JPH01312015A - 熱膨張調整部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、異種材料の接合において、接合界面およびそ
の近傍の熱応力を緩和する熱膨張調整部材の製造方法に
関する。

（従来の技術） 核融合炉では、炉内プラズマ中の不純物制御あるいはヘ
リウムカスの壮気のために、ダイバータ板が設けられて
いる。このダイバータ板はプラズマから高熱負荷と高粒
子負荷を受けるため、スパッタリング防止及びディスラ
プション時の溶融防止用の保護部材とそれを冷却するた
めの熱吸収用冷却部材から構成された二層構造が採用さ
れている。

保護部材は通常高融点、高熱伝導率の耐熱材料であるタ
ングステン（以下Ｗとする。）、モリブデン（以下Ｍｏ
とする）及びそれらの合金系等、更にはセラミックス等
で構成される。

一方熱吸収用冷却部月としては、冷却性能に優れている
８（以下Ｃｕとする）あるいはその合金系が用いられて
いる。保護部材と冷却部材の接合は、熱伝導性に優れて
いるろう接合あるいは拡散接合によって二層構造化され
ていた。

ＷあるいはＭＯの１０００°Ｃ以下における熱膨張係数
は、４．５−５．５　Ｘ　１０−６／　”Ｃと小さい。

一方Ｃｕ及びその合金系では、１６〜１７　Ｘ　］、０
””　／　℃と大きいために、Ｗ、Ｍｏへの熱負荷に伴
い、両部利の接合部には、これらの熱膨張係数の差に起
因する熱応力が熱負荷の繰返しごとに発生し、この接合
部の熱疲労破壊が重大な問題になる。

またダイバータ板と類似の機能が要求され構造部品とし
て、核融合炉内のプラズマを加熱する中性粒子入射加熱
装置に設ける受熱板がある。

これらの二層構造の熱疲労破壊を防止するための対策と
して、例えば、保護部材と冷却部材間に両部材の熱膨張
係数の中間材料から成る部材、いわゆる熱膨張調整部材
を挿入し、接合する方法や、熱特性及び強度特性を改良
したろう材を使用する方法がある。

この熱膨張調整部材としては、Ｃｕと炭素繊維（以下Ｃ
（ｆ）とする）との複合相（以下Ｃ（ｆ）　／　ＣＵ複
合材とする）（特開昭５９−１５１４３７号公報参照）
、ＣｕとＷ繊維（以下Ｗ　（ｆ）とする）との複合月（
以下Ｗ　（ｆ）　／　Ｃｕ複合材とする）等が用いられ
ている。

前者のＣ（ｆ）　／　ｃ　ｕ複合材はＣ（ｆ）の熱伝導
率が小さいため、二層構造としての冷却性能か悪くなり
、このため、保護部材の温度が」−昇するという欠点が
ある。そして、後者のＷ　（ｆ）　／　Ｃｕ複合材は、
Ｗ（ｆ）の熱伝導率が良いため、接合部での熱伝導性が
悪くなるということはない。

次にＷ　（ｆ）　／　Ｃｕ複合材の製造方法の従来例に
ついて第８図（ａＬ　（ｂ）、　（Ｃ）を参照して説明
する。

直径０．５ｍｍ以下のＷ（ｆ）（１）を用いて、横線（
Ｉａ）。

縦線（１ｂ）から成る金網を作る（第８図（ａ））。次
に金網とＣｕの１板（２）を所定の形状に切断し、それ
らを交互に重ね（第８図（ｂ））、ホントプレス等を用
いて、高温、加圧条件下で、ＣｕＭ板■板上同士散接合
して、Ｗ（ｆ）とＣｕを完全に複合化する（第８図（Ｃ
））。

このようにして製造したＷ　（ｆ）　／　ＣＬｌ複合材
の課題は以下に示す通りである。

（発明が解決しようとする課題） 従来のＷ　（ｆ）　／　Ｃｕ材料の課題は、第８図（ａ
）の金網の製造において、Ｗ　（ｆ）の剛性が大きいた
めＷ（ｆ）を密に織布することができない。このため金
網の体積率（Ｗ　（ｆ　）　／　ｃ　ｕ複合材てＷの占
める割合）を１５％以上にすることは、Ｗ　（ｆ）の径
の大小に関係なく、殆んど不可能である。

従って、Ｗ（ｆ）／Ｃｕ複合材の熱膨張係数の可変範囲
も限定され、約１３　ｘ　１０−’　／　’Ｃ以下の調
整部＋４を得ることができなかった。またＷ（ｆ）同士
が交差しているため、加圧製造中に変形し、細くなるた
め熱負荷時の変形（伸び）により破壊の起点となること
もあった。また第８図（ａ）に示す織布とは異なり、一
方向織布のＷ（ｆ）を用いた場合は、その製造方法が難
しく、Ｗ　（ｆ）を均一に配列したＷ（ｆ）／Ｃｕ複合
材を得ることができないという欠点があった。

本発明の目的は、高温の保護材（例えばＷ）と低温の冷
却材（例えばＣｕ）との結合部に分村させる熱変形に対
して強い熱膨張調整部材を製造する方法を提供すること
にある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために、熱膨張係数の異な
る材料の接合部に介在させ、接合界面およびその近傍の
熱応力を緩和させる熱膨張調整部材の製造方法において
、熱膨張係数の異なる粉末材料の混合比を変え、粉末冶
金法によって複合化した複数種類のビレットから薄板状
の複合材を製造し、この薄板状複合材を熱膨張係数の大
小の順に重ね、高温、加圧状態で一体に複合化すること
によって、熱膨張調整部材の熱膨張係数を段階的に変化
させる。

（作　用） 上記のように構成された熱膨張調整部材を熱膨張係数の
異なる保護部側（例えばＷ）と冷却部材（例えばＣｕ　
）との間にろう付は等により接合介在させた場合、熱膨
張係数が段階的に変化する傾斜機能を有することになる
ので、熱変形に対して順応性の強い熱膨張調整部材の製
造方法となる。

（実施例） 以下本発明の第１の実施例について第１図ないし第５図
を参照して説明する。

本実施例では、マＩ〜リックス金属としてＣｕを用い、
調整＋４としてＷを用いてＷ　／　Ｃｕ複合相を製造す
る。第１図にＷの体積率（Ｖｆ）を３０％、５０％。

７０％に変えた薄板状のＷ　／　Ｃｕ複合４’Ｊ’（１
７ａ−’Ｃ）の製造工程を示す。５０μｍ径以下のＣｕ
粉末（］０）と３〜６　ｆｔｍ径のＷ粉末（１１）を用
いて、目標とするＷの体積率か得ら才しる量に粉末調製
工程（１２）を行い、メカニカルアロイング法によって
、Ｃｕ粉末とＷ粉末を混合する混合工程（］３）を行っ
た後、低温成形工程（］４）を行う。更にＷ　／　Ｃｕ
複合相の結合性の向」−並びに空孔率を小さくするため
に、１０００〜１２００℃の不活性ガス雰囲気で加圧し
て、Ｃｕを溶かして空孔を無くする溶浸処理工程（１５
）を行い、Ｗ　／　Ｃｕの複合相ヒレｙ１〜例えば、エ
ルコナイ１〜（東芝製、商品名）を得る。このようにし
て製造したＷ　／　Ｃｕ複合材のＷの体積率（Ｖｆ）が
異なるビレッ１〜（Ｖｆ＝３０．５０．７０％）をワイ
ヤカット等によって、厚さ０．２−１ｍｍの薄板状のＷ
　／　Ｃｕ複合材（］７）を得る。Ｗ／Ｃｕ複合材（１
７）はＷの体積率（Ｖ：ｆ）によって３０％複合材（１
，７ａ）、　５０％複合材（］、７ｂ）、　７０％複合
材（＋、７ｃ）　と称すことにする。このＷの体積率（
Ｖｆ）の小さいもの即ち３０％複合月（］、７ａ）は熱
膨張係数か大てあり、太きいもの即ち７０％複合材（］
、７ｃ）の熱膨張係数は小てあり、中間のもの即ち５０
％複合材（］、７ｂ）の熱膨張係数は中間である。

Ｗ　／　ＣＩＪ複合１１４（１７ａ−ｃ）をダイバータ
板の冷却部材（１８）として要求されるＣ　ｕブロック
の形状に、それぞれ合せ加工した後、これらの材料表面
を十分脱脂すると共に表面の酸化物等を除去する。次に
第２図に示すように、Ｗ　／　Ｃｕ複合材（１，７ａ−
ｃ）を熱膨張係数の大小の順に重ね、大の方を冷却部材
（１８）に接合するようにホッｌ〜プレス等の金型（２
０）内に配置し、ビス１〜ン（２１，）、ヒータ（２２
）を備えたチャンバ（２３）内にて、真空または不活性
ガス雰囲気で、高温（９００〜１０５０°Ｃ）、高圧（
０，５〜２ｋｇ／飾２）を加えて一体に複合化する。加
圧力及び温度は、Ｗ　／　Ｃ１１複合材同士が結合し、
変形しない条件、更にはＣｕブロックである冷却部材（
１８）とＷ　／　Ｃｕ複合材（１７）が拡散接合される
条件によって決定される。

このようにして製造したＷ　／　Ｃｕ複合材０７）と冷
却部＋！’（１８）の結合体を第３図に示す。そして第
４図に示すようにＷ／Ｃｕ複合月（１７）の］−にＷ製
の保護部材（１９）をろう何部（３０）にてろう付けし
、Ｗ　／　Ｃｕ複合材（１７）をＷとＣｕの間の熱膨張
調整部材として使用する。

次にこの実施例］の作用について説明する。

ダイバータ板の保護部材（１９）のように高熱を受ける
Ｗの板側にはＷの体積率（Ｖｆ）が大きい７０％複合材
（１，７ｃ）を配置し、冷却部材（′１．Ｓ）のようし
こ低温にするＣ　ｕのフロック側にはＷの体積率が小さ
くＣｕ量の多い３０％複合材（１７ａ）を配置し、それ
らの中間にはＷの体積率（Ｖｆ）が中間の５０％複合材
（１７ｂ）を配置したから、熱膨張調整部材であるＷ　
／　Ｃｕ複合材（１７）は第５図に示すようにＷの体積
率に刻する熱膨張係数か段階的しこ変化する傾斜機能を
イアすることになるので、熱変形に対して順応性の強い
熱膨張調整部材が得られる。即ちろう細部（３０）の近
傍に発生する熱応力を低くすることが可能であるため、
ろう何時に生じる保護部材（］９）のＷの板の外周部の
微細な割れや、熱負荷にはＷとＷ／Ｃｕ複合材間のはく
離と熱疲労による亀裂の発生。

進展を防止することか可能になったばかりでなく、従来
のＷとＣｕとの直接接合では、上記のような割れを防く
ためにば、製造てきる形状の大きさに限界があったが、
熱膨張調整部材であるＷ　／　Ｃｕ複合↓、！’　（１
７）の使用しこより、従来より大きなダイバータ板の製
造か可能になった。

実施例２ 次しこ第２の実施例し３ついて第６１シ］および第７し
１を参照して説明する。。

第１の実施例においては、冷却部材（１８）である銅フ
ロックと−休しこ熱膨張調整部材であるＷ／Ｃｕ複合材
（１７）を製造したか、第２の実施例は単独でＷ　／　
Ｃｕ複合＋、！（１７）を製造しようとするものである
。Ｗ　／　Ｃｕ複合材（］７）を単独で作る場合には、
ホン１−プレス内での温度と使用環境温度の差によるＷ
／Ｃｕ複合材（１７）の変形が生じる。そこで、この変
形Ｊｉｔを予め計算によって予測して、第６図に示すよ
うな球面状の湾曲面付型板（２４）を用いてＷ　／　Ｃ
ｕ複合材の−・体結合を行う。

このようにすると、第７図に示すように使用温度におい
て平板状になり、変形の少ないＷ　／　Ｃｕ複合材を得
ることができる。

なお、」−記各実施例ではＷとＣｕの複合化を行ったが
、Ｗの代りにＭ　ｏ　、炭素等の粉末あるいは短繊維を
用い、Ｃｕの代りに銅合金あるいはステンレス鋼等の粉
末を用いても、同様の効果を得ることかできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、熱膨張係数の異
なる粉末材料の混合比を変え、粉末冶金法によって複合
化した複数種類のビレツ１へから薄板状の複合材を製造
し、この薄板状複合材を熱膨張係数の大小の順に重ね、
高温、加圧状態で一体に複合化することによって、熱膨
張係数を段階的に変化させることが可能な熱膨張調整部
材を得ることが可能になった。

これにより異種材料の接合時における接合界面近傍の割
れの発生が防止でき、且つ熱負荷に対する熱疲労特性が
一層向上し、この結果核融合炉装置痔の信頼性がより白
子した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱膨張調整部材の製造方法の第１の実
施例の熱膨張係数の異なる薄板状複合相を製造する工程
図、第２図は第１図の工程によって得た各種複合材を一
体に複合化すると共に冷却部材に接合する状態を示す縦
断面図、第３図は第２図の方法によって製造された冷却
部Ｈ熱膨張調整部材を示す斜視図、第４図は第３Ｍの冷
却部材付熱膨張調整部材に保護部材をろう付けした状態
を示す斜視図、第５図はタングステン（Ｖ、７）と銅（
Ｃｕ）の複合材のタングステンの体積率（＼＋ｆ）に対
する複合月の熱膨張係数（α）の変化を示す曲線図、第
６図は第２の実施例の熱膨張調整部材を単独で製造する
状態を示す縦断面し１、第７し１は第６図で製造した熱
膨張調整部材の使用温度における形状を示す斜視図、第
８図（ａ）は従来例に使用するタングステン繊維の金網
を示す上面図、第８図（ｂ）は第８図（ａ）の金網とＣ
ｕ薄板とを交互に重ねた状態を示す立面図、第８図（ｃ
）は第８図（ｂ）のものを高温加圧により複合化した状
態を示す斜視図である。 １０・・熱膨張係数の異なる粉末材料であるＣｕ粉末１
１・・熱膨張係数の異なる粉末材料であるＷ粉末１７・
熱膨張調整部材であるＷ／Ｃｕ複合材代理人　弁理士　
　大　胡　典　夫 ｄ、ｊＤ　　　　　　　　　　　　　　　Ｎ　　　−１
〜 小も ８　　　、＋− ○　　ぢ　　− ＼　０　　≧

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 熱膨張係数の異なる材料の接合部に介在させ、接合界面
   およびその近傍の熱応力を緩和させる熱膨張調整部材の
   製造方法において、熱膨張係数の異なる粉末材料の混合
   比を変え、粉末冶金法によって複合化した複数種類のビ
   レットから薄板状の複合材を製造し、この薄板状複合材
   を熱膨張係数の大小の順に重ね、高温、加圧状態で一体
   に複合化することによって、熱膨張係数を段階的に変化
   させることを特徴とする熱膨張調整部材の製造方法。