(57)【要約】【課題】ガスタービン翼の如きガスタービン用高温部材に施した遮熱コーティングの劣化を非破壊検査方法で適確に診断してその剥離・減耗等の損傷を早期に発見し、再コーティング等の処置を迅速に行えるようにすること。【解決手段】最初に赤外線サーモグラフィ法により遮熱コーティングの内部剥離を検査し、その結果剥離模様部が検出された場合には、この剥離模様部につき蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査とこれに続く渦流探傷法による膜厚測定検査とを行い、その検査結果から遮熱コーティングの剥離・減耗等の有無を検出して劣化を診断する判定を行う。赤外線サーモグラフィ法による内部剥離検査の結果、剥離模様部が検出されない場合には、蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査を省略し、確認のために渦流探傷法による膜厚測定検査を行う。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン用高温部材に施した遮熱コーティングの劣化を診断する方法において、
赤外線サーモグラフィ法により前記遮熱コーティングの減摩耗、脱落部、付着物、外部剥離及び内部剥離を検査する内部剥離検査と、蛍光Ｘ線法により前記遮熱コーティングの表面元素を分析する表面元素分析検査と、渦流探傷法により前記遮熱コーティングの膜厚を測定する膜厚測定検査とを包含し、
前記内部剥離検査と前記表面元素分析検査及び／又は前記膜厚測定検査との検査結果に基づき前記遮熱コーティングの劣化を診断することを特徴とする遮熱コーティング劣化診断方法。
【請求項２】
請求項１に記載の遮熱コーティング劣化診断方法において、
前記表面元素分析検査をする前に、この検査をしようとする剥離模様部を研磨することを特徴とする遮熱コーティング劣化診断方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の遮熱コーティング劣化診断方法において、
前記表面元素分析検査によりスケール等の不純物を検出したときには、この検査をした剥離模様部を研磨し、この研磨した剥離模様部を再び蛍光Ｘ線法により表面元素分析検査することを特徴とする遮熱コーティング劣化診断方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の遮熱コーティング劣化診断方法において、
前記ガスタービン用高温部材がガスタービン翼であることを特徴とする遮熱コーティング劣化診断方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンにおいて、高温にさらされるガスタービン用高温部材に施した遮熱コーティングの劣化を診断する遮熱コーティング劣化診断方法に関し、より詳細には、この遮熱コーティングの劣化を非破壊検査方法で適確に診断してその剥離・減耗等を早期に発見し、再コーティング等の処置を迅速に行えるようにする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の高性能ガスタービン翼（動翼・静翼）には、高温の燃焼ガスから翼材を保護するために遮熱コーティングが施されている。このガスタービン翼の一例として、図８にガスタービン動翼１を示す。
このガスタービン動翼１の内部には、冷却空気を流すための複数の冷却空気流路２が形成され、また、翼材３の外面全体には、断熱性の高いセラミックスから成る遮熱コーティング４が施されている。ところで、今後更なる高温化が予定されていることから、遮熱コーティング４の劣化検査を求める要求が益々高まる傾向にあり、遮熱コーティング４の健全性を保つことが、ガスタービンの信頼性向上に繋がるものと考えられている。
【０００３】
しかしながら、従来は、遮熱コーティングの劣化診断を、目視により評価している。すなわち、図９に示すように、まず検査員による目視検査（外観検査）を行って、遮熱コーティングの表面が剥離等していないかを検査し、その後、翼母材の微少欠陥（数百ミクロンの亀裂等）を検出するために浸透探傷検査（亀裂等に浸透液を染み込ませて浮き出させる方法）を行い、遮熱コーティングの健全性についての判定を行っていた。なお、従来におけるセラミックス部材の非破壊検査方法の一例としては、下記特許文献１がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２５４５３０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来は、遮熱コーティングの健全性については目視にて評価しているため、検査員の「見た目」による判断が支配的な診断となり、遮熱コーティングの剥離の形態として「スケールの剥離」と「遮熱コーティングの剥離」との区別がつき難い状態であった。すなわち、実機運転翼の表面にはスケールが付着しており、その「スケールの剥離」を「遮熱コーティングの剥離」と判断するケースや、「遮熱コーティングの剥離部の上にスケールが堆積したもの」について「遮熱コーティングが健全」であるとしたなど、誤った判断が多数引き起こされていた。また、目視検査では、遮熱コーティングの外部剥離（表面剥離）を見つけることはできても、内部剥離や減耗等の損傷を見つけることが不可能であった。したがって、遮熱コーティングの内部剥離（剥離の初期の段階）を把握するためには、破壊検査を行うしか方法がないため、遮熱コーティングの剥離が目視で確認できるレベルに達するまでは、定量的な評価ができない状況にあった。
以上述べたことから、近年、遮熱コーティングの重要性が高まるのに対し、遮熱コーティングの劣化、特に内部剥離・減耗等の損傷を早期のうちに適確に発見し、再コーティング等の処置を迅速に行える定量的な評価手法の確立が急務とされている。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、ガスタービン翼の如きガスタービン用高温部材に施した遮熱コーティングの劣化を非破壊検査方法で適確に診断してその剥離・減耗等の損傷を早期に発見し、再コーティング等の処置を迅速に行えるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の遮熱コーティング劣化診断方法は、ガスタービン用高温部材に施した遮熱コーティングの劣化を診断する方法において、赤外線サーモグラフィ法により前記遮熱コーティングの減摩耗、脱落部、付着物、外部剥離及び内部剥離を検査する内部剥離検査と、蛍光Ｘ線法により前記遮熱コーティングの表面元素を分析する表面元素分析検査と、渦流探傷法により前記遮熱コーティングの膜厚を測定する膜厚測定検査とを包含し、前記内部剥離検査と前記表面元素分析検査及び／又は前記膜厚測定検査との検査結果に基づき前記遮熱コーティングの劣化を診断することを特徴とする。
【０００８】
これによれば、最初に赤外線サーモグラフィ法により遮熱コーティングの内部剥離を検査し、その結果、剥離模様部が検出された場合には、この剥離模様部について、蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査とこれに続く渦流探傷法による膜厚測定検査とを行い、その検査結果から遮熱コーティングの剥離・減耗等の有無を検出して劣化を診断することができる。赤外線サーモグラフィ法による内部剥離検査の結果、剥離模様部が検出されない場合には、蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査を省略し、確認のために渦流探傷法による膜厚測定検査を行うだけで十分である。
【０００９】
請求項２に記載の遮熱コーティング劣化診断方法は、請求項１に記載の遮熱コーティング劣化診断方法において、前記表面元素分析検査をする前に、この検査をしようとする剥離模様部を研磨することを特徴とする。
これによれば、剥離模様部に付着しているスケール等の不純物を予め取り除いて表面元素分析検査を正確にすることができる。
【００１０】
請求項３に記載の遮熱コーティング劣化診断方法は、請求項１又は２に記載の遮熱コーティング劣化診断方法において、前記表面元素分析検査によりスケール等の不純物を検出したときには、この検査をした剥離模様部を研磨し、この研磨した剥離模様部を再び蛍光Ｘ線法により表面元素分析検査することを特徴とする。
これによれば、表面元素分析検査後に残っているスケール等の不純物を取り除き、再び表面元素分析を検査することで、表面元素分析検査を一層正確にすることができる。
【００１１】
請求項４に記載の遮熱コーティング劣化診断方法は、請求項１〜３の何れか１項に記載の遮熱コーティング劣化診断方法において、前記ガスタービン用高温部材がガスタービン翼であることを特徴とする。
これによれば、ガスタービン用高温部材の中でもとりわけ遮熱コーティングに高い信頼性が要求されるガスタービン翼（特に、回転体である動翼）の劣化を適確に診断して、ガスタービン全体の信頼性を一段と向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の遮熱コーティング劣化診断方法の一実施形態について詳述する。
【００１３】
図１は、ガスタービン翼の如きガスタービン用高温部材に施した遮熱コーティングの劣化を診断する、本発明方法の基本的な検査手順を示す。同図に示すように、まず、図９で示した従来法と同様に、実機運転翼につき検査員による目視検査（外観検査）及び浸透探傷検査が行われる。それから、本発明にしたがって、赤外線サーモグラフィ法による遮熱コーティングの内部剥離検査、蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査及び渦流探傷法による膜厚測定検査が行われる。すなわち、最初に赤外線サーモグラフィ法により遮熱コーティングの内部剥離を検査し、その結果、剥離模様部が検出された場合には、この剥離模様部につき蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査とこれに続く渦流探傷法による膜厚測定検査とを行い、その検査結果から、遮熱コーティングの剥離・減耗等の有無を検出して劣化を診断する判定を行う。赤外線サーモグラフィ法による内部剥離検査の結果、剥離模様部が検出されない場合には、蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査を省略し、確認のために渦流探傷法による膜厚測定検査を行うだけで十分である。
【００１４】
次に、各検査の詳細について説明する。赤外線サーモグラフィ法は、図２に示すように、外観上認識不可能な遮熱コーティングの内部剥離、すなわち、母材２１上に施したアンダーコート２２とその上に施したトップコート（遮熱コーティング）２３との界面の剥離部（空気）２４を検出するもので、遮熱コーティング表面により符号２５で示すように入熱（急速加熱：フラッシュで瞬間的に温める）し、母材２１側へ伝わる熱の流れに対して、トップコート２３とアンダーコート２２との界面の剥離部２４と健全部との温度差を例えば０．１秒間隔で観察することによって、剥離を検出する。すなわち、剥離部２４の空気層は熱伝導率が低いため、この剥離部２４の真上におけるトップコート２３の表面の温度Ｔｄ（ｔ）は、健全な部分の温度Ｔｉ（ｔ）よりも高くなる。したがって、赤外線カメラ２６及び測定系２７により、高速でこの温度差を測定することによって、剥離部２４、トップコート減耗部、トップコート脱落部、付着物、トップコート縦割れ部等を検出することができる。
【００１５】
蛍光Ｘ線法は、運転後の遮熱コーティング施工翼において、スケール等の付着物により遮熱コーティング剥離の有無が目視で判別できない場合があるため行うものである。すなわち、蛍光Ｘ線分析装置により遮熱コーティング表面の元素（成分）分析を行い、その元素から遮熱コーティング剥離の有無を確認するものである。その検査法は、図３に示すように、遮熱コーティング施工翼（被測定物）にＸ線（一次Ｘ線）３１を照射することで、原子３２が励起され、特性Ｘ線（蛍光Ｘ線）３３を発生する。この特性Ｘ線は、各原子固有のエネルギーを有するため、その検出結果を同定すれば、原子の特定を行うことができる。また、特性Ｘ線量から含有量も推定できる。
【００１６】
渦流探傷法は、遮熱コーティングの被膜厚さを計測するものである。その検査法では、図４に示すように、遮熱コーティング施工翼（被試験体）４１の表面に、交流を流したコイル（プローブ）４２を近づけることで、渦電流４３を発生させる（電磁誘導作用）。遮熱コーティング４４は非導電体であるため、渦電流が発生しないので、母材（非磁性体）４５に発生する渦電流の強さを計測することにより、膜厚（リフトオフ量）４６を測定する（インピーダンスの変化を計測する）。なお、符号４７はアンダーコート（導電体）、符号４８は磁束を示す。
【００１７】
次に、図５を参照して本発明方法をガスタービン翼に適用した場合の具体的な一検査手順について説明する。なお、遮熱コーティングは、一般に、ＴＢＣ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ）と称されているので、図５の説明では「ＴＢＣ」と言う。同様に、渦流探傷法は、一般に、ＥＣＴ（Ｅｄｄｙ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｅｓｔ）と称されているので、図５の説明では「ＥＣＴ法」と言う。
【００１８】
図５において、まず、検査員はＴＢＣが施されている実機運転翼の運転履歴、特に使用時間及び発停回数を予め把握しておく。それから、目視検査（外観検査）及び浸透探傷検査を行う。ここまでは、従来と同じである。
【００１９】
浸透探傷検査の後、本発明方法にしたがい、赤外線サーモグラフィ法によるＴＢＣの内部剥離検検査を行う。その検査の結果、剥離模様部（温度不均一部分）と判断した部位及び先の目視検査で剥離と見える部位につき推定評価を行う。すなわち、ＴＢＣの剥離なのか、ＴＢＣの減耗なのか、それとも付着物（スケール）なのかの推定評価を行う。
【００２０】
次に、蛍光Ｘ線法によりＴＢＣの表面元素分析検査をする前に、この検査をしようとする剥離模様部を軽く研磨する。これにより、剥離模様部に付着しているスケール等の不純物を予め取り除いて、表面元素分析検査を正確にすることができる。しかし、この研磨は選択的であって、スケール等の不純物が多く付着していると推定される場合に行うと良い。
【００２１】
次に、蛍光Ｘ線法によりＴＢＣの剥離模様部の表面元素分析検査を行う。その検査結果に基づき、次に述べるような異なる検査手順をとる。
【００２２】
すなわち、蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査により、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ（翼母材の金属色）を検出した場合には、ＴＢＣが剥離してアンダーコートもしくは翼母材が露出していると推定される。その後、ＥＣＴ法による膜厚測定検査に進み、膜厚の計測結果、「正常」及び「厚い」のときにはＮｉ，Ｃｏを含む付着物有りと推定評価し、再研磨し、蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査に戻る。「薄い」及び「無し」のときには、ＴＢＣの減耗又は剥離と推定評価する。「測定不可」のときには、被測定物の膜厚がＥＣＴの測定上限値を超える場合であり、厚いスケールが付着している可能性がある。そのため、再研磨し、蛍光Ｘ線元素分析に戻る。
【００２３】
一方、蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査により、Ｆｅ（サビ）を検出した場合には、まだスケールが付着していると推定されるので、軽く再研磨し、その後、再び蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査を行う。その検査の結果、なおもＦｅを検出した場合は、厚いスケールが付着している可能性が高い（ガスタービン動翼にあっては、スケールの付着により動翼形状が変って性能に大きな影響を与えることがある。）。また軽く再研磨し、蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査によりＦｅが検出されないで、前述したＮｉ，Ｃｏ，Ｃｒ（翼母材の金属）を検出するか（前述した如く、これはまだスケールが付着していると推定される）、又は後述するＺｒ（白色）を検出する（これはスケールが取れて内部のＴＢＣが露出していると推定される）まで繰り返す。
【００２４】
他方、蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査により、Ｚｒ（白色）を検出した場合には（前述した如く、これはスケールが剥離してＴＢＣが露出していると推定される）、ＥＣＴ法による膜厚測定検査に進み、膜厚の計測結果、「正常」及び「厚い」のときにはＴＢＣ有りと推定評価する。「薄い」のときには、ＴＢＣの減耗と推定評価する。「測定不可」のときには、被測定物が厚すぎると推定評価し、軽く再研磨し、ＥＣＴ法による膜厚測定検査に戻る。
【００２５】
最後に、赤外線サーモグラフィ法によるＴＢＣの内部剥離検査の結果、剥離模様部が無い（温度均一：正常）場合には、ＴＢＣは健全であると推定評価するが、確認のため、ＥＣＴ法による膜厚測定検査に進み、膜厚の計測結果、「正常」及び「厚い」のときにはＴＢＣ有りと推定評価する。
【００２６】
以上述べたＥＣＴ法による膜厚測定検査の結果に基づき、「ＴＢＣ健全」、「ＴＢＣ剥離（剥離面積・ギャップ）」又は「ＴＢＣ減耗」の判定を行い、「継続使用可」又は「再コーティング要」の最終評価を行う。図６は、遮熱コーティングの健全及び劣化の種々の形態を示す。
【００２７】
次に、図７の（Ａ）は、本発明の遮熱コーティング劣化診断方法における蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査で用いられるセンサプローブの一例を示す。すなわち、蛍光Ｘ線のセンサプローブ１０は一般に大きくて、図７（Ｂ）に示すような動翼フィレットＲ部や図７（Ｃ）に示すような動翼の凹部等では密着できず、このため、翼部とプラットフォームの分析をしてしまい、肝心のフィレットＲ部の分析ができない。また、図７（Ｄ）では、剥離模様部と剥離模様部ではない部分との両方を含めて表面元素分析検査をするようになることから、検査精度に影響を及ぼすものである。そこで、図７（Ａ）に示すように、センサプローブ１０にスリット１１を設けることにより剥離模様部のみの表面元素分析検査をできるようにして、検査精度を高めるようにしたものである。
【００２８】
なお、以上の説明では、本発明の遮熱コーティング劣化診断方法をガスタービン翼に適用した例について詳述したが、これに限らず、他のガスタービン用高温部材、例えば、燃焼器内筒、シュラウド等に施されている遮熱コーティングの劣化を診断する方法にも適用できることは勿論である。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１に記載の遮熱コーティング劣化診断方法によれば、ガスタービン用高温部材に施した遮熱コーティングの劣化検診断方法において、赤外線サーモグラフィ法による遮熱コーティングの内部剥離検査と、蛍光Ｘ線法による遮熱コーティングの表面元素分析検査と、渦流探傷法による遮熱コーティングの膜厚測定検査とを適宜組み合わせることにより、遮熱コーティングの劣化を非破壊検査方法で適確に診断してその剥離・減耗等の損傷を早期に発見し、再コーティング等の処置を迅速に行うことができる。なお、本発明を実機量産翼に実施して得た非破壊検査結果は、破壊検査結果と概ね整合性がとれており、遮熱コーティングの定量評価が可能であることが分っている。したがって、本発明はガスタービンの信頼性向上に大いに寄与するものである。
【００３０】
また、請求項２に記載の遮熱コーティング劣化診断方法は、請求項１に記載の遮熱コーティング劣化診断方法において、蛍光Ｘ線法により表面元素分析検査をする前に、この検査をしようとする剥離模様部を研磨することにより、剥離模様部に付着しているスケール等の不純物を予め取り除いて表面元素分析検査を正確にすることができる。
【００３１】
また、請求項３に記載の遮熱コーティング劣化診断方法は、請求項１又は２に記載の遮熱コーティング劣化診断方法において、表面元素分析検査によりスケール等の不純物を検出したときに、この検査をした剥離模様部を研磨し、この研磨した剥離模様部を再び蛍光Ｘ線法により表面元素分析検査をすることで、表面元素分析検査後に残っているスケール等の不純物を取り除き、再び表面元素分析を検査することで、表面元素分析検査を一層正確にすることができる。
【００３２】
また、請求項４に記載の遮熱コーティング劣化診断方法は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の遮熱コーティング劣化診断方法において、前記ガスタービン用高温部材がガスタービン翼であるものとした。これによれば、ガスタービン用高温部材の中でもとりわけ遮熱コーティングに高い信頼性が要求されるガスタービン翼（特に、回転体である動翼）の劣化を適確に診断して、ガスタービン全体の信頼性を一段と向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービン用高温部材に施した遮熱コーティングの劣化を診断する本発明方法の基本的な検査手順を示す図である。
【図２】本発明方法において、遮熱コーティングの内部剥離を検査するために用いられる赤外線サーモグラフィ法を説明するための図である。
【図３】本発明方法において、遮熱コーティングの表面元素を分析検査するために用いられる蛍光Ｘ線法を説明するための図である。
【図４】本発明方法において、遮熱コーティングの膜厚を測定検査するために用いられる渦流探傷法を説明するための図である。
【図５】本発明方法をガスタービン翼に実施した具体的な一検査手順を示す図である。
【図６】遮熱コーティングの健全及び劣化の種々の形態を示す図である。
【図７】（Ａ）は本発明方法における蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査で用いられるセンサプローブにスリットを設けた例を示す図、（Ｂ）及び（Ｃ）をこのようなスリット付きセンサプローブで検査するのが好ましいガスタービン翼の部位を示す図である。
【図８】遮熱コーティングが施されているガスタービン翼の一例を示す断面図である。
【図９】ガスタービン翼に施した遮熱コーティングの劣化を診断する従来方法の検査手順を示す図である。
【符号の説明】
１  ガスタービン動翼
２  冷却空気流路
３  翼母材
４  遮熱コーティング（ＴＢＣ）
１０  センサプローブ
１１  スリット
２１  母材
２２  アンダーコート
２３  トップコート（遮熱コーティング）
２４  剥離部（空気）
２５  入熱
２６  赤外線カメラ
２７  測定系
３１  一次Ｘ線
３２  原子
３３  特性Ｘ線（蛍光Ｘ線）
４１  遮熱コーティング施工翼
４２  コイル（プローブ）
４３  渦電流
４４  遮熱コーティング（非導電体）
４５  母材（非磁性体）
４６  膜厚（リフトオフ量）
４７  アンダーコート（導電体）
４８  磁束
【図１】
2004156444.tif 000003
【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】
2004156444.tif 000008
【図７】
2004156444.tif 000009
【図８】
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【図９】
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