JP2003112269A - ベリリウムと銅または銅合金の接合体の製造方法およびその接合体 - Google Patents

ベリリウムと銅または銅合金の接合体の製造方法およびその接合体

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 接合強度および耐熱サイクル性を一層向上さ
せた、ベリリウムと銅および銅合金の接合体の製造方法
を提供する。 【解決手段】 ベリリウムと銅または銅合金を接合する
に際し、該ベリリウムの表面に、Ti, Cr, MoまたはSiの
薄層をBeとCuの拡散抑制層として形成したのち、この拡
散抑制層の表面に接合層としてCu層を形成し、引き続き
この接合層の表面に接合促進層としてAlまたはZnの薄層
を形成したのち、かかる中間層形成側を接合面としてベ
リリウムと銅または銅合金とを拡散接合する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ベリリウムと銅
および銅合金の接合体の製造方法およびその接合体に関
し、特にその接合強度の向上と共に、熱負荷に対する接
合信頼性の一層の向上を図ろうとするものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、核融合炉の第一壁に使用されるア
ーマー材料として、原子番号が小さく、融点が比較的高
く、かつ酸素等のゲッターとして有効なベリリウムが注
目されている。この第一壁は、核融合炉内で発生するプ
ラズマからの高い熱負荷にさらされるため、その最表面
に位置するアーマー材料（ベリリウム等）と冷却構造を
有する銅または銅合金とを結合することによってアーマ
ー材料を効果的に冷却する各種の構造が提案されてい
る。それらを製作するために、ベリリウムと銅または銅
合金を結合する方法として、ロウ付け接合法、拡散接合
法、溶射法および熱間静水圧加圧接合法（ＨＩＰ）等が
提案されている。上記の各種接合法の中でもＨＩＰによ
る接合法は、接合面が３次元形状を有する場合において
も、接合面同士が確実に密着接合するため、ベリリウム
と銅または銅合金を接合する方法として期待されてい
る。
【０００３】従来、ベリリウムと銅合金をＨＩＰ接合す
るためには、加熱温度を700℃以上の高温まで上げる必
要があった。というのは、通常、ベリリウムの表面には
酸化膜が存在するため、700 ℃以上の温度に加熱しない
と、BeとCuの相互拡散による接合が望めないからであ
る。しかしながら、この方法では、ベリリウムと銅合金
との界面に脆い金属間化合物（たとえばBe２Cu, BeCu
等）が形成され易いため、熱サイクルによって界面では
く離が生じる場合があった。また、700 ℃以上の高温で
の処理は、エネルギー的およびコスト的な不利が著しい
ところにも問題を残していた。
【０００４】この点、真空下で、ベリリウム表面の酸化
物を除去したのち、イオンプレーティング等によって清
浄化表面に純Cuを成膜してやれば、この純CuとBeとの界
面には酸化物が存在しないため、銅合金とのＨＩＰ接合
に際し 400〜550℃といった低温でも十分強固に接合す
ることができ、またこの場合には、Beと純Cuとの界面に
金属間化合物が過大に形成されることもない。しかしな
がら、上記のようにして接合した場合であっても、接合
体の使用時における温度が 400℃以上になると、接合時
には金属間化合物がほとんど存在していなかった界面
に、BeとCuの脆い金属間化合物が過大に生成し、界面で
破壊を生じるおそれがあった。
【０００５】上記の問題の解決策としては、Beと金属間
化合物を形成しない軟質金属例えばAlの層をベリリウム
に隣接して設けることが考えられるが、一方でAl層を銅
合金と隣接させて接合した場合には、銅合金との界面に
AlとCuの脆い化合物が形成されることから、良好な接合
は望み得ない。従って、この場合には、Al層と銅合金の
界面にTi等のAl−Cu拡散抑制層を設けることが重要であ
る。すなわち、ベリリウム側には予めAlの中間層を設け
ておくと共に、銅合金側にも予めTiの中間層を設けてお
くことが必要となる。
【０００６】しかしながら、ベリリウムおよび銅合金そ
れぞれに、予めAlやTi等の中間層を設けておいたとして
も、AlやTiは活性度が高く表面が容易に酸化されること
から、強固な接合状態を得ることは難しかった。特に、
従来は、中間層を形成する手段として金属箔を利用して
いたことから、その表面の酸化膜に起因して強固な接合
状態を得ることは、事実上に望み得なかったのである。
また、Al等の金属箔を介挿材として利用する方法では、
構造が複雑な部材に適用する場合には、ベリリウム部材
や銅合金部材とずれを生じたり、さらにTi箔や銅箔等と
組み合わせて使用する場合には、ずれやしわを生じ、や
はり信頼性のある接合はできなかった。
【０００７】この点、発明者らは先に、上記の問題を解
決するものとして、特許第2999760 号において、基本的
に、「ベリリウムと銅合金を接合するに際し、該ベリリ
ウムの表面に、ＰＶＤ法または溶射法により、Ti, Cr,
MoまたはSiの薄層をBeとCuの拡散抑制層として形成し、
引き続きこの拡散抑制層の表面に接合促進層として純Cu
層または純Ni層を形成したのち、かかる中間層形成側を
接合面としてベリリウムと銅合金とをＨＩＰ接合する」
ことからなるベリリウムと銅合金のＨＩＰ接合体の製造
方法を提案した。
【０００８】上記の特許第2999760 号に開示の技術は、
(1) 従来、BeとCuの拡散抑制層としては、接合面におけ
る応力緩和の観点から上記したAlのような軟質金属でな
ければならないと考えられてきたのであるが、たとえCr
やMo等の硬質金属であってもその膜厚が薄ければ、Be−
Cu拡散抑制層として十分に機能する、(2) とはいえベリ
リウムにCr等の硬質薄膜を形成する場合、ベリリウムの
表面に酸化膜が存在していると十分な接合強度が得られ
ないので、硬質金属の成膜に際してはベリリウムの表面
から酸化膜を除去しておく必要がある、(3) 上記のよう
な構成とすることによって、接合強度および耐熱サイク
ル性に優れた接合体を得ることができるが、過大な熱負
荷が繰り返し付加されるような場合には、これでも十分
とはいい難く、かような熱負荷に耐えるためには、応力
緩和層としてのAl層の厚みを厚くする必要があることの
知見に立脚するものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記の技術により、接
合強度および耐熱サイクル性に優れた接合体を得ること
ができるようになった。しかしながら、最近では、信頼
性をさらに向上させるために、接合強度や耐熱サイクル
性のより一層の向上が望まれている。この発明は、上記
の要望に有利に応えるもので、上記特許第2999760 号に
開示の技術よりも、接合強度および耐熱サイクル性を一
層向上させたベリリウムと銅および銅合金の接合体を、
その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】さて、発明者らは、上記
の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、以下に述べ
る知見を得た。 ａ）特許第2999760 号に開示の技術では、ベリリウム側
の最終接合面として純Cu層を使用していたのであるが、
最終接合面としては、純Cu層上にさらにCuに対する固溶
元素であるAlやZnの薄層を設けることが有利である。す
なわち、純Cu層上にAlやZnの薄層を設けておくと、その
後の加熱・加圧接合時に、AlやZnが純Cu層および接合相
手である銅または銅合金中に拡散して固溶体層が形成さ
れる結果、接合強度が格段に向上する。 ｂ）また、従来、非対称でかつ急激な熱負荷が付加され
た場合には、たとえ応力緩和層としてAl層を設けたとし
ても、熱負荷の影響を十分に解消することができず、特
に拡散抑制層とCu接合層との界面でのはく離が懸念され
ていたのであるが、この点については、拡散抑制層とCu
接合層との間に、該拡散抑制層を構成する元素とCuから
なる傾斜組成層を設けることによって解決することがで
きる。この発明は、上記の新規知見に立脚するものであ
る。
【００１１】すなわち、この発明の要旨構成は次のとお
りである。１．ベリリウムと銅または銅合金を接合する
に際し、該ベリリウムの表面に、Ti, Cr, MoまたはSiの
薄層をBeとCuの拡散抑制層として形成したのち、この拡
散抑制層の表面に接合層としてCu層を形成し、引き続き
この接合層の表面に接合促進層としてAlまたはZnの薄層
を形成したのち、かかる中間層形成側を接合面としてベ
リリウムと銅または銅合金とを拡散接合することを特徴
とする、ベリリウムと銅または銅合金の接合体の製造方
法。
【００１２】２．ベリリウムと銅または銅合金を接合す
るに際し、該ベリリウムの表面に、応力緩和層としてAl
層を形成し、ついでTi, Cr, MoまたはSiの薄層をAlとCu
の拡散抑制層として形成したのち、この拡散抑制層の表
面に接合層としてCu層を形成し、引き続きこの接合層の
表面に接合促進層としてAlまたはZnの薄層を形成したの
ち、かかる中間層形成側を接合面としてベリリウムと銅
または銅合金とを拡散接合することを特徴とする、ベリ
リウムと銅または銅合金の接合体の製造方法。
【００１３】３．ベリリウムと銅または銅合金を接合す
るに際し、該ベリリウムの表面に、Ti, Cr, MoまたはSi
の薄層をBeとCuの拡散抑制層として形成したのち、さら
に該拡散抑制層を構成する元素とCuからなる傾斜組成層
を形成し、ついでこの傾斜組成層の表面に接合層として
Cu層を形成し、引き続きこの接合層の表面に接合促進層
としてAlまたはZnの薄層を形成したのち、かかる中間層
形成側を接合面としてベリリウムと銅または銅合金とを
拡散接合することを特徴とする、ベリリウムと銅または
銅合金の接合体の製造方法。
【００１４】４．ベリリウムと銅または銅合金を接合す
るに際し、該ベリリウムの表面に、応力緩和層としてAl
層を形成し、ついでTi, Cr, MoまたはSiの薄層をAlとCu
の拡散抑制層として形成したのち、さらに該拡散抑制層
を構成する元素とCuからなる傾斜組成層を形成し、つい
でこの傾斜組成層の表面に接合層としてCu層を形成し、
引き続きこの接合層の表面に接合促進層としてAlまたは
Znの薄層を形成したのち、かかる中間層形成側を接合面
としてベリリウムと銅または銅合金とを拡散接合するこ
とを特徴とする、ベリリウムと銅または銅合金の接合体
の製造方法。
【００１５】５．上記１〜４のいずれかにおいて、接合
促進層としてのAlまたはZnの薄層の表面に、さらに酸化
防止層としてCuの薄層を形成したことを特徴とする、ベ
リリウムと銅または銅合金の接合体の製造方法。
【００１６】６．ベリリウムと銅または銅合金を接合す
るに際し、該ベリリウムの表面に、Ti, Cr, MoまたはSi
の薄層をBeとCuの拡散抑制層として形成したのち、さら
に該拡散抑制層を構成する元素とCuからなる傾斜組成層
を形成し、ついでこの傾斜組成層の表面に接合層として
Cu層を形成したのち、かかる中間層形成側を接合面とし
てベリリウムと銅または銅合金とを拡散接合することを
特徴とする、ベリリウムと銅または銅合金の接合体の製
造方法。
【００１７】７．ベリリウムと銅または銅合金を接合す
るに際し、該ベリリウムの表面に、応力緩和層としてAl
層を形成し、ついでTi, Cr, MoまたはSiの薄層をAlとCu
の拡散抑制層として形成したのち、さらに該拡散抑制層
を構成する元素とCuからなる傾斜組成層を形成し、つい
でこの傾斜組成層の表面に接合層としてCu層を形成した
のち、かかる中間層形成側を接合面としてベリリウムと
銅または銅合金とを拡散接合することを特徴とする、ベ
リリウムと銅または銅合金の接合体の製造方法。
【００１８】８．上記１〜４のいずれかにおいて、接合
促進層としてのAlまたはZn薄層の厚みが0.01〜10μm で
ある、ベリリウムと銅または銅合金の接合体の製造方
法。
【００１９】９．上記５において、酸化防止層としての
Cu薄層の厚みが0.01〜10μm である、ベリリウムと銅ま
たは銅合金の接合体の製造方法。
【００２０】10. 上記１〜９のいずれかにおいて、接合
方法が熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ）であり、しかもその
接合条件が、加熱温度：400 〜650 ℃、加圧力：20 MPa
以上である、ベリリウムと銅または銅合金の接合体の製
造方法。
【００２１】11. ベリリウムと銅または銅合金との間
に、中間層として、 0.5〜50μm 厚のTi層、 0.1〜５μ
m 厚のCr層、0.5 〜20μm 厚のMo層または 0.5〜10μm
厚のSi層からなる拡散抑制層と、２〜500 μm 厚のCu層
からなる接合層と、0.1〜100 μm 厚のAlまたはZnとCu
との固溶体層とをそなえることを特徴とする、ベリリウ
ムと銅または銅合金の接合体。
【００２２】12. ベリリウムと銅または銅合金との間
に、中間層として、５μm〜2.5 mm厚のAl層からなる応
力緩和層と、 0.5〜50μm 厚のTi層、 0.1〜５μm厚のC
r層、0.5 〜20μm 厚のMo層または 0.5〜10μm 厚のSi
層からなる拡散抑制層と、２〜500 μm 厚のCu層からな
る接合層と、 0.1〜100 μm 厚のAlまたはZnとCuとの固
溶体層とをそなえることを特徴とする、ベリリウムと銅
または銅合金の接合体。
【００２３】13. ベリリウムと銅または銅合金との間
に、中間層として、 0.5〜50μm 厚のTi層、 0.1〜５μ
m 厚のCr層、0.5 〜20μm 厚のMo層または 0.5〜10μm
厚のSi層からなる拡散抑制層と、該拡散抑制層を構成す
る元素とCuからなる0.1〜100 μm 厚の傾斜組成層と、
２〜500 μm 厚のCu層からなる接合層と、 0.1〜100 μ
m 厚のAlまたはZnとCuとの固溶体層とをそなえることを
特徴とする、ベリリウムと銅または銅合金の接合体。
【００２４】14. ベリリウムと銅または銅合金との間
に、中間層として、５μm〜2.5 mm厚のAl層からなる応
力緩和層と、 0.5〜50μm 厚のTi層、 0.1〜５μm厚のC
r層、0.5 〜20μm 厚のMo層または 0.5〜10μm 厚のSi
層からなる拡散抑制層と、該拡散抑制層を構成する元素
とCuからなる 0.1〜100 μm 厚の傾斜組成層と、２〜50
0 μm 厚のCu層からなる接合層と、 0.1〜100 μm 厚の
AlまたはZnとCuとの固溶体層とをそなえることを特徴と
する、ベリリウムと銅または銅合金の接合体。
【００２５】15. ベリリウムと銅または銅合金との間
に、中間層として、 0.5〜50μm 厚のTi層、 0.1〜５μ
m 厚のCr層、0.5 〜20μm 厚のMo層または 0.5〜10μm
厚のSi層からなる拡散抑制層と、該拡散抑制層を構成す
る元素とCuからなる0.1〜100 μm 厚の傾斜組成層と、
２〜500 μm 厚のCu層からなる接合層とをそなえること
を特徴とする、ベリリウムと銅または銅合金の接合体。
【００２６】16. ベリリウムと銅または銅合金との間
に、中間層として、５μm〜2.5 mm厚のAl層からなる応
力緩和層と、 0.5〜50μm 厚のTi層、 0.1〜５μm厚のC
r層、0.5 〜20μm 厚のMo層または 0.5〜10μm 厚のSi
層からなる拡散抑制層と、該拡散抑制層を構成する元素
とCuからなる 0.1〜100 μm 厚の傾斜組成層と、２〜50
0 μm 厚のCu層からなる接合層とをそなえることを特徴
とする、ベリリウムと銅または銅合金の接合体。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、この発明を具体的に説明す
る。まず、この発明では、ベリリウムの表面に、BeとCu
の拡散抑制層として、TiやCr, Mo, Si等の薄層をＰＶＤ
法や溶射法により形成する。ここに、Be−Cu拡散抑制層
としてのTi, Cr，MoおよびSi層の厚みはそれぞれ、Ti：
0.5 〜50μm 、Cr：0.1 〜５μm 、Mo：0.5 〜20μm 、
Si：0.5 〜10μm 程度とする必要がある。というのは、
各元素の厚みが下限に満たないと十分な拡散抑制効果が
得られず、一方上限を超えると脆くなって破断のおそれ
が生じるからである。
【００２８】ここで、ＰＶＤ法としては、真空蒸着やス
パッタリング、イオンプレーティング等がとりわけ有利
に適合する。なお、ＰＶＤ処理における真空度は１×10
-4Torr以下とすることが望ましい。というのは、これに
満たないとＰＶＤ時に金属元素が酸化し、良好な被膜が
形成されないからである。また、ＰＶＤ処理に際して
は、基板の温度を 200〜400 ℃程度に高めておくこと
が、表面の有機系不純物、吸着ガスの除去および熱応力
緩和による皮膜密着性の観点から好ましい。
【００２９】一方、溶射法としては、真空下でのプラズ
マ溶射法（ＶＰＳ）、減圧不活性雰囲気下でのプラズマ
溶射法（ＬＰＰＳ）またはAlワイヤーを用い、大気中ま
たは不活性雰囲気中で行うワイヤー溶射法が有利に適合
する。なお、ＶＰＳやＬＰＰＳを使用する場合、上述し
たベリリウム表面の活性化法としては、陰極トランスフ
ァーアーククリーニングを適用することもできる。この
クリーニング法は、プラズマトーチと成膜する素材との
間に電圧をかけ、ミクロ的なカソードアークスポットを
表層に形成して、表面の酸化層を除去する方法である。
【００３０】なお、上記したBe−Cu拡散抑制層としての
Ti, Cr, MoまたはSi層の形成に際しては、それに先立
ち、ベリリウム表面の活性度を高めておくことが、かか
るBe−Cu拡散抑制層との接合強度を向上させる上で有利
である。すなわち、Be−Cu拡散抑制層の形成方法として
ＰＶＤ法を用いる場合には、真空中においてベリリウム
表面の酸化膜を除去することが有利であり、ここに酸化
膜の除去手段としては、アルゴンスパッタリングやイオ
ンボンバードメント等が有利に適合する。一方、Be−Cu
拡散抑制層の形成方法として溶射法を用いる場合には、
ブラスト処理が一般に用いられるが、その代わりにふっ
酸、硫酸、硝酸、リン酸およびクロム酸等の酸洗−脱脂
処理を施しても良い。
【００３１】ついで、上記した拡散抑制層の表面に、接
合層としてCu層を形成する。ここに、かようなCu層を形
成する理由は、上記したTiやCr, Mo, Si薄層等のBe−Cu
拡散抑制層を形成後、直ちに銅合金とＨＩＰ接合しよう
としても、TiやCr,Mo, Siは真空チャンバーから取り出
すと同時に表面に酸化膜が形成され易く、このような酸
化膜が形成された状態では銅合金との良好な接合が期待
できないのに対し、Be−Cu拡散抑制層の表面にCu層を被
成しておけば、真空チャンバーから取り出し後その表面
に酸化膜が形成されたとしても、接合対象である銅合金
とは同種金属で接合し易いため、 400〜650 ℃程度の比
較的低温でも十分に強固な接合体が得られるからであ
る。
【００３２】また、TiやCr, Mo, Si等の硬質金属と銅合
金とは、熱膨張差が大きいので、使用時に温度が上昇す
ると、この熱膨張差に起因して界面ではく離が生じるお
それがあるが、硬質金属と銅合金との間にCu層を介在さ
せると、この層が熱膨張差に基づく応力の発生を効果的
に緩和して、はく離の発生が効果的に防止されるからで
ある。ここに、Cu層の厚みが２μm に満たないとその成
膜効果に乏しく、一方 500μm を超えると成膜に要する
時間が長くなり、経済的に不利になるので、Cu層の厚み
は２〜500 μm の範囲に限定した。また、かようなCu層
の形成方法としては、拡散抑制層を形成する場合と同じ
く、ＰＶＤ法や溶射法等が有利に適合する。
【００３３】さらに、上記した接合層としてのCu層の表
面に、接合促進層としてAlまたはZnの薄層を形成する。
この理由は、前述したとおり、Cu層の表面にAlやZnの薄
層を被成しておけば、その後の加熱・加圧接合時に、Al
やZnが純Cu層および接合相手である銅または銅合金中に
拡散して固溶体層を形成し、接合強度のより一層の向上
が達成されるからである。ここに、接合促進層としての
AlやZnの薄層の厚みは、0.01〜10μm とする必要があ
る。というのは、厚みが下限に満たないと接合促進層と
しての効果が得られず、一方上限を超えると、加熱接合
時にAlやZnの拡散が十分に行われず、Cu-Al系やCu-Zn系
の金属間化合物が接合界面に残留し、脆くなって破断の
おそれが生じるからである。
【００３４】なお、この発明では、上記した接合促進層
としてのAlまたはZn薄層の上に、さらに酸化防止層とし
てCuの薄層を形成することが有利である。というのは、
上記したAlまたはZnの薄層は極めて酸化し易いため、か
ような酸化膜が形成された状態で銅または銅合金を接合
しようとすると、AlまたはZn薄層表面の酸化の程度によ
り良好な接合が安定してできない場合があるからであ
る。この点、AlやZnの薄層の表面に酸化防止層としてCu
の薄層を被成しておけば、上記のような問題は生じな
い。ここに、上記した酸化防止層としてCu薄層の厚み
は、0.01〜10μm とする必要がある。というのは、厚み
が下限に満たないと酸化防止層としての効果に乏しく、
一方上限を超えると、AlまたはZnの薄層から接合界面ま
での距離が長くなるので、接合時の加熱によってもAlや
Znが接合界面まで十分に拡散することができず、接合界
面における金属原子の相互拡散が不十分となって強度の
低下をもたらすからである。なお、上記したAlまたはZn
薄層およびCu薄層の形成方法としては、拡散抑制層やCu
接合層の場合と同じく、ＰＶＤ法や溶射法等が有利に適
合する。
【００３５】ついで、上記したような中間層形成側を接
合面として、ベリリウムと銅または銅合金とを接合す
る。接合法としては、ＨＩＰ接合が最適である。ここ
に、かかるＨＩＰ接合において、接合温度は従来よりも
低い 400〜650 ℃程度で十分であり、また加圧力は少な
くとも20 MPaとすることが望ましい。加圧力は、20 MPa
以上の範囲において、その接合面の粗さ、形状及びキャ
ニングの構造等により最適な圧力が選択されるが、一般
に過剰な加圧は加圧ガスや加圧のための動力、加圧に耐
え得るＨＩＰ設備等のコストの増加をもたらすため、お
のずと上限が決められる。そして、上記のようなＨＩＰ
接合により、Cu接合層と銅または銅合金との間には、
0.1〜100 μm 厚のAlまたはZnとCuとの固溶体層が形成
される。
【００３６】かくして、ＨＩＰ接合時においては勿論、
使用時においても、界面に脆い化合物が生成することな
く高い接合強度および耐熱サイクル性を備えたベリリウ
ムと銅合金のＨＩＰ接合体を、安定して得ることができ
る。
【００３７】しかしながら、ベリリウムとTiやCr, Mo,
Si等の硬質金属とは、熱膨張の差が大きいので、使用時
に温度が過度に上昇するような用途においては、この熱
膨張差に起因して界面ではく離が生じるおそれがある。
このような場合には、ベリリウムと硬質金属との間に応
力緩和層としてAl層を形成することが有利である。とい
うのは、Alは、軟質なので応力を緩和するのに極めて有
用であり、またBeとCuの拡散抑制層としても有効に寄与
するからである。なお、応力緩和層としてAl層は、純Al
だけに限るものではなく、A2618等の高温強度に優れたA
l合金を用いることもでき、このようなAl合金の使用
は、接合体を高温で使用する場合に特に有利である。
【００３８】一方、核融合炉の第一壁において、異常な
プラズマによる危険な熱負荷を生ずる事故時に、むしろ
ベリリウムアーマーが銅または銅合金から自発的にはく
離することが安全上要求される場合がある。この発明の
接合方法および接合体を用いる場合、Al層が危険な熱負
荷により自発的に溶融してベリリウムをはく離させるこ
とが可能である。しかも、このようなAl層として、適当
な融点を有するAl合金を適用することにより、ベリリウ
ムがはく離する条件を適宜選択することも可能となる。
【００３９】ここに、Al層の形成に当たっては、TiやC
r, Mo, Si等の硬質金属の形成に先立ち、表面の酸化膜
を除去したベリリウムの活性表面に、同じくＰＶＤ法や
溶射法を利用して行うことが好ましい。膜厚について
は、少なくとも５μm が必要である。しかしながら、過
大な熱負荷が繰り返し付加される用途で使用する場合に
は、膜厚は 200μm 以上とすることが望ましい。とはい
え 2.5mmを超えて被覆しても熱応力緩和効果は飽和に達
し、むしろ成膜に要する時間が過大となり経済的に不利
になるので、応力緩和層としてのAl層の厚みは５μm 〜
2.5 mmの範囲に限定した。特に好適なAl層の厚みは 0.5
〜1.5 mmである。
【００４０】なお、ＰＶＤ法によって、厚みが 200μm
以上のAl層を形成するためには、多大な時間を必要とす
るだけでなく、装置の複雑・大型化を余儀なく、コスト
的に不利であり、また 500μm 厚以上の成膜は実質的に
不可能である。従って、厚みが200μm 以上のAl層を形
成する場合には、溶射法を利用するのが有利である。溶
射法たとえばＶＰＳやＬＰＰＳによって、ベリリウム部
材の表面にAl層を形成する場合には、Al粉末を用い、こ
れをプラズマにより溶融させながら、ベリリウム部材上
に噴射すれば良い。
【００４１】なお、ＶＰＳやＬＰＰＳによって、引き続
きTi, Cr, Mo, Si等の薄層を形成する場合には、粉末を
変えて連続的に溶射膜を形成することが可能であり、さ
らにその上にCu層やAl, Zn薄層を形成する場合も、同様
に連続的な成膜が可能である。なお、この場合に、一種
類の層を溶射終了後、前述した陰極トランスファーアー
クにより、層の表面をクリーニングしたのちに、次層の
溶射を施すようにしても良い。
【００４２】また、Al層を、ワイヤー溶射により形成し
た場合、その後のTi, Cr, Mo, Si層の形成、さらにはそ
の上のCu層およびAl, Zn薄層の形成を同様に溶射法を利
用して実施する場合には、ＶＰＳやＬＰＰＳによって行
う必要がある。この場合、Alの溶射面は、前述したいず
れかの処理によりクリーニングして、表面のヒューム、
酸化物等を除去する必要がある。
【００４３】さらに、溶射膜の表面は、一般に粗いた
め、溶射後のAl層の表面を機械加工や研磨加工によって
平滑化し、クリーニングを施したのち、Ti, Cr, Mo, Si
層の形成、さらにはその上のCu層およびAl, Zn薄層の形
成を行うことが好ましい。この時、Ti, Cr, Mo, Si層の
形成やCu層の形成は、溶射法であっても、ＰＶＤ法であ
ってもいずれでも良い。
【００４４】ところで、たとえ応力緩和層として上記し
たようなAl層を設けたとしても、非対称でかつ急激な熱
負荷が付加されたような場合には、熱負荷の影響により
拡散抑制層とCu接合層間の熱膨張差に起因して、それら
の界面に発生する集中的なせん断応力に拡散抑制層とCu
接合層間の接合が耐えることができず、拡散抑制層とCu
接合層との界面で、はく離が生じる場合がある。しかし
ながら、この問題は、拡散抑制層とCu接合層との間に、
拡散抑制層を構成する元素とCuからなる傾斜組成層を設
けることによって解決することができる。すなわち、拡
散抑制層とCu接合層との間に、上記したような傾斜組成
層を設けておくと、たとえ非対称でかつ急激な熱負荷が
付加された場合であっても、傾斜組成層において緩やか
な熱膨張の変化が達成されるので、せん断応力が低減し
て拡散抑制層とCu接合層との界面でのはく離が効果的に
防止されるのである。
【００４５】なお、かような傾斜組成層は、例えばＰＶ
Ｄ法を利用する場合には、拡散抑制層構成元素とCuとを
同時または交互に成膜しつつ、各々の成膜速度を変化さ
せることによって、表面側になるほど単位体積中のCu比
率が連続して増大するような傾斜組成とすることができ
る。また、溶射法を利用する場合には、拡散抑制層構成
元素とCuとを交互に被覆するに際し、その厚みを適宜変
更することによって傾斜組成とすることができる。ここ
に、上記した傾斜組成層の厚みは、 0.1〜100 μm とす
る必要がある。というのは、厚みが下限に満たないと、
傾斜組成層において十分に緩やかな熱膨張の変化を達成
させることができないためにせん断応力が低減する効果
が十分ではなく、一方上限を超えると、そのせん断応力
を低減する効果が飽和に達して、それ以上の厚みは成膜
に要する時間やコストの不必要な増加をもたらすからで
ある。
【００４６】なお、上記したような傾斜組成層を形成し
た場合には、ベリリウムと接合する銅合金の種類によっ
ては、接合促進層としてのAlまたはZn薄層の形成を省略
することもできる。というのは、例えばクロムジルコニ
ウム銅等の銅合金を使用する場合、接合時にクロムジル
コニウム銅中の合金成分（Cr, Zr等）が対向面であるCu
接合層へ拡散するため、この部分の接合は強固になり得
るが、このような接合体において、非対称で急激な熱負
荷が作用すると、傾斜組成層がない場合、先述した拡散
抑制層とCu接合層間の剥離が問題となるのに対して、傾
斜組成層を有する接合体は全体として強固な接合を実現
することができるからである。
【００４７】かくして、ベリリウムの表面に、Al層を被
成したのち、TiやCr, Mo, Si層等を被成し、ついで傾斜
組成層を形成したのち、引き続きCu層、さらにはAlまた
はZn薄層を被成して、中間層としてAl−（Ti, Cr，Mo，
Si）−傾斜層−Cu−（Al，Zn）層を形成することによ
り、応力緩和能および接合強度に格段に優れた接合体を
得ることができる。
【００４８】なお、この発明に用いる銅合金としては、
アルミナ分散強化銅（DSCu）、クロムジルコニウム銅お
よびベリリウム銅（C17510, C17500等）が有利に適合す
る。また、特に銅合金として、析出硬化型銅合金で、か
つ接合前に溶体化処理を施したものを用いた場合には、
接合時に、析出硬化型銅合金とこれに対向するCu接合層
との濃度勾配に起因する拡散の駆動力に加えて、析出硬
化型銅合金中に過飽和に固溶した析出元素が析出を開始
する際の拡散の駆動力が加わることにより、接合界面に
おける拡散がより促進されて強固な接合を達成すること
ができるとともに、接合後に、該析出硬化型銅合金が時
効析出した状態になり、銅合金の強度向上も併せて達成
することができるので、より有利である。また、この発
明の接合方法は、ベリリウム側の接合面にのみ各種の中
間層を成膜することで、銅または銅合金と強固に接合す
ることが可能である。従って、核融合炉の第一壁に本発
明の接合方法を適用した場合、比較的小型であるベリリ
ウムへの成膜以外、大型構造物である銅合金側へのＰＶ
Ｄ等による成膜工程が不要となることから、大面積にお
ける膜厚管理や大型の成膜装置を必要としない点でも有
利である。
【００４９】
【実施例】実施例１ 試料としては、寸法がそれぞれ25mmＷ×25mmＬ×11mmｔ
のベリリウムと無酸素銅および各種銅合金（アルミナ分
散強化銅合金（DSCu）、クロムジルコニウム銅（CuCrZ
r））を用いた。 なお、クロムジルコニウム銅（CuCrZr)
は、980 ℃で30分加熱したのち、水冷して溶体化した
材料を用いた。まず、ベリリウムの25mm×25mmの表面
に、表１に示す条件に従って、No.26 のCu接合層を溶射
で施工した以外は、全てＰＶＤによって各種の中間層を
形成した。ついで、この中間層側を接合面として、銅ま
たは各種銅合金と共にステンレス鋼製の容器に入れ、同
じく表１に示す条件下でＨＩＰ接合を行った。かくして
得られた各ＨＩＰ接合体から、接合界面を中心に３mm×
３mm×22mmの曲げ試験片を放電加工により切り出し、研
磨加工を施したのち、曲げ試験に供した。なお、この曲
げ試験は、JIS R 1624（1995）に規定される「ファイン
セラミックス接合の曲げ強さ試験方法」に準じて行い、
「接合曲げ強さ」を測定した。得られた結果を表１に併
記する。
【００５０】
【表１】
【００５１】同表に示したとおり、この発明に従い得ら
れたＨＩＰ接合体はいずれも、界面に脆い金属間化合物
が形成されてなく、高い接合曲げ強さを得ることができ
た。 また、これらの適合例について、高温での実使用を
想定して 200℃および 400℃における曲げ試験も実施し
たが、いずれも接合曲げ強さの低下は少なく、実用に耐
え得る範囲であった。
【００５２】従来、無酸素銅やDSCuのように、合金成分
が金属としてほとんど存在しない銅系材料を、ベリリウ
ム表面に形成されたCu接合層と比較的低温で接合する場
合、 その部分の接合が不十分であったが、 この発明に従
い接合促進層としてAlまたはZn薄層を形成することによ
って、 高い接合強度を有する接合を実現することができ
た。 さらに、接合促進層の上に酸化防止層を形成した接
合体の接合曲げ強さは、 かような酸化防止層を形成しな
かった接合体よりも、 試験結果のばらつきが少なく、安
定した結果が得られた。一方、主にCuCrZrのように合金
成分が金属として存在する銅合金の場合、傾斜組成層が
ない従来の接合体は、主に拡散抑制層とCu接合層との界
面が最も脆弱であった。 しかしながら、この発明に従
い、拡散抑制層とCu接合層との間に傾斜組成層を形成し
た接合体では、その接合曲げ強さは大幅に向上した。な
お、CuCrZrのような析出硬化型合金を使用する場合、今
回のようなＨＩＰ接合時に時効析出させることが、工程
上望ましいが、ＨＩＰ温度が高すぎると過時効となり、
No.33 に示すようにCuCrZrの硬さ（強度）を低下させる
場合があるので、注意を要する。また、No.29 やNo.34
に示すようにＨＩＰ接合時の温度や圧力が低すぎると、
ベリリウムと銅合金の接合界面における拡散が不十分と
なり、それらの接合強度が著しく低下するので、好まし
くない。
【００５３】実施例２ 試料としては、寸法がそれぞれ15mmＷ×20mmＬ×７mmｔ
のベリリウムと、18mmＷ×50mmＬ×20mmｔの無酸素銅お
よび各種銅合金（アルミナ分散強化銅合金（DSCu) 、ク
ロムジルコニウム銅（CuCrZr）を用いた。 クロムジルコ
ニウム銅（CuCrZr）は、実施例１と同様にして溶体化し
た材料を用いた。まず、べリリウムの15mm×20mmの面
に、表２の条件に従って、No.3〜10の応力緩和層を溶射
で施工した以外は、全てＰＶＤによって各種の中間層を
形成した。ついで、この中間層側を接合面として、銅ま
たは各種銅合金をステンレス鋼製の容器に入れ、同じく
表２に示す条件下でＨＩＰ接合を行った。かくして得ら
れた各ＨＩＰ接合体から、図１に示すような銅系材料部
に冷却水用の孔を有する熱負荷サイクル試験用の試験体
を製作した。
【００５４】熱負荷サイクル試験に供する試験体は、そ
の銅系材料部に加工された冷却水用の孔に約30℃の冷却
水を通水しつつ、その周囲を真空に維持できる真空容器
内にセットした。 熱負荷は、べリリウム側の表面に電子
線を高速で矩形状に走査することにより付与した。 ま
た、熱負荷サイクルは、電子線の走査位置を、試験体の
べリリウム表面から、試験体以外に設けられた熱吸収装
置へ移動させたのち、再びべリリウム表面に移動する工
程を、各位置で一定時間保持しながら繰り返すことによ
り実現した。 熱負荷サイクル試験中、べリリウムの表面
を常に赤外線カメラで監視し、 ベリリウムの表面温度ま
たはその分布が試験初期の状態と著しく変化した場合、
これを試験体の接合部の異常と見なして試験を中止し
た。 そして、それまでに試験体に付与した熱負荷サイク
ルを、その試験体の寿命（熱負荷回数）とし、これを接
合条件の比較評価項目とした。また、実施例１と同じ要
領で、曲げ試験片も製作して、各接合体の接合曲げ強さ
についても測定した。かくして得られた結果を表２に併
記する。
【００５５】
【表２】
【００５６】同表に示したとおり、べリリウム側からの
みの非対称かつ急激な熱負荷サイクルを付与した場合に
おいても、この発明に従う接合体は、応力緩和層をはじ
めとして、その後さらに強度を高めた接合促進層および
傾斜組成層の機能により、 従来の接合体よりもより多く
の熱負荷サイクルに耐えることができた。
【００５７】
【発明の効果】かくして、この発明によれば、ＨＩＰ接
合時においては勿論、使用時においても、界面に脆い化
合物が生成することがなく、またたとえ非対称でかつ急
激な熱負荷が付加された場合であっても高い接合強度と
耐熱サイクル性を備えるベリリウムと銅または銅合金の
接合体を、安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱負荷サイクル試験用の試験体の寸法・形状を
示した図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２３Ｋ 103:12 Ｂ２３Ｋ 103:12 (72)発明者 岩立 孝治 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 宇田 実 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 Ｆターム(参考） 4E067 AA01 AA07 AB03 AB04 AC00 AD08 AD10 BA03 BA06 DA17 DC03 DC05 EA01 EB00

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ベリリウムと銅または銅合金を接合する
    に際し、該ベリリウムの表面に、Ti, Cr, MoまたはSiの
    薄層をBeとCuの拡散抑制層として形成したのち、この拡
    散抑制層の表面に接合層としてCu層を形成し、引き続き
    この接合層の表面に接合促進層としてAlまたはZnの薄層
    を形成したのち、かかる中間層形成側を接合面としてベ
    リリウムと銅または銅合金とを拡散接合することを特徴
    とする、ベリリウムと銅または銅合金の接合体の製造方
    法。
  2. 【請求項２】 ベリリウムと銅または銅合金を接合する
    に際し、該ベリリウムの表面に、応力緩和層としてAl層
    を形成し、ついでTi, Cr, MoまたはSiの薄層をAlとCuの
    拡散抑制層として形成したのち、この拡散抑制層の表面
    に接合層としてCu層を形成し、引き続きこの接合層の表
    面に接合促進層としてAlまたはZnの薄層を形成したの
    ち、かかる中間層形成側を接合面としてベリリウムと銅
    または銅合金とを拡散接合することを特徴とする、ベリ
    リウムと銅または銅合金の接合体の製造方法。
  3. 【請求項３】 ベリリウムと銅または銅合金を接合する
    に際し、該ベリリウムの表面に、Ti, Cr, MoまたはSiの
    薄層をBeとCuの拡散抑制層として形成したのち、さらに
    該拡散抑制層を構成する元素とCuからなる傾斜組成層を
    形成し、ついでこの傾斜組成層の表面に接合層としてCu
    層を形成し、引き続きこの接合層の表面に接合促進層と
    してAlまたはZnの薄層を形成したのち、かかる中間層形
    成側を接合面としてベリリウムと銅または銅合金とを拡
    散接合することを特徴とする、ベリリウムと銅または銅
    合金の接合体の製造方法。
  4. 【請求項４】 ベリリウムと銅または銅合金を接合する
    に際し、該ベリリウムの表面に、応力緩和層としてAl層
    を形成し、ついでTi, Cr, MoまたはSiの薄層をAlとCuの
    拡散抑制層として形成したのち、さらに該拡散抑制層を
    構成する元素とCuからなる傾斜組成層を形成し、ついで
    この傾斜組成層の表面に接合層としてCu層を形成し、引
    き続きこの接合層の表面に接合促進層としてAlまたはZn
    の薄層を形成したのち、かかる中間層形成側を接合面と
    してベリリウムと銅または銅合金とを拡散接合すること
    を特徴とする、ベリリウムと銅または銅合金の接合体の
    製造方法。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかにおいて、接合
    促進層としてのAlまたはZnの薄層の表面に、さらに酸化
    防止層としてCuの薄層を形成したことを特徴とする、ベ
    リリウムと銅または銅合金の接合体の製造方法。
  6. 【請求項６】 ベリリウムと銅または銅合金を接合する
    に際し、該ベリリウムの表面に、Ti, Cr, MoまたはSiの
    薄層をBeとCuの拡散抑制層として形成したのち、さらに
    該拡散抑制層を構成する元素とCuからなる傾斜組成層を
    形成し、ついでこの傾斜組成層の表面に接合層としてCu
    層を形成したのち、かかる中間層形成側を接合面として
    ベリリウムと銅または銅合金とを拡散接合することを特
    徴とする、ベリリウムと銅または銅合金の接合体の製造
    方法。
  7. 【請求項７】 ベリリウムと銅または銅合金を接合する
    に際し、該ベリリウムの表面に、応力緩和層としてAl層
    を形成し、ついでTi, Cr, MoまたはSiの薄層をAlとCuの
    拡散抑制層として形成したのち、さらに該拡散抑制層を
    構成する元素とCuからなる傾斜組成層を形成し、ついで
    この傾斜組成層の表面に接合層としてCu層を形成したの
    ち、かかる中間層形成側を接合面としてベリリウムと銅
    または銅合金とを拡散接合することを特徴とする、ベリ
    リウムと銅または銅合金の接合体の製造方法。
  8. 【請求項８】 請求項１〜４のいずれかにおいて、接合
    促進層としてのAlまたはZn薄層の厚みが0.01〜10μm で
    ある、ベリリウムと銅または銅合金の接合体の製造方
    法。
  9. 【請求項９】 請求項５において、酸化防止層としての
    Cu薄層の厚みが0.01〜10μm である、ベリリウムと銅ま
    たは銅合金の接合体の製造方法。
  10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれかにおいて、接
    合方法が熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ）であり、しかもそ
    の接合条件が、加熱温度：400 〜650 ℃、加圧力：20 M
    Pa以上である、ベリリウムと銅または銅合金の接合体の
    製造方法。
  11. 【請求項１１】 ベリリウムと銅または銅合金との間
    に、中間層として、 0.5〜50μm 厚のTi層、 0.1〜５μ
    m 厚のCr層、0.5 〜20μm 厚のMo層または 0.5〜10μm
    厚のSi層からなる拡散抑制層と、２〜500 μm 厚のCu層
    からなる接合層と、0.1〜100 μm 厚のAlまたはZnとCu
    との固溶体層とをそなえることを特徴とする、ベリリウ
    ムと銅または銅合金の接合体。
  12. 【請求項１２】 ベリリウムと銅または銅合金との間
    に、中間層として、５μm〜2.5 mm厚のAl層からなる応
    力緩和層と、 0.5〜50μm 厚のTi層、 0.1〜５μm厚のC
    r層、0.5 〜20μm 厚のMo層または 0.5〜10μm 厚のSi
    層からなる拡散抑制層と、２〜500 μm 厚のCu層からな
    る接合層と、 0.1〜100 μm 厚のAlまたはZnとCuとの固
    溶体層とをそなえることを特徴とする、ベリリウムと銅
    または銅合金の接合体。
  13. 【請求項１３】 ベリリウムと銅または銅合金との間
    に、中間層として、 0.5〜50μm 厚のTi層、 0.1〜５μ
    m 厚のCr層、0.5 〜20μm 厚のMo層または 0.5〜10μm
    厚のSi層からなる拡散抑制層と、該拡散抑制層を構成す
    る元素とCuからなる0.1〜100 μm 厚の傾斜組成層と、
    ２〜500 μm 厚のCu層からなる接合層と、 0.1〜100 μ
    m 厚のAlまたはZnとCuとの固溶体層とをそなえることを
    特徴とする、ベリリウムと銅または銅合金の接合体。
  14. 【請求項１４】 ベリリウムと銅または銅合金との間
    に、中間層として、５μm〜2.5 mm厚のAl層からなる応
    力緩和層と、 0.5〜50μm 厚のTi層、 0.1〜５μm厚のC
    r層、0.5 〜20μm 厚のMo層または 0.5〜10μm 厚のSi
    層からなる拡散抑制層と、該拡散抑制層を構成する元素
    とCuからなる 0.1〜100 μm 厚の傾斜組成層と、２〜50
    0 μm 厚のCu層からなる接合層と、 0.1〜100 μm 厚の
    AlまたはZnとCuとの固溶体層とをそなえることを特徴と
    する、ベリリウムと銅または銅合金の接合体。
  15. 【請求項１５】 ベリリウムと銅または銅合金との間
    に、中間層として、 0.5〜50μm 厚のTi層、 0.1〜５μ
    m 厚のCr層、0.5 〜20μm 厚のMo層または 0.5〜10μm
    厚のSi層からなる拡散抑制層と、該拡散抑制層を構成す
    る元素とCuからなる0.1〜100 μm 厚の傾斜組成層と、
    ２〜500 μm 厚のCu層からなる接合層とをそなえること
    を特徴とする、ベリリウムと銅または銅合金の接合体。
  16. 【請求項１６】 ベリリウムと銅または銅合金との間
    に、中間層として、５μm〜2.5 mm厚のAl層からなる応
    力緩和層と、 0.5〜50μm 厚のTi層、 0.1〜５μm厚のC
    r層、0.5 〜20μm 厚のMo層または 0.5〜10μm 厚のSi
    層からなる拡散抑制層と、該拡散抑制層を構成する元素
    とCuからなる 0.1〜100 μm 厚の傾斜組成層と、２〜50
    0 μm 厚のCu層からなる接合層とをそなえることを特徴
    とする、ベリリウムと銅または銅合金の接合体。
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