粒子衝突プロセスにおける特異な異種材固相接合現象の究明と常温付加加工への展開

Research Project

Project/Area Number	21K03810
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
Research Institution	Tokyo City University
Principal Investigator	亀山雄高東京都市大学, 理工学部, 准教授 (20398639)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	南部紘一郎大阪産業大学, 工学部, 准教授 (20610942) 市川裕士東北大学, 工学研究科, 准教授 (80451540)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords	ピーニング / 移着 / 固相接合 / X線CT / メカニカルミキシング / 接合 / 噴射加工 / 固体成膜
Outline of Research at the Start	ピーニング加工とは，粒子を母材へ衝突させる原理を利用した加工技術である．この加工は常温下で行われ，粒子の運動エネルギも比較的低いにも関わらず，母材へ衝突した粒子の一部分が母材の側に強固に接合された状態（このことを移着と呼ぶ）になる．この移着が発生するための条件（母材・粒子の組み合わせやピーニング加工条件）を実験・シミュレーションの両面から解明するとともに，X線CT技術や電子顕微鏡内での引張試験を駆使して接合機構・接合強度を解明する研究を行う．研究成果は，いわば「金属組織を常温で3Dプリンティング可能な新技術」として応用が期待できる．
Outline of Annual Research Achievements	(1)微粒子ピーニングの速度条件が移着挙動に及ぼす影響について：　一般的な微粒子ピーニングの投射速度である100m/s弱と，本研究で比較対象と位置付けているコールドスプレー並みの投射速度である400～800m/sとで，スズ，亜鉛などの粒子をアルミ被処理材へ投射させて移着の発生を比較した．その結果，高速での投射（コールドスプレー模擬）では用いた粒子がその原型を比較的とどめた状態で移着しうるのに対し微粒子ピーニングではもともとの粒子から生成した微小な破片が移着に寄与していたことが解った． (2)微粒子ピーニングによって移着した成分が被処理材微視組織の変化に及ぼす影響について：　微粒子ピーニングの過程では，移着物が母材中に機械的に混合され，筆者らが「ラメラ状組織」と呼んでいる特異的な微視組織が形成される．このような組織が形成される過程の準その場観察を試みた．ピーニングを逐次中断しながら行い，その各段階でX線CTを用いて表面および内部における鋼由来の移着鉄成分の分布を非破壊的に調べた．この方法により，アルミ母材表面近傍に分布した移着物を検出することが可能であった．さらに，材料内部における移着物の移動の様子を可視化する見通しも得られた．また，ラメラ状組織外縁部における移着鉄成分とアルミ母材との微視的な界面接合強度の測定も行った．過去の科研費課題での研究成果との対比を通して，接合強度は微粒子ピーニングの過程で材料が受ける加工の程度によって支配されている可能性が見出された． (3)微粒子ピーニングにおける移着の発生メカニズムに対する解析的検討：　流体解析と粒子法シミュレーションによって，ノズルから投射される粒子を含む噴流の構造や試験片近傍での粒子の流れについてのシミュレーション方法を確立した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2022年度にはラメラ状組織形成の準その場観察やきわめて対照的な投射速度条件における移着発生挙動の比較，移着物の微視的接合強度測定などの成果が得られたが，これらは極めて新規性が高いものであり有意義な成果が得られているといえる．
Strategy for Future Research Activity	移着の初期過程に着目して，母材と粒子の化学的性質や機械的性質が移着発生に及ぼす影響を明らかにする．とくに，単一の移着片が母材とどの程度の強度で接合しているのかを定量的に評価することを試みたい．また，昨年度実施したX線CT実験で得られたデータを，画像処理を駆使して詳細に解析し，ラメラ状組織の形成過程を時系列的にモデル化することを目指す．さらに，微視的接合強度試験の結果や粒子の衝突現象のシミュレーション結果との対比を通して，微粒子ピーニングによってなぜどのように粒子と母材との固相接合が発生しているのかについてメカニズムの考察を進める．