国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(理事長 児玉敏雄)高速炉・新型炉研究開発部門 敦賀総合研究開発センター レーザー・革新技術共同研究所の村松壽晴GL、原子力科学研究部門 物質科学研究センター 放射光エネルギー材料研究ディビジョンの菖蒲敬久研究主幹と国立大学法人大阪大学(総長 西尾章治郎)接合科学研究所の塚本雅裕教授らの研究グループは、レーザーコーティング加工時に生じる固体金属の溶融・凝固過程を汎用エンジニアリングワークステーション により評価可能な計算科学シミュレーションコードSPLICE を世界に先駆けて開発しました。レーザーコーティング加工は、基板上にコーティング粉末を噴射すると同時にレーザー光を照射し、高品質なコーティング膜を付与する技術です。本加工技術は金属基板に異なる金属膜を薄くコーティングすることで異なる機械的性質を付与できることが特徴です。しかしながら、要求仕様を満足するコーティング膜を付与するためには、コーティング粉末の供給量やレーザー光の出力などを、基板材料とコーティング粉末材料の組合せに応じて適切化することが求められます。今回開発したSPLICEはこのコーティング膜厚、溶込み深さなどの要求仕様を満足するレーザー照射条件などの施工前評価を実測では数ヶ月要していたのに対して数週間に短縮することができました。SPLICEの根幹を成す固体金属の溶融・凝固過程の評価性能は、SPring-8 からの高輝度放射光X線 を用いたイメージング法などにより、その妥当性を確認しています。今回の成果により、今後市場展開が計画されているレーザーコーティング装置の産業界での市場拡大が期待されます。

本成果は、内閣府が進める戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)/革新的設計生産技術(管理法人：NEDO)の研究テーマの一つ「高付加価値設計・製造を実現するレーザーコーティング技術の研究開発(研究開発責任者：国立大学法人大阪大学接合科学研究所塚本雅裕教授)」において、平成26年度より進めている研究成果の一部です。

なお、本成果での条件事前評価に係る考え方の一部は、平成30年度より新たに開始する予定のレーザー溶断に係る研究開発「ふくいスマートデコミッショニング技術実証拠点」事業 でも活用する計画です。

近年、様々な産業分野において、材料を接合する、穴を開けるなどの加工にレーザーが用いられています。レーザー加工は、加工領域が小さい、短時間、精密、遠隔操作が可能などのすぐれた特徴を有しています。一方で、レーザー加工では、これらの加工を実現するためにレーザー照射条件などを適切に設定するという課題があります。一般的には、この条件適切化は繰返しによる膨大な時間と作業を浪費して取得します。これこそが、多品種少量生産などを指向する産業分野へのレーザー加工技術の導入を阻害する一因ともなっています。今回研究開発の対象であるレーザーコーティングに関しても同様の課題が発生しています。

レーザーコーティングとは、基板上にコーティング粉末を噴射すると同時にレーザー光を照射し、高品質なコーティング膜を付与する技術です。レーザークラッティング（肉盛溶接）と似ていますが、レーザーコーティングは金属基板に異なる金属膜を薄くコーティングすることで異なる機械的性質を付与できることが大きな違い、特徴です。現在開発中であり、最終的には製品として市場販売を目指しています。市場販売する上で最も大きな課題は、このレーザーコーティング技術が誰でもすぐに取り扱えるようにすることです。そのためにはこの匠の技術を手助けする手段が必要となります。本研究では、この手助けする手段として計算科学的手法を考案しました。

本研究では、計算精度を確保しつつも計算負荷を可能な限り低減し、汎用エンジニアリングワークステーションでも数値解析を可能にする事を第一に考えました。そのため、ミクロ挙動とマクロ挙動 を多階層スケールモデル により接続し、気相・液相・固相を一流体モデルにより定式化した非圧縮性粘性流モデル を基礎式に採用しました。加えて、レーザー加工時に現れる核となる物理現象、例えばレーザー光-物質相互作用、半溶融帯を介した溶融金属-固体材料間の熱的機械的相互作用、溶融・凝固相変化過程などの複合物理過程を取扱うために必要な様々な物理モデルを導入しました （図1） 。以上を考慮し、計算科学シミュレーションコードとしてSPLICEが開発されました。

一方、計算シミュレーションの検証には、実証実験との比較がもっとも一般的です。SPLICEに関しても3つの方法で検証を行いました。 （図2） でも示しますが、レーザーコーティングしている様子の計算シミュレーションの検証は大型放射光施設SPring-8からの高輝度放射光X線を用いたイメージング測定により行いました。本測定では金属を透過させ10マイクロメートル程度の空間分解能、千分の1秒の時間分解能でレーザーコーティングしている様子が観察できます。この観察結果とSPLICEの計算シミュレーションを比較することで、コーティング、及び溶込みが生成される様子を確認しました。またコーティングの厚さや溶込み深さ、キャビティーの有無など定量的な評価は生成した試験片を切断し、顕微鏡等で観察した結果と比較することで行いました。以上より、SPLICEの妥当性を明らかにするとともに、より質の高い結果を得るための高度化も合わせて行ないました。

（図2） は、キッチンや調理器具などの金属素材に使われているオーステナイト系ステンレス鋼SUS304母材表面に、さらにさびにくい金属であるニッケル基合金ハステロイ金属粉（大きさ数十マイクロメートル）をコーティングした例です。SPLICEを使用すると単位面積当たりの母材への入熱量Eと金属粉供給量Wの変化に伴い （図2） (a)から(d)の様に予測することができます。この結果、適正施工が行われているのは、 （図2） (d)であることがわかります。このようなシミュレーションを様々な条件で実施し、整理すると （図2） (e)が完成します。以上より適正条件を導き出すEとWが決定します。このような計算を行うことで、作成したいコーティングの厚さに対して、どの程度の溶込み深さが発生するのか、逆に許される溶込み深さに対してどの程度の厚さのコーティングができるのか、SPLICEにより施工前に予めこのような特性を評価することが、従来法では数ヶ月要していたのに対して、わずか数週間で導き出すことができます。

図1　レーザーコーティング加工に影響を及ぼすレーザー照射条件などのパラメータ

図2　SPLICEコードを用いたレーザーコーティング溶込み深さ評価の一例

今後市場展開が計画されているレーザーコーティング装置の産業界での利用促進を目指し、SPLICEコードの外部利用を積極的に進める予定です。また本成果での条件事前評価に係る考え方の一部は、平成30年度より新たに始まるレーザー溶断に係る研究開発「ふくいスマートデコミッショニング技術実証拠点」事業でも活用する計画です。