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高機能レーザ表面改質における制御因子の解明と材料学的評価

研究課題

研究課題/領域番号 62045021
研究種目

国際学術研究

配分区分補助金
応募区分大学協力
研究機関大阪大学

研究代表者

松繩 朗 (松縄 朗)  大阪大学, 溶接工学研究所, 教授 (20029119)

研究分担者 R.M Latanisi  マサチューセッツ工科大学, 材料理工学科材料加工センター・教授, 所長
T.W. Eagar  マサチューセッツ工科大学, 材料理工学科, 教授
片山 聖二  大阪大学, 溶接工学研究所, 助手 (10144528)
阿部 信行  大阪大学, 溶接工学研究所, 助教授 (90127176)
井上 勝敬  大阪大学, 溶接工学研究所, 教授 (90029067)
LATANISION Ronaldo M.  Professor and Director, Dept. of Material Science and Engineering, Materials Pro
EAGAR Thomas W.  Professor, Dept. of Material Science and Engineering, Massachusetts Institute of
S ALLENN  マサチューセッツ工科大学, Dept.of Materials Science&E
G YUREK  マサチューセッツ工科大学, Dept.of Materials Science&E
J S HAGGARTY  マサチューセッツ工科大学, Materials Processing Center
T W EAGAR  マサチューセッツ工科大学, Dept.of Materials Science&E
大村 悦二  大阪大学, 溶接工学研究所, 助手 (90144435)
研究期間 (年度) 1987 – 1989
研究課題ステータス 完了 (1989年度)
配分額 *注記
8,100千円 (直接経費: 8,100千円)
1989年度: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
1988年度: 2,400千円 (直接経費: 2,400千円)
1987年度: 3,200千円 (直接経費: 3,200千円)
キーワードレーザー加工 / 表面改質 / 急速冷却 / 急速凝固 / 薄膜 / レーザーCVD / レーザーPVD
研究概要

本研究計画にそって大阪大学溶接工学研究所では次の様な具体的研究を遂行し、以下の成果を得た。
1.レーザー表面アモルファス化の研究
(1)凝固時に最大10^6K/sの冷却速度が得られるパルスレーザー照射条件で種々の合金の表面アモルファス化状態を調査した結果、レーザー表面アモルファス化のための適正レ-ザ-照射条件、結晶凝固及び再加熱時の熱影響部における結晶化の機構及び割れ発生防止策を明らかにした。
(2)3種の異なる発振形態のYAGレーザー、すなわち連続発振(CW)、ノーマルパルス発振及びQ-スイッチ発振のレーザーを用いて、凝固時の冷却速度推定のための熱伝導解析およびその実験的検証を行った。深さ20μm以上の溶け込みが得られるレーザー照射条件では、CW発振において10^4〜10^5K/s、ノーマルパルス発振(パルス時間:0.1ms)では10^5〜10^7K/s、Q-スイッチ発振では最大10^9K/s冷却速度が得られる事を明らかにした。この結果を3種の易アモルファス合金を用いて実際にアモルファス化を試みた結果、高速スキャンCW、ノーマルパルスおよびQ-スイッチパルス発振の順にアモルファス化が容易となる事を実証した。なお、オーバーラップ照射による表面アモルファス化の場合、前層でアモルファス化した部分が次層のレーザー照射によりその熱影響部が結晶化し易く、特に高速スキャンCW発振の場合に顕著である事が判明した。
2.レーザー粉末塗付法による各種セラミックスのチタン合金表面へのコーティング
各種の炭化物、硼化物及び窒化物セラミックス粉末あるいはその原料を予めチタン合金表面に塗付し、パルスレーザーを照射して溶融凝固させる事により厚み50〜200μmの超高硬度被膜形成のための条件及びその材料学的特性の解明を計った。なお、これらの原料粉末を塗付した資料を窒素ガス気中でレーザー処理すると不活性ガス気中処理の場合に比べてビッカース硬度で平均200程度の硬度増加が生じる事を明らかにした。
3.レーザーPVDの研究
レーザー加熱・蒸発法による窒化珪素及びアルミナセラミックスのPVD(物理蒸着法)による薄膜形成に関する基礎実験を行った。
(1)各種発振モードのYAGレーザーを照射した時、セラミックスターゲット材料から発生するプルームの構成粒子を分光測定法により同定した結果、セラミックスは元素状態に解離し、金属元素は一部電離状態にある事が判明した。金属元素の電離状態はCWレーザー照射では極微であるが、パルスおよびQ-スイッチ発振では1価以上の電離種が生じる。
(2)Si_3N_4、Al_2O_3のNi基板上への蒸着を試み、膜特性に及ぼすレーザー照射条件、雰囲気圧力及び基板温度の影響を明らかにした。この結果、膜硬度は雰囲気圧力及び基板温度に大きく依存する事が判明した。また基板温度が特に高くない限り得られる被膜はアモルファス状態であり、条件の選択によりバルクセラミックスより遙かに高い硬度の膜が得られる事を示した。
4.レーザーCVDによるセラミックス膜コーティングの研究
BCl_3、CH_4及びH_2の混合ガス中でYAGレーザーをTi合金表面に照射し、CVD法による高硬度セラミックス薄膜形成を試みた。原料ガスの分圧比およびレーザー照射条件の制御により、B_4C及び遊離BまたはCとの混合した薄膜が得られる条件が明らかにされ、また通常の熱CVD法に比べて適正条件における蒸着速度は10〜100倍となる事が判明した。
本研究課題達成のため、大阪大学溶接工学研究所及びマサチューセッツ工科大学材料加工センターは研究期間中に合計6回(大阪大学にて3回、MITにて3回)の合同シンポジウムを開催し、多数の参加者を得た。

報告書

(2件)
  • 1989 研究成果報告書概要
  • 1987 研究成果報告書概要
  • 研究成果

    (27件)

すべて その他

すべて 文献書誌 (27件)

  • [文献書誌] M.Wehr: "Ceramic Coating of Titanium by Pulsed YAG Laser" Transaction of JWRI,Osaka University. 16. 43-49 (1987)

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      1989 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 松繩朗: "パルスYAGレーザーを用いた加熱蒸発法による超微粒子の生成ーTIGアークを併用した際の諸現象の検討ー" 溶接学会 全国大会 講演概要集. 45. 302-303 (1988)

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  • [文献書誌] M.Wehr: "Formation of Ceramics Coating by Laser Processes" Transactions of JWRI,Osaka University. 17. 71-84 (1988)

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  • [文献書誌] 松繩朗: "レーザーによる表面改質" レーザー研究. 26. 466-475 (1988)

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  • [文献書誌] M.Wehr: "レーザ熱CVD法およびレーザガスアロイング法によるチタン表面のセラミックスコーティング" 溶接学会 全国大会 講演概要集. 42. 144-145 (1988)

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  • [文献書誌] A.Matsunawa: "Spectroscopic Measurement of Plume in Laser PVD Process" Transactions of JWRI,Osaka University. 18. 151-153 (1989)

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  • [文献書誌] 岡一宏: "レーザPVD法における蒸発粒子の評価(I)" 応用物理学会 学術講演会 講演予稿集. 507 (1989)

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  • [文献書誌] 松繩朗: "レーザ急熱急冷法によるアモルファス合金相の形成" 高温学会誌. 15. N46-N47 (1989)

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  • [文献書誌] 宮沢肇: "レーザPVDによるセラミック硬質膜の作成" 精密工学会 学術講演会 講演論文集. 3分冊. 901-902 (1990)

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  • [文献書誌] 松繩朗: "チタンのレーザホウ化に関する基礎的研究" 高温学会誌.

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  • [文献書誌] 清水弘之: "Al-Cu単結晶のレーザ急速凝固組織" 溶接学会 全国大会 講演概要集. (1990)

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  • [文献書誌] A.Matsunawa: "Laser Rapid Solidification Microstructure of Alloys(Report 1)-Microstructure of Single Crystal Al and Al-2%Cu Alloys-" Transactions of JWRI,Osaka University. 19. (1990)

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  • [文献書誌] A.Matsunawa: "Fundamental Study of Laser PVD(Report 1)-Laser PVD of Al_2O_3ー" Transactions of JWRI,Osaka University. 19. (1990)

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  • [文献書誌] A.Matsunawa: "Formation of Amorphous Alloy Layer by Pulsed Laser" Proceedings of LAMP'87,High Temperature Society of Japan,May,Osaka. 441-446 (1987)

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  • [文献書誌] A.Matsunawa: "Pulsed Laser Glazing of Alloy Surface" Proceedings of CISFFEL,Cannes,France,26-30 September,1988. 2. 563-572 (1988)

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  • [文献書誌] M.Wehr: "Laser Induced Chemical Vapor Deposition of Ceramics" Proceedings of CISFFEL,Cannes,France,26-30 September,1988. 2. 573-580 (1988)

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      1989 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M. Wehr: "Ceramic Coating of Titanium by Pulsed YAG Laser" Transactions of JWRI, Osaka University. 16. 43-49 (1987)

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      1989 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M. Wehr: "Transactions of JWRI, Osaka University" Formation of Ceramic Coating by Laser Processes. 17. 71-84 (1988)

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      1989 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] A. Matsunawa: "Spectroscopic Measurement of Plume in Laser PVD Process" Transactions of JWRI, Osaka University. 18. 151-153 (1989)

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      1989 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] A. Matsunawa: "Laser Rapid Solidification Microstructure of Alloys (Report 1) -Microstructure of Single Crystal Al and Al-2%Cu Alloys-" Transactions of JWRI, Osaka University. 19. (1990)

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      1989 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] A. Matsunawa: "Fundamental Study of Laser PVD (Report 1) -Laser PVD of Al_2O_3-" Transactions of JWRI, Osaka University. 19. (1990)

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      1989 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] A. Matsunawa: "Formation of Amorphous Alloy Layer by Pulsed Laser" Proceedings of LAMP'87, High Temperature Society of Japan, May, 1987. 441-446 (1987)

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      1989 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] A. Matsunawa: "Pulsed Laser Glazing of Alloy Surface" Proceedings of CISFFEL, Cannes, France, 26-30, 1988. II. 563-572 (1988)

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      1989 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M. Wehr: "Laser Induced Chemical Vapor Deposition of Ceramics" Proceedings of CISFFEL, Cannes, France, 26-30 September, 1988. II. 573-580 (1988)

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      1989 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Wehr;S.Katayama;A.Matsunawa: Transactions of JWRI,Osaka University. Vol.16,No.1. 43-49 (1987)

    • 関連する報告書
      1987 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] A.Matunawa;S.Katayama;Y.Ohomi;T.Kuroki: Proceedings of ICALEO '87.

    • 関連する報告書
      1987 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] "Proceedings of Laser Advanced Materials Processing(LAMP '87)ーScience and Applicationsー "Formation of Amorphous Alloy Layer by Pulsed Laser",by A.Matsunawa,S.Katayama,Y.Ohomi&T.Kuroki" High Temperature Society of Japan, 441-446 (1987)

    • 関連する報告書
      1987 研究成果報告書概要

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公開日: 1987-04-01   更新日: 2016-04-21  

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