JP4534008B2 - 異種材の無溶解接合方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、原子力分野及び超伝導技術分野で使用されている異種材の無溶解接合方法に関する方法である。
【0002】
【従来の技術】
ITER装置(核融合炉)における超伝導コイルジャケット部では、ジャケット材との異種材接合が必要であり、そのため、このジャケット部材(超伝導材側と電流取り出し側のそれぞれの配線間と接続を取り持つ、2種類以上の異種材接合体)として、超伝導材と同等の熱膨張率を有し、非磁性、耐食性、加工性の優れた純Tiと極低温用ステンレスとの接合構造が検討されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら異種材接合は、ろう接や溶接法では、その接合面に、脆く強度の低い金属間化合物が形成するため、接合部の健全性を確保することができない。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、純Ti/銅合金(間挿入材)/極低温用ステンレスからなる異種材を直接重ね合わせ、これを高温等方加圧(HIP)することにより、接触箇所に金属間化合物等の反応層を形成させずに無溶解接合するものである。HIP法において、この反応層を生じさせないで異種材を接合するためのHIP接合処理条件は、次のとおりである。
【0005】
(1)アルミナ分散銅(DS−Cu)とTiの場合、温度800℃〜キャプセル材融点以下で、圧力98Mpa以上及び加圧期間120分以上である。
【0006】
(2)DS−CuとFe−Cr−Ni合金(JJ1)の場合、温度950℃〜キャプセル材融点以下で、圧力147Mpa以上及び加圧期間120分以上である。
【0007】
(3)DS−Cuと極低温用ステンレス(316L)の場合、温度1030℃〜キャプセル材融点以下で、圧力147Mpa以上及び加圧期間120分以上である。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1は、HIP接合用キャプセル構造及び接合試験体からの試験片の切り出しを示す図である。図1(上部)に示されるように、Ti材/Ds−Cu(アルミナ分散銅)材/Ti材が、カプセル中に挿入され、そのカプセルの両端にキャップを嵌めた後、高温等方加圧(HIP)が施されることにより接合される。
【0009】
図1(上部)のHIPにより得られた接合材が、図1(下部)に示されるように、点線の位置で縦方向に切断される。その小さな方の切断片が、台に載置された後、研削、研磨され、更にエッチング処理されて試験片箔を得る。得られた試験片箔が、硬度試験及び金属組織観察のために使用される。又、大きな方の切断片が、縦方向に角柱材及び円柱材として切り出され、引張り試験及び4点曲げ試験に使用される。
【0010】
図2は、Tiと無酸素銅(OFHC−Cu)とのHIP接合材の引張り強度と伸びに与えるHIP処理温度の影響を示す図である。図2には、Ti/無酸素銅(OFHC−Cu)の接合試験片について、そのHIPの接合温度に対する(a)引張り強度MPa及び(b)伸び%の結果が示されている。
【0011】
図3は、Tiとアルミナ分散銅(DS−Cu)とのHIP接合材の4点曲げ強度と変位に与えるHIP処理温度の影響を示す図である。図3には、Ti/アルミナ分散銅(DS−Cu)の接合試験片について、そのHIPの接合温度に対する(a)4点曲げ強度MPa及び(b)変位mmの結果が示されている。
【0012】
図4は、アルミナ分散銅(DS−Cu)とJJ1との接合材の4点曲げ強度と変位に与えるHIP処理温度の影響を示す図である。 図4には、アルミナ分散銅(DS−Cu)/Fe−Cr−Ni合金(JJ1)の接合試験片について、そのHIPの接合温度に対する(a)4点曲げ強度MPa及び(b)変位mmの結果が示されている。
【0013】
したがって、図2〜図4から、それぞれの試験片における強度、伸び及び変位の最高値に関するHIP温度の最適温度が示されている。
【0014】
【実施例】
(ア)接合素材
純Ti/銅合金では、Tiと無酸素銅(OFHC−Cu)若しくはアルミナ分散銅(Ds−Cu)との接合、又、銅合金/極低温用ステンレスでは、無酸素銅若しくはアルミナ分散銅とJJ1又は316L−SSとの接合が行われるが、それらの素材の化学組成が、表1に示されている。
【0015】
【表1】
【0016】
(イ)接合方法
純Ti/銅合金、又は銅合金/極低温用ステンレスの接合は、図1に示されるように、円柱状異種材を重ねた状態でSUS(ステンレス)製キャプセルに真空封入し、これにHIP処理を施すことにより接合した。
【0017】
(ウ)HIP処理条件及び接合結果
表2には、TiとDS−Cu(アルミナ分散銅)との接合を、HIP又はMachining process(機械加工時)において、98MPaの圧力且つ120分の保持時間で行った接合結果が、その加熱温度とともに示されている。
【0018】
表3には、DS−CuとJJ1(Fe−Cr−Ni合金)との接合を、HIP又はMachining processにおいて、147MPa圧力且つ120分の保持時間で行った接合結果が、その加熱温度とともに示されている。
【0019】
表4には、DS−Cuと316Lと(極低温用ステンレス)の接合を、HIP又はMachining processにおいて、147MPaの圧力且つ120分の保持時間で行った接合結果が、その加熱温度とともに示されている。
【0020】
下記の表中、機械加工時とは、HIP処理後の接合材から試験片を切り出した段階を意味する。そこで、接合材をキャプセルから取り出した段階で、その接合が良好であるか、接合に欠陥があるか、又は不接合であるかどうかの結果が表の左欄に示され、機械加工時の段階で、その接合が良好であるか、接合に欠陥があるか、又は不接合であるかどうかの結果が表の右欄に示されている。
【0021】
【表2】
【0022】
【表3】
【0023】
【表4】
【0024】
(エ)強度試験及びその結果
HIP処理材から強度試験片を取り出し高温強度試験を実施した。
【0025】
表5(a)には、DS−Cuと316L SSとのHIP接合を温度1030℃、圧力147MPa及び保持時間120分で行って得られた試験片について、4点曲げ試験を行った接合結果が示されている。
【0026】
表5(b)には、DS−Cuと316L SSとのHIP接合を、温度1030℃、圧力147MPa及び保持時間120分で行い、その後時効(aging)を温度650℃で240時間で行って得られた試験片について、4点曲げ試験を行った接合結果が示されている。
【0027】
【表5】
【0028】
表5(a)では、 表4のDS−Cuと316Lステンレス鋼とのHIP接合試験片の室温強度が示されている。表中で、例えば、DS12とは、DSはDS−Cuと316Lステンレス鋼(S)とのHIP接合材で、12番目のものであることを示す。
【0029】
表5(b)では、表4のDS−Cuと316Lステンレス鋼とのHIP接合試験片の室温強度が示されている。その試験片は、1030℃×147MPa×120分のHIP処理後、装置から取り出し、更に650℃×240時間の熱処理を加えて得られたものである。
【0030】
【発明の効果】
本発明により、極低温状況下の使用に耐える高強度・無反応層接合構造体を製作できるようになる。したがって、本発明により、ITER装置の超伝導コイル用ジャケットを製作できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 HIP接合用キャプセル構造及び接合試験体からの試験片の切り出しを示す図である。
【図2】 Tiと無酸素銅(OFHC−Cu)とのHIP接合材の引張り強度と伸びに与えるHIP処理温度の影響を示す図である。
【図3】 Tiとアルミナ分散銅(DS−Cu)とのHIP接合材の4点曲げ強度と変位に与えるHIP処理温度の影響を示す図である。
【図4】 アルミナ分散銅(DS−Cu)とJJ1との接合材の4点曲げ強度と変位に与えるHIP処理温度の影響を示す図である。
Claims (2)
- 純Ti/極低温用ステンレス間に銅合金の間挿入材をいれて、キャプセル中に真空封入し、800℃〜1050℃の温度で高温等方加圧(HIP)処理することによって、異種材料間に金属間化合物の反応層を形成させずに接合する、核融合炉における超伝導コイルジャケット部の異種金属の無溶解接合方法。
- 前記間挿入材は、アルミナ分散銅である、請求項1に記載の方法。
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