magnetic field due to two-stage annealing treatment (low temperature annealing to form fine grains + high temperature annealing to raise upper critical magnetic field) on overall critical current and critical current density of the bronze-processed Nb3Sn compound were studied at the magnetic field of 3–15 T. When annealing temperature was low (773–923 K) and the volume fraction of Nb3 Sn was low in the first stage annealing, the second stage annealing could raise the overall critical current over the whole range of applied magnetic field of 3–15 T due to increase in upper critical magnetic field Hc2 and due to increase in the volume fraction of Nb3Sn accompanying with reduction in Sn concentration in the bronze matrix, which played a role to reduce residual strain in Nb3Sn, leading to high Hdu,c2 although the loss in pinning force arose from the coarsening of the grains. When the annealing temperature was high (973 K) and the Nb3Sn was formed until the Sn in the bronze was consumed in the first stage, the second stage annealing could not raise the critical current due to increase in grain size and due to no effective increase in Hc2. The critical current density at low magnetic fields below several Testas was reduced by the second stage annealing due to increase in grain size but that at high fields was raised due to increase in high Hc2. The reverse two-stage annealing treatment (high temperature annealing in the first stage + low temperature annealing in the second stage) reduced the Hc2 slightly with increasing second stage annealing temperature and time. The critical current density at low magnetic fields was determined mainly by the grain size but that at high fields was determined by the combination of the upper critical field and grain size. The present results could be accounted for by the empirical equation based on the Suenaga's speculation, indicating that the global pinning force is proportional to the product of inverse grain size and (1 − h)2h12 taken from the Kramer's equation where h is the reduced magnetic field. Nous avons étudié l'influence des variations de la fraction volumique de Nb3Sn, de la taille des grains et du champ magnétique critique supérieur dus au traitement de recuit en deux étapes (recuit à basse température pour former des grains petits, suivi d'un recuit à haute température pour augmenter le champ magnétique critique supérieur) sur le courant critique total et la densité de courant critique du composé Nb3Sn, pour une valeur du champ magnétique variant de 3 à 15 Tesla. Quand la température de recuit est basse (773 à 923 K) et quand la fraction volumique de Nb3Sn est faible pendant la première étape de recuit, le second recuit peut élever le courant critique total dans la gamme complète des valeurs (2 à 15 T) du champ magnétique appliqué par suite d'un accroissement du champ magnétique critique supérieur Hc2, et d'un accroissement de la fraction volumique de Nb3Sn qui s'accompagne d'une diminution de la concentration en Sn dans la matrice bronze, ce qui contribue à réduire la contrainte résiduelle dans Nb3Sn, et conduit à de fortes valeurs de Hc2 malgré la diminution de la force d'ancrage provoquée par le grossissement des grains. Quand la température de recuit est élevée (973 K) et que Nb3Sn se forme jusqu'à l'épuisement de Sn dans le bronze, au cours de la première étape, le second recuit ne peut pas atteindre le courant critique à cause de l'accroissement de la taille des grains et d'une faible augmentation de Hc2. La densité de courant critique pour les champs magnétiques faibles (inférieurs à plusieurs Tesla) est réduite par le recuit de la seconde étape, par suite de l'accroissement de la taille des grains, mais la densité critique pour les champs magnétiques intenses est augmentée par suite de l'accroissement de Hc2. Le traitement de recuit inverse à deux étapes (recuit à haute température suivi d'un recuit à basse température) réduit légèrement Hc2 lorsqu'on accroît la température et la durée du recuit de la seconde étape. La densité de courant critique pour les faibles champs magnétiques est déterminée principalement par la taille des grains, mais celle pour les champs intenses l'est par une combinaison du champ critique supérieur et de la taille des grains. Les résultats que nous présentons peuvent être décrits par une équation empirique basée sur l'hypothèse de Suenaga, ce qui veut dire que la force d'ancrage globale est proportionnelle au produit de l'inverse de la taille des grains par le terme (1 − h)2h12, extrait de l'équation de Kramer, où h est le champ magnétique réduit. Der Einfluβ verschiedener Volumanteile von Nb3Sn, der Korngröβe und des oberen kritischen Felds, herrührend von einer zweistufigen Wärmebehandlung (Ausheilen bei geringer Temperatur zur Bildung feiner Körner + Hochtemperaturbehandlung zur Erhöhung des oberen kritischen Magnetfeldes) auf den kritischen Strom und die kritische Stromdichte von Nb3Sn-Werkstoffen mit Bronzematrix wurde für den Feldbereich 3–15 T untersucht. Bei kleiner Ausheiltemperatur (773–923 K) und bei niedrigem Volumanteil von Nb3Sn in der ersten Ausheilstufe konnte die zweite Ausheilstufe den kritischen Strom im gesamten untersuchten Magnetfeldbereich anheben; das war verursacht durch einen Anstieg im oberen kritischen Magnetfeld Hc2 und durch einen Anstieg im Volumanteil des Nb3Sn; der Anstieg des Volumanteils ging einher mit einer Abnahme der Sn-Konzentration in der Bronze-Matrix, welches zur Abnahme der Restspannungen in dem Nb3Sn und damit zum hohen Hc2 führte, obgleich die Verankerungskraft durch die Vergröberung der Körner geringer wurde. Bei hoher Ausheiltemperatur (973 K) und einer Nb3Sn-Bildung in der ersten Ausheilstufe, bis der Sn-Vorrat der Bronze-Matrix erschöpft war, konnte die zweite Ausheilstufe den kritischen Strom nicht erhöhen, da die Körner anwuchsen und Hc2 nicht höher wurde. Die kritische Stromdichte bei niedrigen Magnetfeldern unterhalb einiger Tesla war durch die zweite Ausheilbehandlung wegen der groβen Körner verringert, diejenige bei hohen Felder dagegen war erhöht, weil Hc2 erhöht war. Die umgekehrte zweistufige Wärmebehandlung (zuerst also Hochtemperaturbehandlung) verringerte Hc2 ein wenig mit zunehmender Ausheilungstemperatur und -zeit in der zweiten Ausheilstufe. Bei niedrigen Magnetfeldern war die kritische Stromdichte im wesentlichen durch die Krongröβe bestimmt, diejenige bei hohen Feldern dagegen durch eine Kombination von oberem kritischen Feld und Korngröβe. Die vorgelegten Ergebnisse konnten mit der empirischen Gleichung, die aus der Überlegung von Suenaga folgt beschrieben werden. Das weist darauf hin, daβ die globale Verankerungskraft proportional zum Produkt der inversen Korngröβe mit (l −h)2h12 ist, welche Kramers Gleichung entnommen ist (h = reduziertes Magnetfeld).