JPH03247574A - 異種材料の接合構造 - 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構造に係り、特に材料の変形や
剥離を生じることが少なく、また製造時および使用時に
クラックを発生することが少ない高強度の複合材料を形
成することが可能な異種材料の接合構造に関する。

（従来の技術） セラミックス焼結体は、従来の金属材料と比較して機械
的強度、耐熱性、耐食性および電気化学的特性に優れて
いるため、近年種々の用途に適用する試みがなされてい
る。しかしながらセラミックス自体は脆弱であるため、
構造用部品を兼ねて単体で使用する場合は、信頼性が低
くなる問題点がある。そのためセラミックス部材および
金属部材などの特性が異なる複数の異種材料を一体に接
合して使用される場合が多い。

例えば、核融合装置内壁材には、耐熱性に優れたセラミ
ックス、黒鉛質材料あるいはタングステンなどの高融点
金属材と、構造部材としての金属材料とを一体に接合し
た複合材料（接合体）が使用される。具体的には核融合
によって発生する高熱を受けるセラミックス材料等の外
側に、銅、ステンレス鋼あるいはアルミニウム合金材料
が冷却部材あるいは構造部材として一体に接合されて上
記複合材料は形成される。

ところが上記セラミックス材料、黒鉛質材料あるいは高
融点金属材料は一般に熱膨脹率が小さい一方、構造部材
としての銅、ステンレス鋼あるいはアルミニウム合金の
熱膨脹率は上記耐熱材料の熱膨脹率の２倍以上と高い。

そのため両材料が高温度に加熱された後に冷却されると
きに、熱膨張差による過大な熱応力が発生し、この熱応
力に起因して耐熱材料のクラックや接合面の剥離等が発
生し易い。

そこでこのような特性の不一致から生じる問題点を解決
するために従来から次のような接合構造が提案されてい
る。

すなわち被接合材料間に両材料の中間の特性を有する材
料を挿入する構造があり、一方の材料から他方の部材に
向って、例えば熱膨脹係数を順次変化させた中間材料を
数枚積層して一体に接合する構造がある。

また特開昭５９−１３７３７８号公報、特開昭６０−２
００８７０号公報あるいは特開昭６１−１１７１６９号
公報に開示されているように、被接合材料の一方あるい
は両方の接合部の全面に多数のスリットを形成し、両材
料の接合面に不連続部を形成する構造が採用される場合
もある。被接合材料の熱変形は上記不連続部において効
果的に吸収され、接合体の熱変形を防止するものである
。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記のような中間材料を挿入する接合構
造および不連続部を形成する接合構造は、主として接合
温度から室温までに冷却する際に発生する、接合材料の
収縮量の差による熱応力を緩和することを目的とするも
のであり、高い熱負荷を受ける接合材料の損傷を防止す
る構造ではない。

すなわち核融合装置内壁材として使用される接合体は数
秒間の間に数Ｋ　ｗ　／　ａｌという高い熱負荷を受け
ることが予想され、このような高い熱負荷を短時間に受
けた場合、上記の冷却時の収縮量の差によって発生する
応力とは異なった応力が接合体の接合部に発生する。こ
の様子を第５図（ａ）。

（ｂ）、（Ｃ）を参照して具体的に説明する。

第５図（ａ）は耐熱材料製の被接合材１と軟質金属製の
被接合材２とを接合部３を介して一体に接合して形成し
た従来の接合体４の状態を示す断面図であり、第５図（
ｂ）は第５図（ａ）の接合体４に高熱を負荷した状態を
示し、被接合材１゜２はともに大きなそり変形を生じ、
特に軟質金属製の被接合材２の接合部近傍に大きな塑性
変形部５が形成される。第５図（Ｃ）は高熱負荷後で温
度が降下したときの接合体４の状態を示し、そり変形は
消失するが接合部３に引張応力発生部６が形成される。

引張応力は接合部３の外周部において特に大きくなって
いる。このような挙動が使用時に多数回繰り返されるた
めに、従来の接合構造の接合体においては、接合部３の
周囲にクラックが発生し易く、短期間内に接合体４が破
壊し易くなる欠点がある。

このような高熱負荷に対して従来の接合構造によっては
、若干の応力緩和効果は期待できるが、クラック発生を
遅らせたり、完全に防止したりするまでの効果は発揮し
得ない状況であった。

また従来の中間材料を複数枚挿入する接合方法では、製
造工程が複雑になるとともに冷却効率が低下し遮熱材と
しての機能が低下してしまう。

方不連続部を形成する接合構造によると、接合面積が減
少するため、同様に冷却効果が悪化し接合体の特性が低
下する問題点があった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、高い熱負荷を繰り返して受ける部位に配設された
場合においてもクラックや変形を発生させることが少な
い異種材料の接合構造を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明に係る異種材料の接合構
造は、強度特性が異なる複数の材料を接合部を介して一
体に接合した異種材料の接合構造において、高強度材料
の接合部外周の少なくとも一部を切欠くことにより接合
部外周に非接合部を形成したことを特徴とする また高強度の材料の非接合部を除いた接合部が他の材料
の接合部に嵌入して構成することもできる。

さらに一方の材料の接合部が他方の材料の接合部に相互
に嵌合して構成してもよい。

（作用） 上記構成に係る異種材料の接合構造によれば、熱負荷を
受ける側の高強度材料の接合部外周の少なくとも一部を
切欠くことにより接合部外周に非接合部が形成されてい
るため、高熱負荷を受けた材料が接合部の外周の非接合
部において自由に変形できる。そのため高強度材料の相
手側の材料に過大な引張応力が作用したり、大きな塑性
変形部が形成されることが少ない。また熱負荷が消滅し
た後に高強度材料が元の形状に復帰したときにも引張応
力等が残留する部位は殆ど形成されないため、クラック
等の発生が少なく接合材料の健全性が効果的に保持され
る。

（実施例） 以下本発明の一実施例について添付図面を参照して説明
する。第１図は本発明の第１実施例を示す断面図である
。第１実施例に係る異種材料の接合構造は、強度特性が
異なる２種の材料、すなわちタングステン製の被接合材
７と銅製の基材８とを接合部９を介して一体に接合した
異種材料の接合構造において、高強度の被接合材７の接
合部外周を切欠くことにより接合部９の外周に非接合部
１０を形成して構成される。

上記構造を有する接合体４ａによれば、高熱負荷を受け
る側の高強度の被接合材７の周囲に非接合部１０が形成
されているため、被接合材７全体が高熱負荷を受けてそ
りを生じた場合においても、被接合材７の周囲が自由に
変形を起こすことが可能であり、その変形によって基材
８側に応力が作用するおそれは少ない。すなわち基材８
の接合部には第５図（ｂ）に示すような大きな塑性変形
部５を生じるおそれはない。また熱負荷が除去されて被
接合材７に生じていたそりが消滅した時点で、接合部９
に残留する引張応力がほとんど観察されなかった。した
がって変形やクラックの発生が少ない高強度の接合体を
得ることができる。

次に本発明に係る第２実施例について第２図を参照して
説明する。第２図に示す異種材料の接合構造は、縦横３
０−１厚さ６−の純タングステン製の耐熱材１１と、縦
横３０−１厚さ２５肛の無酸素銅製の冷却ブロック材１
２とを銀ろう付は接合して形成される。耐熱材１１の接
合部周囲は斜めに削除されて非接合部１０ａを形成して
いる。

また耐熱材１１の非接合部１０ａを除いた接合部１３は
、冷却ブロック１２の接合部に深さ２０程度に嵌入され
ている。耐熱材１１の底面接合部１３ａおよび側面接合
部１３ｂは冷却ブロック材１２上面の凹陥部に銀ろう付
によって固定される。

第２図に示す接合構造によれば、高熱負荷によってそり
変形を繰り返す耐熱材１１の接合部周囲に非接合部１０
ａを設けているため、耐熱材１１のそり変形が生じた場
合においても、変形による変位が非接合部１０ａによっ
て吸収される結果、その変形作用が冷却ブロック材１２
に及ぶことがない。そのため、耐熱材１１がそり変形を
繰り返しても接合部周囲に熱応力が残留することが少な
く、接合体にクラックが発生したり、剥離を生じること
が効果的に防止される。

なお本実施例程度の寸法の耐熱材を使用する場合、従来
接合部の周縁から１〜５ｍｍ程度の領域がそり変形の影
響を大きく受ける領域となる。したがって非接合部１０
ａの面取り幅は１〜５ｍｍ程度で充分である。

特に本実施例では耐熱材１１の下端接合部を冷却ブロッ
ク材１２に一部を嵌入した構造としているため、耐熱材
１１がそり変形して冷却ブロック材１２から引き剥され
る力が発生した場合においても、耐熱材１１の側面接合
部１３ｂは剪断力成分を多く含んだ応力を受けることに
なり、引き剥す力が減殺される。その結果、剥離しにく
い高強度の接合体を形成することができる。

次に本発明の第３実施例について第３図を参照して説明
する。第３図に示す異種材料の接合構造は第２図に示す
第２実施例において、さらに冷却ブロック材１２ａ内部
に直径１５肛の冷却管１４を挿通させたものであり、他
の構成要素は第２実施例と同一である。

上記接合構造を有する接合体の冷却管１４に冷却媒体を
流通させながら、耐熱材１１の上面から熱負荷を繰り返
し加えた。熱負荷条件は１〜３Ｋｖ／ｃｎｆ、負荷時間
０．５〜１秒、負荷間隔３０〜６０秒とした。熱負荷が
加わると耐熱材１１の表面温度は１０００℃以上に達す
る一方、接合部近傍は冷却管１４の冷却効果により２０
０〜３００℃保持された。このような温度差を生じる結
果、耐熱材１１の上面側がより大きく膨脹し、第３図に
おいて破線で示すように、非接合部１０ａ方向に張り出
し、かつ上方に凸形状のそりを生じる。

方、耐熱材１１の下端部は、冷却ブロック材１２ａに嵌
入しているため嵌入部の幅方向への膨脹は拘束される。

このような熱負荷を繰り返して加えた場合においても、
接合体に割れや変形あるいは剥離を生じることが少なか
った。

ところで核融合装置内壁材は、このような熱負荷を数百
回ないし数千回以上繰り返して受けるものであり、この
熱負荷毎に耐熱材のそり変形が繰り返される。したがっ
て本実施例の接合構造を有する接合体によれば、その要
求強度耐性を充分に満足することができる。

次に本発明の第４実施例について第４図を参照して説明
する。本実施例に係る異種材料の接合構造は、縦横４５
ｍｍ、厚さ１０１ｍ１ｌｌのタングステン合金製の耐熱
材１１ａと、縦横４５腿、厚さ３０鵬の銅製の冷却ブロ
ック材１２ｂとを一体的に接合して構成される。また耐
熱材１１ａの接合部が冷却ブロック材１２ｂの接合部に
相互に嵌合するように構成される。すなわち、耐熱材１
１ａの側面には、冷却ブロック材１２ｂとの接合時に非
接合部１０ｂを形成するための断面Ｕ字状の溝１５が形
成される一方、下面には冷却ブロック材１２ｂ上面に突
設したあり１６を嵌入するあり溝１７を設けている。ま
た冷却ブロック材１２ｂには直径１５ｍｍの冷却管１４
が埋設されている。

上記接合構造を有する接合体は、耐熱材１１ａのあり溝
１７に、冷却ブロック材１２ｂのあり１６を嵌入して組
み合せ、さらに非接合部１０ｂにタングステンや銅と接
合しないセラミックス製のスペーサ１８を挿入した状態
で熱間静水圧プレス（ＨＩ　Ｐ）装置に供して高温高圧
条件で一体に接合して形成される。このＨＩＰ処理によ
って冷却ブロック材１２ｂの周縁上部の一部が上記溝１
５内に押し込まれ、食い込み部１９を形成する。ＨＩＰ
処理後にスペーサ１８を溝１５から抜き出すと、鎖部に
非接合部１０ｂが形成される。耐熱材１１ａと冷却ブロ
ック材１２ｂとを相互に嵌入させる深さＤは５〜７ｍｍ
程度に設定される。

このような接合構造を有する接合体は、第１〜第３実施
例の接合体と同様に、大きな熱負荷を受けた場合におい
ても、耐熱材１１ａの周囲に非接合部１０ｂが形成され
ているため、耐熱材１１ａのそり変形は非接合部１０ｂ
において吸収される。

すなわちそり変形を生じても、耐熱材１１ａは冷却ブロ
ック材１２ｂの外周と接触しないため、冷却ブロック材
１２ｂに変形を生じさせるおそれはない。このため大き
な熱衝撃によって耐熱材１１ａが繰り返して変形しても
両材料の接合部９においてクラックを発生することが少
なく、高強度の接合体を得ることができる。

なおＨＩＰ処理前に予め溝１５に挿入するスペーサ１８
としては、セラミックスの他、アルミニウム合金等の軟
質金属あるいは変形が容易なファイバ状の材料を使用し
ても同様な効果が得られる。

また材料の組合せとしては、耐熱高強度材料としてモリ
ブデン等の高融点金属を選択する一方、基材としてアル
ミニウム合金、チタン合金、ステンレス銅、銅基複合材
を使用しても同様の効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明のとおり本発明に係る異種材料の接合構造によ
れば、熱負荷を受ける側の高強度材料の接合部外周の少
なくとも一部を切欠くことにより接合部外周に非接合部
が形成されているため、高熱負荷を受けた材料が接合部
の外周の非接合部において自由に変形できる。そのため
高強度材料の相手側の材料に過大な引張応力が作用した
り、大きな塑性変形部が形成されることが少ない。また
熱負荷が消滅した後に高強度材料が元の形状に復帰した
ときにも引張応力等が残留する部位は殆ど形成されない
ため、クラック等の発生が少なく接合材料の健全性が効
果的に保持される。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明に係る異種材料の接合構造
のそれぞれ第１実施例、第２実施例、第３実施例、第４
実施例を示す断面図、第５図（ａ）（ｂ）、（Ｃ）は従
来の接合構造を有する接合体のそれぞれ接合後、高熱負
荷時および高熱負荷後の状態を示す断面図である。 １．２・・・被接合材、３・・・接合部、４，４ａ・・
・接合体、５・・・塑性変形部、６・・・引張応力発生
部、７・・・被接合材、８・・・基材、９・・・接合部
、１０，１Ｑａ、１０ｂ−非接合部、１１．ｌｌａ・・
・耐熱材、１２．１．２ａ、１２ｂ・・・冷却ブロック
材、１３・・・接合部、１３ａ・・・底面接合部、１−
３ｂ・・・側面接合部、１４・・・冷却管、１５・・・
溝、１６川あり、１７・・・あり溝、１８・・・スペー
サ、１９・・・食い込み部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、強度特性が異なる複数の材料を接合部を介して一体
   に接合した異種材料の接合構造において、高強度材料の
   接合部外周の少なくとも一部を切欠くことにより接合部
   外周に非接合部を形成したことを特徴とする異種材料の
   接合構造。 ２、高強度の材料の非接合部を除いた接合部が他の材料
   の接合部に嵌入してなる請求項１記載の異種材料の接合
   構造。 ３、一方の材料の接合部が他方の材料の接合部に相互に
   嵌合してなる請求項１記載の異種材料の接合構造。