Open atmospheric nitridation on a metallic surface using laser irradiation

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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。