專利名稱：耐沖蝕性機(jī)械部件、機(jī)械部件的表面層形成方法以及蒸汽渦輪的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種要求耐沖蝕性的機(jī)械部件、例如蒸汽渦輪部件，及這種機(jī)械部件的制造方法。
背景技術(shù)：
在含有水滴的潮濕蒸汽等高速碰撞的情況下等使部件受到侵蝕這樣的現(xiàn)象、即沖蝕，對于蒸汽渦輪的葉片、泵的配管、流體的噴射部件等是重要的問題，提出了各種措施。在日本特開2006-1M830號公報(bào)中，公開了下述內(nèi)容，S卩，針對現(xiàn)有的通過由 Stellite (注冊商標(biāo))及HayneS25(注冊商標(biāo))等鈷基合金構(gòu)成的覆膜、包層等而形成的耐沖蝕構(gòu)造，將由α-β鈦合金、近β鈦合金或β鈦合金等材料構(gòu)成的保護(hù)構(gòu)造體形成在渦輪部件上，由此得到耐沖蝕性能。(專利文獻(xiàn)1)另外，在日本專利3001592號公報(bào)中公開了一種技術(shù)，其作為蒸汽渦輪的耐沖蝕對策，在渦輪部件上進(jìn)行以不銹鋼粉作為粘合劑的Cr3C2的噴鍍。(專利文獻(xiàn)2)另外，在日本特開2006-70297號公報(bào)中公開了下述方法，S卩，在蒸汽渦輪部件上利用高壓·高速火焰噴鍍而形成碳化物類的覆膜后，對其表面利用激光或EBW等具有高能量密度的熱源使其熔融而進(jìn)行封孔處理，從而提高耐沖蝕性。(專利文獻(xiàn)3)專利文獻(xiàn)1 日本特開2006-1Μ830號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本專利3001592號公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本特開2006-70297號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
如上所示，作為耐沖蝕的對策，嘗試了各種方法，但存在下述等問題，S卩，在專利文獻(xiàn)1中，在構(gòu)造體形成時(shí)，需要通過在高溫高壓下向部件按壓而進(jìn)行擴(kuò)散接合等難度大的方法，在專利文獻(xiàn)2中，由于所形成的覆膜中空隙較多，所以耐沖蝕性不充分，另外，也沒有考慮由于存在空隙導(dǎo)致的蒸汽渦輪的性能劣化，在專利文獻(xiàn)3中，利用激光等高能量密度的方法使表面熔融，從而殘留熱影響，在部件上殘留應(yīng)變。S卩，無論是焊接，還是釬焊，由于在部件上接合其它材料的方法會產(chǎn)生過度的熱量，所以存在下述課題，即無法避免部件變形或強(qiáng)度降低；由于是人工進(jìn)行的方法，所以需要熟練作業(yè)；無法得到充分的耐沖蝕性能。另外，對于適于耐沖蝕的材料，如前述專利文獻(xiàn)中所說明的那樣，嘗試了各種材料，但實(shí)際情況是沒有找到可以充分滿足要求的材料。作為其原因，認(rèn)為大致為2點(diǎn)。第1點(diǎn)為，對于哪種材料是適于耐沖蝕的材料，在理論上尚未研究清楚。雖然是以水滴或異物碰撞作為主要原因而產(chǎn)生的沖蝕，但并不一定是硬度越高則耐沖蝕性越優(yōu)異。對各種材料不斷進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)狀為廣泛使用Stellite (注冊商標(biāo))等材料。第2點(diǎn)為，即使在存在耐沖蝕性優(yōu)異的材料的情況下，與處理對象的部件進(jìn)行接合的方法大多很難。當(dāng)前，開發(fā)了各種涂敷技術(shù)，即使是硬質(zhì)的材料也可以接合在表面上，但處理本身大多存在限制。例如，在如蒸汽渦輪的葉片這樣較大部件的情況下，將部件本身放入真空裝置中而逐一實(shí)施處理的方式，在工業(yè)上是極困難的。本發(fā)明的目的在于，形成解決了上述課題的優(yōu)異的耐沖蝕覆膜。具體地說，為了避免過度的熱輸入而使對材料進(jìn)行接合時(shí)所使用的能量的單位減小，通過利用微小脈沖放電，從而可以減小熱量對部件的影響，盡可能降低變形或強(qiáng)度降低。另外，提供一種方法，其可以利用機(jī)械自動實(shí)施向部件的處理，而無需依賴熟練度。本發(fā)明所涉及的耐沖蝕性機(jī)械部件的特征在于，通過在加工液中配置耐沖蝕性機(jī)械部件，在該耐沖蝕性機(jī)械部件和與其以規(guī)定間隔分離的Si電極之間產(chǎn)生放電，從而從所述Si電極將Si成分向部件側(cè)供給并形成表面層，該表面層構(gòu)成為，以5 10 μ m的厚度形成Si含量為3 1 Iwt %的鐵基金屬組織。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，可以通過使用Si電極進(jìn)行的放電而在部件上穩(wěn)定地形成優(yōu)質(zhì)的覆膜，可以形成具有高耐沖蝕性的表面層。另外，可以不通過人工且沒有波動地使蒸汽渦輪動葉片、或配管部件、或者燃料噴射部件等提高耐沖蝕性。


圖1是放電表面處理系統(tǒng)的說明圖。圖2是表示放電表面處理中的電壓、電流波形的圖。圖3是表示放電現(xiàn)象的圖。圖4是表示電極的電阻值R、電阻率P、面積S、長度L的關(guān)系的圖。圖5是表示無法檢測出放電的情況下的電流波形的圖。圖6是表示含有Si的表面層的分析結(jié)果的圖。圖7是耐沖蝕的評價(jià)試驗(yàn)的概略圖。圖8是表示不銹鋼基材的評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的圖。圖9是表示斯特萊特合金的評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的圖。圖10是表示TiC覆膜的評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的圖。圖11是表示Si表面層的評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的圖。圖12是表示Si表面層的評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的圖。圖13是Si表面層的條件一覽表。圖14是Si表面層的表面照片。圖15是Si表面層的剖面照片。圖16是表示Si表面層被破壞后的情況的照片。
圖17是表示斯特萊特合金沖蝕的情況的照片。圖18是Si表面層的耐沖蝕特性圖。圖19是裂紋在Si表面層擴(kuò)展后的照片。圖20是Si表面層的耐沖蝕特性圖。圖21是Si表面層的耐沖蝕特性圖。圖22是Si表面層的X射線衍射像。圖23是表示在蒸汽渦輪的動葉片上形成Si表面層的情況的圖。圖M是表示在蒸汽渦輪的動葉片上形成Si表面層的情況的圖。圖25是表示在蒸汽渦輪的動葉片上形成Si表面層的情況的圖。標(biāo)號的說明1 Si電極、2部件、3加工液、4直流電源、5開關(guān)元件、6限流電阻、7控制電路、8放電檢測電路、11 Si電極、12蒸汽渦輪動葉片、13含有Si的表面層。
具體實(shí)施例方式下面，使用

本發(fā)明的實(shí)施方式。實(shí)施方式1.圖1示出放電表面處理方法的概略，在該方法中，使Si電極和部件之間產(chǎn)生脈沖狀放電，從而在部件表面形成具有耐沖蝕性這一功能的組織。在圖中，1是固體狀的金屬硅(Si)電極，2是蒸汽渦輪葉片等作為處理對象的部件，3是作為加工液的油，4是直流電源，5是用于將直流電源4的電壓向Si電極1和部件2 之間施加(或停止施加)的開關(guān)元件，6是用于控制電流值的限流電阻，7是用于控制開關(guān)元件5的接通/斷開的控制電路，8是用于對Si電極1和部件2之間的電壓進(jìn)行檢測而檢測放電的產(chǎn)生的放電檢測電路。下面，使用示出了電壓、電流波形的圖2，對動作進(jìn)行說明。通過利用控制電路7使開關(guān)元件5接通，從而在Si電極1和部件2之間施加電壓。 利用未圖示的電極進(jìn)給機(jī)構(gòu)，將Si電極1和部件2之間的極間距離控制為適當(dāng)距離(產(chǎn)生放電的距離)，很快就在Si電極1和部件2之間產(chǎn)生放電。預(yù)先設(shè)定電流脈沖的電流值 ie、脈寬te(放電持續(xù)時(shí)間)及放電間歇時(shí)間t0 (不施加電壓的時(shí)間)，它們是由控制電路 7及限流電阻6確定的。如果產(chǎn)生放電，則利用放電檢測電路8根據(jù)Si電極1和部件2之間的電壓降低以及定時(shí)，檢測出放電的產(chǎn)生，從檢測到產(chǎn)生放電的時(shí)刻開始經(jīng)過規(guī)定時(shí)間(脈寬te)后，利用控制電路7使開關(guān)元件5斷開。從使開關(guān)元件5斷開的時(shí)刻開始經(jīng)過規(guī)定時(shí)間(間歇時(shí)間t0)后，再次利用控制電路7使開關(guān)元件5接通。通過反復(fù)進(jìn)行上述動作，可以連續(xù)產(chǎn)生所設(shè)定的電流波形的放電。此外，在圖1中，將開關(guān)元件描繪為晶體管，但只要是可以控制電壓施加的元件即可，也可以是其它元件。另外，描繪為利用電阻器進(jìn)行電流值的控制，但當(dāng)然只要是可以控制電流值的方法即可，也可以是其它方法。另外，在圖1的說明中，電流脈沖的波形形成為矩形波，但當(dāng)然也可以是其它波形。根據(jù)電流脈沖的形狀不同，可以消耗更多電極而更多地供給Si材料，或者通過減少電極消耗而有效地使用材料等，在本說明書中并不詳細(xì)論述。如上所示，通過連續(xù)在Si電極1和部件2之間產(chǎn)生放電，可以在部件2的表面形成含有較多Si的層。但是，為了穩(wěn)定地形成實(shí)現(xiàn)本目的的優(yōu)質(zhì)含Si層，并不是什么樣的Si都可以，另夕卜，圖1的電路也存在必要條件。對于該情況，在后面詳細(xì)說明。首先，在對Si電極及電路的條件進(jìn)行說明之前，為了明確與放電表面處理相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)和本實(shí)施方式之間的差異，對利用放電加工的覆膜成形技術(shù)進(jìn)行說明。在日本特公平5-13765號公報(bào)中公開了一種方法，在該方法中，使用硅作為放電加工的電極，在被加工物表面形成非晶合金層或者具有微細(xì)晶體構(gòu)造的高耐腐蝕、高耐熱特性的表面層。該公報(bào)所公開的利用Si電極的放電加工為下述方法，即，通過以將電壓施加時(shí)間固定為3μ S、將間歇時(shí)間固定為2μ s并周期性地使電壓接通/斷開的電路方式，供給峰值 Ip為IA的能量。因此，在施加電壓的3μ s的期間，在電壓脈沖的哪個(gè)位置產(chǎn)生放電這一情況各不相同，實(shí)際放電持續(xù)時(shí)間即流過電流的電流脈寬逐次變化，難以穩(wěn)定地形成覆膜。例如如圖3所例示，在周期性地使電壓接通/斷開的電路方式的電源中，產(chǎn)生電壓波形、電流波形變化，每一個(gè)脈沖的能量不同的現(xiàn)象，使得作為電極材料的Si向部件供給的量、以及使部件表面熔融而生成表面層的能量散亂，因此難以進(jìn)行穩(wěn)定的處理。此外，在圖中，放電的電壓恒定，電流也恒定，但在實(shí)際中電壓是變動的，電流也是變動的。另外，在將Si這種高電阻的材料用作為電極的情況下，電壓成為包含Si所產(chǎn)生的電壓降在內(nèi)的電壓，因此電壓較高，另外變動也變大。下面，對該公報(bào)中必須如上述所示周期性地使電壓接通/斷開的原因進(jìn)行說明。在該公報(bào)中，使用固有電阻值為0.01 Ω cm左右的高電阻材料即硅，并使用電流脈沖非常小的條件。因此，在通過檢測放電的電弧電位而檢測放電產(chǎn)生的現(xiàn)有的控制方式中，在電極為高電阻材料的情況下產(chǎn)生放電時(shí)，電流流過Si電極的情況下的電壓降的電壓被加在放電的電弧電位中，在電壓降的電壓較高的情況下，無論是否產(chǎn)生放電，電路都無法識別出產(chǎn)生了放電。另外，作為現(xiàn)有的放電加工所形成的硅覆膜，還存在處理波動較大，無法穩(wěn)定地進(jìn)行的問題。該問題產(chǎn)生的原因也是Si為高電阻。例如，如圖4所示，如果將電阻率設(shè)為P、將面積設(shè)為S、將長度設(shè)為L，則電極的電阻值R表示為R= P · L/S0但根據(jù)向電極供電的方法即電極的保持方法，在P較大的情況下，R的值產(chǎn)生較大波動。在現(xiàn)有技術(shù)中，將P =O-OlQcm的硅用作為電極，但在這種程度的高電阻材料的情況下，并不是在任何條件下都可以進(jìn)行處理。例如，在Si電極較長，握持一個(gè)端部進(jìn)行供電的情況下，在電極較長的情況下電極的電阻較高，隨著變短而電阻降低。在電極較長而電阻較高的情況下，如上述所示無法檢測放電，產(chǎn)生異常脈沖的概率也較高，而且即使在不產(chǎn)生異常的情況下，也由于電阻較高而使放電的電流值變低。根據(jù)發(fā)明人的研究，在將電阻值為P =0.01Qcm程度的硅用作為電極的情況下， 如果電極長度大于或等于幾十mm程度，則有時(shí)由在產(chǎn)生放電的情況下的電流所引起的電極中的電壓降變大，產(chǎn)生異常放電，難以形成正常的表面層。另外，已知引起上述異常放電的條件基本由供電位置和放電位置、即電極長度確定，與電極面積(粗細(xì))基本無關(guān)。其原因可以推測為，電流在流過電極內(nèi)時(shí)，并非均勻地流過電極的整個(gè)剖面，而是流過某一較細(xì)通路。由此，即使將電阻率大于或等于0. 01 Ω cm的硅用作為電極，只要產(chǎn)生放電的位置接近供電點(diǎn)，就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的放電。例如，如果將Imm左右的板狀硅與金屬接合而進(jìn)行供電，則即使電阻值為0.05 Ω cm左右，也可以進(jìn)行穩(wěn)定的放電。但是，即使是 0. 01 Ω cm的電極，如果長度大于或等于幾十mm程度、例如成為IOOmm左右的長度，則有時(shí)也產(chǎn)生異常放電，難以進(jìn)行穩(wěn)定的處理。如上述論述所示，根據(jù)發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)，明確可知下述情況?！榱艘怨枳鳛殡姌O，利用在油中進(jìn)行的脈沖放電在部件的表面上，以耐工業(yè)使用的方式高速形成厚度為10 μ m左右的含有Si的表面層，必須使用電阻較低的Si，使用圖1、 圖2所示的對放電脈寬(放電電流脈沖)進(jìn)行控制(形成大致相同的脈寬)的方式的電路?！榱艘怨枳鳛殡姌O而在部件表面形成ΙΟμπι左右的表面層，優(yōu)選電阻值(電阻率)較低。如果考慮工業(yè)實(shí)用性，考慮在電極長度大于或等于IOOmm的程度下進(jìn)行使用的情況，則優(yōu)選P小于或等于0.005Qcm左右。為了降低Si的電阻值，只要摻雜其他元素等增加所謂雜質(zhì)的濃度即可。 即使ρ大于或等于0.005Qcm，在供電點(diǎn)和放電位置接近的情況下，也可以進(jìn)行穩(wěn)定的處理。對于此時(shí)的指標(biāo)，只要包含P小于或等于0.005 Ω cm的情況在內(nèi)如下述所示
設(shè)定即可。S卩，只要如下進(jìn)行處理即可在利用根據(jù)施加在極間的電壓降低而識別為產(chǎn)生放電，從該識別為產(chǎn)生放電的時(shí)刻經(jīng)過規(guī)定時(shí)間(脈寬te)后停止施加電壓(即停止放電) 的電源，將Si作為電極而在部件表面形成含有Si的表面層時(shí)，在產(chǎn)生放電時(shí)包含作為電阻體的Si電極上的電壓降在內(nèi)的極間電壓低于放電檢測電平的狀態(tài)下，進(jìn)行處理。通常電弧電位為25V 30V左右，但只要將放電檢測電平的電壓設(shè)定為低于電源電壓而高于電弧電位即可。但是，如果將放電檢測電平設(shè)定得較低，則如果不將Si的電阻值降低，則即使產(chǎn)生放電也無法識別出產(chǎn)生了放電這一情況，使得產(chǎn)生圖5所示的異常長脈沖的危險(xiǎn)性增加。如果將放電檢測電平設(shè)定得較高，則即使Si的電阻略高，在產(chǎn)生放電的情況下也很容易低于放電檢測電平。即，在Si的電阻值較低的情況下，電極可以較長，在Si的電阻值較高的情況下，只要使Si的長度變短，使得在產(chǎn)生放電的情況下的極間電壓低于放電檢測電平即可。放電檢測電平設(shè)定為低于電源電壓而高于電弧電位即可，但根據(jù)上述說明，可以設(shè)定為略低于電源電壓的電平。在發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)中，可知如果設(shè)定為比電源電壓低IOV 30V程度的值，則在實(shí)際應(yīng)用中最具有通用性。更嚴(yán)格地說，如果設(shè)定為比電源電壓低IOV 20V程度的值，則可以使用的Si的范圍增加，所以優(yōu)選。通過滿足上述條件，可以將作為高電阻材料的Si用作為電極，可以自由且穩(wěn)定地產(chǎn)生放電脈沖，可以在部件上形成含有Si的表面層。這樣，上述含有Si的表面層得以完成，對其性質(zhì)進(jìn)行研究，可知下述情況。圖6是含有Si的表面層的分析結(jié)果。上層左側(cè)照片為Si表面層剖面的SEM照片， 上層中間為Si的面分析結(jié)果，上層右側(cè)為Cr的面分析結(jié)果，下層左側(cè)為！^的面分析結(jié)果， 下層右側(cè)(中間)為Ni的面分析結(jié)果。另外，根據(jù)該結(jié)果，可知雖然形成了具有一定厚度的表面層，但Si表面層并非是將Si附著在母材上，而是使Si與母材一體化，形成將Si高濃度地滲入母材中的狀態(tài)的表面層。該表面層是提高了 Si含量的鐵基金屬組織，由于覆膜這一稱呼并不恰當(dāng)，所以下面為了簡單而稱為Si表面層。此外，對于該表面層，根據(jù)成分分析，與母材相比只要是Si量發(fā)生了增加的部分，就定義為表面層。由于形成為上述狀態(tài)，所以表面層與其它表面處理方法不同，不會發(fā)生覆膜的剝離。針對該表面層進(jìn)行研究后，其結(jié)果，可知在滿足一定條件的情況下，具有極高的耐沖蝕性。所謂沖蝕是指水等與部件發(fā)生沖撞而侵蝕的現(xiàn)象，是成為水或蒸汽所通過的配管部件、 或者蒸汽渦輪的動葉片等的故障原因的現(xiàn)象。作為用于耐沖蝕的技術(shù)，存在前述各種現(xiàn)有技術(shù)，但分別存在問題。在這里，首先針對滿足規(guī)定條件的Si表面層的示出高耐沖蝕性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說明。對于規(guī)定條件在后面記述。對于本實(shí)施方式的耐沖蝕性能，以下說明試驗(yàn)結(jié)果。圖7是作為耐沖蝕的評價(jià)而使水噴流與試驗(yàn)片發(fā)生沖撞并比較侵蝕情況的試驗(yàn)的概略內(nèi)容。水噴流以200Mpa的壓力發(fā)生沖撞。作為試驗(yàn)片，使用下述4種1)不銹鋼基材， 2)斯特萊特合金(通常在耐沖蝕用途中使用的材料)，；3)通過放電形成的TiC覆膜，4)在不銹鋼上形成本發(fā)明所涉及的Si較多的表面層后的材料。3)的覆膜是通過國際公開號WO 01/005545中公開的方法而形成的TiC覆膜，是具
有較高硬度的覆膜。將水噴流向各個(gè)試驗(yàn)片噴射10秒鐘，利用激光顯微鏡測定試驗(yàn)片的侵蝕。圖8是1)的結(jié)果，圖9是2)的結(jié)果，圖10是3)的結(jié)果，圖11是4)即本實(shí)施方式所涉及的表面層的情況下的結(jié)果。如圖8所示，在水噴流沖撞不銹鋼基材10秒鐘的情況下，侵蝕至大約100 μ m的深度。與此相對，如圖9所示，對于斯特萊特合金材料，侵蝕的情況不同，但深度為60 70 μ m程度，可以在一定程度上確認(rèn)到斯特萊特合金材料的耐沖蝕性。圖10是硬度非常高的TiC覆膜的結(jié)果，侵蝕至大約100 μ m的深度，可知耐沖蝕不僅依賴于表面的硬度。另一方面，圖11是本實(shí)施方式所涉及的Si的表面層的情況下的結(jié)果，可知幾乎沒有被侵蝕。該表面層的硬度為大約800HV左右(由于表面層的厚度較薄，所以將負(fù)載設(shè)為10g，利用顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行了測定。硬度范圍為大約600 1100HV的范圍)，硬度與1) 所示的不銹鋼基材(350HV左右)、幻所示的斯特萊特合金材料G20HV左右)相比較高，但與3)所示的TiC覆膜(大約1500HV)相比較低。即，可知耐沖蝕性不單純是硬度的效果， 而是與其它性質(zhì)綜合的復(fù)合效果。在圖10中，即使是較硬的覆膜，也呈現(xiàn)出如被挖掉那樣的狀況，因此，推測為在僅表面較硬且表面不具有韌性的較薄的覆膜的情況下，在水噴流的沖擊下被破壞。與此相對，本實(shí)施方式中的4)的覆膜通過其它的試驗(yàn)檢測出形成了具有韌性且耐變形的表面，推測為這一點(diǎn)是表現(xiàn)出高耐沖蝕性的原因。在試驗(yàn)中，在薄板表面上形成 TiC覆膜和Si表面層，在進(jìn)行了彎折試驗(yàn)的情況下，在TiC中迅速產(chǎn)生裂紋，但在Si表面層中難以產(chǎn)生裂紋。雖然對4)的表面層是在厚度為5μπι左右的厚度下進(jìn)行的試驗(yàn)，但已確認(rèn)出在覆膜較薄的情況下，強(qiáng)度還是不充分，容易產(chǎn)生侵蝕。在作為現(xiàn)有技術(shù)的日本特公平5-13765號公報(bào)中，對Si的覆膜進(jìn)行研究，雖然明確了高耐蝕性，但沒有發(fā)現(xiàn)耐沖蝕性，可以推測其較大的原因之一是表面層無法形成得較厚。在耐沖蝕的情況下，也取決于水等成為沖蝕原因的物質(zhì)的碰撞速度，但期望具有大于或等于5μπι的表面層。當(dāng)然，在進(jìn)行碰撞的物質(zhì)的速度較慢的情況下，有時(shí)只要大于或等于2 3 μ m，就發(fā)揮出充分的效果。在針對4)所示的Si的表面層的試驗(yàn)中，幾乎沒有確認(rèn)到侵蝕，因此，進(jìn)一步延長對Si的表面層的試驗(yàn)，連續(xù)60秒使水噴流進(jìn)行沖撞，在圖12中示出該結(jié)果。可以判別出水噴流所沖撞的部位顯現(xiàn)出稍微被磨去的狀態(tài)，但可知幾乎沒有磨損。根據(jù)以上所述，可以確認(rèn)本實(shí)施方式的表面層的高耐沖蝕性?；谏鲜鼋Y(jié)果，進(jìn)行用于發(fā)現(xiàn)適合蒸汽渦輪這一用途的條件的實(shí)驗(yàn)。對水噴流沖撞圖13所示的各條件下的覆膜而產(chǎn)生侵蝕的情況進(jìn)行了研究。在圖13中，針對各處理?xiàng)l件，示出與該條件的放電脈沖的能量相當(dāng)?shù)闹导捶烹娒}沖的電流值的時(shí)間積分的值(Α · μ s)(如果為矩形波，則為電流值ieX脈寬te)、該處理?xiàng)l件下的Si表面層的厚度、以及Si表面層有無裂紋。在處理?xiàng)l件中，將橫軸設(shè)為電流值ie、縱軸設(shè)為脈寬te，使用具有該值的矩形波的電流脈沖。本試驗(yàn)所使用的基材為SUS630。另外，Si電極使用P = 0.01 Ω cm的Si，制作成落在使放電脈沖正常產(chǎn)生的范圍內(nèi)的尺寸的電極而進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)附圖，作為Si表面層的形成條件之一，可以觀察有無裂紋?？芍鸭y的有無與放電脈沖的能量相關(guān)度很高，與放電脈沖的能量相當(dāng)?shù)牧考捶烹婋娏鞯臅r(shí)間積分值落在小于或等于80A · μ S的范圍內(nèi)，是用于形成沒有裂紋的Si表面層的條件。當(dāng)然，是否由于加工條件產(chǎn)生裂紋這一點(diǎn)也多少受到基材的影響。例如在被稱為不銹鋼的材料中，如SUS304這種作為固溶體的材料比較難產(chǎn)生裂紋，在如SUS630這種的析出硬化型的材料中，則存在容易產(chǎn)生一些裂紋的傾向。由于蒸汽渦輪通常使用SUS630等析出硬化型的不銹鋼，所以不產(chǎn)生裂紋的優(yōu)選范圍與SUS304這種奧氏體類的不銹鋼相比略窄。根據(jù)圖13，Si表面層的形成條件的另一個(gè)為Si表面層的厚度。根據(jù)圖13可知，Si表面層的厚度和與放電脈沖的能量相當(dāng)?shù)牧考捶烹婋娏鞯臅r(shí)間積分值相關(guān)，放電電流的時(shí)間積分值越小，厚度越小，放電電流的時(shí)間積分值越大，厚度越大。在這里所稱的厚度是指作為電極成分的Si利用放電能量熔融后所滲入的范圍。熱影響的范圍由與放電脈沖的能量大小相當(dāng)?shù)牧考捶烹婋娏鞯臅r(shí)間積分值的大小確定，但滲入的Si的量也受到放電產(chǎn)生次數(shù)的影響。在放電較少的情況下，當(dāng)然Si無法充分滲入，所以Si表面層的Si的量較少。相反，即使超過所需而產(chǎn)生放電，Si表面層的Si 量也會在某個(gè)值飽和，并不會繼續(xù)增加。在Si量較少的情況下，有時(shí)無法充分得到如后述所示的Si表面層的效果。在Si 充分滲入Si表面層的情況下，Si量為3 llwt%。在更穩(wěn)定地形成的Si表面層中，Si量為6 9wt%。這里所謂的Si量是利用能量色散型X射線分光分析法(EDX)測定的值，測定條件為加速電壓15. OkV、照射電流1. OnA。另外，Si量是表面層中表現(xiàn)出大致最大值的部分的數(shù)值。Si表面層的Si量最優(yōu)選6 9wt %，在該范圍內(nèi)，處理后的表面平滑，成為作為沖蝕起點(diǎn)的表面粗糙部幾乎不存在的狀態(tài)。通過使Si滲入表面中，可以使通過放電而熔融的基材材料和電極的Si材料平滑地凝固?？芍绻鸖i量較少，則使熔融的材料變平滑的作用減少，如果小于3wt%，則通過放電而熔融后進(jìn)行凝固的材料在凝固時(shí)，凹凸部更加顯著， 產(chǎn)生在水滴等碰撞時(shí)成為損傷起點(diǎn)的部分，無法發(fā)揮耐沖蝕性。相反，可知為了使Si量增加，需要使脈寬te變長，如果脈寬變長，則在該條件下， 表面的凹凸同樣會變大?？芍绻筍i量大于或等于llwt%，則表面的凹凸變大，最終使成為損傷起點(diǎn)的部分增加。如上所示，可知Si表面層的Si量與3 相比更優(yōu)選6 9wt%。在得到上述效果的范圍的Si表面層中硬度為600HV 11OOHV。針對Si表面層的Si量對表面凹凸特性的影響這一點(diǎn)進(jìn)行了記述，其一個(gè)例子在圖14、圖15中示出。分別改變時(shí)間而利用Si電極在同一處理?xiàng)l件下進(jìn)行處理，對Si表面層的表面 (圖14)、以及Si表面層的剖面(圖15)的情況進(jìn)行觀察。由于所有處理都是在處理?xiàng)l件固定的狀態(tài)下進(jìn)行的，所以可以認(rèn)為處理?xiàng)l件大致相同，即與產(chǎn)生放電的次數(shù)比大致相同。即，在處理時(shí)間較短的情況下，放電次數(shù)較少，在處理時(shí)間較長的情況下，放電次數(shù)較多。(但是，由于處理時(shí)間根據(jù)間歇時(shí)間等條件而改變，所以為了產(chǎn)生相同放電脈沖數(shù)量，如果間歇時(shí)間變化，則所需的處理時(shí)間改變。)圖中示出的Si表面層的處理時(shí)間為3分鐘、4分鐘、6分鐘、8分鐘。根據(jù)附圖可知下述內(nèi)容。在處理時(shí)間較短的情況下(3分鐘)，觀察到表面的凹凸仍然較多，表面存在較小的凸起狀部分。(雖然省略圖示，但如果時(shí)間更短，則凸起狀部分進(jìn)一步增加，3分鐘的處理時(shí)間為凸起變得不顯眼的界線)
可知如果處理時(shí)間增加，則上述凹凸、凸起變少，變得平滑。另一方面，如果觀察剖面照片，則可知在處理時(shí)間從3分鐘至8分鐘為止的剖面中，Si表面層的厚度基本沒有變化。如果分析各個(gè)覆膜的Si量，則處理時(shí)間為3分鐘的覆膜為大約3wt%，處理時(shí)間為4分鐘的覆膜為大約6wt%，處理時(shí)間為6分鐘的覆膜為大約 8wt%，處理時(shí)間為8分鐘的覆膜為大約6wt%?？芍谔幚頃r(shí)間較短的情況下，Si沒有充分滲入表面層，但如果經(jīng)過一定程度的處理時(shí)間(在該條件下為4分鐘)，則Si基本充分滲入，表面變得平滑。根據(jù)以上內(nèi)容，可知如果Si較少則表面平滑性變差，需要大于或等于 3wt %，更優(yōu)選需要大于或等于6wt %。雖然將說明放在后面，但下面論述Si表面層的性能。此外，沖蝕大體具有2個(gè)模式，一個(gè)為利用水的沖擊而大幅剜除的模式，另一個(gè)是使水強(qiáng)力地沖撞而在表面流動時(shí)，對表面進(jìn)行刮擦削去的模式。圖16是將水噴流向厚度3 μ m的Si表面層以200MPa沖撞60秒時(shí)，Si表面層被破壞的結(jié)果。可知雖然沒有看到細(xì)微剝離的痕跡，但以大幅剜除的方式產(chǎn)生了破壞。對于該情況，認(rèn)為并非由于水的碰撞而產(chǎn)生擦除的傷痕，而是Si表面層無法承受利用水噴流使大量的水沖撞而形成的沖擊，從而被破壞的結(jié)果。即，示出了在Si表面層較薄即小于或等于 4 μ m的情況下，針對水強(qiáng)力地沖撞而在表面流動時(shí)對表面刮擦削去的模式，具有效果，但對于利用水的沖擊而大幅剜除的模式，效果較差。另外，圖17是作為耐沖蝕性較高的材料的斯特萊特合金No6單體，是使90Mpa的水噴流沖撞60秒的情況下的結(jié)果。在圖中，示出了水強(qiáng)力地沖撞而在表面流動時(shí)對表面刮擦削去的模式。下面，在圖18中示出Si表面層的厚度和耐沖蝕性的關(guān)系。如圖所示，可知在Si表面層的厚度小于或等于4μπι時(shí)，在使水噴流以與水滴碰撞渦輪葉片的速度相當(dāng)?shù)囊羲俪潭鹊乃俣葘φ羝麥u輪進(jìn)行沖撞的情況下，如果Si表面層較薄，則覆膜無法承受，以高概率產(chǎn)生表面被破壞的現(xiàn)象。如果Si表面層的厚度較薄，則抗沖擊性較差，如果較厚則抗沖擊性較強(qiáng)，其原因如下所示進(jìn)行推斷。即，在Si表面層較薄的情況下，如果受到?jīng)_擊，則形變在基材上逐漸積累，最后從母材的晶界開始產(chǎn)生破壞，但在Si表面層較厚的情況下，形變難以到達(dá)母材，基材得到了保護(hù)，另一方面，由于Si表面層為接近非晶的組織，沒有晶界，不會產(chǎn)生晶界處的破壞。為了從此方面出發(fā)而增厚Si表面層，需要使放電脈沖的能量增大，已知為了實(shí)現(xiàn)大于或等于5 μ m，需要使放電脈沖的能量大于或等于30A · μ S。如上所述，通過增厚Si表面層的膜厚，可以提高耐沖蝕性，但另一方面，也存在伴隨膜厚增加而產(chǎn)生的問題，有時(shí)由于該問題而使耐沖蝕性惡化。如上述所示，為了使Si表面層增厚，需要使放電脈沖的能量增大，但伴隨著放電能量增大，熱影響也變大，使得表面產(chǎn)生裂紋。放電脈沖的能量越大則裂紋越容易產(chǎn)生，如上述所示，在以大于或等于80Α·μ s 的脈沖進(jìn)行處理的情況下，表面產(chǎn)生裂紋?？芍绻砻娈a(chǎn)生裂紋，則耐沖蝕性顯著降低。圖19示出通過水噴流沖撞而使裂紋擴(kuò)展的情況。如果進(jìn)一步持續(xù)，則在某一范圍中覆膜被大幅破壞。在以80Α·μ8的能量脈沖條件進(jìn)行處理的情況下，膜厚為10 μ m左右，已知該膜厚為事實(shí)上耐沖蝕用途的Si表面層的上限值。如果從裂紋的角度出發(fā)而將Si表面層的膜厚和耐沖蝕性的關(guān)系進(jìn)行圖示，則如圖20所示。如果將圖18和圖20相結(jié)合，則可知Si表面層的膜厚和耐沖蝕性的關(guān)系如圖 21所示。如果將上述內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，則如下所示。為了形成具有耐沖蝕性的Si表面層，需要使Si表面層大于或等于5 μ m,因此，需要使放電脈沖的能量大于或等于30A · μ S。另一方面，為了防止表面的裂紋，需要使放電脈沖的能量小于或等于80Α · μ S，由此，Si表面層小于或等于10 μ m。S卩，用于形成具有耐沖蝕性的Si表面層的條件是覆膜厚度為5 μ m 10 μ m厚度的覆膜，相應(yīng)的放電脈沖的能量為30A · μ S 80A · μ S。此時(shí)的覆膜硬度為600HV 1100HV的范圍。另外，對于本發(fā)明所涉及的Si表面層的耐沖蝕性能優(yōu)異的原因，認(rèn)為是如下所示。通常認(rèn)為耐沖蝕性與硬度的相關(guān)度很高。但是，根據(jù)前述評價(jià)結(jié)果可知，如果僅考慮硬度，則無法說明的點(diǎn)很多。作為硬度之外的要素，已知表面特性也產(chǎn)生影響，與粗糙的表面相比，越接近鏡面，耐沖蝕性就越高。作為Si表面層的耐沖蝕性優(yōu)異的原因，也舉出表面特性。Si表面層成為，硬度600HV 1100HV即具有一定程度的硬度、且表面特性平滑的面。 認(rèn)為這些對耐沖蝕性產(chǎn)生影響。另外，通常較硬的覆膜(例如前述的TiC覆膜或由PVD、CVD等形成的硬質(zhì)覆膜) 韌性較差，通過微小的變形就使覆膜被破壞，與此相對，Si表面層具有韌性高，即使施加變形也不易產(chǎn)生裂紋等的性質(zhì)，這也被認(rèn)為是耐沖蝕性高的原因之一。此外，認(rèn)為對Si表面層的晶體構(gòu)造也產(chǎn)生影響。在本發(fā)明的范圍的條件下所形成的Si表面層的X射線衍射結(jié)果在圖22中示出。在圖中，示出作為基材的SUS630和在其上形成Si表面層的情況下的衍射像。如果觀察Si表面層的衍射像則可知，雖然可以觀察到基材的波峰，但也觀察到證明形成了非晶(無定形)組織的寬幅背底(background)。S卩，可以認(rèn)為由于Si表面層形成為非晶組織，因此，難以產(chǎn)生在通常的材料中容易產(chǎn)生的晶體晶界處的破壞。另外，由于可知根據(jù)本實(shí)施方式能夠得到高耐沖蝕表面層，因此，對實(shí)際的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行說明。另外，在下面的應(yīng)用技術(shù)中，對將此前記述的基本技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際用途中的技術(shù)進(jìn)行敘述，因此，在以下的說明中不進(jìn)行重復(fù)，但前提是使用此前說明的技術(shù)。圖23表示在沖蝕問題較多的蒸汽渦輪動葉片上形成本發(fā)明的Si表面層的情況。在圖中，11為Si電極，12為作為被處理部件的蒸汽渦輪動葉片，13為在蒸汽渦輪動葉片12的表面上形成的含有Si的表面層。蒸汽渦輪動葉片12利用未圖示的夾具定位并固定。在實(shí)際加工時(shí)，如果將根部的樹狀部固定，則可以穩(wěn)定地固定。在通過放電形成表面層時(shí)，必須將進(jìn)行放電的部分浸漬在油中，因此將未圖示的夾具也設(shè)置在用于儲存油的加工槽內(nèi)，使實(shí)際應(yīng)用上變得方便。如所述專利文獻(xiàn)中的說明所示，在蒸汽渦輪的情況下產(chǎn)生沖蝕的位置為動葉片的前緣部等部分。在圖中，制作與要求耐沖蝕性的部位的形狀相對應(yīng)的Si電極，在未圖示的油中， 與蒸汽渦輪動葉片相對。
即使以長時(shí)間放電，Si也不使對象部件(渦輪動葉片)損壞，因此也可以通過放電而使形狀一致。在通過現(xiàn)有的焊接、噴鍍或者釬焊進(jìn)行的其它材料的附著處理中，熱量輸入較大，使部件變形，但在利用本放電表面處理的方法中，幾乎不產(chǎn)生變形，因此如果制成與部件的形狀相對應(yīng)的電極，則可以直接反復(fù)使用。因此，現(xiàn)有的方法是通過人工作業(yè)且需要熟練度的方法，與此相對，在本實(shí)施方式中，由于利用機(jī)械進(jìn)行作業(yè)，所以可以不受人的影響而進(jìn)行穩(wěn)定的處理。通過上述方法，可以在蒸汽渦輪動葉片上自動地形成耐沖蝕性高的表面層，但有時(shí)還是難以形成大面積的電極。在上述情況下，如圖M所示制造較薄的電極，通過隨著處理的進(jìn)行而使電極進(jìn)行掃描，從而也可以對必要的部分全體進(jìn)行處理。由于蒸汽渦輪動葉片的前緣部彎曲，所以如果僅由同一形狀的電極進(jìn)行掃描，則電極形狀與動葉片剖面的形狀不一致，但通過將電極的厚度形成得較薄，從而促進(jìn)電極的消耗，可以容易地使形狀一致。通過以上的方法，可以在蒸汽渦輪動葉片上自動地形成耐沖蝕性高的表面層，但在處理面積較大的情況下，存在處理時(shí)間長的問題。在此情況下，如圖25所示，通過將電極分割并分別獨(dú)立地進(jìn)行供電，從而可以縮短處理時(shí)間。對于電極與電極之間的間隙，通過使電極以大于或等于電極之間的間隙部分的量在略微移動的同時(shí)進(jìn)行處理，從而可以無間隙地形成覆膜。通常，蒸汽渦輪葉片以下述工序進(jìn)行制造，S卩，在利用鍛造制作出大概形狀后，利用切削加工等制作詳細(xì)形狀，然后，進(jìn)行用于耐沖蝕的釬焊或焊接的處理，然后，進(jìn)行用于解除應(yīng)力的處理，經(jīng)過熱處理，最后進(jìn)行精加工。如果使用本發(fā)明的技術(shù)，則通過在利用鍛造制作出大概形狀后，利用切削加工等制作詳細(xì)形狀，進(jìn)行精加工，最后進(jìn)行形成Si表面層的處理，由此可以附加耐沖蝕性。工序也可以縮短，可以大幅降低成本。作為實(shí)施方式，針對作為耐沖蝕部件而應(yīng)用于蒸汽渦輪動葉片中的情況進(jìn)行了敘述，但除此以外，當(dāng)然也可以同樣地使用在要求耐沖蝕性的耐沖蝕部件用途中。例如，在配管內(nèi)部的被流體強(qiáng)烈沖撞的部分或易發(fā)生氣蝕的形狀的部分等處，可以利用同樣的方法進(jìn)行處理。在這種用途中，還存在燃料的噴射部件等。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明所涉及的表面層成型方法可有效用于耐沖蝕部件。
權(quán)利要求
1.一種耐沖蝕性機(jī)械部件，其具有如下所述形成的表面層，即，通過在加工液中配置耐沖蝕性機(jī)械部件，在該耐沖蝕性機(jī)械部件和與該耐沖蝕性機(jī)械部件以規(guī)定間隔分離的Si 電極之間產(chǎn)生放電，從而從所述Si電極向部件側(cè)供給Si成分，形成表面層，該耐沖蝕性機(jī)械部件的特征在于，該表面層構(gòu)成為，以5 10 μ m的厚度形成Si含量為3 1 Iwt %的鐵基金屬組織。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐沖蝕性機(jī)械部件，其特征在于，含有Si的鐵基金屬組織硬度落在600HV 1100HV的范圍內(nèi)，且含有非晶部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的耐沖蝕性機(jī)械部件，其特征在于，耐沖蝕性機(jī)械部件是在葉片的前緣部分或容易產(chǎn)生沖蝕的部分的表面上形成有表面層的蒸汽渦輪部件。
4.一種機(jī)械部件的表面層形成方法，其由下述工序構(gòu)成，即在加工液中配置部件的工序；以及通過相對于該部件隔著規(guī)定間隙配置Si電極，施加規(guī)定的電壓而產(chǎn)生放電，從而從所述Si電極向部件側(cè)供給Si成分，形成含Si表面層的工序，該機(jī)械部件的表面層形成方法的特征在于，通過反復(fù)產(chǎn)生放電脈沖的電流值的時(shí)間積分值落在30A · μ s 80A · μ s的范圍內(nèi)的放電脈沖，從而在被處理部分上以5 10 μ m的厚度形成Si含量為3 1 Iwt %的鐵基金屬組織。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)械部件的表面層形成方法，其特征在于，用于表面層形成的Si電極，選擇具有小于或等于0. 01 Ω cm的電阻率的部件。
6.一種蒸汽渦輪的制造方法，其是由下述工序構(gòu)成的表面層形成方法，即在加工液中配置蒸汽渦輪的工序；以及通過相對于該蒸汽渦輪的耐沖蝕性處理部分，隔著規(guī)定間隔配置Si電極，施加規(guī)定的電壓而產(chǎn)生放電，從而從所述Si電極向所述蒸汽渦輪的耐沖蝕性處理部分側(cè)供給Si成分，形成含Si表面層的工序，該蒸汽渦輪的制造方法的特征在于，通過反復(fù)產(chǎn)生放電脈沖的電流值的時(shí)間積分值落在30A · μ S 80A · μ S的范圍內(nèi)的放電脈沖，從而在被處理部分上以5 10 μ m的厚度形成Si含量為3 1 Iwt %的鐵基金屬組織。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的蒸汽渦輪的制造方法，其特征在于，蒸汽渦輪的耐沖蝕性處理部分是葉片的前緣部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的蒸汽渦輪的制造方法，其特征在于，所述Si電極通過與蒸汽渦輪葉片的被處理部分相對應(yīng)而進(jìn)行掃描，同時(shí)進(jìn)行放電表面處理工序，從而在所述蒸汽渦輪葉片的被處理部分表面上形成含有Si的表面層。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的蒸汽渦輪的制造方法，其特征在于，所述Si電極由將蒸汽渦輪葉片的被處理部分分割后的多個(gè)電極形成，分別獨(dú)立地施加電壓，并且通過使該Si電極在略微移動的同時(shí)進(jìn)行處理，從而在所述蒸汽渦輪葉片的表面形成含有Si的表面層。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的蒸汽渦輪的制造方法，其特征在于，用于表面層形成的Si電極，選擇具有小于或等于0. 01 Ω cm的電阻率的部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面層形成方法，其目的在于形成優(yōu)異的耐沖蝕覆膜，該表面層形成方法由下述工序構(gòu)成在加工液(3)中配置部件(2)的工序；以及通過相對于該部件(2)隔著規(guī)定間隙配置Si電極(1)，施加規(guī)定電壓而產(chǎn)生放電，從而從所述Si電極(1)向部件側(cè)供給Si成分，形成含Si表面層的工序，在該表面層形成方法中，通過反復(fù)產(chǎn)生放電脈沖的電流值的時(shí)間積分值落在30A·μs～80A·μs的范圍內(nèi)的放電脈沖，從而在被處理部分上以5～10μm的厚度形成Si含量為3～11wt％的鐵基金屬組織。
文檔編號F01D25/00GK102471893SQ20098016070
公開日2012年5月23日 申請日期2009年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月28日
發(fā)明者中野善和, 后藤昭弘, 寺本浩行, 鷲見信行 申請人:三菱電機(jī)株式會社