The reliable joining of plasma-facing tungsten (W) to structural reduced activation ferritic/martensitic steel is a key challenge in manufacturing the first wall for future fusion reactor blankets. The large mismatch in their coefficients of thermal expansion leads to significant residual stress, and brittle intermetallic compounds readily form at the interface, both of which severely degrade joint performance. Introducing a copper (Cu) interlayer between W and steel is an effective strategy to mitigate stress concentration and suppress brittle phases. However, achieving their high-strength metallurgical bonding is difficult due to the immiscibility of W/Cu and the limited solubility of Cu/steel. In this study, a robust W/Cu/steel joint was successfully fabricated by brazing steel to a high-performance W/Cu slice using a Cu–Ge filler metal. The results show that a body-centered cubic-structured interdiffusion layer, approximately 10 nm thick, forms at the W/Cu interface, with its interplanar spacing about clear larger than that of pure W. At the Cu/steel interface, a discontinuous network-like metallurgical structure is established. All joints fractured within the Cu interlayer regardless of the holding time, demonstrating high interfacial bonding strength. A maximum shear strength of 240 MPa was achieved, accompanied by good ductility, indicating an excellent strength-ductility synergy. This work reveals the atomic-scale interdiffusion mechanism at the W/Cu interface and the bonding behavior at the brazed Cu/steel interface. It provides an efficient route for fabricating first-wall components and offers key insights into the interfacial heat transfer and load-transfer behavior in W/Cu or W/Cu/steel plasma-facing components under fusion-relevant conditions.
プラズマ対向タングステン（W）と構造用低放射化フェライト／マルテンサイト鋼との信頼性の高い接合は、将来の核融合炉ブランケット用第一壁の製造における重要課題である。両者の熱膨張係数の大きなミスマッチは顕著な残留応力を引き起こし、また界面では脆性金属間化合物が容易に形成されるため、いずれも継手性能を著しく低下させる。Wと鋼の間に銅（Cu）中間層を導入することは、応力集中を緩和し脆性相を抑制するための有効な戦略である。しかしながら、W/Cuの非混和性およびCu/鋼の限られた固溶度のため、それらの高強度冶金接合を達成することは困難である。本研究では、Cu–Geろう材を用いて高性能W/Cuスライスに鋼をろう付けすることにより、堅牢なW/Cu/鋼継手を作製することに成功した。結果は、W/Cu界面に、純Wの面間隔よりも明らかに大きい面間隔を有する、約10 nm厚の体心立方構造の相互拡散層が形成されることを示している。Cu/鋼界面では、不連続な網目状の冶金組織が形成される。全ての継手は保持時間に関係なくCu中間層内で破壊し、高い界面接合強度を示した。最大せん断強度240 MPaが達成され、良好な延性を伴い、優れた強度－延性シナジーを示した。本研究は、W/Cu界面における原子スケールの相互拡散機構と、ろう付けされたCu/鋼界面における接合挙動を明らかにする。これは、第一壁部品を製造するための効率的な経路を提供し、核融合関連条件下におけるW/CuまたはW/Cu/鋼プラズマ対向部品の界面熱伝達および荷重伝達挙動に関する重要な知見を与える。