Variation of mechanical properties of high RRR and reactor grade niobium with heat treatments

Variation des propriétés mécaniques du niobium de haut RRR et de qualité “réacteur” selon les traitements thermiques

¹ Jefferson Lab, Newport News, Virginia, USA
² Tokyo Denkai Co., Ltd., Tokyo, Japan

Abstract

Superconducting rf cavities used as accelerating structures in particle accelerators are made from high purity niobium with residual resistance ratios greater than 250. Reactor grade niobium is also used to make wave-guide and/or end group components for these accelerating structures. The major impurities in this type of niobium are interstitially dissolved gases such as hydrogen, nitrogen, and oxygen in addition to carbon. After fabricating the niobium accelerating structures, they are subjected to heat treatments for several hours in vacuum at temperatures of up to 900°C for degassing hydrogen or up to 1400°C for improving the thermal conductivity of niobium considerably. These heat treatments are affecting the mechanical properties of niobium drastically. In this paper the variation of the mechanical properties of high purity and reactor grade niobium with heat treatments in a vacuum of ~ 10^–6 Torr and temperatures from 600°C to 1250°C for periods of 10 to 6 hours are presented. High purity niobium starts exhibiting upper and lower yield stress points while reactor grade niobium, on the other hand, stops exhibiting this characteristic BCC material behavior of upper and lower yield stress points after heat treatment at 1250°C in the presence of Ti as a solid state getter material.

Résumé

Les cavités RF supraconductrices utilisées pour l’accélération des particules sont faites en niobium de haute pureté, de rapport de résistance résiduelle supérieur à 250. Le niobium de qualité “réacteur” est aussi utilisé pour la fabrication de guides d’onde et/ou de composants terminaux des structures accélératrices. Les impuretés majeures dans cette catégorie de niobium sont les éléments interstitiels en solution : hydrogène, azote, oxygène et carbone. Après fabrication, les structures accélératrices sont soumises à des traitements thermiques de plusieurs heures sous vide jusqu’à des températures de 900 °C pour le dégazage de l’hydrogène ou de 1400 °C pour améliorer notablement la conductibilité thermique du niobium. Ces traitements thermiques affectent énormément tes propriétés mécaniques du niobium. Dans cet article sont présentées les variations de propriétés mécaniques du niobium de haute pureté et du niobium de qualité “réacteur”, en fonctions des traitements thermiques dans un vide de ~ 10^–6 Torr, aux températures de 600 °C à 1 250 °C. pendant des durées de 10 à 6 heures. Pour le niobium de haute pureté, le phénomène de limite d’élasticité supérieure et inférieure commence à apparaître, alors qu’il disparaît pour le niobium de qualité “réacteur”, après traitement thermique à 1 250°C en présence de Ti utilisé comme getter.