JP4533998B2

JP4533998B2 - 高融点異種金属材の高温等方加圧接合法

Info

Publication number: JP4533998B2
Application number: JP2003387804A
Authority: JP
Inventors: 新太郎石山
Original assignee: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2023-11-18
Also published as: JP2005144510A

Description

本発明は、高融点異種金属材の高温等方加圧接合法（ＨＩＰ）に関するものであり、特に、核融合炉のダイバータターゲットを作製する際のタングステン／アルミナ分散銅又はモリブデン／無酸素銅の接合等の原子力分野、又はその他の一般産業分野において利用される接合方法に関するものである。特に、本発明の接合は、間挿材として、無酸素銅を使用し（直接接合）、Ａｕを使用し、又はＡｕと無酸素銅の両者を使用して行われる。

従来、高融点材料の接合は、低融点のろう材を溶融させることにより行っていた。例えば、低融点のろう材を使用したＨＩＰ法によるプラズマ対向機器用のＷ−Ｃｕ合金接合技術の開発が行われていた（非特許文献１及び非特許文献２）。
斎藤滋、深谷清、石山新太郎、衛藤基邦、及び秋場真人著、「ＨＩＰ法によるプラズマ対向機器用のＷ−Ｃｕ合金接合技術の開発（Ｉ）」、ＪＡＥＲＩ−Ｒｅｓｅａｒｃｈ９９−０４９（１９９９年８月）斎藤滋、深谷清、石山新太郎、衛藤基邦、及び秋場真人著、「ＨＩＰ法によるプラズマ対向機器用のＷ−Ｃｕ合金接合技術の開発（ＩＩ）」、ＪＡＥＲＩ−Ｒｅｓｅａｒｃｈ２０００−００６（２０００年２月）

核融合炉用ダイバータターゲットプレートは、高温プラズマに直接触れる箇所なので、アーマタイルにはタングステン、モリブデンなどの高融点材料を、その冷却基板材にはアルミナ分散銅、無酸素銅などの高熱伝導材を用い、両者をＴｉ系や銀ろう材でろう接合する構造となっている。しかしながら、この方法では、（ァ）両材料間でのろう接部に化合物が生成することにより熱伝導が悪くなること、（ィ）不完全なろう接部が生じること、（ゥ）ターゲットプレートの使用温度がろう接温度に（約８００℃）に支配されて、更に高温での使用を困難にしている等の問題が存在している。

本発明では、ろう接部に化合物を生成させないために間挿材に接合材と同一材料を使用するか、又は化合物反応を生じないＡｕの薄膜フォイルを使用し、かつこれら間挿材と接合材間の不完全接合を防ぐため、均一加圧下において９００℃以上の高温により接合させ、接合部の高温強度を向上させた。又、モリブデンと無酸素銅の接合においても均一加圧下において９００℃以上の高温により接合させることができる。

本発明では、接合材であるタングステン／アルミナ分散銅をその間挿材として接合材と同一銅材料（友材）である無酸素銅を使用するか（直接接合）、及び／又は化合物反応を生じないＡｕの薄膜フォイルを使用することにより、それらを溶融させずに接合するために、化合物が生ぜず接続部に熱バリアが生じないことや、接合材に均一に高温高圧を加えるために接合部に欠陥が生じない。更に、本発明では、接合温度が高いため得られた接合構造体を更に高温で使用でき、又タングステン／アルミナ分散銅構造体を一工程で製造できる。
同じく、モリブデン／無酸素銅を構造体も一工程で製造できる。

試験されたＨＩＰ条件及び接合試験結果を示す表１に示されるように、間挿材の無酸素銅の存在しない場合には、タングステンとアルミナ分散銅との接合に欠陥が生じており、接合面に酸化物の化合物が生じ、又クラックも発生するので、その間に良好な接合状態は存在しない。

間挿材としてＡｕ、無酸素銅を使用した場合には、表１に示されるように、良好な接合結果が示される。ただし、無酸素銅の厚さが０．１mm以下の場合は接合結果が良好でないことを示している。

したがって、本発明においては、均一加圧下において接合材を９００℃以上の高温で接合させることができ、その結果、接合部の高温強度を向上させたターゲットプレートが得られるので、ターゲットプレートの利用温度が上げられターゲットの熱負荷を高くできることから、核融合炉の炉心をコンパクトに設計できる。

（参考例１）
間挿材にＡｕフォイル、無酸素銅ディスクを用いて直径×高さ、２０mm×２０mmのタングステンとアルミナ分散銅とを重ねて、これをSUS（ステンレス）製の真空キャプセルに封入し、１１７３〜１２７３Ｋ×１００〜２００ＭＰａ×２時間のＨＩＰ（高温等方加圧処理：窒素ガス中）を実施した。その結果、表１に示すＨＩＰ条件で両材料の接合が行われた。その接合形態は、Ｗ（タングステン）／無酸素銅、Ｗ／無酸素銅／アルミナ分散銅、Ｗ／Ａｕ／無酸素銅／アルミナ分散銅、及びＷ／Ａｕ／無酸素銅／Ａｕ／アルミナ分散銅である。

図１に、その接合体から試験片を切り出して、高温高強度試験を行った結果を示した。図１には、高融点材料とアルミナ分散銅（ＤＳ−Ｃｕ：銅材料中にアルミナを添加し、強化した材料）を接合した場合の試験温度と引張り強度との関係が示される。

即ち、図１には、高融点金属（Ｗ）とアルミナ分散銅等を接合した場合の結果が示されている。
（１）高融点金属／ＤＳ
（２）高融点金属／間挿材／ＤＳ
ａ）間挿材：無酸素銅（ＯＦ）薄膜
ｂ）間挿材：Ａｕ／ＯＦ（Ｄｓの銅とＯＦの銅は同じものである。）
（３）ＯＦ材同士
その結果、上記（１）の場合は、表１に示されるように、良好な結合が得られなかった。上記（２）ａ）の場合は、上記（２）ｂ）の場合と同程度の接合強度が得られたことから、これらの間挿材を入れることにより、高融点金属とＤＳとの接合がＨＩＰで可能であることを示している。ここでは、高融点金属／ＯＦ／ＤＳの組合せ（即ち、ＤＳの銅と高融点金属がろう材なしに直接接合できること）により無ろう材接合が可能であることを示したことになる。この場合、間挿材であるＯＦ（無酸素銅）はＤＳと同一銅材料（友材）であることから、従来のろう接合材（他の元素が添加されているもの）と異なり、接合面での物性の差異による材料劣化の要因がない。
本来、異種材接合の場合、できるだけ異種材接合界面に第ＩＩＩ層を生じさせないことが好ましい。その理由は、この接合体を伝熱構造体として設計する場合、異種材の物性だけで設計するため、もし第ＩＩＩ層が存在し、それが伝熱性能や強度性能を劣化（悪くする）することを極力避けるためである。

例えば、この種の接合に銀ろう材やＴｉろう材などを使って接合すると、この接合界面にＷ−Ｔｉ−Ｃｕの熱伝導率が悪く、加工できないほどの硬く脆い金属間化合物が生まれてしまい、この化合物界面厚みが薄くても、この接合体の全体性能に影響を与えるからである。なお、このことは、ＯＦ材同士をＨＩＰにより接合した場合でも同様であった。
（実施例２）
直径×高さ、２０mm×２０mmのモリブデンと無酸素銅とを重ねて、これをSUS（ステンレス）製の真空キャプセルに封入し、１１７３〜１２７３Ｋ×１００〜２００ＭＰａ×２時間のＨＩＰ（高温等方加圧処理：窒素ガス中）を実施した。その結果、図２に示すＨＩＰ条件で両材料の接合が行われた。

図２に、その接合体から試験片を切り出して、高温高強度試験を行った結果を示した。すなわち、図２は、モリブデン（Ｍｏ）と無酸素銅の接合において、ＨＩＰによるＭｏ／無酸素銅直接接合材とろう材を用いたＭｏ／Ｔｉ材／無酸素銅材の高温強度データである。これによると、ろう材を用いた材料の方が高温強度が優れているものの、ろう材は接合面にＴｉ系金属間化合物を形成し、直接接合材に比べて加工性が悪く、更に熱伝導率が悪くなる。

本発明は、高温プラズマや高温燃焼器等の高熱負荷部の構造体の作製に利用できる。

接合体から試験片を切り出して、高温高強度試験を行った結果を示した。モリブデン（Ｍｏ）と無酸素銅の接合において、ＨＩＰによるＭｏ／無酸素銅直接接合材とろう材を用いたＭｏ／Ｔｉ材／無酸素銅材の高温強度データを示す図である。

Claims

ＳＵＳ（ステンレス）製のキャプセルに真空封入されたモリブデン／無酸素銅の実寸法ターゲットプレートを、９００〜１０００℃及び１００〜２００ＭＰａの均一な高温及び高圧環境下で、溶融性ろう材を使用することなく、Ｍｏと無酸素銅とを直接接合させる高温等方加圧接合法により直接接合することを含む、核融合炉用ダイバータターゲットプレートの作製方法。