ブックタイトル日本結晶学会誌Vol56No1

概要

日本結晶学会誌Vol56No1

特集：新時代の結晶学－X線自由電子レーザー日本結晶学会誌56，22-26（2014）パルスレーザーによる金属表面の機能創製とSACLAによる実時間観察㈱東芝電力・社会システム技術開発センター佐野雄二,藤田敏之Yuji SANO and Toshiyuki FUJITA: Enhancement of Surface Properties on MetallicMaterials by Pulse Laser Irradiation and the Real-Time Observation at SACLALaser-induced plastic deformation imparts compressive residual stress on materials andenhances reliability of components. The dynamic behavior of the phenomena was studied forA6061 aluminum alloy with XFEL at SACLA. A foil of A6061 was stuck on an acrylic platewith vacuum grease, through which a laser pulse of an Nd：YAG laser was irradiated. XFELimpinged on the opposite free surface of the foil with the various delay time and the diffractionof XFEL was stored with a two dimensional detector（MPCCD）. When the impulsivewave arrived at the opposite surface, the diffraction pattern changed from spotty to a smootherring pattern, suggesting the fragmentation of coarse grains. Shifts of diffraction angles werealso observed coinciding with the pressure profile due to the laser irradiation.1．はじめにレーザーは空間的および時間的な制御性に優れるため,高品位な熱源としてさまざまな加工や表面処理に応用されている.われわれは,パルス幅数nsのレーザーを空間的に絞り込んで水中の材料や水膜で覆われた材料に照射して表面に瞬間的に高い圧力状態をつくりだすことにより,材料の機械的特性を改善する表面改質に利用している. 1)-6)この技術はレーザーピーニング（Laser peening）と呼ばれ,構造物の応力腐食割れや疲労き裂の発生・進展を予防するための保全対策として実用化されている. 7)-9)レーザーピーニングの素過程は金属の表面と表層部における10 ?7秒以下の高速現象であり,これまで実時間での観察は困難であった. X線自由電子レーザー（XFEL）施設SACLAはパルス幅10 ?14秒の超高輝度・高エネルギーX線源であり,金属もある程度透過するため,内部を非破壊で実時間その場観察することが可能である.そこでわれわれは,析出強化型のアルミニウム合金A6061や準安定オーステナイト系ステンレス鋼SUS304などにレーザーパルスを照射したときの強化機構として,結晶粒微細化,動的析出,マルテンサイト変態などを想定し,そのダイナミクスを明らかにするための実験を2012A期より実施している. 10),11)ロセスを図1に示す. 1)強いレーザーパルスを集光して材料に照射すると,アブレーションにより材料のごく表層がプラズマ化する.水中または水膜のある状態でレーザーを照射すると,水がプラズマの膨張を妨げるため,狭い領域にレーザーのエネルギーが集中する.その結果,プラズマの圧力は空気中の10～100倍となり数GPaに達する. 1)この圧力によって衝撃波が発生し,材料中を伝播する.衝撃波による動的な応力によって材料の表層は塑性変形し,深部の未変形部から拘束を受けることによって表面に圧縮残留応力が生じる. 2) 1パルスで処理できる範囲は小さいため,レーザービームまたは対象物を移動させながらレーザーパルスを順次照射し,必要な表面に圧縮残留応力を2．パルスレーザーによる金属表面の機能創製パルスレーザーを水中の材料に照射したときの基礎プ図1レーザーピーニングの基礎プロセス.（Fundamentalprocess of laser peening.）22日本結晶学会誌第56巻第1号（2014）