(57)【要約】【課題】表面改質手段により基材表面に皮膜を形成し、または基材表面の特性を改質した表面改質部材の、表面改質工程における残留応力および変形を簡易に算定し、精度良く評価することが可能な表面改質部材の残留応力および変形の評価方法を提供する。【解決手段】表面改質手段により基材の表面を処理して表面特性を改質した表面改質部材の残留応力および変形の評価方法において、評価しようとする実使用機器と同一の材料を同一の条件で表面改質して作製したサンプル材に生じた残留応力または変位あるいはその両方の情報から固有ひずみを予め算定し、この固有ひずみの値を実使用機器を模した弾性解析モデルに入力して表面改質施工時に実使用機器の部材に生じる残留応力および変形を算出することを特徴とする表面改質部材の残留応力および変形の評価方法。【選択図】  図３
2006162400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面改質手段により基材の表面を処理して表面特性を改質した表面改質部材の残留応力および変形の評価方法において、評価しようとする実使用機器と同一の材料を同一の条件で表面改質して作製したサンプル材に生じた残留応力または変位あるいはその両方の情報から固有ひずみを予め算定し、この固有ひずみの値を実使用機器を模した弾性解析モデルに入力して表面改質施工時に実使用機器の部材に生じる残留応力および変形を算出することを特徴とする表面改質部材の残留応力および変形の評価方法。
【請求項２】
前記固有ひずみの値と、基材および皮膜材料の機械的性質をデータベースに収納し、このデータベースから必要な情報を取り出して前記弾性解析モデルに入力して残留応力および変形を算出することを特徴とする請求項１記載の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法。
【請求項３】
前記表面改質手段が、肉盛溶接、溶射、ＰＶＤ（物理蒸着法）、ＣＶＤ（化学蒸着法）、はけ塗り・焼き付け法から選択されるいずれか一つまたはこれらの表面改質手段を組み合わせた皮膜形成方法であることを特徴とする請求項１記載の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法。
【請求項４】
前記表面改質手段が、フレームハード処理やショットピーニングやブラスト処理を行って基材表面の組織と機械的特性を改質させる表面改質方法であることを特徴とする請求項１記載の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法。
【請求項５】
前記表面改質手段が、炭化処理、窒化処理、アルミナイズ処理やクロマイズ処理から選択される、元素を拡散浸透させることにより基材表面の組織と機械的特性を変質させる表面改質方法であることを特徴とする請求項１記載の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法。
【請求項６】
前記固有ひずみの値を前記弾性解析モデルに入力する際に、前記固有ひずみの値の異方性を考慮したことを特徴とする請求項１記載の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法。
【請求項７】
前記固有ひずみの値を前記弾性解析モデルに入力する際に、前記固有ひずみ値の板厚方向分布を考慮したことを特徴とする請求項１記載の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面改質部材の残留応力および変形の評価方法に係り、特に、実使用機器の残留応力および変形を簡単に精度良く算定することが可能な表面改質部材の残留応力および変形の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン等の機器材料として、主に金属製の基材の表面に表面特性を向上させるための表面改質手段を講じた表面改質部材が使用される。こうした表面改質部材は、例えば物理蒸着法や化学蒸着法または溶射等の手段により基材の表面に皮膜を形成する方法や、または、ショットピーニングやブラスト処理等の表面処理により基材表面を改質して特性を向上する等の技術があるが、この表面改質工程においては、部材に残留応力が付与される。この表面改質工程における残留応力および変形を評価する方法として、有限要素法による解析的検討が一般に行われている。
【０００３】
残留応力や変形を評価する方法としては、次のような技術がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−１８０２７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発電用ガスタービンを始めとしたエネルギー機器においては、作動温度の高温化が発電効率の向上に直接つながることから、高温化を目指した研究が継続的に進められている。この作動温度の高温化に伴い、特に酸化性や腐食性の強い環境下で運転される高温機器を構成する耐熱材料について、耐環境性コーティングは必須技術となっている。
【０００５】
しかしながら、ガスタービンのような機器に使用される部位において、その基材については、材料の物性を考慮した厳密な強度設計が行なわれているが、基材表面に施工された表面改質部分やコーティングされた皮膜に関しては、現在のところ必ずしも十分な設計検討がなされておらず、また、その設計手法についても、いまだ十分な手法が確立されていないのが現状である。そのため、タービン実機の設計において基材と皮膜との密着性等の重要な指標に対しての検討は、これまでのタービン製作時の運用データによる経験則に頼っていた。
【０００６】
特に、表面改質部材の特性を評価する場合においては、基材と皮膜との整合性、すなわち熱応力に対する追従性を十分考慮した設計が、皮膜の割れや剥離を防止する上で重要であるが、一般に皮膜のコーティングプロセス自体が複雑であり、また成膜プロセスの種類も多岐にわたることから、皮膜と基材とを一体的に評価可能な、また十分に正確で信頼性の高い評価および検討が行なわれていなかった。
【０００７】
本発明は、上記実情を考慮してなされたもので、表面改質手段により基材表面に皮膜を形成し、または基材表面の特性を改質した表面改質部材の、表面改質工程における残留応力および変形を簡易に算定し、精度良く評価することが可能な表面改質部材の残留応力および変形の評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法は、請求項１に記載したように、表面改質手段により基材の表面を処理して表面特性を改質した表面改質部材の残留応力および変形の評価方法において、評価しようとする実使用機器と同一の材料を同一の条件で表面改質して作製したサンプル材に生じた残留応力または変位あるいはその両方の情報から固有ひずみを予め算定し、この固有ひずみの値を実使用機器を模した弾性解析モデルに入力して表面改質施工時に実使用機器の部材に生じる残留応力および変形を算出することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明のように、本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法によれば、予めサンプル材により算定した固有ひずみの値を弾性解析モデルに入力する方法により、表面改質手段の施工時に実使用機器の部材に生じる残留応力および変形を簡易に、また精度よく算出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法は、表面改質施工時に部材に生じる残留応力および変形を、表面改質層に誘起される固有ひずみの値を弾性解析モデルに入力することにより簡易に、また正確に算定することを特徴とした表面改質部材の残留応力および変形の評価方法を提供するものである。
【００１１】
すなわち、基材および皮膜の材料の物性や、試験片（サンプル材）の特性試験のデータよりデータベースを作成し、これを弾性解析モデルに入力することにより、より実機の使用状態に近似した状態のモデルの解析結果より残留応力および変形を算出することが可能となる。
【００１２】
以下、本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法の、好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１に表面改質部材の皮膜形成方法の一例を示す。
【００１４】
例えば、図１に示すような溶射法による成膜工程は、溶融した粉末粒子１が高速で飛行し、基材２の表面に衝突して広がり、急冷凝固されることにより溶射皮膜１が積層形成されて部材４が作製される。通常、皮膜温度の方が基材温度に比べて高いので、冷却過程において皮膜と基材との温度差と熱膨張差によって残留応力が生じるものと考えられる。この残留応力の発生原因である皮膜の収縮ひずみが固有ひずみ５である。この固有ひずみ５が生じることにより、図２に示すように部材４に変形７が生じる。
【００１５】
本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法においては、この固有ひずみ５を弾性解析モデルに入力することにより弾性解析で簡便にコーティング施工時の残留応力および変形を算定することが可能となる。
【００１６】
具体的には、本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法は、図３に示すような評価方法である。
【００１７】
まず、基材および皮膜についての材料物性や、成膜法ごとの成膜条件や表面改質処理における特性データを採取し、これらを既知データとして固有ひずみ５の値を算定し、データベース８を作製する。一方、図３に示すような実使用機器の全体または一部を模した弾性解析モデル１０を作成する。この弾性解析モデル１０に、上記データベース８に系統的に収納された固有ひずみ５等のデータを入力する。
【００１８】
次に、この弾性解析モデル１０に温度条件や物質名を入力して解析を実行すると、データベース８に収納されたデータが参照され、実使用機器の残留応力と変形とが算定データ１１として出力される。
【００１９】
従って、材料の物性およびサンプル材より算定した既知の残留応力および変形を収納したデータベース８を使用することにより、より実機の使用状態に近似した条件での解析が可能となり、実機の残留応力および変形を精度よく検討評価することが可能となる。
【００２０】
従来のタービン等の高温条件で使用される機器において、実使用機器の使用時における残留応力及び変形の正確な検討は困難であり、特に表面改質部材の使用条件における評価は、これまでの運用データに基づく経験則に頼っており、正確さや信頼性の面において改善の必要があった。
【００２１】
しかしながら、本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法によれば、これまで経験則に則した評価方法を改善し、正確で定量的な評価が実現するため、短時間で正確な信頼性の高い残留応力および変形の評価が可能である。
【００２２】
一方、本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法は、以下のような表面改質手段に適用可能である。
【００２３】
すなわち、各種の溶接用熱源を用いて被加工材の表面に耐食性・耐磨耗性・耐熱性の金属を溶着する肉盛溶接や、被覆しようとする材料の粉末または線材を溶融またはそれに近い状態にして被加工材の表面に吹き付けて表面被覆を作成する溶射法等の表面改質手段に適用可能である。
【００２４】
また、本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法において、表面改質手段を真空容器の中で電子ビームまたはアークなどを熱源として蒸着材を加熱して蒸発した粒子を基板上に堆積させて薄膜を生成する方法等のＰＶＤ（物理蒸着法）や、蒸着させようとする金属またはその化合物を蒸発室の中で加熱気化させてこれを化学反応に必要なガスとともに反応室に導いて基板の上で化学反応させて基板に蒸着させるＣＶＤ（化学蒸着法）としても良いし、さらに、はけ塗りや、焼き付け法、あるいは上記したプロセスを組み合せた表面改質法としても良い。
【００２５】
本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法によれば、これら表面改質手段による表面改質時の残留応力および変形の評価を簡便にまた正確に実行することが可能となる。
【００２６】
また、本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法は、基材の表面に皮膜を形成するタイプの表面改質に限定されない。
【００２７】
すなわち、本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法は、基材表面への皮膜形成、あるいはショットブラスト等の皮膜形成以外の表面改質手段についても、これらの表面改質手段に固有の残留応力および変形の挙動をデータベース化して保有し、これらに固有の固有ひずみの値を算出して弾性解析モデルを解析するため、表面改質手段の種類によらず、高精度な残留応力および変形の評価が可能である。
【００２８】
例えば、適用可能な表面改質手段として、フレームハード処理やショットピーニングやブラスト処理のように、鋼粒を基材表面に噴射したり、あるいは研磨材製のショットを空圧または遠心力により圧力をかけて基材表面に噴射して基材表面の組織と機械的特性を変質させる表面改質手段がある。すなわち上記した各表面改質手段の施工時における表面改質時の残留応力および変形を正確に評価することが可能となる。
【００２９】
また、本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法は、表面改質のプロセスとして、基材に炭素・窒素などの非金属元素やアルミニウム・クロム・亜鉛・シリコンなどの金属元素を拡散浸透させ、機能性をもった表面改質層を作る表面改質手段にも適用することが可能である。
【００３０】
さらに、本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法は、各種の表面改質プロセスにおける固有ひずみの値と、基材の機械的性質をデータベース化して利用することにより、実機の使用条件に則した評価がさらに容易となり、実際の使用条件における機器の表面改質材の残留応力および変形の正確な評価が実現する。
【００３１】
また、本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法は、固有ひずみを弾性解析モデルに入力するにあたり、弾性解析モデルを３次元モデルとして検討する場合において、固有ひずみ値の異方性を考慮することが可能であり、表面改質施工時の残留応力および変形を、さらに精度よく算定し、正確に評価することが可能となる。
【００３２】
また、本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法は、固有ひずみを弾性解析モデルに入力するにあたり、固有ひずみ値の板厚方向分布を考慮することにより、より高精度な評価方法とすることも可能である。表面改質施工時の残留応力・変形における固有ひずみ分布は板厚方向に分布する場合があり、その影響を評価するため、板厚方向への固有ひずみの分布を考慮して、表面改質施工時の残留応力および変形をさらに正確に評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】基材表面への皮膜形成方法の一例を示す構成図。
【図２】固有ひずみと部材の変形の関係を示す模式図。
【図３】本発明の表面改質部材の残留応力および変形の評価方法の構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００３４】
１  粉末粒子
２  基材
３  皮膜
４  表面改質部材
５  固有ひずみ
７  変形
８  データベース
１０  弾性解析モデル
１１  算定データ
【図１】
2006162400.tif 000003
【図２】
2006162400.tif 000004
【図３】
2006162400.tif 000005