JP2009192264A - Method for manufacturing high-temperature load equipment for jointing carbon material and copper alloy material metallurgically - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高熱負荷機器製作のための炭素材と銅または銅合金材を接合する方法に関し、特に、核融合装置の炉内機器のうちでも特に大きい熱負荷を受けるダイバータなどを製作するために、受熱部となる炭素材ブロックと除熱部となる銅合金製冷却配管を冶金的に接合して高熱負荷機器を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for joining a carbon material and copper or a copper alloy material for manufacturing a high heat load device, and in particular, for manufacturing a diverter that receives a particularly large heat load among in-furnace devices of a fusion apparatus. Further, the present invention relates to a method of manufacturing a high heat load device by metallurgically joining a carbon material block serving as a heat receiving portion and a copper alloy cooling pipe serving as a heat removal portion.
核融合装置のダイバータには入射する荷電粒子の持つ運動エネルギーが熱として与えられるため、ダイバータは核融合装置の炉内機器において最も高い熱負荷を受ける機器である。したがって、ダイバータにはこのような高熱負荷に耐えて除熱を行う機能が要求される。さらに、長時間放電を行う核融合実験装置においては、ダイバータを構成する部材自体の熱容量ではその表面温度が構成材料の融点を超えてしまうため、水冷等の方法による強制冷却方式を採用することになる。 Since the kinetic energy of the incident charged particles is given as heat to the diverter of the fusion apparatus, the diverter is the apparatus that receives the highest heat load among the in-furnace apparatus of the fusion apparatus. Therefore, the diverter is required to have a function of removing heat by withstanding such a high heat load. Furthermore, in a fusion experimental device that performs long-time discharge, the surface temperature exceeds the melting point of the constituent material with the heat capacity of the members constituting the diverter itself, so a forced cooling method such as water cooling is adopted. Become.
ダイバータに要求される高熱負荷の除熱機能を満たすために、熱伝導のよい材料でダイバータの受熱機器を構成することが必要である。また、ダイバータはイオン照射によるスパッタリングやプラズマディスラプションにおける熱衝撃から冷却構造を保護するために表面にアーマタイルを備える。 In order to satisfy the heat removal function of the high heat load required for the diverter, it is necessary to configure the heat receiving device of the diverter with a material having good heat conductivity. In addition, the diverter is provided with an armature on the surface in order to protect the cooling structure from thermal shock in sputtering or plasma disruption caused by ion irradiation.
アーマタイルには、荷電粒子や中性粒子が入射するためスパッタリングによって表面材料が損耗する。また、スパッタリングなどの負荷を受けたときに表面から粒子が飛散してプラズマに不純物として混入し、プラズマ温度の低下や閉じ込め性能の低下を招くため、損耗量を抑制することも重要な要求となっている。このようなプラズマへの悪影響は、原子番号の小さい材料ほど小さいため、アーマタイルには低原子番号材料、特に、炭素系材料が用いられている。 Since charged particles and neutral particles are incident on the armature, the surface material is worn by sputtering. In addition, when subjected to a load such as sputtering, particles are scattered from the surface and mixed as impurities into the plasma, resulting in a decrease in plasma temperature and a decrease in confinement performance. ing. Since the material having a lower atomic number has a smaller adverse effect on the plasma, a low atomic number material, particularly a carbon-based material is used for the armature.
アーマタイルは、除熱の観点から熱伝導のより高い炭素材料である炭素繊維強化炭素複合材料(CFC材)を採用することがより望ましい。炭素繊維の方向を揃えたCFC材は繊維の方向に高い熱伝導率を有するので、表面に対して垂直方向に炭素繊維を揃えたアーマタイルは、表面部分で発生する熱を効率よく冷却管に搬送できる。 It is more desirable for the armor tile to employ a carbon fiber reinforced carbon composite material (CFC material), which is a carbon material having higher heat conduction from the viewpoint of heat removal. CFC material with aligned carbon fiber direction has high thermal conductivity in the fiber direction, so armor tile aligned with carbon fiber in the direction perpendicular to the surface efficiently transports heat generated in the surface part to the cooling pipe it can.
このように、ダイバータでは、核融合炉におけるプラズマからの受熱材であるアーマタイルとして炭素材が好んで使用され、アーマタイルの中に伝熱性および強度の高いたとえばクロム・ジルコニウム銅(CuCrZr)など銅合金製の冷却配管が設置された構造が採用される。炭素材が受けた熱は冷却水により除熱する。炭素材と銅合金は接合性が悪いので、プラズマからの入熱を効率よく冷却管に伝えるため、アーマタイルは冷却管に冶金的に接合され、熱抵抗を可能な限り低減する構造になっている。 As described above, in the diverter, carbon material is preferably used as an armature that is a heat receiving material from plasma in a fusion reactor. A structure with cooling pipes installed is adopted. The heat received by the carbon material is removed by cooling water. Since carbon and copper alloys have poor bondability, armor tiles are metallurgically bonded to the cooling pipe to reduce heat resistance as much as possible in order to efficiently transfer heat input from the plasma to the cooling pipe. .
炭素材のアーマタイルと銅合金製の冷却配管の間には膨張率の差を吸収するため銅材製の緩衝材を介装し、相互間を、主としてCu−Mg系やTi−Cu系の熱伝導のよい接合材を用いたロウ付け接合などを用いて強固に接合する。
しかし、製造工程中の高熱処理に伴う炭素材と銅合金の熱膨張率の差や炭素材の強度不足から、炭素材の割れが発生したり、緩衝材と炭素材の剥離が生じたりして、歩留りがあがらなかった。また、ロウ付けで使用するロウ材は薄膜状であることから接合前の部品組立てに多大な労力を要するため、大量生産に適しない問題があった。
Between the armor tile made of carbon material and the cooling pipe made of copper alloy, a buffer material made of copper material is interposed in order to absorb the difference in expansion coefficient, and the heat of mainly Cu-Mg system or Ti-Cu system is used between them. It joins firmly using the brazing joining etc. which used the joining material with good conductivity.
However, due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the carbon material and the copper alloy due to high heat treatment during the manufacturing process and the strength of the carbon material, cracking of the carbon material or separation of the buffer material and the carbon material may occur. The yield did not increase. In addition, since the brazing material used for brazing is a thin film, it requires a lot of labor to assemble parts before joining, and thus there is a problem that is not suitable for mass production.
特許文献1には、グラファイト部と金属部をロウ層を介して結合され、金属層とロウ層の間に、クロムに銅やニッケルを加えた合金からなる中間層を設けた高耐熱構造部品が開示されている。この特殊な中間層により、異種材料間の熱膨張率の違いを吸収して、グラファイトと金属の間を強固に結合することができる。
開示発明の高耐熱構造部品は、核融合炉の運転中に遭遇する熱サイクル負荷には耐えて構造部品の著しい変形や材料割れを防止することができても、部品の製造工程中に履歴する高熱処理には耐えかねるので製品としての歩留りが十分でない。
The high heat-resistant structural parts of the disclosed invention will have a history during the part manufacturing process even though they can withstand the thermal cycle loads encountered during fusion reactor operation and prevent significant deformation and material cracking of the structural parts. Since it cannot withstand high heat treatment, the product yield is not sufficient.
ちなみに、本願発明者らの知見によると、析出硬化型銅合金(CuCrZr)製冷却管に貫通孔付き炭素繊維強化炭素複合材料(CFC)製のモノブロックを10個程度連ねて差し入れ、冷却管とモノブロックの間に無酸素銅製の円筒緩衝材を介装した、本願発明の前駆的なサンプルについて、985℃で真空ロウ付けをして析出硬化型銅合金の強度確保のため急冷後、480℃で時効処理を行った後に検査をした結果、かなりの率でCFCブロックの側面に軸方向のクラックが入ること、ロウ付けの不良が多くかなりの率でCFCブロックが冷却管周方向にがたつきがあること、外観からはロウ付け良好と見られたものでも切断検査すると周方向の1/3程度しか接続されていないものがあること、などの欠陥が観察された。
By the way, according to the knowledge of the inventors of the present application, about 10 monoblocks made of carbon fiber reinforced carbon composite material (CFC) with through holes are inserted into a cooling pipe made of precipitation hardening type copper alloy (CuCrZr), and the cooling pipe and About the precursor sample of the present invention in which an oxygen-free copper cylindrical cushioning material is interposed between the monoblocks, vacuum brazing at 985 ° C. and rapid cooling to ensure the strength of the precipitation hardening type copper alloy, then 480 ° C. As a result of the inspection after the aging treatment in
熱伝達を著しく損ねる剥離は殆ど、CFCブロックと緩衝材の間のロウ材層で発生する。上記サンプルでは、炭素材と銅緩衝材はチタン含有量の多いロウ材(たとえば、60Ti−15Cu−25Niの組成を持つロウ材)を用いて直接ロウ付けしている。
析出硬化型銅合金製冷却配管は、強度を確保するため加熱急冷する溶体化処理が必要で、ロウ付け直後に熱処理炉内で1℃/秒以上の勾配で急冷する。このとき、炭素材と銅合金の熱膨張率の差に基づきロウ材層に大きな引っ張り張力が発生し、ロウ材中のチタン化合物層と他の金属化合物層の間に剥離が生じたものである。
剥離部のCFCブロック側には剥離したチタンカーバイドらしきロウ材の化合物、緩衝材側にはロウ材の銅成分が多く残されていた。また、CFCブロック内部にロウ材が浸透した形跡が見られた。
The precipitation hardening type copper alloy cooling pipe needs a solution treatment that is heated and quenched in order to ensure strength, and is immediately cooled at a gradient of 1 ° C./second or more in a heat treatment furnace immediately after brazing. At this time, a large tensile tension was generated in the brazing material layer based on the difference in thermal expansion coefficient between the carbon material and the copper alloy, and peeling occurred between the titanium compound layer and the other metal compound layer in the brazing material. .
A large amount of the copper component of the brazing material was left on the side of the cushioning material and the compound of the brazing material that appeared to be separated from titanium carbide on the CFC block side of the peeling portion. Moreover, the trace which the brazing material osmose | permeated the inside of a CFC block was seen.
そこで、本発明が解決しようとする課題は、接合しにくい炭素材と銅合金を冶金的接合することにより高熱負荷機器を製造する方法を提供することであり、特に核融合炉のダイバータにおける炭素材ブロックと銅合金製冷却管を良好に接合する方法を提供することである。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a high heat load device by metallurgically bonding a carbon material and a copper alloy which are difficult to bond, and in particular, a carbon material in a divertor of a fusion reactor. It is to provide a method for satisfactorily joining a block and a copper alloy cooling pipe.
本発明の高熱負荷機器製造方法は、炭素材と銅合金材を接合してなる高熱負荷機器において、炭素材の表面に炭素材と接合性のよいメタル層を形成し、メタル層と銅合金材を緩衝材を介して対向するように配置し、炭素材と緩衝材の間および緩衝材と銅合金材の間に薄膜状のロウ材を介挿して組み上げた組立体を、真空ロウ付けし、時効処理して、冶金的接合により高熱負荷機器を製造する。 The high heat load device manufacturing method of the present invention is a high heat load device formed by bonding a carbon material and a copper alloy material, wherein a metal layer having good bondability with the carbon material is formed on the surface of the carbon material, and the metal layer and the copper alloy material. Are placed so as to oppose each other through a cushioning material, and an assembly assembled by inserting a thin brazing material between the carbon material and the cushioning material and between the cushioning material and the copper alloy material is vacuum brazed, Aging is performed, and high heat load equipment is manufactured by metallurgical joining.
上記製造方法において、高熱負荷機器は核融合炉におけるダイバータであって、炭素材は貫通孔を備えた炭素繊維強化炭素複合材料(CFC)製のモノブロック型アーマタイル、銅合金材は析出硬化型銅合金製の冷却配管、緩衝材は無酸素銅製の円筒緩衝材であってもよい。
炭素材と緩衝材を接合するロウ材は、ニッケル、銅、マンガンを1つ以上含むロウ材であることが好ましい。
In the above manufacturing method, the high heat load device is a diverter in a fusion reactor, the carbon material is a monoblock armature made of carbon fiber reinforced carbon composite material (CFC) with through holes, and the copper alloy material is precipitation hardened copper. The alloy cooling pipe and the buffer material may be oxygen-free copper cylindrical buffer materials.
The brazing material for joining the carbon material and the buffer material is preferably a brazing material containing at least one of nickel, copper, and manganese.
炭素材表面のメタル層は、銅およびチタンを含む金属粉末を溶剤によりペースト又は溶液にして、炭素材の緩衝材に面する面に塗布した後、不活性ガス雰囲気中で800℃ないし2000℃で焼結させて金属層を形成させた上で、接合面となる金属層面に機械加工を施して平滑化することにより得ることができる。
炭素材表面のメタルコーティングは、予めチタンカーバイドを炭素材側に形成しておくために行う。なお、メタル層の組成はチタンと銅の重量に対してチタン重量2〜10%程度とチタンを極力低めに抑えることが望ましい。
The metal layer on the surface of the carbon material is made of a metal powder containing copper and titanium in a paste or solution with a solvent, applied to the surface of the carbon material facing the buffer material, and then in an inert gas atmosphere at 800 ° C. to 2000 ° C. It can be obtained by forming a metal layer by sintering and then smoothing the surface of the metal layer to be a joint surface by machining.
The metal coating on the surface of the carbon material is performed in order to previously form titanium carbide on the carbon material side. Note that the composition of the metal layer is preferably about 2 to 10% of the titanium weight with respect to the weight of titanium and copper, and the titanium is suppressed as low as possible.
チタン量の少ないメタル層を予め設けることでチタンカーバイドを介して炭素材との接合性を確保することができる。また、ロウ材中のチタンを省くことができるので、ロウ付け時にチタン化合物が生成することを抑えることが可能である。さらに、メタル層に銅を含めることでロウ材との熱膨張差が小さくなり、急冷時のロウ材層剥離を抑えることが可能になる。
炭素材の表面にチタン層が形成されると剥離が生じやすくなるため、メタル層中のチタン量は、接合性を確保できる限り少ないことが好ましい。
By providing a metal layer with a small amount of titanium in advance, it is possible to ensure the bondability with the carbon material through the titanium carbide. Moreover, since titanium in the brazing material can be omitted, it is possible to suppress generation of a titanium compound during brazing. Furthermore, by including copper in the metal layer, the difference in thermal expansion from the brazing material is reduced, and the brazing material layer peeling during rapid cooling can be suppressed.
When the titanium layer is formed on the surface of the carbon material, peeling is likely to occur. Therefore, the amount of titanium in the metal layer is preferably as small as possible to ensure the bondability.
本発明の高熱負荷機器製造方法は、薄膜状ロウ材を介挿する代わりに、ニッケルを含む素材を表面に無電解メッキした緩衝材を使用するものであってもよい。
前述の本発明方法により多数のCFC製モノブロックを並べて冷却配管で貫通させた形状のダイバータを製造するときは、薄膜ロウ材を炭素材と緩衝材の間および緩衝材と銅合金材の間に介挿することにより接合前の部品を組み立てる作業に高い熟練と多大な労力を要するため、特に、大型のダイバータを製造するときやダイバータを多数製造するときに問題である。
The high heat load device manufacturing method of the present invention may use a buffer material in which a material containing nickel is electrolessly plated on the surface instead of inserting a thin film brazing material.
When manufacturing a diverter having a shape in which a large number of CFC monoblocks are lined up by cooling pipes by the method of the present invention described above, the thin film brazing material is placed between the carbon material and the buffer material and between the buffer material and the copper alloy material. This is a problem especially when a large diverter is manufactured or a large number of diverters are manufactured because the work of assembling the parts before joining by inserting them requires high skill and great labor.
緩衝材の表面にロウ材のメッキ層を形成したものを使用すれば薄膜ロウ材を使わないので、組立てに手間と熟練を要せず、大量の生産にも対処することができる。
ただし、通常のロウ材成分をそのまま銅の緩衝材表面にメッキすることはできないので、真空ロウ付けに適する、たとえばニッケル金属などを無電解メッキした緩衝材を用いる。
If a brazing material plated layer is used on the surface of the cushioning material, a thin-film brazing material is not used, so that it requires no labor and skill in assembling and can cope with mass production.
However, since a normal brazing material component cannot be directly plated on the surface of the copper cushioning material, a cushioning material suitable for vacuum brazing, for example, nickel metal or the like is used.
以下、実施例を用いて本発明の高熱負荷機器製造方法について詳細に説明する。図1は本実施例の製造方法により製造されたダイバータのアーマタイル部における断面図、図2はダイバータのアーマタイル部の斜視図、図3はその側面図である。
また、図4は本実施例の第1実施態様において組立てに使用される部品を示す分解組立図、図5は第1実施態様の製造手順例を表す流れ図、図6は本実施例の第2実施態様において組立てに使用される部品を示す分解組立図、図7は第2実施態様の製造手順例を表す流れ図である。
Hereinafter, the high heat load equipment manufacturing method of the present invention will be described in detail with reference to Examples. FIG. 1 is a cross-sectional view of an armature part of a diverter manufactured by the manufacturing method of the present embodiment, FIG. 2 is a perspective view of the armature part of the diverter, and FIG. 3 is a side view thereof.
4 is an exploded view showing components used for assembly in the first embodiment of the present embodiment, FIG. 5 is a flowchart showing an example of the manufacturing procedure of the first embodiment, and FIG. 6 is a second view of the second embodiment. FIG. 7 is an exploded view showing components used for assembly in the embodiment, and FIG. 7 is a flowchart showing an example of a manufacturing procedure of the second embodiment.
本実施例は、核融合炉に使用するダイバータの炭素繊維強化炭素複合材(CFC)で形成されるアーマタイルと銅合金製冷却水配管の間を冶金的に接合する方法であって、CFCブロックの冷却水配管の間に緩衝材を介挿して相互間を真空ロウ付け法により固定するもので、CFCブロックの冷却管に対向する面に金属層を形成することを特徴とする。 The present embodiment is a method of metallurgically joining an armor tile formed of a carbon fiber reinforced carbon composite (CFC) of a diverter used for a nuclear fusion reactor and a copper alloy cooling water pipe, A cushioning material is interposed between the cooling water pipes to fix each other by a vacuum brazing method, and a metal layer is formed on the surface of the CFC block facing the cooling pipe.
本実施例の方法を用いることにより、特に製造工程中の真空ロウ付けのための高熱処理で発生する熱応力に起因して、接合面で剥離を生じたりアーマタイルにクラックが入ったりすることを防止することができる。
なお、本実施例の製造方法に係る第1の実施態様においては、ロウ付け前の材料組立てに職人芸が求められるが、第2実施態様では予め部品に前処理を施すことにより、ロウ材の材質に制約はあるが組立てを極めて容易にしたため、作業者に熟練技術を要求しないので製作時の作業効率が著しく向上させることができる。
By using the method of this embodiment, it is possible to prevent peeling at the joint surface or cracking of the armature due to the thermal stress generated by high heat treatment for vacuum brazing during the manufacturing process. can do.
In the first embodiment according to the manufacturing method of the present embodiment, craftsmanship is required for material assembly before brazing, but in the second embodiment, by pre-processing the parts in advance, Although there are restrictions on the material, the assembly is extremely easy, so that no skill is required from the operator, so that the work efficiency during production can be remarkably improved.
図1から図3を参照すると、アーマタイル10は、炭素繊維強化炭素複合体(CFC)で形成されるモノブロック構造のCFCブロック11を、炭素繊維の方向が、核融合炉の内側に向いた熱負荷面に対して垂直になるように配置して形成される。なお、熱負荷面は1辺30mm程度の正方形をしている。
また、CFCブロック11の内部に貫通孔が形成され、貫通孔の表面に銅とチタンで構成される金属層12が形成されている。
Referring to FIGS. 1 to 3, the
A through hole is formed inside the
CFCブロック11の貫通孔を冷却管13が貫通する。1本の冷却管13に、それぞれ0.5〜1.0mm程度の隙間dをおいて数10個のアーマタイル10が固定されて、ダイバータ受熱部の構成部品が形成される。
冷却管13は、熱伝達係数の大きい銅合金で形成された肉厚約1.5mmの管で、水を流通してアーマタイル10から伝達された熱を搬出する。なお、冷却管13は、熱伝達係数が特に大きいクロムジルコニウム銅(CuCrZr)で形成することが好ましい。
The cooling
The cooling
アーマタイル10と冷却管13の間には、緩衝材15が介挿されて、冷却管13と緩衝材15の間と、緩衝材15とアーマタイル10の間をロウ付けして固定している。
緩衝材15は、無酸素銅で形成された円筒で、アーマタイル10と冷却管13の熱膨張差を吸収する役割を果たす。
冷却管13の端部にはチタン製のインサート管22を介してステンレススチール製の冷却配管コネクタ21が取り付けられる。
A
The
A stainless steel
(第1実施態様)
図4は、本実施例に係る高熱負荷機器製造方法の第1の実施態様においてアーマタイル部分10を形成する部材を示す分解組立図、図5は製造手順例を表す流れ図である。
第1実施態様は、冷却管13と緩衝材15および緩衝材15とアーマタイル10を薄膜状のシートロウ材14,16を使った真空ロウ付けにより接合固定することを特徴とする。
(First embodiment)
FIG. 4 is an exploded view showing members forming the
The first embodiment is characterized in that the cooling
次に、本実施態様における製造手順を説明する。
CFCブロック11、冷却管13、緩衝材15、シートロウ材14,16、その他の部品を準備する(S11)。
CFCは、核融合炉内に不純物を放出しないように、十分な脱ガス処理を施しておく。たとえばCFCブロック11では、真空加熱炉内で1000℃近くに加熱するなどの処理を行う。なお、銅や銅合金は高熱処理をすると変形するので、脱脂処理のみを行っている。
Next, the manufacturing procedure in this embodiment will be described.
The
The CFC is sufficiently degassed so as not to release impurities into the fusion reactor. For example, in the
冷却管13と緩衝材15の間に介挿されるロウ材14と、緩衝材15とCFCブロック11の間に介挿されるロウ材16は、ニッケル、銅、マンガンを含んでなるもので、50μm程度の厚さのシートからCFCブロック11の幅で切り出してリボン状のシートロウ材として供給される。
The
CFCブロック11は、脱ガス処理を施した後、冷却管13に対する接合面となる貫通孔の内側壁に金属層12を形成してメタライズする(S12)。
金属層12は、銅粉末とチタン粉末を含む金属粉末を中性バインダでペースト状又は溶液状にしたものを貫通孔の内壁面に塗布した後、真空加熱炉中で800℃から2000℃の温度範囲で加熱して焼結させ金属層を形成し、さらに金属層に機械加工を施して緩衝材15に適合する円筒面を形成すると共に平坦化することにより形成する。なお、金属粉末のペーストあるいは溶液は重量に基づいて管理することにより簡単かつ正確に適正量を塗布することができる。
After performing the degassing process, the
The
既に冷却管13に固定されたCFCブロック11と新しく固定されるCFCブロック11の間隙dが0.5mmから1.0mm程度になるように固定位置18を決めて、シートロウ材14を内面に巻き付けた緩衝材15を冷却管13に嵌め込む。さらに、CFCブロック11の貫通孔内面にシートロウ材16をセットして、CFCブロック11を緩衝材15に嵌め込み、位置決めする。この工程をCFCブロック11の数だけ繰り返して、ロウ付け前の組立体を形成する(S13)。
このとき、組立体においてCFCブロック11の間のスペースを後の工程にわたって保持するため、カーボン材で作成したスペーサを用いることができる。スペーサはロウ付け後に取り外す。
なお、シートロウ材14,16は、緩衝材15やCFCブロック11を組み合わせた後で隙間に挿入するようにしてもよい。
The fixing
At this time, a spacer made of a carbon material can be used in order to maintain the space between the CFC blocks 11 in the assembly throughout the subsequent steps. Remove the spacer after brazing.
The
組み上がった組立体を真空加熱炉で1000℃程度に加熱してロウ材を溶融して、真空ロウ付け処理を行う(S14)。
ロウ付けは、複雑な組成形状を有する組立体全体を均等にロウ付け温度にするため、ロウ付け温度に達する前に、ロウ付け温度よりわずかに低い温度に保って十分な予熱を行うことが好ましい。均熱状態になった組立体をさらに加熱してロウ付け温度まで上げて所定時間保持した後に、アルゴンガスによる強制冷却を行う。
The assembled assembly is heated to about 1000 ° C. in a vacuum heating furnace to melt the brazing material, and a vacuum brazing process is performed (S14).
Brazing is preferably performed at a temperature slightly lower than the brazing temperature and sufficiently preheated before reaching the brazing temperature in order to uniformly bring the entire assembly having a complicated composition shape to the brazing temperature. . The assembly in a soaking state is further heated to the brazing temperature and held for a predetermined time, and then forced cooling with argon gas is performed.
ロウ付け後に、アルゴンガス雰囲気下の真空中で500℃程度の時効温度に上げて所定時間保持する時効処理を行う(S15)。
冷却管13を形成する金属は析出硬化型銅合金(CuCrZr)であるため、ロウ付け時に高熱に曝されると軟化するので、ロウ付け後に時効処理を行って硬度を確保する必要がある。時効処理後は炉内にて放冷する。
After brazing, an aging treatment is performed in which the aging temperature is raised to about 500 ° C. and maintained for a predetermined time in a vacuum under an argon gas atmosphere (S15).
Since the metal forming the cooling
ロウ付けした冷却管/CFCブロック接合体の冷却管13の両端部に冷却配管コネクタ21を溶接により取り付ける(S16)。
冷却配管コネクタ21はステンレススチール製でCuCrZr製冷却管との接合性が良くないので、インサート材としてニッケル管を用いて、電子ビーム溶接を行って接続する。溶接後に管の内外表面を切削して所定の寸法に加工する。
Since the
CFCブロック11の金属層12に含まれるチタンは、CFCブロック11中の炭素と反応しチタンカーバイドなどのチタン化合物を生成してブロックと強固に接合すると共に、ロウ材16中の金属成分と馴染んで接合性を確保する。
また、金属層12に含まれる銅はロウ材16中の銅成分さらに緩衝材15の銅と馴染んでこれらと高い接合性を有する。
Titanium contained in the
Also, the copper contained in the
したがって、本実施態様により製造されたダイバータのアーマタイル部分は、CFCブロック11に生成した金属層12により、製造中の温度変動により大きな熱ストレスを受けても、CFCブロック11とロウ材16、あるいは緩衝材15と剥離しにくい。ただし、金属層12中にチタンが過剰に存在するとCFCブロック11の表面にチタンカーバイドなどのチタン化合物の層を形成して剥離しやすくなるので、チタンの含有量は銅とチタンの合計に対して重量比で2%から10%の範囲など過大にならないようにすることが好ましい。
なお、核融合炉作動中に受ける熱ストレスは、製造中に受けるものより小さいので、緩衝材15により十分吸収できる。
Therefore, even if the armor tile portion of the diverter manufactured according to this embodiment is subjected to a large thermal stress due to temperature fluctuations during manufacturing due to the
It should be noted that the thermal stress received during operation of the fusion reactor is smaller than that received during manufacturing and can be sufficiently absorbed by the
(第2実施態様)
冷却管13と緩衝材15、緩衝材15とCFCブロック11の間隙は100μm程度とすることが好ましい。第1実施態様の高熱負荷機器製造方法では、狭い間隙にシートロウ材14,16を挿入するので、ロウ付け前の組立体を組み上げる作業は、かなりの熟練が必要で、しかも多大な労力を要し、生産性が良くない。
本実施例第2の実施態様は、緩衝材15の内周と外周にロウ材としてニッケルメッキ層を形成することで、狭い間隙にシートロウ材を介挿する手間を省いて、生産性を向上させたものである。
(Second embodiment)
The gap between the cooling
In the second embodiment of the present embodiment, a nickel plating layer is formed as a brazing material on the inner and outer circumferences of the
図6は本実施例に係る高熱負荷機器製造方法の第2実施態様においてアーマタイル部分10を形成する部材を示す分解組立図、図7は本実施態様の製造手順例を表す流れ図である。本実施例態様は第1実施態様に対してシートロウ材に代えて緩衝材に施したメッキを用いるところだけが異なるので、第1実施態様と共通する部分については同じ参照番号を用いて簡単に記載する。
FIG. 6 is an exploded view showing members forming the
次に、本実施態様における製造手順を説明する。
CFCブロック11、冷却管13、緩衝材15、その他の部品を準備する(S21)。各部品は、脱ガス処理を施しておく。
無酸素銅製の緩衝材15について、まず下地として電解ニッケルメッキを施した上で、酸性無電解ニッケルメッキ液に浸漬して全面に20μm程度の無電解ニッケルメッキを施す(S22)。
緩衝材15の内周と外周の表面に形成されたニッケルメッキ層24,26はBNi−6相当のロウ材として使用できる。
Next, the manufacturing procedure in this embodiment will be described.
The
The oxygen-free
The nickel plating layers 24 and 26 formed on the inner and outer peripheral surfaces of the
CFCブロック11は、第1実施態様と同じ手順で、脱ガス処理を施した後、冷却管13に対する接合面となる貫通孔の内側壁に金属層12を形成する(S23)。
The
既に冷却管13に固定されたCFCブロック11と新しく固定されるCFCブロック11の間隙dが0.5mmから1.0mm程度になるように固定位置18を決めて、ニッケルメッキ層24,26を形成した緩衝材15をはめ込み、緩衝材15の上にCFCブロック11を嵌め込んで、ロウ付け前の組立体を形成する(S24)。シートロウ材を介挿する必要が無く組立て作業が簡単になると共に、冷却管13,緩衝材15本体、CFCブロック11相互間の間隔がニッケルメッキ層24,26およびメタル層12の厚さによって極めて正確に管理することができる。
The fixing
組み上がった組立体について、真空加熱炉でニッケルロウ付けの条件に従った真空ロウ付け処理を行う(S25)。
ロウ付け後に、アルゴンガス雰囲気下の真空中で時効処理を行い(S26)、時効処理後に炉内で放冷する。
The assembled assembly is subjected to a vacuum brazing process in accordance with nickel brazing conditions in a vacuum heating furnace (S25).
After brazing, an aging treatment is performed in a vacuum under an argon gas atmosphere (S26), and the aging treatment is allowed to cool in the furnace.
ロウ付けした冷却管/CFCブロック接合体の冷却管13の両端部にニッケル製のインサート材22を介して冷却配管コネクタ21を電子ビーム溶接により取り付ける(S27)。
CFCブロック11の金属層12に含まれるチタンがCFCブロック11とニッケルメッキ層26を強固に接合し、金属層12に含まれる銅はロウ材16中のニッケルさらに緩衝材15の銅と馴染んでこれらと高い接合性を有する。
The
Titanium contained in the
したがって、本実施態様により製造されたダイバータのアーマタイル部分は、製造中の大きな温度変動があっても、CFCブロック11とロウ材16、あるいは緩衝材15と剥離しにくい。
さらに、ロウ付け前の組立体を組み上げる手順が簡単になり、大きな生産性が期待できる。
Therefore, the armature portion of the diverter manufactured according to this embodiment is difficult to peel off from the
Furthermore, the procedure for assembling the assembly before brazing is simplified, and great productivity can be expected.
10 アーマタイル
11 CFCブロック
12 金属層
13 冷却管
14,16 シートロウ材
15 緩衝材
18 固定位置
21 冷却配管コネクタ
22 インサート管
24,26 ニッケルメッキ層
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