Open atmospheric nitridation on a metallic surface using laser irradiation

使用激光照射在金属表面进行开放大气氮化

基本信息

批准号：
21K18799
负责人：
大津直史
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Kitami Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18799/
关键词：
金属表面窒化処理空気中施工レーザー

项目摘要

本研究課題では、研究実施者らが発見した「レーザー照射による空気中での金属表面窒化現象」の機序解明を通じて、当該技術の産業への応用可能性を探ることを目的としている。この指針に沿い、令和４年度は、レーザー照射に伴い発生するプラズマの解析に重点を置き、レーザー照射パラメータの変化に伴うプラズマ形態並びに状態変化を詳細に観測する事を目指した。さらに、プラズマ状態と形成皮膜の関係性を明確にすることで、プラズマ発生の観点から、形成皮膜の特性をコントロールする方法について論じた。まず金属材料としては、これまでのデータ蓄積が大きいチタン材料を選択した。レーザー照射に伴い発生するプラズマは瞬間的であり、僅か数マイクロ秒以内で消失するため、時間推移を観察することは困難であると判断し、デジタルカメラで時間積算することで観察した。さらに形成した表面皮膜を、走査型電子顕微鏡およびＸ線回折法にて調べた。デジタルカメラで観察したレーザー誘起プラズマの形状は、おおむね紡錘型であったが、レーザービームの集光度によって、チタン表面からの発生位置は変化していった。例えば、集光レンズとチタン材料の距離を集光距離と合致させると、プラズマは表面から離れた場所（沖合）に発生していた。逆に、集光距離から数ミリ程度ずらすと、ちょうどチタン表面にプラズマが発生し、材料表面とプラズマの接触範囲も増大しているように見えた。次に材料表面を観察すると、プラズマと表面の接触範囲が大きい場合は、皮膜内部におけるTiN成分が増大し、これに伴い表面硬さも増加した。他方、プラズマが沖合に離れると、Ti2Nが主成分となり、皮膜硬さも減少傾向にあった。以上の発見は、空気中レーザー窒化において、プラズマ発生がキーファクターであることを明確にし、プラズマから材料表面への瞬間的作用が、窒化皮膜形成を引き起こすことが示唆された。

该研究主题旨在通过阐明研究人员发现的“由激光辐射引起的空气中的金属表面硝化现象”来探索技术在行业中应用的潜力。根据这些准则，在2022年，我们重点是分析激光照射产生的等离子体，并旨在详细观察由于激光照射参数的变化而导致的血浆形态和状态变化。此外，通过澄清等离子体状态与形成的膜之间的关系，讨论了一种从等离子体产生的角度控制形成膜的性质的方法。首先，作为金属材料，现在选择了大量数据的钛材料。用激光照射产生的血浆是瞬时的，仅在几微秒内就消失了，因此确定很难观察到时间过渡，并且通过使用数码相机积累时间来观察血浆。此外，通过扫描电子显微镜和X射线衍射检查了形成的表面涂层。用数码相机观察到的激光诱导的等离子体的形状通常是主轴形的，但是钛表面产生的位置根据激光束的聚焦强度而变化。例如，当冷凝器透镜与钛材料之间的距离与冷凝器距离匹配时，血浆远离表面（近海）产生。相反，当轻度收集距离被数毫米移动时，血浆就在钛表面上方产生，并且材料表面和等离子体之间的接触面积似乎增加了。接下来，当观察材料的表面时，当血浆和表面之间的接触面积很大时，膜内的锡组分就会增加，结果，表面硬度也增加了。另一方面，当等离子体将离岸分开时，Ti2n成为主要成分，并且膜硬度也倾向于降低。上面的发现阐明了血浆生成是空气中激光硝化的关键因素，这表明从血浆到材料表面的瞬时作用会导致硝酸盐膜的形成。