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ベイズ最適化を融合した亀裂レスな傾斜組成超硬合金層のレーザ粉体肉盛プロセス開発

Research Project

Project/Area Number 22K03851
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
Research InstitutionUniversity of Fukui (2023)
Ishikawa National College of Technology (2022)

Principal Investigator

山下 順広  福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (60592607)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 國峯 崇裕  金沢大学, 機械工学系, 准教授 (90612705)
佐藤 雄二  大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (40422547)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
KeywordsLaser metal deposition / Cemented Carbide / FGMs / Crack / Acoustic Emission / Tungsten Carbide
Outline of Research at the Start

本研究では、レーザ粉体肉盛法を用い部分的に超硬合金層を形成する技術の確立を目指す。同技術のブレークスルーは形成した超硬合金層内部の亀裂抑制にあるが、亀裂発生要因が未解明のため質の高いLMDプロセスの実現には至っていない。そこで本研究では、AEセンサを用いて亀裂の発生状況を把握し、LMDプロセスと亀裂発生要因との関係を明らかにして亀裂を抑制するレーザ投入エネルギー量の最適条件を導く。さらに、傾斜機能材料の概念を取り入れた超硬合金傾斜組成層を検討し、その組成割合の組合せの決定のために、機械学習の一手法であるベイズ最適化と融合したシステムを構築し亀裂レスな超硬合金層形成技術の確立を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

レーザ粉体肉盛法を用いて、WCの組成の異なる2層の超硬合金層を形成し、その時のき裂数を評価した。き裂の評価には、前年度同様にAEセンサを用いた。AEセンサは、100kHz~1MHzの周波数特性を有する広帯域AEセンサを用い、サンプリングレート2MHzでAE信号のデータを取得した。基材にはSKH51を用い、超硬合金粉末は、平均粒径約30μmの造粒粉とした。
前年度の研究結果から、レーザ光出力120Wの条件では、WC割合が42.9%以下でき裂の発生が認められなかった。そこで本年度の研究では、30.5%と42.9%のWC割合で1層目を形成した。その後、2層目として63.7%WCの層形成を行った。
実験の結果、42.9%WCを1層目とした傾斜組成超硬合金層では、いずれのレーザ照射条件でもき裂の発生が認められ、レーザ光出力が高くなるとともに、き裂数も増加した。また、送り速度を変えた実験では、低速なほどき裂数が減少する傾向であった。一方、30.5%WCを1層目とした実験では、レーザ光出力80Wでき裂の発生が認められなかった。100W以上では、き裂が発生し、レーザ光出力が高くなるにつれ、き裂数が増加した。送り速度の違いでは、低速な条件において、き裂の発生が認められないことが多かった。
本年度の研究成果として、き裂がゼロとなる2層の傾斜組成超硬合金層の形成に至った。しかし、WC割合の広範囲な組成に対して実験をするに至っておらず、今後さらなる実験が求められる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初計画していた、低WC割合の中間層を挿入した2層の傾斜組成層を形成する実験を行うことができた。よって、本研究の目的達成に向かって概ね順調に進捗している。

Strategy for Future Research Activity

中間層を3層以上とした傾斜組成層の形成実験を行う。また、ベイズ最適化を用いて、無作為に実験した場合に比べ、より少ない実験回数で目的を達成できるように検討を行う。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2023 2022

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Journal Article] Effects of WC ratios on bead size and crack initiation in forming WC-Co cemented carbides by the laser metal deposition2023

    • Author(s)
      Yamashita Yorihiro、Nakamura Mitsuki、Kunimine Takahiro、Sato Yuji、Funada Yoshinori、Tsukamoto Masahiro
    • Journal Title

      Journal of Laser Applications

      Volume: 35 Issue: 4 Pages: 1-7

    • DOI

      10.2351/7.0001101

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] ベイズ最適化によるき裂生成を抑制したレーザ積層造形傾斜組成超硬合金層の組成導出2023

    • Author(s)
      山下順広, 舟田義則, 宇畑勲駿, 國峯崇裕, 佐藤雄二, 塚本雅裕
    • Journal Title

      レーザ加工学会誌

      Volume: 30 Pages: 151-156

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Temperature Evaluation of Cladding Beads and the Surrounding Area during the Laser Metal Deposition Process2023

    • Author(s)
      Yamashita Yorihiro、Ilman Kholqillah Ardhian、Kunimine Takahiro、Sato Yuji
    • Journal Title

      Journal of Manufacturing and Materials Processing

      Volume: 7 Issue: 6 Pages: 192-192

    • DOI

      10.3390/jmmp7060192

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] In Situ Evaluation of Crack Generation Using Acoustic Emission Technique during Laser Cladding of WC-Co Cemented Carbide via Multi-Beam Laser Metal Deposition2023

    • Author(s)
      Yamashita Yorihiro、Nakamura Mitsuki、Sakai Mirai、Kunimine Takahiro、Sato Yuji、Funada Yoshinori、Tsukamoto Masahiro
    • Journal Title

      Materials Science Forum

      Volume: 1083 Pages: 153-158

    • DOI

      10.4028/p-lcxim9

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] マルチビーム式レーザー粉体肉盛法による傾斜組成超硬合金の形成2022

    • Author(s)
      山下順広, 國峯崇裕, 佐藤雄二, 舟田義則, 塚本雅裕
    • Journal Title

      レーザー研究 (レーザー学会誌)

      Volume: 50 Pages: 527-531

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] LMDによる超硬合金形成におけるレーザ照射条件が与えるき裂発生への影響2023

    • Author(s)
      中村 美月,山下 順広,海老原 魁斗, 國峯 崇裕,佐藤 雄二,舟田 義則,塚本 雅裕
    • Organizer
      日本機械学会2023年度年次大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Effects of WC Content on Crack Initiation inside WC-Co Cemented Carbide Layers Processed by Laser Metal Deposition2023

    • Author(s)
      Yorihiro Yamashita, Mitsuki Nakamura, Takahiro Kunimine, Yuji Sato, Yoshinori Funada, and Masahiro Tsukamoto
    • Organizer
      42nd International conference on Lasers and ElectroOptics
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 超硬合金傾斜組成層形成におけるベイズ最適化による層組成導出2023

    • Author(s)
      山下 順広,宇畑 勲駿,國峯 崇裕
    • Organizer
      第32回 新構造・機能制御と傾斜機能材料シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Additive Manufacturing of Nanostructured WC-Co Cemented Carbides Granulated Powder via Laser Directed Energy Deposition2023

    • Author(s)
      Takahiro Kunimine, Kaname Hattori, Yorihiro Yamashita
    • Organizer
      The 1st International Conference on Creation of Materials by Super-Thermal Field 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effects of Laser Irradiation Conditions on WC Particle Size and Hardness of WC-Co Cemented Carbide Processed by Directed Energy Deposition2022

    • Author(s)
      Yorihiro Yamashita, Takahiro Kunimine, Yoshinori Funada, Yuji Sato, and Masahiro Tsukamoto
    • Organizer
      The 4th Smart Laser Processing Conference (SLPC2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effects of Laser Irradiation Conditions on the Number of Cracks Generated in WC-Co Cemented Carbide Cladded by Multi-Beam Laser Metal Deposition2022

    • Author(s)
      Yorihiro Yamashita, Takahiro Kunimine, Mrai Sakai, Yoshinori Funada, Yuji Sato, and Masahiro Tsukamoto
    • Organizer
      Visual-JW 2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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