レーザー衝撃法による高密度格子欠陥導入・高密度結晶構造残存の機構解明とその応用

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25420778
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 佐野 智一 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30314371)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: フェムト秒レーザー / 衝撃圧縮 / レーザー衝撃法 / 準安定構造 / 格子欠陥 / ピーニング / 転位導入

研究実績の概要

申請者らは、これまでに新しい塑性加工プロセスとして“レーザー衝撃法”を提唱し、この手法を用いて固体内部に高密度の格子欠陥を導入し、また高密度結晶構造を残存させることに成功している。ところがこれらの機構は解明されておらず、またマクロな材料特性向上には至っていない。そこで本研究では、レーザーパラメーターと物性値の観点からこれらの現象を定量的に理解し、機構解明することによって、高密度格子欠陥導入過程と高密度結晶構造残存過程を同時に記述するモデルを構築することを目的とする。さらにこのモデルを用いて、これらの現象によるマクロな材料特性向上として高硬度化および圧縮残留応力付与の最適条件を見出し、本手法をプラズマ閉じ込め媒質を用いない新しいレーザーピーニング手法として確立させる。
本年度は、既に実施した高密度格子欠陥導入および高密度結晶構造残存現象の定量的理解とその機構解明と、高密度格子欠陥導入および高密度結晶構造残存過程のモデル構築に関する研究のさらなる深掘りを進めた。さらに、本研究計画実施後に計画していたフェムト秒レーザー駆動衝撃圧縮過程のその場計測による材料強度発現機構の解明に関する研究を前倒しで進めた。具体的には、フェムト秒レーザー駆動衝撃波による材料の圧縮過程における格子面間隔の挙動を高輝度超短パルスX線プローブで計測した。その結果、フェムト秒レーザー駆動衝撃圧縮後に形成される高密度の転位は、従来言われている増殖機構では無く、衝撃波頭背後での生成機構に基づくことがわかった。応用研究項目であるプラズマ閉じ込め媒質を用いない新しいレーザーピーニング手法の開発に取り組み、材料の疲労特性を向上させられることがわかった。

研究成果

• [国際共同研究] ネバダ大学リノ校/シンシナティ大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ネバダ大学リノ校/シンシナティ大学
• [国際共同研究] リュブリャナ大学(スロベニア)
  • 国名: スロベニア
  • 外国機関名: リュブリャナ大学
• [雑誌論文] フェムト秒レーザピーニングとその動的計測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐野智一
  • 雑誌名: 第83回レーザ加工学会論文集 巻: 2015 ページ: 167-170
  • 査読あり
• [学会発表] A consideration of the mechanism of femtosecond laser peening (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Sano
  • 学会等名: Materials Science & Technology 2015 (MS&T'15)
  • 発表場所: Greater Columbus Convention Center, OH, USA
  • 年月日: 2015-10-04 – 2015-10-08
  • 国際学会
• [学会発表] Surface hardening of iron using repetitive femtosecond laser-driven shock waves (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Matsuda, T. Sano, K. Arakawa, A. Hirose
  • 学会等名: Materials Science & Technology 2015 (MS&T'15)
  • 発表場所: Greater Columbus Convention Center, OH, USA
  • 年月日: 2015-10-04 – 2015-10-08
  • 国際学会
• [学会発表] Femtosecond laser peening of iron and its application to laser welds (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Iwata, T. Sano, T. Matsuda, A. Hirose, S. Tsutsumi, Y. Sano
  • 学会等名: Materials Science & Technology 2015 (MS&T'15)
  • 発表場所: Greater Columbus Convention Center, OH, USA
  • 年月日: 2015-10-04 – 2015-10-08
  • 国際学会
• [学会発表] 鉄鋼材料のフェムト秒レーザピーニングに関する基礎的検討 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岩田匠平, 佐野智一, 松田朋己, 堤成一郎, 廣瀬明夫
  • 学会等名: 溶接学会平成27年度秋季全国大会
  • 発表場所: 北海道科学大学（北海道・札幌市）
  • 年月日: 2015-09-02 – 2015-09-04
• [学会発表] アルミニウム合金A2024のフェムト秒レーザピーニングとその疲労特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 詠村嵩之, 佐野智一, 廣瀬明夫, 堤成一朗, 政木清孝, 佐野雄二
  • 学会等名: 溶接学会平成27年度秋季全国大会
  • 発表場所: 北海道科学大学（北海道・札幌市）
  • 年月日: 2015-09-02 – 2015-09-04
• [学会発表] Femtosecond Laser Peening for Strengthening Micro Weld Joint and its Mechanism (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Sano and A. Hirose
  • 学会等名: 68th IIW Annual Assembly & International Conference
  • 発表場所: Helsinki, Finland
  • 年月日: 2015-06-28 – 2015-07-03
  • 国際学会
• [学会発表] Femtosecond Laser Peening without Sacrificial Overlay under Atmospheric Conditions (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Sano, T. Eimura, S. Iwata, N. Matsuyama, R. Kashiwabara, T. Matsuda, Y. Isshiki, A. Hirose, K. Arakawa, T. Hashimoto, S. Tsutsumi, K. Masaki, and Y. Sano
  • 学会等名: The 7th International Congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP2015)
  • 発表場所: Kokura, Japan
  • 年月日: 2015-05-26 – 2015-05-29
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast Lattice Dynamics of Femtosecond Laser-driven Shocked Iron probed with XFEL (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Sano, T. Matsuda, M. Ohata, T. Terai, A. Hirose, H. Uranishi, N. Ozaki, R. Kodama, T. Yabuuchi, K. A. Tanaka, T. Hosokai, T. Matsuoka, K. Arakawa, Y. Tange, T. Sato, T. Sekine, T. Mashimo, Y. Sano, Y. Sano, Y. Inubushi, T. Sato, M. Yabashi, T. Togashi, K. Tono, and O. Sakata
  • 学会等名: The 7th International Congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP2015)
  • 発表場所: Kokura, Japan
  • 年月日: 2015-05-26 – 2015-05-29
  • 国際学会
• [学会発表] Femtosecond Laser Peening without Sacrificial Overlay under Atmospheric Conditions (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Sano, T. Eimura, S. Iwata, N. Matsuyama, R. Kashiwabara, T. Matsuda, Y. Isshiki, A. Hirose, K. Arakawa, T. Hashimoto, S. Tsutsumi, K. Masaki, and Y. Sano
  • 学会等名: 5th International Conference on Laser peening and Related Phenomena
  • 発表場所: University of Cincinnati, USA
  • 年月日: 2015-05-10 – 2015-05-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast Lattice Dynamics of Femtosecond Laser-driven Shocked Iron probed with XFEL (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Sano, T. Matsuda, M. Ohata, T. Terai, A. Hirose, H. Uranishi, N. Ozaki, R. Kodama, T. Yabuuchi, K. A. Tanaka, T. Hosokai, T. Matsuoka, K. Arakawa, Y. Tange, T. Sato, T. Sekine, T. Mashimo, Y. Sano, Y. Sano, Y. Inubushi, T. Sato, M. Yabashi, T. Togashi, K. Tono, and O. Sakata
  • 学会等名: 5th International Conference on Laser peening and Related Phenomena
  • 発表場所: University of Cincinnati, USA
  • 年月日: 2015-05-10 – 2015-05-15
  • 国際学会