集束イオンビームを利用した溶射スプラット周辺における微小応力分布測定技術の開発

聚焦离子束热喷涂板周围微应力分布测量技术的开发

基本信息

批准号：
17760589
负责人：
渡邊誠
金额：
$ 2.18万
依托单位：
National Institute for Materials Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

【背景と目的】近年、大きな注目を集めているウォームスプレーやコールドスプレーといった新しいコーティング手法では、粒子を溶融させることなく固相のまま基材へ衝突させ、皮膜を形成する。これらのプロセスでは、粒子の衝突による運動エネルギーの熱エネルギーへの変換、基材へ導入される塑性変形や残留応力が、皮膜の基材との密着および皮膜内の粒子同士の密着を支配している。さらに、この密着の程度が皮膜の諸特性や寿命に直接結びついている。したがって、微小な単一粒子の衝突を実験的に定量評価し、プロセスパラメータと相関づけることが望まれている。本研究ではそのための手法を開発することを目的としている。【研究方法】二年間の研究を通じ、(1)電子線モアレ法を適用するための基材(炭素鋼、銅)表面への、電子線リソグラフィーによる微小な金グリッド作製法の最適化、(2)固相粒子の衝突による粒子および基材の変形過程および最終的に導入される応力場・ひずみ場の有限要素法を用いた解析、(3)直径50μm弱の粒子1個を約500μm四方の領域内へ衝突させるためのスプレーシステムの構築、(4)さらに単一の溶射粒子を実際に基材へ衝突させ、電子線によるモアレ縞の変形から微小粒子衝突に伴う塑性ひずみ場の測定を行った。(5)また、集束イオンビーム(FIB)技術を用いたスプラットの断面観察およびスリットの導入とそれに伴うひずみ場変化の測定を行った。【本年度得られた知見】上記のアプローチにより、速度500〜1000m/sという超音速にて飛行する大きさ50μm程度の粒子が基材へ衝突することにより生じる変形場を定量的に測定することに世界で初めて成功した。また、数値解析から予測可能となった変形場と良い一致が認められ、そのひずみサイズは、材料の組み合わせに依存して数%〜20%程度であった。この変形量と粒子の密着数の間には相関が認められ、固相粒子の密着のクライテリオンを評価する有効な手法となりうることが認められた。

[背景和目的] 近年来引起广泛关注的新涂层方法，如温喷涂和冷喷涂，涉及将固相颗粒碰撞到基材上而不将其熔化以形成薄膜。在这些过程中，由于颗粒碰撞而将动能转化为热能，以及引入基材中的塑性变形和残余应力决定了薄膜与基材的粘附力以及薄膜内颗粒之间的粘附力。。此外，这种粘合程度与薄膜的各种性能和使用寿命直接相关。因此，需要通过实验和定量评估小单颗粒的碰撞并将其与工艺参数相关联。本研究的目的是开发一种用于此目的的方法。 [研究方法] 经过两年的研究，我们（1）优化了在应用电子束云纹法的基材（碳钢、铜）表面上使用电子束光刻制作微小金栅的方法（2）； ) ) 由于固相颗粒碰撞而导致颗粒与母材的变形过程以及最终引入的应力应变场。使用有限元法进行分析，(3) 构建喷射系统，将直径略低于 50 μm 的颗粒碰撞到约 500 μm 见方的区域，以及 (4) 此外，实际上将单个热喷涂颗粒施加到与微粒碰撞相关的塑性应变场是通过电子束引起的莫尔条纹的变形来测量的。 (5)我们还使用聚焦离子束（FIB）技术观察了板片的横截面，引入了狭缝，并测量了由此产生的应变场变化。【今年取得的成果】利用上述方法，我们能够定量测量约50μm大小的颗粒以500至1000m/s的超音速飞行时与基材碰撞时产生的变形场，这是世界首次成功。。此外，与通过数值分析预测的变形场观察到良好的一致性，并且根据材料的组合，应变大小约为几％至20％。观察到变形量和彼此粘附的颗粒数量之间的相关性，并且认识到该方法可以是评价固相颗粒粘附标准的有效方法。