(57)【要約】      （修正有）【課題】多層構成要素の層厚を分析する方法が提供される。【解決手段】多層構成要素１００に部分的に所定の幾何学的形状を有する開口部１２０を作成することを含む。多層構成要素１００は、基板１０４およびボンドコート１１０を含む複数の材料層を含む。開口部１２０は、基板１０４を含む複数の材料層の各々を露出させる。露出した複数の材料層のコントラストは、増加させることができる。デジタル顕微鏡を使用して、開口部１２０の露出した層の画像が作成され、ボンドコート１１０の厚さ、空乏層１１８の厚さおよび／または酸化物層１１６の厚さは、画像から、開口部１２０の所定の幾何学的形状に基づいて計算される。開口部１２０を修復することにより、多層構成要素１００を試験後に意図された目的、例えば、ガスタービンでの再設置および再利用に使用することができるようになる。【選択図】図３
2020106520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層構成要素（１００）の層厚を分析する方法であって、前記方法は、
前記多層構成要素（１００）の表面（１５４）上の選択された場所において、前記多層構成要素（１００）に部分的に所定の幾何学的形状を有する開口部（１２０）を作成することであって、前記多層構成要素（１００）は、基板（１０４）およびボンドコート（１１０）を含む複数の材料層を含み、前記開口部（１２０）は、前記基板（１０４）を含む前記複数の材料層の各々を露出させることと、
デジタル顕微鏡（１５０）を使用して、前記開口部（１２０）の前記露出した複数の材料層の画像（１５２）を作成することと、
前記画像（１５２）から、前記開口部（１２０）の前記所定の幾何学形状に基づいて、前記露出した複数の材料層の前記ボンドコート（１１０）の少なくとも厚さ（Ｔ１）を計算することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記ボンドコート（１１０）は、ＭｒＣｒＡｌＹを含み、前記複数の材料層は、前記ボンドコート（１１０）上に空乏層（１１８）をさらに含み、
前記空乏層（１１８）の厚さ（Ｔ２）を決定することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記空乏層（１１８）の前記厚さ（Ｔ２）および前記ボンドコート（１１０）の前記厚さ（Ｔ１）の少なくとも１つに基づいて、前記ボンドコート（１１０）の平均余命を決定することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の材料層は、前記空乏層（１１８）上に酸化物層（１１６）をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記開口部（１２０）の作成は、円錐形の穴（１２２）を作成するために穿孔することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記開口部（１２０）の作成の後に存在するコントラストから前記開口部（１２０）のみで前記露出した複数の材料層のコントラストを増加させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
コントラストを前記増加させることは、
前記露出した複数の材料層を研磨することと、
前記露出した複数の材料層をエッチングすること（１４４）と
を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記研磨することは、ダイヤモンドペースト（１４２）を有するフェルト（１４０）を使用することを含み、前記エッチングすること（１４４）は、エッチング液を使用することを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の材料層は、前記ボンドコート（１１０）上の酸化物層（１１６）と、前記基板（１０４）上の前記ボンドコート（１１０）とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記開口部（１２０）を修復し、前記多層構成要素（１００）をその意図された目的に使用することができるようにすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記穿孔することの前に、前記多層構成要素（１００）は、前記酸化物層（１１６）上に遮熱コーティング（ＴＢＣ）層（１１４）をさらに含み、前記穿孔することの前に前記ＴＢＣ層（１１４）の少なくとも一部を除去することをさらに含み、前記修復することは、前記ＴＢＣ層（１１４）の前記少なくとも一部を修復することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法は、前記多層構成要素（１００）の使用前に実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記穿孔することの前に、前記多層構成要素（１００）は、前記ボンドコート（１１０）上に遮熱コーティング（ＴＢＣ）層（１１４）をさらに含み、前記穿孔することの前に前記ＴＢＣ層（１１４）の少なくとも一部を除去することをさらに含み、前記修復することは、前記ＴＢＣ層（１１４）の前記少なくとも一部を修復することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記方法は、前記多層構成要素（１００）の使用現場の地理的場所で実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記開口部（１２０）を前記修復することは、少なくとも１つの手持ち式デバイスを使用することを含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、非破壊材料試験に関し、より具体的には、多層構成要素の層に関する定量的データを分析する方法、および結果として得られる多層構成要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料性質の定量的調査および品質チェックは、例えば、適用されたコーティング厚さ、空乏レベルなどを決定するために必要とされることがある。そのような評価は、プロセスの認定、定期的な生産監視、多層構成要素の残りの寿命の決定のために、または多層構成要素の修復範囲を決定するための初期評価としてしばしば必要である。これらの評価を実施するために、商用構成要素からの切断採取が行われる。その結果、構成要素は破壊（破棄）され、新しい部品と交換する必要がある。例えば、金属基板上のセラミック層の界面剥離やサーモグラフィなどによる層厚を評価するための限定的な非破壊試験が利用可能である。しかし、これらのアプローチには、寿命に関連する性質、特にボンドコートの空乏に関する定量的データを提供する能力がない。さらに、そのような評価は、現場で（現場でも取り外された部品でも）実行することができない。
【発明の概要】
【０００３】
本開示の第１の態様は、多層構成要素の層厚を分析する方法を提供し、方法は、多層構成要素の表面上の選択された場所において、多層構成要素に部分的に所定の幾何学的形状を有する開口部を作成することであって、多層構成要素は、基板およびボンドコートを含む複数の材料層を含み、開口部は、基板を含む複数の材料層の各々を露出させることと、デジタル顕微鏡を使用して、開口部の露出した複数の材料層の画像を作成することと、画像から、開口部の所定の幾何学形状に基づいて、露出した複数の材料層のボンドコートの少なくとも厚さを計算することとを含む。
【０００４】
本開示の第２の態様は、基板と、基板上のボンドコートと、ボンドコート上の遮熱コーティング（ＴＢＣ）層であって、ＴＢＣ層は、高温ガス経路環境への暴露の徴候を有する第１の外側表面を有するＴＢＣ層と、基板、ボンドコートおよびＴＢＣ層の被充填開口部であって、被充填開口部は、基板の被充填開口部を充填する基板修復充填物、ボンドコートの被充填開口部を充填するボンドコート修復充填物、およびＴＢＣ層の被充填開口部を充填する遮熱コーティング（ＴＢＣ）プラグであって、ＴＢＣプラグは、高温ガス経路環境への暴露の徴候を全くまたはほとんど有さない第２の外側表面を有するＴＢＣプラグを含む被充填開口部とを備える、多層構成要素を提供する。
【０００５】
本開示の第３の態様は、多層構成要素の層厚を分析する方法を含み、方法は、多層構成要素の表面上の選択された場所において、多層構成要素に部分的に所定の幾何学的形状を有する開口部を作成するために穿孔することであって、多層構成要素は、基板、基板上のボンドコートを含む複数の材料層を含み、開口部は、複数の材料層の各々を露出させることと、露出した複数の材料層を研磨することによって、開口部の作成の後に存在するコントラストから開口部のみで露出した複数の材料層のコントラストを増加させ、露出した複数の材料層をエッチングすることと、デジタル顕微鏡を使用して、開口部の露出した複数の材料層の画像を作成することと、画像から、開口部の所定の幾何学形状に基づいて、ボンドコートの少なくとも厚さを計算することと、開口部を修復し、多層構成要素をその意図された目的に使用することができるようにすることとを含む。
【０００６】
本開示のこれらおよび他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて、本開示の様々な態様に関する以下の詳細な説明から、より容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】タービンブレードの形態の例示的な多層構成要素の斜視図である。
【図２】多層構成要素の例示的な層の断面図である。
【図３】本開示の一実施形態による、開口部を作成する断面図である。
【図４】本開示の別の実施形態による、開口部を作成する断面図である。
【図５】本開示の一実施形態による、開口部の層のコントラストを任意に増加させる断面図である。
【図６】本開示の一実施形態による、開口部の層の画像を作成する断面図である。
【図７】本開示の一実施形態による、開口部の層の例示的な画像を示す図である。
【図８】本開示の一実施形態による、層厚を計算するための開口部の層の概略図である。
【図９】本開示の一実施形態による、修復された多層構成要素の層の断面図である。
【図１０】本開示の別の実施形態による、修復された多層構成要素の層の断面図である。
【０００８】
本開示の図面は、原寸に比例していないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様だけを示すことを目的としており、したがって、本開示の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、図面間で類似する符号は、類似する要素を表す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
最初の問題として、本開示を明確に説明するために、多層構成要素の関連する部品を参照して説明するときに、特定の専門用語を選択することが必要になる。これを行う場合、可能な限り、一般的な工業専門用語が、その受け入れられた意味と同じ意味で使用および利用される。別途記載のない限り、このような専門用語は、本出願の文脈および添付の特許請求の範囲と一致する広義の解釈を与えられるべきである。当業者であれば、多くの場合、特定の構成要素がいくつかの異なるまたは重複する用語を使用して参照されることがあることを理解するであろう。単一の部品であるとして本明細書に記載され得るものは、複数の構成要素からなるものとして別の文脈を含み、かつ別の文脈で参照されてもよい。あるいは、複数の構成要素を含むものとして本明細書に記載され得るものは、単一の部品として他の場所で参照されてもよい。
【００１０】
ある要素または層が別の要素または層に対して「上に」、「係合される」、「係合解除される」、「接続される」、または「結合される」と言及される場合には、他の要素または層に対して直接上に、係合され、接続され、または結合されてもよいし、あるいは介在する要素または層が存在してもよい。逆に、ある要素が別の要素または層に対して「直接上に」、「直接係合される」、「直接接続される」、または「直接結合される」と言及される場合には、介在する要素または層は存在しなくてもよい。要素間の関係について説明するために使用される他の語も、同様に解釈されるべきである（例えば、「〜の間に」に対して「直接〜の間に」、「〜に隣接して」に対して「直接〜に隣接して」など）。本明細書で使用する場合、「および／または」という用語は、関連する列挙された項目のいずれかおよび１つまたは複数のすべての組合せを含む。
【００１１】
本開示の実施形態は、多層構成要素の層厚などの定量的データを分析する方法を提供する。方法は、多層構成要素の侵襲的影響が少ない状態で必要な定量的データを得る。特に、必要に応じて、商用多層構成要素の再利用を可能にしつつ利用可能な（局所）修復手順を使用して、完全に復元することができる多層構成要素に開口部が作成される。加えて、構成要素の評価は、構成要素の製造中および使用現場で実行することができる。構成要素は、現場修復ソリューションを使用して現場で修復可能である。
【００１２】
図１は、タービンブレードの形態の例示的な多層構成要素１００の斜視図を示す。本開示の教示は、層の任意の形成方法、例えば、溶接、ろう付け、溶射などを使用して作られた任意の多層構成要素に適用することができる。図２の断面図に示すように、多層構成要素１００は、複数の材料層を含むことができる。図示の例では、１つまたは複数の保護層１０６が基板１０４上にあり得る。基板１０４は、金属基板として作用する任意の金属もしくは金属合金、またはセラミックマトリックス複合材などのセラミックを含むことができる。タービンブレードの目的のために、基板１０４は、例えば、超合金を含むことができ、これは、限定はしないが、高い機械的強度、高い熱クリープ変形抵抗など、従来の合金と比較して多数の優れた物理的特性を有する合金を指し得る。超合金は、限定はしないが、Ｒｅｎｅ  １０８、ＣＭ２４７、Ｈａｙｎｅｓ合金、Ｉｎｃａｌｌｏｙ、ＭＰ９８Ｔ、ＴＭＳ合金、ＣＭＳＸ単結晶合金、Ｎ５、ＧＴＤ  ４４４、ＭａｒＭ  ２４７およびＩＮ  ７３８を含む。あるいは、基板１０４は、様々な他の金属または合金を含んでもよい。「ガンマプライム」（γ’）は、ニッケル基合金の主要な強化相である。例示的な高ガンマプライム超合金は、限定はしないが、Ｒｅｎｅ  １０８、Ｎ５、ＧＴＤ  ４４４、ＭａｒＭ  ２４７およびＩＮ  ７３８を含む。一実施形態では、ボンドコート１１０は、ガンマ−ガンマプライム構造（例えば、ガンママトリックスγ−Ｎｉ（Ｃｏ、Ｃｒ）中のγ’相［Ｎｉ３（Ａｌ、Ｔｉ）］相）を含んでもよく、別の実施形態では、基板１０４は、ガンマ−ベータ構造、例えば、ガンママトリックスγ−Ｎｉ（Ｃｏ、Ｃｒ）中のβ−ＮｉＡｌ相を含んでもよい。セラミックに関して、基板１０４は、高温ガス経路環境で機能するように構成された任意の現在知られているまたは今後開発されるセラミックを含んでもよい。
【００１３】
保護層１０６は、例えば、高温の腐食環境から基板１０４を保護するために、任意の現在知られているまたは今後開発される保護層を含んでもよい。一実施形態では、保護層１０６は、ボンドコート１１０（単独で使用される場合はオーバレイコートとしても知られる）、およびボンドコート上のトップコート１１２（注、「トップコート」は、最外コーティングとして層１１２を必ずしも示すとは限らない）の少なくとも１つを含んでもよい。ボンドコート１１０は、限定はしないが、ニッケルまたは白金アルミナイド、ニッケルクロムアルミニウムイットリウム（ＮｉＣｒＡｌＹ）またはニッケルコバルトクロムアルミニウムイットリウム（ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ）など、任意の現在知られているまたは今後開発されるボンドコート材料を含んでもよい。ボンドコート１１０は、ガンマ−ガンマプライム構造（例えば、ガンママトリックスγ−Ｎｉ（Ｃｏ、Ｃｒ）中のγ’相［Ｎｉ３（Ａｌ、Ｔｉ）］相）を含むことができる。一実施形態では、ボンドコート１１０は、モデル番号４５２２Ａ、および４５２２ＣとしてＡｍｄｒｙから市販されているものなどのクロム−アルミニウム−イットリウム合金（ＭＣｒＡｌＹ）を有する金属（Ｍ）を含んでもよい。ボンドコート１１０は、例えば、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）の適用、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）または大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）を使用して適用することができる。
【００１４】
遮熱コーティング（ＴＢＣ）層１１４は、ボンドコート１１０上に設けられてもよい。ＴＢＣ層１１４の材料は、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ムライトおよびアルミナを含み得る。
【００１５】
操作中、図３に示すように、要素は、ボンドコート１１０から拡散して空乏層１１８を作成することができ、その一部は最終的に酸化し、熱成長酸化物層１１６（以下「酸化物層１１６」）を作成し得る。基板１０４の組成およびボンドコート１１０の形成方法に応じて、酸化物層１１６は、操作中、アルミニウム、例えば、ボンドコート１１０からのガンママトリックスγ−Ｎｉ（Ｃｏ、Ｃｒ）中のγ’相［Ｎｉ３（Ａｌ、Ｔｉ）］相の拡散によって形成されてもされなくてもよい。
【００１６】
本開示の実施形態が有利である基板１０４およびボンドコート１１０の３つの例示的な配置は、以下を含む。Ａ）ボンドコート１１０に空乏を示し、本開示の教示を使用して識別可能な空乏層１１８を作成する、ＨＶＯＦまたはＬＰＰＳによって適用されたガンマ−ガンマプライム構造のＭＣｒＡｌＹボンドコート１１０を有する基板１０４。ここで、例えば、アルミニウムは拡散し、酸化されて酸化物層１１６を形成する。本開示の実施形態は、ボンドコート１１０の空乏の測定を可能にする。Ｂ）ＡＰＳによって適用されたガンマ−ベータ構造のＭＣｒＡｌＹボンドコート１１０を有する基板１０４。ここで、図４に示すように、空乏は発生せず、ボンドコート１１０の厚さのみが本開示の実施形態を使用して測定される、すなわち、ボンドコート１１０の劣化はこの方法では測定することができないためである。Ｃ）ＨＶＯＦまたはＬＰＰＳによって適用されたガンマ−ベータ構造のＭＣｒＡｌＹボンドコート１１０を有する基板１０４。この後者の配置は、本開示の教示を使用して識別可能な操作（配置Ａのような）により、図３に示すようにボンドコート１１０に空乏層１１８を示す、すなわち、アルミニウムが拡散および酸化して酸化物層１１６を形成する。２つから３つの保護層１０６が示されているが、本開示の教示は、任意の数の層および様々な拡散要素に適用可能であることが強調される。ＴＢＣ以外の材料もまた、用いることができる。
【００１７】
また、図３および図４は、多層構成要素１００の表面上の選択された場所において、多層構成要素１００に部分的に所定の幾何学的形状を有する開口部１２０、すなわち、試験部位開口部を作成することを示す。開口部１２０を形成する前に、図３に示すようにほとんどの場合、ＴＢＣ層１１４の少なくとも一部は、例えば、グリットまたはサンドブラストによって除去される。例えば、穿孔によって開口部１２０を作成するのに必要なＴＢＣ層１１４の領域のみを除去する必要がある。すなわち、ＴＢＣ層１１４のすべてを除去する必要はなく、開口部１２０を作るために使用されるツールの領域よりもわずかに大きい領域のみを除去する必要がある。開口部１２０は、多層構成要素１００に所定の幾何学的形状を形成するためのいくつかの方法で作成することができる。図３に示す一実施形態では、開口部１２０は、穿孔によって作成され、円錐形の穴１２２を作成する。異なる形状の他の穴もまた、可能である。例えば、図４は、球形セグメント開口部１２４を作成するために、キャロット研削（ｃａｌｏｔｔｅ  ｇｒｉｎｄｉｎｇ）によって作成された開口部１２０を示す。他の材料除去ツール、例えば、ミリングツールもまた、多層構成要素１００に所定の幾何学的形状を作成するために使用することができる。「所定の幾何学的形状」は、先端、線、表面、角度、長さおよび他の寸法がわかっている任意の形状を含み得る。以下で説明するように、所定の幾何学的形状により、開口部１２０の画像から得られた寸法を使用して、限定はしないが、層厚、空乏レベル、相互拡散レベル、または熱影響ゾーンの存在など、層、特にボンドコート１１０に関する定量的データを計算することが可能になる。図３の実施形態の一例では、ドリルビットは、約１３０〜１５０°の正確な先端角と、例えば、約２．５ミリメートル〜７ミリメートルの直径とを有し得る。開口部１２０の場所は、例えば、構成要素の視覚的評価を可能にし（新規／使用後）、所望に応じて材料性質を定義するように、ユーザが選択可能である。複数の開口部１２０を使用して、多層構成要素１００の様々な局所的な領域を試験することができる。構成要素の条件に応じて、破壊試験を使用した場合に必要となる構成要素の特定の切断計画に基づいた従来の制限なしに、異なる場所で異なるパラメータを評価することができる。マスク（図示せず）は、再現可能な場所での定期的なチェックに使用可能である。
【００１８】
図３の穿孔の実施形態について図５に示すように、開口部１２０は、基板１０４を含む材料層１０４、１１０（存在する場合、１１６、１１８）の各々を露出させる。すなわち、各層１０４、１１０（存在する場合、１１６、１１８）の少なくともいくつかの部分、例えば、表面、角、縁部などは、開口部１２０によって明らかにされる。開口部１２０のサイズは、限定はしないが、コーティング厚さ、予想される最悪の場合の壁貫通厚さ、所望の開口部１２０の最小および／または最大厚さなど、様々な要因に基づいてもよい。適切なドリルビットの直径および角度は、あらゆるこれらの要因に基づいて選択されてもよい。基板１０４は、最小限に露出されるべきであり、その中に亀裂または他の大きな損傷を生じさせないように露出されるべきである。上記の状況を達成するために、穿孔速度およびダウン圧力が正確に制御される。
【００１９】
場合によっては、開口部１２０が作成された後に存在するコントラストと比較してコントラストを増加させることが有益である。図５はまた、開口部１２０のみで露出した複数の材料層１０４、１１０、１１８のコントラストを任意に増加させることを示す。一実施形態では、プロセスは、露出した複数の材料層１０４、１０６を研磨することを含むことができる。このプロセスは、例えば、ダイヤモンドペースト１４２を有するフェルト１４０を使用した研磨を含んでもよい。この場合、コントラストを増加させることは、例えば、研磨後に露出した複数の材料層１０４、１０６をエッチングすること１４４を任意に含んでもよい。エッチングは、限定はしないが、アルミニウム富化相のモリブデンエッチング液、またはクロム富化相の村上エッチング液など、任意の現在知られているまたは今後開発されるエッチング液を使用することを含んでもよい。電気化学エッチングにより、表面のコントラストを高めることも可能である。研磨は、例えば、本明細書に記載の配置Ａ）およびＣ）のようにボンドコート１１０が空乏化している場合に有利であり得る。このようにして、本開示の実施形態は、ボンドコート１１０の厚さおよび空乏層１１８の厚さ、すなわち、空乏層１１８（および酸化物層１１６）を形成するボンドコート１１０の拡散量、およびボンドコート１１０として残る量を達成することができる。空乏層１１８の厚さおよびボンドコート１１０の厚さは、ボンドコート１１０の残りの寿命、すなわち、ボンドコート１１０の平均余命に関係し得る。他の実施形態では、コントラストを増加させる必要はない、すなわち、研磨またはエッチングは実行されない。この後者のプロセスは、空乏化していない特定のボンドコート１１０に適用することができ、例えば、劣化は本明細書に記載の配置Ｂ）のような内部酸化により発生する。
【００２０】
図６は、デジタル顕微鏡１５０、例えば、手持ち式および携帯型の顕微鏡を使用して、開口部１２０の露出した複数の材料層１０４、１０６の画像を作成することを示す。デジタル顕微鏡１５０は、任意の現在知られているまたは今後開発される顕微鏡を含んでもよい。一実施形態では、デジタル顕微鏡１５０は、手持ち式および携帯型であり得、例えば、タービン内部などの多層構成要素の使用分野で使用することができる。
【００２１】
図７は、使用された多層構成要素１００の開口部１２０および露出された材料層の例示的な画像１５２を示す。新たに製造された多層構成要素１００には、ボンドコート１１０および基板１０４のみが存在することが理解される。ボンドコート１１０の深さまたは厚さは、開口部１２０の所定の幾何学的形状に基づいて画像１５２から計算することができる。図８は、図６の開口部１２０について画像１５２から引き出された寸法、例えば、それぞれ層１０４、１１０、１１８の層ｄ１、ｄ２およびｄ３の横径の概略図を示す。開口部１２０の所定の幾何学的形状は、層１０４、１１０、１１８の露出した表面の既知の角度αを提供する。三角法を適用すると、Ｔ１＝（（ｄ２／２）−（ｄ１／２））ｔａｎβ、およびＴ２＝（（ｄ３／２）−（ｄ２／２））ｔａｎβとなる。角度βは、水平に対する開口部１２０の角度である。したがって、ボンドコート１１０の厚さ（Ｔ１）を決定することができる。さらに、存在する場合、空乏層１１８の厚さ（Ｔ２）を決定することができる。空乏層１１８の厚さ（Ｔ２）は、ボンドコート１１０の空乏の量を示している。すなわち、空乏層１１８の厚さを使用して、ボンドコート１１０の残りの寿命（平均余命）を決定することができる。
【００２２】
計算された厚さに基づいて、限定はしないが、ボンドコート１１０の厚さ、すなわち、無傷のボンドコート１１０の厚さ、および拡散プロセスから生じる空乏層１１８の厚さなどの定量的データの決定を確認することができる。新規製造の場合、ボンドコート１１０の厚さを使用して、例えば、製品の品質を確認し、後で評価するためにボンドコートの厚さをベンチマークすることができる。使用された多層構成要素１００については、ボンドコート１１０の空乏の量を使用して、例えば、従来のアルゴリズム的技法または経験に基づいたモデリング技法を使用して残りの平均余命を予測することができる。例えば、既知のボンドコート材料について、ボンドコート１１０の５０％が使用されている場合、多層構成要素１００の予想される動作条件の下で１２００時間の動作時間が残っていることを示し得る。さらに、ボンドコート１１０の厚さおよび／または空乏層１１８の厚さを使用して、ボンドコート１１０の平均余命を決定することもできる。
【００２３】
従来の破壊材料試験とは対照的に、必要に応じて、多層構成要素１００を評価することができ、かつ修復することができる。すなわち、開口部１２０を修復することができ、多層構成要素１００をその意図された目的のために、例えば、翼形部として使用することが可能になる。修復プロセスは、提供される材料の開口部１２０のための任意の現在知られているまたは今後開発される修復プロセスを含むことができる。例えば、基板１０４およびボンドコート１１０の修復は、レーザワイヤ溶接またはタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接の少なくとも１つを含み得る。修復デバイスは、手持ち式であってもよい。あるいは、基板１０４および／またはボンドコート１１０は、溶射プロセス、例えば、ＡＰＳ、火炎溶射などによって修復されてもよい。ＴＢＣ層１１４の修復は、ＡＰＳおよび火炎溶射のいずれかなどの任意の溶射プロセスを含むことができる。あるいは、ＴＢＣ１１４は、スラリーコーティングプロセスを含んでもよい。酸化物層１１６は、修復されない。図９は、（図３の実施形態の）修復された開口部１２０を示す。
【００２４】
上述のように、本明細書に記載の方法の実施形態は、適切な構築および／またはベンチマーク層の厚さを確認するために、多層構成要素１００の使用前に、すなわち、製造後に実行することができる。あるいは、本開示の実施形態は、多層構成要素１００の使用の地理的場所、例えば、タービンロータブレードの場合の発電所で実行することができる。多層構成要素１００が現場にある場合、その使用設定から取り外すことができるが、または例えば、タービン内のその使用設定のままであってもよい。所定の位置のままである場合、多層構成要素１００は、開口部１２０の修復後に、例えば、再設置なしで使用することができる。現場にある場合、開口部１２０の修復は、少なくとも１つの手持ち式デバイス、例えば、ＴＩＧ溶接機、火炎溶射などを使用することを含み得る。
【００２５】
図９は、本開示の実施形態による方法を行った後の、使用された（すなわち、使用済み）多層構成要素１００の断面図を示す。多層構成要素１００は、基板１０４、基板１０４上のボンドコート１１０、およびボンドコート１１０上のＴＢＣ層１１４を含むことができる。ＴＢＣ層１１４は、例えば、ガスタービンでの使用から高温ガス経路環境への暴露の徴候を有する第１の外側表面１７０を有する。すなわち、第１の外側表面１７０は、例えば、汚れていたり、摩耗していたり、かつ／または異なる色もしくは陰影を有していたりすることがある。被充填開口部１７２は、基板１０４、ボンドコート１１０、および設けられる場合、ＴＢＣ層１１４にある。酸化物層１１６および／または空乏層１１８は、被充填開口部１７２の外側に存在し得る。被充填開口部１７２は、基板１０４、すなわち、開口部１２０の基板部分１６０の被充填開口部１７２を充填する、基板１０４の金属と同一または同様の（あるいはより良好な性質の）材料を含む基板修復充填物１６４を含む。多層構成要素１００はまた、ボンドコート１１０、すなわち、開口部１２０のボンドコート部分１６８の被充填開口部１７２を充填するボンドコート修復充填物１７４を含む。ボンドコート修復充填物１７４は、ボンドコート１１０と同一または同様の（あるいはより良好な性質の）材料を含む。示すように、基板１０４の開口部１２０が非常に小さいので、基板修復充填物１６４は、ボンドコート修復充填物１７４と同じ材料であり得る、すなわち、修復充填物１６４および１７４は同じである。この状況では、ボンドコート修復充填物１７４は、基板１０４内に延びる。遮熱コーティング（ＴＢＣ）プラグ１７６は、ＴＢＣ層１１４の被充填開口部１７２、すなわち、ＴＢＣ層１１４が除去された場所を充填する。ＴＢＣプラグ１７６は、ＴＢＣ層１１４の第１の外側表面１７０よりも暴露の徴候を全くまたはほとんど有さない第２の外側表面１７６を有するが、これは第２の外側表面１７６が操作雰囲気および温度が確認されていないか、異なる製造プロセスが適用されているため、すなわち、新しくて（わずかに異なる性質、例えば、多孔性を有する場合がある）汚れが少なく、ＴＢＣ層１１４とは異なる色／陰影を有し得るためである。ＴＢＣプラグ１７６（図示）またはボンドコート修復充填物１７４のいずれかは、酸化物層１１６および／または空乏層１１８の被充填開口部１７２を充填し得る。図９の例では、開口部１２０は、少なくとも円錐形の部分を有する周辺部を有する。図４の実施形態による開口部１２０が用いられる場合、開口部１２０は、少なくとも球形部分を有する周辺部を有することが理解される。しかし、いずれにしても、図９に示すように、開口部１２０の周辺部は、最外層、例えば、ＴＢＣ層１１４およびＴＢＣプラグ１７６では肉眼では見えない。最終的な修復プロセスは、例えば、研削または研磨によって多層構成要素１００の外側表面１７０、１７６を輪郭付けすることを含んでもよい。
【００２６】
図１０は、被充填開口部１７２において、修復が基板修復充填物１６４を有する基板１０４、およびボンドコート修復充填物１７４を有するボンドコート１１０のみを修復することを含む別の実施形態を示す。ここで、空乏層１１８、酸化物層１１６およびＴＢＣ層１１４は存在しない。再び、基板１０４の開口部１２０が非常に小さいので、基板修復充填物１６４は、ボンドコート修復充填物１７４と同じ材料であり得る、すなわち、修復充填物１６４および１７４は同じである。ＴＢＣ層１１４は、提供も修復もされていない。最終的な修復プロセスは、例えば、研削または研磨によって多層構成要素１００の表面１５４を輪郭付けすることを含んでもよい。図１０では、開口部１２０の存在は、表面１５４において肉眼では見えない。しかし、切り開かれた場合、開口部１２０の残部が多層構成要素１００に観察され得る。
【００２７】
本開示の実施形態は、必要に応じて、局所的な材料復元によるその再利用を可能にしつつ、商用構成要素に対する破壊的影響が最小限である多層構成要素（例えば、コーティング、ろう付け、溶接などを有する基板）の定量的評価（例えば、厚さ、空乏、結合、熱影響ゾーンなど）を提供する。したがって、方法は、商用部品のセクショニング／破壊による完全な冶金学的調査を回避し、多層構成要素の冶金学的調査のための破棄部品を回避する。加えて、方法は、条件ベースの修復を可能にし、破壊試験技法と比較して修復範囲を縮小することができる。方法は、製造中または使用後、現場で使用することができる。
【００２８】
上記の図面は、本開示のいくつかの実施形態による関連する処理のいくつかを示す。これに関連して、いくつかの代替の実施態様では、記載している動作が記載した順序から外れて実行されることがあり、または例えば、関連する動作に応じて実質的に同時に、または逆の順序で実際に実施される場合があることにも留意されたい。また、当業者であれば、処理を説明する付加的なステップを追加することができることを認識するであろう。
【００２９】
本明細書で使用している専門用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、特に明示しない限り、複数形も含むことが意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用する場合、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの組が存在することまたは追加することを除外しないことがさらに理解されよう。「任意の」または「任意に」は、後で述べられる事象または状況が、起こる場合も起こらない場合もあることを意味し、この記述は、その事象が起こる事例と、起こらない事例とを含むことを意味する。
【００３０】
本明細書および特許請求の範囲を通してここで使用される、近似を表す文言は、関連する基本的機能に変化をもたらすことなく、差し支えない程度に変動できる任意の定量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「およそ」、「約」および「実質的に」などの用語によって修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限定は組合せおよび／または置き換えが可能であり、文脈および文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、それに包含されるすべての部分範囲を含む。範囲の特定の値に適用される「約」は、両方の値に適用され、値を測定する機器の精度に特に依存しない限り、記載された値の＋／−１０％を示すことができる。
【００３１】
以下の特許請求の範囲におけるミーンズプラスファンクションまたはステッププラスファンクションの要素すべての、対応する構造、材料、動作および均等物は、具体的に請求された他の請求要素と組み合わせてその機能を遂行するための、一切の構造、材料、または動作を包含することを意図している。本開示の記述は、例示および説明の目的で提示されたもので、網羅的であることも、または本開示を開示した形態に限定することも意図していない。当業者には、本開示の範囲および趣旨から逸脱することなく多くの変更および変形が明らかであろう。本開示の原理および実際の応用を最もよく説明し、想定される特定の使用に適するように様々な変更を伴う様々な実施形態の開示を他の当業者が理解できるようにするために、実施形態を選択し説明した。完全を期すために、本発明の様々な態様を以下の番号付きの節で説明する。
１．多層構成要素の層厚を分析する方法であって、前記方法は、
前記多層構成要素の表面上の選択された場所において、前記多層構成要素に部分的に所定の幾何学的形状を有する開口部を作成することであって、前記多層構成要素は、基板およびボンドコートを含む複数の材料層を含み、前記開口部は、前記基板を含む前記複数の材料層の各々を露出させることと、
デジタル顕微鏡を使用して、前記開口部の前記露出した複数の材料層の画像を作成することと、
前記画像から、前記開口部の前記所定の幾何学形状に基づいて、前記露出した複数の材料層の前記ボンドコートの少なくとも厚さを計算することと
を含む、方法。
２．前記ボンドコートは、ＭｒＣｒＡｌＹを含み、前記複数の材料層は、前記ボンドコート上に空乏層をさらに含み、
前記空乏層の厚さを決定することをさらに含む、
節１に記載の方法。
３．前記空乏層の前記厚さおよび前記ボンドコートの前記厚さの少なくとも１つに基づいて、前記ボンドコートの平均余命を決定することをさらに含む、節２に記載の方法。
４．前記複数の材料層は、前記空乏層上に酸化物層をさらに含む、節２に記載の方法。
５．前記開口部の作成は、円錐形の穴を作成するために穿孔することを含む、節１に記載の方法。
６．前記開口部の作成の後に存在するコントラストから前記開口部のみで前記露出した複数の材料層のコントラストを増加させることをさらに含む、節１に記載の方法。
７．コントラストを前記増加させることは、
前記露出した複数の材料層を研磨することと、
前記露出した複数の材料層をエッチングすることと
を含む、節６に記載の方法。
８．前記研磨することは、ダイヤモンドペーストを有するフェルトを使用することを含み、前記エッチングすることは、エッチング液を使用することを含む、節７に記載の方法。
９．前記複数の材料層は、前記ボンドコート上の酸化物層と、前記基板上の前記ボンドコートとを含む、節１に記載の方法。
１０．前記開口部を修復し、前記多層構成要素をその意図された目的に使用することができるようにすることをさらに含む、節１に記載の方法。
１１．前記穿孔することの前に、前記多層構成要素は、前記酸化物層上に遮熱コーティング（ＴＢＣ）層をさらに含み、前記穿孔することの前に前記ＴＢＣ層の少なくとも一部を除去することをさらに含み、前記修復することは、前記ＴＢＣ層の前記少なくとも一部を修復することを含む、節１に記載の方法。
１２．前記方法は、前記多層構成要素の使用前に実行される、節１に記載の方法。
１３．前記穿孔することの前に、前記多層構成要素は、前記ボンドコート上に遮熱コーティング（ＴＢＣ）層をさらに含み、前記穿孔することの前に前記ＴＢＣ層の少なくとも一部を除去することをさらに含み、前記修復することは、前記ＴＢＣ層の前記少なくとも一部を修復することを含む、節１２に記載の方法。
１４．前記方法は、前記多層構成要素の使用現場の地理的場所で実行される、節１に記載の方法。
１５．前記開口部を前記修復することは、少なくとも１つの手持ち式デバイスを使用することを含む、節１４に記載の方法。
１６．基板と、
前記基板上のボンドコートと、
前記ボンドコート上の遮熱コーティング（ＴＢＣ）層であって、前記ＴＢＣ層は、高温ガス経路環境への暴露の徴候を有する第１の外側表面を有するＴＢＣ層と、
前記基板、前記ボンドコートおよび前記ＴＢＣ層の被充填開口部であって、前記被充填開口部は、
前記基板の前記被充填開口部を充填する基板修復充填物、
前記ボンドコートの前記被充填開口部を充填するボンドコート修復充填物、および
前記ＴＢＣ層の前記被充填開口部を充填する遮熱コーティング（ＴＢＣ）プラグであって、前記ＴＢＣプラグは、前記第１の外側表面よりも前記高温ガス経路環境への暴露の徴候を全くまたはほとんど有さない第２の外側表面を有するＴＢＣプラグ
を含む被充填開口部と
を備える、多層構成要素。
１７．前記基板の前記被充填開口部を充填する前記基板修復充填物は、前記ボンドコートの前記被充填開口部を充填する前記ボンドコート修復充填物と同じ材料である、節１６に記載の多層構成要素。
１８．多層構成要素の層厚を分析する方法であって、前記方法は、
前記多層構成要素の表面上の選択された場所において、前記多層構成要素に部分的に所定の幾何学的形状を有する開口部を作成するために穿孔することであって、前記多層構成要素は、基板、前記基板上のボンドコートを含む複数の材料層を含み、前記開口部は、前記複数の材料層の各々を露出させることと、
前記露出した複数の材料層を研磨することによって、前記開口部の作成の後に存在するコントラストから前記開口部のみで前記露出した複数の材料層のコントラストを増加させ、前記露出した複数の材料層をエッチングすることと、
デジタル顕微鏡を使用して、前記開口部の前記露出した複数の材料層の画像を作成することと、
前記画像から、前記開口部の前記所定の幾何学形状に基づいて、前記ボンドコートの厚さを計算することと、
前記開口部を修復し、前記多層構成要素をその意図された目的に使用することができるようにすることと
を含む、方法。
１９．前記方法は、前記多層構成要素の使用現場の場所の地理的場所で実行される、節１８に記載の方法。
２０．前記穿孔することの前に、前記多層構成要素は、前記酸化物層上に遮熱コーティング（ＴＢＣ）層をさらに含み、前記穿孔することの前に前記ＴＢＣ層を除去することをさらに含み、前記修復することは、前記ＴＢＣ層を修復することを含む、節１８に記載の方法。
【符号の説明】
【００３２】
１００  多層構成要素
１０４  基板、材料層
１０６  保護層、材料層
１１０  ボンドコート、材料層
１１２  トップコート、層
１１４  遮熱コーティング（ＴＢＣ）層
１１６  熱成長酸化物層、材料層
１１８  空乏層、材料層
１２０  開口部
１２２  円錐形の穴
１２４  球形セグメント開口部
１４０  フェルト
１４２  ダイヤモンドペースト
１４４  エッチング
１５０  デジタル顕微鏡
１５２  画像
１５４  表面
１６０  基板部分
１６４  基板修復充填物
１６８  ボンドコート部分
１７０  第１の外側表面
１７２  被充填開口部
１７４  ボンドコート修復充填物
１７６  遮熱コーティング（ＴＢＣ）プラグ、第２の外側表面
Ｔ１  厚さ
Ｔ２  厚さ
ｄ１  層
ｄ２  層
ｄ３  層
α  角度
β  角度
【図１】
2020106520.tif 000003
【図２】
2020106520.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2020106520.tif 000007
【図６】
2020106520.tif 000008
【図７】
2020106520.tif 000009
【図８】
2020106520.tif 000010
【図９】
2020106520.tif 000011
【図１０】
2020106520.tif 000012
【外国語明細書】
2020106520000001.pdf
2020106520000002.pdf
2020106520000003.pdf
2020106520000004.pdf