2020 Fiscal Year Annual Research Report
Improvement of fatigue strength and non-damaging of surface defects in 3D additive manufactured metals by laser peening
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19H02022
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
高橋 宏治 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (90334630)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 3D積層造形 / レーザピーニング / 疲労強度 / 表面欠陥 / 無害化 / 圧縮残留応力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
3D積層造形で作製した金属では，材料表面および内部に欠陥ができやすく，そのような欠陥が疲労き裂発生起点となり，疲労強度を低下させることが明らかとなっている．3D積層材の疲労強度向上手法は，各種熱処理やショットピーニング等，これまでにもいくつか検討されてきた．しかし，レーザピーニング（LP）についての研究はまだ少ない．そこで本研究では， LPにより導入した圧縮残留応力が，3D積層造形した金属の疲労強度に及ぼす影響を明らかにすることを目的とした．
本年度は，2種類の金属材料（アルミニウム合金，マルエージング鋼）を3D積層造形した後，熱処理，試験片作製を行った． これらの試験片に対して，LPまたはショットピーニング(SP)を施工した．その後，X線残留応力測定装置を用いて，圧縮残留応力の深さ方向への分布を測定した．これらの結果より，疲労強度向上のために最も適していると考えられるピーニングの条件を決定した．続いて，平面曲げ疲労試験を行った．さらに，破断した試験片の破断面を観察し，疲労破壊機構に関する考察を加えた．これまでに得られた成果は以下のとおりである．
(1)マルエージング鋼ではLPにより最大で1150 MPa程度，深さが0.7 mm程度の圧縮残留応力を導入することができた．LPにより疲労強度が43 %向上した．LPの施工により表層に圧縮残留応力が導入されることで，疲労き裂発生起点は試験片表面から内部へと遷移した．圧縮残留応力が疲労き裂の進展を抑制したことが疲労強度向上の要因である．
(2)アルミニウム合金ではLPまたはSPにより，それぞれ50 MPaおよび60 MPaの圧縮残留応力が表面に導入された．圧縮残留応力の導入深さはLPおよびSPにおいて，それぞれ1.2mmおよび0.2mm程度であった．LPまたはSPにより疲労強度が25%向上した．
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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
これまでに，3種類の金属材料について基礎的な疲労強度特性を明らかにするとともに，レーザピーニングやショットピーニングの条件の最適な条件を見出すことができました．これらの結果を学会で発表するとともに，査読付き論文として公表することができました．そのため，概ね順調に進展していると判断しました．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は以下の項目について研究を進める予定です．
1.LPにより無害化可能な表面寸法の解明
2.LPによる3D積層造形材の表面欠陥と表面粗さの無害化
3. 3D積層造形材の疲労強度予測方法の構築
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