(57)【要約】【課題】ガスタービン部材のTBC再コーティング時に、部材表面を精度良く判別することが可能なガスタービン部材の表面検査方法を提供する。【解決手段】ガスタービン部材の表面検査方法は、ガスタービン部材表面の遮熱コーティングを除去した後に、前記部材表面を元素分析し、予め測定した同一形状の未コーティングのガスタービン部材表面の元素分析値と差分を比較し、その差分から前記遮熱コーティングの残存の有無を判断することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン部材表面の遮熱コーティングを除去した後に、前記ガスタービン部材表面を元素分析し、予め測定した同一形状の未コーティングのガスタービン部材表面の元素分析値と差分を比較し、その差分から前記遮熱コーティングの残存の有無を判断することを特徴とするガスタービン部材の表面検査方法。
【請求項２】
請求項１において、前記遮熱コーティングが、前記ガスタービン部材上に形成されたＭＣｒＡｌＹ（ＭはＣｏ、Ｎｉ及びＦｅからなるグループから選ばれた少なくとも１種）合金からなるボンドコートと、前記ボンドコート上に形成され、部分安定化ジルコニアからなるトップコートを備えており、
前記トップコートを除去し、ボンドコートを除去した後、前記ガスタービン部材表面の元素分析を行うことを特徴とするガスタービン部材の表面検査方法。
【請求項３】
請求項１または２において、前記未コーティングのガスタービン部材表面の元素分析値と差分を比較して、基準値内の場合に、再度、遮熱コーティングすることを特徴とするガスタービン部材の表面検査方法。
【請求項４】
請求項１または２において、前記未コーティングのガスタービン部材表面の元素分析値と差分を比較して、基準値外の場合に、残存する遮熱コーティングを除去して、再度、記未コーティングのガスタービン部材表面の元素分析値と差分を比較することを特徴とするガスタービン部材の表面検査方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記ガスタービン部材が、ガスタービン動翼であることを特徴とするガスタービン部材の表面検査方法。
【請求項６】
請求項1乃至５のいずれかに記載の表面検査方法に用いる検査装置であって、
被測定物を保持するステージと、
前記被測定物表面の元素分析を行う分析器と、
前記分析器を駆動させる分析器駆動装置と、
前記分析器駆動装置を制御し、動作を記憶する制御・記憶部と、
前記元素分析の結果を記録する記録部と
を備えた検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン部材上の遮熱コーティング（ＴＢＣ: Thermal Barrier Coating）を除去し、再度、遮熱コーティングする際に、除去後に残存するコーティングの有無を判定する表面検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガスタービンでは、高効率化を目指し燃焼ガス温度の高温化が進んでいる。現在、既に燃焼ガス温度はタービン動翼、静翼等の耐熱合金部材の融点を超えており、各種の冷却技術に加え、タービン動翼、静翼の表面への遮熱コーティング（TBC : Thermal Barrier Coating）の施工が普及してきた。
遮熱コーティングは、遮熱のためのトップコートと、耐酸化性、耐食性の確保のためのボンドコートから構成され、燃焼ガスから耐熱合金基材への熱流束を減少させ、耐熱合金基材の表面温度を低減する効果が得られる。ボンドコート表面には高温での暴露中に熱成長酸化物(Thermal Grown Oxide: TGO)が形成し酸化性、腐食性ガスを遮断し、耐酸化性、耐食性を確保している。
【０００３】
しかし、ガスタービンでは、定常的に高温に暴露されるほか、起動停止の際、加熱冷却に伴う熱応力の変化が大きく、トップコートの剥離・脱落、またボンドコートの酸化・腐食を生じてしまう。このため、ガスタービンの高温部材は、定期的に交換される。ガスタービンの高温部材は、高価であり、また資源の有効利用の点から、交換後の部材を補修し再利用することが通例である。TBCを施した高温部材の場合は、劣化したTBCの除去後、再度TBCが施工される。その際、健全性と信頼性向上を目指す上で、劣化したTBCが残存しない、健全な部材表面に、新たなTBCを施工することが重要である。
【０００４】
従って、部材表面の残存コーティングの有無を判定する表面検査法が望まれるが、従来、残存コーティングの有無は、表面の色調、光沢等の外観を目視により評価する手法がとられている。なお、残存コーティングの有無の判別の目的以外では、TBCに関する非破壊検査法としては、特許文献1に、赤外線、渦電流、蛍光X線による方法が記載されている。
特許文献１では、赤外線、渦電流、蛍光X線を使用しており、目視では判定不可能な残存コーティングを検出できる効果があるものの、赤外線は温度分布の相違から、コーティングの剥離を判定するものであり、残存コーティングの判定には測定原理が適さない。また、渦電流による方法は、残存コーティングと部材の電気伝導度が近い場合は検出が困難である。蛍光X線による表面元素分析は、原理的に部材と残存コーティングの判別を、成分により定量的に行える利点がある。しかし、ガスタービン部材の様に、端部や曲面を含む複雑な形状では、蛍光X線分析で用いる分析器と測定箇所が適切な位置関係とならず、実際には存在しない元素を検出する場合や、特定の元素が過大又は過小に測定され分析精度に劣るといった課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2004-156444号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、ガスタービン部材のTBC再コーティング時に、部材表面を精度良く判別することが可能なガスタービン部材の表面検査方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、予め同一形状を有するコーティング未施工部材の表面元素分析を実施し、コーティング除去後の部材の表面元素分析と比較する事で、形状による分析への影響を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。
【０００８】
すなわち、本発明は、ガスタービン部材表面の遮熱コーティングを除去した後に、前記部材表面を元素分析し、予め測定した同一形状の未コーティングのガスタービン部材表面の元素分析値と差分を比較し、その差分から前記遮熱コーティングの残存の有無を判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、迅速に、外観から判断が困難なコーティングの残存を、定量的に精度良く判別する、検査法を提供でき、再度施工したTBCの耐久性、信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明における検査方法の手順を示した図。
【図２】本発明において元素分析に用いる蛍光X線分析を説明する図。
【図３】ガスタービン翼の断面の一例を示す図。
【図４】本発明において元素分析に用いる検査装置の一例を示す図。
【図５】本発明における分析位置と元素分析結果の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
本発明における表面検査法は、図1に示すように下記の手順で行われる。
まず、TBC未施工部材の表面元素分析を行う(標準データ取得工程)。次に、TBC施工部材のトップコートを除去する(トップコート除去工程)。次に、TBC施工部材のボンドコートを除去する(ボンドコート除去工程)。次に、TBC施工部材のボンドコート除去後の表面元素分析を行う(表面元素分析工程）。TBC未施工部材の表面元素分析結果とTBC施工部材のボンドコート除去後の表面元素分析を比較し、コーティングの残存を判定する(判定工程)。
以下、それぞれの工程について説明する。
(標準データ取得工程)
本実施形態では、先ずTBC未施工の部材を用意し、その表面元素分析を行う。  部材には、ガスタービンに好適な高温でのクリープ強度、疲労強度などに優れたNi基耐熱合金、Co基合金などが使用され、当該分野で超合金として知られているものも好適である。
【００１２】
後工程での判定を行うために必要な標準データをTBC未施工の部材の元素分析を行い取得する。その際、部材表面の測定箇所と元素分析に用いる分析器との距離と角度の関係を記録す
る。
【００１３】
元素分析の特性上、例えば図2に示す蛍光X線４を用いる場合には、測定箇所と蛍光Ｘ線分析器２との位置関係により、同一組成の部材を測定しても異なる測定結果が得られる。従って、図3に示す平面と曲面で構成されるガスタービン部材の測定においては、部材表面の測定箇所と蛍光Ｘ線分析器２の位置関係とを対応させておくことが、分析精度を向上させる上で極めて重要である。
【００１４】
分析は携帯型の分析装置を用いて検査員が手動で移動させて行っても良いが、前述の通り、測定箇所と蛍光Ｘ線分析器２の位置関係とを正確に記録しておくことが重要である為、図4に一例を示した制御・記録部８を備えた装置で自動的に行う事が望ましい。
【００１５】
自動的に測定を行う方式としては、部材をステージ９に固定し、蛍光Ｘ線分析器２を分析器駆動装置１０により移動させる方法、蛍光Ｘ線分析器２を固定して部材を設置したステージ９を駆動させる方法、またその両方を組み合わせた方法が有り、部材の形状、サイズにより適宜選択する。
【００１６】
このように、元素分析に及ぼす部材の形状の影響を考慮した点が、本発明の利点であり、平面部と曲面部で構成されるガスタービン部材の表面元素分析の精度の向上に寄与する。
(トップコート除去工程)
再生を行う使用後のTBC施工部材について、トップコートの除去を行う。トップコートには、例えば、Ｙ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＣｅＯ2，Ｓｃ2Ｏ3，Ｅｒ2Ｏ3，Ｇｄ2Ｏ3，Ｙｂ2Ｏ3，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2、Ｌａ2Ｏ3から選ばれた少なくとも１種を含む部分安定化ジルコニアが好ましい。より好ましくは、イットリア安定化ジルコニア（YSZ ZrO2-6〜8Y2O）が使用され、通常、約300〜500μｍ程度成膜されている。トップコートは、酸化物であり脆いため、ショットブラスト等の硬質粒子を衝突させる方法で、物理的に容易に除去できる。また、色調が金属とは異なるため、目視でも容易に残存が判断できる。
(ボンドコート除去工程)
トップコート除去後、ボンドコートの除去を行う。ボンドコートとしては、例えば、優れた耐食性、耐酸化性を発揮するMCrAlY合金（MはNi、Co、Feのうち1つ以上）、Ni-Al, Ni-Al-Pt等のアルミナイドが使用され、厚さは、通常約100〜200μｍ程度である。ボンドコートは、ショットブラスト等の機械的な方法の他、酸又はアルカリの薬品を用い溶解させる、化学的な除去方法も使用可能である。
(表面元素分析工程）
TBC施工部材のボンドコート除去後の表面元素分析を行う。分析の際、測定箇所と分析器との位置関係を、先の標準データ取得工程と同一にすることで、形状による影響を排除する事ができる。
（判定工程）
表面元素分析工程において得られた、ボンドコート除去後の部材の表面元素分析の結果と、予め求めたコーティング未施工部材の表面元素分析の結果を比較する。比較に基づきボンドコートの有無を判定する。TBC未施工材の元素分析値の差分が基準値内に有る場合に、コーティング残存が無く部材表面が健全と判断して再コーティングに進む。基準値は、注目する元素についての表面元素分析の測定精度を勘案して任意に決定する。表面元素分析での精度が低い元素では大きく、逆に精度が高い元素では小さく設定する。元素分析の差分が基準値外となった場合はコーティング残存が有ると判定し、再度ボンドコート除去工程に戻す。
【００１７】
判定の基準は上述の様に元素分析値の差分を用いる方法もあるが、コーティングのみに存在する特定元素がある場合、その特定元素が検出された場合、コーティング残存ありと判定する。また、部材のみに含まれる特定元素がある場合は、その特定元素が検出された部分は、コーティングの残存無し、と判定する。
【００１８】
以上により、本発明による遮熱コーティング検査法が実施されるが、本検査法は従来の目視による検査と組み合わせて実施する事も可能であり、その精度をさらに向上させることができる。
【実施例】
【００１９】
本発明の実施例を示す。
【００２０】
ガスタービン部材に好適なNi基合金（Ni-7.2Cr-1.0Co-8.8Ta-8.8W-1.4Re-0.8Nb-0.9Mo-5.0Al mass.%）を機械加工し、ガスタービン動翼部材とした。
【００２１】
TBC未施工動翼部材を図４に示すステージ９に固定し、携帯型の蛍光X線分析器（ＩｎｎｏｖＸ社製）を分析器駆動装置１０とした産業用ロボットのアーム部分に取り付けた。測定は蛍光X線分析器２を動翼表面と一定の間隔を保ち、移動させながら行い、測定箇所の間隔は15mm間隔とした。移動の際に、蛍光X線分析器２の位置と角度を記憶させ、再現が可能なようにした。
【００２２】
次に、TBC施工動翼部材を用意し、使用後の状態を模擬するため、1100℃での暴露を実施し、その後、トップコート（イットリア安定化ジルコニア（ZrO2-8wt%Y2O3））をショットブラストにより除去した。
【００２３】
トップコート除去後、塩酸を使用して、ボンドコート（CoNiCrAl合金（Co-32%Ni-21%Cr-8%Al））を化学的に除去した。洗浄、乾燥後、目視により表面検査を行ったが、光沢、色調の差は認められず、目視ではコーティングの残存無し、と判定した。
【００２４】
次に、目視検査後のTBC施工動翼部材をステージ９に固定し、蛍光X線による表面元素分析を行った。その際、TBC未施工動翼部材の分析時に記憶させた蛍光X線分析器２の位置と角度を再現した。
【００２５】
測定の結果、図5に示す分析位置において、予めTBC未施工動翼部材で測定した元素分析値と異なる結果が得られた。この分析位置は曲率が大きく、蛍光X線分析では、平面上で同一のNi基合金を分析した場合と分析値が異なる。従って、得られた分析結果が、形状によるか、コーティングの残存によるものかの判断が困難であった。
【００２６】
本実施例では、予め同一の箇所で測定を行うため、形状の影響を低減する事が可能である。図5の分析位置におけるTBC未施工動翼部材の測定値はNi-9.6Cr-2.7Co-3.3Ta-3.5W-2.0Re-0.5Nb-0.9Mo mass.%であり、平面上で同一のNi基合金を測定した値（Ni-6.6Cr-1.0Co-9.6Ta-9.6W-1.6Re-0.8Nb-0.9Mo mass.%）に比べ主要元素のCr、Coが多く、逆にTa、Wは少なく測定され、この違いを形状の影響として見積もることで、正確な判断が可能となる。
【００２７】
ボンドコート除去後のTBC施工動翼部材の測定値はNi-8.1Cr-0.7Co-1.0Ta-1.7W-26.8Re-0.2Nb-0.4Mo mass.%となった。TBC未施工動翼部材の測定値を参照した結果、形状による影響以上にReが優位に大きいことが分かる。TBC未施工動翼部材の元素分析値との差分が、24.8%であり、事前に表面元素分析の精度を勘案し決定したReに関する濃度の差分の基準値を超えたことからコーティングの残存有りと判定した。
【００２８】
当該部分にコーティングが残存しているかを確認する為、断面観察を行った。その結果、この測定部分では部材表面に10μｍ程度のコーティングが残存している事が判明した。
【００２９】
以上の説明の通り、本発明の検査法によれば、外観から判断が困難なコーティングの残存を表面元素分析により判定する際、平面部と曲面部で構成されるガスタービン部材の形状の影響を抑制し、その精度を向上させる事が可能となり、再度施工したTBCの耐久性、信頼性を確保する事ができる。
【符号の説明】
【００３０】
１…基材、２…蛍光X線分析器、３…入射X線、４…蛍光X線、５…ガスタービン動翼、６…ガスタービン動翼表面、７…冷却空気通路、８…制御・記憶部、９…ステージ、１０…分析器駆動装置、１１…記録部。
【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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