(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生産加工物のレーザー衝撃ピーニングプロセスの品質管理検査方法であって、下記段階：
（ａ） 加工物に付随した金属表面にレーザー衝撃ピーニング装置から１以上のレーザービームパルスを照射し、ある持続時間をもったプラズマを形成する段階であって、レーザー衝撃ピーニングプロセスで与えられる深い圧縮残留応力をもった領域をプラズマが上記表面下に生じさせる段階、
（ｂ） プラズマの持続期間内の複数の時点でプラズマの放射する複数の発光スペクトルをそれぞれ測定する段階、及び
（ｃ） 上記複数のスペクトルにおけるエネルギー相対分布を、加工物を合格又は不合格とするための合否基準と比較する段階を含み、前記合否基準が、前記複数の発光スペクトルのうちの類似エネルギー相対分布と高疲労破壊データとの相関関係であることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記金属表面が生産加工物上にあり、相関関係が、前記生産加工物と実質的に同じ試験片でしかも前記レーザー衝撃ピーニング装置と同一又は類似のレーザー衝撃ピーニング装置でレーザー衝撃ピーニング加工した試験片でのサイクル疲労試験に基づく、請求項１記載の方法。
【請求項３】
生産加工物のレーザー衝撃ピーニングプロセスの品質管理検査方法であって、下記段階：
（ａ） 加工物に付随した金属表面にレーザー衝撃ピーニング装置から１以上のレーザービームパルスを照射し、ある持続時間をもったプラズマを形成する段階であって、レーザー衝撃ピーニングプロセスで与えられる深い圧縮残留応力をもった領域をプラズマが上記表面下に生じさせる段階、
（ｂ） プラズマの持続期間内の複数の時点でプラズマの放射する複数の発光スペクトルをそれぞれ測定する段階、及び
（ｃ） 上記複数のスペクトルにおけるエネルギー相対分布を、加工物を合格又は不合格とするための合否基準と比較する段階
を含み、
前記複数のスペクトルにおけるエネルギー相対分布が、前記期間内の経時的な黒体放射ピーク強度波長分布であり、
該ピーク強度波長分布が、前記複数の発光スペクトルの各々についてピーク強度波長を求めることによって得られ、さらに前記複数のスペクトルにおけるエネルギー相対分布を比較する段階が、上記ピーク強度波長分布の黒体放射ピーク強度波長データを、加工物を合格又は不合格とするための合否基準と比較する段階を含むことを特徴とする、方法。
【請求項４】
前記合否基準が、ピーク強度波長試験データと加工物を合格又は不合格とするためのサイクル疲労破壊試験データとの相関関係である、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記合否基準が、前記プラズマの持続時間にわたり積算したピーク強度波長試験データと加工物を合格又は不合格とするためのサイクル疲労破壊試験データとの相関関係である、請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記試験片の各々が、同一又は類似のレーザー衝撃ピーニング装置でレーザー衝撃ピーニング加工した試験片の各レーザー衝撃ピーニング領域に、破壊を早める傷を有する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記金属表面が、生産加工物の材料と同一又は類似の材料でできた金属クーポン上にある、請求項１記載の方法。
【請求項８】
生産加工物のレーザー衝撃ピーニングプロセスの品質管理検査方法であって、下記段階：
（ａ） 生産加工物の表面にレーザー衝撃ピーニング装置から複数のレーザービームパルスを照射し、複数のプラズマを形成する段階であって、各々のパルスについてある持続時間をもつ各プラズマが、レーザー衝撃ピーニングプロセスで与えられる深い圧縮残留応力をもった領域を表面下に生じさせる段階、
（ｂ） プラズマの持続期間内の複数の時点で上記複数のプラズマの少なくとも一部のプラズマの各々が放射する複数の発光スペクトルをそれぞれ測定する段階、及び
（ｃ） 各プラズマの複数のスペクトルにおけるエネルギー相対分布を、加工物を合格又は不合格とするための合否基準と比較する段階を含み、前記合否基準が、前記複数の発光スペクトルにおける類似エネルギー相対分布と高疲労破壊データとの相関関係であることを特徴とする、方法。
【請求項９】
生産加工物のレーザー衝撃ピーニングプロセスの品質管理検査方法であって、下記段階：
（ａ） 生産加工物の表面にレーザー衝撃ピーニング装置から複数のレーザービームパルスを照射し、複数のプラズマを形成する段階であって、各々のパルスについてある持続時間をもつ各プラズマが、レーザー衝撃ピーニングプロセスで与えられる深い圧縮残留応力をもった領域を表面下に生じさせる段階、
（ｂ） プラズマの持続期間内の複数の時点で上記複数のプラズマの少なくとも一部のプラズマの各々が放射する複数の発光スペクトルをそれぞれ測定する段階、及び
（ｃ） 各プラズマの複数のスペクトルにおけるエネルギー相対分布を、加工物を合格又は不合格とするための合否基準と比較する段階を含み、
前記複数のスペクトルにおけるエネルギー相対分布が、前記期間内の経時的な黒体放射ピーク強度波長分布であり、該ピーク強度波長分布が、前記複数の発光スペクトルの各々についてピーク強度波長を求めることによって得られ、さらに前記複数のスペクトルにおけるエネルギー相対分布を比較する段階が、前記ピーク強度波長分布の黒体放射ピーク強度波長データを、加工物を合格又は不合格とするための合否規準と比較する段階を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１０】
前記合否基準が、ピーク強度波長試験データと加工物を合格又は不合格とするための高疲労破壊試験データとの相関関係である、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記合否基準が、前記プラズマの前記持続時間にわたり積算したピーク強度波長試験データと加工物を合格又は不合格とするための高疲労破壊試験データとの相関関係である、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記試験片の各々が、同一又は類似のレーザー衝撃ピーニング装置でレーザー衝撃ピーニング加工した試験片の各レーザー衝撃ピーニング領域に、破壊を早める傷を有する、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
ガスタービンエンジンの生産動翼のレーザー衝撃ピーニングプロセスの品質管理検査方法であって、
（ａ） 生産動翼の各々に付随した金属表面にレーザー衝撃ピーニング装置から１以上のレーザービームパルスを照射し、ある持続時間をもったプラズマを形成する段階であって、レーザー衝撃ピーニングプロセスで与えられる深い圧縮残留応力をもった領域をプラズマが上記表面下に生じさせる段階、
（ｂ） プラズマの持続期間内の複数の時点でプラズマの放射する複数の発光スペクトルをそれぞれ測定する段階、及び
（ｃ） 上記複数のスペクトルにおけるエネルギー相対分布を、生産動翼を合格又は不合格とするための合否基準と比較する段階を含み、前記合否基準が、前記複数の発光スペクトルにおける類似エネルギー相対分布と前記試験動翼の高疲労破壊データとの相関関係であることを特徴とする、方法。
【請求項１４】
前記金属表面が生産動翼の各々にあり、相関関係が、該生産動翼と実質的に同じ試験動翼でしかも同一又は類似のレーザー衝撃ピーニング装置でレーザー衝撃ピーニング加工した試験動翼でのサイクル疲労試験に基づく、請求項１６記載の方法。
【請求項１５】
ガスタービンエンジンの生産動翼のレーザー衝撃ピーニングプロセスの品質管理検査方法であって、
（ａ） 生産動翼の各々に付随した金属表面にレーザー衝撃ピーニング装置から１以上のレーザービームパルスを照射し、ある持続時間をもったプラズマを形成する段階であって、レーザー衝撃ピーニングプロセスで与えられる深い圧縮残留応力をもった領域をプラズマが上記表面下に生じさせる段階、
（ｂ） プラズマの持続期間内の複数の時点でプラズマの放射する複数の発光スペクトルをそれぞれ測定する段階、及び
（ｃ） 上記複数のスペクトルにおけるエネルギー相対分布を、生産動翼を合格又は不合格とするための合否基準と比較する段階を含み、
前記複数のスペクトルにおけるエネルギー相対分布が、前記期間内の経時的な黒体放射ピーク強度波長分布であり、該ピーク強度波長分布が、前記複数の発光スペクトルの各々についてピーク強度波長を求めることによって得られ、さらに前記複数のスペクトルにおけるエネルギー相対分布を比較する段階が、上記ピーク強度波長分布の黒体放射ピーク強度波長データを、生産動翼を合格又は不合格とするための合否基準と比較する段階を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１６】
前記合否基準が、ピーク強度波長試験データと生産動翼を合格又は不合格とするための前記試験動翼のサイクル疲労破壊試験データとの相関関係である、請求項１９記載の方法。
【請求項１７】
前記合否基準が、前記プラズマの前記持続時間にわたり積算したピーク強度波長試験データと生産動翼を合格又は不合格とするための前記試験動翼のサイクル疲労破壊試験データとの相関関係である、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
生産動翼及び試験動翼の前記金属表面が、少なくともその動翼の前縁の一部に沿っていて、各試験動翼が、同一又は類似のレーザー衝撃ピーニング装置でレーザー衝撃ピーニング加工した試験動翼の各レーザー衝撃ピーニング領域に、破壊を早める傷を有する、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記破壊を早める傷が、試験動翼の前縁の一部に設けられたノッチである、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属表面のレーザー表面処理の品質保証に用いられるプロセス監視方法に関するものであり、具体的には、レーザー生成プラズマの発光スペクトル強度をその持続時間にわたって測定することによってレーザー衝撃ピーニング（ＬＳＰ）プロセスの品質保証を与える方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー衝撃ピーニングは、レーザー衝撃加工とも呼ばれ、加工物の表面をレーザー衝撃ピーニングすることによって深い圧縮残留応力を付与した領域を生じさせる方法である。レーザー衝撃ピーニングは、通例、「Altering Material Properties」と題する米国特許第３８５０６９８号、「Laser Shock Processing」と題する米国特許第４４０１４７７号及び「Material Properties」と題する米国特許第５１３１９５７号に開示された方法と同様、加工物の表面に強烈な衝撃波を生じさせるため高出力パルスレーザーからの１つ以上の放射パルスを用いる。レーザー衝撃ピーニングとは、当技術分野で理解されかつ本明細書で用いる通り、レーザービーム源からのパルスレーザービームを利用して、表面の薄層又は表面のコーティング（例えば、テープ又は塗料）の瞬間的なアブレーション又は気化によってレーザービームの衝突点に爆発的な力を発生させることにより、その表面に強い局部的圧縮力を生じさせることを意味する。
【０００３】
レーザーピーニングは加工物の外表面に圧縮応力を加えた保護層を生成するのに利用されており、かかる保護層は、「Laser Peening System and Method」と題する米国特許第４９３７４２１号に開示されている通り、加工物の疲労破壊に対する耐性を大幅に高めることが知られている。かかる方法では、通例、加工品の上を流れる水のカーテン、或いは封じ込めプラズマ媒質を与えるその他の方法を用いる。こうした媒質によってプラズマは迅速に衝撃波圧力に達することができ、塑性変形及びそれに付随した残留応力パターンを生ずるが、この塑性変形と残留応力パターンがＬＳＰ効果をなす。
【０００４】
レーザー衝撃ピーニングは、ガスタービンエンジン分野の数多くの用途向けに開発されており、その幾つかはいずれも本願出願人に譲渡された「On The Fly Laser Shock Peening」と題する米国特許第５７５６９６５号、「Laser shock peened gas turbine engine fan blade edges」と題する米国特許第５５９１００９号、「Technique to prevent or divert cracks」と題する米国特許第５５６９０１８号、「Distortion control for laser shock peened gas turbine engine compressor blade edges」と題する米国特許第５５３１５７０号、「Laser shock peened rotor components for turbomachinery」と題する米国特許第５４９２４４７号、「Adhesive tape covered laser shock peening」と題する米国特許第５６７４３２９号、及び「Dry tape covered laser shock peening」と題する米国特許第５６７４３２８号に開示されている。これらの用途だけでなく他の用途でも、レーザー衝撃ピーニングを用いた生産工程の効率的な品質保証評価法が必要とされている。
【０００５】
レーザー衝撃ピーニングプロセスの開発は、「Laser shock peened gas turbine engine fan blade edges」と題する米国特許第５５９１００９号及び「Distortion control for laser shock peened gas turbine engine compressor blade edges」と題する米国特許第５５３１５７０号に開示されているように、ファン及び圧縮機の翼形部及び動翼の前縁及び後縁の正圧面と負圧面を同時にＬＳＰ加工するために行われてきた。片側をショットピーニング加工したアルメンストリップは、ショットピーニング品質管理の分野で良く知られており、米国特許第２６２０８３８号を参照されたい。しかし、アルメンストリップは一回のレーザービーム衝撃の効果の尺度を与えるようには設計されていない。ＬＳＰプロセスでは、高パルスエネルギー・短パルス幅レーザーシステムを用いる必要がある。高エネルギーと短パルス幅の組合せ並びに（例えば水−気界面での）ビーム経路の安定性のバラツキのため、加工中の部品に加えられた真の（較正された）エネルギーを知るうえでの電子測定システムの有用性が限られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従前用いられてきたレーザー衝撃ピーニング品質保証法の一つは、前縁をＬＳＰ加工した後検査前にＬＳＰ加工域にノッチを付けた動翼の高サイクル疲労（ＨＣＦ）検査である。この方法は試験片を破壊するもので、実施には相当な費用と時間がかかるだけでなく、ＬＳＰ加工部品の生産及び品質保証プロセスを大幅に遅らせる。ＨＣＦ検査は無作為抽出法であり、統計的品質測定法としては不十分である。ＬＳＰプロセスの非破壊評価（ＮＤＥ）であってしかも安価で正確で迅速な測定及び管理のための改良品質保証法があれば非常に望ましい。また、比較的安価で、加工物の犠牲的抽出標本に間接的に用いる代わりに実際の加工物に直接用いるに足る経済性をもったＮＤＥ品質保証法があれば望ましい。ＬＳＰは、あらゆる生産技術と同様、機械を必要とし、時間と経費を要するプロセスである。そのため、生産機械の量又は複雑さ及び／又は生産時間を低減できる技術であればどんなものでも非常に望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザー衝撃ピーニングプロセスに用いられる一回のレーザー照射の持続時間にわたってレーザーで発生したプラズマの発光の瞬間的スペクトル強度を測定する。本発明では、好ましくは、浜松ホトニクス（株）から市販されているストリークカメラ等の光学装置を用いた気化材料の瞬間的光スペクトルの解析によってプラズマの瞬間的光強度を測定する。
【０００８】
加工物の生産用レーザー衝撃ピーニングプロセスの品質管理方法は、生産用レーザー衝撃ピーニングプロセスの間に照射した個々のレーザー衝撃ピーニング用レーザーショットで気化した材料の付随プラズマの持続時間にわたり短時間で瞬間的スペクトル光強度を測定し記録する段階を含む。次に、記録したスペクトルの経時データを解析して瞬間的黒体プラズマスペクトルを求め、解析したスペクトルから経時的なプラズマ温度を解析し、次いで、解析したプラズマ温度を用いて生産用レーザー衝撃ピーニングプロセスの統計的管理を行う。
【０００９】
瞬間的光スペクトルの解析からの生産結果を用いて、生産用レーザー衝撃ピーニングプロセスが条件を満足しているか否かを決定する。本発明の方法の一実施形態では、瞬間的光スペクトルの解析からの生産結果を、生産加工物と同一又は類似の試験加工物であって同一又は類似するレーザー衝撃ピーニングでレーザー衝撃ピーニング加工した試験加工物の高サイクル疲労試験に基づく高サイクル疲労破壊の試験結果と瞬間的光スペクトルの解析との相関関係と比較する。さらに具体的な実施形態では、試験加工物の各々は、同一又は類似のレーザー衝撃ピーニングでレーザー衝撃ピーニング加工した試験片のレーザー衝撃ピーニング領域内に破壊を早める傷を有する。
【００１０】
ある例示的実施形態では、生産加工物は翼形を有するガスタービンエンジン動翼であり、試験加工物はレーザー衝撃ピーニング加工斑にノッチを付けた翼形を有するガスタービンエンジン動翼であり、ノッチは翼形部をレーザー衝撃ピーニング加工した後で設けられる。相関関係を求めるための瞬間的光スペクトルの解析は、翼形試験加工物のマルチパルスレーザー衝撃ピーニング加工斑の形成時の各レーザーパルスについて行われる。
【００１１】
本発明の一実施形態における相関関係は、レーザー照射で形成されるプラズマの放射する発光スペクトルをプラズマの発生からその短い寿命を終えるまでに測定して、そのスペクトルを古典的黒体スペクトルの形に統計的にフィットさせたものである。別の実施形態では、対象物にＬＳＰ加工領域を作り出す個々のＬＳＰ事象で得られる生産結果の解析を、生産用レーザー衝撃ピーニングプロセスの適否を決定するための生産結果の解析で与えられる次元と疲労寿命の拡大期間とを関連づける統計的フィットデータと対比する。
【００１２】
利点
本発明の利点は数多くあり、レーザー衝撃ピーニングプロセスで品質保証検査を行う際の費用、時間、人手及び複雑さが減ること等が挙げられる。本発明の別の利点は、インプロセス品質管理(in-process quality control)を提供することであり、レーザー衝撃ピーニング加工中に、その加工現場で、加工作業とリアルタイムに実際の生産部品について品質保証検査を行うことができる。本発明は、レーザー衝撃ピーニング加工時に品質保証検査を行うための中断時間を大幅に減らすのに役立つ。本発明は、現在ＱＡに使われているノッチ付高サイクル疲労検査の冗長で費用と時間のかかる方法に代わるものとなる。ＱＡは、実際の部品つまり加工物と共に実施でき、再現性が高く、レーザー衝撃ピーニングのＱＡ法として信頼性が高い。
【００１３】
本発明はその他にも生産上の利点を有しており、例えば、レーザービームが集束用光学機器及びビームステアリング用光学機器を通過して気／水界面を通過する前の、ビームの焦点及びエネルギー分布が変わってエネルギーが失われてしまうようなレーザーの原エネルギーを測定するのではなく、レーザーエネルギーの測定を部品上で測定する。本発明は、各プラズマの持続時間にわたって定性的効果を迅速かつ正確に測定する。本発明の測定装置は加工現場近くに設けて頻繁に利用することができ、リアルタイムの結果を与える。本発明は、本発明の再現性の高さ並びに検出器の光学機器に捕捉される光の量には依存しないことから、信頼性が高く正確なＱＡ法を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の上記の態様及びその他の特徴について詳細に説明する。
【００１５】
本発明は、図１に示すレーザー衝撃ピーニング加工斑１２を有する生産ファン動翼１０８（その全体は図７及び図８に示してある）で例示される生産加工物に用いられるレーザー衝撃ピーニングプロセスの品質管理のための品質保証法を提供する。品質保証は、通例、進行又は停止、合格又は不合格、承認又は拒絶式の検査又は解析である。本発明の方法及び技術は、米国特許第５４９２４４７号、同第５６７４３２９号、同第５６７４３２８号及び同第５５９１００９号に開示されているような航空機ターボファンガスタービンエンジンファン動翼その他の金属材料製の物品のような生産加工物でのレーザー衝撃ピーニングプロセスの品質保証に関する。本発明の方法は、好ましくは各々の加工物のレーザー衝撃ピーニング加工時又は加工後に、或いは、一群の加工物がレーザー衝撃ピーニングされる前後に行うことができる検査である。好ましくは、本発明の方法はすべてのレーザー照射で検査を行う。
【００１６】
図１に、レーザー衝撃ピーニング加工面１５４のレーザー衝撃ピーニング領域（斑ともいう）１２内に照射するレーザービーム１０２であり、レーザー衝撃ピーニング加工面１５４は、米国特許第５６７４３２９号及び同第５６７４３２８号に開示されているような塗料又は接着性テープ等のアブレーティブコーティング１６１で被覆され、被覆面１５５を形成している。塗料又はテープはアブレーティブ媒質を提供するが、好ましくはその表面は透明な封じ込め媒質（水１２１の流れのような透明な流体カーテンとし得る）で覆われる。アブレーティブコーティング１６１は各々の照射でアブレーションしてプラズマ８を発生し、ひいては、レーザー衝撃ピーニングプロセスの検査に使用し得る動翼その他の対象物の金属材料表面に衝撃波をもたらす。塗料の好適な代替物として、その他のアブレーティブ材料を用いて表面を被覆してもよい。かかる被覆物材料には、米国特許第５６７４３２９号及び同第５６７４３２８号に開示されているような金属箔又はプラスチック接着テープがある。
【００１７】
衝撃波は、流水カーテン１２１によって被覆表面１５５に向かって反転し、レーザー衝撃ピーニングすべき対象物の被覆表面下に衝撃波（強烈な圧力波）を発生させる。かかる衝撃波の振幅、波形及び数によって、ＬＰＳ加工の結果生じる塑性変形の度合並びに得られる残留圧縮応力の深さ及び強度が決まる。アブレーティブコーティングは、標的表面を保護するとともにプラズマ８を発生させるために用いられる。一つの例示的応用例では、レーザービーム衝撃で誘起される深い圧縮残留応力（圧縮応力が加わった領域１５６での）は概して約５０〜１５０ｋｐｓｉ（キロポンド／平方インチ）であり、レーザー衝撃ピーニング面１５４からプレストレスト領域１５６内部に約２０〜７０ミルの範囲の深さに達する。
【００１８】
図１には、レーザー衝撃ピーニング加工時のレーザービーム１０２の一回の照射で発生するプラズマ８の経時光強度を測定するシステム１０の例示的実施形態の概略図も示してある。システム１０を用いて得られたスペクトルの経時的光強度データから導き出される結果を用いて、レーザー衝撃ピーニングプロセスの品質管理のための品質保証法を実施する。ストリークカメラ６その他超高速ラインスキャン分光計等の手段を用いて、レーザービーム１０２の照射によるプラズマ８の持続期間内の所定期間ＰＴの様々な時点でプラズマ８の放射する光スペクトル（図２に示す）の経時スペクトル測定を行う。
【００１９】
ストリークカメラ６はスペクトル光強度データを経時的に記録して、データをデータ解析用のコンピュータ１７に送り、結果をモニタ１９に表示する。コンピュータを用いて、プラズマ持続時間内の極く短時間（レーザーパルス立ち上がり時間５ナノ秒では１ナノ秒程度の短さ）でのスペクトルにおけるエネルギーの相対分布を表すエネルギースペクトルの形を解析する。エネルギースペクトルの一般化した形状を図２に示すが、光強度を波長の関数としてグラフにした発光スペクトルを示す。プラズマの発する光スペクトル像は、ライン構造とスペクトル全体に分布する一般化バックグランドの双方を含んでいることが予想される。これらの２つのモード間に分配されるエネルギーの相対比は、検出器のスペクトル分解能にある程度左右される。分解能に劣るほど、ライン構造は一般バックグランドに融合されてしまう。黒体放射体については、白熱源のスペクトルエネルギー分布は図３に示す形をとる。ライン構造が完全に融合されるか否かにかかわらず、エネルギー分布は、黒体放射体の場合と同様にスペクトルの高エネルギー側（短波長側）にピークをもつ。このピークは、温度の上昇に伴ってスペクトルの短波長側に移動する。本発明の一実施形態では、実施に当たり、部分的に融合したスペクトルデータを理想化黒体スペクトルにフィットさせたものを用いて、プラズマの全持続時間にわたる有効黒体温度（瞬間的圧力に関連する）を求める。生産工程に際して、測定した光スペクトルデータを、好ましくは加工物の合否についての高サイクル疲労と関連づけられた所定の光スペクトル基準と比較する。
【００２０】
この所定の基準は、好ましくは、図９に示すようなレーザー衝撃ピーニング加工したノッチ付試験動翼１０９で例示される試験加工物の高サイクル疲労データと光スペクトル試験データとの相関関係に基づく。
【００２１】
図７及び図８を参照すると、生産ファン動翼１０８は、動翼プラットホーム１３６から動翼先端１３８まで半径方向外側に延在する翼形部１３４と、該プラットホーム１３６から半径方向内側に延在する根元部１４０を含んでいる。根元部１４０は、動翼シャンク１４４でプラットホーム１３６とつながる翼根部１４２を有する。翼１３４は、翼の前縁ＬＥと後縁ＴＥとの間で弦方向に延びる。翼形部１３４の翼弦ＣＨは、図８に示すような動翼の各断面での前縁ＬＥと後縁ＴＥの間の線である。翼形部１３４の正圧面１４６は矢印Ｖで示す概略回転方向と反対側に面しており、負圧面１４８は翼形部の反対側にあり、翼形中心線ＭＬは概して翼弦方向にこれら両側面の間の中央に設定される。
【００２２】
生産ファン動翼１０８は、翼形部１３４の前縁ＬＥに沿って動翼プラットホーム１３６から動翼チップ１３８まで延在する前縁部１５０を有する。前縁部１５０は所定の第１幅Ｗを有し、エンジン作動中に翼形部１３４の前縁に沿って欠け傷や裂け傷が生じかねない領域が含まれる。翼形部１３４は、エンジン作動中にファン動翼１０８の回転によって生ずる遠心力のため、非常に大きな引張応力場に付される。翼形部１３４はエンジン作動中に発生する振動も受け、欠け傷や裂け傷は高サイクル疲労応力増大因子として作用してその周囲にさらに応力集中を引き起こす。
【００２３】
欠け傷や裂け傷から成長し拡大する危険性のある亀裂線に沿った動翼部分の疲労破壊に対抗すべく、レーザー衝撃ピーニング加工斑１２は、初期欠け傷や裂け傷が高サイクル疲労による動翼破壊を引き起こしかねない前縁ＬＥの一部に沿って設けられる。レーザー衝撃ピーニング加工斑１２は、例示的な所定の破壊第１モード線ＬＭの起点となり得る前縁ＬＥの部分に沿って設けられる。レーザー衝撃ピーニング加工斑１２内で、正圧面１４６と負圧面１４８の少なくとも一方、好ましくは双方を同時にレーザー衝撃ピーニングして、両側に第１及び第２のレーザー衝撃ピーニング加工動翼面１５４ａ及び１５４ｂを形成するとともに、図８にみられる通り、レーザー衝撃ピーニング（ＬＳＰ）で付与された深い圧縮残留応力がレーザー衝撃ピーニング加工面から翼形部１３４内部に至るプレストレスト動翼領域１５６ａ及び１５６ｂを形成する。図示したプレストレスト動翼領域１５６ａ及び１５６ｂは前縁部１５０の一部にしかないが、所望とあれば前縁ＬＥ全体に及んでいてもよいし、その部分を延長してもよい。
【００２４】
本発明の品質保証法は生産動翼１０８のレーザー衝撃ピーニング加工時に行われ、好ましくは、レーザー衝撃ピーニング加工斑１２形成中の各レーザー照射毎に行う。別法として、ＱＡ検査は、レーザー衝撃ピーニングプロセス対照データを与えるため、一群の生産動翼１０８のレーザー衝撃ピーニング加工の前及び／又は後に犠牲動翼又はクーポンで実施してもよい。好ましくは、光スペクトルの経時測定は、生産ファン動翼１０８用に用いたのと同じレーザー衝撃ピーニング加工装置プロセスパラメータ、ビーム特性及び材料を用いて、レーザービーム１０２の照射毎に発生する各プラズマ８で行う。これによって、生産ラインの作業者は、加工物の生産工程全体に与える影響を最小限に止めながら、生産加工物の一部又は全部のリアルタイムでの品質保証検査にこの方法を用いることができる。
【００２５】
レーザー衝撃ピーニングプロセスの有効性評価を提供するため、レーザー衝撃パッチ内での各レーザーショットのスペクトルの経時特性及びそれらのショットの空間位置と、この方法で加工した動翼の疲労寿命との相関関係を明らかにする。相関関係を明らかにするため、レーザー衝撃ピーニング用の試験レーザー衝撃ピーニング加工面１５４を用いる。試験レーザー衝撃ピーニング加工面１５４は、好ましくは加工物と同じタイプの対象物上にあり、この実施形態では、試験動翼１０９である。別法として、図１１に示す通り、生産加工物と同じ材料及び同じ方法で調製つまりコーティングした試験クーポン１１０も使用できる。これら測定は、好ましくは、相関関係を求めるためのレーザー衝撃ピーニングと生産用レーザー衝撃ピーニングとで同じようにして行われる。
【００２６】
レーザー衝撃ピーニングプラズマの発光スペクトルの一般的形状を、光波長に対する光強度として図２に示す。ストリークカメラ６を用いると、具体的なスペクトルの詳細をプラズマ８の持続時間内に捕捉し得る。光エネルギーは、離散ライン構造の形で現れるものものと、連続した黒体放射体様分布として現れるものとに分けて示してある。これら２つの形態間でのエネルギーの相対分布は、プラズマ内の温度、圧力及び時間によって変化する。エネルギーの相対分布は検出器のスペクトル分解能の変化によっても変化するであろう。分解能が劣るほど、ライン構造は一般黒体様分布に融合される。本発明の好ましい実施形態では、プラズマの瞬間的温度を求めるため、ある時間にわたって得たプラズマの瞬間的スペクトルデータを、エネルギーの黒体放射分布及び温度にフィットさせたものを用いる。ただし、特定のプロセスパラメータの下で特定の犠牲的プロセス材料を用いて発生したスペクトルに基づく黒体様エネルギー分布も、瞬間的温度を求めるのに用いることができるはずである。離散輝線２４の相対的強度もプラズマ温度を明らかにするのに用いることができる。なお、本発明では黒体放射分布は、黒体様エネルギー分布、実測した黒体放射分布及び理想化黒体エネルギー分布を始めとする本明細書に記載の様々な形態の黒体放射分布を包含して意味する。
【００２７】
好ましくは、離散輝線２４は、図３に示す通り、黒体放射曲線２０によって解析スペクトルを黒体関連成分に制限するためスペクトル像平面を選択的にマスキングすることによってブロックされる。離散輝線２４は、ほぼスペクトル像平面で部分透過性物理フィルタによりフィルタリングし得るし、或いは、図１に示すコンピュータ１７を用いてコンピュータアルゴリズムによりフィルタリングしてもよい。その逆も真なりで、（上述の）スペクトルの不要な部分のマスキング又は狭周波数帯域通過フィルタリングのいずれかによって、所望の個々の輝線を選択的に通過させることもできる。
【００２８】
ピーク温度決定のため理想化黒体エネルギー分布のフィットを求めるのに、黒体様スペクトル全体を得る必要はない。幾つかの具体的に選択されたスペクトル箇所（波長）内の光強度を数点測定すれば、ピーク温度及び圧力の決定には十分であろう。
【００２９】
図４に、プラズマ８の持続期間内の期間ＰＴ内の１番目から１１番目の時点Ｔ１〜Ｔ１１でのプラズマの放射する瞬間的光スペクトルの代表例として、一連の仮想黒体様放射曲線２０を例示する。なお、これらの曲線は処理したスペクトルデータ又はデータを黒体様関数にフィットしたものであり、各時点での各々の曲線について、１番目〜第１１番目の発光スペクトルのそれぞれのピーク強度点ＰＩ１〜ＰＩ１１が存在する。
【００３０】
図５は、プラズマの黒体様スペクトルのピーク強度波長Ｌ並びにプラズマ温度Ｔ及びプラズマ圧力Ｐが、プラズマ８の持続期間ＰＴの時間内に経時的にどのように変化するかを示すものである。これらのパラメータの経時スペクトル関数又は曲線又は分布は、ストリークカメラ６で測定した発光スペクトルから導き出される。本発明の一実施形態では、これらのパラメータ曲線又は分布の一つを、生産時の品質保証にための相関関数として用いる。ストリークカメラ６で測定した測定発光スペクトルから温度の値や圧力の値を導き出すのは難しいが、黒体又は黒体様の関数にスペクトルデータをフィットさせて求めた黒体又は黒体様スペクトルピーク強度波長Ｌは、それ以上複雑な計算を必要としない。プラズマ圧力の経時的測定は、疲労寿命との相関関係の明確化に用いるのに望ましい関係であるが、圧力の正確な測定値を導き出すのに必要とされる様々な計算及び実証的研究はそのコストに見合わない。
【００３１】
好ましい相関関数又は曲線は、図５に示すプラズマ８の持続期間内の短い時間ＰＴにおけるスペクトルピーク強度波長Ｌ、プラズマ温度Ｔ又はプラズマ圧力Ｐの３つのパラメータ関数又は曲線のいずれかについて、時間積算したパラメータ関数又は曲線である。相関関数又は相関曲線は上記３つのパラメータ曲線のいずれからも導き出すことができ、パラメータ関数又は曲線をプラズマ８の持続期間内の期間ＰＴにわたって積算することによって時間積算関数又は曲線が得られる。
【００３２】
図６に示したのは積算スペクトルピーク強度波長曲線Ａ１であり、本発明の一実施形態の相関関係を得るための解析の一段階を示す。関連付け試験は、好ましくは、高サイクル疲労（ＨＣＦ）試験で得られるような疲労破壊に至るまでのサイクル数に基づく。本発明の例示的実施形態では、ノッチ付試験動翼１０９をレーザー衝撃ピーニングし、その際、レーザービーム１０２の照射毎に数ナノ秒のプラズマ持続時間内の様々な時点（例えば５〜２０の測定点）でプラズマ８の光スペクトル（図２に示す）の経時測定を行う。次に、照射毎又はレーザービームスポット毎に、図６に示すような積算ピーク強度波長曲線Ａ１を計算する。これで図１２に示す複数Ｂの積算スペクトルピーク強度波長曲線が得られるが、この曲線を次にレーザー衝撃ピーニング生産工程に用いた図１３に示すような相関曲線又は関数として直接用いるか、或いはかかる相関曲線又は関数を導き出すのに用いる。生産加工物のレーザー衝撃ピーニング生産工程時に、同じスペクトル測定値及び解析を用いて生産用積算スペクトルピーク強度波長曲線を得て、複数Ｂの積算スペクトルピーク強度波長曲線又は合否基準を用いて複数Ｂの曲線から導き出した品質保証に関する相関関係と対比する。
【００３３】
試験片又は試験動翼１０９は、好ましくは、実際の生産ファン動翼１０８と同じ方法で製造し、試験動翼１０９をレーザー衝撃ピーニング加工してパッチ１２を形成した後でノッチ１５２を加える。複数Ｂの積算スペクトルピーク強度波長曲線群を得た後、或いは、ストリークカメラからの原スペクトルデータを記録し保存した後、試験動翼１０９を破壊に至るまでその第１モード周波数で振動させる。相関関係を明らかにするには、多数の試験動翼１０９又は一個だけの試験動翼１０９にノッチを加えて高サイクル疲労試験に付してもよい。ノッチ１５２は、破壊を早める傷の代表的なものであり、動翼をレーザー衝撃ピーニング加工した後の前縁ＬＥにおけるプレストレスト動翼領域１５６ａ及び１５６ｂの所定位置に設けられる。好ましくは、ノッチ１５２は第１モード線ＬＭのような所定モード線に集中させる。動翼を励振する強制作用の時間幅及び振幅についての基準又は試験基準を満足していれば、合格であり、その複数Ｂの積算スペクトルピーク強度波長曲線の各々が生産工程時の品質保証検査に相関曲線として用いられる。生産レーザー衝撃ピーニングのパラメータが変わらない限り、全生産工程で一度の較正を用いることができると考えられる。代替的実施形態では、相関関係試験を、低サイクル疲労（ＬＣＦ）によって発生する疲労破壊に至るまでのサイクル数に基づくものとする。
【００３４】
レーザー衝撃ピーニング生産工程時のスペクトル解析は、関連付けについての上記の説明と同一であるが、解析すべき時点及び波長の数はそれほど多くない。
数点をコンピュータ１７を用いて解析し、相関関係に対してスクリーン１９に表示すれば、生産速度の低下を最小限にできる。
【００３５】
図１２に示したのは、生産加工物の合否検査のための上限と下限の間の合格範囲又は帯域を有する相関関係の一つである。レーザービームフルエンスの変動のようなレーザー衝撃ピーニングプロセスにおける変動を用いて、図１２に示す複数Ｂの積算スペクトルピーク強度波長曲線からの相関関係の試験及び展開の間に、積算スペクトルピーク強度波長の上限ＡＵ及び下限ＡＬ並びに積算スペクトルピーク強度波長平均ＡＭを確立することができる。次にこれを、レーザー衝撃ピーニング生産工程時に用いる図１３に示すような導出相関曲線又は関数として用いる。別法として、理想的補正曲線からの統計的偏差を解析して生産加工物の合否の判断に使用することができる。生産工程中のスペクトルカメラ６によるプラズマの光強度測定から測定・導出された積算スペクトルピーク強度波長曲線の実データは、好ましくは、各々の動翼についてのリアルタイムＱＡ検査のためにスクリーン１９に表示される。
【００３６】
図１０及び図１１に示したのは、生産ファン動翼１０８をレーザー衝撃ピーニングするためのレーザー衝撃ピーニングシステム１０１である。生産ファン動翼１０８は固定具８８に取り付けられ、固定具８８はＨｕｆｆｍａｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（事務所所在地：米国サウスカロライナ州２９７１０、クロバー、ハフマンウエイ１０５０）から市販の５軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）マニピュレータ１２７に装着される。例示的実施形態で示す５軸の動きは、ＣＮＣ機械加工で周知の慣用の並進軸Ｘ、Ｙ及びＺ並びに慣用の回転軸Ａ及びＣである。
マニピュレータ１２７は、好ましくは生産ファン動翼１０８を移動させて適所に配置するのに用いられ、レーザー衝撃ピーニング法及び本発明のレーザー衝撃ピーニング法による「オン・ザ・フライ式(on the fly)」レーザー衝撃ピーニングを行う。マニピュレータ１２７は、本発明の一実施形態による「オン・ザ・フライ式」レーザー衝撃ピーニングを行うために、動翼を連続的に移動して配置するのに用いられる。レーザー衝撃ピーニングは、塗料又はテープをアブレーティブ媒質として用いる多種多様な方法で実施し得る（特に「Adhesive tape covered laser shock peening」と題する米国特許第５６７４３２９号を参照）。生産動翼１０８及び試験動翼１０９の前縁ＬＥのパッチ１２のレーザー衝撃ピーニングプロセスには同じレーザー衝撃ピーニング装置を用いる。
【００３７】
定置高出力レーザービーム１０２を流水カーテン１２１を通して被覆表面１５５に漸進的に照射してレーザー衝撃ピーニング加工円形スポット１５８を重ね合せて形成しながら、生産ファン動翼１０８を連続的又は漸進的に移動させる。生産ファン動翼１０８は、好ましくは、生産工程と関連付けのためのＨＣＦ検査工程とで、同様にしてレーザー衝撃ピーニングする。水カーテン１２１は、慣用の給水管１１９の端部で慣用水ノズル１２３で供給されるものとして示してある。
レーザー衝撃ピーニングシステム１０１は、発振器１３３及び前置増幅器１３９Ａをもつ慣用ジェネレータ１３１と前置増幅レーザービームを２つのビーム光学伝送回路に送るビームスプリッター１４３と有しており、この２つのビーム光学伝送回路は各々第１増幅器１３９及び第２増幅器１４１を有しているとともに、被覆表面１５５上にレーザービーム１０２を伝送し焦点を合わせる光学素子を含んだ光学装置１３５を有している。レーザー衝撃ピーニングシステム１０１を変更・制御してレーザービーム１０２が被覆表面１５５に制御された状態で照射されるように、制御装置１２４を用いることができる。アブレーションしたコーティング材料は、流水カーテン１２１によって洗い流される。
【００３８】
図１１は、生産工程及び較正工程の双方で実際の加工物又は代表的加工物を使用する代替例を示す。動翼又は加工物が生産される生産工程における様々な時間において１以上の試験クーポン１１０にパッチ１２を形成する。例えば工程の最初に相関曲線を得るのに同じタイプのクーポンを使用し、しかる後に、レーザー衝撃ピーニング加工してノッチを加えた動翼をＨＣＦ破損に関して試験して図１２及び図１３に示す相関曲線及び関数を確立する。
【００３９】
重要な点として、レーザービーム１０２の位置が固定されたままであればカメラ６は固定しておくことができ、マニピュレータ１２７が生産ファン動翼１０８の向きを変え、移動させる。この特徴は、本発明の使い易さに関して大変重要であり、本発明の方法では相対的スペクトル光強度データ（特にピーク強度波長）を用いることによるものである。
【００４０】
本発明の原理を説明するため本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲を逸脱せずに上記の好ましい実施形態に様々な変更又は修正を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザー衝撃ピーニング（ＬＳＰ）プロセスで発生したプラズマから放射される光の経時的スペクトル強度の測定システムの例示的実施形態を示す概略図。
【図２】図１の測定システムで測定された所定の時点におけるプラズマの発光スペクトルを示す例示的グラフ。
【図３】図２の発光スペクトルから離散輝線を取除いた、図２から理想化した黒体放射を示す例示的グラフ。
【図４】図１のプラズマ持続期間内にシステムで測定された幾つかの時点での黒体放射を示す例示的グラフ。
【図５】図１のプラズマ持続期間における黒体スペクトルピーク強度波長の経時的変化を、プラズマ温度及びプラズマ圧力の２つの仮想プロットと共に示した例示的グラフ。
【図６】図１のプラズマ持続期間内の時間について積算したスペクトルピーク強度波長及び該積算ピーク波長強度とレーザー衝撃ピーニング効果の大きさ（曲線をフィットさせるためスケールを変更してある）との関係を示す例示的グラフ。
【図７】図１のファン動翼の斜視図。
【図８】図７の８−８線に沿ったファン動翼の断面図。
【図９】本発明の例示的方法で用いるノッチ付ファン動翼の斜視図。
【図１０】本発明の例示的実施形態によるレーザー衝撃ピーニングシステムに載置された図１の動翼の概略斜視図。
【図１１】本発明の代替実施形態によるレーザー衝撃ピーニングシステムに載置された図１の動翼を模擬した試験クーポンの概略斜視図。
【図１２】図６にその一つを示す試験データを用いて作成した複数の積算スペクトルピーク強度波長曲線の例示的グラフ。
【図１３】図１２に示す複数の積算スペクトルピーク強度波長曲線から導き出された導出相関曲線の例示的グラフ。
【符号の説明】
６            ストリークカメラ
８            プラズマ
１０          システム
１２          パッチ
１７          コンピュータ
１９          モニタ
２０          黒体放射曲線
２４          輝線
８８          固定具
１０１          レーザー衝撃ピーニングシステム
１０２          レーザービーム
１０８          生産ファン動翼
１０９          ノッチ付試験動翼
１１０          試験クーポン
１１９          給水管
１２１          流水カーテン
１２３          水ノズル
１２４          制御装置
１２７          マニピュレータ
１３１          ジェネレータ
１３３          発振器
１３４          翼形部
１３５          光学装置
１３６          動翼プラットホーム
１３８          動翼先端
１３９          第１増幅器
１３９Ａ        前置増幅器
１４０          根元部
１４１          第２増幅器
１４２          翼根部
１４３          ビームスプリッター
１４４          動翼シャンク
１４６          正圧面
１４８          負圧面
１５０          前縁部
１５２          ノッチ
１５４          レーザー衝撃ピーニング加工面
１５４ａ        第１レーザー衝撃ピーニング動翼面
１５４ｂ        第２レーザー衝撃ピーニング動翼面
１５５          被覆表面
１５６          プレストレスト領域
１５６ａ        第１プレストレスト動翼領域
１５６ｂ        第２プレストレスト動翼領域
１５８          円形スポット
１６１          アブレーティブコーティング
Ａ１            積算スペクトルピーク強度波長曲線
ＡＵ            積算スペクトルピーク波長の上限
ＡＬ            積算スペクトルピーク波長の下限
ＡＭ            積算スペクトルピーク波長平均
ＣＨ            翼弦
Ｌ              ピーク強度波長
ＬＭ            第１モード線
ＭＬ            翼形中心線
Ｐ              プラズマ圧力
ＰＴ            持続期間
Ｔ              プラズマ温度
Ｖ              回転方向
Ｔ１〜Ｔ１１            １番目〜第１１番目の時点
ＰＩ１〜ＰＩ１１        １番目〜１１番目のピーク強度点
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】
0004572412.tif 000009
【図９】
0004572412.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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