(57)【要約】  加工液(3)中に部材(2)を配置する工程と、該部材(2)に対し、Ｓｉ電極(1)を所定間隙離間して配置し、所定の電圧を印加して放電を発生させることで前記Ｓｉ電極(1)からＳｉ成分を部材側に供給し、Ｓｉ含有表面層を形成する工程からなる表面層形成方法であって、前記Ｓｉ電極(1)は、０．００５Ωｃｍ以下の比抵抗を有する部材を選定し、放電中のアーク電位に前記Ｓｉ電極での電圧降下を加えた値以上の値を放電検出レベルと設定し、該放電検出レベル以下に電圧低下を検出することでＳｉ電極(1)と部材(2)との間に放電が発生したことを検出し、放電発生から予め設定した所定時間経過後に電圧印加を停止し、一定時間休止後、再び電圧を印加することを繰り返す(4,7,8)ことにより部材表面にＳｉを含む表面層を形成する。
2010134129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工液中に部材を配置する工程と、
該部材に対し、Ｓｉ電極を所定間隙離間して配置し、所定の電圧を印加して放電を発生させることで前記Ｓｉ電極からＳｉ成分を部材側に供給し、Ｓｉ含有表面層を形成する工程からなる表面層形成方法であって、
極間に印加した電圧がその値よりも低下したことにより放電が発生したと認識する放電検出レベルの値を、放電中のアーク電位に前記Ｓｉ電極での電圧降下を加えた値以上となるように設定し、
電圧印加後、該放電検出レベル以下に電圧低下を検出することでＳｉ電極と部材との間に放電が発生したことを検出し、放電発生から予め設定した所定時間経過後に電圧印加を停止し、一定時間休止後、再び電圧を印加することを繰り返すことにより部材表面にＳｉを含む表面層を形成する、
ことを特徴とするＳｉ含有表面層形成方法。
【請求項２】
Ｓｉ電極は、０．００５Ωｃｍ以下の比抵抗を有する部材を選定することを特徴とする請求項１に記載のＳｉ含有表面層形成方法。
【請求項３】
放電中のアークの電位に、Ｓｉ電極での電圧降下分を加えた放電検出レベルの電圧は、印加電圧に対して１０〜３０Ｖ低い値とすることを特徴とする請求項１または２に記載のＳｉ含有表面層形成方法。
【請求項４】
放電発生時のＳｉ電極と部材との間に供給する電流値は、パルス幅４〜１００μｓ、ピーク電流値１〜４０Ａで加工を行うことで部材表面にＳｉを含む表面層を形成することを特徴とする請求項１乃至３何れかに記載のＳｉ含有表面層形成方法。
【請求項５】
加工液中に配置した耐エロ-ジョン部品の被処理部分に対し、前記被処理部分の形状に成形したＳｉ電極を所定間隙離間して配置する工程と、
前記耐エロ-ジョン部品及びＳｉ電極間に所定の電圧を印加し、印加電圧が放電中のアーク電位にＳｉ電極での電圧降下を加えた値以上の放電検出レベル以下に電圧低下を検出することでＳｉ電極と部材との間に放電が発生したことを検出し、予め設定した所定時間の放電継続、放電継続後の電圧印加を停止させる休止時間、を繰り返すことで前記耐エロ-ジョン部品表面にＳｉを含む表面層を放電表面処理にて形成する表面層形成工程、
からなる耐エロージョン部品の製造方法。
【請求項６】
Ｓｉ電極は、０．００５Ωｃｍ以下の比抵抗を有する部材を選定することを特徴とする請求項５に記載の耐エロージョン部品の製造方法。
【請求項７】
前記Ｓｉ電極は、耐エロ-ジョン部品の被処理部分にあわせ、走査しつつ放電表面処理工程を行うことで、前記耐エロ-ジョン部品表面にＳｉを含む表面層を形成することを特徴とする請求項５または６に記載の耐エロ-ジョン部品の製造方法。
【請求項８】
前記Ｓｉ電極は、耐エロ-ジョン部品の被処理部分を分割した複数の電極で形成され、それぞれに独立して電圧を印加するとともに、該Ｓｉ電極をわずかに移動させながら処理することで前記耐エロ-ジョン部品表面にＳｉを含む表面層を形成することを特徴とする請求項５または６に記載の耐エロ-ジョン部品の製造方法。
【請求項９】
表面層形成工程における表面層は、５μｍ以上の厚さを有し、硬さ６００〜９００ＨＶの範囲となるＳｉ被膜層であることと特徴とする請求項５乃至８何れかに記載の耐エロージョン部品の製造方法。
【請求項１０】
被処理部分である翼の前縁部分に、５μｍ以上の厚さを有し、硬さ６００〜９００ＨＶの範囲の放電表面処理によるＳｉ被膜層を形成したことを特徴とする蒸気タービン翼。
【請求項１１】
放電表面処理は、Ｓｉ電極との間に加工液中でパルス状の放電を繰り返し発生させることでＳｉを含む耐エロージョン性の表面組織を形成したことを特徴とする請求項１０に記載の蒸気タービン翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐エロージョン性の部品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、様々な取り組みがなされてきている。【０００３】
日本国特開2006-124830号公報には、従来のＳｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）およびＨａｙｎｅｓ２５（登録商標）等のコバルト基合金からなる皮膜、クラッドなどによる耐エロージョン構造に対して、α―βチタン合金、ニアβチタン合金またはβチタン合金等の材料からなる保護構造体をタービン部品に形成することで耐エロージョン性能を得られることが開示されている。（特許文献１）【０００４】
また、日本国特許3001592号公報には、蒸気タービンの耐エロージョン対策として、タービン部品にステンレス粉をバインダーとしたＣｒ３Ｃ２の溶射を行うことが開示されている。（特許文献２）【０００５】
また、日本国特開2006-70297号公報には、蒸気タービン部材に高圧・高速フレーム溶射により炭化物系の皮膜を形成後、その表面をレーザまたはＥＢＷ等の高エネルギ密度を有する熱源により溶融させ封孔処理を行い、耐エロージョン性を向上させる方法について開示されている。（特許文献３）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2006-124830号公報
【特許文献２】特許3001592号公報
【特許文献３】特開2006-70297号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、耐エロージョンの対策として、いろいろな方法が試みられてきているが、特許文献１では、構造体の形成には高温高圧で部材に押し付けることで拡散接合するなど困難な方法が必要であり、特許文献２では、形成した皮膜に空隙が多いため耐エロージョン性が十分でなく、また、空隙が存在することによる蒸気タービンとしての性能劣化についても考慮されておらず、特許文献３では、レーザ等の高エネルギ密度の方法により表面を溶融させることで熱の影響が残り、部材に歪が残るなどの問題がある。
すなわち、溶接であれ、ろう付けであれ、部材に別の材料を付ける方法は過度の熱が入るため、部材の変形や強度の低下を避けられない。人手による方法であり、熟練作業が必要である。耐エロージョンの性能が十分には得られない。といった課題が存在する。【０００８】
また、耐エロージョンに適した材料は、前述の特許文献にもあるように様々なものが試されてきているがが、十分に満足のできる材料は見つかっていないのが実情である。
この原因としては大きく２点あると考えている。
１点目は、耐エロージョンに適した材料がどのようなものか理論的に未だ解明されていないことである。
水滴や異物の衝突が主原因で発生するエロージョンであるが、硬さが高ければ耐エロージョン性にすぐれているかというと、必ずしもそうとは限らない。いろいろな材料を試行錯誤し、現状、ステライト（登録商標）等の材料が広く使われるようになっている。
２点目は、耐エロージョン性に優れた材料があった場合にも、処理対象の部材につける方法が困難な場合が多いことである。
現在では、様々なコーティング技術が開発され硬質の材料でも表面につけることができるようになってきているが、処理そのものに制約があることが多い。たとえば、蒸気タービンの翼のように大きな部材の場合には、部材そのものを真空装置の中に入れて１つずつ処理を施すのは、工業的には極めて困難である。【０００９】
本発明はこれらの課題を解決した優れた耐エロ-ジョン皮膜を形成することを目的とする。
具体的には、過度の入熱を避けるべく、材料を付けるときに使用するエネルギの単位を小さくすべく、微小なパルス放電を利用することで、部材への熱の影響を小さくし、変形や強度の低下をできるだけ減らすことができるようにする。
また、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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る表面層形成方法は、加工液中に部材を配置する工程と、該部材に対し、Ｓｉ電極を所定間隙離間して配置し、所定の電圧を印加して放電を発生させることで前記Ｓｉ電極からＳｉ成分を部材側に供給し、Ｓｉ含有表面層を形成する工程からなる表面層形成方法であって、前記Ｓｉ電極は、０．００５Ωｃｍ以下の比抵抗を有する部材を選定し、放電中のアーク電位に前記Ｓｉ電極での電圧降下を加えた値以上の値を放電検出レベルと設定し、該放電検出レベル以下に電圧低下を検出することでＳｉ電極と部材との間に放電が発生したことを検出し、放電発生から予め設定した所定時間経過後に電圧印加を停止し、一定時間休止後、再び電圧を印加することを繰り返すことにより部材表面にＳｉを含む表面層を形成する、ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
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、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る。
また、蒸気タービン動翼、あるいは、配管部品、あるいは、燃料噴射部品などの耐エロージョン性向上を人手によらず、ばらつきなく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】放電表面処理システムの説明図である。
【図２】放電表面処理における電圧、電流波形を示した図である。
【図３】放電現象を表した図である。
【図４】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。
【図５】放電を検出できない場合の電流波形を示した図である。
【図６】本実施の形態によるＳｉを含む表面層の断面写真である。
【図７】パルス幅約130μｓの加工条件出加工した表面層の表面写真である。
【図８】Ｓｉを含む表面層の分析結果を示す図である。
【図９】耐エロージョンの評価試験の概略図である。
【図１０】ステンレス基材の評価試験結果を示す図である。
【図１１】ステライトの評価試験結果を示す図である。
【図１２】ＴｉＣ皮膜の評価試験結果を示す図である。
【図１３】Ｓｉの表面層の評価試験結果を示す図である。
【図１４】Ｓｉの表面層の評価試験結果を示す図である。
【図１５】蒸気タービン動翼に対してＳｉ表面層を形成する様子を示した図である。
【図１６】蒸気タービン動翼に対してＳｉ表面層を形成する様子を示した図である。
【図１７】蒸気タービン動翼に対してＳｉ表面層を形成する様子を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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to）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。
【００１５】
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、電極の消耗を減らすことで材料を有効に使用するなどのことができるが、本発明の中では詳細は論じない。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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とあらわされる。
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。
【００２２】
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。
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。
【００２３】
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。
【００２４】
・シリコンを電極として部材表面に10μｍ程度以上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。
【００２５】
・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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
図６は本発明により形成したＳｉを含む表面層の断面写真である。
この表面層は、パルス幅te＝16μｓ、ピーク電流値ie＝10Ａで形成した。
なお、ピーク電流値ieは１Ａ〜４０Ａの範囲で試験を行なっているが、被膜形成ができるかどうかは、特にピーク電流値ieの大きさにはよらない。但し、ピーク電流値ieが大きい方が処理時間は速い傾向にあるという利点がある一方で、電極の消耗が大きくなり、無駄になりやすいという欠点がある。しかし、電極消耗が多いのは欠点でもあるが、後述するように、電極を早く工作物の形状に倣わせたいような適用事例の場合には、できるだけ電極が早く消耗することが望ましいので、その際には利点ともなる。
【００２９】
本発明によれば、電源電圧よりも１０Ｖ〜３０Ｖ程度低い値となった際に放電を検出し、該放電検出後のパルス幅を任意の値に安定させることができるので、より長いパルスもより短いパルスも使用することができる。短いパルスを使用すると形成される表面層の厚みは薄くなり、長いパルスを使用すると厚くなる。
しかし、長くしすぎると、表面にクラックが入りやすくなるので、パルス幅teは100μｓ程度より望ましくは60μｓ程度以下にしたほうがよい。逆にパルス幅teを短くすると、処理時間が短くなるので、実用上は、４μｓ以上のパルスが望ましい。パルス幅teが２μｓ〜３μｓでも成膜ができないことは無いが、極めて長い時間がかかり、小さな部品でなければ実用上は困難な場合が多い。
図７はパルス幅約130μｓの条件で形成した表面層の表面写真である。クラックが多く入っているのがわかる。
【００３０】
さて、以上のようなＳｉを含む比較的厚い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８はＳｉを含む表面層の分析結果である。
Ｓｉの層は部材の表面にＳｉがのっているのではなく、部材の表面に部材の材料とＳｉが混ざったＳｉ混合層ができていることがわかる。
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が母材と一体化しており、密着性の高い表面層になっていることがわかる。この表面層について調べた結果、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。
【００３１】
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９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は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。
【００３２】
図１０は1）の結果、図１１は2）の結果、図１２は3）の結果、図１３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１０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１１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１２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。
【００３３】
一方、図１３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６００〜９００ＨＶ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。
【００３４】
図１２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。
【００３５】
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。
【００３６】
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１４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。
【００３７】
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。
【００３８】
図１５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。
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する必要があるので、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。
蒸気タービンの場合エロージョンが起きるのは前述の特許文献にも説明があるように動翼の前縁部などの部分である。
【００３９】
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抗させる。
Ｓｉは長時間放電しても相手部材（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。従来の溶接や溶射あるいはろう付けによる別の材料の付着処理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。
【００４０】
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１６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。
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、形状にならいやすくすることができる。
【００４１】
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１７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。
【００４２】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
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。
【符号の説明】
【００４４】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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