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。

该研究项目的目的是通过阐明研究人员发现的“由于激光照射而在空气中发生金属表面氮化现象”的机理，探索将该技术应用于工业的可能性。根据这一方针，2020财年，我们重点分析了激光照射过程中产生的等离子体，旨在详细观察激光照射参数变化引起的等离子体形态和状态变化。此外，通过阐明等离子体状态与形成的膜之间的关系，我们讨论了从等离子体产生的角度控制形成的膜的特性的方法。首先，作为金属材料，我们选择了迄今为止积累了大量数据的钛。由于激光照射产生的等离子体是瞬时的，并且在短短几微秒内消失，我们认为很难观察时间过程，因此我们通过将时间与数码相机结合来观察。此外，使用扫描电子显微镜和X射线衍射法检查所形成的表面膜。用数码相机观察到的激光诱导等离子体的形状通常为纺锤形，但距离钛表面的位置根据激光束的会聚程度而变化。例如，当聚光透镜和钛材料之间的距离与聚光距离匹配时，会在远离表面（海上）的地方产生等离子体。相反，当将光束移离焦距几毫米时，等离子体恰好在钛表面上产生，并且材料表面和等离子体之间的接触面积似乎在增加。接下来，在观察材料表面时，我们发现，当等离子体与表面的接触面积较大时，薄膜内部的TiN成分增加，表面硬度相应增加。另一方面，当等离子体向近海移动时，Ti2N成为主要成分，膜层硬度也趋于降低。上述发现清楚地表明等离子体的产生是空气激光氮化的关键因素，并表明等离子体对材料表面的瞬时作用导致氮化膜的形成。