JP4492503B2 - Surface treatment method - Google Patents

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Description

本発明は、耐食性や耐摩耗性を向上させるために部材の表面に被覆層を形成する表面処理方法に関する。   The present invention relates to a surface treatment method for forming a coating layer on a surface of a member in order to improve corrosion resistance and wear resistance.

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として、溶射法、プラズマ粉末肉盛法(以下「PTA法」という。)、化学蒸着法(以下「CVD法」という。)などがある。   In order to improve the corrosion resistance and wear resistance of the member, surface treatment techniques for forming a coating layer on the surface of the member include thermal spraying, plasma powder overlaying (hereinafter referred to as “PTA method”), chemical vapor deposition (hereinafter referred to as “ "CVD method").

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ることにより被覆層を形成する。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。しかし、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。   In the thermal spraying method, the material powder for forming the coating layer is put into a heat source such as a plasma jet or a combustion flame, and in the PTA method, it is melted and accelerated in the heat source and sprayed onto the surface of the member to be treated. Form a layer. In such a thermal spraying method or PTA method, it is possible to form a relatively thick coating layer with a material having a relatively high melting point. However, voids inside the coating layer due to deposition of material powder, peeling due to the difference in thermal expansion between the coating layer and the member to be processed, and thermal deformation due to heat input to the member to be processed when forming the coating layer There are problems such as dust collection due to low adhesion efficiency.

一方、CVD法は、真空中において被覆層を形成する材料を蒸発させ、この蒸発した材料を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。しかし、真空チャンバー内で被処理部材を処理する必要があることから、現場施工ができない、被覆層と被処理部材間との密着力が比較的小さいなどの問題がある。   On the other hand, the CVD method evaporates a material for forming a coating layer in a vacuum, and deposits the evaporated material on the surface of a member to be processed. With such a CVD method, it is possible to form a coating layer made of a relatively dense and thin film. However, since it is necessary to process the member to be processed in the vacuum chamber, there are problems such as inability to perform on-site construction and relatively low adhesion between the coating layer and the member to be processed.

これらの問題を解決する方法として、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ある(例えば、特許文献1−5参照)。   As a method for solving these problems, surface treatment is performed by melting the electrode by discharge generated when a voltage is applied between the electrode and the member to be treated, and forming a coating layer on the surface of the member to be treated by the melted electrode component. There is a technique (for example, see Patent Documents 1-5).

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り放電を行わせることが開示されている。放電により溶融した電極成分を被処理部材の表面に堆積させることにより、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することができる。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り放電を行わせることが開示されている。   In Patent Document 1, a voltage is applied between an electrode disposed at a predetermined interval and a member to be processed in a state of being immersed in a processing liquid made of deionized water to which a nonionic surfactant is added. It is disclosed that discharging is performed by doing so. By depositing the electrode component melted by the discharge on the surface of the member to be processed, a relatively dense coating layer can be formed, and voids inside the coating layer can be reduced. In addition, the thickness of the coating layer to be formed can be adjusted by changing the output of the applied voltage. Patent Document 2 discloses that a discharge is performed by applying a voltage between an electrode and a member to be processed while blowing a working fluid toward the discharge space.

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う必要があるため、大気中や純水中においては処理を行うことができない。   However, in the methods such as Patent Documents 1 and 2, it is necessary to perform the treatment while the electrode and the member to be treated are immersed in the machining liquid or while the machining liquid is blown toward the discharge space. The treatment cannot be performed in medium or pure water.

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開示されている。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開示されている。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により、溶解した電極成分により被覆層を形成することが開示されている。   On the other hand, in the surface treatment technique as proposed in Patent Documents 3-5, the coating layer can be formed without using a working fluid. Patent Document 3 discloses that a discharge is generated by forming a space between an electrode and a member to be processed (that is, a space where discharge is performed) in an inert gas atmosphere to form a coating layer. Moreover, in patent document 4, using an electrode which has a base metal element as a main component, and applying a voltage between an electrode and a to-be-processed member, a discharge can be generated in an air atmosphere and a coating layer can be formed. It is disclosed. On the other hand, in Patent Document 5, a coating layer is formed from the dissolved electrode component by applying a voltage between the electrode and the member to be processed in a state where the tip of the electrode is in contact with the member to be processed. Is disclosed.

特開2000−256875号公報(第3−5頁,第1図)JP 2000-256875 A (page 3-5, FIG. 1) WO99/44780号公報(第6頁,第3図)WO99 / 44780 (6th page, Fig. 3) 特開平9−108834号公報(第3−4頁,第1図)JP-A-9-108834 (page 3-4, FIG. 1) 特開2003−194988号公報(第3−5頁,第1図)Japanese Patent Laying-Open No. 2003-194988 (page 3-5, FIG. 1) 特開2003−1478号公報(第4頁,第1図)Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-1478 (page 4, FIG. 1)

放電により電極を溶解させて電極成分による被覆層を形成する表面処理技術では、表面処理を行うことにより被処理部材に入熱が生じる。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、さらには、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、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開示されている。   In a surface treatment technique in which an electrode is dissolved by discharge to form a coating layer with an electrode component, heat is generated in a member to be treated by performing the surface treatment. When the amount of heat input to the member to be processed is increased, there is a case where thermal deformation or a change in the structure forming the member is caused, and further, the member that has been irradiated with radiation may be cracked. For this reason, in the surface treatment technology for forming the coating layer by conventional discharge as proposed in Patent Documents 3-5, the amount of heat input to the member to be treated depends on the discharge time, the pulse width of the pulse to be applied, and the like. Control is disclosed.

しかし、こ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,通電間隔など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困難である。また、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(処理部材の耐侵食性、及び耐摩耗性や耐侵食性の指標である被覆層断面の硬度等)を有した被覆層を得られない可能性がある。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可能性がある。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表面処理技術が必要となっている。 However, as in the conventional surface treatment technology for forming a coating layer by electric discharge, the amount of heat input can be controlled only by controlling the amount of heat input by the discharge time, the pulse width of the applied pulse, the energization interval, etc. It is difficult to suppress the influence of Moreover, even if the influence of the heat input on the member to be processed can be suppressed, the required performance (such as the erosion resistance of the member to be processed and the hardness of the coating layer cross section, which is an index of wear resistance and erosion resistance) It may not be possible to obtain a coating layer having For example, in Patent Document 3 or the like, there is a possibility that voids and cracks due to oxygen contamination remain, and the coating layer thickness is as thin as several μm, and a coating layer having the required performance cannot be obtained. There is. Accordingly, there is a need for a surface treatment technique that can form a coating layer having the required performance while suppressing the influence of heat input on the member to be treated.

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十分な耐侵食性を有した被覆層を形成することができる表面処理方法を提供することにある。   The subject of this invention is providing the surface treatment method which can form the coating layer which has sufficient erosion resistance, suppressing the influence to the to-be-processed member by heat input.

上記課題を解決するため本発明の表面処理方法は、被処理部材と電極との間に電圧を印加してパルス放電を発生させることにより電極を溶融させ、被処理部材表面に溶融した電極成分の被覆層を形成する表面処理方法であって、電極へ印加する電圧を300V以上1000V以下、パルスの周波数を500Hz以上1000Hz以下、パルスの幅を50μm以上100μm以下とし、被覆層を形成する際に被処理部材表面を移動する電極の走査速度を500mm/min以上2000mm/min以下であり、電極と被処理部材との距離が50μm以上300μm以下の位置に電極を保持させた状態で放電し、電極の熱膨張係数は被処理部材の熱膨張係数との相違が±20%以内とするIn order to solve the above problems, the surface treatment method of the present invention is to apply a voltage between a member to be treated and the electrode to generate a pulse discharge to melt the electrode, and melt the electrode component on the surface of the member to be treated. A surface treatment method for forming a coating layer, wherein the voltage applied to the electrode is 300 V to 1000 V, the pulse frequency is 500 Hz to 1000 Hz, the pulse width is 50 μm to 100 μm, and the coating layer is formed. The scanning speed of the electrode moving on the surface of the member to be processed is 500 mm / min or more and 2000 mm / min or less , and the electrode is discharged in a state where the electrode is held at a position where the distance between the electrode and the member to be processed is 50 μm or more and 300 μm or less. The difference between the thermal expansion coefficient and the thermal expansion coefficient of the member to be treated is within ± 20% .

本発明の表面処理方法によれば、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成することができる。   According to the surface treatment method of the present invention, it is possible to form a coating layer having sufficient erosion resistance while suppressing the influence of heat input on the member to be treated.

発明者は、導電性の被処理部材と電極との間に電圧を印加してパルス放電を発生させて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技術において、その施工条件を検討した。特に、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成するための施工条件について検討を行ったので、その検討結果を以下に示す。なお、電極と処理部材との距離をスタンドオフという。また、電圧とは電極に印加するパルス電圧の最大値をいう。 The inventor applied the voltage between the conductive member to be processed and the electrode to generate a pulse discharge to form a coating layer of the electrode component on the surface of the member to be processed. investigated. In particular, the construction conditions for forming a coating layer having sufficient erosion resistance while suppressing the influence of heat input on the member to be treated were examined, and the examination results are shown below. The distance between the electrode and the member to be processed is referred to as standoff. The voltage means the maximum value of the pulse voltage applied to the electrode.

発明者による検討結果から、印加するパルスの電圧は300V以上1000V以下、パルスの周波数は500Hz以上1000Hz以下、パルスの幅は50μm以上100μm以下、スタンドオフは50μm以上300μm以下であることが望ましいことがわかった。   From the results of investigation by the inventor, it is desirable that the voltage of the applied pulse is 300 V to 1000 V, the pulse frequency is 500 Hz to 1000 Hz, the pulse width is 50 μm to 100 μm, and the standoff is 50 μm to 300 μm. all right.

印加するパルスの電圧が300Vよりも小さい場合、パルスの周波数が500Hzよりも小さい場合、パルスの幅が50μmよりも小さい場合、スタンドオフが50μmよりも小さい場合は、非接触での放電をすることができない。一方、印加するパルスの電圧が
1000Vよりも大きい場合、パルスの周波数が1000Hzよりも大きい場合、パルスの幅が100μmよりも大きい場合は、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、スタンドオフが300μmよりも大きい場合、パルスの電圧が300V以上1000V以下の範囲では放電できない。
If the applied pulse voltage is less than 300V, the pulse frequency is less than 500Hz, the pulse width is less than 50μm, or the standoff is less than 50μm, non-contact discharge is performed. I can't. On the other hand, when the applied pulse voltage is greater than 1000 V, the pulse frequency is greater than 1000 Hz, or the pulse width is greater than 100 μm, the discharge is not a pulse but a continuous discharge, that is, an arc discharge. End up. In addition, when the standoff is larger than 300 μm, the discharge cannot be performed when the pulse voltage is in the range of 300V to 1000V.

さらに、発明者は電極の操作速度について検討し、新たな知見を得た。つまり、電極の走査速度は、500mm/min以上2000mm/min以下であることが望ましいことがわかった。   Furthermore, the inventor studied the operation speed of the electrode and obtained new knowledge. That is, it was found that the scanning speed of the electrode is preferably 500 mm / min or more and 2000 mm / min or less.

走査速度が500mm/minよりも遅いと、被処理部材への入熱量が大きくなり変形などが生じてしまう。一方、走査速度が2000mm/minよりも速いと、被覆層の形成にムラが発生してしまう。つまり、走査速度を500mm/min以上とすることにより、処理部材への入熱による影響を十分に抑制することができることが確認された。また、操作速度を走査速度2000mm/min以下とすることにより、被覆層の形成にムラが発生することを抑制することができることが確認された。ここで、被覆層の形成にムラが発生すると、被覆層の表面粗さ(被覆層表面の凹凸)が大きくなる。表面粗さが大きいと、被覆層の谷部の部分が薄くなる。本発明で適用する表面処理技術により形成した被覆層には被処理部材との混合層が含まれるが、この混合層は侵食されやすく、被覆層の谷部から直接混合層が露呈すると、ここから局所的に侵食が進んでしまう。従って、被覆層の表面粗さは小さいことが好ましい。操作速度を2000mm/min以下とすることにより被覆層の形成にムラが発生することを抑制することができるため、被覆層の表面粗さを十分に小さくでき、被覆層の谷部においても直接混合層が露呈することはない。従って、被処理部材と電極との間にパルス放電を発生させて被処理部材の表面に電極成分の被覆層を形成するに際して、電極の走査速度を500mm/min以上2000mm/min以下とすることにより、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成することができる。 If the scanning speed is slower than 500 mm / min, the amount of heat input to the member to be processed becomes large and deformation occurs. On the other hand, if the scanning speed is faster than 2000 mm / min, unevenness occurs in the formation of the coating layer. That is, it was confirmed that the influence of heat input to the member to be processed can be sufficiently suppressed by setting the scanning speed to 500 mm / min or more. Moreover, it was confirmed that the occurrence of unevenness in the formation of the coating layer can be suppressed by setting the operation speed to a scanning speed of 2000 mm / min or less. Here, when unevenness occurs in the formation of the coating layer, the surface roughness of the coating layer (unevenness on the surface of the coating layer) increases. When the surface roughness is large, the valley portion of the coating layer becomes thin. The coating layer formed by the surface treatment technique applied in the present invention includes a mixed layer with the member to be processed, but this mixed layer is easily eroded, and when the mixed layer is exposed directly from the valley of the coating layer, Erosion progresses locally. Accordingly, the surface roughness of the coating layer is preferably small. By controlling the operation speed to 2000 mm / min or less, it is possible to suppress the occurrence of unevenness in the formation of the coating layer, so that the surface roughness of the coating layer can be made sufficiently small, and direct mixing is also performed in the valley portion of the coating layer. The layer is not exposed. Therefore, when the pulse discharge is generated between the member to be processed and the electrode component coating layer is formed on the surface of the member to be processed, the electrode scanning speed is set to 500 mm / min or more and 2000 mm / min or less. Thus, it is possible to form a coating layer having sufficient erosion resistance while suppressing the influence of heat input on the member to be processed.

なお、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。   In addition, it turned out that it is desirable that the flow volume of the inert gas to eject is 20 L / min or more and 100 L / min or less.

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、開口割れの発生原因となる。   If the flow rate of the inert gas to be ejected is less than 20 L / min, the surrounding atmosphere is caught in the portion where the coating layer is formed, and the coating layer is oxidized. On the other hand, if the flow rate of the inert gas to be ejected is higher than 100 L / min, the temperature of the surface portion of the member to be treated that forms the coating layer is lowered, causing opening cracks.

放電により電極を溶解させて、溶解した電極成分で被覆層を形成する表面処理技術では、表面処理を行うことにより被処理部材に入熱が生じる。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たり、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たりする場合がある。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。   In the surface treatment technique in which the electrode is dissolved by discharge and the coating layer is formed with the dissolved electrode component, heat is generated in the member to be treated by performing the surface treatment. When the amount of heat input to the member to be processed becomes large, there is a case where an influence such as a thermal deformation or a change in the structure forming the member or a crack in the member irradiated with radiation may occur. For this reason, it is desirable to form the coating layer with an amount of heat input to the member to be processed being 1 KJ / cm or less.

また、被処理部材の耐食性や耐摩耗性を向上させるため、被覆層の強度及び厚さを所望の値とする必要がある。具体的には、ビッカース硬度が400Hv以上、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、ビッカース硬度が400Hv以上の材料で形成された電極を用いることができる。   Moreover, in order to improve the corrosion resistance and wear resistance of the member to be processed, it is necessary to set the strength and thickness of the coating layer to desired values. Specifically, it is desirable that the Vickers hardness is 400 Hv or more and the thickness is 5 μm or more and 500 μm or less. In order to set the Vickers hardness of the coating layer to 400 Hv or higher, an electrode formed of a material having a Vickers hardness of 400 Hv or higher can be used.

これらの施工条件を満たす条件で被覆層の形成を行ったので、その試験結果を以下に示す。表1は各施工条件を示している。表2はこの施工条件で形成した被覆層の特性を示している。尚、表2に示す被覆層の硬度は、マイクロビッカース硬度計を用いて、被覆層の断面の任意の10箇所を測定した平均値である。被覆層の厚さは、被覆層の断面画像より、任意の10箇所を測定した平均値である。被処理部材への入熱量は、電極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で算出した。   Since the coating layer was formed under the conditions satisfying these construction conditions, the test results are shown below. Table 1 shows each construction condition. Table 2 shows the characteristics of the coating layer formed under these construction conditions. In addition, the hardness of the coating layer shown in Table 2 is an average value obtained by measuring any 10 locations in the cross section of the coating layer using a micro Vickers hardness tester. The thickness of a coating layer is the average value which measured arbitrary 10 places from the cross-sectional image of a coating layer. The amount of heat input to the member to be processed was calculated by the product of the voltage E of the pulse applied to the electrode, the current I, the pulse width τ, the frequency f and the reciprocal of the scanning speed V, that is, the amount of heat input = EIτf / V.

Figure 0004492503
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Figure 0004492503
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上記試験結果から、電極の走査速度を500mm/min以上2000mm/min以下とすることにより、表面粗さを十分に小さい10μmとすることができ、また、開口割れ幅を1
μm以下(PT検出以下)とすることができる。つまり、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成することができる。
From the above test results, by setting the scanning speed of the electrode to 500 mm / min or more and 2000 mm / min or less, the surface roughness can be made sufficiently small 10 μm, and the opening crack width is 1
It can be set to μm or less (PT detection or less). That is, it is possible to form a coating layer having sufficient erosion resistance while suppressing the influence of the heat input on the member to be processed.

さらに、上記施工条件により施工することにより、ビッカース硬度が400Hv以上、内部の空隙率が5容積%以下、厚さが5μm以上500μm以下となる被覆層を、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十分な耐食性,耐摩耗性を有する被覆層を形成できる。   Furthermore, by applying the above-mentioned construction conditions, a coating layer having a Vickers hardness of 400 Hv or more, an internal porosity of 5% by volume or less, and a thickness of 5 μm or more and 500 μm or less has a heat input to the member to be processed of 1 KJ / It can be formed below cm. Therefore, it is possible to form a coating layer having sufficient corrosion resistance and wear resistance while suppressing the influence of the heat input on the member to be processed.

また、発明者は、本発明の表面処理技術において、被覆層の特性を支配する電極と処理部材との距離(スタンドオフ)が移行形態に及ぼす影響を検証した。その検証結果を以下に示す。図1は、スタンドオフが移行形態に及ぼす影響を検証した結果を示す図である。図1に示すように、スタンドオフが0で、電極と処理部材が接触している場合は、短絡するので、(1)接触移行する。スタンドオフが増加すると、電極と処理部位との間の絶縁を破壊できる電圧(以下「臨界電圧値」という。)に達するまでは、(2)放電不可である。臨界電圧値は、電極,処理部位,不活性ガスなどの条件により異なるが、実用上では約300Vとなる。電極に300Vの電圧を印加すると、スタンドオフを約50μmで保持したままで放電することができ、(3)非接触移行する。なお、電圧の増加と共に放電できるスタンドオフは増加する。電極から溶融した材料液滴は蒸気状となり、非接触空間を移行して、被覆層表面に堆積する。ただし、処理部位の熱変形や材料の劣化を起こさないために、入熱量を1KJ/cm以下に抑える必要がある。入熱量は、電圧値と共に増加するので、許容できる電圧値は約1000Vである。 In addition, the inventor verified the influence of the distance (standoff) between the electrode that governs the characteristics of the coating layer and the member to be processed on the transition mode in the surface treatment technique of the present invention. The verification results are shown below. FIG. 1 is a diagram illustrating a result of verifying an influence of a standoff on a transition form. As shown in FIG. 1, when the standoff is 0 and the electrode and the member to be processed are in contact with each other, a short circuit occurs, so that (1) contact is transferred. When the standoff increases, (2) discharge is impossible until a voltage that can break the insulation between the electrode and the site to be processed (hereinafter referred to as “critical voltage value”) is reached. The critical voltage value varies depending on conditions such as the electrode, the site to be treated, and the inert gas, but is about 300 V in practical use. When a voltage of 300 V is applied to the electrodes, discharge can be performed while maintaining the standoff at about 50 μm, and (3) non-contact transition is performed. In addition, the standoff which can be discharged increases with the increase in voltage. The material droplet melted from the electrode becomes a vapor, moves through the non-contact space, and is deposited on the surface of the coating layer. However, it is necessary to suppress the heat input to 1 KJ / cm or less so as not to cause thermal deformation or deterioration of the material to be processed. Since the amount of heat input increases with the voltage value, the acceptable voltage value is about 1000V.

さらに、発明者は、上記の電圧とスタンドオフとの関係を考慮し、電極,保持機構、及び被処理部材を適切に選定して形成した被覆層について、その施工条件と開口欠陥,表面粗さ、及び侵食重量との関係を検証した。その結果を以下に説明する。ここで、施工条件とは、電極と処理部材との熱膨張係数の比率,電圧、及びスタンドオフである。電圧及びスタンドオフは、移行形態を決定付ける因子である。開口欠陥とは、被覆層表面に浸透探傷試験で検出できる幅1μm以上の割れをいう。表面粗さとは、被覆層表面の凹凸、つまり谷と山との高低差をいう。侵食重量とは、被覆層に高圧ジェット水を吹き当てることにより被覆層が侵食する重量をいう。形成した被覆層には、開口欠陥がないことが望ましい。また表面粗さおよび侵食重量は小さいことが望ましい。


Furthermore, the inventor considers the relationship between the voltage and the standoff, and regarding the coating layer formed by appropriately selecting the electrode, the holding mechanism, and the member to be processed, the construction conditions, the opening defect, and the surface roughness. And the relationship with the erosion weight. The results will be described below. Here, the construction conditions are the ratio of the thermal expansion coefficient between the electrode and the member to be processed, the voltage, and the standoff. Voltage and standoff are factors that determine the transition pattern. The opening defect means a crack having a width of 1 μm or more that can be detected by a penetrant flaw detection test on the surface of the coating layer. The surface roughness means the unevenness on the surface of the coating layer, that is, the height difference between the valley and the mountain. The erosion weight refers to a weight at which the coating layer is eroded by spraying high pressure jet water on the coating layer. The formed coating layer preferably has no opening defect. It is desirable that the surface roughness and erosion weight are small.


測定結果を表3および図2に示す。図2は、表面処理技術により形成した被覆層の表面粗さの測定結果を示す図である。また、表3は、図2における試験番号(1)〜(3)の施工条件を示しており、表3における(1)〜(3)は図2に記載の試験番号(1)〜
(3)の施工条件に対応する。
The measurement results are shown in Table 3 and FIG. FIG. 2 is a diagram showing the measurement results of the surface roughness of the coating layer formed by the surface treatment technique. Moreover, Table 3 has shown the construction conditions of test number (1)-(3) in FIG. 2, (1)-(3) in Table 3 is test number (1)-in FIG.
Correspond to the construction conditions of (3).

Figure 0004492503
Figure 0004492503

施工条件(1)と(2)とを比較すると、熱膨張係数の比率を20%以内にすることにより、開口割れを無くすことができ、その結果、侵食重量が50%減少することがわかる。被覆層を形成する過程で、被覆層と被処理部材との熱膨張の相違により開口割れが発生する場合がある。溶射法の場合、被覆層と被処理部材との境界に割れが入ると、被覆層が脱落する可能性がある。そのため、熱歪を緩和するために被覆層と被処理部材との間に中間層を入れる方策を講じている。しかし、本発明で適用する表面処理技術の場合、同方策では厚さが薄く、被処理部材の混合割合が高いため対応できなかった。そのため、熱膨張係数の比率を20%以内にすることは、開口割れの抑制に有効な方策である。また、侵食は、被覆層表面の開口割れから進展し、被覆層内部を脱落させる。従って、開口割れを抑制することにより、侵食を抑制することができる。   Comparing the construction conditions (1) and (2), it can be seen that opening cracks can be eliminated by setting the ratio of the thermal expansion coefficient within 20%, and as a result, the erosion weight is reduced by 50%. In the process of forming the coating layer, an opening crack may occur due to a difference in thermal expansion between the coating layer and the member to be processed. In the case of the thermal spraying method, if the crack is formed at the boundary between the coating layer and the member to be processed, the coating layer may fall off. Therefore, in order to alleviate thermal strain, measures are taken to insert an intermediate layer between the coating layer and the member to be processed. However, in the case of the surface treatment technology applied in the present invention, this method cannot be handled because the thickness is thin and the mixing ratio of the members to be treated is high. Therefore, setting the ratio of the thermal expansion coefficient within 20% is an effective measure for suppressing opening cracks. Moreover, erosion progresses from the opening crack of the surface of a coating layer, and drops the inside of a coating layer. Therefore, erosion can be suppressed by suppressing opening cracks.

また、施工条件(2)と(3)とを比較すると、電圧を臨界値以上の300Vにし、スタンドオフを100μmにすることにより、表面粗さは10μm以内になり、その結果、侵食重量がさらに50%減少することが分かる。臨界値以上の電圧を印加し、スタンドオフをとることにより、非接触移行で被覆層を形成している。これにより、図2に示すように表面粗さは小さくなる。表面粗さが大きいと、谷部の部分は薄くなる。本発明で適用する表面処理技術により形成した被覆層には、被処理部材との混合層を含んでいる。この混合層は、侵食されやすい箇所である。そのため、被覆層の谷部からは直接混合層が露呈し、ここから局所的に侵食が進む。しかし、表面粗さが10μm以下の場合、谷部においてでも被覆層は厚く、直接混合層が露呈することはない。これにより、侵食を抑制することができる。すなわち、施工条件(3)で被覆層を形成することが、侵食の抑制に対し望ましい条件であると考えられる。   In addition, when the construction conditions (2) and (3) are compared, the surface roughness is within 10 μm by setting the voltage to 300 V above the critical value and the standoff to 100 μm. As a result, the erosion weight is further increased. It can be seen that it decreases by 50%. The coating layer is formed in a non-contact transition by applying a voltage higher than the critical value and taking a standoff. This reduces the surface roughness as shown in FIG. When the surface roughness is large, the valley portion becomes thin. The coating layer formed by the surface treatment technique applied in the present invention includes a mixed layer with the member to be treated. This mixed layer is a portion that is easily eroded. Therefore, the mixed layer is exposed directly from the valley portion of the coating layer, and erosion proceeds locally from here. However, when the surface roughness is 10 μm or less, the coating layer is thick even in the valley, and the mixed layer is not directly exposed. Thereby, erosion can be suppressed. That is, it is considered that forming the coating layer under the construction condition (3) is a desirable condition for suppressing erosion.

本発明の第1の実施例を図3から図8を用いて説明する。本実施例は、被処理部材である蒸気タービンブレードに対して被覆層の形成を行うものである。   A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a coating layer is formed on a steam turbine blade which is a member to be processed.

まず、本発明で用いる表面処理装置1を説明する。図3は、本実施例の表面処理装置の概略構成図である。図4は、図3の表面処理装置のトーチ部分の拡大図である。表面処理装置1は、電極3が取り付けられるトーチ5,トーチ5を支持するとともにトーチ5を移動させて走査動作を行うための走査アーム7,走査アーム7を駆動するための走査アーム駆動機構9などを備える。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である第1電源13,走査アーム駆動機構9や電極3の回転動作を行うためのトーチ5に備えられた電極回転機構に電力を供給する第2電源
15,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なども備える。
First, the surface treatment apparatus 1 used in the present invention will be described. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the surface treatment apparatus of the present embodiment. FIG. 4 is an enlarged view of a torch portion of the surface treatment apparatus of FIG. The surface treatment apparatus 1 supports a torch 5 to which an electrode 3 is attached, a torch 5 and a scanning arm 7 for moving the torch 5 to perform a scanning operation, a scanning arm driving mechanism 9 for driving the scanning arm 7, and the like. Is provided. Furthermore, the surface treatment apparatus 1 is used for rotating the first power supply 13, the scanning arm drive mechanism 9, and the electrode 3 that are voltage application means for applying a voltage between the electrode 3 and the member 11 to be processed. A second power source 15 for supplying power to the electrode rotating mechanism provided in the torch 5, a gas cylinder 17 for supplying an inert gas injected from the torch 5 around the power source 3, and the like are also provided.

電極3は被処理部材11との間で放電により先端部側から溶解し、溶解した電極3の成分により被処理部材11の表面に被覆層が形成される。電極3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できる。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る。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。   The electrode 3 is dissolved from the tip end side by discharge with the member to be processed 11, and a coating layer is formed on the surface of the member to be processed 11 by the dissolved components of the electrode 3. Electrode 3 is an iron alloy including stainless steel and high chromium steel, a nickel alloy including inconel, a zirconium alloy including zirconium, a titanium alloy including titanium, an aluminum alloy including aluminum, a magnesium alloy including magnesium, and a manganese alloy including manganese. , A molybdenum alloy containing molybdenum, and a cobalt alloy alloy material containing cobalt. The electrode 3 can also be formed of a metal carbide material containing tungsten carbide, chromium carbide, or titanium carbide. Further, it can be formed by a mixture of these alloy materials, a mixture of metal carbide materials, a mixture of alloy materials and metal carbide materials, or the like.

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から突出するとともに電極3を囲った状態で、カバー23が取り付けられている。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に接続されている。ガスボンベ17から供給された不活性ガスは、ガス管路21及びトーチ5内に形成されたガス流路を介して、カバー23内空間(つまり、電極3の周囲)から、被処理部材11の表面に向けて噴出される。なお、図3及び図4において、カバー23は断面で示されている。
The torch 5 supports the electrode 3 in a state where the electrode 3 and the first power supply 13 are electrically connected via the power cable 19. A cover 23 is attached to the torch 5 so as to protrude from the torch 5 and surround the electrode 3. The cover 23 has a tapered shape in which the diameter gradually increases toward the tip of the electrode 3 (that is, the opening of the cover 23). Further, the torch 5 is connected to the gas cylinder 17 via the gas pipe 21. The inert gas supplied from the gas cylinder 17 passes through the gas pipe 21 and the gas flow path formed in the torch 5 from the space in the cover 23 (that is, around the electrode 3) to the surface of the member 11 to be processed. Erupted toward the. 3 and 4, the cover 23 is shown in cross section.

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と被処理部材11との距離が非接触でかつ放電が発生する状態を保持するための電極保持機構とを有する。電極回転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。   The torch 5 has a non-contact distance between the electrode 3 and the member 11 to be processed, and an electrode rotation mechanism (not shown) that rotates the electrode 3 with the central axis along the extending direction of the rod-shaped electrode 3 as a rotation axis. An electrode holding mechanism for holding a state in which discharge occurs. Driving means such as a motor and an actuator included in the electrode rotation mechanism are each electrically connected to the second power supply 15 via the power cable 27.

電極保持機構を図5及び図6を用いて説明する。図5は、電極と被処理部材との距離を非接触でかつ放電できる状態に保持するための機構をトーチ部分に組み込んだ電極保持機構の断面図である。図6は、被処理部材の形状に応じたカバーの挙動を模式的に示す図である。トーチ5は一端がカバー23で閉塞された筒状に形成されており、カバー23の端面には不活性ガス25が外部へ流出するのを抑制するための弾性部材が備えられている。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内の空間とが連通している。被処理部材11が平面ではなく3次元複雑形状であっても、図4に示すようにパッキン35が伸縮することにより、カバー23と被処理部材11との間隙の形成を抑制することができる。キャップ29には、電源ケーブル19も挿通されており、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。従来の放電により被覆層を形成する表面処理技術では、電極と被処理部材とを接触させて被覆層を形成させるが、平滑な被覆層を得ることは困難であった。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、接触を維持しながら電極3を走査するには、さらに精度が要求される。これに対して、本発明の表面処理装置では、電極保持機構により電極を非接触のまま走査できるため、3次元局面を有するタービンなどでも平滑な被覆層を得ることができる。   The electrode holding mechanism will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a cross-sectional view of an electrode holding mechanism in which a mechanism for holding the distance between the electrode and the member to be processed in a non-contact and dischargeable state is incorporated in the torch portion. FIG. 6 is a diagram schematically illustrating the behavior of the cover according to the shape of the member to be processed. The torch 5 is formed in a cylindrical shape whose one end is closed by a cover 23, and an elastic member is provided on the end surface of the cover 23 to prevent the inert gas 25 from flowing out. A gas pipe 21 is inserted through the cap 29, and the gas pipe 21 communicates with the space in the torch 5. Even if the member to be processed 11 is not a flat surface but a three-dimensional complicated shape, the formation of a gap between the cover 23 and the member to be processed 11 can be suppressed by the expansion and contraction of the packing 35 as shown in FIG. A power cable 19 is also inserted through the cap 29, and the power cable 19 is electrically connected to the electrode 3. A power cable 27 is electrically connected to an actuator (not shown) that rotates the cam 31. In the conventional surface treatment technology for forming a coating layer by electric discharge, the coating layer is formed by bringing the electrode and the member to be processed into contact with each other, but it has been difficult to obtain a smooth coating layer. In particular, since blades such as turbines and pumps have a three-dimensional curved surface, more precision is required to scan the electrode 3 while maintaining contact. On the other hand, in the surface treatment apparatus of the present invention, the electrode can be scanned without contact by the electrode holding mechanism, so that a smooth coating layer can be obtained even with a turbine having a three-dimensional aspect.

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。   The opening 37 of the torch 5 is a tapered nozzle whose diameter gradually decreases toward the opening, and the electrode 3 protrudes from the center of the opening. Thereby, when the inert gas is supplied from the gas cylinder 17, the inert gas 25 is jetted from the periphery of the electrode 3 toward the surface of the member to be processed 11, and this inert gas 25 is applied to the surface of the member to be processed 11. Oxidation of the coating layer 18 to be formed is suppressed.

走査アーム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9は、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う。   The scanning arm 7 is formed of a rod-like member having a torch 5 fixed at one end and the other end fixed to a scanning arm drive mechanism 9. The scanning arm drive mechanism 9 is composed of a manipulator-like device having a plurality of joints, slide mechanisms, and the like, and positioning operation of the torch 5 and scanning operation for moving the torch 5 in a desired direction along the surface of the processing target member 11. Etc.

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。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にはパルスを印加可能であり、電圧の調整に加えてパルスの周波数及び幅を調整することができる。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。   Two power cables 19 are connected to the first power supply 13, and one power cable 19 is electrically connected to the electrode 3 and the other power cable 19 is electrically connected to the member 11 to be processed. The first power supply 13 can apply a pulse when applying a voltage between the electrode 3 and the member 11 to be processed, and can adjust the frequency and width of the pulse in addition to the adjustment of the voltage. It is desirable that the first power supply 13 and the second power supply 15 have a function of displaying information such as values and frequencies related to the power to be supplied.

以下図7を用いて、被処理部材11である蒸気タービンブレードに対して表面処理(つまり、被覆層18の形成)を行う際の作業手順について説明する。図7は、本発明の表面処理技術を蒸気タービンブレードに適用する際の表面処理作業の手順を示すフロー図である。本実施例においては、プラントなどで使用中の蒸気タービンブレードに対して、プラント内で被覆層18を形成する。   Hereinafter, with reference to FIG. 7, a description will be given of a work procedure when performing surface treatment (that is, formation of the coating layer 18) on the steam turbine blade that is the member to be processed 11. FIG. 7 is a flowchart showing a procedure of surface treatment work when the surface treatment technique of the present invention is applied to a steam turbine blade. In the present embodiment, the coating layer 18 is formed in the plant for the steam turbine blade in use in the plant or the like.

まず、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、検査時などに取得した損傷データを収容した損傷データベース39からデータを取得し、補修箇所41の損傷状態を把握する(ステップ104)。   First, when an order to start repair work is given (step 101), the operation of the plant is stopped (step 102), and the container in which the steam turbine blade as the member to be treated 11 is stored is opened (step 103). . After step 103, data is acquired from the damage database 39 containing damage data acquired at the time of inspection or the like, and the damage state of the repaired portion 41 is grasped (step 104).

ステップ104の後、表面処理装置1など表面処理に必要な機材を設置する(ステップ105)。その後、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)や、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)。   After step 104, equipment necessary for the surface treatment such as the surface treatment apparatus 1 is installed (step 105). Thereafter, the construction data (for example, the scanning speed necessary for forming the coating layer 18 having the required thickness and the number of times of scanning at the same location) constructed from the past results, the electrode 3 and the member 11 to be processed. Data is acquired from the construction database 43 that stores data such as the voltage, frequency, width, and interval of pulses applied to the steam turbine blade, and construction conditions are set based on the obtained data (step 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の形成を行う(ステップ107)。   After preparation is completed in step 106, the coating layer 18 is formed in order to repair the repaired portion 41 of the steam turbine blade, which is the member 11 to be processed, by the surface treatment apparatus 1 (step 107).

ここで、ステップ107における表面処理装置1の動作について説明する。図8は、第1の実施例における表面処理装置の動作を示すフロー図である。表面処理装置1は、図8に示すように、作動開始(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、及び電極3と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の走査を開始する(ステップ203)。   Here, the operation of the surface treatment apparatus 1 in step 107 will be described. FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the surface treatment apparatus in the first embodiment. As shown in FIG. 8, when the surface treatment apparatus 1 receives a command to start operation (coating layer formation start) (step 201), it is necessary to form the coating layer 18 having a preset required thickness. Based on the scanning speed, the number of scans at the same location, and the voltage, frequency, width, interval, etc. of the pulse applied between the electrode 3 and the steam turbine blade, During this period, a pulse is applied (step 202), and scanning of the electrode 3 is started (step 203).

ステップ202におけるパルスの印加により、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、蒸気タービンブレードの表面と電極3との間隔が絶縁破壊距離以下になると(ステップ205)、放電条件が満たされて蒸気タービンブレードと電極3との間に放電が生じ(ステップ206)、その状態を保つように電極3と被処理部材11との距離を保持する(ステップ203)。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との間で放電することにより電極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。   When the tip of the electrode 3 approaches the surface of the steam turbine blade due to the application of the pulse in step 202 and the distance between the surface of the steam turbine blade and the electrode 3 becomes equal to or less than the dielectric breakdown distance (step 205), the discharge condition is satisfied. Then, a discharge is generated between the steam turbine blade and the electrode 3 (step 206), and the distance between the electrode 3 and the member to be processed 11 is maintained so as to maintain the state (step 203). In this way, by discharging between the steam turbine blade that is the member to be treated 11 and the electrode 3, the tip of the electrode 3 is dissolved, and the components of the dissolved electrode 3 are the components of the steam turbine blade that is the member to be treated 11. A coating layer 18 is formed on the surface.

また、ステップ204において、このような電極3の回転運動を行いながら、予め設定された範囲が終了するまで、図8に示すx軸方向に電極3を走査する。x軸方向における走査範囲(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、電極3の先端部が向いている方向(つまり図8に示すy軸方向)に予め設定された距離だけ移動する(ステップ208)。そして、y軸方向における予め設定された範囲での被覆層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)。
Further, in step 204, while performing such rotational movement of the electrode 3, the electrode 3 is scanned in the x-axis direction shown in FIG. 8 until the preset range is completed. When scanning of the scanning range in the x-axis direction (formation range of the coating layer 18) is completed (step 207), the electrode 3 is preliminarily placed in the direction in which the tip of the electrode 3 faces (that is, the y-axis direction shown in FIG. 8). Move by the set distance (step 208). Then, Step 204 to Step 208 are repeated until the formation of the coating layer 18 within a preset range in the y-axis direction is completed (Step 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範囲での被覆層18の形成が終了すると、電極3を蒸気タービンブレードの厚さ方向(つまりz軸方向)に予め設定された距離だけ蒸気タービンブレードから離れる方向に移動する(ステップ210)。その後、z軸方向における予め設定された範囲までの被覆層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軸方向の移動、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、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)。以上、ステップ201〜215により、ステップ107の作業が行われる。   In step 209, when the formation of the coating layer 18 in a predetermined range in the y-axis direction is completed, the electrode 3 is moved by a predetermined distance in the thickness direction of the steam turbine blade (that is, the z-axis direction). (Step 210). Thereafter, steps 204 to 210 are repeated until the formation of the coating layer 18 up to a preset range in the z-axis direction is completed (that is, until the formation of the coating layer 18 having a preset thickness is completed). Then, scanning in the x-axis direction, movement in the y-axis direction, and further movement in the z-axis direction are performed (step 211). When the range in the z-axis direction ends in step 211, the entire preset range has been scanned, so that the application of pulses and the scanning of the electrode 3 in the x-axis direction are stopped (steps 212, 213 and 214). ) And the formation of the coating layer 18 is completed (step 215). As described above, the work of Step 107 is performed through Steps 201 to 215.

ここで、被覆層の形成作業(ステップ107)は、上述した施工条件により行う。つまり、印加するパルスの電圧は300V以上1000V以下、パルスの周波数は500Hz以上1000Hz以下、パルスの幅は50μm以上100μm以下、スタンドオフは50μm以上300μm以下とする。また、電極の走査速度は、500mm/min以上2000
mm/min以下とする。このような施工条件で施工することにより、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成することができる。より好ましくは、印加するパルスの電圧を400V、パルスの周波数を500Hz、パルスの幅を100μm、電極の操作速度を1000mm/minとする。
Here, the coating layer forming operation (step 107) is performed under the above-described construction conditions. That is, the voltage of the applied pulse is 300 V to 1000 V, the pulse frequency is 500 Hz to 1000 Hz, the pulse width is 50 μm to 100 μm, and the standoff is 50 μm to 300 μm. Also, the scanning speed of the electrode is 500 mm / min or more and 2000
Not more than mm / min. By carrying out the construction under such construction conditions, it is possible to form a coating layer having sufficient erosion resistance while suppressing the influence of the heat input on the member to be processed. More preferably, the applied pulse voltage is 400 V, the pulse frequency is 500 Hz, the pulse width is 100 μm, and the operation speed of the electrode is 1000 mm / min.

スタンドオフは50μm以上300μm以下とする。このような施工条件とすることにより、適切な放電を行うことができる。より好ましくは、スタンドオフを50μmとする。   The standoff is 50 μm or more and 300 μm or less. By setting it as such construction conditions, appropriate discharge can be performed. More preferably, the standoff is 50 μm.

さらに、電極3と被処理部材11の熱膨張係数の相違が±20%以内となるように電極3を選定することが好ましい。このような電極を用いることにより、被覆層の表面粗さを小さくできるため、被覆層18の表面への開口割れの発生を抑制することができる。また、被処理部材の耐食性や耐摩耗性考慮し、高硬度の被覆層が要求される場合は、硬度が高い電極を用いることもできる。例えば、ビッカース硬度が400Hv以上の材料で形成された電極を用いることができる。   Furthermore, it is preferable to select the electrode 3 so that the difference in thermal expansion coefficient between the electrode 3 and the member to be processed 11 is within ± 20%. By using such an electrode, since the surface roughness of the coating layer can be reduced, the occurrence of opening cracks on the surface of the coating layer 18 can be suppressed. In consideration of the corrosion resistance and wear resistance of the member to be treated, when a high hardness coating layer is required, an electrode having a high hardness can be used. For example, an electrode formed of a material having a Vickers hardness of 400 Hv or more can be used.

ステップ107において、所定の範囲に必要な厚さの被覆層18が形成されるよう、予め設定した施工要求(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の形成作業が行われ、予め設定した施工要求を満たしたら、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)。   In step 107, the coating layer 18 is formed until a predetermined construction request (for example, the number of scans at the same location) is satisfied so that the coating layer 18 having a necessary thickness in a predetermined range is formed. If the construction request set in advance is satisfied, the operation of forming the coating layer 18 by the surface treatment apparatus 1 is finished (step 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する(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)。   After step 108, the thickness and range of the actually formed coating layer 18 are inspected (step 109). If the proper coating layer 18 is not formed at the repair location 41 of the steam turbine blade that is the member to be processed 11, that is, if it is not properly repaired, Step 107 to Step 109 are repeated again. If the formation of the proper coating layer 18 is confirmed in step 109, the equipment such as the surface treatment apparatus 1 is removed (step 110), and the container is closed (step 111). Then, the operation of the plant is resumed (step 112), and the repair work is finished (step 113).

本実施例によれば、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成できるので、被覆層の形成による耐食性や耐摩耗性を向上できる。   According to the present embodiment, since the coating layer having sufficient erosion resistance can be formed while suppressing the influence of heat input on the member to be processed, the corrosion resistance and wear resistance due to the formation of the coating layer can be improved.

本発明の第2の実施例を図9を用いて説明する。本実施例は、生産工場内などにおいて、被処理部材である未使用の蒸気タービンブレードに対して被覆層の形成を行うものである。図9は、本発明の表面処理技術を蒸気タービンブレードに適用する際の表面処理作業の手順を示すフロー図である。   A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a coating layer is formed on an unused steam turbine blade, which is a member to be processed, in a production factory or the like. FIG. 9 is a flowchart showing a procedure of surface treatment work when the surface treatment technique of the present invention is applied to a steam turbine blade.

本実施例における被覆層の形成手順は、実施例1での被覆層の形成手順におけるステップ102,103,111及び112を行わない以外は、実施例1における被覆層の形成手順と同様である。   The procedure for forming the coating layer in the present example is the same as the procedure for forming the coating layer in Example 1, except that steps 102, 103, 111, and 112 in the procedure for forming the coating layer in Example 1 are not performed.

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を形成する被覆データを収容した損傷データベース45からデータを取得し、損傷箇所の損傷状態を把握する(ステップ104)。   When a covering layer work start command is issued (step 101), data is acquired from the damage database 45 containing the covering data forming the covering layer 18 such as a design drawing, and the damage state of the damaged portion is grasped (step 104). .

ステップ104の後、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、予め設定した施工要求(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の形成作業が行われ、予め設定した施工要求を満たしたら、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)。
After step 104, equipment necessary for the surface treatment such as the surface treatment apparatus 1 is installed (step 105). And data are acquired from the construction database 43 which accommodated the construction data constructed | assembled from the past results, and construction conditions are set based on the acquired data (step 106). After step 106, the surface treatment apparatus 1 forms the coating layer 18 on the steam turbine blade that is the member to be treated 11 (step 107). The formation of the coating layer 18 is performed until a predetermined construction request (for example, the number of scans at the same location) is satisfied so that the coating layer 18 having a necessary thickness is formed in a predetermined range. When the construction request is satisfied, the forming operation of the coating layer 18 by the surface treatment apparatus 1 is finished (step 108).

なお、ステップ107においては、実施例1と同様に、上述した施工条件(印加するパルスの電圧,周波数,幅,スタンドオフ,電極の操作速度等)により、被覆層18の形成作業を行う。このような施工条件により施工することにより、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成することができる。   In step 107, as in the first embodiment, the coating layer 18 is formed according to the above-described construction conditions (applied pulse voltage, frequency, width, standoff, electrode operation speed, etc.). By performing construction under such construction conditions, it is possible to form a coating layer having sufficient erosion resistance while suppressing the influence of heat input on the member to be treated.

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)。   After step 108, the thickness and range of the actually formed coating layer 18 are inspected (step 109). If the appropriate coating layer 18 is not formed, steps 106 to 109 are repeated again. If the formation of the proper coating layer 18 is confirmed in step 109, the equipment such as the surface treatment apparatus 1 is removed (step 110), and the coating operation is terminated (step 113).

本実施例によれば、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成できるので、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することができる。   According to the present embodiment, since the coating layer having sufficient erosion resistance can be formed while suppressing the influence of heat input on the member to be processed, the corrosion resistance and wear resistance due to the formation of the coating layer can be improved. In addition, since the coating layer can be formed in the atmosphere, it is also possible to repair the processed material that is actually used in facilities such as plants, which can reduce the construction cost and time required for the repair. it can.

本発明の第3の実施例を図10及び図11を用いて説明する。本実施例は、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に対して被覆層の形成を行うものである。図10は、本実施例におけ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11は、図10における表面処理装置のトーチ部分の拡大図である。   A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a coating layer is formed on the blades 53a of the internal pump 53 provided in the reactor pressure vessel 51 of the improved boiling water nuclear power plant. FIG. 10 is a diagram schematically showing a construction example by the surface treatment apparatus in the present embodiment. FIG. 11 is an enlarged view of a torch portion of the surface treatment apparatus in FIG.

表面処理装置1の走査アーム駆動機構9及び走査アーム7は、原子炉圧力容器51内に走査アーム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する。   The scanning arm drive mechanism 9 and the scanning arm 7 of the surface treatment apparatus 1 are formed in a shape suitable for inserting the scanning arm 7 into the reactor pressure vessel 51 and bringing the torch 5 to the position of the internal pump 53. To do.

原子炉圧力容器51内で表面処理を行うため、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われる。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うのに適応した形状のカバー55が取り付けられる。カバー55は、図10に示すように、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。カバー55の開口部におけるカバー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いるため、カバー55から噴出する不活性ガスの流速を増大させることができる。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る。従って、電極3の先端部を羽根53aの処理部位の表面に絶縁破壊距離以下に近づけることにより、放電を生じさせることができる。   In order to perform the surface treatment in the reactor pressure vessel 51, the construction is performed in the reactor water collected at the bottom of the reactor pressure vessel 51. At this time, since the reactor water hinders discharge, the torch 5 is provided with a cover 55 having a shape suitable for construction in water. As shown in FIG. 10, the cover 55 is formed in a tapered shape whose diameter becomes smaller toward the tip of the electrode 3. Since the distance between the inner peripheral surface of the cover 55 and the outer peripheral surface of the electrode 3 in the opening of the cover 55 is narrower than the other portions of the cover 55, the flow rate of the inert gas ejected from the cover 55 is increased. Can do. Inert gas phase space is formed between the tip of the electrode 3 and the processing portion of the blade 53a serving as the member to be processed by the inert gas ejected from the gas ejection port which is the opening of the cover 55. Therefore, the discharge can be generated by bringing the tip of the electrode 3 closer to the surface of the processing portion of the blade 53a to be equal to or less than the dielectric breakdown distance.

このように、表面処理装置1は、走査アーム駆動機構及び走査アーム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る。また、トーチに取り付けられたカバーの形状を、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することにより、純水中など放電を妨げる液体中においても被覆層を形成することが可能となる。このように、蒸気タービンブレードのみならず、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対して本発明の表面処理技術を適用することができる。   As described above, the surface treatment apparatus 1 can be applied to repair of a member to be treated in various apparatuses and facilities by changing the shape of the scanning arm driving mechanism and the scanning arm. Further, by forming the shape of the cover attached to the torch into a tapered shape whose diameter becomes narrower toward the tip of the electrode 3, a coating layer is formed even in a liquid that prevents discharge, such as pure water. It becomes possible. Thus, the surface treatment technology of the present invention can be applied not only to steam turbine blades but also to various members that require improved corrosion resistance and wear resistance, such as pump blades and gas turbine blades. .

本実施例によれば、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成できるので、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、純水中など放電を妨げる液体中においても被覆層を形成することが可能となる。   According to the present embodiment, since the coating layer having sufficient erosion resistance can be formed while suppressing the influence of heat input on the member to be processed, the corrosion resistance and wear resistance due to the formation of the coating layer can be improved. In addition, a coating layer can be formed in a liquid that prevents discharge, such as pure water.

スタンドオフが移行形態に及ぼす影響を検証した結果を示す図。The figure which shows the result of having verified the influence which standoff has on a transfer form. 表面処理技術により形成した被覆層の表面粗さの測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result of the surface roughness of the coating layer formed by the surface treatment technique. 第1の実施例の表面処理装置の概略構成図。The schematic block diagram of the surface treatment apparatus of a 1st Example. 第1の実施例の表面処理装置のトーチ部分の拡大図。The enlarged view of the torch part of the surface treatment apparatus of a 1st Example. 電極と被処理部材との距離を非接触でかつ放電できる状態に保持するための機構をトーチ部分に組み込んだ電極保持機構の断面図。Sectional drawing of the electrode holding | maintenance mechanism incorporating the mechanism for hold | maintaining the distance of an electrode and a to-be-processed member in the state which can be discharged in non-contact. 被処理部材の形状に応じたカバーの挙動を模式的に示す図。The figure which shows typically the behavior of the cover according to the shape of the to-be-processed member. 第1の実施例の表面処理作業の手順を示すフロー図。The flowchart which shows the procedure of the surface treatment work of a 1st Example. 第1の実施例の表面処理装置の動作を示すフロー図。The flowchart which shows operation | movement of the surface treatment apparatus of a 1st Example. 第2の実施例の表面処理作業の手順を示すフロー図。The flowchart which shows the procedure of the surface treatment work of a 2nd Example. 第3の実施例の表面処理装置による施工例を模式的に示す図。The figure which shows typically the construction example by the surface treatment apparatus of a 3rd Example. 第3の実施例の表面処理装置のトーチ部分の拡大図。The enlarged view of the torch part of the surface treatment apparatus of a 3rd Example.

符号の説明Explanation of symbols

1…表面処理装置、3…電極、5…トーチ、7…走査アーム、9…走査アーム駆動機構、11…被処理部材、18…被覆層、23…カバー。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Surface treatment apparatus, 3 ... Electrode, 5 ... Torch, 7 ... Scanning arm, 9 ... Scanning arm drive mechanism, 11 ... To-be-processed member, 18 ... Covering layer, 23 ... Cover.

Claims (3)

被処理部材と電極との間に電圧を印加してパルス放電を発生させることにより前記電極を溶融させ、前記被処理部材表面に前記溶融した電極成分の被覆層を形成する表面処理方法であって、
前記電極へ印加する電圧が300V以上1000V以下、前記パルスの周波数が500Hz以上1000Hz以下、前記パルスの幅が50μm以上100μm以下であり、
前記被覆層を形成する際に前記被処理部材表面を移動する前記電極の走査速度が500mm/min以上2000mm/min以下であり、
前記電極と前記被処理部材との距離が50μm以上300μm以下の位置に電極を保持させた状態で前記放電を行い、
前記電極の熱膨張係数は、前記被処理部材の熱膨張係数との相違が±20%以内であることを特徴とする表面処理方法。
A surface treatment method in which a voltage is applied between a member to be treated and an electrode to generate a pulse discharge to melt the electrode and form a coating layer of the molten electrode component on the surface of the member to be treated. ,
The voltage applied to the electrode is 300 V or more and 1000 V or less, the frequency of the pulse is 500 Hz or more and 1000 Hz or less, and the width of the pulse is 50 μm or more and 100 μm or less,
Ri der scanning speed is less 500 mm / min or more 2000 mm / min of the electrodes to move said member to be processed surface at the time of forming the coating layer,
The discharge is performed in a state where the electrode is held at a position where the distance between the electrode and the member to be processed is 50 μm or more and 300 μm or less,
The surface treatment method is characterized in that the difference in thermal expansion coefficient of the electrode from the thermal expansion coefficient of the member to be treated is within ± 20% .
前記被覆層を形成する際の前記被処理部材への入熱量が1KJ/cm以下であることを特徴とする請求項1に記載の表面処理方法。The surface treatment method according to claim 1, wherein an amount of heat input to the member to be treated when forming the coating layer is 1 KJ / cm or less. 前記電極へ印加する電圧が400V、前記パルスの周波数が500Hz、前記パルスの幅が100μmであり、前記電極の走査速度が1000mm/minであることを特徴とする請求項1又は2に記載の表面処理方法。3. The surface according to claim 1, wherein the voltage applied to the electrode is 400 V, the frequency of the pulse is 500 Hz, the width of the pulse is 100 μm, and the scanning speed of the electrode is 1000 mm / min. Processing method.
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