JPS60203436A - 耐高熱負荷複合構造体 - Google Patents

耐高熱負荷複合構造体

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JPS60203436A
JPS60203436A JP5942284A JP5942284A JPS60203436A JP S60203436 A JPS60203436 A JP S60203436A JP 5942284 A JP5942284 A JP 5942284A JP 5942284 A JP5942284 A JP 5942284A JP S60203436 A JPS60203436 A JP S60203436A
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JP
Japan
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composite structure
content
tungsten
high heat
alloy
Prior art date
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Pending
Application number
JP5942284A
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English (en)
Inventor
深沢 美治
辰彦 松本
福原 由雄
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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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、高熱流束負荷を受けても熱応力の発生や変形
などが少なく、しかも熱伝導特性に優れたタングステン
(、)−モリブデン(MO)−銅(Cu)系の耐高熱負
荷複合構造体に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
X線発生装置の対陰極、プラズマ発生装置の不純物除去
板など高温下で高熱流束負荷を受ける部品は、直接高熱
流束負荷を受ける表面部分の部材と、負荷された熱を効
果的に除去して全体を冷却する冷却部分の部材とを接合
した構造より成る複合構造体である。一般に、表面部分
の部材にはX線の発生効率、耐熱性若しくは耐スパツタ
性などの観点からW若しくはW−Re合金が用いられ、
冷却部分の部材には、熱伝導特性が良好であることから
してC,若しくはCu合金が用いられている。
このようなW−Cu複合構造体を構成する際における重
要な問題は、両部材間の接合に関することである。なぜ
ならば、20℃〜600℃における平均熱膨張係数につ
いて見てみると、Wのそれは4.3X10”/℃、Cu
 のそれは14.7 X 10 ””’/℃と両者の間
には大きな差異があり、熱負荷を受けて温度上昇を生じ
たときには両部材の接合部には大きな熱応力が発生する
からである。
一般に両部材の接合方法には、ボルト締めなどの機械的
方法またはろう伺などを用いた冶金的方法がある。
前者の方法の場合には、接合部の形状9間隔などを考慮
して両部材間の熱膨張の差を逃がして熱応力の発生を避
けることは可能である。反面、両部材間の密着度が低下
するため両者間の熱伝達は低下し、効果的な冷却作用が
阻害される。そのため、例えば、プラズマ発生装置にお
いては、プラズマディスラプションなどの発生により大
きな熱負荷が加わった場合には、表面部分の部材(W)
の表面温度が大巾に上昇し、その結果、表面の溶融など
の破損現象が生ずるに至る。
一方、後者の冶金的接合方法によれば、両部材は密着し
て接合されるので当初は熱の除去が有効に行なわれ円滑
な冷却作用を示すが、温度上昇により熱膨張差が増大す
ると接合面には熱応力が発生する。特に間欠的な運転モ
ードをとるトカマク型プラズマ発生装置などにおいては
、上記した熱応力は変動し、さらにそれに加えてプラズ
マからの電磁力も重畳されることにより、接合部のうち
強度の小さい部分に疲労クラックが発生し、成長するに
至る。接合部にこのようなりラックが発生し、成長する
と、この部分では熱伝達の効率が劣化し、L記したと同
様の理由により表面溶融による損傷の発生する虞れがあ
る。
〔発明の目的〕
本発明は、上記した欠点を解消し、接合部における熱応
力の発生が小さく、かつ熱伝導が良好で冷却作用に優れ
たW−Mo−Cu複合構造体の提供を目的とする。
〔発明の概要〕
本発明者らは、上記の欠点が両部材間接合部における熱
伝達の効率の低下により生じ、その低下は両部材間の熱
膨張の差に起因するという事実に着目し、接合部におい
て両部材間の熱膨張差を低減せしめれば上記欠点を解消
し得るとの着想を得、研究を行なった結果、本発明のW
 −Mo−Cu複合構造体を開発するに到った。
すなわち、本発明のW −ki(1−Cu複合構造体は
W部材とCu 部材とを接合して成る複合構造体におい
て、該部材間に、該W部材に接する部分ではM。含有量
が多く、該Cu 部材に接する部分ではCu 含有量の
多いM。−〇〇 合金の層が介在することを特徴とする
ものである。(MO含有量が多いとは純M。である場合
も含む)なお、本発明の複合構造体にあって、W部材と
しては、W牟独でもよいが、実用上はRe を0.2〜
3重諷チ含有するW −Re合金を用いる事が好ましい
。Re は、Wの高温強度を高め、Wの再結晶温度を上
昇させて高熱負荷を受けた状態でWの結晶粒の成長を抑
制して、粗大結晶粒に起因する表面クラックの発生を防
止するために有効であるが、その含有量が0,2重量%
未満の場合には上記効果をもたらさず、また3重量%を
超えて添加しても効果の顕著な向上は認められない。
また、Cu 部材はCu またはCu 合金から構成さ
れる。
さて、本発明の複合構造体における最大の特徴は、W部
材とCu 部材の中間に介在するM6−Cu 合金の層
にある0 該層にあっては、W部材に接する部分ではMo 含有量
が多く(純M。でもよい)、Cu 部材に接する部分で
はCu 含有量が多いことを特徴とする。該層における
M。含有量(またはCu 含有量)は、W部材からCu
 部材までの間で変化するが、この変化は連続的であっ
ても不連続的な段階的なものでもよい。
本発明の複合構造体にあっては、熱膨張係数が大きく異
なる。W部材とCu 部材との中間に、該W部材から該
Cu 部材にかけて、Mo の含有量(またはCu の
含有量)の変化に対応してその熱膨張係数が連続的また
は段階的に変化するMo−Cu の層が介在するので、
両部材間では熱膨張差が緩慢に変化して熱応力の発生が
抑制されることになる。
本発明の複合構造体の態様は次のように2大別される。
第1はM。−Cu の合金層においてMoの含有量(C
u の含有量)が連続的に変化するものである。これは
例えば以下のような方法によって製造される。
まず、Mo の粉末から常法の粉末冶金法によって多孔
構造のM。焼結体の板材を製造する。
このときMo 粉末の圧粉体を焼結する際に杜、W部材
が接合される側を高温で、Cu 部材が接合される側を
それよりも低い温度で焼結すると得られたMo 焼結体
の厚み方向においてはその高温側表面が緻密構造で、低
温側表面にいく程多孔構造になる。すなわち、板材の厚
み方向に多孔度の勾配が形成される0これは、例えば焼
結しようとする圧粉体を高周波加熱などにより加熱され
たWブロック上におき、圧粉体の上部は低温のH,ガス
により冷却するなどの焼結方法により達成することがで
きる。ついでこのM。
焼結体の高温で焼結された側にW板を接着する。
接着方法としてはW板とM。焼結体をMo ペーストを
介在させて加圧加熱して、拡散接合を行う方法、Mo 
焼結体表面にW層を化学蒸着法により形成せしめる方法
などがある。
ついで、このようにして得られたW−M。焼結体複合材
のM。の上にCu またはCu 合金のブロックを載せ
Cu またはCu 合金を溶融する。
融液はM。焼結体の空孔に浸透する。もち論、最初から
M。焼結体表面にCu またはCu 合金の融液を流し
込んでもより。このとき、Mo 焼結体には多孔度の勾
配が形成されているので、融液は該M0 焼結体の低温
側表面では最も多量に、以後、高温側にいくにつれて順
次少量となるようにして空孔部に浸入することになる。
すなわち、Mo を、マトリクスとしその厚み方向では
Cu 含有量が変化しだW−M(1−Cu 複合体が形
成される。
なお、MO−Cu 合金層のMo 含有量(またはCu
 含有量)はM。焼結体の空孔の大小、その孔径分布、
厚み方向における多孔度の勾配などによって規定される
が、それは圧粉時の圧力。
焼結温度およびその分布などによって任意に選定するこ
とができる。
第2はWの板とCu O板またはブロックの間にMO含
有量の異なるM@ −Cu 合金の板の複数枚積層して
介在させ、全体を熱圧ブレスやロク付などの方法により
一体化するものである0このとき、得られた複合構造体
のWとCu 0間に介在する層中においてはMo 含有
量(またはCu 含有量)が段階的に変化することとな
る。
以上の2方法のいずれにおいてもW材とM。
をもっとも多く含有する層との間にさらにW−M。
合金の層を介在させ不こともできる。
〔発明の実施例〕
実施例工。
平均粒径25μmのMo 粉末を所定の金型に充填して
0.5t0n/CI&の圧力を印加して板状圧粉体を成
形した。
ついでH2雰囲気中において、この圧粉体の片面を18
00℃、他面を1350℃の温度に5時間保持し、厚さ
10w′Lの板状焼結体を得た。得られた焼結体の高温
側表面にモリブデンペーストをぬり、厚さ51mのW板
をのせ2ノ多−の圧力を印加し、真空中にて1350℃
の温度で18時間保持し、W板とM。焼結体の接合を行
った。
得られた接合体のMo 側を上にしてカーボン型の中に
収納し、更にこの上にCu ブロックを載置してH7雰
囲気中で1120℃に昇温し、Cuを溶融し、その融液
をMo 焼結体に含浸せしめた。更に、焼結体の上面か
ら高さ25“に相当するCu の融液を加え、全体を冷
却固化したO得られたW −Mo−Cu複合構造体にお
いて、MO焼結体の高温側表面位置でのMo 含有量は
93%(Cu は7チ)、低温側表面位置でのMo 含
有量は55%(Cu は45s)であった0厚さ25w
nのCu 層には径101の水冷用の孔を穿設した。
実施例2 実施例1と同様にして厚さ15“のMo 焼結体を製造
した。この焼結体の高温側表面に1100℃にて、WC
t4+H1+Arの混合気流中で厚み100μmn0W
層を化学蒸着した0ついでこれに実施例1と同様にして
Cu を含浸せしめてW−λ46−Cu複合構造体とし
た。
実施例3 常用のMo 粉末とCu 粉末との混合焼結法およびM
。の圧粉体への溶融Cu の含浸法によってMo 含有
量が90重量%、70:i量饅、55重量%、40重量
%、30重量%である5種類の厚さ各1. s If!
″′のM。−Cu 合金板を製造した。
ついで片面に厚みそれぞれ10μfflと20μmのN
i メッキ層およびCu メッキ層を順次形成した厚さ
7.5”のW板と上記したMO−Cu 合金板を上記し
た順序で積層して、全体に0.5 破−の荷重を加えて
H2雰囲気中、800℃、4時間熱圧プレスし、さらに
その後、上記複合体のCu 含有量の多い側に、径10
”7の冷却水用孔を設けた厚み25”のCu ブロック
をロウ付にて接合し、W−Cu複合構造体とした0比較
例1 実施例3で用いたと同様のW板と所定の冷却水用孔を設
けた厚み32.5Tu′のCu ブロックとの間に厚み
25μmのロウ箔を挾み、全体に0、5 ”/ =の荷
重を加えてH2雰囲気中850℃に加熱してロウ付接合
した。
比較例2 厚さ7.58のW板と比較例1で用いたと同様のCu 
ブロックとをそのまま重ね両者にあけられた孔にNb 
類ボルトを入れて結合した0以上5種類のW 7 M(
1−CuおよびW−Cu複合構造体につき以下の試験を
行なった0すなわち、Cu 板の孔に冷却水(入口温度
20℃)を流しながら、W板の表面に電子ビーム照射に
より500 w/、11の熱流束を連続して加える加熱
試験及び上記熱流束を60秒間加え30秒間休止すると
いう、加熱−冷却を100 回くり返す熱サイクル試験
である。
このときの加熱試験時のW板表面の温度及び熱サイクル
試験後の接合部での剥離など異常発生の有無を調べ、そ
れらを一括して表に記した0表 以下(白 〔発明の効果〕 以上の説明で明らかなように、本発明のW M6 Cu
複合構造体は■反復する高熱流束負荷を受けても接合部
における剥離、クラックなどの発生現象はなく、■しか
も充分効果的に冷却効果が得られるのでその工業的価値
は犬である0

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) タングステン部材と銅部材とを接合して成る複
    合構造体において、該部材間に、該タングステン部材に
    接する部分ではモリブデン含有量が多く、かつ該銅部材
    に接する部分では銅含有量の多いモリブデン−銅合金の
    層が介在することを特徴とする耐高熱負荷複合構造体。
  2. (2)該タングステン部材が粉末冶金法、溶解法もしく
    は表面処理法によって形成されたタングステンあるいは
    タングステン合金である特許請求の範囲第1項記載の耐
    高熱負荷複合構造体。
  3. (3)該タングステン部材が0.2〜3重量−のレニウ
    ムを含有するタングステン−レニウム合金である特許請
    求の範囲第1項記載の耐高熱負荷複合構造体。
JP5942284A 1984-03-29 1984-03-29 耐高熱負荷複合構造体 Pending JPS60203436A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102312186A (zh) * 2010-07-02 2012-01-11 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种提高真空等离子体喷涂钨涂层结合强度的方法
CN103194712A (zh) * 2012-01-09 2013-07-10 中国科学院上海硅酸盐研究所 高导热性的钨铜热沉和电子封装材料及其制备方法

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