SUS系タングステン合金と高純度タングステンの熱特性測定

Measurement of thermal property for tungsten-stainless steel alloy and high purity tungsten

川合 將義*; Li, J.*; 渡辺 龍三*; 栗下 裕明*; 菊地 賢司; 五十嵐 廉*; 加藤 昌宏*

Kawai, Masayoshi*; Li, J.*; Watanabe, Ryuzo*; Kurishita, Hiroaki*; Kikuchi, Kenji; Igarashi, Tadashi*; Kato, Masahiro*

タングステンは中性子の収量が高く、重金属の中では半減期が短いため、核破砕中性子源ターゲット材料の候補として選ばれた。しかし、タングステンは、放射線下での冷却水への耐食性と耐照射性を改善する必要がある。しかも、核破砕中性子源では発熱密度が数MW/mと高く、冷却水の流速を上げる必要がある。例えば、秒速5mではタングステンの損耗速度が静水中に比べて50倍ほど高まるというデータが、杉本の腐食試験によって得られている。そのため、タングステン結晶粒の間にステンレス鋼相のネッワークが形成され、タングステン粒子がステンレス鋼相に包まれるような重合金型複合材料が強靭性と耐食性に強いターゲット材料として期待されている。われわれは、成形自由度の高い粉末冶金プロセスを使用して、ステンレス鋼を結合相とするタングステン/ステンレス鋼系重合金型焼結合金を作製し、その液相焼結組織及び焼結体の機械的・熱的特性を評価することにより、核破砕中性子源用ターゲット用の材料開発を行った。得られた合金の密度は比較的高いが、完全な液相系合金でなく、熱伝導度は理論値に比べて低いものであった。今後、さらなる改良が必要である。

The objective of the present study is to develop the stainless-steel-bonded tungsten alloys by powder metallurgy processes. Commercially available tungsten powders and stainless steel (SUS304L) powder were used as the raw materials and mixed by ball milling at the ratios of 97mass% W -3% SUS and 93mass% W -7mass% SUS. Powder compacts were formed by die pressing and cold isostatic pressing (CIP), then sintered mainly in vacuum at the temperatures above the melting point of the stainless steel phase. Some samples were fabricated by glass-encapsulated hot isostatic pressing (HIPing) at lower temperatures. The microstructural observation was made by scanning electron microscopy (SEM). The thermal properties of the produced alloy and various tungsten materials supplied from Allied Material Corp. was measured with the laser-frash method. It was found that stable liquid-phase-sintered microstructures were not easily formed in the tungsten-stainless steel system. The electron probe microanalysis (EPMA) revealed that tungsten was considerably dissolved in the stainless steel phase during sintering. Therefore, thermal conductivity of the W/7 mass% SUS alloy was 22.8-53.5 W/m/K that was very lower than theoretical value calculated from those of pure tungsten and stainless steel. Its temperature dependence is resembled to that of stainless steel, i.e., thermal conductivity increased with the specimen temperature as like stainless steel. The diffusivity of pure tungsten is compared with those of tungsten alloys.