JP2006249483A - 放電表面処理方法及び修理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 肉盛層１３の周縁がワーク１の母材から剥離し難くなって、ワーク１の被処理部３の表面処理不良をほとんどなくなる。
【解決手段】 油Ｌ中においてワーク１の被処理部３と電極７の先端面との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによってワーク１の被処理部３に電極７の電極材料等を堆積、拡散、及び／又は溶着させて、ワーク１の被処理部３に薄膜９を形成し、ワーク１の被処理部３と電極７の先端面との間にパルス状の放電を更に発生させることにより、前記電極材料の消耗によって電極７の先端面にワーク１の被処理部３周縁を囲むフランジ部１１を形成しつつ、放電エネルギーによって薄膜９を成長させて、ワーク１の被処理部３に肉盛層１３を形成すること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放電エネルギーを利用して、ワークの被処理部に対して表面処理を行うための表面処理方法、及びガスタービンエンジンのエンジン部品等の金属部品の被修理部を修理するための修理方法に関する。

近年、ワークの被処理部に対する表面処理について様々な技術が開発されており、放電エネルギーを利用して、前記ワークの前記被処理部に対して表面処理を行う先行技術として特許文献１に示すものがある。

即ち、金属の粉末とセラミックスの粉末との混合粉末からプレスによる圧縮によって成形した成形体により構成される電極を用い、油中において前記ワークの前記被処理部と前記電極の先端面との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記ワークの前記被処理部に前記セラミックス含有の電極の材料或いは該材料の反応物質を堆積させて、前記ワークの前記被処理部に高硬度の薄膜を形成するものである。
特開平８−３００２２７号公報

しかしながら、ガスタービンのエンジン部品（金属部品の一例）の被修理部の修理を行う場合には、前記エンジン部品の前記被修理部に生じた摩耗等の欠陥を除去してから、前記エンジン部品における前記欠陥を除去した欠陥除去部（ワークの被処理部に相当する）に肉盛層を形成する必要があるが、前記電極にセラミックスの粉末が含まれてあって、前記エンジン部品の前記被修理部に肉盛層を形成することはできない。

一方、図７に示すように、金属を主成分とする粉末からプレスによる圧縮によって成形した成形体により構成される電極１０１を用いて、加工槽１０３に貯留した油Ｌ中においてエンジン部品１０５の欠陥除去部１０７と電極１０１の先端面との間にパルス状の放電を発生させると、エンジン部品１０５の欠陥除去部１０７に薄膜１０９を形成して（図７（ａ）参照）、更に、薄膜１０７を成長させて、エンジン部品１０３の欠陥除去部１０９に肉盛層１１１を形成することができる（図７（ｂ）参照）。

ところで、肉盛層１１１の厚さが厚くなるに伴って、肉盛層１１１の内部に電流の流れによる大きな発熱が生じる。また、エンジン部品１０３の欠陥除去部１０７と電極１０１の先端面との間（この領域を放電領域という）にパルス状の放電を発生させると、外側から前記放電領域に冷たい油Ｌが放電回数に応じて出入りすることになる。そのため、肉盛層１１１を形成する途中に、肉盛層１１１が急冷されることになって、肉盛層１１１の熱収縮によって肉盛層１１１の周縁に剥離が生じたり、又は肉盛層１１１の内部に亀裂が生じたりすることがあって、エンジン部品１０３の被修理部の修理不良（換言すれば、ワークの被処理部の表面処理不良）を招くという問題がある。

請求項１に記載の発明にあっては、放電エネルギーを利用して、ワークの被処理部に対して表面処理を行うための表面処理方法において、
金属を主成分とする粉末から成形した成形体、若しくは加熱処理した前記成形体により構成される電極を用い、油中において前記ワークの前記被処理部と前記電極の先端面との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記ワークの前記被処理部に前記電極の材料又は該材料の反応物質を堆積、拡散、及び／又は溶着させて、前記ワークの前記被処理部に薄膜を形成する薄膜形成工程と；
前記薄膜形成工程が終了した後に、油中において前記ワークの前記被処理部と前記電極の先端面との間にパルス状の放電を更に発生させることにより、前記電極の材料の消耗によって前記電極の先端面に前記ワークの前記被処理部周縁を囲むフランジ部を形成しつつ、放電エネルギーによって前記薄膜を成長させて、前記ワークの前記被処理部に肉盛層を形成する肉盛層形成工程と；
を具備してなることを特徴とする。

なお、「前記ワークの前記被処理部周縁を囲む」とは、前記ワークの前記被処理部周縁の全部を囲むことの他に、前記ワークの前記被処理部周縁の大部分を囲むことを含む意である。

請求項１に記載の発明特定事項によると、前記肉盛層の厚さが厚くなるに伴って、前記肉盛層の内部には電流の流れによる大きな発熱が生じる。一方、前記ワークの前記被処理部と前記電極の先端面との間（この領域を放電領域という）にパルス状の放電を更に発生させると、前記電極の材料の消耗によって前記電極の先端面に前記ワークの前記被処理部周縁を囲むフランジ部を形成することができるため、外側から前記放電領域に冷たい油が出入りすることを抑制することができる。

請求項２に記載の発明にあっては、金属部品の被修理部を修理するための修理方法において、
前記金属部品の前記被修理部に生じた欠陥を除去する欠陥除去工程と；
前記欠陥除去工程が終了した後に、金属を主成分とする粉末から成形した成形体、若しくは加熱処理した前記成形体により構成される電極を用い、油中において前記金属部品の前記欠陥を除去した欠陥除去部と前記電極の先端面との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記金属部品の前記欠陥除去部に前記電極の材料又は該材料の反応物質を堆積、拡散、及び／又は溶着させて、前記金属部品の前記欠陥除去部に薄膜を形成する薄膜形成工程と；
前記薄膜形成工程が終了した後に、油中において前記金属部品の前記欠陥除去部と前記電極の先端面との間にパルス状の放電を更に発生させることにより、前記電極の材料の消耗によって前記電極の先端面に前記金属部品の前記欠陥除去部周縁を囲むフランジ部を形成しつつ、放電エネルギーによって前記薄膜を成長させて、前記金属部品の前記欠陥除去部に肉盛層を形成する肉盛層形成工程と；
前記肉盛層形成工程が終了した後に、前記肉盛層の厚さが所定の厚さになるように前記肉盛層の寸法仕上げを行う寸法仕上げ工程と；
を具備してなることを特徴とする。

なお、「前記金属部品の前記欠陥除去部周縁を囲む」とは、前記金属部品の前記欠陥除去部周縁の全部を囲むことの他に、前記金属部品の前記欠陥除去部周縁の大部分を囲むことを含む意である。

請求項２に記載の発明特定事項によると、前記肉盛層の厚さが厚くなるに伴って、前記肉盛層の内部には電流の流れによる大きな発熱が生じる。一方、前記金属部品の前記欠陥除去部と前記電極の先端面との間（この領域を放電領域という）にパルス状の放電を更に発生させると、前記電極の材料の消耗によって前記電極の先端面に前記金属部品の前記欠陥除去部周縁を囲むフランジ部を形成することができるため、外側から前記放電領域に冷たい油が出入りすることを抑制することができる。

請求項３に記載の発明にあっては、請求項２に記載の発明特定事項の他に、前記金属部品は、ガスタービンエンジンのエンジン部品であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明特定事項によると、請求項２に記載の発明特定事項による作用のと同様の作用を奏する。

請求項１に記載の発明によれば、前記肉盛層の厚さが厚くなるに伴って、前記肉盛層の内部に電流の流れによる大きな発熱が生じても、外側から放電領域に冷たい油が出入りすることを抑制することができるため、前記肉盛層を形成する途中に、前記肉盛層が急冷されることをなくなって、前記肉盛層の周縁の剥離及び前記肉盛層の内部の亀裂が生じ難くなり、前記ワークの前記被処理部の表面処理不良がほとんどなくなる。

請求項２又は請求項３に記載の発明によれば、前記肉盛層の厚さが厚くなるに伴って、前記肉盛層の内部に電流の流れによる大きな発熱が生じても、外側から前記放電領域に冷たい油が出入りすることを抑制することができるため、前記肉盛層を形成する途中に、前記肉盛層が急冷されることをなくなって、前記肉盛層の周縁の剥離及び前記肉盛層の内部の亀裂が生じ難くなり、前記金属部品の修理不良がほとんどなくなる。

第１の実施形態について図１から図３を参照して説明する。

ここで、図１（ａ）は、第１の実施形態に係わるワークを示す図であって、図１（ｂ）（ｃ）は、第１の実施の形態に係わる表面処理方法を説明する図であって、図２は、放電エネルギーによって金属の母材に肉盛層を形成した場合における、融合部の厚さと肉盛層の密着強度との関係を示す図であって、図３は、放電エネルギーによって金属の母材に肉盛層を形成した場合における、融合部の厚さと母材の変形との関係を示す図である。

第１の実施形態に係わる表面処理方法は、放電エネルギーを利用して、図１（ａ）に示すようなワーク１の被処理部３に対して表面処理を行うための方法であって、次に示すような(I)薄膜形成工程と、（II)肉盛層形成工程とを具備している。

（Ｉ） 薄膜形成工程
図１（ｂ）に示すように、ワーク１を放電加工機（放電加工機の大部分を図示省略）の加工槽５内の所定位置にセットする。そして、電極７を用い、加工槽５内に貯留した油Ｌ中においてワーク１の被処理部３と電極７の先端面との間にパルス状の放電を発生させる。これにより、その放電エネルギーによってワーク１の被処理部３に電極７の電極材料或いは該電極材料の反応物質を堆積、拡散、及び／又は溶着させて、ワーク１の被処理部３に薄膜９を形成することができる。

ここで、電極７は、金属を主成分とする粉末からプレスによる圧縮によって成形した成形体、若しくは加熱処理した前記成形体により構成されるものである。なお、電極７は、圧縮によって成形する代わりに、泥漿、ＭＩＭ（Metal Injection Molding）、溶射等によって成形しても差し支えない。

また、「堆積、拡散、及び／又は溶着」とは、「堆積」、「拡散」、「溶着」、「堆積と拡散の２つの混合現象」、「堆積と溶着の２つの混合現象」、「拡散と溶着の２つの混合現象」、「堆積と拡散と溶着の３つの混合現象」のいずれも含む意である。

(II) 肉盛層形成工程
前記(I)薄膜形成工程が終了した後に、図１（ｃ）に示すように、加工槽５内の油Ｌ中においてワーク１の被処理部３と電極７の先端面との間にパルス状の放電を更に発生させる。これにより、前記電極材料の消耗によって電極７の先端面にワーク１の被処理部３周縁の全部を囲むフランジ部１１を形成しつつ、放電エネルギーによって薄膜９を成長させて、ワーク１の被処理部３に肉盛層１３を形成することができる。なお、ワーク１の被処理部３周縁の全部を囲むフランジ部１１を形成する代わりに、ワーク１の被処理部３周縁の大部分を囲むフランジ部を形成しても差し支えない。

また、肉盛層１３とワーク１の母材との境界には、組成比が厚さ方向へ傾斜的に変化する融合部（融合層）１５が生成されており、肉盛層１３を形成する際に適正な放電条件を選択することによって、融合部１５は、厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるように構成されている。なお、前記適正な放電条件は、ピーク電流が３０Ａ以下で、パルス幅が２００μｓ以下であって、好ましくは、ピーク電流が２０Ａ以下で、パルス幅が２０μｓ以下である。

ここで、融合部１５の厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるようにしたのは、図２及び図３に示す試験結果に基づくものである。

即ち、放電条件を変えて、放電エネルギーによってワーク１の母材に肉盛層１３を形成した場合に、融合部１５の厚さと肉盛層１３の密着強度との関係が図２のようになり、融合部１５の厚さが３μｍ以上になると、肉盛層１３の密着強度が高くなるという、新規な第１の知見を得ることができた。また、融合部１５の厚さとワーク１の母材の変形との関係が図３に示すようになり、融合部１５の厚さが２０μｍ以下であると、ワーク１の母材の変形を抑えることできるという、新規な第２の知見を得ることができた。よって、新規な第１及び第２の知見から、ワーク１の母材の変形を抑えつつ、肉盛層１３の密着強度を高めることができるように、融合部１５の厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるようにした。

なお、図２及び図３における横軸は、融合部１５の厚さを対数表示してあって、図２における縦軸は、肉盛層１３の密着強度を無次元化して表示してあって、図３における縦軸は、ワーク１の母材の変形を無次元化して表示してある。

次に、第１の実施形態の作用及び効果について説明する。

肉盛層１３の厚さが厚くなるに伴って、肉盛層１３の内部には電流の流れによる大きな発熱が生じる。一方、ワーク１の被処理部３と電極７の先端面との間（この領域を放電領域という）にパルス状の放電を更に発生させると、電極７の材料の消耗によって電極７の先端面にワーク１の被処理部３周縁を囲むフランジ部１１を形成することができるため、外側から前記放電領域に冷たい油Ｌが出入りすることを抑制することができる。

また、融合部１５の厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるようにしたため、ワーク１の母材の変形を抑えつつ、肉盛層１３の密着強度を高めることができる。

従って、肉盛層１３の厚さが厚くなるに伴って、肉盛層１３の内部に電流の流れによる大きな発熱が生じても、外側から前記放電領域に冷たい油Ｌが出入りすることを抑制することができるため、肉盛層１３の形成の途中に、肉盛層１３が急冷されることをなくなって、肉盛層１３の周縁の剥離及び肉盛層１３の内部の亀裂が生じ難くなり、ワーク１の被処理部３の表面処理不良がほとんどなくなる。

また、ワーク１の母材の変形を抑えつつ、肉盛層１３の密着強度を高めることができるため、表面処理済みのワーク１の品質を安定させることができる。

第２の実施形態について図４から図６を参照して説明する。

ここで、図４（ａ）は、第２の実施形態に係わる修理方法の修理対象であるタービン動翼を示す図であって、図４（ｂ）、図５（ａ）（ｂ）、及び図６は、第２の実施形態に係わる修理方法を説明する図である。

図４（ａ）に示すように、第２の実施形態に係わる修理方法の修理対象であるタービン動翼１７は、ジェットエンジン等のガスタービンエンジンに用いられるエンジン部品の一つであって、翼１９と、翼１９の基端側に一体に形成されかつ燃焼ガスの流路面２１ｆを有したプラットホーム２１と、このプラットホーム２１に一体に形成されかつタービンディスクのダブテール溝（図示省略）に嵌合可能なダブテール２３とを具備している。

ここで、翼１９の先端部は、前記ガスタービンエンジンの稼動中においてエンジンケース等の静止部品との接触によって摩耗等の欠陥が生じ易く、翼１９の先端部が被修理部になっている。

そして、第２の実施形態に係わる修理方法は、タービン動翼１７における翼１９の先端部（被修理部）を修理するための方法であって、次に示すような(i)欠陥除去工程と、(ii)薄膜形成工程と、(iii)肉盛層形成工程と、(iv)寸法仕上げ工程とを具備している。

(i) 欠陥除去工程
タービン動翼１７を研削盤（研削盤の大部分を図示省略）の所定位置にセットする。そして、図２（ｂ）に示すように、前記研削盤における砥石２５を回転させつつ、研削加工によって翼１９の先端部に生じた前記欠陥を除去する。

なお、研削加工によって前記欠陥を除去する代わりに、放電除去加工等によって前記欠陥を除去するようにしても差し支えない。

(ii) 薄膜形成工程
前記(i)欠陥除去工程が終了した後に、図３（ａ）に示すように、タービン動翼１７を前記研削盤の所定位置から取り外して、放電加工機の加工槽２７内の所定位置にセットする。そして、電極２９を用い、加工槽２７に貯留した油Ｌ中において、翼１９における前記欠陥を除去した欠陥除去部３１と電極２９の先端面との間にパルス状の放電を発生させる。これにより、その放電エネルギーにより電極２９の電極材料或いは該電極材料の反応物質を翼１９の欠陥除去部３１に堆積、拡散、及び／又は溶着させて、翼１９の欠陥除去部３１に薄膜３３を形成することができる。なお、電極２９は、第１の実施形態に係わる電極７と同様の構成を有している。

(iii) 肉盛層形成工程
前記(ii)薄膜層形成工程が終了した後に、図３（ｂ）に示すように、加工槽２７に貯留した油Ｌ中において翼１９の欠陥除去部３１と電極２９の先端面との間にパルス状の放電を更に発生させる。これにより、前記電極材料の消耗によって電極２９の先端面に翼１９の欠陥除去部３１周縁の全部を囲むフランジ部３５を形成しつつ、放電エネルギーによって薄膜３３を成長させて、翼１９の欠陥除去部３１に肉盛層３７を形成することができる。なお、翼１９の欠陥除去部３１周縁の全部を囲むフランジ部３５を形成する代わりに、翼１９の欠陥除去部３１周縁の大部分を囲むフランジ部を形成しても差し支えない。

また、肉盛層３７と翼１９の母材との境界には、組成比が厚さ方向へ傾斜的に変化する融合部（融合層）３９が生成されており、肉盛層３７を形成する際に適正な放電条件を選択することによって、融合部３９は、厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるように構成されている。なお、前記適正な放電条件は、ピーク電流が３０Ａ以下で、パルス幅が２００μｓ以下であって、好ましくは、ピーク電流が２０Ａ以下で、パルス幅が２０μｓ以下である。

ここで、融合部３９の厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるようにしたのは、第１の実施形態に係わる融合部１５と同様に、図２及び図３に示す試験結果に基づくものである。

(iv) 寸法仕上げ工程
前記(iii)肉盛層形成工程が終了した後に、前記放電加工機の所定位置からタービン動翼１７を取り外して、前記研削盤の所定位置にセットする。そして、図４に示すように、前記研削盤における砥石２５を回転させつつ、研削加工によって肉盛層３７の厚さが所定の厚さになるように肉盛層３７の寸法仕上げを行う。

なお、研削加工によって寸法仕上げを行う代わりに、放電除去加工等によって前記欠陥を除去するようにしても差し支えない。

次に、第２の実施形態の作用及び効果について説明する。

肉盛層３７の厚さが厚くなるに伴って、肉盛層３７の内部には電流の流れによる大きな発熱が生じる。一方、翼１９の欠陥除去部３１と電極２９の先端面との間（この領域を放電領域という）にパルス状の放電を更に発生させると、電極２９の材料の消耗によって電極２９の先端面に翼１９の欠陥除去部３１周縁を囲むフランジ部３５を形成することができるため、外側から前記放電領域に冷たい油Ｌが出入りすることを抑制することができる。

また、融合部３９の厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるようにしたため、翼１９の母材の変形を抑えつつ、肉盛層３７の密着強度を高めることができる。

従って、肉盛層３７の厚さが厚くなるに伴って、肉盛層３７の内部に電流の流れによる大きな発熱が生じても、外側から前記放電領域に冷たい油Ｌが出入りすることを抑制することができるため、肉盛層３７の形成の途中に、肉盛層３７が急冷されることをなくなって、肉盛層３７の周縁の剥離及び肉盛層３７の内部の亀裂が生じ難くなり、タービン動翼１７の修理不良がほとんどなくなる。

また、翼１９の母材の変形を抑えつつ、肉盛層３７の密着強度を高めることができるため、修理済みのタービン動翼１７の品質を安定させることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他、種々の態様で実施可能である。

図１（ａ）は、第１の実施形態に係わるワークを示す図であって、図１（ｂ）（ｃ）は、第１の実施の形態に係わる表面処理方法を説明する図である。 放電エネルギーによって金属の母材に肉盛層を形成した場合における、融合部の厚さと肉盛層の密着強度との関係を示す図である。 放電エネルギーによって金属の母材に肉盛層を形成した場合における、融合部の厚さと母材の変形との関係を示す図である。 図４（ａ）は、第２の実施形態に係わる修理方法の修理対象であるタービン動翼を示す図であって、図４（ｂ）は、第２の実施形態に係わる修理方法を説明する図である。 図５（ａ）（ｂ）は、第２の実施形態に係わる修理方法を説明する図である。 第２の実施形態に係わる修理方法を説明する図である。 本発明の課題を説明するための図である。

符号の説明

１ ワーク
３ 被処理部
５ 加工槽
７ 電極
９ 薄膜
１１ フランジ部
１３ 肉盛層
１５ 融合部
１７ タービン動翼
２５ 砥石
２７ 加工槽
２９ 電極
３１ 欠陥除去部
３３ 薄膜
３５ フランジ部
３７ 肉盛層
３９ 融合部

Claims (3)

1. 放電エネルギーを利用して、ワークの被処理部に対して表面処理を行うための表面処理方法において、
   金属を主成分とする粉末から成形した成形体、若しくは加熱処理した前記成形体により構成される電極を用い、油中において前記ワークの前記被処理部と前記電極の先端面との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記ワークの前記被処理部に前記電極の材料又は該材料の反応物質を堆積、拡散、及び／又は溶着させて、前記ワークの前記被処理部に薄膜を形成する薄膜形成工程と；
   前記薄膜形成工程が終了した後に、油中において前記ワークの前記被処理部と前記電極の先端面との間にパルス状の放電を更に発生させることにより、前記電極の材料の消耗によって前記電極の先端面に前記ワークの前記被処理部周縁を囲むフランジ部を形成しつつ、放電エネルギーによって前記薄膜を成長させて、前記ワークの前記被処理部に肉盛層を形成する肉盛層形成工程と；
   を具備してなることを特徴とする放電表面処理方法。
2. 金属部品の被修理部を修理するための修理方法において、
   前記金属部品の前記被修理部に生じた欠陥を除去する欠陥除去工程と；
   前記欠陥除去工程が終了した後に、金属を主成分とする粉末から成形した成形体、若しくは加熱処理した前記成形体により構成される電極を用い、油中において前記金属部品の前記欠陥を除去した欠陥除去部と前記電極の先端面との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーによって前記金属部品の前記欠陥除去部に前記電極の材料又は該材料の反応物質を堆積、拡散、及び／又は溶着させて、前記金属部品の前記欠陥除去部に薄膜を形成する薄膜形成工程と；
   前記薄膜形成工程が終了した後に、油中において前記金属部品の前記欠陥除去部と前記電極の先端面との間にパルス状の放電を更に発生させることにより、前記電極の材料の消耗によって前記電極の先端面に前記金属部品の前記欠陥除去部周縁を囲むフランジ部を形成しつつ、放電エネルギーによって前記薄膜を成長させて、前記金属部品の前記欠陥除去部に肉盛層を形成する肉盛層形成工程と；
   前記肉盛層形成工程が終了した後に、前記肉盛層の厚さが所定の厚さになるように前記肉盛層の寸法仕上げを行う寸法仕上げ工程と；
   を具備してなることを特徴とする修理方法。
3. 前記金属部品は、ガスタービンエンジンのエンジン部品であることを特徴とする請求項２に記載の修理方法。

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