JP2022108281A - Nitride film forming device and nitride film forming method - Google Patents

Nitride film forming device and nitride film forming method Download PDF

Info

Publication number
JP2022108281A
JP2022108281A JP2022002934A JP2022002934A JP2022108281A JP 2022108281 A JP2022108281 A JP 2022108281A JP 2022002934 A JP2022002934 A JP 2022002934A JP 2022002934 A JP2022002934 A JP 2022002934A JP 2022108281 A JP2022108281 A JP 2022108281A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nitride film
pulsed laser
laser light
film forming
metal material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022002934A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
直史 大津
Tadashi Otsu
公陽 三浦
Kimihiro Miura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kitami Institute of Technology NUC
Original Assignee
Kitami Institute of Technology NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kitami Institute of Technology NUC filed Critical Kitami Institute of Technology NUC
Publication of JP2022108281A publication Critical patent/JP2022108281A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

To provide a nitride film forming device and a nitride film forming method that can form a nitride film selectively on the surface of a metal by a simple technique.SOLUTION: A nitride film forming device 1 is to form a nitride film on the surface of a metal material. The nitride film forming device 1 has a pulsed laser light source 11 that repeatedly emits pulsed laser light with its energy density per pulse set so that the pulsed laser light emitted onto the metal material surface generates plasma in the air around the metal material surface, to topically melt the metal material surface and generate activated nitrogen in the air. The nitride film forming device 1 may include a focusing optical system 12 that is provided on the emission side of the pulsed laser light source 11 and focuses the pulsed laser light emitted from the pulsed laser light source 11 to the metal material surface, to generate plasma in the air around the metal material surface.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、窒化皮膜形成装置及び窒化皮膜形成方法に関する。 The present invention relates to a nitride film forming apparatus and a nitride film forming method.

表面に窒化皮膜が形成された金属材料は、耐磨耗性や耐食性に優れ、機械部品に好適な材料として知られている。窒化皮膜の形成には、アンモニア雰囲気中でチタン材料を加熱するガス窒化法やグロー放電を利用したプラズマ窒化法が用いられている。これらの方法は、金属材料の表面全体に窒化皮膜を形成するため、金属材料表面の一部に選択的に窒化皮膜を形成する手法が要望されている。例えば、特許文献1には、チタン材料に窒素ガスを吹き付けた状態でレーザを照射することで、チタン材料表面のレーザ照射部分に選択的に窒化皮膜を形成する方法が開示されている。 A metal material having a nitride film formed on its surface is known to be excellent in wear resistance and corrosion resistance and suitable for mechanical parts. A gas nitriding method in which a titanium material is heated in an ammonia atmosphere and a plasma nitriding method using glow discharge are used to form the nitride film. Since these methods form a nitride film on the entire surface of the metal material, there is a demand for a method of selectively forming a nitride film on a part of the surface of the metal material. For example, Patent Literature 1 discloses a method of selectively forming a nitride film on a laser-irradiated portion of the surface of a titanium material by irradiating the titanium material with a laser while nitrogen gas is being sprayed thereon.

特開平6-212395号公報JP-A-6-212395

特許文献1の方法では、窒化皮膜の形成時に窒素ガスを吹き付けるため、ガス吹き付け設備や大量の窒素ガスを事前に用意する必要があり、窒化皮膜が形成された金属部品の量産には不向きである。このことから、窒素ガスを吹き付けずとも金属表面に選択的に窒化皮膜を形成できる手法が要望されている。このような問題は、チタン材料表面に窒化皮膜を形成する場合のみならず、他の金属材料表面に窒化皮膜を形成する場合にも存在している。 In the method of Patent Document 1, since nitrogen gas is sprayed during the formation of the nitride film, it is necessary to prepare gas spraying equipment and a large amount of nitrogen gas in advance, and it is not suitable for mass production of metal parts on which the nitride film is formed. . For this reason, there is a demand for a method capable of selectively forming a nitride film on a metal surface without blowing nitrogen gas. Such problems exist not only when forming a nitride film on the surface of a titanium material, but also when forming a nitride film on the surface of other metal materials.

本発明は、このような背景に基づいてなされたものであり、簡便な手法で金属表面に選択的に窒化皮膜を形成可能な窒化皮膜形成装置及び窒化皮膜形成方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a nitride film forming apparatus and a nitride film forming method capable of selectively forming a nitride film on a metal surface by a simple technique. .

上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係る窒化皮膜形成装置は、
金属材料表面に窒化皮膜を形成する窒化皮膜形成装置であって、
前記金属材料表面に照射されたパルスレーザ光が前記金属材料表面周辺の大気中にプラズマを生成することにより前記金属材料表面を局所的に溶融させると共に大気中に活性化した窒素を発生させるように1パルスあたりのエネルギー密度が設定されているパルスレーザ光を繰り返し出射するパルスレーザ光源を備える。
In order to achieve the above object, the nitride film forming apparatus according to the first aspect of the present invention includes:
A nitride film forming apparatus for forming a nitride film on the surface of a metal material,
The pulsed laser beam irradiated onto the surface of the metal material generates plasma in the atmosphere around the surface of the metal material, thereby locally melting the surface of the metal material and generating activated nitrogen in the atmosphere. A pulsed laser light source that repeatedly emits pulsed laser light with a set energy density per pulse is provided.

前記窒化皮膜形成装置は、前記パルスレーザ光源の出射側に設けられ、前記パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光を前記金属材料表面に集光することにより、前記金属材料表面周辺の大気中にプラズマを生成させる集束光学系をさらに備えてもよい。 The nitride film forming apparatus is provided on the emission side of the pulse laser light source, and converges the pulse laser light emitted from the pulse laser light source on the surface of the metal material to form a Focusing optics may also be provided to generate the plasma.

前記窒化皮膜形成装置は、前記集束光学系の出射側に設けられ、前記集束光学系で集束されたレーザ光の焦点位置に前記金属材料表面が配置されるように前記金属材料を保持する保持手段をさらに備えてもよい。 The nitride film forming device is provided on the output side of the focusing optical system and holds the metal material so that the surface of the metal material is positioned at the focal position of the laser beam focused by the focusing optical system. may be further provided.

前記保持手段は、前記集束光学系に対して前記金属材料を移動させる移動ステージであり、
前記窒化皮膜形成装置は、前記金属材料表面に照射されるパルスレーザ光が所定の軌跡を描くように前記移動ステージの動作を制御する制御手段をさらに備えてもよい。
the holding means is a moving stage that moves the metal material with respect to the focusing optical system;
The nitride film forming apparatus may further include control means for controlling the operation of the moving stage so that the pulsed laser beam irradiated onto the surface of the metal material traces a predetermined trajectory.

前記窒化皮膜形成装置は、
前記パルスレーザ光源及び前記集束光学系を移動可能に支持するロボットアームと、
前記金属材料表面に照射されるパルスレーザ光が所定の軌跡を描くように前記ロボットアームの動作を制御する制御手段と、をさらに備えてもよい。
The nitride film forming device is
a robot arm that movably supports the pulsed laser light source and the focusing optical system;
The apparatus may further include control means for controlling the operation of the robot arm so that the pulsed laser beam irradiated onto the surface of the metal material traces a predetermined trajectory.

前記金属材料表面に照射されるパルスレーザ光の1パルスあたりのエネルギー密度は、1000J/mm~6000J/mmの範囲内であってもよい。 The energy density per pulse of the pulsed laser light with which the metal material surface is irradiated may be within the range of 1000 J/mm 2 to 6000 J/mm 2 .

前記窒化皮膜形成装置は、
前記パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光の照射経路を挟むように配置された一対の電極と、
前記一対の電極にそれぞれ接続され、前記パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光が前記金属材料表面に照射されることにより発生したプラズマの輝度を増大させる電界を前記一対の電極の間に生じさせる電圧源と、をさらに備えてもよい。
The nitride film forming device is
a pair of electrodes arranged to sandwich an irradiation path of the pulsed laser light emitted from the pulsed laser light source;
An electric field is generated between the pair of electrodes, which is connected to the pair of electrodes, respectively, and increases the luminance of plasma generated by irradiating the surface of the metal material with the pulsed laser light emitted from the pulsed laser light source. and a voltage source.

前記金属材料は、チタン材料、鉄鋼材料、アルミニウム材料、ニオブ材料及びジルコニウム材料のいずれか1つであってもよい。 The metal material may be any one of titanium material, steel material, aluminum material, niobium material and zirconium material.

上記目的を達成するために、本発明の第2の観点に係る窒化皮膜形成方法は、
金属材料表面に窒化皮膜を形成する窒化皮膜形成方法であって、
前記金属材料表面に照射されたパルスレーザ光が前記金属材料表面周辺の大気中にプラズマを生成することにより前記金属材料表面を局所的に溶融させると共に大気中に活性化した窒素を発生させるように1パルスあたりのエネルギー密度が設定されているパルスレーザ光を繰り返し出射する工程を含む。
In order to achieve the above object, a method for forming a nitride film according to a second aspect of the present invention comprises:
A nitride film forming method for forming a nitride film on the surface of a metal material,
The pulsed laser beam irradiated onto the surface of the metal material generates plasma in the atmosphere around the surface of the metal material, thereby locally melting the surface of the metal material and generating activated nitrogen in the atmosphere. A step of repeatedly emitting pulsed laser light having a set energy density per pulse is included.

本発明によれば、大気中であってもパルスレーザ光を照射するだけで金属材料表面に窒化皮膜を形成できる。このため、簡便な手法で金属表面に選択的に窒化皮膜を形成可能な窒化皮膜形成装置及び窒化皮膜形成方法を提供できる。 According to the present invention, a nitride film can be formed on the surface of a metal material simply by irradiating a pulsed laser beam even in the atmosphere. Therefore, it is possible to provide a nitride film forming apparatus and a nitride film forming method capable of selectively forming a nitride film on a metal surface by a simple technique.

本発明の実施の形態に係る窒化皮膜形成装置の構成を示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the structure of the nitride film formation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る大気中におけるチタン材料の窒化処理のメカニズムを説明する模式図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram explaining the mechanism of the nitriding process of the titanium material in the air|atmosphere based on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るパルスレーザ光の軌跡の一例を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing an example of the trajectory of pulsed laser light according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態に係るパルスレーザ光の軌跡の他の一例を示す平面図である。FIG. 5 is a plan view showing another example of the trajectory of pulsed laser light according to the embodiment of the present invention; 本発明の第1の変形例に係る窒化皮膜形成装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the nitride film formation apparatus based on the 1st modification of this invention. 本発明の第2の変形例に係る窒化皮膜形成装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the nitride film formation apparatus based on the 2nd modification of this invention. 本発明の第3の変形例に係る窒化皮膜形成装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the nitride film formation apparatus based on the 3rd modification of this invention. 実施例1における1パルスあたりのエネルギー密度が300J/mmのパルスレーザ光が照射されたチタン材料のX線回折パターンを示すグラフである。2 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a titanium material irradiated with pulsed laser light having an energy density per pulse of 300 J/mm 2 in Example 1. FIG. 実施例1における1パルスあたりのエネルギー密度が5000J/mmのパルスレーザ光が照射されたチタン材料のX線回折パターンを示すグラフである。2 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a titanium material irradiated with pulsed laser light having an energy density per pulse of 5000 J/mm 2 in Example 1. FIG. 実施例2におけるパルスレーザ光の照射回数が20回であるチタン材料のX線回折パターンを示すグラフである。4 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a titanium material irradiated with pulsed laser light 20 times in Example 2. FIG. 実施例3におけるパルスレーザ光の集光の有無によるチタン材料のX線回折パターンの違いを示すグラフである。10 is a graph showing the difference in X-ray diffraction pattern of titanium material depending on whether or not the pulsed laser beam is condensed in Example 3. FIG. 実施例3におけるチタン材料を撮影した走査電子顕微鏡画像を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a scanning electron microscope image of the titanium material in Example 3; (a)、(b)は、いずれも実施例4におけるチタン材料を撮影した走査電子顕微鏡画像を示す図である。(a) and (b) are both scanning electron microscope images of the titanium material in Example 4. FIG. (a)、(b)は、いずれも実施例4におけるチタン材料を撮影したレーザ顕微鏡画像を示す図である。(a) and (b) are both laser microscope images of the titanium material in Example 4. FIG.

以下、本発明の実施の形態に係る金属材料の窒化皮膜形成装置及び窒化皮膜形成方法を、図面を参照しながら詳細に説明する。実施の形態では、金属材料として板状のチタン材料の表面に窒化皮膜を形成する場合を例に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An apparatus for forming a nitride film on a metal material and a method for forming a nitride film on a metal material according to embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the embodiments, an example will be described in which a nitride film is formed on the surface of a plate-like titanium material as the metal material.

図1は、実施の形態に係る窒化皮膜形成装置の構成を示す図である。窒化皮膜形成装置1は、チタン材料表面に窒化皮膜を形成する装置である。窒化皮膜は、一つの成分として窒素を含有する表面層ではなく、少なくとも窒化物化合物を主成分とする表面層である。以下、図1の左右方向をX軸方向、図1に垂直な方向をY軸方向とし、X軸方向及びY軸方向のいずれにも垂直な方向をZ軸方向(上下方向)とする直交座標系を用いる。以下、チタン材料の表面はXY平面上に配置されるものとする。 FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a nitride film forming apparatus according to an embodiment. A nitride film forming apparatus 1 is an apparatus for forming a nitride film on the surface of a titanium material. A nitride film is not a surface layer containing nitrogen as one component, but a surface layer containing at least a nitride compound as a main component. 1 is the X-axis direction, the direction perpendicular to FIG. 1 is the Y-axis direction, and the direction perpendicular to both the X-axis and Y-axis directions is the Z-axis direction (vertical direction). system. Hereinafter, it is assumed that the surface of the titanium material is arranged on the XY plane.

窒化皮膜形成装置1は、パルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源11と、パルスレーザ光源11からのレーザ光を集束させる集束光学系12と、集束光学系12で集束されたレーザ光が集光する位置(焦点位置)にチタン材料表面が配置されるようにチタン材料を保持した状態で、集束光学系12に対してチタン材料を移動させる移動ステージ13と、チタン材料表面で集束するレーザ光が所定の軌跡を描くように移動ステージ13の動作を制御する制御装置14と、を備える。移動ステージ13及び制御装置14は、有線又は無線の通信回路を介して互いに通信可能に接続されている。 The nitride film forming apparatus 1 includes a pulse laser light source 11 that emits pulse laser light, a focusing optical system 12 that focuses the laser light from the pulse laser light source 11, and the laser light focused by the focusing optical system 12. A moving stage 13 for moving the titanium material with respect to a focusing optical system 12 while holding the titanium material so that the surface of the titanium material is placed at a position (focus position), and a laser beam focused on the surface of the titanium material. and a control device 14 for controlling the operation of the moving stage 13 so as to draw a trajectory of . The moving stage 13 and the controller 14 are communicably connected to each other via a wired or wireless communication circuit.

パルスレーザ光源11は、一定の周波数及びパルス幅でパルス状のレーザ光(パルスレーザ光)を繰り返し発振するパルスレーザ光源である。パルスレーザ光源11は、例えばNd:YAG(Yttrium Aluminum Garnet)レーザを備える。また、パルスレーザ光源11の発振器内には、例えば、Qスイッチ(シャッター)が設けられている。 The pulsed laser light source 11 is a pulsed laser light source that repeatedly oscillates pulsed laser light (pulsed laser light) at a constant frequency and pulse width. The pulse laser light source 11 includes, for example, an Nd:YAG (Yttrium Aluminum Garnet) laser. A Q switch (shutter), for example, is provided in the oscillator of the pulse laser light source 11 .

パルスレーザ光源11には、パルスレーザ光源11を発振するための信号を発生する信号発生器11aが接続され、パルスレーザ光源11は、信号発生器11aからの電流のオンオフによりレーザ光をパルス状に出射する。信号発生器11aでは、ユーザからの指示に基づいて、パルスレーザ光源11から出射されるパルスレーザ光の各種パラメータが設定される。なお、パルスレーザ光源11からパルス波形を得るには、レーザ光源から連続発振されたレーザ光を変調器又はシャッターでオンオフするように構成してもよい。 A signal generator 11a for generating a signal for oscillating the pulse laser light source 11 is connected to the pulse laser light source 11, and the pulse laser light source 11 generates pulsed laser light by turning on and off the current from the signal generator 11a. emit. In the signal generator 11a, various parameters of the pulsed laser light emitted from the pulsed laser light source 11 are set based on instructions from the user. In order to obtain a pulse waveform from the pulse laser light source 11, the laser light continuously oscillated from the laser light source may be turned on and off by a modulator or a shutter.

集束光学系12は、パルスレーザ光源11から受け取ったパルスレーザ光をチタン材料の表面上に集束させる。集束光学系12は、例えば、一つ又は複数の集光レンズを備える。集光レンズは、例えば、凸レンズである。パルスレーザ光源11及び集束光学系12は、吊り下げ器具15に接続され、移動ステージ13の上方に配置されている。集束光学系12がパルスレーザ光を集光することで、パルスレーザ光の焦点位置における単位面積あたりのエネルギー(エネルギー密度)を増加させる。 The focusing optical system 12 focuses the pulsed laser light received from the pulsed laser light source 11 onto the surface of the titanium material. Focusing optics 12 comprises, for example, one or more focusing lenses. A condensing lens is a convex lens, for example. The pulsed laser light source 11 and the focusing optical system 12 are connected to a suspension fixture 15 and arranged above the moving stage 13 . The focusing optical system 12 concentrates the pulsed laser beam, thereby increasing the energy per unit area (energy density) at the focal position of the pulsed laser beam.

図2は、大気中におけるチタン材料の窒化処理のメカニズムを説明する模式図である。チタン材料は、酸素と優先的に結びつき易いため、大気中でチタン材料表面に向けて連続発振レーザを照射しても、化学的に安定な酸化皮膜が形成される。他方、パルス状に出射されたレーザ光を集束光学系12で集光してチタン材料表面に照射すると、チタン表面付近にある大気中の窒素分子がチタン材料内に取り込まれ、チタン原子と結びつき、チタン材料表面に窒化皮膜が形成される。 FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the mechanism of nitriding treatment of titanium material in the air. Titanium materials tend to preferentially bond with oxygen, so even if the titanium material surface is irradiated with a continuous wave laser in the atmosphere, a chemically stable oxide film is formed. On the other hand, when the pulsed laser beam is condensed by the focusing optical system 12 and irradiated onto the titanium material surface, nitrogen molecules in the atmosphere near the titanium surface are taken into the titanium material and combined with titanium atoms. A nitride film is formed on the surface of the titanium material.

詳細に説明すると、集光によりエネルギー密度が増加したパルスレーザ光がチタン材料表面に照射され、レーザエネルギーが時間的及び空間的に集中すると、照射領域周辺の空気中に窒素、酸素及び金属材料成分からなるプラズマが局所的に発生する。このプラズマからのエネルギー付与により、もともとあった酸化皮膜を含む金属材料表面が瞬間的に溶融し、溶融チタンの対流が発生する。この対流によって空気中の活性化した窒素成分が溶融チタンに優先的に取り込まれるため、金属材料表面に窒化皮膜が形成される。なお、他の金属材料においても、同様のメカニズムにより窒化皮膜の形成を実現できる。 More specifically, when a titanium material surface is irradiated with a pulsed laser beam whose energy density has been increased by focusing, and the laser energy is temporally and spatially concentrated, nitrogen, oxygen, and metal material components are released into the air around the irradiated area. A plasma consisting of is generated locally. The application of energy from this plasma instantaneously melts the surface of the metal material, including the original oxide film, and generates convection of the molten titanium. Due to this convection, the activated nitrogen component in the air is preferentially taken into the molten titanium, so that a nitride film is formed on the surface of the metal material. It should be noted that formation of a nitride film can also be realized by a similar mechanism with other metal materials.

大気中のプラズマによりチタン材料表面を溶融させるには、パルスレーザ光の周波数は、例えば、10Hz以下であることが好適であり、パルス幅は、数ナノ秒程度、例えば、1ナノ秒~5ナノ秒の範囲内であることが好適である。また、パルス幅を数ナノ秒程度とした場合、パルスレーザ光の1パルスあたりのエネルギーであるパルスエネルギー密度は、チタン材料表面に照射されたパルスレーザ光がチタン材料表面周辺の大気中でプラズマを生成することによりチタン材料表面を局所的に溶融させると共に大気中に活性化した窒素を発生させる程度に設定すればよい。 In order to melt the titanium material surface by plasma in the atmosphere, the frequency of the pulsed laser light is preferably, for example, 10 Hz or less, and the pulse width is about several nanoseconds, for example, 1 to 5 nanoseconds. Preferably in the range of seconds. In addition, when the pulse width is about several nanoseconds, the pulse energy density, which is the energy per pulse of the pulsed laser light, is as follows: It may be set to such an extent that the generation locally melts the surface of the titanium material and generates activated nitrogen in the air.

パルスエネルギー密度は、少なくとも1000J/mmであることが好ましく、例えば、1000J/mm~6000J/mmの範囲内であることがより好ましく、1000J/mm~5000J/mmの範囲内であることがより一層好ましい。パルスレーザ光のパルスエネルギー密度は、チタン材料の窒化皮膜の膜厚を考慮して最適な数値を予め実験で求めておけばよい。また、パルスレーザ光の周波数及びパルス幅は、パルスレーザ光のパルスエネルギー密度、ビーム断面積及び移動ステージの移動速度に基づいて設定すればよい。 The pulse energy density is preferably at least 1000 J/mm 2 , more preferably in the range of 1000 J/mm 2 to 6000 J/mm 2 , such as in the range of 1000 J/mm 2 to 5000 J/mm 2 . It is even more preferable to have As for the pulse energy density of the pulsed laser light, an optimum value may be determined in advance by experiment, taking into account the film thickness of the nitride film of the titanium material. Also, the frequency and pulse width of the pulsed laser light may be set based on the pulse energy density of the pulsed laser light, the beam cross-sectional area, and the moving speed of the moving stage.

図1に戻り、移動ステージ13は、集束光学系12によりパルスレーザ光が集束された位置にチタン材料表面が配置されるようにチタン材料を保持する保持手段の一例である。移動ステージ13は、加工対象のチタン材料を保持した状態で、集束光学系12からのパルスレーザ光がチタン材料表面上で設定された軌跡を描くようにチタン材料をX軸方向及びY軸方向に移動させる。 Returning to FIG. 1, the moving stage 13 is an example of holding means for holding the titanium material so that the surface of the titanium material is arranged at the position where the pulsed laser beam is focused by the focusing optical system 12 . The moving stage 13 holds the titanium material to be processed, and moves the titanium material in the X-axis and Y-axis directions so that the pulsed laser beam from the focusing optical system 12 draws a set trajectory on the surface of the titanium material. move.

移動ステージ13は、基台と、基台に対してX軸方向に移動する第1の移動部材と、基体に対して第1の移動部材を移動させる第1のモータと、第1の移動部材に対してY軸方向に移動する第2の移動部材と、第1の移動部材に対して第2の移動部材を移動させる第2のモータと、を備える。第1のモータ及び第2のモータは、いずれもモータドライバに接続され、モータドライバは制御装置14に接続されている。 The moving stage 13 includes a base, a first moving member that moves with respect to the base in the X-axis direction, a first motor that moves the first moving member with respect to the substrate, and a first moving member. and a second motor for moving the second moving member relative to the first moving member. Both the first motor and the second motor are connected to a motor driver, and the motor driver is connected to the controller 14 .

移動ステージ13の移動経路は、チタン材料表面において窒化皮膜を形成する加工領域の形状及びサイズ、並びに集束したパルスレーザ光の断面形状及びサイズを考慮して設定される。移動ステージ13の移動経路は、例えば、チタン材料に照射されるパルスレーザ光がチタン材料表面における窒化皮膜を形成する加工領域をもれなく塗りつぶすように設定される。以下、パルスレーザ光のビーム断面形状を円形とし、パルスレーザ光の軌跡の具体例を説明する。 The moving path of the moving stage 13 is set in consideration of the shape and size of the processing area for forming the nitride film on the surface of the titanium material and the cross-sectional shape and size of the focused pulsed laser beam. The moving path of the moving stage 13 is set, for example, so that the pulsed laser beam irradiated to the titanium material completely fills the processing area for forming the nitride film on the surface of the titanium material. A specific example of the trajectory of the pulsed laser light will be described below, where the cross-sectional shape of the pulsed laser light is circular.

図3は、実施の形態に係るパルスレーザ光の軌跡の一例を示す平面図である。図3のパルスレーザ光の軌跡では、窒化皮膜を形成する矩形状の加工領域の一端から他端に向けてパルスレーザ光の焦点を+X方向に移動させる。次に、パルスレーザ光の直径に相当する距離だけ-Y方向に移動させる。次に、他端から一端に向けて-X方向に移動させる。次に、パルスレーザ光の直径に相当する距離だけ再び-Y方向に移動させる。上記の工程を軌跡が加工領域を満たすまで繰り返す。パルスレーザ光の軌跡をY方向に移動させる場合は、Y方向の移動が終了するまでパルスレーザ光の照射を停止させることが好ましい。 FIG. 3 is a plan view showing an example of the trajectory of pulsed laser light according to the embodiment. In the trajectory of the pulsed laser beam in FIG. 3, the focal point of the pulsed laser beam is moved in the +X direction from one end to the other end of the rectangular processing area for forming the nitride film. Next, it is moved in the -Y direction by a distance corresponding to the diameter of the pulsed laser beam. Next, it is moved in the -X direction from the other end to the one end. Next, it is moved again in the -Y direction by a distance corresponding to the diameter of the pulsed laser beam. The above steps are repeated until the trajectory fills the machining area. When moving the trajectory of the pulsed laser light in the Y direction, it is preferable to stop the irradiation of the pulsed laser light until the movement in the Y direction is completed.

図4は、実施の形態に係るパルスレーザ光の軌跡の他の一例を示す平面図である。図4のパルスレーザ光の軌跡は、円形状の加工領域において中心点が同一で径が異なる複数の円を順次描くような軌跡である。パルスレーザ光を径方向に移動させる場合は、径方向の移動が完了するまでパルスレーザ光の照射を停止させることが好ましい。なお、円形状の加工領域においては、パルスレーザ光が螺旋状の軌跡を描くように設定してもよい。 FIG. 4 is a plan view showing another example of the trajectory of pulsed laser light according to the embodiment. The trajectory of the pulsed laser beam in FIG. 4 is a trajectory that sequentially draws a plurality of circles having the same center point and different diameters in a circular processing area. When moving the pulsed laser light in the radial direction, it is preferable to stop the irradiation of the pulsed laser light until the movement in the radial direction is completed. In addition, in the circular processing area, the pulsed laser beam may be set so as to draw a spiral trajectory.

移動ステージ13の移動速度は、パルスエネルギー密度、周波数及びパルス幅といったパルスレーザ光の各種特性を考慮して設定されるが、例えば、0.1mm/s~2mm/sの範囲内である。なお、移動ステージ13の移動は、連続的に走査してもよく、断続的に移動・停止を繰り返してもよい。例えば、加工領域に互いに隣接する複数のスポットを設定し、移動ステージ13を停止させた状態で1つのスポットにパルスレーザ光を照射し、その後、隣接するスポットにパルスレーザ光を照射できるように移動ステージ13を移動させてもよい。また、周波数が比較的大きい場合であれば、パルスレーザ光の照射の時間間隔が長くなるため、移動ステージ13を連続的に走査したとしても、次の照射タイミングまでに移動ステージ13の移動を完了させることができる。 The moving speed of the moving stage 13 is set in consideration of various characteristics of the pulsed laser light such as pulse energy density, frequency and pulse width, and is, for example, within the range of 0.1 mm/s to 2 mm/s. In addition, the movement of the moving stage 13 may be performed by scanning continuously, or by intermittently repeating moving and stopping. For example, a plurality of spots that are adjacent to each other are set in the processing area, one spot is irradiated with the pulsed laser beam while the moving stage 13 is stopped, and then the adjacent spots are moved so that the pulsed laser beam can be irradiated. The stage 13 may be moved. Also, if the frequency is relatively high, the time interval between irradiations of the pulsed laser light becomes long. Therefore, even if the moving stage 13 is continuously scanned, the movement of the moving stage 13 is completed before the next irradiation timing. can be made

照射回数は、チタン材料表面の同一箇所をパルスレーザ光で照射する回数であり、チタン材料表面上に例えば図3又は図4のような軌跡を描く回数でもある。照射回数は、パルスレーザ光のパルスエネルギー密度に応じて任意に設定されるが、例えば、1回~20回の範囲内であることが好ましい。パルスエネルギー密度が比較的大きい場合には1回の照射が好ましく、パルスエネルギー密度が比較的小さい場合には、複数回の照射、例えば5回~10回程度の照射が好ましい。 The number of times of irradiation is the number of times that the same portion of the titanium material surface is irradiated with the pulsed laser light, and also the number of times that a trajectory such as that shown in FIG. 3 or 4 is drawn on the titanium material surface. The number of times of irradiation is arbitrarily set according to the pulse energy density of the pulsed laser beam, but is preferably within the range of 1 to 20 times, for example. When the pulse energy density is relatively high, one irradiation is preferable, and when the pulse energy density is relatively low, multiple irradiations, for example, about 5 to 10 times, are preferable.

図1に戻り、制御装置14は、例えば、メモリ及びプロセッサを備える汎用コンピュータである。制御装置14は、メモリに記憶されたプログラムをプロセッサで実行することで、パルスレーザ光源11及び移動ステージ13の動作を制御する制御手段の一例である。 Returning to FIG. 1, controller 14 is, for example, a general purpose computer with memory and processor. The control device 14 is an example of control means for controlling the operations of the pulse laser light source 11 and the moving stage 13 by executing a program stored in a memory with a processor.

制御装置14は、パルスレーザ光のパルスエネルギー密度、周波数、パルス幅及び照射回数、並びに移動ステージ13の移動経路及び移動速度に関するユーザの指示を受け付ける。ユーザの指示を受け付けると、制御装置14は、設定されたパルスレーザ光のパルスエネルギー密度、周波数及びパルス幅でパルスレーザ光源11が発振するようにパルスレーザ光源11の動作を制御する。また、制御装置14は、設定されたパルスレーザ光の照射回数、並びに移動ステージ13の移動経路及び移動速度に従って移動ステージ13が移動するように移動ステージ13の第1のモータ及び第2のモータの動作を制御する。
以上が、窒化皮膜形成装置1の構成である。
The control device 14 receives user instructions regarding the pulse energy density, frequency, pulse width and number of times of irradiation of the pulsed laser light, and the moving path and moving speed of the moving stage 13 . Upon receiving the user's instruction, the control device 14 controls the operation of the pulse laser light source 11 so that the pulse laser light source 11 oscillates at the set pulse energy density, frequency and pulse width of the pulse laser light. In addition, the control device 14 controls the first motor and the second motor of the moving stage 13 so that the moving stage 13 moves according to the set number of irradiation times of the pulsed laser light, and the moving path and moving speed of the moving stage 13 . control behavior.
The above is the configuration of the nitride film forming apparatus 1 .

次に、実施の形態に係る窒化皮膜形成装置1を用いて実行されるチタン材料の窒化皮膜形成方法の流れを説明する。 Next, the flow of the method for forming a nitride film on a titanium material, which is performed using the nitride film forming apparatus 1 according to the embodiment, will be described.

まず、窒化皮膜の形成対象であるチタン材料を移動ステージ13に保持させる。 First, the moving stage 13 is caused to hold a titanium material on which a nitride film is to be formed.

次に、ユーザが制御装置14の操作部を操作し、パルスレーザ光のパルスエネルギー密度、周波数、パルス幅及びパルスレーザ光の照射回数、並びに移動ステージ13の移動経路及び移動速度(以下、これらをまとめて「加工条件」と言う。)を指示する。制御装置14は、加工条件に関するユーザの指示を受け付けると、加工条件に関する情報をメモリに記憶させる。 Next, the user operates the operation unit of the control device 14 to control the pulse energy density, frequency, pulse width, number of times of irradiation of the pulsed laser beam, and the moving path and moving speed of the moving stage 13 (hereinafter referred to as collectively referred to as “processing conditions”). When the control device 14 receives a user's instruction regarding the processing conditions, the control device 14 stores information regarding the processing conditions in the memory.

次に、ユーザが制御装置14の操作部を操作してレーザ照射の開始を指示すると、制御装置14は、メモリに記憶された加工条件に基づいて、パルスレーザ光源11からパルスレーザ光を照射させると共に、移動経路の始点から移動ステージ13を移動させる。このとき、窒化皮膜形成装置1が移動経路上の各スポットでパルスレーザ光源11からパルスレーザ光が出射される工程(出射工程)と、出射工程で出射されたパルスレーザ光をチタン材料表面の1つのスポットに集光させる工程(集光工程)とを繰り返すことで、チタン材料表面の経路上に順次窒化皮膜が形成される。 Next, when the user operates the operation unit of the control device 14 to instruct the start of laser irradiation, the control device 14 causes the pulse laser light source 11 to emit pulse laser light based on the processing conditions stored in the memory. At the same time, the moving stage 13 is moved from the starting point of the moving path. At this time, the nitride film forming apparatus 1 emits a pulsed laser beam from the pulsed laser light source 11 at each spot on the movement path (an emission step), and the pulsed laser beam emitted in the emission step is applied to the surface of the titanium material. By repeating the step of condensing light onto one spot (condensing step), a nitride film is sequentially formed on the path of the surface of the titanium material.

次に、制御装置14は、メモリに記憶された移動経路の終点に到着すると、パルスレーザ光源11からのパルスレーザ光の照射を終了させる。
以上が、チタン材料の窒化皮膜形成方法の流れである。
Next, when the control device 14 reaches the end point of the movement path stored in the memory, the pulse laser light source 11 terminates irradiation of the pulse laser light.
The above is the flow of the method for forming a nitride film on a titanium material.

以上説明したように、実施の形態に係る窒化皮膜形成装置1は、パルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源11と、パルスレーザ光源11の出射側に設けられ、パルスレーザ光源11から出射されたパルスレーザ光をチタン材料表面に集束させる集束光学系12と、を備える。また、パルスレーザ光源11では、パルスレーザ光が大気中で窒素プラズマを生成することでチタン材料表面を局所的に溶融させると共に大気中に活性化窒素を発生させるように1パルスあたりのエネルギー密度が設定されている。したがって、大気中であってもレーザエネルギーを時間的及び空間的に集中させることでチタン材料表面に窒化皮膜を形成できる。また、大気中で窒化皮膜を形成できるため、窒化皮膜の形成対象の大きさを制限する必要もない。さらに、パルスレーザ光が照射された領域にのみ窒化皮膜が形成されるため、チタン材料表面の一部に選択的に窒化皮膜を形成できる。 As described above, the nitride film forming apparatus 1 according to the embodiment includes the pulse laser light source 11 that emits the pulse laser light, and the pulse laser light source 11 that is provided on the emission side of the pulse laser light source 11 and emits a pulse emitted from the pulse laser light source 11. focusing optics 12 for focusing the laser light onto the titanium material surface. Further, in the pulsed laser light source 11, the energy density per pulse is such that the pulsed laser light generates nitrogen plasma in the air, thereby locally melting the surface of the titanium material and generating activated nitrogen in the air. is set. Therefore, even in the atmosphere, a nitride film can be formed on the titanium material surface by concentrating the laser energy temporally and spatially. Moreover, since the nitride film can be formed in the atmosphere, there is no need to limit the size of the object on which the nitride film is formed. Furthermore, since the nitride film is formed only on the region irradiated with the pulsed laser beam, the nitride film can be selectively formed on a part of the surface of the titanium material.

また、実施の形態に係る窒化皮膜形成装置1は、パルスレーザ光源11から出射される1パルスあたりのエネルギー密度が好ましくは1000J/mm~6000J/mmの範囲内である。このため、チタン材料表面の大きな変形や機械的強度の低下を抑制できる。また、集束光学系12でパルスレーザ光を集束すると、上記のエネルギー密度は1パルスあたりのエネルギーが100mJ~500mJ程度のパルスレーザ光源11で実現でき、このようなパルスレーザ光源11は安価に入手できるため、窒化皮膜形成装置1の製造コストを抑制できる。 Further, in the nitride film forming apparatus 1 according to the embodiment, the energy density per pulse emitted from the pulse laser light source 11 is preferably within the range of 1000 J/mm 2 to 6000 J/mm 2 . Therefore, it is possible to suppress large deformation of the surface of the titanium material and decrease in mechanical strength. Further, when the pulsed laser light is focused by the focusing optical system 12, the above energy density can be realized by the pulsed laser light source 11 whose energy per pulse is about 100 mJ to 500 mJ, and such a pulsed laser light source 11 is available at low cost. Therefore, the manufacturing cost of the nitride film forming apparatus 1 can be suppressed.

本発明は上記実施の形態に限られず、以下に述べる変形も可能である。 The present invention is not limited to the above embodiments, and modifications described below are possible.

(変形例)
上記実施の形態では、窒化皮膜形成装置1にパルスレーザ光源11及び集束光学系12が1つずつ設けられていたが、本発明はこれに限られない。例えば、パルスレーザ光源11及び集束光学系12からなる組を複数設けることで、チタン材料表面に対して迅速に窒化皮膜を形成してもよい。
(Modification)
Although one pulse laser light source 11 and one focusing optical system 12 are provided in the nitride film forming apparatus 1 in the above embodiment, the present invention is not limited to this. For example, by providing a plurality of sets of the pulse laser light source 11 and the focusing optical system 12, a nitride film may be quickly formed on the surface of the titanium material.

上記実施の形態では、集束光学系12に対して移動ステージ13を移動させることで、集光されたパルスレーザ光に対してチタン材料表面を相対的に移動していたが、本発明はこれに限られない。例えば、図5に示すように、パルスレーザ光源11及び集束光学系12をロボットアーム16の先端部に支持させ、ロボットアーム16の先端部をX軸方向及びY軸方向に移動させるように構成してもよい。この場合、移動機構を有しない保持具17でチタン材料を保持してもよい。 In the above embodiment, the moving stage 13 is moved with respect to the focusing optical system 12 to move the surface of the titanium material relative to the focused pulsed laser beam. Not limited. For example, as shown in FIG. 5, the pulse laser light source 11 and the focusing optical system 12 are supported by the tip of the robot arm 16, and the tip of the robot arm 16 is moved in the X-axis direction and the Y-axis direction. may In this case, the titanium material may be held by a holder 17 that does not have a moving mechanism.

上記変形例によれば、窒化皮膜形成装置1を製造ラインの任意の位置に配置でき、製造ラインの途中で部品や製品への窒化皮膜の形成を実現できる。なお、窒化皮膜形成装置1を用いて後付けで部品又は製品に窒化皮膜を形成したり、部品又は製品の補修や補強のために窒化皮膜を形成したりしてもよい。 According to the above modification, the nitride film forming apparatus 1 can be arranged at any position on the production line, and the formation of the nitride film on the parts and products can be realized in the middle of the production line. Incidentally, the nitride film forming apparatus 1 may be used to form a nitride film on a component or product as a post-installation, or to form a nitride film for repairing or reinforcing a component or product.

上記実施の形態では、加工対象のチタン材料が板状部材であり、集束光学系12と移動ステージ13とのZ軸方向の距離は一定であったが、本発明はこれに限られない。例えば、チタン材料表面に凹凸が存在する場合であれば、チタン材料表面と集束光学系12との間のZ軸方向の距離を一定に保持するように、集束光学系12又は移動ステージ13の動作を制御してもよい。 In the above embodiment, the titanium material to be processed is a plate member, and the distance in the Z-axis direction between the focusing optical system 12 and the moving stage 13 is constant, but the present invention is not limited to this. For example, if there is unevenness on the surface of the titanium material, the movement of the focusing optical system 12 or the moving stage 13 is performed so as to keep the distance in the Z-axis direction between the titanium material surface and the focusing optical system 12 constant. may be controlled.

具体的には、図6に示すように、集束光学系12とチタン材料との距離を測定する距離センサ18をさらに設け、距離センサ18からの信号に基づいて保持具17に保持されたチタン材料表面と集束光学系12との間の距離を一定に保持するように、ロボットアーム16の動作を制御してもよい。上記の具体的な処理としてはPID(Proportional-Integral-Differential)制御を実行すればよい。 Specifically, as shown in FIG. 6, a distance sensor 18 for measuring the distance between the focusing optical system 12 and the titanium material is further provided, and based on the signal from the distance sensor 18, the titanium material held by the holder 17 is detected. The movement of the robot arm 16 may be controlled to keep the distance between the surface and the focusing optics 12 constant. PID (Proportional-Integral-Differential) control may be executed as the specific processing described above.

また、移動ステージ13をZ軸方向にも移動可能に構成し、距離センサ18からの信号に基づいて移動ステージ13に保持されたチタン材料表面と集束光学系12との間の距離を一定に保持するように、移動ステージ13のZ軸方向の動きを制御してもよい。 In addition, the moving stage 13 is also configured to be movable in the Z-axis direction, and the distance between the titanium material surface held by the moving stage 13 and the focusing optical system 12 is kept constant based on the signal from the distance sensor 18. The motion of the moving stage 13 in the Z-axis direction may be controlled so that

上記実施の形態では、パルスレーザ光源11の信号発生器11aに制御装置14が接続され、信号発生器11aは、制御装置14からの信号に基づいて電流をオンオフしていたが、本発明はこれに限られない。例えば、ユーザが信号発生器11aを直接操作して、パルスレーザ光のパルスエネルギー密度、周波数、パルス幅といったパラメータを設定するように構成してもよい。 In the above embodiment, the control device 14 is connected to the signal generator 11a of the pulse laser light source 11, and the signal generator 11a turns on and off the current based on the signal from the control device 14. is not limited to For example, the user may directly operate the signal generator 11a to set parameters such as the pulse energy density, frequency, and pulse width of the pulsed laser beam.

上記実施の形態では、板状のチタン材料表面に窒化皮膜を形成していたが、本発明はこれに限られない。チタン材料の形状は任意であり、例えば、箱状、球状、凹状であってもよい。 Although the nitride film is formed on the surface of the plate-like titanium material in the above embodiment, the present invention is not limited to this. The shape of the titanium material is arbitrary, and may be, for example, box-like, spherical, or concave.

上記実施の形態では、大気中においてチタン材料に窒化皮膜を形成していたが、本発明はこれに限られない。例えば、同一又は同等の手法で鉄鋼材料、アルミニウム材料、ニオブ材料、ジルコニウム材料のような他の金属材料に窒化皮膜を形成してもよい。 In the above embodiment, the nitride film is formed on the titanium material in the air, but the present invention is not limited to this. For example, a nitride film may be formed on other metal materials such as steel materials, aluminum materials, niobium materials, and zirconium materials by the same or equivalent method.

上記実施の形態では、金属材料表面にパルスレーザ光を照射するだけで大気中にプラズマを生成していたが、本発明はこれに限られない。例えば、パルスレーザ光により発生したプラズマの輝度を増強するためにプラズマに電界を印加してもよい。大気中に生成されるプラズマの輝度を増強すると、瞬間的な溶融範囲がより深部へ到達するため、窒化皮膜の膜厚を増大させることができる。プラズマに電界を印加するため、窒化皮膜形成装置1は以下のように構成されてもよい。 In the above embodiments, plasma is generated in the atmosphere only by irradiating the surface of the metal material with the pulsed laser beam, but the present invention is not limited to this. For example, an electric field may be applied to plasma to enhance the brightness of plasma generated by pulsed laser light. By increasing the brightness of the plasma generated in the atmosphere, the thickness of the nitride film can be increased because the instantaneous melting range reaches a deeper portion. In order to apply an electric field to the plasma, the nitride film forming apparatus 1 may be configured as follows.

図7に示すように、窒化皮膜形成装置1は、集束光学系12により集光されるレーザ光の照射経路を挟むように配置された一対の電極19aと、一対の電極19aにそれぞれ接続され、一対の電極19aの間に発生したプラズマを増大させる電界を生じさせる電圧源19bと、をさらに備える。各電極19aは、任意の形状及び材料のものを用いることができるが、例えば、ロッド状の電極であり、タングステンで形成されている。各電極19aの間隔は、例えば、0.5cm~2cmの範囲内であり、好ましくは1cm程度である。電圧源19bは、直流電圧(例えば、数kV程度)を発生させる高圧電圧源である。電圧源19bが空間上に発生させる電界値は、例えば、500kV/m以上であることが好ましい。 As shown in FIG. 7, the nitride film forming apparatus 1 is connected to a pair of electrodes 19a arranged so as to sandwich the irradiation path of the laser beam condensed by the converging optical system 12, and the pair of electrodes 19a. and a voltage source 19b that produces an electric field that enhances the plasma generated between the pair of electrodes 19a. Although each electrode 19a can be of any shape and material, for example, it is a rod-shaped electrode made of tungsten. The distance between the electrodes 19a is, for example, within the range of 0.5 cm to 2 cm, preferably about 1 cm. The voltage source 19b is a high voltage source that generates a DC voltage (for example, several kV). It is preferable that the electric field value generated in space by the voltage source 19b is, for example, 500 kV/m or more.

一対の電極19aの間に発生させる電界は、少なくともレーザ照射に伴うプラズマ発生時に印加する必要があり、この条件を満たすことができれば連続電界であってもよくパルス電界であってもよい。パルス電界を印加する場合には、パルス電界のパルス幅は、プラズマの持続時間を考慮すると、例えば、1msec~100msecの範囲内であることが好ましい。また、電圧源19bを制御装置14に接続し、制御装置14にパルス電界を発生させるタイミングを制御させることで、一対の電極19aの間に発生させるパルス電界をパルスレーザ光源11からのパルスレーザ光の出射と同期させてもよい。具体的には、例えば、パルスレーザ光の周波数と同一の周波数で、かつパルスレーザ光の出射直前からパルスレーザ出射直後までの期間を含むパルス幅でパルス電界を印加すればよい。 The electric field generated between the pair of electrodes 19a must be applied at least when plasma is generated by laser irradiation. If this condition can be satisfied, a continuous electric field or a pulse electric field may be used. When a pulsed electric field is applied, the pulse width of the pulsed electric field is preferably in the range of 1 msec to 100 msec, for example, considering the duration of plasma. In addition, by connecting the voltage source 19b to the control device 14 and causing the control device 14 to control the timing of generating the pulse electric field, the pulse electric field generated between the pair of electrodes 19a is controlled by the pulse laser light from the pulse laser light source 11. may be synchronized with the emission of Specifically, for example, a pulse electric field may be applied at the same frequency as that of the pulsed laser light and with a pulse width that includes a period from immediately before the pulsed laser light is emitted to immediately after the pulsed laser light is emitted.

上記実施の形態では、パルスレーザ光源11と別体の集束光学系12がパルスレーザ光源11からのパルスレーザ光を集光していたが、本発明はこれに限られない。例えば、パルスレーザ光源11の内部に配置され、発振器の透過型ミラーから出射されたパルスレーザ光を集光する集束光学系(例えば、凸レンズ)を設けてもよい。また、パルスレーザ光源11の発振器の透過性ミラーから出射されたビームを取り出し窓で絞って取り出すことで、レーザエネルギーを空間的に高密度にしてもよい。 In the above embodiment, the focusing optical system 12 separate from the pulse laser light source 11 focuses the pulse laser light from the pulse laser light source 11, but the present invention is not limited to this. For example, a converging optical system (for example, a convex lens) may be arranged inside the pulsed laser light source 11 to converge the pulsed laser light emitted from the transmissive mirror of the oscillator. Further, the laser energy may be made spatially dense by extracting the beam emitted from the transparent mirror of the oscillator of the pulsed laser light source 11 by narrowing it with an extracting window.

上記実施の形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな実施の形態が可能である。実施の形態や変形例で記載した構成要素は自由に組み合わせることが可能である。また、特許請求の範囲に記載した発明と均等な発明も本発明に含まれる。 The above embodiments are examples, and the present invention is not limited to these, and various embodiments are possible without departing from the scope of the invention described in the claims. The components described in the embodiments and modified examples can be freely combined. In addition, inventions equivalent to the inventions described in the claims are also included in the present invention.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to Examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
実施例1では、チタン材料の各試料に対して集光したパルスレーザ光を繰り返し照射し、試料表面に形成された皮膜に対してX線回折分析(X-ray Diffraction:XRD)を実施した。XRDは、試料に照射したX線のうち試料表面で反射した反射X線を検出し、反射X線のうちどの角度に反射したものが強め合っているかを確認することで、試料の材料に含まれる化合物を同定する手法である。実施例1では、各試料に照射するパルスレーザ光の照射回数をそれぞれ変化させ、試料の同一箇所にパルスレーザ光を繰り返し照射することで、試料表面にどのような変化が生じるかを検証した。パルスレーザ光のパルスエネルギーは25mJとした。パルスエネルギー密度に換算すると300J/mmである。
(Example 1)
In Example 1, each sample of the titanium material was repeatedly irradiated with a focused pulsed laser beam, and X-ray diffraction (XRD) was performed on the film formed on the surface of the sample. XRD detects the reflected X-rays reflected by the surface of the sample among the X-rays irradiated to the sample, and confirms at what angle the reflected X-rays strengthen each other. It is a technique to identify compounds that are In Example 1, the number of irradiation times of the pulsed laser beam irradiated to each sample was changed, and by repeatedly irradiating the same portion of the sample with the pulsed laser beam, it was verified what kind of changes occurred on the surface of the sample. The pulse energy of the pulsed laser light was set to 25 mJ. Converted to pulse energy density, it is 300 J/mm 2 .

図8を参照して実験の結果を示す。図8の縦軸は反射X線の強度(カウント数)であり、横軸は角度2θである。図8に示すように、照射回数によらず、どの試料でもTiN及びTiNに対応する角度2θにおけるピークの存在を確認できた。また、照射回数が5回の場合にTiN及びTiN皮膜が最も厚くなり、それ以上照射回数を増やしてもTiN及びTiN皮膜は厚くならなかった。以上から、パルスエネルギー密度が比較的小さい場合には、ある程度の膜厚のTiN及びTiN皮膜を得るために、パルスレーザ光の照射を複数回繰り返すことが好ましいことが理解できる。 The results of the experiment are shown with reference to FIG. The vertical axis of FIG. 8 is the intensity (number of counts) of reflected X-rays, and the horizontal axis is the angle 2θ. As shown in FIG. 8, the presence of peaks at the angle 2θ corresponding to TiN and Ti 2 N could be confirmed in any sample, regardless of the number of times of irradiation. Also, the TiN and Ti 2 N films were the thickest when the number of times of irradiation was 5, and the TiN and Ti 2 N films did not become thicker even when the number of times of irradiation was increased. From the above, it can be understood that, when the pulse energy density is relatively small, it is preferable to repeat irradiation with pulsed laser light multiple times in order to obtain TiN and Ti 2 N films having a certain thickness.

次に、試料に照射するパルスレーザ光のパルスエネルギーを400mJ(パルスエネルギー密度に換算すると5000J/mm)とし、その他の条件を変更せずに試料にパルスレーザ光を照射した。その結果、図9に示すように、照射回数によらず、どの試料にもTiN及びTiN皮膜が形成されていることが確認できた。また、照射回数が1回である場合にTiN及びTiN皮膜が最も厚くなり、それ以上照射回数を増やしてもTiN及びTiN皮膜が厚くならないことが確認できた。これは、パルスエネルギー密度が5000J/mmの場合、1回の照射で形成された窒化皮膜の一部が2回目以降の照射で吹き飛ばされるためと考えられる。以上から、パルスエネルギー密度が比較的大きい場合には、1パルスのレーザ照射で最も厚いTiN及びTiN皮膜を形成でき、繰り返しのレーザ照射が不要であることが理解できる。 Next, the pulse energy of the pulsed laser beam irradiated to the sample was set to 400 mJ (5000 J/mm 2 in terms of pulse energy density), and the sample was irradiated with the pulsed laser beam without changing other conditions. As a result, as shown in FIG. 9, it was confirmed that TiN and Ti 2 N films were formed on all samples regardless of the number of times of irradiation. It was also confirmed that the TiN and Ti 2 N films were the thickest when the number of times of irradiation was 1, and the TiN and Ti 2 N films did not become thicker even when the number of times of irradiation was increased. This is probably because, when the pulse energy density is 5000 J/mm 2 , part of the nitride film formed by one irradiation is blown away by the second and subsequent irradiations. From the above, it can be understood that when the pulse energy density is relatively high, the thickest TiN and Ti 2 N films can be formed with one pulse of laser irradiation, and repeated laser irradiation is unnecessary.

(実施例2)
実施例2では、パルスレーザ光の照射回数を一定とし、パルスレーザ光のパルスエネルギー密度を変化させることで、試料の皮膜にどのような変化が生じるかを検証した。照射回数は20回とし、パルスエネルギーは25mJ、100mJ、200mJ、300mJ及び400mJの5パターンとした。パルスエネルギー密度に換算すると、それぞれ300J/mm、1250J/mm、2500J/mm、3750J/mm、5000J/mmである。その結果、図10に示すように、パルスエネルギー密度によらず、どの試料にもTiN及びTiN皮膜が形成されていることを確認できた。
(Example 2)
In Example 2, it was verified what kind of change would occur in the film of the sample by changing the pulse energy density of the pulse laser light while keeping the number of pulse laser light irradiations constant. The number of times of irradiation was set to 20 times, and the pulse energy was set to 5 patterns of 25 mJ, 100 mJ, 200 mJ, 300 mJ and 400 mJ. Converted to pulse energy densities, they are 300 J/mm 2 , 1250 J/mm 2 , 2500 J/mm 2 , 3750 J/mm 2 and 5000 J/mm 2 , respectively. As a result, as shown in FIG. 10, it was confirmed that TiN and Ti 2 N films were formed on all samples regardless of the pulse energy density.

(実施例3)
実施例3では、パルスレーザ光の集光の有無により、試料の皮膜にどのような違いが生じるかを検証した。パルスレーザ光のパルスエネルギーは400mJであり、集光した場合のパルスエネルギー密度は5000J/mm、集光しない場合のパルスエネルギー密度は0.005J/mmである。それぞれ照射回数は1回とした。その結果、図11に示すように、パルスレーザ光の集光ありの場合には、試料表面にTiN及びTiN皮膜が形成されたのに対し、パルスレーザ光の集光なしの場合には、試料表面にTiO皮膜が形成された。
(Example 3)
In Example 3, it was verified what kind of difference occurred in the film of the sample depending on whether or not the pulsed laser beam was condensed. The pulse energy of the pulsed laser light is 400 mJ, the pulse energy density is 5000 J/mm 2 when condensed, and the pulse energy density is 0.005 J/mm 2 when not condensed. The number of times of irradiation was 1 for each. As a result, as shown in FIG. 11, TiN and Ti 2 N films were formed on the sample surface when the pulsed laser beam was focused, whereas when the pulsed laser beam was not focused, TiN and Ti 2 N films were formed. , a TiO2 film was formed on the sample surface.

その後、各試料の断面を走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)で観察した。その結果、図12のSEM画像に示すように、パルスレーザ光の集光ありの場合には、膜厚が2.2μm、5.3μm、6.7μmのTiN及びTiN皮膜が形成されていた。他方、集光なしの場合には、膜厚が約0.51μm、0.59μmのTiO皮膜が形成されていた。以上から、パルスレーザ光を集光させた場合にのみ、大気中におけるTiN及びTiN皮膜の形成を実現できることが確認できた。 After that, the cross section of each sample was observed with a scanning electron microscope (SEM). As a result, as shown in the SEM image of FIG. 12, TiN and Ti 2 N films with film thicknesses of 2.2 μm, 5.3 μm, and 6.7 μm were formed when the pulsed laser beam was focused. rice field. On the other hand, TiO 2 films with thicknesses of about 0.51 μm and 0.59 μm were formed without light collection. From the above, it was confirmed that the formation of the TiN and Ti 2 N films in the air can be realized only when the pulsed laser beam is focused.

(実施例4)
実施例4では、パルスレーザ光の集光の有無により試料表面にどのような違いが生じるかを検証した。パルスエネルギー密度は300J/mm又は5000J/mmであり、パルスの周波数は10Hz、パルス幅は5±1nsである。その他の条件は実施例1の場合と同一である。パルスレーザ光の照射後にSEM及びレーザ顕微鏡をそれぞれ用いて試料表面を撮影し、試料表面の状態を観察した。
(Example 4)
In Example 4, it was verified what kind of difference would occur on the sample surface depending on whether or not the pulsed laser beam was condensed. The pulse energy density is 300 J/mm 2 or 5000 J/mm 2 , the pulse frequency is 10 Hz, and the pulse width is 5±1 ns. Other conditions are the same as in Example 1. After irradiation with the pulsed laser light, the surface of the sample was photographed using an SEM and a laser microscope, and the state of the surface of the sample was observed.

図13(a)は、集光しないパルスレーザ光を照射した試料表面のSEM画像であり、図13(b)は、集光したパルスレーザ光を照射した試料表面のSEM画像である。いずれもパルスエネルギー密度は5000J/mmである。パルスレーザ光を集光しない場合には、マイクロメータスケールの多数の孔が形成されているものの全体としてはフラットであった。他方、パルスレーザ光を集光した場合には、特徴的な波形構造及び多数の微細クラックがランダムに形成されていた。この波形構造や微細クラックは、チタンが溶融した痕跡である。また、パルスレーザ光を集光した場合には、パルスエネルギー密度が300J/mmのパルスレーザ光でもなだらかな波形構造が形成されたが、微細クラックは発生しなかった。この違いは、1パルスあたりのエネルギー密度が300J/mmのパルスレーザ光では、表面部分だけが溶融し、深さ方向に溶融領域が広がらないためであると考えられる。 FIG. 13(a) is an SEM image of the sample surface irradiated with the non-focused pulsed laser beam, and FIG. 13(b) is an SEM image of the sample surface irradiated with the focused pulsed laser beam. Both have a pulse energy density of 5000 J/mm 2 . When the pulsed laser beam was not focused, it was flat as a whole, although a large number of micrometer-scale holes were formed. On the other hand, when the pulsed laser beam was focused, a characteristic wavy structure and a large number of fine cracks were randomly formed. The wavy structure and fine cracks are traces of titanium melting. When the pulsed laser beam was condensed, a gently wavy structure was formed even with a pulsed laser beam having a pulse energy density of 300 J/mm 2 , but no fine cracks occurred. This difference is believed to be due to the fact that the pulsed laser beam with an energy density per pulse of 300 J/mm 2 melts only the surface portion and does not expand the melted region in the depth direction.

図14(a)は、集光しないパルスレーザ光を照射した試料表面のレーザ顕微鏡画像であり、図14(b)は、集光したパルスレーザ光を照射した試料表面のレーザ顕微鏡画像である。パルスレーザ光を集光しない場合には、試料表面がほぼフラットであるのに対し、パルスレーザ光を集光した場合には、溝及びスポット状の凹状部分が形成されていた。集光しないパルスレーザ光が照射された場合には、試料表面が固体のままであるため、通常の熱反応が生じて酸化層が生成され、急速に焼き入れされた結果として試料表面に多数の空孔が形成されると考えられる。他方、集光されたパルスレーザ光が照射される場合には、試料表面が瞬間的に溶融し、ラジカル化した窒素が溶融チタンに優先的に浸透することで、反応場の窒素の量に応じてTiN皮膜又はTiN皮膜が形成されると考えられる。 FIG. 14(a) is a laser microscope image of the sample surface irradiated with the non-focused pulsed laser beam, and FIG. 14(b) is a laser microscope image of the sample surface irradiated with the focused pulsed laser beam. When the pulsed laser beam was not focused, the sample surface was almost flat, whereas when the pulsed laser beam was focused, grooves and spot-like concave portions were formed. When a non-focused pulsed laser beam is irradiated, the sample surface remains solid, so a normal thermal reaction takes place to form an oxide layer, which is rapidly quenched, resulting in a large number of microscopic structures on the sample surface. It is believed that vacancies are formed. On the other hand, when a focused pulsed laser beam is irradiated, the sample surface melts instantaneously, and the radicalized nitrogen preferentially permeates the molten titanium. It is considered that a TiN film or a Ti 2 N film is formed on the surface.

1 窒化皮膜形成装置
11 パルスレーザ光源
11a 信号発生器
12 集束光学系
13 移動ステージ
14 制御装置
15 吊り下げ器具
16 ロボットアーム
17 保持具
18 距離センサ
19a 電極
19b 電圧源


1 Nitride Film Forming Device 11 Pulse Laser Light Source 11a Signal Generator 12 Focusing Optical System 13 Moving Stage 14 Controller 15 Suspension Tool 16 Robot Arm 17 Holder 18 Distance Sensor 19a Electrode 19b Voltage Source


Claims (9)

金属材料表面に窒化皮膜を形成する窒化皮膜形成装置であって、
前記金属材料表面に照射されたパルスレーザ光が前記金属材料表面周辺の大気中にプラズマを生成することにより前記金属材料表面を局所的に溶融させると共に大気中に活性化した窒素を発生させるように1パルスあたりのエネルギー密度が設定されているパルスレーザ光を繰り返し出射するパルスレーザ光源を備える、
窒化皮膜形成装置。
A nitride film forming apparatus for forming a nitride film on the surface of a metal material,
The pulsed laser beam irradiated onto the surface of the metal material generates plasma in the atmosphere around the surface of the metal material, thereby locally melting the surface of the metal material and generating activated nitrogen in the atmosphere. Equipped with a pulsed laser light source that repeatedly emits pulsed laser light with a set energy density per pulse,
Nitride film forming equipment.
前記窒化皮膜形成装置は、前記パルスレーザ光源の出射側に設けられ、前記パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光を前記金属材料表面に集光することにより、前記金属材料表面周辺の大気中にプラズマを生成させる集束光学系をさらに備える、
請求項1に記載の窒化皮膜形成装置。
The nitride film forming apparatus is provided on the emission side of the pulse laser light source, and converges the pulse laser light emitted from the pulse laser light source on the surface of the metal material to form a further comprising focusing optics for generating the plasma;
The nitride film forming apparatus according to claim 1.
前記窒化皮膜形成装置は、前記集束光学系の出射側に設けられ、前記集束光学系で集束されたレーザ光の焦点位置に前記金属材料表面が配置されるように前記金属材料を保持する保持手段をさらに備える、
請求項1又は2に記載の窒化皮膜形成装置。
The nitride film forming device is provided on the output side of the focusing optical system and holds the metal material so that the surface of the metal material is positioned at the focal position of the laser beam focused by the focusing optical system. further comprising
The nitride film forming apparatus according to claim 1 or 2.
前記保持手段は、前記集束光学系に対して前記金属材料を移動させる移動ステージであり、
前記窒化皮膜形成装置は、前記金属材料表面に照射されるパルスレーザ光が所定の軌跡を描くように前記移動ステージの動作を制御する制御手段をさらに備える、
請求項3に記載の窒化皮膜形成装置。
the holding means is a moving stage that moves the metal material with respect to the focusing optical system;
The nitride film forming apparatus further comprises control means for controlling the operation of the moving stage so that the pulsed laser beam irradiated onto the surface of the metal material traces a predetermined trajectory.
The nitride film forming apparatus according to claim 3.
前記窒化皮膜形成装置は、
前記パルスレーザ光源及び前記集束光学系を移動可能に支持するロボットアームと、
前記金属材料表面に照射されるパルスレーザ光が所定の軌跡を描くように前記ロボットアームの動作を制御する制御手段と、をさらに備える、
請求項2又は3に記載の窒化皮膜形成装置。
The nitride film forming device is
a robot arm that movably supports the pulsed laser light source and the focusing optical system;
further comprising control means for controlling the operation of the robot arm so that the pulsed laser beam irradiated onto the surface of the metal material traces a predetermined trajectory;
The nitride film forming apparatus according to claim 2 or 3.
前記金属材料表面に照射されるパルスレーザ光の1パルスあたりのエネルギー密度は、1000J/mm~6000J/mmの範囲内である、
請求項1から5のいずれか1項に記載の窒化皮膜形成装置。
The energy density per pulse of the pulsed laser light irradiated onto the metal material surface is in the range of 1000 J/mm 2 to 6000 J/mm 2 ,
The nitride film forming apparatus according to any one of claims 1 to 5.
前記窒化皮膜形成装置は、
前記パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光の照射経路を挟むように配置された一対の電極と、
前記一対の電極にそれぞれ接続され、前記パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光が前記金属材料表面に照射されることにより発生したプラズマの輝度を増大させる電界を前記一対の電極の間に生じさせる電圧源と、をさらに備える、
請求項1から6のいずれか1項に記載の窒化皮膜形成装置。
The nitride film forming device is
a pair of electrodes arranged to sandwich an irradiation path of the pulsed laser light emitted from the pulsed laser light source;
An electric field is generated between the pair of electrodes, which is connected to the pair of electrodes, respectively, and increases the luminance of plasma generated by irradiating the surface of the metal material with the pulsed laser light emitted from the pulsed laser light source. further comprising a voltage source;
The nitride film forming apparatus according to any one of claims 1 to 6.
前記金属材料は、チタン材料、鉄鋼材料、アルミニウム材料、ニオブ材料及びジルコニウム材料のいずれか1つである、
請求項1から7のいずれか1項に記載の窒化皮膜形成装置。
The metal material is any one of titanium material, steel material, aluminum material, niobium material and zirconium material,
The nitride film forming apparatus according to any one of claims 1 to 7.
金属材料表面に窒化皮膜を形成する窒化皮膜形成方法であって、
前記金属材料表面に照射されたパルスレーザ光が前記金属材料表面周辺の大気中にプラズマを生成することにより前記金属材料表面を局所的に溶融させると共に大気中に活性化した窒素を発生させるように1パルスあたりのエネルギー密度が設定されているパルスレーザ光を繰り返し出射する工程を含む、
窒化皮膜形成方法。

A nitride film forming method for forming a nitride film on the surface of a metal material,
The pulsed laser beam irradiated onto the surface of the metal material generates plasma in the atmosphere around the surface of the metal material, thereby locally melting the surface of the metal material and generating activated nitrogen in the atmosphere. including a step of repeatedly emitting pulsed laser light with a set energy density per pulse;
Nitride film forming method.

JP2022002934A 2021-01-12 2022-01-12 Nitride film forming device and nitride film forming method Pending JP2022108281A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021002658 2021-01-12
JP2021002658 2021-01-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022108281A true JP2022108281A (en) 2022-07-25

Family

ID=82556322

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022002934A Pending JP2022108281A (en) 2021-01-12 2022-01-12 Nitride film forming device and nitride film forming method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2022108281A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6856634B2 (en) Laser processing device and laser processing method
TW564196B (en) Simulated laser spot enlargement
JP2001276988A (en) Laser processing apparatus
JP5201098B2 (en) Laser cutting apparatus and laser cutting method
JP2015166178A (en) Method for manufacturing metallic or ceramic component by selective laser melting additive manufacturing
JP2007118078A (en) Laser welding method and laser welding system
JP2009262183A (en) Head and method for laser arc hybrid welding
JP2016516584A (en) Linking beam angle and workpiece movement for taper control
JP5183826B2 (en) Laser processing method and laser processing machine
WO2019119617A1 (en) High-refractive-index and low-hardness transparent material laser cutting device and method
JP2009012061A (en) Laser-beam working machine
JP2020108904A (en) Laser processing method for printed circuit board and laser processing machine for printed circuit board
JP2003340582A (en) Apparatus and method for laser welding
JP2718795B2 (en) Method for fine processing of work surface using laser beam
JP6071996B2 (en) Method, workpiece and laser apparatus for breaking and dividing a workpiece
JP2007125576A (en) Method and device for fine welding by laser beam
JP2022108281A (en) Nitride film forming device and nitride film forming method
JPS62263869A (en) Arc welding method
JP2003019585A (en) Device and method for laser beam machining
JP4177300B2 (en) Electron beam surface treatment method and electron beam surface treatment apparatus
JP2004358507A (en) Laser beam machining device and laser beam machining method
JP2002301583A (en) Laser welding method and equipment
KR20060089790A (en) Laser processing apparatus and method thereof
JP5769774B2 (en) Laser processing equipment
JP2009148794A (en) Laser welding method and laser welding system

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20221005