| Project/Area Number |
23K25988
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| Project/Area Number (Other) |
23H01292 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
祖山 均 東北大学, 工学研究科, 教授 (90211995)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊賀 由佳 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (50375119)
久慈 千栄子 東北大学, 工学研究科, 助教 (20839287)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
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| Keywords | キャビテーション / パルスレーザ / レーザアブレージョン / サブクール沸騰 / 3D-Metal / 疲労特性 / 表面粗さ |
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| Outline of Research at the Start |
水中(液相)でパルスレーザを金属表面(固相)に照射するとレーザアブレージョンLA(気相)が発生し，LA後にキャビテーション的な挙動を示す気泡（レーザキャビテーションLC； 気相）が発生・発達・崩壊し，衝撃力を発生する。本研究では，この固気液混相現象を，パルスレーザのエネルギーの時間的・空間的凝縮に活用して，LCによる衝撃力を用いた機械的表面改質法を構築する。さらに，金属製3次元積層造形材（3D-Metal）の疲労強度がバルク材の半分程度で実用化の障壁になっていることを踏まえ，本機械的表面改質法による3D-Metalの疲労強度向上を実証し，3D-Metalのための表面力学設計を構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
固気液混相現象を活用したパルスレーザのエネルギーの時間的・空間的凝縮として，ファイバレーザを購入して、パルスレーザのエネルギーをレーザキャビテーションにより時間的・空間的に凝縮するレーザシステムを試作した。本システムを用いて、水中に設置した金属製ターゲットにパルスレーザを照射して、発生したレーザアブレージョンおよびレーザアブレージョンに発生・崩壊するレーザキャビテーションの衝撃エネルギーを、水中を伝播する衝撃圧力をハイドロホンにより計測して評価した。レーザアブレージョン発生からレーザキャビテーション圧潰時に至る、レーザキャビテーションの発生・崩壊時間から、本システムで発生するレーザキャビテーションの最大気泡径は約3mm程度であることを確認し、その挙動を高速度ビデオカメラで観察した。
試作したレーザシステムで発生させたレーザアブレージョンならびにレーザキャビテーションによる機械的表面改質の可能性を評価するために、ステンレス板やアルミニウム合金板などを処理してその反り量（アークハイト）を計測した。その際、レーザエネルギーの集中度を変化させるために、凸レンズから試験片までの距離を変化させて処理した。その結果、パルスレーザを集中させた場合も、直径1mm程度に拡散させた場合も、加工面を凹面に反ることが判明した。レーザを集中させた場合には明らかに表面が溶融している様相が確認できるが、拡散させた場合には溶融の影響は視覚的には確認できないものの、熱的影響が否めないと判断できる。
ファイバレーザで金属製3次元積層造形材(3D-Metal)の表面を溶融させて平滑化した場合には、引張残留応力により疲労特性は悪化するものの、ファイバレーザで平滑化した後にレーザキャビテーションで圧縮残留応力を導入した場合には、レーザキャビテーションのみで処理した場合よりも疲労特性を向上できることを実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
購入したファイバレーザを組み込んだレーザシステムを試作して、金属製積層造形材（3D-Metal）を処理して、従来の機械的表面改質法よりも、3D-Metalの疲労特性を向上できることを実証できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
交付申請書の研究計画に記した項目について，令和５年度は順調に実施できたので，令和６年度は，引き続き，交付申請書の研究実施計画に記した項目について研究を推進する。
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