KR100773766B1

KR100773766B1 - 물리 증기 증착 일괄처리를 이용한 베릴륨과 구리 합금의고온등방가압 접합방법

Info

Publication number: KR100773766B1
Application number: KR1020060110599A
Authority: KR
Inventors: 김현길; 정용환; 박상윤; 이명호; 최병권; 백종혁; 박정용; 김준환; 홍봉근
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2007-11-12

Abstract

본 발명은 베릴륨 표면을 전처리하여 산화층을 제거하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 산화층이 제거된 베릴륨층 위에 티타늄 또는 지르코늄 중 어느 하나를 선택하여 1차 중간층을 코팅하는 단계(단계 2); 상기 단계 2의 1차 중간층 위에 크롬, 니오븀 및 지르코늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 선택하여 2차 중간층을 코팅하는 단계(단계 3); 상기 단계 3의 2차 중간층 위에 응력완화층으로서 순수한 구리층을 코팅하는 단계(단계 4)를 수행하여 중간층 및 순수 구리층이 코팅된 베릴륨을 제조하고, 여기서 상기 단계 1 내지 단계 4는 PVD 진공 챔버내에서 일괄적으로 수행되며, 상기 일괄공정에 의해 제조된 베릴륨과 구리 합금을 HIP 방법에 의해 접합시키는 단계(단계 5)를 포함하여 이루어지는 베릴륨과 구리 합급의 HIP 접합 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 접합방법은 접합시 금속간 화합물의 생성이 억제되고 접합성능이 우수하여 핵융합로 및 기타 플라즈마와 접하는 구성품으로 유용하게 사용될 수 있다.

베릴륨, 구리 합금, HIP 접합, 일괄처리, PVD 진공 챔버

Description

물리 증기 증착 일괄처리를 이용한 베릴륨과 구리 합금의 고온등방가압 접합방법{Hot isostatic pressing joining method between Be using one process in physical vapor deposition chamber and Cu alloy}

도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 PVD 일괄처리를 이용한 베릴륨과 구리 합금의 HIP 접합방법의 모식도를 나타내며,

도 2는 본 발명의 일비교예에 의한 베릴륨/티타늄/구리의 HIP 접합층의 일단면을 나타낸 도면이다.

<주요 도면 부호에 대한 간단한 설명>

1: 베릴륨

2: 1차 중간층

3: 2차 중간층

4: 응력완화층

5: 구리 합급

6: 코팅원료 용기

7: PVD 진공 챔버

본 발명은 물리 증기 증착 일괄처리를 이용한 베릴륨과 구리 합금의 고온등방가압 접합방법에 관한 것이다.

고온등방가압(hot isostatic pressing, 이하 HIP) 접합 방법으로 접합된 베릴륨과 구리 합금의 구성품은 높은 열속(heat flux) 및 중성자속(neutron flux) 환경에 노출되어 있는 핵융합로의 1차 방호벽으로 사용된다. 이는 베릴륨이 플라즈마에 안정하고 열속과 중성자속에 대해 우수한 저항성을 가지고 있으며, 구리 합금은 높은 열전도도를 가지므로 우수한 냉각기능을 하기 때문이다. 상기 핵융합로에서 베릴륨에 도입된 열은 접합된 구리 합금으로 빠르게 열전달이 이루어져야 하는데 접합이 제대로 이루어지지 않으면 열전달이 원활하지 않으며, 베릴륨과 구리 합금사이에 작용하는 열팽창율의 차이는 베릴륨과 구리 합금 접합면의 분리를 초래하기도 한다. 따라서 베릴륨과 구리 합금의 접합부는 높은 열전도도를 유지하면서 반복되는 열팽창 응력에 견딜 수 있는 우수한 접합성능을 가져야 한다.

종래에는 베릴륨과 구리 합금의 HIP 접합은 700 ℃ 이상에서 수행하였다. 왜냐하면, 일반적으로 베릴륨 부재 표면상에는 산화막이 존재하여 접합 온도가 700 ℃ 미만이면 상기 베릴륨과 구리의 상호확산에 의한 접합이 효과적으로 나타나지 않기 때문이다. 그러나 700 ℃ 이상의 고온에서 베릴륨과 구리 합금의 접합시 두 접합 대상물 사이의 계면에 Be₂Cu, BeCu와 같은 부서지기 쉬운(brittle) 금속간 화합물이 생성되어 열싸이클 환경에서 계면박리가 발생하고, 높은 에너지가 소모되므로 비용이 많이 드는 문제가 있다. 따라서 상기 베릴륨과 구리 합금의 HIP 접합 온도를 낮추어 계면박리 현상을 억제하고 상기 베릴륨과 구리 합금의 접합성을 향상시키기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.

미국등록특허 제6,176,418호, 유럽공개특허 제0901869 A1호 및 일본공개특허 평10-216960호 공보에서는 스테인레스강/구리 합금/베릴륨을 한번의 공정으로 접합하는 방법에 관한 것으로서 베릴륨과 구리 합금 사이에 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo) 및 니오븀(Nb)로 이루어진 중간층을 삽입하는 공정을 개시하고 있다.

또한, 미국등록특허 제6,164,524호 및 일본공개특허 평11-285895호 공보에서는 베릴륨과 구리 합금을 접합하는 데 있어서 상기 베릴륨 표면에 물리적 진공 증착PVD 또는 용사법에 의해 티타늄, 크롬(Cr), 몰리브덴 또는 규소(Si)로 이루어진 확산억제층(diffusion inhibition layer)을 형성하고, 필요에 따라 상기 확산억제층의 표면에 접합촉진층으로 구리 또는 니켈(Ni)층을 형성한 후 상기 접합촉진층을 접합면으로 하여 상기 베릴륨과 구리 합금을 접합하는 방법이 개시되어 있다. 이때 HIP 접합 온도와 압력은 400 ~ 650 ℃, 20 ~ 300 MPa를 제시하고 있다.

나아가, 미국등록특허 제6,824,888호, 유럽공개특허 제1297925 A2호, 일본공개특허 제2003-112269호 공보에서는 베릴륨과 구리 합금을 접합하는 데 있어서, 상기 베릴륨과 구리 합금 사이에 확산억제층으로 티타늄, 크롬, 몰리브덴 및 규소층을 형성하고 상기 확산억제층 표면에 구리층을 형성한 후, 그 위에 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr) 및 구리 등의 확산촉진층을 형성하여 HIP 접합하는 방법을 개시하고 있으며, 이때 HIP 접합 온도는 400 ~ 600 ℃, 압력은 20 MPa 이상을 제시하고 있다.

또한, 미국등록특허 제6,286,750호, 유럽공개특허 제1043111 A2호 및 일본 공개특허 제2001-225176호 공보에서는 베릴륨과 구리 합금을 접합하는 데 있어서, 상기 구리 합금의 표면에 확산억제층으로서 티타늄, 바나듐(V), 니오븀, 크롬, 몰리브덴 또는 규소로 이루어지는 층으로 코팅하고, 상기 코팅된 구리 합금과 베릴륨을 접합하는데 있어서 알루미늄(Al)-마그네슘(Mg) 합금으로 구성된 중간체를 구리와 베릴륨 사이에 위치시키고 상기 구리 및 베릴륨이 삽입체(insert body)를 통하여 확산접합되도록 고온등방가압 접합하는 방법을 개시하고 있다.

그러나 핵융합로 운전조건에서 신뢰할 수 있는 성능을 보유한 제1차 방호벽의 제조를 위해서는 종래 기술보다 베릴륨 및 구리 합금 사이의 접합강도 및 열싸이클 저항 특성이 강화되고, 베릴륨 및 구리 합금 계면에서의 금속간 화합물 생성 이 억제될 수 있는 접합방법을 개발하는 것이 끊임없이 요구되고 있다.

이에 본 발명자들은 베릴륨 및 구리 합금 계면에서의 금속간 화합물 생성을 억제하며 접합강도가 우수한 접합 방법을 연구하던 중, 베릴륨의 표면 전처리, 이중 중간층 및 순수한 구리층 형성을 진공 물리 증기 증착(physical vapor deposition, 이하 PVD) 장비에서 일괄처리로 수행한 후 HIP 접합을 수행할 때, 최적 조건에서 접합강도가 우수하고 금속간 화합물 생성이 억제됨을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 베릴륨과 구리 합금의 접합강도를 향상시키는, PVD 일괄처리를 이용한 베릴륨과 구리 합금의 HIP 접합방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

베릴륨 표면을 전처리하여 산화층을 제거하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 산화층이 제거된 베릴륨층 위에 1차 중간층을 코팅하는 단계(단계 2); 상기 단계 2의 1차 중간층 위에 2차 중간층을 코팅하는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3의 2차 중간층 위에 응력완화층으로서 순수한 구리층을 코팅하는 단계(단계 4)를 수행하여 중간층 및 순수 구리층이 코팅된 베릴륨을 PVD 진공 챔버내에서 일괄처리공정에 의 해 제조하고,

상기 일괄처리공정에 의해 제조된 베릴륨과 구리 합금을 HIP 방법에 의해 접합시키는 단계(단계 5)를 포함하여 이루어지는 베릴륨과 구리 합급의 HIP 접합 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.

먼저, 단계 1은 베릴륨 표면을 전처리하여 산화층을 제거하는 단계이다.

본 발명에 있어서, 상기 전처리는 상기 베릴륨의 접합부분을 기계적으로 연마한 후, 이온 스퍼터링을 수행하는 것이 바람직하다.

HIP 접합을 위한 베릴륨 타일은 중간층이 코팅되는 면의 편평도가 유지되도록 통상적인 방법으로 기계적 연마를 수행하며, 이때 상기 베릴륨의 평균 표면 거칠기는 0.2 ~ 2 ㎛가 되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 기계적으로 연마된 베릴륨 타일은 PVD 장비에 장착하고 10^-6torr 이하의 고진공하에서 이온 스퍼터링을 수행하여 상기 베릴륨 타일 표면에 존재하는 이물질과 산화물을 충분히 제거한다. 이는 베릴륨이 공기 중에 잠시라도 노출되면 산화물이 수십 나노미터 두께로 형성되며, 이러한 산화물의 존재는 베릴륨과 구리 합금의 접합강도를 저하시키기 때문이다. 이때 상기 이온 스퍼터링에 사용되는 이온으로는 아르곤(Ar) 등을 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로, 단계 2 및 단계 3에서는 상기 단계 1의 산화층이 제거된 베릴륨층 위에 1차 중간층 및 2차 중간층을 코팅하는 단계이다.

상기 중간층을 형성시키는 목적은 베릴륨과 구리 합금이 직접 접합할 때, 베릴륨과 구리의 상호확산으로 인해 계면에 부서지기 쉬운 금속간 화합물이 생성되는 것을 억제하는 데 있다.

이때, 1차 중간층은 티타늄 또는 지르코늄으로 이루어지는 것이 바람직한 바, 이들은 베릴륨에 코팅될 때 다른 원소에 비해 공정반응온도가 낮기 때문이다. 예컨대 베릴륨과의 공정반응온도가 1000 ℃ 이상으로 높은 크롬, 니오븀 등을 베릴륨 표면에 직접 코팅한 HIP 접합물은 확산접합이 충분하게 이루어지지 않게 된다. 그 결과, 4점 굽힘시험을 수행하면 베릴륨과의 계면에서 파단되지만, 베릴륨과의 공정반응온도가 1000 ℃ 이하로 낮은 티타늄 등의 하기 표 1의 원소들을 베릴륨에 코팅한 접합물은 상대적으로 계면에서 확산접합이 충분하게 이루어지므로 베릴륨과의 계면에서 파단이 일어나지 않으며 접합강도도 증가된다.

하기의 표 1에는 베릴륨 등을 포함한 다양한 원소들간의 공정반응온도를 나타내었다.

합금계	공정반응온도(℃)	합금계	공정반응온도(℃)
Be-Ti	980	Ti-Nb	1760
Be-Cr	1222	Ti-Zr	1540
Be-Zr	965	Ti-Cu	885
Be-Nb	1440	Cr-Cu	1085
Be-Cu	866	Zr-Cu	895
Ti-Cr	1410	Nb-Cu	1090

그러나, 티타늄에 이후 응력완화층으로 순수한 구리가 코팅되는 경우, 상기 티타늄과 순수한 구리의 공정반응온도가 낮기 때문에 HIP 접합 이후, 넓은 영역에 걸쳐 상호확산층이 생성되어 4점 굽힘 시험시 상호확산 영역에서 파단되는 현상이 일어날 수 있다. 또한, 과도한 확산에 의하여 구리가 티타늄층을 통과하여 베릴륨과 접할 경우 BeCu, Be₂Cu 등의 금속간 화합물이 형성될 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 2차 중간층이 없이 베릴륨/티타늄/순수 구리/구리 합금의 HIP 접합층의 일단면의 주사전자현미경(SEM)을 이용한 미세조직 관찰 및 EDS(energy dispersive spectroscopy) 조성분석 결과를 나타낸 것이다. 도 2의 (a)는 상기 접합면의 미세조직을 관찰한 것으로, 베릴륨, 티타늄 및 구리층이 HIP 접합 이후에도 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 도 2의 (b) 및 (d)는 상기 접합면에서 티타늄층과 구리층의 조성을 각각 분석하여 나타낸 것이고, 이들 원소의 조성을 위치에 따른 상대적인 함량변화량은 도 2의 (c)에 나타내었다. 상기 조성분석 결과, HIP 접합이후 티타늄과 순수 구리층의 계면에서는 5 ㎛ 이상의 상호확산층이 형성된 것으로 나타났다. 따라서, HIP 온도 또는 시간이 증가되거나 티타늄층의 두께가 얇으면 구리는 티타늄층을 통과하여 베릴륨과 반응하여 금속간 화합물을 형성할 수 있다.

이러한 문제는 1차 중간층 위에 본 발명에 따른 단계 3의 2차 중간층을 코팅함으로써 해결할 수 있다. 상기 2차 중간층은 1차 중간층과 구리 합금간의 과도한 확산을 방지하기 위하여 1차 중간층과의 공정반응온도가 높은 원소로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 1차 중간층이 티타늄일 경우에는 2차 중간층은 크롬(Ti-Cr), 니오븀(Ti-Nb), 지르코늄(Ti-Zr) 등이 바람직하고, 1차 중간층이 지르코늄일 경우에는 2차 중간층은 크롬(Zr-Cr), 니오븀(Zr-Nb) 등이 바람직하다.

본 발명에 따른 상기 1차 중간층의 두께는 0.1 ~ 50 ㎛인 것이 바람직하며, 2차 중간층의 두께는 0.1 ~ 10 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 1차 중간층의 두께가 0.1 ㎛ 미만이면 HIP 공정중에 중간층이 소멸될 문제가 있고, 50 ㎛를 초과하면 경제적 이점이 감소되는 문제가 있으며, 상기 2차 중간층의 두께가 0.1 ㎛ 미만이면 HIP 공정중에 중간층이 소멸될 문제가 있고, 10 ㎛를 초과하면 경제적 이점이 감소되는 문제가 있다.

다음으로, 단계 4는 단계 3의 2차 중간층 위에 순수한 구리층을 코팅하는 단계이다.

상기 순수한 구리층은 상기 중간층과 구리 합금 사이의 접합을 촉진하고 HIP 접합시 상기 베릴륨과 구리 합금 간에 열팽창율의 차이에 따른 응력을 완화시키고 2차 중간층의 표면산화를 방지하기 위해 형성된다. 이때 상기 순수한 구리층의 두께는 1 ~ 20 ㎛인 것이 바람직하며, 상기 응력완화층의 두께가 1 ㎛ 미만이면 응력완화의 효과가 없으며, 20 ㎛를 초과하면 경제적으로 바람직하지 못하다.

본 발명에 따른 단계 1 내지 단계 4의 베릴륨 표면의 전처리, 1차 중간층, 2차 중간층 및 순수한 구리층 형성의 각 과정들은 진공 챔버 내 10^-6torr 이하의 고진공하에서 PVD 방법으로 일괄처리공정에 의해 수행될 수 있다. 이때, 상기 PVD 진공 챔버의 1차 중간층, 2차 중간층 및 순수한 구리층의 코팅을 일괄적으로 수행하기 위해 상기 각각의 코팅 원료를 담지하는 코팅원료의 종류와 동일한 수의 용기(도 1 참조)를 구비하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 일실시형태(실시예 1)의 경우, 코팅원료로 티타늄, 크롬, 구리를 사용하므로 적어도 3개 이상의 담지 용기를 구비하는 PVD 장치를 사용할 수 있다.

이러한 일괄처리를 통해 베릴륨 타일에 형성된 산화층의 제거, 1, 2차 중간층의 코팅 및 순수 구리층의 형성을 외부에 노출 없이 진행할 수 있기 때문에 오염 없는 베릴륨 타일을 준비할 수 있으므로 이후의 구리 합금과 HIP 접합시, 접합 강도를 향상시킬 수 있다(표 2 참조).

이와 같이 처리된 베릴륨과 구리 합금은 이물질이 제거되도록 아세톤과 알코올의 혼합용액에서 충분히 세척하고 건조한 다음 스테인레스강 판을 용접하는 캐닝(canning)을 수행한 후, 약 450 ℃로 가열하여 10^-5 torr 이하의 진공까지 충분히 공기를 뽑아내고 헬륨누출시험 방법을 이용해서 용접부의 건전성을 검증한 후 핀칭(pinching) 방법으로 밀봉한다. 상기 밀봉된 시료들은 HIP 접합장비로 이동하게 되어 HIP 접합된다.

이때 HIP 접합은 고순도의 Ar가스 분위기에서 실시되며, 상기 HIP 접합 온도는 500 ~ 700 ℃, HIP 접합 압력은 50 ~ 300 MPa인 것이 바람직하다. 상기 HIP 접합 온도가 500 ℃ 미만이면 접합강도가 저하되고, 700 ℃를 초과하는 경우에는 원하지 않는 베릴륨-구리 석출상이 생성될 수 있다. 또한 상기 HIP 접합 압력이 50 MPa 미만이면 접합성능 저하와 같은 문제가 있으며, 300 MPa를 초과하는 경우에는 HIP 접합장비 구성에 안전성의 문제를 야기시킬 수 있다.

본 발명에 따른 베릴륨과 구리 합금의 HIP 접합방법은 도 1의 일괄처리방법 및 접합 방법 모식도에 의해 더욱 상세히 설명될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 PVD 일괄처리를 이용한 베릴륨과 구리 합금의 HIP 접합방법의 모식도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 베릴륨(1)은 PVD 진공 챔버(7) 내에서 이온처리를 통해 이물질 및 산화물(BeO)을 제거하고, 코팅원료 담지 용기(6)에 1차 중간층(2), 2차 중간층(3) 및 응력완화층(4) 등을 코팅할 코팅원료를 넣고 상기 베릴륨(1)과 구리 합금(5)의 상호확산으로 인해 계면에 금속간 화합물이 생성되는 것을 억제하기 위하여 확산억제층으로서 1차 중간층(2) 및 2차 중간층(3)을 코팅하고, 다음으로 응력 완화 및 상기 2차 중간층(3)의 산화방지를 위해 응력완화층으로서 순수한 구리층(4)을 코팅하는 일괄처리공정이 수행된다. 이후 상기 일괄처리된 베릴륨(1)은 구리 합금(5)과 HIP 접합되어 높은 접합성능의 접합체를 형성하게 된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로, 본 발명의 내용이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

베릴륨 타일(S-65C) 표면에 기계적 연마를 하여 표면의 평균 거칠기가 0.2 ~ 2 ㎛가 되도록 한 후, PVD 장치에 장입하여 고진공 챔버에서 상기 표면을 고순도(99.999% 이상) 아르곤 이온 스퍼터링으로 표면에 형성된 산화막을 제거하고(ion cleaning), 상기 베릴륨 표면에 1차 중간층으로서 티타늄을 5 ㎛의 두께로 형성시키고, 2차 중간층으로서 크롬을 1 ㎛의 두께로 형성시키고, 응력완화층으로서 순수한 구리를 10 ㎛의 두께로 형성시켰다. 이후 구리 합금(CuCrZr)을 상기 베릴륨 타일과 구리 합금(CuCrZr)을 580 ℃의 온도 및 10 MPa의 압력에서 2시간 동안 HIP 접합하였다.

< 실시예 2>

상기 베릴륨 표면에 2차 중간층으로서 크롬 대신 니오븀을 1 ㎛의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하였다.

< 실시예 3>

상기 베릴륨 표면에 2차 중간층으로서 크롬 대신 지르코늄을 2 ㎛의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하였다.

< 실시예 4>

상기 베릴륨 표면에 1차 중간층으로서 티타늄 대신 지르코늄을 5 ㎛의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하였다.

< 실시예 5>

상기 베릴륨 표면에 1차 중간층으로서 티타늄 대신 지르코늄을 5 ㎛의 두께로 형성시키고, 2차 중간층으로서 크롬 대신 니오븀을 1 ㎛의 두께로 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하였다.

< 비교예 1>

상기 베릴륨 표면에 이온 스퍼터링을 수행하지 않고 중간층을 형성시키기 않고 PVD 방법으로 구리층을 형성하는 동안 공기에 노출시킨 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하였다.

< 비교예 2>

상기 베릴륨에 2차 중간층을 형성시키지 않은 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하였다.

< 비교예 3>

상기 베릴륨과 구리 합금의 HIP 접합시 온도를 500 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하였다.

< 비교예 4>

상기 베릴륨에 중간층 및 응력완화층을 형성시킬 때 공기중에 노출시킨 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하였다.

< 비교예 5>

상기 베릴륨에 2차 중간층을 형성시키지 않은 것을 제외하고는 실시예 4의 방법과 동일하게 수행하였다.

< 비교예 6>

상기 베릴륨과 구리 합금의 HIP 접합시 온도를 480 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 4의 방법과 동일하게 수행하였다.

< 비교예 7>

상기 베릴륨에 2차 중간층으로 크롬 대신 니오븀을 1 ㎛ 두께로 형성시키고, 상기 베릴륨과 구리 합금의 HIP 접합시 온도를 480 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 4의 방법과 동일하게 수행하였다.

< 실험예 >

상기 실시예 또는 비교예에서 제작된 HIP 접합체의 접합강도를 평가하기 위하여 상기 실시예 또는 비교예에서 제작된 HIP 접합체를 JIS R 1624(1995) 절차서에 따라 접합계면을 중심으로 4점의 굽힘시험편을 채취하여 굽힘강도를 측정하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	베릴륨 타일	이온-스퍼 터링	중간층(㎛)		응력 완화층 (㎛)	PVD 중 공기에 노출	구리 합금	HIP 조건		굽힘강도 (MPa)
구분	베릴륨 타일	이온-스퍼 터링	1차	2차	온도 (℃)	PVD 중 공기에 노출	압력 (MPa)			굽힘강도 (MPa)
실시예1	S-65C	○	Ti(5)	Cr(1)	Cu(10)	×	CuCrZr	580	100	220
실시예2	S-65C	○	Ti(5)	Nb(1)	Cu(10)	×	CuCrZr	580	100	241
실시예3	S-65C	○	Ti(5)	Zr(2)	Cu(10)	×	CuCrZr	580	100	252
실시예4	S-65C	○	Zr(5)	Cr(1)	Cu(10)	×	CuCrZr	580	100	238
실시예5	S-65C	○	Zr(5)	Nb(1)	Cu(10)	×	CuCrZr	580	100	241
비교예1	S-65C	×	×	×	Cu(10)	○	CuCrZr	580	100	미접합
비교예2	S-65C	○	Ti(5)	×	Cu(10)	×	CuCrZr	580	100	43
비교예3	S-65C	○	Ti(5)	Cr(1)	Cu(10)	×	CuCrZr	500	100	21
비교예4	S-65C	○	Ti(5)	Cr(1)	Cu(10)	○	CuCrZr	580	100	65
비교예5	S-65C	○	Zr(5)	×	Cu(10)	×	CuCrZr	580	100	155
비교예6	S-65C	○	Zr(5)	Cr(1)	Cu(10)	×	CuCrZr	480	100	46
비교예7	S-65C	○	Zr(5)	Nb(1)	Cu(10)	×	CuCrZr	480	100	52

○: 수행, ×: 미수행

표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1과 비교예 4를 비교해보면 PVD 중 공기에 노출된 경우(비교예 4)에는 굽힘강도가 65 MPa로 나타났으나, 공기에 노출되지 않을 때는 굽힘강도가 220 MPa로 약 3배 이상 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 실시예 1과 비교예 2를 비교해보면 중간층을 단일층으로 형성할 때(비교예 2: 굽힘강도 43 MPa)보다 이중층으로 형성할 때(실시예 1: 굽힘강도 220 MPa) 접합강도가 증가하는 것을 알 수 있으며, 실시예 1과 비교예 6의 비교 또는 실시예 2와 비교예 7의 비교에서 HIP 접합시 적정온도(500 ~ 700 ℃)를 벗어나게 되면 접합강도가 감소함을 알 수 있다. 나아가, 상기 베릴륨 표면에 이온 스퍼터링 처리를 하지 않고, 중간층 형성도 하지 않고, PVD 증착시 공기에 노출시킨 경우(비교예 1)에는 접합이 일어나지 않음을 확인하였다.

또한, 상기 실시예의 방법으로 접합된 접합체는 표에는 나타나있지 않지만 금속간 화합물이나 과도한 상호확산층이 생성되지 않는 것으로 나타났다.

따라서 본 발명에 따른 접합방법은 베릴륨 표면에 중간층을 형성하기 전에 이온 스퍼터링 전처리를 수행하고, 이중중간층과 순수한 구리층을 형성하는 과정들을 PVD 진공 챔버 내에서 일괄처리하고 상기 처리된 베릴륨을 적정 온도에서 구리 합금과 접합함으로써 상기 베릴륨과 구리 합금 사이의 접합강도를 향상시켜 신뢰할 수 있는 성능을 보유한 핵융합로 제1차 방호벽의 제작시 유용하게 사용될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 접합방법은 PVD 장비 진공 챔버 내에서 일괄처리를 통해 베릴륨 타일에 형성된 산화층의 제거, 1, 2차 중간층의 코팅 및 순수 구리층의 형성을 외부에 노출 없이 진행할 수 있기 때문에 오염 없는 베릴륨 타일을 준비할 수 있으며, 상기 베릴륨과 구리 합금을 금속간 화합물 생성이 억제되는 조건인 500 ~ 700 ℃의 온도와 50 ~ 300 MPa 압력에서 HIP 접합하므로 접합시 금속간 화합물의 생성이 억제되고 접합성능이 우수하여 핵융합로 및 기타 플라즈마와 접하는 구성품으로 유용하게 사용될 수 있다.

Claims

베릴륨 표면을 전처리하여 산화층을 제거하는 단계(단계 1);

상기 단계 1의 산화층이 제거된 베릴륨층 위에 티타늄 또는 지르코늄 중 어느 하나를 선택하여 1차 중간층을 코팅하는 단계(단계 2);

상기 단계 2의 1차 중간층 위에 크롬, 니오븀 및 지르코늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 선택하여 2차 중간층을 코팅하는 단계(단계 3);

상기 단계 3의 2차 중간층 위에 응력완화층으로서 순수한 구리층을 코팅하는 단계(단계 4)를 수행하여 중간층 및 순수 구리층이 코팅된 베릴륨을 제조하고, 여기서 상기 단계 1 내지 단계 4는 PVD 진공 챔버내에서 일괄적으로 수행되며,

상기 일괄공정에 의해 제조된 베릴륨과 구리 합금을 HIP 방법에 의해 접합시키는 단계(단계 5)를 포함하여 이루어지는 베릴륨과 구리 합급의 HIP 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 전처리는 상기 베릴륨의 접합부분을 기계적으로 연마한 후, 이온 스퍼터링을 수행하는 것을 특징으로 하는 베릴륨과 구리 합급의 HIP 접합 방법.
제2항에 있어서, 상기 기계적 연마는 상기 베릴륨의 평균 표면 거칠기를 0.2 ~ 2 ㎛가 되도록 수행하는 것을 특징으로 하는 베릴륨과 구리 합급의 HIP 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 2의 1차 중간층의 두께는 0.1 ~ 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 베릴륨과 구리 합급의 HIP 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 3의 2차 중간층의 두께는 0.1 ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 베릴륨과 구리 합급의 HIP 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 4의 순수한 구리층의 두께는 1 ~ 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 베릴륨과 구리 합급의 HIP 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 PVD 진공 챔버의 1차 중간층, 2차 중간층 및 순수한 구리층의 코팅을 일괄적으로 수행하기 위해 상기 각각의 코팅 원료를 담지하는 코팅원료의 종류와 동일한 수의 용기를 구비하는 것을 특징으로 하는 베릴륨과 구리 합급의 HIP 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 5의 HIP 접합시 접합 온도는 500 ~ 700 ℃이고, 접합 압력은 50 ~ 300 MPa인 것을 특징으로 하는 베릴륨과 구리 합급의 HIP 접합 방법.