专利名称：耐冲蚀性机械部件、机械部件的表面层形成方法以及蒸汽涡轮的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种要求耐冲蚀性的机械部件、例如蒸汽涡轮部件，及这种机械部件的制造方法。
背景技术：
在含有水滴的潮湿蒸汽等高速碰撞的情况下等使部件受到侵蚀这样的现象、即冲蚀，对于蒸汽涡轮的叶片、泵的配管、流体的喷射部件等是重要的问题，提出了各种措施。在日本特开2006-1M830号公报中，公开了下述内容，S卩，针对现有的通过由 Stellite (注册商标)及HayneS25(注册商标)等钴基合金构成的覆膜、包层等而形成的耐冲蚀构造，将由α-β钛合金、近β钛合金或β钛合金等材料构成的保护构造体形成在涡轮部件上，由此得到耐冲蚀性能。(专利文献1)另外，在日本专利3001592号公报中公开了一种技术，其作为蒸汽涡轮的耐冲蚀对策，在涡轮部件上进行以不锈钢粉作为粘合剂的Cr3C2的喷镀。(专利文献2)另外，在日本特开2006-70297号公报中公开了下述方法，S卩，在蒸汽涡轮部件上利用高压·高速火焰喷镀而形成碳化物类的覆膜后，对其表面利用激光或EBW等具有高能量密度的热源使其熔融而进行封孔处理，从而提高耐冲蚀性。(专利文献3)专利文献1 日本特开2006-1Μ830号公报专利文献2 日本专利3001592号公报专利文献3 日本特开2006-70297号公报
发明内容
如上所示，作为耐冲蚀的对策，尝试了各种方法，但存在下述等问题，S卩，在专利文献1中，在构造体形成时，需要通过在高温高压下向部件按压而进行扩散接合等难度大的方法，在专利文献2中，由于所形成的覆膜中空隙较多，所以耐冲蚀性不充分，另外，也没有考虑由于存在空隙导致的蒸汽涡轮的性能劣化，在专利文献3中，利用激光等高能量密度的方法使表面熔融，从而残留热影响，在部件上残留应变。S卩，无论是焊接，还是钎焊，由于在部件上接合其它材料的方法会产生过度的热量，所以存在下述课题，即无法避免部件变形或强度降低；由于是人工进行的方法，所以需要熟练作业；无法得到充分的耐冲蚀性能。另外，对于适于耐冲蚀的材料，如前述专利文献中所说明的那样，尝试了各种材料，但实际情况是没有找到可以充分满足要求的材料。作为其原因，认为大致为2点。第1点为，对于哪种材料是适于耐冲蚀的材料，在理论上尚未研究清楚。虽然是以水滴或异物碰撞作为主要原因而产生的冲蚀，但并不一定是硬度越高则耐冲蚀性越优异。对各种材料不断进行试验，现状为广泛使用Stellite (注册商标)等材料。第2点为，即使在存在耐冲蚀性优异的材料的情况下，与处理对象的部件进行接合的方法大多很难。当前，开发了各种涂敷技术，即使是硬质的材料也可以接合在表面上，但处理本身大多存在限制。例如，在如蒸汽涡轮的叶片这样较大部件的情况下，将部件本身放入真空装置中而逐一实施处理的方式，在工业上是极困难的。本发明的目的在于，形成解决了上述课题的优异的耐冲蚀覆膜。具体地说，为了避免过度的热输入而使对材料进行接合时所使用的能量的单位减小，通过利用微小脉冲放电，从而可以减小热量对部件的影响，尽可能降低变形或强度降低。另外，提供一种方法，其可以利用机械自动实施向部件的处理，而无需依赖熟练度。本发明所涉及的耐冲蚀性机械部件的特征在于，通过在加工液中配置耐冲蚀性机械部件，在该耐冲蚀性机械部件和与其以规定间隔分离的Si电极之间产生放电，从而从所述Si电极将Si成分向部件侧供给并形成表面层，该表面层构成为，以5 10 μ m的厚度形成Si含量为3 1 Iwt %的铁基金属组织。发明的效果根据本发明，可以通过使用Si电极进行的放电而在部件上稳定地形成优质的覆膜，可以形成具有高耐冲蚀性的表面层。另外，可以不通过人工且没有波动地使蒸汽涡轮动叶片、或配管部件、或者燃料喷射部件等提高耐冲蚀性。
图1是放电表面处理系统的说明图。图2是表示放电表面处理中的电压、电流波形的图。图3是表示放电现象的图。图4是表示电极的电阻值R、电阻率P、面积S、长度L的关系的图。图5是表示无法检测出放电的情况下的电流波形的图。图6是表示含有Si的表面层的分析结果的图。图7是耐冲蚀的评价试验的概略图。图8是表示不锈钢基材的评价试验结果的图。图9是表示斯特莱特合金的评价试验结果的图。图10是表示TiC覆膜的评价试验结果的图。图11是表示Si表面层的评价试验结果的图。图12是表示Si表面层的评价试验结果的图。图13是Si表面层的条件一览表。图14是Si表面层的表面照片。图15是Si表面层的剖面照片。图16是表示Si表面层被破坏后的情况的照片。
图17是表示斯特莱特合金冲蚀的情况的照片。图18是Si表面层的耐冲蚀特性图。图19是裂纹在Si表面层扩展后的照片。图20是Si表面层的耐冲蚀特性图。图21是Si表面层的耐冲蚀特性图。图22是Si表面层的X射线衍射像。图23是表示在蒸汽涡轮的动叶片上形成Si表面层的情况的图。图M是表示在蒸汽涡轮的动叶片上形成Si表面层的情况的图。图25是表示在蒸汽涡轮的动叶片上形成Si表面层的情况的图。标号的说明1 Si电极、2部件、3加工液、4直流电源、5开关元件、6限流电阻、7控制电路、8放电检测电路、11 Si电极、12蒸汽涡轮动叶片、13含有Si的表面层。
具体实施例方式下面，使用
本发明的实施方式。实施方式1.图1示出放电表面处理方法的概略，在该方法中，使Si电极和部件之间产生脉冲状放电，从而在部件表面形成具有耐冲蚀性这一功能的组织。在图中，1是固体状的金属硅(Si)电极，2是蒸汽涡轮叶片等作为处理对象的部件，3是作为加工液的油，4是直流电源，5是用于将直流电源4的电压向Si电极1和部件2 之间施加(或停止施加)的开关元件，6是用于控制电流值的限流电阻，7是用于控制开关元件5的接通/断开的控制电路，8是用于对Si电极1和部件2之间的电压进行检测而检测放电的产生的放电检测电路。下面，使用示出了电压、电流波形的图2，对动作进行说明。通过利用控制电路7使开关元件5接通，从而在Si电极1和部件2之间施加电压。 利用未图示的电极进给机构，将Si电极1和部件2之间的极间距离控制为适当距离(产生放电的距离)，很快就在Si电极1和部件2之间产生放电。预先设定电流脉冲的电流值 ie、脉宽te(放电持续时间)及放电间歇时间t0 (不施加电压的时间)，它们是由控制电路 7及限流电阻6确定的。如果产生放电，则利用放电检测电路8根据Si电极1和部件2之间的电压降低以及定时，检测出放电的产生，从检测到产生放电的时刻开始经过规定时间(脉宽te)后，利用控制电路7使开关元件5断开。从使开关元件5断开的时刻开始经过规定时间(间歇时间t0)后，再次利用控制电路7使开关元件5接通。通过反复进行上述动作，可以连续产生所设定的电流波形的放电。此外，在图1中，将开关元件描绘为晶体管，但只要是可以控制电压施加的元件即可，也可以是其它元件。另外，描绘为利用电阻器进行电流值的控制，但当然只要是可以控制电流值的方法即可，也可以是其它方法。另外，在图1的说明中，电流脉冲的波形形成为矩形波，但当然也可以是其它波形。根据电流脉冲的形状不同，可以消耗更多电极而更多地供给Si材料，或者通过减少电极消耗而有效地使用材料等，在本说明书中并不详细论述。如上所示，通过连续在Si电极1和部件2之间产生放电，可以在部件2的表面形成含有较多Si的层。但是，为了稳定地形成实现本目的的优质含Si层，并不是什么样的Si都可以，另夕卜，图1的电路也存在必要条件。对于该情况，在后面详细说明。首先，在对Si电极及电路的条件进行说明之前，为了明确与放电表面处理相关的现有技术和本实施方式之间的差异，对利用放电加工的覆膜成形技术进行说明。在日本特公平5-13765号公报中公开了一种方法，在该方法中，使用硅作为放电加工的电极，在被加工物表面形成非晶合金层或者具有微细晶体构造的高耐腐蚀、高耐热特性的表面层。该公报所公开的利用Si电极的放电加工为下述方法，即，通过以将电压施加时间固定为3μ S、将间歇时间固定为2μ s并周期性地使电压接通/断开的电路方式，供给峰值 Ip为IA的能量。因此，在施加电压的3μ s的期间，在电压脉冲的哪个位置产生放电这一情况各不相同，实际放电持续时间即流过电流的电流脉宽逐次变化，难以稳定地形成覆膜。例如如图3所例示，在周期性地使电压接通/断开的电路方式的电源中，产生电压波形、电流波形变化，每一个脉冲的能量不同的现象，使得作为电极材料的Si向部件供给的量、以及使部件表面熔融而生成表面层的能量散乱，因此难以进行稳定的处理。此外，在图中，放电的电压恒定，电流也恒定，但在实际中电压是变动的，电流也是变动的。另外，在将Si这种高电阻的材料用作为电极的情况下，电压成为包含Si所产生的电压降在内的电压，因此电压较高，另外变动也变大。下面，对该公报中必须如上述所示周期性地使电压接通/断开的原因进行说明。在该公报中，使用固有电阻值为0.01 Ω cm左右的高电阻材料即硅，并使用电流脉冲非常小的条件。因此，在通过检测放电的电弧电位而检测放电产生的现有的控制方式中，在电极为高电阻材料的情况下产生放电时，电流流过Si电极的情况下的电压降的电压被加在放电的电弧电位中，在电压降的电压较高的情况下，无论是否产生放电，电路都无法识别出产生了放电。另外，作为现有的放电加工所形成的硅覆膜，还存在处理波动较大，无法稳定地进行的问题。该问题产生的原因也是Si为高电阻。例如，如图4所示，如果将电阻率设为P、将面积设为S、将长度设为L，则电极的电阻值R表示为R= P · L/S0但根据向电极供电的方法即电极的保持方法，在P较大的情况下，R的值产生较大波动。在现有技术中，将P =O-OlQcm的硅用作为电极，但在这种程度的高电阻材料的情况下，并不是在任何条件下都可以进行处理。例如，在Si电极较长，握持一个端部进行供电的情况下，在电极较长的情况下电极的电阻较高，随着变短而电阻降低。在电极较长而电阻较高的情况下，如上述所示无法检测放电，产生异常脉冲的概率也较高，而且即使在不产生异常的情况下，也由于电阻较高而使放电的电流值变低。根据发明人的研究，在将电阻值为P =0.01Qcm程度的硅用作为电极的情况下， 如果电极长度大于或等于几十mm程度，则有时由在产生放电的情况下的电流所引起的电极中的电压降变大，产生异常放电，难以形成正常的表面层。另外，已知引起上述异常放电的条件基本由供电位置和放电位置、即电极长度确定，与电极面积(粗细)基本无关。其原因可以推测为，电流在流过电极内时，并非均勻地流过电极的整个剖面，而是流过某一较细通路。由此，即使将电阻率大于或等于0. 01 Ω cm的硅用作为电极，只要产生放电的位置接近供电点，就可以产生稳定的放电。例如，如果将Imm左右的板状硅与金属接合而进行供电，则即使电阻值为0.05 Ω cm左右，也可以进行稳定的放电。但是，即使是 0. 01 Ω cm的电极，如果长度大于或等于几十mm程度、例如成为IOOmm左右的长度，则有时也产生异常放电，难以进行稳定的处理。如上述论述所示，根据发明人的实验，明确可知下述情况。·为了以硅作为电极，利用在油中进行的脉冲放电在部件的表面上，以耐工业使用的方式高速形成厚度为10 μ m左右的含有Si的表面层，必须使用电阻较低的Si，使用图1、 图2所示的对放电脉宽(放电电流脉冲)进行控制(形成大致相同的脉宽)的方式的电路。·为了以硅作为电极而在部件表面形成ΙΟμπι左右的表面层，优选电阻值(电阻率)较低。如果考虑工业实用性，考虑在电极长度大于或等于IOOmm的程度下进行使用的情况，则优选P小于或等于0.005Qcm左右。为了降低Si的电阻值，只要掺杂其他元素等增加所谓杂质的浓度即可。 即使ρ大于或等于0.005Qcm，在供电点和放电位置接近的情况下，也可以进行稳定的处理。对于此时的指标，只要包含P小于或等于0.005 Ω cm的情况在内如下述所示
设定即可。S卩，只要如下进行处理即可在利用根据施加在极间的电压降低而识别为产生放电，从该识别为产生放电的时刻经过规定时间(脉宽te)后停止施加电压(即停止放电) 的电源，将Si作为电极而在部件表面形成含有Si的表面层时，在产生放电时包含作为电阻体的Si电极上的电压降在内的极间电压低于放电检测电平的状态下，进行处理。通常电弧电位为25V 30V左右，但只要将放电检测电平的电压设定为低于电源电压而高于电弧电位即可。但是，如果将放电检测电平设定得较低，则如果不将Si的电阻值降低，则即使产生放电也无法识别出产生了放电这一情况，使得产生图5所示的异常长脉冲的危险性增加。如果将放电检测电平设定得较高，则即使Si的电阻略高，在产生放电的情况下也很容易低于放电检测电平。即，在Si的电阻值较低的情况下，电极可以较长，在Si的电阻值较高的情况下，只要使Si的长度变短，使得在产生放电的情况下的极间电压低于放电检测电平即可。放电检测电平设定为低于电源电压而高于电弧电位即可，但根据上述说明，可以设定为略低于电源电压的电平。在发明人的实验中，可知如果设定为比电源电压低IOV 30V程度的值，则在实际应用中最具有通用性。更严格地说，如果设定为比电源电压低IOV 20V程度的值，则可以使用的Si的范围增加，所以优选。通过满足上述条件，可以将作为高电阻材料的Si用作为电极，可以自由且稳定地产生放电脉冲，可以在部件上形成含有Si的表面层。这样，上述含有Si的表面层得以完成，对其性质进行研究，可知下述情况。图6是含有Si的表面层的分析结果。上层左侧照片为Si表面层剖面的SEM照片， 上层中间为Si的面分析结果，上层右侧为Cr的面分析结果，下层左侧为！^的面分析结果， 下层右侧(中间)为Ni的面分析结果。另外，根据该结果，可知虽然形成了具有一定厚度的表面层，但Si表面层并非是将Si附着在母材上，而是使Si与母材一体化，形成将Si高浓度地渗入母材中的状态的表面层。该表面层是提高了 Si含量的铁基金属组织，由于覆膜这一称呼并不恰当，所以下面为了简单而称为Si表面层。此外，对于该表面层，根据成分分析，与母材相比只要是Si量发生了增加的部分，就定义为表面层。由于形成为上述状态，所以表面层与其它表面处理方法不同，不会发生覆膜的剥离。针对该表面层进行研究后，其结果，可知在满足一定条件的情况下，具有极高的耐冲蚀性。所谓冲蚀是指水等与部件发生冲撞而侵蚀的现象，是成为水或蒸汽所通过的配管部件、 或者蒸汽涡轮的动叶片等的故障原因的现象。作为用于耐冲蚀的技术，存在前述各种现有技术，但分别存在问题。在这里，首先针对满足规定条件的Si表面层的示出高耐冲蚀性的实验结果进行说明。对于规定条件在后面记述。对于本实施方式的耐冲蚀性能，以下说明试验结果。图7是作为耐冲蚀的评价而使水喷流与试验片发生冲撞并比较侵蚀情况的试验的概略内容。水喷流以200Mpa的压力发生冲撞。作为试验片，使用下述4种1)不锈钢基材， 2)斯特莱特合金(通常在耐冲蚀用途中使用的材料)，；3)通过放电形成的TiC覆膜，4)在不锈钢上形成本发明所涉及的Si较多的表面层后的材料。3)的覆膜是通过国际公开号WO 01/005545中公开的方法而形成的TiC覆膜，是具
有较高硬度的覆膜。将水喷流向各个试验片喷射10秒钟，利用激光显微镜测定试验片的侵蚀。图8是1)的结果，图9是2)的结果，图10是3)的结果，图11是4)即本实施方式所涉及的表面层的情况下的结果。如图8所示，在水喷流冲撞不锈钢基材10秒钟的情况下，侵蚀至大约100 μ m的深度。与此相对，如图9所示，对于斯特莱特合金材料，侵蚀的情况不同，但深度为60 70 μ m程度，可以在一定程度上确认到斯特莱特合金材料的耐冲蚀性。图10是硬度非常高的TiC覆膜的结果，侵蚀至大约100 μ m的深度，可知耐冲蚀不仅依赖于表面的硬度。另一方面，图11是本实施方式所涉及的Si的表面层的情况下的结果，可知几乎没有被侵蚀。该表面层的硬度为大约800HV左右(由于表面层的厚度较薄，所以将负载设为10g，利用显微维氏硬度计进行了测定。硬度范围为大约600 1100HV的范围)，硬度与1) 所示的不锈钢基材(350HV左右)、幻所示的斯特莱特合金材料G20HV左右)相比较高，但与3)所示的TiC覆膜(大约1500HV)相比较低。即，可知耐冲蚀性不单纯是硬度的效果， 而是与其它性质综合的复合效果。在图10中，即使是较硬的覆膜，也呈现出如被挖掉那样的状况，因此，推测为在仅表面较硬且表面不具有韧性的较薄的覆膜的情况下，在水喷流的冲击下被破坏。与此相对，本实施方式中的4)的覆膜通过其它的试验检测出形成了具有韧性且耐变形的表面，推测为这一点是表现出高耐冲蚀性的原因。在试验中，在薄板表面上形成 TiC覆膜和Si表面层，在进行了弯折试验的情况下，在TiC中迅速产生裂纹，但在Si表面层中难以产生裂纹。虽然对4)的表面层是在厚度为5μπι左右的厚度下进行的试验，但已确认出在覆膜较薄的情况下，强度还是不充分，容易产生侵蚀。在作为现有技术的日本特公平5-13765号公报中，对Si的覆膜进行研究，虽然明确了高耐蚀性，但没有发现耐冲蚀性，可以推测其较大的原因之一是表面层无法形成得较厚。在耐冲蚀的情况下，也取决于水等成为冲蚀原因的物质的碰撞速度，但期望具有大于或等于5μπι的表面层。当然，在进行碰撞的物质的速度较慢的情况下，有时只要大于或等于2 3 μ m，就发挥出充分的效果。在针对4)所示的Si的表面层的试验中，几乎没有确认到侵蚀，因此，进一步延长对Si的表面层的试验，连续60秒使水喷流进行冲撞，在图12中示出该结果。可以判别出水喷流所冲撞的部位显现出稍微被磨去的状态，但可知几乎没有磨损。根据以上所述，可以确认本实施方式的表面层的高耐冲蚀性。基于上述结果，进行用于发现适合蒸汽涡轮这一用途的条件的实验。对水喷流冲撞图13所示的各条件下的覆膜而产生侵蚀的情况进行了研究。在图13中，针对各处理条件，示出与该条件的放电脉冲的能量相当的值即放电脉冲的电流值的时间积分的值(Α · μ s)(如果为矩形波，则为电流值ieX脉宽te)、该处理条件下的Si表面层的厚度、以及Si表面层有无裂纹。在处理条件中，将横轴设为电流值ie、纵轴设为脉宽te，使用具有该值的矩形波的电流脉冲。本试验所使用的基材为SUS630。另外，Si电极使用P = 0.01 Ω cm的Si，制作成落在使放电脉冲正常产生的范围内的尺寸的电极而进行试验。根据附图，作为Si表面层的形成条件之一，可以观察有无裂纹。可知裂纹的有无与放电脉冲的能量相关度很高，与放电脉冲的能量相当的量即放电电流的时间积分值落在小于或等于80A · μ S的范围内，是用于形成没有裂纹的Si表面层的条件。当然，是否由于加工条件产生裂纹这一点也多少受到基材的影响。例如在被称为不锈钢的材料中，如SUS304这种作为固溶体的材料比较难产生裂纹，在如SUS630这种的析出硬化型的材料中，则存在容易产生一些裂纹的倾向。由于蒸汽涡轮通常使用SUS630等析出硬化型的不锈钢，所以不产生裂纹的优选范围与SUS304这种奥氏体类的不锈钢相比略窄。根据图13，Si表面层的形成条件的另一个为Si表面层的厚度。根据图13可知，Si表面层的厚度和与放电脉冲的能量相当的量即放电电流的时间积分值相关，放电电流的时间积分值越小，厚度越小，放电电流的时间积分值越大，厚度越大。在这里所称的厚度是指作为电极成分的Si利用放电能量熔融后所渗入的范围。热影响的范围由与放电脉冲的能量大小相当的量即放电电流的时间积分值的大小确定，但渗入的Si的量也受到放电产生次数的影响。在放电较少的情况下，当然Si无法充分渗入，所以Si表面层的Si的量较少。相反，即使超过所需而产生放电，Si表面层的Si 量也会在某个值饱和，并不会继续增加。在Si量较少的情况下，有时无法充分得到如后述所示的Si表面层的效果。在Si 充分渗入Si表面层的情况下，Si量为3 llwt%。在更稳定地形成的Si表面层中，Si量为6 9wt%。这里所谓的Si量是利用能量色散型X射线分光分析法(EDX)测定的值，测定条件为加速电压15. OkV、照射电流1. OnA。另外，Si量是表面层中表现出大致最大值的部分的数值。Si表面层的Si量最优选6 9wt %，在该范围内，处理后的表面平滑，成为作为冲蚀起点的表面粗糙部几乎不存在的状态。通过使Si渗入表面中，可以使通过放电而熔融的基材材料和电极的Si材料平滑地凝固。可知如果Si量较少，则使熔融的材料变平滑的作用减少，如果小于3wt%，则通过放电而熔融后进行凝固的材料在凝固时，凹凸部更加显著， 产生在水滴等碰撞时成为损伤起点的部分，无法发挥耐冲蚀性。相反，可知为了使Si量增加，需要使脉宽te变长，如果脉宽变长，则在该条件下， 表面的凹凸同样会变大。可知如果使Si量大于或等于llwt%，则表面的凹凸变大，最终使成为损伤起点的部分增加。如上所示，可知Si表面层的Si量与3 相比更优选6 9wt%。在得到上述效果的范围的Si表面层中硬度为600HV 11OOHV。针对Si表面层的Si量对表面凹凸特性的影响这一点进行了记述，其一个例子在图14、图15中示出。分别改变时间而利用Si电极在同一处理条件下进行处理，对Si表面层的表面 (图14)、以及Si表面层的剖面(图15)的情况进行观察。由于所有处理都是在处理条件固定的状态下进行的，所以可以认为处理条件大致相同，即与产生放电的次数比大致相同。即，在处理时间较短的情况下，放电次数较少，在处理时间较长的情况下，放电次数较多。(但是，由于处理时间根据间歇时间等条件而改变，所以为了产生相同放电脉冲数量，如果间歇时间变化，则所需的处理时间改变。)图中示出的Si表面层的处理时间为3分钟、4分钟、6分钟、8分钟。根据附图可知下述内容。在处理时间较短的情况下(3分钟)，观察到表面的凹凸仍然较多，表面存在较小的凸起状部分。(虽然省略图示，但如果时间更短，则凸起状部分进一步增加，3分钟的处理时间为凸起变得不显眼的界线)
可知如果处理时间增加，则上述凹凸、凸起变少，变得平滑。另一方面，如果观察剖面照片，则可知在处理时间从3分钟至8分钟为止的剖面中，Si表面层的厚度基本没有变化。如果分析各个覆膜的Si量，则处理时间为3分钟的覆膜为大约3wt%，处理时间为4分钟的覆膜为大约6wt%，处理时间为6分钟的覆膜为大约 8wt%，处理时间为8分钟的覆膜为大约6wt%。可知在处理时间较短的情况下，Si没有充分渗入表面层，但如果经过一定程度的处理时间(在该条件下为4分钟)，则Si基本充分渗入，表面变得平滑。根据以上内容，可知如果Si较少则表面平滑性变差，需要大于或等于 3wt %，更优选需要大于或等于6wt %。虽然将说明放在后面，但下面论述Si表面层的性能。此外，冲蚀大体具有2个模式，一个为利用水的冲击而大幅剜除的模式，另一个是使水强力地冲撞而在表面流动时，对表面进行刮擦削去的模式。图16是将水喷流向厚度3 μ m的Si表面层以200MPa冲撞60秒时，Si表面层被破坏的结果。可知虽然没有看到细微剥离的痕迹，但以大幅剜除的方式产生了破坏。对于该情况，认为并非由于水的碰撞而产生擦除的伤痕，而是Si表面层无法承受利用水喷流使大量的水冲撞而形成的冲击，从而被破坏的结果。即，示出了在Si表面层较薄即小于或等于 4 μ m的情况下，针对水强力地冲撞而在表面流动时对表面刮擦削去的模式，具有效果，但对于利用水的冲击而大幅剜除的模式，效果较差。另外，图17是作为耐冲蚀性较高的材料的斯特莱特合金No6单体，是使90Mpa的水喷流冲撞60秒的情况下的结果。在图中，示出了水强力地冲撞而在表面流动时对表面刮擦削去的模式。下面，在图18中示出Si表面层的厚度和耐冲蚀性的关系。如图所示，可知在Si表面层的厚度小于或等于4μπι时，在使水喷流以与水滴碰撞涡轮叶片的速度相当的音速程度的速度对蒸汽涡轮进行冲撞的情况下，如果Si表面层较薄，则覆膜无法承受，以高概率产生表面被破坏的现象。如果Si表面层的厚度较薄，则抗冲击性较差，如果较厚则抗冲击性较强，其原因如下所示进行推断。即，在Si表面层较薄的情况下，如果受到冲击，则形变在基材上逐渐积累，最后从母材的晶界开始产生破坏，但在Si表面层较厚的情况下，形变难以到达母材，基材得到了保护，另一方面，由于Si表面层为接近非晶的组织，没有晶界，不会产生晶界处的破坏。为了从此方面出发而增厚Si表面层，需要使放电脉冲的能量增大，已知为了实现大于或等于5 μ m，需要使放电脉冲的能量大于或等于30A · μ S。如上所述，通过增厚Si表面层的膜厚，可以提高耐冲蚀性，但另一方面，也存在伴随膜厚增加而产生的问题，有时由于该问题而使耐冲蚀性恶化。如上述所示，为了使Si表面层增厚，需要使放电脉冲的能量增大，但伴随着放电能量增大，热影响也变大，使得表面产生裂纹。放电脉冲的能量越大则裂纹越容易产生，如上述所示，在以大于或等于80Α·μ s 的脉冲进行处理的情况下，表面产生裂纹。可知如果表面产生裂纹，则耐冲蚀性显著降低。图19示出通过水喷流冲撞而使裂纹扩展的情况。如果进一步持续，则在某一范围中覆膜被大幅破坏。在以80Α·μ8的能量脉冲条件进行处理的情况下，膜厚为10 μ m左右，已知该膜厚为事实上耐冲蚀用途的Si表面层的上限值。如果从裂纹的角度出发而将Si表面层的膜厚和耐冲蚀性的关系进行图示，则如图20所示。如果将图18和图20相结合，则可知Si表面层的膜厚和耐冲蚀性的关系如图 21所示。如果将上述内容进行总结，则如下所示。为了形成具有耐冲蚀性的Si表面层，需要使Si表面层大于或等于5 μ m,因此，需要使放电脉冲的能量大于或等于30A · μ S。另一方面，为了防止表面的裂纹，需要使放电脉冲的能量小于或等于80Α · μ S，由此，Si表面层小于或等于10 μ m。S卩，用于形成具有耐冲蚀性的Si表面层的条件是覆膜厚度为5 μ m 10 μ m厚度的覆膜，相应的放电脉冲的能量为30A · μ S 80A · μ S。此时的覆膜硬度为600HV 1100HV的范围。另外，对于本发明所涉及的Si表面层的耐冲蚀性能优异的原因，认为是如下所示。通常认为耐冲蚀性与硬度的相关度很高。但是，根据前述评价结果可知，如果仅考虑硬度，则无法说明的点很多。作为硬度之外的要素，已知表面特性也产生影响，与粗糙的表面相比，越接近镜面，耐冲蚀性就越高。作为Si表面层的耐冲蚀性优异的原因，也举出表面特性。Si表面层成为，硬度600HV 1100HV即具有一定程度的硬度、且表面特性平滑的面。 认为这些对耐冲蚀性产生影响。另外，通常较硬的覆膜(例如前述的TiC覆膜或由PVD、CVD等形成的硬质覆膜) 韧性较差，通过微小的变形就使覆膜被破坏，与此相对，Si表面层具有韧性高，即使施加变形也不易产生裂纹等的性质，这也被认为是耐冲蚀性高的原因之一。此外，认为对Si表面层的晶体构造也产生影响。在本发明的范围的条件下所形成的Si表面层的X射线衍射结果在图22中示出。在图中，示出作为基材的SUS630和在其上形成Si表面层的情况下的衍射像。如果观察Si表面层的衍射像则可知，虽然可以观察到基材的波峰，但也观察到证明形成了非晶(无定形)组织的宽幅背底(background)。S卩，可以认为由于Si表面层形成为非晶组织，因此，难以产生在通常的材料中容易产生的晶体晶界处的破坏。另外，由于可知根据本实施方式能够得到高耐冲蚀表面层，因此，对实际的应用技术进行说明。另外，在下面的应用技术中，对将此前记述的基本技术应用于实际用途中的技术进行叙述，因此，在以下的说明中不进行重复，但前提是使用此前说明的技术。图23表示在冲蚀问题较多的蒸汽涡轮动叶片上形成本发明的Si表面层的情况。在图中，11为Si电极，12为作为被处理部件的蒸汽涡轮动叶片，13为在蒸汽涡轮动叶片12的表面上形成的含有Si的表面层。蒸汽涡轮动叶片12利用未图示的夹具定位并固定。在实际加工时，如果将根部的树状部固定，则可以稳定地固定。在通过放电形成表面层时，必须将进行放电的部分浸渍在油中，因此将未图示的夹具也设置在用于储存油的加工槽内，使实际应用上变得方便。如所述专利文献中的说明所示，在蒸汽涡轮的情况下产生冲蚀的位置为动叶片的前缘部等部分。在图中，制作与要求耐冲蚀性的部位的形状相对应的Si电极，在未图示的油中， 与蒸汽涡轮动叶片相对。
即使以长时间放电，Si也不使对象部件(涡轮动叶片)损坏，因此也可以通过放电而使形状一致。在通过现有的焊接、喷镀或者钎焊进行的其它材料的附着处理中，热量输入较大，使部件变形，但在利用本放电表面处理的方法中，几乎不产生变形，因此如果制成与部件的形状相对应的电极，则可以直接反复使用。因此，现有的方法是通过人工作业且需要熟练度的方法，与此相对，在本实施方式中，由于利用机械进行作业，所以可以不受人的影响而进行稳定的处理。通过上述方法，可以在蒸汽涡轮动叶片上自动地形成耐冲蚀性高的表面层，但有时还是难以形成大面积的电极。在上述情况下，如图M所示制造较薄的电极，通过随着处理的进行而使电极进行扫描，从而也可以对必要的部分全体进行处理。由于蒸汽涡轮动叶片的前缘部弯曲，所以如果仅由同一形状的电极进行扫描，则电极形状与动叶片剖面的形状不一致，但通过将电极的厚度形成得较薄，从而促进电极的消耗，可以容易地使形状一致。通过以上的方法，可以在蒸汽涡轮动叶片上自动地形成耐冲蚀性高的表面层，但在处理面积较大的情况下，存在处理时间长的问题。在此情况下，如图25所示，通过将电极分割并分别独立地进行供电，从而可以缩短处理时间。对于电极与电极之间的间隙，通过使电极以大于或等于电极之间的间隙部分的量在略微移动的同时进行处理，从而可以无间隙地形成覆膜。通常，蒸汽涡轮叶片以下述工序进行制造，S卩，在利用锻造制作出大概形状后，利用切削加工等制作详细形状，然后，进行用于耐冲蚀的钎焊或焊接的处理，然后，进行用于解除应力的处理，经过热处理，最后进行精加工。如果使用本发明的技术，则通过在利用锻造制作出大概形状后，利用切削加工等制作详细形状，进行精加工，最后进行形成Si表面层的处理，由此可以附加耐冲蚀性。工序也可以缩短，可以大幅降低成本。作为实施方式，针对作为耐冲蚀部件而应用于蒸汽涡轮动叶片中的情况进行了叙述，但除此以外，当然也可以同样地使用在要求耐冲蚀性的耐冲蚀部件用途中。例如，在配管内部的被流体强烈冲撞的部分或易发生气蚀的形状的部分等处，可以利用同样的方法进行处理。在这种用途中，还存在燃料的喷射部件等。工业实用性本发明所涉及的表面层成型方法可有效用于耐冲蚀部件。
权利要求
1.一种耐冲蚀性机械部件，其具有如下所述形成的表面层，即，通过在加工液中配置耐冲蚀性机械部件，在该耐冲蚀性机械部件和与该耐冲蚀性机械部件以规定间隔分离的Si 电极之间产生放电，从而从所述Si电极向部件侧供给Si成分，形成表面层，该耐冲蚀性机械部件的特征在于，该表面层构成为，以5 10 μ m的厚度形成Si含量为3 1 Iwt %的铁基金属组织。
2.根据权利要求1所述的耐冲蚀性机械部件，其特征在于，含有Si的铁基金属组织硬度落在600HV 1100HV的范围内，且含有非晶部分。
3.根据权利要求1或2所述的耐冲蚀性机械部件，其特征在于，耐冲蚀性机械部件是在叶片的前缘部分或容易产生冲蚀的部分的表面上形成有表面层的蒸汽涡轮部件。
4.一种机械部件的表面层形成方法，其由下述工序构成，即在加工液中配置部件的工序；以及通过相对于该部件隔着规定间隙配置Si电极，施加规定的电压而产生放电，从而从所述Si电极向部件侧供给Si成分，形成含Si表面层的工序，该机械部件的表面层形成方法的特征在于，通过反复产生放电脉冲的电流值的时间积分值落在30A · μ s 80A · μ s的范围内的放电脉冲，从而在被处理部分上以5 10 μ m的厚度形成Si含量为3 1 Iwt %的铁基金属组织。
5.根据权利要求4所述的机械部件的表面层形成方法，其特征在于，用于表面层形成的Si电极，选择具有小于或等于0. 01 Ω cm的电阻率的部件。
6.一种蒸汽涡轮的制造方法，其是由下述工序构成的表面层形成方法，即在加工液中配置蒸汽涡轮的工序；以及通过相对于该蒸汽涡轮的耐冲蚀性处理部分，隔着规定间隔配置Si电极，施加规定的电压而产生放电，从而从所述Si电极向所述蒸汽涡轮的耐冲蚀性处理部分侧供给Si成分，形成含Si表面层的工序，该蒸汽涡轮的制造方法的特征在于，通过反复产生放电脉冲的电流值的时间积分值落在30A · μ S 80A · μ S的范围内的放电脉冲，从而在被处理部分上以5 10 μ m的厚度形成Si含量为3 1 Iwt %的铁基金属组织。
7.根据权利要求6所述的蒸汽涡轮的制造方法，其特征在于，蒸汽涡轮的耐冲蚀性处理部分是叶片的前缘部分。
8.根据权利要求6所述的蒸汽涡轮的制造方法，其特征在于，所述Si电极通过与蒸汽涡轮叶片的被处理部分相对应而进行扫描，同时进行放电表面处理工序，从而在所述蒸汽涡轮叶片的被处理部分表面上形成含有Si的表面层。
9.根据权利要求6所述的蒸汽涡轮的制造方法，其特征在于，所述Si电极由将蒸汽涡轮叶片的被处理部分分割后的多个电极形成，分别独立地施加电压，并且通过使该Si电极在略微移动的同时进行处理，从而在所述蒸汽涡轮叶片的表面形成含有Si的表面层。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的蒸汽涡轮的制造方法，其特征在于，用于表面层形成的Si电极，选择具有小于或等于0. 01 Ω cm的电阻率的部件。
全文摘要
本发明涉及一种表面层形成方法，其目的在于形成优异的耐冲蚀覆膜，该表面层形成方法由下述工序构成在加工液(3)中配置部件(2)的工序；以及通过相对于该部件(2)隔着规定间隙配置Si电极(1)，施加规定电压而产生放电，从而从所述Si电极(1)向部件侧供给Si成分，形成含Si表面层的工序，在该表面层形成方法中，通过反复产生放电脉冲的电流值的时间积分值落在30A·μs～80A·μs的范围内的放电脉冲，从而在被处理部分上以5～10μm的厚度形成Si含量为3～11wt％的铁基金属组织。
文档编号F01D25/00GK102471893SQ20098016070
公开日2012年5月23日 申请日期2009年7月28日 优先权日2009年7月28日
发明者中野善和, 后藤昭弘, 寺本浩行, 鹫见信行 申请人:三菱电机株式会社