2019 Fiscal Year Annual Research Report
3Dプリンティング技術と摩擦撹拌処理を用いた耐酸化高強度W皮膜形成手法の開発
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17H01369
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
谷川 博康 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 六ヶ所核融合研究所 ブランケット研究開発部, 次長 (50354668)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邊 誠 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 分野長 (00391219)
野上 修平 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00431528)
江里 幸一郎 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 ITERプロジェクト部, 上席研究員(定常) (30354624)
遊佐 訓孝 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60466779)
福田 誠 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 ITERプロジェクト部, 研究員(定常) (70757666)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 摩擦攪拌処理 / 粉末混入 / 超音波顕微鏡 / タングステン皮膜 / プラズマ溶射 / 熱応力解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
摩擦撹拌処理（FSP）による皮膜強化および不動態膜形成の探求においては、FSPによる粉末混入効果を検証すべく、プラズマ真空溶射（VPS）W皮膜に対して酸・窒化物粉末を放電加工で作った溝に装填しFSP処理を実施した。その結果1t 400rpmの撹拌条件ではごく表面のみの粉体しか撹拌されなかったため、2t 600rpmの撹拌条件での処理を実施した。
3Dプリンティング技術によるW合金皮膜形成の探求においては、粉末床溶融結合法によるW膜積層ではポーラス構造の解消と界面反応層の抑制が背反的に発生するため、プラズマ溶射による酸化を抑制したW積層膜に注力した。成膜条件解析より剥離の主要因が皮膜と基材の熱膨張差に起因する熱応力と考えられた。対応としてボンド相を適用すること、および基材背面および皮膜表面を同時に冷却することが有用であることがわかった。その実験検証として、ボンド相モデル材として銅基材を用いることで厚さ200μmのW皮膜を成膜することに成功した。
皮膜健全性の非破壊評価法の開発においては、人工欠陥を界面に有するW皮膜をFSP処理した試料に対し、高周波超音波測定における最適周波数評価のため、より低周波のプローブを用いて測定試験を実施し、35～50MHz程度が比較的良好な結果を与えうることを確認した。結果検証のため同一試験体に対するサーモグラフィー試験を実施したところ、その結果は高周波超音波測定結果と整合性があり、高周波超音波による熱輸送阻害欠陥検出の妥当性を支持するものであった。これらの解析を行った後に、同上試料から繰り返し熱負荷試験体を作成した。
冷却材侵入事象実験(ICE)試験による皮膜の耐負荷性能の探求においては、サンプル形状に合わせた試験部及び配管部を設計・製作し、ICE試験時に問題となっていた試験部への水の滞留問題を解決し、水蒸気環境下における加熱試験に向けた準備が完了した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
FSP処理による皮膜強化および不動態膜形成の探求においては、FSP条件の変更により粉末混入の見通しを得た。微細組織観察用および熱負荷試験用試験片の加工を進めており、最終年度中に熱負荷試験、ICE試験および断面組織観察による詳細な評価を実施できる状態である。
3Dプリンティング技術によるW合金皮膜形成の探求においては、SLM法による成膜には限界が見えたことから、低温高速フレーム状態としたプラズマ溶射装置を用い、酸化抑制しつつタングステン粒子を大気中で溶射することができていたが、成膜直後の冷却過程における剥離が課題であった。剥離が熱応力に起因することを同定し、その対応として基盤・皮膜背面の同時冷却およびボンド相導入により、課題を解決する見通しを得た。
熱負荷・ICE試験と有限要素解析による皮膜の耐負荷性能の探求においては、ICE試験装置における実験上の課題を解決する改造を完遂し、実験準備を完了することが出来た。
皮膜健全性の非破壊評価法の開発においては、人工欠陥を界面に導入したFSP強化 VPS-W皮膜の超音波顕微鏡による検出について周波数最適化を実施し、フラッシュサーモグラフィーによる熱輸送阻害欠陥検出を同一試料に対して併せて実施することにより、適用有効性を確認できた。また摩擦攪拌処理部表面の凹凸が大きな雑音源であるため、表面を平滑化することが可能であるならば欠陥の検出性が向上することが期待できる。この同一試験片から繰り返し熱負荷試験体を作成し、熱負荷試験の準備を完了している。
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| Strategy for Future Research Activity |
3Dプリンティング技術によるW合金皮膜形成の探求においては、界面反応相を抑制した初層形成のためのプラズマ溶射装置の低温高速フレーム状態でのW溶射を引き続き探求する。
FSP処理による皮膜強化および不動態膜形成の探求においては、VPS法またはプラズマ溶射法により形成したW膜を対象として、従来FSP条件進行側の条件が後退側でも得られるFSP条件を検討する。さらに、溝を導入したVPS-W皮膜に不動態膜形成が期待できる合金元素を充填してFSP処理を行なった試料について詳細な組織分析を実施し、条件最適化の検討をすすめる。
熱負荷・ICE試験と有限要素解析による皮膜の耐負荷性能の探求においては、人工欠陥を界面に導入したFSP強化VPS-W皮膜から作成した繰り返し熱負荷試験体に対して、サイクル熱負荷試験を実施する。また、これまで作成した不動態膜形成成分をFSP処理により混入したW皮膜について、ICE試験を実施し、不動態膜形成効果を確認する。
皮膜健全性の非破壊評価法の開発においては、人工欠陥を界面に導入したFSP強化VPS-W皮膜に対して熱負荷試験を実施した後に、超音波顕微鏡等を用いて熱負荷試験によって導入された欠陥成長の有無について評価を行う。さらに不動態膜形成が期待できる合金元素を充填してFSP処理を行なった試料について、熱負荷およびICE試験の前後で非破壊評価を行い、健全性評価を実施する。
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