【公開日：2025.07.24】【最終更新日：2025.07.24】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22MS0028
利用課題名 / Title
最先端計算機科学・材料評価手法の融合による加速器科学を革新するタングステン合金の開発
利用した実施機関 / Support Institute
自然科学研究機構 分子科学研究所 / IMS
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
ARIM半導体基盤PF関連課題 / Related to ARIM-SETI
指定なし/No Designation
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed
キーワード / Keywords
タングステン, 粒界強化, 電気抵抗率
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
牧村 俊助
所属名 / Affiliation
高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所
共同利用者氏名 / Names of Collaborators Excluding Supporters in the Hub and Spoke Institutes
長江 正寛,河野 翔也,石田 正紀,栗下 裕明
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Supporters in the Hub and Spoke Institutes
湊 丈俊
利用形態 / Support Type
（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
タングステン（以下、Ｗ）は、高い密度、高融点の観点から加速器用標的材として優れた性質を持っているが、融点（3420℃）より遥かに低い再結晶温度（1200℃）に晒された後に室温で脆くなる再結晶脆化や陽子・中性子照射によって脆くなる照射脆化といった致命的な欠点を持っており、ビームによる昇温・降温の繰り返しで破損してしまう。これらの脆化現象によってビーム強度は大きく制限されている。本連携体では、Ｗの弱い粒界をナノ組織をもつ遷移金属炭化物の偏析・析出によって強化したＷ合金（Toughened, Fine Grained, Recrystallized Tungsten, TFGR-W）の開発を進めている。一方で、このように製造したTFGR-Ｗは、高温で微細の粒界において粒界すべりが起きる、すなわちクリープ耐性に懸念が残っている。固溶・析出合金のクリープ耐性に固溶元素が大きな影響を与えていることが、Ｖ合金の例で明らかになっているが、これは、母相に固溶した元素とTiとCの間の相互作用がTiCの析出に影響していると考えられる。最近、本連携体では、Ｗ中にわずかルテニウム（以下Ru）を固溶させることによって、電気抵抗率が大きく向上することを発見した。現在の最初の目標は、Ｗの特性に大きな影響を与えるRuをTFGR-ＷにRuを固溶元素として添加することによって、どのような効果が得られるかを解明することである。
実験 / Experimental
W-RuとTFGR W-Ru-TiCをメカニカルアロイングによって製造した。それぞれに関してXRD による格子定数の計測、透過型電子顕微鏡による微細組織の観察、第一原理計算による原理の解明を進めている。本共同研究では令和5年2月28日に、分子研において走査型プローブ顕微鏡によって表面形状（高さ）、弾性率、凝着力、電気電導度の測定を行なった。
結果と考察 / Results and Discussion
W- Ruでは、5-30 um程度の粒径をもつ結晶粒ごとに電気伝導率の違いが観測できるが、組成の違いを示す凝着力には差が観測できていない。また、粒内は均一な電気伝導率分布であるように観測できる。一方で、TFGR W-Ru-TiCとした場合では、電気伝導率からは明確な結晶粒は認識できない。別途、実施した透過型電子顕微鏡の観察では、1-2 umの粒径を観測でき、粒内に析出していることが確認できているので、本来、粒界に偏析すべきTiCが粒内に分布していると考えられる。その粒内への分布は数nm程度の分布が確認できており、今後の現象の理解が期待される。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
受賞
ベスト産業実用化賞 牧村俊助他「最先端加速器技術で産業を革新する－超耐熱高靭性・高電気抵抗率タングステン合金」つくばサイエンスアカデミー主催ＳＡＴテクノロジー・ショーケース２０２３、2023年1月26日．
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Shunsuke Makimura et al., “Mechanical properties of Toughened, Fine Grained, Recrystallized Tungsten”, International Workshop on Spallation Materials Technology15 @Hotel Santa Fe on 9th, March 2023.
- 牧村俊助他「最先端加速器技術で産業を革新する－超耐熱高靭性・高電気抵抗率タングステン合金」つくばサイエンスアカデミー主催ＳＡＴテクノロジー・ショーケース２０２３、2023年1月26日．
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件