2018 Fiscal Year Research-status Report
金属微粉体援用による局所レーザ加熱無機－金属材料直接接合法の確立
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18K04776
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
芹澤 久 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (20294134)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
塚本 雅裕 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (90273713)
中里 直史 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (70714864)
岸本 弘立 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 教授 (30397533)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | レーザ加工 / 異材接合 / 金属微粉体 / セラミックス材料 / 耐熱金属材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、無機であるセラミックス複合材料と耐熱金属材料との間に、無機材料との親和性に優れた金属材料を、反応性が高い微粉体として封入し、レーザを用いた局所加熱により、無機と金属とを直接接合する手法の開発を目的としている。
平成30年度においては、まず、炭化ケイ素繊維強化型炭化ケイ素複合材料（SiC/SiC）の平板と、ジルカロイ平板との間に、チタンの微粉体を挿入し、レーザをジルカロイ平板の外表面に照射し、照射条件としてレーザの移動速度を二種類に変化させて、ジルカロイ平板とチタン微粉体との溶融反応に及ぼす影響について検討を行った。その結果、レーザ移動速度が遅いほうがジルカロイ平板に観察された熱影響部の幅が大きく、チタン微粉体とジルカロイ平板との間に反応が生じることを確認できた。また、反応性を高めるため、チタン微粉体に加えて、チタン系のロウ材も加えた場合についても検討を行い、ロウ材を加えた場合のほうが、反応性が高まることを確認することができた。
また、SiC/SiC円管とジルカロイ円管との間に、チタン微粉体を封入し、ジルカロイ円管の外表面部をレーザ照射したとき、チタン微粉体の封入方法が、両円管の接合性に及ぼす影響について検討を行った。SiC/SiC円管の外表面に円周状に溝を作製し、溝内にチタン微粉体を封入したが、溝幅が異なる二種類について接合試験を行った。その結果、溝幅が広い場合には、レーザ照射時に、封入していたチタン微粉体が飛散してしまったが、溝幅が狭い場合には、チタン微粉体とジルカロイ円管とが固溶体を生成し、部分的に、SiC/SiC円管と良好な接合部を生成することに成功した。その結果、レーザ照射後のSiC/SiC円管とジルカロイ円管との接合体は、機械的に良好な接合を形成することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画では、ジルコニウム板にチタン微粉体を散布し、レーザ局所加熱によるジルコニウムとチタンとの溶融反応実験を実施する予定であったが、ジルコニウム板の発火性が強いことや、散布されたチタン微粉体がレーザ照射によって飛散してしまう危険性が高いことから、ジルコニウム板に代わってジルカロイ板を、また、ジルカロイ板とSiC/SiC板との間にチタン微粉体を封入することで、発火の危険、ならびにチタン微粉体の飛散を抑制した実験を実施した。これにより、ジルカロイ板とチタン微粉体との反応性に関する基礎的知見を得ることに成功した。
また、平成31年度に予定しているSiC/SiCとジルコニウム－チタン固溶体との親和性評価試験に際しては、ジルコニウムとチタンとの固溶体の生成が必要であるが、ジルコニウムの発火性が高いという問題があるため、平板を用いたジルカロイ板とチタン微粉体との反応試験において、チタン微粉体に加えてチタン系のロウ材も封入した試験を行い、同じレーザ照射条件に対して、ロウ材を加えた場合のほうが、反応性が高くなる結果が得られている。つまり、当初計画のSiC/SiCとジルコニウム－チタン固溶体との親和性に代わって、チタン微粉体とチタンロウ材との比率を変化させることで、SiC/SiC円管とジルカロイ円管との接合体を作製させるのに効果的な条件を見出すことが可能になると考えられる。
さらに、当初計画では平成３１年度に実施する予定であったSiC/SiC円管とジルカロイ円管との直接接合試験についても、予備的試験として、チタン微粉体を封入するためにSiC/SiC円管の外表面に作製する溝幅の影響を明らかにすることに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成３０年度にジルカロイ板とSiC/SiC板との間に、チタン微粉体、ならびにチタン微粉体とチタン系ロウ材との混合物を封入した状態で、レーザ局所加熱を実施し、ジルコニウムとチタン微粉体との溶融性を評価する実験を行った。しかしながら、レーザ照射条件に加えて、チタン微粉体とチタン系ロウ材との混合比率については、まだ十分な評価には至っていない。また当初計画では、SiC/SiCとジルコニウム－チタン固溶体との親和性評価試験を、固溶体の自由落下試験法を用いて実施する予定であったが、固溶体作製の発火性の危険を予防するため、チタン微粉体とチタン系ロウ材との混合物を用いた評価が効果的であることが分かった。そこで平成３１年度は、平成３０年度に引き続き、ジルカロイ板とSiC/SiC板との間に、チタン微粉体、ならびにチタン微粉体とチタン系ロウ材との混合物を封入した状態での、レーザ局所加熱試験を行い、良好な接合体を作製するために必要なレーザ照射条件、およびチタン微粉体とチタン系ロウ材との混合比率を明らかにする。
また、SiC/SiC円管とジルカロイ円管との直接接合試験についても、当初は平成３１年度に実施する予定であったが、平成３０年度に実施した予備的試験結果より、良好な接合体作製には、狭い幅の溝をSiC/SiC円管の外表面に作製することで、溝部に封入するチタン微粉体がレーザ照射中に飛散することを抑制可能であることが明らかになった。そこで、平成３１年度においては、溝部に、チタン微粉体に加えて、チタン微粉体とチタン系ロウ材との混合物を封入した実験を実施する。封入する物質とレーザ照射条件は、同じく平成３１年度に実施する平板での実験結果に基づいて決定し、最終目標とする、機械的特性、ならびに気密性に優れたSiC/SiC円管とジルカロイ円管との直接接合体の作製を目指す。
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