DE69130237T2 - Process for the production of composite material - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs zur Vereinigung von zwei Werkstoffen mit unterschiedlichem Schmelzpunkt, die sich miteinander nicht in fester Lösung mischen, wie W (Wolfram) und Cu (Kupfer). Der Verbundwerkstoff soll zur Wärmeleitung geeignet sein.The present invention relates to a method for producing a composite material for combining two materials with different melting points that do not mix with each other in solid solution, such as W (tungsten) and Cu (copper). The composite material should be suitable for heat conduction.
Bei einer Apparatur, die einen ultraheißen Bereich mit einem geschmolzenen Metall aufweist, beispielsweise einem Schmelztiegel für radioaktives Metall und einer Wärme aufnehmenden Platte, ist es oft unumgänglich, einen Werkstoff, der einem Elektronenstrahl oder Plasma mit hoher Temperatur und hoher Energiedichte widersteht, d. h. den Strahltargetwerkstoff, zu verwenden.In an apparatus having an ultra-hot area containing a molten metal, such as a radioactive metal crucible and a heat-absorbing plate, it is often essential to use a material that can withstand a high temperature and high energy density electron beam or plasma, i.e. the beam target material.
Da der Strahltargetwerkstoff unter rauhen Bedingungen verwendet wird, muß er die folgenden beiden Eigenschaften aufweisen:Since the beam target material is used under harsh conditions, it must have the following two properties:
(1) eine ausreichende Wärmebeständigkeit direkt unter der Wärmequelle mit steigender Temperatur,(1) sufficient heat resistance directly under the heat source with increasing temperature,
(2) eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichnete Kühleigenschaften.(2) excellent thermal conductivity and excellent cooling properties.
Der zweite Punkt ist notwendig, da die entgegengesetzte Seite der Wärmequelle im allgemeinen durch eine Vorrichtung gekühlt wird.The second point is necessary because the opposite side of the heat source is generally cooled by a device.
In einem einzigen Werkstoff können jedoch die Wärmebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit nicht getrennt betrachtet werden und bei Festlegung von einer dieser beiden ist die andere automatisch natürlich innerhalb eines begrenzten Bereichs festgelegt. Um daher beide Eigenschaften zusammen zu verstärken, versuchte man es mit Verbundwerkstoffen. Ein derartiger Versuch ist die Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit sowohl ausgezeichneter Wärmebeständigkeit als auch Wärmeleitfähigkeit durch Kombination von W, das unter den Metallen einen hohen Schmelzpunkt aufweist, und von Cu, das eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist.However, in a single material, heat resistance and thermal conductivity cannot be considered separately and when specifying one of these two, the others are automatically naturally fixed within a limited range. Therefore, in order to enhance both properties together, composite materials have been tried. One such attempt is to make a composite material with both excellent heat resistance and thermal conductivity by combining W, which has a high melting point among metals, and Cu, which has excellent thermal conductivity.
Bei einem Vereinigen von W und Cu ist jedoch, da sie sich miteinander in fester Lösung nicht mischen, das Verbindungsverfahren beschränkt, und es werden hauptsächlich einfaches Verkleben oder Verlöten oder andere mechanische Verbindungsverfahren angewandt.However, when combining W and Cu, since they do not mix with each other in solid solution, the joining method is limited and simple bonding or soldering or other mechanical joining methods are mainly used.
Wird eine derartige Verbindung aus W und Cu auf dem Gebiet hoher Temperaturen verwendet, ist der Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen den beiden sehr groß. Insbesondere besitzt W einen thermischen Ausdehnungsfaktor von 4,5 · 10&supmin;&sup6;/K, während er bei Cu 17,1 · 10&supmin;&sup6;/K beträgt. Die hierdurch erzeugte thermische Spannung ist extrem groß. Wenn daher W und Cu nur verlötet und legiert werden, ist es wahrscheinlich, daß in W, das den kleineren thermischen Ausdehnungsfaktor aufweist, aufgrund der Zugbelastung beim Erwärmen Risse gebildet werden sowie aufgrund der in der Grenzfläche von W und Cu gebildeten thermischen Belastung ein Ablösen erfolgt. Diese Rißbildung und Ablösung erniedrigt die Gesamtwärmeleitfähigkeit, was zur Temperaturerhöhung der Werkstoffe oder schlimmstenfalls zum Unfall des Zusammenschmelzens führen kann.When such a compound of W and Cu is used in the high temperature field, the difference in thermal expansion between the two is very large. In particular, W has a thermal expansion factor of 4.5 x 10-6/K, while Cu has a thermal expansion factor of 17.1 x 10-6/K. The thermal stress generated by this is extremely large. Therefore, if W and Cu are only soldered and alloyed, W, which has the smaller thermal expansion factor, is likely to crack due to the tensile stress during heating, and to delaminate due to the thermal stress formed in the interface of W and Cu. This cracking and delamination lowers the overall thermal conductivity, which may lead to the temperature increase of the materials or, in the worst case, to the accident of melting together.
Es wurde daher in letzter Zeit der Versuch unternommen, Gradientenwerkstoffe mit gesteuerter Struktur (im folgenden als "Gradientenwerkstoff" bezeichnet) herzustellen, wobei zwei Pulver gemischt, diese unter Variation des Mischungsverhältnisses laminiert und die Laminate gesintert wurden.Therefore, attempts have recently been made to produce gradient materials with a controlled structure (hereinafter referred to as "gradient material"), whereby two Powders were mixed, these were laminated by varying the mixing ratio and the laminates were sintered.
Durch dieses Verfahren lassen sich Gradientenwerkstoffe erhalten, wenn die Schmelzpunkte der beiden zu vermischenden Pulver einander ähnlich sind. Sind diese jedoch äußerst unterschiedlich, wird nur ein Werkstoff aufgeschmolzen, während dies beim anderen nicht der Fall ist, und es bereitet Schwierigkeiten, einen Gradientenwerkstoff mit gesteuerter Struktur herzustellen.This process makes it possible to obtain gradient materials if the melting points of the two powders to be mixed are similar. However, if they are very different, only one material will melt while the other will not, and it will be difficult to produce a gradient material with a controlled structure.
Die DE-A-24 50 361 beschreibt das Sintern eines Gerüsts aus Metallteilchen mit verschiedener Größe, um den gewünschten Porositätsgradienten innerhalb des Gerüsts des ersten Metalls zu erhalten. Ein zweites Metall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das erste Metall wird in einen flüssigen Zustand überführt und in die Poren des Skeletts infiltriert.DE-A-24 50 361 describes the sintering of a framework of metal particles of different sizes in order to obtain the desired porosity gradient within the framework of the first metal. A second metal with a lower melting point than the first metal is converted into a liquid state and infiltrated into the pores of the skeleton.
Eine primäre Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Herstellungsverfahrens für einen Verbundwerkstoff mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit und Bindungsfestigkeit an der Grenzfläche der miteinander zu verbindenden beiden Ausgangsstoffe.A primary object of the invention is to provide a manufacturing process for a composite material with excellent thermal conductivity and bonding strength at the interface of the two starting materials to be joined together.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs gemäß den Angaben in Anspruch 1 bereitgestellt. Optionale Merkmale der Erfindung sind in den anhängenden Ansprüchen enthalten.According to the invention there is provided a method for producing a composite material as specified in claim 1. Optional features of the invention are contained in the appended claims.
Erfindungsgemäß sind wegen der kontinuierlichen Veränderung der Zusammensetzung in dem Gradientenzusammensetzungsbereich (der Grenzfläche) des hochschmelzenden Werkstoffs und des niedrigschmelzenden Werkstoffs, d. h. des Gefälles der Zusammensetzung, die Bindungsfestigkeit (Adhäsion) der Grenzflä che der beiden Werkstoffe und die Wärmeleitfähigkeit hochwertig.According to the invention, due to the continuous change of the composition in the gradient composition region (the interface) of the high-melting material and the low-melting material, ie the gradient of the composition, the bonding strength (adhesion) of the interface The surface of the two materials and the thermal conductivity are of high quality.
Wird außerdem die Stelle, an der eine große thermische Belastung erzeugt wird, aus einem hochfesten Werkstoff hergestellt, so kann sie rauheren Bedingungen, beispielsweise der Bedingung einer hohen thermischen Belastung im Falle eines Strahltargets, widerstehen.In addition, if the location where a large thermal stress is generated is made of a high-strength material, it can withstand harsher conditions, such as the high thermal stress condition in the case of a beam target.
Ferner wird, da das Sinterverfahren durch Verwendung von thermischem Spritzen variiert wird, eine Gradientenzusammensetzung mit einer dreidimensionalen Oberfläche, beispielsweise einem Zylinder, hergestellt.Furthermore, since the sintering process is varied by using thermal spraying, a gradient composition having a three-dimensional surface, for example, a cylinder, is produced.
Die sich kontinuierlich verändernde Zusammensetzung beseitigt Korngrenzenbrüchigkeit. Die gebildete Verbindung zwischen dem hochschmelzenden und dem niedrigschmelzenden Werkstoff kann sowohl stationären als auch nichtstationären thermischen Belastungen widerstehen. Der Verbundwerkstoff ist daher zum Einsatz als wärmeleitendes Material geeignet.The continuously changing composition eliminates grain boundary fragility. The bond formed between the high-melting and low-melting material can withstand both stationary and non-stationary thermal loads. The composite material is therefore suitable for use as a heat-conducting material.
Diese Erfindung läßt sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verstehen. In den Zeichnungen gilt:This invention can be better understood from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. In the drawings:
Fig. 1 zeigt in einem schematischen Fließbild eine erste Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung;Fig. 1 shows a schematic flow diagram of a first embodiment of the manufacturing process for a composite material according to the invention;
Fig. 2A und 2B zeigen ein Schemadiagramm eines Gradienten bezüglich der Zusammensetzung an der Grenzfläche von W und Cu für einen metallischen Verbundwerkstoff von Fig. 1;Fig. 2A and 2B show a schematic diagram of a composition gradient at the interface of W and Cu for a metallic composite of Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Schemadiagramm der an der Grenzfläche von W und Cu von Fig. 1 erzeugten Spannung;Fig. 3 is a schematic diagram of the stress generated at the interface of W and Cu of Fig. 1;
Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die Wärmeleitfähigkeit in der Mischschicht von W und Cu in dem Zusammensetzungsgradiententeil von Fig. 1;Fig. 4 is a graph showing the thermal conductivity in the mixed layer of W and Cu in the composition gradient part of Fig. 1;
Fig. 5A und 5B zeigen einen Schmelztiegel eines radioaktiven Metalls im Querschnitt bzw. in einem Schemadiagramm die Feintextur des Teils A des in der Ausführungsform in Fig. 1 erhaltenen Werkstoffs;Fig. 5A and 5B show a crucible of a radioactive metal in cross section and a schematic diagram showing the fine texture of part A of the material obtained in the embodiment in Fig. 1, respectively;
Fig. 6 zeigt in einem schematischen Fließbild eine zweite Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung;Fig. 6 shows a schematic flow diagram of a second embodiment of the manufacturing process for a composite material according to the invention;
Fig. 7 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkung der Teilchengröße des W-Pulvers oder des Formungsdrucks auf die relative Dichte des Sinterkörpers in der zweiten Ausführungs form;Fig. 7 is a diagram for explaining the effect of the particle size of the W powder or the molding pressure on the relative density of the sintered body in the second embodiment;
Fig. 8 zeigt in einem schematischen Fließbild die dritte und vierte Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung;Fig. 8 shows a schematic flow chart of the third and fourth embodiments of the manufacturing process for a composite material according to the invention;
Fig. 9 ist ein Diagramm zur Erläuterung der mechanischen Festigkeit des bei der dritten Ausführungsform erhaltenen Werkstoffs;Fig. 9 is a diagram for explaining the mechanical strength of the material obtained in the third embodiment;
Fig. 10 zeigt in einem Diagramm in Frage kommende Beispiele für Dispersionsverstärkungsmaterial der dritten Ausführungsform und ihre Haupteigenschaften;Fig. 10 is a diagram showing possible examples of dispersion reinforcing materials of the third embodiment and their main properties;
Fig. 11A zeigt in perspektivischer Darstellung ein Elektronenstrahltarget, das den in der dritten Ausführungsform erhaltenen Werkstoff umfaßt;Fig. 11A is a perspective view showing an electron beam target comprising the material obtained in the third embodiment;
Fig. 11B zeigt das Elektronenstrahltarget im Querschnitt entlang einer Linie A-A;Fig. 11B shows the electron beam target in cross section along a line A-A;
Fig. 12 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Infiltrationsverfahrens von Cu bei der Herstellung des Elektronenstrahltargetwerkstoffs von Fig. 11;Fig. 12 is a diagram for explaining the infiltration process of Cu in the preparation of the electron beam target material of Fig. 11;
Fig. 13A bis 13D zeigen die Ergebnisse einer Analyse der Temperaturverteilung bzw. der Verteilung der mechanischen Belastung, wenn ein Elektronenstrahl auf das Elektronenstrahltarget in Fig. 11 emittiert wird;Figs. 13A to 13D show the results of analysis of the temperature distribution and the mechanical stress distribution, respectively, when an electron beam is emitted onto the electron beam target in Fig. 11;
Fig. 14 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Eingangswärmedichte des Elektronenstrahls, der maximalen Hauptbelastung (thermischen Belastung) und der maximal erreichten Temperatur, wenn ein Elektronenstrahl auf das Elektronenstrahltarget in Fig. 11 emittiert wird;Fig. 14 is a graph showing the relationship between the input heat density of the electron beam, the maximum main load (thermal load) and the maximum temperature reached when an electron beam is emitted onto the electron beam target in Fig. 11;
Fig. 15 zeigt in einem schematischen Fließbild eine fünfte Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung;Fig. 15 shows a schematic flow diagram of a fifth embodiment of the manufacturing process for a composite material according to the invention;
Fig. 16 ist in etwa ein Querschnitt des in der fünften Ausführungsform erhaltenen Werkstoffs;Fig. 16 is an approximate cross-section of the material obtained in the fifth embodiment;
Fig. 17 zeigt in einem schematischen Fließbild eine sechste Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung;Fig. 17 shows a schematic flow diagram of a sixth embodiment of the manufacturing process for a composite material according to the invention;
Fig. 18 zeigt in einem schematischen Fließbild eine siebte Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung;Fig. 18 shows a schematic flow chart of a seventh embodiment of the manufacturing process for a composite material according to the invention;
Fig. 19 zeigt in einem schematischen Fließbild eine achte Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung undFig. 19 shows a schematic flow diagram of an eighth embodiment of the manufacturing process for a composite material according to the invention and
Fig. 20 ist in etwa eine Querschnittsdarstellung des in der achten Ausführungsform erhaltenen Werkstoffs.Fig. 20 is an approximate cross-sectional view of the material obtained in the eighth embodiment.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden einige der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen im folgenden detailliert beschrieben. Fig. 1 ist ein schematisches Fließbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens eines Verbundwerkstoffs gemäß der Erfindung. In Stufe 1 wird W-Pulver zur Formung zu einer speziellen Gestalt in eine (nicht angegebene) Form gefüllt. In Stufe 2 wird das in Stufe 1 erhaltene W-Pulver geformt. In Stufe 3 wird die in Stufe 2 erhaltene Form zur Bildung von Poren gesintert und es wird ein gesinterter W-Körper erhalten, dessen Porosität in Richtung der Infiltrationsseite (die Seite, an der das infiltrierte Material als Ergebnis der Infiltration 100% wird) zunimmt. In Stufe 4 wird Cu in einem (nicht angegebenen) Behälter aufgeschmolzen und in die Poren des in Stufe 3 erhaltenen gesinterten W-Körpers infiltriert. In Stufe 5 wird das in Stufe 4 erhaltene Material mechanisch bearbeitet und eine schließlich gewünschte Produktform erhalten.Referring to the drawings, some of the preferred embodiments of the present invention will be described in detail below. Fig. 1 is a schematic flow chart for explaining a first embodiment of the manufacturing process of a composite material according to the invention. In step 1, W powder is filled into a mold (not indicated) for molding into a specific shape. In step 2, the W powder obtained in step 1 is molded. In step 3, the mold obtained in step 2 is sintered to form pores, and a W sintered body whose porosity increases toward the infiltration side (the side where the infiltrated material becomes 100% as a result of infiltration) is obtained. In step 4, Cu is melted in a container (not indicated) and infiltrated into the pores of the W sintered body obtained in step 3. In stage 5, the material obtained in stage 4 is mechanically processed to obtain the final desired product shape.
Bei dem auf diese Weise erhaltenen metallischen Verbundwerkstoff ergeben sich die folgenden Wirkungen.The metallic composite material obtained in this way has the following effects.
1) Die Zusammensetzung an der Grenzfläche von W und Cu variiert fast kontinuierlich, d. h. die Zusammensetzung weist einen Gradienten auf. Fig. 2 ist ein Schemadiagramm des wie oben beschrieben hergestellten Legierungsmetallwerkstoffs, wobei Fig. 2A ein Diagramm der Zusammensetzungsverteilung und Fig. 2B ein Diagramm der Verteilungscharakteristik be züglich des Gewichtsverhältnisses von W und Cu ist. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, daß der Verbundmetallwerkstoff der Erfindung wegen des Gefälles der Zusammensetzung in dem Gradientenzusammensetzungsbereich von W und Cu im Vergleich zu dem üblichen bekannten Verbundmetallwerkstoff, bei dem eine mechanische Verbindung, wie Verkleben und thermisches Spritzen, einfacher Werkstoffe verwendet wird, eine vergrößerte Berührungsfläche von W und Cu aufweist, da zwischen W und Cu eine mikroskopische Netzstruktur ausgebildet ist, so daß der Kontakt deutlich verstärkt ist.1) The composition at the interface of W and Cu varies almost continuously, that is, the composition has a gradient. Fig. 2 is a schematic diagram of the alloy metal material prepared as described above, in which Fig. 2A is a composition distribution diagram and Fig. 2B is a distribution characteristic diagram. in terms of the weight ratio of W and Cu. From this diagram, it is apparent that the composite metal material of the invention has an increased contact area of W and Cu due to the gradient of composition in the gradient composition range of W and Cu, as compared with the conventional composite metal material using mechanical bonding such as bonding and thermal spraying of simple materials, since a microscopic network structure is formed between W and Cu so that the contact is significantly enhanced.
2) In der Ausführungsform ändert sich der Koeffizient der thermischen Ausdehnungsbelastung in der Mischschicht aus W und Cu fast proportional zum Mischungsverhältnis. Die thermische Belastung der Schicht (d. h. eine Kombination aus Druckspannung und Zugspannung) ist relativ klein und ändert sich entsprechend der in Fig. 3 angegebenen durchgezogenen Kurve nur wenig. Dagegen ist die thermische Belastung der nach dem üblichen mechanischen Verbindungsverfahren hergestellten Verbundschicht groß und ändert sich stark, wie dies aus der in Fig. 3 angegebenen strichpunktierten Linie deutlich wird.2) In the embodiment, the coefficient of thermal expansion stress in the mixed layer of W and Cu changes almost proportionally to the mixing ratio. The thermal stress of the layer (i.e., a combination of compressive stress and tensile stress) is relatively small and changes little as shown by the solid line in Fig. 3. In contrast, the thermal stress of the composite layer made by the conventional mechanical bonding method is large and changes greatly as shown by the dot-dash line in Fig. 3.
3) Der Werkstoff der Ausführungsform kann die beim einfachen Verkleben auftretende Lücke zwischen den Werkstoffen (Stand der Technik) schließen, da die Berührungsfläche von W und Cu zunimmt. Entsprechend verringert sich der Wärmedurchlaßwiderstand an der Grenzfläche der Gradientenzusammensetzung von W und Cu und es wird eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit wie bei W allein oder Cu allein erhalten. Fig. 4 ist ein charakteristisches Diagramm der Wärmeleitfähigkeit, das dieses erläutert. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, daß insgesamt eine ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit, die über die von W allein hinausgeht, erhalten werden kann, indem man die Eigenschaft nutzt, daß die Wärmeleitfähigkeit des Bereichs mit einem Zusammensetzungsgradienten stark von Cu, das eine größere Leitfähigkeit aufweist, abhängt.3) The material of the embodiment can close the gap between the materials in simple bonding (prior art) because the contact area of W and Cu increases. Accordingly, the thermal resistance at the interface of the gradient composition of W and Cu decreases and excellent thermal conductivity is obtained as with W alone or Cu alone. Fig. 4 is a characteristic diagram of thermal conductivity explaining this. From this diagram, it can be seen that an excellent thermal conductivity exceeding that of W alone can be obtained overall by utilizing the property that the thermal conductivity of the composition gradient region depends strongly on Cu, which has a higher conductivity.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird im folgenden ein Beispiel für die Anwendung des in der ersten Ausführungsform erhaltenen Verbundwerkstoffs auf einen Tiegel zum Schmelzen von radioaktivem Metall oder eine Wärme aufnehmende Platte erläutert. Fig. 5A zeigt im Querschnitt den Hauptkörper 11 und das wassergekühlte Gestell 13 eines Tiegels zum Schmelzen von radioaktivem Metall und Fig. 5B ist ein Schemadiagramm der Feintextur von Teil A von Fig. 5A. Die Seite des Tiegelhauptkörpers 11 ist hoher Temperatur ausgesetzt und daher aus hochschmelzendem Metall W hergestellt. Das wassergekühlte Gestell 13 besteht aus Cu mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit und der Gradientenzusammensetzungsbereich 14 aus W und Cu ist eine sogen. Gradientenzusammensetzung, bei der die Zusammensetzung kontinuierlich variiert. Die Ziffer 12 bedeutet ein Wasserkühlungsloch.Referring to Fig. 5, an example of applying the composite material obtained in the first embodiment to a crucible for melting radioactive metal or a heat-receiving plate will be explained below. Fig. 5A shows in cross section the main body 11 and the water-cooled frame 13 of a crucible for melting radioactive metal, and Fig. 5B is a schematic diagram of the fine texture of part A of Fig. 5A. The side of the crucible main body 11 is exposed to high temperature and therefore is made of refractory metal W. The water-cooled frame 13 is made of Cu having excellent thermal conductivity, and the gradient composition region 14 of W and Cu is a so-called gradient composition in which the composition varies continuously. Numeral 12 indicates a water cooling hole.
Das Verfahren zur Herstellung einer derartigen Struktur ist in Fig. 6 angegeben. Hierbei wird in der ersten Stufe 21 ein feines W-Pulver hergestellt und in Form des Tiegelhauptkörpers 11 in Fig. 5 laminiert. In der zweiten Stufe 22 wird das in der ersten Stufe 21 erhaltene Laminat beispielsweise durch CIP (isostatisches Kaltpressen) zur Bildung einer W- Form ausgeformt. In der dritten Stufe 23 wird die in der zweiten Stufe 22 erhaltene W-Form mehrere h lang in H&sub2; oder einer anderen reduzierenden Atmosphäre bei hoher Temperatur gehalten, wobei ein W-Sinterprodukt erzeugt wird. In der vierten Stufe 24 wird der in der dritten Stufe 23 erhaltene gesinterte W-Körper mechanisch bearbeitet, wobei schließlich eine Tiegelform erhalten wird. In diesem Fall erfolgt die mechanische Bearbeitung einschließlich des Gradientenbereichs der Grenzfläche.The method for producing such a structure is shown in Fig. 6. Here, in the first step 21, a fine W powder is prepared and laminated in the shape of the crucible main body 11 in Fig. 5. In the second step 22, the laminate obtained in the first step 21 is molded by, for example, CIP (cold isostatic pressing) to form a W shape. In the third step 23, the W shape obtained in the second step 22 is kept in H₂ or other reducing atmosphere at high temperature for several hours to produce a W sintered product. In the fourth step 24, the sintered W body obtained in the third step 23 is mechanically processed to finally obtain a crucible shape. In this case, the mechanical processing is carried out including the gradient region of the interface.
In der ersten bis vierten Stufe 21 bis 24 nimmt die Dichte an der Innenseite des Tiegelhauptkörpers 11 auf 95% oder mehr zu. Außerdem werden die Herstellungsbedingungen, wie Werkstoffpulver, Formungsdruck, Sintertemperatur und andere so gesteuert, daß sich die Dichte kontinuierlich bis auf etwa 50% an der Außenseite des Tiegelhauptkörpers 11 verändern kann.In the first to fourth stages 21 to 24, the density on the inside of the crucible main body 11 increases to 95% or more. In addition, the manufacturing conditions such as material powder, molding pressure, sintering temperature and others are controlled so that the density can continuously change up to about 50% on the outside of the crucible main body 11.
In der fünften Stufe 25 wird Cu durch eine Vorrichtung aufgeschmolzen und das im dritten Prozeß 23 erhaltene gesinterte W in dieses Schmelzebad von W (vermutlich Cu) infiltriert und nach dem Halten bis zum genügenden Eindringen des geschmolzenen Cu in die Poren des gesinterten W gekühlt. Die fünfte Verfahrensstufe 25 wird in einer reduzierenden Hochtemperaturatmosphäre von H&sub2; o. dgl. durchgeführt. In der sechsten Stufe 26 wird es nach ausreichendem Abkühlen an die Atmosphäre herausgenommen und zu den spezifizierten Abmessungen des Tiegelhauptkörpers 11 und wassergekühlten Gestells 13 mechanisch bearbeitet.In the fifth step 25, Cu is melted by a device and the sintered W obtained in the third process 23 is infiltrated into this molten bath of W (presumably Cu) and cooled after holding until the molten Cu sufficiently penetrates into the pores of the sintered W. The fifth process step 25 is carried out in a high-temperature reducing atmosphere of H₂ or the like. In the sixth step 26, after sufficiently cooling, it is taken out to the atmosphere and machined to the specified dimensions of the crucible main body 11 and water-cooled frame 13.
Der in einem derartigen Herstellungsverfahren hergestellte Tiegel aus einem derartigen Verbundmetallwerkstoff (Fig. 5) weist eine breite Kontaktfläche aus dem Gradientenzusammensetzungsbereich 14 mit W und Cu auf und dadurch eine ausgezeichnete Haftung und Wärmeleitfähigkeit. Da die Zusammensetzung des Gradientenzusammensetzungsbereichs 14 einen Gradienten aufweist, kann dadurch der Spitzenwert der thermischen Belastung, der aufgrund des Unterschieds des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen W und Cu beim Erwärmen auftritt, verringert werden.The crucible made of such a composite metal material (Fig. 5) produced by such a manufacturing process has a wide contact area of the gradient composition region 14 with W and Cu, and thereby has excellent adhesion and thermal conductivity. Since the composition of the gradient composition region 14 has a gradient, the peak value of the thermal stress that occurs due to the difference in the thermal expansion coefficient between W and Cu during heating can be reduced.
Andererseits ist für den Tiegel der Ausführungsform charakteristisch, daß ein gesinterter W-Tiegel hergestellt wird, dessen Porosität an der Außenseite des Tiegelhauptkörpers 11 kontinuierlich variiert. Hinsichtlich der Wirkung des pulverförmigen Ausgangsstoffs auf die Dichte des Sinterkörpers gemäß Fig. 7 läßt sich durch Variation der Größe der Pulverteilchen in einem Bereich von 1 um bis 10 um ein W-Sinterkörper mit der relativen Dichte von 60% bis 95% herstellen. Unter Verwendung dieser Eigenschaft kann durch kontinuierliche Variation der Teilchengröße des bei der Lamination des W-Pulvers verwendeten W-Pulvers der gesinterte W-Tiegel mit einer kontinuierlich variierenden Dichte von 95% bis 60% hergestellt werden. Indessen besteht, obwohl die Wirkung nicht so groß wie bei der Veränderung der Größe der Pulverteilchen ist, ein Verfahren zur Veränderung der Dichte des Sinterkörpers darin, den Formungsdruck und die Sintertemperatur zu variieren. Durch Kombination hiervon kann der gesinterte W-Tiegelhauptkörper 11 effektiver hergestellt werden. Außerdem dringt das geschmolzene Cu bei der Imprägnierung des gesinterten W-Tiegelhauptkörpers 11 in geschmolzenem Cu in die geschlossenen Poren in dem gesinterten W-Körper ein, da es festes W mit großer Wahrscheinlichkeit benetzt. Da die Abgrenzung der geschlossenen Poren und offenen Poren des gesinterten W-Körpers etwa 90% beträgt, wird der größte Teil in das Gebiet geringer Dichte an der Außenseite des gesinterten W-Tiegelhauptkörpers 11 infiltriert. Dadurch wird wegen der kontinuierlichen Veränderung der Dichte an der Außenseite des gesintertern W-Tiegelhauptkörpers 11 auf diese Weise ein Tiegel einer Gradientenzusammensetzung aus W und Cu gefertigt.On the other hand, the crucible of the embodiment is characterized in that a sintered W crucible is produced, the porosity of which on the outside of the crucible main body 11 continuously varied. Regarding the effect of the powdery raw material on the density of the sintered body, as shown in Fig. 7, by varying the size of the powder particles in a range of 1 µm to 10 µm, a W sintered body having the relative density of 60% to 95% can be produced. Using this property, by continuously varying the particle size of the W powder used in the lamination of the W powder, the sintered W crucible having a continuously varying density of 95% to 60% can be produced. Meanwhile, although the effect is not as great as when the size of the powder particles is changed, one method of changing the density of the sintered body is to vary the molding pressure and the sintering temperature. By combining these, the sintered W crucible main body 11 can be manufactured more effectively. In addition, when the sintered W crucible main body 11 is impregnated with molten Cu, the molten Cu penetrates into the closed pores in the sintered W body because it is likely to wet solid W. Since the demarcation of the closed pores and open pores of the sintered W body is about 90%, most of it is infiltrated into the low density region on the outside of the sintered W crucible main body 11. As a result, a crucible of a gradient composition of W and Cu is manufactured in this way because of the continuous change in density on the outside of the sintered W crucible main body 11.
Gemäß einer soweit beschriebenen zweiten Ausführungsform weist die Grenzflächenzusammensetzung von W und Cu einen Gradienten und die Kontaktfläche von W und Cu einen erhöhten Wert auf, so daß die folgenden Wirkungen erzielt werden.According to a second embodiment described so far, the interface composition of W and Cu has a gradient and the contact area of W and Cu has an increased value, so that the following effects are achieved.
a) Die Haftung im Gradientenzusammensetzungsbereich 14 ist verstärkt und die thermische Belastung im Gradientenzusam mensetzungsbereich 14 bei Verwendung bei hohen Temperaturen ist verringert und Risse und Ablösen im Gradientenzusammensetzungsbereich 14 sind dadurch reduziert, so daß sich die Lebensdauer erhöht.a) The adhesion in the gradient composition region 14 is increased and the thermal load in the gradient composition composition region 14 when used at high temperatures is reduced and cracks and peeling in the gradient composition region 14 are thereby reduced, so that the service life is increased.
b) Der Wärmedurchlaßwiderstand im Gradientenzusammensetzungsbereich 14 ist verringert und die Gesamtwärmeleitfähigkeit ist erhöht, so daß die Wasserkühlwirkung des wassergekühlten Gestells 13 ausreichend genutzt werden kann. Infolgedessen erhöht sich der Temperaturgradient des geschmolzenen Metalls im Tiegelhauptkörper 11 und es kann sich die Innenwandtemperatur des Tiegelhauptkörpers 11 verringern, was ebenfalls zur Verlängerung der Lebensdauer beiträgt.b) The thermal resistance in the gradient composition region 14 is reduced and the total thermal conductivity is increased, so that the water cooling effect of the water-cooled frame 13 can be sufficiently utilized. As a result, the temperature gradient of the molten metal in the crucible main body 11 increases and the inner wall temperature of the crucible main body 11 can be reduced, which also contributes to the extension of the service life.
Die zweite Ausführungsform betrifft einen Schmelztiegel eines radioaktiven Metalls oder eine Wärme aufnehmende Platte, sie kann jedoch auch bei anderen Hochtemperaturvorrichtungen, die die Kombination von W und Cu erfordern, angewandt werden. In der Ausführungsform sind als die Ausgangsstoffe für das Vermischen die Kombination von W und Cu angegeben. Sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt und sie kann auf zwei beliebige andere Ausgangsstoffe angewandt werden, sofern sich diese im Schmelzpunkt unterscheiden und nicht gegenseitig in fester Lösung miteinander mischbar sind. Jedenfalls muß sie die Stufe Sintern des hochschmelzenden Ausgangsstoffs und die Stufe Imprägnieren des gesinterten Körpers mit dem niedrigschmelzenden aufgeschmolzenen Ausgangsstoff umfassen. Nach diesen Stufen wird ein Gradientenwerkstoff an der Grenzfläche des Verbundmetallwerkstoffs erhalten.The second embodiment relates to a crucible of a radioactive metal or a heat-absorbing plate, but it can also be applied to other high-temperature devices requiring the combination of W and Cu. In the embodiment, the combination of W and Cu is specified as the raw materials for mixing. However, it is not limited to this and it can be applied to any two other raw materials as long as they are different in melting point and are not mutually miscible in solid solution. In any case, it must include the step of sintering the high-melting raw material and the step of impregnating the sintered body with the low-melting molten raw material. After these steps, a gradient material is obtained at the interface of the composite metal material.
Die dritte und vierte Ausführungsform des Herstellungsverfahrens des Verbundwerkstoffs gemäß der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 8 bis 10 erläutert. In der genannten ersten Ausführungsform kann wegen der Verrin gerung der Veränderung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an der Grenzfläche von W und Cu im Vergleich zu dem üblichen gelöteten Material die thermische Belastung signifikant verringert werden. In der ersten Ausführungsform ist die mechanische Festigkeit jedoch nicht voll zufriedenstellend, da hier eine Stufe Herstellen eines gesinterten W-Körpers mit einer Porositätsverteilung in Richtung der Dicke der Platte und eine Stufe Sintern und Infiltrieren von aufgeschmolzenem Cu in die Poren des gesinterten W-Körpers erforderlich ist. Das heißt, daß die Korngrenze wegen der Stufe des Sinterns von W, das für die mechanische Festigkeit verantwortlich ist, in den rekristallisierten Körnern besonders schwach ist. Da dieser gesinterte W-Körper eine Porositätsverteilung in Richtung der Plattendicke aufweisen soll, kann darüber hinaus Heißschmieden als Nachbehandlung zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit nicht angewandt werden. Deshalb können selbst bei Verringerung der thermischen Belastung durch Gradientenbildung der Zusammensetzung an der Grenzfläche von W und Cu wegen der geringen mechanischen Festigkeit in W Risse gebildet werden.The third and fourth embodiments of the manufacturing method of the composite material according to the invention are explained below with reference to Fig. 8 to 10. In the first embodiment mentioned, due to the reduction In the first embodiment, however, the mechanical strength is not fully satisfactory because it requires a step of preparing a W sintered body having a porosity distribution in the direction of the thickness of the plate and a step of sintering and infiltrating molten Cu into the pores of the W sintered body. That is, the grain boundary is particularly weak in the recrystallized grains because of the step of sintering W which is responsible for the mechanical strength. In addition, since this W sintered body is required to have a porosity distribution in the direction of the thickness of the plate, hot forging cannot be used as a post-treatment for increasing the mechanical strength. Therefore, even if the thermal stress is reduced by composition gradient formation at the interface of W and Cu, cracks may be formed in W because of the low mechanical strength.
Demgemäß erhält die Zusammensetzung der festen Lösung in der dritten Ausführungsform zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der ersten Ausführungsform in einer Kombination aus zwei Ausgangsstoffen einer einzigen Zusammensetzung, z. B. einem W/Cu-Gradientenmaterial, durch Zugabe eines zweiten, in fester Lösung mischbaren Elements, beispielsweise Pulver von Re (Rhenium), Ta (Tantal), Nb (Niob) oder Hf (Hafnium), ein Gefälle, so daß unter Erhaltung der gleichen Funktionen nur die mechanische Festigkeit verstärkt wird.Accordingly, in order to increase the mechanical strength of the first embodiment, in a combination of two raw materials of a single composition, e.g., a W/Cu gradient material, the solid solution composition in the third embodiment is given a gradient by adding a second solid solution-miscible element, e.g., powder of Re (rhenium), Ta (tantalum), Nb (niobium), or Hf (hafnium), so that only the mechanical strength is enhanced while maintaining the same functions.
Günstigerweise wird gemäß dem schematischen Fließbild in Fig. 8 in der ersten Stufe 31 Re-Pulver dem W-Pulver mit unterschiedlicher Teilchengröße zugeführt. In der zweiten Stufe 32 werden Pulver nacheinander von der kleineren Teil chenseite her auflaminiert. In der dritten Stufe 33 wird das in der zweiten Stufe 32 laminierte Laminat durch Formstanzen oder das Verfahren der CIP-Formung geformt. In der vierten Stufe 34 wird die in der dritten Stufe 33 erhaltene Form gesintert und das Element der festen Lösung mit W legiert, wodurch ein Sinterkörper aus einer W-Legierung mit einer Porositätsverteilung in Richtung der Plattendicke (W-HIP- Material in Fig. 9) erhalten wird. In der fünften Stufe 35 wird der in der vierten Stufe 34 erhaltene Sinterkörper aus einer W-Legierung mit geschmolzenem Cu getränkt, wobei Cu in die Poren eindringt, und abkühlen gelassen. In der sechsten Stufe 36 wird der in der fünften Stufe 35 erhaltene infiltrierte Werkstoff mechanisch bearbeitet und zu einer gewünschten Produktform fertiggestellt.Advantageously, according to the schematic flow diagram in Fig. 8, in the first stage 31, Re powder is fed to the W powder with different particle sizes. In the second stage 32, powders are successively fed from the smaller part In the third step 33, the laminate laminated in the second step 32 is shaped by die stamping or the CIP molding method. In the fourth step 34, the shape obtained in the third step 33 is sintered and the solid solution element is alloyed with W, thereby obtaining a W alloy sintered body having a porosity distribution in the direction of the plate thickness (W-HIP material in Fig. 9). In the fifth step 35, the W alloy sintered body obtained in the fourth step 34 is impregnated with molten Cu, whereby Cu penetrates into the pores, and allowed to cool. In the sixth step 36, the infiltrated material obtained in the fifth step 35 is mechanically processed and finished into a desired product shape.
Die vierte Ausführungsform ist, ähnlich der dritten Ausführungsform ein Herstellungsverfahren für einen Verbundwerkstoff, bei dem nur die mechanische Festigkeit erhöht ist, während die Funktionen erhalten bleiben, wobei zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der ersten Ausführungsform bei einer Kombination von zwei Ausgangsmaterialien aus einer einzigen Zusammensetzung, z. B. einem W/Cu-Gradientenmaterial, ein zweites Element oder eine zweite Verbindung, die nicht in fester Lösung mischbar ist, beispielsweise ThO&sub2; (Thoriumdioxid)-Pulver, zugesetzt wird und die Dispersion zur Gradientenbildung der Zusammensetzung intensiviert wird.The fourth embodiment is, similar to the third embodiment, a manufacturing method for a composite material in which only the mechanical strength is increased while maintaining the functions, wherein, in order to increase the mechanical strength of the first embodiment, when two starting materials are combined from a single composition, e.g., a W/Cu gradient material, a second element or compound that is not miscible in solid solution, e.g., ThO₂ (thorium dioxide) powder, is added and the dispersion is intensified to form a gradient of the composition.
Genauer gesagt, ist die vierte Ausführungsform die gleiche wie die dritte Ausführungsform, wobei jedoch entsprechend den Angaben im schematischen Fließbild in Fig. 8 ThO&sub2;-Pulver dem W-Pulver mit unterschiedlicher Teilchengröße in der ersten Stufe 31 zugesetzt wird.More specifically, the fourth embodiment is the same as the third embodiment, except that ThO2 powder is added to the W powder having different particle sizes in the first stage 31 as shown in the schematic flow diagram in Fig. 8.
Die durch die dritte und vierte Ausführungsform erhaltenen Werkstoffe weisen die folgenden Merkmale auf:The materials obtained by the third and fourth embodiments have the following characteristics:
1) Für das W, das für die mechanische Festigkeit des Werkstoffs verantwortlich ist, erhöht sich entsprechend Fig. 9 durch die Legierungsbildung die Biegefestigkeit stark.1) For W, which is responsible for the mechanical strength of the material, the bending strength increases significantly as shown in Fig. 9 by alloy formation.
2) Da die Grenzfläche der W-Legierung und von Cu bezüglich der Zusammensetzung einen Gradienten aufweist, ergibt sich keine abrupte Veränderung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die thermische Belastung ist im Vergleich zur Verbindung durch das übliche Lötverfahren oder ein anderes Verfahren verringert.2) Since the interface of W alloy and Cu has a compositional gradient, there is no abrupt change in the thermal expansion coefficient and the thermal stress is reduced compared to the connection by the conventional soldering method or other method.
3) Da die Wärmeleitfähigkeit der W-Legierung hauptsächlich von W, das die höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, abhängt, verringert sich die Wärmeleitfähigkeit insgesamt kaum, obwohl die Wärmeleitfähigkeit von ThO&sub2; gering, 10 W/m K, ist.3) Since the thermal conductivity of the W alloy mainly depends on W, which has the higher thermal conductivity, the overall thermal conductivity hardly decreases, even though the thermal conductivity of ThO2 is low, 10 W/m K.
5) Wie sich dies aus dem Verfahren für den in der vierten Ausführungsform erhaltenen Werkstoff ergibt, ist die Gesamtwärmeleitfähigkeit sehr gut, da das Cu mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit in einer Netzwerkstruktur vorliegt.5) As can be seen from the process for the material obtained in the fourth embodiment, the overall thermal conductivity is very good because the Cu with excellent thermal conductivity is in a network structure.
In der vierten Ausführungsform wird ThO&sub2; als das Dispersionsverstärkungsmittel eingesetzt, wobei jedoch grundlegend ein beliebiges anderes Material verwendet werden kann, sofern es chemisch stabil ist und einen hohen Schmelzpunkt aufweist. Jedes der in Fig. 10 angegebenen Dispersionsverstärkungsmittel, d. h. TaB&sub2;, TiB&sub2;, HfB&sub2;, Y&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;, kann verwendet werden.In the fourth embodiment, ThO₂ is used as the dispersion-enhancing agent, but basically any other material can be used as long as it is chemically stable and has a high melting point. Any of the dispersion-enhancing agents shown in Fig. 10, i.e., TaB₂, TiB₂, HfB₂, Y₂O₃, ZrO₂, can be used.
Daher können gemäß der dritten und vierten Ausführungsform ein Ablösen an der Grenzfläche von W und Cu und Risse im Werkstoff eliminiert werden und letztendlich ein von der Zunahme der thermischen Belastung aufgrund von Ablösen oder Rißbildung herrührender Anstieg der Temperatur des Werkstoffs und ein Durchschmelzunfall ausgemerzt werden.Therefore, according to the third and fourth embodiments, peeling at the interface of W and Cu and cracks in the material can be eliminated and finally a material can be produced which is affected by the increase in thermal stress due to peeling or The increase in temperature of the material resulting from cracking and a melt-through accident can be eliminated.
Ein Beispiel für die Anwendung des in der dritten Ausführungsform erhaltenen Werkstoffs als Elektronenstrahltarget wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 11 bis 14 erläutert. Fig. 11A und Fig. 11B betreffen ein Beispiel für die Anwendung des in der dritten Ausführungsform erhaltenen Verbundwerkstoffs im Strahltarget für einen Schmelztiegel für radioaktives Metall o. dgl., wobei Fig. 11A ein Schemadiagramm eines Targets für einen Elektronenstrahl (EB) und Fig. 11B einen Querschnitt in Richtung des Pfeils entlang der Linie A-A in Fig. 11A darstellt. Da die C-Seite des Strahltargets 121 dem EB 116 ausgesetzt ist und eine hohe Temperatur aufweist, wird sie aus der W-Legierung mit hohem Schmelzpunkt und hoher Festigkeit hergestellt.An example of the application of the material obtained in the third embodiment to the electron beam target will be explained below with reference to Figs. 11 to 14. Figs. 11A and 11B relate to an example of the application of the composite material obtained in the third embodiment to the beam target for a crucible for radioactive metal or the like, in which Fig. 11A is a schematic diagram of an electron beam (EB) target and Fig. 11B is a cross section in the direction of the arrow along the line A-A in Fig. 11A. Since the C side of the beam target 121 is exposed to the EB 116 and has a high temperature, it is made of the W alloy having a high melting point and high strength.
Andererseits wird die D-Seite auf der entgegengesetzten Seite des Strahltargets 121 aus Cu mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit und mechanischer Bearbeitbarkeit hergestellt und mit Wasser mit dem Wasserkühlrohr 117 gekühlt. Zwischen der C-Seite und D-Seite ändert sich das Zusammensetzungsverhältnis von der W-Legierung und Cu kontinuierlich, d. h. es wird die sogen. Gradientenzusammensetzung hergestellt.On the other hand, the D side on the opposite side of the beam target 121 is made of Cu with excellent thermal conductivity and mechanical workability and is cooled with water using the water cooling pipe 117. Between the C side and D side, the composition ratio of the W alloy and Cu changes continuously, i.e., the so-called gradient composition is produced.
Der in Fig. 11A und Fig. 11B verwendete Verbundwerkstoff wird nach dem folgenden Verfahren hergestellt. An erster Stelle wird der Sinterkörper 119 aus W-Legierung, wie in Fig. 8 von der ersten bis vierten Stufe angegeben, hergestellt. Bei der Infiltration von Cu 119 in die Poren des Sinterkörpers 118 aus der W-Legierung gemäß Fig. 12 in einem etwas großen Graphittiegel 120 wird die Seite mit geringer Porosität an der oberen Seite plaziert und der Aufbauteil von Cu an der entgegengesetzten Seite plaziert. In diesem Zustand wird nach der Beendigung der Infiltration von Cu eine mechanische Bearbeitung und die Fertigstellung zur gewünschten Größe durchgeführt und ein Loch für das Wasserkühlrohr 117 gebohrt. Schließlich wird das Wasserkühlrohr 117 unter Verwendung von Ag-Cu-Lötmetall o. dgl. verlötet, wodurch das Strahltarget 121 fertiggestellt wird.The composite material used in Fig. 11A and Fig. 11B is manufactured by the following method. First, the W alloy sintered body 119 is prepared as shown in Fig. 8 from the first to the fourth stage. When infiltrating Cu 119 into the pores of the W alloy sintered body 118 shown in Fig. 12 in a slightly large graphite crucible 120, the side with low porosity is placed on the upper side and the build-up part of Cu is placed on the opposite side. In this state, after the completion of the infiltration of Cu machining and finishing to a desired size are performed, and a hole is drilled for the water cooling tube 117. Finally, the water cooling tube 117 is soldered using Ag-Cu solder or the like, thereby completing the beam target 121.
In dem auf diese Weise hergestellten Strahltarget 121 liegen die W-Legierung und Cu in Gradientenzusammensetzung und das Cu mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit in einer Netzwerkstruktur vor. Dadurch kann sich die während des Gebrauchs erreichte Temperatur verringern und die thermische Belastung vermindern.In the beam target 121 thus manufactured, the W alloy and Cu are in gradient composition and the Cu with excellent thermal conductivity is in a network structure. This can lower the temperature reached during use and reduce the thermal stress.
Fig. 13 zeigt das Ergebnis einer Analyse der Temperaturverteilung und der Verteilung der thermischen Belastung (Hauptbelastung), wenn das in Fig. 11 gezeigte Elektronenstrahltarget einem Elektronenstrahl ausgesetzt wird. Fig. 13A und Fig. 13C stellen speziell einen Vergleich des Ergebnisses der Analyse der Temperaturverteilung nach der Methode der finiten Elemente zwischen dem W-Legierung/Cu-Gradientenwerkstoff und dem gelöteten Material aus W-Legierung/Cu beim jeweiligen Erhitzen durch einen linearen EB mit 5 kW/cm² dar. Fig. 13B und Fig. 13D stellen einen Vergleich der Verteilung der Wärmebelastung nach der gleichen Methode der finiten Elemente zwischen dem W-Legierung/Cu-Gradientenwerkstoff und · dem gelöteten Material aus W-Legierung/Cu beim jeweiligen Erhitzen durch einen linearen EB mit 5 kW/cm² dar. Aus dem Ergebnis wird klar, daß die maximal erreichte Temperatur durch die Schaffung des Gradientenwerkstoffs um etwa 80 K erniedrigt werden kann. Außerdem ergibt sich, daß unmittelbar unter dem EB, wo der Temperaturgradient am größten ist, die maximale thermische Belastung auf etwa 1/3 verringert ist.Fig. 13 shows the result of an analysis of the temperature distribution and the thermal stress distribution (main stress) when the electron beam target shown in Fig. 11 is exposed to an electron beam. Fig. 13A and Fig. 13C specifically show a comparison of the result of the temperature distribution analysis by the finite element method between the W alloy/Cu gradient material and the W alloy/Cu brazed material when each was heated by a linear EB of 5 kW/cm2. Fig. 13B and Fig. 13D show a comparison of the heat load distribution by the same finite element method between the W alloy/Cu gradient material and the W alloy/Cu brazed material when each was heated by a linear EB of 5 kW/cm2. From the result, it is clear that the maximum temperature reached can be lowered by about 80 K by creating the gradient material. It also shows that immediately below the EB, where the temperature gradient is greatest, the maximum thermal load is reduced to about 1/3.
Da übrigens die Festigkeit des Strahltargets 121 durch Legierungsbildung von W erhöht wird, kann die EB-Leistung bis zum Zusammenbruch erhöht werden. Fig. 14 zeigt die EB-Eingangswärmedichte, die hervorgerufene maximale Wärmebelastung und die maximal erreichte Temperatur nach der Analyse durch die Methode der finiten Elemente. Gemäß Fig. 13 wird die maximale thermische Belastung in der W-Legierungsschicht unmittelbar unter der Wärmequelle erzeugt und da das Ausmaß der Festigkeitsverringerung der einzelnen Teile aufgrund der Verbindungsbildung mit Cu nicht so groß zu sein scheint, wird das Zusammenbrechen des Strahltargets 121 vermutlich induziert, wenn die in der Legierungsschicht erzeugte Belastung größer als ihre Festigkeit wird.Incidentally, since the strength of the beam target 121 is increased by alloying W, the EB performance can be increased to the point of collapse. Fig. 14 shows the EB input heat density, the maximum thermal stress induced, and the maximum temperature reached after analysis by the finite element method. According to Fig. 13, the maximum thermal stress is generated in the W alloy layer immediately under the heat source, and since the amount of strength reduction of the individual parts due to the compounding with Cu does not seem to be so large, the collapse of the beam target 121 is presumably induced when the stress generated in the alloy layer becomes larger than its strength.
Die in Fig. 13A bis 13D angegebenen strichpunktierten Linien sind die Mittellinien der Verteilungsdiagramme. Es ist daher nur die rechte Hälfte der einzelnen Verteilungsdiagramme angegeben, da die linke Hälfte zur rechten Hälfte symmetrisch ist.The dashed lines indicated in Fig. 13A to 13D are the center lines of the distribution diagrams. Therefore, only the right half of each distribution diagram is indicated, since the left half is symmetrical to the right half.
Hier wird auf der Basis des Ergebnisses einer Messung der Festigkeit von W oder einer W-Legierung bei gewöhnlicher Temperatur abgeschätzt, wie weit die Eingangswärme durch Legierungsbildung erhöht werden kann. Im Falle von reinem W beträgt die Festigkeit 0,4 GPa und die maximal anwendbare Eingangswärmedichte höchstens etwa 4 kW/cm², jedoch wird im Falle einer W-5Re-Legierung mit Zusatz von 5% Re die Festigkeit auf das zweifache bis zu 0,8 GPa erhöht, so daß eine EB-Leistung von etwa 8 kW/cm² möglich ist. Beträgt ferner die Eingangswärmedichte 9 kW/cm², so liegt die maximal erreichte Temperatur über dem Schmelzpunkt der W-Legierung und eine Erhöhung des Re-Gehalts zur Erhöhung der Festigkeit ist bedeutungslos, was die Anwendungsgrenze für das Strahltarget 121 darstellt.Here, based on the result of measuring the strength of W or a W alloy at ordinary temperature, it is estimated how much the input heat can be increased by alloying. In the case of pure W, the strength is 0.4 GPa and the maximum applicable input heat density is about 4 kW/cm2 at most, but in the case of a W-5Re alloy with the addition of 5% Re, the strength is increased twice as much as 0.8 GPa, so that an EB power of about 8 kW/cm2 is possible. Furthermore, if the input heat density is 9 kW/cm2, the maximum temperature achieved is above the melting point of the W alloy and increasing the Re content to increase the strength is meaningless, which is the application limit for the beam target 121.
In den bisher beschriebenen dritten und vierten Ausführungsformen ist das Strahltarget 121, insbesondere Erwärmen mit einem linearen EB, genannt, sie können jedoch auch für alle anderen Hochtemperaturanlagenteile, die Wärmebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit erfordern, angewandt werden. Die Strahlform ist nicht auf EB beschränkt, sondern es kann eine Anwendung bei allen Wärmequellen erfolgen.In the third and fourth embodiments described so far, the beam target 121 is mentioned, in particular heating with a linear EB, but they can also be used for all other high-temperature plant components that require heat resistance and thermal conductivity. The beam shape is not limited to EB, but can be used for all heat sources.
Eine fünfte Ausführungsform wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 15 und 16 beschrieben. Das Herstellungsverfahren der fünften Ausführungsform umfaßt die erste Stufe 41 mit der vierten Stufe 44. In der ersten Stufe 41 wird ein Substrat 45 hoher Festigkeit durch Walzen, Schmieden oder eine andere plastische Bearbeitung hergestellt. In der zweiten Stufe 42 wird das in der ersten Stufe 41 hergestellte Substrat 45 hoher Festigkeit mit einer im folgenden genannten bekannten Vakuumplasmaspritzvorrichtung auf der Heizoberfläche im Falle eines mit einem EB bestrahlten Strahltargets oder einem Material, auf dem lokal eine große Belastung erzeugt wird, besprüht und der Spritzfilm mit einem Porositätsgradienten aus zwei Werkstoffen hergestellt. In der dritten Stufe 43 wird das in der zweiten Stufe 42 erhaltene Material einer kapselfreien HIP (isostatisches Heißpressen)-Vorrichtung unterworfen, um die geschlossenen Poren (Defekte), die ein Zusammenbrechen auslösen können, zu entfernen. In der vierten Stufe 44 wird durch Infiltration des zweiten Werkstoffs in die in dem in der dritten Stufe 43 erhaltenen Werkstoff vorhandenen offenen Poren ein Verbundwerkstoff mit einer Schicht 46 einer Gradientenzusammensetzung gemäß Fig. 16 fertiggestellt.A fifth embodiment will be described below with reference to Figs. 15 and 16. The manufacturing process of the fifth embodiment includes the first step 41 with the fourth step 44. In the first step 41, a high-strength substrate 45 is manufactured by rolling, forging or other plastic working. In the second step 42, the high-strength substrate 45 manufactured in the first step 41 is sprayed with a known vacuum plasma spraying device mentioned below on the heating surface in the case of a beam target irradiated with an EB or a material on which a large stress is generated locally, and the spray film with a porosity gradient of two materials is manufactured. In the third stage 43, the material obtained in the second stage 42 is subjected to a capsule-free HIP (hot isostatic pressing) device in order to remove the closed pores (defects) that can cause collapse. In the fourth stage 44, a composite material with a layer 46 of a gradient composition as shown in Fig. 16 is completed by infiltrating the second material into the open pores present in the material obtained in the third stage 43.
Die Vakuumplasmaspritz(VPS)-Vorrichtung wird kurz im folgenden beschrieben. Ein Hochdruckbehälter wird mit auf etwa einige zehn bis einige hundert Torr reduziertem Inertgas gefüllt und die zu besprühende Arbeit wird in diese Atmosphäre gegeben. In diesen Behälter wird das Pulver aus der Pulverbeschickungsanlage zusammen mit dem Plasma aus der Plasmasteuerungseinheit gesprüht.The vacuum plasma spray (VPS) apparatus is briefly described below. A high pressure vessel is filled with inert gas reduced to about a few tens to a few hundred Torr and the work to be sprayed is placed in this atmosphere The powder from the powder feeding system is sprayed into this container together with the plasma from the plasma control unit.
Bei dem kapselfreien HIP (offenen HIP) handelt es sich um ein Verfahren der Durchführung von isostatischem Heißpressen an nicht in einer Kapsel enthaltenem Material. Es unterscheidet sich von dem üblichen HIP, bei dem auf den inneren Teil des Materials, das in einer bei hohen Temperaturen zusammenbrechenden Kapsel enthalten ist, kein Druck angewandt wird.Capsule-free HIP (open HIP) is a process of performing hot isostatic pressing on material not contained in a capsule. It differs from conventional HIP, in which no pressure is applied to the inner part of the material contained in a capsule that collapses at high temperatures.
Auf diese Weise konnte unter Verwendung des Substrats 45 mit hoher Festigkeit und durch Herstellung durch plastische Bearbeitung ein Verbundwerkstoff erhalten und die mechanische Festigkeit verstärkt werden. Da ferner die Porosität durch ein Spritzverfahren stark von der Teilchengröße des zu verwendenden Pulvers abhängt, wird mit anderen Worten ein Spritzfilm mit Gradientenporosität nur durch Variieren der Teilchengröße des zu verwendenden Pulvers gebildet. Darüber hinaus kann, da beim Vakuumplasmaspritzverfahren in einer reduzierten Inertatmosphäre von etwa einigen zehn bis einigen hundert Torr gesprüht wird, ein Film mit geringer Oxidschicht, starker Bindungskraft zwischen den Teilchen und festem Kontakt mit dem Substrat hoher Festigkeit gebildet werden. Ferner können durch ein kapselfreies HIP Ursachen für eine Zunahme des Wärmedurchlaßwiderstands oder geschlossene Poren bei einer Konzentration der Belastung eliminiert werden. In diesem Fall können durch das Durchführen einer Infiltration bei gewöhnlichem Druck oder hohem Druck mit Inertgas oder in reduzierender Atmosphäre die offenen Poren mit dem zweiten Werkstoff aufgefüllt werden.In this way, by using the substrate 45 with high strength and by manufacturing it by plastic working, a composite material could be obtained and the mechanical strength could be enhanced. In addition, since the porosity by a spraying process depends largely on the particle size of the powder to be used, in other words, a spray film with gradient porosity is formed only by varying the particle size of the powder to be used. In addition, since the vacuum plasma spraying process sprays in a reduced inert atmosphere of about several tens to several hundred Torr, a film with a small oxide layer, strong bonding force between particles and firm contact with the substrate of high strength can be formed. Furthermore, by a capsule-free HIP, causes of an increase in thermal resistance or closed pores when the stress is concentrated can be eliminated. In this case, by carrying out infiltration at ordinary pressure or high pressure with inert gas or in a reducing atmosphere, the open pores can be filled with the second material.
Dadurch können gemäß der fünften Ausführungsform Risse und andere Defekte beim Erhitzen mit einem Elektronenstrahl ver ringert werden, während die Eingangswärmedichte erhöht werden kann.As a result, according to the fifth embodiment, cracks and other defects can be removed when heated with an electron beam. can be reduced while the input heat density can be increased.
Unter Bezugnahme auf Fig. 17, 10 wird eine sechste Ausführungsform der Erfindung erläutert. Gemäß dem schematischen Fließbild in Fig. 17 umfaßt dieses Verfahren die erste Stufe 51 mit der fünften Stufe 55. In der ersten Stufe 51 wird die Substratoberfläche als erste Stufe gereinigt. In der zweiten Stufe 52 wird das in der ersten Stufe 51 gereinigte Substrat mit dem entsprechenden Werkstoff beispielsweise durch Vakuumplasmaspritzen besprüht, wobei die Zusammensetzung kontinuierlich abfällt. In der dritten Stufe 53 werden durch das offene HIP, bei dem die in der zweiten Stufe 52 gebildeten (mit der Außenseite in Verbindung stehenden) offenen Poren erhalten bleiben, die (nicht mit der Außenseite in Verbindung stehenden) geschlossenen Poren zerstört. In der vierten Stufe 54 wird ein niedrigschmelzendes Metall, beispielsweise Cu, in die in der dritten Stufe 53 erhaltenen Poren infiltriert. Die fünfte Stufe 55 besteht in der mechanischen Bearbeitung.A sixth embodiment of the invention is explained with reference to Fig. 17, 10. According to the schematic flow diagram in Fig. 17, this method comprises the first stage 51 with the fifth stage 55. In the first stage 51, the substrate surface is cleaned as a first stage. In the second stage 52, the substrate cleaned in the first stage 51 is sprayed with the corresponding material, for example by vacuum plasma spraying, with the composition falling off continuously. In the third stage 53, the closed pores (not connected to the outside) are destroyed by the open HIP, in which the open pores formed in the second stage 52 (connected to the outside) are retained. In the fourth stage 54, a low-melting metal, for example Cu, is infiltrated into the pores obtained in the third stage 53. The fifth stage 55 consists of mechanical processing.
Die sechste Ausführungsform erzielt die folgenden Wirkungen. Da das Vakuumplasmaspritzen in der zweiten Stufe 52 aus einem Besprühen in einer Atmosphäre eines Inertgases bei einigen 10 Torr besteht, wird das Material nicht oxidiert. Bei der Verwendung von pulverförmigem Material großer Teilchengröße zum Sprühen wandern die inneren nicht geschmolzenen Teilchen und lagern sich ab und es kann ein Film einer relativ großen Porosität gebildet werden.The sixth embodiment achieves the following effects. Since the vacuum plasma spraying in the second stage 52 consists of spraying in an atmosphere of an inert gas at several tens of Torr, the material is not oxidized. When using powdery material of large particle size for spraying, the inner unmelted particles migrate and deposit, and a film of relatively large porosity can be formed.
Ferner können bei der offenen HIP-Behandlung in der dritten Stufe 53 die geschlossenen Poren eliminiert werden, während die durch Vakuumplasmaspritzen in der zweiten Stufe 52 gebildeten offenen Poren zurückbleiben. Durch Infiltrieren des niedrigschmelzenden Werkstoffs Cu in den Werkstoff W, der nur offene Poren und einen auf diese Weise erhaltenen Porengradienten aufweist, kann über eine relativ weite Fläche gesprüht, und ein Werkstoff mit einem großen und kontinuierlichen Gradienten hergestellt werden.Furthermore, the closed pores can be eliminated in the open HIP treatment in the third stage 53, while the open pores formed by vacuum plasma spraying in the second stage 52 remain. By infiltrating the low-melting material Cu into the material W, the only open pores and a pore gradient obtained in this way, can be sprayed over a relatively wide area and a material with a large and continuous gradient can be produced.
Entsprechend kann auch auf der dreidimensionalen gekrümmten Oberfläche, die in der ersten Ausführungsform schwierig zu erhalten war, eine Gradientenstruktur ausgebildet werden. Dieser Gradient ist kontinuierlich, während er bei der ersten Ausführungsform stufenförmig war, so daß die thermische Belastung weiter verringert werden kann. Folglich kann die Verringerung der thermischen Belastung an der Grenzfläche unterschiedlicher Materialien, etwa bei einem Überzug und einer Verbindung, effektiv wirksam sein, so daß die Wärmezykluseigenschaften und die Wärmebeständigkeit verbessert werden können.Accordingly, a gradient structure can be formed even on the three-dimensional curved surface which was difficult to obtain in the first embodiment. This gradient is continuous, while it was step-like in the first embodiment, so that the thermal stress can be further reduced. Consequently, the reduction of the thermal stress at the interface of different materials such as a coating and a joint can be effectively performed, so that the thermal cycle properties and the heat resistance can be improved.
Als Substrat kann in der sechsten Ausführungsform eine der Verbindungen W, Mo, Ta, Nb, Re, V, ZrO&sub2;, MgO, Al&sub2;O&sub3;, Y&sub2;O&sub3;, SiC, Si&sub3;N&sub4;, BN, AlN verwendet werden und der niedrigschmelzende Ausgangsstoff kann aus Cu, Ag, Fe, Ni, Co oder deren Legierungen ausgewählt werden.In the sixth embodiment, one of the compounds W, Mo, Ta, Nb, Re, V, ZrO2, MgO, Al2O3, Y2O3, SiC, Si3N4, BN, AlN can be used as the substrate and the low-melting starting material can be selected from Cu, Ag, Fe, Ni, Co or their alloys.
Das Vakuumplasmaspritzen in der sechsten Ausführungsform soll nicht beschränkend wirken. Sofern das Material eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit aufweist, können ein beliebiges Spritzverfahren mit einer Atmosphäre, beispielsweise ein Plasmaspritz-, Gasspritz- und Bogenspritzverfahren, angewandt und dieselben Effekte erzielt werden.The vacuum plasma spraying in the sixth embodiment is not intended to be limitative. As long as the material has excellent oxidation resistance, any spraying method using an atmosphere, such as plasma spraying, gas spraying and arc spraying, can be used and the same effects can be obtained.
Eine siebte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf das schematische Fließdiagramm in Fig. 18 erläutert. Diese Ausführungsform ist durch die mit hohem Druck durchzuführende HIP-Infiltration bei der Infiltration des zweiten Werkstoffs in die Poren des ersten Werkstoffs in der vierten Stufe der ersten Ausführungsform charakterisiert. Das bedeutet, daß nach der Bildung des Sinterkörpers in der dritten Stufe 63 in der vierten Stufe 64 eine Infiltration durch offenes HIP und anschließend in der fünften Stufe 65 eine HIP-Infiltration durchgeführt wird.A seventh embodiment is explained with reference to the schematic flow diagram in Fig. 18. This embodiment is characterized by the high pressure HIP infiltration during the infiltration of the second material into the pores of the first material in the fourth stage of the first embodiment. This means that after the formation of the sintered body in the third stage 63, infiltration by open HIP is carried out in the fourth stage 64 and then HIP infiltration is carried out in the fifth stage 65.
Damit beispielsweise eine Flüssigkeit mit einer Oberflächenspannung δ in eine kreisförmige Pore mit Radius r unter der Annahme eines Kontaktwinkels θ eindringen kann, muß der Druck P der folgenden Gleichung genügen:For example, in order for a liquid with a surface tension δ to penetrate into a circular pore with radius r assuming a contact angle θ, the pressure P must satisfy the following equation:
P ≥ (2δcosθ) ÷ rP ≥ (2δcosθ) ÷ r
Sobald daher das Werkstoffsystem bestimmt ist, liegen θ und δ automatisch fest und es muß, wenn die Flüssigkeit in winzige Löcher eindringen soll, der Druck P erhöht werden. Mit anderen Worten kann bei stärkerer Anwendung von Druck P Flüssigkeit in kleinere Löcher eindringen.Therefore, once the material system is determined, θ and δ are automatically fixed and if the liquid is to penetrate into tiny holes, the pressure P must be increased. In other words, if more pressure P is applied, liquid can penetrate into smaller holes.
Daher kann durch Infiltrieren mittels einer HIP-Vorrichtung, die hohe Temperatur und einen Bereich hohen Drucks erzeugen kann, der zweite Werkstoff sicher in offene Poren infiltriert werden. Bezüglich der Art des Gases kann indessen bei Verwendung eines Inertgases, wie Ar und He, das Problem der Oxidation des Werkstoffs beseitigt werden.Therefore, by infiltrating using a HIP device that can generate high temperature and a high pressure region, the second material can be safely infiltrated into open pores. Meanwhile, regarding the type of gas, if an inert gas such as Ar and He is used, the problem of oxidation of the material can be eliminated.
Bei einer Erhöhung der Temperatur wird andererseits im allgemeinen der Kontaktwinkel θ geringer. Folglich wird cos θ kleiner und es kann daher unter der Voraussetzung eines konstanten Drucks P der Radius r verringert werden. Es entsteht jedoch das Problem einer Reaktion des Materials.On the other hand, as the temperature increases, the contact angle θ generally decreases. Consequently, cos θ becomes smaller and, therefore, assuming a constant pressure P, the radius r can be reduced. However, the problem of material reaction arises.
Demgemäß bleiben bei einer HIP-Infiltration im Bereich hohen Drucks keine offenen Poren übrig und es kann ein Gradientenwerkstoff mit wenig Reaktion zwischen den Werkstoffen herge stellt werden. Mit der Elimination der Poren wird die mechanische Festigkeit verstärkt und die Wärmeleitfähigkeit verbessert.Accordingly, no open pores remain in the high pressure range during HIP infiltration and a gradient material with little reaction between the materials can be produced. By eliminating the pores, the mechanical strength is increased and the thermal conductivity is improved.
In der siebten Ausführungsform kann zur Verringerung des Kontaktwinkels θ ein aktives Element der Flüssigkeit zur Förderung der Infiltration in die feinen Poren zugesetzt werden.In the seventh embodiment, in order to reduce the contact angle θ, an active element may be added to the liquid to promote infiltration into the fine pores.
Unter Bezugnahme auf Fig. 19 und 20 wird das Herstellungsverfahren des wärmeleitenden Werkstoffs gemäß der Erfindung und der durch dieses Verfahren erhaltene wärmeleitende Werkstoff (im folgenden als achte Ausführungsform bezeichnet) erläutert. Fig. 19 stellt ein schematisches Fließbild zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens dar. In der ersten Stufe 71 wird der dotierte gewalzte Werkstoff zur Bildung der Wärme aufnehmenden Seite mit Einkristallen aus W, Mo hergestellt. In der Stufe 72 wird die Oberfläche des in der ersten Stufe 71 erhaltenen gewalzten Werkstoffs durch Blasen o. dgl. aufgerauht und mit W-Pulver in Gradientenform laminiert. In der dritten Stufe 73 werden unter Sintern und Verbinden des gewalzten W-Materials und des W-Pulvers, die in der zweiten Stufe 72 erhalten wurden, die Materialien zur vierten Stufe 74 geschickt, in der gleichzeitig mit der dritten Stufe 73 unter Verwendung von Sekundärrekristallisation die minimal oberflächendotierten gewalzten W,MO-Materialien aus W, Mo zu Makrokristallkörnern wachsengelassen werden, wobei ein Gerüst aus W oder Mo hergestellt wird. In diesem Fall ist die Wärme aufnehmende Seite der Einkristall. Später wird in der fünften Stufe 75 Cu in die in der vierten Stufe 74 mit einem Konzentrationsgefälle erzeugten Poren infiltriert und das Ganze in der sechsten Stufe 76 mechanisch bearbeitet und fertiggestellt.Referring to Figs. 19 and 20, the manufacturing process of the heat-conductive material according to the invention and the heat-conductive material obtained by this process (hereinafter referred to as the eighth embodiment) will be explained. Fig. 19 is a schematic flow chart for explaining the manufacturing process. In the first step 71, the doped rolled material for forming the heat-receiving side is prepared with single crystals of W, Mo. In the step 72, the surface of the rolled material obtained in the first step 71 is roughened by blowing or the like and laminated with W powder in a gradient form. In the third stage 73, while sintering and bonding the rolled W material and the W powder obtained in the second stage 72, the materials are sent to the fourth stage 74, in which, simultaneously with the third stage 73, using secondary recrystallization, the minimally surface-doped rolled W, MO materials are grown from W, Mo into macrocrystal grains, thereby producing a framework of W or Mo. In this case, the heat-absorbing side is the single crystal. Later, in the fifth stage 75, Cu is infiltrated into the pores created in the fourth stage 74 with a concentration gradient, and the whole is machined and finished in the sixth stage 76.
Der bei einem derartigen Verfahren hergestellte Wärme aufnehmende Werkstoff 77 ist in Fig. 20 angegeben. In diesem Fall wird die nicht stationär auftretende große thermische Belastung durch den Einkristall W oder Mo mit ausgezeichneter Duktilität auf der Wärme aufnehmenden Oberfläche 78 aufgenommen, während die stationäre thermische Belastung durch die Zusammensetzung mit einem W/Cu-Gradienten darunter verringert wird. Durch Beseitigen der Korngrenze von W und Mo, an der eine Korngrenzenbrüchigkeit wahrscheinlich auftritt, wird ein Wärme aufnehmender Werkstoff, bei dem sich W, Mo mit äußerst ausgezeichneter Duktilität an der Aufheizseite befinden, erhalten. Abgesehen von hochwertigen Eigenschaften beim Aufheizen wird die Thermostoßfestigkeit bei raschem Aufheizen verbessert.The heat-absorbing material 77 produced by such a method is shown in Fig. 20. In this case, the non-stationary large thermal stress is borne by the single crystal W or Mo having excellent ductility on the heat-absorbing surface 78, while the stationary thermal stress is reduced by the composition having a W/Cu gradient thereunder. By eliminating the grain boundary of W and Mo, where grain boundary brittleness is likely to occur, a heat-absorbing material in which W, Mo having extremely excellent ductility are located on the heating side is obtained. In addition to high-quality heating properties, thermal shock resistance is improved when heated rapidly.
Diese Ausführungsform zur Herstellung des Wärme aufnehmenden Materials vermeidet auch die folgenden Punkte. Bei der Herstellung eines Sinterkörpers aus W, Mo und beim Wachstum von Makrokristallkörnern wird manchmal das Sintern von W, Mo- Pulver zu sehr gefördert, wobei ein Bereich mit einem Porositätsgradienten nicht in ausreichender Weise hergestellt werden kann. Entsprechend wird in dieser Ausführungsform durch die Verwendung von Teilchen von etwa 10 um dieses Problem vermieden. Außerdem kann durch Vakuumplasmaspritzen auf der Rückseite der Einkristallplatte ein Gradientenbereich 80 aus W, Mo gebildet werden. Darüber hinaus kann durch Ausführen des Makrokristallwachstums an erster Stelle das Pulver in Gradientenform auf die Oberfläche des Einkristallmaterials auflaminiert und dann Cu in den Sinterkörper infiltriert werden, so daß eine ähnliche Wärme aufnehmende Platte hergestellt werden kann.This embodiment for producing the heat-absorbing material also avoids the following points. In the manufacture of a sintered body of W, Mo and the growth of macrocrystal grains, the sintering of W, Mo powder is sometimes promoted too much, and a region having a porosity gradient cannot be sufficiently formed. Accordingly, in this embodiment, by using particles of about 10 µm, this problem is avoided. In addition, a gradient region 80 of W, Mo can be formed on the back of the single crystal plate by vacuum plasma spraying. Moreover, by carrying out the macrocrystal growth in the first place, the powder can be laminated in a gradient form on the surface of the single crystal material and then Cu can be infiltrated into the sintered body, so that a similar heat-absorbing plate can be manufactured.
In der achten Ausführungsform zur Herstellung des Wärme aufnehmenden Materials 77 besteht die Wärme aufnehmende Seite 78 aus W oder Mo. Diese Wärme aufnehmende Seite kann jedoch auch aus Re oder V oder einer hauptsächlich W, Mo, Re oder V umfassenden Legierung hergestellt werden. Ferner kann auf der der Wärme aufnehmenden Seite 78 in Fig. 20 entgegengesetzten Seite 79 (beispielsweise der wassergekühlten Oberfläche) ein stark thermisch leitfähiger Werkstoff, wie Cu, Ag, Fe oder deren Legierungen, gebildet werden. Die Zusammensetzung kann von der Wärme aufnehmenden Seite 78 zur entgegengesetzten Seite hin einen Gradienten aufweisen.In the eighth embodiment for producing the heat-absorbing material 77, the heat-absorbing side 78 is made of W or Mo. However, this heat-absorbing side may also be made of Re or V or an alloy comprising mainly W, Mo, Re or V. Furthermore, on the side 79 opposite the heat-absorbing side 78 in Fig. 20 (for example the water-cooled surface), a highly thermally conductive material such as Cu, Ag, Fe or their alloys can be formed. The composition can have a gradient from the heat-absorbing side 78 to the opposite side.
In den angegebenen Ausführungsformen können bei der Bildung von Poren in dem hochschmelzenden Werkstoff oder dem niedrigschmelzenden Werkstoff ein Sinterverfahren oder ein Vakuumplasmaspritzverfahren angewandt werden. Es können jedoch auch andere Verfahren, einschließlich eines chemischen und physikalischen Abscheidungsverfahrens, verwendet werden.In the embodiments given, a sintering process or a vacuum plasma spraying process may be used in forming pores in the high-melting material or the low-melting material. However, other processes, including a chemical and physical deposition process, may also be used.
Claims (11)
Applications Claiming Priority (2)
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