JP3628890B2 - 低エネルギ・レーザを用いるレーザ衝撃ピーニング方法 - Google Patents
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Description
【関連特許および出願】
本願は、1997年12月18日出願の米国特許出願第08/993197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号および米国特許第5492447号に関連するものである。
【0002】
【発明の属する技術分野】
本発明は硬質金属製のガスタービンエンジン部品のレーザ衝撃ピーニング(laser shock peening)に関し、特に、低エネルギ・レーザと小さなレーザ・スポットを用いて、例えばファン翼と圧縮機翼の翼形部の前縁と後縁のような対象物の部分をレーザ衝撃ピーニングして、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被レーザ衝撃ピーニング区域を形成するためのものである。
【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運転されるので、動翼内に高い引張応力と振動応力の場が発生し、またファン翼(ブレード)が異物損傷(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。これら及び他の運転現象の結果、物体のある部分に、例えば翼縁に沿って、初期の割れと材料破損が発生する。
【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。前述の米国特許出願はそれぞれこの目的を達成しようとするものであり、ファン翼の前縁および(または)後縁の表面の少なくとも半径方向に延在する部分に対し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区域を持つファン翼の翼形部を提供することを教示している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明のレーザ衝撃ピーニングによって与えられる深い圧縮残留応力の区域は、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誘起された局部限定圧縮残留応力を有する加工物表面層区域と混同されるべきではない。先行技術は、前述の関連特許および出願に列挙したもの、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局在圧縮力をかけることを意味する。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のコストは大きな関心事である。なぜなら始動と運転の費用が非常に高くなり得るからである。前述の米国特許出願第08/362362号に開示されている「オン・ザ・フライ」式レーザ衝撃ピーニング法は、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。しかし、この技術は、直径が1cm以上の大きなレーザ・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おり、本発明はこの目的を達成しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、3〜10ジュール程度の低出力レーザ・ビームを用いて、例えばチタン合金のような強い硬質金属製の部品の一部分の表面の材料を蒸発させることを含む。直径が1mm程度の複数の小さなレーザ・ビーム・スポットの辺りのレーザ・パルスが、該表面にレーザ・ビームにより生成され、そしてレーザ衝撃ピーニング処理によって与えられた深い圧縮残留応力を有する区域が、被レーザ衝撃ピーニング表面から部品内に延在する。本方法はさらに、部品を動かしながら、レーザ・ビームを受けている表面上に水をカーテン状に流し、これを被レーザ衝撃ピーニング表面が少なくとも1回レーザ・ビーム・スポットによって完全に覆われるまで行うことを含む。好ましくは、該表面をプラズマ発生用の融蝕性材料として役立つ塗料で被覆し、あるいは、表面を塗装せずに部品の金属をプラズマ発生に用いてもよい。
【0007】
本発明は、好ましくは、ガスタービンエンジン部品をレーザ衝撃ピーニングするための「オン・ザ・フライ」法として実施され、金属製のガスタービンエンジン部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た静止レーザ・ビームを部品の一部分に連続的に発射することにより実施される。この方法はさらに、部品を動かしながら、レーザ・ビームを受ける表面上に水をカーテン状に流し、これを被レーザ衝撃ピーニング表面が少なくとも1回レーザビーム・スポットによって完全に覆われるまで行うことを含む。
【0008】
部品を直線的に動かすことにより、ほぼ等間隔で相隔たる線形に整列した中心点を有する少なくとも1列の部分的に重なり合った円形のレーザ・ビーム・スポットを生成することができる。また、部品を動かしながらレーザ・ビームを発射することにより、ほぼ等間隔で相隔たる線形に整列した中心点を有する2列以上の部分的に重なり合った円形のレーザ・ビーム・スポットを生成し、その際、隣合う列のスポットが部分的に重なり合うようにすることができる。レーザ・ビームを発射しかつ部品を動かして、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。
【0009】
本発明の他の実施態様では、塗装された被レーザ衝撃ピーニング表面を1組のシーケンスを用いてレーザ衝撃ピーニングし、各シーケンスにおいて、該表面を塗装し、次いで部品を連続的に動かしながら静止レーザ・ビームを塗装表面に連続的に発射し、こうして、隣合う被レーザ衝撃ピーニング円形スポットが前記1組のシーケンスの相異なるシーケンスにおいて射撃されるようにする。さらに特定の実施態様では、レーザ・ビームを発射しかつ部品を動かして、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。さらに特定の実施態様では、2組以上のシーケンスを用いることにより各スポットが2回以上射撃される。
【0010】
本発明のさらに特定の実施態様では、上述の方法がガスタービンエンジン翼、例えば、前縁と後縁を持つファン翼または圧縮機翼の翼形部に適用される。本発明は翼形部の縁の一部分に沿ってあるいは全縁に沿って適用することができ、そうすると、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かつ該縁から翼弦方向に延在する。
【0011】
【利点】
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の部分の表面をレーザ衝撃ピーニングする比較的迅速か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一層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効率の良い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信頼性のある運転を可能とし、しかも現在しばしば行われているか又は必要とされているような疑わしい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低コストの方法で、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ものである。
【0012】
本発明の上記の態様と他の特徴を添付の図面を参照して以下に説明する。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1と図2と図3にはファン翼8が示されており、ファン翼8はプラットフォームまたは翼台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に適用するために開発したものである。ファン翼8は根元部40も含み、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3に示すように、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。
【0014】
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。
【0015】
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、被レーザ衝撃ピーニング表面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区域56とを有する。本発明では、約3〜10ジュールの範囲、好ましくは約3〜7ジュールの範囲のパワー、さらに好ましくは約3ジュールのパワーを持つ低出力レーザを用いる。このレーザは、図4と図5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を持つ小径レーザ・スポット58を生成するように焦点を合わせられる。このような低いパワー範囲は非常に良い結果を示しており、また3ジュールのレーザは大いに好適であり、良好なレーザ衝撃ピーニング効果をもたらし、そして使用と調達と整備が非常に経済的である。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。これにより発生する予応力区域56は、図3と図6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。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。
【0016】
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 )波が発生して、ブラスト波頭エネルギしたがって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。
【0017】
好ましくは、予応力区域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と同じ広がりを持ち、そして幅W1の少なくとも一部分において合体(coalesce)するのに十分深く翼形部34内に存在する。予応力区域56は半径方向において前縁LEに沿って前縁部50と同じ広がりを持つように図示されているが、より短くてもよい。圧縮予応力区域56においてレーザ・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、被レーザ衝撃ピーリング表面54からレーザ衝撃により生じた圧縮残留応力区域56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し、各レーザ・ビームは、前縁LEの両側の塗料55で覆われた表面54に対して±数ミル焦点外れにされる。被レーザ衝撃ピーニング表面54全体は、図4と図5に示すように、被レーザ衝撃ピーニング円形スポット58の部分的な重ね合わせにより形成され得る。
【0018】
図6と図7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の両側の塗料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、被覆または塗装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水を貫くように発射される。塗料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。塗料の適当な代替物として、他の融蝕性材料、例えば、金属はくまたは接着性プラスチックテ−プを用い得る。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。塗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6と図7にレーザ衝撃ピーニング装置1を示す。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「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は融蝕性塗料55で塗装される。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に連続的に発射して、部分的に重なり合う被レーザ衝撃ピーニング円形スポット58を形成する。カーテン状の流水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を用いてレーザ衝撃ピーニング装置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。融蝕された塗料はカーテン状の流水により洗い流される。
【0019】
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、図4と図5に示すように、表面54を塗装することと、その後に翼を連続的に動かしながらレーザ・ビームを表面54に連続的に発射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、こうして、隣合う被レーザ衝撃ピーニング円形スポットが相異なるシーケンスにおいて射撃される。図4は全ての被レーザ衝撃ピーニング円形スポットの部分的な重なり合いを示し、これらのスポットは、約1mm(0.040インチ)〜2mm(0.080インチ)の範囲の小さな直径Dを有し、そして第1パターンをなし、このパターンでは、スポットの対応中心Xが列中心線62に沿って1直径D分相隔たり、そして列中心線62は1直径D分相隔たっている。
【0020】
図5は第2パターンの被レーザ衝撃ピーニング円形スポット58(円で示す)を示すとともに、塗装(融蝕性被覆)とオン・ザ・フライ式レーザ衝撃ピーニングとからなる複数(本実施例では4つ)のシーケンスS1〜S4を翼前縁のレーザ衝撃ピーニングのために用いる方法を例示する。シーケンスS1は、他のシーケンスの点線円に対して、実線の円として示され、列中心線62に沿って対応中心Xを有する隣合わない被レーザ衝撃ピーニング円形スポット58を有するという特徴を示す。シーケンスのこのパターンは被レーザ衝撃ピーニング表面54の全てにわたるものである。被レーザ衝撃ピーニング円形スポット58は直径Dを有し、部分的に重なり合う被レーザ衝撃ピーニング円形スポットの列64をなす。このパターンは、被レーザ衝撃ピーニング表面54の部分的に重なり合う被衝撃ピーニング円形スポットの多数の部分的に重なり合う列64のパターンでよい。第1の部分的な重なり合いは、所与列における隣合う被レーザ衝撃ピーニング円形スポット58相互間のものであり、概して、隣合う被レーザ衝撃ピーニング円形スポット58の中心X相互間の第1ずれO1によって定義され、そして直径Dの約30%から50%以上まで変わり得る。第2の部分的な重なり合いは、隣合う列における隣合う被レーザ衝撃ピーニング円形スポット58相互間のものであり、概して、隣合う列中心線62相互間の第2ずれO2によって定義され、そして用途とレーザ・ビームの強さまたは変量に基づいて直径Dの約30%から約50%まで変わり得る。第3の部分的な重なり合いは、隣合う列64における隣合う被レーザ衝撃ピーニング円形スポット58の中心X相互間の線形ずれO3として定義され、そして特定用途に基づいて直径Dの約30%から約50%まで変わり得る。
【0021】
この方法は、未融蝕または未融蝕に近い塗料が、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、再塗装がレーザ・ビーム発射の各シーケンス間になされる。レーザ・ビーム発射の各シーケンスは、発射相互間にある期間を有する多数のレーザ・ビーム発射すなわちレーザ・パルスを有し、この期間はしばしば「レップ(rep)」と呼ばれる。レップ中に部品を動かして、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タイミングが取られる。各シーケンスの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。
【0022】
本発明の一実施例は、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。連続的なレーザ・ビーム発射と翼移動との4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、未融蝕塗料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塗装を必要とする。各スポット58は3回射撃されるので、4シーケンスを1組として3組が、被レーザ衝撃ピーニング表面54の全部で12回の塗装と再塗装のために用いられる。
【0023】
このシーケンスの数は本発明の方法を限定するものではなく、本発明の一実施例である。レーザ衝撃ピーニング方法は第1シーケンスS1で始まり、第1シーケンスS1では4つ目のスポット毎に所与の一列に沿って順次レーザ衝撃ピーニングされ、そして隣合う列に沿ってずらされる。その際、翼は連続的に動かされ且つレーザ・ビームは連続的に発射またはパルス化される。部品は所与シーケンス例えばS1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)は翼への連続的なレーザ・ビーム発射のパルス相互間のレップと合致する。部分的に重なり合う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塗料に影響しないようになっている。シーケンスS1とシーケンスS2との間で、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再塗装される。このような再塗装段階は、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。もし各スポット58が3回射撃されれば、4シーケンスS1〜S4を1組とする3組のシーケンスに対して1回の塗装と11回の再塗装が、全部で12回の塗装として必要である。
【0024】
塗料を用いずにオン・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、再塗装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2回以上、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、塗料を全く用いないレーザ衝撃ピーニングによれば表面の12回の塗装をしないですむ。生成されるプラズマは翼または部品の合金材料からなる。このような場合、プロセスのレーザ衝撃ピーニング部分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塗装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。塗料がない場合のプラズマと合金は再硬化して再融解部として知られているものを形成するので、周知の方法による除去が必要であることに注意されたい。
【0025】
本発明の無塗装「オン・ザ・フライ」式レーザ衝撃ピーニング方法は、翼形部の表面の合金で上述のプラズマを形成し、そして部分的に重なり合うスポット58の単一連続シーケンスを図6に示すように用いて、所望の多くの列を設け得る。レーザ衝撃ピーニング方法を行った後、被レーザ衝撃ピーニング表面を、表面に生じて翼形部の作用を妨げるおそれのある再融解部の除去に十分な深さまで除去することができる。
【0026】
図1〜図3についてさらに詳述すると、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、被レーザ衝撃ピーニング表面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関連した予応力区域56とを設けることを含む。後縁TE部の被レーザ衝撃ピーニング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、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1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場合がある。
【0027】
図2は前縁LEの被レーザ衝撃ピーニング表面長さL1にわたって延在する部分前縁長予応力区域56に関して本発明を例示し、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、部分前縁長予応力区域56の被レーザ衝撃ピーニング表面長さL1は、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。
【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持つレーザ・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、高エネルギー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生じ、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処理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場合におけ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現在必要と考えられている表面保護用の外側被覆の必要性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数万ショット(またはパルス)であり、ほぼ5万ショットである。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。高エネルギーレーザは、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、ヘッドとフラッシュ・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・レーザに比べて、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。一比較例によれば、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ドルとなるであろう。高エネルギ・レーザは、概算によれば、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年以上かかるおそれがある。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】本発明によりレーザ衝撃ピーニングされた半径方向延在部分を持つ前縁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】図2におけるファン翼の前縁に沿う被レーザ衝撃ピーニング表面の被レーザ衝撃ピーニング円形スポットの一パターンの概略図である。
【図5】図2におけるファン翼の前縁に沿う被レーザ衝撃ピーニング表面上で所与の1シーケンスにおいて重なり合わない被レーザ衝撃ピーニング円形スポットの4シーケンスを有する特定パターンの概略図である。
【図6】本発明の方法を例示するために、塗装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7】図6の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
54 被レーザ衝撃ピーニング表面
55 塗料
56 予応力区域
58 円形スポット
62 列中心線
64 列
70 後縁部
LE 前縁
TE 後縁
X スポット中心
O1〜O3 ずれ
Claims (10)
- 硬質金属物体をレーザ衝撃ピーニングする方法であって、
3〜10ジュールの出力パワーを持つレーザ・ビームを用いて、前記物体の一部分の被レーザ衝撃ピーニング表面の材料を蒸発させる工程と、
前記レーザ・ビームを発射して、前記表面に前記レーザ・ビームにより形成される約1mmの直径を有する複数のレーザ・ビーム・スポットの辺りのパルスにより、前記被レーザ衝撃ピーニング表面から前記物体内に延在する深い圧縮残留応力を有する区域を形成する工程と、
前記レーザ・ビームを受けつつある前記表面上に水をカーテン状に流す工程と
を含んでいることを特徴とする前記方法。 - 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1記載の方法。
- 前記立上り時間が約4nsであり、レーザの前記パワーが約3ジュールである請求項2記載の方法。
- 前記物体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列の部分的に重なり合った円形のレーザ・ビーム・スポットを生成する請求項1記載の方法。
- 前記物体を動かしながら前記レーザ・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列以上の部分的に重なり合った円形のレーザ・ビーム・スポットを生成し、その際、隣合う列のスポットが部分的に重なり合うようにする請求項1記載の方法。
- 前記レーザ・ビームを発射し且つ前記物体を動かして、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請求項5記載の方法。
- 前記被レーザ衝撃ピーニング表面が1組のシーケンスを用いてレーザ衝撃ピーニングされ、各シーケンスは、深い圧縮残留応力を有する前記区域を形成する衝撃波を生じさせるプラズマを発生するのに適した被覆で前記表面を覆い、その後、前記物体を連続的に動かしながら静止レーザ・ビームを前記表面に連続的に発射することとから成り、こうして、隣合う被レーザ衝撃ピーニング円形スポットが前記1組のシーケンスのうちの相異なるシーケンスにおいて射撃されるようにする請求項5記載の方法。
- 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型レーザが使用される請求項7記載の方法。
- 前記被覆は前記表面を前記プラズマの発生に適する塗料で塗装することからなる請求項8記載の方法。
- 静止レーザ・ビームを連続的に発射する工程の前に、前記物体を塗装せず、従って、深い圧縮残留応力を有する前記区域を形成する衝撃波を生じさせるプラズマを発生するために用いる前記表面の材料が、金属製ガスタービンエンジン物体の金属であり、また、レーザ・ビーム発射により前記表面に形成された再融解部を除去する工程をさらに含んでいる請求項5記載の方法。
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