Material surface improvement for mercury target of spallation neutron source in J-PARC

J-PARC核破砕中性子源水銀ターゲット容器構造材のための材料表面改質

二川 正敏  ; 直江 崇   ; 涌井 隆  ; 粉川 広行  ; 竹内 博次*

Futakawa, Masatoshi; Naoe, Takashi; Wakui, Takashi; Kogawa, Hiroyuki; Takeuchi, Hirotsugu*

J-PARC核破砕中性子源水銀ターゲット容器構造材のために新たに開発したプラズマ窒化及び浸炭からなる表面改質技術について紹介する。水銀ターゲット容器は高出力化に伴い、キャビテーション損傷が容器寿命に対する決定因子となる。これまでに、水銀接触界面の容器材料表面を硬化させることで、キャビテーション損傷をある程度軽減できることを示している。しかしながら、コーティング等は基材界面で急激な材料特性変化を示すため、基材界面に沿った剪断応力による剥離が容易に生じる。そこで、プラズマ窒化と浸炭処理を階層的に行うことで表層厚さ方向に傾斜的な硬度分布を発現できる表面改質処理を考案した。さらに、高速度カメラで撮影したキャビテーションバブル崩壊挙動から定量的に推測した局所衝撃荷重に対して有効な表面処理条件の最適化を行った。この結果、キャビテーション損傷が顕著となるまでのパルス受け入れ回数を非処理材に比べて約1桁増加できることを明らかにした。

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