JPH11254157A - 亀裂防止レーザ衝撃ピーニング - Google Patents
亀裂防止レーザ衝撃ピーニングInfo
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- JPH11254157A JPH11254157A JP10346284A JP34628498A JPH11254157A JP H11254157 A JPH11254157 A JP H11254157A JP 10346284 A JP10346284 A JP 10346284A JP 34628498 A JP34628498 A JP 34628498A JP H11254157 A JPH11254157 A JP H11254157A
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
- C21D10/005—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation by laser shock processing
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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- Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 硬質金属製部品の新規なレーザ衝撃ピーニン
グ法を提供する。 【解決手段】 本発明による物品は、その少なくとも一
部分のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）された表面（５
４）と、該表面から物品内に延在する複数の立体的に相
隔たるＬＳＰされた突起（５３）とを有する。突起はＬ
ＳＰによる深い圧縮残留応力を有し、該表面の相隔たる
円形レーザ・ビーム・スポット（５８）から物品内に延
在し、スポットは重なり合わない。ＬＳＰの方法では、
レーザ・ビームを物品の少なくとも一部分の表面の相異
なる点に発射し、該点でレーザ・ビームにより形成され
るレーザ・ビーム・スポットの辺りで表面の材料を蒸発
させ、レーザ・ビームを受ける表面上に水をカーテン状
に流し、スポットから物品内に延在する複数の立体的に
相隔たるＬＳＰされた突起を形成するようにレーザ・ビ
ームを発射し、こうして突起が深い圧縮残留応力をもつ
ようにする。
グ法を提供する。 【解決手段】 本発明による物品は、その少なくとも一
部分のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）された表面（５
４）と、該表面から物品内に延在する複数の立体的に相
隔たるＬＳＰされた突起（５３）とを有する。突起はＬ
ＳＰによる深い圧縮残留応力を有し、該表面の相隔たる
円形レーザ・ビーム・スポット（５８）から物品内に延
在し、スポットは重なり合わない。ＬＳＰの方法では、
レーザ・ビームを物品の少なくとも一部分の表面の相異
なる点に発射し、該点でレーザ・ビームにより形成され
るレーザ・ビーム・スポットの辺りで表面の材料を蒸発
させ、レーザ・ビームを受ける表面上に水をカーテン状
に流し、スポットから物品内に延在する複数の立体的に
相隔たるＬＳＰされた突起を形成するようにレーザ・ビ
ームを発射し、こうして突起が深い圧縮残留応力をもつ
ようにする。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連特許出願等】本願は、１９９７年１２月１８日出
願の米国特許出願第０８／９９３１９４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５５６９
０１８号、米国特許第５５３１５７０号、米国特許第５
４９２４４７号、米国特許第５６７４３２９号および米
国特許第５６７４３２８号に関連するものである。
願の米国特許出願第０８／９９３１９４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５５６９
０１８号、米国特許第５５３１５７０号、米国特許第５
４９２４４７号、米国特許第５６７４３２９号および米
国特許第５６７４３２８号に関連するものである。
【０００２】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ衝撃ピーニン
グ（laser shock peening ）を行った物品と、レーザ衝
撃ピーニング方法に関し、特に、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重なり合わ
ずに相隔たるレーザ衝撃ピーニングされたスポットの亀
裂防止配列（アレイ）を生成するレーザ衝撃ピーニング
方法に関する。
グ（laser shock peening ）を行った物品と、レーザ衝
撃ピーニング方法に関し、特に、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重なり合わ
ずに相隔たるレーザ衝撃ピーニングされたスポットの亀
裂防止配列（アレイ）を生成するレーザ衝撃ピーニング
方法に関する。
【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回転する
ので、翼内に高い引張応力と振動応力の場が発生して、
ファン翼は異物損傷（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。
スタービンエンジンのロータは高い回転速度で回転する
ので、翼内に高い引張応力と振動応力の場が発生して、
ファン翼は異物損傷（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。
【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すなわち亀裂を阻止
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。前述の関連特許出願等はそれぞれこの目的を達成し
ようとするものであり、ファン翼のような物品の被レー
ザ衝撃ピーニング表面の少なくとも内方に延在する一部
分にわたってレーザ衝撃ピーニングにより与えられた深
い圧縮残留応力の連続的または立体的な区域をファン翼
の翼形部に設けることを教示している。これらの区域
は、部分的に重なり合うレーザ衝撃ピーニングされた円
形部またはスポットから内方に延在する多数の部分的に
重なり合う突起であって、レーザ衝撃ピーニングにより
与えられた圧縮残留応力を有する該多数の部分的に重な
り合う突起により形成される。
労に良く耐えることができ且つ割れすなわち亀裂を阻止
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。前述の関連特許出願等はそれぞれこの目的を達成し
ようとするものであり、ファン翼のような物品の被レー
ザ衝撃ピーニング表面の少なくとも内方に延在する一部
分にわたってレーザ衝撃ピーニングにより与えられた深
い圧縮残留応力の連続的または立体的な区域をファン翼
の翼形部に設けることを教示している。これらの区域
は、部分的に重なり合うレーザ衝撃ピーニングされた円
形部またはスポットから内方に延在する多数の部分的に
重なり合う突起であって、レーザ衝撃ピーニングにより
与えられた圧縮残留応力を有する該多数の部分的に重な
り合う突起により形成される。
【０００５】本発明のレーザ衝撃ピーニングによって与
えられた深い圧縮残留応力は、米国特許第５２３５８３
８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発
生した局部限定圧縮残留応力を有する加工物表面層域と
混同されるべきではない。先行技術は、前述の関連特許
出願等、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いてい
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圧縮残留応力の連続的な領域を生
成することを意味する。この区域は立体的であり、そし
て部分的に重なり合うレーザ衝撃ピーニングされた円形
部またはスポットから内方に延在する個々の突起の合体
によって発生する。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ではコスト（費
用）が大きな関心事である。なぜなら始動と使用の費用
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（on-the-fly）」式レーザ衝撃ピーニング方法
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。この先行技術
は、直径が１ｃｍ以上ほどの大きなレーザ・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いる。３〜１０ジュール程度、好ま
しくは３〜７ジュールの範囲の低出力レーザ・ビーム
と、直径が約１ｍｍのレーザ・ビーム・スポットとを用
いるレーザ衝撃ピーニング方法が、米国特許出願第０８
／３６２３６２号に開示されており、この方法はレーザ
衝撃ピーニングの時間と費用と複雑さの低減を目標とし
ている。このような低減をもたらす技術の設計に対する
要望は常に存在し、本発明はこの目的を達成しようとす
るものである。
えられた深い圧縮残留応力は、米国特許第５２３５８３
８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発
生した局部限定圧縮残留応力を有する加工物表面層域と
混同されるべきではない。先行技術は、前述の関連特許
出願等、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いてい
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圧縮残留応力の連続的な領域を生
成することを意味する。この区域は立体的であり、そし
て部分的に重なり合うレーザ衝撃ピーニングされた円形
部またはスポットから内方に延在する個々の突起の合体
によって発生する。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ではコスト（費
用）が大きな関心事である。なぜなら始動と使用の費用
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（on-the-fly）」式レーザ衝撃ピーニング方法
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。この先行技術
は、直径が１ｃｍ以上ほどの大きなレーザ・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いる。３〜１０ジュール程度、好ま
しくは３〜７ジュールの範囲の低出力レーザ・ビーム
と、直径が約１ｍｍのレーザ・ビーム・スポットとを用
いるレーザ衝撃ピーニング方法が、米国特許出願第０８
／３６２３６２号に開示されており、この方法はレーザ
衝撃ピーニングの時間と費用と複雑さの低減を目標とし
ている。このような低減をもたらす技術の設計に対する
要望は常に存在し、本発明はこの目的を達成しようとす
るものである。
【０００６】
【発明の概要】本発明は、金属製物品の少なくとも一部
分の少なくとも一つのレーザ衝撃ピーニングされた表面
と、このレーザ衝撃ピーニングされた表面から金属物品
内に延在する複数の立体的に相隔たるレーザ衝撃ピーニ
ングされた突起とを有する金属物品を提供し、突起はレ
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。本発明は更に前記表面上に相隔た
る円形レーザ・ビーム・スポットを含むことができ、こ
れらのスポットから、レーザ衝撃ピーニングされた突起
が物品内に延在し、これらのスポットは重なり合ってい
ない。典型的な突起は断面積がスポットから内方に減少
している。複数の突起は、好ましくは、等間隔で相隔た
る円形レーザ・ビーム・スポットを持つ少なくとも一配
列の突起を含む。
分の少なくとも一つのレーザ衝撃ピーニングされた表面
と、このレーザ衝撃ピーニングされた表面から金属物品
内に延在する複数の立体的に相隔たるレーザ衝撃ピーニ
ングされた突起とを有する金属物品を提供し、突起はレ
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。本発明は更に前記表面上に相隔た
る円形レーザ・ビーム・スポットを含むことができ、こ
れらのスポットから、レーザ衝撃ピーニングされた突起
が物品内に延在し、これらのスポットは重なり合ってい
ない。典型的な突起は断面積がスポットから内方に減少
している。複数の突起は、好ましくは、等間隔で相隔た
る円形レーザ・ビーム・スポットを持つ少なくとも一配
列の突起を含む。
【０００７】本発明の一面では、硬質金属物品をレーザ
衝撃ピーニングする方法も提供し、この方法では、金属
物品をレーザ衝撃ピーニングするために、レーザ・ビー
ムを物品の少なくとも一部分の被レーザ衝撃ピーニング
表面の相異なる点に発射し、その際、十分なパワーを持
つレーザ・ビームを用いて、表面の前記点においてレー
ザ・ビームにより形成されるレーザ・ビーム・スポット
の辺りで表面の材料を蒸発させ、レーザ・ビームを受け
る表面上に水をカーテン状に流し、レーザ・ビーム・ス
ポットから物品内に延在する複数の立体的に相隔たるレ
ーザ衝撃ピーニングされた突起を形成するようにレーザ
・ビームを発射し、こうして突起がレーザ・ビームによ
って与えられた深い圧縮残留応力をもつようにする。前
記表面を最初に、レーザ・ビームにより蒸発する融蝕性
材料で被覆し得る。本方法は、オン・ザ・フライ式レー
ザ衝撃ピーニング方法として、物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て静
止レーザ・ビームを連続的に発射することを含むことが
出来る。
衝撃ピーニングする方法も提供し、この方法では、金属
物品をレーザ衝撃ピーニングするために、レーザ・ビー
ムを物品の少なくとも一部分の被レーザ衝撃ピーニング
表面の相異なる点に発射し、その際、十分なパワーを持
つレーザ・ビームを用いて、表面の前記点においてレー
ザ・ビームにより形成されるレーザ・ビーム・スポット
の辺りで表面の材料を蒸発させ、レーザ・ビームを受け
る表面上に水をカーテン状に流し、レーザ・ビーム・ス
ポットから物品内に延在する複数の立体的に相隔たるレ
ーザ衝撃ピーニングされた突起を形成するようにレーザ
・ビームを発射し、こうして突起がレーザ・ビームによ
って与えられた深い圧縮残留応力をもつようにする。前
記表面を最初に、レーザ・ビームにより蒸発する融蝕性
材料で被覆し得る。本方法は、オン・ザ・フライ式レー
ザ衝撃ピーニング方法として、物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て静
止レーザ・ビームを連続的に発射することを含むことが
出来る。
【０００８】本発明の一特定方法では、約３〜１０ジュ
ールのパワーを持つ低出力レーザ・ビームを用い、そし
て約１ｍｍの直径を有する複数のレーザ・ビーム・スポ
ットを形成する。各パルスの時間的プロフィールは、約
２０〜３０ｎｓ（ナノ秒）の範囲の持続時間と、約１０
ｎｓ以下の立上り時間とを有し得る。本発明のさらに特
定の実施態様では、立上り時間は約４ｎｓであり、レー
ザのパワーは約３ジュールである。
ールのパワーを持つ低出力レーザ・ビームを用い、そし
て約１ｍｍの直径を有する複数のレーザ・ビーム・スポ
ットを形成する。各パルスの時間的プロフィールは、約
２０〜３０ｎｓ（ナノ秒）の範囲の持続時間と、約１０
ｎｓ以下の立上り時間とを有し得る。本発明のさらに特
定の実施態様では、立上り時間は約４ｎｓであり、レー
ザのパワーは約３ジュールである。
【０００９】本方法は、前縁と後縁とを有するガスター
ビンエンジン翼に適用され、前記物品の前記部分は両翼
縁の一方であり、そして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延在
する。本方法は、各表面が翼の２つの側の片側にある２
つの被レーザ衝撃ピーニング表面を同時にレーザ衝撃ピ
ーニングし、そして２つの静止レーザ・ビームを翼の前
記部分に連続的に発射しながら翼を連続的に動かすこと
を含み得る。この実施態様は、レーザ・ビームを用い
て、両表面にレーザ・ビームにより形成される複数のレ
ーザ・ビーム・スポットの辺りのパルスで前記部品
（翼）の前記部分の両表面の材料を蒸発させて、被レー
ザ衝撃ピーニング表面から翼内に延在する深い圧縮残留
応力を有する複数の突起を形成することと、翼を動かし
ながら、レーザ・ビームを受ける両表面上に水をカーテ
ン状に流すことをさらに含む。翼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列の重なり合わない等距離離間した円形レー
ザ・ビームスポットを生成し得る。さらに、翼を動かし
且つレーザ・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列以上の円形レーザ・
ビームスポットを生成し、その際、隣合う列のスポット
が重なり合わないようにすることができる。レーザ・ビ
ームを発射し且つ翼を動かして、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。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)型レーザを用い得る。
ビンエンジン翼に適用され、前記物品の前記部分は両翼
縁の一方であり、そして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延在
する。本方法は、各表面が翼の２つの側の片側にある２
つの被レーザ衝撃ピーニング表面を同時にレーザ衝撃ピ
ーニングし、そして２つの静止レーザ・ビームを翼の前
記部分に連続的に発射しながら翼を連続的に動かすこと
を含み得る。この実施態様は、レーザ・ビームを用い
て、両表面にレーザ・ビームにより形成される複数のレ
ーザ・ビーム・スポットの辺りのパルスで前記部品
（翼）の前記部分の両表面の材料を蒸発させて、被レー
ザ衝撃ピーニング表面から翼内に延在する深い圧縮残留
応力を有する複数の突起を形成することと、翼を動かし
ながら、レーザ・ビームを受ける両表面上に水をカーテ
ン状に流すことをさらに含む。翼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列の重なり合わない等距離離間した円形レー
ザ・ビームスポットを生成し得る。さらに、翼を動かし
且つレーザ・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列以上の円形レーザ・
ビームスポットを生成し、その際、隣合う列のスポット
が重なり合わないようにすることができる。レーザ・ビ
ームを発射し且つ翼を動かして、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。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)型レーザを用い得る。
【００１０】
【利点】本発明は、全表面を十分にレーザ衝撃ピーニン
グしなくても、表面下の区域を疲労によって生じる割れ
による破損から保護できるという利点をもたらす。本発
明は、従来教示されているよりはるかに少ないレーザ衝
撃ピーニングで、疲労割れによる破損を引起こす前に初
期割れを阻止するという利点をもたらす。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部分の表面をレーザ衝撃ピーニング
する比較的迅速且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より良く耐えることが
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
ような費用上効率的な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
安全かつ確実な作用をもたらし、しかも現在しばしばな
されているか又は必要とされているような問題のあるフ
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
回避しうる費用の少ない方法で、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。
グしなくても、表面下の区域を疲労によって生じる割れ
による破損から保護できるという利点をもたらす。本発
明は、従来教示されているよりはるかに少ないレーザ衝
撃ピーニングで、疲労割れによる破損を引起こす前に初
期割れを阻止するという利点をもたらす。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部分の表面をレーザ衝撃ピーニング
する比較的迅速且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より良く耐えることが
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
ような費用上効率的な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
安全かつ確実な作用をもたらし、しかも現在しばしばな
されているか又は必要とされているような問題のあるフ
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
回避しうる費用の少ない方法で、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。
【００１１】本発明の上記の態様と他の特徴を添付図面
と関連する以下の記述において説明する。
と関連する以下の記述において説明する。
【００１２】
【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、ファン翼８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。
本発明の物品と方法は、この翼に代表される種類の硬質
金属部品とその材料のために開発したものである。ファ
ン翼８には根元部４０が含まれ、翼台３６から根元部４
０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３
４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２に示すような翼の各断
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。
が示され、ファン翼８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。
本発明の物品と方法は、この翼に代表される種類の硬質
金属部品とその材料のために開発したものである。ファ
ン翼８には根元部４０が含まれ、翼台３６から根元部４
０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３
４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２に示すような翼の各断
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。
【００１３】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。
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。
【００１４】初期の割れまたは微小亀裂と、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、レーザ衝撃ピ
ーニングされた表面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立体的に相隔たる
複数のレーザ衝撃ピーニングされた突起５３の配列５６
（図４〜図６参照）を有する。立体的に相隔たるレーザ
衝撃ピーニングされた突起５３の配列５６は、文字どう
り割れ（亀裂）を阻止することにより、初期亀裂５７が
個々のレーザ衝撃ピーニングされた突起を通り越すか迂
回して進展することを食い止めることが十分可能な「亀
裂防止（rip stop）」効果をもたらす。これは、被レー
ザ衝撃ピーニング表面５４の下の物品内の全域に圧縮残
留応力を完全に行き渡らせるように予め応力をかけるた
めに被レーザ衝撃ピーニング表面５４を全面にわたって
レーザ衝撃ピーニングする必要を無くする。
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、レーザ衝撃ピ
ーニングされた表面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立体的に相隔たる
複数のレーザ衝撃ピーニングされた突起５３の配列５６
（図４〜図６参照）を有する。立体的に相隔たるレーザ
衝撃ピーニングされた突起５３の配列５６は、文字どう
り割れ（亀裂）を阻止することにより、初期亀裂５７が
個々のレーザ衝撃ピーニングされた突起を通り越すか迂
回して進展することを食い止めることが十分可能な「亀
裂防止（rip stop）」効果をもたらす。これは、被レー
ザ衝撃ピーニング表面５４の下の物品内の全域に圧縮残
留応力を完全に行き渡らせるように予め応力をかけるた
めに被レーザ衝撃ピーニング表面５４を全面にわたって
レーザ衝撃ピーニングする必要を無くする。
【００１５】レーザ衝撃ピーニングされたスポットが連
続的な部分的重なり合いパターンをなさないにもかかわ
らず本発明が疲労亀裂を阻止し得る一つの理由は、隣合
うスポット５８の周囲の半径方向圧縮応力の圧縮性外域
Ｚがスポット周囲Ｐを越えて張り出しているからであ
る。隣合うスポット５８の半径方向圧縮応力の区域Ｚ
は、部分的に重なり合うことすら可能である。このこと
が図７に例示されており、この図は図６における配列５
６内の２個の隣合うスポット５８を示す。ＬＳＰ方法
は、スポット５８内のレーザ衝撃ピーニングされた材料
を圧縮して、レーザ衝撃ピーニングされた材料を周囲の
ピーニングされない材料に抗して押出し、そして図７に
おいて位置Ａ、Ｂ、Ｃ１に示すように全ての方向に比較
的均等な圧縮の場を生成する。スポット５８の境界を越
えたばかりの位置Ｄ１、Ｅ、Ｆで、周方向応力は、互い
に遠ざかる向きの矢印で示され且つＴＳで表されている
ように、引張応力となり、スポット内の圧縮応力と釣合
うが、位置Ｄ１、Ｅ、Ｆにおける境界の半径方向応力は
スポットの周囲Ｐから外方にある距離にわたって圧縮応
力のままとなる。すなわち、スポット５８は互いに接近
して配置されるが接触していないので、進展中の亀裂５
７に垂直な応力が、位置Ｆ、Ｇに示すように、至る所で
圧縮性であるような区域Ｚが両スポット間に存在する。
両ＬＳＰスポット５８間に進展しようとする亀裂５７は
この圧縮域Ｚと出合って減速または阻止される。加え
て、個々のスポットの周りの引張周応力ＴＳは、図７に
おいて右から左に進展する亀裂の阻止に役立つ。Ｄ１と
Ｅに示したような残留周方向引張応力は、右から左に進
展中の亀裂を誘引する傾向があり、そして亀裂経路を逸
せてＬＳＰスポットの中心に向ける。スポットに接近す
ればするほど、この誘引は強力になり、結局亀裂はスポ
ット周囲Ｐに達し、そこで周方向残留応力の符号が引張
りから圧縮に急変し、亀裂は停止する。従って、各スポ
ットの周囲の引張残留応力は、疲労亀裂がその正常経路
から逸れて最高圧縮の区域に入ることを助長し、そこで
相隔たるスポットの効果は最大となる。
続的な部分的重なり合いパターンをなさないにもかかわ
らず本発明が疲労亀裂を阻止し得る一つの理由は、隣合
うスポット５８の周囲の半径方向圧縮応力の圧縮性外域
Ｚがスポット周囲Ｐを越えて張り出しているからであ
る。隣合うスポット５８の半径方向圧縮応力の区域Ｚ
は、部分的に重なり合うことすら可能である。このこと
が図７に例示されており、この図は図６における配列５
６内の２個の隣合うスポット５８を示す。ＬＳＰ方法
は、スポット５８内のレーザ衝撃ピーニングされた材料
を圧縮して、レーザ衝撃ピーニングされた材料を周囲の
ピーニングされない材料に抗して押出し、そして図７に
おいて位置Ａ、Ｂ、Ｃ１に示すように全ての方向に比較
的均等な圧縮の場を生成する。スポット５８の境界を越
えたばかりの位置Ｄ１、Ｅ、Ｆで、周方向応力は、互い
に遠ざかる向きの矢印で示され且つＴＳで表されている
ように、引張応力となり、スポット内の圧縮応力と釣合
うが、位置Ｄ１、Ｅ、Ｆにおける境界の半径方向応力は
スポットの周囲Ｐから外方にある距離にわたって圧縮応
力のままとなる。すなわち、スポット５８は互いに接近
して配置されるが接触していないので、進展中の亀裂５
７に垂直な応力が、位置Ｆ、Ｇに示すように、至る所で
圧縮性であるような区域Ｚが両スポット間に存在する。
両ＬＳＰスポット５８間に進展しようとする亀裂５７は
この圧縮域Ｚと出合って減速または阻止される。加え
て、個々のスポットの周りの引張周応力ＴＳは、図７に
おいて右から左に進展する亀裂の阻止に役立つ。Ｄ１と
Ｅに示したような残留周方向引張応力は、右から左に進
展中の亀裂を誘引する傾向があり、そして亀裂経路を逸
せてＬＳＰスポットの中心に向ける。スポットに接近す
ればするほど、この誘引は強力になり、結局亀裂はスポ
ット周囲Ｐに達し、そこで周方向残留応力の符号が引張
りから圧縮に急変し、亀裂は停止する。従って、各スポ
ットの周囲の引張残留応力は、疲労亀裂がその正常経路
から逸れて最高圧縮の区域に入ることを助長し、そこで
相隔たるスポットの効果は最大となる。
【００１６】本発明は、好ましくは、約３〜１０ジュー
ルの出力をもつ低出力レーザを用い、このレーザは、図
５と図６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をもつ小径レーザ・スポット５８
を生成するように焦点を合わせられる。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／ｃｍ
2 である。これにより、図３と図５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
予め応力をかけられた突起５３の配列５６が発生する。
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２４ｎ
ｓ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。
ルの出力をもつ低出力レーザを用い、このレーザは、図
５と図６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をもつ小径レーザ・スポット５８
を生成するように焦点を合わせられる。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／ｃｍ
2 である。これにより、図３と図５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
予め応力をかけられた突起５３の配列５６が発生する。
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２４ｎ
ｓ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。
【００１７】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０．７５ｍ
ｍ（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０．２５４
ｍｍ（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１．２７ｍ
ｍ（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
）波が発生しそしてブラスト波頭エネルギとそれによ
る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。
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０．７５ｍ
ｍ（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０．２５４
ｍｍ（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１．２７ｍ
ｍ（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
）波が発生しそしてブラスト波頭エネルギとそれによ
る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。
【００１８】より大きなパワーをもつ比較的大きなレー
ザを前述の関連特許出願等に記載されているように用い
得る。好ましくは、配列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と同じ広がりであり、そ
して幅Ｗ１の少なくとも一部分において発生し得る亀裂
５７を阻止するのに十分深く翼形部３４内に存在する。
配列５６は半径方向において前縁ＬＥに沿って前縁部５
０と同じ広がりであるように図示されているが、より短
くてもよい。配列５６のレーザ衝撃ピーニングされた突
起５３内のレーザ・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、そしてレーザにより衝撃を与え
られた表面５４から翼形部３４により代表されるような
物品内に約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
より発生可能であり、各レーザ・ビームは、前縁ＬＥの
両側の融蝕性被覆５５で覆われた表面５４に対して±数
ミル焦点外れにされる。融蝕性被覆５５は、例えば、米
国特許第５６７４３２９号および第５６７４３２８号に
開示されているような塗料またはテ−プである。立体的
に相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた突起５３の配列
５６は、図５と図６に示すように、複数の被レーザ衝撃
ピーニング円形スポット５８を重ね合わせずに離隔する
ことにより形成される。
ザを前述の関連特許出願等に記載されているように用い
得る。好ましくは、配列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と同じ広がりであり、そ
して幅Ｗ１の少なくとも一部分において発生し得る亀裂
５７を阻止するのに十分深く翼形部３４内に存在する。
配列５６は半径方向において前縁ＬＥに沿って前縁部５
０と同じ広がりであるように図示されているが、より短
くてもよい。配列５６のレーザ衝撃ピーニングされた突
起５３内のレーザ・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、そしてレーザにより衝撃を与え
られた表面５４から翼形部３４により代表されるような
物品内に約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
より発生可能であり、各レーザ・ビームは、前縁ＬＥの
両側の融蝕性被覆５５で覆われた表面５４に対して±数
ミル焦点外れにされる。融蝕性被覆５５は、例えば、米
国特許第５６７４３２９号および第５６７４３２８号に
開示されているような塗料またはテ−プである。立体的
に相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた突起５３の配列
５６は、図５と図６に示すように、複数の被レーザ衝撃
ピーニング円形スポット５８を重ね合わせずに離隔する
ことにより形成される。
【００１９】図８と図９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の両側の融蝕性被覆
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流水
を貫くように発射される。塗料、テ−プ等の融蝕性被覆
５５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。他の融蝕性材料も塗料の適当な
代替物として表面の被覆に用い得る。これらの被覆材料
は、米国特許第５６７４３２９号および第５６７４３２
８号に開示されているような金属はくまたは接着性プラ
スチックテ−プを含む。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。融蝕性材料
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８と図９に装置１が示され、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は融蝕性被覆５
５で被覆される。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に連続的に発射しそして相隔たるレーザ衝
撃ピーニングされた円形スポット５８を形成する。カー
テン状の水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３
５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・ビーム装置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。融蝕された被覆材料はカーテン状の流水により洗
い流される。
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の両側の融蝕性被覆
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流水
を貫くように発射される。塗料、テ−プ等の融蝕性被覆
５５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。他の融蝕性材料も塗料の適当な
代替物として表面の被覆に用い得る。これらの被覆材料
は、米国特許第５６７４３２９号および第５６７４３２
８号に開示されているような金属はくまたは接着性プラ
スチックテ−プを含む。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。融蝕性材料
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８と図９に装置１が示され、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は融蝕性被覆５
５で被覆される。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に連続的に発射しそして相隔たるレーザ衝
撃ピーニングされた円形スポット５８を形成する。カー
テン状の水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３
５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・ビーム装置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。融蝕された被覆材料はカーテン状の流水により洗
い流される。
【００２０】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、表面５４を被覆す
ることと、その後、図８と図９に示すように翼８の翼形
部３４とレーザ・ビーム２との相対移動を連続的にもた
らしながら表面５４をレーザ衝撃ピーニングすることと
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る。本実施例では、翼形部３４を
動かしながらレーザ・ビーム２を表面５４に連続的に発
射することにより、隣合う被レーザ衝撃ピーニング円形
スポットが、相隔たる重なり合わない位置において射撃
される。被覆とレーザ衝撃ピーニングとからなるシーケ
ンスを数回繰返せば、所望強さの圧縮残留応力と所望深
さのレーザ衝撃ピーニングされた突起５３が得られる。
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、表面５４を被覆す
ることと、その後、図８と図９に示すように翼８の翼形
部３４とレーザ・ビーム２との相対移動を連続的にもた
らしながら表面５４をレーザ衝撃ピーニングすることと
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る。本実施例では、翼形部３４を
動かしながらレーザ・ビーム２を表面５４に連続的に発
射することにより、隣合う被レーザ衝撃ピーニング円形
スポットが、相隔たる重なり合わない位置において射撃
される。被覆とレーザ衝撃ピーニングとからなるシーケ
ンスを数回繰返せば、所望強さの圧縮残留応力と所望深
さのレーザ衝撃ピーニングされた突起５３が得られる。
【００２１】図５と図６には相隔たるレーザ衝撃ピーニ
ングされた円形スポットが例示され、約１ｍｍ（０．０
４０インチ）〜２ｍｍ（０．０８０インチ）の範囲の小
さな直径Ｄを有する。スポットの対応中心を１直径Ｄよ
り多く離隔し、そして列中心線６２を１直径Ｄよりわず
かに少なく離隔してスポット５８が重なり合わないよう
にし得る。
ングされた円形スポットが例示され、約１ｍｍ（０．０
４０インチ）〜２ｍｍ（０．０８０インチ）の範囲の小
さな直径Ｄを有する。スポットの対応中心を１直径Ｄよ
り多く離隔し、そして列中心線６２を１直径Ｄよりわず
かに少なく離隔してスポット５８が重なり合わないよう
にし得る。
【００２２】この方法は、未融蝕または未融蝕に近い被
覆だけが、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、再被覆がレーザ・
ビーム発射の各シーケンス間になされ、各スポット５８
は数回射撃される。レーザ・ビーム発射シーケンスは、
発射相互間にある期間を有する多数のレーザ・ビーム発
射またはレーザ・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調時される。
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。
覆だけが、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、再被覆がレーザ・
ビーム発射の各シーケンス間になされ、各スポット５８
は数回射撃される。レーザ・ビーム発射シーケンスは、
発射相互間にある期間を有する多数のレーザ・ビーム発
射またはレーザ・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調時される。
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。
【００２３】本発明の一例は、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。被覆と連続
的なレーザ・ビーム発射と翼移動の３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、未融蝕被
覆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被覆を必要とする。各スポット
５８は３回射撃されるので、３組のシーケンスが、被レ
ーザ衝撃ピーニング表面５４の全部で３回の被覆と再被
覆のために用いられる。これは、先行技術において教示
されているように連続的な被レーザ衝撃ピーニング区域
を設けるために４つの相異なるシーケンスを３回用いな
ければならずしかも常に未融蝕材料を射撃すると仮定し
た場合になされる１２回も多い被覆と再被覆に対して、
比較的少ない。
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。被覆と連続
的なレーザ・ビーム発射と翼移動の３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、未融蝕被
覆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被覆を必要とする。各スポット
５８は３回射撃されるので、３組のシーケンスが、被レ
ーザ衝撃ピーニング表面５４の全部で３回の被覆と再被
覆のために用いられる。これは、先行技術において教示
されているように連続的な被レーザ衝撃ピーニング区域
を設けるために４つの相異なるシーケンスを３回用いな
ければならずしかも常に未融蝕材料を射撃すると仮定し
た場合になされる１２回も多い被覆と再被覆に対して、
比較的少ない。
【００２４】レーザ衝撃ピーニング方法はまず、第１シ
ーケンスの表面５４の被覆とレーザ衝撃ピーニングで始
まり、第１シーケンスでは全てのスポットが１回レーザ
衝撃ピーニングされる。その際、好ましくは、翼を連続
的に動かしそしてレーザ・ビームを連続的に発射または
パルス化するオン・ザ・フライ式を用いる。部品は所与
シーケンス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）は翼への連続レーザ・ビーム発射のパルス相
互間のレップと合致する。重なり合わない被レーザ衝撃
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
ットの周囲の被覆に影響しないようになっている。発射
シーケンス相互間で、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被覆される。
このような再被覆段階は、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。
ーケンスの表面５４の被覆とレーザ衝撃ピーニングで始
まり、第１シーケンスでは全てのスポットが１回レーザ
衝撃ピーニングされる。その際、好ましくは、翼を連続
的に動かしそしてレーザ・ビームを連続的に発射または
パルス化するオン・ザ・フライ式を用いる。部品は所与
シーケンス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）は翼への連続レーザ・ビーム発射のパルス相
互間のレップと合致する。重なり合わない被レーザ衝撃
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
ットの周囲の被覆に影響しないようになっている。発射
シーケンス相互間で、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被覆される。
このような再被覆段階は、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。
【００２５】被覆を用いずにオン・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、再被覆をしないです
むのでかなりの時間を節約できる。さらに、各表面を１
回より多く、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、被覆を全く用いないレーザ衝
撃ピーニングによれば表面を被覆しないですむ。生成さ
れるプラズマは翼または部品自体の合金材料からなる。
このような場合、工程のレーザ衝撃ピーニングまたはパ
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
被覆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。被覆がない場
合のプラズマと合金は再硬化しそ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一方法による除去
が必要であることに注意されたい。
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、再被覆をしないです
むのでかなりの時間を節約できる。さらに、各表面を１
回より多く、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、被覆を全く用いないレーザ衝
撃ピーニングによれば表面を被覆しないですむ。生成さ
れるプラズマは翼または部品自体の合金材料からなる。
このような場合、工程のレーザ衝撃ピーニングまたはパ
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
被覆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。被覆がない場
合のプラズマと合金は再硬化しそ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一方法による除去
が必要であることに注意されたい。
【００２６】図２と図３をさらに詳述すると、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、レーザ衝
撃ピーニングされた表面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
応力を有する予め応力をかけられた立体的に相隔たるレ
ーザ衝撃ピーニングされた突起５３の関連配列５６とを
設けることを含む。後縁ＴＥ部のレーザ衝撃ピーニング
された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Ｗ
１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
インチとしそして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２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
ることが望ましいことがある。
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、レーザ衝
撃ピーニングされた表面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
応力を有する予め応力をかけられた立体的に相隔たるレ
ーザ衝撃ピーニングされた突起５３の関連配列５６とを
設けることを含む。後縁ＴＥ部のレーザ衝撃ピーニング
された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Ｗ
１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
インチとしそして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２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
ることが望ましいことがある。
【００２７】図２は予め応力をかけられた立体的に相隔
たるレーザ衝撃ピーニングされた突起５３の部分前縁長
Ｌ１の配列５６に関して本発明を例示する。配列５６は
前縁ＬＥの被レーザ衝撃ピーニング表面長さＬ１にわた
って延在し、長さＬ１はその中心がほぼ所定ノード線５
９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、被レーザ衝撃ピ
ーニング表面長さＬ１は前縁の部分長であり、そして翼
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配列５６の予め応力をかけら
れたレーザ衝撃ピーニングされた突起５３が存在する。
たるレーザ衝撃ピーニングされた突起５３の部分前縁長
Ｌ１の配列５６に関して本発明を例示する。配列５６は
前縁ＬＥの被レーザ衝撃ピーニング表面長さＬ１にわた
って延在し、長さＬ１はその中心がほぼ所定ノード線５
９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、被レーザ衝撃ピ
ーニング表面長さＬ１は前縁の部分長であり、そして翼
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配列５６の予め応力をかけら
れたレーザ衝撃ピーニングされた突起５３が存在する。
【００２８】本発明は、従来開示されたエネルギより低
いエネルギをもつレーザ・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。
いエネルギをもつレーザ・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
面エネルギー密度に対して、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・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。
面エネルギー密度に対して、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・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（Ex
cimer)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
伝達を包含し、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
ング方法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
ピーニングに必要と現在考えられている表面保護用の外
側被覆の必要を極めて少なくするか皆無にし得る。
ーザ・ビームを発する気体媒体を用いるエキシマー（Ex
cimer)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
伝達を包含し、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
ング方法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
ピーニングに必要と現在考えられている表面保護用の外
側被覆の必要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約数万ショット（またはパル
ス）であり、５万ショットに近い。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。
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約数万ショット（またはパル
ス）であり、５万ショットに近い。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・レーザは、例えば、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・レーザに対して、高エ
ネルギ・レーザの信頼性を疑わしいものにする。
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・レーザは、例えば、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・レーザに対して、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。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１００，００
０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
となり得る。高エネルギ・レーザは費用が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年以上を要する。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。
達である。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１００，００
０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
となり得る。高エネルギ・レーザは費用が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年以上を要する。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。
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。
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】本発明による前縁のレーザ衝撃ピーニングされ
た半径方向延在部分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。
た半径方向延在部分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。
る。
【図４】本発明の好適実施例による、レーザ衝撃ピーニ
ングされた表面のレーザ衝撃ピーニングされた円形スポ
ットから内方に延在するレーザ衝撃ピーニングされた突
起の斜視図である。
ングされた表面のレーザ衝撃ピーニングされた円形スポ
ットから内方に延在するレーザ衝撃ピーニングされた突
起の斜視図である。
【図５】本発明の好適実施例による立体的に相隔たるレ
ーザ衝撃ピーニングされた複数の突起の特定パターンの
概略斜視図である。
ーザ衝撃ピーニングされた複数の突起の特定パターンの
概略斜視図である。
【図６】図５におけるレーザ衝撃ピーニングされた円形
スポットの上面図である。
スポットの上面図である。
【図７】図６におけるレーザ衝撃ピーニングされた円形
スポットの２個の周囲の応力域の概略図である。
スポットの２個の周囲の応力域の概略図である。
【図８】本発明の方法を例示するための、被覆されてレ
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。
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９】図８における構成で使用される装置の概略正面
図である。
図である。
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 ５３ 突起 ５４ 被レーザ衝撃ピーニング表面 ５５ 融蝕性被覆 ５６ 突起の配列 ５７ 亀裂 ５８ レーザ・ビーム・スポット ７０ 後縁部 ＬＥ 前縁 ＴＥ 後縁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フィリーマン・ケナード・ライト，ザ・サ ード アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシンナ ティ、カンプトン・リッジ・ドライブ、 270番
Claims (18)
- 【請求項１】 金属製物品であって、 該物品の少なくとも一部分の少なくとも一つのレーザ衝
撃ピーニングされた表面と、 前記のレーザ衝撃ピーニングされた表面から該物品内に
延在する複数の立体的に相隔たるレーザ衝撃ピーニング
された突起とを含み、 前記突起は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こと、を特徴とする金
属製物品。 - 【請求項２】 前記表面の相隔たる円形レーザ・ビーム
・スポットをさらに含み、前記スポットから前記のレー
ザ衝撃ピーニングされた突起が前記物品内に延在し、そ
して前記スポットは重なり合っていない請求項１記載の
物品。 - 【請求項３】 前記突起は断面積が前記スポットから内
方に減少している請求項２記載の物品。 - 【請求項４】 前記複数の突起は、等間隔で相隔たる円
形レーザ・ビーム・スポットを持つ少なくとも一配列の
突起を含んでいる請求項３記載の物品。 - 【請求項５】 硬質金属物品をレーザ衝撃ピーニングす
る方法であって、 レーザ・ビームを前記物品の少なくとも一部分の被レー
ザ衝撃ピーニング表面の相異なる点に発射する工程と、 十分なパワーをもつレーザ・ビームを用いて、前記表面
の前記点において前記レーザ・ビームにより形成される
レーザ・ビーム・スポットの辺りで前記表面の材料を蒸
発させる工程と、 前記レーザ・ビームを受ける前記表面上に水をカーテン
状に流す工程と、 前記スポットから前記物品内に延在する複数の立体的に
相隔たるレーザ衝撃ピーニングされた突起を形成するよ
うに前記レーザ・ビームを発射し、こうして前記突起が
前記レーザ・ビームによって与えられた深い圧縮残留応
力をもつようにする工程とを含んでいることを特徴とす
る前記方法。 - 【請求項６】 前記表面を、前記レーザ・ビームにより
蒸発する融蝕性材料で被覆する工程をさらに含んでいる
請求項５記載の方法。 - 【請求項７】 前記複数の突起は、等間隔で相隔たる円
形レーザ・ビーム・スポットから前記物品内に向かって
延在する少なくとも一配列の突起を含んでいる請求項６
記載の方法。 - 【請求項８】 前記方法がオン・ザ・フライ式レーザ衝
撃ピーニング方法であり、前記物品を連続的に動かしな
がら静止レーザ・ビームを連続的に発射する工程をさら
に含み、前記レーザ・ビームは比較的一定の期間をあけ
て繰返しパルス化される請求項７記載の方法。 - 【請求項９】 約３〜１０ジュールのパワーをもつレー
ザ・ビームを用いて、約１ｍｍの直径を有する複数のレ
ーザ・ビーム・スポットを形成することをさらに含んで
いる請求項６記載の方法。 - 【請求項１０】 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９記
載の方法。 - 【請求項１１】 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１０記載
の方法。 - 【請求項１２】 前記物品は前縁と後縁とを有するガス
タービンエンジン翼であり、前記物品の前記部分は両縁
の一方であり、そして前記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延
在する請求項１０記載の方法。 - 【請求項１３】 ２つの静止レーザ・ビームを前記翼の
前記部分に連続的に発射しながら前記翼を連続的に動か
して、各表面が前記翼の２つの側の片側にある２つの被
レーザ衝撃ピーニング表面を同時にレーザ衝撃ピーニン
グする工程と、 前記レーザ・ビームを用いて、両表面に前記レーザ・ビ
ームにより形成される複数のレーザ・ビーム・スポット
の辺りのレーザ・パルスで前記翼の前記部分の両表面の
材料を蒸発させて、前記被レーザ衝撃ピーニング表面か
ら前記翼内に延在する深い圧縮残留応力を有する複数の
突起を形成する工程と、 前記翼を動かしながら、前記レーザ・ビームを受ける両
表面上に水をカーテン状に流す工程がさらに含まれてい
る請求項１２記載の方法。 - 【請求項１４】 前記翼を直線的に動かすことにより、
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列の重なり合わない等距離離間した円形レー
ザ・ビームスポットを生成する請求項１３記載の方法。 - 【請求項１５】 前記翼を動かし且つ前記レーザ・ビー
ムを発射することにより、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列以上の円形レーザ・ビーム
スポットを生成し、その際、隣合う列のスポットが重な
り合わないようにする請求項１４記載の方法。 - 【請求項１６】 前記レーザ・ビームを発射し且つ前記
翼を動かして、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１４記載の方
法。 - 【請求項１７】 前記レーザ・ビームが、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
ーザから発射される請求項１４記載の方法。 - 【請求項１８】 前記レーザ・ビームが、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（Ｎ
ｄ：ＹＡＧ）型レーザから発射される請求項１４記載の
方法。
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