Development of the production target made of tungsten by a 3D printer

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K03609
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 渡辺 丈晃 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (00415043)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ２次粒子生成標的 / 純タングステン / 金属３Dプリンタ / 積層造形

Outline of Annual Research Achievements

金属３Dプリンタ(金属積層造形法）による純タングステン製2次粒子生成標的の実現可能性の検証のため、現状最も普及しているパウダーベッド型レーザー溶融方式の金属積層造形法により純タングステン素材の造形を実施した。造形条件としては、なるべく素材密度が高くなる条件を選定したものである。特に、最終年度は造形された素材の引張試験を実施した。結果として、通常製法（圧延材）の純タングステンと比較すると引張強度はかなり低いことが明らかとなった。次に、造形後にHIP処理(熱間当方加圧法)をすると引張強度としては有意な改善効果が認めらたが、十分な改善には至らないことも明らかとなった。機械強度については前年度実施のシャルピー衝撃試験でも同様の結果（通常製法よりも強度が低い結果）であった。素材の断面観察を実施し、機械強度の低さは主に内部欠陥(空隙）が原因であると推察している。昨年度までに得られた各試験結果とあわせて、今回の造形条件による純タングステン素材は、通常製法と比べて機械的強度や熱伝導率が低く、標的向けとしての適用は現状では困難であるとの結論に至った。根本的には造形時に発生する内部欠陥を低減させるのが重要であると考えられる。素材の脆性については元々のタングステンの性質であるため、今後の改善策の１つとして、脆性を改善するような合金化の方向性について検討を行っている。次に、並行して実施していた造形能力の評価については、通常の機械加工では製作できない３次元的なフィン構造をもつ円盤形状の造形に成功し、標的円盤に適用可能であることを確認した。また本研究では、3Dプリンタで造形したタングステン素材の熱物性（比熱・熱伝導率）の測定を実施しており、標的への適用性を検討する上で重要なデータとなったことを付記しておく。