Engeering Sciences Reports, Kyushu University
Vol. 28, No. 2, pp. 241-245, SEP. 2006

九州大学大学院総合理工学報告第28巻 第2号 241-245頁 平成18年9月

アルミナ分散強化型銅合金の内部組織変化に及ぼす温度変動効果
隅野 裕也*1†，渡辺 英雄*2，吉田 直亮*2
(平成18年7月31日 受理)

Influence of Stepwise Change of Irradiation Temperature on Microstructural
Evolution of Alumina Dispersion Strengthened Copper Alloys
Yuya SUMINO, Hideo WATANABE, Naoaki YOSHIDA†E-mail of corresponding author : sumino@riam.kyushu-u.ac.jp
To investigate the effect of varying temperature irradiation on alumina dispersion strengthened
copper alloys GridCop CuAl15, it were irradiated with 2.4MeV Cu ions up to 30dpa under 473K and673K constant temperature and periodic temperature variation in the region of 473K to 673K. TEM
observation of CuAl15 before irradiation revealed microstructure decorated high density ofprecipitates. After 30dpa at 673K constant temperature, voids were formed in CuAl15. However, thestrongly dependence of grain size on void formation was observed. On the other hand, ｂｙ periodic
temperature irradiation, the number density of voids in CuAl15 was decreased as compared with673K constant temperature irradiation. The result of CuAl15 is in good agreement with that of purecopper irradiated under same irradiation conditions.

Key words : CuAl15，Varying Temperature Irradiation，Microstructure，Pure Copper，ODS

1. 緒

言ートシンク候補材として注目されている [1-3]． ODS

国際熱核融合実験炉 (ITER) におけるプラズマ対銅合金については，これまでにも中性子およびイオン向機器であるダイバーターは，核融合反応で生じる荷照射により照射前後の内部組織について調べられてお電粒子の入射による高い熱負荷や高エネルギー中性子り，以下のことが明らかになってきている [4-10]．照照射に曝される．高エネルギー中性子などが材料中に射温度が 573K 以下における照射後の内部組織は，転入射すると，原子のはじき出しを生じ内部組織変化等

位ループや積層欠陥四面体 (SFT) など微細な欠陥集の照射損傷を生じる．この結果，機械的性質の劣化な合体が高密度に形成されるが，スエリングの原因となど金属材料固有の材料物性の低下や体積膨張 (以下，るボイドは形成されない．一方，673K 以上では，微スエリング) などの問題が起き，炉材料としての機能細な欠陥集合体の形成が減少し，ボイドが形成される．

が著しく低下する．従って，ダイバーター機器およびこれらの結果より，欠陥形成の温度依存性は，同様のその冷却に必要なヒートシンク材料は，高熱伝導性や条件下において照射された純銅の結果とよく一致して熱応力に耐えうる高強度を有し，更に中性子照射へのいるが，ボイド形成については，純銅と比較して非常耐久性などの性質が要求される．に低密度で局在化したボイド組織になることが報告さ

ア ル ミ ナ 分 散 強 化 型 銅 合 金 (Oxide Dispersionれている．ODS 銅合金のボイド形成については，照射Strengthened Copper Alloy) は，高温強度，耐スエリ

欠陥とアルミナ粒子の相互関係や照射前の熱処理条件

ング特性および中性子照射による熱伝導率の低下が小などから様々な議論がされているが，未解決な部分がさいなどの理由から，ITER におけるダイバーターヒ多い．また，ITER ではプラズマをパルス的に燃焼させるため，炉材料は一定温度ではなく温度変動条件下*1

先端エネルギー理工学専攻博士後期課程*2

応用力学研究所において高エネルギー中性子照射に曝される．照射中242

アルミナ分散強化型銅合金の内部組織変化に及ぼす温度変動効果の温度変動が内部組織変化に及ぼす影響については，0.75dpa/673K 6.75dpa照射を連続して4回繰り返す4これまでにも研究されており，損傷組織の形成が一定サイクル温度変動照射も行った．また，比較材として温度条件のように単純でないことが明らかになっていJonson-Matthey 社製高純度 (99.999%) 銅を用い，る [11，12]．しかしながら，そのメカニズムは，不明

照射量を1dpaとし同様の照射実験を行った．イオン照な点が多い．また，ダイバーターヒートシンク候補材

射では，照射欠陥の大部分が照射表面近傍に形成され料である ODS 銅合金の内部組織変化に及ぼす温度変るため，TRIM-３D codeを用いて本実験条件における動効果については，ほとんど調べられていない．

損 傷 量 の 深 さ 分 布 を 計 算 し た (Fig.2) ． 図 よ り ，

そこで，本研究では，ODS 銅合金の内部組織変化に2.4MeV Cu2+ をCuに照射した場合，損傷ピークが及ぼす温度変動効果を調べ，そのメカニズムを明らか400nm程度に形成されることがわかる．従って，照射にすることを目的とした．

後全ての試料について損傷ピーク付近を観察するため，表面より400nm付近を背面研磨法により薄膜化し，透2. 実

験

方過型電子顕微鏡 (TEM) を用いて内部組織観察を実施

法

本実験では，SCM Metal社製アルミナ分散強化型銅合金Grid Cop CuAl15 (Al2O3をAl換算で0.15wt%含した．

有) を用いた．低速カッターにより厚さ約0.15mmの3. 結果および考察板に切り出し後0.1mm程度まで機械研磨を行い，電解3-1. 純

銅純銅に473Kおよび673K一定温度および4サイクル研磨を施したものを照射試料とした．
重イオン照射には九州大学応用力学研究所設置の温度変動において，1dpa照射後の微細組織を暗視野像HVEE 社 製 タ ン デ ム 型 加 速器 を 用 い ， エネ ル ギ ーにより観察した結果をFig.3に示す．473Kでは，微細2.4MeV Cu2+照射を行った．照射条件は，473Kおよびな格子間 (以下，I) 型および原子空孔 (以下，V) 型の673K一定温度で，照射量30dpaまで照射を行った．また，Fig. 1に示すように，全照射量を変化させず，473K

Temperature (K)◎:TEM observation
Steady temperature

673

473
0.75 7.530Fig.3Comparison of the small defect structures
irradiated in pure copper by constanttemperatureand4cycle
temperature
variation irradiation.

Fig.4

Comparison of the void structures irradiatedin pure copper by constant temperature and4cycle temperature variation irradiation.

Irradiation Dose (dpa)
Fig.1

Schematic view of 4cycles temperature
variation in the case of 30dpa

302+

2.4MeV Cu >> Cu
dpa/s
apa/s

25-5

415

3-8

10apa/s (x10 )

dpa/s (x10 )

6520250071200400

600

0800

Depth (nm)Fig.2

Range of damage and incidented copper ion
distribution calculated by the TRIM-3D code平成18年

九 州 大 学 大 学 院 総 合 理 工 学 報 告第28巻

243

第2号

転位ループに加えSFTなど微細欠陥集合体が高密度にのときのスエリングは，1.4%であった．一方，4サイ形成された．TEM像より算出した転位ループおよびクル温度変動照射においても，673K照射後と同様にボSFTの数密度は，それぞれ2.0x1023/m3 ，1.9x1022/m3イドが観察された．しかしながら，4サイクル温度変であった．しかしながら，照射温度を上昇させた673K

動照射では，673K照射と比較してボイドの形成が減少

では，そのような微細欠陥集合体はほとんど形成されしており，数密度が約1桁低下し7.7x1018/m3であった．

ず，473K照射と比較すると減少している．673K一定

一方，平均サイズは91nmと大きく成長していたが，照射後における転位ループおよびSFT数密度は，それスエリングは，数密度の減少にともない約1桁減少しぞれ2.4x1022/m3，1.3x1022/m3であった．473K照射とていた (0.2%)．

比較して，転位ループ数密度は約1桁減少していたのに対し，SFT数密度はほとんど変化しておらず欠陥組織におけるSFTの割合が増加していた．一方，4サイ
クル温度変動照射では，473K照射中において形成されていると考えれる微細欠陥集合体の多くが消滅しており，673K照射後と同様に微細な欠陥集合体の数密度が非常に減少していた．測定された転位ループ数密度は，673K照射後よりも更に減少し1.3x1022/m3．また，SFT数密度においては，約1桁減少しており1.9x1021/m3であった．
Fig.4に，明視野像を用いて観察したボイド組織を同様にして示す．一定温度照射では，673K照射後におい3-2. アルミナ分散強化型銅合金 Grid Cop CuAl153-2-1. 照射前の内部組織
Fig.5に照射前のODS銅合金の内部組織を示す．数密度5.1x1022/m3，平均サイズ2.1nm程度の微細なアルミナ粒子が，試料全体に分布していた．また，結晶粒径は，平均800nmと非常に小さい．結晶粒において密度は異なるが，製造過程によって導入されたと思われる加工転位も多数観察された．
3-2-2. 照射後の内部組織てボイドが形成されていた．数密度および平均サイズ

Fig.6にODS銅合金の一定温度および温度変動照射は，それぞれ1.1x1020/m3，62nmであった．また，こ後の微細組織を示す．473K照射後では，照射前に観察された高密度なアルミナ粒子に加え，転位ループやSFT等の微小欠陥集合体が多数形成されていた．転位

2410Pure Coppr
CuAl153density (/m )loops + particles

Fig.5

Microstructure
copper alloy

beforeunirradiatedODS

23102210

unirrad473K

673K

4cycles233density (/m )10SFT22102110473K
Fig.6

Comparison of microstructure of ODS copper
alloy irradiated to 30dpa under constanttemperature and periodic temperature
variation irradiation.

673K

4cycles

irradiation conditions
Fig.7

Number density of small clusters and SFT
measured by TEM observation versus
irradiation conditions

244

アルミナ分散強化型銅合金の内部組織変化に及ぼす温度変動効果

ループおよびSFT数密度は，それぞれ1.7x1023/m3およけるボイド形成は，結晶粒によって大きく異なり，結び3.0x1021/m3であった．アルミナ粒子と転位ループを晶粒サイズに強く依存していることがわかる．一方，厳密に区別をするのが困難であるため，転位ループ数4サイクル温度変動照射では，673K照射と比較してボ密度はアルミナ粒子も含んでいる．また，673K照射おイド数密度が顕著に減少しているがわかる．また，4よび4サイクル温度変動照射後では，473K照射と比較

サイクル温度変動照射では，673K一定温度照射でボイして微小欠陥集合体が顕著に減少していた．Fig.7に測ドが形成されている同程度の結晶粒においても，ボイ定された数密度の照射条件依存性を示す．グラフには，ドが形成されていないことがわかる．ボイド形成に及照射量が1dpaにおける純銅の結果も示してある．ODSぼすこのような温度変動効果は，純銅の結果とよく一銅合金における転位ループの数密度変化は，純銅の結致しており，次のようなメカニズムが考えれる．原子果と同様に673Kおよび4サイクル温度変動照射後にお空孔の移動が活発になる673Kでは，照射中に微小サイいて473K照射後と比較して約1桁減少している．しかズのボイドが形成されると考えられる．しかしながら，しながら，ODS銅合金におけるSFT数密度は，照射条673K

件に関らずほとんど変化しておらず純銅の結果と大きく異なった．特に473K照射後におけるSFT数密度を比473K

較すると1桁程度低く，ODS銅合金ではSFTの形成が抑制されていることがわかる．
Fig.8にボイド組織を示す．純銅の結果と同様に673Kおよび4サイクル温度変動照射後においてボイドが形成されていた．それぞれのボイド組織を広範囲でV
I
I

I

Vvoid
void

void
V-loop

観察した結果をFig.9に示す．図より673K照射後におvoid
V-loop

I

V

I

I

V

V

I
I

I

I-loopV

I-loop

VI

VI
V

voidI
V

voidVV

Fig.10 The mechanism of void formation during
periodic temperature variation

1203■ density

Fig.8

Comparison of void structures of ODS copper
alloy irradiated to 30dpa under constanttemperature
andperiodic
temperature
variation irradiation.

80

240

10~1 ~2 ~3 ~4 ~5 ~6 ~7 ~8 ~9 ~1010~

swelling (%)

size (nm)sizeswelling

0

grain size (x100nm)
Fig.11 Dependence of number density, size andswelling of void in CuAl15 irradiated to30dpa at 673K constant on grain size
:denuded zone:dislocation:vacancy:void

Fig.9

Comparison of the void structures irradiated
Grid Cop CuAl15 under 673K constanttemperature (left) and periodic temperature
variation (right).

Grain Size < 1µm

Grain Size > 1µm

Fig.12 Effects of grain boundary, alumina particles
and dislocation on void formation

平成18年

九 州 大 学 大 学 院 総 合 理 工 学 報 告引き続き行われる473K照射では，照射中の格子間原子c)の移動が，原子空孔のそれよりも活発であるため，微245

第2号

673K照射後では，ボイドが形成されていた．しかしながら，その数密度は，結晶粒径に大きく依小サイズのボイドが，格子間原子と再結合することにより縮小および消滅すると考えられる．このようなプ

第28巻存していた．
d)

温度変動を繰り返した4サイクル温度変動照射でロセスが周期的に繰る返されることにより，ボイドのは，ボイド形成が顕著に抑制されていた．内部組核形成自体が抑制され，数密度が減少したボイド組織織変化に及ぼすこのような温度変動効果は，純銅が形成されると思われる (Fig.10参照)．の結果とよい一致を示した．

673K一定温度照射後のボイド組織においてFig.9よこれらの結果より，CuAl15においても純銅と同様に多り測定されたボイド数密度，サイズおよびスエリング

サイクル温度変動によりボイドの形成が抑制されるとの結晶粒依存性をFig.11に示す．このグラフより，1µm考えらえる．しかしながら，CuAl15の場合，結晶粒がより小さな結晶粒では，ボイド数密度が非常に低くス微細であることから，粒界が欠陥の中性シンクとしてエリングも低いことがわかる．一方，1µm以上の結晶有効に作用していることが本研究より明らかになった．

粒になると，数密度が急激に増加しておりボイドの形成が活発になっている．また，これにともない1µm以上の結晶粒では，スエリングも増加している．このようなボイド形成の結晶粒依存性には，結晶粒界の表面効果により格子間原子や原子空孔が粒界へと消滅するために生じる欠陥の欠乏領域が，大きく影響している

参[1]形成が抑制される．一方，1µm以上の結晶粒では，その内側でボイドが形成されると考えられる．その結果，ドの核形成は，酸素や窒素等の不純物によっても非常に影響を受けることが知られている．また，ボイドの成長は，格子間原子や原子空孔の消滅点 (以下，中性シンク) である粒界やアルミナ粒子によっても大きく左右される．そのため，ボイドの核形成や成長に関しては，不純物の影響やアルミナ粒子の分布等も考慮し，今後より詳細に検討する必要がある．

ITER Joint Central Team, J. Nucl. Mater. 212-215(1994) 3-10

[3]J. W. Davis, D. E. Driemeyer, J. R. Haines and R. T.
McGrath, J. Nucl. Mater. 212-215 (1994) 1353-1359[4]

H. R. Brager, j. Nucl. Mater., 141-143 (1986) 79-86[5]

R. J. Livak, T. G. Zocco and L. W.Hobbs, J. Nucl.
Mater. 144 (1987) 121-127[6]

N. Wnderka, Y. Yuan, L. Jiao, R. P. Wahi and H.
Wollenberger, J. Nucl. Mater. 191-194 (1992)

Fig.9で示された様にボイドの形成が結晶粒のサイズに強く依存していると思われる．しかしながら，ボイ

文 献

Nucl. Mater. 103-104 (1981) 127-132[2]と考えられる．Fig.12に示すように1µm未満の結晶粒では，欠陥の欠乏領域が粒全体を占めるためボイドの考O. K. Harling, G. P. Yu, Grant and J. E. Meyer, J.

1356-1359[7]

S. J. Zinkle, A. Horsewell, B. N. Singh and W. F.
Sommer, J. Nucl. Mater. 195 (1992) 11-16[8]Jing Li, Hui Xu, Jinnan Yu, Baoli Wu and Qingfu He,
J. Nucl. Mater. 258-263 (1998) 945-949[9]M. Hatakeyama, H. Watanabe, M. Akiba and N.
Yoshida, J. Nucl. Mater. 307-311 (2002) 444-449[10] B. N. Singh, D. J. Edwards, M. Eldrup and P. Toft, J.
Nucl. Mater. 249 (1997) 1-16
[11] M. Kiritani，T. Yoshiie，S. Kojima，Y. Satoh and K.
Hamada，J. Nucl. Mater. 174(1990)327-351

4. 結言

ODS銅合金の内部組織変化に及ぼす温度変動効果に関する知見を得るため，一定温度および温度変動条件下において重イオン照射を行った．
a)473K照射後では，微細な欠陥集合体が高密度に形成されていた．しかし，673K照射では，そのような欠陥集合体は，ほとんど形成されておらず数密度が減少した．このような内部組織変化の温度依存性は，純銅の結果とよく一致していた．

b)

純銅と比較してSFTの形成が顕著に抑制されていた．

[12] T. Muroga and H. Watanabe，ASTM STP 144 (2004)
753-762