(57)【要約】【課題】従来のキャビテーション損傷を評価する試験法には、１）浸漬した試験片ターゲットにジェット流を吹き付けキャビテーションを発生させ、ターゲット試験片表面の損傷形態を評価する噴流式、２）２０ｋＨｚ程度の高サイクル振動を液体中で発生させ、ターゲット試験片表面にキャビテーションを発生させ、それによる表面損傷を評価する磁歪振動法があるが、いずれもキャビテーション発生機構を定量的に評価するために不可欠な入力条件の正確な制御ができない。【解決手段】容器チャンバーに封じ込まれた液体に電磁加力ヘッドに固定されたダイヤフラムを介して急激な圧力変動を与え、その急激な圧力変動によりキャビテーションを発生させることにより、衝撃波形を精度良く制御し且つ衝撃的な液体圧力変動を試験片に与える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器チャンバーに封じ込まれた液体に電磁加力ヘッドに固定されたダイヤフラムを介して、急激な圧力変動を与え、その急激な圧力変動により、キャビテーションを発生させる電磁式衝撃加力によるキャビテーション発生装置。
【請求項２】
電磁力で加力することにより、任意の衝撃波形について求めた波形伝達関数に基づくフィードバック機構により駆動信号を精度良く制御しつつ衝撃的な液体圧力変動を与えることができる請求項１記載の装置。
【請求項３】
液体チャンバー内に材料試験片を設置して、電磁力で発生する衝撃的な液体圧力変動に基づくキャビテーション衝撃力で試験片を損傷させ、重量変化を伴わないエロージョン損傷の潜伏期間に対する損傷面積率及び材料表面で脱離が生じた後の重量変化を計測することにより、その試験片の損傷評価試験を行う方法。
【請求項４】
精度良く制御しつつ衝撃的な液体圧力変動を材料試験片に与えることにより、重量変化を伴わないエロージョン損傷の潜伏期間中における面積損傷率から耐エロージョン性を評価し、且つ潜伏期間後の試験片の質量損失損傷については規格化対数侵食評価線図に基づいて予測することからなる、材料試験片の耐エロージョン性を評価する方法。
【請求項５】
液体チャンバー内に材料試験片を設置して、電磁力で発生する衝撃的な液体圧力変動に基づくキャビテーション衝撃力を試験片表面に負荷し、表面層に形成される圧縮の残留応力によって表面硬化させることにより、耐磨耗性及び耐疲労特性を向上させることからなる、キャビテーションピーニングによる材料試験片の表面改質を行う方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁力による急激な圧力変動を生じさせ液体中にキャビテーションを発生させる装置と、当該装置によりキャビテーショシ損傷を材料表面に発生させ、損傷の程度あるいはキャビテーション損傷抵抗を評価可能とする試験法と、当該装置によるキャビテーション表面改質法に関するものである。
【０００２】
キャビテーションとは、機械的な力によって液体中に気体や蒸気の入った気泡を生じさせ、その気泡の消滅により生ずる局所的な水撃作用である。
【０００３】
【従来の技術】
日本原子力研究所で開発を進めている中性子散乱施設では、大強度のパルス陽子を重金属ターゲットに入射して、核破砕反応により従来の研究原子炉等よりも１桁高い中性子を発生させ、生命科学や物質科学などの先端科学分野の研究を行う。
【０００４】
重金属ターゲットには、中性子収率に優れていること、ターゲット自体を冷却材に用いることが出来るため除熱の観点で有利であることから、液体水銀を用いる計画である。ここでは、大強度の陽子線が液体水銀ターゲット中に入射するため、液体水銀内部では急激な発熱反応に伴う熱膨張により、圧力波が生じる。この圧力波は、液体水銀中を伝播し水銀を封じている固体金属容器に達する。圧力波により容器構造材料に負荷される荷重は、容器構造の健全性に影響する。
【０００５】
液体／固体金属の音響インピーダンスの差異から、容器構造材料の急速変形時にその液体側及び個体側界面で巨視的あるいは微視的な不連続変形に伴う負圧が起こると考えられる。この発生する負圧により液体界面近傍では、いわゆるキャビテーションが生じる条件が成立するため、固体側界面でキャビテーション壊食が懸念され、固体金属容器の寿命を決定する因子の一つとなっている。
【０００６】
従来のキャビテーション損傷を評価する試験法として、１）浸漬した試験片ターゲットにジェット流を吹き付けキャビテーションを発生させ、ターゲット試験片表面の損傷形態を評価する噴流式、２）２０ｋＨｚ程度の高サイクル振動を液体中で発生させ、ターゲット試験片表面にキャビテーションを発生させ、それによる表面損傷を評価する磁歪振動法がある。しかしながら、いずれもキャビテーション発生機構を定量的に評価するために不可欠な入力条件の正確な制御ができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のキャビテーション損傷評価法では、キャビテーション発生機構の解明に不可欠な液体内圧力変動の正確な制御ができなかった。
【０００８】
そこで、電磁式衝撃加力による高精度の急激な圧力変動を液体に与えることで、下記に示すような特徴を有し、それにより個々の課題を解決できる。
（１）  電磁式衝撃加力法であるため、印加周波数、印加衝撃力、衝撃波形を任意に制御可能である。したがって、キャビテーション衝撃力の強さを大幅に変えられる。
【０００９】
（２）  上記（１）の特徴により、種々の特性の異なる材料に対して、キャビテーション壊食性の「しきい値」を求めることが可能となる。
（３）  単発のキャビテーション衝撃力を発生できるので，壊食機構の解明に有用である。
【００１０】
（４）  取り扱う試料液体の体積が少なくてすむ。
（５）  試料水を選ばない。（特に上記噴流式では液体金属などの比重が大きい試料液体の使用は不可能である）
（６）  従来の磁歪振動法に比べて広範囲にキャビテーションを発生できるので、コーティング材などの試験に有用である。
【００１１】
（７）  高分子圧電材料で製作する衝撃力センサによるキャビテーション衝撃力の計測が可能である。
（８）  キャビテーションピーニングによる表面改質が容易にできる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、電磁力で加力する方式を採用することで、任意の衝撃波形をフードバック機構により精度良く制御しつつ衝撃的な液体圧力変動を与えることができる。即ち、チャンバーに封じ込まれた試料液体に電磁加力ヘッドに固定されたダイヤフラムを介して、急激な圧力変動を与え、この急激な圧力変動により、キャビテーションを発生させる。任意の衝撃波形可変な繰り返し周波数により、損傷に与える周波数効果が評価可能となる。
【００１３】
又、本発明においては、液体チャンバー内に材料試験片を設置して、電磁力で発生する衝撃的な液体圧力変動に基づくキャビテーション衝撃力を試験片表面に負荷し、表面層に形成される圧縮の残留応力によって表面硬化させることにより、耐磨耗性及び耐疲労特性を向上させることからなる、キャビテーションピーニングによる材料試験片の表面改質を行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
繰り返し衝撃負荷を可能とする電磁式衝撃加力発生機の構成ブロックを図１に示す。当該機は電磁効果を利用した電気−機械変換機であり、電流を制御することにより容易に任意の衝撃波形を負荷できる。発振器により任意波形の電気信号を制御器に送信する。制御器では、液体チャンバーで計測されたキャビテーション発生条件を規定する任意の振動信号がフィードバック信号として振動計を介して、制御器に送信される。制御器では、所定の信号形状に追従させるべく加振構造系の伝達関数を任意波形に対して求めて、それに基づいたフィードバック機構により制御した駆動信号を、電力増幅器に送信し、駆動コイルに電荷を負荷して荷重付加部を高速駆動させる。励磁信号は、電源制御器から励磁電源を介して、衝撃加力装置の励磁コイルに負荷される。フィードバック機構を付加することで常に一定の駆動力及び波形で加振することが可能となる。
【００１５】
液体容器（液体チャンバー）と駆動及び励磁コイルの構成を図２に示す。当該機は電磁効果を利用レた電気−機械変換機であり、電流を制御することにより容易に住意の衝撃波形を負荷できる。液体容器ダイヤフラムを介して、衝撃力を液体チャンバーの液体内部に印加することにより、液体内部に圧力波を発生させることができる。駆動シリンダヘッド部は、液体容器ダイヤフラムに接続され、自重はダイヤフラムの剛性により支持されるため、駆動による摺動及び摩擦低抗などは、十分無視できるほど小さくできる。
【００１６】
また、励磁コイルで発生した直流磁界は、矢印に示されるように、駆動コイルを直角方向に横切り、駆動コイルに流れる交流電流との間で力を発生させる。発生する力はフレミングの左手の法則に従って、図２の上下方向に駆動コイルを運動させる。発生する力は、磁束密度と駆動コイルの長さ、及び駆動電流に比例し、
Ｆ＝ＢＬＩ  Ｆ：駆動力［Ｎ］ニュートン
Ｂ：直流磁界磁束密度［Ｔ］テスラ
Ｌ：磁界中の駆動，コイル長さ［ｍ］メートル
Ｉ：駆動コイル電流［Ａ］アンペア
の式で求められる。
【００１７】
また本発明では、上記駆動コイルの代わりにアルミニウム材である駆動テーブルの一部をリングとして誘導により電流を流している。これは固定側（振動発生機本体側）にコイルを巻き駆動テーブルのリング部にトランスと同じ原理で誘導によって電流を流すものであり、これにより駆動コイルの接着剤による剛性の低下を防ぎ、高い振動数での応答を可能にしている。
【００１８】
キャビテーション損傷は、キャビテーション発生条件が成立した液体環境における局部的な沸騰現象により生じた気泡が崩壊するときに発生する衝撃圧により材料が機械的に損傷する現象である。従来、材料の耐エロージョン性の評価においては、材料表面の局所塑性変形が支配的な潜伏期間を経た後の脱離開始後の質量損失や損傷深さを指標としていた。本発明のエロージョン性評価法では、潜伏期間における損傷面積率に着目し、潜伏期間後の質量損失損傷については、規格化対数侵食評価線図を用いることにより、予測することができる。従って、耐エロージョン性については、潜伏期間の損傷挙動を正確に評価することが不可欠である。
【００１９】
本発明の評価手法は、当該電磁式衝撃加力キャビテーション発生装置による高精度のキャビテーション発生条件を規定することで可能となる。このように、耐エロージョン性を潜伏期間の損傷面積率から評価する手法は、従来の方法に比べ迅速な評価法として工業的にも有用である。
【００２０】
従来キャビテーションは機器要素の流体境界表面に致命的損傷を与える害悪として認識されてきたが、近年、本発明者らにより、ショットピーニングのごとく、機械材料の疲労強度向上などの表面改質に有効利用することが提案されている｛祖山・山内・井小萩・大場・佐藤・進藤・大島，噴流工学，１３−１（１９９６），２５；Ｈ．Ｓｏｙａｍａ，ＪＳＭＥ  Ｉｎｔ．Ｊ．，４３Ａ−２（２０００），１７３；Ｈ．Ｓｏｙａｍａ  ａｎｄ  Ｍ．Ａｓａｈａｒａ，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｌｅｔｔ．，１８−１３（１９９９），１９５３｝。すなわち、ショットを用いないキャビテーション・ショットレス・ピーニングと呼称されており、ステンレス鋼への圧縮残留応力の導入・バネ材の疲労強度向上、炭素鋼の耐食性向上などに有効であることが実証されている。キャビテーション・ショットレス・ピーニングは、従来の微粒子群を材料表面に衝突させる代わりに、キャビテーションにより発生するマイクロジェットキやショック波による衝撃圧を材料表面に高速負荷させることで、表面層に形成される圧縮の残留応力により表面硬化させることにより、耐摩耗や耐疲労特性を向上させることができる。しかしながら、材料表面の強化と劣化効果は、表裏一体であり、キャビテーション発生条件を精度良く制御する技術の高度化が望まれる。本発明の電磁式衝撃加力キャビテーション発生装置は、上記条件を十分満足できる高精度制御が可能であり、適度なキャビテーション発生条件を再現できる。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
そこで、本発明の装置により、キャビテーション損傷に関する評価実験を行っている。これまでに、まずターゲット容器候補材料であるステンレス鋼３１６ＳＳ（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ）に対して、本発明の装置が、衝撃圧方の大きさ、負荷持続時間、波形を詳細に制御できる特徴によって、陽子線入射時に発生する圧力波により形成される損傷形態を再現できることを確認した。
【００２２】
さらに、ターゲット構造容器設計寿命の約１割である１０００万回衝撃負荷による損傷成長過程について詳細に調べた。その結果、４つのフェイズに分類できることが判明した。すなわち、約１万回までのフェイズ１では、独立したピットの形成による損傷形態が支配的であること、１万回から１０万回のフェイズ２では、個々の独立ピットの合体・連結が開始されること、１０万回から１００万回のフェイズ３では、均一な侵食が開始され、１０００万回以上のフェイズ４では質量減少を伴った侵食現象が支配的となること、を見出した。
【００２３】
加えて、従来の質量減少を伴わない潜伏期における損傷挙動を詳細に観察し、材料表面における損傷面積率が１以下である期間が質量減少を伴わない潜伏期に相当することを見出した。換言すれば、１になると質量減少が顕著になると言える。この潜伏期における損傷面積率を知れば、材料の耐エロージョン性を評価できる。これらの知見は、衝撃荷重波形が正確に制御できる当該装置により初めて明らかにされたものである。
【００２４】
（実施例２）
本発明の装置の液体チャンバー内に小型試験片を設置して、試験片に損傷を与え、損傷による重量変化を計測することにより、古典的磁歪振動法で得られた振動回数と質量減少との関係と一致する特性を観測できることを確認すると共に、平均侵食深さをある基準値で規格化し対数表示することにより、パルスの繰り返し回数に対する平均侵食深さの増加率が材料及び衝撃パルス振幅に依存しない対数侵食評価線図が得られることを見出した。
【００２５】
ここでは、ステンレス鋼３１６６ＳＳ材の水銀液体に対する耐エロージョン性を示す規格化対数侵食評価線図を図３に示す。潜伏期（衝撃回数１０６以下）における材料表面の面積損傷率が１に近づくと、質量減少を伴ったキャビテーション・エロージョン（平均侵食深さ）が顕著となる。質量減少を伴うエロージョン，損傷の定状期（衝撃回数１０６以上）では、規格化対数侵食評価線を用いれば損傷挙動を予測できることが分かる。
【００２６】
即ち、図３において、黒丸はステンレス鋼３１６６ＳＳ材の水銀液体に対する「材料表面の損傷面積率」を示し、白丸はステンレス鋼３１６６ＳＳ材の水銀液体に対する「質量減少から求めた平均侵食深さ」を表している。上記のとおり、その損傷面積率は、衝撃回数１０６以下の場合には１以下であるが、衝撃回数１０６以上になると１に漸近する（黒丸）。
【００２７】
又、その平均侵食深さについても、衝撃回数１０６以下の場合には０．１ミクロン以下であるが、衝撃回数１０６以上になると急激に増加し質量減少が顕著になる（白丸）。図３の規格化対数侵食評価線のＭＤＥは平均侵食深さを表し、Ａ及びＢは、それぞれ、材料及び環境に依存する定数であり、Ｎは衝撃回数である。したがって、この評価線は、定常期における衝撃回数に対する平均侵食深さの変化を表している。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の装置は、キャビテーション損傷機構の定量的な解明に有用であるばかりでなく、キャビテーションピーニンングを任意の形状に施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】電磁式衝撃加力発生機め構成ブロックを示す図である。
【図２】液体容器と駆動及び励磁コイルの構成を示す図である。
【図３】水銀液体に対する耐得ローション性を示す規格化対数侵食評価線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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