JP2002239759A - レーザ衝撃ピーニングテープの方法及び物品 - Google Patents

レーザ衝撃ピーニングテープの方法及び物品

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 部品のレーザ衝撃ピーニングに関し、その部
品内に局部的な圧縮残留応力を生成するための消耗媒体
を含むテープに関し、レーザパルスの繰り返しの使用に
よく耐える改良された消耗テープを提供する。 【解決手段】 消耗テープ５９は、ポリマー２３及び分
散された金属成分２５を含む消耗媒体６１を含み、基板
表面に貼られ、高出力レーザパルスの照射により、消耗
媒体が気化する際に発生する衝撃性により衝撃ピーニン
グが施される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、部品のレーザ衝撃
ピーニングに関し、その部品内に局部的な圧縮残留応力
を生成するための消耗媒体を含むテープに関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）は、タ
ービンエンジンの部品のような加工品の表面領域にわた
って深い圧縮残留応力の領域を生成する工程である。レ
ーザ衝撃ピーニングは、典型的には、高出力レーザから
の多数の放射パルスを使用する。パルスすなわち「ヒッ
ト」が、その部品表面に衝撃波を生成する。その部品表
面は、一般的にペイント或いはテープで覆われており、
それらは消耗材料として機能する。消耗材料の幾らかの
量はレーザ光線との接触で気化する。急速な気化が、衝
撃波を発生し、この衝撃波は金属の中に伝わり、塑性変
形を通して圧縮残留応力を引き起こす。衝撃波を該部品
に向けるために、封込め媒体を使用することができる。
封込め媒体は、透明なプラスティック或いは水カーテン
のような透明な材料の層を含む。ＬＳＰ工程は、その部
品内に圧縮応力を引き起こし、疲労破壊に対する抵抗を
大巾に増加させる。
【０００３】消耗テープは、ＬＳＰ消耗材料を提供する
ために開発された。このテープは、消耗層の一方の側に
粘着性の層を含むことができる。しかしながら、ＬＳＰ
工程で普通に使われている消耗テープは、使用中に劣化
することがある。その劣化は、テープの同じ領域にレー
ザ光線のパルスが繰り返し与えられることによる場合が
ある。そのテープの劣化は、その下にある部品表面に
「バーンスポット」及び損傷を生じることになる。同一
領域のパルス損傷を防ぐために、部品は繰り返しテープ
を張り替えることができる。しかしながら、テープの貼
り替えは時間がかかり、労働集約的で、費用がかかる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】テープの貼り替えを減
らすことができるＬＳＰテープ工程の必要性がある。さ
らに、ＬＳＰ工程で使用されるために改良された、弾性
がある消耗テープが必要である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、レーザパルス
の繰り返しの使用によく耐える改良された消耗テープを
提供する。そのテープは、ポリマーと分散された金属成
分を含む消耗媒体を含む。
【０００６】一実施形態においては、本発明は基板表面
を処理する方法に関する。この方法においては、テープ
が基板表面に配置される。消耗テープは、ポリマーと分
散された金属成分を含む消耗媒体を含む。次いで、テー
プは照射され、消耗媒体を消耗する。
【０００７】もう一つの実施形態においては、本発明
は、基板とその基板に配置された消耗テープを含む物品
に関する。その消耗テープは、ポリマーと分散された金
属成分を含む。
【０００８】
【発明の実施の形態】マナーバ他の米国特許第５，６７
４，３２８号は、消耗媒体を持つテープが接着されるこ
とにより該テープで覆われている、タービンエンジン部
品のような製品の表面にレーザを発射することによっ
て、金属部品にレーザ衝撃ピーニングを行う方法を教示
する。テープは、封込め媒体と消耗層と接着剤層とを持
った粘着テープとすることができる。レーザ光線がテー
プの貼られた部品表面に繰り返しのパルスで発射される
間中、部品とレーザ光線との間に連続的な動きが与えら
れる。パルスは消耗媒体を気化させ、部品表面より下に
広がる深い圧縮残留応力を持つ表面スポットを形成す
る。封込め媒体は、圧縮残留応力の深さを増すために使
うことができる。
【０００９】本発明は、マナーバ他の工程及び他のＬＳ
Ｐ工程で使うことができるテープのための改良された消
耗媒体に関する。その媒体は、同一領域への多数回の重
ったＬＳＰレーザ衝突に都合よく適応できる改良された
丈夫さを持っている。典型的な従来技術の媒体は、せい
ぜい同一領域へは１回衝突（１Ｘ）又は２回衝突（２
Ｘ）に耐えうるだけである。結果として、一連の衝撃を
注意深く制御するか、或いはその部品に繰り返しテープ
を貼り替えなければならない。本発明の媒体は劣化する
ことなしに４Ｘ衝突以上に耐えうる。本発明の媒体の改
良された丈夫さは、ＬＳＰ工程の時間、労力及び費用に
おいて大巾な改良という結果になる。
【００１０】これら及びその他の特徴は、限定的でない
本発明の好ましい実施形態を示す図面及び以下の詳細な
説明から明らかになるであろう。
【００１１】図１及び図２は、本発明を具体化したレー
ザ衝撃工程（ＬＳＰ）のためのタービンエンジンファン
ブレード８を示している。ファンブレード８は、本発明
の範囲内で種々のタービン部品を代表するものである。
ブレード８は、ＬＳＰ工程のための基板を形成する。基
板は、超合金、チタン合金、鉄鋼その他でありうる。知
られているように、超合金は、少なくともニッケル基材
料、コバルト基材料、或いは鉄基材料の１つを含むこと
ができる。
【００１２】ファンブレード８は、タービン内に取り付
けられた位置にある。ファンブレード８は、ブレードプ
ラットホーム３６からブレード先端３８まで半径方向外
方に延びる翼形部３４を含む。ファンブレード８はま
た、プラットホーム３６から半径方向内端３７まで半径
方向内向きに延びる根元部部分４０を含む。ブレード根
元部４２は、ブレードシャンク４４によってプラットホ
ーム３６に接続されている。翼形部３４は、該翼形部３
４の前縁ＬＥと後縁ＴＥの間を翼弦方向に延びている。
【００１３】翼形部３４の翼弦Ｃは、図２に示すよう
に、それぞれの断面において前縁と後縁の間の線であ
る。 翼形部３４の正圧側４６は、矢印Ｖ（図１）に示
されているように、一般に回転方向に向くように配置さ
れている。負圧側４８は、翼形部３４のもう一方の側に
配置されている。中心線ＭＬは、一般に翼弦方向に２つ
の面の中間点を通るものとして定義される。
【００１４】ファンブレード８は、さらに前縁部５０を
含み、それは翼形部３４とブレードプラットホーム３６
に沿ってブレード先端３８まで延びている。前縁５０は
ニック５２を含む第１幅Ｗ１を有する。このニック５２
は、一般にファンブレード８の使用中に形成される。ニ
ック５２は、高サイクル疲労応力増強要因として望まし
くない働きをし、そこから亀裂がファンブレード８を通
って伝播することになる。亀裂の伝播は、エンジン作動
中の遠心力及び振動により発生する引張応力場によるも
のであり、これはタービン部品の望ましくない作動を生
じ、タービン部品の故障をもたらすことがある。正圧側
４６及び負圧側４８は、レーザ衝撃ピーニングされた表
面５４を含む。領域５６は深い圧縮残留応力を示す。領
域５６は、翼弦方向にみて、幅Ｗ１を有する前縁部５０
と同じ範囲にすることができる。
【００１５】図３は、図１のブレードにテープを貼りレ
ーザ衝撃ピーニング装置に取り付けた状態を示す概略斜
視図であり、図４は、図３の取り付け状態を部分的に横
断面図で、また部分的に概略図で示すものである。図３
及び図４を参照すると、ファンブレード８は、レーザ衝
撃ピーニングを実行できる位置に取り付けられた状態で
示されている。レーザ衝撃ピーニング装置は、発振器と
前置増幅器を持つ発生装置３１及び前置増幅されたレー
ザ光線を２個の光伝送回路へ供給するビーム分割器を含
む。それぞれの光伝送回路は、消耗テープ５９にレーザ
光線２を送り、焦点を合わせるための第１及び第２の増
幅器３０、３２及び適切な光学系３５を含むものとする
ことができる。
【００１６】本発明によると、消耗テープ５９は、消耗
媒体６１を含む。消耗媒体６１は、ポリマー２３と分散
された金属成分２５を含む。本出願において、「分散さ
れた」というのは、ポリマー中に広く分布されているこ
とを意味し、必ずしもポリマー内で細かく分割された
り、或いはコロイドサイズの粒子（それらを含むが）を
意味している訳ではない。事実、金属成分は薄片、粒
子、凝結物、膜或いは層の形状を含む、あらゆる形状で
ありうる。例えば、着色プラスティック裏張りのある膜
は、本発明から除外する。「金属成分」という用語は、
単一元素の形状、合金、分子、その他の適当な金属形状
及びそれらと非金属成分との組み合わせの形態の金属を
含む。
【００１７】望ましい金属成分は、本質的には不透明
で、プラズマにイオン化できるものである。これらの顔
料は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、亜
鉛、チタン、スカンジウム、その他の遷移金属元素及び
それらの混合物を含む。最も望ましいのは、単一元素の
アルミニウム、アルミニウム合金及びアルミニウム混合
物である。
【００１８】消耗媒体のポリマーは、ポリオレフィンの
ような熱可塑性のポリマーを含みうる。好ましくは、ポ
リマーは、ポリプロピレン、ポリエチレン・ポリマー或
いはそれらのコポリマーがよい。
【００１９】金属成分は、どれだけの量でも、例えば約
６重量％まで消耗媒体に含ませうる。さらに、好ましい
実施形態としては、消耗媒体は、少なくとも約１重量％
の量のカーボンを追加的に含むことができる。ある実施
形態では、消耗混合物はアルミニウムとカーボンを含
む。カーボンは、カーボンブラック或いはカーボン元素
の他の形態として存在しうる。この実施形態において
は、消耗媒体は約１から約１５重量％のアルミニウム及
び約１から約１５重量％のカーボンを含むことができ
る。この実施形態においては、媒体は、約３から約１０
重量％のアルミニウム及び約３から約８重量％のカーボ
ンを含むことが望ましく、約５から約８重量％のアルミ
ニウムと約４から約６重量％のカーボンを含むことが好
ましい。
【００２０】また、封込め媒体２１及び接着剤６０は、
図４で図解されているように消耗媒体６１に沿って含ま
せることができる。封込め媒体２１は、一般的にレーザ
周波数に対して透過性である。その媒体は、金属内に塑
性変形を生成するのに十分長い期間高プラズマ圧力を維
持することによって、消耗媒体６１に消耗を生じさせる
ことによって起こる衝撃波を封込めする。層として図解
されているが、封込め媒体２１は、流動水のカーテン或
いは別体に形成した透明の封込め材料シートにより構成
することができる。消耗テープ５９の構成部品として接
着剤６０を設けるか、或いはＬＳＰの準備に際して部品
上にテープを配置するより前にテープに接着剤を塗るこ
とができる。或いは、テープが接着される基板上に接着
剤を直接塗布してもよい。
【００２１】消耗テープ５９は、すでに述べたように、
ここに説明したレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）におけ
るテープとしての特別な用途を持っていて、同一の表面
領域が繰り返し消耗される。金属成分を含有すること
は、同一場所にレーザ衝撃を繰り返す間に起こりうる気
化の深さを減少させ、テープ材料が薄くなる程度を減少
させる。図７に示すように、レーザ照射を繰り返した後
も、消耗媒体の厚さがより高い比率で残る。
【００２２】本発明を実施した消耗テープ５９は、同一
表面領域が繰り返し消耗されるレーザ衝撃ピーニングで
の使用に望ましい形で適用することができる。これらに
限定するものではないが、アルミニウム、及びアルミニ
ウムとカーボンのような金属元素を含有させることは、
レーザによる気化の深さ或いはテープ材料の除去を減少
させる。言い換えれば、レーザ照射を繰り返した後もテ
ープの厚さがより高い比率で残る。
【００２３】再び図３及び図４を参照すると、ＬＳＰで
使用されるレーザ光線２は、典型的には、ほぼ１ギガワ
ット／ｃｍ2のオーダの大きさのピークパワー密度を示
す。レーザ光線２は、上述したように、透明な封込め媒
体を通って、例えば透明な層及び流動水のカーテンの１
つを通って照射することができる。消耗媒体は消耗さ
れ、プラズマを発生させる。プラズマは材料表面に衝撃
波を引き起こす。これらの衝撃波は、次に、封込め媒体
によって下にある基板に再び向けられる。その後、衝撃
波は基板を貫通する。衝撃波の振幅と量が、圧縮残留応
力の深さと強さを決定する。このように、消耗テープ５
９は基板のターゲット表面を保護し、プラズマの発生を
助ける。
【００２４】図５及び図６は、いくつかの連続したレー
ザ照射を表すレーザの円形スポットパターンを示してい
る。図示するように、それぞれの円形スポット５８は直
径Ｄを有する。列の中心線６２に沿って延びるスポット
５８のそれぞれの列６４の中で、スポット５８は第１オ
フセット「０１」だけ互いに離れ、一定間隔に置かれて
いる。スポット５８の隣接した列は、第２オフセット
「０２」だけ互いに離れ、一定間隔に置かれている。さ
らに、隣接した列の連続照射は、第３オフセット「０
３」だけ互いに離れ、一定間隔に置かれている。このよ
うに、スポット５８のパターンは、消耗テープ５９の部
分を覆っている。スポットのパターンは、２、３、或い
は４回照射されることになる領域を含む。例えば、図５
の「Ａ」は、４回照射される消耗テープ５９の領域を表
している。本発明を実施した消耗テープ５９の使用は、
このように繰り返し照射される領域が劣化するのを防
ぐ。
【００２５】これら及び他の特徴は、限定的でない実施
例による本発明の好ましい実施形態についての以下の詳
細な説明から明らかになるであろう。
【００２６】
【実施例】幾つかのサンプルが、レーザ光線の貫通の度
合いを測定するために準備され、そして照射された。テ
ープ型の着色した消耗媒体のサンプルの形成が、まず始
めに市販の形態の、すなわち樹脂ペレットの濃縮物の形
態の金属及びカーボン顔料を使用して始められた。この
濃縮物が溶融され、ブラベンダミキサを使って、望まし
い無着色ポリマー樹脂の溶融したペレットと混合され
た。ポリマーはポリプロピレンであった。消耗テープが
基板上に貼られ、照射された。ＬＳＰ工程においては、
それぞれのサンプル上で２つのスポットが照射された。
一方のスポットは４回照射され、したがって従来の消耗
テープが耐えると思われている約２倍から４倍の厳しさ
を表している。もう一方のスポットは、テープが視覚的
にだめになったと判断されるまで照射され、そしてこの
照射数が記録された。配合と結果を、表１に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】表中の標準ａと標準ｂは、金属成分を使っ
てない周知のテープである。ピーニング工程の結果は図
７に要約されている。図７はサンプル１ないし１１につ
いてのピーニング作業後に残存するテープの厚さを示す
グラフである。このグラフは、右軸に元のテープの厚さ
を示し、そして左軸に残存するテープの厚さを示してい
て、両方とも単位はマイクロメートル（μｍ）である。
【００２９】図示するように、アルミニウム、或いはア
ルミニウム及びカーボンの少なくとも１つを含む本発明
を実施した消耗テープは、テープの厚さを保つことによ
って望ましい結果を提供する。実施例は、本発明による
消耗媒体が、下にある基板の劣化を防ぐのに適している
ことを示している。媒体はまた、繰り返しのレーザ衝撃
に対しても耐久性がある。媒体は、下にある基板の劣化
を防ぐ。このことは、テープの貼り替えの必要なしにピ
ーニング及び処理を続けることを可能にする。
【００３０】好ましい実施形態について説明してきた
が、本発明は、変更及び修正が可能であり、それ故、実
施例の厳密な細部に限定されるべきでない。本発明は、
特許請求の範囲内に入る変更及び修正を含むものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 処理されるファンブレードの斜視図。
【図２】 図１のファンブレードの横断面図。
【図３】 テープを貼りレーザ衝撃ピーニング装置に取
り付けられた、図１のブレードの概略斜視図。
【図４】 図３に示す取り付け状態の部分横断面図及び
部分概略図。
【図５】 レーザ衝撃ピーニング表面上のレーザ衝撃ピ
ーニング円形スポットパターンの概略図。
【図６】 ４連続のレーザ衝撃ピーニング円形スポット
を持つ特別なパターンの概略図。
【図７】 テープの残存する厚さ（数回のレーザパルス
適用後の残存するテープの厚さ）を示すグラフ。
【符号の説明】
２１ 封込め媒体 ２３ ポリマー ２５ 金属成分 ３０ 第１の増幅器 ３１ 発生装置 ３２ 第２の増幅器 ３５ 光学系 ５４ 基板の表面 ５６ 基板の領域 ５９ 消耗テープ ６０ 接着剤 ６１ 消耗媒体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ファージン・ホマユーン・アザド アメリカ合衆国、ニューヨーク州、クリフ トン・パーク、バーニー・ロード、18番 (72)発明者 シーザ・ラマイアー・マンナヴァ アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、ティンバー・オークス・テレース、 9757番 (72)発明者 フレモン・ケナード・ライト，ザ・サード アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、コンプトン・リッジ・ドライブ、270 番 Ｆターム(参考） 4E068 AH00 DB10

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ポリマー（２３）と分散された金属成分
    （２５）とを含む消耗媒体（６１）を含むことを特徴と
    するテープ（５９）。
  2. 【請求項２】 前記消耗媒体（６１）が非金属成分（２
    ５）を含むことを特徴とする請求項１に記載のテープ
    （５９）。
  3. 【請求項３】 前記金属成分（２５）が実質的に不透明
    で、プラズマにイオン化されうることを特徴とする請求
    項１に記載のテープ（５９）。
  4. 【請求項４】 前記金属成分（２５）が、顔料であるこ
    とを特徴とする請求項１に記載のテープ（５９）。
  5. 【請求項５】 前記金属成分（２５）が、アルミニウ
    ム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、亜
    鉛、スカンジウム、チタン、その他の遷移金属元素、そ
    れらの合金及びそれらの混合物からなる群から選ばれる
    ことを特徴とする請求項１に記載のテープ（５９）。
  6. 【請求項６】 前記消耗媒体（６１）が、約３から１０
    重量％のアルミニウム及び約３から８重量％のカーボン
    を含むことを特徴とする請求項１に記載のテープ（５
    ９）。
  7. 【請求項７】 基板の表面を処理するための方法であっ
    て、 基板表面にポリマー（２３）と分散された金属成分（２
    ５）とを含む消耗媒体（６１）を含むテープ（５９）を
    配置する工程と、 前記テープ（５９）を照射して前記消耗媒体（６１）を
    消耗する工程と、を含むことを特徴とする方法。
  8. 【請求項８】 前記照射が、前記基板内に残留応力を誘
    引する、少なくとも１つの衝撃波を生成することを特徴
    とする請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記テープ（５９）を照射して前記消耗
    媒体（６１）を消耗する工程は、レーザを使って前記消
    耗テープ（５９）を照射することを含むことを特徴とす
    る請求項７に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記金属成分（２５）が、アルミニウ
    ム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、亜
    鉛、スカンジウム、チタン、その他の遷移金属元素、そ
    れらの合金及びそれらの混合物からなる群から選ばれる
    ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
JP2001275856A 2000-09-13 2001-09-12 レーザ衝撃ピーニングテープの方法及び物品 Ceased JP2002239759A (ja)

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US09/660967 2000-09-13
US09/660,967 US6677037B1 (en) 2000-09-13 2000-09-13 Laser shock peening tape, method and article

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JP2002239759A true JP2002239759A (ja) 2002-08-28
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JP2001275856A Ceased JP2002239759A (ja) 2000-09-13 2001-09-12 レーザ衝撃ピーニングテープの方法及び物品

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US (1) US6677037B1 (ja)
EP (1) EP1188842B1 (ja)
JP (1) JP2002239759A (ja)
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