JP5240168B2 - Steam turbine, steam turbine surface layer forming method, and steam turbine surface layer repairing method - Google Patents

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Description

本発明は、耐エロージョン性の要求される機械部品である例えば蒸気タービン部品及びその製造方法に関する。   The present invention relates to, for example, a steam turbine component that is a mechanical component requiring erosion resistance and a method for manufacturing the same.

水滴を含む湿り蒸気などが高速で衝突する場合などに部材が侵食されるエロージョンは、蒸気タービンの翼、ポンプの配管、流体の噴射部品等で重要な問題であり、例えば特許文献1に示されるように、ろう付けや溶射などにより耐エロージョン性の高い材料の被覆処理、レーザ光照射等による硬化処理が行われている。
また、長期使用に伴いエロージョンが発生した場合には、特許文献2に示されるように、肉盛溶接などにより母材を肉盛したのち所定の補修を施している。
Erosion in which a member is eroded when wet steam including water droplets collides at high speed is an important problem in steam turbine blades, pump piping, fluid injection parts, and the like. As described above, a coating process of a material having high erosion resistance by brazing, spraying, or the like, or a curing process by laser beam irradiation or the like is performed.
Further, when erosion occurs with long-term use, as shown in Patent Document 2, the base material is built up by overlay welding or the like, and then predetermined repair is performed.

特開2004−027261号公報JP 2004-027261 A 特開2007−182776号公報JP 2007-182776 A

しかしながら、ろう付けにより耐エロージョン皮膜を施す場合、工数がかかること、ろう付け部には少なからずともいくつかの欠陥(気孔、溶け込み不足など)を含むことなどの問題がある。また、溶接の場合には、過度の入熱による部材の変形や強度の低下のため形状修正や熱処理が必要になったり、人手による方法のため熟練作業が必要であったり、製造プロセスが煩雑である。また、溶射の場合には、新規に製造した場合には、溶射膜がつきやすいように余熱やボンドコート処理などが必要となり、製造プロセスが煩雑である上、そもそも溶射皮膜自体の密着力が十分とは言えない。
さらにこれらの皮膜形成技術において、補修の場合にはさらに耐エロージョン皮膜を完全に除去しエロージョン発生部位を切除するなどしてから元の状態に復元するので、新規製造よりもさらに工数がかかる。
また、損傷を受けた箇所を除去して肉盛溶接で埋める手法では、補修箇所ともとの部材との境界部は耐久性に乏しくなる。
However, when an erosion-resistant film is applied by brazing, there are problems such as that it takes man-hours and that the brazed portion contains at least some defects (such as pores and insufficient penetration). In addition, in the case of welding, shape modification and heat treatment are required due to deformation of members due to excessive heat input and reduction in strength, manual work is required due to manual methods, and the manufacturing process is complicated. is there. In addition, in the case of thermal spraying, when it is newly manufactured, preheating and bond coat treatment are necessary so that the thermal sprayed film is easily attached, and the manufacturing process is complicated and the adhesiveness of the thermal sprayed coating itself is sufficient in the first place. It can not be said.
Further, in these film formation techniques, in the case of repair, since the erosion-resistant film is completely removed and the erosion occurrence site is removed and then restored to the original state, it takes more man-hours than new manufacturing.
Moreover, in the technique of removing the damaged part and filling it with overlay welding, the boundary part between the repaired part and the original member becomes poor in durability.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、エロージョンが発生したとしても簡便に補修できるようなタービン翼の製造方法および耐エロージョン皮膜の形成方法を得るものである。
具体的には、エロージョンが発生しやすい部位を機械加工あるいは肉盛り加工により予め周囲より盛り上げて、該盛り上げ部に放電表面処理によって耐エロージョン皮膜を形成し、エロージョンが発生した場合には、エロージョン発生部位を切除した後再度放電表面処理することで、熱処理や形状修正等のプロセスを不要としながら補修ができるようにする。また、母材の機械的強度を損なうことがない。さらに、熟練に頼るのではなく、機械により自動的に部材への処理を実施できる方法を提供する。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a method for manufacturing a turbine blade and a method for forming an erosion-resistant coating that can be easily repaired even if erosion occurs.
Specifically, a part where erosion is likely to occur is preliminarily raised from the surroundings by machining or overlaying, and an erosion-resistant film is formed on the raised part by discharge surface treatment, and erosion occurs when erosion occurs. After the part is excised, the discharge surface treatment is performed again so that the repair can be performed while eliminating the need for a process such as heat treatment or shape correction. Moreover, the mechanical strength of the base material is not impaired. Furthermore, the present invention provides a method capable of performing processing on a member automatically by a machine instead of relying on skill.

本発明に係る蒸気タービンは、機械加工、あるいは肉盛り処理により翼面より所定形状盛り上げ形状とした蒸気タービン翼の先端前縁部に、加工液中に配置した先端前縁部と所定間隙離間して配置したSi電極間で放電を発生させ、Si電極より供給されたSi含有量1〜20wt%よりなる表面粗さRz20μm以下のSi表面層を形成する。
The steam turbine according to the present invention has a predetermined clearance from the front edge of the front end of the steam turbine blade, which is formed into a predetermined raised shape from the blade surface by machining or build-up processing. A discharge is generated between the arranged Si electrodes, and a Si surface layer having a surface roughness Rz of 20 μm or less and having a Si content of 1 to 20 wt% supplied from the Si electrodes is formed.

本発明によれば、Si電極を用いた放電により部材に安定して良質の皮膜を形成することができるため高い耐エロージョン性を発揮する表面層を形成することができ、エロージョンが発生した場合にも工数を最小限に抑えて補修することができる。   According to the present invention, a surface layer exhibiting high erosion resistance can be formed because a good quality film can be stably formed on a member by discharge using an Si electrode, and erosion occurs. Can be repaired with minimal man-hours.

放電表面処理システムの説明図である。It is explanatory drawing of a discharge surface treatment system. 放電表面処理における電圧、電流波形を示した図である。It is the figure which showed the voltage and electric current waveform in discharge surface treatment. 放電現象を表した図である。It is a figure showing the discharge phenomenon. 電極の抵抗値R、抵抗率ρ、面積S、長さLの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the resistance value R of an electrode, resistivity ρ, area S, and length L. 放電を検出できない場合の電流波形を示した図である。It is the figure which showed the electric current waveform when discharge cannot be detected. Siを含む表面層の分析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the surface layer containing Si. 耐エロージョンの評価試験の概略図である。It is the schematic of the evaluation test of erosion resistance. ステンレス基材の評価試験結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation test result of a stainless steel base material. ステライトの評価試験結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation test result of a stellite. TiC皮膜の評価試験結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation test result of a TiC film | membrane. Si表面層の評価試験結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation test result of Si surface layer. Si表面層の評価試験結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation test result of Si surface layer. Si表面層の条件一覧表である。It is a condition list of Si surface layer. Si表面層の表面写真である。It is a surface photograph of Si surface layer. Si表面層の断面写真である。It is a cross-sectional photograph of the Si surface layer. Si表面層が破壊された様子を示した写真である。It is the photograph which showed a mode that Si surface layer was destroyed. ステライトのエロージョンの様子を示した写真である。It is a photograph showing the state of erosion of Stellite. Si表面層の耐エロージョン特性図である。It is an erosion-resistant characteristic figure of Si surface layer. Si表面層にクラックが進展した写真である。It is the photograph which the crack progressed in Si surface layer. Si表面層の耐エロージョン特性図である。It is an erosion-resistant characteristic figure of Si surface layer. Si表面層の耐エロージョン特性図である。It is an erosion-resistant characteristic figure of Si surface layer. Si表面層のX線回折像である。2 is an X-ray diffraction image of a Si surface layer. 蒸気タービンの動翼に対してSi表面層を形成する様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that Si surface layer was formed with respect to the moving blade of a steam turbine. 蒸気タービンの動翼に対してSi表面層を形成する様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that Si surface layer was formed with respect to the moving blade of a steam turbine. 蒸気タービンの動翼に対してSi表面層を形成する様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that Si surface layer was formed with respect to the moving blade of a steam turbine. 蒸気タービン動翼の補修方法による補修の各過程におけるタービン動翼の断面を表す断面概略図である。It is the cross-sectional schematic showing the cross section of the turbine blade in each process of the repair by the repair method of a steam turbine blade. Si表面層に発生したエロージョンを補修した様子を示した写真である。It is the photograph which showed a mode that the erosion which generate | occur | produced in Si surface layer was repaired. Si表面層を形成させる段部の高さの健全な下限範囲を示す図である。It is a figure which shows the healthy minimum range of the height of the step part which forms Si surface layer. Si表面層を形成させる段部の高さの健全な上限範囲を示す図である。It is a figure which shows the healthy upper limit range of the height of the step part which forms Si surface layer. 本発明の補修方法が適用できる曲面の一例を断面から見た図である。It is the figure which looked at an example of the curved surface which can apply the repair method of this invention from the cross section. 本発明の補修方法が適用できる曲面の一例を断面から見た図である。It is the figure which looked at an example of the curved surface which can apply the repair method of this invention from the cross section.

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
実施の形態1.
Si電極と部材との間にパルス状の放電を発生させ、部材表面に耐エロージョン性の機能を有する組織を形成する放電表面処理方法の概略を図1に示す。
図において、1は固体形状の金属シリコン(Si)電極、2は蒸気タービン翼などの処理対象である部材、3は加工液である油、4は直流電源、5は直流電源4の電圧をSi電極1と部材2との間に印加する(あるいは停止する)ためのスイッチング素子、6は電流値を制御するための電流制限抵抗、7はスイッチング素子5のオンオフを制御するための制御回路、8はSi電極1と部材2の間の電圧を検出し放電が発生したことを検出するための放電検出回路である。
なお、蒸気タービン翼などの処理対象である部材2は、例えばSUS630やSUS410J1、SUS304、SUS316といった鉄基の合金である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows an outline of a discharge surface treatment method for generating a pulsed discharge between a Si electrode and a member to form a structure having an erosion resistance function on the member surface.
In the figure, 1 is a solid metal silicon (Si) electrode, 2 is a member to be treated, such as a steam turbine blade, 3 is an oil that is a working fluid, 4 is a DC power source, 5 is a voltage of a DC power source 4 A switching element for applying (or stopping) between the electrode 1 and the member 2, 6 a current limiting resistor for controlling the current value, 7 a control circuit for controlling on / off of the switching element 5, 8 Is a discharge detection circuit for detecting the voltage between the Si electrode 1 and the member 2 and detecting the occurrence of discharge.
The member 2 to be processed such as a steam turbine blade is an iron-based alloy such as SUS630, SUS410J1, SUS304, or SUS316.

次に動作について電圧、電流波形を示した図2を用いて説明する。
制御回路7によりスイッチング素子5をオンすることで、Si電極1と部材2との間に電圧が印加される。図示しない電極送り機構により、Si電極1と部材2との間の極間距離は適切な距離(放電が発生する距離)に制御されており、しばらくするとSi電極1と部材2との間に放電が発生する。予め電流パルスの電流値ieやパルス幅te(放電持続時間)や放電休止時間t0(電圧を印加しない時間)は設定しておき、制御回路7及び電流制限抵抗6により決定される。
放電が発生すると、放電検出回路8により、Si電極1と部材2との間の電圧の低下とタイミングから放電の発生を検出し、放電発生と検出された時から所定の時間(パルス幅te)後に制御回路7によりスイッチング素子5をオフする。
スイッチング素子5をオフした時から所定の時間(休止時間t0)後に再び制御回路7によりスイッチング素子5をオンする。
以上の動作を繰り返し行うことで連続して設定した電流波形の放電を発生させることができる。
Next, the operation will be described with reference to FIG. 2 showing voltage and current waveforms.
A voltage is applied between the Si electrode 1 and the member 2 by turning on the switching element 5 by the control circuit 7. An electrode feed mechanism (not shown) controls the distance between the Si electrode 1 and the member 2 to an appropriate distance (a distance at which discharge occurs). After a while, a discharge occurs between the Si electrode 1 and the member 2. Will occur. The current value ie, pulse width te (discharge duration) and discharge pause time t0 (time during which no voltage is applied) are set in advance and are determined by the control circuit 7 and the current limiting resistor 6.
When the discharge occurs, the discharge detection circuit 8 detects the occurrence of discharge from the voltage drop and timing between the Si electrode 1 and the member 2, and a predetermined time (pulse width te) from the time when the occurrence of discharge is detected. Later, the switching element 5 is turned off by the control circuit 7.
After a predetermined time (resting time t0) from when the switching element 5 is turned off, the control circuit 7 turns on the switching element 5 again.
By repeating the above operation, it is possible to generate a discharge having a continuously set current waveform.

尚、図1では、スイッチング素子をトランジスタとして描画しているが電圧の印加を制御できる素子であれば他のものでもよい。また、電流値の制御を抵抗器で行っているように描画しているが、電流値が制御できれば他の方法でもよいことはいうまでない。
また、図1の説明では、電流パルスの波形を矩形波としているが、他の波形でももちろんよい。電流パルスの形により電極をより多く消耗させてSi材料を多く供給したり、電極の消耗を減らしたりすることで材料を有効に使用するなどのことができるが、本明細書の中では詳細は論じない。
In FIG. 1, the switching element is depicted as a transistor, but other elements may be used as long as the application of voltage can be controlled. Further, the current value is drawn as if it was controlled by a resistor, but it goes without saying that other methods may be used as long as the current value can be controlled.
In the description of FIG. 1, the current pulse waveform is a rectangular wave, but other waveforms may be used. Depending on the shape of the current pulse, the electrode can be consumed more to supply more Si material, and the electrode can be used more effectively by reducing the consumption of the electrode. I will not discuss it.

以上のように連続してSi電極1と部材2との間に放電を発生させることで、部材2の表面にSiを多く含んだ層を形成することができる。
しかし安定して本目的にかなう良質のSi含有層を形成するためにはどのようなSiでもよいわけではなく、また、図1の回路にも必要な条件がある。このことについて、後ほど詳細に説明する。
By continuously generating a discharge between the Si electrode 1 and the member 2 as described above, a layer containing a large amount of Si can be formed on the surface of the member 2.
However, in order to stably form a high-quality Si-containing layer for this purpose, any Si may be used, and the circuit shown in FIG. 1 has necessary conditions. This will be described in detail later.

まず、Si電極及び回路の条件について説明する前に、放電表面処理に関する従来技術と本実施の形態との差異を明確にするために、放電加工による皮膜成形技術について説明する。
シリコンを放電加工の電極として用い、被加工物表面にアモルファス合金層若しくは微細な結晶構造をもつ高耐蝕、高耐熱特性の表面層を形成する手法が日本国特公平5-13765号公報に開示されている。
First, before describing the conditions of the Si electrode and the circuit, a film forming technique by electric discharge machining will be described in order to clarify the difference between the conventional technique related to the discharge surface treatment and the present embodiment.
Japanese Patent Publication No. 5-13765 discloses a method of using silicon as an electrode for electric discharge machining to form a surface layer with high corrosion resistance and high heat resistance characteristics with an amorphous alloy layer or a fine crystal structure on the surface of the workpiece. ing.

該公報に開示されたSi電極での放電加工は、電圧印加時間を3μs、休止時間を2μsと固定した周期的に電圧をオンオフする回路方式により、ピーク値Ipが1Aのエネルギを供給する手法である。
そのため、電圧を印加している3μsの期間において、放電が電圧パルスのどこで発生するかは全て異なり、実際の放電継続時間である電流が流れる電流パルス幅が逐次変化し、安定した皮膜形成は難しくなる。
The electric discharge machining with the Si electrode disclosed in the publication is a method of supplying energy with a peak value Ip of 1 A by a circuit system that periodically turns on and off the voltage with the voltage application time fixed at 3 μs and the pause time at 2 μs. is there.
Therefore, where the discharge occurs in the voltage pulse is all different in the period of 3 μs while the voltage is applied, and the current pulse width through which the current, which is the actual discharge duration, sequentially changes, and it is difficult to form a stable film. Become.

例えば、図3に例示する如く、周期的に電圧をオンオフする回路方式の電源では、電圧波形、電流波形が変化し、パルス毎のエネルギが異なる現象が生じ、電極材料であるSiを部材に供給する量、および、部材の表面を溶融させ表面層を作るエネルギがばらばらになるため、安定した処理が困難になる。
なお、図では、放電の電圧は一定、電流も一定としているが、実際には電圧は変動するし、電流も変動する。また、Siのような高抵抗の材料を電極とした場合には、Siでの電圧降下分も含んだ電圧になるため、電圧は高く、また、変動も大きくなる。
For example, as illustrated in FIG. 3, in a circuit-type power supply that periodically turns on and off the voltage, the voltage waveform and current waveform change, causing a phenomenon in which the energy of each pulse changes, and Si as an electrode material is supplied to the member The amount to be formed and the energy for melting the surface of the member to form the surface layer are different, and stable treatment becomes difficult.
In the figure, the discharge voltage is constant and the current is also constant, but in reality the voltage varies and the current also varies. Further, when a high-resistance material such as Si is used as the electrode, the voltage includes the voltage drop in Si, so that the voltage is high and the fluctuation is large.

次に、該公報が上述のように周期的に電圧をオンオフしなければならなかった理由について説明する。
該公報では、固有抵抗値0.01Ωcm程度の高抵抗材料であるシリコンを用い、非常に小さな電流パルスの条件を使用している。
そのため、放電のアーク電位を検出することで放電発生を検出する従来の制御方式では、電極が高抵抗材料である場合の放電発生時には、Si電極に電流が流れた場合の電圧降下の電圧が放電のアーク電位に加わった値となり、電圧降下の電圧が高い場合には、放電が発生しているにもかかわらず、回路は放電が発生したと認識できないからである。
Next, the reason why the publication has to periodically turn on and off the voltage as described above will be described.
In this publication, silicon, which is a high resistance material having a specific resistance value of about 0.01 Ωcm, is used, and a very small current pulse condition is used.
Therefore, in the conventional control method that detects the occurrence of discharge by detecting the arc potential of the discharge, when the discharge is generated when the electrode is a high resistance material, the voltage drop voltage when the current flows through the Si electrode is discharged. This is because, when the voltage of the voltage drop is high, the circuit cannot recognize that the discharge has occurred although the discharge has occurred.

また、従来の放電加工によるシリコン皮膜は、処理が大きくばらつき、安定してできないといった問題もあった。
この問題もSiが高抵抗であることに起因している。
例えば、図4に示すように電極の抵抗値Rは抵抗率をρ、面積をS、長さをLとすると、R=ρ・L/Sと表される。
しかし電極への給電の方法、すなわち、電極の保持方法により、ρが大きい場合にはRの値は大きくばらつくことになってしまう。
従来では、ρ=0.01Ωcmのシリコンを電極として使用しているが、これくらいの高抵抗の材料の場合には、無条件で処理ができるわけではない。例えば、Si電極が長く、一方の端をつかんで給電する場合には、電極が長い場合には、電極の抵抗が高く、短くなるに従い抵抗が低くなる。電極が長く抵抗が高い場合には、上述のように放電を検出できず、異常なパルスが発生する確率も高くなるし、異常が発生しない場合でも抵抗が高いため、放電の電流値が低くなる。
In addition, the conventional silicon film formed by electric discharge machining has a problem that the treatment is greatly varied and cannot be stably performed.
This problem is also caused by the high resistance of Si.
For example, as shown in FIG. 4, the resistance value R of the electrode is expressed as R = ρ · L / S, where ρ is the resistivity, S is the area, and L is the length.
However, depending on the method of supplying power to the electrode, that is, the method of holding the electrode, the value of R will vary greatly if ρ is large.
Conventionally, silicon with ρ = 0.01 Ωcm is used as an electrode. However, in the case of such a high resistance material, processing cannot be performed unconditionally. For example, when the Si electrode is long and the power is fed by holding one end, when the electrode is long, the resistance of the electrode is high, and the resistance decreases as the length becomes short. If the electrode is long and has high resistance, the discharge cannot be detected as described above, and the probability of occurrence of an abnormal pulse increases, and even if no abnormality occurs, the resistance is high, so the discharge current value is low. .

発明者らの研究では、ρ=0.01Ωcm程度の抵抗値のシリコンを電極として使用する場合、電極長さが数10mm程度以上になると放電が発生した場合の電流による電極での電圧降下が大きくなり異常な放電が発生し正常な表面層の形成が困難であったとなる場合があった。
また、このような異常な放電が起きる条件は、ほぼ、給電位置と放電の位置、すなわち、電極の長さによって決まり、電極の面積(太さ)にはあまり関係ないことがわかった。
これは、電流が電極内を流れる際に電極の断面全体を均一に流れるのではなく、ある細い経路を流れるからであると推測できる。したがって、0.01Ωcm以上の抵抗率のシリコンを電極として用いても放電が発生する位置と給電点を近くすれば安定した放電を発生させることは可能になる。例えば、1mm程度の板状のシリコンを金属に接合して給電すれば、抵抗値が0.05Ωcm程度でも安定した放電は可能であった。しかし、0.01Ωcmの電極でも数10mm程度以上、例えば100mm程度の長さになると、異常な放電が発生する場合があり、安定した処理は困難であった。
According to the inventors' research, when silicon having a resistance value of about ρ = 0.01 Ωcm is used as an electrode, if the electrode length exceeds about several tens of millimeters, the voltage drop at the electrode due to the current when a discharge occurs increases. In some cases, abnormal discharge occurs and it is difficult to form a normal surface layer.
Further, it has been found that the conditions under which such abnormal discharge occurs are almost determined by the feeding position and the discharge position, that is, the length of the electrode, and are not so much related to the area (thickness) of the electrode.
This can be presumed to be because when the current flows through the electrode, it does not flow uniformly across the entire cross section of the electrode, but flows through a narrow path. Therefore, even when silicon having a resistivity of 0.01 Ωcm or more is used as an electrode, it is possible to generate a stable discharge if the position where the discharge is generated is close to the feeding point. For example, if a plate-like silicon having a thickness of about 1 mm is bonded to a metal and power is supplied, stable discharge is possible even with a resistance of about 0.05 Ωcm. However, even with an electrode of 0.01 Ωcm, when the length is about several tens mm or more, for example, about 100 mm, abnormal discharge may occur, and stable treatment is difficult.

以上の議論のように発明者らの実験から以下のことが明らかとなった。
・シリコンを電極として油中でのパルス放電を利用して部材の表面にSiを含む表面層を、工業的に使用に耐えるように10μm程度の厚みで高速に形成するためには、抵抗の低いSiを用い、図1、図2に示したような放電のパルス幅(放電電流パルス)を制御(ほぼ同じパルス幅にそろえる)する方式の回路を使用しなければならない。
As described above, the following was clarified from experiments by the inventors.
In order to form a surface layer containing Si on the surface of the member with silicon as an electrode at a high speed of about 10 μm so as to withstand industrial use, the resistance is low. A circuit of a system using Si and controlling the discharge pulse width (discharge current pulse) as shown in FIGS. 1 and 2 (equalizing to almost the same pulse width) must be used.

・シリコンを電極として部材表面に10μm程度の表面層を形成するためには、抵抗値(比抵抗)は低い方がよい。工業的な実用を考慮し、電極の長さが100mm程度以上でも使用する場合を考えるとρが0.005Ωcm以下であることが望ましい。Siの抵抗値を下げるには、他の元素をドーピングするなど、いわゆる不純物の濃度を増せばよい。   In order to form a surface layer of about 10 μm on the surface of a member using silicon as an electrode, the resistance value (specific resistance) should be low. In consideration of industrial practical use, it is desirable that ρ is 0.005 Ωcm or less in consideration of the case where the electrode is used even when the electrode length is about 100 mm or more. In order to reduce the resistance value of Si, the concentration of so-called impurities may be increased, such as doping with other elements.

・ρが0.005Ωcm以上であっても、給電点と放電位置が近い場合には、安定した処理が可能である。その際の指標は、ρが0.005Ωcm以下の場合も含めて以下のようにすればよい。
すなわち、極間に印加する電圧が低下したことにより放電が発生したと認識し、その放電が発生したと認識した時点から所定の時間(パルス幅te)経過した後に電圧の印加を停止(すなわち放電を停止)させる電源により、Siを電極として部材表面にSiを含む表面層を形成する際に、放電が発生した際の抵抗体であるSi電極での電圧降下を含んだ極間電圧が、放電検出レベルよりも低くなる状態で処理を行えばよい。
Even if ρ is 0.005 Ωcm or more, stable treatment is possible if the feeding point and the discharge position are close. The index at that time may be as follows including the case where ρ is 0.005 Ωcm or less.
That is, it is recognized that a discharge has occurred due to a decrease in the voltage applied between the electrodes, and the application of the voltage is stopped after a predetermined time (pulse width te) has elapsed since the time when the discharge was recognized to occur (that is, the discharge) When the surface layer containing Si is formed on the surface of the member using Si as an electrode, the interelectrode voltage including the voltage drop at the Si electrode, which is a resistor when a discharge occurs, is discharged Processing may be performed in a state where the level is lower than the detection level.

一般的にアークの電位は25V〜30V程度であるが、放電検出レベルの電圧は、電源電圧よりも低く、アークの電位よりも高く設定すればよい。しかし、放電検出レベルを低く設定すれば、Siの抵抗値は低くしなければ放電が発生しても放電が発生したと認識できず、図5に示したような異常な長いパルスが生じてしまう危険が増える。
放電検出レベルを高く設定すれば、Siの抵抗がやや高くても放電が発生した場合には放電検出レベルを下回りやすくなる。すなわち、Siの抵抗値が低い場合には、電極が長くともよく、Siの抵抗値が高い場合には、Siの長さを短くして、放電が発生した場合の極間電圧が放電検出レベルよりも低くなるようにすればよい。放電検出レベルは、電源電圧よりも低く、アークの電位よりも高く設定すればよいが、以上の説明から、電源電圧よりもわずかに低いレベルに設定するのがよい。
発明者らの実験では、電源電圧よりも10V〜30V程度低い値に設定することが実用上もっとも汎用性があることがわかった。より厳密には、10V〜20V程度電源電圧よりも低い値とするのが使用できるSiにも幅ができて都合がよかった。
In general, the arc potential is about 25 V to 30 V, but the discharge detection level voltage may be set lower than the power supply voltage and higher than the arc potential. However, if the discharge detection level is set to a low value, it cannot be recognized that a discharge has occurred unless the resistance value of Si is low, and an abnormally long pulse as shown in FIG. 5 is generated. The danger increases.
If the discharge detection level is set high, even if the resistance of Si is slightly high, it becomes easy to fall below the discharge detection level when a discharge occurs. That is, when the resistance value of Si is low, the electrode may be long. When the resistance value of Si is high, the length of Si is shortened, and the voltage between the electrodes when discharge occurs is the discharge detection level. It is sufficient to make it lower. The discharge detection level may be set lower than the power supply voltage and higher than the arc potential, but from the above description, it is preferable to set the discharge detection level slightly lower than the power supply voltage.
In the experiments by the inventors, it has been found that setting the value about 10 to 30 V lower than the power supply voltage is most versatile in practice. More strictly, Si that can be used having a value lower than the power supply voltage by about 10V to 20V is convenient because it has a width.

以上のような条件を満たすことで、高抵抗材料であるSiを電極として用いて、自在な放電パルスを安定して発生させることができ、Siを含む表面層を部材に形成することができる。   By satisfying the above conditions, it is possible to stably generate a free discharge pulse using Si, which is a high resistance material, as an electrode, and to form a surface layer containing Si on the member.

さて、以上のようなSiを含む表面層ができるようになり、その性質を調べたところ以下のようなことがわかってきた。
図6はSiを含む表面層の分析結果である。上段左写真がSi表面層断面のSEM写真、上段中がSiの面分析結果、上段右はCrの面分析結果、下段左はFeの面分析結果、下段右(中)はNiの面分析結果である。
また、この結果からある程度の厚みがある表面層になっているが、Si表面層はSiが母材の上にのっているのではなく、Siが母材と一体化しており、母材にSiが高濃度で浸透したような状態の表面層になっていることがわかる。この表面層はSiの含有量を増した鉄基金属組織であり、被膜という表現は適切ではないため、以下簡単のため、Si表面層と呼ぶことにする。なお、この表面層は、成分分析により母材よりわずかでもSi量が増加した部分を、表面層と定義することとする。
このような状態であるので、表面層は他の表面処理方法とは異なり被膜が剥離することはない。この表面層について調べた結果、ある条件を満たす場合には極めて高い耐エロージョン性があることがわかった。エロージョンとは、部材に水などがあたり浸食する現象であり、水や蒸気の通る配管部品、あるいは、蒸気タービンの動翼などの故障の原因となる現象である。耐エロージョンのための技術としては、前述のように様々な先行技術があるが、それぞれが問題を有している。
Now, a surface layer containing Si as described above can be formed, and when the properties thereof are examined, the following has been found.
FIG. 6 shows the analysis result of the surface layer containing Si. The upper left photo is the SEM image of the Si surface layer cross section, the upper middle is the Si surface analysis result, the upper right is the Cr surface analysis result, the lower left is the Fe surface analysis result, and the lower right (middle) is the Ni surface analysis result. It is.
Moreover, although it is a surface layer with a certain thickness from this result, the Si surface layer does not have Si on the base material, but Si is integrated with the base material. It can be seen that the surface layer is in a state where Si has permeated at a high concentration. Since this surface layer is an iron-based metallographic structure with an increased Si content and the expression “film” is not appropriate, it will be referred to as an Si surface layer for the sake of simplicity. In this surface layer, a portion where the Si amount is slightly increased by the component analysis is defined as a surface layer.
Since it is in such a state, the surface layer does not peel off the coating unlike the other surface treatment methods. As a result of examining the surface layer, it was found that when a certain condition is satisfied, the surface layer has extremely high erosion resistance. Erosion is a phenomenon in which water or the like hits and erodes a member, and is a phenomenon that causes failure of piping parts through which water or steam passes, or a moving blade of a steam turbine. As techniques for erosion resistance, there are various prior arts as described above, but each has a problem.

ここでまず、所定の条件を満たすSi表面層の高い耐エロージョン性を示す実験結果について説明する。所定の条件については後述する。
本実施の形態の耐エロージョン性能について以下に試験結果を説明する。
図7は耐エロージョンの評価として試験片にウォータージェットを当てて浸食の様子を比較した試験の概略である。
ウォータージェットを200MPaの圧力で当てた。試験片としては、1)ステンレス基材、2)ステライト(一般的に、耐エロージョン用途に使用される材料)、3)放電によるTiC皮膜、4)本発明によるSiの多い表面層をステンレスに形成したもの、の4種類を使用した。
3)の皮膜は、国際公開番号WO01/005545に開示されている方法により形成したTiC皮膜であり、高い硬さを持っている被膜である。
それぞれの試験片に10秒間ウォータージェットを当て、試験片の浸食をレーザー顕微鏡により測定した。
First, experimental results showing the high erosion resistance of the Si surface layer satisfying the predetermined conditions will be described. The predetermined condition will be described later.
The test results of the erosion resistance performance of this embodiment will be described below.
FIG. 7 is an outline of a test in which the state of erosion was compared by applying a water jet to a test piece as an evaluation of erosion resistance.
A water jet was applied at a pressure of 200 MPa. As test specimens, 1) stainless steel substrate, 2) stellite (generally used for erosion-resistant applications), 3) TiC film by discharge, and 4) a Si-rich surface layer according to the present invention is formed on stainless steel. 4 types were used.
The film 3) is a TiC film formed by the method disclosed in International Publication No. WO01 / 005545, and has a high hardness.
A water jet was applied to each test piece for 10 seconds, and erosion of the test piece was measured with a laser microscope.

図8は1)の結果、図9は2)の結果、図10は3)の結果、図11は4)すなわち本実施の形態による表面層の場合の結果である。
図8に示される如く、ステンレス基材では10秒間ウォータージェットを当てた場合に約100μmの深さまで浸食されている。
それに対し、図9に示される如く、ステライト材では、浸食の様子が異なるものの、深さは60〜70μm程度であり、ステライト材での耐エロージョン性がある程度確認できた。
図10は、硬さの非常に高いTiC被膜の結果であるが、約100μmの深さまで浸食されており、耐エロージョンが表面の硬さだけによるのではないことがわかる結果となった。
8 shows the result of 1), FIG. 9 shows the result of 2), FIG. 10 shows the result of 3), and FIG. 11 shows the result of 4), that is, the surface layer according to the present embodiment.
As shown in FIG. 8, the stainless steel substrate is eroded to a depth of about 100 μm when a water jet is applied for 10 seconds.
On the other hand, as shown in FIG. 9, the stellite material has a different erosion state, but the depth is about 60 to 70 μm, and the erosion resistance of the stellite material was confirmed to some extent.
FIG. 10 shows the result of the TiC film having a very high hardness, but it was found that the erosion resistance was not solely due to the hardness of the surface because it was eroded to a depth of about 100 μm.

一方、図11は本実施の形態によるSiの表面層の場合の結果であるが、ほとんど浸食されていないことがわかる。
この表面層の硬さは約800HV程度(表面層の厚みが薄いため荷重10gとしてマイクロビッカース硬さ計で測定した。硬さの範囲は、おおよそ600〜1100Hvの範囲であった)であり、1)に示されるステンレス基材(350Hv程度)や、2)に示されるステライト材(420Hv程度)に比べると高いものの、3)に示されるTiC皮膜(約1500Hv)に比べると硬さは低い。
すなわち、耐エロージョン性は硬さだけでなく、他の性質も合わせた複合的な効果であることがわかる。
On the other hand, FIG. 11 shows the result in the case of the surface layer of Si according to the present embodiment.
The hardness of this surface layer is about 800 HV (the thickness of the surface layer was so thin that it was measured with a micro Vickers hardness tester with a load of 10 g. The hardness range was approximately 600 to 1100 Hv). The hardness is lower than that of the TiC film (about 1500 Hv) shown in 3), although it is higher than the stainless steel base material (about 350 Hv) shown in 2) and the stellite material (about 420 Hv) shown in 2).
That is, it can be seen that the erosion resistance is a combined effect that combines not only the hardness but also other properties.

図10では、硬い被膜であるにもかかわらず、えぐり取られたようにみえることから、表面だけ硬い場合でも表面に靭性がない薄い被膜の場合にはウォータージェットの衝撃で破壊されてしまうと推察される。
それに対して本実施の形態における4)の被膜は別の試験により靭性があり、変形にも耐えられる表面になっており、その点が高い耐エロージョン性を示す原因であると推察している。実験的には、薄板表面にTiC皮膜とSi表面層を形成し、折り曲げ試験を行なった場合、TiCにはクラックがすぐに入るが、Si表面層には入りにくかった。
In FIG. 10, although it is a hard coating, it seems to have been scooped out, so even if only the surface is hard, it is assumed that the thin coating with no toughness on the surface will be destroyed by the impact of the water jet. Is done.
On the other hand, the film of 4) in the present embodiment is tough according to another test and has a surface that can withstand deformation, and this point is presumed to be a cause of high erosion resistance. Experimentally, when a TiC film and a Si surface layer were formed on the surface of a thin plate and a bending test was performed, cracks immediately entered TiC, but did not easily enter the Si surface layer.

4)の表面層は厚さ5μm程度の厚さで試験しているが、被膜が薄い場合にはやはり強度が十分ではなく浸食がおきやすくなることが確認された。
先行技術である日本国特公平5−13765号公報では、Siの被膜について研究され、高い耐食性は明らかとされたにもかかわらず耐エロージョン性については発見できなかったのは表面層を厚くできなかったことが大きな原因の1つであると推察できる。
耐エロージョンの場合には、水などのエロージョンの原因となる物質の衝突する速度にもよるが、5μm以上の表面層のあることが望ましい。もちろん衝突する物質の速度が遅い場合には2〜3μm以上であれば十分効果を発揮する場合もある。
The surface layer of 4) was tested at a thickness of about 5 μm, but it was confirmed that when the coating was thin, the strength was not sufficient and erosion was likely to occur.
In Japanese Patent Publication No. 5-13765, which is a prior art, the coating of Si was studied and the high corrosion resistance was revealed, but the erosion resistance was not found but the surface layer could not be thickened. It can be inferred that this is one of the major causes.
In the case of erosion resistance, it is desirable that the surface layer has a thickness of 5 μm or more, although it depends on the collision speed of substances that cause erosion such as water. Of course, when the speed of the colliding substance is slow, a sufficient effect may be obtained if it is 2 to 3 μm or more.

4)に示されるSiの表面層に対する試験ではほとんど浸食が確認できなかったので、さらにSiの表面層に対する試験を延長して60秒間連続してウォータージェットを当てた結果を図12に示す。
ウォータージェットが当たった場所が少し磨かれた状態になり判別はできるが、ほとんど磨耗はしていないことがわかる。
以上より、本実施の形態の表面層の高い耐エロージョン性が確認できた。
Since almost no erosion was confirmed in the test for the Si surface layer shown in 4), FIG. 12 shows the result of extending the test for the Si surface layer and applying a water jet continuously for 60 seconds.
The place where the water jet hit is a little polished and can be distinguished, but it can be seen that there is almost no wear.
From the above, high erosion resistance of the surface layer of the present embodiment was confirmed.

以上の結果を踏まえ、蒸気タービンの用途に適切な条件を見出すための実験を行った。図13に示した各条件での被膜にウォータージェットを当てて浸食の様子を調べた。
図13には、各処理条件に対し、その条件の放電パルスのエネルギに相当する値である放電パルスの電流値の時間積分の値(A・μs)(矩形波であれば、電流値ie×パルス幅te)、その処理条件でのSi表面層の厚み、Si表面層のクラックの有無を示している。
処理条件は、横軸に電流値ie、縦軸にパルス幅teとして、その値の矩形波の電流パルスを使用した。この試験に使用した基材はSUS630である。
Si電極はρ=0.01Ωcmのものを使用し、放電パルスが正常に発生する範囲のサイズの電極を作成し、試験を行なった。
Based on the above results, an experiment was conducted to find appropriate conditions for the steam turbine application. The state of erosion was examined by applying a water jet to the coating film under each condition shown in FIG.
FIG. 13 shows, for each processing condition, the value of time integration of the current value of the discharge pulse (A · μs), which is a value corresponding to the energy of the discharge pulse of the condition (current value ie × Pulse width te), the thickness of the Si surface layer under the processing conditions, and the presence or absence of cracks in the Si surface layer.
As the processing conditions, a rectangular current pulse having a current value ie on the horizontal axis and a pulse width te on the vertical axis was used. The substrate used for this test is SUS630.
A Si electrode having a size of ρ = 0.01 Ωcm was used, and an electrode having a size within a range in which a discharge pulse was normally generated was prepared and tested.

図より、Si表面層の形成条件の1つとして、クラックの有無について見ることができる。クラックの有無は放電パルスのエネルギと相関が強く、放電パルスのエネルギ相当量である放電電流の時間積分値が80A・μs以下の範囲にあることがクラックのないSi表面層を形成するための条件であることがわかる。   From the figure, the presence or absence of cracks can be seen as one of the conditions for forming the Si surface layer. The presence or absence of cracks has a strong correlation with the energy of the discharge pulse, and the time integral value of the discharge current corresponding to the energy of the discharge pulse is in the range of 80 A · μs or less. It can be seen that it is.

もちろん加工条件によりクラックが入るか入らないかは、基材にも多少は影響を受ける。
例えばステンレス鋼と呼ばれる材料の中でも、SUS304のような固溶体である材料は比較的クラックが入りにくく、SUS630のような析出硬化型の材料では若干クラックが入りやすい傾向がある。蒸気タービンには一般的にSUS630等の析出硬化型のステンレス鋼が用いられるので、クラックの入らない望ましい範囲はSUS304のようなオーステナイト系のステンレス鋼よりは狭くなる。
Of course, whether or not cracks occur depending on the processing conditions is also somewhat affected by the substrate.
For example, among materials called stainless steel, a material that is a solid solution such as SUS304 is relatively hard to crack, and a precipitation hardening type material such as SUS630 tends to crack slightly. Since a precipitation hardening type stainless steel such as SUS630 is generally used for the steam turbine, a desirable range free from cracks is narrower than that of an austenitic stainless steel such as SUS304.

図13より、Si表面層の形成条件の他の1つとしてSi表面層の厚みがある。
図13からわかるように、Si表面層の厚みも放電パルスのエネルギ相当量である放電電流の時間積分値と相関があり、放電電流の時間積分値が小さいと厚みが小さくなり、放電電流の時間積分値が大きいと厚みも大きくなることがわかる。
ここで言うところの厚みはすなわち放電のエネルギで溶融し、電極成分であるSiが進入した範囲のことを言っている。
熱の影響の範囲は放電パルスのエネルギの大きさ相当量である放電電流の時間積分値の大きさで決まるが、進入するSiの量は放電の発生回数も影響する。放電が少ない場合には当然のことながらSiが十分に進入できないので、Si表面層のSiの量は少なくなる。逆に十分以上に放電が発生してもSi表面層のSi量はある値で飽和し、それ以上は増加しなくなる。
Si量が少ない場合には、後述するようなSi表面層の効果は十分に得られなくなる場合がある。Si量は、十分にSi表面層にSiが入った場合で、3〜11wt%であった。より安定して形成したSi表面層では6〜9wt%であった。ここで言うSi量は、エネルギ分散型X線分光分析法(EDX)により測定した値であり、測定条件は、加速電圧15.0kV、照射電流1.0nAである。またSi量は、表面層の中でほぼ最大の値を示した部分の数値である。
From FIG. 13, there is the thickness of the Si surface layer as another forming condition of the Si surface layer.
As can be seen from FIG. 13, the thickness of the Si surface layer also correlates with the time integral value of the discharge current, which is equivalent to the energy of the discharge pulse. It can be seen that the thickness increases as the integral value increases.
The thickness mentioned here refers to a range where Si, which is an electrode component, is melted by the energy of discharge and enters.
The range of the influence of heat is determined by the magnitude of the time integration value of the discharge current, which is an amount equivalent to the magnitude of the energy of the discharge pulse, but the amount of Si that enters also affects the number of occurrences of discharge. When the discharge is small, it is natural that Si cannot sufficiently enter, so the amount of Si in the Si surface layer is small. On the contrary, even if discharge occurs more than enough, the amount of Si in the Si surface layer is saturated at a certain value, and no more increases.
When the amount of Si is small, the effect of the Si surface layer as described later may not be sufficiently obtained. The amount of Si was 3 to 11 wt% when Si was sufficiently contained in the Si surface layer. The Si surface layer formed more stably was 6 to 9 wt%. The Si amount mentioned here is a value measured by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and the measurement conditions are an acceleration voltage of 15.0 kV and an irradiation current of 1.0 nA. Further, the amount of Si is a numerical value of a portion showing a substantially maximum value in the surface layer.

Si表面層のSi量は6〜9wt%が最適であり、この範囲では、処理した面が平滑であり、エロージョンの起点となるような面の荒れがほとんどない状態になる。Siが適量表面に入ることで、放電により溶融した基材材料と、電極のSiの材料が平滑に凝固することができる。Si量が少なくなると溶融した材料を平滑にする働きが少なくなり3wt%を下回ると、放電により溶融し、凝固した材料が固まる際の凹凸部がより目立つようになり、水滴などが衝突したときにダメージの起点になる部分ができ、耐エロージョン性が低下することがわかった。
逆にSi量を多くするには、パルス幅teを長くすることが必要となり、パルス幅が長くなるとその条件により面の凹凸がやはり大きくなることがわかった。
Si量を11wt%以上にしようとすると面の凹凸が大きくやはりダメージの起点になる部分が増えることがわかった。
以上より、Si表面層のSi量は3〜11wt%、より望ましくは6〜9wt%であることがわかった。以上のような効果が得られる範囲のSi表面層では硬さが600〜1100Hvであった。
The optimum amount of Si in the Si surface layer is 6 to 9 wt%. In this range, the treated surface is smooth, and there is almost no surface roughness that is the starting point of erosion. When Si enters the surface in an appropriate amount, the base material melted by the discharge and the Si material of the electrode can be solidified smoothly. When the amount of Si decreases, the function of smoothing the melted material decreases, and when it is less than 3 wt%, the unevenness when the solidified material is melted by solidification becomes more noticeable, and when water droplets collide It was found that there was a starting point of damage and the erosion resistance was lowered.
Conversely, in order to increase the amount of Si, it is necessary to increase the pulse width te, and it has been found that the unevenness of the surface also increases depending on the condition when the pulse width is increased.
It was found that when the Si amount was increased to 11 wt% or more, the unevenness of the surface was large, and the portion that was the starting point of damage increased.
From the above, it was found that the Si amount in the Si surface layer was 3 to 11 wt%, more preferably 6 to 9 wt%. The hardness of the Si surface layer in the range where the above effects were obtained was 600 to 1100 Hv.

後述の段落0042でも触れるが、本実施の形態により処理されたSi表面層はアモルファス構造を有しているため耐エロージョン性が高くなる。ただし、アモルファス構造を有しているだけでは耐エロージョン性の確保は不十分で、上述の通り、表面粗さも重要な要素となる。発明者らの検討により、本発明の耐エロージョン性と表面粗さの関係を調査した結果、表面粗さが小さくなるほど耐エロージョン性が高くなることがわかっている。蒸気タービンの翼の表面粗さは10〜20μmであることが知られている。そこで、Si表面層を形成させる基材の表面粗さと、その表面にSi量が3〜11wt%となるように形成したSi表面層の上述の耐エロージョン性評価を行ったところ、Rz(最大高さ)が20μm以下の場合に耐エロージョン性が良好であることが確認された。信頼性の観点では、Rz8μm以下であるとより好ましい。
説明が後になったが、表面粗さの測定方法は次の通りである。測定装置はTaylorHobson製フォームタリサーフを用い、スタンダードのスタイラスで、測定長さを4.8mm、高域カットオプ長0.8mm、バンド幅比100:1、フィルタタイプをガウシアンとして測定した。測定した値はJISのB0601:2001に準拠した。
As described later in paragraph 0042, since the Si surface layer treated according to the present embodiment has an amorphous structure, the erosion resistance is improved. However, the erosion resistance cannot be ensured simply by having an amorphous structure, and the surface roughness is an important factor as described above. As a result of investigation by the inventors, the relationship between the erosion resistance and the surface roughness of the present invention has been investigated, and it has been found that the erosion resistance increases as the surface roughness decreases. It is known that the surface roughness of a steam turbine blade is 10 to 20 μm. Then, when the above-mentioned erosion resistance evaluation of the surface roughness of the substrate on which the Si surface layer is formed and the Si surface layer formed so that the Si amount is 3 to 11 wt% on the surface was performed, Rz (maximum height) It was confirmed that the erosion resistance was good when the thickness was 20 μm or less. From the viewpoint of reliability, Rz is preferably 8 μm or less.
Although explained later, the method for measuring the surface roughness is as follows. The measuring apparatus used was a foam holy surf manufactured by TaylorHobson, and a standard stylus was used. The measurement length was 4.8 mm, the high-frequency cut op length was 0.8 mm, the bandwidth ratio was 100: 1, and the filter type was Gaussian. The measured value was based on JIS B0601: 2001.

Si表面層のSi量が面の表面粗さに影響する点について述べたが、その一例を図14、図15に示す。
Si電極での同一処理条件での処理を時間毎に変えて行い、Si表面層の表面(図14)、及び、Si表面層の断面(図15)の様子を観察したものである。
すべての処理を処理条件一定で行なっているので、処理条件はすなわち発生した放電の回数の比とほぼ同じと考えてよい。すなわち、処理時間が短い場合には放電回数が少なく、処理時間が長い場合には放電の回数が多いことになる。(ただし、処理時間は休止時間などの条件により変わるため、同一放電パルス数を発生させるためには、休止時間が変化すれば必要な処理時間はかわる。)
図に示したSi表面層の処理時間は3分、4分、6分、8分である。図から以下のことが言える。
処理時間が短い場合(3分)ではまだ面の凹凸が多く、表面に小さな突起状の部分が存在するのが観察される。(図示は省略するが、より短いとさらに突起状の部分が多く、処理時間3分程度で突起が目立たなくなる。)
処理時間を増していくと、これらの凹凸、突起が少なくなり平滑になっていく様子がわかる。
一方断面写真を見ると、処理時間3分から8分までの断面で、Si表面層の厚みはほとんど変化のないことがわかる。それぞれの被膜のSi量を分析すると、処理時間3分の表面層が約3wt%、処理時間4分の表面層が約6wt%、処理時間6分の表面層が約8wt%、処理時間8分の被膜が約6wt%であった。処理時間が短い場合にはSiが十分に表面層に入っていないが、ある程度処理時間が経過(この条件では4分)するとSiがほぼ十分に入り、面が平滑になることがわかった。以上より、Siが少ないと面の平滑性が悪く、3wt%以上は必要であり、より望ましくは6wt%以上必要なことがわかる。
The point that the amount of Si in the Si surface layer affects the surface roughness of the surface has been described. One example is shown in FIGS.
The processing under the same processing conditions with the Si electrode was performed at different times, and the surface of the Si surface layer (FIG. 14) and the cross section of the Si surface layer (FIG. 15) were observed.
Since all the processing is performed under the constant processing conditions, it can be considered that the processing conditions are substantially the same as the ratio of the number of generated discharges. That is, when the processing time is short, the number of discharges is small, and when the processing time is long, the number of discharges is large. (However, since the processing time varies depending on conditions such as the pause time, the required processing time changes if the pause time changes in order to generate the same number of discharge pulses.)
The treatment times for the Si surface layer shown in the figure are 3, 4, 6, and 8 minutes. The following can be said from the figure.
When the treatment time is short (3 minutes), there are still many irregularities on the surface, and it is observed that there are small protrusions on the surface. (Although illustration is omitted, if the length is shorter, there are more protrusion-like parts, and the protrusions become inconspicuous in about 3 minutes of processing time.)
It can be seen that as the processing time is increased, these irregularities and protrusions decrease and become smoother.
On the other hand, the cross-sectional photograph shows that the thickness of the Si surface layer hardly changes in the cross section from the processing time of 3 minutes to 8 minutes. When the amount of Si in each coating is analyzed, the surface layer with a treatment time of 3 minutes is about 3 wt%, the surface layer with a treatment time of 4 minutes is about 6 wt%, the surface layer with a treatment time of 6 minutes is about 8 wt%, and the treatment time is 8 minutes. Was about 6 wt%. When the treatment time is short, Si is not sufficiently contained in the surface layer. However, when the treatment time has passed to some extent (4 minutes under this condition), it has been found that Si enters almost enough and the surface becomes smooth. From the above, it can be seen that when the amount of Si is small, the smoothness of the surface is poor and 3 wt% or more is necessary, and more desirably 6 wt% or more is necessary.

説明が後になったが、Si表面層の性能について以下に論じる。
なお、エロージョンには大きく2つのモードがあり、1つは水の衝撃で大きく抉り取られるモード、もう1つは水が強く当たり表面を流れる際に表面を引っかき削りとるモードである。
図16は厚さ3μmのSi表面層にウォータージェットを200MPaで60秒当てたときにSi表面層が破壊された結果である。細かく剥ぎ取られたような痕は見えないものの、大きく抉り取られるように破壊されていることがわかる。これは、水の衝突により擦り取られた傷ではなく、ウォータージェットで大量の水を当てているための衝撃にSi表面層が耐えられずに破壊された結果であると考えられる。すなわち、Si表面層が4μm以下と薄い場合には、水が強く当たり表面を流れる際に表面を引っかき削りとるモードに対しては効果があるが、水の衝撃で大きく抉り取られるモードに対しては、効果が少ないということを示している。
また、図17は耐エロージョン性が高いとされる材料であるステライトNo6単体であり、90MPaのウォータージェットを60秒当てた場合の結果である。図では、水が強く当たり表面を流れる際に表面を引っかき削りとるモードを示している。
Although explained later, the performance of the Si surface layer is discussed below.
There are two major modes of erosion. One is a mode in which the surface is greatly scraped off by the impact of water, and the other is a mode in which the surface is scraped off when the water is strongly hit and flows through the surface.
FIG. 16 shows the result of destruction of the Si surface layer when a water jet was applied to the Si surface layer having a thickness of 3 μm at 200 MPa for 60 seconds. It can be seen that although the traces that were finely peeled off are not visible, they are destroyed so as to be largely scraped off. This is considered to be a result of the Si surface layer being destroyed without being able to withstand the impact caused by the application of a large amount of water with a water jet, not the scratches scraped off by the collision of water. That is, when the Si surface layer is as thin as 4 μm or less, it is effective for a mode in which water is strongly hit and scratches the surface when flowing through the surface, but for a mode in which the surface is greatly scraped off by the impact of water. Indicates that the effect is small.
FIG. 17 shows a result of Stellite No 6 alone, which is a material having high erosion resistance, when a 90 MPa water jet is applied for 60 seconds. The figure shows a mode in which the surface is scraped off when the water is strongly hit and flows through the surface.

次に、Si表面層の厚さと耐エロージョン性との関係を図18に示す。
図に示されるように、Si表面層の厚さが4μm以下では蒸気タービンで水滴がタービン翼に衝突する速度相当である音速程度の速度でウォータージェットを当てた場合には、Si表面層が薄いと被膜が耐えられず、表面が破壊される現象が高い確率で発生することがわかった。
Si表面層の厚みが薄いと衝撃に弱く、厚いと衝撃に強い理由は以下のように推察している。すなわち、Si表面層が薄い場合には、衝撃を受けていると歪が基材に徐々に蓄積され最後に母材の粒界から破壊が発生するが、Si表面層が厚い場合には、歪が母材に達しにくく基材が守られる一方で、Si表面層は非晶質に近い組織であるため粒界がなく粒界での破壊に至らないということである。
この観点で、Si表面層を厚くするためには、放電パルスのエネルギを大きくする必要があり、5μm以上にするためには、放電パルスのエネルギは30A・μs以上である必要があることがわかった。
Next, the relationship between the thickness of the Si surface layer and the erosion resistance is shown in FIG.
As shown in the figure, when the thickness of the Si surface layer is 4 μm or less, the Si surface layer is thin when a water jet is applied at a speed of about sonic speed corresponding to the speed at which water droplets collide with the turbine blades in the steam turbine. It was found that the phenomenon that the film could not be tolerated and the surface was destroyed occurred with high probability.
The reason why the Si surface layer is thin is weak against impact, and when the Si surface layer is thick, the reason for strong shock is presumed as follows. That is, when the Si surface layer is thin, strain is gradually accumulated on the base material when impact is applied, and finally the fracture occurs from the grain boundary of the base material. However, when the Si surface layer is thick, the strain is Is difficult to reach the base material, and the base material is protected. On the other hand, the Si surface layer has a structure close to an amorphous structure, so there is no grain boundary and no breakage occurs at the grain boundary.
From this point of view, in order to increase the thickness of the Si surface layer, it is necessary to increase the energy of the discharge pulse, and in order to increase the thickness to 5 μm or more, the energy of the discharge pulse needs to be 30 A · μs or more. It was.

以上のようにSi表面層の膜厚を厚くすることで耐エロージョン性を上げることができるが、一方で、膜厚を厚くすることに伴う問題もあり、そのことが原因で耐エロージョン性を悪化させることがある。前述のように、Si表面層を厚くするためには、放電パルスのエネルギを大きくする必要があるが、放電のエネルギを大きくするに従い、熱の影響も大きくなり、表面にクラックが発生するようになる。クラックは、放電パルスのエネルギが大きくなるほど入りやすくなり、前述のように、80A・μs以上のパルスで処理した場合には表面にクラックが入るようになる。
表面にクラックが入ると耐エロージョン性が著しく低下することがわかった。図19はウォータージェットを当てることでクラックが進展した様子を示している。さらに継続するとある範囲で大きく被膜が破壊される。80A・μsのエネルギのパルス条件で処理した場合に膜厚は10μm程度になり、これが事実上の耐エロージョン用途のSi表面層の上限値になることがわかった。
クラックの観点で、Si表面層の膜厚と耐エロージョン性との関係を図示すると、図20のようになる。図18と図20をあわせると、Si表面層の膜厚と耐エロージョン性との関係は図21のようになることがわかった。
As described above, the erosion resistance can be increased by increasing the film thickness of the Si surface layer, but there is also a problem associated with increasing the film thickness, which deteriorates the erosion resistance. There are things to do. As described above, in order to increase the thickness of the Si surface layer, it is necessary to increase the energy of the discharge pulse. However, as the discharge energy is increased, the influence of heat increases and cracks are generated on the surface. Become. The crack becomes easier to enter as the energy of the discharge pulse increases, and as described above, the crack is generated on the surface when the pulse is processed with a pulse of 80 A · μs or more.
It was found that the erosion resistance is remarkably lowered when cracks are formed on the surface. FIG. 19 shows a state in which a crack has progressed by applying a water jet. If it continues further, a film will be destroyed greatly within a certain range. It was found that when the film was processed under a pulse condition of energy of 80 A · μs, the film thickness was about 10 μm, and this was the practical upper limit value of the Si surface layer for erosion resistance.
From the viewpoint of cracks, the relationship between the film thickness of the Si surface layer and the erosion resistance is illustrated in FIG. 18 and 20, it was found that the relationship between the thickness of the Si surface layer and the erosion resistance is as shown in FIG.

以上をまとめると次のようになる。耐エロージョン性を有するSi表面層を形成するためには、Si表面層を5μm以上にすることが必要であり、そのためには放電パルスのエネルギは30A・μs以上である必要がある。
一方で、表面のクラックを防止するためには、放電パルスのエネルギは80A・μs以下であることが必要であり、そのためSi表面層は10μm以下となる。
このように、耐エロージョン性を得るには、表面粗さRzが20μm以下の基材に対して、Si表面層の層厚を5〜10μmと厚くして、Si量を3〜11wt%とする必要があることを見出した。この層厚のSi表面層を形成するための放電パルスのエネルギは30A・μs〜80A・μsであり、そのときのSi表面層硬さは、600Hv〜1100Hvの範囲であった。
The above is summarized as follows. In order to form a Si surface layer having erosion resistance, the Si surface layer needs to be 5 μm or more, and for this purpose, the energy of the discharge pulse needs to be 30 A · μs or more.
On the other hand, in order to prevent cracks on the surface, the energy of the discharge pulse needs to be 80 A · μs or less, and therefore the Si surface layer is 10 μm or less.
As described above, in order to obtain erosion resistance, the thickness of the Si surface layer is increased to 5 to 10 μm with respect to the substrate having a surface roughness Rz of 20 μm or less, and the Si amount is set to 3 to 11 wt%. I found it necessary. The energy of the discharge pulse for forming the Si surface layer having this layer thickness was 30 A · μs to 80 A · μs, and the Si surface layer hardness at that time was in the range of 600 Hv to 1100 Hv.

ところで、耐エロージョン性能として、本発明によるSi表面層が優れている理由については以下のように考えている。耐エロージョン性は、一般的には硬さと相関が強いといわれている。しかし、前述の評価結果からもわかるように、硬さだけでは説明のつかない点も多い。硬さ以外の要素としては、表面の性状が影響しており、粗い面より、より鏡面に近いほうが、耐エロージョン性が上がることがわかってきている。Si表面層で耐エロージョン性が優れている理由としても面の性状が挙げられる。Si表面層は硬さが600Hv〜1100Hvとある程度硬く、面の性状が滑らかな面になっている。このことが耐エロージョン性に影響していると考えている。
さらに、通常の高硬度な被膜(例えば前述のTiC被膜やPVD、CVDなどによる硬質被膜)は靭性が低く、わずかな変形により被膜が破壊されてしまうのに対し、Si表面層は靭性が高く変形を加えてもクラックなどが入りにくい性質を持っていることも高い耐エロージョン性の原因の1つであると考えている。さらに、Si表面層の結晶構造にも影響していると考えている。本発明の範囲の条件で形成したSi表面層のX線回折結果を図22に示す。図では基材のSUS630とその上にSi表面層を形成した場合の回折像を示している。Si表面層の回折像を見るとわかるように基材のピークは見えるものの、非晶質(アモルファス)組織の形成が認められる幅広いバックグラウンドが観察される。すなわちSi表面層は非晶質になっており、そのため通常の材料で発生しやすい結晶粒界での破壊がおきにくいと考えることができる。
この耐エロージョン性を有するのに必要な条件の1つとなる非晶質構造を持たせるには、Si量は1〜20wt%である。1wt%以下では非晶質構造が形成されず、20wt%以上とすると結晶化してしまう。
By the way, the reason why the Si surface layer according to the present invention is excellent as the erosion resistance is considered as follows. The erosion resistance is generally said to have a strong correlation with hardness. However, as can be seen from the above evaluation results, there are many points that cannot be explained only by hardness. As an element other than hardness, the surface properties have an influence, and it has been found that the erosion resistance is improved closer to a mirror surface than a rough surface. The surface properties can be cited as the reason why the erosion resistance is excellent in the Si surface layer. The Si surface layer has a hardness of 600Hv to 1100Hv to some extent, and has a smooth surface. This is thought to affect the erosion resistance.
Furthermore, ordinary hard coatings (eg, hard coatings such as the above-mentioned TiC coating, PVD, CVD, etc.) have low toughness and the coating is destroyed by slight deformation, whereas the Si surface layer has high toughness and deformation. It is considered that one of the causes of the high erosion resistance is that it has a property that cracks and the like are not easily generated even if added. Further, it is considered that the crystal structure of the Si surface layer is also affected. The X-ray diffraction results of the Si surface layer formed under the conditions within the scope of the present invention are shown in FIG. In the figure, a diffraction image in the case where SUS630 as a base material and a Si surface layer are formed thereon is shown. As can be seen from the diffraction pattern of the Si surface layer, although the peak of the substrate is visible, a wide background in which formation of an amorphous structure is recognized is observed. In other words, the Si surface layer is amorphous, so that it can be considered that the fracture at the crystal grain boundaries, which are likely to occur with ordinary materials, hardly occurs.
In order to have an amorphous structure which is one of the conditions necessary for having the erosion resistance, the amount of Si is 1 to 20 wt%. If it is 1 wt% or less, an amorphous structure is not formed, and if it is 20 wt% or more, crystallization occurs.

さて、本実施の形態により高い耐エロージョン表面層が得られることがわかったので、実際のアプリケーション技術について説明する。
なお、これ以降のアプリケーション技術では、これまで述べてきた基本技術を実際の用途に適用する技術について述べるので、以後の説明の中では繰り返さないが、今まで説明した技術を使用することが前提であることを断っておく。
Now, since it turned out that a high erosion-resistant surface layer is obtained by this Embodiment, an actual application technique is demonstrated.
In the following application technologies, the basic technology described so far will be described as a technology that is applied to actual applications, so it will not be repeated in the following description, but it is assumed that the technology described so far will be used. I refuse to be there.

本発明の蒸気タービン翼の製造方法並びに補修方法を説明する前に、現状の蒸気タービンの実際について説明する。前述の特許文献にも説明があるように、蒸気タービンでエロージョンが起きるのは動翼の前縁部などの部分である。現状の蒸気タービンのエロージョンが発生する部位、特に低圧タービン動翼の前縁部や先端部には、ろう付けや溶接などによってステライトなどの耐エロージョン性の材料を被覆している。ろう付けの場合、翼側のろう付けされる箇所はプレートが収まるようにくぼんでおり、このくぼみに収めるように、ステライトなどの耐エロージョン性の材料のプレートをろう付けするが、この時プレートの表面は蒸気タービン翼の面よりも0.5mm程度嵩高い状態となっている。通常このまま使用することが多い。先端部は溶接によりステライトを肉盛る場合があるが、その後は手作業により曲面が作られるため、形状はそれぞれ多少異なることがほとんどである。   Prior to describing the manufacturing method and repair method of the steam turbine blade of the present invention, the actual state of the current steam turbine will be described. As described in the aforementioned patent document, erosion occurs in the steam turbine at a portion such as a leading edge portion of the moving blade. A portion where erosion of the current steam turbine occurs, particularly a front edge portion and a tip portion of a low-pressure turbine rotor blade, is coated with an erosion-resistant material such as stellite by brazing or welding. In the case of brazing, the part to be brazed on the wing side is recessed so that the plate can be accommodated, and a plate of erosion resistant material such as stellite is brazed so that the plate is accommodated. Is about 0.5 mm bulkier than the surface of the steam turbine blade. Usually, it is often used as it is. In some cases, stellite is built up at the tip by welding, but after that, a curved surface is created manually, so the shapes are almost different from each other.

続いて、本発明の蒸気タービン翼の製造方法並びに補修方法を説明する。
図23はエロージョンが問題となることの多い蒸気タービンの動翼に対して本発明のSi表面層を形成する様子を示している。
図において、11はSi電極、12は被処理部材である蒸気タービン動翼、13は蒸気タービン動翼12の表面に形成されたSiを含む表面層である。蒸気タービン動翼12は図示しない治具により位置決めされ、固定される。なお、図では強調されているが、蒸気タービン動翼12のSiを含む表面層を形成させる面は0.5mm段状に盛り上げている。また、本実施の形態で使用した蒸気タービン翼2の材質はSUS630である。
実際の加工に際しては、根元のツリー部分を固定すれば安定して固定することができる。
放電による表面層形成の際には、放電する部分は油中に浸漬させる必要があるので、図示しない治具も油を貯めるための加工槽内に設置するのが実用上は便利である。
Then, the manufacturing method and repair method of the steam turbine blade of this invention are demonstrated.
FIG. 23 shows how the Si surface layer of the present invention is formed on the rotor blade of a steam turbine, where erosion often causes a problem.
In the figure, 11 is a Si electrode, 12 is a steam turbine blade that is a member to be treated, and 13 is a surface layer containing Si formed on the surface of the steam turbine blade 12. The steam turbine rotor blade 12 is positioned and fixed by a jig (not shown). Although emphasized in the figure, the surface of the steam turbine rotor blade 12 on which the surface layer containing Si is formed is raised in a step of 0.5 mm. The material of the steam turbine blade 2 used in the present embodiment is SUS630.
In actual processing, if the root tree portion is fixed, it can be stably fixed.
When forming the surface layer by electric discharge, it is necessary to immerse the portion to be discharged in oil, so it is practically convenient to install a jig (not shown) in the processing tank for storing the oil.

図では、耐エロージョン性が要求される部位の形状に合わせたSi電極を作り、図示しない油の中で蒸気タービン動翼と対向させる。
Si電極と相手材(タービン動翼)の間に長時間放電させても相手部材(タービン動翼)にダメージを与えないので、放電により形状をならわせてもよい。溶接や溶射あるいはろう付けによる耐エロージョン材料の被覆では入熱が大きく部材が変形してしまうが、本放電表面処理による方法では、変形がほとんどないため、部材の形状に合わせた電極ができればそのまま繰り返し使用することができる。
よって、従来の方法が人手による熟練の必要な方法であったのに対し、本実施の形態では、作業を機械が行うため、人によらず安定した処理ができる。
In the figure, a Si electrode matching the shape of a part requiring erosion resistance is made and opposed to a steam turbine rotor blade in oil (not shown).
Even if the discharge is performed between the Si electrode and the counterpart material (turbine rotor blade) for a long time, the counterpart member (turbine rotor blade) is not damaged, and the shape may be made uniform by discharge. When coating with an erosion resistant material by welding, thermal spraying or brazing, the heat input is large and the member is deformed. However, with the method using this discharge surface treatment, there is almost no deformation, so if an electrode that matches the shape of the member can be formed, it is repeated as it is. Can be used.
Therefore, while the conventional method is a method that requires manual skill, in the present embodiment, since the machine performs the work, stable processing can be performed regardless of the person.

上記方法により、蒸気タービン動翼に自動で、耐エロージョン性の高い表面層を形成することができるが、大きな面積の電極を形成するのがやはり大変な場合もある。
そのような場合には、図24のように薄い電極を作り、電極を処理進行に従い走査することで必要な部分全体に処理を行うこともできる。図24では走査の方向が翼先端から根元に向かっているが、処理が必要な箇所を処理できれば走査方向は特に問わないのは言うまでもない。
蒸気タービン動翼の前縁部は湾曲しているため、同一の形状の電極で走査するだけでは電極形状が動翼断面の形状に合わないが、電極の厚みを薄くすることで電極の消耗を促進させ、処理面の形状にならいやすくすることができる。
Although the surface layer having high erosion resistance can be automatically formed on the steam turbine rotor blade by the above method, it may be difficult to form a large area electrode.
In such a case, a thin electrode as shown in FIG. 24 is formed, and the entire necessary portion can be processed by scanning the electrode as the processing proceeds. In FIG. 24, the scanning direction is from the tip of the blade toward the root, but it goes without saying that the scanning direction is not particularly limited as long as a portion requiring processing can be processed.
Because the front edge of the steam turbine blade is curved, the electrode shape does not match the cross-sectional shape of the blade by simply scanning with the same shape of the electrode, but reducing the electrode thickness reduces the consumption of the electrode. It can be promoted and can easily follow the shape of the treated surface.

以上の方法により、蒸気タービン動翼に自動で、耐エロージョン性の高い表面層を形成することができるが、処理面積が大きい場合には、処理時間が長くかかるという問題がある。その場合には、図25のように電極を分割し、それぞれ独立に給電することで処理時間を短縮することができる。
電極と電極の間の隙間は電極を電極間の間隙部分以上、わずかに移動させながら処理することで、隙間なく被膜を形成することができる。
By the above method, a surface layer having high erosion resistance can be automatically formed on the steam turbine rotor blade. However, when the processing area is large, there is a problem that it takes a long processing time. In that case, the processing time can be shortened by dividing the electrodes as shown in FIG.
By treating the gap between the electrodes while moving the electrode slightly beyond the gap between the electrodes, a coating can be formed without gaps.

通常蒸気タービン翼は、鍛造にて概略形状を作った後、切削加工などにより詳細形状を作り、その後耐エロージョン性を付与するためにろう付けや溶接の処理を行い、その後、歪とりのための処理、熱処理を経て、最後に仕上げ加工という工程で製造される。本発明の技術を用いれば、鍛造にて概略形状を作った後、切削加工などにより詳細形状を作り、仕上げ加工を行い、最後に、Si表面層を形成する処理を行なうことで、耐エロージョン性を付与することができる。工程も短縮でき、大幅なコストダウンが可能となる。また、後述するように、耐エロージョン性を付与する箇所を盛り上げる形状をもともと作っておくことで、その後の補修も損傷箇所の切除だけで補修が可能となり、補修作業も簡便になる。盛り上げる箇所は、鍛造にて概略形状を作った後、切削加工により作っても良いし、従来どおり形状の翼の上に肉盛溶接などによって盛り上げても良い。   Normally, a steam turbine blade is made by forging, then a detailed shape is created by cutting, etc., and then brazing or welding is performed to give erosion resistance, and then for distortion removal. After processing and heat treatment, it is finally manufactured in a process called finishing. By using the technique of the present invention, after making a rough shape by forging, make a detailed shape by cutting, etc., finish processing, and finally perform a process to form a Si surface layer, erosion resistance Can be granted. The process can be shortened and the cost can be greatly reduced. Further, as will be described later, by creating a shape that swells the portion that imparts erosion resistance, the subsequent repair can be performed only by excision of the damaged portion, and the repair work is simplified. The portion to be raised may be formed by cutting after making a rough shape by forging, or may be raised by overlay welding or the like on a blade having a shape as usual.

次に、上記の方法で作製され、補修が必要となった蒸気タービン翼についての、Siを含む表面層を形成した箇所(0.5mm段状に盛り上げた箇所)の補修方法とこの補修方法により再利用が可能となったタービン翼を、図26を用いて説明する。
図26はSiを含む表面層を形成した箇所の補修の各過程における一断面の模式図であり、図26(a)は損傷を受けたSi表面層である。図26(b)は損傷を受けた深さまで放電加工やグラインダーや研磨、研削等で段部を除去した状態を示している。グラインダーや研磨、研削の場合、Si表面層の耐エロージョン性能をより高めるためとその後のSi表面層を形成させる加工時間の短縮のため、Si表面層を形成する前の母材表面粗さは特に規定はないが、Si表面層を形成していない部分と同程度の表面粗さ以下にまで仕上げることが望ましい。これは、放電加工による表面除去についても同様である。特に本発明で使用するSi電極を用いて放電加工で除去する際は実質図26(b)の工程は省け、さらに工程数の削減することができる。図26(b)で仕上げられた面に対して、図26(c)のようにSi表面層を形成する。図26ではSi表面層よりも深い部位にまで損傷が進行している様子が描かれているが、Si表面層内で損傷がとどまっている場合には、Si電極により放電表面処理を施せば、表面がならい、補修が可能である。図27は、発生したエロージョン部を補修した一例として、前記ウォータージェット試験によって発生したクラックや損傷を上記方法で補修した様子を示している。
Next, the steam turbine blade manufactured by the above method and repaired at the place where the surface layer containing Si was formed (the place raised in a 0.5 mm step) and the repair method The turbine blades that can be reused will be described with reference to FIG.
FIG. 26 is a schematic diagram of one cross section in each process of repairing a portion where a surface layer containing Si is formed, and FIG. 26A shows a damaged Si surface layer. FIG. 26B shows a state in which the stepped portion is removed to the damaged depth by electric discharge machining, grinder, polishing, grinding, or the like. In the case of grinders, polishing, and grinding, the surface roughness of the base material before forming the Si surface layer is particularly important in order to further improve the erosion resistance of the Si surface layer and shorten the processing time for forming the subsequent Si surface layer. Although not specified, it is desirable that the surface roughness is equal to or less than that of the portion where the Si surface layer is not formed. The same applies to surface removal by electric discharge machining. In particular, when removing by electrical discharge machining using the Si electrode used in the present invention, the process of FIG. 26B can be omitted and the number of processes can be further reduced. An Si surface layer is formed on the surface finished in FIG. 26B as shown in FIG. In FIG. 26, a state in which damage has progressed to a deeper part than the Si surface layer is depicted, but when damage remains in the Si surface layer, if a discharge surface treatment is performed with the Si electrode, The surface is smooth and can be repaired. FIG. 27 shows a state in which cracks and damage generated by the water jet test are repaired by the above method as an example of repairing the generated erosion part.

上記のように、蒸気タービン翼の先端前縁部に、あらかじめ段状に盛り上げた(高くしておいた)箇所設け、本発明のような放電表面処理によるマイクロメートルオーダーの耐エロージョン性を有する層を形成させることで、段状の盛り上がりがなくなるまで簡便に(補修の工数を低減して)何度も補修することが可能となる上、肉盛溶接のように部材欠損部を埋めるような手法を不要とするため、部材の、特に部材と肉盛部境界の機械的強度の低下の心配がない。前述のように、耐エロージョン材のろう付けでは、0.5mm程度嵩高くなっているので、蒸気タービンの前縁部などの耐エロージョン被膜を施す箇所は蒸気タービン翼を製造する時点で盛り上げることは大きな問題とならない。さらにSi表面層により、ろう付けで心配となる欠陥やはく離といった問題が発生しなくなる。   As described above, a layer having a micrometer order erosion resistance by discharge surface treatment as in the present invention is provided at the front edge of the tip of the steam turbine blade in advance (higher) in a step shape. This makes it possible to repair easily (reducing repair man-hours) many times until the stepped bulge disappears, and to fill the missing part of the material like overlay welding Therefore, there is no concern about a decrease in mechanical strength of the member, particularly at the boundary between the member and the built-up portion. As described above, the brazing of the erosion-resistant material is about 0.5 mm bulky. It won't be a big problem. Furthermore, the Si surface layer eliminates problems such as defects and delamination that are a concern during brazing.

Si表面層を形成する箇所となる盛り上がり部分の高さについては、本実施の形態では0.5mmとしたが、段の高さはある程度自由で、耐エロージョン性が求められる部品の都合によるところが大きい。図28に示すように、蒸気タービンの場合、盛り上がりが0.005mmとすると、Si表面層の層厚は5〜10μm程度であるので、損傷がなかった時、ダメージのない健全なSi表面層を再度形成する際、一度しか補修ができなくなるので、これ以上の盛り上げは必要となる。また、図29に示すように、3mm以上盛り上げるとタービン中を流れる蒸気の流れを乱すため、機械としての効率が低下し、問題となる。したがって、蒸気タービン翼のSi表面層を形成する箇所の盛り上がりは、0.005mm〜3.0mmの範囲が良い。   In this embodiment, the height of the raised portion that forms the Si surface layer is set to 0.5 mm. However, the height of the step is somewhat free, and is largely due to the convenience of parts that require erosion resistance. . As shown in FIG. 28, in the case of a steam turbine, if the bulge is 0.005 mm, the thickness of the Si surface layer is about 5 to 10 μm. Therefore, when there is no damage, a healthy Si surface layer without damage is formed. When it is formed again, it can be repaired only once. Further, as shown in FIG. 29, when the height is increased by 3 mm or more, the flow of steam flowing in the turbine is disturbed, so that the efficiency as a machine is lowered, which causes a problem. Therefore, the rise of the portion forming the Si surface layer of the steam turbine blade is preferably in the range of 0.005 mm to 3.0 mm.

Si表面層を形成する面の形状は平面でなくとも良い。蒸気タービンの設計に合わせた曲面であっても、処理する際に使用するSi電極の放電面をその形状にならすか、あらかじめその形状に加工しておけばよい。補修時にSi表面層を形成する面をつくる(切除して新しい面を出す)際も同様である。盛り上がりの端部も図26では直角に表現されているが、なだらかとなっていても良い。また、蒸気タービンの先端のような複雑な曲面の場合は、例えば図30、図31に示すようにあらかじめ厚くしておけばよい。
段落0044で触れたように、蒸気タービン翼は多少形状が自由であるため、段落0052に記載の理由で、0.005mm〜3mmの範囲であれば、図30、図31に示されるように翼先端部が厚くなっても大きな問題にならない。
但し、蒸気タービン翼の自由曲面部においては、その寸法形状を考慮しなければならず、例えば径がΦ10mmの箇所に3mm程度盛り上げてしまうと曲面形状が大きく変わり、図28と同様に蒸気タービンの効率に悪い影響を及ぼしてしまうので、径の5%程度である0.500mm程度に抑えた方が良い。
The shape of the surface on which the Si surface layer is formed may not be a plane. Even if it is a curved surface adapted to the design of the steam turbine, the discharge surface of the Si electrode used for processing may be made to the shape or processed into the shape in advance. The same applies when creating a surface that forms the Si surface layer during repair (cutting out and creating a new surface). Although the swelled end is also represented as a right angle in FIG. 26, it may be gentle. In the case of a complicated curved surface such as the tip of a steam turbine, it may be thickened in advance as shown in FIGS. 30 and 31, for example.
As mentioned in paragraph 0044, since the steam turbine blade is somewhat free in shape, if it is in the range of 0.005 mm to 3 mm for the reason described in paragraph 0052, the blade as shown in FIGS. 30 and 31. Even if the tip becomes thick, it does not become a big problem.
However, in the free curved surface portion of the steam turbine blade, its dimensional shape must be taken into account. For example, if the diameter is raised to about 3 mm in a portion having a diameter of Φ10 mm, the curved surface shape is greatly changed. Since it will adversely affect the efficiency, it is better to keep it to about 0.500 mm which is about 5% of the diameter.

上述した段落0045〜0053では、蒸気タービン翼のSi表面層を形成させる部分を盛り上げる場合について記述したが、従来の蒸気タービン翼のように盛り上がった形状を有していないものについても同様に補修が可能である。ただし、このような部材に対する補修の場合、補修を重ねる度にSi表面層を形成する箇所がその周囲よりも落ち込むことになる。
その落ち込みは2mm以上となるとタービン中を流れる蒸気の流れが乱れ、タービンの効率が大きく低下したり、2mm以上でなくとも翼のもともとの厚さの半分以上肉薄になると翼としての機械強度が低下したりするで、エロージョンにより進行、またはその補修により落ち込んだ深さが0〜2mmまたは厚み比0.5以上の範囲であれば、このような補修方法を実施することが可能となる。
In the above paragraphs 0045 to 0053, the case where the portion where the Si surface layer of the steam turbine blade is formed is described as being raised, but repairing is also similarly performed for those that do not have a raised shape as in the conventional steam turbine blade. Is possible. However, in the case of repairing such a member, the portion where the Si surface layer is formed falls below the surroundings each time the repair is repeated.
If the drop is 2 mm or more, the flow of steam flowing through the turbine is disturbed, and the efficiency of the turbine is greatly reduced. If it is not 2 mm or more, the mechanical strength of the blade is reduced if it is thinner than half the original thickness of the blade. Therefore, such a repairing method can be carried out if the depth is 0 to 2 mm or the thickness ratio is 0.5 or more as a result of progressing by erosion or dropping by repairing.

実施の形態として、耐エロージョン部品としては蒸気タービンの動翼に適用する場合について述べたが、他にも耐エロージョン性が要求される耐エロ-ジョン部品用途には同様に適用できることは言うまでない。
例えば、配管内部の流体が強く当たる部分やキャビテーションを生じやすい形状の部分などには、同様の方法で処理することができる。このような用途には、他に燃料の噴射部品などがある。
As an embodiment, the case where the erosion-resistant component is applied to a moving blade of a steam turbine has been described, but it goes without saying that the erosion-resistant component can be similarly applied to other erosion-resistant components that require erosion resistance. .
For example, the same method can be used for a portion where the fluid inside the pipe is strongly hit or a portion that is likely to cause cavitation. Other applications include fuel injection components.

本発明に係る表面層成形方法は、耐エロ-ジョン部品への適用に有用である。   The surface layer forming method according to the present invention is useful for application to anti-erosion parts.

1 Si電極、2 部材、3 加工液、4 直流電源、5 スイッチング素子、6 電流制限抵抗、7 制御回路、8 放電検出回路、11 Si電極、12 蒸気タービン動翼、13 Siを含む表面層、14 Siを含む表面層に生じた損傷、15 Siを含む表面層、16 蒸気タービン動翼のSi表面層が形成される盛り上がり箇所、17 蒸気タービン動翼本体、18 損傷箇所がなくなるように切除された、蒸気タービン動翼のSi表面層が形成される盛り上がり箇所、19 新規に形成されたSiを含む表面層、20 部材、 21 肉付け部、 22 部材、 23 肉付け部、 24 部材、25 肉付け部。   1 Si electrode, 2 member, 3 machining fluid, 4 DC power supply, 5 switching element, 6 current limiting resistor, 7 control circuit, 8 discharge detection circuit, 11 Si electrode, 12 steam turbine blade, surface layer containing 13 Si, 14 Si-containing surface layer damage, 15 Si-containing surface layer, 16 Swelled portion where steam turbine blade Si surface layer is formed, 17 Steam turbine blade main body, 18 Cut away so as to eliminate the damaged portion Further, a raised portion where the Si surface layer of the steam turbine blade is formed, 19 a newly formed surface layer containing Si, 20 members, 21 fleshing portions, 22 members, 23 fluffing portions, 24 members, 25 fluffing portions.

Claims (6)

機械加工、あるいは肉盛り処理により翼面より所定形状盛り上げ形状とした蒸気タービン翼の先端前縁部に、加工液中に配置した前記先端前縁部と所定間隙離間して配置したSi電極間で放電を発生させ、前記Si電極より供給されたSi含有量1〜20wt%よりなる表面粗さRz20μm以下のSi表面層を形成したことを特徴とする蒸気タービン。 Between the Si electrode arranged at a predetermined gap from the front edge of the tip arranged in the machining liquid, at the front edge of the tip of the steam turbine blade, which has been raised from the blade surface by machining or build-up processing. A steam turbine characterized in that an electric discharge is generated to form an Si surface layer having a surface roughness Rz of 20 μm or less and having an Si content of 1 to 20 wt% supplied from the Si electrode . 前記Si表面層は、前記先端前縁部に厚さ5〜10μmで形成したことを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン。 The Si surface layer, a steam turbine according to claim 1, characterized in that it has a thickness 5~10μm to the tip leading edge. 前記Si表面層は、Si含有量3〜11wt%、硬度600〜1100HVの範囲の非晶質層とすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の蒸気タービン。 The Si surface layer, Si content 3~11wt%, the steam turbine according to claim 1 or claim 2, characterized in that the amorphous layer in the range of hardness 600~1100HV. 前記先端前縁部は、翼面より0.005〜3mmの範囲で盛り上げられていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の蒸気タービン。 The steam turbine according to any one of claims 1 to 3, wherein the leading edge of the tip is raised in a range of 0.005 to 3 mm from a blade surface. 前記蒸気タービンの表面層形成方法であって、
機械加工、あるいは肉盛り処理により前記翼面より所定形状の盛り上げ部を形成する盛り上げ工程と、
前記盛り上げ部が形成された前記蒸気タービンを加工液中に配置し、前記盛り上げ部に対し、前記Si電極を所定間隙離間して配置し、放電パルスの電流値の時間積分の値が30〜80A・μsの範囲である放電パルスを発生させることで、前記Si電極からSi成分を前記盛り上げ部に供給し、Si含有量1〜20wt%の前記Si表面層を表面粗さRz20μm以下形成する工程と、
から成る請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の蒸気タービンの表面層形成方法。
A method for forming a surface layer of the steam turbine,
A step raised to form a raised portion of a predetermined shape from the blade surface by machining or overlaying process,
The steam turbine in which the raised portion is formed is placed in the machining fluid, with respect to the raised portion, the Si electrode disposed a predetermined gap apart from the value of the time integral of the current value of the discharge pulse 30~80A A step of supplying a Si component from the Si electrode to the raised portion by generating a discharge pulse in the range of μs, and forming the Si surface layer having a Si content of 1 to 20 wt% with a surface roughness Rz of 20 μm or less. When,
The method for forming a surface layer of a steam turbine according to claim 1, comprising :
前記蒸気タービンの表面層補修方法であって、
前記翼面より所定形状で形成された盛り上げ部を機械加工あるいは放電加工により研削、研磨する工程と、
研削、研磨された前記盛り上げ部を加工液中に配置し、前記Si電極を所定間隙離間して配置し、放電パルスの電流値の時間積分の値が30〜80A・μsの範囲である放電パルスを発生させることで、前記Si電極からSi成分を前記盛り上げ部に供給し、Si含有量1〜20wt%の前記Si表面層を表面粗さRz20μm以下形成する工程と、
から成る請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の蒸気タービンの表面層補修方法。
A method for repairing a surface layer of the steam turbine ,
Grinding and polishing a raised portion formed in a predetermined shape from the blade surface by machining or electric discharge machining; and
Grinding, the raised portion which is polished and placed in a processing solution, the Si electrode disposed a predetermined gap spaced, discharge pulse value of the time integral of the current value of the discharge pulse is in the range of 30~80A · μs by generating the the steps of the supplying Si component into the raised portion of the Si electrode, forming the Si surface layer of the Si content 1 to 20 wt% or less surface roughness Rz20myuemu,
The method for repairing a surface layer of a steam turbine according to claim 1, comprising :
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