第19回

日本加速器学会年会

10月19日＠オンライン

大口径・薄板・耐圧を実現する金属積層造形による
Ti-6Al-4V合金製ビーム窓の開発
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牧村俊助、深尾祥紀、亀井直矢、栗下裕明（ KEK, J-PARC ）設楽弘之、長澤 豊，尾ノ井 正裕（金属技研）
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2Motivation
 粒子加速器におけるビーム窓：耐圧⚫ 真空・大気・冷媒雰囲気・その他雰囲気の隔離⚫ ビーム窓上での粒子のロスを減らす

大口径、低密度＆薄板

 次世代超伝導加速器：液体ヘリウム漏えいによる圧力上昇⚫ CERN quench incident in 2008
⚫ COMET experimental facility

超伝導ソレノイドによる大口径ビームライン

CERN quench incidentで破損したベローズ（e.g. CERN quench incident, “THE INCIDENT OF 19 SEPTEMBER 2008 AT THE LHC”）
The maximum pressure reached in the insulation vacuum enclosure was estimated（中略）from the mechanical damage to bellows and thin shells in the structure,（中略）: the pressure reached about 0.8 MPa (8 bar) absolute,

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Method

3S. Makimura et al., 加速器学会年会2021

SUS316, D=200, t=0.1
差圧0.1 MPa ビーム窓実現の課題と解決法：⚫ たわみの制限

球殻形状⚫ 端部の応力集中

端部を厚く⚫ フランジとの接合フランジと一体化

 製造法⚫ 削り出し弾塑性解析：320 MPa（降伏応力：200 MPa）

Ti-6Al-4V合金は有望だが、加工性が悪い⚫ 積層造形法（3D-printer）

 積層造形法⚫ レーザー積層造形

残留ひずみレーザー積層造形

局所的な溶融SUS304Ti-6Al-4V

密度(g/cc)

7.98

4.43

降伏応力(MPa)

205825

破断強度(MPa)

480895

残留応力が大きい

予熱⚫ 電子ビーム積層造形
溶融部が大きい残留応力は小さい

電子ビーム積層造形
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4Specification

JIS VF250A（D=260の範囲が0.5 mm厚）

 ビーム窓フランジ規格➢ JIS VF250A, JIS VF200A➢ 金属Oリング用のボルト径・数➢ 回転フランジ（凹凸の切替可能）➢ 脱落防止構造

 窓材質・厚み
Ti-6Al-4V, 0.5 mm

 必要耐圧➢ 0.9 MPa（凹面側加圧）

脱落防止構造➢ 0.15 MPa（凸面側加圧）➢ 解析上は、両方向で1.0 MPa以上の耐圧
vacuumWEOB01-4/13

5Analysis (Convex and Concave)
凹面側加圧

Deflection: 0.085 [mm]0.15 [MPa]凸面側加圧

Deflection: 0.48 [mm]0.9 [MPa]0.15 [MPa]vM stress: 320 [MPa]0.9 [MPa]

降伏応力：825 MPavM stress: 50 [MPa]WEOB01-5/13

6Manufacturing

累々たる屍の上に立つ。。。

269.5350

積層造形品は熱間等方圧加工法（Hot Isostatic Pressing:HIP）法によって空孔などを消失させ、その後、未溶融粉末を除去するために表面を研磨しないと強度が低下
H. Masuo et al., “Influence of defects, surface roughness and HIP on thefatigue strength of Ti-6Al-4V manufactured by additive manufacturing”,
International Journal of Fatigue 117 (2018) 163–179.

HIP・研磨後の完成品 JIS VF250A
凹凸の入れ替えが可能

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Ra=3 mm以下

7360 °

0°Polishing 流体研磨 化学研磨

R=0-240 mm

 バレル研磨

 ブラスト研磨～効率、コストから選定
一部、薄い箇所が存在する。

t=0.35 mm

元の積層造形時の厚み分布に支配される

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8Proof pressure

Localdeformation

 凹面側加圧：
どのビーム窓も解析通り、差圧0.9 MPaは問題なく耐える

 凸面側加圧
レーザー積層造形：0.075 MPaで局所的に変形
電子ビーム積層造形：0.17 MPa@250A. 0.2 MPa @200A
で局所的に変形

差圧0.15 MPaでの発生応力 50 MPa。降伏応力820 MPa。
 電子ビーム積層造形JIS 200Aでは塑性変形をして戻らなくなってしまった。それ以降は注意深く作業をしたので圧力を除荷すると元に戻る

 厚み・曲率の不均一性が影響していると予測 これらのビーム窓は実機と実機予備のため、これ以上の圧力負荷は行わなかった。
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9Mechanical property 1
 積層造形品の引張試験を進めている。
 HIP無し、研磨無し
 積層造形品は積層方向依存性があると予想される

Building
direction

Horizontal

Vertical

3D-printed material has acolumnar structure. T. Nagase
et al., Materials and Design
173 (2019)107771
45-deg up

45-deg side
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10Mechanical property 2

 HIP無し、研磨無しでは、厚み0.6 mm以上で積層しないと十分な強度を得られない。
 HIPあり、研磨ありの条件でも試験を進めている。

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11Helium leak test レーザー積層造形は、凹面側から真空排気を行うと差圧0.1 MPaを超えてしまうので試験は不可
 その他は、全て1 ×10 -9 Pam3/sec.以下であることを確認した。

ヘリウムリーク試験用溝

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12Installation into beamline
 COMET実験では、0.1 MPa以上の高い圧力の負荷が想定されるのは一方向のみ
 その反対方向の耐圧は真空と大気の差圧0.1 MPaであるため、電子ビーム積層造形で製造した球殻ビーム窓をそのまま使用できると判断
 ビームライン上に設置。2023年1月のビーム運転に使用される。
ダンプ前陽子ビームライン
JIS VF200A
大気と真空を隔離

パイオンビームライン入口
JIS VF250A
通常時：両側真空
異常時は左から右に圧力が負荷
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13Summary
 大口径、低密度＆薄板、耐圧の高い窓の開発が望まれている。

 Ti-6AL-4Vの球殻ビーム窓を積層造形で製造した。
 JIS VF250A, JIS VF200Aの回転フランジ式のビーム窓を製造した。
 HIP、表面研磨を行った。
 凹面側加圧では、0.9 MPaの耐圧性能を確認した。
 凸面側加圧では、0.075 MPa（レーザー積層造形）、0.17MPa（電子ビーム積層造形）で局所的に変形。

 レーザー積層造形では凸面側排気、電子ビーム積層造形では両面ともヘリウムリーク試験で1 ×10 -9 Pam3/sec.以下であることを確認した。
 電子ビーム積層造形で製造したビーム窓をCOMET実験のビームラインに導入した。
 今後、新たな形状を探る。
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