JP3799391B2

JP3799391B2 - 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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Publication number: JP3799391B2
Application number: JP2001305359A
Authority: JP
Inventors: 歳久秦野; 孝治岩立; 実宇田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2021-10-01
Also published as: EP1297925B1; EP1297925A2; JP2003112269A; US6824888B2; EP1297925A3; US20030085260A1

Description

【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、 0.1〜５μm 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。
【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、 0.1〜５μm 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 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。
【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 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、 0.1〜５μm 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。
【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Al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Cr, 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ＰＶＤ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ＰＶＤ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（CuCrZr））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。

Claims

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 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。
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、 0.1〜５μm 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。
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。
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、 0.1〜５μm 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 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。
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 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。
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、 0.1〜５μm 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。
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。