(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温部材の表面に形成されたコーティング層に含まれる準安定正方相の含有量をＸ線回折法又はラマン分光法によって測定し、測定した前記準安定正方相の含有量に基づいて、前記高温部材の表面温度を推定する温度推定方法。
【請求項２】
定められた複数の加熱温度ごとに定められた複数の加熱時間、加熱処理を行った複数の前記コーティング層の試験用部材についてＸ線回折法によって測定した回折結果のそれぞれと、予め準安定正方相と正方相と立方相との含有量が既知である部材に対するＸ線回折法による回折結果をリートベルト解析して前記複数の試験用部材それぞれに含まれる準安定正方相の含有量を算出し、それぞれの前記試験用部材に対応する加熱温度及び加熱時間及び準安定正方相の含有量のデータを蓄積し、前記蓄積したデータに基づいて、前記試験用部材に対する加熱時間と加熱温度と準安定正方相の含有量との関係式を算出するステップと、
所定の温度以上の加熱温度で加熱処理を行った前記コーティング層の測定用部材であって、前記加熱処理における加熱時間が既知である場合に、前記測定用部材のＸ線回折法による回折結果と、予め準安定正方相と正方相と立方相との含有量が既知である部材についてのＸ線回折法による回析結果をリートベルト解析して、前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量を算出するステップと、
前記測定用部材の加熱時間と、前記算出した前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量と、前記関係式に基づいて前記測定用部材の加熱温度を算出するステップ、
を有する請求項１に記載の温度推定方法。
【請求項３】
定められた複数の加熱温度ごとに定められた複数の加熱時間、加熱処理を行った複数の前記コーティング層の試験用部材についてＸ線回折法によって測定した回折結果のそれぞれと、予め準安定正方相と正方相と立方相との含有量が既知である部材に対するＸ線回折法による回折結果をリートベルト解析して前記複数の試験用部材それぞれに含まれる準安定正方相の含有量を算出し、それぞれの前記試験用部材に対応する加熱温度及び加熱時間及び準安定正方相の含有量のデータを蓄積し、前記蓄積したデータに基づいて、前記試験用部材に対する加熱時間と加熱温度と準安定正方相の含有量との関係式を算出するステップと、
前記複数の試験用部材をラマン分光法によって測定した結果のスペクトルの特徴量と、前記算出した試験用部材のそれぞれに含まれる準安定正方相の含有量との相関関係を算出するステップと、
所定の温度以上の加熱温度で加熱処理を行った前記コーティング層の測定用部材であって、前記加熱処理における加熱時間が既知である場合に、前記測定用部材をラマン分光法によって測定して得たスペクトルの特徴量と、前記相関関係に基づいて、前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量を算出するステップと、
前記測定用部材の加熱時間と、前記算出した前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量と、前記関係式に基づいて前記測定用部材の加熱温度を算出するステップ、
を有する請求項１に記載の温度推定方法。
【請求項４】
前記関係式は、準安定正方相の分解量と加熱時間の１／４乗とが直線関係であることに基づく、
請求項２又は請求項３に記載の温度推定方法。
【請求項５】
高温部材の表面に形成されたコーティング層に含まれる準安定正方相の含有量を測定する方法であって、
所定の温度以上の加熱温度で加熱処理を行った前記コーティング層の測定用部材についてＸ線回折法によって測定した回折結果のそれぞれと、予め準安定正方相と正方相と立方相との含有量が既知である部材に対するＸ線回折法による回折結果をリートベルト解析して前記複数の測定用部材それぞれに含まれる準安定正方相の含有量を算出するステップを有する、
準安定正方相の含有量測定方法。
【請求項６】
高温部材の表面に形成されたコーティング層に含まれる準安定正方相の含有量を測定する方法であって、
定められた複数の加熱温度ごとに定められた複数の加熱時間、加熱処理を行った複数の前記コーティング層の試験用部材についてＸ線回折法によって測定した回折結果のそれぞれと、予め準安定正方相と正方相と立方相との含有量が既知である部材に対するＸ線回折法による回折結果をリートベルト解析して前記複数の試験用部材それぞれに含まれる準安定正方相の含有量を算出するステップと、
前記複数の試験用部材をラマン分光法によって測定した結果のスペクトルの特徴量と、前記算出した試験用部材のそれぞれに含まれる準安定正方相の含有量との相関関係を算出するステップと、
所定の温度以上の加熱温度で加熱処理を行った前記コーティング層の測定用部材であって、前記加熱処理における加熱時間が既知である場合に、前記測定用部材をラマン分光法によって測定して得たスペクトルの特徴量と、前記相関関係に基づいて、前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量を算出するステップ、
を有する準安定正方相の含有量測定方法。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の準安定正方相の含有量測定方法によって前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量を算出し、
前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量と前記高温部材の劣化度との予め定められた対応関係に基づいて、前記高温部材の劣化度を算出する、
劣化判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温部材の温度推定方法、準安定正方相の含有量測定方法、劣化判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ガスタービンの高効率化、高温化は鋭意進められており、高温部材に施される遮熱コーティング（ＴＢＣ：Thermal barrier coating）は、その重要性を増している。ＴＢＣの信頼性を確保するためにも、高温に曝されたＴＢＣの表面温度を推定する技術が望まれている。例えば、特許文献１には、Ｘ線回析を用いてＴＢＣに含まれるＭ相（単斜相）の量を測定し、測定した単斜相の量に基づいてＴＢＣの表面温度を算出する温度推定方法が記載されている。
【０００３】
ＴＢＣは、初期には，Ｔ´相（準安定正方相：Tetragonal Prime）といわれる強靭な結晶で構成されている。しかし、長時間、一定の高温に曝されると、ＴＢＣのＴ´相は、Ｔ相（正方相）とＣ相（立方相）に分解される。さらにその後ＴＢＣが冷却されると、Ｔ相（正方相）がＭ相（単斜相）に転換され、体積膨張をもたらし、破壊靱性も低下することになる。特許文献１に記載の方法は、この単斜相（Ｍ相）の含有量に着目した温度推定方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５１９７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この結晶構造の変化過程において、Ｔ´相がＴ相とＣ相に分解する要因は、温度と深く関係していることがわかっている。特許文献１の手法は、ＴＢＣの温度が低下してから生成される単斜相（Ｍ相）の含有量に着目しているが、Ｔ´相の含有量に注目し、ＴＢＣに含まれるＴ´相の分解の程度を調べ、Ｔ´相の含有量に基づいて温度を推定することが可能であれば、より正確なＴＢＣの表面温度が推定できると考えられる。しかし、これまでそのような温度推定方法は提案されていなかった。
【０００６】
そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる温度推定方法、準安定正方相の含有量測定方法、劣化判定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様は、高温部材の表面に形成されたコーティング層に含まれる準安定正方相の含有量をＸ線回折法又はラマン分光法によって測定し、測定した前記準安定正方相の含有量に基づいて、前記高温部材の表面温度を推定する温度推定方法である。
【０００８】
本発明の第２の態様における温度推定方法は、定められた複数の加熱温度ごとに定められた複数の加熱時間、加熱処理を行った複数の前記コーティング層の試験用部材についてＸ線回折法によって測定した回折結果のそれぞれと、予め準安定正方相と正方相と立方相との含有量が既知である部材に対するＸ線回折法による回折結果をリートベルト解析して前記複数の試験用部材それぞれに含まれる準安定正方相の含有量を算出し、それぞれの前記試験用部材に対応する加熱温度及び加熱時間及び準安定正方相の含有量のデータを蓄積し、前記蓄積したデータに基づいて、前記試験用部材に対する加熱時間と加熱温度と準安定正方相の含有量との関係式を算出するステップと、所定の温度以上の加熱温度で加熱処理を行った前記コーティング層の測定用部材であって、前記加熱処理における加熱時間が既知である場合に、前記測定用部材のＸ線回折法による回折結果と、予め準安定正方相と正方相と立方相との含有量が既知である部材についてのＸ線回折法による回析結果をリートベルト解析して、前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量を算出するステップと、前記測定用部材の加熱時間と、前記算出した前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量と、前記関係式に基づいて前記測定用部材の加熱温度を算出するステップ、を有する。
【０００９】
本発明の第３の態様における温度推定方法は、定められた複数の加熱温度ごとに定められた複数の加熱時間、加熱処理を行った複数の前記コーティング層の試験用部材についてＸ線回折法によって測定した回折結果のそれぞれと、予め準安定正方相と正方相と立方相との含有量が既知である部材に対するＸ線回折法による回折結果をリートベルト解析して前記複数の試験用部材それぞれに含まれる準安定正方相の含有量を算出し、それぞれの前記試験用部材に対応する加熱温度及び加熱時間及び準安定正方相の含有量のデータを蓄積し、前記蓄積したデータに基づいて、前記試験用部材に対する加熱時間と加熱温度と準安定正方相の含有量との関係式を算出するステップと、前記複数の試験用部材をラマン分光法によって測定した結果のスペクトルの特徴量と、前記算出した試験用部材のそれぞれに含まれる準安定正方相の含有量との相関関係を算出するステップと、所定の温度以上の加熱温度で加熱処理を行った前記コーティング層の測定用部材であって、前記加熱処理における加熱時間が既知である場合に、前記測定用部材をラマン分光法によって測定して得たスペクトルの特徴量と、前記相関関係に基づいて、前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量を算出するステップと、前記測定用部材の加熱時間と、前記算出した前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量と、前記関係式に基づいて前記測定用部材の加熱温度を算出するステップ、を有する。
【００１０】
本発明の第４の態様における前記関係式は、準安定正方相の分解量と加熱時間の１／４乗とが直線関係であることに基づく。
【００１１】
本発明の第５の態様は、高温部材の表面に形成されたコーティング層に含まれる準安定正方相の含有量を測定する方法であって、所定の温度以上の加熱温度で加熱処理を行った前記コーティング層の測定用部材についてＸ線回折法によって測定した回折結果のそれぞれと、予め準安定正方相と正方相と立方相との含有量が既知である部材に対するＸ線回折法による回折結果をリートベルト解析して前記複数の測定用部材それぞれに含まれる準安定正方相の含有量を算出するステップを有する、準安定正方相の含有量測定方法である。
【００１２】
本発明の第６の態様は、高温部材の表面に形成されたコーティング層に含まれる準安定正方相の含有量を測定する方法であって、定められた複数の加熱温度ごとに定められた複数の加熱時間、加熱処理を行った複数の前記コーティング層の試験用部材についてＸ線回折法によって測定した回折結果のそれぞれと、予め準安定正方相と正方相と立方相との含有量が既知である部材に対するＸ線回折法による回折結果をリートベルト解析して前記複数の試験用部材それぞれに含まれる準安定正方相の含有量を算出するステップと、前記複数の試験用部材をラマン分光法によって測定した結果のスペクトルの特徴量と、前記算出した試験用部材のそれぞれに含まれる準安定正方相の含有量との相関関係を算出するステップと、所定の温度以上の加熱温度で加熱処理を行った前記コーティング層の測定用部材であって、前記加熱処理における加熱時間が既知である場合に、前記測定用部材をラマン分光法によって測定して得たスペクトルの特徴量と、前記相関関係に基づいて、前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量を算出するステップ、を有する準安定正方相の含有量測定方法である。
【００１３】
本発明の第７の態様は、上述の準安定正方相の含有量測定方法によって前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量を算出し、前記測定用部材に含まれる準安定正方相の含有量と前記高温部材の劣化度との予め定められた対応関係に基づいて、前記高温部材の劣化度を算出する、劣化判定方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高温部材の表面温度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る第一実施形態における高温部材の概略図である。
【図２】本発明に係る第一実施形態における高温部材のＴＢＣの結晶構造の変化を説明する図である。
【図３】本発明に係る第一実施形態におけるＴ´相の含有量と加熱時間とＴＢＣ表面温度との関係式の導出を説明する第一の図である。
【図４】本発明に係る第一実施形態におけるＴ´相の含有量と加熱時間とＴＢＣ表面温度との関係式の導出を説明する第二の図である。
【図５】本発明に係る第一実施形態におけるＴ´相の含有量と加熱時間とＴＢＣ表面温度との関係式の導出を説明する第三の図である。
【図６】本発明に係る第一実施形態におけるＴ´相の含有量と加熱時間とＴＢＣ表面温度との関係式の導出を説明する第四の図である。
【図７】本発明に係る第一実施形態におけるＴＢＣ表面温度推定方法のフローチャートである。
【図８】本発明に係る第二実施形態におけるラマンピークの位置とＴ´相の含有量の関係を示す図である。
【図９】本発明に係る第二実施形態におけるラマンピークの半値幅とＴ´相の含有量の関係を示す図である。
【図１０】本発明に係る第二実施形態におけるラマンピークの強度比とＴ´相の含有量の関係を示す図である。
【図１１】本発明に係る第二実施形態におけるＴＢＣ表面温度推定方法のフローチャートである。
【図１２】本発明に係る第三実施形態におけるラマンピーク位置とＬＭＰ値の関係を示す図である。
【図１３】本発明に係る第三実施形態におけるラマンピークの半値幅とＬＭＰ値の関係を示す図である。
【図１４】本発明に係る第三実施形態におけるラマンピークの強度比とＬＭＰ値の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態による制御システムを図１〜図６を参照して説明する。
図１は、本発明に係る第一実施形態における高温部材の概略図である。
図２は、本発明に係る第一実施形態における高温部材のトップコート層の結晶構造の変化を説明する図である。
ガスタービンの動静翼、分割環、燃焼器などの高温に曝される高温部材には、母材となる耐熱合金層の表面に、遮熱性及び耐久性を向上させる目的で、熱伝導率の低い溶射材（例えば、熱伝導率の低いセラミックス系材料）を溶射して遮熱コーティング（ＴＢＣ）が施されている。図１において、符号１は、タービン翼を示している。タービン翼１は、高温部材１０で構成されている。高温部材１０は、耐熱合金製の母材１１と、遮熱コーティング（ＴＢＣ）層１２から形成される。さらに、遮熱コーティング層１２は、母材１１との密着性および耐酸化性を向上するための金属製のボンドコート層１３と、遮熱性を向上するセラミックス製のトップコート層１４とから形成される。図２は、トップコート層の一例としてＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）を用いた場合の、トップコート層のＹＳＺの結晶構造が、ガスタービンの運転時間と共に変化している様子を示したものである。
【００１７】
溶射されたＹＳＺは、ほぼ１００％が急冷されることにより生成したＴ´相（準安定正方相）といわれる強靭な結晶である。従って、ガスタービンの運転開始時におけるＹＳＺは、ほぼ全てがＴ´相で占められている。Ｔ´相は、比較的安定であるが、１２００℃を超える高温に曝されると、徐々にＴ相（正方相）とＣ相（立方相）とに分解される。従って、ガスタービンの運転期間中では、Ｔ´相がＴ相とＣ相に分解される現象が生じ、高温部材１０の表面に形成されたトップコート層１４のＹＳＺには、Ｔ´相、Ｔ相、Ｃ相が混在する状態となる。また、Ｔ相は高温では安定であるが、約６００℃以下に冷却するとＭ相（単斜相）とＣ相に分解される。従って、ガスタービンの運転期間が終了し、運転を停止する際には、ＹＳＺが徐々に冷却されるため、Ｔ相が分解し、運転停止時のＹＳＺには、Ｔ´相、Ｔ相、Ｍ相、Ｃ相が混在する状態となる。なお、このときの冷却速度が、Ｔ相のＭ相とＣ相への分解に影響を及ぼすことがわかっている。タービン翼１のトップコート層１４の表面温度は、例えばタービン翼１の冷却方法などにも関係する為、ガスタービンの設計上、非常に有益な情報であり、なるべく正確な温度を得ることが重要である。例えば、Ｔ相やＭ相の含有量によってＴＢＣの表面温度を推定する場合、それらの含有量は、タービンの冷却速度によって影響されるため、高温時における正確な温度が推定できない可能性がある。一方、Ｔ´相の含有量（残量）に基づいてガスタービンの運転時におけるトップコート層１４の表面温度が推定できるならば、Ｔ´相の含有量は、例えばタービンの冷却速度などに影響されない為、より正確にＴＢＣの表面温度を推定することができることになる。本実施形態では、Ｔ´相の含有量に基づく加熱時のトップコート層１４の表面温度の推定方法を提供する。なお、以下においてトップコート層１４の表面温度をＴＢＣ表面温度と記載する。
【００１８】
図３は、本発明に係る第一実施形態におけるＴ´相の含有量と加熱時間とＴＢＣ表面温度との関係式の導出を説明する第一の図である。
図３は、トップコート層１４に含まれるＴ´相の含有量を同定するためのベースデータの作成を説明する図である。上述のとおり、本実施形態では、トップコート層１４に含まれるＴ´相の含有量に基づいてＴＢＣ表面温度を推定する。従って、測定対象となるＴＢＣのＴ´相の含有量を正確に知ることが重要である。その為、本実施形態では、さまざまな温度に、さまざまな時間だけ曝したトップコート層１４の試験片をサンプルとして、ベースデータを作成する。まず、実機と同じ組成を有するトップコート層１４の試験片を所定時間、所定温度に加熱する加熱処理を行う。所定温度とは、例えば、１１００℃、１２００℃、１３００℃、１４００℃である。所定時間とは、例えば、１００時間、１０００時間、１００００時間などである。次に、これら様々な条件で加熱処理を行った試験片のそれぞれに対してＸ線回折法による測定を行い、回折結果［測定ＸＲＤ（X-ray diffraction）プロファイル］を蓄積する。ここで、Ｘ線回折法による測定結果によって試験片に含まれるＴ´相、Ｔ相、Ｍ相、Ｃ相を同定できればよいが、Ｔ´相、Ｔ相、Ｃ相については、格子定数が近く、測定結果のピークが重なり、Ｔ´相、Ｔ相、Ｃ相を同定することが難しい。そこで、リートベルト解析によって、試験片のＴ´相、Ｔ相、Ｃ相を同定する。
【００１９】
リートベルト解析では、各試験片の測定ＸＲＤプロファイルと、予め作成された理論ＸＲＤプロファイルとを、例えば非線形最小二乗法によるフルパターンフィッティング等により解析し、もっとも正確にフィットする理論ＸＲＤプロファイルを得る。理論ＸＲＤプロファイルとは、さまざまなＴ´相、Ｔ相、Ｃ相の含有量のパターンを想定して、パターンごとにシミュレーション等によって生成されたＸ線回折法による回折結果の理論値である。リートベルト解析の結果、フィットする理論ＸＲＤプロファイルが決定すると、その試験片のＴ´相、Ｔ相、Ｃ相の含有量を、決定した理論ＸＲＤプロファイルについて想定したＴ´相、Ｔ相、Ｃ相の含有量に決定する。
【００２０】
次に実際の試験片を用いて上記の実験を行った結果を図４〜図６を用いて説明する。
図４〜図６は、本発明に係る第一実施形態におけるＴ´相の含有量と加熱時間とＴＢＣ表面温度との関係式の導出を説明する第二〜第四の図である。
図４は、本発明に係る第一実施形態におけるＴ´相の分解量と加熱処理時間との関係を示している。
図４の縦軸（１−αＴ´−ＹＳＺ）は、試験片に含まれるＴ´相の分解量を示している。横軸は、試験片を加熱処理した時間（ｔ）を１／４乗した値である。また、ひし型の点は、１１００℃で加熱処理を行った試験片のデータを示し、同様に四角の点は１２００℃、三角の点は１３００℃、丸の点は１４００℃でそれぞれ加熱処理を行った試験片のデータを示している。図４が示すように、１１００〜１４００℃の各温度において，熱処理に伴うＴ´相の分解量（減少量）と加熱処理時間（ｔ）を１／４乗した値は直線関係にあることがわかった。各温度において、直線の傾きをｋとすると、Ｔ´相の分解量と加熱処理時間（ｔ）の１／４乗は、次式で表すことができる。
【００２１】
【数１】
0005968401.tif 000002
【００２２】
図５は、加熱温度（Ｔ）と上述の式（１）の傾きｋの値を表にまとめたものである。図５の表には、左から順に、Ｔ、１／Ｔ、ｋ、ｌｎｋが記載されている。なお、１／Ｔは、Ｔの絶対温度（単位：Ｋ）の逆数である。ｌｎｋは、ｌｏｇｅｋである。図５の表の１／Ｔとｌｎｋをプロット（アレニウスプロット）すると次の図６が得られる。図６が示すようにｌｎｋと１／Ｔとの間には直線関係が得られる。式（１）をアレニウスの式により整理すると、次式（２）が得られる。
【００２３】
【数２】
0005968401.tif 000003
【００２４】
また、図６により１／Ｔとｌｎｋの関係を満足する直線の式を求めると次式（３）が求められる。
ｙ＝−８６９２．７ｘ＋３．９１２６      ・・・（３）
さらに、切片のｌｎｋ０＝３．９１２６、傾きの-Ｑ／Ｒ＝−８６９２．７（Ｒは気体定数：８．３１Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ））から、ｋ０＝５０．０、Ｑ＝７．２×１０５J／ｍｏｌを求めることができる。この値を式（２）に代入すると次式（４）を得る。
【００２５】
【数３】
0005968401.tif 000004
【００２６】
ここで、実機のＴＢＣ表面温度を推定することを考えると、加熱時間（＝ガスタービンの運転時間）ｔ及び気体定数Ｒは既知であるから、Ｔ´相の含有量（αＴ´−ＹＳＺ）が得られれば、式（４）により、加熱温度（Ｔ）を算出することができる。加熱温度（Ｔ）は、トップコート層の試験片を例えば炉に装入したときの炉の温度であるから、実機におけるＴＢＣ表面温度とみなすことができる。つまり、実機のトップコート層１４に含まれるＴ´相の含有量が得られれば、式（４）により、ＴＢＣ表面温度を得ることができる。
【００２７】
以上が、本実施形態の準備段階における処理である。つまりこの準備段階において、図３を用いて説明した様々な条件で加熱処理を行った試験片それぞれの測定ＸＲＤプロファイルと加熱処理後の試験片それぞれについてのＴ´相、Ｔ相、Ｃ相の含有量（特にＴ´相の含有量）とを対応付けたデータと、図４〜図６を用いて説明したＴ´相の含有量と加熱時間とＴＢＣ表面温度との関係式［式（４）］を得る。
【００２８】
次に、実機の高温部材１０のＴＢＣ表面温度の推定方法を、図７を用いて説明する。
図７は、本発明に係る第一実施形態におけるＴＢＣ表面温度推定方法のフローチャートである。
ステップＳ１１〜Ｓ１３までは、準備段階の処理である。これらの処理については上述のとおりであるので簡単に説明する。まず、トップコート層１４の試験片を複数用意し、それぞれの試験片について所定の温度で所定時間だけ加熱処理を行った試験片を作成する（ステップＳ１１）。次に、各試験片についてＸ線回折法による測定を行い、回折結果の回折パターンからＴ´相、Ｔ相、Ｃ相、Ｍ相を同定し、各相の含有量を求める。但し、Ｔ´相、Ｔ相、Ｃ相については、Ｘ線回折法による同定が難しいので、様々なＴ´相、Ｔ相、Ｃ相の含有量のパターンに対する理論的な回折結果（理論ＸＲＤプロファイル）を用いたリートベルト解析によって各相の含有量を求める（ステップＳ１２）。次に、図３〜図６を用いて説明した手順でＴ´相の含有量と加熱時間と加熱時におけるＴＢＣ表面温度との関係式を導出する（ステップＳ１３）。
【００２９】
次に実機のＴＢＣ表面温度の推定を行う。まず、運転後のガスタービンから測定対象とするＴＢＣ（トップコート層）を入手する。入手した測定対象ＴＢＣに対して、ステップＳ１２と同様にＸ線回折及びリートベルト解析を行う。リートベルト解析において、測定対象ＴＢＣのＸ線回折法による測定結果とフィッティングする対象は、Ｔ´相、Ｔ相、Ｃ相の含有量が分かっているものであれば、ステップＳ１２で解析した試験片のＸ線回折法による回折結果でもよいし、理論ＸＲＤプロファイルでもよい。これにより、測定対象ＴＢＣにおけるＴ´相の含有量を求める（ステップＳ１４）。
次にステップＳ１３で算出したＴ´相の含有量と加熱時間とＴＢＣ表面温度の関係式［例えば、式（４）］にステップＳ１４で求めたＴ´相の含有量とガスタービンの運転時間とを代入する。ガスタービンの運転時間は、既知であるとする。代入した式をＴＢＣ表面温度（Ｔ）について解き、ＴＢＣ表面温度を算出する（ステップＳ１５）。算出した値が本実施形態によるガスタービン運転時（加熱時）におけるトップコート層１４の表面温度の推定値である。
【００３０】
本実施形態では、Ｘ線回折法とリートベルト解析によってトップコート層１４のＴ´相の含有量を正確に求めることができる。また、Ｔ´相が高温環境において拡散現象に支配され安定なＴ相に分解されること、そのときの分解速度が温度に応じて変わること、またそれぞれの温度におけるＴ´相の減少量とＴＢＣの加熱時間の１／４が線形関係にある（図４）ことと、アレニウスの式［ｋ＝Ａ×ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）、Ａ：定数、Ｑ:活性化エネルギー、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度］から、Ｔ´相の含有量と加熱時間とＴＢＣ表面温度の関係式［例えば、式（４）］を求めることができる。これにより、Ｔ´相の含有量のみに基づいてＴＢＣ層温度を推定する事ができる。従って、例えば、ガスタービンの冷却速度等による影響を受けることなく、より精度の高い表面温度を推定することができる。
【００３１】
＜第二実施形態＞
以下、本発明の第二実施形態による温度推定方法を図８〜図１１を参照して説明する。
第二実施形態では、測定対象とするＴＢＣのＴ´相の含有量を算出するにあたって、ラマン分光法による測定を行う。本実施形態では、まず、第一実施形態と同様に、様々な条件で加熱処理を行った実機と同じ組成を有する試験片に対してＸ線回折法及びリートベルト解析を行い、それぞれの試験片におけるＴ´相の含有量を求める。次にＴ´相の含有量がわかった各試験片に対してラマン分光法による測定を行う。そして、ラマン分光法の測定結果とＴ´相の含有量を対応付けて記録する。
次に実際の試験片を用いて上記のラマン分光法による測定を行った結果を図８〜図１１を用いて説明する。
【００３２】
図８は、本発明に係る第二実施形態におけるラマンピークの位置とＴ´相の含有量の関係を示す図である。
図８の縦軸は、ラマンピークの位置であり、横軸はＴ´相の含有量である。１４４ｃｍ−１、２５２ｃｍ−１、２５８ｃｍ−１、４６３ｃｍ−１付近に位置するラマンピークに着目し、これらの近傍のラマンピーク位置とＴ´相含有量の関係を整理すると図８が示すような直線関係が得られた。
【００３３】
図９は、本発明に係る第二実施形態におけるラマンピークの半値幅とＴ´相の含有量の関係を示す図である。
図９の縦軸は、ラマンピークの半値幅であり、横軸はＴ´相の含有量である。図８と同様に１４４ｃｍ−１、２５２ｃｍ−１、２５８ｃｍ−１、４６３ｃｍ−１付近のラマンピークに着目し、これらの近傍のラマンピークの半値幅とＴ´相含有量の関係を整理すると図９が示すような直線関係が得られた。
【００３４】
図１０は、本発明に係る第二実施形態におけるラマンピークの強度比とＴ´相の含有量の関係を示す図である。
図１０の縦軸は、ラマンピークの強度比であり、横軸はＴ´相の含有量である。１４４ｃｍ−１のピーク強度と４６３ｃｍ−１のピーク強度の比（１４４ｃｍ−１のピーク強度÷４６３ｃｍ−１のピーク強度）、１４４ｃｍ−１のピーク強度と６３５ｃｍ−１のピーク強度の比（１４４ｃｍ−１のピーク強度÷６５３ｃｍ−１のピーク強度）、４６３ｃｍ−１のピーク強度と６３５ｃｍ−１のピーク強度の比（４６３ｃｍ−１のピーク強度÷６３５ｃｍ−１のピーク強度）に着目し、これらのピーク強度比とＴ´相含有量の関係を整理すると図１０が示すような直線関係が得られた。
【００３５】
本実施形態では、第一実施形態と同様のＸ線回折法及びリートベルト解析によってＴ´相の含有量がわかっている試験片に対してラマン分光法による測定を行い、測定結果のスペクトルの特徴量（ピーク位置、半値幅、ピーク強度比）を抽出し、抽出した特徴量とＴ´相の含有量との相関関係（例えば、図８〜図１０）を得る。また、第一実施形態と同様に、Ｔ´相の含有量と加熱時間とＴＢＣ表面温度との関係式［式（４）］とを得る。
【００３６】
次に、本実施形態における実機の高温部材のＴＢＣ表面温度を推定する方法を、図１１を用いて説明する。
図１１は、本発明に係る第二実施形態におけるＴＢＣ表面温度推定方法のフローチャートである。
ステップＳ１１〜Ｓ１３までは、準備段階の処理である。これらの処理については第一実施形態と同様である。つまり、様々な条件で加熱処理を行った試験片を作成し（ステップＳ１１）、各試験片についてＸ線回折法及びリートベルト解析によってＴ´層などの含有量を求める（ステップＳ１２）。次に、Ｔ´相の含有量と加熱時間と加熱時におけるＴＢＣ表面温度との関係式を導出する（ステップＳ１３）。
【００３７】
本実施形態では、次に各試験片についてラマン分光測定を行う。ラマン分光法によって得られた測定結果の所定のラマンピークに着目し、ラマンピーク位置、ラマンピークの半値幅、ラマンピーク強度比、のそれぞれとステップＳ１２で求めたＴ´相の含有量との相関関係を整理して、ラマンピーク位置とＴ´相含有量の関係式（例えば図８）、ラマンピークの半値幅とＴ´相含有量の関係式（例えば図９）、ラマンピーク強度比とＴ´相含有量の関係式（例えば図１０）、のうち少なくとも一つを、着目したラマンピークごとに算出する（ステップＳ１６）。以上が本実施形態における準備段階である。
【００３８】
次に実機の高温部材１０のＴＢＣ表面温度の推定を行う。まず、運転後のガスタービンから測定対象とするＴＢＣ（トップコート層）を入手する。入手した測定対象ＴＢＣに対して、ラマン分光法による測定を行う。そして、測定結果から、測定対象ＴＢＣについて、ラマンピーク位置、ラマンピーク半値幅、ピーク強度比のうち少なくとも一つを得る（ステップＳ１７）。
次に、ステップＳ１７で求めたラマンピーク位置、ラマンピーク半値幅、ピーク強度比をステップＳ１６で算出した対応する関係式に代入し、測定対象ＴＢＣに含まれるＴ´相の含有量を算出する（ステップＳ１８）。次に、ステップＳ１３で求めたＴ´相の含有量と加熱時間とＴＢＣ表面温度との関係式［例えば、式（４）］にステップＳ１８で算出したＴ´相の含有量と既知であるガスタービンの運転時間を代入する。代入した式をＴＢＣ表面温度（Ｔ）について解き、ＴＢＣ表面温度を算出する（ステップＳ１５）。算出した値が本実施形態による加熱時のＴＢＣ表面温度の推定値である。
【００３９】
第一実施形態では、実機のトップコート層１４に含まれるＴ´相の含有量を求めるためにリートベルト解析を行った。一般にリートベルト解析には、手間や時間がかかることが多い。一方、本実施形態では、Ｘ線回折法及びリートベルト解析の代わりに誰でも比較的容易に行うことができるラマン分光測定を用いることによって実機のトップコート層１４に含まれるＴ´相の含有量を求める。従って、準備段階まで完了していれば、比較的容易にＴ´相の含有量を得ることができる。また、Ｔ´相の含有量が得られれば、第一実施形態と同様にＴＢＣ表面温度を算出することができる。従って本実施形態によれば、第一実施形態の効果に加え、人のスキルによらず、より簡便にＴＢＣの表面温度を推定する事ができる。
【００４０】
なお、ラマン分光は試験体の形状に制限がなく、携帯型ラマン分析装置も提供されており、例えば実機に装着のまま、タービン翼に対してラマン分光測定が可能である。
【００４１】
＜第三実施形態＞
その他、次のような方法でもＴＢＣ表面温度を推定することができる。第三実施形態の表面温度の推定方法を図１２〜図１４を用いて説明する。
まず、第一実施例と同様にトップコート層１４の試験片に対して様々な条件で加熱処理を行う。次に加熱処理後の試験片に対して、ラマン分光法による測定を行う。次に、測定して得られたラマンスペクトルを、ガウス関数、ローレンツ関数によりフィッティングし、ラマンピークの位置、半値幅、ピーク強度を得る。次にラマンピークの位置、半値幅、強度のそれぞれと、加熱処理時間と、加熱温度をラーソンミラーパラメータ（ＬＭＰ＝Ｔ［５＋ｌｎ（ｔ）］）で整理する。
図１２〜図１４は、実際の試験片を用いてラマン分光法による測定値をＬＭＰで整理した結果の一例である（Ｔ：加熱温度、ｔ：加熱処理時間）。
【００４２】
図１２は、第三実施形態におけるラマンピーク位置とＬＭＰ値の関係を示す図である。
図１２の縦軸は、ラマンピーク位置であり、横軸はＬＭＰ値（＝Ｔ［５＋ｌｎ（ｔ）］）である。２５２ｃｍ−１、２５８ｃｍ−１、４６３ｃｍ−１、６３５ｃｍ−１付近に位置するラマンピークに着目し、これらの近傍のラマンピークとＬＭＰ値の関係を整理すると図１２が示すような直線関係が得られた。
【００４３】
図１３は、第三実施形態におけるラマンピークの半値幅とＬＭＰ値の関係を示す図である。
図１３の縦軸は、ラマンピークの半値幅であり、横軸はＬＭＰ値である。１４４ｃｍ−１、２５８ｃｍ−１、３２１ｃｍ−１、４６３ｃｍ−１付近に位置するラマンピークに着目し、これらの近傍のラマンピークの半値幅とＬＭＰ値の関係を整理すると図１３が示すような直線関係が得られた。
【００４４】
図１４は、第三実施形態におけるラマンピークの強度比とＬＭＰ値の関係を示す図である。
図１４の縦軸は、ラマンピークの強度比であり、横軸はＬＭＰ値である。１４４ｃｍ−１のピーク強度と４６３ｃｍ−１のピーク強度の比、１４４ｃｍ−１のピーク強度と６３５ｃｍ−１のピーク強度の比、４６３ｃｍ−１のピーク強度と６３５ｃｍ−１のピーク強度の比に着目し、これらのピーク強度比とＬＭＰ値の関係を整理すると図１４が示すような直線関係が得られた。
これら試験片を用いてラマン分光法による測定を行った結果とＬＭＰ値との関係を記録する。以上が準備段階の処理である。
【００４５】
次に、実機のＴＢＣ表面温度を推定する。まず、第一〜二実施形態と同様に、測定対象とするＴＢＣを入手し、その測定対象ＴＢＣに対して、ラマン分光法による測定を行う。そして、測定結果から、測定対象ＴＢＣについてのラマンピーク位置、ラマンピーク半値幅、ピーク強度比のうち少なくとも一つを得る。次に、ラマンピーク位置を得た場合であれば、図１２で例示した関係性から測定対象ＴＢＣのＬＭＰ値を得る。同様にラマンピーク半値幅を得た場合は、図１３で例示した関係性から測定対象ＴＢＣのＬＭＰ値を得る。また、ピーク強度比を得た場合は、図１４で例示した関係性から測定対象ＴＢＣのＬＭＰ値を得る。次に以下の式にガスタービンの運転時間（ｔ）を代入する。
Ｔ×［５＋ｌｎ（ｔ）］＝  図１２〜図１４に基づいて得たＬＭＰ値  ・・・（５）
式（５）を、Ｔについて解くと、第三実施形態によるＴＢＣ表面温度を求めることができる。
【００４６】
ところで、Ｔ´相の含有量は熱サイクル耐久性と高い相関関係があることが知られている（Ｒ．Ａ．Ｍｉｌｌｅｒ.ｅｔ ａｌ．，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，６２（１２），１３５５，１９８３）。この性質と、第一〜三実施形態のＴ´相の含有量の測定方法を利用すると高温部材１０の劣化判定を行うことができる。
例えば、実機と同じ母材の上に、実機と同じＴＢＣを形成した耐熱試験用の試験片を用意し、この試験片に実機のタービン部材と同様の熱負荷を与えて、試験片の劣化度を調べる。例えば、特許第４３８８４６６号公報には、試験片のＴＢＣ側をレーザ光によって加熱し、試験片の裏側（ＴＢＣが施された側と反対側）の母材を冷却ガスで冷却するレーザ式熱サイクル試験装置によって、試験片に所定の熱負荷を繰り返し与え、ＴＢＣの剥離が生じた時点での繰り返し回数を熱サイクル寿命として評価する方法が記載されている。この方法を利用して、例えば、耐熱試験用の試験片に、ＴＢＣの剥離が生じるまで繰り返し熱負荷を与える。このとき、所定回数ごとに、第一実施形態と同様に、この試験片に対してＸ線回折法及びリートベルト解析を行って試験片のＴＢＣに含まれるＴ´相の含有量求める。あるいは、第二実施形態と同様にして、この試験片のＴＢＣに対するラマン分光法の測定結果とステップＳ１６で得た関係式とを用いて、試験片のＴＢＣに含まれるＴ´相の含有量を求める。また、ＴＢＣの剥離が生じたときの繰り返し回数から、繰り返し回数と劣化度との関係を定義し（例えば、１００回でＴＢＣが剥離したとすると、５０回では劣化度５０％とするなど）、そして、Ｔ´相の含有量と劣化度との対応関係を記録する。
次に、実機から測定対象とするＴＢＣを入手し、第一実施形態又は第二実施形態と同様の方法で、測定対象ＴＢＣのＴ´相の含有量を算出する。すると、予め耐熱試験用の試験片を用いて作成したＴ´相の含有量と劣化度との対応関係に基づいて、実機のタービン部材の劣化度合いを判定することができる。
【００４７】
なお、第一〜三実施形態では、トップコート層１４の材料としてＹＳＺを例に説明を行ったがこれに限定されない。他にもジルコニア（ＺｒＯ２）を部分安定化することができる酸化物（ＭｇＯ、ＣａＯなどのアルカリや、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３などの軽希土や、Ｌａ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｐｍ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３などの重希土）を１種類、または２種類以上含む安定化ジルコニア（例えばＹｂＳＺなど）であってもよい。
【００４８】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。なお、トップコート層１４の試験片は、試験用部材の一例である。測定対象ＴＢＣは、測定用部材の一例である。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・タービン翼
１０・・・高温部材
１１・・・母材
１２・・・遮熱コーティング層
１３・・・ボンドコート層
１４・・・トップコート層
【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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