JP5054883B2 - 低フルエンス境界レーザショックピーニング - Google Patents

Description

本発明は、レーザショックピーニングに関し、より具体的にはレーザショックピーニングした表面と境を接する境界区域を低フルエンスでレーザショックピーニングすることを使用する製造方法及びそれにより製造した物品に関する。

レーザショックピーニング又はレーザショックプロセッシングは、その名の如く、物品の表面区域をレーザショックピーニングすることによって加えられた深い圧縮残留応力を有する領域を形成するための方法である。レーザショックピーニングは一般的には、約５０ジュール又はそれ以上の高エネルギーパルスレーザビームによる１つ又はそれ以上の放射パルスを使用して、物品の表面において強い衝撃波を生成するものであり、これは、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に開示された方法に類似している。低エネルギーレーザビームの使用は、特許文献４に開示されている。当該技術では知られておりかつ本明細書で使用する場合、レーザショックピーニングは、レーザビーム源からのパルスレーザビームを利用して、レーザビームの衝突点において、その表面の薄層又はその表面上の皮膜（テープ又はペイントのような）のプラズマを形成する瞬間的なアブレーション又は蒸発によって爆発力を発生させることにより、表面の一部に強力な局所的圧縮力を生成することを意味する。

ガスタービンエンジン分野での多くの適用ためにレーザショックピーニングが開発されてきており、その幾つかが、以下の特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９及び特許文献１０に開示されており、これら全ての特許は本特許出願人に譲渡されている。

レーザピーニングは、特許文献１１に開示されているように物品の耐疲労破壊性を大幅に増大させるものとして知られている圧縮応力保護層を物品の外部表面に形成するために利用されてきた。これらの方法は一般的に、プラズマ閉込め媒体を得るために、物品を覆って流れる水カーテン又は幾つかの他の方法を使用する。この媒体により、プラズマは、ＬＳＰ効果を構成する塑性変形と関連する残留応力パターンとを生じさせる衝撃波圧力を急速に獲得することができる。水カーテンは、閉込め媒体を形成し、プロセス発生衝撃波を閉込めかつ該プロセス発生衝撃波をＬＳＰ処理する部品の材料バルク（ｂｕｌｋ）内部に向け直して、有益な圧縮残留応力を発生させる。

急激に膨張するプラズマからの圧力パルスは、部品内部に移動衝撃波を加えるる。レーザパルスにより惹き起こされた圧縮衝撃波は、部品内に深い塑性圧縮歪みを生じさせる。これらの塑性歪みは、材料の動的モジュールと一致した残留応力を発生させる。工業部品におけるレーザショックピーニングによる残留応力の多くの有益な利点は、疲労強度の改善を含めて、文献に記載されかつ特許されてきている。これらの圧縮残留応力は、部品内の残留引張り応力とバランスしている。これらの付加された残留引張り応力は、部品の疲労強度を低下させるおそれがあり、従って減少又は最小化されるべきである。レーザショックピーニングは、特定の問題を解決するために選択位置において部品に実施される。バランスする引張り応力は通常、レーザショックピーニングした区域の端縁において発生する。引張り応力の小さくて狭いバンド又は線は、レーザショックピーニングした区画又は区域直近に該区画の端縁に沿って形成されることになる。これらの引張り応力が存在することになる場所を決定するために詳細有限要素解析を実行して、引張り応力バンドが最終的に物品又は部品の不活性部分内（例えば、曲げ、捻り又は他の振動モードの一つにおける高応力線においてではない）に位置するようにＬＳＰ区画は設計されかつ寸法決めされる。
米国特許第３８５０６９８号 特開昭５８−２０７３２１号 特開平０５−５０３７３８号 特開平１１−２５４１５６号 米国特許第５７５６９６５号 米国特許第５５９１００９号 米国特許第５５３１５７０号 米国特許第５４９２４４７号 特開平１１−５０８８２６号 特開平１１−５０９７８２号 米国特許第４９３７４２１号

レーザショックピーニング区域と非レーザショックピーニング区域との間の遷移区域内において、これらの引張り応力レベルを低下させることが望ましい。

物品をレーザショックピーニングする方法は、少なくとも１つの高フルエンスレーザビームを用いて第１の区域をレーザショックピーニングする段階、及び少なくとも１つの第１の低フルエンスレーザビームを用いて第１の区域と物品の非レーザショックピーニング区域との間の境界区域をレーザショックピーニングする段階を含む。本方法の１つの具体的な実施形態では、第１の低フルエンスレーザビームは、高フルエンスレーザビームの約５０％のフルエンスを有し、また高フルエンスレーザビームは、例えば約２００Ｊ／ｃｍ²のフルエンスを有することができる。本方法の別のさらに具体的な実施形態では、第１の低フルエンスレーザビームは、境界区域内に単一列の第１の低フルエンスレーザショックピーニングスポットのみを形成するために使用される。

本方法の別の実施形態はさらに、第１の低フルエンスレーザビームを用いて第１の区域と境を接する境界区域の第１の部分をレーザショックピーニングする段階、及び第１の低フルエンスレーザビームよりも低いフルエンスを有する第２の低フルエンスレーザビームを用いて第１の区域と非レーザショックピーニング区域との間の境界区域の第２の部分をレーザショックピーニングする段階を含む。本方法のさらに具体的な実施形態では、第１の低フルエンスレーザビームは、高フルエンスレーザビームの約５０%のフルエンスを有する。第２の低フルエンスレーザビームは、第１の低フルエンスレーザビームの約５０%のフルエンスを有することができる。別のさらに具体的な実施形態では、高フルエンスレーザビームは、約２００Ｊ／ｃｍ²のフルエンスを有することができる。

本方法の別の実施形態はさらに、第１の区域から境界区域を通って非レーザショックピーニング区域に至る外向き方向に最大フルエンスから最小フルエンスの順になっている、１つの第１のフルエンスレーザビームから始まる逓減低フルエンスレーザビームを用いて、境界区域をレーザショックピーニングする段階を含む。本方法のさらに具体的な実施形態はさらに、第１の区域内に高フルエンスレーザショックピーニングスポットを形成する段階、境界区域内に第１の低フルエンスレーザショックピーニングスポットを形成する段階、及び第１の低フルエンスレーザショックピーニングスポットが高フルエンスレーザショックピーニングスポットよりも面積が大きくなるように、該高フルエンスレーザビーム及び該低フルエンスレーザビームを同一出力で作動させる段階を含む。

図１に示すのは、チタン合金で作られた翼形部３４を有するファンブレード８であり、該ファンブレード８は、ブレードプラットフォーム３６から半径方向外向きにブレード基部３５からブレード先端３８まで延びる。ブレード８は、それに対して低フルエンス境界レーザショックピーニングが開発された硬質金属物品１０の代表的なものである。ファンブレード８は、根元セクション４０を含み、該根元セクション４０は、プラットフォーム３６から該根元セクション４０の半径方向内側端３７まで半径方向内向きに延びる。根元セクション４０の半径方向内側端３７には、ブレードシャンク４４によってプラットフォーム３６に結合されたブレード根元４２が設けられる。翼形部３４は、該翼形部の前縁ＬＥと後縁ＴＥとの間で翼弦方向に延びる。翼形部３４の翼弦Ｃは、ブレードの各断面における前縁ＬＥと後縁ＴＥとの間の線である。物品の一部に疲労破壊が起こるのに抗するためにレーザショックピーニングを使用することはよく知られている。一般的に、ブレード８のような物品の片側又は両側をレーザショックピーニングして、レーザショックピーニング（ＬＳＰ）法により加えられてレーザショックピーニング表面５４から物品内部に延びる深い圧縮残留応力を有するレーザショックピーニングした区画又は表面５４及びプレストレス領域５６を形成する。

図１に示したレーザショックピーニングした表面５４は、基部３５に沿いかつブレード８のプラットフォーム３６の直ぐ上方にある翼形部３４の翼弦中央付近に位置している。さらに図２を参照すると、半径Ｒを有するフィレット４３が翼形部３４とプラットフォーム３６との間の基部３５付近に形成される。プレストレス領域５６内のレーザショックピーニングにより加えられた圧縮残留応力は残留引張り応力とバランスしており、この残留引張り応力は、フィレット４３内部に延び、ブレードの疲労強度を低下させてフィレット領域内に割れ発生を招くおそれがある。これらの残留引張り応力を減少させかつこの区域をレーザショックピーニングすることによる疲労強度の低下を最小化又は排除するために、低フルエンス境界レーザショックピーニングが開発された。

図３は、ファンブレード８のような物品をレーザショックピーニングするための低フルエンス境界レーザショックピーニング方法を示す。本方法は、少なくとも１つの高フルエンスレーザビーム１６を用いて第１の区域１４をレーザショックピーニングする段階、及び少なくとも１つの第１の低フルエンスレーザビーム２４を用いて第１の区域１４と物品１０の非レーザショックピーニング区域２２との間の境界区域２０をレーザショックピーニングする段階を含む。本方法の１つの具体的な実施形態では、第１の低フルエンスレーザビーム２４は、高フルエンスレーザビーム１６の約５０%のフルエンスを有する。高フルエンスレーザビーム１６の１つの具体的な有効なフルエンスは、約２００Ｊ／ｃｍ²である。

図３には、第１の区域１４内に形成した高フルエンスレーザショックピーニングスポット３０と境界区域２０内に形成した第１の低フルエンスレーザショックピーニングスポット３１とを同一直径Ｄ及び同一スポット面積Ａを有するように示しているが、このことは、高フルエンスレーザビーム１６と第１の低フルエンスレーザビーム２４とが同一のレーザビーム断面積及び直径を有するが、異なったフルエンス、従って異なった出力又はエネルギー水準のレーザビームによるものであることを示唆している。本方法は、約２０〜約５０ジュールの高エネルギーレーザビームか又は約３〜約１０ジュールの低エネルギーレーザビームのどちらかを使用するように設計されているが、他のエネルギー水準についても同様である。例えば、特開平１１−５０８８２６号及び特開平１１−２５４１５６号（低エネルギーレーザを使用するＬＳＰ）を参照されたい。レーザのエネルギーとレーザビームの寸法との組み合わせは、エネルギー密度又はフルエンスを構成し、それは通常、高フルエンスレーザビーム１６に対しては最大約２００Ｊ／ｃｍ²であるが、少し低いフルエンスを使用してもよい。レーザショックピーニングしたスポットとレーザビームとは形状が円形に示されているが、卵形又は楕円形のような他の形を有してもよい（２００３年４月１日に許可されたＭａｎｎａｖａ他の「一体ブレード付きロータブレード端縁のレーザショックピーニング」という名称の米国特許第６５４１７３３号を参照されたい）。レーザショックピーニングスポットは一般的に、重なり合ったスポットの重複列の形態で形成される。列内の両スポット間及び隣接列内のスポット間で直径の約３０%を重複させるのが、１つの具体的な設計である。

図３に示した本方法の実施形態では、第１の低フルエンスレーザビーム２４は、境界区域２０内に単一列２６の第１の低フルエンスレーザショックピーニングスポット３１のみを形成するために使用される。図４に示した本方法の別の実施形態はさらに、第１の低フルエンスレーザビーム２４を用いて第１の区域１４と境を接する境界区域２０の第１の部分３２をレーザショックピーニングする段階、及び第１の低フルエンスレーザビーム２４よりも低いフルエンスを有する第２の低フルエンスレーザビーム４５を用いて第１の区域１４と非レーザショックピーニング区域２２との間の境界区域２０の第２の部分３９をレーザショックピーニングする段階を含む。本方法のさらに具体的な実施形態では、第１の低フルエンスレーザビーム２４は、高フルエンスレーザビーム１６の約５０%のフルエンスを有する。第２の低フルエンスレーザビーム４５は、第１の低フルエンスレーザビーム２４の約５０%のフルエンスを有することができる。高フルエンスレーザビーム１６の具体的に有効なフルエンスは、約２００Ｊ／ｃｍ²である。図５に示した境界区域２０内のそれぞれ第１列、第２列及び第３列の第１、第２及び第３の低フルエンスレーザショックピーニングスポット３１、６０及び６２によって示した例えば３つのような他の数の低フルエンスレーザビームを使用することができる。

図６は、第１の区域から境界区域２０を通って非レーザショックピーニング区域２２に至る外向き方向に最大フルエンスから最小フルエンスの順になっている、１つの第１のフルエンスレーザビーム２４から始まる逓減（徐々に小さくなる）低フルエンスレーザビームを用いて、逓減低フルエンスレーザショックピーニングスポット６４により示す境界区域２０をレーザショックピーニングすることによって該境界区域２０をフェザーリングする段階を示す。フェザーリングは、３つ又は４つ又はそれ以上の列の低フルエンスレーザビームを用いて実施できる。１つの例示的なフェザーリング方法は、２００Ｊ／ｃｍ²の高フルエンスレーザビームから５０Ｊ／ｃｍ²単位で５０Ｊ／ｃｍ²まで低下する、従ってそれぞれ１５０Ｊ／ｃｍ²、１００Ｊ／ｃｍ²及び５０Ｊ／ｃｍ²のフルエンスのレーザビームで形成された３列の低フルエンスレーザショックピーニングスポットを有するフェザーリング段階を含む。別の例示的なフェザーリング方法は、２００Ｊ／ｃｍ²の高フルエンスレーザビームから２０Ｊ／ｃｍ²単位で２５Ｊ／ｃｍ²まで低下する、従ってそれぞれ１７５Ｊ／ｃｍ²、１５０Ｊ／ｃｍ²、１２５Ｊ／ｃｍ²、１００Ｊ／ｃｍ²、７５Ｊ／ｃｍ²、５０Ｊ／ｃｍ²及び２５Ｊ／ｃｍ²のフルエンスのレーザビームで形成された７列の低フルエンスレーザショックピーニングスポットを有するフェザーリング段階を含む。

図７は、高フルエンスレーザビーム１６を用いて第１の区域１４をレーザショックピーニングして高フルエンスレーザショックピーニングスポット３０を形成する段階、第１の低フルエンスレーザビーム２４を用いて境界区域２０をレーザショックピーニングして第２の低フルエンスレーザショックピーニングスポット３１を形成する段階、及び高フルエンスレーザビーム１６と低フルエンスレーザビーム２４とを同一の出力又はエネルギー水準で作動させる段階を示す。このことは、第２の低フルエンスレーザショックピーニングスポットが、高フルエンスレーザショックピーニングスポットのそれぞれ第１の面積Ａ１及び第１の直径D１よりも大きい第２の面積Ａ２及び第２の直径D２を有することによって示唆されている。第２の低フルエンスレーザビームを使用して第３の低フルエンスレーザショックピーニングスポット６２の列を形成する場合、同一のエネルギー水準を使用するためには、第３の低フルエンスレーザショックピーニングスポット６２は、第２の低フルエンスレーザショックピーニングスポットのそれぞれ第２の面積Ａ２及び第２の直径D２よりも大きい第３の面積Ａ３及び第３の直径D３を有することになる。この等しいエネルギー水準をもつレーザビームを使用する方法は、３列以上のレーザショックピーニングスポットと上述のフェザーリングとに対して使用可能である。本方法の別の実施形態では、レーザ出力エネルギーの１０%、２０%、・・・７５%を吸収又は反射してターゲットに向かわないように設定できるレーザ可変減衰器を採用ことにより、同一出力のレーザを使用して異なるフルエンスを有するレーザビームを使用することが可能となる。

本発明を例示による方法で説明してきた。使用した専門用語は、限定するのではなく説明することを意図したものであることを理解されたい。本明細書では、本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものを説明してきたが、同業者には本明細書の教示から本発明のその他の変更が明らかである。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

第１の区域において高フルエンスレーザビームを用いまた第１の区域と物品の非レーザショックピーニング区域との間の境界区域において低フルエンスレーザビームを用いてレーザショックピーニングされた、レーザショックピーニングした物品を例示するファンブレードの斜視図。 図１に示したファンブレードの翼形部とブレードプラットフォームとの間のフィレット付近のレーザショックピーニングした区域の断面図。 第１の区域において高フルエンスレーザビームを用いまた第１の区域と物品の非レーザショックピーニング区域との間の境界区域において低フルエンスレーザビームを用いて図１に示した物品をレーザショックピーニングする方法の例示的な概略図。 図３に示した境界区域において２列の逓減低フルエンスレーザショックピーニングスポットを使用するレーザショックピーニング方法の概略図。 図３に示した境界区域において３列の逓減低フルエンスレーザショックピーニングスポットを使用するレーザショックピーニング方法の概略図。 図３に示した境界区域においてフェザード効果を得るために複数列の逓減低フルエンスレーザショックピーニングスポットの列を使用するレーザショックピーニング方法の概略図。 図３〜図６に示したレーザショックピーニング方法において使用できる逓減低フルエンスレーザショックピーニングスポットを形成するために、同一のエネルギー水準のレーザビームによって形成された一連の徐々に大きくなるレーザショックピーニングスポットの概略図。

符号の説明

８ 物品
１４ 第１の区域
１６ 高フルエンスレーザビーム
２０ 境界区域
２２ 非レーザショックピーニング区域
２４ 低フルエンスレーザビーム
２６ 単一列
３０ 高フルエンスレーザショックピーニングスポット
３１ 低フルエンスレーザショックピーニングスポット
３２ 境界区域の第１の部分
３９ 境界区域の第２の部分
４５ 第２の低フルエンスレーザビーム
５４ 表面
Ａ スポットの面積
Ｄ スポットの直径

Claims (7)

1. 物品（８）をレーザショックピーニングする方法であって、
   ２００Ｊ／ｃｍ ^２ のフルエンスを有する高フルエンスレーザビーム（１６）を少なくとも１つ用いて第１の区域（１４）をレーザショックピーニングし、前記物品（８）の一部にレーザショックピーニングされていない領域を残したまま前記第１の区域（１４）内に高フルエンスレーザショックピーニングスポット（３０）を形成する段階、及び
   前記高フルエンスレーザビーム（１６）より低いフルエンスの第１の低フルエンスレーザビーム（２４）を少なくとも１つ用いて、前記レーザショックピーニングされていない領域のうち前記第１の区域（１４）と隣接する境界区域（２０）をレーザショックピーニングし、該レーザショックピーニングされていない領域のうちの残部である非レーザショックピーニング区域（２２）を残したまま、前記境界区域（２０）内に第１の低フルエンスレーザショックピーニングスポット（３１）を形成する段階
   を含み、
   前記第１の低フルエンスレーザショックピーニングスポット（３１）が前記高フルエンスレーザショックピーニングスポット（３０）よりも面積が大きくなるように、前記高フルエンスレーザビーム（１６）及び前記低フルエンスレーザビーム（２４）を同一出力で作動させることを特徴とする、方法。
2. 前記第１の低フルエンスレーザビーム（２４）が、前記高フルエンスレーザビーム（１６）の５０％のフルエンスを有する、請求項１記載の方法。
3. 前記第１の低フルエンスレーザビーム（２４）が、前記境界区域（２０）内に単一列（２６）の第１の低フルエンスレーザショックピーニングスポット（３０）のみを形成するために使用される、請求項２記載の方法。
4. 前記第１の低フルエンスレーザビーム（２４）を用いて第１の区域（１４）と境を接する前記境界区域（２０）の第１の部分（３２）をレーザショックピーニングする段階、及び
   前記第１の低フルエンスレーザビーム（２４）よりも低いフルエンスを有する第２の低フルエンスレーザビーム（４５）を用いて第１の区域（１４）と非レーザショックピーニング区域（２２）との間の前記境界区域（２０）の第２の部分（３９）をレーザショックピーニングする段階、
   をさらに含む、請求項１記載の方法。
5. 前記第１の低フルエンスレーザビーム（２４）が、前記高フルエンスレーザビーム（１６）の５０%のフルエンスを有する、請求項４記載の方法。
6. 前記第２の低フルエンスレーザビーム（４５）が、前記第１の低フルエンスレーザビーム（２４）の５０%のフルエンスを有する、請求項５記載の方法。
7. 前記第１の区域から境界区域（２０）を通って前記非レーザショックピーニング区域（２２）に至る外向き方向に最大フルエンスから最小フルエンスの順になっている、１つの第１のフルエンスレーザビーム（２４）から始まる逓減低フルエンスレーザビームを用いて、前記境界区域（２０）をレーザショックピーニングする段階をさらに含む、請求項１記載の方法。

Images