Optimum temperature for HIP bonding invar alloy and stainless steel

インバー合金とステンレス鋼の最適な熱間等方圧加圧接合温度

涌井 隆  ; 石井 秀亮*; 直江 崇   ; 粉川 広行  ; 羽賀 勝洋  ; 若井 栄一  ; 高田 弘   ; 二川 正敏  

Wakui, Takashi; Ishii, Hideaki*; Naoe, Takashi; Kogawa, Hiroyuki; Haga, Katsuhiro; Wakai, Eiichi; Takada, Hiroshi; Futakawa, Masatoshi

J-PARCの核破砕中性子源で使用する水銀ターゲット容器は、1.31.32.5mと大きいため、使用済み容器の廃棄量を低減する観点で、損傷量の大きい前半部を分割できる構造を検討している。分割部のフランジには、高いシール性能(110Pa・m/s以下)が必要である。このフランジの材料として、ビーム運転時の熱変形を低減するために低熱膨張材であるインバー合金は有望であるが、弾性係数が低いためボルト締結時の変形が大きくなる。実用上はステンレス鋼で補強するが、HIP接合により広い面積を全面にわたって確実に接合する条件を見出すことが課題であった。そこで、接合温度が異なる試験片(973, 1173, 1373及び1473K)について、引張試験及び数値解析による残留応力評価を行った。973Kで接合した試験片は、拡散層厚さが殆どなく接合界面で破断した。引張強度は、接合温度の上昇とともに減少し、1473Kの場合、約10%低下した。接合面近傍の残留応力は最大50%増加した。これらの結果から、1173Kが最適な接合温度であることを結論付けた。

The mercury target has large size as 1.31.32.5 m. In view of reducing the amount of wastes, we studied the structure so that the fore part could be separated. The flange is required to have high seal performance less than 110 Pa m/s. Invar with low thermal expansion is a candidate. Due to its low stiffness, however, the flange may deform when it is fastened by bolts. Practically invar is reinforced with stainless steel where all interface between them has to be bonded completely with the HIP bonding. In this study, we made specimens at four temperatures and conducted tensile tests. The specimen bonded at 973 K had little diffusion layer, and so fractured at the interface. The tensile strength reduced with increasing the temperature, and the reduced amount was about 10% at 1473 K. The analyzed residual stresses near the interface increased by 50% at maximum. Then, we concluded that the optimum temperature was 1173 K.