Die Kernidee der Herstellung supraleitender NbTi/Cu-Drähte durch Pulvermetallurgie besteht darin, Legierungspulver direkt mit Kupfer zu verbinden, indem die komplexen Schritte des Legierungsgießens und der Barriereschichtmontage herkömmlicher Verfahren durchlaufen werden. Der Gesamtprozess lässt sich in vier Phasen unterteilen: Rohstoffmischung, Einkapselung, Verdichtung und Kunststoffverarbeitung.
Rohstoffmischung: NbTi-Legierungspulver (Partikelgröße ca. 10–50 μm) wird mit reinem Ti-Pulver oder reinem Nb-Pulver (Partikelgröße ca. 1–5 μm) gemischt. Der Kernanteil an reinem Ti bzw. reinem Nb-Pulver beträgt 20–30 Gew.-%. Diese bilden während der anschließenden Wärmebehandlung eine dispergierte α-Ti-Ausscheidungsphase, die als Flussmittelfixierungszentren dient und die Stromtragfähigkeit des Drahtes effektiv verbessert.
Kupfermatrix: Das gemischte Pulver wird in einen sauerstofffreien Kupferbarren mit mehreren Kanälen gefüllt. Kupfer sorgt als stabile Matrix für eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit. Schutzkapselung: Der Kupferbarren, der das Pulver enthält, ist in einer Edelstahlkapselung eingeschlossen. Dieser Außenmantel schützt das Innenmaterial und verhindert eine Oxidation bei der anschließenden Hochdruckbearbeitung. Bei der Entgasungsdichtung wird das gesamte System erhitzt und evakuiert, um Gas aus den Pulverspalten und innerhalb der Hülle zu entfernen. Dies ist entscheidend, um sicherzustellen, dass das Material dicht und fehlerfrei ist.
Beim Heißisostatischen Pressen (HIP) wird die versiegelte Hülle in einen HIP-Ofen gelegt und unter hoher Temperatur und immensem Druck in alle Richtungen gesintert. Dies führt zu einer Diffusion und Bindung zwischen den Pulverpartikeln und bildet direkt einen vollständig dichten NbTi/Cu-Mehrkern-Verbundblock. Anschließend wird der äußere Stahlmantel mit einer Drehmaschine abgefräst. Kunststoffextrusion: Nachdem der Verbundwerkstoffblock erhitzt und bei Raumtemperatur gehalten wurde, wird er in einem Durchgang extrudiert, um einen mehrkernigen extrudierten Stab mit kleinerem Durchmesser und gleichmäßiger Mikrostruktur zu erhalten. Dieser Schritt verschweißt effektiv die internen Schnittstellen und verfeinert die Korngröße.
Kaltziehen: Bei Raumtemperatur wird der extrudierte Stab in mehreren Durchgängen durch eine Reihe von Düsen mit zunehmend kleineren Abmessungen gezogen. Die Verformung muss in jedem Durchgang kontrolliert werden, um letztendlich einen supraleitenden Draht mit dem gewünschten Durchmesser (bis hin zu Millimetern oder sogar Mikrometern) zu erhalten. Die Hauptvorteile dieser pulvermetallurgischen Methode liegen in der Vereinfachung des Prozesses und den reduzierten Kosten. Es umgeht geschickt die komplexen Schmelz- und Gießprozesse herkömmlicher Methoden sowie die zur Verhinderung von Kupfer-Titan-Reaktionen erforderliche Barriereschicht und verkürzt so den Prozessablauf erheblich.
