Niob und Legierungen auf Niobbasis sind die wichtigsten Werkstoffe aus hochschmelzenden Metallen im Bereich der Tieftemperatursupraleitung. Sie lassen sich zu supraleitenden Drähten verarbeiten oder zu nahtlosen Kapillaren und dünnwandigen Rohren fertigen, die in Ummantelungen für Mehrkern-Supraleiter, supraleitenden magnetischen Abschirmungen, Hochfrequenz-Resonatoren, Tieftemperatur-Transportleitungen sowie in Komponenten für Beschleuniger und Kernfusionsanlagen Anwendung finden. Unterschiede in der Legierungszusammensetzung verschiedener Niobrohr-Qualitäten beeinflussen direkt wesentliche supraleitende Parameter wie die kritische Übergangstemperatur (T_c), das obere kritische Magnetfeld (H_{c2}) und die kritische Stromdichte (J_c). Bei einigen Hochtemperatur-Nioblegierungen (C-103, Cb-752, Nb-10W-1Zr usw.) stehen mechanische Hochtemperatureigenschaften im Vordergrund; die Supraleitfähigkeit wird durch die Legierungselemente stark unterdrückt, sodass nur eine schwache intrinsische Supraleitfähigkeit bei tiefen Temperaturen vorliegt und sie sich nicht als funktionale supraleitende Bauteile eignen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die supraleitenden Eigenschaften, Parameterbereiche, Verarbeitungseigenschaften und technischen Anwendungen von reinem Niob, der Nb-Ti-Reihe, Nb-1Zr, binären Nb-Zr-Legierungen sowie Rohren aus der supraleitenden A15-Phase (Niob-Zinn-Verbindung) und dient als Entscheidungshilfe bei der Auswahl von Rohren für supraleitende Systeme. Nioblegierungsrohre; kritische Temperatur; oberes kritisches Magnetfeld; Typ-II-Supraleiter; magnetische Abschirmung; supraleitende Mehrkernrohre.
Niob zählt zu den Typ-II-Supraleitern. Reines Niob weist eine kritische Übergangstemperatur von T_c = 9,2 K auf und ist damit der Supraleiter aus einem einzigen Element mit der höchsten kritischen Temperatur unter allen metallischen Elementen. Allerdings besitzt reines Niob ein niedriges oberes kritisches Magnetfeld und ein schwaches Fluss-Pinning-Vermögen, wodurch es unter starken Magnetfeldern keine hohen Ströme leiten kann. Daher wird es in der Technik nur selten direkt als stromführender Supraleiter eingesetzt; Es findet vorwiegend Verwendung in supraleitenden Hochfrequenz-Resonatoren, magnetischen Abschirmzylindern und ähnlichen Anwendungen. Die Zugabe von Elementen wie Titan, Zirkonium und Zinn zur Bildung von Legierungen oder intermetallischen Verbindungen kann das Pinning-Vermögen für den magnetischen Fluss erheblich verbessern, das obere kritische Magnetfeld steigern und Anwendungen in Hochfeld- und Hochstrombereichen ermöglichen. Zwar erhöht die Zugabe von Elementen zur Hochtemperaturverfestigung – wie Hafnium und Wolfram – die Warmfestigkeit der Legierung, doch beeinträchtigt sie gleichzeitig die Elektron-Phonon-Kopplung, was zu einer deutlichen Verschlechterung der Supraleitungseigenschaften führt. Solche Legierungsrohre dienen daher meist nur als Strukturbauteile für Tieftemperaturanwendungen und übernehmen keine supraleitende Funktion.
Das gängige Herstellungsverfahren für Rohre auf Niob-Basis umfasst folgende Schritte: Blockguss mittels Vakuumlichtbogen- oder Elektronenstrahlschmelzen → Bohren und Strangpressen → mehrstufiges Kaltwalzen mit zwischengeschaltetem Vakuumglühen → Präzisionskaltziehen zu nahtlosen Rohren und Kapillaren. Kaltverformung und Alterungsglühen während der Verarbeitung beeinflussen direkt Ausscheidungen, Versetzungen und Korngrenzen; dadurch verändert sich das Pinning-Verhalten für den magnetischen Fluss, was wiederum erhebliche Auswirkungen auf die tatsächliche supraleitende Leistungsfähigkeit des Rohrs hat. Selbst bei identischer Legierungszusammensetzung können unterschiedliche Wärmebehandlungsverfahren zu Unterschieden in der kritischen Stromdichte (J_c) um mehrere Größenordnungen führen.
Nb-Ti ist derzeit die kommerziell ausgereifteste und praxistauglichste supraleitende Legierung vom Typ II. Rohre aus Niob-Titan-Legierungen bilden den wichtigsten Ausgangsstoff für mehradrige Verbundsupraleiter und finden zudem Verwendung in Komponenten wie supraleitenden magnetischen Abschirmzylindern, Zuleitungsrohren für flüssiges Helium sowie Stützhülsen für NMR-Sonden (Kernspinresonanz). Zu den gängigen industriellen Legierungen gehören: Nb53Ti47 (Nb-47 Gew.-% Ti), Nb45Ti55 (Nb-55 Gew.-% Ti) und Nb50Ti50**. Änderungen des Titangehalts wirken sich direkt auf die supraleitenden Parameter und die mechanischen Eigenschaften aus. Nb50Ti50 (Nb-50Ti) liegt zwischen diesen Varianten, bietet ein ausgewogenes Verhältnis von supraleitenden Parametern zu mechanischen Eigenschaften und kommt häufig bei maßgefertigten Kapillarrohren sowie bei speziellen supraleitenden Materialien in Kleinserien zum Einsatz.
