Strength proof evaluation of diffusion-jointed W/Ta interfaces by small punch test

Li, J.-F.*; 川合 將義*; 菊地 賢司; 五十嵐 廉*; 栗下 裕明*; 渡辺 龍三*; 川崎 亮*

Journal of Nuclear Materials, 321(2-3), p.129 - 134, 2003/09

https://doi.org/10.1016/S0022-3115(03)00237-X

タンタルで被覆したタングステン固体ターゲットを核破砕中性子源に使う場合、接合強度が問題となる。そこで、HIP接合材の機械的強度を、微小押し込み試験と有限要素法により、評価した。接合温度を変えて試験片を作製した。亀裂はいずれの場合でも界面からタングステン側に進展した。界面に沿った亀裂はなかった。タングステンの再結晶化は強度の低下を招いた。亀裂進展に耐えた最適接合条件では、機械的強度は1000MPaを超えることがわかった。

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

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*

第23回熱物性シンポジウム論文集, p.313 - 315, 2002/11

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。

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 -

渡辺 龍三*

PNC TJ9601 98-004, 79 Pages, 1997/03

PNC-TJ9601-98-004.pdf:2.56MB

高速増殖炉の燃料被覆管の長寿命化を目指して、ステンレス管の内面にTi、外面にMoを配置させた傾斜機能ステンレス鋼円管の作製プロセスの確立を本研究の目的としている。燃料被覆管の形状・寸法および傾斜層の制御厚等の要件から、形状付与の自由度が高く微細な組成制御が可能なスラリーディップ技術を採用し、そのプロセス条件を研究してきた。これまで、傾斜層の設計指針、スラリーの調製条件およびディップコート層の組成制御条件などを明らかにしている。本報告書では主として、スラリーディップ法におけるディップコート層厚制御条件を検討した結果について述べる。ディップコートにより形成される膜厚は主としてスラリー粘度に依存するが、粉体分散性(形成組織の均一性を支配)およびスラリーの安定性からみて適正粘度が存在する。Ti粉、Mo粉、ステンレス鋼粉およびそれらの混合粉が安定分散するスラリー条件のもとに、スラリーの粘度および降伏値に依存するディップコート層厚を制御した。分散剤としてはTi粉、ステンレス鋼粉およびそれらの混合粉に対してはポリアクリル酸ナトリウム、Mo粉およびMo/ステンレス鋼混合粉に対してはヘキサメタリン酸ナトリウムが適しており、また、いずれの場合も結合材のポリビニアルコール(PVA)がスラリー粘度調整に有効である。低粘度(10mPas)スラリーについては、スラリーの安定性と形成膜の健全性の観点から、スラリー中の粉末濃度とPVA添加量のなす平面において適正な条件が規定される。適正スラリー条件下での最終膜厚は最大200mである。一方、スラリー粘度が比較的大きい(数100mPas)場合は、スラリーの安定性は良好であり、降伏値の制御も容易である。この場合には、分散性の良好な条件のもとに数10数100mの単位で傾斜層を形成することができる。なお、最終的な膜厚は、乾燥および焼結およびHIP処理などで決まるが、おおむね物質収支および緻密化率により算出される。

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

渡辺 龍三*; 川崎 亮*

PNC TJ9601 95-003, 122 Pages, 1995/03

PNC-TJ9601-95-003.pdf:4.36MB

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。

スラリーディッピング法による被覆管内外面傾斜層の試作

川崎 亮*; 渡辺 龍三*

PNC TJ9601 93-004, 68 Pages, 1993/03

PNC-TJ9601-93-004.pdf:4.56MB

高速増殖炉において用いられている燃料被覆管は、その環境の苛酷さよりさまざまな条件が課せられるため、現在用いられているSUS316材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、スラリーディップ法を用いた傾斜機能材料の考え方を導入して、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。基板は、SUS304粉末を金型およびCIP成形した円柱状の圧粉体とした。金属粉末をエタノール中に分散させたスラリー内に基板を浸漬し、引上げ、乾燥させ、CIP成形した後、HIP焼結した。傾斜材は組成の異なるスラリーに、同様の手順で順次浸して積層した後、HIP焼結した。焼結体については組織観察、SEM-EDX解析、EPMA解析、熱応力解析などを行い、さらに熱的安定性評価も試みた。Mo粉末の粒径および体積濃度を変化させてスラリーを調整し、均一なスラリー塗布層を形成するための条件を最適化した。Moが1層のみの時に比べ、傾斜組成制御した方が接合状態も良くそれは有限要素法による熱応力解析結果からも明らかである。SEM-EDX、EPMA解析から組成の傾斜および酸化物などの存在が確認された。熱的安定性については実験前後で大きな変化は見られなかった。以上の結果から、円筒状傾斜組成制御層の形成にスラリーディップ法が有効であるとわかった。