(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製物品であって、該物品の少なくとも一部分の少なくとも一つのレーザ衝撃ピーニングされた表面と、前記のレーザ衝撃ピーニングされた表面から該物品内に延在する複数の立体的に相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた突起とを含み、前記突起はレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）により与えられた深い圧縮残留応力を有するとともに前記表面で前記レーザのビーム・スポットは重なり合っていないこと、を特徴とする金属製物品。
【請求項２】
前記突起は断面積が前記スポットから内方に減少している請求項１記載の物品。
【請求項３】
前記複数の突起は、等間隔で相隔たる円形レーザ・ビーム・スポットを持つ少なくとも一配列の突起を含んでいる請求項１記載の物品。
【請求項４】
硬質金属物品をレーザ衝撃ピーニングする方法であって、
レーザ・ビームを前記物品の少なくとも一部分の被レーザ衝撃ピーニング表面の相異なる点に発射する工程と、
十分なパワーをもつレーザ・ビームを用いて、前記表面の前記点において前記レーザ・ビームにより形成されるレーザのビーム・スポットの辺りで前記表面の材料を蒸発させる工程と、
前記レーザ・ビームを受ける前記表面上に水をカーテン状に流す工程と、
前記スポットから前記物品内に延在する複数の立体的に相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた突起を形成するように、前記表面で前記スポットは重なり合わないよう前記レーザ・ビームを発射し、こうして前記突起が前記レーザ・ビームによって与えられた深い圧縮残留応力をもつようにする工程と
を含んでいることを特徴とする前記方法。
【請求項５】
前記表面を、前記レーザ・ビームにより蒸発する融蝕性材料で被覆する工程をさらに含んでいる請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記複数の突起は、等間隔で相隔たる円形レーザ・ビーム・スポットから前記物品内に向かって延在する少なくとも一配列の突起を含んでいる請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記物品を連続的に動かしながら静止レーザ・ビームを連続的に発射する工程をさらに含み、前記レーザ・ビームは比較的一定の期間をあけて繰返しパルス化される請求項４記載の方法。
【請求項８】
約３〜１０ジュールの出力パワーをもつレーザ・ビームを用いて、約１ｍｍの直径を有する複数のレーザ・ビーム・スポットを形成することをさらに含んでいる請求項４記載の方法。
【請求項９】
用いられる各パルスの時間的プロフィールが、約２０〜３０ｎｓ（ナノ秒）の範囲の持続時間と、約１０ｎｓ以下の立上り時間とを有する請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記物品は前縁と後縁とを有するガスタービンエンジン翼であり、前記物品の前記部分は両縁の一方であり、そして前記被レーザ衝撃ピーニング表面は両縁の一方の少なくとも一部分に沿って半径方向に延在する請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連特許出願等】
本願は、１９９７年１２月１８日出願の米国特許出願第０８／９９３１９４号、１９９４年１２月２２日出願の米国特許出願第０８／３６２３６２号、米国特許第５５９１００９号、米国特許第５５６９０１８号、米国特許第５５３１５７０号、米国特許第５４９２４４７号、米国特許第５６７４３２９号および米国特許第５６７４３２８号に関連するものである。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ衝撃ピーニング（ｌａｓｅｒ  ｓｈｏｃｋ  ｐｅｅｎｉｎｇ  ）を行った物品と、レーザ衝撃ピーニング方法に関し、特に、レーザ衝撃ピーニングにより与えられた局在圧縮残留応力を有する重なり合わずに相隔たるレーザ衝撃ピーニングされたスポットの亀裂防止配列（アレイ）を生成するレーザ衝撃ピーニング方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
ガスタービンエンジン、特に、航空機ガスタービンエンジンのロータは高い回転速度で回転するので、翼内に高い引張応力と振動応力の場が発生して、ファン翼は異物損傷（ＦＯＤ）を受けやすい。振動はまた静翼伴流と入口圧力ひずみと他の空気力学的現象によって生じるおそれがある。このＦＯＤにより、ファン翼の翼形部の前縁と後縁に刻み目と裂け目が発生し、従って応力集中が生じる。このような刻み目と裂け目は高応力集中源または応力発生物となり、そして振動応力からの高サイクル疲労（ＨＣＦ）により翼の寿命を厳しく制限する。
【０００４】
従って、現在の部品より高低両サイクル疲労に良く耐えることができ且つ割れすなわち亀裂を阻止できる比較的長持ちするファン翼および圧縮機翼などの硬質金属製部品を設計し製造することが大いに望ましい。前述の関連特許出願等はそれぞれこの目的を達成しようとするものであり、ファン翼のような物品の被レーザ衝撃ピーニング表面の少なくとも内方に延在する一部分にわたってレーザ衝撃ピーニングにより与えられた深い圧縮残留応力の連続的または立体的な区域をファン翼の翼形部に設けることを教示している。これらの区域は、部分的に重なり合うレーザ衝撃ピーニングされた円形部またはスポットから内方に延在する多数の部分的に重なり合う突起であって、レーザ衝撃ピーニングにより与えられた圧縮残留応力を有する該多数の部分的に重なり合う突起により形成される。
【０００５】
本発明のレーザ衝撃ピーニングによって与えられた深い圧縮残留応力は、米国特許第５２３５８３８号に開示されているような、レーザ・ビームを用いて加工物を局部的に加熱して硬化する硬化作業によって発生した局部限定圧縮残留応力を有する加工物表面層域と混同されるべきではない。先行技術は、前述の関連特許出願等、並びに米国特許第３８５０６９８号、米国特許第４４０１４７７号および米国特許第５１３１９５７号に記載されているように、高出力パルス・レーザからの多数の放射パルスと、約１ｃｍの大きなレーザ・スポット直径とを用いて、加工物の表面に衝撃波を発生することを教示している。当該技術分野において知られいているように、ここで用いている「レーザ衝撃ピーニング」とは、レーザ・ビーム源からのレーザ・ビームを利用して表面の一部分に強い圧縮残留応力の連続的な領域を生成することを意味する。この区域は立体的であり、そして部分的に重なり合うレーザ衝撃ピーニングされた円形部またはスポットから内方に延在する個々の突起の合体によって発生する。レーザ・ピーニングは、従来、加工物の外面に圧縮応力を有する保護層を生成するために利用され、米国特許第４９３７４２１号に開示されているように、加工物の耐疲労破損性をかなり高めることが知られている。レーザ衝撃ピーニング処理ではコスト（費用）が大きな関心事である。なぜなら始動と使用の費用が非常に高くなり得るからである。前述の米国特許第６２１５０９７号に開示されている、レーザ・ビームと被照射物とを連続的に相対移動させる方式、すなわち「オン・ザ・フライ（on-the-fly）」式レーザ衝撃ピーニング方法は、本発明のように、レーザ衝撃ピーニングの費用削減方法を提供するように設計されている。この先行技術は、直径が１ｃｍ以上ほどの大きなレーザ・スポットと、高出力レーザとを用いることを教示している。製造業者はこのような方法の時間と費用と複雑さを低減する方法を常に探求している。３〜１０ジュール程度、好ましくは３〜７ジュールの範囲の低出力レーザ・ビームと、直径が約１ｍｍのレーザ・ビーム・スポットとを用いるレーザ衝撃ピーニング方法が、米国特許第６２１５０９７号に開示されており、この方法はレーザ衝撃ピーニングの時間と費用と複雑さの低減を目標としている。このような低減をもたらす技術の設計に対する要望は常に存在し、本発明はこの目的を達成しようとするものである。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、金属製物品の少なくとも一部分の少なくとも一つのレーザ衝撃ピーニングされた表面と、このレーザ衝撃ピーニングされた表面から金属物品内に延在する複数の立体的に相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた突起とを有する金属物品を提供し、突起はレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）により与えられた深い圧縮残留応力を有する。本発明は更に前記表面上に相隔たる円形レーザ・ビーム・スポットを含むことができ、これらのスポットから、レーザ衝撃ピーニングされた突起が物品内に延在し、これらのスポットは重なり合っていない。典型的な突起は断面積がスポットから内方に減少している。複数の突起は、好ましくは、等間隔で相隔たる円形レーザ・ビーム・スポットを持つ少なくとも一配列の突起を含む。
【０００７】
本発明の一面では、硬質金属物品をレーザ衝撃ピーニングする方法も提供し、この方法では、金属物品をレーザ衝撃ピーニングするために、レーザ・ビームを物品の少なくとも一部分の被レーザ衝撃ピーニング表面の相異なる点に発射し、その際、十分なパワーを持つレーザ・ビームを用いて、表面の前記点においてレーザ・ビームにより形成されるレーザ・ビーム・スポットの辺りで表面の材料を蒸発させ、レーザ・ビームを受ける表面上に水をカーテン状に流し、レーザ・ビーム・スポットから物品内に延在する複数の立体的に相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた突起を形成するようにレーザ・ビームを発射し、こうして突起がレーザ・ビームによって与えられた深い圧縮残留応力をもつようにする。前記表面を最初に、レーザ・ビームにより蒸発する融蝕性材料で被覆し得る。本方法は、オン・ザ・フライ式レーザ衝撃ピーニング方法として、物品を連続的に動かしながら、比較的一定の期間をあけて繰返しパルス化して静止レーザ・ビームを連続的に発射することを含むことが出来る。
【０００８】
本発明の一特定方法では、約３〜１０ジュールのパワーを持つ低出力レーザ・ビームを用い、そして約１ｍｍの直径を有する複数のレーザ・ビーム・スポットを形成する。各パルスの時間的プロフィールは、約２０〜３０ｎｓ（ナノ秒）の範囲の持続時間と、約１０ｎｓ以下の立上り時間とを有し得る。本発明のさらに特定の実施態様では、立上り時間は約４ｎｓであり、レーザのパワーは約３ジュールである。
【０００９】
本方法は、前縁と後縁とを有するガスタービンエンジン翼に適用され、前記物品の前記部分は両翼縁の一方であり、そして被レーザ衝撃ピーニング表面は両縁の一方の少なくとも一部分に沿って半径方向に延在する。
本方法は、各表面が翼の２つの側の片側にある２つの被レーザ衝撃ピーニング表面を同時にレーザ衝撃ピーニングし、そして２つの静止レーザ・ビームを翼の前記部分に連続的に発射しながら翼を連続的に動かすことを含み得る。この実施態様は、レーザ・ビームを用いて、両表面にレーザ・ビームにより形成される複数のレーザ・ビーム・スポットの辺りのパルスで前記部品（翼）の前記部分の両表面の材料を蒸発させて、被レーザ衝撃ピーニング表面から翼内に延在する深い圧縮残留応力を有する複数の突起を形成することと、翼を動かしながら、レーザ・ビームを受ける両表面上に水をカーテン状に流すことをさらに含む。翼を直線的に動かして、ほぼ等間隔に相隔たる線形に整列した中心点を有する少なくとも１列の重なり合わない等距離離間した円形レーザ・ビームスポットを生成し得る。さらに、翼を動かし且つレーザ・ビームを発射して、ほぼ等間隔に相隔たる線形に整列した中心点を有する２列以上の円形レーザ・ビームスポットを生成し、その際、隣合う列のスポットが重なり合わないようにすることができる。レーザ・ビームを発射し且つ翼を動かして、隣合う列における隣合うスポットの中心点が、中心点の線形整列の線に沿う方向にほぼ等しい量だけ互いにずれているようにすることができる。紫外線域のレーザ・ビームを発する気体媒体を用いるエキシマー（Ｅｘｃｉｍｅｒ）型レーザを用い得る。
【００１０】
【利点】
本発明は、全表面を十分にレーザ衝撃ピーニングしなくても、表面下の区域を疲労によって生じる割れによる破損から保護できるという利点をもたらす。本発明は、従来教示されているよりはるかに少ないレーザ衝撃ピーニングで、疲労割れによる破損を引起こす前に初期割れを阻止するという利点をもたらす。本発明によりもたらされる利点の一例として、ガスタービンエンジン部品、特に、高い引張応力と振動応力の場において働くように設計された翼部分の表面をレーザ衝撃ピーニングする比較的迅速且つ費用効率のよい方法により、従来構造のファン翼と比べて、ファン翼の前縁と後縁における刻み目と裂け目による疲労破損により良く耐えることができ且つより長い寿命をもち得る翼が得られる。比較的低額の資金により、レーザ衝撃ピーニング製造ラインを先行技術におけるラインと比べて少ない費用で設定することができ、このようなラインは、本発明の方法が低出力レーザを用いるものであるから、開発と設計と製造が比較的複雑でないはずである。本発明の他の利点は、ファン翼と圧縮機翼を、従来のように前縁と後縁に沿って厚さを増すことなく商業的に容認し得る寿命をもたらすような費用上効率的な方法で製造できることである。本発明は、比較的古いガスタービンエンジンのファン翼の安全かつ確実な作用をもたらし、しかも現在しばしばなされているか又は必要とされているような問題のあるファン翼の費用のかかる再設計の努力または頻繁な交換を回避しうる費用の少ない方法で、既存のファン翼と圧縮機翼を一新するために利用し得る。
【００１１】
本発明の上記の態様と他の特徴を添付図面と関連する以下の記述において説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１と図２と図３にはファン翼８が示され、ファン翼８は翼台３６から翼端３８まで半径方向外方に延在するチタン合金製翼形部３４を有する。本発明の物品と方法は、この翼に代表される種類の硬質金属部品とその材料のために開発したものである。ファン翼８には根元部４０が含まれ、翼台３６から根元部４０の半径方向内端３７まで半径方向内方に延在する。根元部４０の半径方向内端３７には翼根４２があり、翼シャンク４４により翼台３６に連結されている。翼形部３４はその前縁ＬＥと後縁ＴＥとの間に翼弦方向に延在する。翼形部３４の翼弦Ｃは、図２に示すような翼の各断面における前縁ＬＥと後縁ＴＥとの間の線である。翼形部３４の圧力側４６が概して、矢印で示したような回転方向に面し、そして吸引側４８が翼形部の他の側にあり、また、平均線ＭＬが概して翼弦方向に両面間の中央に存在する。
【００１３】
ファン翼８は、翼台３６から翼端３８まで翼形部３４の前縁ＬＥに沿って延在する前縁部５０を有する。前縁部５０は所定の第１幅Ｗ１を有し、これは、前縁部５０が翼形部３４の前縁に沿って発生し得る刻み目５２と裂け目を含有するような幅である。翼形部３４は、エンジン運転中に回転するファン翼８により発生する遠心力によりかなり強い引張応力の場にさらされる。翼形部３４はまた、エンジン運転中に発生する振動を受け、そして刻み目５２と裂け目は高サイクル疲労応力発生源として作用し、それらの周囲に追加的な応力集中を引起こす。
【００１４】
初期の割れまたは微小亀裂と、刻み目と、裂け目から発展するおそれのある亀裂線に沿う翼部分の疲労破損を阻止するために、圧力側４６と吸引側４８の少なくとも一方そして好ましくは両方が、レーザ衝撃ピーニングされた表面５４と、本発明によるレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）方法によって与えられた深い圧縮残留応力を有する予め応力を与えられた立体的に相隔たる複数のレーザ衝撃ピーニングされた突起５３の配列５６（図４〜図６参照）を有する。立体的に相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた突起５３の配列５６は、文字どうり割れ（亀裂）を阻止することにより、初期亀裂５７が個々のレーザ衝撃ピーニングされた突起を通り越すか迂回して進展することを食い止めることが十分可能な「亀裂防止（ｒｉｐ  ｓｔｏｐ）」効果をもたらす。これは、被レーザ衝撃ピーニング表面５４の下の物品内の全域に圧縮残留応力を完全に行き渡らせるように予め応力をかけるために被レーザ衝撃ピーニング表面５４を全面にわたってレーザ衝撃ピーニングする必要を無くする。
【００１５】
レーザ衝撃ピーニングされたスポットが連続的な部分的重なり合いパターンをなさないにもかかわらず本発明が疲労亀裂を阻止し得る一つの理由は、隣合うスポット５８の周囲の半径方向圧縮応力の圧縮性外域Ｚがスポット周囲Ｐを越えて張り出しているからである。隣合うスポット５８の半径方向圧縮応力の区域Ｚは、部分的に重なり合うことすら可能である。このことが図７に例示されており、この図は図６における配列５６内の２個の隣合うスポット５８を示す。ＬＳＰ方法は、スポット５８内のレーザ衝撃ピーニングされた材料を圧縮して、レーザ衝撃ピーニングされた材料を周囲のピーニングされない材料に抗して押出し、そして図７において位置Ａ、Ｂ、Ｃ１に示すように全ての方向に比較的均等な圧縮の場を生成する。スポット５８の境界を越えたばかりの位置Ｄ１、Ｅ、Ｆで、周方向応力は、互いに遠ざかる向きの矢印で示され且つＴＳで表されているように、引張応力となり、スポット内の圧縮応力と釣合うが、位置Ｄ１、Ｅ、Ｆにおける境界の半径方向応力はスポットの周囲Ｐから外方にある距離にわたって圧縮応力のままとなる。すなわち、スポット５８は互いに接近して配置されるが接触していないので、進展中の亀裂５７に垂直な応力が、位置Ｆ、Ｇに示すように、至る所で圧縮性であるような区域Ｚが両スポット間に存在する。両ＬＳＰスポット５８間に進展しようとする亀裂５７はこの圧縮域Ｚと出合って減速または阻止される。加えて、個々のスポットの周りの引張周応力ＴＳは、図７において右から左に進展する亀裂の阻止に役立つ。Ｄ１とＥに示したような残留周方向引張応力は、右から左に進展中の亀裂を誘引する傾向があり、そして亀裂経路を逸せてＬＳＰスポットの中心に向ける。スポットに接近すればするほど、この誘引は強力になり、結局亀裂はスポット周囲Ｐに達し、そこで周方向残留応力の符号が引張りから圧縮に急変し、亀裂は停止する。従って、各スポットの周囲の引張残留応力は、疲労亀裂がその正常経路から逸れて最高圧縮の区域に入ることを助長し、そこで相隔たるスポットの効果は最大となる。
【００１６】
本発明は、好ましくは、約３〜１０ジュールの出力をもつ低出力レーザを用い、このレーザは、図５と図６に示すように、被レーザ衝撃ピーニング表面に約１ｍｍ（０．０４０インチ）〜２ｍｍ（０．０８０インチ）の範囲の直径Ｄをもつ小径レーザ・スポット５８を生成するように焦点を合わせられる。その結果得られる表面レーザ・エネルギ密度は、約４００Ｊ／ｃｍ２  （ジュール毎平方センチメートル）〜約１００Ｊ／ｃｍ２  である。これにより、図３と図５に見られるように被レーザ衝撃ピーニング表面から翼形部３４内に延在する予め応力をかけられた突起５３の配列５６が発生する。レーザ・パルスの時間的プロフィールは、持続時間が好ましくは２０〜３０ｎｓ（ナノ秒：１０−９秒）程度であり、そして立上り時間が好ましくは約１０ｎｓ以下であり、その好適公称値は約４ｎｓである。比較的短いパルスの時間的条件がＬＳＰ効果を高め、部品内に比較的深く達した圧縮残留応力を生じるということがわかった。持続時間が約４５ｎｓそして前縁の立上り時間が２４ｎｓのレーザ・パルス時間プロフィールで充分な結果が示された。この時間プロフィールは、ＬＳＰの達成には比較的長いように思われる。
【００１７】
しかし、低エネルギ・レーザは、比較的貧弱なパルス時間パラメータを有するが、部品内の深い所に圧縮残留応力を生成するように思われる。圧縮応力は、低エネルギ・レーザで処理した試料内の０．７５ｍｍ（０．０３０インチ）の深さで測定された。これに比べて、ショット（ｓｈｏｔ）ピーニングの限度は０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）であり、そして高エネルギ・レーザについて他所で報告されている深さは１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）近辺である。低エネルギ・レーザの貫通深さは、前縁の立上り時間を短くしたとき改善でき、こうするとパルス持続時間も短くなる。というのは、鋭い立上り時間により比較的速いブラスト（ｂｌａｓｔ  ）波が発生しそしてブラスト波頭エネルギとそれによる圧力が高まるからである。立上り時間を５ｎｓにして３ジュールのレーザを用いると圧縮応力が金属表面内に１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）を超えて発生し得ることが期待される。
【００１８】
より大きなパワーをもつ比較的大きなレーザを前述の関連特許出願等に記載されているように用い得る。好ましくは、配列５６は翼弦方向において幅Ｗ１の全範囲にわたって前縁部５０と同じ広がりであり、そして幅Ｗ１の少なくとも一部分において発生し得る亀裂５７を阻止するのに十分深く翼形部３４内に存在する。配列５６は半径方向において前縁ＬＥに沿って前縁部５０と同じ広がりであるように図示されているが、より短くてもよい。配列５６のレーザ衝撃ピーニングされた突起５３内のレーザ・ビーム衝撃により発生した深い圧縮残留応力は概して約５０〜１５０ＫＰＳＩ（キロポンド毎平方インチ）であり、そしてレーザにより衝撃を与えられた表面５４から翼形部３４により代表されるような物品内に約２０〜５０ミルの深さまで延在する。レーザ・ビーム衝撃により生じる深い圧縮残留応力は、２つの高エネルギ・レーザ・ビーム２を繰返し発射することにより発生可能であり、各レーザ・ビームは、前縁ＬＥの両側の融蝕性被覆５５で覆われた表面５４に対して±数ミル焦点外れにされる。融蝕性被覆５５は、例えば、米国特許第５６７４３２９号および第５６７４３２８号に開示されているような塗料またはテ−プである。立体的に相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた突起５３の配列５６は、図５と図６に示すように、複数の被レーザ衝撃ピーニング円形スポット５８を重ね合わせずに離隔することにより形成される。
【００１９】
図８と図９について説明すると、レーザ・ビーム衝撃による深い圧縮残留応力は、２つの低エネルギ・レーザ・ビーム２を繰返し発射することにより発生し、各レーザ・ビームは、前縁ＬＥの両側の融蝕性被覆５５で覆われた表面５４に対して±数ミル焦点外れにされる。レーザ・ビームは好ましくは、被覆された被レーザ衝撃ピーニング表面５４上に流したカーテン状の流水を貫くように発射される。塗料、テ−プ等の融蝕性被覆５５は融蝕されてプラズマを生じ、その結果、材料の表面に衝撃波が発生する。他の融蝕性材料も塗料の適当な代替物として表面の被覆に用い得る。これらの被覆材料は、特許公表平11-508826号および特許公表平11-509782号に開示されているような金属はくまたは接着性プラスチックテ−プを含む。これらの衝撃波はカーテン状の流水によって被覆表面に向け直され、被覆表面下の材料内に移動衝撃波（圧力波）を生じる。これらの衝撃波の振幅と量は圧縮応力の深さと強さを定める。融蝕性材料は標的表面の保護とプラズマ発生のために使用される。図８と図９に装置１が示され、この装置では翼８が従来周知のロボットアーム２７に装着され、このアームは翼を連続的に移動し且つ位置づけるように用いられ、本発明の一実施例による、レーザ・ビームと被照射物とを連続的に相対移動させる方式、すなわち「オン・ザ・フライ」式レーザ衝撃ピーニングをもたらす。前縁ＬＥの圧力側４６と吸引側４８の被レーザ衝撃ピーニング表面５４は融蝕性被覆５５で被覆される。次いで、翼８を連続的に動かしながら、静止レーザ・ビーム２をカーテン状の流水２１を通して表面５４に連続的に発射しそして相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた円形スポット５８を形成する。カーテン状の水２１は、従来の給水管１９の端にある従来の水ノズル２３により供給されるように例示されている。レーザ衝撃ピーニング装置１は従来の発振装置３１を有し、この発振装置は発振器３３と前置増幅器３９Ａとビーム分割器４３を備えている。分割器４３は、予め増幅されたレーザ・ビームを２つのビーム光学伝送回路に送り込み、各回路は第１増幅器３９と第２増幅器４１を有する。またレーザ衝撃ピーニング装置１には光学装置３５が設けられ、レーザ・ビーム２を被レーザ衝撃ピーニング表面５４に送り且つ焦点を合わせる光学的要素を含んでいる。制御器２４を用いて、レーザ・ビーム装置１を変調し制御することにより、レーザ・ビーム２を制御された態様で被レーザ衝撃ピーニング表面５４に発射し得る。融蝕された被覆材料はカーテン状の流水により洗い流される。
【００２０】
レーザは「オン・ザ・フライ」式に次のようなシーケンスによりビームを発射し得る。すなわち、被レーザ衝撃ピーニング表面５４は、表面５４を被覆することと、その後、図８と図９に示すように翼８の翼形部３４とレーザ・ビーム２との相対移動を連続的にもたらしながら表面５４をレーザ衝撃ピーニングすることとから成るシーケンスを、２回以上用いることによりレーザ衝撃ピーニングされる。本実施例では、翼形部３４を動かしながらレーザ・ビーム２を表面５４に連続的に発射することにより、隣合う被レーザ衝撃ピーニング円形スポットが、相隔たる重なり合わない位置において射撃される。被覆とレーザ衝撃ピーニングとからなるシーケンスを数回繰返せば、所望強さの圧縮残留応力と所望深さのレーザ衝撃ピーニングされた突起５３が得られる。
【００２１】
図５と図６には相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた円形スポットが例示され、約１ｍｍ（０．０４０インチ）〜２ｍｍ（０．０８０インチ）の範囲の小さな直径Ｄを有する。スポットの対応中心を１直径Ｄより多く離隔し、そして列中心線６２を１直径Ｄよりわずかに少なく離隔してスポット５８が重なり合わないようにし得る。
【００２２】
この方法は、未融蝕または未融蝕に近い被覆だけが、翼形部の表面に大した影響または損傷を及ぼすことなく融蝕されて消失するように設計される。これは、翼の作用に望ましくない空力的影響を及ぼすおそれのあるレーザによる小さな傷の発生または再融解を防止するためである。数シーケンスをパターン全体にわたるように用いる必要があるかもしれず、再被覆がレーザ・ビーム発射の各シーケンス間になされ、各スポット５８は数回射撃される。レーザ・ビーム発射シーケンスは、発射相互間にある期間を有する多数のレーザ・ビーム発射またはレーザ・パルスを有し、この期間はしばしば「レップ（ｒｅｐ）」と呼ばれる。レップ中部品を動かして、次のパルスが次の被レーザ衝撃ピーニング円形スポット５８の位置に発生するようにする。好ましくは、部品は連続的に動かされ、そしてレーザ・ビームのパルスまたは発射時に適当な位置にあるように調時される。シーケンスの１回以上の繰返しにより各被レーザ衝撃ピーニング円形スポット５８を１回より多く射撃し得る。これはまた各発射またはレーザ・パルスに用いるレーザ・パワーを比較的少なくし得る。
【００２３】
本発明の一例は、長さが約１１インチの翼形部と、約３．５インチの翼弦Ｃと、前縁ＬＥに沿う長さが約２インチの被レーザ衝撃ピーニング表面５４とを有するファン翼８である。被レーザ衝撃ピーニング表面５４は幅（Ｗ１）が約０．５インチである。被覆と連続的なレーザ・ビーム発射と翼移動の３つのシーケンスが使用される。レーザのレップ相互間の発射は、未融蝕被覆付き表面に存在するスポット５８に対してなされ、これは各シーケンス間の再被覆を必要とする。各スポット５８は３回射撃されるので、３組のシーケンスが、被レーザ衝撃ピーニング表面５４の全部で３回の被覆と再被覆のために用いられる。これは、先行技術において教示されているように連続的な被レーザ衝撃ピーニング区域を設けるために４つの相異なるシーケンスを３回用いなければならずしかも常に未融蝕材料を射撃すると仮定した場合になされる１２回も多い被覆と再被覆に対して、比較的少ない。
【００２４】
レーザ衝撃ピーニング方法はまず、第１シーケンスの表面５４の被覆とレーザ衝撃ピーニングで始まり、第１シーケンスでは全てのスポットが１回レーザ衝撃ピーニングされる。その際、好ましくは、翼を連続的に動かしそしてレーザ・ビームを連続的に発射またはパルス化するオン・ザ・フライ式を用いる。部品は所与シーケンスにおいて隣合う被レーザ衝撃ピーニング・スポット間の移動をなすように調時される。この調時（タイミング）は翼への連続レーザ・ビーム発射のパルス相互間のレップと合致する。重なり合わない被レーザ衝撃ピーニング円形スポット５８の全列は、各シーケンスのある距離だけ相隔たるスポットを含み、同じシーケンスの他の被レーザ衝撃ピーニング円形スポットが当該スポットの周囲の被覆に影響しないようになっている。発射シーケンス相互間で、被レーザ衝撃ピーニング表面５４のレーザ衝撃ピーニングされるべき全域が被覆される。このような再被覆段階は、被レーザ衝撃ピーニング表面の露出金属がレーザ・ビームで直接射撃されることを防止する。また、各スポット５８を３回以上レーザ衝撃ピーニングすることが望ましいということがわかった。
【００２５】
被覆を用いずにオン・ザ・フライ式レーザ衝撃ピーニングを用いて部品をレーザ衝撃ピーニングし得ることがわかった。こうすると、再被覆をしないですむのでかなりの時間を節約できる。さらに、各表面を１回より多く、特に３回、レーザ衝撃ピーニングすることがしばしば望まれるので、被覆を全く用いないレーザ衝撃ピーニングによれば表面を被覆しないですむ。生成されるプラズマは翼または部品自体の合金材料からなる。このような場合、工程のレーザ衝撃ピーニングまたはパルス発生部分の完了後に被レーザ衝撃ピーニング域に再融解部（ｒｅｍｅｌｔ）が残存する。通常、この再融解部は多くの周知の方法のいずれかで除去しなければならないものであり、例えば、その層を機械的または化学的に除去する。オン・ザ・フライ式レーザ衝撃ピーニングでの無被覆部品の有用性は部品の厚さに基づく。特に、翼形部の薄い前縁と後縁には注意が必要である。被覆がない場合のプラズマと合金は再硬化しそして再融解部として知られているものを形成するので周知の一方法による除去が必要であることに注意されたい。
【００２６】
図２と図３をさらに詳述すると、本発明は、ファン翼８の前縁ＬＥ部と後縁ＴＥ部のいずれか一方あるいは両方をレーザ衝撃ピーニングして、レーザ衝撃ピーニングされた表面５４と、前述のようにレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）により与えられた深い圧縮残留応力を有する予め応力をかけられた立体的に相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた突起５３の関連配列５６とを設けることを含む。後縁ＴＥ部のレーザ衝撃ピーニングされた表面と関連予応力区域は、上述の前縁ＬＥ部と同様に形成される。前縁ＬＥの刻み目は後縁ＴＥの刻み目より大きくなりがちであるから、前縁部５０の第１幅Ｗ１を、やはりレーザ衝撃ピーニングし得る後縁部７０の第２幅Ｗ２より大きくし得る。例えば、Ｗ１を約０．５インチとしそしてＷ２を約０．２５インチとし得る。再び図２について説明すると、図２に示すように、ＬＥまたはＴＥの全長にわたってレーザ衝撃ピーニングする代わりに、その一部分Ｌ１だけをレーザ衝撃ピーニングすることが望ましいことがある。
【００２７】
図２は予め応力をかけられた立体的に相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた突起５３の部分前縁長Ｌ１の配列５６に関して本発明を例示する。配列５６は前縁ＬＥの被レーザ衝撃ピーニング表面長さＬ１にわたって延在し、長さＬ１はその中心がほぼ所定ノード線５９が前縁ＬＥと交わる所にある。好ましくは、ノード線５９は振動応力による優勢な破損モードのノード線である。この応力は曲げおよびねじりたわみモードにおける翼の励振によって生じ得る。優勢な破損モードは必ずしも最大応力モードではなく、むしろエンジン運転中比較的長期間にわたって存在する比較的低応力のモードまたはモードの組合せであるかもしれない。例えば、図２に示した所定ノード線５９は第１たわみモードによるものである。前縁ＬＥのこの区域に発生する刻み目５２は、このモードにおいて共振により翼の破損を引起こす最大の原因となり得る。さらに一例として、被レーザ衝撃ピーニング表面長さＬ１は前縁の部分長であり、そして翼端３８から翼台３６までのファン翼長の約２０％だけ前縁ＬＥに沿って延在し得る配列５６の予め応力をかけられたレーザ衝撃ピーニングされた突起５３が存在する。
【００２８】
本発明は、従来開示されたエネルギより低いエネルギをもつレーザ・ビームを用いるものであり、これらのビームは相異なるレーザ材料、例えば、ネオジムでドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）、Ｎｄ：ＹＬＦ、その他を用いることにより発生し得る。これらの低エネルギ・レーザの利点は、パルスをかなり高い速度、すなわち数パルス毎秒で発生し得ることであり、またこれらのレーザは販売業者から現在入手できる現用レーザである。
【００２９】
例えば、比較し得る２００Ｊ／ｃｍ２  の表面エネルギー密度に対して、５０Ｊの高エネルギ・レーザは４秒毎に１パルスを発し、そして１パルス毎に０．２５ｃｍ２  の面積をカバーする。３Ｊの低エネルギ・レーザ、例えば本発明のものは、毎秒１０パルスを発し、そして０．０１５ｃｍ２  の面積をカバーする。その結果は、高エネルギ・パルスの場合の面積の１６．７分の１の面積となるが、３Ｊの低エネルギ・レーザのパルス発生速度は高エネルギ・レーザのそれの４０倍である。正味効果として、低エネルギ・レーザを用いたレーザ衝撃ピーニングの所与時間内の全体的な面積カバー能力は２．４倍向上する。
【００３０】
特に有用な一種のレーザは、紫外線域のレーザ・ビームを発する気体媒体を用いるエキシマー（Ｅｘｃｉｍｅｒ）型レーザである。このようなレーザはナノ秒単位のパルス持続時間をもたらし、そして現在１０ジュール毎パルスに近づきつつあり、また至る所に衝撃を与える。これは被レーザ衝撃ピーニング表面の小さなまたは中位のスポット寸法で重要である。さらに、紫外線と航空機エンジンの硬質合金との相互作用は比較的少ない熱伝達を包含し、そして融解および蒸発と対比して材料を格子構造から引き離す融蝕過程に類似している。この特徴は、表面損傷（融解と再凝固）が、レーザ衝撃ピーニング方法により与えられる改良特性を相殺して余りあるおそれのあるレーザ衝撃ピーニング方法において重要となり得る。紫外線は、Ｎｄ添加ガラスによるレーザ衝撃ピーニングに必要と現在考えられている表面保護用の外側被覆の必要を極めて少なくするか皆無にし得る。
【００３１】
低エネルギ・レーザを用いる他の利点は、このようなレーザが通例比較的頑丈な工業用装置であることである。通例、低エネルギのランプ・ポンプ作用によるレーザの保守サイクルは百万パルスを超え得るもので、数千万パルスに接近し得る。高エネルギ・レーザの代表的な保守サイクルは約数万ショット（またはパルス）であり、５万ショットに近い。従って、低エネルギ・レーザに要するパルスの数の１６．７倍と、高エネルギ・レーザの５万パルスの保守サイクルに対する１千万パルスの控え目な保守サイクルとを計算に入れると、低エネルギ・レーザは所要点検整備頻度が高出力レーザより少なく、多分１０分の１程度である。
【００３２】
因子として比較的扱い難い低エネルギ・レーザの他の利点は装置の複雑さの度合いである。低エネルギ・レーザは、３または４個の小さなレーザ・ヘッドと、６または８個のフラッシュ・ランプと、比較的小さな電源とを有する。高エネルギ・レーザは、例えば、４個の比較的大きなヘッドを含む少なくとも５個のヘッドと、それに対応する大きな電源と、１０〜１８個のフラッシュ・ランプとを有する。他所に開示されている幾つかの高エネルギ・レーザは、１４個もの多数のヘッドと、１０個の大きな電源と、４０個を超えるフラッシュ・ランプ（いかなるレーザ装置でも高整備品目）とを有する。いかなるレーザ用法も、装置の全要素、すなわち、ヘッドとランプと電源と制御装置の適正な働きに依存する。高エネルギ・レーザにおける摩耗し得る部品の全数と、多量の部品の処理に要するパルスの長期間の数は、より複雑でない低エネルギ・レーザに対して、高エネルギ・レーザの信頼性を疑わしいものにする。
【００３３】
低エネルギ・レーザの他の利点は費用と調達である。低エネルギ・レーザは幾つかの販売業者の一つから約９０日で調達でき、その費用は約１００，０００ドルである。代表的なＬＳＰ装置は２つの低エネルギ・レーザを必要とし、その全費用は２００，０００ドルとなり得る。高エネルギ・レーザは費用が１，０００，０００ドルを超え、そして４，０００，０００ドル近くになることもあり、また、調達に６ヶ月以上、そして時には１年以上を要する。高エネルギ・レーザは、特殊な設計物であるから、特殊な予備部品を必要とし、これらも長い先行時間を要しそして比較的高価である。
【００３４】
以上、本発明の原理を説明するために本発明の好適実施例を詳述したが、本発明の範囲内で好適実施例の様々な改変が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法によりレーザ衝撃ピーニングされた航空機ガスタービンエンジンのファン翼の斜視図である。
【図２】本発明による前縁のレーザ衝撃ピーニングされた半径方向延在部分を含む別の航空機ガスタービンエンジンのファン翼の斜視図である。
【図３】図２の線３ー３に沿うファン翼の断面図である。
【図４】本発明の好適実施例による、レーザ衝撃ピーニングされた表面のレーザ衝撃ピーニングされた円形スポットから内方に延在するレーザ衝撃ピーニングされた突起の斜視図である。
【図５】本発明の好適実施例による立体的に相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた複数の突起の特定パターンの概略斜視図である。
【図６】図５におけるレーザ衝撃ピーニングされた円形スポットの上面図である。
【図７】図６におけるレーザ衝撃ピーニングされた円形スポットの２個の周囲の応力域の概略図である。
【図８】本発明の方法を例示するための、被覆されてレーザ衝撃ピーニング装置内に装着された図１の翼の概略斜視図である。
【図９】図８における構成で使用される装置の概略正面図である。
【符号の説明】
１    レーザ衝撃ピーニング装置
２    レーザ・ビーム
８    ファン翼
２１    カーテン状の流水
３１    発振装置
３４    翼形部
３５    光学装置
５０    前縁部
５３    突起
５４    被レーザ衝撃ピーニング表面
５５    融蝕性被覆
５６    突起の配列
５７    亀裂
５８    レーザ・ビーム・スポット
７０    後縁部
ＬＥ    前縁
ＴＥ    後縁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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