スラリーディッピング法による管状傾斜機能材料の試作評価 委託研究成果報告書

Fabrication and evaluation of the tubed functionally gradient material by slurry dipping process

渡辺 龍三*; 川崎 亮*

Watanabe, Ryuzo*; not registered

高速増殖炉において用いられている燃料被覆管は、その環境の過酷さよりさまざまな条件が課せられるため、現行の燃料被覆管では、比較的短期間の稼動で交換しなければならない。そこで本研究では長寿命の燃料被覆管を作製するために、スラリーデイップ法を用いた傾斜機能材料の概念を導入して、より耐食性、耐熱性に優れた材料を作ることを目的としている。実験方法はスラリーを塗布する基板にSUS304粉末、AI2O3末を用い金型、CIP成形で円柱状の圧粉体とした。また、スラリーは成形性や、沈降抑制などを考慮して成形助剤を加えて、より均一なスラリーを作製することを試みた。スラリー、基板作製後は基板をスラリー中に浸し、乾燥させてデイップ膜を作製した。傾斜層作製時には組成のことなるスラリーで、この過程を繰り返すことにより傾斜層を得た。スラリーデイップ後は電気炉中で揮発脱脂を行いスラリー中に含まれていたバインダーを除去し、HIP焼結を行った。焼結体については各層における単相試料と、9層連続傾斜層を作製し、組織観察、EPMA解析、硬度測定等を行い、その性質を評価した。主たる結果は以下の過りである。(1)円筒状に傾斜組成制御層を形成させるには、このスラリーデイップ法は有効であった。スラリー中にバインダーを混入することによって、ハンドリングもよく、成形性の良いディップ層ができ、コントロールしやすくなった。(2)焼結体においては組成を傾斜化させた方が無傾斜材に比べて、剥離等はなく接合状態が良好であった。中間相においては金属間化合物等ができている可能性があり、その性質をさらに詳しく調ぺていく必要がある。(3)傾斜材は、基板にステンレス鋼を用いたものは基板とデイップ層との熱応力が大きいためかひどい剥離を示した。そこで、基板に一番内側のデイップ層との熱膨張係数の差の小さいアルミナを用いることで、周囲との熱応力緩和、チタンとの反応回避が行われ、健全な9層傾斜層が作製できた。(4)スラリーデイップ法を用いることで円筒状傾斜の作製できることがわかったので、今後は実環境に近い腐食試験、機械的性質等を調ぺていく必要がある。

Molybdenum/stainless steel/Titanium functionally gradient material (FGM), which will be used as long life fuel cladding tubes in the fast breeder reactor, has been fabricated by slurry dipping and sintering process emphasizing the increase in corrosion resistance to liquid sodium and fission products. The formation procedure is briefly mentioned here as follows. Cylindrical green compacts of SUS304 stainless steel powder and AlO powder was prepared by die compaction and CIP as a substrate for slurry dipping. Mo, SUS, Ti powder was suspended in pure water with binder and milled by tumbler ball mill to get a slurry having an appropriate viscosity for dipping. The substrate was dipped in the slurry then withdrawn and dried. This procedure was repeated with slurries of different compositions to get a graded layer. After drying, the coated sample was debinded binder. The formed compacts were HIP-sintered, and subjected to microstructural analysis, EPMA, and hardness test. The thermal stress analysis was done by FEM to evaluate the bonding characteristics. The main results are listed below. (1)Slurry dipping process is available for forming functionally graded layer on the inner and outer surface of a cylinder-type substrate. Slurry viscosity determines the thickness of coating layer and yield strength of slurry determines the homogeneity of the thickness of the coating. Selection of sort of binder and dispersant and optimization of the slurry holds a key to form the homogeneous coating layer. (2)It is shown that in the HIPed samples, a single layered coating debonded at the bonding interface, while a good bonding was obtained in the case of the graded coating. However, the sample fabricated on a substrate of SUS powder component was delaminated in the interface between the dipped layer and substrate owing to the high residual thermal stress. The use of the AlO green compact as a substrate, which has the same heat expansion coefficient of ...