固体材料内部の欠陥を高分解能で3次元映像化できる超音波計測法を開発――強度評価や欠陥発生メカニズムの解明に道筋東北大学

東北大学大学院工学研究科の小原良和准教授らの研究グループは2020年9月23日、米ロスアラモス国立研究所との国際共同研究により、固体材料内部の欠陥を3次元的に高分解能で映像化できる超音波計測法を開発したと発表した。安全／安心な社会や、高いレベルでの品質保証による工業製品の国際競争力強化への貢献が期待できる。

構造物や工業製品に欠陥が発生すると甚大な事故につながる可能性があるため、壊さずに欠陥を計測する非破壊評価技術の確立が重要な課題となっている。内部欠陥の計測法には幅広く超音波が用いられている他、最近では工業分野に超音波フェーズドアレイが応用されるなどしている。

しかし、内部に発生する複雑な3次元形状の欠陥は、最新の超音波フェーズドアレイ装置でも素子数不足で2次元映像化に限られていた。2次元圧電マトリクスアレイ探触子を用いた3次元映像化への試みも一部で始まっているが、低分解能な3次元映像化にとどまっている。

そこで研究グループは、圧電探触子送信と超多素子受信レーザー走査2次元マトリクスアレイを融合した3次元超音波映像法PLUS（Piezoelectric and Laser Ultrasonic System）を開発。PLUSでは、任意に受信レーザーのスキャン点数を増やせ、圧電アレイ探触子の限界（256素子程度）を1桁以上上回る数千素子の2次元マトリクスアレイにできる。幅広い周波数の超音波を受信できるレーザードップラー振動計は、圧電送信探触子の変更により、減衰特性の異なる様々な材料に適用する。

レーザードップラー振動計の欠点に受信感度の低さがあるが、強力な超音波を単一素子の圧電探触子送信で入射できることで解決できる。これにより、発電プラントの配管などで問題となっている複雑に枝分かれした応力腐食割れ（き裂の一種）の3次元映像化に成功したという。

発電プラントで問題となっている枝分かれ応力腐食割れを本研究で開発した3次元超音波映像法PLUS（左）で映像化した結果（右）

今回開発された3次元超音波映像法PLUSにより、材料の強度評価に欠陥の3次元情報を取り入れることができるため、経済的で安全な構造物の運用ができる。また、高いレベルでの品質保証ができるようになり、工業製品に高信頼性という付加価値が付き、国際競争力強化にも貢献できる。

これまで未解明だった欠陥発生／成長機構の解明にも3次元欠陥情報がつながり、学術分野の発展にも貢献できる他、送信探触子を低周波のものに変えることで、橋梁／高速道路／トンネルなどのコンクリートインフラの検査にも利用でき、多くの分野への応用が期待できるという。

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