(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理部材と電極との間に電圧を印加してパルス放電を発生させることにより前記電極を溶融させ、前記被処理部材表面に前記溶融した電極成分の被覆層を形成する表面処理方法であって、
前記電極へ印加する電圧が３００Ｖ以上１０００Ｖ以下、前記パルスの周波数が５００Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、前記パルスの幅が５０μｍ以上１００μｍ以下であり、
前記被覆層を形成する際に前記被処理部材表面を移動する前記電極の走査速度が５００mm／min以上２０００mm／min以下であり、
前記電極と前記被処理部材との距離が５０μｍ以上３００μｍ以下の位置に電極を保持させた状態で前記放電を行い、
前記電極の熱膨張係数は、前記被処理部材の熱膨張係数との相違が±２０％以内であることを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】
前記被覆層を形成する際の前記被処理部材への入熱量が１ＫＪ／cm以下であることを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
【請求項３】
前記電極へ印加する電圧が４００Ｖ、前記パルスの周波数が５００Ｈｚ、前記パルスの幅が１００μｍであり、前記電極の走査速度が１０００mm／minであることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐食性や耐摩耗性を向上させるために部材の表面に被覆層を形成する表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
部材の耐食性や耐摩耗性を向上させるため、部材の表面に被覆層を形成する表面処理技術として、溶射法、プラズマ粉末肉盛法（以下「ＰＴＡ法」という。）、化学蒸着法（以下「ＣＶＤ法」という。）などがある。
【０００３】
溶射法ではプラズマジェットや燃焼炎、ＰＴＡ法ではプラズマアークなどの熱源の中に被覆層を形成する材料粉末を投入し、熱源の中で溶融および加速させ、被処理部材の表面に吹き付けることにより被覆層を形成する。このような溶射法やＰＴＡ法では、比較的高融点の材料で、比較的厚い被覆層を形成することが可能である。しかし、材料粉末の堆積に起因する被覆層内部の空隙，被覆層と被処理部材の熱膨張の差に起因する剥離，被覆層を形成する際の被処理部材への入熱に起因する熱変形，低付着効率に起因する粉塵の回収などの問題がある。
【０００４】
一方、ＣＶＤ法は、真空中において被覆層を形成する材料を蒸発させ、この蒸発した材料を被処理部材の表面上に堆積させるものである。このようなＣＶＤ法では、比較的緻密で薄い膜からなる被覆層を形成することが可能である。しかし、真空チャンバー内で被処理部材を処理する必要があることから、現場施工ができない、被覆層と被処理部材間との密着力が比較的小さいなどの問題がある。
【０００５】
これらの問題を解決する方法として、電極と被処理部材との間に電圧を印加した際に生じる放電によって電極を溶融させ、溶融した電極成分により被処理部材の表面に被覆層を形成する表面処理技術がある（例えば、特許文献１−５参照）。
【０００６】
特許文献１では、非イオン性の界面活性材を添加した脱イオン水からなる加工液中に浸漬した状態で、所定の間隔をおいて配置された電極と被処理部材との間に電圧を印加することにより放電を行わせることが開示されている。放電により溶融した電極成分を被処理部材の表面に堆積させることにより、比較的緻密な被覆層を形成でき、被覆層内部の空隙を低減することができる。また、印加する電圧の出力を変化させることにより、形成する被覆層の厚さを調節することが可能である。特許文献２では、加工液を放電空間に向けて吹きながら電極と被処理部材との間に電圧を印加することにより放電を行わせることが開示されている。
【０００７】
しかし、特許文献１，２のような方法では、加工液中に電極と被処理部材とを浸漬した状態か、または、加工液を放電空間に向けて吹きながら処理を行う必要があるため、大気中や純水中においては処理を行うことができない。
【０００８】
これに対して、特許文献３−５に提案されているような表面処理技術では、加工液を用いずに被覆層を形成することができる。特許文献３では、電極と被処理部材との間の空間（つまり、放電を行う空間）を不活性ガス雰囲気にして放電を発生させ、被覆層を形成することが開示されている。また、特許文献４では、卑金属元素を主たる成分とする電極を用い、電極と被処理部材との間に電圧を印加することで、気中雰囲気で放電を発生させて被覆層を形成することが開示されている。一方、特許文献５では、電極の先端部と被処理部材とを接触させた状態で、電極と被処理部材との間へパルスで電圧を印加することにより、溶解した電極成分により被覆層を形成することが開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−２５６８７５号公報（第３−５頁，第１図）
【特許文献２】ＷＯ９９／４４７８０号公報（第６頁，第３図）
【特許文献３】特開平９−１０８８３４号公報（第３−４頁，第１図）
【特許文献４】特開２００３−１９４９８８号公報（第３−５頁，第１図）
【特許文献５】特開２００３−１４７８号公報（第４頁，第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
放電により電極を溶解させて電極成分による被覆層を形成する表面処理技術では、表面処理を行うことにより被処理部材に入熱が生じる。被処理部材への入熱量が大きくなると、熱変形や部材を形成している組織に変化を引き起こし、さらには、放射線の照射を受けた部材では割れてしまうといった影響が生じる場合がある。このため、特許文献３−５に提案されているような従来の放電により被覆層を形成する表面処理技術では、被処理部材への入熱量を、放電時間や、印加するパルスのパルス幅などによって制御することが開示されている。
【００１１】
しかし、このような従来の放電により被覆層を形成する表面処理技術のように、放電時間や印加するパルスのパルス幅，通電間隔などによって入熱量を制御するだけでは、入熱による被処理部材への影響を抑制することが困難である。また、入熱による被処理部材への影響を抑制できたとしても、要求される性能（被処理部材の耐侵食性、及び耐摩耗性や耐侵食性の指標である被覆層断面の硬度等）を有した被覆層を得られない可能性がある。例えば、特許文献３などでは、酸素の混入に起因する空隙や割れが残存し、また、被覆層の厚さが数μｍ程度と薄く、要求される性能を有した被覆層を得られない可能性がある。したがって、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら要求される性能を有する被覆層を形成できる表面処理技術が必要となっている。
【００１２】
本発明の課題は、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成することができる表面処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための本発明の表面処理方法は、被処理部材と電極との間に電圧を印加してパルス放電を発生させることにより電極を溶融させ、被処理部材表面に溶融した電極成分の被覆層を形成する表面処理方法であって、電極へ印加する電圧を３００Ｖ以上１０００Ｖ以下、パルスの周波数を５００Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、パルスの幅を５０μｍ以上１００μｍ以下とし、被覆層を形成する際に被処理部材表面を移動する電極の走査速度を５００mm／min以上２０００mm／min以下であり、電極と被処理部材との距離が５０μｍ以上３００μｍ以下の位置に電極を保持させた状態で放電し、電極の熱膨張係数は被処理部材の熱膨張係数との相違が±２０％以内とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の表面処理方法によれば、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
発明者は、導電性の被処理部材と電極との間に電圧を印加してパルス放電を発生させて被処理部材の表面に電極成分の被覆層を形成する表面処理技術において、その施工条件を検討した。特に、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成するための施工条件について検討を行ったので、その検討結果を以下に示す。なお、電極と被処理部材との距離をスタンドオフという。また、電圧とは電極に印加するパルス電圧の最大値をいう。
【００１６】
発明者による検討結果から、印加するパルスの電圧は３００Ｖ以上１０００Ｖ以下、パルスの周波数は５００Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、パルスの幅は５０μｍ以上１００μｍ以下、スタンドオフは５０μｍ以上３００μｍ以下であることが望ましいことがわかった。
【００１７】
印加するパルスの電圧が３００Ｖよりも小さい場合、パルスの周波数が５００Ｈｚよりも小さい場合、パルスの幅が５０μｍよりも小さい場合、スタンドオフが５０μｍよりも小さい場合は、非接触での放電をすることができない。一方、印加するパルスの電圧が
１０００Ｖよりも大きい場合、パルスの周波数が１０００Ｈｚよりも大きい場合、パルスの幅が１００μｍよりも大きい場合は、放電がパルスでなく連続的な放電つまりアーク放電になってしまう。また、スタンドオフが３００μｍよりも大きい場合、パルスの電圧が３００Ｖ以上１０００Ｖ以下の範囲では放電できない。
【００１８】
さらに、発明者は電極の操作速度について検討し、新たな知見を得た。つまり、電極の走査速度は、５００mm／min以上２０００mm／min以下であることが望ましいことがわかった。
【００１９】
走査速度が５００mm／minよりも遅いと、被処理部材への入熱量が大きくなり変形などが生じてしまう。一方、走査速度が２０００mm／minよりも速いと、被覆層の形成にムラが発生してしまう。つまり、走査速度を５００mm／min以上とすることにより、被処理部材への入熱による影響を十分に抑制することができることが確認された。また、操作速度を走査速度２０００mm／min以下とすることにより、被覆層の形成にムラが発生することを抑制することができることが確認された。ここで、被覆層の形成にムラが発生すると、被覆層の表面粗さ（被覆層表面の凹凸）が大きくなる。表面粗さが大きいと、被覆層の谷部の部分が薄くなる。本発明で適用する表面処理技術により形成した被覆層には被処理部材との混合層が含まれるが、この混合層は侵食されやすく、被覆層の谷部から直接混合層が露呈すると、ここから局所的に侵食が進んでしまう。従って、被覆層の表面粗さは小さいことが好ましい。操作速度を２０００mm／min以下とすることにより被覆層の形成にムラが発生することを抑制することができるため、被覆層の表面粗さを十分に小さくでき、被覆層の谷部においても直接混合層が露呈することはない。従って、被処理部材と電極との間にパルス放電を発生させて被処理部材の表面に電極成分の被覆層を形成するに際して、電極の走査速度を５００mm／min以上２０００mm／min以下とすることにより、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成することができる。
【００２０】
なお、噴出する不活性ガスの流量は、２０Ｌ／min以上１００Ｌ／min以下であることが望ましいことがわかった。
【００２１】
噴出する不活性ガスの流量が２０Ｌ／min よりも少ないと、周囲の大気が被覆層を形成している部分に巻き込まれ、被覆層が酸化してしまう。一方、噴出する不活性ガスの流量が１００Ｌ／min よりも多いと、被覆層を形成する被処理部材の表面部分の温度が低下し、開口割れの発生原因となる。
【００２２】
放電により電極を溶解させて、溶解した電極成分で被覆層を形成する表面処理技術では、表面処理を行うことにより被処理部材に入熱が生じる。この被処理部材への入熱量が大きくなると、熱変形や部材を形成している組織に変化を引き起こしたり、放射線の照射を受けた部材では割れてしまうといった影響が生じたりする場合がある。このため、被処理部材への入熱量が１ＫＪ／cm以下で被覆層を形成することが望ましい。
【００２３】
また、被処理部材の耐食性や耐摩耗性を向上させるため、被覆層の強度及び厚さを所望の値とする必要がある。具体的には、ビッカース硬度が４００Ｈｖ以上、厚さ５μｍ以上５００μｍ以下とすることが望ましい。なお、被覆層のビッカース硬度を４００Ｈｖ以上とするために、ビッカース硬度が４００Ｈｖ以上の材料で形成された電極を用いることができる。
【００２４】
これらの施工条件を満たす条件で被覆層の形成を行ったので、その試験結果を以下に示す。表１は各施工条件を示している。表２はこの施工条件で形成した被覆層の特性を示している。尚、表２に示す被覆層の硬度は、マイクロビッカース硬度計を用いて、被覆層の断面の任意の１０箇所を測定した平均値である。被覆層の厚さは、被覆層の断面画像より、任意の１０箇所を測定した平均値である。被処理部材への入熱量は、電極に印加するパルスの電圧Ｅ，電流Ｉ，パルス幅τ，周波数ｆ及び走査速度Ｖの逆数の積、つまり入熱量＝ＥＩτｆ／Ｖで算出した。
【００２５】
【表１】
0004492503.tif 000002
【００２６】
【表２】
0004492503.tif 000003
【００２７】
上記試験結果から、電極の走査速度を５００mm／min以上２０００mm／min以下とすることにより、表面粗さを十分に小さい１０μｍとすることができ、また、開口割れ幅を１
μｍ以下（ＰＴ検出以下）とすることができる。つまり、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成することができる。
【００２８】
さらに、上記施工条件により施工することにより、ビッカース硬度が４００Ｈｖ以上、内部の空隙率が５容積％以下、厚さが５μｍ以上５００μｍ以下となる被覆層を、被処理部材への入熱量が１ＫＪ／cm以下で形成することができる。したがって、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐食性，耐摩耗性を有する被覆層を形成できる。
【００２９】
また、発明者は、本発明の表面処理技術において、被覆層の特性を支配する電極と被処理部材との距離（スタンドオフ）が移行形態に及ぼす影響を検証した。その検証結果を以下に示す。図１は、スタンドオフが移行形態に及ぼす影響を検証した結果を示す図である。図１に示すように、スタンドオフが０で、電極と被処理部材が接触している場合は、短絡するので、（１）接触移行する。スタンドオフが増加すると、電極と被処理部位との間の絶縁を破壊できる電圧（以下「臨界電圧値」という。）に達するまでは、（２）放電不可である。臨界電圧値は、電極，被処理部位，不活性ガスなどの条件により異なるが、実用上では約３００Ｖとなる。電極に３００Ｖの電圧を印加すると、スタンドオフを約５０μｍで保持したままで放電することができ、（３）非接触移行する。なお、電圧の増加と共に放電できるスタンドオフは増加する。電極から溶融した材料液滴は蒸気状となり、非接触空間を移行して、被覆層表面に堆積する。ただし、被処理部位の熱変形や材料の劣化を起こさないために、入熱量を１ＫＪ／cm以下に抑える必要がある。入熱量は、電圧値と共に増加するので、許容できる電圧値は約１０００Ｖである。
【００３０】
さらに、発明者は、上記の電圧とスタンドオフとの関係を考慮し、電極，保持機構、及び被処理部材を適切に選定して形成した被覆層について、その施工条件と開口欠陥，表面粗さ、及び侵食重量との関係を検証した。その結果を以下に説明する。ここで、施工条件とは、電極と被処理部材との熱膨張係数の比率，電圧、及びスタンドオフである。電圧及びスタンドオフは、移行形態を決定付ける因子である。開口欠陥とは、被覆層表面に浸透探傷試験で検出できる幅１μｍ以上の割れをいう。表面粗さとは、被覆層表面の凹凸、つまり谷と山との高低差をいう。侵食重量とは、被覆層に高圧ジェット水を吹き当てることにより被覆層が侵食する重量をいう。形成した被覆層には、開口欠陥がないことが望ましい。また表面粗さおよび侵食重量は小さいことが望ましい。
【００３１】
測定結果を表３および図２に示す。図２は、表面処理技術により形成した被覆層の表面粗さの測定結果を示す図である。また、表３は、図２における試験番号（１）〜（３）の施工条件を示しており、表３における（１）〜（３）は図２に記載の試験番号（１）〜
（３）の施工条件に対応する。
【００３２】
【表３】
0004492503.tif 000004
【００３３】
施工条件（１）と（２）とを比較すると、熱膨張係数の比率を２０％以内にすることにより、開口割れを無くすことができ、その結果、侵食重量が５０％減少することがわかる。被覆層を形成する過程で、被覆層と被処理部材との熱膨張の相違により開口割れが発生する場合がある。溶射法の場合、被覆層と被処理部材との境界に割れが入ると、被覆層が脱落する可能性がある。そのため、熱歪を緩和するために被覆層と被処理部材との間に中間層を入れる方策を講じている。しかし、本発明で適用する表面処理技術の場合、同方策では厚さが薄く、被処理部材の混合割合が高いため対応できなかった。そのため、熱膨張係数の比率を２０％以内にすることは、開口割れの抑制に有効な方策である。また、侵食は、被覆層表面の開口割れから進展し、被覆層内部を脱落させる。従って、開口割れを抑制することにより、侵食を抑制することができる。
【００３４】
また、施工条件（２）と（３）とを比較すると、電圧を臨界値以上の３００Ｖにし、スタンドオフを１００μｍにすることにより、表面粗さは１０μｍ以内になり、その結果、侵食重量がさらに５０％減少することが分かる。臨界値以上の電圧を印加し、スタンドオフをとることにより、非接触移行で被覆層を形成している。これにより、図２に示すように表面粗さは小さくなる。表面粗さが大きいと、谷部の部分は薄くなる。本発明で適用する表面処理技術により形成した被覆層には、被処理部材との混合層を含んでいる。この混合層は、侵食されやすい箇所である。そのため、被覆層の谷部からは直接混合層が露呈し、ここから局所的に侵食が進む。しかし、表面粗さが１０μｍ以下の場合、谷部においてでも被覆層は厚く、直接混合層が露呈することはない。これにより、侵食を抑制することができる。すなわち、施工条件（３）で被覆層を形成することが、侵食の抑制に対し望ましい条件であると考えられる。
【実施例１】
【００３５】
本発明の第１の実施例を図３から図８を用いて説明する。本実施例は、被処理部材である蒸気タービンブレードに対して被覆層の形成を行うものである。
【００３６】
まず、本発明で用いる表面処理装置１を説明する。図３は、本実施例の表面処理装置の概略構成図である。図４は、図３の表面処理装置のトーチ部分の拡大図である。表面処理装置１は、電極３が取り付けられるトーチ５，トーチ５を支持するとともにトーチ５を移動させて走査動作を行うための走査アーム７，走査アーム７を駆動するための走査アーム駆動機構９などを備える。さらに、表面処理装置１は、電極３と被処理部材１１との間に電圧を印加するための電圧印加手段である第１電源１３，走査アーム駆動機構９や電極３の回転動作を行うためのトーチ５に備えられた電極回転機構に電力を供給する第２電源
１５，トーチ５から電源３の周囲に噴射される不活性ガスを供給するためのガスボンベ
１７なども備える。
【００３７】
電極３は被処理部材１１との間で放電により先端部側から溶解し、溶解した電極３の成分により被処理部材１１の表面に被覆層が形成される。電極３は、ステンレス鋼及び高クロム鋼を含む鉄合金，インコネルを含むニッケル合金，ジルコニウムを含むジルコニウム合金，チタンを含むチタン合金，アルミニウムを含むアルミニウム合金，マグネシウムを含むマグネシウム合金，マンガンを含むマンガン合金，モリブデンを含むモリブデン合金，コバルトを含むコバルト合金の合金材料で形成できる。また、電極３は、炭化タングステン，炭化クロム、または炭化チタンを含む金属炭化物材料でも形成できる。さらに、これらの合金材料の混合物や、金属炭化物材料の混合物，合金材料と金属炭化物材料の混合物などでも形成できる。
【００３８】
トーチ５は、電源ケーブル１９を介して電極３と第１電源１３とを電気的に接続した状態で、電極３を支持している。また、トーチ５には、トーチ５から突出するとともに電極３を囲った状態で、カバー２３が取り付けられている。カバー２３は、電極３の先端部
（つまり、カバー２３の開口）に向かうに連れて漸次径が拡大するテーパー状になっている。さらに、トーチ５は、ガス管路２１を介してガスボンベ１７に接続されている。ガスボンベ１７から供給された不活性ガスは、ガス管路２１及びトーチ５内に形成されたガス流路を介して、カバー２３内空間（つまり、電極３の周囲）から、被処理部材１１の表面に向けて噴出される。なお、図３及び図４において、カバー２３は断面で示されている。
【００３９】
トーチ５は、棒状の電極３の延在方向に沿った中心軸を回転軸として電極３を回転させる図示していない電極回転機構と、電極３と被処理部材１１との距離が非接触でかつ放電が発生する状態を保持するための電極保持機構とを有する。電極回転機構が有するモータやアクチュエータなどの駆動手段は、各々、電源ケーブル２７を介して第２電源１５と電気的に接続されている。
【００４０】
電極保持機構を図５及び図６を用いて説明する。図５は、電極と被処理部材との距離を非接触でかつ放電できる状態に保持するための機構をトーチ部分に組み込んだ電極保持機構の断面図である。図６は、被処理部材の形状に応じたカバーの挙動を模式的に示す図である。トーチ５は一端がカバー２３で閉塞された筒状に形成されており、カバー２３の端面には不活性ガス２５が外部へ流出するのを抑制するための弾性部材が備えられている。キャップ２９には、ガス管路２１が挿通されており、ガス管路２１とトーチ５内の空間とが連通している。被処理部材１１が平面ではなく３次元複雑形状であっても、図４に示すようにパッキン３５が伸縮することにより、カバー２３と被処理部材１１との間隙の形成を抑制することができる。キャップ２９には、電源ケーブル１９も挿通されており、電源ケーブル１９は、電極３に電気的に接続されている。カム３１を回転させる図示していないアクチュエータには、電源ケーブル２７が電気的に接続されている。従来の放電により被覆層を形成する表面処理技術では、電極と被処理部材とを接触させて被覆層を形成させるが、平滑な被覆層を得ることは困難であった。特に、タービンやポンプなどの羽根は３次元曲面を有しているため、接触を維持しながら電極３を走査するには、さらに精度が要求される。これに対して、本発明の表面処理装置では、電極保持機構により電極を非接触のまま走査できるため、３次元局面を有するタービンなどでも平滑な被覆層を得ることができる。
【００４１】
トーチ５の開口部３７は、開口に向かうに連れて漸次径が細くなるテーパー状のノズルとなっており、電極３はこの開口の中央部から突出した状態となっている。これにより、ガスボンベ１７から不活性ガスが供給されると、電極３の周囲から被処理部材１１の表面に向けて不活性ガス２５が噴射され、この不活性ガス２５が被処理部材１１の表面に形成される被覆層１８の酸化を抑制する。
【００４２】
走査アーム７は、一端部にトーチ５が固定され、他端部が走査アーム駆動機構９に固定された棒状の部材で形成されている。走査アーム駆動機構９は、複数の関節やスライド機構などを有するマニピュレータ様の機器からなり、トーチ５の位置決め動作や、被処理部材１１の表面に沿って所望の方向にトーチ５を移動させる走査動作などを行う。
【００４３】
第１電源１３には２本の電源ケーブル１９が連結されており、１本の電源ケーブル１９は電極３に、もう１本の電源ケーブル１９は被処理部材１１に電気的に接続される。第１電源１３は、電極３と被処理部材１１との間に電圧を印加する際にはパルスを印加可能であり、電圧の調整に加えてパルスの周波数及び幅を調整することができる。第１電源１３及び第２電源１５は、供給する電力に関する値や周波数などの情報を表示する機能を有していることが望ましい。
【００４４】
以下図７を用いて、被処理部材１１である蒸気タービンブレードに対して表面処理（つまり、被覆層１８の形成）を行う際の作業手順について説明する。図７は、本発明の表面処理技術を蒸気タービンブレードに適用する際の表面処理作業の手順を示すフロー図である。本実施例においては、プラントなどで使用中の蒸気タービンブレードに対して、プラント内で被覆層１８を形成する。
【００４５】
まず、補修作業開始の命令を下すと（ステップ１０１）、プラントの運転を停止し（ステップ１０２）、被処理部材１１である蒸気タービンブレードが格納されている容器を開放状態にする（ステップ１０３）。ステップ１０３の後、検査時などに取得した損傷データを収容した損傷データベース３９からデータを取得し、補修箇所４１の損傷状態を把握する（ステップ１０４）。
【００４６】
ステップ１０４の後、表面処理装置１など表面処理に必要な機材を設置する（ステップ１０５）。その後、これまでの実績から構築した施工データ（例えば必要な厚さの被覆層１８を形成するために必要な走査速度や同じ箇所での走査回数など）や、電極３と被処理部材１１である蒸気タービンブレードとの間に印加するパルスの電圧，周波数，幅，間隔などのデータを収容した施工データベース４３からデータを取得し、取得したデータに基づいて施工条件を設定する（ステップ１０６）。
【００４７】
ステップ１０６によって準備が整った後、表面処理装置１により被処理部材１１である蒸気タービンブレードの補修箇所４１を補修するため、被覆層１８の形成を行う（ステップ１０７）。
【００４８】
ここで、ステップ１０７における表面処理装置１の動作について説明する。図８は、第１の実施例における表面処理装置の動作を示すフロー図である。表面処理装置１は、図８に示すように、作動開始（被覆層形成開始）の指令を受けると（ステップ２０１）、予め設定された必要な厚さの被覆層１８を形成するために必要な走査速度や同じ箇所での走査回数、及び電極３と蒸気タービンブレードとの間に印加するパルスの電圧，周波数，幅，間隔などに基づいて、電極３と被処理部材１１である蒸気タービンブレードとの間にパルスを印加し（ステップ２０２）、電極３の走査を開始する（ステップ２０３）。
【００４９】
ステップ２０２におけるパルスの印加により、蒸気タービンブレードの表面に電極３の先端部が近づき、蒸気タービンブレードの表面と電極３との間隔が絶縁破壊距離以下になると（ステップ２０５）、放電条件が満たされて蒸気タービンブレードと電極３との間に放電が生じ（ステップ２０６）、その状態を保つように電極３と被処理部材１１との距離を保持する（ステップ２０３）。このように、被処理部材１１である蒸気タービンブレードと電極３との間で放電することにより電極３の先端部が溶解し、溶解した電極３の成分が被処理部材１１である蒸気タービンブレードの表面に被覆層１８を形成する。
【００５０】
また、ステップ２０４において、このような電極３の回転運動を行いながら、予め設定された範囲が終了するまで、図８に示すｘ軸方向に電極３を走査する。ｘ軸方向における走査範囲（被覆層１８の形成範囲）を走査し終えると（ステップ２０７）、電極３は、電極３の先端部が向いている方向（つまり図８に示すｙ軸方向）に予め設定された距離だけ移動する（ステップ２０８）。そして、ｙ軸方向における予め設定された範囲での被覆層１８の形成が終了するまで、ステップ２０４からステップ２０８を繰り返す（ステップ
２０９）。
【００５１】
ステップ２０９において、ｙ軸方向における予め設定された範囲での被覆層１８の形成が終了すると、電極３を蒸気タービンブレードの厚さ方向（つまりｚ軸方向）に予め設定された距離だけ蒸気タービンブレードから離れる方向に移動する（ステップ２１０）。その後、ｚ軸方向における予め設定された範囲までの被覆層１８の形成が終了するまで（つまり、予め設定された厚さの被覆層１８の形成が終了するまで）、ステップ２０４からステップ２１０を繰り返し、再度、ｘ軸方向の走査及びｙ軸方向の移動、さらに、ｚ軸方向の移動を行う（ステップ２１１）。ステップ２１１においてｚ軸方向の範囲を終了すると、予め設定された全範囲を走査したことになるので、パルスの印加、及び電極３のｘ軸方向への走査を停止し（ステップ２１２，２１３及び２１４）、被覆層１８の形成を完了する（ステップ２１５）。以上、ステップ２０１〜２１５により、ステップ１０７の作業が行われる。
【００５２】
ここで、被覆層の形成作業（ステップ１０７）は、上述した施工条件により行う。つまり、印加するパルスの電圧は３００Ｖ以上１０００Ｖ以下、パルスの周波数は５００Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、パルスの幅は５０μｍ以上１００μｍ以下、スタンドオフは５０μｍ以上３００μｍ以下とする。また、電極の走査速度は、５００mm／min以上２０００
mm／min以下とする。このような施工条件で施工することにより、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成することができる。より好ましくは、印加するパルスの電圧を４００Ｖ、パルスの周波数を５００Ｈｚ、パルスの幅を１００μｍ、電極の操作速度を１０００mm／minとする。
【００５３】
スタンドオフは５０μｍ以上３００μｍ以下とする。このような施工条件とすることにより、適切な放電を行うことができる。より好ましくは、スタンドオフを５０μｍとする。
【００５４】
さらに、電極３と被処理部材１１の熱膨張係数の相違が±２０％以内となるように電極３を選定することが好ましい。このような電極を用いることにより、被覆層の表面粗さを小さくできるため、被覆層１８の表面への開口割れの発生を抑制することができる。また、被処理部材の耐食性や耐摩耗性考慮し、高硬度の被覆層が要求される場合は、硬度が高い電極を用いることもできる。例えば、ビッカース硬度が４００Ｈｖ以上の材料で形成された電極を用いることができる。
【００５５】
ステップ１０７において、所定の範囲に必要な厚さの被覆層１８が形成されるよう、予め設定した施工要求（例えば同じ箇所での走査回数など）を満たすまで被覆層１８の形成作業が行われ、予め設定した施工要求を満たしたら、表面処理装置１による被覆層１８の形成作業を終了する（ステップ１０８）。
【００５６】
ステップ１０８の後、実際に形成された被覆層１８の厚さや範囲などを検査する（ステップ１０９）。被処理部材１１である蒸気タービンブレードの補修箇所４１に適正な被覆層１８が形成されていない場合、つまり、適正に補修されていない場合は、再度ステップ１０７からステップ１０９を繰り返す。ステップ１０９で適正な被覆層１８の形成が確認されれば、表面処理装置１などの機材を撤去し（ステップ１１０）、容器を閉止する（ステップ１１１）。そして、プラントの運転を再開し（ステップ１１２）、補修作業を終了する（ステップ１１３）。
【００５７】
本実施例によれば、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成できるので、被覆層の形成による耐食性や耐摩耗性を向上できる。
【実施例２】
【００５８】
本発明の第２の実施例を図９を用いて説明する。本実施例は、生産工場内などにおいて、被処理部材である未使用の蒸気タービンブレードに対して被覆層の形成を行うものである。図９は、本発明の表面処理技術を蒸気タービンブレードに適用する際の表面処理作業の手順を示すフロー図である。
【００５９】
本実施例における被覆層の形成手順は、実施例１での被覆層の形成手順におけるステップ１０２，１０３，１１１及び１１２を行わない以外は、実施例１における被覆層の形成手順と同様である。
【００６０】
被覆層作業開始の命令を下すと（ステップ１０１）、設計図などの被覆層１８を形成する被覆データを収容した損傷データベース４５からデータを取得し、損傷箇所の損傷状態を把握する（ステップ１０４）。
【００６１】
ステップ１０４の後、表面処理装置１などの表面処理に必要な機材を設置する（ステップ１０５）。そして、これまでの実績から構築した施工データを収容した施工データベース４３からデータを取得し、取得したデータに基づいて施工条件を設定する（ステップ
１０６）。ステップ１０６の後、表面処理装置１により、被処理部材１１である蒸気タービンブレードへの被覆層１８の形成を行う（ステップ１０７）。所定の範囲に必要な厚さの被覆層１８が形成されるよう、予め設定した施工要求（例えば、同じ箇所での走査回数など）を満たすまで被覆層１８の形成作業が行われ、予め設定した施工要求を満たしたら、表面処理装置１による被覆層１８の形成作業を終了する（ステップ１０８）。
【００６２】
なお、ステップ１０７においては、実施例１と同様に、上述した施工条件（印加するパルスの電圧，周波数，幅，スタンドオフ，電極の操作速度等）により、被覆層１８の形成作業を行う。このような施工条件により施工することにより、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成することができる。
【００６３】
ステップ１０８の後、実際に形成された被覆層１８の厚さや範囲などを検査し（ステップ１０９）、適正な被覆層１８が形成されていない場合、再度ステップ１０６からステップ１０９を繰り返す。ステップ１０９で適正な被覆層１８の形成が確認されれば、表面処理装置１などの機材を撤去し（ステップ１１０）、被覆作業を終了する(ステップ１１３)。
【００６４】
本実施例によれば、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成できるので、被覆層の形成による耐食性や耐摩耗性を向上できる。加えて、大気中で被覆層を形成できることにより、実際にプラントなどの設備などで使用されている被処理部材の補修を行うことも可能であり、補修に要する施工コストや時間を低減することができる。
【実施例３】
【００６５】
本発明の第３の実施例を図１０及び図１１を用いて説明する。本実施例は、改良型沸騰水型原子力プラントの原子炉圧力容器５１内に設けられたインターナルポンプ５３の羽根５３ａに対して被覆層の形成を行うものである。図１０は、本実施例における表面処理装置による施工例を模式的に示す図である。図１１は、図１０における表面処理装置のトーチ部分の拡大図である。
【００６６】
表面処理装置１の走査アーム駆動機構９及び走査アーム７は、原子炉圧力容器５１内に走査アーム７を挿入し、トーチ５をインターナルポンプ５３の位置に持って行くのに適応する形状に形成する。
【００６７】
原子炉圧力容器５１内で表面処理を行うため、施工は、原子炉圧力容器５１の底部に溜まった原子炉水中で行われる。このとき、原子炉水は放電の妨げとなるため、トーチ５には水中で施工を行うのに適応した形状のカバー５５が取り付けられる。カバー５５は、図１０に示すように、電極３の先端部に向かうに連れて径が細くなるテーパー状に形成されている。カバー５５の開口部におけるカバー５５の内周面と電極３の外周面との間隔がカバー５５の他の部分よりも狭くなっているため、カバー５５から噴出する不活性ガスの流速を増大させることができる。カバー５５の開口部であるガス噴出口から噴出した不活性ガスにより、電極３の先端部と被処理部材となる羽根５３ａの処理部位との間に不活性気相空間が形成される。従って、電極３の先端部を羽根５３ａの処理部位の表面に絶縁破壊距離以下に近づけることにより、放電を生じさせることができる。
【００６８】
このように、表面処理装置１は、走査アーム駆動機構及び走査アームの形状を変更することなどにより、様々な装置や設備における被処理部材の補修に適用できる。また、トーチに取り付けられたカバーの形状を、電極３の先端部に向かうに連れて径が細くなるテーパー状に形成することにより、純水中など放電を妨げる液体中においても被覆層を形成することが可能となる。このように、蒸気タービンブレードのみならず、ポンプの羽根やガスタービンのブレードなど、耐食性や耐摩耗性の向上を必要とする様々な部材に対して本発明の表面処理技術を適用することができる。
【００６９】
本実施例によれば、入熱による被処理部材への影響を抑制しながら十分な耐侵食性を有した被覆層を形成できるので、被覆層の形成による耐食性や耐摩耗性を向上できる。加えて、純水中など放電を妨げる液体中においても被覆層を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】スタンドオフが移行形態に及ぼす影響を検証した結果を示す図。
【図２】表面処理技術により形成した被覆層の表面粗さの測定結果を示す図。
【図３】第１の実施例の表面処理装置の概略構成図。
【図４】第１の実施例の表面処理装置のトーチ部分の拡大図。
【図５】電極と被処理部材との距離を非接触でかつ放電できる状態に保持するための機構をトーチ部分に組み込んだ電極保持機構の断面図。
【図６】被処理部材の形状に応じたカバーの挙動を模式的に示す図。
【図７】第１の実施例の表面処理作業の手順を示すフロー図。
【図８】第１の実施例の表面処理装置の動作を示すフロー図。
【図９】第２の実施例の表面処理作業の手順を示すフロー図。
【図１０】第３の実施例の表面処理装置による施工例を模式的に示す図。
【図１１】第３の実施例の表面処理装置のトーチ部分の拡大図。
【符号の説明】
【００７１】
１…表面処理装置、３…電極、５…トーチ、７…走査アーム、９…走査アーム駆動機構、１１…被処理部材、１８…被覆層、２３…カバー。
【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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