JP7361077B2

JP7361077B2 - 鋼－タングステン傾斜機能材料系

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Publication number: JP7361077B2
Application number: JP2021132348A
Authority: JP
Inventors: トーマスマリー; フランケルダナ
Original assignee: クエステックイノベーションズリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2020-10-14
Filing date: 2021-08-16
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2041-08-16
Also published as: US20230043638A1; JP2022176395A

Description

関連出願の相互参照
本願は２０２０年１０月１４日に出願された米国仮特許出願第６３／０９１，４１０号の優先権を主張するものであり、その全文は参照によりここに組み入れられたものとする。

政府所有権
本発明は、米国エネルギー省によって授与されたＱｕｅｓＴｅｋＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｓＬＬＣに対するＤＥ－ＳＣ００２００３２に基づく米国政府の支援を受けて行われた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。

技術分野
本開示は、異種金属を接合する材料、方法及び技術に関する。より具体的に、例示的な材料、方法及び技術は異種金属を接合することができる傾斜機能材料系に関する。

序論
優れた高温性能を有する材料、及びアクティブ冷却システムに熱伝導を提供する材料間で異種接合を行うのは難しく、多くの性能障害の原因となり得る。核融合炉におけるプラズマ対向機器（ＰＦＣ）について、プラズマにより生じる極めて高い熱負荷を放散するため、タングステン（Ｗ）などのプラズマ対向耐熱性材料をヒートシンクに接合しなければならない。熱サイクル中に遮蔽材料（タングステン（Ｗ））及びヒートシンク（低放射化フェライトマルテンサイト（ＲｅｄｕｃｅｄＡｃｔｉｖａｔｉｏｎＦｅｒｒｉｔｉｃＭａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ；ＲＡＦＭ）鋼又は銅（Ｃｕ））間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の差が大きいことで誘発される応力は、クラッキング又は機器の破損を引き起こし得る。

本明細書で開示、検討する材料、方法及び技術は、傾斜機能材料に関する。１つの態様において、傾斜機能材料はタングステン構造及び鋼構造間に広がる傾斜体積（ｇｒａｄｅｄｖｏｌｕｍｅ）を含む。この傾斜体積は複数の付加製造された層を含む。複数の付加製造された層の少なくとも１つは、バナジウム及びクロムから選択される第３元素を含む。
別の態様において、第１終点材料及び第２終点材料に隣接する傾斜機能材料を作製する方法を開示する。本方法の例としては、第１組の層を連続して作製し、第１組の層における各連続層が、減少する量の第１終点材料及び増加する量の第３元素を含むことと；８０質量％以上第３元素、並びに１０質量％未満の第１終点材料及び／又は第２終点材料を含む層を作製することと；第２組の層を連続して作製し、第２組の層における各連続層が、増加する量の第２終点材料及び減少する量の第３元素を含むことと、からなり、第１終点材料又は第２終点材料のどちらかがタングステン（Ｗ）を含む。
別の態様において、製造物品を開示する。製造物品の例は、タングステン部分、鋼部分、並びにタングステン部分及び鋼部分に広がる傾斜体積を含んでよい。傾斜体積は複数の付加製造された層を含み、複数の付加製造された層の少なくとも１つはバナジウム及びクロムから選択される第３元素を含む。
別の態様において、プラズマ対向機器を開示する。プラズマ対向機器は、タングステンを含むプラズマ対向反応器部分；プラズマ対向反応器部分の少なくとも一部を囲む放熱部分；並びにプラズマ対向反応器部分及び放熱部分間に広がる傾斜体積を含んでよい。傾斜体積は複数の付加製造された層を含んでよい。複数の付加製造された層の少なくとも１つはバナジウム及びクロムから選択される第３元素を含んでよい。
本開示によるいくつかの利益を得るために、傾斜機能材料に関する材料、技術又は方法が本明細書で特徴づけられる詳細のすべてを含むという特定の要求は無い。従って、本明細書で特徴づけられる具体例は、記載される技術の例示的な応用であることが意図され、別の方法が可能である。

図１は例示的な印刷物品の側面概略図である。図２は例示的な傾斜機能材料の側面概略図である。図３Ａは傾斜機能材料例のある実施形態の側面概略図である。図３Ｂは傾斜機能材料例の別の実施形態の側面概略図である。図３Ｃは傾斜機能材料例の別の実施形態の側面概略図である。図４は１１００Ｋ（８２７℃）のＦｅ－９ＣｒからＷの勾配を示す。図５Ａ及び図５Ｂは２つの異なる酸化物分散強化型低放射化フェライトマルテンサイト鋼及びタングステン間の擬２元系平衡等温図を示す。図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ１３００℃及び８００℃の温度におけるクロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、及び鉄（Ｆｅ）の３元系状態図を示す。図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ８２６℃及び１３００℃の温度におけるバナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、及び鉄－９Ｃｒ（Ｆｅ－９Ｃｒ）の３元系状態図を示す。図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ８２７℃及び５００℃の温度におけるバナジウム（Ｖ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びＲＡＦＭ鋼（Ｆｅ－９Ｃｒ－１Ｗ－０．１Ｃ）の３元系状態図を示す。図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ０質量％アルミニウム及び５質量％アルミニウムを有する、ＲＡＦＭ鋼（Ｆｅ－９Ｃｒ－１Ｗ－０．１Ｃ）及びバナジウム（Ｖ）の状態図である。

本明細書で開示、検討する材料、方法及び技術は傾斜機能材料に関する。本明細書で開示する例示的な傾斜機能材料は、異なる材料間に界面を提供することができる。例えば、異なる材料は異なる熱膨張係数を有する場合がある。一例として、傾斜機能材料は高温を受けるように設計された材料、及び放熱材料として機能するように設計された材料間に界面を提供することができる。
上記のように、異なる熱膨張係数を有する材料間にシャープな界面を有すると、クラッキング又は機器の破損をもたらす場合がある。遮蔽材料及び下層の冷却構造体間において傾斜機能材料中間層でシャープな界面を置き換えると、異種材料間に熱的性質のより連続する勾配を作ることができる。結果として、熱機械応力成長を低減し、より強い接合を生じることができる。傾斜機能材料を調製することができる技術のうち、粉末噴射式指向性エネルギー堆積（ｐｏｗｄｅｒ－ｂｌｏｗｎｄｉｒｅｃｔｅｄｅｎｅｒｇｙｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＤＥＤ）などの付加製造（ＡＭ）技術は柔軟性があり、複雑な形態及び制御された微細構造を有する傾斜機能材料を製造することができる期待できる選択肢である。
本開示の特定の態様は、冷却構造体として鋼、及び遮蔽材料としてタングステンを含む。異種性質（融点、熱膨張係数等）及び脆い金属間相を形成する傾向のため、鋼をタングステンに直接接合することは困難である。これらすべてが接合の質を不十分にし得る。付加製造は組成傾斜系を製造することができ、この組成を制御された方法で２つ以上の材料（元素又は合金）間で変化させて、接合の性質及び性能を最適にする。
いくつかの態様において、本開示は組成系（鋼－Ｘ－Ｙ－Ｗ）を特定しており、「鋼」は低放射化フェライトマルテンサイト鋼（「ＲＡＦＭ鋼」）又は酸化物分散強化型低放射化フェライトマルテンサイト鋼（「ＯＤＳＲＡＦＭ鋼」）を指すことができる。Ｘ及びＹは第３元素及び第４元素の添加であり、戦略的比率で添加されると、鋼及びタングステン間に組成経路を可能にする。これは脆い金属間相の形成を回避し、冷却及び加工性を増強し、並びに／又は高価で有害な（つまり、高い中性子放射化）元素を回避する。熱力学計算及び他のスクリーニング基準により、以下の系は期待できる鋼－Ｗ勾配系：鋼－Ｖ－Ａｌ－Ｗ、及び鋼－Ｃｒ－Ａｌ－Ｗとして特定されている。

Ｉ．例示的な傾斜機能材料
例示的な傾斜機能材料の様々な態様を以下に記載する。
Ａ．傾斜機能材料の配置の模式例
図１は、例示的な製造物品１００の側面断面図を模式的に示す。図に示す実施形態において、一方の外面は冷却構造体１０２から構成され、反対の外面は遮蔽材料１０６から構成される。一連の中間層は冷却構造体１０２及び遮蔽材料１０６間に配置され、これらの層は傾斜機能材料１０４と呼ばれる。一般的に、冷却構造体１０２及び遮蔽材料１０６は、異なる熱膨張係数及び融点など、１つ又は複数の異種物性を有する。いくつかの実施において、「異種」は、特定の性質が冷却構造体１０２及び遮蔽材料１０６間で少なくとも１．５、少なくとも２、少なくとも３、少なくとも４又は少なくとも５倍異なることを意味する。
一連の材料層を印刷することを含む付加製造技術を用い、製造物品１００を作製することができる。冷却構造体１０２又は遮蔽材料１０６のどちらかから開始して製造物品１００を印刷することができる。傾斜機能材料１０４を印刷する場合、隣接する材料（冷却構造体１０２又は遮蔽材料１０６のどちらか）の量は各印刷された層で減少し、１つ又は複数の元素を各層に含むことができる。ある時点で、一方の外側材料の量は傾斜機能材料１０４における印刷された層に含まれず、その反対の外側材料の量はその材料が印刷された層の全体を形成するまで、各層で増加する。

Ｂ．設計考察例
異種材料間に機能勾配を生じさせる際の１つの課題は、有害相の形成を回避することができる組成経路を決定することである。特定の実施において、傾斜機能材料はタングステン（Ｗ）系材料及びＲＡＦＭ鋼又は銅（Ｃｕ）間の界面である。鋼及びタングステン終点間の単純な線形経路は、ラーベス相及びミュー相など、結合を弱くし、製造又は操作中にクラッキングを引き起こす可能性が高い多くの脆い金属間相を安定させる。特定の第３元素添加（鋼－Ｘ－Ｗ、Ｘは第３元素添加）又は第４元素添加（鋼－Ｘ－Ｙ－Ｗ、Ｘ及びＹは第３及び第４元素添加）は、これらの有害相を熱力学的に不安定にすることができる。更に、鋼及びタングステン終点間の融点の大きな相違は、加工を困難にする。目的の第３元素又は第４元素添加を特定するとき、目的の１つの態様は加工性を可能にするために中間融点を有する経路を特定することである。
本開示の傾斜機能材料は３元系及び４元系を採用してよく、鋼及びタングステン終点間の有害な脆い相を回避することができる。融点、価格、及び中性子照射による放射化など、他の考察は例示的な３元系及び４元系に関連してよく、融合反応器材料の取り扱いのための安全性の考察でよい。

Ｃ．終点例
上記のように、例示的な傾斜機能材料は、３次元体積であるが「終点」とも呼ばれる２つの異なる材料間の界面を含む。いくつかの例において、終点は遮蔽材料及び冷却構造体でよい。いくつかの例において、非タングステン（Ｗ）系終点は、液体ヘリウム（Ｈｅ）又は水など、作動流体を運ぶ冷却システムの構造成分として機能することができる。
例示的な印刷材料における遮蔽材料の例は、典型的に低い熱膨張係数を有する。例えば、遮蔽材料の例は２０℃（１０^-6Ｋ^-1）で５未満の線形熱膨張係数α、及び／又は２０℃（１０^-6Ｋ^-1）で１５未満の体積熱膨張係数α_vを有してよい。いくつかの例において、遮蔽材料の例はタングステン及びタングステン系材料を含むことができる。
冷却構造体の例は、典型的に上記遮蔽材料より高い熱膨張係数を有する。いくつかの例において、冷却構造体の例は低放射化フェライトマルテンサイト（ＲＡＦＭ）鋼でよい。いくつかの例において、冷却構造体の例は酸化物分散強化型低放射化フェライトマルテンサイト（ＯＤＳ－ＲＡＦＭ）鋼でよい。いくつかの例において、冷却構造体の例は銅又は銅系でよい。

Ｄ．第３及び第４元素例
例示的な傾斜機能材料は、１つ又は複数の第３及び／又は第４元素を含んでよい。一般的に、第３元素の例は遮蔽材料の融点及び冷却構造体の融点間の融点を有する。これらの基準に見合う可能性のある元素のうち、特定の元素を当座の費用に基づき除外してよく（例、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）及びジルコニウム（Ｚｒ））、特定の元素は核融合エネルギー条件下で高レベルの中性子放射化を示すため除外してよい（チタン（Ｔｉ）、ニオビウム（Ｎｂ）及びモリブデン（Ｍｏ））。従って、傾斜機能材料の例は第３元素としてクロム（Ｃｒ）又はバナジウム（Ｖ）を含んでよい。
付加製造のための目的の加工温度で３元平衡及び擬３元平衡等温図を計算した。クロム（Ｃｒ）及びバナジウム（Ｖ）のどちらもミュー及びラーベス相を不安定にすることがわかった。いくつかの例において、Ｃｒ又はＶは脆い場合もあるシグマ相を安定させることができる。
いくつかの実施において、シグマ相形成を様々な方法で回避することができる。例えば、アルミニウム（Ａｌ）を第４元素として添加してよい。或いは又は加えて、温度調整など、付加製造加工パラメータを調整してよい。特定の理論に縛られることなく、単相ＢＣＣバナジウム（Ｖ）リッチ又はクロム（Ｃｒ）リッチ相が一旦安定すると、脆い相がタングステン及びバナジウム又はクロム間の連続固溶体相領域により更に形成されることが無ければ、タングステン（Ｗ）を系に添加してよいと思われる。

Ｅ．第３及び第４元素の例示的な量
上記のように、例示的な傾斜機能材料は、第３元素、及びいくつかの例では第４元素を含んでよい。図２を参照して、傾斜機能材料の例における第３及び第４元素の例示的な量を検討する。
図２は、傾斜機能材料１０４の例の側面模式図である。傾斜機能材料１０４は３次元材料であり、一端に冷却構造体界面１５２、反対端に遮蔽材料界面１５６を有する。一連の付加製造された層は、冷却構造体界面１５２及び遮蔽材料界面１５６間に配置される。
概して、界面１５２及び１５６間の層を冷却構造体界面に隣接する部分１５０、及び遮蔽材料界面に隣接する部分１５４に分類することができる。冷却構造体界面に隣接する部分１５０は厚みＴ１を有し、遮蔽材料界面に隣接する部分１５４は厚みＴ２を有する。
傾斜機能材料１０４は、冷却構造体界面１５２又は遮蔽材料界面１５６から印刷することができる。冷却構造体界面１５２に最も近い層は、冷却構造体材料（例、鉄）の量が最も多く、各層は遮蔽材料界面１５６に近いほど、図２中の印をつけた層１５８に達するまで冷却構造体材料の量は少なくなる。この印をつけた層は全く冷却構造体材料を含まない。様々な実施において、冷却構造体材料の量は冷却構造体界面１５２から離れて直線的に（多数の異なる直線的減少を含み得る）又は非直線的に減少する。
遮蔽材料界面１５６に最も近い層は、遮蔽材料（例、タングステン）の量が最も多く、各層は冷却構造体界面１５２に近いほど、図２中の印をつけた層１５８に達するまで冷却構造体材料の量は少なくなる。この印をつけた層は遮蔽材料をほとんど含まないか、又は含まない。様々な実施において、冷却構造体材料の量は冷却構造体界面から離れて直線的に（多数の異なる直線的減少を含み得る）又は非直線的に減少する。いくつかの実施において、部分１５０又は部分１５４のどちらかに層は無く、遮蔽材料及び冷却構造体材料の両方を含む。
様々な実施において、層中の第３元素の量は、各界面１５２及び１５６から反対の界面に向かって層１５８まで増加する（「第３元素勾配」）。様々な例において、第３元素は、７０質量パーセント（質量％）以上；７５質量％以上；８０質量％以上；８５質量％以上；９０質量％以上；９５質量％以上；９８質量％以上；９９質量％以上又は９９．９質量％以上の量で、層１５８など複数の付加製造された層の少なくとも１つに存在する。典型的に、遮蔽材料は全く第３元素を含まない。
いくつかの実施において、冷却構造体材料は第３元素を含んでよい。いくつかの実施において、冷却構造体に隣接する傾斜体積の第１層は、冷却構造体に含まれるのと類似又は同等量で第３元素を含んでよい。一例として、ＲＡＦＭ鋼は約９質量％のクロムを含んでよく、冷却構造体に隣接する傾斜体積の第１層は約９質量％のクロムを含んでよい。様々な実施において、冷却構造体に隣接する傾斜体積の第１層は約１質量％から約１０質量％の第３元素を含んでよい。様々な実施において、冷却構造体に隣接する傾斜体積の第１層は、純鉄（Ｆｅ）又は異なるＲＡＦＭ鋼、及び０質量％又は０．０１質量％未満の第３元素を含んでよい。
様々な実施において、第３元素の量は冷却構造体界面から離れて、第３元素の質量パーセント量が最も多い層１５８に向かって直線的に（多数の異なる直線増加を含み得る）又は非直線的に増加する。例えば、冷却構造体界面１５２に隣接する層は、約９質量％の第３元素又は約１０質量％の第３元素を含んでよく、冷却構造体界面１５２及び層１５８の中間の層は、５３原子パーセントの第３元素を含んでよい。
いくつかの実施において、部分１５０は１つ又は複数の層を含んでよく、第３元素は冷却構造体材料と同じ質量パーセント又は原子パーセントで存在する。いくつかの実施において、部分１５４は１つ又は複数の層を含んでよく、第３元素は遮蔽材料と同じ質量パーセント又は原子パーセントで存在する。

存在する場合、第４元素は部分１５０のいくつか又はすべての層に存在してよい。存在する場合、第４元素は部分１５４のいくつか又はすべての層に存在してよい。様々な実施において、第４元素は２０原子％以下；１５原子％以下；１３原子％；以下１０原子％；又は７原子％以下で部分１５０の少なくとも１つの層に存在してよい。様々な実施において、第４元素は１５原子％以下；１２原子％以下；１０原子％以下；７原子％以下；又は５原子％以下で部分１５４の少なくとも１つの層に存在してよい。

Ｆ．機能的傾斜体積（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙｇｒａｄｅｄｖｏｌｕｍｅ）の例示的な実施形態
図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃは、傾斜体積の実施形態の模式図である。図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、規格化距離０で、傾斜体積は鋼構造の境をなし、規格化距離１で、傾斜体積はタングステン系構造の境をなす。
図３Ａにおいて、概して、傾斜体積における鉄（Ｆｅ）の量は鋼構造から０質量％に達するまで、各層において減少する。図のように、傾斜体積の実施形態の例は、代替方法は検討されるが、規格化距離０．５で鉄は０質量％である。図３Ａに示す実施形態において、各連続層における鉄（Ｆｅ）の量は、鋼－傾斜体積の界面付近で距離０．５付近よりも急激に減少する。すなわち、図の実施形態において、規格化距離０から０．２５の各層における鉄（Ｆｅ）の減少率は、０．２５から０．５の各層における鉄（Ｆｅ）の減少率より大きい。
図３Ａにおいて、鋼構造に隣接する傾斜体積における第１の層は、約９質量％又は約１０質量％のクロム（Ｃｒ）も含む。各連続層は規格化距離０から０．５でクロムが増加し、鉄又はタングステンを含まないか、或いは実質的に含まない層において、クロムはピークの約１００質量％に達する。図のように、規格化距離０．５でクロム量はピークとなる。図の実施形態において、各連続層は規格化距離０．５から１でクロム（Ｃｒ）が減少し、最終的に距離１でクロムは０質量％又は約０質量％に達する。
図３Ａにおいて、各連続層は規格化距離０から約０．２５でアルミニウム（Ａｌ）が増加する。図の実施形態において、傾斜体積の層の１つにおけるアルミニウムの最大量は約１５質量％である。様々な実施形態において、アルミニウムは複数の付加製造された層の少なくとも１つに１５質量％以下；１３質量％以下；１２質量％以下；１０質量％以下；又は８質量％以下で存在してよい。図の実施形態において、各連続層は規格化距離０．２５から０．５でアルミニウム（Ａｌ）が減少し、最終的に規格化距離０．５で０質量％に達する。
図３Ａにおいて、傾斜体積におけるタングステン（Ｗ）の量は鉄（Ｆｅ）を含まない各層において約１００質量％に達するまで増加する。図のように、傾斜体積の実施形態の例では、規格化距離０から約０．５でタングステンは０質量％であり、その後タングステンの量は規格化距離１に達するまで増加する。図の実施形態において、タングステン（Ｗ）の量は規格化距離０．５から１の各連続層において等しい割合で増加する。

図３Ｂにおいて、概して、傾斜体積における鉄（Ｆｅ）の量は、鋼構造から０質量％に達するまで、各層において減少する。図のように、傾斜体積の実施形態の例は、代替方法は検討されるが、規格化距離０．５で鉄は０質量％である。図３Ｂに示す実施形態において、各連続層における鉄（Ｆｅ）の量は、鋼－傾斜体積の界面付近で距離０．５付近よりも急激に減少する。すなわち、図の実施形態において、規格化距離０から０．２５の各層における鉄（Ｆｅ）の減少率は、０．２５から０．５の各層における鉄（Ｆｅ）の減少率より大きい。
図３Ｂにおいて、鋼構造に隣接する傾斜体積における第１層は、０質量％又は約０質量％のクロム（Ｃｒ）を含む。各連続層は規格化距離０から０．５でクロムが増加し、鉄又はタングステンを含まないか、又は実質的に含まない層において、クロムはピークの約１００質量％に達する。図のように、規格化距離０．５でクロム量はピークとなる。図の実施形態において、各連続層は規格化距離０．５から１でクロム（Ｃｒ）が減少し、最終的に距離１でクロムは０質量％又は約０質量％に達する。
図３Ｂにおいて、各連続層は規格化距離０から約０．２５でアルミニウム（Ａｌ）が増加する。図の実施形態において、傾斜体積の層の１つにおけるアルミニウムの最大量は約１０質量％である。様々な実施形態において、アルミニウムは複数の付加製造された層の少なくとも１つに１０質量％以下；９質量％以下；又は８質量％以下で存在してよい。図の実施形態において、各連続層は規格化距離０．２５から０．５でアルミニウム（Ａｌ）が減少し、最終的に規格化距離０．５で０質量％に達する。
図３Ｂにおいて、傾斜体積におけるタングステン（Ｗ）の量は鉄（Ｆｅ）を含まない各層において約１００質量％に達するまで増加する。図のように、傾斜体積の実施形態の例は、規格化距離０から約０．５でタングステンは０質量％であり、その後タングステンの量は規格化距離１に達するまで増加する。図の実施形態において、タングステン（Ｗ）の量は規格化距離０．５から１の各連続層において等しい割合で増加する。

図３Ｃにおいて、概して、傾斜体積における鉄（Ｆｅ）の量は、鋼構造から０質量％に達するまで、各層において減少する。図のように、傾斜体積の実施形態の例は、代替方法は検討されるが、規格化距離０．５で鉄は０質量％である。図３Ｂに示す実施形態において、各連続層における鉄（Ｆｅ）の量は、鋼－傾斜体積の界面付近で距離０．５付近よりも急激に減少する。すなわち、図の実施形態において、規格化距離０から０．２５の各層における鉄（Ｆｅ）の減少率は、０．２５から０．５の各層における鉄（Ｆｅ）の減少率より大きい。
図３Ｃにおいて、鋼構造に隣接する傾斜体積における第１層は、約０．０質量％のバナジウム（Ｖ）も含む。各連続層は規格化距離０から０．５でバナジウム（Ｖ）が増加し、鉄又はタングステンを含まないか、又は実質的に含まない層において、バナジウム（Ｖ）はピークの約１００質量％に達する。図のように、規格化距離０．５でバナジウム（Ｖ）量はピークとなる。図の実施形態において、各連続層は規格化距離０．５から１でクロム（Ｃｒ）が減少し、最終的に距離１でクロムは０質量％又は約０質量％に達する。
図３Ｃにおいて、各連続層は規格化距離０から約０．２５でアルミニウム（Ａｌ）が増加する。図の実施形態において、傾斜体積の層の１つにおけるアルミニウムの最大量は約１５質量％である。様々な実施形態において、アルミニウムは複数の付加製造された層の少なくとも１つに１５質量％以下；１３質量％以下；１２質量％以下；１０質量％以下；又は８質量％以下で存在してよい。図の実施形態において、各連続層は規格化距離０．２５から０．５でアルミニウム（Ａｌ）が減少し、最終的に規格化距離０．５で０質量％に達する。
図３Ｃにおいて、傾斜体積におけるタングステン（Ｗ）の量は鉄（Ｆｅ）を含まない各層において約１００質量％に達するまで増加する。図のように、傾斜体積の実施形態の例は、規格化距離０から約０．５でタングステンは０質量％であり、その後タングステンの量は規格化距離１に達するまで増加する。図の実施形態において、タングステン（Ｗ）の量は規格化距離０．５から１の各連続層において等しい割合で増加する。

Ｇ．相の例及びナノ構造特性
例示的な傾斜機能材料は、様々な相及びナノ構造特性を有することができる。
いくつかの実施において、例示的な傾斜機能材料はラーベス相をほとんど又は全く有さない場合がある。様々な実施において、例示的な傾斜機能材料は２０体積パーセント未満；１８体積パーセント未満；１５体積パーセント未満；１０体積パーセント未満；７体積パーセント未満；５体積パーセント未満；４体積パーセント未満；３体積パーセント未満；２体積パーセント未満；１体積パーセント未満；０．５体積パーセント未満；０．１体積パーセント未満；又は０．０１体積パーセント未満のラーベス相を有する場合がある。
いくつかの実施において、例示的な傾斜機能材料はミュー相をほとんど又は全く有さない場合がある。様々な実施において、例示的な傾斜機能材料は２０体積パーセント未満；１８体積パーセント未満；１５体積パーセント未満；１０体積パーセント未満；７体積パーセント未満；５体積パーセント未満；４体積パーセント未満；３体積パーセント未満；２体積パーセント未満；１体積パーセント未満；０．５体積パーセント未満；０．１体積パーセント未満；又は０．０１体積パーセント未満のミュー相を有する場合がある。
いくつかの実施において、例示的な傾斜機能材料は、特に鉄（Ｆｅ）を含む付加製造された層に、シグマ相をほとんど又は全く有さない場合がある。様々な実施において、鉄（Ｆｅ）を含む例示的な付加製造された層は２０体積パーセント未満；１８体積パーセント未満；１５体積パーセント未満；１０体積パーセント未満；７体積パーセント未満；５体積パーセント未満；４体積パーセント未満；３体積パーセント未満；２体積パーセント未満；１体積パーセント未満；０．５体積パーセント未満；０．１体積パーセント未満；又は０．０１体積パーセント未満のシグマ相を有する場合がある。

ＩＩ．合金粉末系例
目的の付加製造系に関する様々なインプットストックフォーム（ｉｎｐｕｔｓｔｏｃｋｆｏｒｍ）を用いて、本明細書で開示、検討する傾斜機能材料例を作製することができる。一例として、付加製造粉末を提供するシステムは、鋼合金粉末を提供するように構成される第１金属合金供給源、タングステン（Ｗ）系粉末を提供するように構成される第２金属供給源、及びバナジウム（Ｖ）粉末又はクロム（Ｃｒ）粉末のどちらかを提供するように構成される第３金属供給源を含んでよい。いくつかの実施において、このシステムは、アルミニウム（Ａｌ）粉末を提供するように構成される第４金属供給源を含んでよい。
付加製造粉末を提供する例示的なシステムは、１つ又は複数の上記金属供給源を選択的に提供するように構成することができ、傾斜機能材料における所望の組成を達成する。例えば、多数の粉末供給装置は集光レーザビームを含むノズルに付加製造粉末を選択的に提供することができる。

ＩＩＩ．製造方法例
付加製造システムを用い、本明細書で開示、検討する傾斜機能材料例を作製することができる。付加製造はコンピュータ制御エネルギー源（例、レーザ、電子ビーム、溶接トーチ等）を用い、金属を選択的に融合することにより製品を層状に組み立てるプロセスである。付加製造はＡＳＴＭＦ２７９２－１２ａ「ＳｔａｎｄａｒｄＴｅｒｍｉｎｏｌｏｇｙｆｏｒＡｄｄｉｔｉｖｅｌｙＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ」でも定義されている。
一般的に、付加製造技術は幾何学的制約、高速材料加工時間、及び革新的な接合技術を必要とせず、自由形状製造における柔軟性を提供する。いくつかの実施において、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）付加製造を使用して、例示的な傾斜機能材料を作製することができる。ＤＥＤ付加製造システムの市販の例は、ＯｐｔｏｍｅｃＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｅｄＮｅｔＳｈａｐｉｎｇ（ＬＥＮＳ）ＭＲ－７システム（Ｏｐｔｏｍｅｃ社、アルバカーキ、ニューメキシコ州）である。様々な雰囲気を使用することができ、いくつかの例において、付加製造をアルゴン雰囲気下で実施することができる。
典型的に、付加製造後に物品は使用できる状態になっており、加工後の操作は必要無い。とは言え、様々な加工後操作を組み立てプロセス後に実施することができる。例えば、完成した製造物品を応力緩和のための基本的熱処理に付してよい。

傾斜機能材料を作製する例示的方法は、遮蔽材料に第１層を印刷することにより開始することができる。第１層の印刷は、第１粉末供給装置から付加製造装置に鋼合金粉末を提供することを含んでよい。第１層の印刷は、バナジウム（Ｖ）又はクロム（Ｃｒ）などの第３元素粉末を付加製造装置に提供することも含んでよい。第１層の印刷は、アルミニウム（Ａｌ）などの第４元素粉末を付加製造装置に提供することも含んでよい。いくつかの実施において、様々な粉末を複数の供給源から提供することができ、各供給源は各粉末を提供する。いくつかの実施において、１つ又は複数の混合された粉末を有する供給源から様々な粉末を提供することができる。
例示的な方法は、複数の層を印刷し、各連続層がこの例では遮蔽材料である隣接する終点のより少ない量を含むことと、第３元素の量を増加させることとを含む。いくつかの例において、各層では第４元素の最大に達するまで第４元素の量が増加し、この段階で層中の第４元素量は連続して減少する。第４元素の例となる量は上記で検討される。
例示的な方法は、遮蔽材料が印刷層に存在しなくなるまで、層を印刷することを含む。例示的な方法は、その後複数の層を印刷することを含み、各連続層は先に印刷された層より冷却構造体材料が多く、第３元素が少ない。例示的な方法では、第３元素がある層に存在せず、この層が９９質量％以上の冷却構造体材料を含むまで層の印刷を含んでよい。
或いは、傾斜機能材料を作製する例示的な方法は、遮蔽材料ではなく、冷却構造体に第１層を印刷することにより開始することができる。これらの実施において、例示的な方法は遮蔽材料に印刷することから開始した上記例示的な方法と反対に開始する。

ＩＶ．製造物品例
本明細書で開示、検討した傾斜機能材料の例を様々な用途で使用することができる。限定されないが、放熱材料に関連する用途で例示的な傾斜機能材料を使用することができる。例えば、例示的な傾斜機能材料を反応器で使用することができる。いくつかの例において、例示的な傾斜機能材料を融合反応器で使用することができる。いくつかの例において、例示的な傾斜機能材料をプラズマ対向機器と用いることができる。

Ｖ．実験例
実験産物の例を計算的に評価し、結果を以下に検討する。
ＲＡＦＭ鋼及びＷ終点間の擬２元平衡計算は、脆いラーベス及びミュー相がすべての中間組成を超えて大きな相分画で安定することができることを示した。これらの有害相が不安定であるかどうかを決定するため、第３合金化元素の制御された添加を調査した。ＲＡＦＭ鋼及びＷ間の中間融点を有する元素のうち、検討される多くの選択肢がある（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｖ、Ｒｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｏｓ及びＲｅ）。しかし、これらの元素の多くはかなり高価である（Ｒｅ、Ｏｓ、Ｔａ、Ｚｒ）か、又は核融合エネルギー条件下で高レベルの中性子放射化を示す（Ｔｉ、Ｎｂ及びＭｏ）。結果として、目的の系はＣｒ及びＶである。
３元平衡及び擬３元平衡等温図を付加製造のための目的の加工温度で計算した。Ｖ及びＣｒのどちらもミュー及びラーベス相を不安定にすることがわかったが、代わりに脆くもあるシグマ相を安定させることができる。少量のＡｌの添加、又は加工パラメータ（例、温度など）の制御により、Ｖ又はＣｒが鋼に添加されると、シグマ相の形成を回避することができる。単相ｂｃｃＶリッチ又はＣｒリッチ相が一旦安定すると、脆い相がＷ及びＶ／Ｃｒ間の連続固溶体相領域により更に生じることがなければ、Ｗを系に容易に添加することができる。

図４はＴｈｅｒｍｏ－Ｃａｌｃソフトウェアを用いて作製された１１００Ｋ（８２７℃）のＦｅ－９ＣｒからＷの勾配を示す。図のように、タングステン（Ｗ）の量は０質量％から１００質量％まで変化し、ＢＣＣ、ラーベス、及びミュー相にはラベルを付ける。概して、ラーベス及びミュー相が大きな分画で安定していることが図４からわかる。
図５Ａ及び図５Ｂは、２つの異なる酸化物分散強化型低放射化フェライトマルテンサイト鋼及びタングステン間の擬２元平衡等温図を示す。図５Ａにおいて、鋼はＦｅ－９Ｃｒ－１Ｗ－０．５Ｍｎ－０．１Ｃ鋼であり、図５Ｂにおいて、鋼はＦｅ－９Ｃｒ鋼である。図のように、タングステン（Ｗ）量は０質量％から１００質量％まで変化し、様々な相にはラベルを付ける。概して、ラーベス及びミュー相が、特にＷ含有量３０％超について、液相温度未満のすべての温度で安定することが、図５Ａ及び図５Ｂからわかる。
図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ１３００℃及び８００℃の温度におけるクロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）及び鉄（Ｆｅ）の３元系状態図を示す。概して、クロムはラーベス及びミュー相を不安定にすることが、図６Ａ及び図６Ｂからわかる。クロムはシグマ相を安定させることも図６Ａ及び図６Ｂからわかる。
図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ８２６℃及び１３００℃の温度におけるバナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）及び鉄－９Ｃｒ（Ｆｅ－９Ｃｒ）の３元系状態図を示す。概して、バナジウム（Ｖ）はラーベス及びミュー相を不安定にすることが図７Ａ及び図７Ｂからわかる。バナジウムがシグマ相を安定させることも図７Ａ及び図７Ｂからわかる。
図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ８２７℃及び５００℃の温度におけるバナジウム（Ｖ）、アルミニウム（Ａｌ）及びＲＡＦＭ鋼（Ｆｅ－９Ｃｒ－１Ｗ－０．１Ｃ）の３元系状態図を示す。概して、アルミニウム（Ａｌ）はＶ－ＲＡＦＭ系におけるシグマ相を不安定にすることが図８Ａ及び図８Ｂからわかる。
図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ０質量％のアルミニウム及び５質量％のアルミニウムを有するＲＡＦＭ鋼（Ｆｅ－９Ｃｒ－１Ｗ－０．１Ｃ）及びバナジウム（Ｖ）の状態図である。概して、５質量％のアルミニウム（Ａｌ）はＶ－ＲＡＦＭ系におけるシグマ相を不安定にすることが図９Ａ及び図９Ｂからわかる。

本明細書における数値範囲の記載について、同程度の精度間に介在する各数字が考慮される。例えば、６～９の範囲について、６及び９に加えて７及び８の数字が考慮され、６．０～７．０の範囲について、６．０、６．１、６．２、６．３、６．４、６．５、６．６、６．７、６．８、６．９及び７．０の数字が考慮される。別の例について、圧力範囲が周囲圧力及び別の圧力間として記載される場合、周囲圧力である圧力は特に考慮される。

上述の詳細な記載及び添付の実施例は単に説明のためのものであり、開示の範囲を限定するものとして見なされるべきではないことが理解される。開示された実施形態に対する様々な変更及び修正は当業者に明らかであろう。限定されないが、化学構造、置換、誘導体、中間体、合成、組成、製法又は使用方法に関するものなどを含む、このような変更及び修正は、本開示の主旨及び範囲を逸脱することなく行うことができる。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔１〕タングステン系構造及び鋼系構造の間に広がる傾斜体積を含む傾斜機能材料であって、前記傾斜体積が複数の付加製造された層を含み、
前記複数の付加製造された層の少なくとも１つが、バナジウム及びクロムから選択される第３元素を含む、傾斜機能材料。
〔２〕前記傾斜体積が、第３元素勾配を有し、
前記タングステン部分に隣接する付加製造された層における第３元素の質量パーセントが、前記タングステン部分及び前記鋼部分の中間の付加製造された層における第３元素の質量パーセントより低く、
前記鋼部分に隣接する付加製造された層における第３元素の質量パーセントが、前記タングステン部分及び前記鋼部分の中間の前記付加製造された層における第３元素の質量パーセントより低い、前記〔１〕に記載の傾斜機能材料。
〔３〕前記傾斜体積が、２０体積パーセント未満のラーベス相及びミュー相を含む、前記〔１〕又は前記〔２〕に記載の傾斜機能材料。
〔４〕鉄（Ｆｅ）を含む前記複数の付加製造された層の少なくとも１つが、アルミニウムを更に含む、前記〔１〕～〔３〕のいずれか１項に記載の傾斜機能材料。
〔５〕アルミニウムが、前記複数の付加製造された層の少なくとも１つに、１５質量パーセント以下で存在する、前記〔４〕に記載の傾斜機能材料。
〔６〕鉄（Ｆｅ）を含む前記付加製造された層が、２０体積パーセント未満のシグマ相を含む、前記〔４〕又は前記〔５〕に記載の傾斜機能材料。
〔７〕前記第３元素が、前記複数の付加製造された層の少なくとも１つに、８０質量パーセント以上で存在する、前記〔１〕～〔６〕のいずれか１項に記載の傾斜機能材料。
〔８〕前記複数の付加製造された層のいずれも、鋼及びタングステンの両方を含まない、前記〔１〕～〔７〕のいずれか１項に記載の傾斜機能材料。
〔９〕前記鋼部分が、酸化物分散強化型低放射化フェライトマルテンサイト（ＲＡＦＭ）鋼を含む、前記〔１〕～〔８〕のいずれか１項に記載の傾斜機能材料。
〔１０〕第１終点材料及び第２終点材料に隣接する傾斜機能材料を作製する方法であって、
第１組の層を連続して作製する工程であって、前記第１組の層における各連続層が、前記第１終点材料を減少する量で含み、かつ第３元素を増加する量で含む、工程と；
８０質量％以上の前記第３元素、並びに１０質量％未満の前記第１終点材料及び／又は前記第２終点材料を含む層を作製する工程と；
第２組の層を連続して作製する工程であって、前記第２組の層における各連続層が、前記第２終点材料を増加する量で含み、かつ前記第３元素を減少する量で含む、工程と、
を含み、前記第１終点材料又は前記第２終点材料のどちらかがタングステン（Ｗ）を含む、方法。
〔１１〕前記第３元素がバナジウム（Ｖ）又はクロム（Ｃｒ）のどちらかを含む、前記〔１０〕に記載の方法。
〔１２〕前記第１終点材料又は前記第２終点材料のどちらかが鋼合金を含む、前記〔１１〕に記載の方法。
〔１３〕前記第１終点材料が、前記鋼合金であり、前記第１組の層の少なくとも１つの層が、第４元素を含む、前記〔１２〕に記載の方法。
〔１４〕前記第４元素が、アルミニウム（Ａｌ）であり；
前記第１組の層の任意の層におけるアルミニウム（Ａｌ）の最大量が、１５質量％以下である、前記〔１３〕に記載の方法。
〔１５〕タングステン（Ｗ）の量が、前記第２組の層における隣接層間で直線的に変化する、前記〔１０〕に記載の方法。
〔１６〕タングステンを含むプラズマ対向反応器部分；
前記プラズマ対向反応器部分の少なくとも一部を囲む放熱部分；並びに
前記プラズマ対向反応器部分及び前記放熱部分の間に広がる傾斜体積を含む、プラズマ対向機器であって、
前記傾斜体積が、複数の付加製造された層を含み；
前記複数の付加製造された層の少なくとも１つが、バナジウム及びクロムから選択される第３元素を含む、プラズマ対向機器。
〔１７〕前記傾斜体積が、第３元素勾配を有し、
前記プラズマ対向反応器部分に隣接する付加製造された層における第３元素の質量パーセントが、前記プラズマ対向反応器部分及び前記放熱部分の中間の付加製造された層における第３元素の質量パーセントより低く；
前記放熱部分に隣接する付加製造された層における第３元素の質量パーセントが、前記プラズマ対向反応器部分及び前記放熱部分の中間の前記付加製造された層における第３元素の質量パーセントより低い、前記〔１６〕に記載のプラズマ対向機器。
〔１８〕前記傾斜体積が、２０体積パーセント未満のラーベス相及びミュー相を含み；
鉄（Ｆｅ）を含む前記複数の付加製造された層の少なくとも１つが、アルミニウムを更に含み；
アルミニウムが、前記複数の付加製造された層の少なくとも１つに、１５質量パーセント以下で存在し；
鉄（Ｆｅ）を含む前記付加製造された層が、２０体積パーセント未満のシグマ相を含む、前記〔１６〕又は前記〔１７〕に記載のプラズマ対向機器。
〔１９〕前記第３元素が、前記複数の付加製造された層の少なくとも１つに、８０質量パーセント以上で存在し；前記複数の付加製造された層のいずれも、鋼及びタングステンの両方を含まない、前記〔１６〕～〔１８〕のいずれか１項に記載のプラズマ対向機器。
〔２０〕前記放熱部分が、酸化物分散強化型低放射化フェライトマルテンサイト（ＲＡＦＭ）鋼を含む、前記〔１６〕～〔１９〕のいずれか１項に記載のプラズマ対向機器。

Claims

タングステン系構造及び鋼系構造の間に広がる傾斜体積を含む傾斜機能材料であって、前記傾斜体積が複数の付加製造された層を含み、
前記複数の付加製造された層の少なくとも１つが、バナジウム及びクロムから選択される第３元素を含み、
鉄（Ｆｅ）を含む前記複数の付加製造された層の少なくとも１つが、アルミニウムを更に含む、傾斜機能材料。
前記傾斜体積が、第３元素勾配を有し、
前記タングステン部分に隣接する付加製造された層における第３元素の質量パーセントが、前記タングステン部分及び前記鋼部分の中間の付加製造された層における第３元素の質量パーセントより低く、
前記鋼部分に隣接する付加製造された層における第３元素の質量パーセントが、前記タングステン部分及び前記鋼部分の中間の前記付加製造された層における第３元素の質量パーセントより低い、請求項１に記載の傾斜機能材料。
前記傾斜体積が、２０体積パーセント未満のラーベス相及びミュー相を含む、請求項１又は請求項２に記載の傾斜機能材料。
アルミニウムが、前記複数の付加製造された層の少なくとも１つに、１５質量パーセント以下で存在する、請求項１に記載の傾斜機能材料。
鉄（Ｆｅ）を含む前記付加製造された層が、２０体積パーセント未満のシグマ相を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の傾斜機能材料。
前記第３元素が、前記複数の付加製造された層の少なくとも１つに、８０質量パーセント以上で存在する、請求項１～５のいずれか１項に記載の傾斜機能材料。
前記複数の付加製造された層のいずれも、鋼及びタングステンの両方を含まない、請求項１～６のいずれか１項に記載の傾斜機能材料。
前記鋼部分が、酸化物分散強化型低放射化フェライトマルテンサイト（ＲＡＦＭ）鋼を含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の傾斜機能材料。
第１終点材料及び第２終点材料に隣接する傾斜機能材料を作製する方法であって、
第１組の層を連続して作製する工程であって、前記第１組の層における各連続層が、前記第１終点材料を減少する量で含み、かつ第３元素を増加する量で含む、工程と；
８０質量％以上の前記第３元素、並びに１０質量％未満の前記第１終点材料及び／又は前記第２終点材料を含む層を作製する工程と；
第２組の層を連続して作製する工程であって、前記第２組の層における各連続層が、前記第２終点材料を増加する量で含み、かつ前記第３元素を減少する量で含む、工程と、
を含み、前記第１終点材料及び前記第２終点材料の一方がタングステン（Ｗ）を含み、他方が鋼合金を含み、
鉄（Ｆｅ）を含む前記層の少なくとも１つが、アルミニウムを更に含み、
前記第３元素が、バナジウム（Ｖ）又はクロム（Ｃｒ）のどちらかを含む、方法。
前記第１終点材料が、前記鋼合金であり、前記第１組の層の少なくとも１つの層が、アルミニウム（Ａｌ）を含む、請求項９に記載の方法。
前記第１組の層の任意の層におけるアルミニウム（Ａｌ）の最大量が、１５質量％以下である、請求項１０に記載の方法。
タングステン（Ｗ）の量が、前記第２組の層における隣接層間で直線的に変化する、請求項９に記載の方法。
タングステンを含むプラズマ対向反応器部分；
前記プラズマ対向反応器部分の少なくとも一部を囲み、鋼を含む放熱部分；並びに
前記プラズマ対向反応器部分及び前記放熱部分の間に広がる傾斜体積を含む、プラズマ対向機器であって、
前記傾斜体積が、複数の付加製造された層を含み；
前記複数の付加製造された層の少なくとも１つが、バナジウム及びクロムから選択される第３元素を含み、
鉄（Ｆｅ）を含む前記複数の付加製造された層の少なくとも１つが、アルミニウムを更に含む、プラズマ対向機器。
前記傾斜体積が、第３元素勾配を有し、
前記プラズマ対向反応器部分に隣接する付加製造された層における第３元素の質量パーセントが、前記プラズマ対向反応器部分及び前記放熱部分の中間の付加製造された層における第３元素の質量パーセントより低く；
前記放熱部分に隣接する付加製造された層における第３元素の質量パーセントが、前記プラズマ対向反応器部分及び前記放熱部分の中間の前記付加製造された層における第３元素の質量パーセントより低い、請求項１３に記載のプラズマ対向機器。
前記傾斜体積が、２０体積パーセント未満のラーベス相及びミュー相を含み；
アルミニウムが、前記複数の付加製造された層の少なくとも１つに、１５質量パーセント以下で存在し；
鉄（Ｆｅ）を含む前記付加製造された層が、２０体積パーセント未満のシグマ相を含む、請求項１３又は請求項１４に記載のプラズマ対向機器。
前記第３元素が、前記複数の付加製造された層の少なくとも１つに、８０質量パーセント以上で存在し；前記複数の付加製造された層のいずれも、鋼及びタングステンの両方を含まない、請求項１３～１５のいずれか１項に記載のプラズマ対向機器。
前記放熱部分が、酸化物分散強化型低放射化フェライトマルテンサイト（ＲＡＦＭ）鋼を含む、請求項１３～１６のいずれか１項に記載のプラズマ対向機器。