(57)【要約】【課題】部品寿命管理に用いるための、単結晶材料や一方向凝固材料からなる部品の結晶方位計測を、簡便、迅速かつ安全に行なえる結晶方位測定装置および結晶方位測定方法を提供することを目的とする。【解決手段】動翼２０の主たる凝固方向に垂直な方向に進行する縦波および／または横波の超音波を発生させて動翼２０に入射し、反射波または透過波を検出する超音波発生・検出手段３０と、超音波発生・検出手段３０によって超音波が入射されてから超音波発生・検出手段３０によって反射波または透過波が検出されるまでの時間を計測する時間計測手段４０と、時間計測手段４０で計測された時間と超音波の伝播距離から動翼２０内における音速を算出する音速算出手段５０と、音速算出手段５０によって算出された音速に基づいて、動翼２０の結晶方位を決定する結晶方位決定手段６０とを具備する。【選択図】図１
2008058244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測装置であって、
前記部品の主たる凝固方向に垂直な方向に進行する縦波および／または横波の超音波を発生させて前記部品に入射する超音波発生手段と、
前記超音波の反射波または透過波を検出する超音波検出手段と、
前記超音波発生手段によって前記超音波が入射されてから前記超音波検出手段によって反射波または透過波が検出されるまでの時間を計測する時間計測手段と、
前記時間計測手段で計測された時間と前記超音波の伝播距離から前記部品内における音速を算出する音速算出手段と、
前記音速算出手段によって算出された音速に基づいて、前記部品の結晶方位を決定する結晶方位決定手段と
を具備することを特徴とする結晶方位計測装置。
【請求項２】
前記超音波発生手段が、前記部品の主たる凝固方向に対して所定の方向に超音波を入射できるように固定手段によって固定されていることを特徴とする請求項１記載の結晶方位計測装置。
【請求項３】
前記超音波発生手段が横波の超音波を発生する場合において、
前記超音波発生手段が、所定の方向に振動する横波の超音波を発生し、
前記固定手段が、前記横波の超音波の振動方向が前記部品の主たる凝固方向に対して平行または垂直に入射できるように前記超音波発生手段を固定していることを特徴とする請求項２記載の結晶方位計測装置。
【請求項４】
前記超音波発生手段によって超音波が入射される前記部品の部位における、前記超音波の入射面から反射面までの距離または前記超音波の入射面から透過面までの距離を計測する距離計測手段を具備したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の結晶方位計測装置。
【請求項５】
前記音速算出手段および／または前記結晶方位決定手段によって参照可能に、前記部品の形状および／または材料特性に関する情報を格納するデータベースを具備したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の結晶方位計測装置。
【請求項６】
単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測装置であって、
前記部品の主たる凝固方向に垂直な面の一部または全部をエッチングするエッチング手段と、
前記エッチングされた面の金属組織を拡大する金属組織拡大手段と、
前記金属組織拡大手段の視野内に設けられ、前記金属組織の配向を定量化する配向定量化手段と
を具備したことを特徴とする結晶方位計測装置。
【請求項７】
単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測装置であって、
前記部品の主たる凝固方向に垂直な面の一部または全部をエッチングするエッチング手段と、
前記エッチングされた面の金属組織を拡大する金属組織拡大手段と、
前記金属組織拡大手段の視野内に設けられ、前記金属組織の配向に基づいて前記部品を分類する部品分類手段と
を具備したことを特徴とする結晶方位計測装置。
【請求項８】
単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測装置であって、
前記部品の主たる凝固方向に平行な面における前記部品の硬さを計測する硬さ計測手段と、
前記硬さ計測手段で計測された前記部品の硬さに基づいて、前記部品の結晶方位を決定する結晶方位決定手段と
を具備したことを特徴とする結晶方位計測装置。
【請求項９】
単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測方法であって、
前記部品の主たる凝固方向に垂直な方向に進行する縦波および／または横波の超音波を発生させて前記部品に入射する超音波発生工程と、
前記超音波の反射波または透過波を検出する超音波検出工程と、
前記超音波発生工程において前記超音波が入射されてから前記超音波検出工程において反射波または透過波が検出されるまでの時間を計測する時間計測工程と、
前記時間計測工程で計測された時間と前記超音波の伝播距離から前記部品内における音速を算出する音速算出工程と、
前記音速算出工程において算出された音速に基づいて、前記部品の結晶方位を決定する結晶方位決定工程と
を具備することを特徴とする結晶方位計測方法。
【請求項１０】
前記超音波発生工程で横波の超音波を発生する場合において、
前記超音波発生工程で、所定の方向に振動する横波の超音波を発生し、前記横波の超音波の振動方向が前記部品の主たる凝固方向に対して平行または垂直になるように前記部品に前記横波の超音波を入射することを特徴とする請求項９記載の結晶方位計測方法。
【請求項１１】
前記超音波発生工程において超音波が入射される前記部品の部位における、前記超音波の入射面から反射面までの距離または前記超音波の入射面から透過面までの距離を計測する距離計測工程を具備したことを特徴とする請求項９または１０記載の結晶方位計測方法。
【請求項１２】
単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測方法であって、
前記部品の主たる凝固方向に垂直な面の一部または全部をエッチングするエッチング工程と、
前記エッチングされた面の金属組織を拡大する金属組織拡大工程と、
前記金属組織拡大工程における視野内で、前記金属組織の配向を定量化する配向定量化工程と
を具備したことを特徴とする結晶方位計測方法。
【請求項１３】
単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測方法であって、
前記部品の主たる凝固方向に垂直な面の一部または全部をエッチングするエッチング工程と、
前記エッチングされた面の金属組織を拡大する金属組織拡大工程と、
前記金属組織拡大工程の視野内で、前記金属組織の配向に基づいて前記部品を分類する部品分類工程と
を具備したことを特徴とする結晶方位計測方法。
【請求項１４】
単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測方法であって、
前記部品の主たる凝固方向に平行な面における前記部品の硬さを計測する硬さ計測工程と、
前記硬さ計測工程で計測された前記部品の硬さに基づいて、前記部品の結晶方位を決定する結晶方位決定工程と
を具備したことを特徴とする結晶方位計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶制御されたガスタービン部品、特に単結晶材料や一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位測定装置および結晶方位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、最新型の発電用ガスタービンにおいては、その第１段動翼や第１段静翼などに単結晶部品が適用され始めている（例えば、特許文献１−２参照。）。ここで、図１８は、単結晶からなるガスタービンの動翼４００を模式的に示す斜視図である。図１８に示すように、例えば翼長方向が凝固方向である動翼４００の場合、この方向に［００１］の結晶方位が揃っている。ガスタービンの運転時に部品に作用する遠心力は、主に翼長方向に作用するため、この動翼４００の場合、遠心力に対しての特性は各動翼間で均一化される。一方、動翼４００は、通常、内部冷却構造を有するため、翼長方向に垂直な面内においても熱応力が発生する。また、この翼長方向に垂直な面内には、作動流体のガス圧による応力も発生する。
【０００３】
しかしながら、上記した単結晶部品に従来のガスタービン部品寿命管理システムを用いると、主たる凝固方向に垂直な面内における結晶方位である２次方位について考慮されていないため、従来の普通鋳造や一方向凝固による部品に比べて、同一部品間における特性のばらつきが大きくなる。
【０００４】
例えば、一般にガスタービンの動翼や静翼では、燃焼ガスが衝突する翼外面と、冷却されている翼内面との間に大きな温度差が生じるため、翼外面は圧縮の熱応力を受け、翼内面は引張りの熱応力を受ける。この状態でガスタービンの運転を継続すると、翼外面は、圧縮クリープ変形を起こし、翼内面は、引張りクリープ変形を起こすが、温度が低いため翼外面に比べてその程度が小さくなる。これによって、ガスタービンの運転を停止すると、熱収縮時に翼外面には引張り応力が発生する。
【０００５】
このように、ガスタービンの動翼や静翼は、起動停止の繰返しで熱応力による低サイクルのクリープ疲労を受ける。その際、設計的な面や運転条件の面から最も条件の厳しくなる部位に、最も寿命特性の優れた結晶方位が配向している部品を使用している場合と、最も寿命特性の劣る結晶方位が配向している部品を使用している場合とでは、その個々の部品の寿命や最適な点検間隔、さらには補修方法などが異なる。
【０００６】
これらの部品の寿命や最適な点検間隔、補修方法などに関して発明者らは様々な調査を進めており、その一環において、ガスタービン用高温部品に用いられるＮｉ基単結晶超合金を用いて、クリープ疲労特性の結晶方位依存性についての調査を実施した。ここで、図１９は、翼外面におけるクリープ疲労特性の試験結果を示す図である。なお、図１９には、結晶方位［１００］における寿命に対する寿命比（Ｎｆ／Ｎｆ［１００］）でクリープ疲労特性の試験結果を示している。また、クリープ疲労特性試験は、翼外面の条件を模擬し、温度が９００℃の大気圧下で、主たる凝固方向［００１］に垂直な方向である［１００］と［１１０］について評価した。この翼外面におけるクリープ疲労特性試験では、圧縮歪みが測定された。図１９に示すように、寿命は、結晶方位によって大きく異なることが確認された。また、このような単結晶超合金においては、クリープ特性も結晶方位に依存することは公知のとおりである。
【０００７】
また、単結晶部品において、個々の部品の結晶方位に関する情報は、部品寿命管理システムの安全性向上や高精度化、それによる運用コストの低減を図るために非常に有効である。
【特許文献１】特開２００１−２９４９５９号公報
【特許文献２】特開２０００−０５３４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のガスタービン部品寿命管理システムでは、上記した結晶の２次方位について考慮されていないため、その方向に、最も寿命特性の優れた結晶方位が配向しているのか、最も寿命特性の劣る結晶方位が配向しているのか等を判定することはできなかった。一般に、単結晶部品の結晶方位計測は、Ｘ線を用いたラウエ法などを用いて行なわれるが、放射線を使用するため危険を伴い、装置管理や装置使用者の管理などの法律上の制約が多い。さらに、装置の移動は困難で、価格も高額であるという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、部品寿命管理に用いるための、単結晶材料や一方向凝固材料からなる部品の結晶方位計測を、簡便、迅速かつ安全に行なえる結晶方位測定装置および結晶方位測定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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の結晶方位測定装置は、単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測装置であって、前記部品の主たる凝固方向に垂直な方向に進行する縦波および／または横波の超音波を発生させて前記部品に入射する超音波発生手段と、前記超音波の反射波または透過波を検出する超音波検出手段と、前記超音波発生手段によって前記超音波が入射されてから前記超音波検出手段によって反射波または透過波が検出されるまでの時間を計測する時間計測手段と、前記時間計測手段で計測された時間と前記超音波の伝播距離から前記部品内における音速を算出する音速算出手段と、前記音速算出手段によって算出された音速に基づいて、前記部品の結晶方位を決定する結晶方位決定手段とを具備することを特徴とする。
【００１１】
この結晶方位測定装置によれば、超音波発生手段によって、部品の主たる凝固方向に垂直な方向に進行する縦波および／または横波の超音波を発生させて部品に入射することができる。また、音速算出手段によって、時間計測手段で計測された、超音波が入射されてから反射波または透過波が検出されるまでの時間と超音波の伝播距離とから部品内における音速を算出することで、部品の結晶方位を決定することができる。
【００１２】
また、本発明の結晶方位測定装置は、単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測装置であって、前記部品の主たる凝固方向に垂直な面の一部または全部をエッチングするエッチング手段と、前記エッチングされた面の金属組織を拡大する金属組織拡大手段と、前記金属組織拡大手段の視野内に設けられ、前記金属組織の配向を定量化する配向定量化手段とを具備したことを特徴とする。
【００１３】
この結晶方位測定装置によれば、配向定量化手段によって、金属組織の配向を定量化することができるので、部品の結晶方位を簡便に決定することができる。
【００１４】
また、本発明の結晶方位測定装置は、単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測装置であって、前記部品の主たる凝固方向に垂直な面の一部または全部をエッチングするエッチング手段と、前記エッチングされた面の金属組織を拡大する金属組織拡大手段と、前記金属組織拡大手段の視野内に設けられ、前記金属組織の配向に基づいて前記部品を分類する部品分類手段とを具備したことを特徴とする。
【００１５】
この結晶方位測定装置によれば、部品分類手段によって、金属組織の配向基づいて結晶方位に応じた部品の分類を簡便に行うことができる。
【００１６】
さらに、本発明の結晶方位測定装置は、単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測装置であって、前記部品の主たる凝固方向に平行な面における前記部品の硬さを計測する硬さ計測手段と、前記硬さ計測手段で計測された前記部品の硬さに基づいて、前記部品の結晶方位を決定する結晶方位決定手段とを具備したことを特徴とする。
【００１７】
この結晶方位測定装置によれば、硬さ計測手段によって計測された部品の硬さに基づいて、部品の結晶方位を決定することができる。
【００１８】
本発明の結晶方位測定方法は、単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測方法であって、前記部品の主たる凝固方向に垂直な方向に進行する縦波および／または横波の超音波を発生させて前記部品に入射する超音波発生工程と、前記超音波の反射波または透過波を検出する超音波検出工程と、前記超音波発生工程において前記超音波が入射されてから前記超音波検出工程において反射波または透過波が検出されるまでの時間を計測する時間計測工程と、前記時間計測工程で計測された時間と前記超音波の伝播距離から前記部品内における音速を算出する音速算出工程と、前記音速算出工程において算出された音速に基づいて、前記部品の結晶方位を決定する結晶方位決定工程とを具備することを特徴とする。
【００１９】
この結晶方位測定方法によれば、超音波発生工程において、部品の主たる凝固方向に垂直な方向に進行する縦波および／または横波の超音波を発生させて部品に入射することができる。また、音速算出工程において、時間計測工程で計測された、超音波が入射されてから反射波または透過波が検出されるまでの時間と超音波の伝播距離とから部品内における音速を算出することで、部品の結晶方位を決定することができる。
【００２０】
また、本発明の結晶方位測定方法は、単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測方法であって、前記部品の主たる凝固方向に垂直な面の一部または全部をエッチングするエッチング工程と、前記エッチングされた面の金属組織を拡大する金属組織拡大工程と、前記金属組織拡大工程における視野内で、前記金属組織の配向を定量化する配向定量化工程とを具備したことを特徴とする。
【００２１】
この結晶方位測定方法によれば、配向定量化工程において、金属組織の配向を定量化することができるので、部品の結晶方位を簡便に決定することができる。
【００２２】
また、本発明の結晶方位測定方法は、単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測方法であって、前記部品の主たる凝固方向に垂直な面の一部または全部をエッチングするエッチング工程と、前記エッチングされた面の金属組織を拡大する金属組織拡大工程と、前記金属組織拡大工程の視野内で、前記金属組織の配向に基づいて前記部品を分類する部品分類工程とを具備したことを特徴とする。
【００２３】
この結晶方位測定方法によれば、部品分類工程において、金属組織の配向基づいて結晶方位に応じた部品の分類を簡便に行うことができる。
【００２４】
さらに、本発明の結晶方位測定方法は、単結晶材料または一方向凝固材料からなる部品の結晶方位を計測する結晶方位計測方法であって、前記部品の主たる凝固方向に平行な面における前記部品の硬さを計測する硬さ計測工程と、前記硬さ計測工程で計測された前記部品の硬さに基づいて、前記部品の結晶方位を決定する結晶方位決定工程とを具備したことを特徴とする。
【００２５】
この結晶方位測定方法によれば、硬さ計測工程において計測された部品の硬さに基づいて、部品の結晶方位を決定することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の結晶方位測定装置および結晶方位測定方法によれば、部品寿命管理に用いるための、単結晶材料や一方向凝固材料からなる部品の結晶方位計測を、簡便、迅速かつ安全に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では、主にガスタービンの動翼を部品の一例として、結晶方位測定装置および結晶方位測定方法について説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る結晶方位測定装置１０を概念的に示したブロック図である。図２〜図４は、端子３１を固定する固定手段の構成例を説明するための図である。図５は、第１の実施の形態に係る結晶方位測定装置１０において、超音波発生手段と超音波発生手段とが別体で構成されたときの一例を概念的に示したブロック図である。図６は、ヤング率と結晶方位の関係の一例を示す図である。図７および図８は、動翼２０に横波を入射する場合における横波の振動方向による影響を説明するための斜視図である。図９は、結晶方位測定装置１０の動作の一例を説明するためのフローチャートである。図１０は、第１の実施の形態に係る結晶方位測定装置１０の他の構成例を説明するための平面図である。
【００２９】
図１に示すように、結晶方位測定装置１０は、超音波発生・検出手段３０と、時間計測手段４０と、音速算出手段５０と、結晶方位決定手段６０とを備えている。また、結晶方位測定装置１０には、部品材料・形状データベース７０が備えられている。
【００３０】
超音波発生・検出手段３０は、動翼２０の主たる凝固方向に垂直な方向に進行する縦波および／または横波の超音波を発生させて動翼２０に入射し、その超音波の反射波を検出するものである。この超音波発生・検出手段３０から動翼２０に入射される超音波は、連続波やパルス波などである。また、超音波発生・検出手段３０は、超音波を動翼２０に入射し、反射波を検知する端子３１を備えている。この端子３１は、例えば、図２に示すように、形状の安定した部位である、動翼２０のプラットホーム２１に支持部基体が固定された固定手段８０によって固定される。また、超音波を入射し、検知する端子３１の端面は、グリセリンなどの接触媒体を介して動翼２０に接触される。超音波発生手段としては、例えば圧電素子などが挙げられるが、これに限定されるものではなく、超音波を発生できるものであればよい。また、超音波検出手段としては、例えば圧力ピックアップなどが挙げられるが、これに限定されるものではなく、反射波を検知できるものであればよい。
【００３１】
なお、端子３１を固定する固定手段８０の構成は、これに限られるものではなく、例えば、図３に示すように、固定手段８１としての複数の脚を端子３１に設け、それらの脚の一端部を動翼２０に接触させて、端子３１の端面を動翼２０に安定して接触させる構成としてもよい。これによって、端子３１から動翼２０への超音波の入射方向を安定させることができる。さらに、図４に示すように、固定手段８２が、動翼２０の植込部を固定する固定冶具８２ａと、この固定冶具８２ａに固定され、端子３１の端面を動翼２０に安定して接触させるように端子３１を支持する支持部材８２ｂとで構成されてもよい。
【００３２】
また、ここでは、超音波発生手段と超音波検出手段とが一体的に構成されているが、別体で構成されてもよい。超音波発生手段と超音波検出手段とを別体で構成した場合には、図５に示すように、超音波発生用端子３２と超音波検出用端子３３とを動翼２０を介して対向した位置に配置することが好ましい。この場合には、超音波検出用端子３３は、縦波超音波または横波超音波の透過波を検出する。このように、超音波発生用端子３２と超音波検出用端子３３とを動翼２０を介して対向した位置に配置し、超音波検出用端子３３によって透過波を検出する構成は、例えば動翼２０において超音波の減衰が大きい場合に特に有効である。
【００３３】
ここで、超音波を用いることで、物質のヤング率を計測する方法は公知の技術である。この方法では、物質中を伝播する縦波の超音波と横波の超音波それぞれの伝播速度と物質の密度からヤング率を算出することができる。例えば、ガスタービンで用いられる単結晶超合金においては、結晶方位によってヤング率が大きく異なることが一般に知られている。例えば、主たる凝固方向［００１］に垂直な（００１）面上のヤング率は、図６に示すような方位依存性を示す。動翼２０の凝固方向にほぼ垂直な方向に進行する超音波の音速を用いてヤング率を算出し、上記したヤング率の方位依存性を参照することで、動翼２０の２次方位を決定することができる。このように、超音波発生・検出手段３０によって、縦波および横波の超音波の双方を発生した場合には、ヤング率を直接的に算出できる。
【００３４】
また、材料中の音速はヤング率の平方根に比例することから、ヤング率は、音速についても図６に示す関係と同様な方位依存性を有する。これによって、図６の縦軸を音速とした、音速と結晶方位の相関関係を予め把握することで、ヤング率を算出しなくとも、物質中の音速の計測から動翼２０の２次方位を決定することができる。このように、超音波発生・検出手段３０によって、縦波または横波の超音波を発生することで、動翼２０の２次方位を決定することができる。
【００３５】
また、超音波発生・検出手段３０において、動翼２０に縦波を入射する場合には、原子の振動方向と超音波の進行方向が同一であるため、動翼２０の主たる凝固方向に垂直な方向に超音波を入射することで、この主たる凝固方向に垂直な方向の２次方位を適確に計測することができる。
【００３６】
一方、超音波発生・検出手段３０において、動翼２０に横波を入射する場合には、原子の振動方向と超音波の進行方向が直交するため、動翼２０の主たる凝固方向に垂直な方向に超音波を入射しても、原子の振動方向を一定としなければ、安定した音速の計測ができない。そこで、横波を用いる場合には、図７に示すように、所定の方向に振動する、すなわち振動方向が統一された横波の超音波を用い、その振動方向が動翼２０の主たる凝固方向に対して平行となるように超音波を入射することが好ましい。この場合、動翼２０の２次方位に関わらず、原子の振動方向はほぼ［００１］となり、振動方向に起因する音速のばらつきを軽減し、安定した音速の計測が可能となる。
【００３７】
また、一般的にガスタービンの動翼２０に用いられるＮｉ基超合金は、立方晶系の結晶構造を有し、凝固に垂直な面内の構造が、４回対称性（ある結晶面に垂直な軸をとってこの面がこの軸に対して一回転（３６０度）する間に、その結晶が全く同じ形になる回数）を有している。したがって、図８に示すように、振動方向が動翼２０の主たる凝固方向に対して垂直、すなわち振動面が（００１）となるように横波の超音波を入射しても、超音波が進行する方向と原子が振動する方向が結晶学的に等価となるので、音速と結晶方位との間に安定した相関関係が得られる。
【００３８】
このように、動翼２０に横波を入射する場合において、超音波の振動方向が動翼２０の主たる凝固方向［００１］に対して平行または垂直のときにおける、横波の超音波の音速と結晶方位の相関関係を把握することで、動翼２０の２次方位を適確に決定することができる。また、これらの超音波の振動方向が動翼２０の主たる凝固方向［００１］に対して平行または垂直のときにおける、横波の超音波の音速と結晶方位の相関関係を、例えば部品材料・形状データベース７０に格納することで、音速の計測結果に基づいて、動翼２０の２次方位を決定することが可能となる。
【００３９】
時間計測手段４０は、超音波発生・検出手段３０によって超音波が入射されてから反射波または透過波が検出されるまでの時間を計測するものである。
【００４０】
音速算出手段５０は、時間計測手段４０で計測された時間と超音波の伝播距離から動翼２０内における音速を算出するものである。例えば、超音波の伝播距離の情報は、部品材料・形状データベース７０に格納された部品の形状や寸法などのデータなどから得ることができる。
【００４１】
結晶方位決定手段６０は、音速算出手段５０によって算出された音速に基づいて、動翼２０の結晶方位を決定するものである。結晶方位決定手段６０は、例えば、音速算出手段５０によって算出された音速や部品材料・形状データベース７０に格納された部品の密度などのデータに基づいて、ヤング率を算出し、結晶方位とヤング率の相関関係データから結晶方位を決定することもできる。また、結晶方位決定手段６０は、例えば、音速算出手段５０によって算出された音速や部品材料・形状データベース７０に格納された結晶方位と音速の相関関係データから結晶方位を決定することもできる。なお、結晶方位決定手段６０によって決定された結晶方位の情報は、データ出力部を介して外部に出力可能に構成されてもよい。そして、外部に出力された情報を、例えば、所定のデータベースに記憶したり、モニタやプリンタに出力してもよい。
【００４２】
ここで、時間計測手段４０、音速算出手段５０、結晶方位決定手段６０は、例えば、コンピュータなどで構成され、ハードディスク装置などに格納された各プログラムをＣＰＵなどの演算部で作動させ、各手段における演算を行う。また、上記した各手段は、データ入力部として、例えば、情報を入力するためのキーボードやマウスなどを備えてもよい。さらに、上記した各手段は、例えば、外部出力インターフェイスなどのデータ出力部を有し、上記した所定の手段と情報の交信が可能に接続されている。
【００４３】
部品材料・形状データベース７０は、例えば、部品の形状や寸法などのデータ、上記した結晶方位と音速の相関関係データ、予め実測および／または計算された部品材料の結晶方位とヤング率や結晶方位と音速の相関関係データ、部品材料の密度などの材料特性データを格納している。なお、部品材料・形状データベース７０に格納されているデータは、これらに限定されるものではなく、適宜に各種データを格納可能である。また、部品材料・形状データベース７０に格納されたデータは、音速算出手段５０や結晶方位決定手段６０などによって参照可能となっている。この部品材料・形状データベース７０は、例えば、ハードディスク装置、メモリなどのデータ記憶装置で構成され、外部出力インターフェイス、外部入力インターフェイスなどを介して、上記した音速算出手段５０や結晶方位決定手段６０と情報の交信が可能に接続されている。また、部品材料・形状データベース７０は、データ入力部として、例えば、情報を入力するためのキーボードやマウスなどを備えてもよい。なお、部品材料・形状データベース７０を備えない場合には、例えば、キーボードやマウスなどのデータ入力部から音速算出手段５０や結晶方位決定手段６０において必要なデータを入力して、結晶方位を決定してもよい。
【００４４】
次に、図９を参照して、結晶方位測定装置１０の動作の一例について説明する。
【００４５】
まず、超音波発生・検出手段３０から端子３１を介して、動翼２０に所定の超音波を入射する（ステップＳ１００）。
【００４６】
入射された超音波は、超音波が入射された動翼２０の入射面と対向する側の反射面によって反射され、その反射波は、超音波発生・検出手段３０によって検出される（ステップＳ１０１）。
【００４７】
また、時間計測手段４０は、超音波発生・検出手段３０と情報の交信可能に接続され、超音波発生・検出手段３０からの情報に基づいて、超音波の入射から反射波の検出までの時間を計測し、音速算出手段５０へ出力する（ステップＳ１０２）。
【００４８】
続いて、音速算出手段５０は、時間計測手段４０からの出力と、部品材料・形状データベース７０に格納された動翼２０の形状データ、すなわち音波の伝播距離のデータとを参照して、動翼２０内における音速を算出し、結晶方位決定手段６０へ出力する（ステップＳ１０３）。
【００４９】
続いて、結晶方位決定手段６は、ステップＳ１０３によって算出された動翼２０内における音速と、部品材料・形状データベース７０に格納された、動翼２０を構成する材料における結晶方位と音速の相関関係データとを参照して、動翼２０の結晶方位（２次方位）を決定する（ステップＳ１０４）。
【００５０】
上記した第１の実施の形態に係る結晶方位測定装置１０によれば、超音波発生・検出手段３０によって、動翼２０の主たる凝固方向に垂直な方向に進行する縦波および／または横波の超音波を発生させて動翼２０に入射することができる。また、音速算出手段５０によって、時間計測手段４０で計測された、超音波が入射されてから反射波または透過波が検出されるまでの時間と超音波の伝播距離とから動翼２０内における音速を算出することで、部品の結晶方位を決定することができる。これによって、部品寿命管理に用いるための、単結晶材料や一方向凝固材料からなる部品の結晶方位計測を、簡便、迅速かつ安全に行なうことができる。
【００５１】
また、特に、動翼２０などの部品に横波を入射する場合において、超音波の振動方向が部品の主たる凝固方向［００１］に対して平行または垂直になるように、超音波を動翼２０に入射することで、部品の２次方位を適確に決定することができる。また、超音波発生・検出手段３０の端子３１を固定手段によって固定することで、端子３１から動翼２０などの部品への超音波の入射方向を安定させることができる。
【００５２】
ここで、第１の実施の形態に係る結晶方位測定装置１０は、上記した構成に限定されるものではなく、例えば、図１０に示すように、超音波の入射面から反射面までの距離を計測する距離計測手段９０を備えてもよい。この距離計測手段９０は、例えばマイクロメータなどで構成され、超音波発生・検出手段３０の端子３１と一体的に構成されることが好ましい。距離計測手段９０で計測された距離の情報は、例えば、部品材料・形状データベース７０に入力されたり、音速算出手段５０の演算パラメータとして、キーボードやマウスなどから入力される。
【００５３】
また、距離計測手段９０の動翼２０を挟持する部分を、図５に示した結晶方位測定装置の構成と同様に、超音波発生手段と超音波検出手段とで構成してもよい。すなわち、動翼２０が超音波発生用端子と超音波検出用端子とに挟持されるように構成してもよい。この場合には、距離計測手段９０によって、超音波の入射面から透過面までの距離が計測される。
【００５４】
（第２の実施の形態）
図１１は、一方向凝固プロセスで鋳造されたＮｉ基超合金における主たる凝固方向に垂直な面の金属組織の模式図である。図１２は、第２の実施の形態に係る結晶方位測定装置１５０の斜視図である。図１３は、金属組成の配向を定量化する配向定量化手段１９０を示す平面図である。図１４は、結晶方位測定装置１５０の動作の一例を説明するためのフローチャートである。図１５は、金属組成の配向に基づいて部品を分類する部品分類手段２００を示す平面図である。
【００５５】
ここで、ガスタービン単結晶部品は、一般に、Ｎｉ基超合金を一方向凝固プロセスで鋳造して製造されている。この材料においては、凝固時のミクロ偏析に基づくデンドライト状の金属組織が生じる。この材料の主たる凝固方向に垂直な面、すなわち（００１）上を酸などでエッチングした後の金属組織には、図１１に示されるように、十字状のデンドライト２次アーム１６０の模様が表れる。ガスタービン単結晶部品においては一般に、この１つの十字模様の２次アーム長さは、数百μｍであり、ガスタービン単結晶部品の材料における２次アームの方向は［１００］および［０１０］である。なお、２次アーム長さとは、十字模様の端から端までの長さである。したがって、金属組織の配向状況から十字状のデンドライト２次アーム１６０の方位を計測することで、部品の２次方位を計測することができる。そこで、第２の実施の形態では、主に金属組織の態様を用いて結晶方位を決定する結晶方位測定装置１５０について説明する。
【００５６】
図１２および図１３に示すように、第２の実施の形態に係る結晶方位測定装置１５０は、エッチング手段（図示しない）と、金属組織拡大手段１７０と、固定手段１８０と、配向定量化手段１９０とを備えている。
【００５７】
エッチング手段は、ガスタービンの動翼２０の主たる凝固方向に垂直な面の一部または全部をエッチングするもので、例えば、酸などのエッチング液を用いて行う。
【００５８】
金属組織拡大手段１７０は、エッチングされた動翼２０の主たる凝固方向に垂直な面の金属組織を拡大するものである。上述したように、動翼２０の主たる凝固方向に垂直な面に表れる十字状のデンドライト２次アーム１６０は、数百μｍであるため、数倍〜１０倍程度に拡大すれば十分認識できるため、金属組織拡大手段１７０として、例えば虫眼鏡などが用いられる。
【００５９】
固定手段１８０は、動翼２０の主たる凝固方向に垂直な面に対向させて金属組織拡大手段１７０を固定するものである。図１２に示すように、例えば、固定手段１８０の支持部基体１８１を動翼２０の植込部２２に固定して、支持椀１８２で金属組織拡大手段１７０を動翼２０の主たる凝固方向に垂直な面に対向させて固定する。
【００６０】
配向定量化手段１９０は、金属組織拡大手段１７０の視野内に設けられ、金属組織の配向を定量化するものである。図１３に示すように、配向定量化手段１９０は、視野内で回転可能な指示直線１９１と、直線の回転角を示す数値軸１９２から構成されている。この指示直線１９１は、１本でも、図１３に示すように直行する２本の直線から構成されてもよい。指示直線１９１を回転させて、十字状のデンドライト２次アーム１６０の方向に一致させ、そのときの数値軸１９２の読みから、動翼２０の２次方位を計測する。なお、２次方位の計測の際、数値軸１９２の０°−０°のラインと動翼２０との相対的な位置関係を合わせて計測する必要がある。
【００６１】
次に、図１４を参照して、結晶方位測定装置１５０の動作の一例について説明する。
【００６２】
まず、エッチング手段によって、動翼２０の主たる凝固方向に垂直な面の一部または全部をエッチングする（ステップＳ２１０）。
【００６３】
続いて、金属組織拡大手段１７０によって、エッチングされた動翼２０の主たる凝固方向に垂直な面の金属組織を拡大する（ステップＳ２１１）。
【００６４】
続いて、配向定量化手段１９０の指示直線１９１を回転させて、金属組織に表れた十字状のデンドライト２次アーム１６０の方向に一致させ、そのときの数値軸１９２の読みから、動翼２０の結晶方位（２次方位）を決定する（ステップＳ２１２）。
【００６５】
なお、エッチング後に、金属組織のレプリカを採取して動翼２０の２次方位を計測してもよい。この場合の２次方位の計測は、レプリカフィルムの方向と動翼２０の方向のそれぞれを既知の状態で行う必要がある。
【００６６】
また、図１５に示すように、配向定量化手段１９０の代わりに、金属組成の配向に基づいて動翼２０を複数の群に分類する部品分類手段２００を備えてもよい。この部品分類手段２００は、金属組織拡大手段１７０の視野内に設けられ、視野内で回転可能な指示直線２０１と、直線の回転位置によって部品を分類する分類軸２０２から構成されている。この指示直線２０１は、１本でも、図１５に示すように直行する２本の直線から構成されてもよい。指示直線２０１を回転させて、十字状のデンドライト２次アーム１６０の方向に一致させ、そのときの分類軸２０２の読みから、動翼２０の分類区分を収得する。
【００６７】
なお、ここでは、配向定量化手段１９０の代わりに、部品分類手段２００を備えた一例を示したが、配向定量化手段１９０および部品分類手段２００の双方を備えてもよい。
【００６８】
上記したように、第２の実施の形態に係る結晶方位測定装置１５０では、主に金属組織の態様を用いて、部品寿命管理に用いるための単結晶部品の結晶方位計測を、簡便、迅速かつ安全に行なうことができる。また、配向定量化手段１９０の指示直線１９１を回転させて、金属組織に表れた十字状のデンドライト２次アーム１６０の方向に一致させることで、２次方位の計測を簡便、迅速に行なうことができる。さらに、部品分類手段２００を備えることで、部品の寿命管理のための２次方位に応じた部品の分類を簡便、迅速に行なうことができる。
【００６９】
（第３の実施の形態）
図１６は、第３の実施の形態に係る結晶方位測定装置２５０を説明するための平面図である。図１７は、結晶方位測定装置２５０の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【００７０】
ここで、ガスタービン単結晶部品は、一般に、Ｎｉ基超合金を一方向凝固プロセスで鋳造して製造されている。この材料において、結晶方位と硬さには所定の相関関係を有することは公知である。したがって、部品の凝固方向にほぼ平行な面上において硬さを計測することで、結晶方位と硬さとの相関関係から部品の２次方位を決定することができる。そこで、第３の実施の形態では、主に金属の硬さ計測を用いて結晶方位を決定する結晶方位測定装置２５０について説明する。
【００７１】
図１６に示すように、第３の実施の形態に係る結晶方位測定装置２５０は、硬さ計測手段２６０と、結晶方位決定手段２７０と、部品材料・形状データベース２８０とを備えている。また、部品であるガスタービンの動翼２０の植込部が、固定手段２９０によって固定されている。
【００７２】
硬さ計測手段２６０は、動翼２０の主たる凝固方向に平行な面における動翼２０の硬さを計測するもので、例えば、ビッカース硬さ計測装置、ブリネル硬さ計測装置、超音波硬度計などで構成される。硬さ計測手段２６０は、固定手段２９０に固定された固定支持部材２９１によって、動翼２０の主たる凝固方向に平行な面の硬さを計測可能な位置に固定されている。ここで、例えば、硬さ計測手段２６０としてビッカース硬さ計測装置を用いた場合、ビッカースの圧子は四角錐であるから、例えば圧痕の対角線が動翼２０の主たる凝固方向に垂直または平行になるように圧子の向きを一定にして硬さ計測することで、適確な硬さ計測が可能となる。また、例えば、硬さ計測手段２６０としてブリネル硬さ計測装置を用いた場合、ブリネル圧子は球状であるから、圧痕の直径計測の向きを動翼２０の主たる凝固方向に垂直または平行になるように統一して硬さ計測することで、適確な硬さ計測が可能となる。
【００７３】
結晶方位決定手段２７０は、硬さ計測手段２６０で計測された動翼２０の硬さおよび部品材料・形状データベース２８０に格納された硬さと結晶方位の相関関係データから、動翼２０の結晶方位を決定するものである。この結晶方位決定手段２７０は、例えば、コンピュータなどで構成され、ハードディスク装置などに格納された各プログラムをＣＰＵなどの演算部で作動させて演算を行う。また、結晶方位決定手段２７０は、データ入力部として、例えば、情報を入力するためのキーボードやマウスなどを備えてもよい。さらに、結晶方位決定手段２７０は、例えば、外部出力インターフェイスなどのデータ出力部を有し、硬さ計測手段２６０や部品材料・形状データベース２８０と情報の交信が可能に接続されている。なお、結晶方位決定手段２７０によって決定された結晶方位の情報は、データ出力部を介して外部に出力可能に構成されてもよい。そして、外部に出力された情報を、例えば、所定のデータベースに記憶したり、モニタやプリンタに出力してもよい。
【００７４】
部品材料・形状データベース２８０は、例えば、部品の形状や寸法などのデータ、上記した硬さと結晶方位との相関関係データなどを格納している。なお、部品材料・形状データベース２８０に格納されているデータは、これらに限定されるものではなく、適宜に各種データを格納可能である。また、部品材料・形状データベース２８０に格納されたデータは、結晶方位決定手段２７０などによって参照可能となっている。この部品材料・形状データベース２８０は、例えば、ハードディスク装置、メモリなどのデータ記憶装置で構成されている。また、部品材料・形状データベース２８０は、データ入力部として、例えば、情報を入力するためのキーボードやマウスなどを備えてもよい。
【００７５】
次に、図１７を参照して、結晶方位測定装置２５０の動作の一例について説明する。
【００７６】
まず、硬さ計測手段２６０によって、動翼２０の主たる凝固方向に平行な面における動翼２０の硬さを計測し、その計測した硬さの情報を結晶方位決定手段２７０へ出力する（ステップＳ３００）。
【００７７】
続いて、結晶方位決定手段２７０は、ステップＳ３００で計測された動翼２０の硬さと、部品材料・形状データベース２８０に格納された硬さと結晶方位の相関関係データとを参照して、動翼２０の結晶方位（２次方位）を決定する（ステップＳ３０１）。
【００７８】
上記した第３の実施の形態に係る結晶方位測定装置２５０によれば、主に金属の硬さ計測を用いて、部品寿命管理に用いるための単結晶部品の結晶方位計測を、簡便、迅速かつ安全に行なうことができる。
【００７９】
以上、本発明を実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。上記した実施の形態では、単結晶材料や一方向凝固材料からなる部品における結晶方位測定について説明したが、例えば、低角粒界を含むような材料や数個の粒界を含むような材料についても、本発明に係る結晶方位測定装置や結晶方位測定方法で、結晶方位（２次方位）を決定することが可能である。また、上記した実施の形態では、部品として主にガスタービンの動翼を用いた例について説明したが、例えば静翼などの他のガスタービン部品においても、本発明に係る結晶方位測定装置や結晶方位測定方法で、結晶方位（２次方位）を決定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】第１の実施の形態に係る結晶方位測定装置を概念的に示したブロック図。
【図２】端子を固定する固定手段の構成例を説明するための図。
【図３】端子を固定する固定手段の構成例を説明するための図。
【図４】端子を固定する固定手段の構成例を説明するための図。
【図５】第１の実施の形態に係る結晶方位測定装置において、超音波発生手段と超音波発生手段とが別体で構成されたときの一例を概念的に示したブロック図。
【図６】ヤング率と結晶方位の関係の一例を示す図。
【図７】動翼に横波を入射する場合における横波の振動方向による影響を説明するための斜視図。
【図８】動翼に横波を入射する場合における横波の振動方向による影響を説明するための斜視図。
【図９】第１の実施の形態に係る結晶方位測定装置の動作の一例を説明するためのフローチャート。
【図１０】第１の実施の形態に係る結晶方位測定装置の他の構成例を説明するための平面図。
【図１１】一方向凝固プロセスで鋳造されたＮｉ基超合金における主たる凝固方向に垂直な面の金属組織の模式図。
【図１２】第２の実施の形態に係る結晶方位測定装置の斜視図。
【図１３】金属組成の配向を定量化する配向定量化手段を示す平面図。
【図１４】第２の実施の形態に係る結晶方位測定装置の動作の一例を説明するためのフローチャート。
【図１５】金属組成の配向に基づいて部品を分類する部品分類手段を示す平面図。
【図１６】第３の実施の形態に係る結晶方位測定装置を説明するための平面図。
【図１７】第３の実施の形態に係る結晶方位測定装置の動作の一例を説明するためのフローチャート。
【図１８】単結晶からかなるガスタービンの動翼を模式的に示す斜視図。
【図１９】翼外面におけるクリープ疲労特性の試験結果を示す図。
【符号の説明】
【００８１】
１０…結晶方位測定装置、２０…動翼、３０…超音波発生・検出手段、３１…端子、４０…時間計測手段、５０…音速算出手段、６０…結晶方位決定手段、７０…部品材料・形状データベース。
【図１】
2008058244.tif 000003
【図２】
2008058244.tif 000004
【図３】
2008058244.tif 000005
【図４】
2008058244.tif 000006
【図５】
2008058244.tif 000007
【図６】
2008058244.tif 000008
【図７】
2008058244.tif 000009
【図８】
2008058244.tif 000010
【図９】
2008058244.tif 000011
【図１０】
2008058244.tif 000012
【図１１】
2008058244.tif 000013
【図１２】
2008058244.tif 000014
【図１３】
2008058244.tif 000015
【図１４】
2008058244.tif 000016
【図１５】
2008058244.tif 000017
【図１６】
2008058244.tif 000018
【図１７】
2008058244.tif 000019
【図１８】
2008058244.tif 000020
【図１９】
2008058244.tif 000021