(57)【要約】【課題】  タングステン材料の再結晶温度より低い温度で、炭素材料とタングステン材料との接合を実現する。【解決手段】  等方性グラファイトの表面に、シリコン粉末をアルコールに混合したスラリーを塗布する（ステップＳ１２）。そして、タングステンを積層し、１３００℃などの接合温度、圧力下でシリコンと炭素、タングステンとシリコンの反応により等方性グラファイトとタングステンとを接合する。こうすることにより、タングステン材料の再結晶温度より低い温度で、炭素材料とタングステン材料との接合を実現できる。この結果、タングステンの脆化を回避し、強度、耐熱性に優れた部材を形成することが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素材料とタングステン材料とを接合する接合方法であって、
（ａ）  炭素材料、シリコン、タングステン材料の順に積層する工程と、
（ｂ）  所定以上の温度下で、前記炭素材料とタングステン材料とを接合する工程とを備える接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の接合方法であって、
前記工程（ａ）は、
（ａ１）前記シリコンの粉末をアルコールに混合してスラリーを生成する工程と、
（ａ２）前記スラリーを、前記炭素材料または前記タングステン材料に塗布して前記積層を行う工程とを有する接合方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の接合方法であって、
前記炭素材料は、等方性グラファイトである接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか記載の接合方法であって、
前記工程（ｂ）の所定温度は、１２００〜１５００℃の範囲内である接合方法。
【請求項５】
請求項４記載の接合方法であって、
前記工程（ｂ）の所定温度は、１２５０〜１３５０℃である接合方法。
【請求項６】
核融合炉に用いられるダイバータであって、
該ダイバータの表面に、炭素材料とタングステン材料とを接合した接合部材がとりつけられており、
該接合部材は、
（ａ１）前記シリコンの粉末をアルコールに混合してスラリーを生成する工程と、
（ａ２）前記スラリーを、前記炭素材料または前記タングステン材料に塗布して前記積層を行う工程とにより製造された部材であるダイバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素材料とタングステン材料の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
核融合炉のダイバータのように高温に曝される部位には、耐熱性に優れた材料としてグラファイトや炭素複合材などの炭素材料が用いられることがある。しかし、炭素材料の表面は比較的弱く、これをダイバータに用いた場合、プラズマの衝突により損傷を受けることがあった。トリチウムを保持しやすい特徴もあった。かかる欠点を抑制するためには、炭素材料の表面を強度のある異材料で被覆することが考えられる。かかる材料の候補としては、原子番号が高くプラズマの衝突に強く、炭素材料と熱膨張係数も比較的近いタングステンが挙げられる。
タングステンを異材料と接合する技術として、特許文献１記載の技術がある。これは、タングステン合金と、炭素鋼との間に銅を介在させて両者を接合する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２４６５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、炭素材料とタングステンとを接合する技術は存在しなかった。例えば、炭素材料とタングステンとを直接に拡散接合することを試みると、１８００℃の温度条件下では接合できなかった。別の試みとして、タングステンと炭素材料との間に、ＳｉＣを挟んだ場合、１９００℃、２０ＭPａという条件であれば接合できることがわかった。
しかし、今度は、１９００℃という温度に問題が生じる。一般に、タングステンは合金を用いても再結晶温度である１５００℃以上では、脆化してしまうことが知られている。従って、１９００℃で接合できたとしてもタングステンが脆化してしまい、使用に耐えられる寿命を確保することができなくなってしまうのである。
本発明は、かかる課題に鑑み、炭素材料とタングステンとを１５００℃よりも低い温度で接合する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、
炭素材料とタングステン材料とを接合する接合方法であって、
（ａ）  炭素材料、シリコン、タングステン材料の順に積層する工程と、
（ｂ）  所定以上の温度下で、前記炭素材料とタングステン材料とを接合する工程とを備える接合方法として構成することができる。
【０００６】
本発明では、炭素材料とタングステン材料との間にシリコンを介在させる。シリコンは、粉末などその状態は問わない。また、炭素材料は、グラファイトや炭素複合材料など種々のものを用いることができる。タングステン材料は、タングステンまたはタングステン合金とすることができる。
本発明者の実験によれば、かかる状態で、所定以上の温度条件下で、シリコンと炭素材料、シリコンとタングステンが反応することにより、タングステン材料の再結晶温度よりも低い温度で両者を接合可能であることが見いだされた。従って、本発明によれば、タングステン材料の脆化を抑制しつつ、炭素材料とタングステン材料との接合を実現することができる。タングステンと炭素材料とは、熱膨張係数が非常に近いため、両者を接合した材料は、熱応力などの問題も回避でき、高強度かつ耐熱性に優れた材料となる。炭素材料として等方性グラファイト等を用いれば、熱膨張係数の異方性がより小さい点で好ましい。
工程（ｂ）では、積層の方向に所定以上の圧力を加えるようにしてもよい。圧力は、温度も踏まえて実験等により定めることができる。
【０００７】
本発明の接合方法において、
前記工程（ａ）は、
（ａ１）前記シリコンの粉末をアルコールに混合してスラリーを生成する工程と、
（ａ２）前記スラリーを、前記炭素材料または前記タングステン材料に塗布して前記積層を行う工程とを有する接合方法としてもよい。
【０００８】
シリコンの粉末をスラリーにして塗布する態様である。こうすることにより、シリコン粉末を均一に塗布することができ、より均一な接合を実現することができる。
【０００９】
本発明の接合方法において、前記炭素材料は、等方性グラファイトとすることが好ましい。
【００１０】
本発明の接合方法においては、前記工程（ｂ）の所定温度は、１２００〜１５００℃の範囲内とすることが好ましい。
【００１１】
特に、前記工程（ｂ）の所定温度は、１２５０〜１３５０℃とすることが、より好ましい。
本発明者の実験により、同温度下で、良好な接合が確認された。
【００１２】
以上で説明した本発明の種々の特徴は、必ずしも全てを備えている必要はなく、適宜、その一部を省略したり組み合わせたりしてもよい。また、本発明は、上述した接合方法としての構成に限らず、かかる接合方法で接合された炭素材料とタングステンの接合部材として構成してもよいし、また、かかる部材を用いダイバータその他の特定の構造物として構成することもできる。
例えば、核融合炉に用いられるダイバータであって、
該ダイバータの表面に、炭素材料とタングステン材料とを接合した接合部材がとりつけられており、
該接合部材は、
（ａ１）前記シリコンの粉末をアルコールに混合してスラリーを生成する工程と、
（ａ２）前記スラリーを、前記炭素材料または前記タングステン材料に塗布して前記積層を行う工程とにより製造された部材であるダイバータとして構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】接合処理の工程を示すフローチャートである。
【図２】炭素材料とタングステンの接合部材を示す説明図である。
【図３】炭素材料とタングステンの接合部材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施例として、炭素材料としての等方性グラファイトに、タングステンを接合する場合の例を以下に示す。
図１は、接合処理の工程を示すフローチャートである。図示する通り、まず等方性グラファイトを用意し（ステップＳ１０）、シリコンのスラリーを用意する（ステップＳ１１）。シリコンのスラリーは、シリコン粉末をアルコールに混合することによって生成できる。シリコンの分量は、等方性グラファイトのほぼ全面に均一に分布できる程度の量を用意すればよい。シリコンとアルコールの分量比は、接合に影響を与えないため、塗布しやすさによって適宜、調整すればよい。
【００１５】
次に、用意されたシリコンのスラリーを等方性グラファイトの表面に塗布する（ステップＳ１２）。塗布の方法も問わない。吹き付ける方法、刷毛等で塗布する方法、スラリー中に等方性グラファイトを浸漬させる方法など、種々の方法をとることができる。
本実施例では、シリコンを表面に分布させる便宜を考慮してスラリーを用いたが、シリコン粉末を直接に散布する方法をとっても構わない。
【００１６】
シリコンの塗布が完了すると、次に、タングステンを積層する（ステップＳ１３）。そして、接合のために設定された温度即ち接合温度、圧力下で等方性グラファイトとタングステンとを接合する。図中に接合工程の様子を模式的に示した。このように治具に、等方性グラファイトおよびタングステンを積層し、一方の面（図の例では、タングステンの面）から、圧力をかけるのである。図中には描かれていないが、等方性グラファイトとタングステンとの間には、シリコンが存在していることになる。
実施例では上に向けて等方性グラファイト、シリコン、タングステンの順に積層しているが、逆の順序で積層してもよい。また、タングステンの表面にシリコンを塗布してもよい。
【００１７】
接合温度、圧力は  任意に設定可能である。本実施例では、接合温度を１３５０℃（図２（ｃ））、１３００℃（図２（ｂ））、１２５０℃(図２（ａ）)として、圧力はそれぞれ１０MPaとした。接合温度は、１１００〜１５００℃の範囲で設定でき、１２００〜１５００℃の範囲とすることが好ましい。また、１２５０〜１３５０℃とすることが、より好ましいのである。
【００１８】
図２は、炭素材料とタングステンの接合部材を示す説明図である。１３５０℃（図２（ｃ））、１３００℃（図２（ｂ））、１２５０℃(図２（ａ）)の接合温度で等方性グラファイトとタングステンとを接合した実験結果を示すものである。図２（ａ）〜図２（ｃ）では、接合面が視認しにくいが、下側が等方性グラファイト、上側がタングステンとなっている。
【００１９】
図３は、１３５０℃で接合した炭素材料とタングステンの接合部材の断面図である。最上段に示した断面のうち楕円で囲んだ部分を拡大した写真を中段に示した。また、中断の断面のうち楕円で囲んだ部分を拡大した写真を下段に示した。下段の写真に示す通り、接合部材の断面は複数の層Ｌ１〜Ｌ３が形成されていることが分かる。層Ｌ１は、主としてタングステン（Ｗ）およびＷＳｉ２からなる層である。層Ｌ２は、主としてＷＳｉ２からなる層である。層Ｌ３は、主としてＳｉＣからなる層である。このようにＳｉが、炭素（Ｃ）およびタングステン（Ｗ）との化合物を形成することにより、両者の接合を促進していることが確認される。
【００２０】
実施例では、１２５０℃〜１３５０℃の条件の例を示したが、他の温度条件（１１００〜１５００℃）でもシリコンの同様の作用により、炭素材料とタングステンとの接合が行われることになる。
【００２１】
以上で説明した本発明によれば、炭素材料とタングステン材料とを、１５００℃よりも低い温度条件で接合することができる。よって、タングステンの脆化を抑制しつつ、両者の接合部材を得ることができる。
【００２２】
得られた接合部材は、強度、耐熱性に優れた素材となる。従って、核融合炉のダイバータのように高温に曝される部位に適用することができる。実施例の接合部材であれば、熱に耐えるだけでなく、タングステンで保護されているため、プラズマの衝突による損傷も緩和することができる。
本発明は、上述した実施例に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形例をとることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、炭素材料とタングステン材料を接合するために利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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