JP2009509771A

JP2009509771A - レーザーピーニング中の孔食を防ぐよう除去層を使用するレーザーピーニング方法及び装置

Info

Publication number: JP2009509771A
Application number: JP2008533740A
Authority: JP
Inventors: ハッケル，ロイド，エイ
Original assignee: ローレンスリヴァーモアナショナルセキュリティ，エルエルシー
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2009-03-12
Also published as: RU2008117136A; ATE523285T1; CN101277780A; WO2007086953A3; CN101277780B; US9409254B2; BRPI0616606A2; WO2007086953A2; EP1960154B1; US20070075062A1; BRPI0616606B1; EP1960154A2; ES2377475T3; RU2433896C2

Abstract

別個の下層（１０）を有するハイブリッド除去層（１０，１４）は、レーザーピーニングがもたらす孔食を防ぐよう材料(１２)に対して与えられる。下層（１０）は、ピーニングされるべきワークピース（１２）の表面に対して接着し、許容可能な寸法を超える気泡及び空隙を有さない。１つ又はそれより多い上層（１４）は、下層（１２）の上方に置かれて接触する。上層（１４）の下方に形成される気泡は、ピーニングされるべき表面から断絶される。工程は、ピーニングされる表面上における孔食の発生を大幅に低減する。

Description

本発明は、レーザーピーニングに係り、より具体的には、レーザーピーニングを行なう際に孔食（ピッティング、ｐｉｔｔｉｎｇ）を作らない除去層を適用する技術に係る。

レーザーピーニングにおける除去層の使用は、周知である。例えば、以下に簡略的に説明されるＣ．Ｓ．Ｍｏｎｔｒｏｓｓ外による米国特許第４，９３７，４２１号明細書（特許文献１）が参照される。

該特許文献の発明の名称は、「Ｌａｓｅｒｐｅｅｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｍｅｔｈｏｄ」であり、レーザビームを利用してワークピースをピーニングするレーザーピーニング装置及び方法が記載される。該システムは、ピーニングされるべきワークピースの表面と位置合わせされるフォイルを有し、位置合わせされたフォイル表面にレーザを当てる。フォイルは、ビームからのエネルギを吸収し、フォイルの一部は蒸発し、フォイル内における高温プラズマを発生させる。プラズマは、フォイルを通過する衝撃波を発生し、ワークピース表面をピーニングする。

Ｃ．Ｓ．Ｍｏｎｔｒｏｓｓ外による文献、「ＴｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＣｏａｔｉｎｇｏｎＳｕｂｓｕｒｆａｃｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＬａｓｅｒＰｅｅｎｅｄ２００１−Ｔ３Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ」、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅ３６（２００１年）１８０１−１８０７（非特許文献１）において、塗料又は金属フォイル等である除去可能な防食コーティング（ａｂｌａｔｉｖｅ，ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌｃｏａｔｉｎｇ）は、疲労寿命に悪影響を与えるレーザパルスによる表面溶融からアルミニウム構成要素を保護するために使用するよう説明される。該文献は、ナノインデンテーションを使用し、アルミニウム試料への衝撃波伝播に塗料及びフォイルコーティングが与える影響、及び結果もたらされる深さに対する機械的特性における変化を分析する。表面近くにおいて、硬度は、レーザーピーニングによって増大されることが分かったが、この工程は、測定された弾性係数を低減した。レーザパルスのエネルギ密度、及びアルミニウム合金の接着を有するフォイルの特性は、表面の機械的特性における変化に影響を与えることが分かった。

レーザーピーニングの工程において、高出力レーザは、金属表面上へと入射するようにされ、薄い表面層を除去し、プラズマ及び間接的に強い衝撃（ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｉｎｔｅｎｓｅｓｈｏｃｋ）を発生させる。この強い衝撃は可塑的に材料を緊張させ（ｐｌａｓｔｉｃａｌｌｙｓｔｒａｉｎｓｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌ）、表面に残留応力の圧縮層（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｌａｙｅｒｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ）をもたらす。高温プラズマの金属表面との接触を避けるよう、材料の層は、基材表面に対して与えられ、除去材料源としての役割を有し、プラズマの熱からの断絶を与えるようにする。このプラズマは、材料を形成し、その結果として材料をピーニングする、衝撃波源である。本来は、塗料が除去層として使用されたが、塗料は、衝撃が表面を局所的に圧縮する際に局所的に剪断することを防ぐには十分な引張強度を有していない。また、塗料は、衝撃が終わり、表面が反発する際に破砕又は剥離する。接着性裏地を有するテープは、より優れた除去材料であることが明らかにされている。該テープは、容易に適用され、表面に対して貼り付き、一般的に剪断又は剥離を有さずに連続的な並列ピーニング（ｓｉｄｅ−ｂｙ−ｓｉｄｅｐｅｅｎｉｎｇ）を可能にするよう十分な引張強度を有する。しかしながら、テープを表面に対して適用する際に、しばしば半球寸法が２０μｍほどの小ささである微小空洞がテープの下方において閉じこめられ得、金属表面と接触し得る、ことは分かっている。かかる空洞は、衝撃波によって圧縮される際に断熱的に加熱し（ｈｅａｔｉｎａｎａｄｉａｂａｔｉｃｍａｎｎｅｒ）、この熱を金属に対して伝達する。アルミニウム等である低温で溶融する金属に対して、この伝達された熱は、局所的に金属を溶融させるよう、また硬いクレータ（ｓｏｌｉｄｃｒａｔｅｒ）として凝固する溶融材料の微小ピット（ｐｉｔ）を発生させるよう、十分であり得る。このピットは、引張状態において凝固し、金属表面上に応力集中部を形成するため、また、疲労寿命及びピーニングされた試料の耐食性を潜在的に低減させるため、所望されない。
米国特許第４，９３７，４２１号明細書Ｃ．Ｓ．Ｍｏｎｔｒｏｓｓ外、「ＴｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＣｏａｔｉｎｇｏｎＳｕｂｓｕｒｆａｃｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＬａｓｅｒＰｅｅｎｅｄ２００１−Ｔ３Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ」、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅ３６（２００１年）１８０１−１８０７

本発明は、ピーニング工程がピーニングされるべき材料においてピットを発生させることを防ぐレーザーピーニングに対する方法を与える、ことを目的とする。

本発明はまた、ピーニングされた材料がピットを持続させること（ｓｕｓｔａｉｎｉｎｇｐｉｔｓ）を防ぐよう、レーザーピーニングされるべき材料上へと適用されるハイブリッド除去層（ｈｙｂｒｉｄａｂｌａｔｉｏｎｌａｙｅｒｓ）を与える、ことを目的とする。

これらの及び他の目的は、当業者にとって本願に基づいて明らかである。

レーザーピーニングがもたらす孔食を防ぐよう、別個の下層を有するハイブリッド除去層は、ピーニングされるべき材料に対して与えられる。下層は、ピニされるべき表面と接触し、許容可能な寸法を超える気泡及び空隙を有さないように与えられる。金属フォイル又はテープ等である１つ又はそれより多くの上層は、下層にわたって与えられる。下層は、例えば、気泡を有さずに沈着する（ｇｏｅｓｄｏｗｎ）塗料層又はスプレー式接着剤（ａｓｐｒａｙｅｄｏｎａｄｈｅｓｉｖｅ）であり得る。結果として、上層の下方に形成される気泡は、ピーニングされるべき表面から断絶される。工程は、試験されており、ピーニングされた表面上におけるピットの発生を大幅に低減する。本発明は、金属のレーザーピーニング、金属のレーザーピーン成形（ｌａｓｅｒｐｅｅｎｆｏｒｍｉｎｇ）、及び金属のレーザピーンマーキング（ｌａｓｅｒｐｅｅｎｍａｒｋｉｎｇ）等である多種のレーザーピーニング用途において有用である。

本願に組み込まれてその一部を形成する添付の図面は、説明と共に本発明の一実施例を示し、本発明の原理を説明する役割を有する。

２つ又はそれより多い層を有するハイブリッド除去層は、レーザーピーニングされるべき表面に対して与えられる。ハイブリッド除去層は、下層及び１つ又はそれより多い上層を有して形成される。図１を参照すると、下層１０は、気泡又は空隙の最大寸法が以下に記載される定義された量を超えないよう、与えられなければならない。この下層は、ピーニングされるべき表面１２と接触するよう与えられ、続いて金属フォイル又はテープ等である１つ又はそれより多い上層１４は、必要とされる引張強度を与えるようにされる。本発明の一実施例では、下層は、直径が１０ミクロンより大きい空隙又は気泡を有さない。約３ミルの厚さであり、且つ約１ミルの接着剤を有するアルミニウムテープは、一実施例において与えられる。２層のテープは、使用され得る。下層は、例えば、スプレーの特質により気泡を有さずに沈着する塗料層又はスプレー式接着剤であり得る。塗料は、約４乃至５ミルの厚さであり得る。他の手法は、下層を浸漬コーティングしてそれを硬化させること、又は、例えばオーブン又はヒートランプで適切な熱を加えることによってそれを硬化させることである。塗料は、表面に対してよく接着する種類である必要がある。係る塗料材料は、高品質金属プライマ及び熱的硬化エポキシを有し得る。例えば３Ｍｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社によって製造されるスプレー式接着剤（３ＭＭｅｔａｌＰｒｉｍｅｒＥＣ３９０１，３ＭＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＡｄｈｅｓｉｖｅＰｒｉｍｅｒＥＣ−１５９３又はＥＣ−１６６０）は、表面を均等に覆うよう、また、接着剤を有さないテープが上方に与えられるよう、作られ得る。スプレーされて気泡を有さず適用される下張り（ｕｎｄｅｒｌａｙ）を有して、次に上部層又はフォイル層が与えられ得る。典型的には、表面に対してテープの固体層を与える際、気泡は、表面下にとらえられる。気泡がとらえられているため、真空ポンプによって気泡を取り除くことは不可能に近い。しかしながら、気泡を有さずに適用される下層を有して、下層と上層との間に形成される気泡は、ピーニングされる表面から断絶される。かかる気泡が衝撃圧縮により圧縮する際、気泡内において生成される熱は、下層において分散され、故にピーニングされる金属と接触せず、溶融又は孔食（ｐｉｔ）しない。工程は、試験されており、ピーニングされた表面上におけるピットの発生を大幅に低減する。

レーザーピーニングにおいてピットを作るようテープの下方においてとらえられる気泡の潜在性は、計算され得る。レーザーピーニング工程においてテープの下方において微小ピットを溶融するよう十分な熱容量及び温度上昇を気泡が有しているか否かを確認するため、計算は、直径１ｍｍの半球形気泡の熱容量及び温度上昇を有して行なわれ、適度な寸法のピットを溶融するよう必要とされる熱エネルギ、及びこの熱伝達が発生するための潜在性は、評価される。

例えば直径１ｍｍの半球形気泡における体積、質量、及び運動エネルギを使用して、以下の計算が与えられる。１ｍｍの気泡の体積は、Ｖ＝２／３πｒ^３＝２．６×１０^−１０ｍ^３である。ＰＶ＝ｎＲＴから開始して、標準温度及び標準気圧（ＳＴＰ）の室内条件開始点において、気泡における質量及び気体のｋｍｏｌｅ数を計算することは可能である。ＳＴＰにおいて、Ｐ＝１気圧（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ）＝１０^５Ｎ／ｍ^２、及びＴ＝３００Ｋである。Ｒは、普遍気体定数であり、８３１４．４Ｊ／ｋｍｏｌ・Ｋｄｅｇである。ｎ＝ＰＶ／ＲＴ＝（１０^５×２．６×１０^−１０）／（８３１×３００）＝１×１０^−１０ｋｍｏｌ。空気がおおよそ２８ｋｇ／ｋｍｏｌの質量を有するため、この気泡は、２．８×１０−９ｋｇの質量を有する。気泡における分子の運動エネルギは、Ｅ＝ｎ（５／２）ＲＴ＝１７ｍＪである。

レーザ衝撃圧縮中の気泡の温度上昇は、計算される。レーザーピーニング工程からの衝撃波がテープ及び気泡に衝突する際、圧力は、１気圧乃至１０^５気圧上昇する。気体は、Ｔ／Ｔｏ＝（ｐ／ｐｏ）^{（γ−１）／γ}である温度まで略断熱的に上昇する。この式中、γは、定圧比熱に対する定積比熱の割合である。空気等である２原子気体に対して、γは、約５／３である。少量のアルミニウムの溶融が考慮される。故に、レーザによって作られる１０^５という因数による急激な圧力上昇に対して、温度は、Ｔ＝３００（１０^５）^２／５＝３０，０００まで潜在的に上昇し得る。温度は、圧縮を制限するレーリーテーラー不安定性等である他の緩和効果、及び気体から金属への限定拡散率により、略確かにこれほど高くは上昇しない。しかしながら、６５０Ｃであるアルミニウム融点を上回る大幅な温度上昇は、予期される。

ピットを溶融させるよう求められる熱エネルギを確定するよう、以下の計算が行なわれる。微小ピットが直径２０ミクロン及び深さ５ミクロンである場合、溶融アルミニウムの体積及び質量は、
Ｖ＝（ｄ×π×直径^２）／４＝（５×１０^−６×ｐ×（２０×１０^−６）^２）／２＝１．６×１０^−１５ｍ^３
である。ｍ＝２７００ｋｇ／ｍ３×１０^−１５ｍ^３＝４×１０^−１２ｋｇ。このアルミニウムを溶融数量求められる熱の量は、６５０Ｃである融点に加えて金属を固体状態から液体状態までにするための融解熱まで上昇するよう材料の温度に対して求められる熱の量である。アルミニウムの熱容量をＣ＝０．２１２ｋｃａｌ／ｋｇ−Ｃとすると、温度を６５０Ｃ上げる（ｒａｉｓｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｙ６５０Ｃ）よう必要とされる熱は、以下の通り計算される：
Ｑ（ΔＴ）×＝ｍ×Ｃ×ΔＴ＝４×１０^−１２ｋｇ×０．２１２ｋｃａｌ／Ｋｄｅｇ×６５０Ｋｄｅｇ＝５×１０^−１０ｋｃａｌ＝２．２×１０^−６Ｊ
Ｑ（融解熱）＝９３ｋｃａｌ／ｋｇ×４×１０^−１２ｋｇ
故に、所望される総熱量は、３．７μＪであり、気体の運動エネルギにおいて使用可能である１７ｍＪより大幅に小さい。故に、ピットを溶融させるよう気体において使用可能である熱は十分にある。

レーザパルス中にアルミニウムへと拡散される熱は、確定される。材料の拡散率、即ち熱が材料へと拡散することができる率は、熱伝導率ｋ、及び、密度ｐと比熱容量Ｃｐとの積の割合によって与えられる。アルミニウムに対して、かかる値は、ｋ＝．０４８ｋｃａｌ／ｓ×ｍ×Ｃｄｅｇ、ｐ＝２７００ｋｇ／ｍ^３、及びＣｐ＝０．２１２ｋｃａｌ／ｋｇ×Ｃｄｅｇである。
Ｄ＝ｋ／（ｐ×Ｃｐ）＝８．２×１０^−５ｍ^２／ｓ

拡散が酔歩問題であるため、熱は、拡散率とｔ＝１００ｎｓ衝撃パルス幅との積の平方根として拡散する。

拡散深さ＝２×√（Ｄｔ）＝２×√（８．４×１０^−１２）＝６ミクロン。この拡散長さは、観察されたピットの深さに略一致する。

この単純な分析から、微小気泡における気体にはピットを溶融させるよう十分なエネルギがあり、気体は、衝撃圧力上昇の期間中に適切な温度上昇を受ける、と結論づけることが可能である。

局所への衝撃波のエネルギを集中させ得、圧力の温度を上昇させ、液体流を押し出すことができる他の効果はある。表面化の気泡は、低密度領域であり、光学レンズと同様に衝撃波を屈折させ且つ集束させる傾向がある。この増大された衝撃強度は、溶融を誘発し得る。金属の上方に気泡を有さずに与えられる保護層は、衝撃波の集束強度を拡散し、衝撃が誘発するピットが発生する潜在性を低減させる。

本発明の前述された説明は、図示及びせつめいを目的として提示されており、開示された網羅的であるよう、あるいは本発明が開示された形式に正確に制限されるようには、意図されない。多くの修正及び変形は、上述の教示の観点から可能である。開示された実施例は、多種の実施例において、また熟慮された特定の使用に適切である多種の修正を有して、当業者が本発明を最善に利用し得るよう、本発明の原理及びその実用的な適用を説明することのみを意図した。本発明の範囲は、添付の請求項によって定義付けられるものである。

本発明に従って作成された表面を有する材料を図示する。

Claims

レーザーピーニング方法であって、
ワークピースを与える段階と、
該ワークピース上へと第１の層を接着させる段階と、
該第１の層上へと第２の層を接着させる段階と、
該第２の層上へとレーザ光パルスを伝播する段階と、
を有し、
前記パルスは、前記第２の層の一部を除去するよう十分なエネルギ密度を有し、それによってプラズマを排出し、
該プラズマは、前記第１の層及び前記ワークピース上へと伝播する衝撃波を発生し、それによって前記ワークピースをピーニングし、
前記第１の層は、前記衝撃波の影響を受けて、許容しがたいピット寸法を有する少なくとも１つのピットを発生させるよう少なくとも十分に大きい空隙寸法又は気泡寸法を有する空隙又は気泡を有さない、
レーザーピーニング方法。
前記第２の層は、前記レーザ光パルスの波長に対して不透明である、
請求項１記載の方法。
前記気泡寸法又は前記ピット寸法は、１０ミクロンである直径を有する、
請求項１記載の方法。
前記第２の層は、複数の層を有する、
請求項１記載の方法。
前記第２の層は、金属フォイルを有する、
請求項１記載の方法。
前記金属フォイルは、接着剤を有する、
請求項５記載の方法。
前記第２の層は、テープを有する、
請求項１記載の方法。
前記テープは、接着剤を有する、
請求項７記載の方法。
前記テープは、金属テープを有する、
請求項７記載の方法。
前記金属テープは、アルミニウムテープを有する、
請求項９記載の方法。
前記第１の層は、スプレー式接着剤を有する、
請求項１記載の方法。
前記第１の層は、塗料を有する、
請求項１記載の方法。
前記第１の層は、スプレー式塗料を有する、
請求項１記載の方法。
前記第１の層は、浸漬塗布塗料を有する、
請求項１記載の方法。
前記第１の層は、金属プライマを有する、
請求項１記載の方法。
装置であって、
レーザーピーニングされるワークピースに対して接着される第１の層と、
該第１の層に対して接着される第２の層と、
を有し、
前記第１の層は、特定のエネルギ密度を有する衝撃波の影響を受けて、許容しがたいピット寸法を有する少なくとも１つのピットを発生させるよう少なくとも十分に大きい空隙寸法又は気泡寸法を有する空隙又は気泡を有さない、
装置。
前記第２の層上へとレーザ光パルスを伝播する手段を更に有し、
前記パルスは、前記第２の層の一部を除去するよう十分なエネルギ密度を有し、それによってプラズマを排出し、
該プラズマは、前記第１の層及び前記ワークピース上へと伝播する前記衝撃波を発生し、それによって前記ワークピースをピーニングする、
請求項１６記載の装置。
前記第２の層は、前記レーザ光パルスの波長に対して不透明である、
請求項１６記載の装置。
前記気泡寸法又は前記ピット寸法は、１０ミクロンである直径を有する、
請求項１６記載の装置。
前記第２の層は、複数の層を有する、
請求項１６記載の装置。
前記第２の層は、金属フォイルを有する、
請求項１６記載の装置。
前記金属フォイルは、接着剤を有する、
請求項２１記載の装置。
前記第２の層は、テープを有する、
請求項１６記載の装置。
前記テープは、接着剤を有する、
請求項２３記載の装置。
前記テープは、金属テープを有する、
請求項２３記載の装置。
前記金属テープは、アルミニウムテープを有する、
請求項２５記載の装置。
前記第１の層は、スプレー式接着剤を有する、
請求項１６記載の装置。
前記第１の層は、塗料を有する、
請求項１６記載の装置。
前記第１の層は、スプレー式塗料を有する、
請求項１６記載の装置。
前記第１の層は、浸漬塗布塗料を有する、
請求項１６記載の装置。
前記第１の層は、金属プライマを有する、
請求項１６記載の装置。