| 研究課題/領域番号 |
23K25988
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| 補助金の研究課題番号 |
23H01292 (2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分18010:材料力学および機械材料関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
祖山 均 東北大学, 工学研究科, 教授 (90211995)
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| 研究分担者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)
2025年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2024年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2023年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円)
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| キーワード | キャビテーション / パルスレーザ / レーザアブレージョン / 3D-Metal / 疲労寿命 / 疲労強度 / 表面粗さ / 機械的表面改質 / サブクール沸騰 / 疲労特性 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
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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| 研究実績の概要 |
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、ファイバレーザの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、試作した本システムを用いて、水中に設置した金属製3次元積層造形材(3D-Metal)にパルスレーザを照射して、3D-Metalの機械的表面改質を行った。
3D-Metalの供試材として、レーザ焼結(Laser Sintering LS)を用いた粉末床溶融結合法(Powder Bed Fusion PBF) PBF-LSによるアルミニウム合金PBF-LS/AlSi10Mgとチタン合金PBF-LS/Ti6Al4Vを使用し、ファイバレーザを用いたレーザキャビテーションで機械的表面改質して、ねじり疲労試験により疲労寿命を評価した。
PBF-LS/AlSi10Mgは、ファイバレーザのみを用いた機械的表面改質では、ファイバレーザによる熱的影響により表面に引張残留応力が導入されるために疲労寿命が短くなるが、さらにNd:YAGレーザを用いた機械的表面改質を重ねて行うことにより、Nd:YAGレーザのみを用いた機械的表面改質よりも疲労寿命、疲労強度ともに向上できることを実証した。
PBF-LS/Ti6Al4Vは、ファイバレーザのみを用いた機械的表面改質では、PBF-LS/AlSi10Mgと同様に、ファイバレーザによる機械的表面改質では疲労寿命が短くなるが、さらにNd:YAGレーザとショットピーニングを用いた機械的表面改質を重ねて行うことにより、ショットピーニングやNd:YAGレーザのみを用いた機械的表面改質よりも疲労寿命を向上できることを実証した。これは、ファイバレーザによりPBF-LS/Ti6Al4Vを平滑化できるため、と考えられる。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
令和5年度に試作したファイバレーザを組み込んだレーザシステムを用いて、レーザ焼結(Laser Sintering LS)を用いた粉末床溶融結合法(Powder Bed Fusion PBF)PBF-LSによるアルミニウム合金PBF-LS/AlSi10Mgとチタン合金PBF-LS/Ti6Al4Vの機械的表面改質を行い、3D-Metalの疲労特性向上を実証できた。
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| 今後の研究の推進方策 |
交付申請書の研究計画に記した項目について令和５年度ならびに令和６年度は順調に実施できたので、令和７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。特に、パルスレーザの焦点位置とレーザ誘起気泡による加工面のアークハイトの関係から、焦点位置ではなく、焦点とは異なる位置でアークハイトが極大をとることから、気泡の大きさと圧潰衝撃エネルギーの関係について、流体・材料連成解析とレーザ誘起気泡の高速度観察を行い、最適アークハイトの原因を明らかにする。そして、本機械的表面改質法による3D-Metalのための表面力学設計を構築する。
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