(57)【要約】 【課題】高温の使用環境下で用いられる金属部材に対してピーニング処理を施した後に金属部材の表面を磨く場合にピーニング処理による圧縮残留応力の付与効果を維持することができる表面処理方法を提供する。【解決手段】実施形態の表面処理方法は、金属部材に対する表面処理方法において、前記金属部材の表面に圧縮残留応力を付与する第１の工程と、前記第１の工程で圧縮残留応力を付与した前記金属部材の表面粗さが１μｍ以下になるように前記金属部材の表面を滑らかに磨く第２の工程とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材に対する表面処理方法において、
前記金属部材の表面に圧縮残留応力を付与する第１の工程と、
前記第１の工程で圧縮残留応力を付与した前記金属部材の表面粗さが１μｍ以下になるように前記金属部材の表面を滑らかに磨く第２の工程と
を有する表面処理方法。
【請求項２】
前記第２の工程の表面粗さは、第１の工程後の表面粗さよりも滑らかで、第２の工程の圧縮残留応力の深さが第１の工程後の圧縮残留応力の深さよりも浅い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】
前記第１の工程は、ピーニングにより前記金属部材の表面に圧縮残留応力を付与する請求項１または請求項２のいずれかに記載の表面処理方法。
【請求項４】
前記第２の工程は、フラップホイール、ベルトサンダ、Ｎストリップ、レーザピーニングのうちのいずれか一つによる磨き処理とする請求項１乃至請求項３いずれか１項に記載の表面処理方法。
【請求項５】
前記第１の工程のピーニングがレーザピーニングである請求項３または４いずれかに記載の表面処理方法。
【請求項６】
前記第１の工程と前記第２の工程の処理をともにレーザピーニングとした場合、前記第２の工程の施工条件を、前記第１の工程のレーザピーニングのレーザ出力よりも小さいレーザ出力とする請求項１乃至請求項５いずれか１項に記載の表面処理方法。
【請求項７】
前記金属部材の表面に付与する圧縮残留応力の値と深さと表面粗さとを表面処理の条件とする請求項１乃至請求項６いずれか１項に記載の表面処理方法。
【請求項８】
前記第１工程における前記金属部材の表面に対する加工条件を、クリープ試験、クリープ疲労試験および高温疲労試験のうちの少なくとも一つの結果に基づいて決定する請求項１乃至請求項７いずれか１項に記載の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、金属部材の表面にピーニング処理を行うことで、金属部材に圧縮残留応力を付与し金属部材の疲労強度向上や応力腐食割れの発生を予防する技術がある。
【０００３】
ピーニング処理の技術としては、例えばショットピーニング、レーザショックピーニング、レーザピーニング、ウォータジェットピーニング、超音波ピーニングなどがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１１５８５３号公報
【特許文献２】特許第４９８５６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術は、レーザピーニングまたは超音波ピーニングにより金属部材に圧縮残留応力を付与する技術であるが、圧縮残留応力を付与した部材の表面は通常ピーニングを施したままのため部材の表面が粗くなることがある。
【０００６】
金属部材の使用環境が例えば常温から１００℃程度の使用環境であればピーニング処理により疲労強度向上や応力腐食割れの発生を予防するだけで済むものの、この技術を数百℃〜千℃を超えるような高温の使用環境下で用いられる機器、例えば発電所のガスタービンなどに適用することが考えられており、このような高温環境下で使用される機器の場合、金属部材の表面が粗くなることで割れが発生し易くなることが考えられる。
【０００７】
そこで、一度ピーニング処理した金属部材の表面を滑らかに加工する必要があるが、表面を単純に磨いただけではせっかく金属部材に付与した圧縮残留応力の効果がなくなることがある。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、高温の使用環境下で用いられる金属部材に対してピーニング処理を施した後に金属部材の表面を磨く場合にピーニング処理による圧縮残留応力の付与効果を維持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】
【０００９】
実施形態の表面処理方法は、金属部材に対する表面処理方法において、前記金属部材の表面に圧縮残留応力を付与する第１の工程と、前記第１の工程で圧縮残留応力を付与した前記金属部材の表面粗さが１μｍ以下になるように前記金属部材の表面を滑らかに磨く第２の工程とを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は表面処理を行う対象の部材（処理対象部材）としてのタービンホイールを示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のタービンホイールの部分拡大図である。
【図２】第１実施形態の表面処理方法を示すフローチャートである。
【図３】第１実施形態の表面処理をした場合の内部の残留応力分布を示す図である。
【図４】第１実施形態の表面粗さの変化を示す図である。
【図５】第１実施形態の第１工程によるクリープ破断時間の改善の様子を示す図である。
【図６】第１実施形態において表面粗さとクリープ破断時間の関係を示す図である。
【図７】第２実施形態の表面処理をした場合の内部の残留応力分布を示す図である。
【図８】第２実施形態の表面粗さの変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。  
（第１実施形態）  
図１〜図６を参照して第１実施形態を説明する。
【００１２】
図１は表面処理を行う処理対象部材としてのタービンホイールを示す図、図２はタービンホイールに対する表面処理の手順を示すフローチャート、図３はタービンホイールに表面処理を施した場合の内部の残留応力分布の変化を示す図、図４はタービンホイールに表面処理を施した場合の表面粗さの変化を示す図、図５は第１工程の表面処理を行った試験片でクリープ試験を実施した結果を示す図、図６は表面粗さの異なる試験片でクリープ試験を実施した結果を示す図である。
【００１３】
図１（ａ）に示すように、処理対象の金属部材としてのタービンホイール１は、図示しないガスタービン動翼を嵌合させて固着するための植込み部２（溝部）と、この植込み部２（溝部）の内面に設けられた冷却口３とを備える。植込み部２はクリスマスツリー部と呼ばれる溝形状を呈しており、その付け根の部分に冷却口３が存在する。
【００１４】
このタービンホイールの植込み部２の内面に設けられた冷却口３から冷却用ガスをガスタービン動翼の内部の冷却口に導出することにより、運転中のガスタービン動翼の内部を冷却する。
【００１５】
実機プラント（実際のプラント）においては、ガスタービンはその出力により異なるものの運転中に数百℃程度まで温度が上昇し、冷却口３においても５００℃近くまで温度が上昇する。このような温度環境では、結晶粒界の応力腐食酸化現象に起因するクラック（Ｈｏｌｄ  Ｔｉｍｅ  Ｃｒａｃｋｉｎｇ）と言われるき裂が冷却口３に発生する事例が確認されている。き裂の発生を防止するためには、冷却口３を含む植込み部２の表面に圧縮残留応力を形成するのが効果的である。
【００１６】
そこで、この実施形態では、タービンホイール１の植込み部２の冷却口３の部分に対して、図２に示すように、第１工程ではレーザピーニング処理を行うことにより圧縮残留応力を付与する。
【００１７】
そして、第２工程では第１工程でレーザピーニングを行うことで圧縮残留応力を付与した植込み部２の冷却口３の部分に対してフラップホイールにより磨き加工（フラップホイール仕上げ）を行うことで表面粗さが１μｍ以下になるように植込み部２の表面を滑らかにする。
【００１８】
より詳細には、図１（ｂ）に示すように、タービンホイール１の植込み部２の冷却口３の淵の約２ｍｍ程度の施工範囲Ａにレーザピーニング処理（レーザピーニング施工）を行い（図２のステップＳ１０１）、施工後、その面にレーザピーニングが施工されていることを目視で確認する（ステップＳ１０２）。
【００１９】
この第１工程におけるタービンホイール１（金属部材）の植込み部２の表面に対する加工条件（圧縮残留応力の値、深さ、表面粗さなどの条件）はクリープ試験、クリープ疲労試験および高温疲労試験のうちの少なくとも一つの結果に基づいて決定するものとする。
【００２０】
その後、フラップホイールで表面を磨き（ステップＳ１０３）、冷却口３の部分の表面を圧縮残留応力を残しつつ表面処理前の表面粗さの値とほぼ同じ程度の滑らかな状態に仕上げる。
【００２１】
その後、再び目視で表面の磨き状態を確認する（ステップＳ１０４）。フラップホイールとはアルミナ砥材の研磨布を軸付きホイールの中心から放射状に配設した回転研磨装置である。
【００２２】
フラップホイールの仕上げ工程では、表面粗さを表す算術平均粗さＲａが例えば１．０μｍ以下となるように仕上げる。なお、第１の工程と第２の工程は異なる工程のため、第１の工程が終了した処理対象部材については、第２の工程であるフラップホイールによる磨きを順次、迅速に実施する。
【００２３】
続いて、図３を参照してこの表面処理方法による効果について説明する。  
図３に示すグラフは、処理対象部材と同じ素材の試験体を用いてその表面を処理対象部材と同様の加工を実施し、試験体の残留応力を各工程毎にＸ線回折法で測定した値をグラフ化したものである。
【００２４】
具体的には試験体の表面の直径約１０ｍｍの範囲について表面処理前と第１の工程後と第２の工程後についてそれぞれ残留応力を測定し残留応力分布の各曲線４，５，６として表したものである。なお測定する際、表面処理した試験体の表面に電解研磨をしてその面の残留応力を測定する。
【００２５】
同図において、応力は（＋）の方向が引張応力であり（−）の方向が圧縮応力である。表面処理前の残留応力分布の曲線４を見ると、表面処理前の残留応力は機械加工により表面の浅い部分のみに引張残留応力が生じており、それより深い部分の残留応力はほぼ０であった。
【００２６】
この面に第１の工程であるレーザピーニングを実施すると、残留応力分布の曲線５のように表面の残留応力は圧縮残留応力になり、その深さも５００μｍを超える値であった。
【００２７】
そして、このレーザピーニングを施した面に第２の工程であるフラップホイールによる磨き処理（仕上げの処理）を行う。
【００２８】
ホイールで生じる表面の残留応力は圧縮であるものの、その深さはレーザピーニングよりも浅く、通常１００μｍよりも浅い。このため残留応力分布の曲線６を見ると、１００μｍよりも浅い位置では、フラップホイールの影響が現れ、それよりも深い位置では第１の工程とほぼ同じ分布になっていることが判る。
【００２９】
第１の工程の影響深さは、第２の工程の影響深さよりも深いが、表面近くの残留応力に関しては、第２の工程の圧縮残留応力が第１の工程の残留応力よりも、条件次第では高くなることもあり、表面近傍の分布に関しては、この結果と異なることもある。
【００３０】
図４は試験体（試験片）の測定結果であり、図３と同様の方法で求めた結果であり、各工程における表面粗さの変化を示している。図４では表面粗さを示す値として算術平均粗さＲａを示している。
【００３１】
図４に示すように、表面処理前の表面粗さは１μｍ以下であり、第１の工程であるレーザピーニングを実施すると、やや上昇し、第２の工程であるフラップホイールよる磨き処理を行うと表面処理前の値とほぼ同じになっている。
【００３２】
図５と図６は試験体によるクリープ試験結果を示す図、図５は第１工程であるレーザピーニングの効果を示す図、図６は表面粗さがクリープ破断時間に及ぼす影響を示す図である。
【００３３】
図５は５００℃におけるクリープ試験結果であり、２つの試験片５１、５２に一定の荷重を付加して、破断時間を確認した結果である。この図５では表面処理前の２つの試験片５１、５２の破断時間はおおよそ７０００時間程度であり、第１工程を実施した試験片５１、５２は、共に１１０００時間を超えても破断せず、この時点で試験を中止したものである。この結果を見ると、第１工程を実施した試験片は表面処理前の試験片よりも破断時間が確実に延長され、第１工程による改善効果が認められる。
【００３４】
図６は複数の試験片（この例では４つの試験片）に対して２本ずつ６００℃のクリープ試験を行った結果であり、表面粗さと破断時間の関係を示している。この試験では第１工程後の状態とは異なり圧縮残留応力はほとんどない状態の試験片の結果である。
【００３５】
この図６では表面粗さＲａの数値が小さくなると破断時間が長くなり、試験片の表面を滑らかにすることで破断時間を長くすることができ、フラップホイール仕上げ（第２工程）による改善効果が判る。
【００３６】
図５と図６は効果を確認するために、実際の使用温度よりも高い温度で試験をした結果であり、これらの結果に基づいて、第１工程と第２工程の表面処理条件を決めた。
【００３７】
以上のようにこの第１実施形態によれば、第１工程のレーザピーニング処理によりタービンホイール１の植込み部２の冷却口３の部分の表面に対して圧縮残留応力を付与した後に、第２工程ではフラップホイール仕上げにより植込み部２の冷却口３の部分の表面を、表面処理前の表面粗さである１μｍ以下に滑らかに磨くことで、植込み部２の表面および内部に圧縮残留応力を保持したまま、５００℃を超えるような高温環境下で使用可能な所定の粗さに植込み部２の冷却口３の部分の面を滑らかにすることができる。
【００３８】
上記実施形態では、第２工程をフラップホイール仕上げとしたが、これ以外に、例えばベルトサンダ、Ｎストリップなどによる磨き加工（処理）を施してもよい。つまり第２の工程は、フラップホイール、ベルトサンダ、Ｎストリップのうちのいずれか一つの磨き処理を行ってもよい。
【００３９】
（第２実施形態）  
図７を参照して第２実施形態を説明する。  
図７は試験体による内部の残留応力分布の変化を示す図、図８は表面処理を行った場合の表面粗さの変化を示す図である。
【００４０】
試験体の表面は、実際の処理対象部材と同様の加工を実施したものであり、この第２実施形態では、第１工程および第２工程ともレーザピーニング処理を行った場合の例であるが、施工条件を変えてレーザピーニングを実施した。
【００４１】
第１工程のレーザピーニングの出力は第１実施形態とほぼ同じとし、第２工程のレーザピーニングのレーザ出力を第１工程のレーザピーニングのレーザ出力よりも小さくした。この試験体の残留応力をＸ線回折法で測定した。残留応力の測定では試験片（試験体）の測定する直径約１０ｍｍの範囲に対して電解研磨をしてその範囲の面の残留応力を測定した。
【００４２】
図７では、応力は（＋）の方向が引張応力であり（−）の方向が圧縮応力である。表面処理前の残留応力分布曲線４では、応力は表面の浅い部分のみに引張残留応力が存在し、それより深い部分の残留応力はほぼ０であった。
【００４３】
この面に第１の工程であるレーザピーニングを実施すると、第１工程後の残留応力分布曲線７のように、表面の残留応力が圧縮残留応力になり、その深さも５００μｍを超える値であった。
【００４４】
さらに、この面に第２工程である異なる条件のレーザピーニングを行った。第２工程のレーザピーニングの圧縮残留応力の深さは、第１工程の残留応力の深さよりも浅い。このため、第２工程後の残留応力分布曲線８では、５００μｍよりも浅い位置（２００μｍ前後の位置）では、その影響が現れ残留応力が低下し第１の工程の残留応力分布とやや差があるものの、それよりも深い位置では第１の工程とほぼ同じ分布になり、残留応力維持の効果があることが判る。
【００４５】
図８は図７と同様に試験体の測定結果であり、算術平均粗さＲａである。図８に示すように、表面処理前の表面粗さが１μｍ以下で、第１工程であるレーザピーニングを実施すると、やや上昇し、表面粗さが１．６μｍ程度になり、第２工程である異なる条件のレーザピーニング施工を行うと、表面処理前の値とほぼ同じで１μｍ以下になっている。このような施工において、圧縮残留応力の深さが深く、試験体の表面が滑らかな表面処理を行うことができた。
【００４６】
以上のように上述した実施形態によれば、高温の使用環境下で用いられる機器の部材としてのタービンホイール１の植込み部２に対して第１工程でレーザピーニングを施した後に第２工程でその植込み部２の表面をフラップホイール仕上げ（第１実施形態）やレーザ出力を弱めたレーザピーニング（第２実施形態）にて磨くことで第１工程のピーニング処理による圧縮残留応力の付与効果を維持しつつ植込み部２の表面を滑らかにすることができる。
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、高温の使用環境下で用いられる金属部材に対してピーニング処理を施した後に金属部材の表面を磨く場合にピーニング処理による圧縮残留応力の付与効果を維持することができる。
【００４７】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４８】
Ａ…施工範囲、１…タービンホイール、２…植込み部、３…冷却口。
【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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