(57)【要約】      （修正有）【課題】コーティング被膜試験片に所定の熱機械疲労を与えて被膜を剥落させることが可能なコーティング被膜疲労試験装置である。【解決手段】コーティング被膜疲労試験装置１は、試験片１７のうち被膜が被覆されない冷却部位に冷却流体Ｘを供給して冷却する冷却系３と、被膜を加熱する加熱ヒータ１８と、試験片に荷重を負荷して歪を発生させる荷重負荷機構と、試験片の温度を計測する温度計測系２０と、試験片の歪量、荷重を計測する変位検出器２３、荷重計測器１６と、試験機制御装置４とを具備する。そして、試験機制御装置は温度計測系が計測した試験片の温度に基づいて冷却系および加熱ヒータの少なくとも一方を制御して、試験片の温度が所定の繰返し波形となるように熱疲労を与え、さらに試験片の歪量と荷重値に基づいて荷重負荷機構を制御して、試験片の歪量が所定の繰返し波形となるように試験片に機械疲労を与える。【選択図】  図１
2004309217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コーティング被膜で所定の部位を被覆した試験片のうち前記コーティング被膜が被覆されない所要の冷却部位に冷却流体を供給して前記試験片を冷却する冷却手段と、前記試験片のコーティング被膜を加熱する加熱手段と、前記試験片の所要の方向に荷重を負荷して歪を発生させる荷重負荷手段と、前記試験片の所要の部位の温度を計測する温度計測手段と、前記試験片の歪量を計測する変位検出手段と、前記試験片に負荷された荷重を計測する荷重計測手段と、試験機制御手段とを具備し、前記試験機制御手段は前記温度計測手段が計測した前記試験片の温度に基づいて前記冷却手段および加熱手段の少なくとも一方を制御して、前記試験片の温度が所定の繰返し波形となるように前記試験片に熱疲労を与え、さらに前記変位検出手段が計測した前記試験片の歪量と前記荷重計測手段が計測した前記試験片に負荷された荷重値に基づいて前記荷重負荷手段を制御して、前記試験片の歪量が所定の繰返し波形となるように前記試験片に機械疲労を与えることができるように構成したことを特徴とするコーティング被膜疲労試験装置。
【請求項２】
前記試験片の近傍に、熱疲労および機械疲労により剥落した前記コーティング被膜を収集するコーティング被膜収集手段と、収集した前記コーティング被膜の重量を測定する重量測定手段とを設けたことを特徴とする請求項１記載のコーティング被膜疲労試験装置。
【請求項３】
前記試験片の近傍に、熱疲労および機械疲労により剥落した前記コーティング被膜を収集するコーティング被膜収集手段と、収集した前記コーティング被膜の重量を測定する重量測定手段とを設け、前記試験機制御手段は前記コーティング被膜収集手段に収集された前記コーティング被膜の重量を前記重量測定手段から得て、前記コーティング被膜収集手段に収集された前記コーティング被膜の重量が所定の重量となったときに、前記試験片への熱疲労および機械疲労の負荷を停止させるように制御可能に構成したことを特徴とする請求項１記載のコーティング被膜疲労試験装置。
【請求項４】
前記試験片は筒状に構成され、前記試験片の外表面の所定の部位は前記コーティング被膜で被覆される一方、前記試験片の内部は前記冷却流体の流路を形成し、前記冷却流体により前記試験片の内部が冷却されるように構成したことを特徴とする請求項１記載のコーティング被膜疲労試験装置。
【請求項５】
前記試験片は板状あるいは柱状に構成され、前記試験片の側面の所定の部位は前記コーティング被膜で被覆される一方、前記試験片の前記コーティング被膜で被覆されない所定の部位に沿って前記冷却流体が流れるように構成したことを特徴とする請求項１記載のコーティング被膜疲労試験装置。
【請求項６】
前記試験片は筒状に構成され、前記試験片の外表面の所定の部位は前記コーティング被膜で被覆され、かつ所定の厚さに減肉されて減肉状態の前記コーティング被膜の品質の評価が可能となるように構成される一方、前記試験片の内部は前記冷却流体の流路を形成し、前記冷却流体により前記試験片の内部を冷却することを特徴とする請求項１記載のコーティング被膜疲労試験装置。
【請求項７】
前記試験片は筒状に構成され、前記試験片の外表面の所定の部位は前記コーティング被膜で被覆され、かつ前記コーティング被膜の一部が剥落した状態に形成されて一部が剥落した状態の前記コーティング被膜の品質の評価が可能となるように構成される一方、前記試験片の内部は前記冷却流体の流路を形成し、前記冷却流体により前記試験片の内部を冷却することを特徴とする請求項１記載のコーティング被膜疲労試験装置。
【請求項８】
前記試験片は筒状に構成され、前記試験片の外表面の所定の部位は前記コーティング被膜で被覆され、かつ前記試験片の内外を貫通する貫通孔が設けられ、貫通孔を有する前記コーティング被膜の品質の評価が可能となるように構成される一方、前記試験片の内部は前記冷却流体の流路を形成し、前記冷却流体により前記試験片の内部を冷却することを特徴とする請求項１記載のコーティング被膜疲労試験装置。
【請求項９】
コーティング被膜で所定の部位を被覆した試験片のうち前記コーティング被膜が被覆されない所要の冷却部位を冷却流体により冷却するステップと、前記試験片のコーティング被膜を加熱するステップと、前記試験片の所要の方向に荷重を負荷して歪を発生させるステップと、前記試験片の所要の部位の温度を計測するステップと、前記試験片の歪量を計測するステップと、前記試験片に負荷された荷重を計測するステップと、前記試験片の温度が所定の繰返し波形となるように前記試験片に熱疲労を与えるステップと、前記試験片の歪量が所定の繰返し波形となるように前記試験片に機械疲労を与えるステップとを具備することを特徴とするコーティング被膜疲労試験方法。
【請求項１０】
前記試験片に熱疲労および機械疲労を与えることにより剥落した前記コーティング被膜を収集するステップと、収集した前記コーティング被膜の重量を測定するステップと、測定した前記コーティング被膜の重量が所定の重量となったときに前記試験片への熱疲労および機械疲労の負荷を停止させるステップとを具備することを特徴とする請求項９記載のコーティング被膜疲労試験方法。
【請求項１１】
前記試験片に熱疲労および機械疲労を与えることにより剥落した前記コーティング被膜を収集するステップと、収集した前記コーティング被膜の重量を測定するステップと、測定した前記コーティング被膜の重量が所定の重量となったときに前記試験片への熱疲労および機械疲労の負荷を停止させるステップと、剥落した前記コーティング被膜の重量が所定の重量となるまでに前記試験片に負荷した熱疲労および機械疲労の繰返し回数により前記コーティング被膜の品質を評価するステップとを具備することを特徴とする請求項９記載のコーティング被膜疲労試験方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コーティング被膜により被覆された試験片に所定の熱機械疲労を与え、熱機械疲労により剥落したコーティング被膜の重量を計測してコーティング被膜およびコーティング施工の品質を評価するコーティング被膜疲労試験装置およびコーティング被膜疲労試験方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの燃焼器、動翼、静翼等の構成部材は高温の燃焼ガス雰囲気中に設けられる。このため、これらの構成部材を高温の燃焼ガスから遮熱する遮熱機能または高温の燃焼ガスに対する耐酸化機能を得るために、構成部材は基材に例えばセラミックで構成される遮熱コーティング被膜や耐食コーティング被膜等のコーティング被膜が被覆される。
【０００３】
しかし、ガスタービンの動翼等の構成部材は、一定の荷重下におかれて定常的に熱機械疲労を受けるため、構成部材の基材を被覆するコーティング被膜が基材から離れて剥離し、さらには周囲のコーティング被膜との結合力を失って基材から脱落して剥落する恐れがある。
【０００４】
そこで、従来、コーティング被膜の損傷度あるいは構成部材の基材への密着度等の品質を評価する方法として、コーティング被膜で基材を被覆した試験片に小球を衝突させて、コーティング被膜が基材から剥離したときの剥離面積の大きさを計測することにより、コーティング被膜の品質を評価する方法が提案される（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、従来、タービン翼等の複雑な形状の構成部材に被覆されたコーティング被膜の剥離の有無および大きさを検出する方法として、赤外線カメラによりコーティング被膜の剥離を検出する方法と超音波探傷器によりコーティング被膜の剥離を検出する方法とを併用した方法がある（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
構成部材にコーティング被膜の剥離が存在すると、剥離部位においては熱伝導率が他の部位と異なるため、構成部材を加熱したときに温度差が生じる。赤外線カメラを使用する剥離検出方法は、構成部材を加熱し、加熱した構成部材から放射される赤外線を赤外線カメラで撮影して構成部材の温度を計測することにより剥離を検出するものである。
【０００７】
一方、超音波探傷器を使用する剥離検出方法は、構成部材の内部に超音波を発生させて、構成部材の剥離部位において反射した超音波を検出することにより剥離を検出するものである。
【０００８】
同様に、ロケットエンジン燃焼器ような複雑な形状をした構成部材に対してコーティング被膜の剥離を検査するシステムとして、構成部材にレーザビームを照射して加熱し、加熱された構成部材から放射される赤外線を棒状のセンサ部で受光し赤外線放射温度計により構成部材の温度を計測することによりコーティング被膜の剥離を検出するシステムがある（例えば特許文献３参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２７７３８３号公報（第１頁−第７頁、図１参照）
【００１０】
【特許文献２】
特開２０００−２０６１００号公報（第１頁−第６頁、図１参照）
【００１１】
【特許文献３】
特開２００１−１０８６４３号公報（第１頁−第５頁、図１参照）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の、コーティング被膜の品質評価方法は、コーティング被膜の基材からの剥離を検出して、検出したコーティング被膜の剥離面積によりコーティング被膜の品質を評価する方法であるため、非破壊的かつ連続的にコーティング被膜の基材からの剥離を検出する必要がある。
【００１３】
また、ガスタービンのタービン翼等の熱機械疲労下の構成部材に使用される遮熱コーティング被膜等のコーティング被膜は、基材から剥離した状態ではコーティング被膜の遮熱機能が失われず、基材から剥落して始めて遮熱機能が失われるものが多い。
【００１４】
このため、熱機械疲労下のコーティング被膜の品質を評価する場合、コーティング被膜が基材から剥離した状態を検出して評価するよりも、基材から剥落した状態を基準とするほうが現実に即し、より正確にコーティング被膜の品質を評価することができる。
【００１５】
本発明はかかる従来の事情に対処するためになされたものであり、コーティング被膜により被覆された試験片に所定の熱機械疲労を与えて試験片からコーティング被膜を剥落させることが可能なコーティング被膜疲労試験装置およびコーティング被膜疲労試験方法を提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明の他の目的は、コーティング被膜の試験片からの剥落を基準としてコーティング被膜の品質を評価することが可能なコーティング被膜疲労試験方法を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコーティング被膜疲労試験装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、コーティング被膜で所定の部位を被覆した試験片のうち前記コーティング被膜が被覆されない所要の冷却部位に冷却流体を供給して前記試験片を冷却する冷却手段と、前記試験片のコーティング被膜を加熱する加熱手段と、前記試験片の所要の方向に荷重を負荷して歪を発生させる荷重負荷手段と、前記試験片の所要の部位の温度を計測する温度計測手段と、前記試験片の歪量を計測する変位検出手段と、前記試験片に負荷された荷重を計測する荷重計測手段と、試験機制御手段とを具備し、前記試験機制御手段は前記温度計測手段が計測した前記試験片の温度に基づいて前記冷却手段および加熱手段の少なくとも一方を制御して、前記試験片の温度が所定の繰返し波形となるように前記試験片に熱疲労を与え、さらに前記変位検出手段が計測した前記試験片の歪量と前記荷重計測手段が計測した前記試験片に負荷された荷重値に基づいて前記荷重負荷手段を制御して、前記試験片の歪量が所定の繰返し波形となるように前記試験片に機械疲労を与えることができるように構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明に係るコーティング被膜疲労試験方法は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、コーティング被膜で所定の部位を被覆した試験片のうち前記コーティング被膜が被覆されない所要の冷却部位を冷却流体により冷却するステップと、前記試験片のコーティング被膜を加熱するステップと、前記試験片の所要の方向に荷重を負荷して歪を発生させるステップと、前記試験片の所要の部位の温度を計測するステップと、前記試験片の歪量を計測するステップと、前記試験片に負荷された荷重を計測するステップと、前記試験片の温度が所定の繰返し波形となるように前記試験片に熱疲労を与えるステップと、前記試験片の歪量が所定の繰返し波形となるように前記試験片に機械疲労を与えるステップとを具備することを特徴とする方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係るコーティング被膜疲労試験装置の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は本発明に係るコーティング被膜疲労試験装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【００２１】
コーティング被膜疲労試験装置１は、熱機械疲労試験を行うための試験機２と、この試験機２に設けられた冷却系の一例である冷却空気循環系３とに試験機制御装置４と情報処理システム５を接続した構成である。情報処理システム５は演算記憶装置６、モニタ７および入力装置８で構成される。
【００２２】
試験機２は、柱形状である複数本、例えば２本の試験機コラム９が試験機土台１０上に試験機２の設置面に対して垂直方向に向けて設けられ、さらに試験機コラム９に試験機２の設置面側から順次試験機ベッド１１と試験機クロスヘッド１２とが間隔をおいて横架される。試験機ベッド１１にはアクチュエータ１３が設けられ、このアクチュエータ１３は試験機コラム９の長手方向に駆動可能に構成される。
【００２３】
そして、試験機土台１０、試験機コラム９、試験機クロスヘッド１２およびアクチュエータ１３を具備した試験機ベッド１１により荷重負荷機構が形成される。
【００２４】
さらに、アクチュエータ１３には、重量測定器１４が設けられ、この重量測定器１４の重量測定台は容器状に形成されコーティング被膜収集容器１５とされる。
【００２５】
一方、試験機２の試験機クロスヘッド１２には、荷重計測器の一例であるロードセル１６が設けられる。
【００２６】
また、コーティング被膜疲労試験装置１による熱機械疲労試験に使用される試験片１７は例えば中空筒状であり、試験片１７は両端部の外周長よりも中央部の外周長のほうが小さくなるようにくびれ形状に予め加工される。そして、試験片１７は軸方向が試験機コラム９の長手方向と平行となる向きでコーティング被膜収集容器１５とロードセル１６との間に配置される。
【００２７】
このため、アクチュエータ１３を昇降駆動させて試験片１７に荷重を作用させ、ロードセル１６によりその荷重値を計測することができる。さらに、熱機械疲労試験中に試験片１７から剥落したコーティング被膜をコーティング被膜収集容器１５内に収集して、収集したコーティング被膜の重量を重量測定器１４により測定することが可能である。
【００２８】
この重量測定器１４は情報処理システム５と接続され、重量測定器１４により測定したコーティング被膜の重量は情報処理システム５の演算記憶装置６に与えられて記憶される。さらに、演算記憶装置６に記憶されたコーティング被膜の重量はモニタ７から確認することができる。
【００２９】
また、試験片１７の中央部の近傍には、加熱ヒータ１８が設けられ、この加熱ヒータ１８は加熱炉筺体１９で覆われる。このため、試験片１７の中央部は、加熱炉筺体１９の内部において、加熱ヒータ１８により加熱することができる。
【００３０】
さらに、試験片１７の中央部には、温度計測系２０と変位検出器２３とが設けられる。
【００３１】
温度計測系２０は、外表面温度計測装置２１と内表面温度計測装置２２とで構成される。そして、温度計測系２０の外表面温度計測装置２１は、試験片１７の外表面における温度を計測可能に設けられる一方、内表面温度計測装置２２は円筒状の試験片１７の軸孔の内表面における温度を計測可能に設けられる。
【００３２】
このため、試験片１７の中央部における外表面および内表面の温度と、試験片１７の中央部の長手方向の歪を計測することができる。
【００３３】
一方、試験機２には冷却空気循環系３が設けられる。冷却空気循環系３は、空気圧縮装置２４、圧縮空気冷却装置２５および流量制御装置２６が直列に接続された構成である。そして、空気圧縮装置２４、圧縮空気冷却装置２５、流量制御装置２６および円筒状の試験片１７の内部を経由して再び空気圧縮装置２４に導かれる空気の循環路２７が形成され、計測対象物である試験片１７の冷却空気循環系３が構成される。
【００３４】
そして、空気圧縮装置２４で圧縮された圧縮空気が圧縮空気冷却装置２５において冷却されて冷却流体の一例である冷却空気Ｘとなり、さらにこの冷却空気Ｘは、流量制御装置２６において空気流量が調節されて円筒状の試験片１７の内部に供給され、試験片１７の内表面を冷却した後、再び空気圧縮装置２４に導かれるように循環せしめられる。
【００３５】
また、コーティング被膜疲労試験装置１の試験機制御装置４は、試験機２の試験機ベッド１１に設けられたアクチュエータ１３に接続され、アクチュエータ１３の位置を試験機コラム９の長手方向に駆動可能にすなわち昇降自在に制御することができる。さらに、試験機制御装置４は、試験機２の試験機ベッド１１と試験機クロスヘッド１２との間に設けられた圧縮空気冷却装置２５および流量制御装置２６と接続され、空気の温度および流量を制御することができる。
【００３６】
また、試験機制御装置４は、試験機２の試験機クロスヘッド１２に設けられたロードセル１６、試験片１７の中央部に設けられた外表面温度計測装置２１、内表面温度計測装置２２および変位検出器２３と接続され、試験片１７にかかる荷重、試験片１７の温度および試験片１７に発生した歪の各計測値を得ることができる。
【００３７】
さらに、試験機制御装置４は、情報処理システム５と接続され、情報処理システム５のモニタ７で試験機２および冷却空気循環系３の制御情報および試験片１７の各計測装置の計測値を確認することが可能であり、入力装置８から制御指令を入力することができるように構成される。
【００３８】
そして、試験機制御装置４は、試験片１７の温度および試験片１７に発生した歪が所要の繰返し波形となるように試験機２のアクチュエータ１３と、冷却空気循環系３の圧縮空気冷却装置２５および流量制御装置２６を制御して、試験片１７に熱機械疲労を負荷することが可能となるように構成される。
【００３９】
また、試験機制御装置４が試験片１７に負荷した熱機械疲労の繰返し回数は、情報処理システム５に与えられ、情報処理システム５の演算記憶装置６に記憶されるとともにモニタ７から確認することができる。
【００４０】
次に、コーティング被膜疲労試験装置１による熱機械疲労試験に使用される試験片１７の形状について説明する。
【００４１】
図２は図１に示す試験機２に設けられる試験片１７の形状を示す図である。
【００４２】
試験片１７は、円筒状の基材３０、ボンド層３１およびコーティング被膜であるトップ層３２で構成される。円筒状の基材３０は、中央部にくびれ状の凹部を有し、両端部の横断面の外周長よりも中央部の横断面の外周長のほうが短いくびれ形状である。すなわち、試験片１７の両端部よりも中央部の横断面の外周長が短くなる形状として、試験片１７に荷重をかけたときに、中央のくびれ部に荷重が集中して集中荷重が作用し、中央部に歪が生じるように構成される。
【００４３】
そして、基材３０の中央部（くびれ部）である凹部の外表面には、ボンド層３１を介してコーティングが施工されてトップ層３２が設けられ、３層状に形成される。
【００４４】
また、試験片１７の凹部近傍には外表面温度計測装置２１のセンサ部である放射温度計３３が設けられる一方、試験片１７の軸孔３４の内部には内表面温度計測装置２２のセンサ部である熱電対３５が設けられる。
【００４５】
次に、コーティング被膜疲労試験装置１による熱機械疲労試験の手順について説明する。
【００４６】
まず、試験片１７が試験機２に設けられ、ロードセル１６を駆動させて試験片１７に所定の荷重が架けられる。このため、試験片１７には軸方向に歪が発生する。そして試験片１７に発生した歪量は変位検出器２３により計測される。さらに、試験機制御装置４は計測された歪量に基づいて試験片１７の歪量が所定の値となるようにアクチュエータ１３を昇降駆動させて試験片１７の位置を制御し、試験片１７にかけられる荷重を調節する。
【００４７】
一方、円筒状の試験片１７の外表面は加熱ヒータ１８で加熱され、軸孔３４の内表面は流量制御装置２６から供給される冷却空気Ｘにより冷却される。このとき流量制御装置２６が試験片１７の軸穴の内部に供給する冷却空気Ｘの量および温度は、試験機制御装置４により制御される。このため、試験片１７の外表面は所定の温度に制御される。
【００４８】
すなわち、試験片１７には温度と歪量が時間的に繰返し変化する熱機械疲労が与えられる。
【００４９】
図３は図１に示す試験機２に設けられる試験片１７の温度および歪の試験波形の一例を示す図である。
【００５０】
図３において上部に試験片１７の温度波形４０を下部に歪波形４１を示す。温度波形４０を表示する部分の縦軸は試験片１７の温度を、歪波形４１を表示する部分の縦軸は試験片１７に発生した歪量を表し、横軸は共に時間を表す。
【００５１】
図３に示すように、試験片１７の外表面の温度および試験片１７の軸方向の歪は周期的に増減を繰り返すように制御される。さらに、コーティング施工面となる試験片１７の外表面の温度が最大となるときに歪が最大の引張となり、かつ試験片１７の外表面の温度が最小となるときに歪が最大の圧縮となるように、すなわち温度波形４０と歪波形４１とが同傾向を示すように制御される。
【００５２】
図３に示す試験片１７の温度波形４０と歪波形４１とは、実機の使用状態における熱機械疲労の例を模擬したものである。このように、所要の実機の使用状態を模擬して任意に試験片１７の温度波形４０と歪波形４１とを制御することができる。
【００５３】
試験片１７に温度変化と歪量の変化とを繰返し与え、熱機械疲労を与えると試験片１７は次第に破損し、トップ層３２が剥落する。
【００５４】
図４は図１に示すコーティング被膜疲労試験装置１により熱機械疲労試験を行ったときの試験片１７からトップ層３２が剥落するまでの状態変化の一例を示す図である。
【００５５】
図４（ａ）は、熱機械疲労を与える前の、すなわちトップ層３２のコーティング施工直後の試験片１７の構造を示す。試験片１７は、基材３０の外表面側にボンド層３１を介してトップ層３２がコーティングされる。
【００５６】
そして、一定回数温度と歪量が時間的に繰返し変化する熱機械疲労を試験片１７に与えると図４（ｂ）に示すように微小亀裂５０がトップ層３２とボンド層３１との界面に複数箇所発生する。
【００５７】
さらに、一定回数熱機械疲労を試験片１７に与えると図４（ｃ）に示すように各微小亀裂５０が進展して連結した後、図４（ｄ）に示すようにトップ層３２はボンド層３１から剥離して剥離部位５１が形成される。
【００５８】
そして、試験片１７のトップ層３２がボンド層３１から剥離した状態で、さらに一定回数熱機械疲労を試験片１７に与えると図４（ｅ）に示すようにトップ層３２はボンド層３１から剥落して剥落部位５２が形成される。
【００５９】
熱機械疲労を試験片１７に与えた結果、剥落したトップ層３２は、コーティング被膜収集容器１５により収集され、収集されたトップ層３２の重量は重量測定器１４により測定される。
【００６０】
そして、重量測定器１４により測定された試験片１７から剥落したトップ層３２の重量が所定の値となった時点で、試験片１７に繰返し与える熱機械疲労を停止する。さらに、このときの試験片１７に繰返し与えた熱機械疲労の回数と、試験片１７から剥落したトップ層３２の重量とが情報処理システム５の演算記憶装置６に記録され、記録された熱機械疲労の回数と、試験片１７から剥落したトップ層３２の重量とから試験片１７の基材３０に設けられたトップ層３２の熱機械疲労に対する品質評価が行われる。
【００６１】
すなわち、コーティング被膜疲労試験装置１は中空筒状である試験片１７の軸孔３４内部の温度が一定の繰返し波形となるように冷却空気Ｘで冷却する一方、外表面を加熱して試験片１７に熱疲労を与え、さらに荷重を変動させて試験片１７に負荷することにより試験片１７に繰返し波形で変動する歪を発生させ、機械的な疲労を与える装置である。
【００６２】
そして、試験片１７に与えられた熱機械疲労により剥落したトップ層３２の重量を計測することで、試験片１７の熱機械疲労に対する品質を評価するものである。
【００６３】
コーティング被膜疲労試験装置１では、コーティング被膜を被覆した試験片１７に熱機械疲労を負荷することができる。さらに、熱機械疲労でより試験片１７から剥落したコーティング被膜であるトップ層３２の重量を計測することができるため、コーティング被膜の剥落を基準としてコーティング被膜の品質を評価することができる。
【００６４】
また、試験片１７から剥落したコーティング被膜の重量から、試験片１７に形成された剥落面積の算出が可能となる。
【００６５】
また、コーティング被膜疲労試験装置１では、コーティング被膜を被覆した試験片１７を冷却空気循環系３から供給された冷却空気Ｘで冷却し、かつ加熱ヒータ１８により加熱することにより熱疲労とともに温度差を与えることができる。このため、部分的に温度差を有する実機に対し、より実際の環境に近い条件により熱機械疲労試験を行うことができる。
【００６６】
また、試験片１７が筒状であり、コーティング被膜であるトップ層３２が環状に連続した外表面を形成するため、コーティング被膜が不連続となる端部が長手方向に存在せず、コーティング被膜の端部における剥離あるいは剥落の影響を低減させて、より均一な状態で熱機械疲労試験を行うことができる。
【００６７】
試験片１７に繰返し与える熱機械疲労を停止する条件となる剥落後のトップ層３２の重量は、例えば、実機においてトップ層３２の剥落により実機の酸化が加速され、あるいは熱応力の増加につながる恐れが生じるトップ層３２の剥落面積から算出する方法がある。
【００６８】
図５は図１に示すコーティング被膜疲労試験装置１により熱機械疲労試験を行ったときの、試験片１７に繰返し与えた熱機械疲労の回数と試験片１７から剥落したトップ層３２の重量との関係を示すグラフである。
【００６９】
図５において、縦軸は試験片１７から剥落したトップ層３２の重量を示し、横軸は試験片１７に繰返し与えた熱機械疲労の回数を示す。
【００７０】
また、剥落重量変化曲線６０はトップ層３２がコーティングＡである場合の熱機械疲労の回数と試験片１７から剥落したトップ層３２の重量との関係を表し、剥落重量変化曲線６１はトップ層３２がコーティングＢである場合の熱機械疲労の回数と試験片１７から剥落したトップ層３２の重量との関係を表す。
【００７１】
図５から試験片１７のトップ層３２を形成するコーティング被膜の施工方法および条件により、試験片１７から剥落したトップ層３２の重量は異なる傾向を示すことが分かる。すなわち、剥落重量変化曲線６０は熱機械疲労の回数が増加するにつれて直線的に試験片１７から剥落したトップ層３２の重量も増加するが、剥落重量変化曲線６１は、熱機械疲労の回数がある値を超えるまでは、試験片１７から剥落したトップ層３２の重量は無視できる程度であり、熱機械疲労の回数がある値を超えると著しく試験片１７から剥落したトップ層３２の重量が増加する。
【００７２】
このため、コーティングＢの品質が、コーティングＡの品質よりも良好であることが分かる。
【００７３】
図６は図１に示すコーティング被膜疲労試験装置１により熱機械疲労試験を行ったときの、試験片１７に繰返し発生させた歪量の範囲と試験片１７から剥落したトップ層３２の重量が所定の重量となったときの繰返し回数の関係を示すグラフである。
【００７４】
図６において、縦軸は試験片１７に繰返し発生させた歪量の範囲を、横軸は試験片１７から剥落したトップ層３２の重量が所定の重量となったときの繰返し回数をそれぞれ表す。
【００７５】
また図６中の曲線は、試験片１７に繰返し発生させた歪量の範囲と試験片１７から剥落したトップ層３２の重量が所定の重量となったときの繰返し回数との関係を示す剥落評価曲線７０である。
【００７６】
図６に示す剥落評価曲線７０から、試験片１７に繰返し発生させた歪量の範囲が大きい程、すなわち、歪量の変動が大きい程、より少ない熱機械疲労の繰返し回数で試験片１７から剥落したトップ層３２の重量が所定の重量となることが分かる。そして、剥落評価曲線７０は試験片１７に繰返し発生させた歪量の範囲が最大値７１のとき熱機械疲労の繰返し回数が１回となるとなることが分かる。
【００７７】
すなわち、試験片１７に繰返し発生させる歪量の範囲が最大値７１を超えると、試験片１７に与える熱機械疲労の繰返し回数が１回で、試験片１７から剥落したトップ層３２の重量が所定の重量を超えることが分かる。
【００７８】
一方、試験片１７に繰返し発生させた歪量の範囲が小さくなるにつれて、試験片１７から剥落したトップ層３２の重量が所定の重量となったときの繰返し回数は増加する。さらに、試験片１７に繰返し発生させた歪量の範囲を小さくすると、試験片１７から剥落したトップ層３２の重量が所定の重量となったときの繰返し回数は限りなく増加し、剥落評価曲線７０は一定の歪量の範囲の値をとる漸近線７２に漸近する。
【００７９】
すなわち、試験片１７に繰返し発生させる歪量の範囲が、漸近線７２の歪量の範囲の値よりも小さければ、試験片１７から剥落したトップ層３２の重量は所定の重量よりも小さくなることが分かる。
【００８０】
図７は図１に示す試験機２に設けられる試験片１７の形状の第１の変形例を示す図である。
【００８１】
試験片１７ａは、図２に示す試験片１７と同様に円筒状の基材３０のくびれ部である凹部外表面上にボンド層３１を介してトップ層３２が形成される。そして、試験片１７ａの近傍には放射温度計３３が設けられる一方、円筒状である試験片１７ａの基材３０の軸孔３４の内表面には熱電対３５が設けられる。
【００８２】
さらに、試験片１７ａのトップ層３２の一部は、予め液体あるいは粒状体によりエロージョン（浸食）されて磨耗し、減肉されてエロージョン部８０が形成される。すなわち、試験片１７ａのトップ層３２が損傷あるいは施工不良等の原因により、減肉された状態が模擬される。
【００８３】
このため、コーティング被膜疲労試験装置１の試験機２に試験片１７ａを設置して熱機械疲労試験を行うことにより、損傷あるいは施工不良等の原因によりトップ層３２が減肉された状態において、試験片１７ａから剥落したトップ層３２の重量を計測し、品質を評価することができる。さらに、トップ層３２の厚さが品質に及ぼす影響について評価することが可能となる。
【００８４】
図８は図１に示す試験機２に設けられる試験片１７の形状の第２の変形例を示す図である。
【００８５】
試験片１７ｂは、図２に示す試験片１７と同様に円筒状の基材３０のくびれ部である凹部外表面上にボンド層３１を介してトップ層３２が形成される。そして、試験片１７ｂの近傍には放射温度計３３が設けられる一方、円筒状である試験片１７ｂの基材３０の軸孔３４の内表面には熱電対３５が設けられる。
【００８６】
さらに、試験片１７ｂのトップ層３２の一部は、例えば小球を衝突させることにより予め部分的に剥落され、部分剥落部８１が形成される。すなわち、試験片１７ｂに例えば飛翔体が衝突して部分的にトップ層３２が剥落した状態が模擬される。
【００８７】
このため、コーティング被膜疲労試験装置１の試験機２に試験片１７ｂを設置して熱機械疲労試験を行うことにより、例えば飛翔体が衝突して部分的にトップ層３２が部分的に剥落した状態において、試験片１７ｂから剥落したトップ層３２の重量を計測し、品質を評価することができる。
【００８８】
図９は図１に示す試験機２に設けられる試験片１７の形状の第３の変形例を示す図であり、図１０は図９に示す試験片１７ｃのＡ−Ａ’断面のトップ層３２とボンド層３１の界面における貫通孔８２近傍の応力分布を示す図である。
【００８９】
試験片１７ｃは、図２に示す試験片１７と同様に円筒状の基材３０のくびれ部である凹部外表面上にボンド層３１を介してトップ層３２が形成される。そして、試験片１７ｃの近傍には放射温度計３３が設けられる一方、円筒状である試験片１７ｃの基材３０の軸孔３４の内表面には熱電対３５が設けられる。
【００９０】
さらに、試験片１７ｃには、基材３０、ボンド層３１およびトップ層３２を貫通する貫通孔８２が予め穿孔される。すなわち、試験片１７ｃは、例えば図２に示す試験片１７に冷却空気噴出孔が設けられる場合のように、貫通孔８２が設けられた状態が模擬される。
【００９１】
このため、コーティング被膜疲労試験装置１の試験機２に試験片１７ｃを設置して熱機械疲労試験を行うことにより、試験片１７ｃに貫通孔８２が設けられた状態において、試験片１７ｃの貫通孔８２近傍から剥落したトップ層３２の重量を計測し、品質を評価することができる。
【００９２】
また、トップ層３２にセラミックス、ボンド層３１に金属を用いた場合、試験片１７ｃのＡ−Ａ’断面のトップ層３２とボンド層３１の界面における貫通孔８２近傍の応力分布は図１０に示すようになる。
【００９３】
図１０において縦軸はトップ層３２とボンド層３１の界面に垂直な方向の応力を示し、横軸はトップ層３２とボンド層３１の界面の位置を示す。図１０中の曲線は、試験片１７ｃのＡ−Ａ’断面のトップ層３２とボンド層３１の界面における応力分布曲線８３を表す。
【００９４】
図１０の応力分布曲線８３から、試験片１７ｃのトップ層３２とボンド層３１の界面の応力は、試験片１７ｃに設けられた貫通孔８２に近づく程、他の部位に比べて著しく大きくなることが分かる。すなわち、試験片１７ｃの貫通孔８２近傍においては、トップ層３２とボンド層３１の界面の応力が他の部位に比べて局所的に大きく応力集中が発生している。
【００９５】
これは、試験片１７ｃの貫通孔８２近傍においては、トップ層３２とボンド層３１の材料が不連続であるためと考えられる。
【００９６】
このため、試験片１７ｃの貫通孔８２近傍においては、応力集中に伴って、トップ層３２の試験片１７ｃからの剥離が生じやすくなることが分かる。
【００９７】
図１１は図１に示す試験機２に設けられる試験片１７の形状の第４の変形例を示す図であり、図１２は、図１１に示すＢ−Ｂ’の断面図である。
【００９８】
試験片１７ｄは、図２に示す試験片１７と同様に円筒状の基材３０のくびれ部である凹部外表面上にボンド層３１を介してトップ層３２が形成される。そして、試験片１７ｄの近傍には放射温度計３３が設けられる一方、円筒状である試験片１７ｄの基材３０の軸孔３４の内表面には熱電対３５が設けられる。
【００９９】
試験片１７ｄあるいは実機は、例えば溶射ガンを使用してトップ層３２を基材３０に溶射することによりコーティング施工される。このとき、溶射ガンの溶射方向は、トップ層３２の厚さ方向に垂直な向きとするほうが、より均一に安定して基材３０にトップ層３２をコーティング施工することができる。
【０１００】
しかし、試験片１７ｄの基材３０あるいは実機が筒状である場合には、基材３０あるいは実機は曲率を有し、トップ層３２の厚さ方向は部位によって角度が異なる。このため、正確に溶射ガンの溶射方向を、トップ層３２の厚さ方向に垂直な向きとすることは困難であり、実際には、溶射ガンの溶射方向はトップ層３２の厚さ方向に常に垂直とはならない。
【０１０１】
従って、溶射ガンの溶射方向とトップ層３２の厚さ方向とが垂直でない場合におけるトップ層３２のコーティング施工の品質評価が必要となる。
【０１０２】
そこで、図１２に示すように試験片１７ｄでは、溶射ガン８４の溶射方向Ｙは試験片１７ｄの横断面に平行な任意の方向に固定され、溶射ガン８４を試験片１７ｄの横断面の半径方向Ｚに移動させて、基材３０にトップ層３２がその厚さが均一となるようにコーティング施工される。
【０１０３】
このため、溶射ガン８４の溶射方向Ｙとトップ層３２の厚さ方向とのなす角度θは、０度から９０度に変化し、全ての角度θにおけるトップ層３２のコーティング施工状態を得ることができる。
【０１０４】
そして、コーティング被膜疲労試験装置１の試験機２に試験片１７ｄを設置して熱機械疲労試験を行うことにより、溶射ガン８４のトップ層３２の溶射方向Ｙとトップ層３２の厚さ方向とのなす角度θが各値であるときのトップ層３２のコーティング施工の品質を評価することができる。
【０１０５】
図１３は本発明に係るコーティング被膜疲労試験装置の第２の実施形態に使用する試験片９０の形状を示す図であり、図１４は、図１３のＣ−Ｃ’の断面図である。
【０１０６】
図１３に示された、コーティング被膜疲労試験装置１Ａでは、試験片９０の形状および試験片９０により冷却空気Ｘの循環路２７が形成されない点が、図１に示すコーティング被膜疲労試験装置１と相違している。他の構成および作用については図１に示すコーティング被膜疲労試験装置１と実質的に異ならないため試験片９０の形状以外の構成については図示および説明を省略し、試験片９０において図２に示す試験片１７と同一の構成については同符号を付して説明する。
【０１０７】
コーティング被膜疲労試験装置１Ａは、板状あるいは柱状の試験片９０を使用して熱機械疲労試験が実施される。
【０１０８】
試験片９０の形状は、例えば、平板状であり長手方向の両側面にくびれ状の凹部が設けられる。すなわち、試験片９０の両端部よりも中央部の横断面の面積が小さくなる形状として、試験片９０に荷重をかけたときに、くびれ部である中央部に荷重が集中し、集中荷重により歪が生じるように構成される。
【０１０９】
更に、板状の試験片９０の一方の面は予め板厚加工され、中央部の板厚が両端部よりも薄い形状とされる。そして、この試験片９０の一方の面の薄くなった部位には、ボンド層３１を介してトップ層３２がコーティング施工される。
【０１１０】
一方、試験片９０の板厚加工が施工されない他方の面、すなわちトップ層３２がコーティング施工されない側の面は平坦な形状であり、この面には熱電対３５が設けられる。そして、熱電対３５により、試験片９０のトップ層３２がコーティング施工されない側の表面の温度が計測できるように構成される。
【０１１１】
更に、試験片９０のトップ層３２がコーティング施工された側の近傍には、放射温度計３３が設けられ、この放射温度計３３によりトップ層３２表面の温度を計測することができるように構成される。
【０１１２】
そして、試験片９０のトップ層３２がコーティング施工された側が加熱ヒータ１８側となるように図１に示す試験機２のコーティング被膜収集容器１５とロードセル１６との間に試験片９０が設けられる。さらに、試験片９０のトップ層３２がコーティング施工されない側に図１に示す流量制御装置２６から供給される冷却空気Ｘが吹き付けられるように構成される。
【０１１３】
すなわち、試験片９０のトップ層３２がコーティング施工された側は、加熱ヒータ１８により加熱され、試験片９０のトップ層３２がコーティング施工されない側は、流量制御装置２６から供給される冷却空気Ｘにより冷却される。
【０１１４】
図１５は、図１３のＤ−Ｄ’断面のトップ層３２とボンド層３１の界面における応力分布を示す図である。
【０１１５】
図１５において縦軸はトップ層３２とボンド層３１の界面に垂直な方向の応力を示し、横軸はトップ層３２とボンド層３１の界面の位置を示す。図１５中の曲線は、試験片９０のＤ−Ｄ’断面のトップ層３２とボンド層３１の界面における応力分布曲線９１を表す。
【０１１６】
また、図１５においては、トップ層３２にセラミックス、ボンド層３１に金属を用いた。
【０１１７】
図１５の応力分布曲線９１から、試験片９０のトップ層３２とボンド層３１の界面の応力は、試験片９０の長手方向の両側面に近づく程、他の部位に比べて著しく大きくなることが分かる。すなわち、試験片９０の長手方向の両側面近傍においては、トップ層３２とボンド層３１の界面の応力が他の部位に比べて局所的に大きく応力集中が発生している。
【０１１８】
これは、試験片９０の長手方向の両側面近傍においては、トップ層３２とボンド層３１の材料が不連続であるためと考えられる。
【０１１９】
このため、試験片９０の長手方向の両側面近傍においては、応力集中に伴って、トップ層３２の試験片９０からの剥離が生じやすくなることが分かる。
【０１２０】
コーティング被膜疲労試験装置１Ａでは、試験片９０にコーティング施工されるトップ層３２は端部を有するため、不連続なコーティング被膜における熱機械疲労試験を行い、コーティング被膜の不連続性が品質に与える影響を評価することができる。
【０１２１】
また、コーティング被膜疲労試験装置１Ａでは、試験片９０が筒状でなく中実の板状であるため、例えば、熱機械疲労環境下に設けられる容器壁面や筒状ではあるが横断面の面積が大きく板状に近似できる場合について、トップ層３２のコーティング施工品質を評価することができる。
【０１２２】
尚、コーティング被膜疲労試験装置１，１Ａにおいて、試験片１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，９０を冷却空気循環系から供給される冷却空気により冷却したが、冷却空気に限らず冷却水、冷却用不活性ガス等の任意の流体により冷却してもよい。さらに、必ずしも冷却流体を循環させる必要はなく、試験片１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，９０に冷却流体を供給した後、排出するように構成してもよい。
【０１２３】
また、コーティング被膜疲労試験装置１、１Ａにおいて、温度計測系２０は外表面温度計測装置２１および内表面温度計測装置２２により構成し、試験片１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，９０の冷却部位とコーティング被膜施工部の温度を計測するように構成したが、コーティング被膜の温度制御が可能であれば、外表面温度計測装置２１および内表面温度計測装置２２のいずれか一方を設けなくてもよい。
【０１２４】
また、コーティング被膜疲労試験装置１、１Ａにおいて、試験片１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，９０に熱疲労を負荷することができれば、冷却空気循環系から供給される冷却空気の温度ではなく、加熱ヒータ１８の温度を試験機制御装置４により制御するように構成してもよい。
【０１２５】
【発明の効果】
本発明に係るコーティング被膜疲労試験装置においては、冷却系から供給される冷却流体と加熱ヒータとによりコーティング被膜で被覆された試験片を加熱および冷却して熱疲労を負荷し、かつ荷重負荷機構により機械疲労を負荷させることにより試験片からコーティング被膜を剥落させる熱機械疲労試験を行なうことができる。
【０１２６】
また、試験片から剥落したコーティング被膜の重量を計測することにより、コーティング被膜の剥落を基準としてコーティング被膜の品質を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコーティング被膜疲労試験装置の第１の実施形態を示す構成図。
【図２】図１に示す試験機に設けられる試験片の形状を示す図。
【図３】図１に示す試験機に設けられる試験片の温度および歪の試験波形の一例を示す図。
【図４】図１に示すコーティング被膜疲労試験装置により熱機械疲労試験を行ったときの試験片からトップ層が剥落するまでの状態変化の一例を示す図。
【図５】図１に示すコーティング被膜疲労試験装置により熱機械疲労試験を行ったときの、試験片に繰返し与えた熱機械疲労の回数と試験片から剥落したトップ層の重量との関係を示すグラフ。
【図６】図１に示すコーティング被膜疲労試験装置により熱機械疲労試験を行ったときの、試験片に繰返し発生させた歪量の範囲と試験片から剥落したトップ層の重量が所定の重量となったときの繰返し回数の関係を示すグラフ。
【図７】図１に示す試験機に設けられる試験片の形状の第１の変形例を示す図。
【図８】図１に示す試験機に設けられる試験片の形状の第２の変形例を示す図。
【図９】図１に示す試験機に設けられる試験片の形状の第３の変形例を示す図。
【図１０】図９に示す試験片のＡ−Ａ’断面のトップ層とボンド層の界面における貫通孔近傍の応力分布を示す図。
【図１１】図１に示す試験機に設けられる試験片の形状の第４の変形例を示す図。
【図１２】図１１に示すＢ−Ｂ’の断面図。
【図１３】本発明に係るコーティング被膜疲労試験装置の第２の実施形態に使用する試験片の形状を示す図。
【図１４】図１３のＣ−Ｃ’の断面図。
【図１５】図１３のＤ−Ｄ’断面のトップ層とボンド層の界面における応力分布を示す図。
【符号の説明】
１，１Ａ…コーティング被膜疲労試験装置、２…試験機、３…冷却空気循環系、４…試験機制御装置、５…情報処理システム、６…演算記憶装置、７…モニタ、８…入力装置、９…試験機コラム、１０…試験機土台、１１…試験機ベッド、１２…試験機クロスヘッド、１３…アクチュエータ、１４…重量測定器、１５…コーティング被膜収集容器、１６…ロードセル、１７，１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ…試験片、１８…加熱ヒータ、１９…加熱炉筺体、２０…温度計測系、２１…外表面温度計測装置、２２…内表面温度計測装置、２３…変位検出器、２４…空気圧縮装置、２５…圧縮空気冷却装置、２６…流量制御装置、２７…循環路、３０…基材、３１…ボンド層、３２…トップ層、３３…放射温度計、３４…軸孔、３５…熱電対、４０…温度波形、４１…歪波形、５０…微小亀裂、５１…剥離部位、５２…剥落部位、６０…剥落重量変化曲線、６１…剥落重量変化曲線、７０…剥落評価曲線、７１…最大値、７２…漸近線、８０…エロージョン部、８１…部分剥落部、８２…貫通孔、８３…応力分布曲線、８４…溶射ガン、９０…試験片、９１…応力分布曲線、Ｘ…冷却空気、Ｙ…溶射方向、Ｚ…半径方向、θ…角度。
【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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【図１５】
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