JP4504691B2 - Turbine parts and gas turbines - Google Patents
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Description
本発明は、金属粉末あるいは金属の化合物の粉末、あるいは、セラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体電極を電極として、電極との間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギにより、その表面に電極材料あるいは電極材料が放電エネルギにより反応した物質からなる被膜を形成したタービン部品およびそのタービン部品を組込んだガスタービンに関するものである。 The present invention uses a green compact electrode formed by compression molding a metal powder, a metal compound powder, or a ceramic powder as an electrode, and generates a pulsed discharge between the electrode and the energy. The present invention relates to a turbine component in which a film made of an electrode material or a material in which the electrode material reacts with discharge energy is formed, and a gas turbine incorporating the turbine component.
液中放電加工法によって金属材料の表面をコーティングして、耐食性、耐磨耗性を高める技術は、既に公知である。
その技術の一例としては、次のようなものがある。
例えば、WC(タングステンカーバイド)とCoの粉末を混合して圧縮成形した電極で液中パルス放電を行うことによりこの電極材料をワークに堆積させ、この後、別の電極(例えば、銅電極、グラファイト電極)によって、再溶融放電加工を行い、より高い硬度と高い密着力を得る方法が開示されている(特許文献1参照)。
すなわち、WC−Coの混合圧粉体電極を用いて、ワーク(母材S50C)に液中で放電加工を行い、WC−Coをワークに堆積させ(1次加工)、次いで銅電極のようなそれほど消耗しない電極によって再溶融加工(2次加工)を行う。
この結果、1次加工のままでは、堆積組織は硬度(ビッカース硬さHv)もHv=1410程度であり、また空洞も多かったが、2次加工の再溶融加工によって被覆層の空洞が無くなり、硬度もHv=1750と向上している。この方法によって、ワークである鋼材に対しては硬くしかも密着度のよい被覆層が得られる。
A technique for improving the corrosion resistance and wear resistance by coating the surface of a metal material by a submerged electric discharge machining method is already known.
An example of the technique is as follows.
For example, this electrode material is deposited on a workpiece by performing pulse discharge in liquid with an electrode formed by mixing WC (tungsten carbide) and Co powder and compression molding, and thereafter, another electrode (for example, copper electrode, graphite) Electrode) discloses a method of performing remelting electric discharge machining to obtain higher hardness and higher adhesion (see Patent Document 1).
That is, using a mixed powder electrode of WC-Co, electric discharge machining is performed on the workpiece (base material S50C) in a liquid, WC-Co is deposited on the workpiece (primary machining), and then a copper electrode or the like. Remelting processing (secondary processing) is performed with electrodes that are not so consumed.
As a result, in the primary processing, the deposited structure had a hardness (Vickers hardness Hv) of about Hv = 1410, and there were many cavities, but the remelting processing of the secondary processing eliminated the cavities of the coating layer, Hardness is also improved with Hv = 1750. By this method, a coating layer that is hard and has good adhesion to a steel material as a workpiece can be obtained.
ところが、上述の方法では、ワークとして超硬合金のような焼結材料の表面に強固な密着力を持った被覆層を形成することは困難である。
この点に関し、本発明者らの研究によると、硬質炭化物を形成するTi等の材料を電極として、ワークとの間に放電を発生させると、再溶融の過程なしに強固な硬質膜をワークの金属表面に形成できることがわかった。
これは、放電により消耗した電極材料と加工液中の成分である炭素Cが反応してTiCが生成することによるものである。
However, in the above-described method, it is difficult to form a coating layer having strong adhesion on the surface of a sintered material such as a cemented carbide as a workpiece.
In this regard, according to the study of the present inventors, when a material such as Ti that forms hard carbide is used as an electrode and a discharge is generated between the workpiece and the workpiece, a strong hard film is formed on the workpiece without remelting. It was found that it can be formed on a metal surface.
This is because TiC is produced by the reaction between the electrode material consumed by the discharge and carbon C, which is a component in the machining fluid.
また、TiH2(水素化チタン)など、金属の水素化物の圧粉体を電極として、ワークとの間に放電を発生させると、Ti等の材料を使用する場合よりも、速くそして密着性よく、硬質膜を形成できる技術が開示されている(特許文献2参照)。
更には、TiH2(水素化チタン)等の水素化物に他の金属やセラミックスを混合した圧粉体を電極として、ワークとの間に放電を発生させると硬度、耐磨耗性等様々な性質をもった硬質被膜を素早く形成することができる技術も開示されている。
In addition, when a metal hydride green compact such as TiH 2 (titanium hydride) is used as an electrode and a discharge is generated between it and the workpiece, it is faster and has better adhesion than when a material such as Ti is used. A technique capable of forming a hard film is disclosed (see Patent Document 2).
Furthermore, using a green compact made by mixing other metal or ceramics with a hydride such as TiH 2 (titanium hydride) as an electrode, various properties such as hardness, wear resistance, etc. are generated when electric discharge is generated between the workpiece. There is also disclosed a technique capable of quickly forming a hard coating having a thickness.
また、別の技術として、予備焼結により強度の高い表面処理電極が製造できることが開示されている(特許文献3参照)。
すなわち、WC粉末とCo粉末を混合した粉末からなる放電表面処理用電極を製造する場合、WC粉末とCo粉末を混合し圧縮成形してなる圧粉体は、WC粉末とCo粉末を混合して圧縮成形しただけでもよいが、ワックスを混入した後圧縮成形すれば圧粉体の成形性が向上する。
この場合、ワックスは絶縁性物質であり、電極中に大量に残ると電極の電気抵抗が大きくなって放電性が悪化するので、圧粉体電極を真空炉に入れて加熱することでワックスを除去している。
この時、加熱温度が低すぎるとワックスが除去できず、温度が高すぎるとワックスが煤になって電極の純度を劣化させるので、ワックスが溶融する温度以上かつワックスが分解して煤になる温度以下に保つ必要がある。
そして、真空炉中の圧粉体を、高周波コイルなどにより加熱し、機械加工に耐えうる強度を与え、かつ硬化しすぎないように、例えば白墨程度の硬度まで焼成する(これは予備焼結状態と呼ばれる)。
この場合、炭化物間の接触部においては相互に結合が進むが比較的焼結温度が低く本焼結に至らない温度のため弱い結合となっている。
このような電極で放電表面処理を行なうと、緻密で均質な被膜が形成できることが判明している。
As another technique, it is disclosed that a surface-treated electrode having high strength can be manufactured by pre-sintering (see Patent Document 3).
That is, when manufacturing an electrode for discharge surface treatment composed of a powder obtained by mixing WC powder and Co powder, a green compact obtained by mixing and compressing WC powder and Co powder is obtained by mixing WC powder and Co powder. It may be only compression molded, but if the wax is mixed and then compression molded, the moldability of the green compact is improved.
In this case, the wax is an insulating substance, and if it remains in the electrode in large quantities, the electrical resistance of the electrode increases and the discharge performance deteriorates. Therefore, the wax is removed by heating the green compact electrode in a vacuum furnace. is doing.
At this time, if the heating temperature is too low, the wax cannot be removed, and if the temperature is too high, the wax becomes soot and deteriorates the purity of the electrode. It is necessary to keep below.
Then, the green compact in the vacuum furnace is heated by a high-frequency coil or the like to give a strength that can withstand machining, and is fired to a hardness of, for example, white ink so as not to be hardened (this is a pre-sintered state) Called).
In this case, bonding proceeds at the contact portion between the carbides, but the bonding is weak because the sintering temperature is relatively low and the main sintering is not achieved.
It has been found that when a discharge surface treatment is performed with such an electrode, a dense and homogeneous film can be formed.
上述の従来技術は、いずれの場合においても被膜の硬さや密着性、耐磨耗性や被膜形成の迅速性、被膜の緻密性と均質性という点に特徴があるものの、膜厚に関しては十分なものがなく更に改良を要する。 Although the above-mentioned conventional techniques are characterized by the hardness and adhesion of the film, the wear resistance, the rapidity of the film formation, and the denseness and homogeneity of the film in any case, the film thickness is sufficient. There is nothing and further improvement is required.
しかしながら、昨今簡便で品質のよい厚膜形成技術に対する要求が高まっている。
上述のような従来の放電表面処理では硬質被膜を形成することに主眼をおいていたので、電極材料としては硬質セラミックス材料、あるいは、放電のエネルギにより加工液中の油の成分であるC(炭素)と化学反応して硬質炭化物を形成する材料を主成分としている。
しかし、硬質材料は一般的に融点が高い・熱伝導が悪いなどの特性を持っており、10μm程度の薄膜の形成は緻密にできるが、数100μm以上の緻密な厚膜の形成は極めて困難であった。
本発明者らの研究に基づく文献にはWC−Co(9:1)電極を用いて3mm程度の厚膜が形成できたことが示されているが(非特許文献1参照)、被膜形成が安定せず再現が困難であること、一見金属光沢があり緻密に見えるが空孔が多く脆い被膜であること、金属片などで強く擦ると除去されてしまうほど弱い状態である、などの問題があり、実用には困難なレベルである。
However, recently, there is an increasing demand for a simple and quality thick film forming technique.
Since the conventional discharge surface treatment as described above has focused on forming a hard coating, the electrode material is a hard ceramic material, or C (carbon which is a component of oil in the machining fluid depending on the energy of discharge. The main component is a material that forms a hard carbide through a chemical reaction.
However, hard materials generally have characteristics such as a high melting point and poor heat conduction, and a thin film of about 10 μm can be formed densely, but a dense thick film of several hundred μm or more is extremely difficult to form. there were.
The literature based on the study by the present inventors shows that a thick film of about 3 mm can be formed using a WC-Co (9: 1) electrode (see Non-Patent Document 1). There are problems such as being unstable and difficult to reproduce, seemingly dense with metallic luster, but with a lot of pores and a brittle coating, and being weak enough to be removed when rubbed strongly with metal pieces. Yes, it is a difficult level for practical use.
一般的な被膜を厚く盛り上げる技術としては、いわゆる溶接・溶射がある。
溶接(ここでは肉盛溶接をいう)は、ワークと溶接棒との間の放電により溶接棒の材料をワークに溶融付着させる方法である。また、溶射は、金属材料を溶かした状態にし、スプレー状にワークに吹きつけ被膜を形成させる方法である。
これらの方法は、航空機エンジンなどに用いられているガスタービンには広く使用されている技術である。
いずれの方法であっても人手による作業であり、熟練を要するため、作業をライン化することが困難であり、コストが高くなるという欠点がある。
As a technique for thickening a general coating, there are so-called welding and thermal spraying.
Welding (herein referred to as overlay welding) is a method in which the material of the welding rod is melted and adhered to the workpiece by electric discharge between the workpiece and the welding rod. Thermal spraying is a method in which a metal material is melted and sprayed onto a workpiece to form a coating.
These methods are techniques widely used for gas turbines used in aircraft engines and the like.
Any of these methods is a manual operation and requires skill, so that it is difficult to line the operation and there is a disadvantage that the cost increases.
図15〜図17をもちいてその一例を説明する。
図15は、ガスタービンエンジンの低圧タービン翼である。
タービン翼は多数の翼を並べて配置されるが、それぞれは根元の部分を固定して設置されており、先端部分は固定されておらず隣同士の翼が互いに接触しているだけである。
この先端部分はガスタービンエンジンが運転されると擦れあい磨耗するため、通常、低温から700℃以上の高温で耐磨耗性を発揮する材料を肉盛りしている。
耐磨耗性のある材料を肉盛りする部位を図16に示す。
この肉盛りの処理は、従来溶接や溶射により行われているが、前処理・後処理が必要な上、処理そのものも人手による熟練の必要な作業である。
An example thereof will be described with reference to FIGS.
FIG. 15 is a low-pressure turbine blade of a gas turbine engine.
The turbine blades are arranged side by side with a large number of blades, each of which is installed with the root portion fixed, and the tip portion is not fixed, and the adjacent blades are in contact with each other.
Since the tip portion rubs and wears when the gas turbine engine is operated, it usually has a material that exhibits wear resistance from a low temperature to a high temperature of 700 ° C. or higher.
A portion where the material having wear resistance is built up is shown in FIG.
This build-up processing is conventionally performed by welding or thermal spraying. However, pre-processing and post-processing are necessary, and the processing itself is a work that requires skill by manpower.
図17は、溶接により肉盛りを行ったところを示している。
余肉が多く、後工程として形状を整える作業が必要になる。
また、溶接は流れ生産ラインの中に入れるのが困難な作業であり、ライン外で溶接作業を行い、溶接の済んだ部品をラインでの機械加工に入れるという工程になる。
溶射により肉盛りを行う場合も同様に前後の工程が必要であり、処理も困難である。
溶射の場合には、前処理として、被膜をつけたくない場所に溶射材料がつかないようにマスキング処理を行い、溶射の処理後には、溶接同様、形状を整える工程が必要である。
FIG. 17 shows a state where the overlay is performed by welding.
There is a lot of extra meat, and work to adjust the shape as a post process is required.
Also, welding is a difficult process to put in the flow production line, and is a process of performing welding work outside the line and putting the welded parts into machining on the line.
Similarly, when overlaying is performed by thermal spraying, previous and subsequent steps are required, and processing is difficult.
In the case of thermal spraying, as a pretreatment, a masking process is performed so that the thermal spray material is not applied to a place where a coating is not desired, and after the thermal spraying process, a process for adjusting the shape is necessary as in the case of welding.
低圧タービン翼の製造上の問題について説明したが、高圧タービン翼でも同様の問題がある。
ガスタービンエンジンは運転により翼が磨耗するため、定期的に補修をして使用する。
タービン翼や圧縮機翼は固定側であるケーシング部分と擦れるため磨耗するので、肉盛り溶接により補修を行う。
タービン翼や圧縮機翼は薄い構造の部分が多く、溶接のように熱が集中して入る処理方法では、変形や割れなど起き、歩留まりが低くなるという問題がある。
特に高圧タービン翼は、単結晶材料や一方向凝固合金などの材料で作られており、熱が集中して入るとすぐに割れてしまうという問題がある。
Gas turbine engines are used with regular repairs because their blades wear during operation.
Turbine blades and compressor blades wear due to rubbing against the casing portion on the fixed side, so repair is performed by overlay welding.
Turbine blades and compressor blades have many thin structures, and in a processing method in which heat concentrates like welding, there is a problem that deformation, cracking, etc. occur and yield decreases.
In particular, the high-pressure turbine blade is made of a material such as a single crystal material or a unidirectionally solidified alloy, and there is a problem that it quickly breaks when heat is concentrated.
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、従来の液中パルス放電処理によるコーティングで困難であった厚膜の形成を行なう放電表面処理技術を開示し、従来溶接や溶射などの技術により製造あるいは補修されていたガスタービンエンジンを低コスト・高品質で提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above, and discloses a discharge surface treatment technique for forming a thick film, which has been difficult in conventional coating by submerged pulse discharge treatment, and is manufactured by techniques such as conventional welding and thermal spraying. Alternatively, it aims to provide a repaired gas turbine engine at low cost and high quality.
請求項1に係るタービン部品は、金属粉末、または金属の化合物の粉末を圧縮成形した圧粉体電極との間にパルス状の放電を加工液中あるいは気中で発生させ、その放電エネルギにより上記圧粉体電極より供給される電極材料に基づき、炭化物及び炭化物になっていない金属成分が所定割合で含まれる被膜を表面の所定部分に形成したことを特徴とするタービン部品である。 The turbine component according to claim 1 generates a pulsed discharge in the working fluid or in the air between the metal powder or the green compact electrode obtained by compression molding the powder of the metal compound, and the discharge energy causes the above-mentioned A turbine component characterized in that, based on an electrode material supplied from a green compact electrode, a coating containing a predetermined proportion of carbide and a metal component that is not carbide is formed on a predetermined portion of the surface.
本発明のタービン部品は、人手によらない機械が行う加工により被膜を形成されているので、品質が安定しており、しかもコストが安くできる。
また、集中的な入熱により割れ易い材料でできた部品でも割れや変形がおきず、信頼性の高い部品となっている。
このような高い信頼性、低いコストでできた部品を組み込んだガスタービンは、コストが大幅に低減でき、しかも信頼性が高いものとなる。
In the turbine component of the present invention, the coating is formed by processing performed by a machine that does not require manual labor, so the quality is stable and the cost can be reduced.
In addition, even parts made of materials that are easily broken due to intensive heat input do not break or deform, and are highly reliable parts.
A gas turbine incorporating such a high-reliability and low-cost component can greatly reduce the cost and has high reliability.
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態1
図1は、この発明の実施の形態1にかかる放電表面処理用電極およびその製造方法の概念を示す断面図である。
図1において、金型の上パンチ103、金型の下パンチ104、金型のダイ105で囲まれた空間には、Cr3C2(炭化クロム)粉末101及びCo(コバルト)粉末102からなる混合粉末が充填される。
そして、この混合粉末を圧縮成形することにより圧粉体を形成する。放電表面処理加工に当たっては、この圧粉体が放電電極とされる。
Embodiment 1
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the concept of a discharge surface treatment electrode and a manufacturing method thereof according to Embodiment 1 of the present invention.
In FIG. 1, a space surrounded by the
Then, a green compact is formed by compression molding the mixed powder. In the discharge surface treatment, this green compact is used as a discharge electrode.
電極の製造においては、前述したように従来、放電表面処理は硬質被膜の形成、それも特に常温に近いところでの硬質被膜の形成に主眼がおかれ、硬質炭化物を主成分とする被膜を形成するというのが現状である。
このような炭化物を主成分とするような被膜を形成する技術では、緻密な被膜を均一に形成することが可能であるが、被膜の厚さを数10μm程度以上には厚くできないという問題があることは前述したとおりである。
In the production of electrodes, as described above, conventionally, the discharge surface treatment has been focused on the formation of a hard film, particularly the formation of a hard film at a temperature close to room temperature, and a film mainly composed of hard carbide is formed. That is the current situation.
In the technique of forming a coating containing such a carbide as a main component, a dense coating can be formed uniformly, but there is a problem that the thickness of the coating cannot be increased to about several tens of μm or more. This is as described above.
しかし、本発明者らの実験によると、電極材質の成分に、炭化物を形成しないあるいは炭化物を形成しにくい材料を添加するに従い、被膜を厚くできることがわかってきた。
従来は、炭化物を形成しやすい材料の割合が多く含まれており、例えば、Tiなどの材料を電極に含むと、油中での放電により化学反応を起こし、被膜としてはTiC(炭化チタン)という硬質の炭化物になる。
表面処理が進むにつれて、ワーク表面の材質が鋼材(鋼材に処理する場合)からセラミックスであるTiCに変わり、それに伴い、熱伝導・融点などの特性が変化する。
ところが、炭化しないあるいは炭化しにくい材料を電極に加えることで被膜は炭化物にならず、金属のまま被膜に残る材料が増えるという現象が生じた。
そして、この電極材料の選定が、被膜を厚く盛り上げるのに大きな意味を持つことが判明した。この場合、硬度、緻密性、および均一性を満たすことは当然であり、厚膜を形成する前提である。
However, according to experiments by the present inventors, it has been found that the coating can be made thicker as a material that does not form carbides or hardly forms carbides is added to the component of the electrode material.
Conventionally, a large proportion of materials that easily form carbides are included. For example, when a material such as Ti is included in an electrode, a chemical reaction is caused by discharge in oil, and the coating is called TiC (titanium carbide). It becomes hard carbide.
As the surface treatment progresses, the material of the workpiece surface changes from steel (when processed into steel) to TiC which is ceramic, and characteristics such as heat conduction and melting point change accordingly.
However, when a material that is not carbonized or hardly carbonized is added to the electrode, the film does not become a carbide, and a phenomenon occurs in which the material that remains in the film as a metal increases.
And, it has been found that the selection of the electrode material has a great significance for thickening the coating. In this case, it is natural that the hardness, the denseness, and the uniformity are satisfied, and it is a premise for forming a thick film.
図1に示すように、炭化物であるCr3C2(炭化クロム)と炭化物を形成しにくい材料であるCo(コバルト)とを混合した粉末を圧縮成形し、その後に電極強度を増すため加熱して電極を製作した場合、炭化物を形成しにくいCoの量を変化させることで厚膜の形成しやすさが変わっていく。
図2は、この様子を示したものである。
電極を作製する際の粉末を圧縮成プレス圧は約100MPaであり、加熱温度は400℃から800℃の範囲形するで変化させた。
Cr3C2(炭化クロム)が多いほど加熱温度は高くし、Co(コバルト)が多いほど温度を低くした。
これは、Cr3C2(炭化クロム)が多い場合には製作した電極が脆くなりやすく低い温度で加熱してもすぐに崩れてしまうのに対し、Co(コバルト)が多い場合には加熱温度が低くても電極の強度が強くなりやすかったためである。
プレスの際には成形性をよくするためにプレスする粉末に少量(重量で2%から3%)のワックスを混合した。ワックスは加熱の際に除去される。
Cr3C2(炭化クロム)は粒径3μm〜6μm程度の粉末を使用し、Coは粒径4μm〜6μm程度の粉末を使用した。ベースとなる材質はCr3C2(炭化クロム)である。
使用した放電のパルスは図3に示すような波形であり、パルス条件は、ピーク電流値ie=10A、放電持続時間(放電パルス幅)te=64μs、休止時間to=128μs、15mm×15mmの面積の電極において被膜を形成した。
そして、処理時間は15分である。極性は、電極がマイナス、ワークがプラスの極性を使用した。図3では、電極がマイナス、ワークがプラスの極性の場合に、縦軸上側になるように表示している。
As shown in FIG. 1, a powder obtained by mixing Cr 3 C 2 (chromium carbide), which is a carbide, and Co (cobalt), which is a material that is difficult to form carbide, is compression-molded, and then heated to increase the electrode strength. When an electrode is manufactured, the ease of forming a thick film changes by changing the amount of Co that is difficult to form carbides.
FIG. 2 shows this state.
The powder used to produce the electrode was compressed so that the compression pressing pressure was about 100 MPa, and the heating temperature was in the range of 400 ° C to 800 ° C.
The heating temperature was increased as the amount of Cr 3 C 2 (chromium carbide) was increased, and the temperature was decreased as the amount of Co (cobalt) was increased.
This is because when the amount of Cr 3 C 2 (chromium carbide) is large, the manufactured electrode tends to become brittle and immediately collapses even when heated at a low temperature, whereas when the amount of Co (cobalt) is large, the heating temperature This is because the strength of the electrode was likely to increase even when the thickness was low.
At the time of pressing, a small amount (2% to 3% by weight) of wax was mixed with the powder to be pressed in order to improve the moldability. The wax is removed on heating.
Cr 3 C 2 (chromium carbide) used powder with a particle size of about 3 μm to 6 μm, and Co used powder with a particle size of about 4 μm to 6 μm. The base material is Cr 3 C 2 (chromium carbide).
The discharge pulse used has a waveform as shown in FIG. 3, and the pulse conditions are: peak current value ie = 10 A, discharge duration (discharge pulse width) te = 64 μs, rest time to = 128 μs, area of 15 mm × 15 mm A coating was formed on the electrodes of
The processing time is 15 minutes. The polarity was negative for the electrode and positive for the workpiece. In FIG. 3, when the electrode has a negative polarity and the workpiece has a positive polarity, the vertical axis is displayed on the upper side.
このようなパルス条件に基づいて被膜を形成した場合、製作した電極内にあって、Coが含有する重量%によってワーク上に形成される被膜の厚さが異なり、図2によれば、Co含有量が低い場合には10μm程の膜厚であったものがCo含有量30体積%程度から次第に厚くなり、Co含有量50体積%を過ぎたころから10000μm近くにまで厚くなることを示している。 When a film is formed based on such a pulse condition, the thickness of the film formed on the workpiece varies depending on the weight percentage of Co in the manufactured electrode. According to FIG. When the amount is low, the film thickness of about 10 μm gradually increases from the Co content of about 30% by volume, and increases from the point where the Co content exceeds 50% by volume to nearly 10,000 μm. .
このことを更に詳細に述べる。
上記のような条件に基づいてワーク上に被膜を形成した場合、電極内のCoが0%の場合、すなわち、Cr3C2(炭化クロム)が100重量%の場合には、形成できる被膜の厚さは10μm程度が限界であり、それ以上厚みを増すことはできない。
また、炭化物を形成しにくい材料が電極内にない場合の処理時間に対する被膜の厚さの様子は図4のようになる。
図4によれば、処理の初期は、被膜が時間とともに成長して厚くなり、あるところ(約5分/cm2)で飽和する。
その後しばらく膜厚は成長しないが、ある時間(20分/cm2程度)以上処理を続けると今度は被膜の厚みが減少しはじめ、最後には被膜高さはマイナス、すなわち掘り込みに変わってしまう。
ただし、掘り込んだ状態でも被膜は存在しており、その厚み自体は10μm程度であり、適切な時間で処理した状態とほとんど変わらない。したがって5分から20分の間での処理時間が適切と考えられる。
This will be described in more detail.
When a film is formed on the workpiece based on the above conditions, when Co in the electrode is 0%, that is, when Cr 3 C 2 (chromium carbide) is 100% by weight, The limit is about 10 μm, and the thickness cannot be increased further.
Moreover, the state of the thickness of the coating film with respect to the processing time when there is no material that hardly forms carbide in the electrode is as shown in FIG.
According to FIG. 4, at the beginning of the treatment, the film grows and thickens with time and saturates at some point (about 5 minutes / cm 2 ).
After that, the film thickness does not grow for a while, but if the treatment is continued for a certain time (about 20 minutes / cm 2 ) or more, the thickness of the film starts to decrease and finally the film height becomes minus, that is, changes to digging. .
However, the film is present even in the dug state, and the thickness itself is about 10 μm, which is almost the same as the state processed in an appropriate time. Therefore, the processing time between 5 minutes and 20 minutes is considered appropriate.
図2に戻り、電極内に炭化しにくい材料であるCo量を増やすにしたがい厚くできるようになり、電極中におけるCo量が30体積%を超えると形成される被膜の厚さが厚くなり始め、40体積%を超えると安定して厚膜が形成しやすくなることが判明した。
図2のグラフには、Co量30体積%程度から滑らかに膜厚が上昇するように記載しているが、これは、複数回の試験を行なった平均値であり、実際には、Co量が30体積%程度の場合には、厚く被膜が盛り上がらない場合があったり、厚く盛りあがった場合でも、被膜の強度が弱い、すなわち、金属片などで強く擦ると除去されてしまう場合などがあり、安定しない。より好ましくはCo量が50体積%を超えるとよい。
Returning to FIG. 2, it becomes possible to increase the thickness as the amount of Co, which is a material that is not easily carbonized in the electrode, and when the amount of Co in the electrode exceeds 30% by volume, the thickness of the formed film starts to increase, It has been found that when it exceeds 40% by volume, a thick film can be easily formed stably.
The graph of FIG. 2 shows that the film thickness increases smoothly from about 30% by volume of Co, but this is an average value obtained by performing a plurality of tests. Is about 30% by volume, there are cases where the film does not swell thickly, or even when it swells thickly, the film strength is weak, that is, it may be removed by rubbing strongly with a metal piece, etc. Not stable. More preferably, the Co content exceeds 50% by volume.
このように被膜中に金属として残る材料を多くすることにより、炭化物になっていない金属成分を含む被膜を形成することができ、安定して厚膜が形成しやすくなる。ここでいう体積%は混合するそれぞれ粉末の重量をそれぞれの材料の密度で割った値の比率のことであり、粉末全体の材料の体積中においてその材料が占める体積の割合である。 By increasing the amount of the material remaining as a metal in the coating in this way, a coating containing a metal component that is not carbide can be formed, and a thick film can be easily formed stably. The volume% here is a ratio of a value obtained by dividing the weight of each powder to be mixed by the density of each material, and is a ratio of the volume occupied by the material in the volume of the material of the whole powder.
図5に電極中におけるCoの含有量が70体積%の場合に形成した被膜の写真を示す。この写真は、厚膜の形成を例示するものである。
図5に示す写真においては2mm程度の厚膜が形成されている。
この被膜は15分の処理時間で形成されたものであるが、処理時間を増せばさらに厚い被膜にすることができる。
FIG. 5 shows a photograph of the coating formed when the Co content in the electrode is 70% by volume. This photograph illustrates the formation of a thick film.
In the photograph shown in FIG. 5, a thick film of about 2 mm is formed.
This film is formed in a processing time of 15 minutes, but if the processing time is increased, a thicker film can be formed.
このようにして、電極内にCo等の炭化しにくい材料あるいは炭化しない材料を40体積%以上含有する電極を用いることによって、放電表面処理によりワーク表面に安定して厚い被膜を形成することができる。
上記においては、炭化物を形成しにくい材料としてCo(コバルト)を用いた場合について説明したが、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)なども同様の結果を得られる材料であり、本発明に用いて好適である。
In this way, by using an electrode containing 40% by volume or more of a material that is difficult to carbonize or not carbonized, such as Co, in the electrode, a thick film can be stably formed on the workpiece surface by discharge surface treatment. .
In the above description, the case where Co (cobalt) is used as a material that hardly forms carbides has been described. However, Ni (nickel), Fe (iron), and the like are materials that can obtain similar results, and are used in the present invention. Is preferred.
なお、ここでいう厚膜とは、組織の内部(パルス状の放電により形成する被膜であるため、最表面は面粗さが悪く一見光沢がないように見える)が金属光沢を持つような緻密な被膜のことである。
Co(コバルト)のような炭化物を形成しにくい材料が少ない場合でも、電極の強度を弱くすると付着物は盛り上がることがある。
しかし、このような付着物は緻密な被膜ではなく、金属片などで擦ると容易に除去できるようなものである。前述の特許文献1などに記載されている堆積層は、このような緻密ではない被膜であり、金属片などで擦ると容易に除去できるものである。
The thick film here means a dense structure in which the inside of the tissue (which is a film formed by pulsed discharge, so that the outermost surface has poor surface roughness and does not appear glossy) has a metallic luster. It is a simple film.
Even when there are few materials such as Co (cobalt) that are difficult to form carbides, deposits may rise when the strength of the electrode is reduced.
However, such a deposit is not a dense film, but can be easily removed by rubbing with a metal piece or the like. The deposited layer described in the above-mentioned Patent Document 1 is such a non-dense film and can be easily removed by rubbing with a metal piece or the like.
また、上記の説明においては、Cr3C2(炭化クロム)およびCo粉末を圧縮成形して加熱し電極を形成した場合について説明したが、圧縮成形した圧粉体を電極として使用してもよい場合もある。
しかし、緻密な厚膜を形成するためには、電極の硬さが硬すぎても軟らかすぎてもよくなく、適切な硬さが必要である。
一般的には、加熱処理が必要である。
圧粉体を加熱することは成形の維持や固形化につながる。
電極の硬さは、電極材料の粉末の結合の強さに相関があり、放電による電極材料のワーク側への供給量に関係している。
電極の硬さが硬い場合には、電極材料の結合が強いため、放電が発生しても少量の電極材料しか放出されず、十分に被膜形成ができない。
逆に電極の硬さが低い場合には、電極材料の結合が弱いため、放電が発生すると、大量の材料が供給され、この量が多すぎる場合には、十分放電パルスのエネルギで溶融させることができず、緻密な被膜を形成できなくなる。
同じ原料の粉末を使用した場合、電極の硬さ、すなわち、電極の材料の結合状態に影響をあたえるパラメータが、プレス圧と加熱温度である。
In the above description, the case where Cr 3 C 2 (chromium carbide) and Co powders are compression-molded and heated to form an electrode has been described. However, a compression-molded green compact may be used as the electrode. In some cases.
However, in order to form a dense thick film, the electrode may not be too hard or too soft, and an appropriate hardness is required.
In general, heat treatment is required.
Heating the green compact leads to maintenance and solidification of the molding.
The hardness of the electrode has a correlation with the strength of bonding of the powder of the electrode material, and is related to the supply amount of the electrode material to the work side by discharge.
When the electrode is hard, the bonding of the electrode material is strong, so that only a small amount of the electrode material is released even when a discharge occurs, and a film cannot be formed sufficiently.
Conversely, when the electrode hardness is low, the bonding of the electrode material is weak, so when a discharge occurs, a large amount of material is supplied, and if this amount is too large, it should be melted sufficiently with the energy of the discharge pulse. It is impossible to form a dense film.
When the same raw material powder is used, parameters affecting the hardness of the electrode, that is, the bonding state of the material of the electrode, are the pressing pressure and the heating temperature.
本実施例では、プレス圧の例として約100MPaを使用したが、このプレスをされに上げると加熱温度を低くしても同じような硬さが得られる。
逆に、プレス圧を低くすると、加熱温度を高めに設定する必要があることがわかった。
この事実は、本実施例だけでなく、本発明中の他の実施例にも当てはまるものである。
また、本実施例では、放電条件の例として1つの条件での試験結果を示したが、被膜の厚さなど異なるが、他の条件でも、同様の結果が得られることはいうまでない。この事実も、本実施例だけでなく、本発明中の他の実施例にも当てはまるものである。
In this example, about 100 MPa was used as an example of the press pressure, but when this press is raised, the same hardness can be obtained even if the heating temperature is lowered.
Conversely, it was found that when the press pressure is lowered, the heating temperature needs to be set higher.
This fact applies not only to this embodiment but also to other embodiments in the present invention.
In this embodiment, the test result under one condition is shown as an example of the discharge condition. However, it is needless to say that the same result can be obtained under other conditions although the thickness of the film is different. This fact applies not only to this embodiment but also to other embodiments of the present invention.
図6は、本発明の第1の実施の形態にかかる放電表面処理装置を示す概略構成図である。
図6に示すように、本実施の形態にかかる放電表面処理装置は、上述した放電表面処理用電極であり、炭化物を形成しないもしくは形成しにくい金属材料を40体積%以上含んだ粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理した圧粉体からなる電極203と、加工液205である油と、電極203とワークであるガスタービンの動翼204とを加工液中に浸漬させる、または電極203とワーク204との間に加工液205を供給する加工液供給装置と、電極203とワーク204との間に電圧を印加してパルス状の放電を発生させる放電表面処理用電源206とを備えて構成される。
ここで、電極203は例えばCr3C2(炭化クロム)粉末201とCo(コバルト)粉末202とから構成されており、炭化物を形成しにくい材料であるCoを例えば70体積%含むものである。
なお、電極203とワーク204の相対位置を制御する駆動装置などの本発明に直接関係のない部材は記載を省略している。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing the discharge surface treatment apparatus according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the discharge surface treatment apparatus according to the present embodiment is the above-described discharge surface treatment electrode, and compression-molds a powder containing 40% by volume or more of a metal material that does not form carbide or is difficult to form. The
Here, the
Note that members that are not directly related to the present invention, such as a driving device that controls the relative position between the
この放電表面処理装置によりワーク表面に被膜を形成するには、電極203とワークであるガスタービンの動翼204とを加工液205の中で対向配置し、加工液中において放電表面処理用電源206から電極203とワーク204との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギにより電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるいは放電エネルギにより電極材料が反応した物質の被膜をワークであるガスタービンの動翼表面に形成する。
極性は、電極側がマイナス、ワーク側がプラスの極性を使用する。放電のアーク柱207は図6に示すように電極203とワーク204との間に発生する。
In order to form a coating film on the surface of the workpiece by the discharge surface treatment apparatus, the
The polarity is negative on the electrode side and positive on the workpiece side. An
以上のような放電表面処理装置を用いてワークであるガスタービンの動翼204に被膜、例えば、ガスタービンの圧縮機翼先端部分のアブレイシブ(相手を削り取る)膜を形成することができる。
ここでは、Co(コバルト)粉末に硬質材料であるCr3C2(炭化クロム)粉末をいれることで、被膜硬さを上げガスタービン動翼の肉盛りの際に硬さの高い被膜を形成することを目的としているが、ガスタービン部品には部品毎に様々な機能を要求されるため、Co(コバルト)粉末とCr3C2(炭化クロム)粉末の組み合わせだけでないことはいうまでない。
Using the above-described discharge surface treatment apparatus, it is possible to form a coating, for example, an abrasive (scraping away) film on the tip of the compressor blade of the gas turbine, on the moving
Here, by adding Cr 3 C 2 (chromium carbide) powder, which is a hard material, to Co (cobalt) powder, the coating hardness is increased and a coating with high hardness is formed when the gas turbine blade is built up. However, it is needless to say that not only a combination of Co (cobalt) powder and Cr 3 C 2 (chromium carbide) powder is required for the gas turbine part because various functions are required for each part.
実施の形態2
図7は、この発明の実施の形態2にかかる放電表面処理用電極およびその製造方法の概念を示す断面図である。
図7において、金型の上パンチ703、金型の下パンチ704、金型のダイ705で囲まれた空間には、Ti(チタン)粉末701及びCo(コバルト)粉末702からなる混合粉末が充填される。そして、この混合粉末を圧縮成形することにより圧粉体を形成する。
放電表面処理加工に当たっては、この圧粉体が放電電極とされる。電極を作製する際の粉末を圧縮成プレス圧は約100MPaであり、加熱温度は400℃から800℃の範囲形するで変化させた。
Embodiment 2
FIG. 7: is sectional drawing which shows the concept of the electrode for discharge surface treatment concerning Embodiment 2 of this invention, and its manufacturing method.
In FIG. 7, a mixed powder composed of Ti (titanium)
In the discharge surface treatment, this green compact is used as a discharge electrode. The powder used to produce the electrode was compressed so that the compression pressing pressure was about 100 MPa, and the heating temperature was in the range of 400 ° C to 800 ° C.
上述した実施の形態1では、炭化物であるCr3C2(炭化クロム)粉末と金属であるCo(コバルト)粉末とを混合して製造した電極での被膜形成の特徴について述べたが、本実施例では、金属であるTi(チタン)粉末とCo(コバルト)粉末とを混合して電極を製造した場合について説明する。
Ti(チタン)とCo(コバルト)はともに金属であるが、違いは、Ti(チタン)が活性な材料であり加工液である油中での放電の雰囲気下で炭化物であるTiC(炭化チタン)に極めてなり易い材料であるのに対し、Co(コバルト)は炭化物を形成しにくい材料であるという点である。
In the first embodiment described above, the characteristics of film formation with an electrode manufactured by mixing Cr 3 C 2 (chromium carbide) powder as a carbide and Co (cobalt) powder as a metal have been described. In the example, a case where an electrode is manufactured by mixing Ti (titanium) powder and Co (cobalt) powder, which are metals, will be described.
Ti (titanium) and Co (cobalt) are both metals, but the difference is that Ti (titanium) is an active material and TiC (titanium carbide) which is a carbide in the atmosphere of electric discharge in oil as a working fluid. Co (cobalt) is a material that hardly forms carbides.
実施の形態2では実施の形態1の場合と同様に電極中におけるTi(チタン)粉末の含有率をTi(チタン)粉末100体積%、すなわち電極内のCoが0体積%の場合からCo(コバルト)粉末の含有量を順次増やし、膜の成形の状態がどのようになるか調べた。
ここで、Ti(チタン)粉末は、粒径3μmから4μm程度の粉末を使用し、Co(コバルト)粉末は粒径粒径4μm〜6μm程度の粉末を使用した。
Ti(チタン)は粘りのある材料であるため微粉の製造が困難であるので、脆い材料であるTiH2(水素化チタン)を粒径3μmから4μm程度にボールミルで粉砕し、その粉末を使用して圧縮成形した後、加熱して水素を放出させてTiの粉末とした。
In the second embodiment, as in the first embodiment, the content of Ti (titanium) powder in the electrode is changed to 100% by volume of Ti (titanium) powder, that is, from the case where Co in the electrode is 0% by volume. ) The powder content was gradually increased, and the state of film formation was examined.
Here, as the Ti (titanium) powder, a powder having a particle size of about 3 μm to 4 μm was used, and as the Co (cobalt) powder, a powder having a particle size of about 4 μm to 6 μm was used.
Since Ti (titanium) is a sticky material, it is difficult to produce fine powder. TiH 2 (titanium hydride), which is a brittle material, is pulverized with a ball mill to a particle size of 3 μm to 4 μm, and the powder is used. After compression molding, the mixture was heated to release hydrogen to obtain Ti powder.
電極材料が、Ti(チタン)100体積%の場合には、被膜はTiC(炭化チタン)となり、膜厚は10μm程度であった。
しかし、炭化しにくい材料であるCoの含有量を増やすにしたがい厚い被膜が形成できるようになり、電極中におけるCoの含有量が40体積%を超えると安定して厚膜が形成しやすくなることが判明した。
そして、電極中におけるCoの含有量が50体積%をこえると十分な厚みの厚膜を形成できるため好ましいことが判明した。
この結果は、実施の形態1で示した結果とほぼ同じ結果である。
これは、電極中に含まれるTi(チタン)は、加工液である油中での放電の雰囲気では炭化物であるTiC(炭化チタン)になってしまい初めから炭化物を混合するのと同じような結果になるためであると推察される。
実際に被膜の成分をX線回折により分析すると、TiC(炭化チタン)の存在を示すピークは観察されるが、Ti(チタン)の存在を示すピークは観察されなかった。
When the electrode material was 100% by volume of Ti (titanium), the film was TiC (titanium carbide), and the film thickness was about 10 μm.
However, a thick film can be formed as the content of Co, which is a material that is not easily carbonized, is increased. If the Co content in the electrode exceeds 40% by volume, a thick film can be easily formed stably. There was found.
It has been found that it is preferable that the Co content in the electrode exceeds 50% by volume because a sufficiently thick film can be formed.
This result is almost the same as the result shown in the first embodiment.
This is because Ti (titanium) contained in the electrode becomes TiC (titanium carbide) which is a carbide in the atmosphere of discharge in oil as a working fluid, and the result is similar to mixing carbide from the beginning. It is guessed that it is to become.
When the components of the film were actually analyzed by X-ray diffraction, a peak indicating the presence of TiC (titanium carbide) was observed, but a peak indicating the presence of Ti (titanium) was not observed.
したがって、Ti(チタン)粉末とCo(コバルト)粉末とを混合して電極を製造した場合についても、電極内に炭化しにくい材料あるいは炭化しない材料としてのCo(コバルト)粉末を40体積%以上含有させた電極とすることによって、放電表面処理によりワーク表面に安定して厚い被膜を形成することができる。
なお、この材質の電極によれば、チタンは放電により硬質材料である炭化チタン(TiC)となるため、耐摩耗被膜として使用でき、例えば、ガスタービンの圧縮機翼先端部分のアブレイシブ(相手を削り取る)膜として使用できる。
また、本実施の形態においてはTi(チタン)粉末と混合して電極を構成する炭化物を形成しにくい材料としてCo(コバルト)を用いた場合を例に挙げたが、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)なども同様の結果を得られる材料であり、本発明に用いて好適である。
ここでは、Ti(チタン)粉末を電極にいれることで、被膜中に放電のエネルギにより反応して生成したTiC(炭化チタン)を入れて被膜硬さを上げガスタービン動翼の肉盛りの際に硬さの高い被膜を形成することを目的としているが、ガスタービン部品には部品毎に様々な機能を要求されるため、Co(コバルト)粉末とTi(チタン)粉末の組み合わせだけでないことはいうまでない。
Therefore, even when an electrode is manufactured by mixing Ti (titanium) powder and Co (cobalt) powder, the electrode contains 40 vol% or more of Co (cobalt) powder as a material that is not easily carbonized or is not carbonized. By forming the electrode, a thick film can be stably formed on the workpiece surface by the discharge surface treatment.
In addition, according to the electrode of this material, titanium becomes titanium carbide (TiC) which is a hard material by electric discharge, so that it can be used as a wear-resistant coating. For example, the abrasive blade tip portion of the gas turbine compressor blade is scraped off. ) Can be used as a membrane.
In this embodiment, Co (cobalt) is used as an example of a material that is difficult to form a carbide constituting the electrode by mixing with Ti (titanium) powder. However, Ni (nickel), Fe ( Iron) is a material that can obtain the same result, and is suitable for use in the present invention.
Here, by putting Ti (titanium) powder into the electrode, TiC (titanium carbide) produced by reaction with the energy of discharge is put into the coating to increase the coating hardness and when the gas turbine blade is built up The purpose is to form a coating with high hardness, but gas turbine parts are required to have various functions for each part, so it is not only a combination of Co (cobalt) powder and Ti (titanium) powder. Not until.
実施の形態3
図8は、この発明の実施の形態3にかかる放電表面処理用電極およびその製造方法の概念を示す断面図である。
図8において、金型の上パンチ803、金型の下パンチ804、金型のダイ805で囲まれた空間には、Cr(クロム)粉末801及びCo(コバルト)粉末802からなる混合粉末が充填される。そして、この混合粉末を圧縮成形することにより圧粉体を形成する。放電表面処理加工に当たっては、この圧粉体が放電電極とされる。電極を作製する際の粉末を圧縮成プレス圧は約100MPaであり、加熱温度は400℃から800℃の範囲形するで変化させた。
実施の形態2では、炭化物を形成しやすい金属であるTi(チタン)粉末と炭化しにくい材料であるCo(コバルト)粉末とを混合した電極での被膜形成の場合について説明したが、本実施例では、炭化物を形成する金属であるCr(クロム)の粉末と炭化物を形成しにくい材料であるCo(コバルト)の粉末とを混合して電極を製造した場合について説明する。
実施の形態3では実施の形態1の場合と同様に電極中におけるCr(クロム)粉末の含有率をCr(クロム)粉末100体積%、すなわち電極内のCoが0体積%の場合からCo(コバルト)粉末の含有量を順次増やし、膜の成形の状態がどのようになるか調べた。ここで、Cr(クロム)粉末は粒径3μmから4μm程度の粉末を使用し、Co(コバルト)粉末は粒径粒径4μm〜6μm程度の粉末を使用した。
Embodiment 3
FIG. 8: is sectional drawing which shows the concept of the electrode for discharge surface treatment concerning Embodiment 3 of this invention, and its manufacturing method.
In FIG. 8, the space surrounded by the
In the second embodiment, the case of forming a film with an electrode in which Ti (titanium) powder, which is a metal that easily forms carbides, and Co (cobalt) powder, which is a material that is not easily carbonized, has been described. Now, a case will be described in which an electrode is manufactured by mixing Cr (chromium) powder, which is a metal forming carbide, and Co (cobalt) powder, which is a material difficult to form carbide.
In the third embodiment, as in the first embodiment, the Cr (chromium) powder content in the electrode is changed to 100 vol% of Cr (chromium) powder, that is, Co (cobalt) is changed from the case where Co in the electrode is 0 vol%. ) The powder content was gradually increased, and the state of film formation was examined. Here, as the Cr (chromium) powder, a powder having a particle size of about 3 μm to 4 μm was used, and as the Co (cobalt) powder, a powder having a particle size of about 4 μm to 6 μm was used.
電極材料が、Cr(クロム)100体積%の場合には、被膜の膜厚は10μm程度であった。しかし、被膜成分をX線回折により分析すると、Cr3C2(炭化クロム)の存在を示すピークと、Cr(クロム)の存在を示すピークが観察された。すなわち、Cr(クロム)は炭化し易い材料ではあるがTi(チタン)のような材料に比べると炭化しやすさは低く、電極中にCr(クロム)が含まれている場合にはその一部が炭化物になり、一部は金属のCr(クロム)のまま被膜となるということになる。 When the electrode material was 100% by volume of Cr (chromium), the film thickness was about 10 μm. However, when the film component was analyzed by X-ray diffraction, a peak indicating the presence of Cr 3 C 2 (chromium carbide) and a peak indicating the presence of Cr (chromium) were observed. That is, although Cr (chromium) is a material that is easily carbonized, it is less easily carbonized than a material such as Ti (titanium), and a part of the electrode contains Cr (chromium). Becomes a carbide, and a part of the film remains a metallic Cr (chromium).
電極成分としてCr(クロム)を使用する場合にも、炭化しにくい材料であるCoの含有量を増やすにしたがい被膜は厚くできるようになることが判明した。
但し、その割合は実施の形態1および実施の形態2の場合のように電極成分に炭化物が含まれている場合や炭化物に極めてなり易い材料が含まれている場合よりも少なくてもよく、電極中におけるCoの含有量が20体積%を超えるころから厚膜が形成しやすくなることが判明した。
Coの量を変化させた場合の被膜の厚みの変化を第9図に示す。使用した放電のパルス条件は、実施例1および実施例2の場合と同じで、ピーク電流値ie=10A、放電持続時間(放電パルス幅)te=64μs、休止時間to=128μsであり、15mm×15mmの面積の電極で被膜を形成した。
極性は、電極がマイナス、ワークがプラスの極性を使用した。処理時間は15分である。
Even when Cr (chromium) is used as an electrode component, it has been found that the coating can be made thicker as the content of Co, which is a material that is not easily carbonized, is increased.
However, the ratio may be smaller than that in the case where the electrode component contains carbide or the material that is very likely to become carbide as in the case of the first and second embodiments. It has been found that a thick film can be easily formed when the Co content in the medium exceeds 20% by volume.
FIG. 9 shows the change in the thickness of the film when the amount of Co is changed. The discharge pulse conditions used were the same as those in Example 1 and Example 2, peak current value ie = 10 A, discharge duration (discharge pulse width) te = 64 μs, pause time to = 128 μs, 15 mm × A film was formed with an electrode having an area of 15 mm.
The polarity was negative for the electrode and positive for the workpiece. Processing time is 15 minutes.
以上のように、炭化物を形成し易い材料の中にも炭化のし易さには差異があり、炭化しにくい材料ほどより厚膜を形成しやすい傾向がある。
これは、厚膜を形成する条件が、被膜となった材料中に炭化物にならず金属のまま存在する材料の割合が所定量あることであるためと推察される。
実施の形態1から実施の形態3に示した結果などから考察すると、被膜中に金属として残る材料の割合が体積で30%程度以上存在することが緻密な厚膜を形成するための必要条件と考えられる。
また、加工液である油中での放電の雰囲気での金属材料の炭化のしやすさについては、明確なデータはないが、上記において説明したような実験データなどから考えるとエリンガム図に示されている炭化する場合に必要なエネルギの大きさが参考になると考えられる。
エリンガム図によると、Ti(チタン)はきわめて炭化しやすいことが示されており、Cr(クロム)はTiに比べると炭化しにくいといえる。炭化物を形成し易い材料のなかでも、TiやMo(モリブデン)は炭化しやすく、Cr(クロム)やSi(シリコン)などは比較的炭化しにくい材料であると考えられ、これらは実際の実験結果ともよく合致する結果である。
As described above, there is a difference in easiness of carbonization among materials that easily form carbides, and a material that is hard to carbonize tends to form a thicker film.
This is presumably because the condition for forming the thick film is that there is a predetermined amount of the material that does not become carbides but remains in the metal in the coated material.
Considering the results shown in the first to third embodiments, the necessary condition for forming a dense thick film is that the ratio of the material remaining as metal in the coating is about 30% or more by volume. Conceivable.
In addition, there is no clear data on the ease of carbonization of metal materials in the discharge atmosphere in oil as the working fluid, but it is shown in the Ellingham diagram when considered from the experimental data described above. The amount of energy required for carbonization is considered to be helpful.
The Ellingham diagram shows that Ti (titanium) is very easily carbonized, and it can be said that Cr (chromium) is harder to carbonize than Ti. Among materials that easily form carbides, Ti and Mo (molybdenum) are easily carbonized, and Cr (chromium) and Si (silicon) are considered to be relatively difficult to carbonize. The results are in good agreement.
上述したように、Cr(クロム)粉末とCo(コバルト)粉末とを混合して電極を製造した場合についても、電極内に炭化しにくい材料あるいは炭化しない材料としてのCo(コバルト)粉末を40体積%以上含有させた電極とすることによって、放電表面処理によりワーク表面に安定して厚い被膜を形成することができる。そして、この場合には特に電極中にCoを20体積%以上含有させた電極であればワーク表面に安定して厚い被膜を形成することができる。 As described above, even when an electrode is manufactured by mixing Cr (chromium) powder and Co (cobalt) powder, 40 vol. Of Co (cobalt) powder as a material which is not easily carbonized or is not carbonized in the electrode. By making the electrode contained at least%, a thick film can be stably formed on the workpiece surface by the discharge surface treatment. In this case, a thick film can be stably formed on the surface of the work, particularly if the electrode contains 20% by volume or more of Co.
なお、本実施の形態においてはCr(クロム)粉末と混合して電極を構成する炭化物を形成しにくい材料としてCo(コバルト)を用いた場合を例に挙げたが、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)なども同様の結果を得られる材料であり、本発明に用いて好適である。
ここでは、Cr(クロム)粉末を電極にいれることで、被膜中に放電のエネルギにより反応して生成したCr3C2(炭化クロム)を入れて被膜硬さを上げガスタービン動翼の肉盛りの際に硬さの高い被膜を形成することと、被膜中にCr(クロム)が残ることで高温環境下で潤滑性を発揮する被膜を形成することができる。
Cr(クロム)は高温環境化で酸化してCr2O3(酸化クロム)となり、潤滑性を発揮することから耐磨耗の効果を有効に発揮する。
なお、この電極により形成された被膜は、高温環境下でその潤滑性により耐摩耗性を発揮する被膜となり、タービンの高温部材の摺動部分などに適用できる被膜が形成できる。
本実施の形態は、高温での耐磨耗性に優れた被膜をガスタービン部品に形成することで、寿命の長い信頼性のあるタービン部品が提供ができる。
図16に示した低圧タービン動翼の部位や、図10のようなタービン静翼の位置決めの部位などに有効である。
これにより、タービン部品の製造・補修が容易に品質よくできるだけでなく、部品の信頼性をあげることで、品質のよいガスタービンを供給することができる。
In this embodiment, Co (cobalt) is used as an example of a material that is difficult to form carbides constituting the electrode by mixing with Cr (chromium) powder. However, Ni (nickel), Fe ( Iron) is a material that can obtain the same result, and is suitable for use in the present invention.
Here, Cr (Chromium) powder is put into the electrode, Cr 3 C 2 (chromium carbide) produced by reaction with the energy of discharge is put into the coating to increase the coating hardness and build up of the gas turbine blade In this case, it is possible to form a film that exhibits lubricity in a high-temperature environment by forming a highly hard film and leaving Cr (chromium) in the film.
Cr (chromium) is oxidized in a high temperature environment to become Cr 2 O 3 (chromium oxide), and since it exhibits lubricity, the effect of wear resistance is effectively exhibited.
The film formed by this electrode becomes a film that exhibits wear resistance due to its lubricity in a high temperature environment, and a film that can be applied to a sliding portion of a high temperature member of a turbine can be formed.
In the present embodiment, a reliable turbine component having a long life can be provided by forming a coating having excellent wear resistance at high temperatures on the gas turbine component.
This is effective for the part of the low-pressure turbine blade shown in FIG. 16 and the part for positioning the turbine stationary blade as shown in FIG.
As a result, it is possible not only to manufacture and repair turbine parts easily and to improve the quality, but also to increase the reliability of the parts, thereby supplying a high-quality gas turbine.
実施の形態4
図11は、この発明の実施の形態4にかかる放電表面処理用電極およびその製造方法の概念を示す断面図である。
図11において、金型の上パンチ1005、金型の下パンチ1006、金型のダイ1007で囲まれた空間には、Mo(モリブデン)粉末1001、Cr(クロム)粉末1002、Si(シリコン)粉末1003及びCo(コバルト)粉末1004からなる混合粉末が充填される。粉末の配合比率は、「Mo(モリブデン)28重量%、Cr(クロム)17重量%、Si(シリコン)3重量%、Co(コバルト)残」である。
この場合のCo(コバルト)の体積%は約50%である。
そして、この混合粉末を圧縮成形することにより圧粉体を形成する。放電表面処理加工に当たっては、この圧粉体が放電電極とされる。
Embodiment 4
FIG. 11: is sectional drawing which shows the concept of the electrode for discharge surface treatment concerning Embodiment 4 of this invention, and its manufacturing method.
In FIG. 11, in the space surrounded by the
In this case, the volume percentage of Co (cobalt) is about 50%.
Then, a green compact is formed by compression molding the mixed powder. In the discharge surface treatment, this green compact is used as a discharge electrode.
「Mo(モリブデン)28重量%、Cr(クロム)17重量%、Si(シリコン)3重量%、Co(コバルト)残」の比率は、高温環境下での耐磨耗のための材料として使用される組み合わせである。
このような比率で配合された電極は、材料の持つ硬さと、高温環境下でCr(クロム)が酸化してできるCr2O3(酸化クロム)が潤滑性を発揮することから耐磨耗の効果を発揮する。
電極を作製する際の粉末を圧縮成形するプレス圧は約100MPa、加熱温度は600℃から800℃の範囲とした。
プレスの際には、成形性をよくするために、プレスする粉末に少量(重量で2%から3%)のワックスを混合した。ワックスは加熱の際に除去される。
粉末は各材料とも粒径2μm〜6μm程度の粉末を使用した。
使用した放電のパルス条件は、ピーク電流値ie=10A、放電持続時間(放電パルス幅)te=64μs、休止時間to=128μs、15mm×15mmの面積の電極で被膜を形成した。極性は、電極がマイナス、ワークがプラスの極性を使用した。
The ratio of “Mo (molybdenum) 28 wt%, Cr (chromium) 17 wt%, Si (silicon) 3 wt%, Co (cobalt) residue” is used as a material for wear resistance in high temperature environments. It is a combination.
The electrode blended in such a ratio is resistant to wear because the hardness of the material and Cr 2 O 3 (chromium oxide) formed by oxidation of Cr (chromium) under high temperature environment exhibit lubricity. Demonstrate the effect.
The press pressure for compressing and molding the powder in producing the electrode was about 100 MPa, and the heating temperature was in the range of 600 ° C to 800 ° C.
At the time of pressing, in order to improve moldability, a small amount (2% to 3% by weight) of wax was mixed with the powder to be pressed. The wax is removed on heating.
As the powder, a powder having a particle size of about 2 μm to 6 μm was used for each material.
The discharge pulse conditions used were a peak current value ie = 10 A, a discharge duration (discharge pulse width) te = 64 μs, a rest time to = 128 μs, and an electrode having an area of 15 mm × 15 mm. The polarity was negative for the electrode and positive for the workpiece.
以上のようにして作製した電極を用いることにより図6と同様の放電表面処理ができる。
そして、該放電表面処理装置により液中パルス放電処理によりワーク表面に被膜を形成したところ、ワーク材料に加工液である油中でのパルス放電による歪を生じることなく厚い被膜を形成することができた。また、形成された被膜が高温環境下で耐磨耗性を発揮することも確認され、良質の厚膜を形成することができた。
上述したような比率で材料を混合して作製した電極を用いて液中パルス放電処理によりワーク表面に被膜を形成することで耐摩耗性等の各種機能を有する被膜が得られるが、このような材料としては、他に「Cr(クロム)25重量%、Ni(ニッケル)10重量%、W(タングステン)7重量%、Co(コバルト)残」、または「Cr(クロム)20重量%、Ni(ニッケル)10重量%、W(タングステン)15重量%、Co(コバルト)残」などのステライトなどが挙げられる。
ステライトは耐蝕性、高温硬さに優れるため、通常これらの性質の必要な部分に溶接などによりコーティング処理がなされる材料であり、耐蝕性、高温硬さを要する際のコーティング処理に好適である。
また、「Cr(クロム)15重量%、Fe(鉄)8重量%、Ni(ニッケル)残」、「Cr(クロム)21重量%、Mo(モリブデン)9重量%、Ta(タンタル)4重量%、Ni(ニッケル)残」、「Cr(クロム)19重量%、Ni(ニッケル)53重量%、Mo(モリブデン)3重量%、(Cd+Ta)5重量%、Ti(チタン)0.8重量%、Al(アルミ)0.6重量%、Fe(鉄)残」などのニッケル基の配合の材料は耐熱性を発揮する材料であり、耐熱性を要する際のコーティング処理に好適である。
By using the electrode manufactured as described above, the same discharge surface treatment as that in FIG. 6 can be performed.
When a coating film is formed on the workpiece surface by the pulse discharge treatment in the liquid using the discharge surface treatment apparatus, a thick coating film can be formed on the workpiece material without causing distortion due to the pulse discharge in the oil that is the working fluid. It was. In addition, it was confirmed that the formed film exhibited wear resistance in a high temperature environment, and a high-quality thick film could be formed.
A film having various functions such as wear resistance can be obtained by forming a film on the work surface by pulse discharge treatment in liquid using an electrode prepared by mixing materials in the above-described ratio. Other materials include “Cr (chromium) 25 wt%, Ni (nickel) 10 wt%, W (tungsten) 7 wt%, Co (cobalt) residue”, or “Cr (chromium) 20 wt%, Ni ( Nickel), 10% by weight, W (tungsten) 15% by weight, and Co (cobalt) residue ”.
Since stellite is excellent in corrosion resistance and high temperature hardness, it is a material that is usually subjected to coating treatment by welding or the like on a portion where these properties are required, and is suitable for coating treatment when corrosion resistance and high temperature hardness are required.
"Cr (chromium) 15 wt%, Fe (iron) 8 wt%, Ni (nickel) remaining", "Cr (chromium) 21 wt%, Mo (molybdenum) 9 wt%, Ta (tantalum) 4 wt% , Ni (nickel) residue ”,“ Cr (chromium) 19 wt%, Ni (nickel) 53 wt%, Mo (molybdenum) 3 wt%, (Cd + Ta) 5 wt%, Ti (titanium) 0.8 wt%, Nickel-based materials such as “Al (aluminum) 0.6 wt%, Fe (iron) residue” are materials that exhibit heat resistance, and are suitable for coating processing when heat resistance is required.
「Mo(モリブデン)28重量%、Cr(クロム)17重量%、Si(シリコン)3重量%、Co(コバルト)残」、「Cr(クロム)25重量%、Ni(ニッケル)10重量%、W(タングステン)7重量%、Co(コバルト)残」、「Cr(クロム)20重量%、Ni(ニッケル)10重量%、W(タングステン)15重量%、Co(コバルト)残」などの材料は、高温環境下でCr(クロム)が酸化してできるCr2O3(酸化クロム)が潤滑性を発揮することから耐磨耗の効果を発揮する材料であり、実施の形態3と同様に低圧タービン動翼の部位や、タービン静翼の位置決めの部位などに有効である。
また、「Cr(クロム)15重量%、Fe(鉄)8重量%、Ni(ニッケル)残」、「Cr(クロム)21重量%、Mo(モリブデン)9重量%、Ta(タンタル)4重量%、Ni(ニッケル)残」、「Cr(クロム)19重量%、Ni(ニッケル)53重量%、Mo(モリブデン)3重量%、(Cd+Ta)5重量%、Ti(チタン)0.8重量%、Al(アルミ)0.6重量%、Fe(鉄)残」などのニッケル基の配合の材料は耐熱性を発揮する材料であり、高圧タービン動翼などの補修に適している。
特に、Cr、Moは高温で酸化物となり潤滑性を発揮する材料であるため、この電極により形成された被膜は、高温環境下でその潤滑性により耐摩耗性を発揮する被膜となり、タービンの高温部材の摺動部分などに適用できる。
また、高圧タービン翼は単結晶材料や一方向凝固合金などの材料で作られており、熱が集中して入るとすぐに割れてしまうという問題がある。
本発明の方法は、パルス状の放電により被膜を形成する方法であるため、熱が集中せず、割れ易い材料でも割れを発生させずに被膜形成が行える。
これにより、タービン部品の製造・補修が容易に品質よくできるだけでなく、部品の信頼性をあげることで、品質のよいガスタービンを供給することができる。
“Mo (molybdenum) 28 wt%, Cr (chromium) 17 wt%, Si (silicon) 3 wt%, Co (cobalt) residue”, “Cr (chromium) 25 wt%, Ni (nickel) 10 wt%, W Materials such as (tungsten) 7% by weight, Co (cobalt) residue "," Cr (chromium) 20% by weight, Ni (nickel) 10% by weight, W (tungsten) 15% by weight, Co (cobalt) residue " Cr 2 O 3 (chromium oxide) formed by oxidation of Cr (chromium) in a high-temperature environment is a material that exhibits an effect of wear resistance because it exhibits lubricity. It is effective for the part of the moving blade and the part for positioning the turbine stationary blade.
"Cr (chromium) 15 wt%, Fe (iron) 8 wt%, Ni (nickel) remaining", "Cr (chromium) 21 wt%, Mo (molybdenum) 9 wt%, Ta (tantalum) 4 wt% , Ni (nickel) residue ”,“ Cr (chromium) 19 wt%, Ni (nickel) 53 wt%, Mo (molybdenum) 3 wt%, (Cd + Ta) 5 wt%, Ti (titanium) 0.8 wt%, Nickel-based materials such as “Al (aluminum) 0.6 wt%, Fe (iron) residue” are materials that exhibit heat resistance, and are suitable for repairing high-pressure turbine blades and the like.
In particular, since Cr and Mo are materials that become oxides and exhibit lubricity at high temperatures, the coating formed by this electrode becomes a coating that exhibits wear resistance due to its lubricity in a high-temperature environment, and the high temperature of the turbine. It can be applied to a sliding portion of a member.
In addition, the high-pressure turbine blade is made of a material such as a single crystal material or a unidirectionally solidified alloy, and there is a problem that the high-pressure turbine blade breaks as soon as heat is concentrated.
Since the method of the present invention is a method of forming a coating film by pulsed discharge, the coating film can be formed without generating heat even if a material that is easily cracked does not concentrate heat.
As a result, it is possible not only to manufacture and repair turbine parts easily and to improve the quality, but also to increase the reliability of the parts, thereby supplying a high-quality gas turbine.
実施の形態5
図12は、この発明の実施の形態5にかかる放電表面処理用電極およびその製造方法の概念を示す断面図である。
図12において、金型の上パンチ1103、金型の下パンチ1104、金型のダイ1105で囲まれた空間には、Co系合金粉末(Co、Cr、Niの合金の粉末)1101が充填される。
そして、この混合粉末を圧縮成形することにより圧粉体を形成する。放電表面処理加工に当たっては、この圧粉体が放電電極とされる。
粉末1101は、Co(コバルト)、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)などを所定の合金比率で混合して作った合金(ステライト)を粉末にしたものである。
粉末にする方法は、例えばアトマイズ法や、合金をミルなどにより粉砕する方法が挙げられる。
いずれの方法においても粉末粒一つ一つが合金(図12の場合はCo系合金粉末)になっている。
合金粉末をダイ1105とパンチ1103、1104により圧縮成形する。
場合によっては、電極の強度を増すためにその後加熱処理を行なっても良い。
ここでは、「Cr(クロム)20重量%、Ni(ニッケル)10重量%、W(タングステン)15重量%、Co(コバルト)55重量%」の合金比率の合金の粉末を使用した。
この場合のCo(コバルト)の体積%は40%以上である。
Embodiment 5
FIG. 12: is sectional drawing which shows the concept of the electrode for discharge surface treatment concerning Embodiment 5 of this invention, and its manufacturing method.
In FIG. 12, the space surrounded by the
Then, a green compact is formed by compression molding the mixed powder. In the discharge surface treatment, this green compact is used as a discharge electrode.
The powder 1101 is obtained by powdering an alloy (sterite) made by mixing Co (cobalt), Cr (chromium), Ni (nickel) or the like at a predetermined alloy ratio.
Examples of the method for forming the powder include an atomizing method and a method of pulverizing the alloy with a mill.
In either method, each powder particle is an alloy (in the case of FIG. 12, a Co-based alloy powder).
The alloy powder is compression molded by a
In some cases, heat treatment may be performed thereafter to increase the strength of the electrode.
Here, an alloy powder having an alloy ratio of “Cr (chromium) 20 wt%, Ni (nickel) 10 wt%, W (tungsten) 15 wt%, Co (cobalt) 55 wt%” was used.
In this case, the volume percentage of Co (cobalt) is 40% or more.
粉末を圧縮成形するプレス圧は約100MPa、加熱温度は600℃から800℃の範囲とした。
プレスの際には、成形性をよくするために、プレスする粉末に少量(重量で2%から3%)のワックスを混合した。ワックスは加熱の際に除去される。
粉末は各材料とも粒径2μm〜6μm程度の粉末を使用した。使用した放電のパルス条件は、ピーク電流値ie=10A、放電持続時間(放電パルス幅)te=64μs、休止時間to=128μs、15mm×15mmの面積の電極で被膜を形成した。極性は、電極がマイナス、ワークがプラスの極性を使用した。
The press pressure for compressing the powder was about 100 MPa, and the heating temperature was in the range of 600 ° C to 800 ° C.
At the time of pressing, in order to improve moldability, a small amount (2% to 3% by weight) of wax was mixed with the powder to be pressed. The wax is removed on heating.
As the powder, a powder having a particle size of about 2 μm to 6 μm was used for each material. The discharge pulse conditions used were a peak current value ie = 10 A, a discharge duration (discharge pulse width) te = 64 μs, a rest time to = 128 μs, and an electrode having an area of 15 mm × 15 mm. The polarity was negative for the electrode and positive for the workpiece.
以上のようにして作製した電極を用いて構成した本実施の形態にかかる放電表面処理の状態を示す概略構成図を図13に示す。
図13に示すように放電表面処理の装置は、上述した合金比率の合金粉末からなる電極1202と、加工液1204である油と、電極1202とワーク1203とを加工液中に浸漬させる、または電極1202とワーク1203との間に加工液1204を供給する加工液供給装置1208と、電極1202とワークであるタービン翼1203との間に電圧を印加してパルス状の放電を発生させる放電表面処理用電源1205とからなる。
電極1202は合金粉末1201からできている。
なお、放電表面処理用電源1205とワーク1203の相対位置を制御する駆動装置などの本発明に直接関係のない部材は記載を省略している。
FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing the state of the discharge surface treatment according to the present embodiment configured using the electrode manufactured as described above.
As shown in FIG. 13, the discharge surface treatment apparatus immerses the
Note that members that are not directly related to the present invention, such as a driving device that controls the relative positions of the discharge surface
この放電表面処理装置によりワーク表面に被膜を形成するには、電極1202とであるタービン翼1203とを加工液1204の中で対向配置し、加工液中において放電表面処理用電源1205から電極1202とワーク1203との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギにより電極材料あるいは放電エネルギにより電極材料が反応した物質の被膜をワークであるタービン翼表面に形成する。
極性は、電極側がマイナス、ワーク側がプラスの極性を使用する。図13に示すように放電のアーク柱1206は電極1202とワーク1203との間に発生する。
放電毎に電極材料がワーク側に供給される。電極材料は粉末から成っているが合金を粉末化したものを使用しているので材質が均一であり、電極1202に供給される場合にも材質のばらつきがない。
その結果、電極材料の材質の不均一に起因した成分のばらつきのない良質の被膜を形成することができる。
In order to form a coating film on the workpiece surface with this discharge surface treatment apparatus, the turbine blade 1203 as the
The polarity is negative on the electrode side and positive on the workpiece side. As shown in FIG. 13, the
The electrode material is supplied to the workpiece side for each discharge. Although the electrode material is made of powder, it is made of a powdered alloy, so the material is uniform, and even when supplied to the
As a result, it is possible to form a high-quality film without variation in components due to non-uniformity of the electrode material.
各材料の粉末を混合して所定の組成の電極を製造する場合には、粉末の混合のばらつきにより一定した材料の性能が得られないという問題が生じうる。
本発明者らの研究によると、各材料の粉末を混合して所定の組成の電極を製造する場合には複数の粉末を混合するため完全に均一に混合するということが極めて困難であり、電極の個体間のばらつき、あるいは、1つの電極の中でも場所によるばらつきが発生しうることが判明した。
これは炭化物を形成しやすい材料を含んだ電極の場合には影響が大きい。
例えば、後述する合金のようにMo(モリブデン)やTi(チタン)など炭化しやすい材料が偏在した場合には、その部分のみ厚膜を形成しにくくなってしまう。被膜中の成分とともに、膜厚も均一でなくなってしまうという問題がある。
When an electrode having a predetermined composition is manufactured by mixing powders of respective materials, there may be a problem that a constant material performance cannot be obtained due to variations in mixing of the powders.
According to the researches of the present inventors, it is extremely difficult to mix a plurality of powders completely and uniformly when an electrode having a predetermined composition is produced by mixing powders of respective materials. It has been found that variation among individuals or variation depending on location can occur within one electrode.
This has a great effect in the case of an electrode containing a material that easily forms carbides.
For example, when an easily carbonized material such as Mo (molybdenum) or Ti (titanium) is unevenly distributed like an alloy described later, it is difficult to form a thick film only at that portion. There is a problem that the film thickness is not uniform together with the components in the film.
しかしながら、本実施の形態に示したように複数の元素を所定の比率で合金化した合金材料の粉末を作り、その粉末から電極を製造することで、電極の成分上のばらつきをなくすことが可能となった。そして、該電極を用いて放電表面処理を行うことにより安定してワーク表面に厚膜の被膜を形成することが可能であり、形成した被膜の被膜成分も均一な状態にすることが可能となった。
したがって、以上のような電極を用いた放電表面処理装置を用いてワークであるタービン翼1203に被膜を形成できる。
However, as shown in the present embodiment, it is possible to eliminate variations in electrode components by making a powder of an alloy material in which a plurality of elements are alloyed at a predetermined ratio and manufacturing an electrode from the powder. It became. Then, by performing discharge surface treatment using the electrode, it is possible to stably form a thick film on the workpiece surface, and the film component of the formed film can be made uniform. It was.
Therefore, a coating can be formed on the turbine blade 1203 that is a workpiece by using the discharge surface treatment apparatus using the electrode as described above.
上記においては、「Cr(クロム)20重量%、Ni(ニッケル)10重量%、W(タングステン)15重量%、Co(コバルト)残」の合金比率の合金を粉末化した材料を使用したが、粉末化する合金は他の配合の合金でももちろんよく、例えば、「Cr(クロム)25重量%、Ni(ニッケル)10重量%、W(タングステン)7重量%、Co(コバルト)残」の合金比率の合金を用いることもできる。また、「Mo(モリブデン)28重量%、Cr(クロム)17重量%、Si(シリコン)3重量%、Co(コバルト)残」「Cr(クロム)15重量%、Fe(鉄)8重量%、Ni(ニッケル)残」、「Cr(クロム)21重量%、Mo(モリブデン)9重量%、Ta(タンタル)4重量%、Ni(ニッケル)残」、「Cr(クロム)19重量%、Ni(ニッケル)53重量%、Mo(モリブデン)3重量%、(Cd+Ta)5重量%、Ti(チタン)0.8重量%、Al(アルミ)0.6重量%、Fe(鉄)残」の合金比率の合金でもよい。但し、合金の合金比率が異なると材料の硬さなどの性質が異なるため、電極の成形性・被膜の状態に多少の差異が生じる。 In the above, a material obtained by pulverizing an alloy having an alloy ratio of “Cr (chromium) 20 wt%, Ni (nickel) 10 wt%, W (tungsten) 15 wt%, Co (cobalt) residue” is used. Of course, the alloy to be powdered may be an alloy of other composition, for example, an alloy ratio of “Cr (chromium) 25 wt%, Ni (nickel) 10 wt%, W (tungsten) 7 wt%, Co (cobalt) residue”. These alloys can also be used. “Mo (molybdenum) 28 wt%, Cr (chromium) 17 wt%, Si (silicon) 3 wt%, Co (cobalt) residue” “Cr (chromium) 15 wt%, Fe (iron) 8 wt%, "Ni (nickel) residue", "Cr (chromium) 21 wt%, Mo (molybdenum) 9 wt%, Ta (tantalum) 4 wt%, Ni (nickel) residue", "Cr (chromium) 19 wt%, Ni ( Alloy ratio of “nickel) 53 wt%, Mo (molybdenum) 3 wt%, (Cd + Ta) 5 wt%, Ti (titanium) 0.8 wt%, Al (aluminum) 0.6 wt%, Fe (iron) residue” An alloy of may be used. However, since the properties such as the hardness of the material are different when the alloy ratio of the alloy is different, there are some differences in the formability of the electrode and the state of the coating.
電極材料の硬さが硬い場合には、プレスによる粉末の成形が困難になる。
また、加熱処理により電極の強度を増す場合にも加熱温度を高めにするなどの工夫が必要である。
例を挙げると、「Cr(クロム)25重量%、Ni(ニッケル)10重量%、W(タングステン)7重量%、Co(コバルト)残」の合意金比率の合金は比較的やわらかく、「Mo(モリブデン)28重量%、Cr(クロム)17重量%、Si(シリコン)3重量%、Co残」の合金比率の合金は比較的硬い材料である。
電極の加熱処理の場合には、電極に必要な硬さを与えるために、前者よりも後者の方が平均して100℃前後高めに設定する必要がある。
また、厚膜の形成のしやすさは、実施の形態1乃至実施の形態4に示したように、被膜の中に含まれる金属の量が多くなるにしたがって容易になる。
電極の成分である合金粉に含まれる材料としては、炭化物を形成しにくい材料である、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)が多いほど緻密な厚膜を形成しやすくなる。
If the electrode material is hard, it becomes difficult to form a powder by pressing.
Further, when the strength of the electrode is increased by the heat treatment, it is necessary to devise such as increasing the heating temperature.
For example, an alloy with an agreed gold ratio of “Cr (chromium) 25 wt%, Ni (nickel) 10 wt%, W (tungsten) 7 wt%, Co (cobalt) balance” is relatively soft, “Mo ( An alloy having an alloy ratio of “molybdenum) 28 wt%, Cr (chromium) 17 wt%, Si (silicon) 3 wt%, and Co residue” is a relatively hard material.
In the case of the heat treatment of the electrode, in order to give the electrode the necessary hardness, it is necessary to set the latter to an average higher by about 100 ° C. than the former.
Further, the ease of forming a thick film becomes easier as the amount of metal contained in the coating increases, as shown in the first to fourth embodiments.
As the material contained in the alloy powder that is a component of the electrode, the more the Co (cobalt), Ni (nickel), and Fe (iron) that are difficult to form carbides, the easier it is to form a dense thick film.
種々の合金粉末で試験を実施したところ、電極中における炭化物を形成しにくいもしくは形成しない材料の含有率が40体積%を超えると安定して厚膜が形成しやすくなることが判明した。
そして、電極中におけるCoの含有量が50体積%をこえると十分な厚みの厚膜を形成できるためより好ましいことが判明した。
合金での材料の体積%は定義しにくいが、ここでは、混合するそれぞれ粉末の重量をそれぞれの材料の密度で割った値の比率を体積%としている。
合金として混合する材料の元々の比重が近い材料であれば、重量%とほぼ同じになるのはいうまでない。
When tests were conducted with various alloy powders, it was found that thick films were easily formed stably when the content of the material in which the carbides in the electrode were difficult or not formed exceeded 40% by volume.
And it turned out that it is more preferable that the content of Co in the electrode exceeds 50% by volume because a thick film having a sufficient thickness can be formed.
The volume% of the material in the alloy is difficult to define, but here, the ratio of the value obtained by dividing the weight of each powder to be mixed by the density of each material is defined as volume%.
Needless to say, if the material to be mixed as an alloy has a material with a specific gravity close to that of the original material, it is almost the same as the weight%.
また、炭化物を形成しにくい材料であるCo(コバルト)、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)以外に合金の成分として混合される材料が炭化物を形成する材料であっても、その中で相対的に炭化物を形成しにくい材料である場合には、被膜中にはCo(コバルト)、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)以外の金属成分がふくまれることになり、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)の比率は、さらに少なくとも緻密な厚膜を形成することができる。 Moreover, even if the material mixed as a component of the alloy other than Co (cobalt), Ni (nickel), and Fe (iron), which are difficult to form carbides, is a material that forms carbides, the relative If the material is difficult to form carbides, metal components other than Co (cobalt), Ni (nickel), and Fe (iron) are included in the coating, and Co (cobalt) and Ni (nickel) are included. ), The ratio of Fe (iron) can form at least a dense thick film.
Cr(クロム)とCo(コバルト)の2元素の合金の場合には、電極中におけるCo(コバルト)の含有率が20体積%を超えるころから厚膜が形成しやすくなることが判明した。ここでいうCo(コバルト)の体積%とは、前述のように、((Coの重量%)/(Coの比重))÷(((Crの重量%)/(Crの比重))+((Coの重量%)/(Coの比重)))である。
Cr(クロム)は炭化物を形成する材料であるが、Tiなどの活性な材料と比べると炭化物を形成しにくい材料である。被膜成分をX線回折・XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)等により分析すると、Cr3C2(炭化クロム)の存在を示すピークと、Cr(クロム)の存在を示すデータが観察された。
すなわち、Cr(クロム)の場合には、炭化し易い材料ではあるが、Ti(チタン)のような材料に比べると炭化しやすさは低く、電極中にCr(クロム)が含まれている場合には、その一部が炭化物になり、一部は金属のCr(クロム)のまま被膜となるということになる。
以上の結果などから考察すると、被膜中に金属として残る材料の割合が体積で30%程度以上存在することが緻密な厚膜を形成するための必要であると考えられる。
In the case of an alloy of two elements of Cr (chromium) and Co (cobalt), it has been found that a thick film is easily formed when the Co (cobalt) content in the electrode exceeds 20% by volume. As described above, the volume percent of Co (cobalt) here is ((weight percent of Co) / (specific gravity of Co)) / (((weight percent of Cr) / (specific gravity of Cr)) + ( (Weight% of Co) / (specific gravity of Co))).
Cr (chromium) is a material that forms carbides, but is a material that hardly forms carbides as compared to an active material such as Ti. When the film components were analyzed by X-ray diffraction, XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), etc., a peak indicating the presence of Cr 3 C 2 (chromium carbide) and data indicating the presence of Cr (chromium) were observed.
That is, in the case of Cr (chromium), although it is a material that is easily carbonized, it is less easily carbonized than a material such as Ti (titanium), and the electrode contains Cr (chromium). In this case, a part thereof becomes a carbide, and a part becomes a film with the metal Cr (chromium) as it is.
Considering the above results and the like, it is considered necessary to form a dense thick film that the ratio of the material remaining as metal in the coating is about 30% or more by volume.
実施の形態4と同様に、「Mo(モリブデン)28重量%、Cr(クロム)17重量%、Si(シリコン)3重量%、Co(コバルト)残」、「Cr(クロム)25重量%、Ni(ニッケル)10重量%、W(タングステン)7重量%、Co(コバルト)残」、「Cr(クロム)20重量%、Ni(ニッケル)10重量%、W(タングステン)15重量%、Co(コバルト)残」などの材料は、高温環境下でCr(クロム)が酸化してできるCr2O3(酸化クロム)が潤滑性を発揮することから耐磨耗の効果を発揮する材料であり、実施の形態3と同様に低圧タービン動翼の部位や、タービン静翼の位置決めの部位などに有効である。
また、「Cr(クロム)15重量%、Fe(鉄)8重量%、Ni(ニッケル)残」、「Cr(クロム)21重量%、Mo(モリブデン)9重量%、Ta(タンタル)4重量%、Ni(ニッケル)残」、「Cr(クロム)19重量%、Ni(ニッケル)53重量%、Mo(モリブデン)3重量%、(Cd+Ta)5重量%、Ti(チタン)0.8重量%、Al(アルミ)0.6重量%、Fe(鉄)残」などのニッケル基の配合の材料は耐熱性を発揮する材料であり、高圧タービン動翼などの補修に適している。高圧タービン翼は単結晶材料や一方向凝固合金などの材料で作られており、熱が集中して入るとすぐに割れてしまうという問題がある。本発明の方法は、パルス状の放電により被膜を形成する方法であるため、熱が集中せず、割れ易い材料でも割れを発生させずに被膜形成が行える。
これにより、タービン部品の製造・補修が容易に品質よくできるだけでなく、部品の信頼性をあげることで、品質のよいガスタービンを供給することができる。
As in the fourth embodiment, “Mo (molybdenum) 28 wt%, Cr (chromium) 17 wt%, Si (silicon) 3 wt%, Co (cobalt) residue”, “Cr (chromium) 25 wt%, Ni (Nickel) 10 wt%, W (tungsten) 7 wt%, Co (cobalt) residue "," Cr (chromium) 20 wt%, Ni (nickel) 10 wt%, W (tungsten) 15 wt%, Co (cobalt) The material such as “residue” is a material that exhibits the effect of wear resistance because Cr 2 O 3 (chromium oxide) formed by oxidation of Cr (chromium) under high temperature environment exhibits lubricity. As in the third embodiment, it is effective for the low pressure turbine rotor blade part, the turbine stationary blade positioning part, and the like.
"Cr (chromium) 15 wt%, Fe (iron) 8 wt%, Ni (nickel) remaining", "Cr (chromium) 21 wt%, Mo (molybdenum) 9 wt%, Ta (tantalum) 4 wt% , Ni (nickel) residue ”,“ Cr (chromium) 19 wt%, Ni (nickel) 53 wt%, Mo (molybdenum) 3 wt%, (Cd + Ta) 5 wt%, Ti (titanium) 0.8 wt%, Nickel-based materials such as “Al (aluminum) 0.6 wt%, Fe (iron) residue” are materials that exhibit heat resistance, and are suitable for repairing high-pressure turbine blades and the like. The high-pressure turbine blade is made of a material such as a single crystal material or a unidirectionally solidified alloy, and there is a problem that when the heat is concentrated, it is cracked immediately. Since the method of the present invention is a method of forming a coating film by pulsed discharge, the coating film can be formed without generating heat even if a material that is easily cracked does not concentrate heat.
As a result, it is possible not only to manufacture and repair turbine parts easily and to improve the quality, but also to increase the reliability of the parts, thereby supplying a high-quality gas turbine.
実施の形態6
図14は、この発明の実施の形態6にかかる放電表面処理用電極およびその製造方法の概念を示す断面図である。
図14において、金型の上パンチ1303、金型の下パンチ1304、金型のダイ1305で囲まれた空間には、Co合金粉末1301にCo(コバルト)粉末1302を混合した混合粉末が充填される。
そして、この混合粉末を圧縮成形することにより圧粉体を形成する。
放電表面処理加工に当たっては、この圧粉体が放電電極とされる。粉末を圧縮成形するプレス圧は約100MPa、加熱温度は600℃から800℃の範囲とした。
Embodiment 6
FIG. 14: is sectional drawing which shows the concept of the electrode for discharge surface treatment concerning Embodiment 6 of this invention, and its manufacturing method.
In FIG. 14, the space surrounded by the
Then, a green compact is formed by compression molding the mixed powder.
In the discharge surface treatment, this green compact is used as a discharge electrode. The press pressure for compressing the powder was about 100 MPa, and the heating temperature was in the range of 600 ° C to 800 ° C.
Co合金粉末1301の合金比率は、「Mo(モリブデン)28重量%、Cr(クロム)17重量%、Si(シリコン)3重量%、Co(コバルト)52重量%」であり、Co合金粉末1301はこのような合金比率の合金材料を粉末化したものである。Co合金粉末1301およびCo粉末1302はいずれも粒径2μmから6μm程度のものを使用した。
「Mo(モリブデン)28重量%、Cr(クロム)17重量%、Si(シリコン)3重量%、Co(コバルト)52重量%」の合金比率の合金は、高温環境下での耐磨耗のための材料として使用される合金である。この合金は、材料の持つ硬さと、高温環境化でCr(クロム)が酸化してできるCr2O3(酸化クロム)が潤滑性を発揮することから耐磨耗の効果を有効に発揮する。したがって、この合金の粉末を含む電極を用いることで耐磨耗性に優れた被膜を形成することができる。
The alloy ratio of the
Alloys with an alloy ratio of “Mo (molybdenum) 28 wt%, Cr (chromium) 17 wt%, Si (silicon) 3 wt%, Co (cobalt) 52 wt%” are resistant to wear in high temperature environments. It is an alloy used as a material for. This alloy exhibits the effect of wear resistance effectively since the hardness of the material and Cr 2 O 3 (chromium oxide) formed by oxidation of Cr (chromium) in a high temperature environment exhibit lubricity. Therefore, a film having excellent wear resistance can be formed by using an electrode containing the alloy powder.
但し、放電表面処理により被膜形成をする場合には、そのままの組成の合金粉末のみから電極を製造することもできるにはできるが、材料の硬さのためプレスによる圧縮成形の際の成形性に多少問題があり、電極の品質にばらつきを生じやすいという問題と、炭化物を形成し易いMo(モリブデン)が比較的多く含まれているために、緻密な被膜を形成しにくい場合があるという問題がある。 However, when the coating is formed by the discharge surface treatment, the electrode can be produced only from the alloy powder having the same composition as it is, but because of the hardness of the material, it is difficult to form at the time of compression molding by pressing. There are some problems, the problem is that the quality of the electrode tends to vary and the problem that it is difficult to form a dense film because Mo (molybdenum), which is easy to form carbides, is contained in a relatively large amount. is there.
以上のような問題がある場合に、Co(コバルト)の粉末を更に混合することにより、厚膜の形成しやすさを向上させることが可能となる。
「Mo(モリブデン)28重量%、Cr(クロム)17重量%、Si(シリコン)3重量%、Co(コバルト)52重量%」の合金比率の合金粉末のみより電極を作製し、該電極を用いた放電表面処理装置を構成して被膜を形成した場合には、形成された被膜中の空間率が10%程度である。
それに対して、「Mo(モリブデン)28重量%、Cr(クロム)17重量%、Si(シリコン)3重量%、Co(コバルト)52重量%」の合金比率の合金粉末にCo(コバルト)粉末を20重量%程度混合した混合粉末により電極を作製し、該電極を用いた放電表面処理装置を構成して被膜を形成した場合には、被膜中の空間率を3%から4%程度に低減することができる。
したがって、「Mo(モリブデン)28重量%、Cr(クロム)17重量%、Si(シリコン)3重量%、Co(コバルト)52重量%」の合金比率の合金粉末にCo(コバルト)粉末を20重量%程度混合した混合粉末により作製した電極を用いることにより、耐磨耗の効果を有しつつ緻密な厚膜を形成することが可能なる。
このような効果を奏する材料としては、Coの他にNiやFeを用いることができ、また、これらの材料のうち複数を混合することもできる。
When there is a problem as described above, it is possible to improve the ease of forming a thick film by further mixing Co (cobalt) powder.
An electrode is prepared only from an alloy powder having an alloy ratio of “Mo (molybdenum) 28 wt%, Cr (chromium) 17 wt%, Si (silicon) 3 wt%, Co (cobalt) 52 wt%”. In the case where the discharge surface treatment apparatus is formed to form a film, the space ratio in the formed film is about 10%.
On the other hand, Co (cobalt) powder is added to an alloy powder having an alloy ratio of “Mo (molybdenum) 28 wt%, Cr (chromium) 17 wt%, Si (silicon) 3 wt%, Co (cobalt) 52 wt%”. When an electrode is produced from a mixed powder mixed with about 20% by weight and a discharge surface treatment apparatus using the electrode is formed to form a film, the porosity in the film is reduced from about 3% to about 4%. be able to.
Accordingly, 20 wt% of Co (cobalt) powder is added to the alloy powder having an alloy ratio of “Mo (molybdenum) 28 wt%, Cr (chromium) 17 wt%, Si (silicon) 3 wt%, Co (cobalt) 52 wt%”. By using an electrode made of a mixed powder mixed with about%, it is possible to form a dense thick film while having an effect of wear resistance.
As a material having such an effect, Ni or Fe can be used in addition to Co, and a plurality of these materials can be mixed.
「Mo(モリブデン)28重量%、Cr(クロム)17重量%、Si(シリコン)3重量%、Co(コバルト)残」は、高温環境下でCr(クロム)が酸化してできるCr2O3(酸化クロム)が潤滑性を発揮することから耐磨耗の効果を発揮する材料であり、実施の形態4乃至5と同様に、タービンの高温部材の摺動部分、低圧タービン動翼の部位や、タービン静翼の位置決めの部位などに有効である。
また、Co粉末を混入することで被膜の緻密さが向上するため、Cr、Moの酸化物による潤滑性が期待できない低温域での被膜強度をあげることができる。
また、被膜を緻密にすることができるので、タービン部品の製造・補修が容易に品質よくできるだけでなく、部品の信頼性をあげることで、品質のよいガスタービンを供給することができる。
“Mo (molybdenum) 28 wt%, Cr (chromium) 17 wt%, Si (silicon) 3 wt%, Co (cobalt) residue” is Cr 2 O 3 formed by oxidation of Cr (chromium) in a high temperature environment. (Chromium oxide) is a material that exerts an effect of wear resistance because it exhibits lubricity. Like the fourth to fifth embodiments, the sliding part of the high temperature member of the turbine, the part of the low pressure turbine blade, This is effective for the positioning part of the turbine stationary blade.
In addition, since the denseness of the coating is improved by mixing Co powder, the coating strength in a low temperature range where the lubricity due to the oxides of Cr and Mo cannot be expected can be increased.
Moreover, since the coating can be made dense, not only can the quality and quality of the turbine parts be easily manufactured and repaired, but a high quality gas turbine can be supplied by increasing the reliability of the parts.
従来のタービン部品は、溶射や溶接などの方法が多用されていた。溶接は流れ生産ラインの中に入れるのが困難な作業であり、ライン外で溶接作業を行い、溶接の済んだ部品をラインでの機械加工に入れるという工程になる。
溶射により肉盛りを行う場合も同様に前後の工程が必要であり、処理も困難である。
溶射の場合には、前処理として、被膜をつけたくない場所に溶射材料がつかないようにマスキング処理を行い、溶射の処理後には、溶接同様、形状を整える工程が必要である。
いずれも人手に頼った作業であり、品質的にもばらつきがあった。
また、タービン翼や圧縮機翼は薄い構造の部分が多く、溶接のように熱が集中して入る処理方法では、変形や割れなど起き、歩留まりが低くなるという問題があった。
特に、単結晶材料や一方向凝固合金などの割れ易い材料で作られている部品はこわれやすかった。
本発明のタービン部品は、人手によらない機械が行う加工により被膜を形成されているので、品質が安定しており、しかもコストが安くできる。
また、集中的な入熱により割れ易い材料でできた部品でも割れや変形がおきず、信頼性の高い部品となっている。
このような高い信頼性、低いコストでできた部品を組み込んだガスタービンは、コストが大幅に低減でき、しかも信頼性が高いものとなる。
Conventional turbine parts often use methods such as thermal spraying and welding. Welding is an operation that is difficult to put into the flow production line, and is a process of performing welding work outside the line and putting the welded parts into machining on the line.
Similarly, when overlaying is performed by thermal spraying, previous and subsequent steps are required, and processing is difficult.
In the case of thermal spraying, as a pretreatment, a masking process is performed so that the thermal spray material is not applied to a place where a coating is not desired, and after the thermal spraying process, a process for adjusting the shape is necessary as in the case of welding.
All of these operations depended on manpower, and there were variations in quality.
In addition, turbine blades and compressor blades have many thin structures, and in the processing method in which heat is concentrated like welding, there is a problem that deformation, cracking, etc. occur and yield decreases.
In particular, parts made of fragile materials such as single crystal materials and unidirectionally solidified alloys were easily broken.
In the turbine component of the present invention, the coating is formed by processing performed by a machine that does not require manual labor, so the quality is stable and the cost can be reduced.
In addition, even parts made of materials that are easily broken due to intensive heat input do not break or deform, and are highly reliable parts.
A gas turbine incorporating such a high-reliability and low-cost component can greatly reduce the cost and has high reliability.
101 Cr粉末、102 Co(コバルト)粉末、103 上パンチ、104 下パンチ、105 ダイ。 101 Cr powder, 102 Co (cobalt) powder, 103 upper punch, 104 lower punch, 105 die.
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