JPS62169077A

JPS62169077A - 核融合炉用構造材料およびその製造方法

Info

Publication number: JPS62169077A
Application number: JP61009846A
Authority: JP
Inventors: 福原　由雄; 深沢　美治
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-01-22
Filing date: 1986-01-22
Publication date: 1987-07-25

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】［発明の技術分野］本発明は核融合炉用構造材料およびその製造方法に関し
、さらに詳しくは、表面に緻密かつ密着性の良好な高温
強度に優れたセラミックス被覆層を有する核融合炉用構
造材料と、該構造材料を高い製造効率で製造する方法に
関する。

［発明の技術的背景とその問題点］核融合炉用構造材料としては、例えば、タングステン（
Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属、およびグ
ラファイト、鉄（Ｆ　ｅ）もしくはニッケル（Ｎｉ）基
合金などがそれぞれ各構成部の機能に応じて選択され実
用に供されている。

そして、これらの構造材料は、プラズマによる汚染を避
けるために、その表面が耐熱性のセラミックスなどで被
覆されていることが一般的であり、従来、かかるセラミ
ックス被覆層は、ＣＶＤ法を適用して形成されていた。

ところが、ＣＶＤ法を適用してセラミックス被覆層を形
成する場合、被覆層の形成速度が極めて遅いため、製造
時間が不可避的に長大化し、製造効率の低下を余儀なく
されていた。また、ＣＶＤ法は極めて緻密な被覆層が得
られる反面、操作が繁雑であるという問題があった。

［発明の目的コ本発明は、従来のかかる問題を解消し、緻密で、密着性
の良好なセラミックス被覆層を有する核融合炉用構造材
料と、それを簡易な工程により、高効率で製造しうる方
法の提供を目的とする。

［発明の概要］本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねる
中で、種々の被覆層形成方法のうち、溶射法は作業性よ
く短時間で厚膜を形成できるという利点を有しているた
め、工程的には上記した本発明の目的に添うものである
ことを見出した。しかし、この方法によると得られたセ
ラミックス層がポーラスであって被覆層としての充分な
機能を果たすことができないという不都合がある。

そこで１本発明者らは、溶射法のうち、とくに、低圧溶
射法、すなわち、低圧の不活性ガス雰囲気中での溶剤法
を適用すれば、前述した溶射法の工程的な利点を充分生
かしながら、しかも緻密で健全度の高い被覆を得ること
ができるものと考え、その最適条件、とくに不活性ガス
の圧力を見出して本発明を完成した。

すなわち、本発明の核融合炉用構造材料は、基材と、該
基材表面に形成されたセラミックスよりなる被覆層とか
らなる核融合炉用構造材料であって、該被覆層が、対理
論密度比８５％以上のセラミックス溶射層であることを
特徴とし、その製造方法は、基材表面に、圧力５０〜５
００丁ｏｒｒの不活性ガス雰囲気で行なう溶射法を適用
してセラミックス層を形成する工程を含むことを特徴と
する。

本発明の核融合炉用構造材料において、基材としてはと
くに限定されないが、例えばタングステン、モリブデン
あるいはグラファイトなどが好適である。また、このよ
うな基材表面に形成される被覆層の材料としては、セラ
ミックスであれば、とくに限定されるものではないが、
高温強度に優れたものであることが好ましく、具体的に
は、Ｓ　ｉ３　Ｎ４　、ＡＪＩＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ，Ｚ
ｒＯ２などをあげることができ、これらのうち１種、あ
るいは２種以上を積層して使用することができる。

そして、かかる被覆層は対理論密度比が８５％以上の溶
射層として形成されている。この対理論密度比が８５％
未満であると、上述した構造材基材がプラズマによる熱
衝撃により汚染されるなど被ＹｍＦＥとしての機能を充
分に果たすことができなくなってしまう。また、この被
覆層は後述するように低圧溶射法を適用して形成される
ものであって、その層厚はとくに限定されるものではな
いが、通常は０．５〜５ｍｍ程度である。

ついで、本発明の核融合炉用構造材料の製造方法につい
て説明する。

本発明方法は基材表面に、低圧溶射法を適用してセラミ
ックス被覆層を形成する工程を骨子とするものであるが
、この溶射工程に先立ち、基材表面に例えば粗面化処理
を施しておくと、被覆層と基材との密着性と高めるうえ
で好ましい。具体的には、エツチングなどの化学的方法
や、機械的研摩方法、例えば、２０〜７０メツシユのＡ
党、０３粉末を使用して、ブラスト圧３〜１０ｋｇ／Ｃ
ｍ２程度で行なうブラスト処理方法などを適用すること
ができる。なお、このホーニング処理のあとに、超音波
洗浄およびＨ２雰囲気下での熱処理などを適用して基材
表面を清浄化しておくことが好ましい。

続く低圧溶射工程は、上述したセラミックスの粉末を原
料粉末として使用し、低圧の不活性ガス雰囲気中で行な
われる。このとき使用される不活性ガスの種類は例えば
、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａ　ｒ）あるいはこれ
らの混合ガスをあげることができる。この不活性ガスの
圧力は、５０〜５００　Ｔｏｒｒ、好ましくは２００〜
３００Ｔｏｒｒに設定する必要がある。このガス圧が５
ＱＴｏｒｒ未満である場合には溶射に用いるキャリアガ
スが充分に使用できなくなったり、原料粉末の飛散を招
くことになり、一方、５００Ｔｏｒｒを超えると溶射層
内の緻密性が低下する。さらに、原料粉末としては粒度
が２０−１００μｍ程度のものを使用することが好まし
い。

具体的には、この工程は低圧溶射装置を使用して実施す
ることができる。すなわち、まず、チャンバー内を排気
して、０　、　Ｉ　Ｔｏｒｒ以下の真空にし、ついで、
雰囲気ガスである不活性ガスを注入して所定の圧にする
。そして、プラズマアークガスとしてＡｒガスを溶射ガ
ンに導入し、溶射ガンでプラズマアークを発生させると
ともに、粉末供給装置により原料粉末を溶射ガンに供□
給し上記プラズマアークで溶融しつつ、基体表面に溶射
する。なお、このとき基体の表面温度を２００〜８００
℃程度に保持することが好ましい。

さらに、この低圧溶射工程にあっては、上記した如きセ
ラミックスのうち１種よりなる被覆層を形成してもよい
が、まず、最初にＴｉＮ、ＡｆＬＮなど熱膨張係数の大
きなセラミックス被覆層を形成し、ライフ、ソノ上にＳ
　ｉ３　Ｎ４．ＺｒＯ２など熱膨張係数の小さなセラミ
ックス層を形成することにより２層積層構造体とするこ
とも可能である。

かかる低圧溶射工程終了後、セラミックス被覆層が形成
された基材を９００〜１２００°Ｃ程度の温度で熱処理
することは、被覆層の歪みを緩和し、また被覆層の結合
度を増し、かつ、被覆層と基材との密着性を高める上で
好ましい。また、この熱処理に代えて、セラミックス層
へのレーザ照射などを行なってもよい。

［発明の実施例］実施例１〜３所定形状に加工した表示の基材表面を＃３０のＧＣ砥粒
及び水の混合物を使用し、ブラスト圧７　ｋｇ／　ｃｍ
２の条件でホーニング処理したのち、表示のセラミック
ス粉末を使用し、表示の条件で低圧溶射を行なった。な
お、溶射装置は市販されている通常の低圧溶射装置を使
用し、かつセラミックス粉末はすべて粒度３０〜７５−
１純度９９．５％以上のものであった。また、該工程中
、基材の表面温度は６００℃に保持した。この。

溶射工程終了後に、被覆層の形成された基材を真空中、
９００℃で熱処理した。

このようにして得られた核融合炉用構造材料の被覆層の
対理論密度比（％）を測定し、溶射工程におけるこの層
の成長速度とともに表中に示した。

比較例１〜３セラミックス被覆層の形成方法としてＣＶＤ法を適用し
たことを除いては上記実施例と同様にして構造材料を得
、同様に被覆層の対理論密度比および層成長速度比を表
に示した。

なお、上記実施例および比較例で得られた核融合炉用構
造材料について、それぞれ熱衝撃によるセラミックスの
健全性および製造時の操作性を実施例１を１００として
相対評価し、結果を表に併記した。

［発明の効果コ以上の説明から明らかなように、本発明の核融合炉用構
造材料は、その表面にＣＶＤ法で得られたものと比べて
遜色のない緻密なセラミックス被覆層を有するものであ
り、しかも、その製造方法は、ＣＶＤ法に比べてはるか
に簡易であり、かつ、量産性の高いものであるため、そ
の工業的価値は極めて大である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基材と、該基材表面に形成されたセラミックスよ
りなる被覆層とからなる核融合炉用構造材料であって、
該被覆層が、対理論密度比８５％以上のセラミックス溶
射層であることを特徴とする核融合炉用構造材料。
（２）該セラミックスが、高温強度に優れたセラミック
スである特許請求の範囲第１項に記載の構造材料。
（３）該高温強度に優れたセラミックスが、窒化ケイ素
、窒化アルミニウム、窒化チタン、炭化チタンおよび酸
化ジルコニウムのうち少なくとも１種である特許請求の
範囲第１項に記載の構造材料。
（４）該基材が、タングステンまたは、モリブデンであ
る特許請求の範囲第１項に記載の構造材料。
（５）該基材が、グラファイトである特許請求の範囲第
１項に記載の構造材料。
（６）基材表面に、圧力５０〜５００Ｔｏｒｒの不活性
ガス雰囲気で行なう溶射法を適用してセラミックス層を
形成する工程を含むことを特徴とする核融合炉用構造材
料の製造方法。
（７）該セラミックスが、高温強度に優れたセラミック
スである特許請求の範囲第６項に記載の製造方法。
（８）該高温強度に優れたセラミックスが、窒化ケイ素
、窒化アルミニウム、窒化チタン、炭化チタンおよび酸
化ジルコニウムのうち少なくとも１種である特許請求の
範囲第７項に記載の製造方法。
（９）該基材が、タングステンまたはモリブデンである
特許請求の範囲第６項に記載の製造方法。
（１０）該基材が、グラファイトである特許請求の範囲
第６項に記載の製造方法。