JPWO2006095799A1 - 表面処理方法及び修理方法 - Google Patents

Abstract

対象物上の限定された部位に緻密化した皮膜を形成するための方法を開示する。前記方法は、金属の粉末の圧縮体および焼結された金属の粉末の圧縮体よりなる群より選択した一を加工電極に適用し；対象物をワークピースとして前記加工電極から前記対象物上に第１の皮膜を放電堆積し；前記対象物をワークピースとして前記加工電極から前記第１の皮膜上に第２の皮膜を放電堆積し；真空、大気および酸化雰囲気からなる群より選択したいずれか一において、前記第２の皮膜を緻密化するべく前記対象物を加熱する各工程より構成される。

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの部品などのワークピースの所望の領域に放電を利用して皮膜ないし肉盛を形成するための方法及びこれを利用した修理方法に関する。

ガスタービンエンジンは高温下で高速回転するので、その部品は耐摩耗性、耐熱性ないし耐高温腐食性に関して高い性能が要求される。そのような性能が要求される部位は、当該部品において限定された部位であり、かつごく表面のみである。それゆえ、当該部位に限定して、セラミック等の最適な材料を皮膜として母材上に形成せしめることが、しばしば行われる。適用しうる方法としては、ＰＶＤ、ＣＶＤ、溶射等が列挙できるが、選択される材料によっては実施が困難であったり、極めて長時間の処理を必要としたり、また皮膜を局部的とするために、対象とする部位の周囲をマスキングする工程が必要になるなどの問題がある。

電極とワークピースとの間の放電を利用して皮膜を形成せしめる技術が、日本国特許公開Ｈ８−３００２２７号に開示されている。しかしながらこの技術の問題は、セラミックの種類により、ないし、作動条件により、しばしばポーラスな皮膜が生じることである。ポーラスな皮膜は粒子間の結合力が貧弱であって、十分な皮膜の強度を確保することが困難になりやすい。

本発明は、放電を利用して緻密なセラミックの皮膜ないし肉盛を形成する方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の局面によれば、対象物上の限定された部位に皮膜を形成するための方法は、金属の粉末の圧縮体および焼結された金属の粉末の圧縮体よりなる群より選択した一を加工電極に適用し；対象物をワークピースとして前記加工電極から前記対象物上に第１の皮膜を放電堆積し；前記対象物をワークピースとして前記加工電極から前記第１の皮膜上に第２の皮膜を放電堆積し；真空、大気および酸化雰囲気からなる群より選択したいずれか一において、前記第２の皮膜を緻密化ないし少なくとも部分的に酸化して固体潤滑物質を生ずるべく前記対象物を加熱する：工程を含む。

本発明の第２の局面によれば、欠陥を含む対象物から補修された製品を作成するための方法は、対象物の欠陥を囲む部分を除去し；金属の粉末の圧縮体および焼結された金属の粉末の圧縮体よりなる群より選択した一を加工電極に適用し；前記対象物をワークピースとして前記加工電極から前記部分に肉盛を放電堆積し；真空、大気および酸化雰囲気からなる群より選択したいずれか一において、前記肉盛を緻密化ないし少なくとも部分的に酸化して固体潤滑物質を生ずるべく前記対象物を加熱する：工程を含む。

望ましくは、前記加熱工程の前に、前記皮膜に含まれる細孔に固体潤滑材を充填する工程をさらに含む。また望ましくは、前記固体潤滑材は、ｈＢＮ、ＭｏＳ_２、ＢａＺｒＯ_３およびＣｒ_２Ｏ_３からなる群より選択されたいずれか一より本質的になる。さらに望ましくは、前記加熱工程の前に、前記皮膜に含まれる細孔に固体潤滑材を充填する工程をさらに含む。

なお望ましくは、ガスタービンエンジンの部品は、前記対象物を含む。さらになお望ましくは、ガスタービンエンジンは、前記部品を含む。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係わる対象物の模式図であって、図１（ｂ）（ｃ）は、前記対象物に対する表面処理方法を説明する図である。 図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、前記表面処理方法を説明する図である。 図３は、前記表面処理方法により対象物に肉盛を形成した場合における、融合部の厚さと肉盛の密着強度との関係を示す図である。 図４は、前記表面処理方法により対象物に肉盛を形成した場合における、融合部の厚さと対象物の変形との関係を示す図である。 図５は、本発明の第２の実施形態に係わる修理方法の対象物であるタービン動翼を示す斜視図である。 図６（ａ）は、前記タービン動翼におけるシュラウドの擦動面（修理対象の領域）の欠陥を示す模式図であって、図６（ｂ）は、前記修理方法を説明する図である。 図７（ａ）（ｂ）は、前記修理方法を説明する図である。 図８（ａ）（ｂ）は、前記修理方法を説明する図である。 図９（ａ）（ｂ）は、前記修理方法を説明する図である。

本明細書と添付の請求の範囲を通して、いくつかの用語を次のように定義して使用する。「放電堆積」なる語は、放電加工機において放電をワークピースの加工の代わりに電極の損耗に利用し、前記電極の素材を、ないし前記電極の素材と加工液ないし加工気体との反応生成物を、ワークピース上に堆積せしめること、と定義して使用する。また「放電堆積する」なる語は「放電堆積」の他動詞として定義して使用する。さらに「〜より本質的になる」なる句は、半閉鎖的に成分を規定することを意味し、すなわち、発明の基礎的および新規な性質に実質的に影響する規定されていない成分を排除するが、実質的に影響しない不純物等の成分を含むことを許容すること、として定義して使用する。

本発明の各実施形態において、放電加工機（その大部分は図示省略する）による放電堆積を利用する。放電堆積においては、対象物を放電加工機のワークピースとして放電加工機にセットし、前記対象物を加工槽内において、電極に近接して対向せしめる。ここで通常の放電加工であれば、外部電源からパルス状の電流を供給することにより、ワークピースと電極との間にパルス状の放電を発生させてワークピースを損耗させ、このことによりワークピースは電極の先端と相補的な形状に加工される。本発明による放電堆積においては、ワークピースを損耗させる代わりに、電極を損耗せしめ、電極の素材、ないし電極の素材と加工液ないし加工気体との反応生成物を、ワークピース上に堆積させる。堆積物は、ワークピース上に付着するだけでなく、放電のエネルギーを一部利用して、ワークピースとの間、及び堆積物の粒子相互に、拡散や溶着などの現象を同時に起こしうる。

本発明の第１の実施形態を、図１から図４を参照して以下に説明する。

本発明の第１の実施形態に係わる表面処理方法は、放電堆積により、図１（ａ）に示すような対象物１の対象部３に対して表面処理を行うための方法であって、次に示すような（Ｉ）薄膜形成工程と、（ＩＩ）肉盛層形成工程と、（ＩＩＩ）潤滑材充填工程と、（ＩＶ）高温保持工程とを具備している。

（Ｉ）薄膜形成工程
図１（ｂ）に示すように、対象物１をワークピースとして、放電加工機の加工槽５内において、電極７に対向せしめる。そして、加工槽５内に貯留した油Ｌ中において対象物１の対象部３と電極７との間にパルス状の放電を発生させる。これにより、放電堆積による堆積物が、薄膜９として対象物１の対象部３上に形成される。

ここで、電極７は、金属より本質的になる粉末からプレスによる圧縮によって成形した成形体、若しくは少なくとも部分的に焼結されるべく加熱処理した前記成形体である。なお、電極７は、圧縮によって成形する代わりに、泥漿、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）、溶射等によって成形しても差し支えない。

（ＩＩ）肉盛層形成工程
前記（Ｉ）薄膜形成工程が終了した後に、図１（ｃ）に示すように、加工槽５内の油Ｌ中において対象物１の対象部３と電極７の先端面との間にパルス状の放電を更に発生させる。これにより、薄膜９を更に成長させて、対象物１の対象部３に肉盛層１１が形成される。肉盛層１１は通常にはポーラスな組織を有する。

また、肉盛層１１と対象物１の母材との境界には、組成比が厚さ方向へ傾斜的に変化する融合部（融合層）１３が生成されており、肉盛層１１を形成する際に適正な放電条件を選択することによって、融合部１３は、厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるように構成されている。なお、前記適正な放電条件は、ピーク電流が３０Ａ以下で、パルス幅が２００μｓ以下であって、好ましくは、ピーク電流が２０Ａ以下で、パルス幅が２０μｓ以下である。

ここで、融合部１３の厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるようにしたのは、図３及び図４に示す試験結果に基づくものである。

即ち、放電条件を変えて、放電エネルギーによって対象物１の母材に肉盛層１１を形成した場合に、融合部１３の厚さと肉盛層１１の密着強度との関係が図３のようである。融合部１３の厚さが３μｍ以上になると、肉盛層１１の密着強度が高くなるという、新規な第１の知見を得ることができた。また、融合部１３の厚さと対象物１の母材の変形との関係が図４に示すようになり、融合部１３の厚さが２０μｍ以下であると、対象物１の母材の変形を抑えることできるという、新規な第２の知見を得ることができた。よって、新規な第１及び第２の知見から、対象物１の母材の変形を抑えつつ、肉盛層１１の密着強度を高めることができるように、融合部１３の厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるようにした。

なお、図３及び図４における横軸は、融合部１３の厚さを対数表示してあって、図３における縦軸は、肉盛層１１の密着強度を無次元化して表示してあって、図４における縦軸は、対象物１の母材の変形を無次元化して表示してある。

（ＩＩＩ）潤滑材充填工程
前記（ＩＩ）肉盛層形成工程が終了した後に、前記放電加工機から対象物１を取り外す。そして、図２（ａ）（ｂ）に示すように、肉盛層１１における多数の微細孔１５に固体潤滑材１７を液体に混ぜて刷毛塗り等によって充填する。なお、固体潤滑材１７は、ｈＢＮ、ＭｏＳ_２、ＢａＺｒＯ_３、又はＣｒ_２Ｏ_３より本質的になる。

（ＩＶ）高温保持工程
前記（ＩＩＩ）潤滑材充填工程が終了した後に、図２（ｃ）に示すように、熱処理炉１９の所定位置に対象物１をセットする。そして、熱処理炉１９によって真空中又は大気中で、肉盛層１１が緻密化ないし酸化するべく対象物１を加熱する。緻密化については後に説明するが、緻密化されたか否かは、通常、マクロ的ないしミクロ的な形態の観察により明瞭に判別しうる。

ここで緻密化するのに必要な加熱の温度と時間は、前記成形体を構成する金属の粉末の種類に依存するが、前記金属の粉末がＣｒを含むＣｏ合金の粉末である場合には、真空中における高温保持条件は、１０５０℃で２０分間保ち、続いて、７６０℃で４時間保つことであって、大気中における高温保持条件は、７６０℃で４時間保つことである。但し、肉盛層１１の潤滑性が要求されるときには、固体潤滑材１７が還元されずに、組織内のＣｒが少なくとも部分的に酸化して固体潤滑物質であるＣｒ_２Ｏ_３が生成されるように、大気中で所定時間だけ高温に保つことにする。

なお、大気以外の別の酸化雰囲気中で加熱しても差し支えない。

対象物１の対象部３にポーラスな組織からなる肉盛層１１を形成した後で、熱処理炉１９によって対象物１を真空中又は大気中で所定時間だけ高温に保つことにより、対象物１の対象部３と肉盛層１１との間の拡散現象、肉盛層１１の内部における粒子間の拡散現象を引き起こして、対象物１の対象部３と肉盛層１１との結合力、肉盛層１１の内部における粒子間の結合力を高める。特に、大気中等の酸化雰囲気中で所定時間だけ高温に保つようにした場合には、肉盛層１１を構成する物質は酸化を受けて、酸化物系セラミックスより本質的になる物質に変化する。前述の「緻密化」は、拡散による結合力の向上と、酸化による酸化物系セラミックスの生成とを包含した語である。

また、ポーラスな組織の肉盛層１１を形成した後に、肉盛層１１における多数の微細孔１５に固体潤滑材１７を充填することにより、固体潤滑材１７の潤滑作用によって肉盛層１１の摩擦抵抗を小さくして、相手部材との凝着を抑えることができる。

更に、融合部１３の厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるようにしたため、対象物１の母材の変形を抑えつつ、肉盛層１１の密着強度を高めることができる。

以上の如き、第１の実施形態によれば、対象物１の対象部３と肉盛層１１との間の拡散現象、肉盛層１１の内部における粒子間の拡散現象を引き起こして、対象物１の対象部３と肉盛層１１との結合力、肉盛層１１の内部における粒子間の結合力を十分に高めることができるため、表１に示すように、肉盛層１１の引張強さを高めることができ、肉盛層１１に大きな引張応力が作用しても、肉盛層１１に破断が生じることが少なくなって、表面処理済みの対象物１の品質を容易に安定させることができる。

更に、対象物１の母材の変形を抑えつつ、肉盛層１１の密着強度を高めることができるため、表面処理済みの対象物１の品質をより安定させることができる。

また、固体潤滑材１７の潤滑作用によって肉盛層１１の摩擦抵抗を小さくして、相手部材との凝着を抑えることができるため、肉盛層１１の耐摩耗性を高めて、表面処理済みの対象物１の品質を向上させることができる。特に、大気中等の酸化雰囲気中で所定時間だけ高温に保つようにした場合には、ポーラスな組織全体を酸化させて、酸化物系セラミックスを主体とした組織からなる肉盛層１１に変化させることができるため、肉盛層１１の耐酸化性及び熱遮蔽性を高めて、表面処理済みの対象物１の品質を更に向上させることができる。

本発明の第２の実施形態を、図５から図９を参照して以下に説明する。

図５に示すように、第２の実施形態に係わる修理方法の修理対象であるタービン動翼２１は、ジェットエンジン等のガスタービンエンジンに用いられるエンジン部品の一つであって、翼２３と、この翼２３の基端側に一体に形成されてインナー流路を有するプラットホーム２５と、このプラットホーム２５に一体に形成されかつタービンディスクのダブテール溝（図示省略）に嵌合するべく構成されたダブテール２７と、翼２３の先端側に一体に形成されかつアウター流路２９ｄを有したシュラウド２９とを備えている。

ここで、図６（ａ）に示すように、タービン動翼２１のシュラウド２９における一対の擦動面２９ｆは、隣接するタービン動翼２１におけるシュラウド２９の擦動面２９ｆとの擦動によって磨耗等の欠陥が生じ易く、タービン動翼２１におけるシュラウド２９の擦動面２９ｆが修理の対象部である。

そして、第２の実施形態に係わる修理方法は、タービン動翼２１のシュラウド２９における擦動面２９ｆを修理するための方法であって、次に示すような（ｉ）欠陥除去工程と、（ｉｉ）薄膜形成工程と、（ｉｉｉ）肉盛層形成工程と、（ｉｖ）潤滑材充填工程と、（ｖ）高温保持工程と、（ｖｉ）寸法仕上げ工程と、よりなる。

（ｉ）欠陥除去工程
タービン動翼２１を研削盤（研削盤の大部分を図示省略）の所定位置にセットする。そして、図６（ｂ）に示すように、前記研削盤における砥石３１を回転させつつ、研削加工によってシュラウド２９の擦動面２９ｆに生じた前記欠陥を含む部分を除去する。前記部分を除去することによりできる面を、以下では除去部３７と称する。

なお、研削加工の代わりに、放電加工等によって前記部分を除去するようにしても差し支えない。

（ｉｉ）薄膜形成工程
前記（ｉ）欠陥除去工程が終了した後に、図７（ａ）に示すように、タービン動翼２１を前記研削盤の所定位置から取り外して、放電加工機の加工槽３３内において、電極３５に対向せしめる。そして、加工槽３３に貯留した油Ｌ中において、シュラウド２９の除去部３７と電極３５との間にパルス状の放電を発生させる。これにより、放電堆積による堆積物が、薄膜３９としてシュラウド２９の除去部３７上に形成される。なお、電極３５は、前記第１の実施形態に係わる前記電極７と同様のものである。

（ｉｉｉ）肉盛層形成工程
前記（ｉｉ）薄膜層形成工程が終了した後に、図７（ｂ）に示すように、加工槽３３内の油Ｌ中においてシュラウド２９の除去部３７と電極３５との間にパルス状の放電を更に発生させる。これにより、薄膜３９を更に成長させて、シュラウド２９の除去部３７に肉盛層４１が形成される。肉盛層４１は通常にはポーラスな組織を有する。

また、肉盛層４１とタービン動翼２１の母材との境界には、組成比が厚さ方向へ傾斜的に変化する融合部（融合層）４３が生成されており、肉盛層４１を形成する際に適正な放電条件を選択することによって、融合部４３は、厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるように構成されている。なお、前記適正な放電条件は、ピーク電流が３０Ａ以下で、パルス幅が２００μｓ以下であって、好ましくは、ピーク電流が２０Ａ以下で、パルス幅が２０μｓ以下である。

ここで、融合部４３の厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるようにしたのは、第１の実施形態に係わる融合部１３と同様に、図３及び図４に示す試験結果に基づくものである。

（ｉｖ）潤滑材充填工程
前記（ｉｉｉ）肉盛層形成工程が終了した後に、前記放電加工機からタービン動翼２１を取り外す。そして、図８（ａ）（ｂ）に示すように、肉盛層４１における多数の微細孔４５に固体潤滑材４７を液体に混ぜて刷毛塗り等によって充填する。なお、固体潤滑材４７は、ｈＢＮ、ＭｏＳ_２、ＢａＺｒＯ_３、又はＣｒ_２Ｏ_３より本質的になる。

（ｖ）高温保持工程
前記（ｉｖ）潤滑材充填工程が終了した後に、図９（ａ）に示すように、熱処理炉４９の所定位置にタービン動翼２１をセットする。そして、熱処理炉４９によって真空中又は大気中で、肉盛層４１が緻密化するべくタービン動翼２１を加熱する。緻密化の意味は、前記第１の実施形態におけるものと実質的に同一である。

ここで緻密化するのに必要な加熱の温度と時間は、前記成形体を構成する金属の粉末の種類に依存するが、前記金属の粉末がＣｒを含むＣｏ合金の粉末である場合には、真空中における高温保持条件は、１０５０℃で２０分間保ち、続いて、７６０℃で４時間保つことであって、大気中における高温保持条件は、７６０℃で４時間保つことである。但し、肉盛層４１の潤滑性が要求されるときには、固体潤滑材４７が還元されずに、組織内のＣｒが酸化して固体潤滑材Ｃｒ_２Ｏ_３が生成されるように、大気中で所定時間だけ高温に保つことにする。

なお、大気以外の別の酸化雰囲気中で加熱しても差し支えない。

（ｖｉ）寸法仕上げ工程
前記（ｖ）高温保持工程が終了した後に、熱処理炉４９の所定位置からタービン動翼２１を取り外して、前記研削盤の所定位置にセットする。そして、図７（ａ）に示すように、前記研削盤における砥石３１を回転させつつ、肉盛層４１の厚さが所定の厚さになるように研削加工することにより、肉盛層４１を仕上げる。

なお、研削加工の代わりに、放電除去加工等を行っても差し支えない。

シュラウド２９の除去部３７にポーラスな組織からなる肉盛層４１を形成した後で、熱処理炉４９によってタービン動翼２１を真空中又は大気中で所定時間だけ高温に保つことにより、シュラウド２９の除去部３７と肉盛層４１との間の拡散現象、肉盛層４１の内部における粒子間の拡散現象を引き起こして、シュラウド２９の除去部３７と肉盛層４１との結合力、肉盛層４１の内部における粒子間の結合力を十分に高めることができる。

また、ポーラスな組織からなる肉盛層４１を形成した後に、肉盛層４１における多数の微細孔に固体潤滑材４７を充填することにより、固体潤滑材４７の潤滑作用によって肉盛層４１の摩擦抵抗を小さくして、相手金属部品との凝着を抑えることができる。

更に、融合部４３の厚さが３μｍ以上かつ２０μｍ以下になるようにしたため、タービン動翼２１の母材の変形を抑えつつ、肉盛層４１の密着強度を高めることができる。

従って、シュラウド２９の除去部３７と肉盛層４１との間の拡散現象、肉盛層４１の内部における粒子間の拡散現象を引き起こして、シュラウド２９の除去部３７と肉盛層４１との結合力、肉盛層４１の内部における粒子間の結合力を十分に高めることができるため、肉盛層４１の引張強さを高めることができ、肉盛層４１に大きな引張応力が作用しても、肉盛層４１に破断が生じることが少なくなって、修理済みのタービン動翼２１の品質を容易に安定させることができる。

また、タービン動翼２１の母材の変形を抑えつつ、肉盛層４１の密着強度を高めることができるため、修理済みのタービン動翼２１の品質をより安定させることができる。

更に、固体潤滑材４７の潤滑作用によって肉盛層４１の摩擦抵抗を小さくして、相手金属部品との凝着を抑えることができるため、肉盛層４１の耐摩耗性を高めて、修理済みのタービン動翼２１の品質を向上させることができる。

本発明を幾つかの好適な実施形態を参照して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、本技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。例えば、油Ｌの代わりに、電気絶縁性のある気体を使用するなど、適宜の変更が可能である。

放電を利用して緻密なセラミックの皮膜ないし肉盛を、簡易に形成することができる。

Claims (10)

1. 金属の粉末の圧縮体および焼結された金属の粉末の圧縮体よりなる群より選択した一を加工電極に適用し；
   対象物をワークピースとして前記加工電極から前記対象物上に第１の皮膜を放電堆積し；
   前記対象物をワークピースとして前記加工電極から前記第１の皮膜上に第２の皮膜を放電堆積し；
   真空、大気および酸化雰囲気からなる群より選択したいずれか一において、前記第２の皮膜を緻密化ないし少なくとも部分的に酸化して固体潤滑物質を生ずるべく前記対象物を加熱する：
   工程を含む、対象物上の限定された部位に皮膜を形成するための方法。
2. 前記加熱工程の前に、前記皮膜に含まれる細孔に固体潤滑材を充填する工程をさらに含む、請求項１の方法。
3. 前記固体潤滑材は、ｈＢＮ、ＭｏＳ_２、ＢａＺｒＯ_３およびＣｒ_２Ｏ_３からなる群より選択されたいずれか一より本質的になる、請求項２の方法。
4. 請求項１の前記対象物を含む、ガスタービンエンジンの部品。
5. 請求項４の部品を含む、ガスタービンエンジン。
6. 対象物の欠陥を囲む部分を除去し；
   金属の粉末の圧縮体および焼結された金属の粉末の圧縮体よりなる群より選択した一を加工電極に適用し；
   前記対象物をワークピースとして前記加工電極から前記部分に肉盛を放電堆積し；
   真空、大気および酸化雰囲気からなる群より選択したいずれか一において、前記肉盛を緻密化ないし少なくとも部分的に酸化して固体潤滑物質を生ずるべく前記対象物を加熱する：
   工程を含む、欠陥を含む対象物から補修された製品を作成するための方法。
7. 前記加熱工程の前に、前記皮膜に含まれる細孔に固体潤滑材を充填する工程をさらに含む、請求項６の方法。
8. 前記固体潤滑材は、ｈＢＮ、ＭｏＳ_２、ＢａＺｒＯ_３およびＣｒ_２Ｏ_３からなる群より選択されたいずれか一より本質的になる、請求項７の方法。
9. 請求項６の前記対象物を含む、ガスタービンエンジンの部品。
10. 請求項９の部品を含む、ガスタービンエンジン。

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