JPS6315988B2 - - Google Patents

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JPS6315988B2
JPS6315988B2 JP58034640A JP3464083A JPS6315988B2 JP S6315988 B2 JPS6315988 B2 JP S6315988B2 JP 58034640 A JP58034640 A JP 58034640A JP 3464083 A JP3464083 A JP 3464083A JP S6315988 B2 JPS6315988 B2 JP S6315988B2
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JP
Japan
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titanium carbide
molybdenum
coated
intermediate layer
coating
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JPS59162272A (ja
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Katsuo Fukutomi
Masakazu Fujitsuka
Shigeo Shikama
Hitoshi Shinno
Masatoshi Okada
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KAGAKU GIJUTSUCHO KINZOKU ZAIRYO GIJUTSU KENKYU SHOCHO
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KAGAKU GIJUTSUCHO KINZOKU ZAIRYO GIJUTSU KENKYU SHOCHO
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0635Carbides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0272Deposition of sub-layers, e.g. to promote the adhesion of the main coating
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高温熱安定性に優れた炭化チタン被覆
材料に関する。
我国を始め欧米で建設中のトカマク型核融合炉
臨界試験装置では、黒鉛またはモリブデン上に炭
化チタンを被覆した材料が第一壁要素材として使
用されようとしている。
黒鉛を基材にした炭化チタン被覆材は、高温で
の熱安定性には優れるが、熱除去の点で問題があ
る。この点、高温下で高熱伝導度を有するモリブ
デンなどの高融点金属基材を使つた炭化チタン被
覆材は、受熱能力が大きく核融合炉材料として大
いに期待される。しかしながら、例えばモリブデ
ンの炭化チタン被覆材では、モリブデン基材と炭
化チタンが高温反応を起すことおよびモリブデン
基材上の炭化チタン蒸着膜は欠陥構造を伴ない易
く、Ti−Cの結合性が劣り、高温被覆材料とし
ては、著しく信頼性に欠けている。
本発明の目的は、これらの欠点を除くため基材
側の材質の選択、被膜の積層化により、高温熱安
定性が黒鉛基材なみで且つ冷却性能にすぐれた高
融点金属基材の炭化チタン被覆材料を提供するに
ある。
本発明の要旨は、モリブデン、ニオブなどの融
点が2000℃以上の高融金属材料の表面にタングス
テン又は炭化ほう素の中間層を設け、その上に炭
化チタンを被覆したものからなる高温熱安定性に
優れた炭化チタン被覆材料にある。なお、必要に
応じ、前記中間層の上に更にカーボンまたは黒鉛
の中間層を設けてもよい。
これを詳述すると、基材としては、タングステ
ン中間層または炭化ほう素中間層を設けたモリブ
デン、ニオブなどの融点が2000℃以上の高融点金
属を使用する。高融点金属材料上にタングステン
中間層または炭化ほう素中間層を設ける方法は、
蒸着法、クラツド法など通常の被覆または接合方
法でよいが、密着性の良い層を設けることが肝要
である。タングステンは、その炭化物(W2C)
の生成自由エネルギーが炭化チタンのそれより大
きい。従つて、炭化チタンに接する基材側の材料
として使用すれば、炭化チタンと反応して炭化チ
タン中の炭素原子を反応消費し自身は炭化タング
ステンになるような基材−被膜間の相互反応によ
る劣化が高温で生じない。この様な特長を有する
高融点金属は、タングステンをおいて他にない。
また炭化ほう素は高温で炭化チタンと反応して界
面にほう化チタンと炭素が生成するが、ほう化チ
タン及び炭素は炭化チタンに劣らず高温熱安定性
に優れる物質故に、チタンが遊離揮発して炭化チ
タン膜が消失するような劣化は生じない。
次に、該基材上に直接または更にカーボン、黒
鉛のいずれかの中間層を積層した後に炭化チタン
を被覆する。カーボンまたは黒鉛の中間層を設け
る理由は、これらの層が高温下で炭化チタン被覆
層に炭素原子を供給する炭素源層として期待でき
るためである。拡散供給された炭素原子は、炭化
チタン層の欠陥構造を修復し、Ti−Cの結合力
を強め炭化チタン被膜を高温まで安定化する。
カーボン、黒鉛、炭化ホウ素および炭化チタン
の積層被覆法は、化学蒸着法、イオンプレーテイ
ング、スパツタリングなどの物理蒸着法によるこ
とが好ましい。特に炭化チタンの被覆過程では、
蒸着条件を厳密に制御し、構造欠陥を極力抑えた
成膜とすることが大切である。
本発明による高温熱安定性に優れた炭化チタン
被覆材料を、5×10-6トール、2000℃の高真空、
高温下に曝した結果、従来のモリブデンに直接被
覆した炭化チタン被覆材では、著しい蒸発減少と
表面状態の変化および界面の反応層生成による劣
化が伴うのに対し、炭化チタン被膜の再結晶は認
められるものの重量減少、拡散劣化ともに顕著に
抑制され、高温熱安定性に極めて優れていること
が確認された。
本発明の高融点金属の炭化チタン被覆材料は、
核融合炉臨界試験装置の第一壁材料としてはもと
より、炉心プラズマ温度が一段と高くなる“次期
装置”で高温強度、冷却性能の面から、第一壁材
料として有効であると考えられる。また、真空機
器とりわけ高温に曝される電子ビーム銃周辺材
料、宇宙工学材料などの高真空、高温下で使用す
る耐熱、耐磨耗材料としても使用可能である。
以上のように優れた材料性能を有している。
実施例 1 予めタングステン層を設けたモリブデン基材上
に炭化チタン層を積層した被覆材料。
モリブデン材にマグネトロン・スパツタリング
法によりタングステン層を5〜20μmの厚さに被
覆した。該基材をイオンプレーテイング装置内に
とり付けた。装置内を十分に排気し、超高純度ア
ルゴンガスを約10-2トールまで入れ、基材下方に
設けた高周波コイルを介して電力約200Wを投入
しグロー放電を誘起させた。一方基材に約−
0.6KVのバイアス電圧を印加し、イオン化したア
ルゴンを基材表面に衝撃し、スパツタさせて表面
を清浄にした。しかる後、イオンプレーテイング
装置内を10-6トール台に排気後、電子ビーム約
1KWで水冷ルツボ中のチタンを溶融蒸発させる
と同時にアセチレンガスを導入し、全反応圧力を
5×10-4〜1×10-3トールに保つた。ルツボ近傍
に設けた補助電極に直流+90Vを印加して放電を
誘起させると同時に、基材直下に設けたシヤツタ
ーを開き蒸着を開始し、その際基材は700℃に加
熱し且つ200Vの負のバイアス電圧を印加してお
いた。蒸着時間は1時間で10〜15μmの炭化チタ
ン被覆層を得た。その結果を第1図および第2図
に基いて説明する。
第1図の2はモリブデン基材上に炭化チタンを
直接被覆した従来の材料であるが、5×10-6トー
ルの真空下で加熱試験温度1600℃から炭化チタン
被膜の厚みが急激に減少する。これに対し、1の
タングステン中間層を設けた基板上の炭化チタン
被膜は2000℃まで殆んど膜厚に変化が生じない。
被覆材断面のX線マイクロアナライザー分析の
結果、2では被膜と基材界面にモリブデン炭化物
が生成していくと同時にチタンが揮発損耗するに
対し、1ではタングステン層が界面反応の有効な
障壁となり炭化チタン層が安定に存在し得ること
が確認された。
また第2図のaはモリブデン上に炭化チタンを
被覆した直後の表面の顕微鏡写真である。bは同
被覆材を5×10-6トール中で2000℃に30分加熱試
験した後の表面状態を示す。
一方cはタングステン中間層を被覆したモリブ
デン基材上に炭化チタンを積層した材料のbと同
一試験後の表面状態を示す。炭化チタンの再結晶
による粒界が現われてくるが、従来材bと比較し
て炭化チタン被膜の安定性が顕著に改善されてい
ることがわかる。
実施例 2 予めタングステン層を設けたモリブデン上に更
に炭素膜を付与しその後炭化チタンを積層被覆し
た材料。
実施例1で述べた予めタングステン中間層を設
けたモリブデン材をイオンプレーテイング装置に
とり付けた。アセチレンガスを導入し全反応圧力
2×10-2トール中で高周波電力200Wを投入し、
グロー放電を誘起させた。基材は約900℃に加熱
保持し、プラズマ化学反応により基材上に高密着
性の炭素膜が得られた。この際、モリブデン材に
直接炭素膜を付与した場合は、高温試験でモリブ
デン−炭素膜界面から著しい剥離が生じるため好
ましくない。しかる後、前述したと同様のイオン
プレーテイング法および実施条件により、炭化チ
タンを積層被覆する。その結果を第3図に基いて
説明する。第3図1−a,1−bはニオブ基材に
直接炭化チタンを被覆した場合の2000℃高温試験
前(a),後(b)の表面状態を示し、また2−a,2−
bは当該被覆材の場合の2000℃高温試験前(a)、後
(b)の表面状態を示す。2−bでは、結晶粒が明瞭
に認められ炭化チタン被膜が高温安定化している
ことが認められるのに対し、1−bでは顕著なエ
ロージヨンが認められる。また、試験前後の重量
変化の測定からニオブに直接炭化チタンを被覆し
たものは、2000℃の加熱試験で−0.3mg/cm2
minの蒸発があつたのに対し、当該被覆材は−
0.05mg/cm2・minの小さい蒸発量に抑えられた。
また、モリブデンに直接炭化チタンを被覆したも
のの蒸発量は−0.15mg/cm2・minとやはり大きい
値を示した。
実施例 3 タングステン中間層を設けたモリブデン基板上
に炭化チタン層を被覆した材料、 実施例1で述べたと同様の方法で、タングステ
ン中間層を5μm施した後、炭化チタンを20μm被
覆した。
その結果を第4図に基いて説明する。
第4図2−a,2−bは中間層なしで炭化チタ
ンを被覆したモリブデン材の電子ビームによる熱
衝撃試験結果である。
2−aは1.5KW/cm2、照射時間0.8秒、2−b
は1.5KW/cm2、照射時間1.0秒の試験結果である。
いずれも表面に溶融損傷が生じた。一方1−a,
1−bは当該被覆材のそれぜれ、1.5KW/cm2
照射時間0.8秒及び1.0秒照射の試験結果である。
0.8秒までの照射では表面損傷は全く生じない。
1.0秒照射では溶融が始まるが、2−bに比較し
て溶融面積が非常に小さく抑えられ、局所的に
3000℃を超すような熱衝撃に対しても当該被覆材
は熱安定性が優れていることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
第1図は炭化チタン被覆材料の加熱試験温度と
炭化チタン膜厚との関係図、第2図はモリブデン
基材を使用した場合における加熱試験前後の被膜
表面の顕微鏡写真で、a:モリブデン基材上に直
接炭化チタンを被覆した材料表面、b:a被覆材
料の加熱試験後の被膜表面、c:タングステン中
間層を施したモリブデン基材に炭化チタンを被覆
した材料の加熱試験後の被膜表面、第3図はニオ
ブ及びモリブデン基材を使用した場合における加
熱試験前後の被覆表面の顕微鏡写真で、1はニオ
ブ上に直接炭化チタンを被覆した材料で、1−a
は加熱前、1−bは加熱後を示す。2はタングス
テン中間層を設けたモリブデン基材に更に炭素膜
を積層した後、炭化チタンを被覆した材料で、2
−aは加熱前、2−bは加熱後を示す。第4図は
材料の電子ビーム熱衝撃試験後の表面写真で1は
タングステン中間層を設けたモリブデン基材に炭
化チタンを被覆した材料を示し、1−aは
1.5KW/cm2で0.8秒、1−bは1秒照射後を示す。
2はモリブデン上に直接炭化チタンを被覆した材
料を示し、2−aは1.5KW/cm2で0.8秒、2−b
は1秒照射後を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 モリブデン、ニオブなどの融点が2000℃以上
    の高融点金属材料の表面に、タングステンまたは
    炭化ほう素の中間層を設け、その上に炭化チタン
    を被覆したものからなる高温熱安定性に優れた炭
    化チタン被覆材料。 2 モリブデン、ニオブなどの融点が2000℃以上
    の高融点金属材料の表面にタングステンまたは炭
    化ほう素の中間層とカーボンまたは黒鉛の中間層
    を設け、その上に炭化チタンを被覆したものから
    なる高温安定性に優れた炭化チタン被覆材料。
JP58034640A 1983-03-04 1983-03-04 高温熱安定性に優れた炭化チタン被覆材料 Granted JPS59162272A (ja)

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JPS59162272A JPS59162272A (ja) 1984-09-13
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0666591U (ja) * 1993-03-02 1994-09-20 宏 伊勢田 留具付きハンガー

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