FORM TECH REVIEW_vol33

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４．考察 Fig. 7より、深さ1 mm、幅300 mの固液界面に結晶粒微細化領域が生成されていることがわかる。実験結果から、この結晶粒微細化は、デンドライトの断片化と動的核生成の2つのメカニズムによって引き起こされることを提案した。 Fig. 12に示す通り、デンドライトの断片化に影響を及ぼす要因は、固液界面に影響を与える応力波の伝搬と強制対流であった。これらの要因は、表面で発生したアブレーションプラズマの反力によるものである。溶融金属の対流が物質と熱を伝播して固液界面に影響を与えるのに対し、応力波は圧力のみを伝播する。 超高圧状態を発生させることができるため、1980年代以降、短パルスレーザによる物質伝播圧力波の基礎研究が盛んに行われている[18-21]。ここでは、プラズマ閉じ込め媒体を用いずにアルミニウムで行った実験で用いられているPhippsモデルを用いた。内部気泡、反射ストレス波、溶融プール内の温度勾配については、ここでは扱わない。表面には固体の酸化皮膜があったため、レーザの吸収率は固体のアルミニウムと同様であったと考えられる。 Phippsらは、真空中でレーザ強度（I, W/cm2）、波長（λ, m）、パルス幅（τ, ns）を広範囲に変化させた短パルスレーザ照射実験を行っている。アブレーション圧力の経験的傾向は、以下の式で表される[18,21]。 anPIbI, (1) ここで、Paはアブレーション圧力（Mbar）、定数bは材料に依存する（アルミニウムではb = 5.6, n = -0.3 ± 0.03）。この経験式は、レーザ強度が3〜70 TW/cm2、パルス幅が1.5 ms〜500 ps、波長が10.6 m〜248 nmの範囲で成立した。 付与されたパルス力積は次式で表される。 -30.7-0.30.85a(Mbarns)=3.3910PI. (2) この式に短パルスレーザの照射条件を代入し、最大アブレーション圧力を求めると、次のようになる： -10.7-0.3-0.75a=3.93100.328GPaPI. (3) 従って、Phippsモデルにおけるアブレーション圧力は328 MPaと推定された。 流体中に置かれた1本の棒が流れによって破断するモデルを用いて、高温におけるデンドライトの強度を評価した[22]。Frost and Ashbyによれば[23]、融点付近の温度で凝固した金属の降伏応力は、以下の式で表される。 -310()yET, (4) 300m300()1+TETEBT, (5) ここで、 (MPa)は降伏応力、E(T) (GPa)は絶対温度Tでのヤング率、E300は300Kでのヤング率（70 GPa）、Tmは融点（933K）、B = -1.33（アルミニウムの場合）[24]。融点での降伏応力は6.8 MPaと推定され、Phippsモデルで推定した応力波328 MPaより小さく、デンドライトが変形・破壊したことがわかる。 結晶粒の微細化領域は表面から1 mmの深さであったため、デンドライトの破断は溶湯の対流によるものと考えられる。溶融池に流れ込んだ破砕されたデンドライトが核となり、微細な等軸結晶を形成したと考えられる。 一般に、鋳造や溶接の工程では、溶融金属中に酸化物、炭化物、窒化物、硼化物などの不純物粒子が混入している。圧力によって溶融池中の不純物の濡れ性が向上し、不純物粒子が不均一な核として機能するようになったという仮説がある[10]。 あるいは、圧力の上昇により一時的な凝固温度変化dT/dpが発生し、融点上昇に伴う過冷却度の増加により不均一核生成が発生する[25]。これはクラペイロン式で示され、 LSE()ddVVTTpL, (6) ここで、VLとVSはそれぞれ平衡凝固温度TEにおける液体と固体の体積であり、Lは凝固潜熱である。凝固に伴う体積変化は、（VL-VS）の項によって含まれる。クラペイロンの式は、体積収縮する金属の凝固時の凝固温度が、圧力の上昇に伴って上昇することを示す。核生成温度付近まで冷却された液体に高圧をかけると、凝固温度が上昇して急速に過冷却状態になり、不純物などの不均一な核が有効に働き、結晶粒構造が微細化される[17]。 粒子が微細化した領域が固液界面に集中するという実験結果は、凝固温度付近で過冷却度が増加するという説明と一致する。短パルスレーザアブレーションで発生する圧力波は、不純物の濡れ性を向上させ、不均一な核生成を促進するため、微細化メカニズムのひとつと考えられる[26]。 Fig. 12. Schematic of the process and mechanism of grain refining. Short-pulsedlaserOxide filmCWlaserAblationEquiaxed grainDendriteFactorsStresspropagationForced convectionMechanismsDynamic nucleationDendrite fragmentationShort-pulsed laser ablationGrain refiningProcess and mechanism of grain refiningRecoil force- 102 -