JP2021050395A - 原子力設備部材の製造方法及び原子力設備部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】大型の金属部材であってもＨＩＰ接合可能な原子力設備部材の製造方法を提供する。【解決手段】第１金属部材と、金属焼結体を介して前記第１金属部材に接合される第２金属部材とを備える原子力設備部材の製造方法であって、前記第１金属部材の第１接合面と前記第２金属部材の第２接合面との双方の接合面を臨む画成空間を画成する、可撓性を有する画成部材を配置する配置工程Ｓ１と、前記画成空間に金属原料を充填する充填工程Ｓ３と、前記画成部材の前記画成空間とは反対側に形成されるガス空間にガスを注入し、前記画成部材を介した前記金属原料へのガス圧の伝播によって前記画成空間内で前記金属原料の熱間等方圧加圧を行うことで前記画成空間内に前記金属焼結体を形成するＨＩＰ工程Ｓ５と、を含む。【選択図】図１
Description
本発明は、原子力設備部材の製造方法及び原子力設備部材に関する。
金属部材の処理技術として、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ法）が知られている。ＨＩＰ法に関する技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、一端が開口するカプセル内に処理材を充填し、該開口部を通じて真空脱気し、次いで該開口部を密封して処理体を製作した後、該処理体の密封部を下にして熱間静水圧加圧装置に供して、熱間静水圧加圧装置の下部の低温部に設けられた断熱材を有する支持具により前記密封部を囲撓して支持した状態で熱間静水圧加圧処理を行うことを特徴とする熱間静水圧加圧方法が記載されている。（特に請求項１参照）。
ところで、ＨＩＰ法を用いることで、異なる金属部材同士を接合（例えば拡散接合）できる。以下、このような接合を「ＨＩＰ接合」という。しかし、特許文献１に記載の技術では、ＨＩＰ接合可能な金属部材は、熱間等方圧加圧を行う高圧容器に収容可能な大きさに制限される。従って、従来の高圧容器には収容できない大型の金属部材に対してもＨＩＰ接合可能な新たな技術が望まれる。
本発明が解決しようとする課題は、大型の金属部材であってもＨＩＰ接合可能な原子力設備部材の製造方法及び原子力設備部材を提供することである。
本発明は、第１金属部材と、金属焼結体を介して前記第１金属部材に接合される第２金属部材とを備える原子力設備部材の製造方法であって、前記第１金属部材の第１接合面と前記第２金属部材の第２接合面との双方の接合面を臨む画成空間を画成する、可撓性を有する画成部材を配置する配置工程と、前記画成空間に金属原料を充填する充填工程と、前記画成部材の前記画成空間とは反対側に形成されるガス空間にガスを注入し、前記画成部材を介した前記金属原料へのガス圧の伝播によって前記画成空間内で前記金属原料の熱間等方圧加圧を行うことで前記画成空間内に前記金属焼結体を形成するＨＩＰ工程と、を含む原子力設備部材の製造方法に関する。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。
本発明によれば、大型の金属部材であってもＨＩＰ接合可能な原子力設備部材の製造方法及び原子力設備部材を提供できる。
以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。ただし、本発明は以下の内容及び図示の内容になんら限定されず、本発明の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形して実施できる。本発明は、異なる実施形態同士を組み合わせて実施できる。以下の記載において、異なる実施形態において同じ部材については同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図１は、本実施形態の製造方法を示すフローチャートである。また、図２は、本実施形態の製造方法により製造される原子力設備部材を示す図である。図１に示す製造方法は、図２に示す原子力設備部材１０を製造する方法である。
原子力設備部材１０は、第１金属部材１と、金属焼結体３を介して第１金属部材１に接合される第２金属部材２とを備える。図２に示す例では、円管状の第１金属部材１と円管状の第２金属部材２とが金属焼結体３により接合される。金属焼結体３は、詳細は後記するが、ＨＩＰ法により生成したものである。
原子力設備部材１０は、例えば圧力容器（図示しない）である。圧力容器は、例えば圧力容器本体部（図示しない）、ノズル、隔離弁を備え、第１金属部材１は例えば圧力容器本体部に接合されるノズルであり、第２金属部材２はノズルに接合される隔離弁である。ノズル及び隔離弁はいずれも端部を円管状に構成され、端部の円管同士がＨＩＰ接合される。原子力設備部材１０は、圧力容器の他にも、例えば、原子炉、格納容器、圧力制御室、タービン、発電機、復水器、これらを接続する長大配管、この長大配管に接続される弁等、比較的大型で従来のＨＩＰ法における高圧容器に収容が難しい原子力設備に適用可能である。
なお、図２のＡ部については、図３、図１０Ａ等を参照しながら後記する。
なお、図２のＡ部については、図３、図１０Ａ等を参照しながら後記する。
配置工程Ｓ１は、後記する図３に示すように、第１金属部材１の第１接合面１ａと第２金属部材２の第２接合面２ａとの双方の接合面を臨む画成空間３０を画成する、可撓性を有する画成部材４０を配置する工程である。配置工程Ｓ１について、図３を参照しながら説明する。
図３は、配置工程Ｓ１を説明する図であり、第１金属部材１と一体に形成された反応部６０に第２金属部材２を嵌めた状態を示す図である。図３は、上記のように例えば円管で構成された第１金属部材１及び第２金属部材２の接合部分を拡大して図示したものである。具体的には、図３に示す部分に対し、後記するＨＩＰ工程Ｓ５、切除工程Ｓ７等を経ることにより上記図２のＡ部が形成される。即ち、図３に示す部分において第１金属部材１と第２金属部材２とがＨＩＰ接合されることで、図２のＡ部に示すように、これらが金属焼結体３を介してＨＩＰ接合される。
第１金属部材１は反応部６０を備え、反応部６０は第１金属部材１の端部で連続的に形成される。反応部６０は、第１金属部材１の端部において張り出すように形成される。反応部６０は、第１金属部材１の延びる側とは反対側に嵌合部６１を備える。嵌合部６１は、図３では図示しないが、本実施形態では、円管状の第１金属部材１の全周に亘って形成される。また、第２金属部材２の端部は、フランジのように張り出した張り出し部２ｂを備える。張り出し部２ｂも、図３では図示しないが、円管状の第２金属部材２の全周に亘って形成される。張り出し部２ｂの径方向長さ（図３での紙面上下方向長さ）は嵌合部６１の径方向長さ（図３での紙面上下方向長さ）とほぼ一致しており、張り出し部２ｂは嵌合部６１に嵌合可能である。
嵌合部６１と張り出し部２ｂとの嵌合部分には、これらの隙間を埋めるように、仮溶接部７０が形成される。仮溶接部７０により、詳細は後記するが、画成空間３０の減圧状態を維持できる。
反応部６０は、画成空間３０及びガス空間３１を内部に備える。画成空間３０は、第１金属部材１の第１接合面１ａと第２金属部材２の第２接合面２ａとの双方の接合面を臨む空間である。画成空間３０は、第１接合面１ａ及び第２接合面２ａに沿って円環状に形成される。反応部６０は開口５３及び連通路５４を備える。画成空間３０は連通路５４により外部と連通しており、外部に露出した開口５３を通じ、例えば粉末状の金属原料８０（図３では図示しない）が充填可能である（後記する）。
ガス空間３１は、画成空間３０の径方向内側及び外側に形成される。反応部６０は開口５１及び連通路５２を備える。ガス空間３１は連通路５２により外部と連通しており、外部に露出した開口５１を通じ、高圧の不活性ガス（後記する）がガス空間３１に注入可能である（後記する）。
反応部６０は、画成空間３０とガス空間３１とを区画するように配置された画成部材４０を備える。画成部材４０は、例えばロウ付け、溶接等により、反応部６０の内壁６０ａに周方向全域に亘って固定される。画成部材４０は、画成空間３０の径方向内側の内壁６０ａ及び外側の内壁６０ａのそれぞれに配置され、いずれも画成空間３０とガス空間３１とを気密にするように配置される。従って、画成空間３０は、主に、画成部材４０，４０と第１接合面１ａと第２接合面２ａとにより画成される。画成部材４０の配置場所について、図４を参照しながら説明する。
図４は、図３のＢ−Ｂ線断面図である。画成部材４０，４０は、図示のように、円環状の第１金属部材１の周方向に延在する。画成部材４０，４０の間には、画成空間３０が形成される。画成空間３０には、連通路５４を通じて金属原料８０（図４では図示しない）が充填可能である。画成部材４０と連通路５２との間には、ガス空間３１が形成される。ガス空間３１は、径方向外側及び内側にそれぞれ形成される。
図３に戻って、画成部材４０は、可撓性を有する金属材料により構成され、例えば金属箔である。画成部材４０を金属箔で構成することで、画成空間３０とガス空間３１との圧力差に応じて金属箔を変形でき、ガス空間３１のガス圧を金属箔を介して画成空間３０内部の金属原料８０に伝播できる。画成部材４０の金属材料としては例えばＳＵＳであり、画成部材４０の厚さは例えば５μｍ以上１００μｍ以下である。
なお、図３の例では、反応部６０は第１金属部材１と一体に形成されているが、第２金属部材２と一体に形成されてもよい。
図１に戻って、第１圧力調整工程Ｓ２は、配置工程Ｓ１後であって充填工程Ｓ３前に、画成空間３０の圧力をガス空間３１の圧力よりも高くする工程である。第１圧力調整工程Ｓ２を含むことで、画成部材４０がダイアフラムのように撓み、画成部材４０をガス空間３１の側に張り出させることができる。第１圧力調整工程Ｓ２について、図５を参照しながら説明する。
図５は、第１圧力調整工程Ｓ２を説明する図であり、画成部材４０をガス空間３１の側に張り出した状態を示す図である。第１圧力調整工程Ｓ２は、例えば、ガス空間３１を減圧することで行うことができる。ガス空間３１の減圧は、例えば、開口５１にホース９０を接続し、実線矢印で示すようにホース９０及び連通路５２を介した脱気により行うことができる。ただし、開口５３及び連通路５４を介したガス空間３１への注気により、画成空間３０を昇圧してもよい。
脱気は、例えば真空ポンプ（図示しない）を用いることができる。減圧の程度は特に制限されないが、ガス空間３１の圧力は例えば７５０ｈＰａ程度にできる。減圧速度は、例えば５０Ｐａ／分以下、好ましくは１０Ｐａ／分以下にできる。圧力及び減圧速度をこの程度にすることで、画成部材４０の大きな変形を抑制でき、画成部材４０の破損を抑制できる。
図１に戻って、充填工程Ｓ３は、画成空間３０に金属原料８０を充填する工程である。画成空間３０への金属原料８０の充填は、上記のように、開口５３及び連通路５４を通じて行うことができる。充填は、画成空間３０に隙間が発生しないようにできるだけ密に充填することが好ましい。これにより、焼成後に生成する金属焼結体３での気孔３ｂ（後記する）の含有量を減らすことができる。
ここで、上記の第１圧力調整工程Ｓ２での減圧後、画成部材４０が撓んだ状態（例えばガス空間３１の減圧状態）を維持することが好ましい。従って、充填工程Ｓ３は、画成空間３０の圧力がガス空間３１の圧力よりも高い状態で行われることが好ましい。これにより、画成部材４０をガス空間３１の側に張り出すことで内容積が大きくなった画成空間３０に金属原料８０を充填でき、画成空間３０への金属原料８０の充填量を多くできる。なお、充填後、ガス空間３１の減圧状態を解除し、圧力を例えば大気圧等に戻すことが好ましい。
充填する金属原料８０の物性及び成分は特に制限されない。ただし、金属原料８０は、後記するＨＩＰ工程Ｓ５での熱間等方圧加圧が進行し易い物性及び成分のものを使用することが好ましい。具体的には例えば、レーザ回折式粒度分布測定装置により測定される平均粒径が例えば１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下の粒径を有するチタン−ニッケル基合金粉末により構成される金属原料８０を使用できるが、これに限られるものではない。
充填は、例えば第１金属部材１及び第２金属部材２の全体を振動させながら行うことが好ましい。これにより、画成空間３０の周方向全域において密に金属原料８０を充填できる。また、充填する金属原料８０は、予め乾燥させておくことが好ましい。乾燥により、金属原料８０を画成空間３０の周方向全域において密に充填し易くできる。
第２圧力調整工程Ｓ４は、充填工程Ｓ３後であってＨＩＰ工程Ｓ５前に、画成空間３０を減圧する工程である。第２圧力調整工程Ｓ４について、図６を参照しながら説明する。
図６は、第２圧力調整工程Ｓ４を説明する図であり、金属原料８０を充填した画成空間３０を減圧する様子を示す図である。画成空間３０の減圧は、例えば、開口５３にホース９１を接続し、実線矢印で示すようにホース９１及び連通路５４を介した脱気により行うことができる。減圧は、例えば真空ポンプを用いることができる。減圧の程度は真空又は真空に近いことが好ましく、画成空間３０の圧力は例えば１０Ｐａ以下、好ましくは１Ｐａ以下、より好ましくは０．１Ｐａ以下である。減圧速度は、例えば５０Ｐａ／分以下、好ましくは１０Ｐａ／分以下にできる。
第２圧力調整工程Ｓ４により、ＨＩＰ工程前に画成空間３０を減圧でき、ＨＩＰ工程後に生成する金属焼結体３中の気孔３ｂ（後記する）の含有量を減らすことができる。また、充填工程Ｓ３後の減圧により、充填した金属原料８０に沿ってガス空間３１の側に張り出していた画成部材４０は、画成空間３０の側に張り出そうと金属原料８０に密着し、画成部材４０の変形が制限される。これにより、画成部材４０の大きな変形を抑制でき、画成部材４０の破損を抑制できる。
画成空間３０の減圧後、開口５３に仮溶接部７１（図７参照）が形成され、画成空間３０が密封される。
図１に戻って、ＨＩＰ工程Ｓ５は、画成部材４０の画成空間３０とは反対側に形成されるガス空間３１にガスを注入し、画成部材４０を介した金属原料８０へのガス圧の伝播によって画成空間３０内で金属原料８０の熱間等方圧加圧を行うことで画成空間３０内に金属焼結体３を形成する工程である。ＨＩＰ工程Ｓ５について、図７及び図８を参照しながら説明する。
図７は、ＨＩＰ工程Ｓ５を説明する図であり、ガス空間３１にガスを注入する様子を示す図である。ガス空間３１へのガスの注入は、開口５１にホース９０を接続し、実線矢印で示すようにホース９０及び連通路５２を介した注入により行うことができる。注入は、例えば高圧ポンプ（図示しない）を用いて行うことができる。注入するガスは不活性ガスであることが好ましく、例えばアルゴンガス、窒素ガス等である。
ここで、金属原料８０は、ガス空間３１の側に張り出した画成部材４０に沿って画成空間３０に密に充填されている。このため、ガス空間３１にガスが注入されても、画成部材４０の変形が制限されることから、画成部材４０は図示のようにガス空間３１の側に張り出したままになっている。
ガスの注入は、ガス空間３１の圧力が金属原料８０の熱間等方圧加圧を行う所定圧力になるように行うことが好ましい。ここでいう所定圧力は、第１金属部材１及び第２金属部材の構成金属及び金属原料８０の構成金属によっても異なるが、概ね７５ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下に含まれる圧力値である。即ち、ＨＩＰ工程Ｓ５は、ガス空間３１での圧力として７５ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下の圧力で行われることが好ましい。ガス空間３１の圧力をこの範囲にすることで、画成部材４０を介したガス圧の伝播により、７５ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下の圧力で金属原料８０の熱間等方圧加圧を行うことができる。なお、ガス空間３１の圧力は、好ましくは１００ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下である。
反応部６０では、金属原料８０に対し、円管状の第１金属部材１及び第２金属部材２の軸方向（紙面左右方向）からの圧力はかからない。即ち、金属原料８０に対し、画成部材４０を介して径方向（紙面上下方向）からの圧力がかかるが、軸方向（紙面左右方向）からの圧力はかからない。これは、金属原料８０から見て、第１金属部材１の第１接合面１ａ及び第２金属部材２の第２接合面２ａは固定端であることに起因する。このため、画成部材４０を介してガス圧が伝播された金属原料８０の移動は、第１接合面１ａ及び第２接合面２ａにより制限される。従って、画成部材４０を介したガス圧により、金属原料８０は第１接合面１ａ及び第２接合面２ａで押し返される（作用反作用の法則）。この結果、金属原料８０は全方向から概ね同程度の圧力で加圧され、ＨＩＰ接合が実現される。
図示の例では、金属原料８０からみて径方向に対象になるように（紙面上下方向で対象になるように）、画成部材４０が配置される。配置される画成部材４０の数は１つのみ、即ち、金属原料８０へのガス圧の伝播を行う部分は１箇所のみでもよいが、より同じ圧力で金属原料８０を全方向から加圧する観点から、図示のように複数の画成部材４０を配置することが好ましく、中でも、図示のように金属原料８０からみて対称になるように画成部材４０を配置することが好ましい。
ガスの注入は、ガス空間３１での昇圧速度が１０Ｐａ／分以上５０Ｐａ以下／分以下になるように行うことが好ましい。ガス空間３１の圧力を、金属原料８０の熱間等方圧加圧を行う所定圧力まで上記昇圧速度で上昇させることで、画成空間３０とガス空間３１との圧力差に起因して変動する画成部材４０の変形を緩やかにできる。これにより、画成部材４０の破損を抑制できる。
ガス空間に供給されるガスの温度は、５℃以上４０℃以下であることが好ましい。常温又は常温に近い温度である５℃以上４０℃以下のガスを用いることで、常温で使用可能な汎用の高圧ポンプを使用できる。
ＨＩＰ工程Ｓ５は、画成空間３０の外部に配置された加熱機構１００の熱による加熱によって行われることが好ましい。外部に配置された加熱機構１００の熱による加熱を行うことで、簡便な方法で金属原料８０を加熱できる。加熱機構１００について、図８を参照しながら説明する。
図８は、ＨＩＰ工程Ｓ５を説明する図であり、金属原料８０を加熱する様子を示す図である。図８では、図示の都合上、加熱機構１００の内側にホース９０が配置されるが、ホース９０は加熱機構１００の外側に配置されてもよい。
ＨＩＰ工程Ｓ５での反応部６０の加熱は、加熱機構１００を備える温度制御機構６５によって行われる。加熱機構１００は、画成空間３０を覆うように反応部６０の外表面に配置される。具体的には、加熱機構１００は例えば高周波誘導加熱用コイルであり、高周波誘導用加熱コイルは、画成空間３０を覆うように、円管状の第１金属部材１の周方向全域に亘って第１金属部材１に巻回される。高周波誘導加熱用コイルには電源装置（図示しない）が接続され、電源装置による通電によって、加熱機構１００が画成空間３０内の金属原料８０を加熱できる。
加熱機構１００と第１金属部材１との間には、断熱材１０１（保温材）が設置される。断熱材１０１は、第１金属部材１及び第２金属部材２の表面において、少なくとも画成空間３０を覆うように設置される。断熱材１０１の設置により、加熱機構１００による加熱効率を高めることができる。
加熱温度は、第１金属部材１及び第２金属部材２の構成金属及び金属原料８０の構成金属によっても異なるが、概ね８００℃以上１２００℃以下であることが好ましい。即ち、ＨＩＰ工程Ｓ５は、所定の加熱温度である８００℃以上１２００℃以下での加熱により行われることが好ましい。この温度範囲にすることで、画成空間３０で金属原料８０を焼結できる。加熱時間は、上記温度範囲の温度になる時間として、例えば１時間以上１０時間以下にできる。
所定の加熱温度までの加熱は、画成空間３０の昇温速度を、例えば２℃／分以上好ましくは５℃／分以上、上限として例えば１０℃／分以下好ましくは７℃／分以下の速度で昇温することによって行われることが好ましい。昇温速度を上記範囲にすることで昇温に伴う画成空間３０の圧力変動を小さくできる。
加熱は、高圧ポンプ（図示しない）に接続されたホース９０を開口５１に接続し、ガス空間３１でのガス圧を所定圧力（上記の例では７５ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下）に維持した状態で行うことが好ましい。即ち、ＨＩＰ工程Ｓ５は、ガス空間３１でのガス圧を所定圧力に維持した状態で行われることが好ましい。これにより、加熱によって金属原料８０、周囲の部材等が熱伸縮して画成空間３０の圧力が変動しそうになっても、画成空間３０の圧力変動に応じて画成部材４０が撓み、画成空間３０の圧力をガス空間３１の圧力に維持できる。
金属原料８０の加圧及び加熱により、金属原料８０が画成空間３０で熱間等方加圧状態となり、第１接合面１ａと第２接合面２ａとが金属焼結体３によってＨＩＰ接合される。
図１に戻って、冷却工程Ｓ６は、加熱機構１００による加熱後、例えば自然冷却によって第１金属部材１及び第２金属部材２を冷却する工程である。冷却は、加熱機構１００及び断熱材１０１を第１金属部材１及び第２金属部材２から取り外し、例えば室温で放置することで、行うことができる。
図９は、冷却工程Ｓ６を説明する図であり、ＨＩＰ工程Ｓ５で使用した加熱機構１００及び断熱材１０１を第１金属部材１及び第２金属部材２から取り外した状態を示す図である。図示のように、画成空間３０の金属原料（図８等参照）は加熱及び加圧によって焼結し、画成空間３０には金属焼結体３が生成する。金属焼結体３は、第１金属部材１の第１接合面１ａと、第２金属部材２の第２接合面とを接合する。
図示の例では、第１金属部材１における反応部６０の形成部分以外の外延（即ち、外側に張り出した部分以外の外延）と、第２金属部材２における張り出し部２ｂの形成部分以外の外延（即ち外側に張り出した部分以外の外延）とは、いずれも、二点鎖線で示す同一直線Ｃ上に位置する。円管状の第１金属部材１及び第２金属部材２の径方向外側に位置する直線Ｃの外側、及び、径方向内側に位置する直線Ｃの内側には、それぞれ、連通路５４、仮溶接部７０，７１、画成部材４０等が存在する。従って、後記する切除工程Ｓ７において、直線Ｃ，Ｃでの切除により、周方向外側の直線Ｃの更に外側の部分、及び、周方向内側の直線Ｃの更に内側の部分である不要な部分が除去される。
冷却工程Ｓ６後、後記する切除工程Ｓ７の前に、必要に応じて再度の熱処理工程を行ってもよい。この場合、加圧が不要であれば、ホース９０は開口５１から取り外してもよい。
図１に戻って、切除工程Ｓ７は、不要部分の切除により原子力設備部材１０を形成する工程である。具体的には、図９を参照して説明したように、図９の直線Ｃ，Ｃの部分で周方向外側及び内側がそれぞれ切除される。
図１０Ａは、切除工程Ｓ７を説明する図であり、図２のＡ部拡大図である。上記図９において直線Ｃ，Ｃの部分で周方向外側及び内側がそれぞれ切除されると、図１０Ａに示す原子力設備部材１０が形成する。図１０Ａに示す部分は、上記の図２におけるＡ部拡大図に相当する。
図１０Ｂは、図１０Ａの金属焼結体３を拡大して示す図である。金属焼結体３は、金属の結晶粒３ａの集合により構成される。金属焼結体３はＨＩＰ法により生成した金属焼結体である。従って、金属焼結体３に含まれる気孔３ｂの大きさは、鋳造、鍛造、溶接等により得られる金属組織中の気孔と比べて小さい。具体的には、原子力設備部材１０において、電子顕微鏡による金属焼結体３の観察断面（例えば図１０Ｂに示す断面）において、金属焼結体３に含まれる気孔３ｂの大きさは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下である。このため、金属焼結体３が密になっており、第１金属部材１と第２金属部材２との接合強度を高めることができる。この結果、原子力設備部材１０の信頼性を高めることができる。
金属焼結体３に含まれる気孔３ｂの大きさは、例えば走査型電子顕微鏡等によって金属焼結体３の任意の断面を観察し、観察された断面における気孔３ｂの大きさ（最も長い部分の大きさ）を測定することで、決定できる。
上記の観察断面において、金属焼結体３に含まれる気孔３ｂのうちの７０％以上の気孔３ｂの大きさは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、全ての気孔３ｂのうち特に小さな気孔３ｂの数を７０％以上にでき、第１金属部材１と第２金属部材２との接合強度を更に高めることができる。この結果、原子力設備部材１０の信頼性を更に高めることができる。
観察断面における７０％以上の気孔３ｂとは、任意の１つの観察断面で観察される全ての気孔３ｂのうち、７０％以上の個数の気孔３ｂの大きさが上記範囲であることを意味する。
金属焼結体３の気孔率は好ましくは０．５％以下であり、より好ましくは０．３％以下であり、特に好ましくは０．１％以下である。気孔率がこの範囲にあることで、気孔３ｂの含有率を小さくでき、金属焼結体３の強度を向上できる。これにより、原子力設備部材１０の強度を向上できる。
気孔率は、外部と連通する気孔（開気孔）の容積と、内部に封入された気孔（閉気孔）の容積との和を、全容積で割ることで決定できる。
本実施形態の製造方法、特に配置工程Ｓ１、充填工程Ｓ３及びＨＩＰ工程Ｓ５を含む製造方法によれば、画成部材４０の配置によって形成された画成空間３０内に金属焼結体３が生成し、生成した金属焼結体３（ＨＩＰ焼結体）により、第１接合面１ａと第２接合面２ａとを接合できる。これにより、第１金属部材１及び第２金属部材２を高圧容器に収容せずに、第１金属部材１と第２金属部材２とをＨＩＰ接合できる。このため、第１金属部材１及び第２金属部材２が従来の高圧容器に収容できないほどの大型であっても、これらをＨＩＰ接合できる。
特に、ＨＩＰ法により生成した金属焼結体３の気孔３ｂの大きさは小さく、金属焼結体３は密である。このため、第１金属部材１と第２金属部材２の接合強度が高く、信頼性に優れた原子力設備部材１０を製造できる。
図１１は、別の実施形態に係る図であり、金属鍛造部材１２０を画成空間３０に配置した反応部６０Ａを示す図である。反応部６０Ａは、鍛造により形成した金属鍛造部材１２０を備える。金属鍛造部材１２０は、例えば断面矩形状であり、画成空間３０の周方向全域に亘って画成空間３０に収容可能な環状に構成される。上記図１を参照しながら説明した充填工程Ｓ３は、金属鍛造部材１２０を収容した画成空間３０への金属原料８０の収容によって行われる。
予め金属鍛造部材１２０を収容した画成空間３０に金属原料８０を充填することで、画成空間３０の充填可能容積が減るため充填時間を短縮できる。これに加えて、コアとなる金属鍛造部材１２０によって、金属焼結体３の強度を高めることができる。
図１２は、別の実施形態に係る図であり、冷却機構１３０を備える温度制御機構６５Ａを示す図である。温度制御機構６５Ａは、上記加熱機構１００及び冷却機構１３０を備える。上記ＨＩＰ工程Ｓ５は、温度制御機構６５Ａを用いて行われる。
図示の例では、冷却機構１３０は金属製の放熱フィンである。冷却機構１３０は、加熱機構１００の配置部位以外の、第１金属部材１及び第２金属部材２（いずれか一方でもよい）の外表面に配置される。具体的には、冷却機構１３０は、第１金属部材１及び第２金属部材２のそれぞれにおいて、円管状の第１金属部材１及び第２金属部材２の軸方向に向かって延在する。従って、図示の例では、軸方向への放熱が促進される。
上記のように、加熱機構１００は画成空間３０を覆うように配置される。これにより、加熱機構１００による画成空間３０内部の金属原料８０の加熱が促進される。しかし、画成空間３０以外の部分では、加熱を行う必要が無い。そこで、画成空間３０から離れた部分、即ち、加熱機構１００の配置部位以外の部位では、放熱を促すために、冷却機構１３０が設置される。これにより、画成空間３０以外の部分での熱影響を抑制できる。
１ 第１金属部材
１０ 原子力設備部材
１００ 加熱機構
１０１ 断熱材
１２０ 金属鍛造部材
１３０ 冷却機構
１ａ 第１接合面
２ 第２金属部材
２ａ 第２接合面
２ｂ 張り出し部
３ 金属焼結体
３０ 画成空間
３１ ガス空間
３ａ 結晶粒
３ｂ 気孔
４０ 画成部材
５１ 開口
５２ 連通路
５３ 開口
５４ 連通路
６０，６０Ａ 反応部
６０ａ 内壁
６１ 嵌合部
６５，６５Ａ 温度制御機構
７０ 仮溶接部
７１ 仮溶接部
９０ ホース
９１ ホース
Ｃ 直線
Ｓ１ 配置工程
Ｓ２ 第１圧力調整工程
Ｓ３ 充填工程
Ｓ４ 第２圧力調整工程
Ｓ５ ＨＩＰ工程
Ｓ６ 冷却工程
Ｓ７ 切除工程
１０ 原子力設備部材
１００ 加熱機構
１０１ 断熱材
１２０ 金属鍛造部材
１３０ 冷却機構
１ａ 第１接合面
２ 第２金属部材
２ａ 第２接合面
２ｂ 張り出し部
３ 金属焼結体
３０ 画成空間
３１ ガス空間
３ａ 結晶粒
３ｂ 気孔
４０ 画成部材
５１ 開口
５２ 連通路
５３ 開口
５４ 連通路
６０，６０Ａ 反応部
６０ａ 内壁
６１ 嵌合部
６５，６５Ａ 温度制御機構
７０ 仮溶接部
７１ 仮溶接部
９０ ホース
９１ ホース
Ｃ 直線
Ｓ１ 配置工程
Ｓ２ 第１圧力調整工程
Ｓ３ 充填工程
Ｓ４ 第２圧力調整工程
Ｓ５ ＨＩＰ工程
Ｓ６ 冷却工程
Ｓ７ 切除工程
Claims (15)
- 第１金属部材と、金属焼結体を介して前記第１金属部材に接合される第２金属部材とを備える原子力設備部材の製造方法であって、
前記第１金属部材の第１接合面と前記第２金属部材の第２接合面との双方の接合面を臨む画成空間を画成する、可撓性を有する画成部材を配置する配置工程と、
前記画成空間に金属原料を充填する充填工程と、
前記画成部材の前記画成空間とは反対側に形成されるガス空間にガスを注入し、前記画成部材を介した前記金属原料へのガス圧の伝播によって前記画成空間内で前記金属原料の熱間等方圧加圧を行うことで前記画成空間内に前記金属焼結体を形成するＨＩＰ工程と、を含む
原子力設備部材の製造方法。 - 前記ＨＩＰ工程は、前記ガス空間でのガス圧を所定圧力に維持した状態で行われる
請求項１に記載の原子力設備部材の製造方法。 - 前記ＨＩＰ工程は、前記ガス空間での圧力として７５ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下の圧力で行われる
請求項１又は２に記載の原子力設備部材の製造方法。 - 前記ガスの注入は、前記ガス空間での昇圧速度が１０Ｐａ／分以上５０Ｐａ以下／分以下になるように行う
請求項３に記載の原子力設備部材の製造方法。 - 前記ＨＩＰ工程は、前記画成空間の外部に配置された加熱機構の熱による加熱によって行われる
請求項１又は２に記載の原子力設備部材の製造方法。 - 前記ガス空間に供給されるガスの温度は、５℃以上４０℃以下である
請求項５に記載の原子力設備部材の製造方法。 - 前記ＨＩＰ工程は、
前記画成空間を覆うように配置された前記加熱機構と、前記加熱機構の配置部位以外の、前記第１金属部材及び前記第２金属部材の少なくともいずれか一方の外表面に配置された冷却機構とを備える温度制御機構を用いて行われる
請求項５に記載の原子力設備部材の製造方法。 - 前記ＨＩＰ工程は、８００℃以上１２００℃以下での加熱により行われる
請求項１又は２に記載の原子力設備部材の製造方法。 - 前記加熱は、前記画成空間の昇温速度を２℃／分以上１０℃／分以下の速度で昇温することによって行われる
請求項８に記載の原子力設備部材の製造方法。 - 前記配置工程後であって前記充填工程前に、前記画成空間の圧力を前記ガス空間の圧力よりも高くする第１圧力調整工程を含み、
前記充填工程は、前記画成空間の圧力が前記ガス空間の圧力よりも高い状態で行われる
請求項１又は２に記載の原子力設備部材の製造方法。 - 前記充填工程後であって前記ＨＩＰ工程前に、前記画成空間を減圧する第２圧力調整工程を含む
請求項１又は２に記載の原子力設備部材の製造方法。 - 前記画成部材は金属箔である
請求項１又は２に記載の原子力設備部材の製造方法。 - 前記充填工程は、金属鍛造部材を収容した前記画成空間への前記金属原料の収容によって行われる
請求項１又は２に記載の原子力設備部材の製造方法。 - 第１金属部材と、金属焼結体を介して前記第１金属部材に接合される第２金属部材とを備える原子力設備部材であって、
電子顕微鏡による前記金属焼結体の観察断面において、前記金属焼結体に含まれる気孔の大きさは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である
原子力設備部材。 - 前記金属焼結体の気孔率は０．５％以下である
請求項１４に記載の原子力設備部材。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62243701A (ja) * | 1986-04-15 | 1987-10-24 | Toshiba Corp | 異種材料接合方法 |
| US5060374A (en) * | 1989-06-05 | 1991-10-29 | Electric Power Research Institute, Inc. | Method for fabricating a valve |
| JP2005014052A (ja) * | 2003-06-26 | 2005-01-20 | Japan Atom Energy Res Inst | 異種材の無溶解接合方法 |
| JP2015175034A (ja) * | 2014-03-17 | 2015-10-05 | 日立金属株式会社 | スパッタリングターゲット材の製造方法 |
-
2019
- 2019-09-25 JP JP2019174714A patent/JP7264784B2/ja active Active
Patent Citations (4)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| FUSION ENGINEERING AND DESIGN, vol. Volumes 61-62, JPN6023011912, 16 November 2002 (2002-11-16), pages 103 - 110, ISSN: 0005021568 * |
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|---|---|
| JP7264784B2 (ja) | 2023-04-25 |
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