表面改質処理におけるピッティング損傷形態; 表面硬化処理による損傷抑制効果

Pitting damage morphology of surface modified material1; Damage suppression by surface hardening treatment

直江 崇   ; 大井 俊志*; 粉川 広行  ; 涌井 隆  ; 二川 正敏  

Naoe, Takashi; Oi, Tashiyuki*; Kogawa, Hiroyuki; Wakui, Takashi; Futakawa, Masatoshi

J-PARCの物質生命科学実験施設には、核破砕中性子源水銀ターゲットが設置される。水銀ターゲット内では、陽子線入射時の水銀の熱膨張に起因する圧力波が発生する。この圧力波の伝播過程でキャビテーションが発生し、水銀を包含するターゲット容器にピッティング損傷を付加する。ターゲット容器内壁に対して、被覆処理や表面硬化処理などの表面改質処理を施すことで、ピッティング損傷を抑制し、容器寿命を延長することが期待される。本報では、ターゲット容器構造材であるオーステナイト系ステンレス鋼に対して種々の表面改質処理を施し、容器内で生じる急激な圧力変化を模擬した衝撃圧力負荷試験を行い、表面改質処理による損傷抑制効果について検討した。その結果、被覆層と基材界面の急激な力学特性変化に起因するせん断応力により、被覆層ではき裂や剥離が観測され、十分な損傷抑制効果が得られないことを示した。また、表面改質によるピッティング損傷抑制には、厚さ方向に緩やかに変化する硬さ勾配が有効であるという指針を得た。

A mercury target for spallation neutron source will be installed in MLF (Material and Life-science Facility) in J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex). The mercury target will be suffered from pitting damage by cavitation erosion. The cavitation will be caused through the pressure wave propagation that induced by thermal expansion of the mercury due to proton beam injection. Surface modification to the vessel wall contact with mercury, such as coatings, surface hardening etc., could exhibit prospective potential to suppress the pitting damage. Hence, cavitation erosion tests on surface modified materials in mercury were performed using electro-Magnetic IMpact Testing Machine (MIMTM) to evaluate the resistance against pitting damage. As a result, it was confirmed that crack and separation occurred on coating layer, because of shear stress due to the mechanical properties change in the interface between the coating and substrate layer.