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2012 年度 実施状況報告書

超音速プラズマジェットによる材料表面の低温処理の研究

研究課題

研究課題/領域番号 23656543
研究機関大阪工業大学

研究代表者

田原 弘一  大阪工業大学, 工学部, 教授 (20207210)

研究分担者 上辻 靖智  大阪工業大学, 工学部, 准教授 (00340604)
キーワードプラズマジェット / 超音速流 / 熱力学的非平衡 / 材料加工 / 表面処理 / 低温処理 / 溶射
研究概要

極度の熱力学的非平衡状態にある超音速プラズマジェットを用いた、材料加工法を開発することを目的として研究を行った。
1.新しいコンバージェント・ダイバージェントノズルを備えた材料加工用直流アークジェット装置を設計・製作した。ノズルは脱着可能であり、その形状を自由に変更できるように設計した。軸方向磁場の印加も可能にした。作動ガスにアンモニア NH3、窒素/水素混合ガス N2+nH2(水素モル比nは可変、n=3はアンモニア模擬ガスに相当)、窒素、メタン、二酸化炭素を用いて、放電電流(放電電流50~300A)と作動ガス流量をパラメータとして変化させ、放電電圧、放電室・ノズル内各部の圧力を測定した。
2.音速プラズマジェットを基材(チタン、鉄、アルミニウム、窒化鋼など)に直接照射し、その表面の改質を行った。基材には直流バイアス電圧を印加し、基材の温度を基材の複数個所で計測した。ノズル形状、プラズマジェット装置作動条件、基材バイアス電圧を変更し、照射後の表面特性を調べた。硬度の径方向・深さ方向分布を測定し、X線散乱(XRD)分析を行った。その結果、基板温度500度程度の低温においても、ビーカース硬さ1000を超える硬質窒化チタン膜の製作に成功した。
3.数値流体力学的な巨視的計算と基材表面の原子挙動の微視的計算により、基材とプラズマとの干渉状態を調べ検討した。超音速反応性プラズマ流の特性、基材の表面物性の変化を検討し、本方法の、基材の温度を上げない表面改質法(表面硬化法(主に窒化処理))としての可能性、今後の改良すべき点を検討した。その結果、改良点とともに、最適な作動条件を見出すことができた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

超音速プラズマジェットの安定作動に成功し、その非平衡プラズマの計測、流れ場の数値計算も順調である。さらに窒化チタンの硬質膜の生成に成功したので、来年度の飛躍的発展が期待できる。

今後の研究の推進方策

原材料粉体(チタン、鉄、アルミニウム、窒化鋼など)をプラズマジェット装置に導入し、溶射を行う。導入方法、粉体条件とノズル形状、プラズマジェット装置作動条件、基材に印加するバイアス電圧を変更し、溶射後の皮膜特性を調べる。基材温度の計測も行う。膜厚と硬度の径方向・深さ方向分布を測定し、X線散乱(XRD)分析を行う。プラズマ中の原材料粉体の状態を高速度カメラ、赤外線カメラ、レーザードップラー速度測定装置を用いて推定する。数値流体力学的な巨視的計算と粉体材料表面の原子挙動の微視的計算により、粉体とプラズマとの干渉状態を調べ、実験結果と比較検討する。

次年度の研究費の使用計画

繰越額が生じた理由は,プラズマジェット装置の構造を若干変更(改善)することにより,電極損耗が低減し,その交換回数が少なくなったことによる。
平成25年度研究費として、溶射用プラズマジェット装置の電極材料、電気絶縁材料、作動ガス、原材料粉体(チタン、鉄、アルミニウム、窒化鋼など)など消耗品費が主に必要である。さらに膜分析費が必要である。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2012 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (4件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] 低毒性推進剤を用いたアークジェットスラスタの基礎作動実験2012

    • 著者名/発表者名
      池田知行, 藤田雄也, 松本和真, 杉村勇也, 田原弘一, 渡辺陽介
    • 雑誌名

      プラズマ応用科学

      巻: Vol.20-1 ページ: 27-32

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Performance Characteristics of Direct-Current Arcjet Thrusters Using Clean Propellant “Hydroxyl Ammonium Nitrate”2012

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Ikeda, Hirokazu Tahara and Yosuke Watanabe
    • 雑誌名

      Frontier of Applied Plasma Technology

      巻: 5 ページ: 73-78

    • 査読あり
  • [学会発表] HAN系推進剤を用いた低電力アークジェットスラスタシステムの開発研究

    • 著者名/発表者名
      松本 和真, 杉村 勇也, 藤田 雄也, 田原 弘一, 長田 泰一, 増田井出夫
    • 学会等名
      第53回航空原動機・宇宙推進講演会
    • 発表場所
      倉敷市芸文館(岡山県)
  • [学会発表] 電磁加速プラズマジェットによる高機能材料の作製

    • 著者名/発表者名
      田原 弘一
    • 学会等名
      大阪大学接合科学研究所 研究集会「プラズマ応用による高機能材料の作製とその評価」
    • 発表場所
      大阪大学接合科学研究所(大阪府)
    • 招待講演
  • [学会発表] HAN系推進剤及び水を用いた低電力直流アークジェットスラスタの性能特性

    • 著者名/発表者名
      松本和真, 杉村勇也, 藤田雄也, 田原弘一, 長田泰一, 増田井出夫
    • 学会等名
      平成24年度宇宙輸送シンポジウム
    • 発表場所
      JAXA宇宙科学研究所(神奈川県)
  • [学会発表] 低毒性推薬分解ガスを用いた低電力直流アークジェットスラスタの性能評価

    • 著者名/発表者名
      藤田雄也, 松本和真, 杉村勇也, 田原弘一, 長田泰一, 増田井出夫
    • 学会等名
      第56回宇宙科学技術連合講演会
    • 発表場所
      別府国際コンベンションセンター(大分県)

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公開日: 2014-07-24  

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