(57)【要約】【課題】程度の差はあっても破損されがちな、特に異物および侵食材によって破損されるすべての表面部分が、表面副層を圧縮させることにより処理されるが、コストが許容範囲にとどまる、部品、特にブレードを提供する。【解決手段】本発明は、部品の表面下の層を圧縮させることにより処理された、少なくとも第１のゾーンを備える金属部品に関する。本発明は、ショットピーニングによって圧縮させられた少なくとも第１の層、およびレーザ衝撃ピーニングによって圧縮させられた、より深い下の第２の層を備えることを特徴とする。部品は、ターボ機械であってよい。本方法によると、前記ゾーンは、まずプレストレスショットピーニングによって処理され、続いてレーザ衝撃ピーニングによって圧縮処理される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面下の層を圧縮することにより処理された少なくとも第１のゾーンを備える金属部品であって、前記第１のゾーンが、ショットピーニングによって圧縮させられた少なくとも第１の層と、レーザ衝撃ピーニングによって圧縮させられた、より深い下の第２の層とを備える、金属部品。
【請求項２】
前記第１のゾーンとは異なる第２のゾーンが、ショットピーニングだけによって圧縮させられる、請求項１に記載の部品。
【請求項３】
二つのゾーンが隣接する、請求項２に記載の部品。
【請求項４】
ショットピーニングが、超音波タイプである、請求項１から３のいずれか一項に記載の部品。
【請求項５】
ショットピーニングによって圧縮させられた層が、０．２ｍｍから０．３ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載の部品。
【請求項６】
第１の層の残留応力が、５００ＭＰａから７００ＭＰａである、請求項５に記載の部品。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の部品を形成するターボ機械ブレードであって、部品の前記第１のゾーンが、少なくとも部分的に前縁（ＬＥ）、後縁（ＴＥ）、および／または先端に沿って延在する、ターボ機械ブレード。
【請求項８】
請求項７に記載のブレードを備える、ターボ機械ロータディスク。
【請求項９】
一体型のブレード付きディスクまたはブリスクである、請求項８に記載のロータディスク。
【請求項１０】
請求項７に記載のブレードを備える、コンプレッサ。
【請求項１１】
請求項７に記載のブレードを備える、ターボ機械。
【請求項１２】
請求項１から６のいずれか一項に記載の金属部品を処理する方法であって、前記第１のゾーンがショットピーニングによって処理され、レーザ衝撃ピーニングによる前記第１のゾーンの処理が後に続く、第１の処理ステップを含む、方法。
【請求項１３】
前記第１のゾーンと、第１のゾーンとは異なる第２のゾーンの両方が、ショットピーニングによって処理され、次に、第１のゾーンだけがレーザ衝撃ピーニングによって処理される、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部品の表面下にある層を圧縮することによる、金属部品の処理の分野に関する。本発明は、特に、機械的および熱的の両方の高応力を受ける部品の寿命を改善するためにこのような技術が使用される、航空用ターボ機械の分野に関する。したがって、特に、ブレード、ロータディスク、またはブリスク（一体型のブレードディスク）が取り扱われる。
【背景技術】
【０００２】
金属部品の内層を圧縮するいくつかの技術が知られている。第１の従来の技術によれば、前記層は、金属部品の表面および副層に残留応力を作り出すことを目的とする球ショットピーニングによって圧縮される。この圧縮応力の目的は、亀裂の出現を遅らせること、または、既存の亀裂イニシエータを塞ぐことである。その結果として、金属部品の機械的挙動が改善される。使用されるショットは、ガラス、セラミック、またはスチールのような硬い材料で作られ、処理されるべき部品の表面に高速で吹き付けられる。吹き付けは、タービン機械内で行われ、または、例えば、ノズルを用いてガス（空気）流への引き込みによって行われる。ガスは、膨張させられ、ショットが膨張によって生成された流れに取り入れられる。
【０００３】
ショットのピーニング動作下で、降伏点を超えた表面は塑性変形され、下にある金属層を圧縮する。これらの圧縮応力は、このように、疲労強度、耐食性、および摩擦係数を改善する。ショットの衝撃は、ある深さまで金属に圧縮応力を作り出す。
【０００４】
この技術を使用すると、圧縮の深さは、最大で１５０μｍに達し、表面に約４００ＭＰａから５００ＭＰａ、約５０μｍの深さで５００ＭＰａから６００ＭＰａの圧縮応力がある。
【０００５】
別のプレストレスをかけるショットピーニング技術は、超音波を使用し（以下ではＵＳショットピーニングと称する）、本出願人の名義で欧州特許出願公開第１２０８９４２号明細書および欧州特許出願公開第１２０７０１３号明細書に記載され、この技術は、超音波振動生成手段によって励起される、ソノトロード（ｓｏｎｏｔｒｏｄｅ）の活性表面によって、処理されるべき部品を格納する密閉されたチャンバにおいて、作り出されたショットのスプレーの形態でショットを運動させることにある。この技術では、圧縮下にある深さは、３００μｍから４００μｍに至り、表面に約５００ＭＰａから６００ＭＰａ、５０μｍから１００μｍの深さで７００ＭＰａから９００Ｍｐａの残留圧縮応力がある。一般に、超音波ショットピーニングは、ガスジェットショットピーニングより実質的に激しく、かつ深い所で圧縮応力を発生する。
【０００６】
本出願において、用語「ショットピーニング」は、機械的衝撃によるショットピーニングを意味し、ガスのジェットによって吹き付けされるか、または、超音波振動によるか、あるいはローラバニシングによるかのいずれかで運動させられるショットを使用するピーニングを網羅することが分かる。
【０００７】
ショットピーニング以外の別の技術では、圧縮は、より大きな深さがより高レベルの圧縮で処理され得る、レーザ衝撃ピーニングによって引き起こされる。圧縮下の深さは約０．５ｍｍから１．５ｍｍであるが、数ミリメートルに達することもあり、約３５０ＭＰａから１０００ＭＰａの残留圧縮応力がある。一般に、レーザ衝撃処理は、例えば、同程度の応力レベルに対して、ＵＳショットピーニングより２倍から３倍大きな深さに残留圧縮応力を発生する。しかし、このレーザ衝撃ピーニングプロセスは実施するのに、比較的時間がかかる。レーザの印加は、処理される表面がアブレーティブコーティング、すなわち、塗料または粘着テープのいずれかで覆われることを必要とし、レーザビームの影響下でのスパッタリングによる塗料またはテープのアブレーションは、処理される材料を圧縮させる衝撃波を生成する。この衝撃波は、アブレーティブコーティングを覆いかつレーザビームを透過する材料によって閉じこめられる。一般に、この材料は流水のカーテンである。レーザは、約１０ナノ秒から３０ナノ秒（１０ｎｓから３０ｎｓ）のパルス持続期間と、１ヘルツから数ヘルツ未満の発射周波数をもつ、１０ＧＷ／ｃｍ２のオーダーのパワー密度を出力する能力がなければならない。
【０００８】
レーザ衝撃インパクトスポットは、１０平方ミリメートルのオーダー（特に、１０ｍｍ２から２０ｍｍ２）の面積に及ぶ円形、四角形、楕円形、あるいは場合によってその他の形状を有する。インパクトは、深さの全範囲が処理され、予想される最大応力レベルが徐々に達成されるように、各スポットで３回から４回ずつ繰り返される。しかし、レーザの各インパクトにおいて、コーティングが、レーザスポットの表面上で（または、それをわずかに越えるまで）スパッタされるので、発射毎にアブレーティブコーティングを新しくすることが必要である。
【０００９】
さらに、たとえわずかでも、コーティングがスポットのエリアを越えるレーザインパクトによって破壊されるので、処理されるべき表面全体を、たった１回のシーケンスのレーザスポットで走査することは不可能である。したがって、従来技術によれば、所与の表面の処理は、一連の３回から４回の走査を必要とする。所与の表面の処理は、インパクト間に任意の処理されていないエリアが離れないように、インパクトスポットの部分的な重なり合いによって実行される。表面は、間隔を空けられたスポットの行による走査を行い、表面上のすべての点に達するように、スポットの行内でわずかにシフトさせて走査を数回繰り返すことによって処理される。
【００１０】
これは、同様にコーティングを毎回新しくすること必要とする。その結果として、所与の表面を処理するため、コーティングは、１２回に至るまで新しくされなければならない（例えば、欧州特許第０７９４２６４号明細書に記載されたプロセスを参照されたい）。この技術の実施には、時間を要し、複雑であるため、結果としてコストがかかる。したがって、処理されるべきゾーンの範囲を制限することが好ましい。
【００１１】
ブレードの場合、上記の処理は、前縁または後縁のようなブレードの周囲にあるゾーンに位置するゾーンで適用される。これら前縁と後縁は、局部変形、引裂、または亀裂の原因になる、高度に浸食性の粒子または異物の衝撃によって引き起こされる破損の影響を最も多く受ける。しかし、ブレードのその他の部分が、破損を免れるわけではない。例えば、圧力面上にかき傷が付けられたゾーンがあることが分かっている。
【００１２】
上記の理由から、ブレードの広範囲に亘るエリアをレーザ衝撃ピーニングによって処理することは、経済的に有利でないであろう。
【特許文献１】欧州特許出願公開第１２０８９４２号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第１２０７０１３号明細書
【特許文献３】欧州特許第０７９４２６４号明細書
【特許文献４】米国特許第５５３１５７０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、したがって、程度の差はあっても破損されがちな、特に異物および侵食材によって破損されるすべての表面部分が、表面副層を圧縮させることにより処理されるが、コストが許容範囲にとどまる、部品、特にブレードを提供することである。
【００１４】
さらに、レーザ衝撃ピーニングと同じ程度の強度でピーニングによって処理されるゾーンは、そのゾーンの周囲に、応力すべてを相殺する局部引張応力を生じることが分かっている。したがって、大きな張力勾配を阻止し、張力のあるゾーンを敏感なゾーンから確実に遠ざけることにより、これら引張応力の影響を低減することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的は、本発明による金属部品によって達成され、この金属部品は、表面下の層を圧縮することにより処理された少なくとも第１のゾーンを備え、前記第１のゾーンは、ショットピーニングによって圧縮させられた少なくとも第１の層と、レーザ衝撃ピーニングによって圧縮させられた、第１の層より深い下にある第２の層とを含む。
【００１６】
第２の層を圧縮することは、残留圧縮応力が従来のショットピーニングによって獲得され、約３００ＭＰａから５００ＭＰａであるならば、第１の層における残留圧縮応力を増加させる効果をさらにもつことができる。従来の超音波ショットピーニングの場合、残留圧縮応力は、約７００ＭＰａから８００ＭＰａであるが、レーザ衝撃ピーニングは、殆ど、または全く増加を生じさせない。
【００１７】
ターボ機械ブレードの場合、前記ゾーンは、前縁、後縁、および／またはブレードの先端に沿って延在することが有利である。当該ブレードは、特に、ファンジェットエンジン内のファンブレードのような中実コンプレッサブレードである。しかし、本発明は、ターボ機械ブレードに限定されることなく、ロータ、特にロータディスク、およびより詳しくは、ブリスクにも適用される。
【００１８】
本発明の解決策は、ショットピーニング、特に超音波ショットピーニングによる圧縮処置が、レーザ衝撃ピーニングによって得られる残留応力レベルと同程度の残留応力レベルを提供することができるが、残留応力がより浅い深さだけで作り出されるという観察から得られる。より安価なショットピーニング圧縮処理を、レーザ衝撃ピーニング圧縮処理と組み合わせることにより、製造の観点から一般的により経済的な製品が得られる。
【００１９】
好ましくは、部品は、前記第１のゾーンとは異なり、ショットピーニングだけによって圧縮させられる第２のゾーンを有する。より詳しくは、ショットピーニングは、超音波ショットピーニングである。
【００２０】
本発明は、前記第１のゾーンがショットピーニングによって処理される第１の処理ステップを含み、レーザ衝撃ピーニングによってこの第１のゾーンが処理される第２の処理ステップが後に続く、金属部品を処理する方法にも関係する。
【００２１】
特に、第１のステップにおいて、前記第１のゾーン、および第１のゾーンとは異なる第２のゾーンは、ショットピーニングによって処理され、次に、第２のステップにおいて、第１のゾーンだけがレーザ衝撃ピーニングによって処理される。
【００２２】
好ましくは、二つのゾーンは隣接するので、漸進的な残留応力勾配を作り出す。圧縮されていない隣接ゾーンによって境界が定められ、レーザ衝撃ピーニングによって処理されたゾーンを備える部品とは異なり、亀裂が現れ得る応力の急激な上昇の影響を受ける隣接部分は作り出されない。さらに、このような応力の急激な変化によって発生させられる薄いブレードのような部品内の変形は、回避される。
【００２３】
レーザインパクトの重なり合いの削減も、レーザ衝撃処理によって発生させられる変形に関して有利である。なぜならば、例えば、コンプレッサブレード内の歪みのレベルは、インパクトの重なり合いの量が多くなるほど高くなることが分かったからである。このことは、例えば、米国特許第５５３１５７０号明細書に報告されている。本発明による好ましい重なり合いの量の削減は、したがって、この観点からも有益である。
【００２４】
本出願は、本発明によるブレードを備える、ターボ機械ロータディスク、特にブリスクにも関する。本出願は、本発明によるブレードを備えるターボ機械、特に、本発明によるコンプレッサブレードが設けられたターボジェットにも関する。
【００２５】
その他の特長および利点は、以下の図により構成された添付図面と共に、以下の本発明の非限定的な実施形態の説明に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１から分かるように、ブレード１は、根元部３、プラットフォーム５、およびエアフォイル７を備える。ブレードは、根元部３を介して、適当なハウジング内のロータディスクの周囲に取り付けられる。プラットフォームは、ガス流が案内される一続きの環状ダクトを提供する。
【００２７】
空気力学的形状のエアフォイル７を、ガス流が吹き抜ける。ブレードのまさにこの部分が、寿命に影響を与える外部応力にさらされる。前縁ＬＥおよび後縁ＴＥは、例えば、モータによって取り込まれて、ファンブレードに突き当たる異物からの、激しい衝撃に晒される可能性がある。これらの衝撃は、エアフォイルの周囲ゾーンに深さ方向の影響を与える可能性がある。腐食性粒子の衝撃のようなその他の衝撃は、より表面的であるが、かき傷および摩耗の形でエアフォイルのさらに延長されたゾーンで見つかる。ピーニングによって生成された残留応力は、部品の寿命を保つことを目的とする、破損および亀裂伝搬の制限、および疲労抵抗の増大に役立つ。
【００２８】
本発明によれば、部品は、最初に、破損され易いゾーンの少なくとも一部に、しかし好ましくは全部に対応する、延長された表面に亘って、ショットピーニングによって処理される。この処理は、有利には、超音波ショットピーニング処理である。この技術によって処理されるゾーンは、概略的に７１に示されている。このゾーンは、前縁ＬＥと後縁ＴＥとの間のエアフォイルの圧力面に広がる。このゾーンは、前縁ＬＥのエアフォイル下流側の吸気面に部分的に広がる。表面下の圧縮される層の厚さは、約０．３ｍｍであり、より一般的には約０．２ｍｍである。この深さで達成された残留応力レベルは、約４００Ｍｐａから５００ＭＰａである。
【００２９】
この結果を得るため、ＴＡ６Ｖチタニウム合金へのＵＳショットピーニング処理の一例が、後述される。直径１．５ｍｍの１００Ｃ６鋼ショットが、超音波周波数で振動するソノトロードによって、８５ミクロンの振幅で運動するように行われた。意図された重なり合いの程度は、４０％であり、処理時間は５２秒であった。得られた圧縮応力は、７００Ｍｐａにまで達し、２５０ミクロンから３００ミクロンの深さまで広がった。
【００３０】
レーザ衝撃処理は、次に、非常に高い応力を受けるゾーン、すなわち、特にＬＥおよびＴＥ、場合によっては、同様に先端で実行された。ここでは、このゾーン７３は、指定された距離だけ下流側の前縁ＬＥの領域に制限された。
【００３１】
この技術の原理は、図５に関連して後で記載される。
【００３２】
処理されるべき部品１００は、いわゆるアブレーティブ層１０２によって覆われ、パルス状のレーザビーム１０６が、閉じこめ層１０４を通して部品に印加される。
【００３３】
方法の種々のステップは、以下の通りである。
１）塗料または粘着テープの塗布により、アブレーティブ層１０２を準備し、任意に、アブレーションは、金属表面上で直接的に行われる。
２）例えば、流水またはガラス板のカーテンである閉じこめ層１０４を置く。
３）インパクトスポットが、円形、楕円形、またはその他の形状を有し、１０ｍｍ２のオーダーの面積をもつディスクの形態であるレーザ１０６を発射する。インパクトスポットは互いに接近するが、常にアブレーティブ層の未使用のゾーンに対応するように重なり合いは全くない。部品とレーザ焦点合わせヘッドは、相対的に移動させられる。
４）蒸発されないアブレーティブ層の部分を除去し、表面を清浄する。
５）新しいアブレーティブ層を塗布する。
６）ポイント２）からこのサイクルを繰り返す。
【００３４】
アブレーティブ層は、レーザビームによって蒸発され（１０８）、閉じこめ層によって閉じこめられる。この結果として、衝撃波１１０が形成され、衝撃波は、金属材料内を伝搬し、このように、金属材料を圧縮させる。
【００３５】
これらの操作は、対象とされる表面を望ましい回数のインパクトの重なり合いで覆うために、従来技術のレーザ衝撃ピーニング方法では、１０回から１２回繰り返されるべきシーケンスを形成する。
【００３６】
本発明によれば、操作の回数は、予めショットピーニング、特にＵＳショットピーニングによって処理されたゾーンを、レーザ衝撃ピーニングすることにより削減される。この先行のショットピーニングは、残留圧縮応力が、部品の表面下の０．２ｍｍから０．３ｍｍの深さで、約５００ＭＰａから７００ＭＰａであるように実行される。
【００３７】
図６は、部品上の衝撃スポットの分布の一例を表す。第１のインパクトスポットＩ１は、接触するディスクである。第２のインパクトスポットＩ２の行もまた、接触するディスクにより構成されるが、走行方向ＲＤに対する横断方向と長手方向の両方に、半径１つ分オフセットされている。
【００３８】
本発明の処理は、処理されたゾーンが、レーザ衝撃ピーニングによって生成された残留圧縮応力と同じレベルの残留圧縮応力を有する層を既に含むので、必要とされるレーザインパクトが少なくなる。２個の隣接するインパクトスポット間の圧縮応力レベルは、ゼロではないため、インパクトスポットの完全な重なり合いが存在する必要がない。これによって、パスの回数が少なくなり、コーティングを新しくしなければならない回数も少なくなる。処理時間は、４０％から５０％だけ短縮され得る。
【００３９】
必要に応じて、圧縮処理の後に、特に研磨テープまたは研磨ペーストを用いて、磨き操作、摩擦仕上げ、または研磨が続く。この場合、コーティングを塗布する必要がなく、アブレーションが、金属表面上で直接的に実行されることに留意されたい。
【００４０】
処理は、新しい部品に適用されるが、材料表面仕上げによって修理されたブレードにも適している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ターボ機械ブレードの概略図である。
【図２】ショットピーニングによって処理された表面を示す、図１のブレードの方向Ａ−Ａによる断面図である。
【図３】本発明によるショットピーニングおよびレーザ衝撃ピーニングによって処理されたゾーンを示すブレードの図である。
【図４】本発明によるショットピーニングおよびレーザ衝撃ピーニングによって圧縮させられた表面下にある層を示す、図３のブレードの方向ＢＢによる断面図である。
【図５】レーザ衝撃圧縮処理の説明図である。
【図６】処理中のレーザビームインパクトの走査シーケンスを示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  ブレード
３  根元部
５  プラットフォーム
７  エアフォイル
１００  処理されるべき部品
１０２  アブレーティブ層
１０４  閉じこめ層
１０６  レーザビーム
１１０  衝撃波
Ｉ１  第１のインパクトスポット
Ｉ２  第２のインパクトスポット
ＬＥ  前縁
ＴＥ  後縁
【図１】
2007050504.tif 000003
【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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【外国語明細書】
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