レーザー研磨

レーザー研磨はレーザー再溶融とも呼ばれ、材料の表面品質を改善するために使用されるマイクロ溶融プロセスの一種です。他の従来の研磨プロセスとは異なり、このプロセスではワークピースの表面から材料が除去されません。このプロセスでは、レーザーをワークピースに照射して表面を一定の深さまで溶かし、溶融した材料の再凝固により表面パラメータを改善します。^[1]

レーザー研磨は、ミクロレベルとマクロレベルの2つのレベルで行うことができます。ワークピースの材料は、あらゆる金属または金属合金にすることができ、特定のセラミックやガラスの研磨にも使用できます。^[2]

このプロセスの目的は、ワークピース表面の薄い層を溶かして、表面の凹凸にあるピークの平均高さを下げることです。溶融深度は、ワークピース材料の深部での大きな微細構造の変化を防ぐために、凹凸の高さの特定の程度に厳密に制限されます。これは、レーザー放射の種類（パルス放射または連続放射）と、レーザーパラメータ（レーザー出力、送り速度または走査速度、レーザービームの直径、ソース（正確にはレーザー焦点）とワークピース表面の間の距離）によって大きく左右されます。

このプロセスは、さまざまな材料の表面還元技術の応用として広く研究されています。最も一般的な2つのメカニズムは、浅い表面溶融（SSM）と表面オーバーメルト（SOM）として識別されます。^[2]

文献では、SSM領域は、高温の金属液体の動的挙動によって形成されると定義されており、この液体は微小な凹凸に押し込まれ、基本的に表面の谷を埋めます。溶融した材料の深さは通常、レーザーパラメータによって影響を受ける山谷間距離よりも小さくなります。 ^[3]引用したSEM画像は、周囲の材料に大きな副作用を示さずに、レーザー研磨された表面を明確に識別できることを示しており、SSMのメカニズムを理解するための参考として使用できます。

レーザービームのエネルギー密度をあるレベル以上に上げると、溶融プール、つまり溶融した材料の挙動が変わります。溶融プールの厚さが徐々に増加すると、山谷間距離（または凹凸の高さ）を超え、金属表面全体が溶融プールに変わります。レーザーの密度が高くなると、溶融材料が凝固前面から引き離され、金属表面に波紋が形成されます。^[4]

したがって、このメカニズムによるレーザー研磨では、最終的な研磨面の波状性を低減するためにレーザーパラメータの影響を広範囲に研究する必要があります。

ワークピースの表面は高温にさらされ、断面に沿って大きな温度勾配が形成されるため、表面での材料挙動により微細構造レベルで多少の変化が生じます。しかし、文献レポートの大部分は、ワークピース全体の全体的な材料特性にほとんど変化がないことを示しています。

レーザー研磨された表面は、加工された材料の平均表面粗さの点で大幅に改善されています。これは、レーザー圧力、重力、表面張力の存在により、急速凝固中に溶融池が均一に分布するためです。処理された層は、再溶融層、熱影響部、元のワークピース材料の3つの主要なゾーンに分かれています。ほぼ均一な再溶融層は、冷却速度が速いため、材料の残りの部分と比較して粒子が細かくなっています。元のサイズからこのサイズが縮小したのは、溶融材料にすでに存在する、または新しい析出物が存在するため、粒界がピン止めされた結果であると説明できます。 ^[5]新しい析出物は、材料マトリックスから発生するか、周囲の環境から誘発される可能性があります。

材料の下層に進むと、レーザー ビームにはさらされないものの、表面に形成された溶融プールの影響を受ける熱影響部があります。粒子サイズは再溶融した表面層よりも粗くなりますが、材料の下層に進むと見つかる元の粒子サイズほど大きくはありません (通常は積層製造されたワークピース内)。

研磨された表面は引張強度が大幅に向上しますが、総伸び（破損まで）は減少します。ケーススタディとして、アルミニウム繊維とPLAをマトリックスとするポリマー金属複合材料を考えてみましょう。 ^[6]引用された研究では、引張強度が41.01 MPaから50.47 MPaに増加し、最大伸びが最初の60.6%から33.2%に減少したことが示されています。これは、緻密化とマトリックスと繊維成分間の接着性の向上の結果として説明できます。したがって、研磨された表面では材料の剛性が増加し、延性が低下します。

この特定のケースでは、ワークピースは積層造形法である熱溶解積層法(FDM)を使用して製造されます。通常、積層造形されたすべてのコンポーネントは、そのマトリックス全体に欠陥、つまりガス多孔性、堆積層間の隙間、堆積層の不均一な積層、および層間の接着力の低さがあります。前述の用語はすべて、関連または無関係の形成理由があり、詳細に研究できますが、この概要の範囲を超えています。これらの欠陥は、複合材料に誘発される破損源または損傷の起源になります^[6]。レーザー研磨により、ワークピース表面で新しく研磨された繊維とマトリックスの複合弾塑性動作により、複合材料の破損挙動が変わります。さらに、溶融した表面材料が山から未充填の谷に流れるため、多くの欠陥が除去されます。これにより、マトリックス間およびマトリックスと繊維の再結合も発生し、より高密度の構造が形成されるため、引張強度と動的機械特性が本質的に向上します。

これは、マトリックスと連続繊維複合材料のひずみが一定であると仮定し、複合材料の応力ひずみ曲線に見られるさまざまな段階の引張強度を評価することで、混合則によって数学的に説明できます^[7]

研磨された表面の他の改善点としては、微小硬度、耐摩耗性、耐腐食性の向上が見られます。

研磨する材料に応じて、純金属、非金属、合金、ポリマー、セラミック、非晶質固体、複合材料の破壊メカニズムは大きく異なります。レーザー研磨後、欠陥が減少し、亀裂伝播に対する耐性が増すため、これらすべての材料で破壊耐性が向上します。ただし、この性能は普遍的ではなく、影響を受けないワークピース材料内の欠陥の存在によっても影響を受けます。

改善された破壊挙動は、臨界応力強度係数（）を定義することによって定量化できます。理論的には、この値は、公称適用応力が亀裂伝播応力に等しいときに達成され、実際にはグリフィス基準を考慮して計算されます。平面応力条件の最終的な導出式は、材料剛性（ ）と材料靭性（）の積の平方根で与えられます。 ^[7] 明らかなように、材料剛性が増加すると、研磨表面の靭性は増加します。 ${\displaystyle K_{c}}$${\displaystyle E}$${\displaystyle G_{c}}$

さらに詳細な研究により、レーザー処理された材料の破壊抵抗の増加には、材料の剛性以上のものが関与していることが明らかになりました。複数の情報源から、ひずみ硬化（高温での転位運動による圧縮誘発）と材料内の相転移の影響が説明されています。

窒化ケイ素エンジニアリングセラミックの別のケーススタディを考えてみましょう。^[8]この研究の結果は、ビッカースインデンテーション技術を使用して、表面硬度、表面亀裂長さ、および表面（モード1 ）の変化を記録しています。表面硬度と係数の増加は、レーザー研磨プロセス中の高温での転位の動きにより誘発された残留圧縮応力に関連している可能性があります。これらの圧縮応力は、外部から加えられた張力に逆らって作用するため、亀裂が発生する前に反対の応力を完全に克服するには、破壊応力（または亀裂伝播応力）に加えて、特定のしきい値が必要です。その他の観察結果には、レーザー研磨されたで亀裂長さが37％減少したことや、引用文献でさらに説明されている異方性誘発が含まれます。^[8]${\displaystyle K_{1}c}$${\displaystyle K_{c}}$${\displaystyle K_{1}c}$${\displaystyle {\ce {Si3N4}}}$