專利名稱：表面處理方法及修理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用放電在燃氣渦輪發(fā)動機部件等工件的要求區(qū)域上形成被 膜或堆焊的方法以及采用該方法的修理方法。
技術背景燃氣渦l侖發(fā)動機在高溫下高速旋轉，因而要求其部件具有高的耐磨損性、 耐熱性或者耐高溫腐蝕性等性能。要求這樣的性能的部位，是在該部件上限定 的部位，而且僅僅是最表面部位。因此，限定在該部位，常常需要在母材上形成陶瓷等最適宜材料的被膜。作為可以適用的方法，可舉出PVD、 CVD、噴 鍍等，但是，耳又決于所選擇的材料，實施起來有困難，或者需要極長時間的處 理，另外，為了局部地形成被膜，需要將作為對象的部位的周圍遮蔽的工序。 在日本特許公開H8 - 300227號中公開了 一種利用電極和工件之間的放電 而形成被膜的技術。但是，該技術的問題是，由于陶瓷種類的不同，或者由于 工作條件的不同，常常生成多孔的被膜。這種多孔的被膜，粒子之間的結合力 較弱，難以確保足夠的被膜強度。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是，提供利用放電形成致密的陶瓷被膜或堆焊的方法。 按照本發(fā)明的第1方面，提供了用于在對象物上的限定部位形成被膜的方 法，該方法包4舌下述工序將選自金屬粉末的壓縮體和燒結的金屬粉末的壓縮體組成的組中一種壓 縮體應用于加工電才及；以對象物作為工件，由上述加工電才及在該對象物上》文電 堆積第l被膜；以上述對象物作為工件，由上述加工電極在上述第l被膜上放 電堆積第2^皮膜；在選自真空、大氣和氧化氣氛組成的組中的任一種氣氛中， 加熱上述對象物，以使上述第2被膜致密化或者至少一部分氧化產(chǎn)生固體潤滑 物質。按照本發(fā)明的第2方面，提供了 一種由包含缺陷的對象物制造被修補了的 制品的方法，該方法包括下述工序去除對象物的包圍缺陷的部分；將選自金屬粉末的壓縮體和燒結的金屬粉 末的壓縮體組成的組中的一種壓縮體應用于加工電極；以上述對象物作為工 件，由上述加工電極在上述部分放電堆積堆焊層；在選自真空、大氣和氧化氣 氛組成的組中的任一種氣氛中，加熱上述對象物，以使上述堆焊層致密化或者 至少 一部分氧化生成固體潤滑物質。優(yōu)選的是，在上述加熱工序之前，還包括將固體潤滑材料填充到上述被膜 所包含的細孔中的工序。另夕卜，優(yōu)選的是，上述固體潤滑材料實質上由選自 hBN、 MoS2、 BaZrCb和&203組成的組中的任一種構成。更優(yōu)選的是，在上 述加熱工序之前，還包括將固體潤滑材料填充到上述被膜所包含的細孔中的工 序。另外，優(yōu)選的是，燃氣渦輪發(fā)動機的部件包含上述對象物。更優(yōu)選的是， 燃氣渦輪發(fā)動機包含上述部件。


圖1 (a)是本發(fā)明的第1實施方式的對象物的示意圖，圖1 (b)、 (c)是 說明對上述對象物的表面處理方法的圖。圖2(a)、 (b)、 (c)是說明上述表面處理方法的圖。圖3是采用上述表面處理方法在對象物上形成堆焊時的熔合部的厚度與 堆焊的附著強度的關系的圖。圖4是表示采用上述表面處理方法在對象物上形成堆焊時的熔合部的厚 度與對象物的變形的關系的圖。圖5是表示本發(fā)明的第2實施方式的修理方法的對象物-…渦輪轉動葉片 的斜視圖。圖6 (a)是表示上述渦輪轉動葉片的護罩的擦動面(修理對象的區(qū)域) 的缺陷的示意圖，圖6 (b)是說明上述修理方法的圖。圖7 (a)、 (b)是說明上述修理方法的圖。圖8 (a)、 (b)是說明上述修理方法的圖。圖9 (a)、 (b)是說明上述修理方法的圖。
具體實施方式
在本說明書和附屬的權利要求書中，使用了幾個按以下所述定義的術語。 術語"放電堆積"定義為，在放電加工機中，代替工件的加工，將放電用于電 極的損耗，使上述電極的材料或者使上述電極材料與加工液或加工氣體的反應 生成物堆積在工件上。另外，術語"進行放電堆積"定義為"放電堆積"的他 動詞使用。再有，術語"實質上由…構成"意味著半封閉地限定成分，即，排 除對發(fā)明的基礎的和新穎性質產(chǎn)生實質影響的未規(guī)定的成分，但允許包含不發(fā) 生實質性影響的雜質等成分。在本發(fā)明的各實施方式中，利用由放電加工機(圖示省略其大部分)產(chǎn)生 的放電堆積。在放電堆積中，以對象物作為放電加工機的工件，將其固定在放 電加工機上，使上述對象物在加工槽內與電極接近、對置。這里，如果是通常 的放電加工，通過從外部電源供給脈沖狀的電流，在工件和電極之間發(fā)生脈沖 狀的放電，使工件消耗，這樣，工件就被加工成和電極的尖端互補的形狀。在 按照本發(fā)明的放電堆積中，不是使工件消耗，而是使電極消耗，使電極的材料、 或者電極的材料與加工液或加工氣體的反應生成物堆積在工件上。堆積物不^叉 附著在工件上，而且利用一部分放電能量，在堆積物與工件之間以及堆積物的 粒子相互之間能夠同時發(fā)生擴散或熔敷等現(xiàn)象。以下參照圖1至圖4說明本發(fā)明的第1實施方式。本發(fā)明的第1實施方式的表面處理方法，是通過放電堆積對圖1 (a)所 示的對象物1的對象部3進行表面處理的方法，該方法具有下面所述的(I) 薄膜形成工序、(II)堆焊層形成工序、(III)潤滑材料填充工序、以及(IV) 高溫保持工序。(I)薄膜形成工序如圖1 (b)所示，以對象物l作為工件，在放電加工機的加工槽5內， 使之與電極7對置。然后，在貯存在加工槽5內的油L中，使對象物1的對 象部3和電極7之間發(fā)生脈沖狀的放電。這樣，由放電堆積產(chǎn)生的堆積物在對 象物1的對象部3上形成了薄膜9。這里，電極7是由實質上為金屬的粉末利用壓力機壓縮而成形的成形體， 或者是經(jīng)過加熱處理使之至少一部分燒結的上述成形體。另外，電極7也可以 不采用壓縮成形，而是利用泥漿、MIM (Metal Injection Molding )、噴鍍等進
行成形。(II) 堆焊層形成工序在上述(I)薄膜形成工序結束后，如圖1 (C)所示，在加工槽5內的油L中，使對象物1的對象部3和電極7的頂端面之間再次發(fā)生脈沖狀的放電。 由此，使薄膜9進一步生長，在對象物1的對象部3上形成堆焊層11。另外，在堆焊層11和對象物1的母材的邊界上，生成組成比向厚度方向 傾斜地變化的熔合部(熔合層)13,通過在形成堆焊層11時選擇合適的放電 條件，熔合部13的厚度達到3(am以上、20pm以下。再者，上述合適的放電 條件是，峰電流為30A以下，脈沖寬度為200ps以下，優(yōu)選的是，峰電流為 20A以下，脈沖寬度為20(is以下。這里，熔合部13的厚度為3|um以上、20pm以下是基于圖3和圖4所示 的試驗結果。即，改變放電條件、利用放電能量在對象物1的母材上形成堆焊層11時， 熔合部13的厚度與堆焊層11的附著強度的關系如圖3所示。得到下述新的第 1見解熔合部13的厚度達到3pm以上時，堆焊層11的附著強度提高。另夕卜， 熔合部13的厚度與對象物1的母材的變形的關系如圖4所示，得到下述新的 第2見解當熔合部13的厚度在20[im以下時，可以抑制對象物1的母材的 變形。因此，從上述新的第1和第2見解出發(fā)，為了抑制對象物1的母材的變 形、同時能夠提高堆焊層11的附著強度，熔合部13的厚度要在3|im以上、 20|jm以下。再者，圖3和圖4中的橫軸是用對數(shù)表示的熔合部13的厚度，圖3中的 縱軸是無因次表示的堆焊層11的附著強度，圖4中的縱軸是無因次表示的對 象物1的母材的變形。(III) 潤滑材料填充工序在上述(II)堆焊層形成工序結束后，從上述放電加工機上卸下對象物1。 然后，如圖2 (a)、 (b)所示，將固體潤滑材料17混合成液體，通過刷涂等 填充到堆焊層11中的多數(shù)微細孔15中。其中，固體潤滑材料17實質上由hBN、 MoS2 、 BaZr03或者Cr203形成。(IV) 高溫保持工序
在上述(in)潤滑材料充填工序結束后，如圖2 (c)所示，將對象物i固定在熱處理爐19的規(guī)定位置。然后，用熱處理爐19在真空中或大氣中對對 象物l進行加熱，以使堆焊層11致密化或者氧化。關于致密化，將在后面加 以說明，通常，是否發(fā)生致密化可以通過觀察宏觀或者微觀的形態(tài)清楚地判斷。這里，致密化所需要的加熱溫度和加熱時間，取決于構成上述成形體的金 屬粉末的種類，在上述金屬的粉末是含有Cr的Co合金粉末時，在真空中的 高溫保持條件是，在105(TC保持20分鐘，接著在760。C保持4小時；在大氣 中的高溫保持條件是，在760。C保持4小時。但是，在要求堆焊層ll的潤滑 性時，應該在大氣中于高溫下僅保持規(guī)定的時間，以使固體潤滑材料17不被 還原，組織內的Cr至少部分地發(fā)生氧化，生成固體潤滑物質0"203,。另外，也可以在大氣以外的其他的氧化氣氛中加熱。在對象物1的對象部3中形成由多孔的組織構成的堆焊層11后，使用熱 處理爐19，將對象物l在真空或者大氣中于高溫下僅保持規(guī)定的時間，引起 對象物1的對象部3和堆焊層11間的擴散現(xiàn)象以及堆焊層11內部的粒子間的 擴散現(xiàn)象，提高對象物1的對象部3和堆焊層11的結合力及堆焊層11內部的 粒子間的結合力。特別是，在大氣等氧化氣氛中于高溫下僅保持規(guī)定時間的情 況下，構成堆焊層11的物質受到氧化，變成實質上由氧化物系陶瓷構成的物 質。上面所述的"致密化"，是包含由擴散引起的結合力提高和由氧化引起的 氧化物系陶瓷生成的術語。另外，在形成多孔的組織的堆焊層ll后，在堆焊層11的多數(shù)微細孔15 中填充固體潤滑材料17,由于固體潤滑材料17的潤滑作用，使堆焊層ll的 摩擦阻力減小，可以抑制堆焊層11與對方部件的粘合。此外，由于熔合部13的厚度為3ium以上、20)dm以下，因而，可以在抑 制對象物1的母材變形的同時提高堆焊層11的粘結強度。如上所述，按照第1實施方式，引起對象物1的對象部3與堆焊層11間 的擴散現(xiàn)象以及堆焊層ll內部的粒子間的擴散現(xiàn)象，能夠充分地提高對象物 1的對象部3與堆焊層11的結合力以及堆焊層11內部的粒子間的結合力，因 此，如表1所示，可以提高堆焊層11的抗拉強度，即使在堆焊層11上施加大 的拉應力，堆焊層11也很少產(chǎn)生破裂，可以容易使經(jīng)過表面處理的對象物1
的品質穩(wěn)定。表1拉伸試驗結果力口熱條件抗拉強度力口熱前力口熱后在真空中于105(TC保持20分 鐘，接著在760。C保持4小時17MPa88MPa在大氣中于76(TC保持4小時15MPa64MPa另外，由于能夠在抑制對象物1的母材變形的同時提高堆焊層11的粘結 強度，所以能夠使經(jīng)過表面處理的對象物1的品質更加穩(wěn)定。此外，由于固體潤滑材料17的潤滑作用，使堆焊層11的摩擦阻力減小， 能夠抑制與對手部件的膠合，因此，可以提高堆焊層11的耐磨損性，改善經(jīng) 過表面處理的對象物1的品質。特別是，在大氣等氧化氣氛中于高溫下僅保持 規(guī)定時間的情況下，可以使多孔的組織全部氧化，變成由以氧化物系陶瓷為主 體的組織構成的堆焊層11，因此，提高了堆焊層11的耐氧化性和熱屏蔽性， 能夠進一步提高經(jīng)過表面處理的對象物1的品質。下面，參照圖5至圖9說明本發(fā)明的第2實施方式。如圖5所示，作為第2實施方式的修理方法的修理對象的渦輪轉動葉片 21，是在噴氣式發(fā)動機等燃氣渦輪發(fā)動機中使用的發(fā)動機部件的一種，具有 葉片23、與該葉片23的基端側形成一體并具有內部流路的平臺25、與該平臺 25形成一體并且為嵌合在渦輪盤的燕尾槽溝(省略圖示)中而形成的燕尾槽 27、以及與該葉片23的頂端側形成一體并且具有外流路29d的護罩29。在此，如圖6(a)所示，渦輪轉動葉片21的護罩29中的一對擦動面29f, 由于與鄰接的渦輪轉動葉片21中的護罩29的擦動面29f擦動，容易產(chǎn)生磨損 等缺陷，渦輪轉動葉片21的護罩29的擦動面29f是修理的對象部位。第2實施方式的修理方法，是用于修理渦輪轉動葉片21的護罩29的擦動 面29f的方法，該方法由下述工序構成(i)缺陷去除工序、(ii)薄膜形成工 序、(iii)堆焊層形成工序、(iv)潤滑材料充填工序、(v)高溫保持工序、以 及(vi)提高尺寸精度的加工工序。
(i) 缺陷去除工序將渦輪轉動葉片21固定在磨床(圖示中省略了磨床的大部分)的規(guī)定位置。然后，如圖6(b)所示， 一面使所述磨床的砂輪31旋轉， 一面利用磨削 加工除去包含在護罩29的擦動面29f上產(chǎn)生的上述缺陷的部分。將去除上述 部分而形成的表面稱為去除部37。另外，代替磨削加工，也可以采用放電加工等去除上述部分。(ii) 薄膜形成工序在上述(i)缺陷去除工序結束后，如圖7 (a)所示，從上述磨床的規(guī)定 位置卸下渦輪轉動葉片21，在放電加工機的加工槽33內，使其與電極35對 置。然后，在貝e:存在加工槽33內的油L中，使護罩29的去除部37和電極35 之間發(fā)生脈沖狀的放電。這樣，由放電堆積產(chǎn)生的堆積物在護罩29的去除部 37上形成薄膜39。另外，電極35是和上述第1實施方式的上述電極7相同的 電極。(iii) 堆焊層形成工序在上述(ii)薄膜形成工序結束后，如圖7 (b)所示，在加工槽33內的使薄膜39進一步成長，在護罩29的去除部37形成堆坪層41。堆焊層41通 常具有多孔的組織。另外，在堆焊層41和渦輪轉動葉片21的母材的邊界，生成組成比向厚度 方向傾斜地變化的熔合部(熔合層)43，通過在形成堆焊層41時選擇合適的 放電條件，使熔合部43的厚度為3|am以上、20lam以下。上述合適的放電條 件是，'峰電流為30A以下，脈沖寬度為200(is以下，優(yōu)選的是，峰電流是20A 以下，脈沖寬度是20ps以下。這里，與第1實施方式的熔合部13同樣，Y吏熔合部43的厚度為3|im以 上、20lam以下是基于圖3和圖4所示的試驗結果。(iv) 潤滑材料填充工序在上述(iii)堆焊層形成工序結束后，從上述放電加工機上卸下渦輪轉動 葉片21。然后，如圖8 (a)和(b)所示，將固體潤滑材料47混合成液體， 利用刷涂等充填到堆焊層41的多數(shù)微細孔45中。其中，固體潤滑材料47實
質上由hBN、 MoS2、 BaZr03或者&203構成。(v) 高溫保持工序在上述(iv)潤滑材料填充工序結束后，如圖9 (a)所示，將渦輪轉動葉 片21固定在熱處理爐49的規(guī)定位置。然后，使用熱處理爐49，在真空或大 氣中加熱渦輪轉動葉片21,以使堆焊層41致密化。致密化的含義與上述第1 實施方式中所述的致密化實質上相同。這里，致密化所需要的加熱溫度和加熱時間取決存于構成上述成形體的金 屬粉末的種類，在上述金屬粉末是含有Cr的Co合金粉末的場合，真空中的 高溫保持條件是，在1050。C保持20分鐘、接著在76(TC保持4小時，大氣中 的高溫保持條件是，在76(TC保持4小時。但是，在要求堆焊層41的潤滑性 時，在大氣中于高溫下僅保持規(guī)定時間，以使固體潤滑材料47不被還原，組 織內的Cr氧化生成固體潤滑材料Cr203。再者，也可以在大氣以外的其他氧化氣氛中加熱。(vi) 提高尺寸精度的加工工序在上述(v)高溫保持工序結束后，從熱處理爐49的規(guī)定位置卸下渦輪轉 動葉片21,將其固定在磨床的規(guī)定位置。然后，如圖7 (a)所示， 一面使上 述磨床的砂輪31旋轉， 一面進行磨削加工，使堆焊層41的厚度成為規(guī)定的厚 度，完成堆焊層41的精加工。另外，代替磨削加工，也可以進行放電去除加工等。在護罩29的去除部37處形成由多孔組織構成的堆焊層41后，使用熱處 理爐49,將渦輪轉動葉片21在真空或大氣中于高溫下僅保持規(guī)定時間，由此 引起護罩29的去除部37和堆焊層41之間的擴散現(xiàn)象以及堆焊層41內部的粒 子間的擴散現(xiàn)象，可以充分地提高護罩29的去除部37和堆焊層41的結合力 及堆焊層41內部的粒子間的結合力。另外，在形成了由多孔組織構成的堆焊層41后，將固體潤滑材料47填充 到堆焊層41的多數(shù)微細孔中，通過固體潤滑材料47的潤滑作用，使堆焊層 41的摩擦阻力減小，能夠抑制與對手金屬部件的膠合。此外，由于使熔合部 43的厚度成為3pn以上、20jam以下，因而， 一方面抑制了渦輪轉動葉片21 的母材變形，另一面可以提高堆焊層41的粘結強度。因此，由于引起護罩29的去除部37和堆焊層41之間的擴散現(xiàn)象及堆焊 層41內部的粒子間的擴散現(xiàn)象，可以充分地提高護罩29的去除部37和堆焊 層41的結合力及堆焊層41內部的粒子間的結合力，因而，能夠提高堆焊層 41的抗拉強度，即使在堆焊層41上施加大的拉應力，堆焊層41上也很少發(fā) 生破裂，可以容易使經(jīng)過修理的渦輪轉動葉片21的品質穩(wěn)定。另外，由于能夠在抑制渦輪轉動葉片21的母材變形的同時，提高堆焊層 41的粘結強度，因而能夠使經(jīng)過修理的渦輪轉動葉片21的品質更加穩(wěn)定。再有，由于固體潤滑材料47的潤滑作用，使堆焊層41的摩擦阻力減小， 能夠抑制與對手金屬部件的膠合，因此，可以提高堆焊層41的耐磨性，改善 經(jīng)過修理的渦輪轉動葉片21的品質。以上參照幾個優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明進行了說明，^f旦是本發(fā)明不受上述 實施方式的限制?；谏鲜龉_內容，具有本技術領域的一般技術的人員，可 以通過實施方式的修正或修改來實施本發(fā)明。例如，代替油L,可以使用具有 電絕緣性的氣體等，適宜的變更是可能的。產(chǎn)業(yè)上的應用可能性利用放電可以簡便地形成致密的陶瓷的被膜或堆焊層。
權利要求
1. 用于在對象物上的限定部位形成被膜的方法，該方法包括下述工序 將選自由金屬粉末的壓縮體和燒結的金屬粉末的壓縮體組成的組中的一種壓縮體應用于加工電才及；以對象物作為工件，由上述加工電極在上述對象物上放電堆積第l被膜； 以上述對象物作為工件，由上述加工電極在上述第l被膜上放電堆積第2 被膜；以及在選自由真空、大氣和氧化氣氛組成的組中的任一種氛圍中，加熱上述對 象物，以使上述第2被膜致密化或者至少一部分氧化生成固體潤滑物質。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，在所述的加熱工序之前，還包括 將固體潤滑材料填充到上述被膜所包含的細孔中的工序。
3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，所述的固體潤滑材料實質上由選 自hBN、 MoS2、 BaZr03和&203組成的組中的任一種構成。
4. 包含權利要求1的上述對象物的燃氣渦輪發(fā)動機的部件。
5. 包含權利要求4的部件的燃氣渦輪發(fā)動機。
6. 由包含缺陷的對象物制造被修補了的制品的方法，該方法包括下述工序去除對象物的包圍缺陷的部分；將選自由金屬粉末的壓縮體和燒結的金屬粉末的壓縮體組成的組中的一 種壓縮體應用于力口工電才及；以上述對象物作為工件，由上述加工電極在上述部分放電堆積堆焊層；以及在選自真空、大氣和氧化氣氛組成的組中的任一種氛圍中，加熱上述對象 物，以使所述的堆焊層致密化或者至少一部分氧化生成固體潤滑物質。
7. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，在上述加熱工序之前，還包括將 固體潤滑材料填充到上述被膜所包含的細孔中的工序。
8. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，所述的固體潤滑材料實質上由選 自hBN、 MoS2、 BaZr03和Cr203組成的組中的任一種構成。
9. 包含權利要求6的上述對象物的燃氣渦輪發(fā)動機的部件。
10. 包含權利要求9的部件的燃氣渦輪發(fā)動機。
全文摘要
本發(fā)明提供了在對象物上的限定部位形成致密的被膜的方法。該方法由以下工序構成將選自金屬粉末的壓縮體和已燒結的金屬粉末的壓縮體組成的組中的一種壓縮體應用于加工電極；以對象物作為工件，由上述加工電極在上述對象物上放電堆積第1被膜；以對象物作為工件，由上述加工電極在上述第1被膜上放電堆積第2被膜；在選自真空、大氣和氧化氣氛組成的組中的任一種氛圍中加熱上述對象物，使上述第2被膜致密化或者至少一部分氧化生成固體潤滑物質。
文檔編號C23C26/00GK101146930SQ200680007528
公開日2008年3月19日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權日2005年3月9日
發(fā)明者古川崇, 大寺一生, 渡邊光敏, 落合宏行 申請人:株式會社Ihi