JP2005281802A - 表面処理方法及び表面処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層を形成できる表面処理方法及び装置を提供する。
【解決手段】 電性の被処理部材１１と棒状の電極３との間に電圧を印加して放電を発生させることにより、被処理部材１１の表面に電極成分の被覆層１８を形成する表面処理方法及び装置であり、電極３を、電極３の先端部が被処理部材１１に接触した状態と、電極３と被処理部材との間に放電が発生する距離以上離れた状態との間で振動させながら被覆層１８を形成する。これにより、要求される性能を満たす被覆層を形成できる上、被覆層を形成する際の入熱量を確実に１ｋＪ／ｃｍ以下に低減することが可能になる。したがって、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層を形成できる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、部材の耐食性や耐摩耗性を向上させるため、部材の表面に被覆層を形成する表面処理技術に関する。

部材の耐食性や耐摩耗性を向上するため、部材の表面に被覆層を形成する表面処理技術として、溶射法、プラズマ粉末肉盛法（以下ＰＴＡ法と略称する）や、化学蒸着法（以下ＣＶＤ法と略称する）などが挙げられる。

溶射法ではプラズマジェットや燃焼炎、ＰＴＡ法ではプラズマアークなどの熱源の中に被覆層を形成する材料粉末を投入し、熱源の中で溶融および加速させ、被処理部材の表面に吹き付けて被覆層を形成するものである。このような溶射法やＰＴＡ法では、比較的高融点の材料で、比較的厚い被覆層を形成することが可能である反面、材料粉末の堆積に起因する被覆層内部の空隙、被覆層と被処理部材の熱膨張の差に起因する剥離、被覆層を形成する際の被処理部材への入熱に起因する熱変形、低付着効率に起因する粉塵の回収などの問題がある。

一方、ＣＶＤ法は、真空中で被覆層を形成する材料を蒸発させ、被処理部材の表面上に堆積させるものである。このようなＣＶＤ法では、比較的緻密で薄い膜からなる被覆層を形成することが可能である反面、真空チャンバー内で被処理部材を処理する必要があるため、現場施工ができない、被覆層と被処理部材間の密着力が比較的小さいといった問題がある。

これらのような問題を解決できる方法として、電極と被処理部材との間に電圧を印加した際に生じる放電によって電極を溶融させ、溶融した電極成分により被処理部材の表面に被覆層を形成する表面処理技術が提案されている（例えば、特許文献１−５参照）。

特許文献１では、非イオン性の界面活性材を添加した脱イオン水からなる加工液中に浸漬した状態で所定の間隔をおいて配置された電極と被処理部材との間に電圧を印加することによって放電を行なわせることが提案されている。そして、この放電によって溶融した電極成分が被処理部材の表面に堆積することにより、比較的緻密な被覆層を形成でき、被覆層内部の空隙を低減できる。また、印加する電圧の出力を変化させることにより、形成する被覆層の厚さを調節することが可能である。特許文献２では、加工液を放電空間に向けて吹きながら電極と被処理部材との間に電圧を印加することによって放電を行なわせることが提案されている。

しかし、特許文献１、２のような方法では、加工液中に電極と被処理部材とを浸漬した状態か、または、加工液を放電空間に向けて吹きながら処理を行なう必要があるため、大気中や純水中での処理はできない。

これに対して、特許文献３−５に提案されているような表面処理技術では、加工液を用いずに被覆層を形成することができる。特許文献３では、電極と被処理部材との間の空間、つまり放電を行なう空間を不活性ガス雰囲気にして放電を発生させ、被覆層を形成することが提案されている。また、特許文献４では、卑金属元素を主たる成分とする電極を用い、電極と被処理部材との間に電圧を印加することで、気中雰囲気で放電を発生させて被覆層を形成することが提案されている。一方、特許文献５では、電極の先端部と被処理部材とを接触させた状態で、電極と被処理部材との間へパルスで電圧を印加することで、溶解した電極成分で被覆層を形成することが提案されている。
特開２０００−２５６８７５号公報（第３−５頁、第１図） ＷＯ９９／４４７８０号公報（第６頁、第３図） 特開平９−１０８８３４号公報（第３−４頁、第１図） 特開２００３−１９４９８８号公報（第３−５頁、第１図） 特開２００３−１４７８号公報（第４頁、第１図）

ところで、放電により電極を溶解させて電極成分で被覆層を形成する表面処理技術では、被処理部材に入熱するが、この被処理部材への入熱量が大きくなると、熱変形や部材を形成している組織に変化を引き起こし、さらに、放射線の照射を受けた部材では割れてしまうといった影響が生じる場合がある。このため、特許文献３−５に提案されているような従来の放電により被覆層を形成する表面処理技術では、処理中の被処理部材への入熱量を放電時間や、印加するパルスのパルス幅などによって制御することが提案されている。

しかし、これらのような従来の放電により被覆層を形成する表面処理技術のように、放電時間や、印加するパルスのパルス幅や通電間隔によって入熱量を制御するだけでは、入熱による被処理部材への影響を抑制することができないか、または、入熱による被処理部材への影響を抑制できたとしても、要求される性能を有した被覆層を得られない場合がある。例えば、特許文献３などでは、酸素の混入に起因する空隙や割れが残存し、また、被覆層の厚さが数μｍ程度と薄く、要求される性能を有した被覆層を得られない。したがって、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層を形成できる表面処理技術が必要となっている。

本発明の課題は、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層を形成することにある。

本発明の表面処理方法は、導電性の被処理部材と棒状の電極との間に電圧を印加して放電を発生させることにより、被処理部材の表面に電極成分の被覆層を形成する表面処理方法であり、被覆層として、ビッカース硬度が４００Hｖ以上、内部空隙率５容積％以下、厚さ５μｍ以上５００μｍ以下の被覆層を、被処理部材への入熱量が１ｋＪ／ｃｍ以下で形成することにより上記課題を解決する。

このような表面処理方法とすることにより、被覆層に対して要求される性能を満たすことができる上、被覆層を形成する際の入熱による被処理部材への影響を抑制できる。したがって、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層を形成できる。

また、本発明の表面処理方法は、導電性の被処理部材と棒状の電極との間に電圧を印加して放電を発生させることにより、被処理部材の表面に電極成分の被覆層を形成する表面処理方法であり、電極を、この電極の先端部が被処理部材に接触した状態と、この電極と被処理部材との間に放電が発生する距離以上離れた状態との間で振動させながら被覆層を形成することにより上記課題を解決する。

このような表面処理方法とすることにより、要求される性能を満たす被覆層を形成できる上、被覆層を形成する際の入熱量を１ｋＪ／ｃｍ以下に確実に低減することができる。したがって、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層を形成できる。

さらに、電極の振動数が５Hｚ以上５０Hｚ以下、振動振幅が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下とする。

また、電極へ印加する電圧がパルスであり、電極へ印加する電圧が１００V以上１０００V以下、パルスの周波数が１００Hｚ以上１０００Hｚ以下、パルスの幅が５０μｍ以上１００μｍ以下とする。

さらに、電極の先端部周囲から被処理部材方向に向けてガスを噴出しながら被覆層を形成し、ガスの流量が２０Ｌ／ｍｉｎ以上１００Ｌ／ｍｉｎ以下とする。

また、被覆層の形成を開始するときの被処理部材の表面温度が１５℃以上１５０℃以下とする。

これらの表面処理方法とすることにより、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層をより確実に形成できる。

また、本発明の表面処理装置は、導電性の被処理部材と棒状の電極との間に電圧印加手段により電圧を印加して放電を発生させることにより、被処理部材の表面に電極成分の被覆層を形成する表面処理装置であり、電極の先端部が被処理部材に接触した状態と、この電極と被処理部材との間に放電が発生する距離以上離れた状態との間で電極を振動させる電極振動機構を備えた構成とすることにより上記課題を解決する。

このような構成とすることにより、要求される性能を満たす被覆層を形成できる上、被覆層を形成する際の入熱量を１ｋＪ／ｃｍ以下程度に確実に低減することができる。したがって、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層を形成できる。

さらに、電極振動機構は、振動数が５Hｚ以上５０Hｚ以下、振動振幅が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下で電極を振動させる構成とする。

また、電極を、電極の中心軸を回転軸として回転させる電極回転機構を備えた構成とする。

また、電圧印加手段は、電極へパルスで電圧を印加してなり、電極へ印加する電圧が１００V以上１０００V以下、パルスの周波数が１００Hｚ以上１０００Hｚ以下、パルスの幅が５０μｍ以上１００μｍ以下である構成とする。

さらに、電極の先端部周囲から被処理部材方向に向けてガスを噴出するガス噴出手段を備え、このガス噴出手段によって噴出されるガスの流量が２０Ｌ／ｍｉｎ以上１００Ｌ／ｍｉｎ以下である構成とする。また、ガス噴出手段は、不活性ガスを噴出する構成とする。

これらの構成とすることにより、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層をより確実に形成できる。

また、電極は、ステンレス鋼及び高クロム鋼を含む鉄合金、インコネルを含むニッケル合金、ジルコニウムを含むジルコニウム合金、チタンを含むチタン合金、アルミニウムを含むアルミニウム合金、マグネシウムを含むマグネシウム合金、マンガンを含むマンガン合金、モリブデンを含むモリブデン合金、コバルトを含むコバルト合金の合金材料で形成するか、炭化タングステン、炭化クロム、または、炭化チタンを含む金属炭化物材料で形成するか、または、これらの合金材料の混合物や、金属炭化物材料の混合物、合金材料と金属炭化物材料の混合物で形成する構成とする。これにより、被覆層をビッカース硬度が４００Hｖ以上にすることが可能となる。

さらに、ガス噴出手段は、電極の周囲を覆い電極の延在方向に延在する筒状のカバーを有し、このカバーの端部と電極との間の空間は、被処理部材の表面に向けて不活性ガスを噴出することにより電極の先端部と被処理部材の処理部位との間に不活性気相空間を形成するガス噴出口となっている構成とする。このような構成とすることにより、純水などの水中でも被覆層を形成することができる。

本発明によれば、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層を形成できる。

以下、本発明を適用してなる表面処理装置及び方法の一実施形態について図１乃至図１０を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる表面処理装置の概略構成を模式的に示す図である。図２は、図１の表面処理装置のトーチ部分を拡大して示す図である。図３は、トーチ部分に電極を振動させるための機構を組み込んだ場合の例を示す断面図である。図４及び図５は、本発明を適用してなる表面処理技術を用いた被処理部材の表面処理作業の手順の一例を示すフロー図である。図６は、本発明を適用してなる表面処理装置の動作を示すフロー図である。図７は、本発明を適用してなる表面処理装置の電極の動作及び被覆層が形成されている状態を模式的に示す図である。図８は、表面処理技術で形成した被覆層の表面粗さ及び堆積量の検証方法を説明する図である。図９は、本発明を適用してなる表面処理装置による施工例を模式的に示す図である。図１０は、図９における表面処理装置のトーチ部分を拡大して示す図である。

本実施形態の表面処理装置１は、図１及び図２に示すように、電極３が取り付けられるトーチ５、トーチ５を支持してトーチ５を移動させて走査動作を行なうための走査アーム部７、走査アーム部７を駆動するための走査アーム駆動機構部９などを備えている。さらに、表面処理装置１は、電極３と被処理部材１１との間に電圧を印加するための電圧印加手段となる第１電源１３、走査アーム駆動機構部９や電極３の振動や回転といった動作を行なうための図１及び図２には図示していないトーチ５が有する電極回転機構や電極振動機構に電力を供給する第２電源１５、そして、トーチ５から電源３の周囲に噴射される不活性ガスを供給するためのガスボンベ１７なども備えている。

電極３は、先端部側から被処理部材１１との間での放電により溶解し、この電極３の成分よって被処理部材１１の表面に被覆層を形成する棒状の電極であり、ステンレス鋼及び高クロム鋼を含む鉄合金、インコネルを含むニッケル合金、ジルコニウムを含むジルコニウム合金、チタンを含むチタン合金、アルミニウムを含むアルミニウム合金、マグネシウムを含むマグネシウム合金、マンガンを含むマンガン合金、モリブデンを含むモリブデン合金、コバルトを含むコバルト合金の合金材料で形成されている。また、電極３は、炭化タングステン、炭化クロム、または、炭化チタンを含む金属炭化物材料でも形成でき、さらに、これらの合金材料の混合物や、金属炭化物材料の混合物、合金材料と金属炭化物材料の混合物などでも形成できる。

トーチ５は、電源ケーブル１９を介して電極３と第１電源１３とを電気的に接続した状態で、電極３を支持している。また、トーチ５には、トーチ５から突出した状態でトーチ５に取り付けられた電極３を囲った状態で、カバー２３が取り付けられている。本実施形態のカバー２３は、電極３の先端部、つまり、カバー２３の開口に向かうに連れて漸次径が拡大するテーパー状になっている。さらに、トーチ５は、ガス管路２１を介してガスボンベ１７に接続されており、トーチ５内に形成されたガスの流路を介して、カバー２３内の空間、つまり、電極３の周囲から、被処理部材１１の表面に向けて不活性ガス２５を噴出する。なお、図１及び図２において、カバー２３は断面で示されている。

本実施形態のトーチ５は、棒状の電極３の延在方向に沿った中心軸を回転軸として電極３を回転させる図示していない電極回転機構と、電極３の先端部が被処理部材１１に接触した状態と、電極３と被処理部材１１との間に放電が発生する距離以上離れた状態との間で電極３を振動させる図１及び図２には図示していない電極振動機構とを有している。これらのトーチ５が有する電極回転機構や電極振動機構が有するモータやアクチュエータなどの駆動手段は、各々、電源ケーブル２７を介して第２電源１５と電気的に接続されている。

ここで、このようなトーチ５が有する電極振動機構の一例を示す。例えば、トーチ５は、図３に示すように、一端がキャップ２９で閉塞された筒状に形成されており、内部に収容されたカム３１及びカム３１を回転させる図示していないアクチュエータ、電極３を取り付ける台座３３、台座３３とキャップ２９との間に設けられた弾性部材であるバネ３５などが電極振動機構を構成している。キャップ２９には、ガス管路２１が挿通されており、ガス管路２１とトーチ５内の空間と連通している。また、キャップ２９には、電源ケーブル１９も挿通されており、図示していないが、電源ケーブル１９は、電極３に電気的に接続されている。カム３１を回転させる図示していないアクチュエータには、電源ケーブル２７が電気的に接続されている。

台座３３は、トーチ５内を、キャップ２９側と開口部３７側との間で往復移動可能になっており、台座３３とキャップ２９との間に設けられたバネ３５によって、開口部３７側に向けて付勢され、カム３１に押し付けられた状態となっている。また、本例のトーチ５の開口部３７は、開口に向かうに連れて漸次径が細くなるテーパー状の不活性ガスを噴出するノズルとなっており、電極３は、この開口の中央部から突出した状態となっている。これにより、ガスボンベ１７から不活性ガスが供給されると、電極３の周囲から被処理部材１１の表面に向けて不活性ガス２５が噴射され、この不活性ガス２５が被処理部材１１の表面に形成される被覆層１８の酸化を抑制する。なお、図３では、カバー２３は省略している。

このような構成のトーチ５では、第２電源１５から供給される電力により、図示していないアクチュエータが駆動することによってカム３１が回転する。このカム３１の回転によって、台座部３３は、カム３１によって押されることによるキャップ２９側への移動と、バネ３５の付勢する力による開口部３７側への移動とによって、トーチ５内を、キャップ２９側と開口部３７側との間で往復移動する。この台座部３３の往復移動により、電極３は、先端部が被処理部材１１に接触した状態と、電極３と被処理部材１１との間に放電が発生する距離以上離れた状態との間で振動する。このとき、カム３１の大きさや回転数を調整することにより、電極３の振動振幅および周波数を調整することができる。

走査アーム部７は、一端部にトーチ５が固定され、他端部が走査アーム駆動機構部９に固定された棒状の部材で形成されている。走査アーム駆動機構部９は、走査アーム部７の端部が取り付けられた部分の関節を始め複数の関節やスライド機構などを有するマニピュレータ様の機器からなり、トーチ５の位置決め動作や、被処理部材１１の表面に沿って所望の方向にトーチ５を移動させる走査動作などを行なうものである。ここでは、トーチ５が電極振動機構を有している例を示したが、電極３の先端部が被処理部材１１に接触した状態と、電極３と被処理部材１１との間に放電が発生する距離以上離れた状態との間で電極３を振動させることができれば、走査アーム部７が電極振動機構を構成し、走査アーム部７の動作により電極を振動運動させる構成など様々な電極振動機構を用いることができる。

第１電源１３には、２本の電源ケーブル１９が連結されており、１本の電源ケーブル１９は電極３に、もう１本の電源ケーブル１９は被処理部材１１に電気的に接続される。そして、第１電源１３は、電極３と被処理部材１１との間に電圧を印加する際、パルスを印加可能であり、電圧の調整に加え、パルスの周波数、幅、間隔などを調整可能になっている。なお、第１電源１３及び第２電源１５は、供給する電力に関する値や周波数などの情報を表示する機能を有していることが望ましい。

このような構成の表面処理装置の動作及び表面処理方法と本発明の特徴部などについて説明する。ここでは、被処理部材１１として蒸気タービンブレードを例として、表面処理つまり被覆層１８の形成を行なう作業の手順について説明する。まず、被処理部材１１である蒸気タービンブレードがプラントなどで使用中のものであり、図４に示すように、プラント内で被処理部材１１である蒸気タービンブレードに対して被覆層１８を形成する場合の例について説明する。補修作業開始の命令を下すと（ステップ１０１）、プラントの運転を停止し（ステップ１０２）、被処理部材１１である蒸気タービンブレードが格納されている容器を開放状態にする（ステップ１０３）。ステップ１０３の後、検査時に取得した損傷箇所データを収容した損傷箇所データベース３９からデータを取得し、図２に示すような補修箇所４１の状態を把握するする（ステップ１０４）。

ステップ１０４の後、図１及び図４に示すように、表面処理装置１などの表面処理に必要な機材を設置する（ステップ１０５）。そして、これまでの実績から構築した施工データ、例えば必要な厚さの被覆層１８を形成するために必要な走査速度や同じ箇所での走査回数などといったデータ、さらに、電極３と被処理部材１１である蒸気タービンブレードとの間に印加するパルスの電圧、周波数、幅、間隔などのデータ、電極３の振動運動の周波数などのデータを収容した施工データベース４３からデータを取得し、取得したデータに基づいて施工条件を設定する（ステップ１０６）。

ステップ１０６によって準備が整った後、表面処理装置１により、被処理部材１１である蒸気タービンブレードの補修箇所４１を補修するため、被覆層１８の形成を行なう（ステップ１０７）。所定の範囲に必要な厚さの被覆層１８が形成されるよう、設定された施工条件、例えば同じ箇所での走査回数などを満たすまで被覆層１８の形成作業が行なわれ、設定された施工条件、例えば同じ箇所での走査回数などを満たしたら、表面処理装置１による被覆層１８の形成作業つまり補修作業を終了する（ステップ１０８）。

ステップ１０８の後、実際に形成された被覆層１８の厚さや範囲などを検査し（ステップ１０９）、被処理部材１１である蒸気タービンブレードの補修箇所４１に適正な被覆層１８が形成されていない場合、つまり、適正に補修されていない場合は、再度ステップ１０７からステップ１０９を繰り返す。ステップ１０９で適正な被覆層１８の形成が確認されれば、表面処理装置１などの機材を撤去し（ステップ１１０）、容器を閉止する（ステップ１１１）。そして、プラントの運転を再開し（ステップ１１２）、補修作業を終了する（ステップ１１３）。

次に、被処理部材１１である蒸気タービンブレードが工場などで生産された未使用の新品であり、図５に示すように、このような新品の被処理部材１１である蒸気タービンブレードに、例えばそれを生産した工場内などで表面処理を行い、被覆層をする場合の例について説明する。この場合、使用中の蒸気タービンブレードの補修を行なうときの手順のステップ１０２、１０３、１１１及び１１２を行なわない以外は、使用中の蒸気タービンブレードの補修を行なうときと同様である。すなわち、被覆層作業開始の命令を下すと（ステップ１０１）、設計図などの被覆層１８を形成する被覆箇所データを収容した損傷箇所データベース４５からデータを取得し、被覆層箇所の状態を把握する（ステップ１０４）。

ステップ１０４の後、図１及び図５に示すように、表面処理装置１などの表面処理に必要な機材を設置する（ステップ１０５）。そして、これまでの実績から構築した施工データを収容した施工データベース４３からデータを取得し、取得したデータに基づいて施工条件を設定する（ステップ１０６）。ステップ１０６の後、表面処理装置１により、被処理部材１１である蒸気タービンブレードへの被覆層１８の形成を行なう（ステップ１０７）。所定の範囲に必要な厚さの被覆層１８が形成されるよう、設定された施工条件、例えば同じ箇所での走査回数などを満たすまで被覆層１８の形成作業が行なわれ、設定された施工条件、例えば同じ箇所での走査回数などを満たしたら、表面処理装置１による被覆層１８の形成作業を終了する（ステップ１０８）。

ステップ１０８の後、実際に形成された被覆層１８の厚さや範囲などを検査し（ステップ１０９）、適正な被覆層１８が形成されていない場合、再度ステップ１０６からステップ１０９を繰り返す。ステップ１０９で適正な被覆層１８の形成が確認されれば、表面処理装置１などの機材を撤去し（ステップ１１０）、被覆作業を終了する（ステップ１１３）。

ここで、図４及び図５に示したような被覆層１８を形成する表面処理の手順におけるステップ１０７、１０８での表面処理装置１の動作について説明する。表面処理装置１は、図６に示すように、作動開始つまり被覆層形成開始の指令を受けると（ステップ２０１）、予め設定された必要な厚さの被覆層１８を形成するために必要な走査速度や同じ箇所での走査回数、さらに、電極３と被処理部材１１である蒸気タービンブレードとの間に印加するパルスの電圧、周波数、幅、間隔、電極３の振動運動の周波数などに基づいて、電極３と被処理部材１１である蒸気タービンブレードとの間にパルスを印加し（ステップ２０２）、電極３の振動運動及びトーチ５つまり電極３の走査を開始する（ステップ２０３及びステップ２０４）。

電極３は、図７に示すように、被処理部材１１である蒸気タービンブレードの表面に対して図７に示すｙ軸方向側に斜めに延在した状態で位置している。そして、ステップ２０３における振幅運動により、電極３は、図７に破線の矢印で示すように、先端部が被処理部材１１である蒸気タービンブレードの表面に近づいて接触する方向と表面から離れる方向、つまり図７に示すz軸方向に往復移動する。

このとき、電極３の移動方向は、電極３を図７に示すz軸方向にのみ往復移動させることもできるし、図７に示すｚ軸方向を含んでいれば、図３に示したような電極振動機構により、電極３をトーチ５から突出させたり、引っ込めたりする運動で行なわせることもできる。図３に示したような電極振動機構の場合、電極３は、電極の延在方向に往復移動するため、図７に示すz軸方向とｙ軸方向との間の被処理部材１１の表面に対して斜め方向に往復移動することになる。したがって、被処理部材１１の表面や形成した被覆層１８に電極３の先端部が斜め方向から接触してくることにより問題が生じる場合には、電極３が図７に示すＺ軸方向にのみ往復移動する振動運動とすることが望ましい。

なお、電極３は、ステップ２０３における振幅運動の開始と同時に、図７に実線の矢印で示すように、電極３の延在方向に沿う中心軸を回転軸として回転を開始する。

ステップ２０２におけるパルスの印加とステップ２０３における電極３の振動運動により、図６及び図７に示すように、被処理部材１１である蒸気タービンブレードの表面に電極３の先端部が近づき、被処理部材１１である蒸気タービンブレードの表面と電極３との間の間隔が絶縁破壊距離以下に短くなると（ステップ２０５）、放電条件が満たされて被処理部材１１である蒸気タービンブレードと電極３との間に放電が生じる（ステップ２０６）。一方、電極３の先端部が被処理部材１１である蒸気タービンブレードの表面から絶縁破壊距離よりも離れた状態の場合は放電しない。したがって、電極３の先端部が被処理部材１１である蒸気タービンブレードの表面に接触した後、蒸気タービンブレードの表面から離れて蒸気タービンブレードの表面との距離が絶縁破壊距離よりも長くなると、被処理部材１１である蒸気タービンブレードと電極３との間の放電が停止する。

このように、被処理部材１１である蒸気タービンブレードと電極３との間での放電と放電の停止を繰り返すことによって電極３の先端部が溶解し、溶解した電極３の成分が、被処理部材１１である蒸気タービンブレードの表面に被覆層１８を形成する。

また、ステップ２０４において、このような電極３の回転と振動運動を行ないながら、電極３は、予め設定された範囲が終了するまで、図７に示すｘ軸方向に移動する走査動作が行なわれる。ｘ軸方向における走査範囲つまり被覆層１８の形成範囲を走査し終えると（ステップ２０７）、電極３は、図６及び図７に示すように、電極３の先端部が向いている方向つまり図７に示すｙ軸方向に予め設定された距離だけ移動し（ステップ２０８）、その位置で再度図７に示すｘ軸方向に電極３の振動運動を行ないながら走査を行う。そして、ｙ軸方向における予め設定された被覆層１８の形成範囲での被覆層１８の形成が終了するまで、ステップ２０４からステップ２０８を繰り返す（ステップ２０９）。

ステップ２０９においてｙ軸方向における予め設定された被覆層１８の形成範囲での被覆層１８の形成が終了すると、電極３を被処理部材１１である蒸気タービンブレードの厚さ方向つまり図７に示すｚ軸方向に予め設定された距離だけ被処理部材１１から離れる方向に移動し（ステップ２１０）、ｚ軸方向における予め設定された被覆層１８の範囲までの被覆層１８の形成が終了するまで、つまり、予め設定された厚さの被覆層１８の形成が終了するまで、ステップ２０４からステップ２１０を繰り返し、再度x軸方向の走査及びy方向の移動、さらに、ｚ軸方向の移動を行う（ステップ２１１）。ステップ２１１においてｚ軸方向の範囲を終了すると、予め設定された全範囲を走査したことになるので、パルスの印加、電極３の振動運動及び電極３のｘ軸方向への走査を停止し（ステップ２１２、２１３及び２１４）、被覆層１８の形成を完了する（ステップ２１５）。

このような本実施形態の振動運動させる電極３を用いた表面処理技術における電極３と被処理部材１１の表面との間隔つまりスタンドオフの調整方法に関して、形成した被覆層１８の表面粗さ及び堆積量との関係を検証した一例を示して説明する。なお、表面粗さとは、被覆層１８表面の凹凸つまり谷と山との高低差、堆積量とは、被覆層１８の重量を意味する。形成した被覆層１８の表面粗さは小さい方が望ましく、堆積量は多い方が望ましい。また、図８に示すように、振動運動させる電極３を用いた表面処理技術に対する比較例として、被処理部材１１の表面から離れた位置で、絶縁破壊距離以下の位置に先端部を固定した常時非接触の電極４７、及び、被処理部材１１の表面に先端部を接触させた常時接触の電極４９を用いた場合の表面粗さ及び堆積量も検証した。この測定結果の一例を表１に示す。なお、図８に示すy軸方向及びz軸方向は、図７と同じ方向を意味する。

表１に示すように、振動運動させる電極３を用いた表面処理技術の場合、表面粗さは、常時非接触の電極４７及び常時接触の電極４９に比べて小さく、堆積量は、常時接触の電極４９に比べて多かった。

さらに、振動運動させる電極３を用いた表面処理技術におけるスタンドオフの調整のための表面粗さ及び堆積量との関係を検証した一例を表２に示す。表２では、種々の電極３の振幅及び周波数で、電極３を振動運動させた場合の表面粗さと堆積量の結果を示している。なお、振幅とは、振動運動する電極３の最上点つまり被処理部材１１の表面から最も離れた点と、最下点つまり被処理部材１１の表面に接触する点との距離、周波数とは、電極３が１周期、つまり、最上点から最下点、最下点から最上点へと振動運動するのに要する時間の逆数である。

この結果、表２に示すように、Ｎｏ．１〜１６で示した振幅及び周波数の条件のうち、表面粗さが他の条件に比べて小さく、かつ、堆積量が他の条件に比べて多い条件は、Ｎｏ．６、７、１０、１１の条件であることがわかる。このことから、望ましい施工条件つまり電極３の振動運動の振幅及び周波数の範囲は、振幅が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下、周波数が５Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下である。すなわち、この施工条件で電極３を振動運動させることが、表面粗さの低減及び堆積量の増加に対し望ましい条件であると言える。

さらに、他の施工条件についても、上記のような方法などを用いて望ましい値を選定した。この結果、印加するパルスの電圧は１００V以上１０００V以下、周波数は１００Hｚ以上１０００Hｚ以下、幅は５０μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましいことがわかった。印加するパルスの電圧が１００Vよりも小さいとき、パルスの周波数が１００Hｚよりも小さいとき、そして、パルスの幅が５０μｍよりも小さいとき、放電を生じない。一方、印加するパルスの電圧が１０００Vよりも大きいとき、パルスの周波数が１０００Hｚよりも大きいとき、そして、パルスの幅が１００μｍよりも大きいとき、放電がパルスでなく連続的な放電つまりアーク放電になってしまう。

また、噴出する不活性ガスの流量は、２０Ｌ／ｍｉｎ以上１００Ｌ／ｍｉｎ以下であることが望ましいことがわかった。噴出する不活性ガスの流量が２０Ｌ／ｍｉｎよりも少ないと、周囲の大気が被覆層を形成している部分に巻き込まれ、被覆層が酸化してしまう。一方、噴出する不活性ガスの流量が１００Ｌ／ｍｉｎよりも多いと、被覆層を形成する被処理部材の表面部分の温度が低下し、被処理部材の表面に付着した電極成分が膜状に拡がり難くなり、形成した被覆層の空隙率を低減できなくなる。

さらに、被覆層１８の形成を開始するときの被処理部材１１の表面温度が１５℃以上１５０℃以下であることが望ましいことがわかった。被処理部材の表面温度が１５℃よりも低いと、被処理部材の表面に付着した電極成分が膜状に拡がり難くなり、形成した被覆層の空隙率を低減できなくなる。一方、被処理部材の表面温度が１５０℃よりも高いと、被処理部材表面に熱酸化膜が形成され絶縁されてしまうことによって放電が生じなくなる場合がある。

ところで、放電により電極を溶解させて電極成分で被覆層を形成する表面処理技術では、表面処理を行なうことにより被処理部材に入熱が生じるが、この被処理部材への入熱量が大きくなると、熱変形や部材を形成している組織に変化を引き起こし、さらに、放射線の照射を受けた部材では割れてしまうといった影響が生じる場合がある。このため、被処理部材への入熱量が１ｋＪ／ｃｍ以下で被覆層を形成することが望ましい。また、被処理部材の耐食性や耐摩耗性を向上し、要求される性能を有する被覆層とするためには、被覆層のビッカース硬度が４００Hｖ以上、内部空隙率５容積％以下、厚さ５μｍ以上５００μｍ以下とすることが望ましい。なお、被覆層のビッカース硬度を４００Hｖ以上とするために、電極３は、ビッカース硬度が４００Hｖ以上の材料で形成されたものを用いる。

これらの各施工条件を満たす条件で被覆層１８の形成を行なった一例における各条件を表３に、そして、この施工条件で形成された被覆層の特性を表４に示す。なお、表４に示す被覆層１８の硬度は、マイクロビッカース硬度計を用いて、被覆層１８の断面の任意の１０箇所を測定した平均値である。被覆層１８の空隙率は、被覆層１８の断面画像を画像処理装置にて白黒２値化し、白部分と黒部分の面積割合を容積割合に変換したものである。被覆層１８の厚さは、被覆層１８の断面画像より、任意の１０箇所を測定した平均値である。被処理部材１１への入熱量は、電極３に印加するパルスの電圧Ｅ、電流Ｉ、パルス幅τ、周波数ｆ及び走査速度Ｖの逆数の積、つまり入熱量＝ＥＩτｆ／Ｖで算出している。

このように本実施形態の表面処理装置１及び表面処理方法では、ビッカース硬度が４００Hｖ以上、内部空隙率５容積％以下、厚さ５μｍ以上５００μｍ以下となる被覆層１８を、被処理部材１１への入熱量が１ｋＪ／ｃｍ以下で形成することができる。したがって、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層を形成できる。

さらに、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層を形成できることにより、被覆層の形成による耐食性や耐摩耗性を向上できる。加えて、大気中で被覆層を形成できることにより、実際にプラントなどの設備などで使用されている被処理部材の補修を行うことも可能であり、補修に要する施工コストや時間を低減できる。

さらに、従来の放電によって被覆層を形成する表面処理技術では、電極と被処理部材の表面との間隔つまりスタンドオフを一定の状態に維持しているが、スタンドオフは数μｍ程度であるため、現在のロボットなどの動作精度レベルではスタンドオフを一定に維持する制御を行なうことは難しく、自動施工には不向きである。特に、タービンやポンプなどの羽根は３次元曲面を有しているため、ロボットなどを用いて自動施工することは難しい。

これに対して、本実施形態の表面処理装置１及び表面処理方法では、電極３は、電極３の先端部が被処理部材に接触した状態と、電極と被処理部材との間に放電が発生する距離以上離れた状態との間で振動させているため、スタンドオフを一定の状態に維持する必要はなく、ロボットなどを用いて自動施工が可能となる。

また、本実施形態では、被処理部材１１の一例として蒸気タービンブレードを示したが、本発明の表面処理技術は、ポンプの羽根やガスタービンのブレードなど、耐食性や耐摩耗性の向上を必要とする様々な部材に適用できる。

例えば、本発明の表面処理技術は、図９及び図１０に示すように、改良型沸騰水型原子力プラントの原子炉圧力容器５１内に設けられたインターナルポンプ５３の羽根５３ａに対して施工を行なう場合の例である。この場合、表面処理装置１の走査アーム駆動機構部９及び走査アーム部７は、原子炉圧力容器５１内に走査アーム部７を挿入し、トーチ５をインターナルポンプ５３の位置に持って行くのに適応する形状に形成されている。さらに、原子炉圧力容器５１内で表面処理を行なうため、施工は、原子炉圧力容器５１の底部に溜まった原子炉水中で行なわれることになる。このとき、原子炉水は、放電の妨げとなるため、トーチ５には、水中で施工を行なうのに適応した形状のカバー５５が取り付けられている。

カバー５５は、図１０に示すように、図１に示したカバー２３とは異なり、電極３の先端部に向かうに連れて径が細くなるテーパー状に形成されている。このため、カバー５５の開口部は、カバー５５の内周面と電極３の外周面との間隔がカバー５５の他の部分よりも狭くなっており、カバー５５から噴出する不活性ガスの流速を増大させるガス噴出口となっている。このため、カバー５５の開口部であるガス噴出口から噴出した不活性ガスにより、電極３の先端部と被処理部材となる羽根５３ａの処理部位との間に不活性気相空間が形成され、電極３の先端部が羽根５３ａの処理部位の表面に絶縁破壊距離以下に近づくことにより、放電を生じることができる。

このように、表面処理装置１は、走査アーム駆動機構部及び走査アーム部の形状を変更することなどにより、様々な装置や設備における被処理部材の補修に適用でき、さらに、トーチに取り付けられたカバーの形状を図１０に示すような形状に変更することにより、純水中などの放電を妨げる液体中での被覆層の形成にも適用できる。

本発明を適用してなる表面処理装置の一実施形態の概略構成を模式的に示す図である。 図１の表面処理装置のトーチ部分を拡大して示す図である。 本発明を適用してなる表面処理装置のトーチ部分に電極を振動させるための機構を組み込んだ場合の例を示す断面図である。 本発明を適用してなる表面処理技術を用いた被処理部材の表面処理作業の手順の一例を、使用品の被処理部材に対する施工の場合について示すフロー図である。 本発明を適用してなる表面処理技術を用いた被処理部材の表面処理作業の手順の一例を、新品の被処理部材に対する施工の場合について示すフロー図である。 本発明を適用してなる表面処理装置の一実施形態の動作を示すフロー図である。 本発明を適用してなる表面処理装置の一実施形態の電極の動作及び被覆層が形成されている状態を模式的に示す斜視図である。 表面処理技術で形成した被覆層の表面粗さ及び堆積量の検証方法を説明する図である。 本発明を適用してなる別の実施形態の表面処理装置による施工例を、原子炉圧力容器の部分を断面で模式的に示す図である。 図９における表面処理装置のトーチ部分を拡大して示す図である。

符号の説明

１ 表面処理装置
３ 電極
５ トーチ
７ 走査アーム部
９ 走査アーム駆動機構部
１１ 被処理部材
１３ 第１電源
１５ 第２電源
１７ ガスボンベ
１８ 被覆層
１９、２７ 電源ケーブル
２１ ガス管路

Claims (10)

1. 導電性の被処理部材と棒状の電極との間に電圧を印加して放電を発生させることにより、被処理部材の表面に電極成分の被覆層を形成する表面処理方法であり、前記被覆層として、ビッカース硬度が４００Hｖ以上、内部空隙率５容積％以下、厚さ５μｍ以上５００μｍ以下の被覆層を、被処理部材への入熱量が１ｋＪ／ｃｍ以下で形成することを特徴とする表面処理方法。
2. 導電性の被処理部材と棒状の電極との間に電圧を印加して放電を発生させることにより、被処理部材の表面に電極成分の被覆層を形成する表面処理方法であり、前記電極を、該電極の先端部が被処理部材に接触した状態と、該電極と被処理部材との間に放電が発生する距離以上離れた状態との間で振動させながら前記被覆層を形成することを特徴とする表面処理方法。
3. 前記電極の振動数が５Hｚ以上５０Hｚ以下、振動振幅が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の表面処理方法。
4. 前記電極へ印加する電圧がパルスであり、前記電極へ印加する電圧が１００V以上１０００V以下、前記パルスの周波数が１００Hｚ以上１０００Hｚ以下、前記パルスの幅が５０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表面処理方法。
5. 前記電極の先端部周囲から被処理部材方向に向けてガスを噴出しながら被覆層を形成し、前記ガスの流量が２０Ｌ／ｍｉｎ以上１００Ｌ／ｍｉｎ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の表面処理方法。
6. 前記被覆層の形成を開始するときの被処理部材の表面温度が１５℃以上１５０℃以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の表面処理方法。
7. 導電性の被処理部材と棒状の電極との間に電圧印加手段により電圧を印加して放電を発生させることにより、被処理部材の表面に電極成分の被覆層を形成する表面処理装置であり、
   前記電極の先端部が被処理部材に接触した状態と、該電極と被処理部材との間に放電が発生する距離以上離れた状態との間で前記電極を振動させる電極振動機構を備えたことを特徴とする表面処理装置。
8. 前記電極振動機構は、振動数が５Hｚ以上５０Hｚ以下、振動振幅が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下で前記電極を振動させてなることを特徴とする請求項７に記載の表面処理装置。
9. 前記電圧印加手段は、前記電極へパルスで電圧を印加してなり、前記電極へ印加する電圧が１００V以上１０００V以下、前記パルスの周波数が１００Hｚ以上１０００Hｚ以下、前記パルスの幅が５０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項７または８に記載の表面処理装置。
10. 前記電極の先端部周囲から被処理部材方向に向けてガスを噴出するガス噴出手段を備え、該ガス噴出手段によって噴出される前記ガスの流量が２０Ｌ／ｍｉｎ以上１００Ｌ／ｍｉｎ以下であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の表面処理装置。
    

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