JP4305928B2 - Rotating body and coating method thereof - Google Patents
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Description
発明の背景
発明の技術分野
本発明は、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機等で用いられる動翼やラビリンス・シール等の回転体及びそのコーティング方法に係わり、特に回転体の一部に硬質材を含む被膜を形成した回転体及びそのコーティング方法に関する。
関連技術の説明
ガスタービンの運転時には、動翼やラビリンス・シール等の回転体は、動翼におけるケーシングやシュラウドとのチップクリアランス、ラビリンス・シールにおけるハニカム・シールとのシール・クリアランスのような回転部と静止部との隙間を適正に保つように設定する必要がある。接触を恐れて隙間を大きくし過ぎるとガスタービンの効率が低下し、逆に小さくし過ぎると回転体の先端部が破損しガスタービンの故障の原因となってしまうからである。
そこで、回転体の囲繞部材（ケーシング、シュラウド、ハニカム・シール等）との接触を考慮して動翼やラビリンス・シールの先端部には、囲繞部材の接触面の材質に対して相対的に硬い材料で接触する相手を削り取るアブレイシブ・コーティング（Ａｂｒａｓｉｖｅ Ｃｏａｔｉｎｇ）を施し、囲繞部材側には相対的に削られやすい材料のアブレイダブル・コーティング（Ａｂｒａｄａｂｌｅ Ｃｏａｔｉｎｇ）を施している。これは、コーティングの硬度の違いにより、ガスタービン駆動時に、回転体の先端部で囲繞部材の側を削り取ることによって、チップクリアランスやシール・クリアランスを最小限となるように調整するためのものである。
ここで、図１Ａは通常のタービン動翼の斜視図、図１Ｂはチップシュラウド付タービン動翼の斜視図、図１Ｃは圧縮機翼の斜視図である。なお、これらの図では、タービンディスク側のプラットホームやダブテールの図は省略してある。図１Ａに示すタービン動翼１の場合には、その翼先端部の全面にアブレイシブ・コーティング５ａが施されている。また、図１Ｂに示すチップシュラウド付タービン動翼２では、チップシュラウド３に設けられたチップフィン４の先端部（つまりタービン動翼の先端部）の全面にアブレイシブ・コーティング５ｂが施されている。さらに、図１Ｃに示す圧縮機の動翼１の場合にも、その翼先端部の全域（図の裏側も含む）にわたってアブレーシブコーティング５ｃが施されている。
また、図２はラビリンス・シール先端の一例を示す断面図である。ラビリンス・シールは、回転部と静止部との隙間における空気や燃焼ガスの漏れを防止するために設けられるものであり、ガスタービンや圧縮機には頻繁に使用されているシール構造である。一般に、回転部側に凹凸を持ったリング状のラビリンス・シール６が設けられ、静止部側に削り取られ易い構造をしたハニカム・シール（図示せず）が設けられる。図２はラビリンス・シール６の軸心を含む面で切断したときの断面図であり、このラビリンス・シール６の凸部先端にアブレイシブ・コーティング５ｄが施されている。
これらのアブレイシブ・コーティングは、従来、溶接・溶射・メッキ等の方法によりコーティングされている（例えば、特許文献１及び２参照）。溶接によりコーティングする場合には、溶接棒や粉体を用いてタービン動翼又はラビリンス・シールの先端部等の所定箇所にコーティングを施している。溶射によりコーティングする場合には、母材との熱膨張差の小さい比較的硬度の高いジルコニア（ビッカース硬さ１３００ＨＶ）を溶射している。メッキによりコーティングする場合には、硬度の高いｃＢＮ（Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）の砥粒（ビッカース硬さ４５００ＨＶ）をニッケルメッキ等で電着している。
なお、本発明に関連するその他の先行技術として特許文献３、特許文献４に示すものがある。
【特許文献１】
特開平１１−２８６７６８号公報
【特許文献２】
特開２０００−３４５８０９号公報
【特許文献３】
特開平７−３０１１０３号公報
【特許文献４】
特開平８−３１９８０４号公報
しかし、上述した方法では、アブレイシブ・コーティングを密着させるために、コーティングの必要のない箇所にマスキングしたり、密着性を高めるためにコーティングする表面をブラスト処理したりする必要があり、前処理が多く、コストが高いという問題があった。また、従来の溶射又はメッキ方法では、いずれもコーティングの密着性が悪く、駆動時に剥離を生じてしまい、エンジンの故障発生の他にチップクリアランスやシール・クリアランスが適正に保たれないという問題があった。さらに、溶接によりコーティングした場合には、セラミックスに比較してはるかに硬度の低い金属のみしかコーティングできないので、アブレイシブ性能（擦る相手を削り取る性能）が劣るという問題があった。また、作業者の技能により品質がばらついたり、熱伝導の悪い伸びの小さい材料に対しては溶接割れを生じたりしやすいという問題があった。さらに溶接後に要求寸法に加工するための研削という後処理が必要であり、手間がかかるという問題があった。
また、第３および第４の発明によれば、コーティング方法において、電極を消耗させる第１の放電条件にて前記回転体と前記電極の間で放電を行わせ、電極形状を被膜形成部位の形状に倣った形状にして、その後、その電極と前記回転体との間で第２の放電条件にて被膜形成すると、電極を予め製品形状に加工しなくてもコーティング対象部位に適切にコーティングすることができ、電極を消耗させる第１の放電条件を電極をマイナス極性としパルス幅１μｓ以下電流値１０Ａ以下とし、被膜を形成する第２の放電条件を電極マイナス極性としパルス幅２−１０μｓ電流値５−２０Ａとすることが好ましい。
また、従来のアブレーシブコーティングでは、動翼の先端部全域に施されているため、コーティングする範囲が広く、製品の歩留まりが悪いという問題があった。
さらに、従来は、メッキまたは溶射によってコーティングされているため、ラビリンスシールの生産（製造）にあっては、コーティングする前においてはブラスト処理、マスキングテープの貼り付け処理等のコーティング前処理が必要であって、コーティングした後においてはマスキングテープの除去処理等のコーティング後処理が必要である。そのため、ラビリンスシールの生産（製造）に要する作業時間が長くなって、ラビリンスシールの生産性の向上を図ることが容易でない。
また、同じ理由により、アブレイシブコートをシールフィンの先端縁に強固に結合させることができない。そのため、アブレイシブコートがシールフィンの先端縁から剥離し易く、ラビンリンスシールの品質が安定しないという問題があった。
発明の要約
本発明は、上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の第１の目的は、前処理や後処理が不要で密着性がよく、精密でアブレイシブ性能のよい回転中に接触する相手方の材質に対して相対的に硬い材料（以下、本明細書中では便宜上、硬質材という）のコーティングを施した回転体及びそのコーティング方法を提供することにある。
また、そのアブレイシブ・コーティングされた部品においてＨＣＦ（Ｈｉｇｈ Ｃｙｃｌｅ Ｆａｔｉｇｕｅ）又はＬＣＦ（Ｌｏｗ Ｃｙｃｌｅ Ｆａｔｉｇｕｅ）の試験で長寿命なコーティング方法を提供することでもある。
また本発明の第２の目的は、硬質材のコーティングの範囲を最適化することによって、歩留まりを向上させることができる回転体及びそのコーティング方法を提供することにある。
さらに本発明の第３の目的は、ラビリンスシールの生産に要する作業時間を短縮して、ラビリンス部品の生産性を向上することができる回転体及びそのコーティング方法を提供することにある。
第１の目的を達成するために、第１の発明によれば、所定の形状に成形された回転体と、硬質材又は放電により硬質材になる材料を含む圧粉体または固形のシリコンの放電電極との間に、電気絶縁性の加工液中又は気中にて、パルス状の放電を発生させることにより、放電パルス毎に電極材料あるいは電極材料が変化したことでできる硬質材料を回転体側に移行させて硬質の凹凸を形成し、該放電パルスを繰り返すことで該凹凸から構成される硬質被膜を回転体上に形成し、前記硬質皮膜は前記回転体と擦り合い相手部品を削り取るアブレイシブ性被膜である、ことを特徴とする回転体のコーティング方法が提供される。
第１の発明によれば、いわゆる放電コーティング方法を用いていることから、マスキングやブラスト処理等の前処理や研削等の後処理が不要で、密着性のよい被膜又は層を形成することができ、さらにｃＢＮ（立方晶窒化硼素）等の極めて硬い硬質材を含む被膜をコーティングすることができるため、硬質の被膜およびアブレイシブ性能のよい被膜を形成することができる。
表面粗さの荒いコーティングにする条件で処理することで、アブレイシブ性を向上させている。
また、第２の発明によれば、回転体のコーティング方法において、前記放電電極を消耗させる第１の放電条件にて前記回転体と前記放電電極の間で放電を行わせ、電極形状を被膜形成部位の形状に倣った形状にして、その後、その放電電極と前記回転体との間で第２の放電条件にて被膜形成すると、電極を予め製品形状に加工しなくてもコーティング対象部位に適切にコーティングすることができる。
また、第３の発明によれば、放電電極を消耗させる第１の放電条件を、放電電極をマイナス極性としパルス幅１μｓ以下、電流値１０Ａ以下とし、被膜を形成する第２の放電条件は、放電電極をマイナス極性としパルス幅２〜１０μｓ、電流値５〜２０Ａとすることが好ましい。
また、前記皮膜は回転体の先端部に形成されることが好ましく、さらに、前記硬質材は、第７の発明にあるように、ｃＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ２、ＷＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ４Ｃ、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３のいずれか又はこれらの混合物を含む圧粉体の放電電極を用いて被膜を形成することが好ましい。
また、放電により硬質材になる材料には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｎｂのいずれか又はこれらの混合物であることが好ましく、これらは油中での放電によって炭化物となり硬質な被膜を形成する。
この方法によれば、いわゆる放電コーティング方法を用いていることから、回転体の先端部に、容易に硬質材のコーティングを施すことができる。また、耐酸化性の点から、低温度で使われる回転体にはＴｉＣ、ＷＣ又はｃＢＮを含む被膜を、高温で使われる回転体にはｃＢＮ又はＣｒ３Ｃ２を含む被膜を、さらに高温で使われる回転体にはＺｒＯ２又はＡｌ２Ｏ３を含む被膜を形成することが好ましい。
第４、５、６及び８の発明によれば、コーティングされた面の疲労強度を向上する方法を提供する。
表面に母材よりも伸び難い被膜を作ると、引張り荷重を薄い被膜で負担してしまうために、表面の被膜が割れ易い。放電表面処理によるコーティングでは、硬質な層が強固に母材に溶着しているため被膜の割れは、母材の割れに発展する。それを避けるために、延性のある被膜にするか、母材と被膜の間に割れの進展を防ぐ層を作るか、引張りに強いコーティング層にする必要がある。その方法を提供するものである。
第４の発明では、被膜において、硬質材のコーティングされた面内のコーティングされた面積の割合、すなわちカバレッジを抑え、硬質材のコーティングが無い箇所、つまり延性のある箇所を分散して残すことにより、延性を残す。
第５の発明では、放電電極に炭化物を作り難い金属を含ませることで、硬質材の間に延性のある金属の箇所を分散して作ることにより、延性を残す。
第６の発明では、下地に金属主体のポーラスな被膜を形成し、その後で、ポーラスな被膜の上に硬質材を含む被膜を形成することにより、コーティング層の割れが母材に進展するのを防ぐ。
第８の発明では、コーティング層の表面にピーニングを施し、圧縮の残留応力を残し、母材が伸びても引張りの応力が小さくなるようにする。
これら第４から第６まで、および第８の発明は、硬質材のコーティングに限らず、耐摩耗コーティング等表面に被膜を形成する放電表面処理に有効である。
また、第７の発明によれば、硬質材のコーティングに使える極めて硬いセラミックスを提供することにより、有効な硬質材のコーティング提供を可能にする。
また、第９の発明によれば、回転体と硬質材又は放電により硬質材になる材料を含む圧粉体の放電電極との間で、電気絶縁性の加工液中又は気中にて、パルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーにより前記放電電極の構成材料またはこの構成材料の反応物質が、該回転体の一部に硬質材を含むアブレイシブ性被膜を形成した、ことを特徴とする回転体が提供される。マスキングやブラスト処理等の前処理や研削等の後処理が不要で、密着性のよい被膜又は層が形成されていることが特徴である。さらに前記被膜は回転体の先端部に形成されている、ことが好ましい。
この回転体は、電気絶縁性の加工液中又は気中にて、回転体と放電電極との間で放電させることによって、回転体の一部に硬質材を含むアブレイシブ性被膜を形成するので、アブレイシブ性に優れた回転体にすることができる。
第１０から１３の発明によれば、延性のある被膜にする、母材と被膜の間に割れの進展を防ぐ層を作る、引張りに強いコーティング層にする、ことにより疲労強度の高い回転体を提供する。
また、第１４の発明によれば、硬質材のコーティングに使える極めて硬いセラミックスを提供することにより、アブレイシブ性能のよい回転体を提供する。
第２の目的を達成するために、第１５の発明によれば、回転体と対向する静止部品に接触可能性のある回転体の部位近傍のみに硬質材のコーティングの施された回転体を提供する。これにより、作業の手間が小さく、電極使用量が少なく、製品の歩留まりのよい、安価な回転体が得られる。
第１６の発明では、コーティングする範囲を局所的に絞ることにより、さらに安価な回転体を提供する。
第１７の発明は第９から１６のアブレイシブ性能を向上させる方法でコーティングされた回転構造体を提供する。表面粗さを荒くする条件でコーティングしアブレイシブ性を向上させている。
第１８の発明は第１５の具体例であって、先端部に硬質材のコーティングの施された動翼であって、硬質材のコーティングは、動翼の回転進行方向の角部およびその近傍のみに施されていることを特徴とする動翼が提供される。
硬質材のコーティングの範囲が最適化されていることから歩留まりを向上させることができ、また作業時間の短縮及びコーティング材の節約を図ることができる。
第１９の発明は第１６の具体例であって、ロータまたはブリスクの全数でなく一部の動翼に被膜を形成した、ことを特徴とする回転体が提供される。コーティングされる翼の数量を最少に抑えることで、作業時間の短縮及びコーティング材の節約をさらに図ることができる。
第３の目的を達成するために、第２０の発明は、前記回転体は、静止部品と回転部品との間で気体または液体の漏洩を抑制するラビリンスシール構造の構造要素の一つである回転側ラビリンスシール部品であって、
環状のシール部品本体と、前記シール部品本体の外周面に一体的に形成された環状のシールフィンとを備え、前記シールフィンの先端縁に硬質材のコートを具備し、該硬質材のコートは、消耗性を有したコーティング用電極を用い、電気絶縁性のある液中または気中において前記コーティング用電極と前記シールフィンの先端縁との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーにより前記シールフィンの先端縁に形成された前記コーティング用電極の構成材料またはこの構成材料の反応物質からなる硬質材を含む被膜である、ことを特徴とする。
ここで、「消耗性を有したコーティング用電極」とは、一般には、粉末状の金属（金属化合物を含む）、粉末状の金属と粉末状のセラミックスとの混合材、または通電性を有する粉末状のセラミックスを圧縮成形してなる圧粉体電極（加熱処理した圧粉体電極を含む）のことをいい、固体のシリコンからなるシリコン電極も含まれる。なお、通電性を有するセラミックスには、適宜に表面処理が施されている。
第２０の発明によると、前記硬質材のコートは、メッキまたは溶射によることなく、前記コーティング用電極と前記シールフィンの先端縁との間に発生した放電エネルギーにより前記シールフィンの先端縁に前記コーティング用電極の構成材料またはこの構成材料の反応物質からなる硬質材を含む被膜であるため、前記回転側ラビリンスシール部品の生産にあっては、ブラスト処理、マスキングテープの貼り付け処理等のコーティング前処理、マスキングテープの除去処理等のコーティング後処理がそれぞれ不要になる。
また、放電エネルギーによりコーティングされた前記硬質材のコートと前記シールフィンの母体との境界部分は、傾斜合金特性を有するので、前記硬質材のコートを前記シールフィンの先端縁に強固に結合させることができる。
また第２０の発明において、好ましくは、前記２１の発明にあるように前記硬質材のコートは、前記シールフィンの先端縁における周方向の複数の被処理部に局所的に形成した複数の局所的な被膜である。
この構成により、前記硬質材のコートは複数の局所コートからなるようにしたため、換言すれば、前記シールフィンの先端縁全周ではなく、前記シールフィンの先端縁における周方向の複数の被処理部に前記コーティング用電極の構成材料またはこの構成材料の反応物質からなる硬質材を含む被膜を局所的に形成するようにしたため、前記シールフィンの先端縁における被処理部の大きさ・形状に対応して前記コーティング用電極を小さくかつ簡単な形状にすることができると共に、前記コーティング用電極に使用する電極材料の量を少なくすることができる。
なお、前述のように、前記硬質材のコート（前記硬質材の局所コート）を前記シールフィンの先端縁に強固に結合させることができるため、前記シールフィンの先端縁全周に前記硬質材のコートをコーティングしなくても、複数の前記硬質材の局所コートによって前記回転側ラビリンスシール部品全体としての十分なアブレイシブ性を有することができる。
さらに第９の発明において、好ましくは、第１４の発明にあるように前記コーティング用電極は、粉末状の金属、粉末状の金属と粉末状のセラミックスとの混合材、または通電性を有する粉末状セラミックスを圧縮成形してなる圧粉体電極、または固体のシリコンの電極であって、更に、前記セラミックスはｃＢＮ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ２、ＺｒＯ２-Ｙ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ４Ｃ、ＷＣ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３のいずれか又はこれらの混合物である。
ここで、「粉末状の金属」には、粉末状の金属化合物も含まれる。なお、通電性を有しないセラミックスには、適宜に表面処理が施されて通電性が確保されている。
また、第２２の発明は、静止部品と回転部品との間で気体または液体の漏洩を抑制するラビリンスシール構造において、
前記静止部品に一体的に設けられた静止側シール部品と、
前記静止側シール部品の内側に配置され、前記回転部品と一体的に回転可能であって、前記回転部品に一体的に設けられた環状のシール部品本体と、前記シール部品本体の外周面に一体的に形成された環状のシールフィンとを備え、前記シールフィンの先端縁にコーティングされた硬質性のコートを有し、該硬質性のコートは、消耗性を有したコーティング用電極を用い、該コーティング用電極と前記シールフィンの先端縁との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーにより前記シールフィンの先端縁にコーティングされた前記コーティング用電極の構成材料またはこの構成材料の反応物質からなる硬質材を含む被膜である、ことを特徴とする。
ここで、「静止側シール部品」には、ハニカム状の静止側ハニカムシール部品、または内側にアブレイダブルコートがコーティングされた静止側アブレイダブルシール部品が含まれる。
また、「消耗性を有したコーティング用電極」とは、一般には、粉末状の金属（金属化合物を含む）、粉末状の金属と粉末状のセラミックスとの混合材、または通電性を有する粉末状のセラミックスを圧縮成形してなる圧粉体電極（加熱処理した圧粉体電極を含む）のことをいい、固体のシリコンからなるシリコン電極も含まれる。なお、通電性を有しないセラミックスには、通電性のないセラミックス粉末の表面に、通電性被膜をつける処理を行い、適宜に表面処理が施されて通電性が確保されている。
第２２の発明によれば、前記回転側ラビリンスシール部品は前記硬質材のコートを備えているため、前記回転側ラビリンスシール部品を前記回転部品と一体的に回転させる際に、前記静止側シール部品が変形して前記回転側ラブリンスシール部品と前記静止側シール部品が接触しても、前記回転側ラビリンスシール部品における前記硬質材のコートによって前記静止側シール部品が削られるだけで、前記回転側ラビリンスシール部品が削られるようなことはほとんど生じない。
これによって、前記回転部品の回転中に前記静止側シールと前記回転側ラビリンスシール部品との隙間が大きくなることを抑制して、前記ラビリンスシール構造のシール効果を適切な状態に保つことができる。また、前記回転部品の初期回転時において前記回転側ラビリンスシール部品と前記静止側シール部品が僅かに接触するように設定しておくことによって、前記初期回転時以降において前記静止側シール部品と前記回転側ラビリンスシール部品との隙間を極力小さくすることができ、前記ラビリンスシール構造のシール効果をより一層高めることができる。
また、前記硬質材のコートはメッキまたは溶射によることなく、前記コーティング用電極と前記シールフィンの先端縁との間に発生した放電エネルギーにより前記シールフィンの先端縁に前記コーティング用電極の構成材料またはこの構成材料の反応物質からなる硬質材を含む被膜であるため、前記回転側ラビリンスシール部品の生産にあっては、ブラスト処理、マスキングテープの貼り付け処理等のコーティング前処理、マスキングテープの除去処理等のコーティング後処理がそれぞれ不要になる。
更に、放電エネルギーによりコーティングされた前記硬質材のコートと前記シールフィンの母材との境界部分は、傾斜合金特性を有しているので、前記硬質材のコートを前記シールフィンの先端縁に強固に結合させることができる。
また第２３の発明において、好ましくは、前記硬質材のコートは、前記シールフィンの先端縁における周方向の複数の被処理部に局所的に形成した複数の局所的な被膜である。
この構成により、前記硬質材のコートは複数の硬質材の局所コートからなるようにしたため、換言すれば、前記シールフィンの先端縁全周ではなく、前記シールフィンの先端縁における周方向の複数の被処理部に前記コーティング用電極の構成材料またはこの構成材料の反応物質からなる硬質材を含む被膜を局所的に形成するようにしたため、前記シールフィンの先端縁における被処理部の大きさ・形状に対応して前記コーティング用電極を小さくかつ簡単な形状にすることができると共に、前記コーティング用電極に使用する電極材料の量を少なくすることができる。
なお、前述のように、前記硬質材のコート（前記硬質材の局所コート）を前記シールフィンの先端縁に強固に結合させることができるため、前記シールフィンの先端縁全周に前記硬質材のコートをコーティングしなくても、複数の前記硬質材の局所コートによって前記回転側ラビリンスシール部品全体としての十分なアブレイシブ性を有することができる。
第２４の発明は、鍛造素材または鋳造素材を機械加工により所定形状に形成する第一の工程と、
パルス状の放電を利用して、放電パルスを繰り返すことで凹凸から構成される硬質被膜を回転体上に形成する第二の工程と、を備え、前記硬質皮膜は前記回転体と擦り合い相手部品を削り取るアブレイシブ性被膜である回転体の製造方法を提供する。
第２５の発明は、前記第二の工程において、放電電極の形状を、回転体の所定部位の形状に倣った形状とする、回転体の製造方法を提供する。
第２６の発明は、前記の放電電極の形状を回転体の所定部位の形状に倣った形状とする放電条件を提供し、手間をかけずに電極成形する方法を提供する。
第２７の発明は、前記第二の工程において被膜形成する際に、放電条件を制御することにより、硬質材を含む被膜が形成された面積の割合であるカバレッジを９５％以下にすることにより、疲労破壊し難いを回転体の製造方法を提供する。
第２８の発明は、前記カバレッジの割合の制御を示して、疲労破壊し難いを回転体の製造方法を提供する。
第２９の発明は、前記第二の工程において、炭化物を作りやすい金属を体積で５％以上含む圧粉体電極を用いて放電を行うことにより、疲労破壊し難いを回転体の製造方法を提供する。
第３０の発明は、前記第二の工程において、回転体の所定部位に対して金属材料からなるポーラスな被膜を形成した後、該ポーラスな被膜上に硬質材を含む被膜を形成することにより、疲労破壊し難いを回転体の製造方法を提供する。
第３１の発明は、前記第二の工程で用いる圧粉体の放電電極材料を提供することにより、アブレイシブ性能の優れた回転体の製造方法を提供する。
第３２の発明は、前記第二の工程で形成された被膜上に、ピーニング処理を施す第三の工程を行うことにより、疲労破壊し難いを回転体の製造方法を提供する。
本発明のその他の目的及び有利な特徴は、添付図面を参照した以下の説明から明らかになろう。
図面の簡単な説明
図１Ａは、通常のタービン動翼の斜視図であり、図１Ｂは、チップシュラウド付タービン動翼の斜視図であり、図１Ｃは圧縮機動翼の図である。
図２は、従来のラビリンス・シール先端の一例を示す斜視図である。
図３は、本発明の回転体とコーティング方法の第１実施例を示す図である。
図４は、本発明の回転体とコーティング方法の第２実施例を示す図である。
図５は、本発明の回転体とコーティング方法の第３実施例を示す図である。
図６は、本発明の回転体とコーティング方法の第４実施例を示す図である。
図７Ａ，Ｂ，Ｃは、本発明の回転体の第５実施例である通常のタービン動翼の斜視図である。
図８Ａ，Ｂ，Ｃは、本発明の回転体の第６実施例であるチップシュラウド付タービン動翼の斜視図である。
図９Ａ，Ｂは、本発明の回転体の第７実施例であるコンプレッサー翼の斜視図である。
図１０は、本発明によるコーティング方法の第５実施例を示す図である。
図１１は、本発明の回転体の第８実施例であるラビリンスシール構造の模式図である。
図１２は、図１１のラビリンスシールの正面図である。
図１３は、本発明によるコーティング方法の第８実施例を示す放電加工機の模式図である。
好ましい実施例の説明
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図３は、本発明の回転体とコーティング方法の第１実施例を示す図である。この図は、ガスタービンや圧縮機で用いられる動翼１の先端部に硬質材のコーティングを施す状態を示している。
本発明の方法では、図３に示すように、動翼１とｃＢＮ（立方晶窒化硼素）を含む放電電極１１とを加工液（油）で満たされた加工槽１２の中に浸し、動翼１の先端部と放電電極１１との間に放電用電源１４によりパルス状の放電を発生させることによって放電電極１１を溶融し、その一部を動翼１の先端部に溶着させ、ｃＢＮを含む被膜１０を形成している。ここで、動翼１及び放電電極１１はその断面のみを示し、動翼１は翼固定治具により固定され、放電電極１１は図示しない電極固定治具により固定されている。なお、図３において動翼を例示したが、同じ回転体であるラビリンス・シールにも同様の方法で硬質材のコーティングを施すことができる。なおこの図で１３は翼固定治具である。
上記説明では、硬質材としてｃＢＮを用いたが、ｃＢＮは常温でビッカース硬さが４５００ＨＶであり、９００℃以上の高温になっても２０００ＨＶ近いビッカース硬さを維持できる点で、高温に曝されるタービン動翼には最適のコーティング材である。また、それ以外にも、耐酸化性の点から、低温度で使われる回転体にはＴｉＣやＷＣ、高温で使われる回転体にはＣｒ３Ｃ２、さらに高温で使われる回転体にはＺｒＯ２やＡｌ２Ｏ３の硬質材を用いることができる。したがって、本発明によれば、低温度で使われる回転体にはＴｉＣ、ＷＣ又はｃＢＮを含む被膜、高温で使われる回転体にはｃＢＮ又はＣｒ３Ｃ２を含む被膜、さらに高温で使われる回転体にはＺｒＯ２又はＡｌ２Ｏ３を含む被膜が形成される。もちろん、これらの硬質材を混合させることによってより最適な皮膜を形成することもできる。なお、放電コーティング技術に関しては、例えば特開平７−１９７２７５号の「液中放電による金属材料の表面処理方法」に開示されているため、その説明を省略する。
ここで、ｃＢＮ等のセラミックスは絶縁物で硬質の材料であるため、ｃＢＮ等のセラミックス単体では放電電極に成形することができないが、導電性のバインダーを用いることによってｃＢＮ等のセラミックスを含む放電電極を成形することができる。例えば、Ｃｏ系合金粉末をバインダーとして使用することができ、ｃＢＮ等のセラミックス粉末とＣｏ系合金粉末とを混合し、プレス金型に入れて圧縮成形すればよい。なお、バインダーの量は体積比で５０％程度以上にするのが好ましい。
さらに、ｃＢＮ等のセラミックスの粉末を、バインダーとなるＴｉ（チタン）、Ｎｉ（ニッケル）又はＣｏ（コバルト）で被覆したもので放電電極を成形するようにしてもよい。粉末全体の粒径は、放電表面処理の際の電極とワークとの極間距離よりも小さくする必要があるため、１０μｍ以下程度であることが好ましい。ｃＢＮ等のセラミックスの粉末にＴｉ、Ｎｉ又はＣｏ金属の薄い被膜を被覆するには、蒸着等により容易に行うことができる。
このように、導電性のバインダーを混入してｃＢＮ等のセラミックスを含む放電電極を成形することによって、バインダーの部分で放電を発生させることができ、その熱エネルギーにより放電電極を溶融状態にさせ、放電電極の一部を動翼等の回転体の先端部に溶着させることができる。その結果、回転体の先端部にｃＢＮ等のセラミックスを含む硬質の被膜をコーティングすることができる。
ここで、表１は、２つの試験片（上部試験片と下部試験片）に本発明のコーティング方法でコーティングを施したものを高温で擦り合わせる摩耗試験をした結果である。
【表１】
このように、いわゆる放電コーティング方法を用いて動翼のような回転体の先端部にｃＢＮ等のセラミックスを含む被膜をコーティングすることによって、ｃＢＮ等のセラミックスの特徴を生かした硬質の被膜を容易にコーティングすることができるとともに、溶接や溶射等の従来方法に比べて密着性、品質のよい被膜をコーティングすることができる。また、本発明によれば、数ミクロン〜３０μｍの薄い被膜（又は層）を形成することができるので被膜割れが生じにくく、精度も数μｍ単位で制御できるため、動翼やラビリンス・シールのような精密部品に最適なコーティング方法を提供することができる。
擦り合う相手部品を削り取るアブレイシブ性能は、面粗さが荒い方がよい。実施した例では、面粗さは、１．２μｍＲａより荒い面粗さとなっている。
上述したように、本発明は、いわゆる放電コーティング方法を用いていることから、マスキングやブラスト処理等の前処理が不要で、密着性のよい被膜を容易かつ安価に形成することができ、さらにｃＢＮ（立方晶窒化硼素）等のセラミックスを含む被膜をコーティングすることができるため、アブレイシブ性に優れた硬質の被膜を回転体のアブレイシブ性が要求される箇所にコーティングすることができる。
硬質材のコーティング層は硬く延性が小さいので、部品にかかる引っ張り応力を、延性の大きい部品内部の母材で負担せず、表面のコーティング層のみが負担してしまう。そのために、表面に割れが入り、母材に進展する恐れがある。それを避けるため、コーティング層に延性を持たせる方法がとられている。
表２は、丸棒の外径に硬質材のコーティングを施し、軸方向に引っ張り荷重を繰り返しかけたときのＨＣＦ（Ｈｉｇｈ Ｃｙｃｌｅ Ｆａｔｉｇｕｅ）試験で破壊に至るサイクル数を示す。
硬質材のコーティングなしでは、１００万サイクルまで破断しないが、コーティング面において硬質材のコーティング面の中でのコーティングされた面積の割合、則ちコーティングのカバレッジ（図４参照）が９８％のコーティングでは、２万サイクルで破断した。カバレッジを約９５％に抑えると、１００万サイクルまで破断しなかった。
【表２】
計算式は、９５％カバレッジを得る時間
＝９８％カバレッジを得る時間*LOG(1-0.95)/LOG(1-0.98)
である。９８％カバレッジは１００％カバレッジとみなす。５０％カバレッジを得る時間から計算するには、ＬＯＧ（１-０．９８）の０．９８を０．５に変更すればよい。
もうひとつの方法は、図５に示すように炭化し難い金属粉末を加えた電極を使用することで、コーティング層に金属の延性のある性質を持たせる。電極に５％以上の炭化し難い金属を含めると、延性のある箇所が５％以上残り、表２と同様の効果が期待できる。この方法も、コーティング面全体のアブレイシブ性能を少し犠牲にする。炭化し難い金属には、コバルト、ニッケル、鉄がある。カバレッジについては、翼一枚について説明したが、翼は多数あるので、カバレッジが低くても、ある翼のある箇所でアブレイシブ性能が無くても、他の翼が性能をカバーできる。リング状のシールにおいても、円周のどこかでアブレイシブ性能があればよいので、同様である。
また、さらに別な方法としては、図６に示すようにコーティング層の割れを母材に進展させないために、硬質材のコーティング層の下地に、ポーラスな層を作る。この下地も放電コーティングで形成する。ポーラスな層は、Ｓｔｅｌｌｉｔｅなどの金属の粉末を圧縮成形した電極で０．０５ｍｍ以上厚く盛ることで、生成できる。その後でポーラスな層の上に硬質材をコーティングする。
また、硬質材のコーティングの表面にピーニングを施し、表面を伸ばすことにより、圧縮応力を残すことで、母材が伸びても引張りの応力が小さくなるようにする。その効果により、疲労強度を向上できる。
図７Ａ〜Ｃ、図８Ａ〜Ｃ、および図９Ａ，Ｂは、本発明の回転体の第５〜７実施例を示す斜視図である。なお、これらの図では、ディスク側のプラットホームやダブテールは省略してある。
図７Ａのタービン動翼１では、動翼の回転進行方向の角部、すなわち動翼先端部の背側の翼面と先端面に、硬質材のコーティング２０が施されている。
図７Ｂの薄いタービン動翼では、動翼先端部の背側の翼面と先端全面にコーティングを施し、反対の面はコーティング無しでもよい。
図７Ｃのタービン動翼では、動翼先端部の背側の翼面にコーティングされ、先端全面がコーティング無しである。
図８Ａのチップシュラウド付タービン動翼２では、チップフィン４の先端部の回転進行方向の角部に、又は回転進行方向の面すなわち先端部の背側面に、硬質材のコーティング２１が施されている。なお、チップシュラウド３は、ガスタービンの高速回転時に動翼２の共振を防止するとともに、高温ガスが動翼２の外側に漏洩するのを防止するために設けられるものである。
図８Ｂの小さい翼では、先端全面と回転進行方向の面（すなわち先端部の背側面）にコーティングを施し、反対の面はコーティング無しでもよい。
図８Ｃのタービン動翼では、回転進行方向の面（すなわち先端部の背側面）にコーティングを施し、先端全面がコーティング無しである。
図９Ａの圧縮機動翼１では、動翼の回転進行方向の角部、すなわち動翼先端部の腹側の翼面と先端面に、硬質材のコーティング２２が施されている。
図９Ｂの圧縮機動翼では、回転進行方向の面すなわち動翼先端部の腹側の翼面にコーティングを施し、先端全面がコーティング無しである。
図９Ａの翼と図９Ｂの翼で、実機を模擬したアブレイシブ性能試験を行ったところ、性能に差は認められなかった。
上述したように、硬質材のコーティングは、ケーシングやシュラウド側に施されたアブレイダブルコーティングとの硬度の差により、ガスタービン駆動時に動翼１，２の先端部でアブレイダブルコーティングを削り取り、チップクリアランスを最小限に保つようにするために施されるものである。そして、この現象は、動翼１，２の回転進行方向の角部が接触することによって始まり、ケーシングやシュラウドが削り取られることによって終了する。つまり、この角部が接触した後は、同一翼の他の部分がケーシングやシュラウドに接触することはほとんどないのである。この事実に鑑みれば、従来のように翼先端部の全域に渡って硬質材のコーティングを施す必要はなく、本発明が示すように、相手に接触する範囲のみ、すなわち回転進行方向の角部にのみ、又は回転進行方向の面にのみ硬質材のコーティング２０、２１、２２が施されていれば十分である。このようにコーティングする範囲を最適化することにより、コーティングする範囲は狭まり、製品の歩留まりが向上し、作業時間の短縮や高価なコーティング材の節約もすることができ、コストを低減することができる。
図１０は、本発明によるコーティング方法の第５実施例を示す図であり、図７Ａ〜Ｃに示した動翼のコーティング方法を示す図である。本発明のコーティング方法では、動翼１及び放電電極２３を加工液（油）で満たされた加工槽１２の中に浸し、動翼１の回転進行方向の角部近傍に放電電極２３を設置し、これらの間で放電させることによって、動翼１の回転進行方向の角部にのみ硬質材のコーティング２０を施している。
この硬質材のコーティング２０は、１０〜２０μｍと非常に薄いので（図ではわかり易くするために誇張してある）、従来どおりに動翼１を成形した後に、相手に接触する範囲のみ、すなわち回転進行方向の角部に又は回転進行方向の面にのみ硬質材のコーティング２０を施すだけで十分である。もちろん、硬質材のコーティング２０の厚み分だけ動翼１の角部を機械加工で削るようにしたり、予めその分を考慮した鋳型を用いて動翼１を成形するようにしたりしてもよい。
また、翼厚の薄い翼では、回転進行方向面と先端面全体に硬質材のコーティングを施すことを含む。ただし進行と反対の面に施す必要はない。
なお、図１０に示す動翼１及び放電電極２３は、その断面のみを示している。
このコーティング方法では、動翼１の回転進行方向の角部にのみ放電コーティングできるように、動翼先端部の背側の翼面と先端面のみを覆うような形状の放電電極２３を用いるのが好ましい。例えば、この放電電極２３は、断面が略Ｌ字状であって、翼の背側に沿って湾曲した形状をしている。
電極は、予め製品形状に加工してもよいが、製品形状に合わせるため、電極が消耗し易い放電条件で電極を成形することもできる。そのための条件としては、電極をマイナス極性とし、パルス幅１μｓ以下、電流値１０Ａ以下の比較的小さなエネルギー条件で放電を発生させると、製品へのダメージを抑えて電極を製品形状に倣わせることができる。
被膜を形成する際には、電極をマイナス極性で、パルス幅２〜１０μｓ程度、電流値５〜２０Ａ程度の比較的大きなエネルギー条件で放電させる。
なお、図示しないが、図８Ａ〜Ｃに示すチップシュラウド付タービン動翼２の場合には、チップフィン４の回転進行方向の角部を覆うような電極を用いればよい。
放電コーティングでは、加工液中に浸した動翼１と放電電極２３とに電圧を印加することによって対峙した面で放電を発生させ、この放電によって放電電極２３の表面を溶融し、溶融した元素を動翼１の表面に付着させ合金化させている。放電電極２３には、コーティング材を固化したものが用いられる。
放電コーティングは、コーティングの厚さを数μｍで制御できるため、動翼１のような精密部品に最適なコーティング方法である。また、放電が発生しない箇所にはコーティングが付かないので、コーティングしたい箇所に局部的にコーティングできるのでマスキング等の前処理が不要であり、入熱が小さくて動翼の熱変形も生じないので後処理も不要である。
上述したように、本発明は、硬質材のコーティングの範囲を最適化しているため、製品の歩留まりを向上させることができ、また、作業時間の短縮及びコーティング材の節約をすることができることからコストの低減を図ることができる。さらに、いわゆる放電コーティングを用いることによって、容易かつ安価に動翼の回転進行方向の角部にのみ又は回転進行方向の面にのみ硬質材のコーティングを施すことができる。
また、ロータに組み付けられる全ての翼に硬質材のコーティングが施されていなくても、一部の翼に硬質材のコーティングを施すことで、効果を得ることも可能である。リング状のシールにおいても、円周のどこかでアブレイシブ性能があればよいので、同様である。
図１１は、本発明の回転体の第８実施例であるラビリンスシール構造の模式図、図１２は、図１１のラビリンスシールの正面図である。また、図１３は本発明によるコーティング方法の第８実施例を示す放電加工機の模式図である。
図１１及び図１２に示すように、本発明の実施の形態に係わるラビリンスシール構造３１は、ジェットエンジン等のガスタービンに用いられるものであって、エンジン静止部品３３とエンジン回転部品３５との間で燃焼ガスの漏洩を抑制するものである。そしてラビリンスシール構造３１は、エンジン静止部品３３に一体的に設けられたハニカム状の静止側ハニカムシール部品３７と、この静止側ハニカムシール部品３７の内側に配置されかつエンジン回転部品３５に一体的に回転可能な回転側ラビリンスシール部品３９とを構成要素としている。なお、静止側ハニカムシール部品３７の代わりに、内側にアブレイダブルコートがコーティングされた静止側アブレイタブルシール部品を用いてもよい。
本発明の実施の形態の要部である回転側ラビリンスシール部品３９の具体的な構成は、以下のようになる。
即ち、エンジン回転部品３５には、回転側ラビリンスシール部品３９の本体である環状のシール部品本体４１が一体的に設けられており、このシール部品本体４１の外周面には、複数の環状のシールフィン４３が一体的に形成されている。また、各シールフィン４３の先端縁には、硬質材のコート４５がそれぞれコーティングされている。更に、各硬質材のコート４５は、消耗性を有したコーティング用電極４７（図１３参照）を用い、コーティッグ用電極４７とシールフィン４３の先端縁との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによりシールフィン４３の先端縁における複数の被処理部にコーティング用電極４７の構成材料またはこの構成材料の反応物質が硬質材を含む被膜を形成することによって等間隔にコーティングされた複数（本発明の実施の形態にあっては４つ）の硬質材の局所コート４５ａからなる。
ここで、本発明の実施の形態にあっては、「消耗性を有したコーティング用電極」とは、一般には、粉末状の金属（金属化合物を含む）、粉末状の金属と粉末状セラミックスとの混合材、または通電性を有する粉末状のセラミックスを圧縮成形してなる圧粉体電極（加熱処理した圧粉体電極を含む）のことをいい、固体のシリコンからなるシリコン電極も含まれる。なお、通電性を有するセラミックスには、セラミック粉末に通電性被膜をつける表面処理が施されてから圧縮成形されて、通電性が確保されている。特に、「粉末状の金属」には、例えばＴｉ、Ｃｏ等が含まれ、「粉末状セラミックス」には、例えばｃＢＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＮ、ＴｉＢ２、ＷＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ４Ｃ、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２-Ｙ、Ａｌ２Ｏ３等が含まれる。
放電エネルギーにより反応して硬質材を含む被膜を形成する材料には、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂがある。
更に、コーティング電極４７はシールフィン４３の先端縁における被処理部に近似した形状を呈している。
次に、図１３を参照して、硬質材のコート４５をコーティングする際に用いる放電加工機４９の具体的な構成、及び硬質材のコート４５をコーティングするためのコーティング方法について説明する。
即ち、本発明の実施の形態に係わる放電加工機４９はベッド５１を加工機ベースとしており、このベッド５１には、テーブル５３が設けられてあって、このテーブル５３はＸ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によってＸ軸方向（図１３において左右方向）へ移動可能かつＹ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によってＹ軸方向（図１３において紙面に向かって表裏方向）へ移動可能である。
テーブル５３には、電気絶縁性のある加工油等の加工液Ｌを貯留する加工槽５５が設けられており、この加工槽５５内には、支持プレート５７が設けられている。この支持プレート５７には、シール部品本体４１を固定する保持具５９が設けられている。
ベッド５１の上方（図１３において上方）には、加工ヘッド６１がコラム（図省略）を介して設けられており、この加工ヘッド６１はＺ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によってＺ軸方向（図１３において上下方向）へ移動可能である。そして、加工ヘッド６１には、コーティング用電極４７を保持する電極保持部材６３が設けられている。
なお、電極保持部材６３及び保持具６９は電源６５に電気的に接続されている。
従って、シールフィン４３の先端縁における周方向に適宜の被処理部が加工槽５５内において真上を向くような状態の下で、保持具５９によってシール部品本体４１を固定する。次にＸ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータの駆動によってテーブル５３をＸ軸方向、Ｙ軸方向（少なくともいずれかの方向）へ移動させることにより、一方のシールフィン４３の先端縁における適宜の被処理部とコーティング用電極４７に対向するように一方のシールフィン４３の位置決めを行う。
そして、Ｚ軸サーボモータの駆動によってコーティング用電極４７を加工ヘッド５１と一体的にＺ軸方向へ移動させつつ、電気絶縁性のある加工液Ｌ中においてコーティング用電極４７と一方のシールフィン４３の先端縁における適宜の被処理部との間にパルス状の電圧を発生させる。これにより、放電エネルギーによって一方のシールフィン４３の先端縁における適宜の被処理部にコーティング用電極４７の電極材料を局所的に拡散及び／または溶着させて、一方のシールフィン４３の先端縁における適宜の被処理部に硬質材の局所コート４５ａを局所的にコーティングすることができる。
更に、Ｙ軸サーボモータの駆動によってテーブル５３をＹ軸方向へ移動させることにより、別のシールフィン４３の先端縁における適宜の被処理部とコーティング用電極４７に対向するように他方のシールフィン４３の位置決めを行う。そして、前述のように、放電エネルギーによって他方のシールフィン４３の先端縁における適宜の被処理部にコーティング用電極４７の電極材料を局所的に拡散及び／または溶着させて、他方のシールフィン４３の先端縁における適宜の被処理部に硬質材の局所コート４５ａを局所的にコーティングする。
複数のシールフィン４３の先端縁における適宜の被処理部に硬質材の局所コート４５ａを局所的にコーティングした後に、同様の操作を繰り返すことにより、複数のシールフィン４３の先端縁における他の被処理部に対しても硬質材の局所コート４５ａをそれぞれ局所的にコーティングをする。
次に、本発明の実施の形態の作用について説明する。
回転側ラビリンスシール部品３９は硬質材のコート４５を備えているため、回転側ラビリンスシール部品３９をエンジン回転部品３５と一体的に回転させる際に、エンジン静止部品が変形して回転側ラビリンスシール部品３９と静止側ハニカムシール部品３７が接触しても、回転側ラビリンスシール部品３９における硬質材のコート４５によって静止側ハニカムシール部品３７が削られるだけで、回転側ラビリンスシール部品３９が削られるようなことはほとんど生じない。
これによって、エンジン回転部品３５の回転中に静止側ハニカムシール部品３７と回転側ラビリンスシール部品３９との隙間が大きくなることを抑制して、ラビリンスシール構造３１のシール効果を適切な状態の保つことができる。また、エンジン回転部品３５の初期回転時において回転側ラビリンスシール部品３９と静止側ハニカムシール部品３７が僅かに接触するように設定しておくことによって、初期回転時以降において静止側ハニカムシール部品３７と回転側ラビリンスシール部品３９との隙間を極力小さくすることができ、ラビリンスシール構造３１のシール効果をより一層高めることができる。
また、硬質材のコート４５は、メッキまたは溶射によることなく、コーティング用電極４７とシールフィン４３の先端縁との間に発生した放電エネルギーによりシールフィン４３の先端縁にコーティング用電極４７の電極材料を拡散及び／または溶着させることによってコーティングされるため、回転側ラビリンスシール部品３９の生産にあっては、ブラスト処理、マスキングテープの除去処理等のコーティング後処理がそれぞれ不要になる。
更に、放電エネルギーによりコーティングされた硬質材のコート４５とシールフィン４３の母材との境界部分は、傾斜合金特性を有してあって、硬質材のコート４５をシールフィン４３の先端縁に強固に結合させることができる。
また、硬質材のコート４５は複数の硬質材の局所コート４５ａからなるようにしたため、換言すれば、シールフィン４３の先端縁全周ではなく、シールフィン４３の先端縁における周方向の複数の被処理部にコーティング用電極４７の電極材料を局所的に拡散及び／または溶着させるようにしたため、シールフィン４３における先端縁における被処理部の大きさ・形状に対応してコーティング用電極４７を小さくかつ簡単な形状にすることができると共に、コーティング用電極４７に使用する電極材料の量を少なくすることができる。
なお、前述のように、硬質材のコート４５（硬質材の局所コート４５ａ）をシールフィン４３の先端縁に強固に結合させることができるため、シールフィン４３の先端縁全周に硬質材のコート４５をコーティングしなくても、複数の硬質材の局所コート４５ａによって回転側ラビリンスシール部品３９全体としての十分なアブレイシブ性能を有することができる。
以上の如き本発明の実施の形態によれば、回転側ラビリンスシール部品３９の生産にあっては、ブラスト処理、マスキングテープの貼り付け処理等のコーティング前処理、マスキングテープの除去処理等のコーティング後処理がそれぞれ不要になるため、回転側ラビリンスシール部品３９の生産に要する作業時間を短縮して、回転側ラビリンスシール部品３９の生産性の向上を容易に図ることができる。
また、硬質材のコート４５をシールフィン４３の先端縁に強固に結合させることができるため、硬質材のコート４５がシールフィン４３の先端縁から剥離し難くなって、回転側ラビリンスシール部品３９の品質が安定する。
更に、回転側ラビリンスシール部品３９全体としての十分なアブレイシブ性能を有しつつ、シールフィン４３における先端縁の被処理部の大きさ・形状に対応してコーティング用電極４７を小さくかつ簡単な形状にすることができると共に、コーティング用電極４７に使用する電極材料の量を少なくすることができるため、回転側ラビリンスシール部品３９の生産コストの低減を図ることができる。
なお、本発明は、前述の発明の実施の形態の説明に限るのではなく、例えば電気絶縁性のある加工液Ｌ中において放電させる代わりに、電気絶縁性のある気中で放電させる等、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。
上述したように本発明によれば、回転側ラビリンスシール部品の生産にあっては、ブラスト処理、マスキングテープの貼り付け処理等のコーティング前処理、マスキングテープの除去処理等のコーティング後処理がそれぞれ不要になるため、回転側ラビリンスシール部品生産に要する作業時間を短縮して、回転側ラビリンスシール部品の生産性の向上を容易に図ることができる。
また、硬質材のコートをシールフィンの先端縁に強固に結合させることができるため、硬質材のコートがシールフィンの先端縁から剥離し難くなって、ラビリンスシールの品質が安定する。
また、前述の効果の他に、回転側ラビリンスシール部品全体としての十分なアブレイシブ性能を有しつつ、シールフィンの先端縁における被処理部の大きさ・形状に対応してコーティング用電極を小さくかつ簡単な形状にすることができると共に、コーティング用電極に使用する電極材料の量を少なくすることができるため、回転側ラビリンスシール部品の生産コストの低減を図ることができる。
なお、本発明をいくつかの好ましい実施例により説明したが、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施例に限定されないことが理解されよう。反対に、本発明の権利範囲は、添付の請求の範囲に含まれるすべての改良、修正及び均等物を含むものである。Background of the Invention
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotating body such as a moving blade or a labyrinth seal used in a gas turbine, a steam turbine, a compressor, and the like, and a coating method thereof, and in particular, a rotating body in which a coating containing a hard material is formed on a part of the rotating body. And a coating method thereof.
Explanation of related technology
During operation of the gas turbine, rotating bodies such as rotor blades and labyrinth seals have rotating parts and stationary parts such as tip clearances with casings and shrouds in the rotor blades and seal clearances with honeycomb seals in labyrinth seals. It is necessary to set so as to keep the gap in the proper. This is because the efficiency of the gas turbine is reduced if the gap is increased too much due to fear of contact, and conversely, if the clearance is excessively reduced, the tip of the rotating body is damaged, causing a failure of the gas turbine.
Therefore, considering the contact with the surrounding member (casing, shroud, honeycomb seal, etc.) of the rotating body, the tip of the moving blade or labyrinth seal is relatively hard with respect to the material of the contact surface of the surrounding member. Abrasive coating is applied to scrape off the contact with the material, and an abradable coating of the material that is relatively easily cut off is applied to the surrounding member side. This is to adjust the tip clearance and seal clearance to a minimum by scraping the side of the surrounding member at the tip of the rotating body when the gas turbine is driven due to the difference in coating hardness. .
Here, FIG. 1A is a perspective view of a normal turbine blade, FIG. 1B is a perspective view of a turbine blade with a tip shroud, and FIG. 1C is a perspective view of a compressor blade. In these drawings, the illustration of the platform and dovetail on the turbine disk side is omitted. In the case of the
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a labyrinth seal tip. The labyrinth seal is provided to prevent leakage of air and combustion gas in the gap between the rotating part and the stationary part, and is a seal structure frequently used in gas turbines and compressors. Generally, a ring-
These abrasive coatings are conventionally coated by a method such as welding, thermal spraying or plating (see, for example,
In addition, there exist some which are shown to patent document 3 and
[Patent Document 1]
JP-A-11-286768
[Patent Document 2]
JP 2000-345809 A
[Patent Document 3]
JP-A-7-301103
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-318044
However, in the above-described method, it is necessary to mask an area where coating is not required in order to adhere the abrasive coating, or to blast the surface to be coated in order to improve adhesion, and many pretreatments are required. There was a problem that the cost was high. In addition, the conventional thermal spraying or plating method has a problem in that the coating adhesion is poor and peeling occurs during driving, and the chip clearance and seal clearance are not properly maintained in addition to the engine failure. It was. Furthermore, when coating is performed by welding, only a metal having a much lower hardness than ceramics can be coated, so that there is a problem in that the abrasive performance (performance for scraping off the scraping partner) is inferior. In addition, there is a problem that the quality varies depending on the skill of the operator, and a weld crack is likely to occur for a material with poor thermal conductivity and small elongation. Furthermore, post-processing called grinding for processing to the required dimensions after welding is necessary, and there is a problem that it takes time and effort.
Further, according to the third and fourth inventions, in the coating method, discharge is performed between the rotating body and the electrode under a first discharge condition for consuming the electrode, and the electrode shape is changed to the shape of the film forming portion. After that, when a film is formed under the second discharge conditions between the electrode and the rotating body, the electrode is appropriately coated on the coating target site without being processed into a product shape in advance. The first discharge condition for consuming the electrode is a negative polarity for the electrode, the pulse width is 1 μs or less, and the current value is 10 A or less. The second discharge condition for forming the film is the negative polarity for the electrode, and the pulse width is 2-10 μs. -20A is preferable.
Further, in the conventional abrasive coating, since it is applied to the entire tip of the rotor blade, there is a problem that the coating range is wide and the product yield is poor.
Furthermore, since the coating is conventionally performed by plating or thermal spraying, in the production (manufacture) of the labyrinth seal, a coating pretreatment such as a blasting treatment or a masking tape attaching treatment is necessary before coating. After coating, post-coating treatment such as masking tape removal treatment is required. Therefore, the work time required for the production (manufacture) of the labyrinth seal becomes long, and it is not easy to improve the productivity of the labyrinth seal.
Also, for the same reason, the abrasive coat cannot be firmly bonded to the tip edge of the seal fin. Therefore, there is a problem that the abrasive coat is easily peeled off from the end edge of the seal fin, and the quality of the rabin rinse seal is not stable.
Summary of invention
The present invention has been made to solve the various problems described above. That is, the first object of the present invention is that a pre-treatment and post-treatment are not required, adhesion is good, and a material that is relatively hard with respect to the material of the other party that contacts during rotation with high precision and good abrasive performance (hereinafter referred to as this In the specification, for the sake of convenience, a rotating body coated with a hard material) and a coating method therefor are provided.
It is also to provide a long-life coating method in HCF (High Cycle Factor) or LCF (Low Cycle Factor) tests on the abrasive coated parts.
The second object of the present invention is to provide a rotating body capable of improving the yield by optimizing the coating range of the hard material and a coating method therefor.
A third object of the present invention is to provide a rotating body and a coating method thereof that can shorten the work time required for the production of the labyrinth seal and improve the productivity of the labyrinth part.
In order to achieve the first object, according to the first invention, the discharge of a green compact or solid silicon containing a rotating body molded into a predetermined shape and a hard material or a material that becomes hard by discharge. By generating a pulsed discharge in the electrically insulating working fluid or in the air between the electrodes, the electrode material or a hard material that can be changed by changing the electrode material for each discharge pulse is placed on the rotating body side. To form a hard unevenness, to form a hard coating composed of the unevenness on the rotating body by repeating the discharge pulse, The hard coating is an abrasive coating that rubs against the rotating body and scrapes off the mating part. A method of coating a rotating body is provided.
1st invention Therefore, since a so-called discharge coating method is used, a pre-treatment such as masking and blast treatment or a post-treatment such as grinding can be eliminated, and a film or layer having good adhesion can be formed. Since a coating containing a very hard material such as cubic boron nitride can be coated, a hard coating and a coating with good abrasive performance can be formed.
Abrasiveness is improved by processing under the condition that the coating has a rough surface roughness.
The second 2 According to the invention, in the coating method of the rotator, discharge is performed between the rotator and the discharge electrode under a first discharge condition that consumes the discharge electrode, and the electrode shape is changed to the shape of the film formation site. When the film is formed in the second discharge condition between the discharge electrode and the rotating body after the copied shape is formed, the electrode can be appropriately coated on the coating target site without being processed into a product shape in advance. Can do.
The second 3 According to the invention, the first discharge condition for consuming the discharge electrode is that the discharge electrode has a negative polarity, the pulse width is 1 μs or less, the current value is 10 A or less, and the second discharge condition for forming the film is that the discharge electrode is negative. The polarity is preferably set to a pulse width of 2 to 10 μs and a current value of 5 to 20 A.
Further, it is preferable that the coating is formed at the tip of the rotating body, and the hard material is 7 CBN, TiC, TiN, TiAlN, TiB 2 , WC, Cr 3 C 2 , SiC, ZrC, VC, B 4 C, Si 3 N 4 , ZrO 2 , Al 2 O 3 It is preferable to form a film using a green compact discharge electrode containing any one of these or a mixture thereof.
The material that becomes a hard material by electric discharge is preferably Ti, Cr, W, V, Zr, Si, Mo, Nb or a mixture thereof, and these become carbides by electric discharge in oil. Form a hard coating.
According to this method, since the so-called discharge coating method is used, the tip of the rotating body can be easily coated with the hard material. Also, from the viewpoint of oxidation resistance, a coating containing TiC, WC or cBN is used for a rotating body used at a low temperature, and cBN or Cr is used for a rotating body used at a high temperature. 3 C 2 It is preferable to form a coating containing ZrO2 or Al2O3 on a rotating body used at a higher temperature.
First 4, 5, 6 and 8 According to the invention, a method for improving the fatigue strength of a coated surface is provided.
If a coating film that is harder to extend than the base material is formed on the surface, the tensile load is borne by the thin coating film, so that the coating film on the surface is easily broken. In the coating by the discharge surface treatment, since the hard layer is firmly welded to the base material, the crack of the film develops to the crack of the base material. In order to avoid this, it is necessary to form a ductile film, to form a layer that prevents the development of cracks between the base material and the film, or to form a coating layer that is resistant to tension. The method is provided.
First 4 In the present invention, the ratio of the coated area in the coated surface of the hard material in the coating, that is, the coverage is suppressed, and the portions where there is no hard material coating, that is, the ductile portions are dispersed to leave the ductility. Leave.
First 5 In this invention, the discharge electrode contains a metal that is difficult to form carbides, so that ductile metal portions are dispersed between hard materials, thereby leaving ductility.
First 6 In this invention, a porous film mainly composed of a metal is formed on the base, and then a film containing a hard material is formed on the porous film, thereby preventing cracks in the coating layer from progressing to the base material.
First 8 In this invention, the surface of the coating layer is peened to leave a compressive residual stress so that the tensile stress is reduced even if the base material is stretched.
These second 4th to 6th Up to, and second 8 The present invention is not limited to the coating of a hard material, but is effective for a discharge surface treatment for forming a film on a surface such as a wear-resistant coating.
The second 7 According to the invention, it is possible to provide an effective hard material coating by providing extremely hard ceramics that can be used for hard material coating.
The second 9 According to the invention, a pulsed discharge is generated in an electrically insulating working fluid or in the air between a rotating body and a discharge electrode of a green compact containing a hard material or a material that becomes a hard material by electric discharge. According to the discharge energy, the constituent material of the discharge electrode or the reaction material of the constituent material is an abrasive containing a hard material in a part of the rotating body. I A rotating body is provided, which is characterized in that a shibu coating is formed. It is characterized in that a pre-treatment such as masking and blast treatment and a post-treatment such as grinding are unnecessary, and a film or layer having good adhesion is formed. Furthermore, it is preferable that the coating is formed at the tip of the rotating body.
This rotating body forms an abrasive film containing a hard material on a part of the rotating body by discharging between the rotating body and the discharge electrode in an electrically insulating working fluid or in the air. A rotating body with excellent abrasive properties can be obtained.
First 10 to 13 According to the invention, a rotating body having high fatigue strength is provided by forming a ductile film, forming a layer that prevents the development of cracks between the base material and the film, and forming a coating layer that is resistant to tension.
The second 14 According to the invention, by providing an extremely hard ceramic that can be used for coating a hard material, a rotating body with good abrasive performance is provided.
To achieve the second objective, 15 According to the invention of Opposite Do Stationary Provided is a rotating body coated with a hard material only in the vicinity of a portion of the rotating body that may come into contact with a part. As a result, an inexpensive rotator that requires less work, uses less electrode, and has a good product yield can be obtained.
First 16 According to the invention, a more inexpensive rotating body is provided by locally narrowing the coating area.
First 17 The invention of No. 9 to 16 Coated in a way that improves the abrasive performance of Rotating structure I will provide a. Abrasiveness is improved by coating under conditions that roughen the surface.
First 18 The invention of No. 15 It is a specific example of a moving blade with a hard material coating on the tip, and the hard material coating is applied only to the corners in the direction of rotation of the moving blade and its vicinity. A characteristic blade is provided.
Since the hard material coating range is optimized, the yield can be improved, and the working time can be shortened and the coating material can be saved.
First 19 The invention of No. 16 A rotating body characterized in that a coating is formed on some of the rotor blades instead of the total number of rotors or blisks is provided. By minimizing the number of blades to be coated, it is possible to further shorten the working time and save the coating material.
To achieve the third objective, 20 According to the invention, the rotating body is a rotating labyrinth seal part that is one of the structural elements of a labyrinth seal structure that suppresses leakage of gas or liquid between the stationary part and the rotating part,
An annular seal component main body, and an annular seal fin integrally formed on an outer peripheral surface of the seal component main body, and a hard material coat is provided on a tip edge of the seal fin. , Using a consumable coating electrode, and generating a pulsed discharge between the coating electrode and the tip edge of the seal fin in an electrically insulating liquid or in the air. It is a film containing a hard material made of a constituent material of the coating electrode formed on the front end edge of the seal fin or a reaction material of the constituent material.
Here, the “consumable electrode for coating” generally means a powdered metal (including a metal compound), a mixed material of a powdered metal and a powdered ceramic, or a conductive powder. This refers to a green compact electrode (including a heat treated green compact electrode) formed by compression-molding a shaped ceramic, and includes a silicon electrode made of solid silicon. In addition, the surface treatment is suitably given to the ceramic which has electroconductivity.
First 20 According to the invention, the coating of the hard material is not performed by plating or spraying, and the coating electrode is applied to the front end edge of the seal fin by the discharge energy generated between the coating electrode and the front end edge of the seal fin. In the production of the rotating labyrinth seal part, coating pretreatment such as blasting and masking tape application, masking, etc. Post-coating treatment such as tape removal treatment is not required.
In addition, since the boundary portion between the hard material coat coated with the discharge energy and the base of the seal fin has an inclined alloy characteristic, the hard material coat is firmly bonded to the end edge of the seal fin. Can do.
The second 20 In the present invention, preferably, the above 21 As described in the invention, the hard material coat is a plurality of local coatings locally formed on a plurality of portions to be processed in the circumferential direction at the end edges of the seal fins.
With this configuration, the hard material coat is made up of a plurality of local coats, in other words, not the entire circumference of the tip edge of the seal fin, but a plurality of circumferentially processed parts at the tip edge of the seal fin. Since a coating containing a hard material made of a constituent material of the coating electrode or a reaction material of the constituent material is locally formed, it corresponds to the size and shape of the portion to be processed at the tip edge of the seal fin. Thus, the coating electrode can be made small and simple, and the amount of electrode material used for the coating electrode can be reduced.
As described above, since the hard material coat (the hard material local coat) can be firmly bonded to the tip edge of the seal fin, the hard material is coated around the tip edge of the seal fin. Even if the coat is not coated, the rotating labyrinth seal part as a whole can have sufficient abrasiveness by a plurality of local coats of the hard material.
In addition 9 In the present invention, preferably, the first 14 As described in the invention, the coating electrode comprises a powder metal, a mixture of a powder metal and a powder ceramic, or a green compact electrode formed by compression molding a powder ceramic having electrical conductivity, Or a solid silicon electrode, wherein the ceramic is cBN, Cr 3 C 2 , TiC, TiN, TiAlN, TiB 2 , ZrO 2 -Y, ZrC, VC, B 4 C, WC, SiC, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 Or a mixture thereof.
Here, the “powder metal” includes a powder metal compound. In addition, the ceramic which does not have electrical conductivity is appropriately surface-treated to ensure electrical conductivity.
The second 22 In the labyrinth seal structure for suppressing leakage of gas or liquid between the stationary part and the rotating part,
A stationary-side seal component provided integrally with the stationary component;
An annular seal part main body that is disposed inside the stationary side seal part and is rotatable integrally with the rotary part and is provided integrally with the rotary part, and an outer peripheral surface of the seal part main body A ring-shaped sealing fin formed on the tip of the sealing fin, and having a hard coat coated on a tip edge of the seal fin, the hard coat using a consumable coating electrode, A constituent material of the electrode for coating or a reactant of the constituent material coated on the tip edge of the seal fin by generating a pulsed discharge between the electrode for coating and the tip edge of the seal fin. It is a film containing the hard material which consists of these, It is characterized by the above-mentioned.
Here, the “stationary side seal component” includes a honeycomb-shaped stationary side honeycomb seal component or a stationary side abradable seal component coated with an abradable coat on the inside.
The “consumable coating electrode” is generally a powdered metal (including a metal compound), a mixed material of a powdered metal and a powdered ceramic, or a powdered material having electrical conductivity. It refers to a green compact electrode (including a heat treated green compact electrode) formed by compression molding of ceramics, and includes a silicon electrode made of solid silicon. In addition, the ceramic which does not have electroconductivity performs the process which attaches an electroconductive film to the surface of the ceramic powder which does not carry electricity, and the surface treatment is performed suitably, and electroconductivity is ensured.
First 22 According to the invention, since the rotation side labyrinth seal part includes the hard material coat, the stationary side seal part is deformed when the rotation side labyrinth seal part is rotated integrally with the rotation part. Even if the rotating side labyrinth seal part and the stationary side seal part come into contact, the rotating side labyrinth seal is simply scraped off by the hard material coating on the rotating side labyrinth seal part. Parts are hardly scraped.
Accordingly, it is possible to suppress an increase in a gap between the stationary side seal and the rotation side labyrinth seal component during the rotation of the rotation component, and to keep the sealing effect of the labyrinth seal structure in an appropriate state. Further, by setting the rotating side labyrinth seal part and the stationary side sealing part to be slightly in contact with each other during the initial rotation of the rotating part, the stationary side sealing part and the rotating part after the initial rotation are set. The gap with the side labyrinth seal component can be made as small as possible, and the sealing effect of the labyrinth seal structure can be further enhanced.
Further, the coating of the hard material is not formed by plating or thermal spraying, and the coating electrode is made of a constituent material of the coating electrode on the tip edge of the seal fin by discharge energy generated between the coating electrode and the tip edge of the seal fin. Since it is a coating containing a hard material made of a reactive material of this constituent material, in the production of the rotating side labyrinth seal part, pre-coating treatment such as blast treatment, masking tape attaching treatment, masking tape removal treatment, etc. Each post-coating process such as is unnecessary.
Further, since the boundary portion between the hard material coat coated with the discharge energy and the base material of the seal fin has a gradient alloy characteristic, the hard material coat is firmly attached to the end edge of the seal fin. Can be combined.
The second 23 In the invention, preferably, the hard material coat is a plurality of local coatings locally formed on a plurality of portions to be processed in a circumferential direction at a tip edge of the seal fin.
With this configuration, the hard material coat is made up of a plurality of hard material local coats, in other words, not the entire circumference of the tip end edge of the seal fin, but a plurality of circumferential directions at the tip edge of the seal fin. Since a coating containing a constituent material of the coating electrode or a hard material made of a reaction material of the constituent material is locally formed on the processing target portion, the size / shape of the processing target portion at the tip edge of the seal fin Accordingly, the coating electrode can be made small and simple, and the amount of electrode material used for the coating electrode can be reduced.
As described above, since the hard material coat (the hard material local coat) can be firmly bonded to the tip edge of the seal fin, the hard material is coated around the tip edge of the seal fin. Even if the coat is not coated, the rotating labyrinth seal part as a whole can have sufficient abrasiveness by a plurality of local coats of the hard material.
First 24 The invention of the first step of forming a forging material or casting material into a predetermined shape by machining,
A second step of forming a hard film composed of irregularities on a rotating body by repeating a discharge pulse using a pulsed discharge; and The hard coating is an abrasive coating that rubs against the rotating body and scrapes off the mating parts. A method for manufacturing a rotating body is provided.
First 25 The present invention provides a method for manufacturing a rotating body, wherein, in the second step, the shape of the discharge electrode is made to follow the shape of a predetermined part of the rotating body.
First 26 The present invention provides a discharge condition in which the shape of the discharge electrode follows the shape of a predetermined part of the rotating body, and provides a method of forming an electrode without taking time and effort.
First 27 According to the invention, when the coating is formed in the second step, by controlling the discharge conditions, the coverage, which is the ratio of the area where the coating containing the hard material is formed, is reduced to 95% or less. It is difficult to provide a method for manufacturing a rotating body.
First 28 The present invention provides a method for manufacturing a rotating body that is less susceptible to fatigue failure by showing control of the coverage ratio.
First 29 The invention provides a method for producing a rotating body that is less susceptible to fatigue failure by performing discharge using a green compact electrode containing 5% or more by volume of a metal that easily forms carbides in the second step.
First 30 In the second step, in the second step, the predetermined part of the rotating body Made of metal material Provided is a method for manufacturing a rotating body that is less susceptible to fatigue failure by forming a coating containing a hard material on the porous coating after forming the porous coating.
First 31 The present invention provides a method for producing a rotating body having excellent abrasive performance by providing a green compact discharge electrode material used in the second step.
First 32 The present invention provides a method for producing a rotating body that is less susceptible to fatigue failure by performing a third step of performing a peening treatment on the coating formed in the second step.
Other objects and advantageous features of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
Brief Description of Drawings
1A is a perspective view of a conventional turbine blade, FIG. 1B is a perspective view of a turbine blade with a tip shroud, and FIG. 1C is a view of a compressor blade.
FIG. 2 is a perspective view showing an example of a conventional labyrinth seal tip.
FIG. 3 is a view showing a first embodiment of the rotating body and the coating method of the present invention.
FIG. 4 is a view showing a second embodiment of the rotating body and the coating method of the present invention.
FIG. 5 is a view showing a third embodiment of the rotating body and the coating method of the present invention.
FIG. 6 is a view showing a fourth embodiment of the rotating body and the coating method of the present invention.
7A, 7B, and 7C are perspective views of a normal turbine rotor blade that is a fifth embodiment of the rotating body of the present invention.
8A, 8B, and 8C are perspective views of a turbine blade with a tip shroud that is a sixth embodiment of the rotating body of the present invention.
9A and 9B are perspective views of a compressor blade that is a seventh embodiment of the rotating body of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a fifth embodiment of the coating method according to the present invention.
FIG. 11 is a schematic view of a labyrinth seal structure that is an eighth embodiment of the rotating body of the present invention.
FIG. 12 is a front view of the labyrinth seal of FIG.
FIG. 13 is a schematic view of an electric discharge machine showing an eighth embodiment of the coating method according to the present invention.
DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
FIG. 3 is a view showing a first embodiment of the rotating body and the coating method of the present invention. This figure has shown the state which coats the hard material to the front-end | tip part of the moving
In the method of the present invention, as shown in FIG. 3, the
In the above description, cBN is used as the hard material. However, cBN has a Vickers hardness of 4500 HV at room temperature and is exposed to a high temperature in that it can maintain a Vickers hardness close to 2000 HV even at a high temperature of 900 ° C. or higher. It is the optimum coating material for turbine blades. In addition, from the standpoint of oxidation resistance, TiC and WC are used for rotating bodies used at low temperatures, and Cr is used for rotating bodies used at high temperatures. 3 C 2 In addition, ZrO for rotating bodies used at higher temperatures 2 And Al 2 O 3 The hard material can be used. Therefore, according to the present invention, the rotating body used at a low temperature is coated with TiC, WC or cBN, and the rotating body used at a high temperature is cBN or Cr. 3 C 2 ZrO for coatings containing iron and for rotating bodies used at high temperatures 2 Or Al 2 O 3 Is formed. Of course, a more optimal film can be formed by mixing these hard materials. The discharge coating technique is disclosed in, for example, “Surface Treatment Method of Metal Material by In-Liquid Discharge” of Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-197275, and thus the description thereof is omitted.
Here, since ceramics such as cBN are insulating and hard materials, ceramics such as cBN cannot be formed into discharge electrodes, but discharge electrodes containing ceramics such as cBN by using a conductive binder. Can be molded. For example, a Co-based alloy powder can be used as a binder, and a ceramic powder such as cBN and a Co-based alloy powder may be mixed, placed in a press mold, and compression molded. The amount of the binder is preferably about 50% or more by volume.
Further, the discharge electrode may be formed by coating a ceramic powder such as cBN with Ti (titanium), Ni (nickel) or Co (cobalt) serving as a binder. Since the particle size of the entire powder needs to be smaller than the distance between the electrode and the workpiece during the discharge surface treatment, it is preferably about 10 μm or less. Coating a thin film of Ti, Ni or Co metal on a ceramic powder such as cBN can be easily performed by vapor deposition or the like.
In this way, by forming a discharge electrode containing ceramics such as cBN by mixing a conductive binder, it is possible to generate a discharge in the binder part, and the thermal energy makes the discharge electrode into a molten state, A part of the discharge electrode can be welded to the tip of a rotating body such as a moving blade. As a result, a hard film containing ceramics such as cBN can be coated on the tip of the rotating body.
Here, Table 1 shows a result of a wear test in which two test pieces (upper test piece and lower test piece) coated with the coating method of the present invention are rubbed at a high temperature.
[Table 1]
Thus, by coating the tip of a rotating body such as a moving blade using a so-called discharge coating method with a coating containing ceramics such as cBN, a hard coating that makes use of the characteristics of ceramics such as cBN can be easily obtained. In addition to being able to be coated, it is possible to coat a film having better adhesion and quality than conventional methods such as welding and thermal spraying. Further, according to the present invention, since a thin film (or layer) of several microns to 30 μm can be formed, film cracking hardly occurs, and the accuracy can be controlled in units of several μm, so that it is like a moving blade or a labyrinth seal. Can provide the most suitable coating method for precision parts.
Abrasive performance for scraping off mating parts should be rough. In the implemented example, the surface roughness is rougher than 1.2 μmRa.
As described above, since the present invention uses a so-called discharge coating method, no pretreatment such as masking or blasting is required, and a highly adhesive coating can be easily and inexpensively formed. Since a coating containing ceramics such as (cubic boron nitride) can be coated, a hard coating excellent in abrasive properties can be coated in a place where the abrasive is required to have abrasive properties.
Since the hard material coating layer is hard and has low ductility, the tensile stress applied to the part is not borne by the base material inside the part having high ductility, but only the surface coating layer. For this reason, there is a risk of cracks on the surface and progress to the base material. In order to avoid this, a method is adopted in which the coating layer is made ductile.
Table 2 shows the number of cycles that lead to breakage in the HCF (High Cycle Failure) test when the outer diameter of the round bar is coated with a hard material and a tensile load is repeatedly applied in the axial direction.
Without a hard material coating, it does not break up to 1 million cycles, but with a coating surface ratio of the coated area of the hard material coating surface, ie coating coverage (see Figure 4) is 98%. It broke at 20,000 cycles. When the coverage was suppressed to about 95%, it did not break until 1 million cycles.
[Table 2]
The formula is the time to get 95% coverage
= Time to get 98% coverage * LOG (1-0.95) / LOG (1-0.98)
It is. 98% coverage is considered 100% coverage. In order to calculate from the time to obtain 50% coverage, it is only necessary to change 0.98 of LOG (1-0.98) to 0.5.
In another method, as shown in FIG. 5, an electrode to which a metal powder that is hard to be carbonized is added is used to make the coating layer have a ductile property of the metal. When 5% or more of a metal that is not easily carbonized is included in the electrode, 5% or more of ductile portions remain, and the same effect as in Table 2 can be expected. This method also sacrifices some of the abrasive performance of the entire coating surface. Metals that are difficult to carbonize include cobalt, nickel, and iron. Regarding the coverage, one wing has been described, but since there are many wings, other wings can cover the performance even if the coverage is low or there is no abrasive performance at a certain wing. The same applies to ring-shaped seals as long as there is abrasive performance somewhere on the circumference.
As another method, as shown in FIG. 6, a porous layer is formed on the base of the hard coating layer so as not to cause cracks in the coating layer to progress to the base material. This base is also formed by discharge coating. A porous layer can be produced by depositing a metal powder such as stellite with a thickness of 0.05 mm or more with an electrode obtained by compression molding. Thereafter, a hard material is coated on the porous layer.
Further, by applying peening to the surface of the hard material coating and extending the surface, the compressive stress is left so that the tensile stress is reduced even if the base material is extended. The fatigue strength can be improved by the effect.
7A to C, FIGS. 8A to C, and FIGS. 9A and 9B are perspective views showing fifth to seventh embodiments of the rotating body of the present invention. In these figures, the disk-side platform and dovetail are omitted.
In the
In the thin turbine blade of FIG. 7B, coating may be applied to the blade surface on the back side of the blade tip and the entire tip, and the opposite surface may be uncoated.
In the turbine rotor blade of FIG. 7C, the blade surface on the back side of the tip of the rotor blade is coated, and the entire tip is uncoated.
In the
In the small wing of FIG. 8B, coating may be applied to the entire tip surface and the surface in the rotational direction (that is, the back side surface of the tip portion), and the opposite surface may be uncoated.
In the turbine blade of FIG. 8C, the surface in the direction of rotation (that is, the back side surface of the tip) is coated, and the entire tip is uncoated.
In the
In the compressor rotor blade of FIG. 9B, coating is applied to the surface in the rotational direction, that is, the blade surface on the ventral side of the tip of the rotor blade, and the entire tip is uncoated.
When an abrasive performance test was performed using the wing of FIG. 9A and the wing of FIG. 9B simulating an actual machine, no difference in performance was observed.
As described above, the hard material coating is scraped off the abradable coating at the tip of the
FIG. 10 is a diagram showing a fifth embodiment of the coating method according to the present invention, and is a diagram showing the method for coating a moving blade shown in FIGS. In the coating method of the present invention, the moving
Since the
Further, in a blade with a thin blade thickness, the coating of a hard material is applied to the entire surface in the rotational direction and the tip surface. However, it is not necessary to apply to the opposite side of the progression.
Note that only the cross section of the
In this coating method, the
The electrode may be processed into a product shape in advance, but in order to match the product shape, the electrode can be molded under a discharge condition where the electrode is easily consumed. As a condition for this, if the electrode is set to a negative polarity, and a discharge is generated under a relatively small energy condition with a pulse width of 1 μs or less and a current value of 10 A or less, the damage to the product is suppressed and the electrode is made to follow the product shape. Can do.
When the coating is formed, the electrode is discharged under a relatively large energy condition with a negative polarity, a pulse width of about 2 to 10 μs, and a current value of about 5 to 20 A.
Although not shown, in the case of the
In the discharge coating, a voltage is applied to the moving
The discharge coating is an optimum coating method for precision parts such as the moving
As described above, the present invention optimizes the coating range of the hard material, so that the yield of the product can be improved, and the working time can be shortened and the coating material can be saved. Can be reduced. Furthermore, by using a so-called discharge coating, it is possible to easily and inexpensively coat the hard material only on the corners in the direction of rotation of the moving blade or only on the surface in the direction of rotation.
Even if all the blades assembled to the rotor are not coated with a hard material, it is possible to obtain an effect by coating some of the blades with a hard material. The same applies to ring-shaped seals as long as there is abrasive performance somewhere on the circumference.
FIG. 11 is a schematic view of a labyrinth seal structure that is an eighth embodiment of the rotating body of the present invention, and FIG. 12 is a front view of the labyrinth seal of FIG. FIG. 13 is a schematic view of an electric discharge machine showing an eighth embodiment of the coating method according to the present invention.
As shown in FIGS. 11 and 12, the
A specific configuration of the rotation side
That is, the
Here, in the embodiment of the present invention, the “consumable coating electrode” generally means a powdered metal (including a metal compound), a powdered metal and a powdered ceramic. A green compact electrode (including a green compact electrode subjected to heat treatment) formed by compression molding a mixed ceramic material or a powdered ceramic having electrical conductivity, and includes a silicon electrode made of solid silicon. It should be noted that the conductive ceramic is subjected to a surface treatment for applying a conductive film to the ceramic powder and then compression-molded to ensure the conductive property. In particular, “powdered metal” includes, for example, Ti, Co and the like, and “powdered ceramic” includes, for example, cBN, TiC, TiN, TiAlN, AlN, TiB. 2 , WC, Cr 3 C 2 , SiC, ZrC, VC, B 4 C, Si 3 N 4 , ZrO 2 -Y, Al 2 O 3 Etc. are included.
Materials that form a film containing a hard material by reacting with discharge energy include Ti, W, Cr, Zr, Si, V, Mo, and Nb.
Further, the
Next, a specific configuration of the
That is, the
The table 53 is provided with a
A
The
Therefore, the seal component
Then, while the
Further, by moving the table 53 in the Y-axis direction by driving the Y-axis servo motor, the
After the
Next, the operation of the embodiment of the present invention will be described.
Since the rotation side
This prevents the gap between the stationary
Further, the
Further, the boundary portion between the
Further, the
As described above, since the hard material coat 45 (hard material
According to the embodiment of the present invention as described above, in the production of the rotation side
In addition, since the
Further, the
The present invention is not limited to the description of the embodiment of the invention described above. For example, instead of discharging in the electrically insulative working fluid L, the electric discharge may be appropriately performed in the air with electric insulation. It is possible to implement in various other modes by making the above changes.
As described above, according to the present invention, in the production of the rotating side labyrinth seal part, pre-coating treatment such as blast treatment, masking tape pasting treatment, and post-coating treatment such as masking tape removal treatment is not required. Therefore, the work time required for production of the rotation side labyrinth seal part can be shortened, and the productivity of the rotation side labyrinth seal part can be easily improved.
Further, since the hard material coat can be firmly bonded to the front end edge of the seal fin, the hard material coat is difficult to peel off from the front end edge of the seal fin, and the quality of the labyrinth seal is stabilized.
In addition to the above-mentioned effects, the coating electrode can be made smaller and smaller in correspondence with the size and shape of the portion to be processed at the tip edge of the seal fin while having sufficient abrasive performance as the entire rotating labyrinth seal part. While being able to be made into a simple shape, since the quantity of the electrode material used for the electrode for a coating can be decreased, the reduction of the production cost of a rotation side labyrinth seal part can be aimed at.
Although the present invention has been described with reference to several preferred embodiments, it will be understood that the scope of rights encompassed by the present invention is not limited to these embodiments. On the contrary, the scope of the present invention includes all improvements, modifications and equivalents included in the appended claims.
Claims (32)
その後、その放電電極と前記回転体との間で第２の放電条件にて被膜形成する工程とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のコーティング方法。In the method of coating a rotating body, a step of causing discharge between the rotating body and the discharge electrode under a first discharge condition that consumes the discharge electrode, so that the electrode shape is a shape that follows the shape of the film forming site. When,
The coating method according to claim 1 , further comprising a step of forming a film between the discharge electrode and the rotating body under a second discharge condition.
被膜を形成する第２の放電条件は、放電電極をマイナス極性としパルス幅２〜１０μｓ、電流値５〜２０Ａである、ことを特徴とする請求項２に記載のコーティング方法。In the discharge conditions described above, the first discharge condition for consuming the discharge electrode is that the discharge electrode has a negative polarity, the pulse width is 1 μs or less, and the current value is 10 A or less.
3. The coating method according to claim 2 , wherein the second discharge condition for forming the film is that the discharge electrode has a negative polarity, the pulse width is 2 to 10 μs, and the current value is 5 to 20 A. 4.
第１の層と硬質材又は放電により硬質材になる材料を含む圧粉体の放電電極との間で、電気絶縁性の加工液中又は気中にて、パルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーにより、前記ポーラスな第１の層の上に硬質材の電極の構成材料またはこの構成材料の反応物質が硬質材を含む第２の層を形成した、ことを特徴とする請求項９に記載の回転体。In the coating, a pulsed discharge is generated in the electrically insulating working fluid or in the air between the rotating body and the discharge electrode of the metal-based green compact that is difficult to form carbide, and the discharge energy Forming a porous first layer made of a constituent material of the discharge electrode or a reaction material of the constituent material on a part of the rotating body,
A pulsed discharge is generated in the electrically insulating working fluid or in the air between the first layer and a green compact discharge electrode containing a hard material or a material that becomes a hard material by electric discharge. the discharge energy, the reactants of the material or a constituent material of the hard material of the electrode on the porous first layer to form a second layer comprising a hard material, it in claim 9, wherein The described rotating body.
前記セラミックスは、ｃＢＮ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢ２、ＺｒＯ２-Ｙ、ＺｒＣ、ＶＣ、Ｂ４Ｃ、ＷＣ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３のいずれか又はこれらの混合物である、ことを特徴とする請求項９から１３のいずれかに記載の回転体。The discharge electrode may be a metal powder, a metal compound powder, a ceramic powder, or a green compact obtained by compression molding a mixed powder, a green compact obtained by heat-treating the green compact, or solid silicon. Electrodes,
The ceramic is one of cBN, Cr 3 C 2 , TiC, TiN, TiAlN, TiB 2 , ZrO 2 —Y, ZrC, VC, B 4 C, WC, SiC, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 or The rotating body according to any one of claims 9 to 13 , which is a mixture of these.
回転体に放電パルス毎に電極材料あるいは電極材料が変化したことでできる硬質材料を回転体側に移行させて硬質の凹凸を形成し、該放電パルスを繰り返すことで該凹凸から構成される硬質被膜を形成し、該ケース部品は該硬質被膜材料よりも硬さの低い材料から構成される、ことを特徴とする回転構造体。 A rotating structure comprising the rotating body according to any one of claims 9 to 16 and a stationary case part covering the rotating body,
A hard film formed by changing the electrode material or electrode material for each discharge pulse on the rotating body is moved to the rotating body side to form hard unevenness, and a hard coating composed of the unevenness is formed by repeating the discharge pulse. A rotating structure , wherein the case component is formed of a material having a lower hardness than the hard coating material.
環状のシール部品本体と、
前記シール部品本体の外周面に一体的に形成された環状のシールフィンとを備え、
前記シールフィンの先端縁に硬質材を含むコートを具備し、
該硬質材を含むコートは、消耗性を有したコーティング用電極を用い、電気絶縁性のある液中または気中において前記コーティング用電極と前記シールフィンの先端縁との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーにより前記シールフィンの先端縁に形成された前記コーティング用電極の構成材料またはこの構成材料の反応物質からなる硬質材を含むアブレイシブ性被膜である、ことを特徴とする請求項９から１４のいずれかに記載の回転体。The rotating body is a rotating labyrinth seal component that is one of the structural elements of a labyrinth seal structure that suppresses leakage of gas or liquid between a stationary component and a rotating component,
An annular seal body,
An annular seal fin integrally formed on the outer peripheral surface of the seal component body,
Provided with a coating containing a hard material at the tip edge of the seal fin,
The coating containing the hard material uses a consumable coating electrode, and discharges in a pulsed manner between the coating electrode and the tip edge of the seal fin in an electrically insulating liquid or air. An abrasive film comprising a hard material made of a constituent material of the coating electrode or a reactive substance of the constituent material, which is generated and formed at the front end edge of the seal fin by the discharge energy. The rotating body according to any one of 9 to 14 .
前記静止部品に一体的に設けられた静止側シール部品と、
前記静止側シール部品の内側に配置され、前記回転部品と一体的に回転可能であって、前記回転部品に一体的に設けられた環状のシール部品本体と、前記シール部品本体の外周面に一体的に形成された環状のシールフィンとを備え、
前記シールフィンの先端縁にコーティングされた硬質性を含むコートを有し、
該硬質性を含むコートは、消耗性を有したコーティング用電極を用い、該コーティング用電極と前記シールフィンの先端縁との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーにより前記シールフィンの先端縁にコーティングされた前記コーティング用電極の構成材料またはこの構成材料の反応物質からなる硬質材を含む被膜である、ことを特徴とするラビリンスシール構造。In the labyrinth seal structure that suppresses leakage of gas or liquid between stationary parts and rotating parts,
A stationary-side seal component provided integrally with the stationary component;
An annular seal part main body that is disposed inside the stationary side seal part and is rotatable integrally with the rotary part and is provided integrally with the rotary part, and an outer peripheral surface of the seal part main body An annular seal fin formed
Having a coat containing hardness coated on the tip edge of the seal fin;
The coating containing hardness uses a consumable coating electrode, generates a pulsed discharge between the coating electrode and the tip edge of the seal fin, and the discharge energy of the seal fin A labyrinth seal structure, characterized in that the labyrinth seal structure is a coating containing a hard material made of a constituent material of the coating electrode or a reaction material of the constituent material coated on the leading edge.
この回転体に対して、硬質材または放電により硬質材になる材料を含む圧粉体または固形のシリコンの放電電極との間に、電気絶縁性の加工液中又は気中にて、パルス状の放電を発生させることにより、放電パルス毎に電極材料あるいは電極材料が変化したことでできる硬質材料を回転体側に移行させて硬質の凹凸を形成し、該放電パルスを繰り返すことで該凹凸から構成される硬質被膜を回転体上に形成する第二の工程と、を備え、前記硬質皮膜は前記回転体と擦り合い相手部品を削り取るアブレイシブ性被膜である、ことを特徴とする回転体の製造方法。A first step of forming a rotating body of a moving blade or a labyrinth member into a predetermined shape by machining a forged product or a cast product;
Between this rotating body and a green compact or solid silicon discharge electrode containing a hard material or a material that becomes a hard material by electric discharge, it is pulsed in an electrically insulating working fluid or in the air. By generating the discharge, the electrode material or the hard material formed by changing the electrode material for each discharge pulse is moved to the rotating body side to form hard unevenness, and the discharge pulse is repeated to form the unevenness. And a second step of forming a hard coating on the rotating body, wherein the hard coating is an abrasive coating that rubs against the rotating body and scrapes off a mating part .
被膜を形成する第二の放電条件は、電極をマイナス極性とし、パルス幅２〜１０μｓ、電流値５〜２０Ａであることを特徴とする請求項２５に記載の回転体の製造方法。The first discharge condition for consuming the electrode is that the discharge electrode has a negative polarity, the pulse width is 1 μs or less, and the current value is 10 A or less.
26. The method of manufacturing a rotating body according to claim 25 , wherein the second discharge conditions for forming the film are that the electrode has a negative polarity, the pulse width is 2 to 10 [mu] s, and the current value is 5 to 20 A.
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