CN101146930B - 表面处理方法及修理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了在对象物上的限定部位形成致密的被膜的方法。该方法由以下工序构成：将选自金属粉末的压缩体和已烧结的金属粉末的压缩体组成的组中的一种压缩体应用于加工电极；以对象物作为工件，由上述加工电极在上述对象物上放电堆积第1被膜；以对象物作为工件，由上述加工电极在上述第1被膜上放电堆积第2被膜；在选自真空、大气和氧化气氛组成的组中的任一种氛围中加热上述对象物，使上述第2被膜致密化或者至少一部分氧化生成固体润滑物质。

Description

表面处理方法及修理方法
技术领域
本发明涉及利用放电在燃气涡轮发动机部件等工件的要求区域上形成被膜或堆焊的方法以及采用该方法的修理方法。
背景技术
燃气涡轮发动机在高温下高速旋转，因而要求其部件具有高的耐磨损性、耐热性或者耐高温腐蚀性等性能。要求这样的性能的部位，是在该部件上限定的部位，而且仅仅是最表面部位。因此，限定在该部位，常常需要在母材上形成陶瓷等最适宜材料的被膜。作为可以适用的方法，可举出PVD、CVD、喷镀等，但是，取决于所选择的材料，实施起来有困难，或者需要极长时间的处理，另外，为了局部地形成被膜，需要将作为对象的部位的周围遮蔽的工序。
在日本特许公开H8-300227号中公开了一种利用电极和工件之间的放电而形成被膜的技术。但是，该技术的问题是，由于陶瓷种类的不同，或者由于工作条件的不同，常常生成多孔的被膜。这种多孔的被膜，粒子之间的结合力较弱，难以确保足够的被膜强度。
发明内容
本发明的目的是，提供利用放电形成致密的陶瓷被膜或堆焊的方法。
按照本发明的第1方面，提供了用于在对象物上的限定部位形成被膜的方法，该方法包括下述工序：
将选自金属粉末的压缩体和烧结的金属粉末的压缩体组成的组中一种压缩体应用于加工电极；以对象物作为工件，由上述加工电极在该对象物上放电堆积第1被膜；以上述对象物作为工件，由上述加工电极在上述第1被膜上放电堆积第2被膜；在选自真空、大气和氧化气氛组成的组中的任一种气氛中，加热上述对象物，以使上述第2被膜致密化或者至少一部分氧化产生固体润滑物质。
按照本发明的第2方面，提供了一种由包含缺陷的对象物制造被修补了的制品的方法，该方法包括下述工序：
去除对象物的包围缺陷的部分；将选自金属粉末的压缩体和烧结的金属粉末的压缩体组成的组中的一种压缩体应用于加工电极；以上述对象物作为工件，由上述加工电极在上述部分放电堆积堆焊层；在选自真空、大气和氧化气氛组成的组中的任一种气氛中，加热上述对象物，以使上述堆焊层致密化或者至少一部分氧化生成固体润滑物质。
优选的是，在上述加热工序之前，还包括将固体润滑材料填充到上述被膜所包含的细孔中的工序。另外，优选的是，上述固体润滑材料实质上由选自hBN、MoS2、BaZrO3和Cr2O3组成的组中的任一种构成。更优选的是，在上述加热工序之前，还包括将固体润滑材料填充到上述被膜所包含的细孔中的工序。
另外，优选的是，燃气涡轮发动机的部件包含上述对象物。更优选的是，燃气涡轮发动机包含上述部件。
附图说明
图1(a)是本发明的第1实施方式的对象物的示意图，图1(b)、(c)是说明对上述对象物的表面处理方法的图。
图2(a)、(b)、(c)是说明上述表面处理方法的图。
图3是采用上述表面处理方法在对象物上形成堆焊时的熔合部的厚度与堆焊的附着强度的关系的图。
图4是表示采用上述表面处理方法在对象物上形成堆焊时的熔合部的厚度与对象物的变形的关系的图。
图5是表示本发明的第2实施方式的修理方法的对象物----涡轮转动叶片的斜视图。
图6(a)是表示上述涡轮转动叶片的护罩的擦动面(修理对象的区域)的缺陷的示意图，图6(b)是说明上述修理方法的图。
图7(a)、(b)是说明上述修理方法的图。
图8(a)、(b)是说明上述修理方法的图。
图9(a)、(b)是说明上述修理方法的图。
具体实施方式
在本说明书和附属的权利要求书中，使用了几个按以下所述定义的术语。术语“放电堆积”定义为，在放电加工机中，代替工件的加工，将放电用于电极的损耗，使上述电极的材料或者使上述电极材料与加工液或加工气体的反应生成物堆积在工件上。另外，术语“进行放电堆积”定义为“放电堆积”的他动词使用。再有，术语“实质上由...构成”意味着半封闭地限定成分，即，排除对发明的基础的和新颖性质产生实质影响的未规定的成分，但允许包含不发生实质性影响的杂质等成分。
在本发明的各实施方式中，利用由放电加工机(图示省略其大部分)产生的放电堆积。在放电堆积中，以对象物作为放电加工机的工件，将其固定在放电加工机上，使上述对象物在加工槽内与电极接近、对置。这里，如果是通常的放电加工，通过从外部电源供给脉冲状的电流，在工件和电极之间发生脉冲状的放电，使工件消耗，这样，工件就被加工成和电极的尖端互补的形状。在按照本发明的放电堆积中，不是使工件消耗，而是使电极消耗，使电极的材料、或者电极的材料与加工液或加工气体的反应生成物堆积在工件上。堆积物不仅附着在工件上，而且利用一部分放电能量，在堆积物与工件之间以及堆积物的粒子相互之间能够同时发生扩散或熔敷等现象。
以下参照图1至图4说明本发明的第1实施方式。
本发明的第1实施方式的表面处理方法，是通过放电堆积对图1(a)所示的对象物1的对象部3进行表面处理的方法，该方法具有下面所述的(I)薄膜形成工序、(II)堆焊层形成工序、(III)润滑材料填充工序、以及(IV)高温保持工序。
(I)薄膜形成工序
如图1(b)所示，以对象物1作为工件，在放电加工机的加工槽5内，使之与电极7对置。然后，在贮存在加工槽5内的油L中，使对象物1的对象部3和电极7之间发生脉冲状的放电。这样，由放电堆积产生的堆积物在对象物1的对象部3上形成了薄膜9。
这里，电极7是由实质上为金属的粉末利用压力机压缩而成形的成形体，或者是经过加热处理使之至少一部分烧结的上述成形体。另外，电极7也可以不采用压缩成形，而是利用泥浆、MIM(Metal Injection Molding)、喷镀等进行成形。
(II)堆焊层形成工序
在上述(I)薄膜形成工序结束后，如图1(c)所示，在加工槽5内的油L中，使对象物1的对象部3和电极7的顶端面之间再次发生脉冲状的放电。由此，使薄膜9进一步生长，在对象物1的对象部3上形成堆焊层11。
另外，在堆焊层11和对象物1的母材的边界上，生成组成比向厚度方向倾斜地变化的熔合部(熔合层)13，通过在形成堆焊层11时选择合适的放电条件，熔合部13的厚度达到3μm以上、20μm以下。再者，上述合适的放电条件是，峰电流为30A以下，脉冲宽度为200μs以下，优选的是，峰电流为20A以下，脉冲宽度为20μs以下。
这里，熔合部13的厚度为3μm以上、20μm以下是基于图3和图4所示的试验结果。
即，改变放电条件、利用放电能量在对象物1的母材上形成堆焊层11时，熔合部13的厚度与堆焊层11的附着强度的关系如图3所示。得到下述新的第1见解：熔合部13的厚度达到3μm以上时，堆焊层11的附着强度提高。另外，熔合部13的厚度与对象物1的母材的变形的关系如图4所示，得到下述新的第2见解：当熔合部13的厚度在20μm以下时，可以抑制对象物1的母材的变形。因此，从上述新的第1和第2见解出发，为了抑制对象物1的母材的变形、同时能够提高堆焊层11的附着强度，熔合部13的厚度要在3μm以上、20μm以下。
再者，图3和图4中的横轴是用对数表示的熔合部13的厚度，图3中的纵轴是无因次表示的堆焊层11的附着强度，图4中的纵轴是无因次表示的对象物1的母材的变形。
(III)润滑材料填充工序
在上述(II)堆焊层形成工序结束后，从上述放电加工机上卸下对象物1。然后，如图2(a)、(b)所示，将固体润滑材料17混合成液体，通过刷涂等填充到堆焊层11中的多数微细孔15中。其中，固体润滑材料17实质上由hBN、MoS2、BaZrO3或者Cr2O3形成。
(IV)高温保持工序
在上述(III)润滑材料充填工序结束后，如图2(c)所示，将对象物1固定在热处理炉19的规定位置。然后，用热处理炉19在真空中或大气中对对象物1进行加热，以使堆焊层11致密化或者氧化。关于致密化，将在后面加以说明，通常，是否发生致密化可以通过观察宏观或者微观的形态清楚地判断。
这里，致密化所需要的加热温度和加热时间，取决于构成上述成形体的金属粉末的种类，在上述金属的粉末是含有Cr的Co合金粉末时，在真空中的高温保持条件是，在1050℃保持20分钟，接着在760℃保持4小时；在大气中的高温保持条件是，在760℃保持4小时。但是，在要求堆焊层11的润滑性时，应该在大气中于高温下仅保持规定的时间，以使固体润滑材料17不被还原，组织内的Cr至少部分地发生氧化，生成固体润滑物质Cr2O3，。
另外，也可以在大气以外的其他的氧化气氛中加热。
在对象物1的对象部3中形成由多孔的组织构成的堆焊层11后，使用热处理炉19，将对象物1在真空或者大气中于高温下仅保持规定的时间，引起对象物1的对象部3和堆焊层11间的扩散现象以及堆焊层11内部的粒子间的扩散现象，提高对象物1的对象部3和堆焊层11的结合力及堆焊层11内部的粒子间的结合力。特别是，在大气等氧化气氛中于高温下仅保持规定时间的情况下，构成堆焊层11的物质受到氧化，变成实质上由氧化物系陶瓷构成的物质。上面所述的“致密化”，是包含由扩散引起的结合力提高和由氧化引起的氧化物系陶瓷生成的术语。
另外，在形成多孔的组织的堆焊层11后，在堆焊层11的多数微细孔15中填充固体润滑材料17，由于固体润滑材料17的润滑作用，使堆焊层11的摩擦阻力减小，可以抑制堆焊层11与对方部件的粘合。
此外，由于熔合部13的厚度为3μm以上、20μm以下，因而，可以在抑制对象物1的母材变形的同时提高堆焊层11的粘结强度。
如上所述，按照第1实施方式，引起对象物1的对象部3与堆焊层11间的扩散现象以及堆焊层11内部的粒子间的扩散现象，能够充分地提高对象物1的对象部3与堆焊层11的结合力以及堆焊层11内部的粒子间的结合力，因此，如表1所示，可以提高堆焊层11的抗拉强度，即使在堆焊层11上施加大的拉应力，堆焊层11也很少产生破裂，可以容易使经过表面处理的对象物1的品质稳定。
表1  拉伸试验结果
加热条件   抗拉强度
  加热前     加热后
在真空中于1050℃保持20分钟，接着在760℃保持4小时   17MPa     88MPa
在大气中于760℃保持4小时   15MPa     64MPa
另外，由于能够在抑制对象物1的母材变形的同时提高堆焊层11的粘结强度，所以能够使经过表面处理的对象物1的品质更加稳定。
此外，由于固体润滑材料17的润滑作用，使堆焊层11的摩擦阻力减小，能够抑制与对手部件的胶合，因此，可以提高堆焊层11的耐磨损性，改善经过表面处理的对象物1的品质。特别是，在大气等氧化气氛中于高温下仅保持规定时间的情况下，可以使多孔的组织全部氧化，变成由以氧化物系陶瓷为主体的组织构成的堆焊层11，因此，提高了堆焊层11的耐氧化性和热屏蔽性，能够进一步提高经过表面处理的对象物1的品质。
下面，参照图5至图9说明本发明的第2实施方式。
如图5所示，作为第2实施方式的修理方法的修理对象的涡轮转动叶片21，是在喷气式发动机等燃气涡轮发动机中使用的发动机部件的一种，具有：叶片23、与该叶片23的基端侧形成一体并具有内部流路的平台25、与该平台25形成一体并且为嵌合在涡轮盘的燕尾槽沟(省略图示)中而形成的燕尾槽27、以及与该叶片23的顶端侧形成一体并且具有外流路29d的护罩29。
在此，如图6(a)所示，涡轮转动叶片21的护罩29中的一对擦动面29f，由于与邻接的涡轮转动叶片21中的护罩29的擦动面29f擦动，容易产生磨损等缺陷，涡轮转动叶片21的护罩29的擦动面29f是修理的对象部位。
第2实施方式的修理方法，是用于修理涡轮转动叶片21的护罩29的擦动面29f的方法，该方法由下述工序构成：(i)缺陷去除工序、(ii)薄膜形成工序、(iii)堆焊层形成工序、(iv)润滑材料充填工序、(v)高温保持工序、以及(vi)提高尺寸精度的加工工序。
(i)缺陷去除工序
将涡轮转动叶片21固定在磨床(图示中省略了磨床的大部分)的规定位置。然后，如图6(b)所示，一面使所述磨床的砂轮31旋转，一面利用磨削加工除去包含在护罩29的擦动面29f上产生的上述缺陷的部分。将去除上述部分而形成的表面称为去除部37。
另外，代替磨削加工，也可以采用放电加工等去除上述部分。
(ii)薄膜形成工序
在上述(i)缺陷去除工序结束后，如图7(a)所示，从上述磨床的规定位置卸下涡轮转动叶片21，在放电加工机的加工槽33内，使其与电极35对置。然后，在贮存在加工槽33内的油L中，使护罩29的去除部37和电极35之间发生脉冲状的放电。这样，由放电堆积产生的堆积物在护罩29的去除部37上形成薄膜39。另外，电极35是和上述第1实施方式的上述电极7相同的电极。
(iii)堆焊层形成工序
在上述(ii)薄膜形成工序结束后，如图7(b)所示，在加工槽33内的油L中，使护罩29的去除部37和电极35之间再次产生脉冲状的放电。这样，使薄膜39进一步成长，在护罩29的去除部37形成堆焊层41。堆焊层41通常具有多孔的组织。
另外，在堆焊层41和涡轮转动叶片21的母材的边界，生成组成比向厚度方向倾斜地变化的熔合部(熔合层)43，通过在形成堆焊层41时选择合适的放电条件，使熔合部43的厚度为3μm以上、20μm以下。上述合适的放电条件是，峰电流为30A以下，脉冲宽度为200μs以下，优选的是，峰电流是20A以下，脉冲宽度是20μs以下。
这里，与第1实施方式的熔合部13同样，使熔合部43的厚度为3μm以上、20μm以下是基于图3和图4所示的试验结果。
(iv)润滑材料填充工序
在上述(iii)堆焊层形成工序结束后，从上述放电加工机上卸下涡轮转动叶片21。然后，如图8(a)和(b)所示，将固体润滑材料47混合成液体，利用刷涂等充填到堆焊层41的多数微细孔45中。其中，固体润滑材料47实质上由hBN、MoS2、BaZrO3或者Cr2O3构成。
(v)高温保持工序
在上述(iv)润滑材料填充工序结束后，如图9(a)所示，将涡轮转动叶片21固定在热处理炉49的规定位置。然后，使用热处理炉49，在真空或大气中加热涡轮转动叶片21，以使堆焊层41致密化。致密化的含义与上述第1实施方式中所述的致密化实质上相同。
这里，致密化所需要的加热温度和加热时间取决存于构成上述成形体的金属粉末的种类，在上述金属粉末是含有Cr的Co合金粉末的场合，真空中的高温保持条件是，在1050℃保持20分钟、接着在760℃保持4小时，大气中的高温保持条件是，在760℃保持4小时。但是，在要求堆焊层41的润滑性时，在大气中于高温下仅保持规定时间，以使固体润滑材料47不被还原，组织内的Cr氧化生成固体润滑材料Cr2O3。
再者，也可以在大气以外的其他氧化气氛中加热。
(vi)提高尺寸精度的加工工序
在上述(v)高温保持工序结束后，从热处理炉49的规定位置卸下涡轮转动叶片21，将其固定在磨床的规定位置。然后，如图7(a)所示，一面使上述磨床的砂轮31旋转，一面进行磨削加工，使堆焊层41的厚度成为规定的厚度，完成堆焊层41的精加工。
另外，代替磨削加工，也可以进行放电去除加工等。
在护罩29的去除部37处形成由多孔组织构成的堆焊层41后，使用热处理炉49，将涡轮转动叶片21在真空或大气中于高温下仅保持规定时间，由此引起护罩29的去除部37和堆焊层41之间的扩散现象以及堆焊层41内部的粒子间的扩散现象，可以充分地提高护罩29的去除部37和堆焊层41的结合力及堆焊层41内部的粒子间的结合力。
另外，在形成了由多孔组织构成的堆焊层41后，将固体润滑材料47填充到堆焊层41的多数微细孔中，通过固体润滑材料47的润滑作用，使堆焊层41的摩擦阻力减小，能够抑制与对手金属部件的胶合。此外，由于使熔合部43的厚度成为3μm以上、20μm以下，因而，一方面抑制了涡轮转动叶片21的母材变形，另一面可以提高堆焊层41的粘结强度。
因此，由于引起护罩29的去除部37和堆焊层41之间的扩散现象及堆焊层41内部的粒子间的扩散现象，可以充分地提高护罩29的去除部37和堆焊层41的结合力及堆焊层41内部的粒子间的结合力，因而，能够提高堆焊层41的抗拉强度，即使在堆焊层41上施加大的拉应力，堆焊层41上也很少发生破裂，可以容易使经过修理的涡轮转动叶片21的品质稳定。
另外，由于能够在抑制涡轮转动叶片21的母材变形的同时，提高堆焊层41的粘结强度，因而能够使经过修理的涡轮转动叶片21的品质更加稳定。
再有，由于固体润滑材料47的润滑作用，使堆焊层41的摩擦阻力减小，能够抑制与对手金属部件的胶合，因此，可以提高堆焊层41的耐磨性，改善经过修理的涡轮转动叶片21的品质。
以上参照几个优选的实施方式对本发明进行了说明，但是本发明不受上述实施方式的限制。基于上述公开内容，具有本技术领域的一般技术的人员，可以通过实施方式的修正或修改来实施本发明。例如，代替油L，可以使用具有电绝缘性的气体等，适宜的变更是可能的。
产业上的应用可能性
利用放电可以简便地形成致密的陶瓷的被膜或堆焊层。

Claims (8)

1.用于在对象物上的限定部位形成被膜的方法，该方法包括下述工序：
将选自由金属粉末的压缩体和烧结的金属粉末的压缩体组成的组中的一种压缩体应用于加工电极；
以对象物作为工件，由上述加工电极在上述对象物上放电堆积第1被膜；
以上述对象物作为工件，由上述加工电极在上述第1被膜上放电堆积第2被膜；以及
在选自由真空、大气和氧化气氛组成的组中的任一种氛围中，加热上述对象物，以使上述第2被膜致密化或者至少一部分氧化生成固体润滑物质；
在所述的加热工序之前，还包括将固体润滑材料填充到上述被膜所包含的细孔中的工序。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的固体润滑材料实质上由选自hBN、MoS2、BaZrO3和Cr2O3组成的组中的任一种构成。
3.包含权利要求1的上述对象物的燃气涡轮发动机的部件。
4.包含权利要求3的部件的燃气涡轮发动机。
5.由包含缺陷的对象物制造被修补了的制品的方法，该方法包括下述工序：
去除对象物的包围缺陷的部分；
将选自由金属粉末的压缩体和烧结的金属粉末的压缩体组成的组中的一种压缩体应用于加工电极；
以对象物作为工件，由上述加工电极在上述部分放电堆积薄膜；
以上述对象物作为工件，在上述加工电极和上述部分之间进一步放电而生长堆焊层；以及
在选自真空、大气和氧化气氛组成的组中的任一种氛围中，加热上述对象物，以使所述的堆焊层致密化或者至少一部分氧化生成固体润滑物质；
在上述加热工序之前，还包括将固体润滑材料填充到上述被膜所包含的细孔中的工序。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述的固体润滑材料实质上由选自hBN、MoS2、BaZrO3和Cr2O3组成的组中的任一种构成。
7.包含权利要求5的上述对象物的燃气涡轮发动机的部件。
8.包含权利要求7的部件的燃气涡轮发动机。
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