(57)【要約】【課題】  電気化学インピーダンス分光法により基体上の被覆を評価するためのプローブ、および被覆評価システムが提供される。【解決手段】  プローブ（７７）は、内部に液体電解質（９１）を収容できる電解質貯蔵器（９０）と、液体電解質に作用するよう結合されることができるように配置された対極（９５）と、電解質貯蔵器内に液体電解質を保持することができる少なくとも一つのシール装置（９４、９７）と、電解質貯蔵器に作用するよう結合される供給装置とを備えており、供給装置は、対極に作用するよう被覆（５５）を結合するように基体（６０）上の被覆上に所定量の液体電解質を供給することができる。プローブは、参照電極（９２）を備えることもできる。小型の手持ち式のプローブは、製造、修理、および保守環境においてガスタービンエンジン部材上の断熱被覆（５５）の評価するのにも利用でき、それによって、部材の残存寿命を容易に非破壊的に決定できる。【選択図】図２
2005338087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液体電解質を収容できる電解質貯蔵器と、
液体電解質に作用するよう結合されることができるように配置された対極と、
電解質貯蔵器内に液体電解質を保持することができる少なくとも一つのシール装置と、
電解質貯蔵器に作用するよう結合される供給装置と、
を備えた、基体上の被覆を評価するための電極プローブであって、
供給装置は、対極に作用するよう被覆を結合するように基体上の被覆上に所定量の液体電解質を供給することができる、
ことを特徴とする電極プローブ。
【請求項２】
対極は、（ａ）電解質貯蔵器それ自体、および、（ｂ）電解質貯蔵器内に配置された電極のうちの一方または両方から成ることを特徴とする請求項１記載の電極プローブ。
【請求項３】
対極は、所定の金属材料から成ることを特徴とする請求項２記載の電極プローブ。
【請求項４】
所定の金属材料は、基体を構成する金属材料と同じ金属材料、基体を構成する金属材料より貴な金属材料、および基体を構成する金属材料より活性な金属材料のうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする請求項３記載の電極プローブ。
【請求項５】
液体電解質に作用するよう結合されることができる、電解質貯蔵器内に配置された参照電極をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の電極プローブ。
【請求項６】
対極は、電解質貯蔵器内に配置された電極から成り、電極プローブはさらに、電解質貯蔵器内で所定の位置に参照電極と対極とを保持するための保持板を備えることを特徴とする請求項５記載の電極プローブ。
【請求項７】
電極プローブを電気化学インピーダンス分光装置に作用するよう結合するための電気リード線をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の電極プローブ。
【請求項８】
少なくとも一つのシール装置は、電解質貯蔵器内に液体電解質を保持するように、電解質貯蔵器の近接端部に第一のＯリングと、電解質貯蔵器の末端部に第二のＯリングとを備えることを特徴とする請求項１記載の電極プローブ。
【請求項９】
供給装置は、逆止弁、多孔質膜、および多孔質セラミック接合部のうちの少なくとも一つを備えることを特徴とする請求項１記載の電極プローブ。
【請求項１０】
供給装置は、電解質の実質的に残りの全てを電解質貯蔵器内に確実に留まらせながら、所定の事象が生じるときに所定量の液体電解質を被覆上に供給することを特徴とする請求項９記載の電極プローブ。
【請求項１１】
所定の事象は、所定量の液体電解質を電解質貯蔵器から被覆上に流出させるように被覆に対して供給装置を押し付けることを含むことを特徴とする請求項１０記載の電極プローブ。
【請求項１２】
液体電解質が、基体上の被覆に作用するよう結合されるとき、液体電解質と被覆との間に流体連通が存在し、被覆から液体電解質を通って対極への電気経路が提供され、それによって、基体の被覆されていない部分に作用するよう結合される作用電極と対極との間の電気回路が完成することを特徴とする請求項１記載の電極プローブ。
【請求項１３】
電解質は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ4）、および水酸化カリウム（ＫＯＨ）のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載の電極プローブ。
【請求項１４】
参照電極は、飽和甘汞電極とＡｇ／ＡｇＣｌ電極の一方または両方から成ることを特徴とする請求項１記載の電極プローブ。
【請求項１５】
基体上の被覆は、ガスタービンエンジン部材上の断熱被覆系から成ることを特徴とする請求項１記載の電極プローブ。
【請求項１６】
電極プローブは、ガスタービンエンジン部材上の断熱被覆系の残存寿命の推定値を得るのに利用できることを特徴とする請求項１５記載の電極プローブ。
【請求項１７】
電極プローブは、手持ち式とすることができるペン状のプローブから成ることを特徴とする請求項１記載の電極プローブ。
【請求項１８】
電極プローブは、製造環境、修理環境、および保守環境のうちの少なくとも一つの環境において被覆を評価するのに利用できることを特徴とする請求項１記載の電極プローブ。
【請求項１９】
基体の被覆されていない部分に作用するよう結合されることができる作用電極と、
基体上の被覆に作用するよう結合されることができる電極プローブと、
電気化学インピーダンス装置と、
を備えた、基体上の被覆を評価するためのシステムであって、
電極プローブは、第一の電気リード線を介して電気化学インピーダンス装置に電気的に接続され、作用電極は、第二の電気リード線を介して電気化学インピーダンス装置に電気的に接続されることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
作用電極は、基体の被覆されていない部分それ自体から成ることを特徴とする請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
電極プローブは、
内部に液体電解質を収容できる電解質貯蔵器と、
液体電解質に作用するよう結合されることができるように配置された対極と、
電解質貯蔵器内に液体電解質を保持することができる少なくとも一つのシール装置と、
電解質貯蔵器に作用するよう結合されており、かつ被覆を対極に作用するよう結合するように基体上の被覆上に所定量の液体電解質を供給することができる、供給装置と、
を備えることを特徴とする請求項１９記載のシステム。
【請求項２２】
対極は、（ａ）電解質貯蔵器それ自体、および、（ｂ）電解質貯蔵器内に配置された電極のうちの一方または両方から成ることを特徴とする請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
液体電解質に作用するよう結合されることができる、電解質貯蔵器内に配置された参照電極をさらに備えることを特徴とする請求項２１記載のシステム。
【請求項２４】
供給装置は、逆止弁、多孔質膜、および多孔質セラミック接合部のうちの少なくとも一つを備えることを特徴とする請求項２１記載のシステム。
【請求項２５】
供給装置は、電解質の実質的に残りの全てを電解質貯蔵器内に確実に留まらせながら、所定量の液体電解質を被覆上に供給することを特徴とする請求項２１記載のシステム。
【請求項２６】
液体電解質が、基体上の被覆に作用するよう結合されるとき、液体電解質と被覆との間に流体連通が存在し、被覆から液体電解質を通って対極への電気経路が提供され、それによって、基体の被覆されていない部分に作用するよう結合される作用電極と対極との間の電気回路が完成することを特徴とする請求項２１記載のシステム。
【請求項２７】
システムは、ガスタービンエンジン部材上の断熱被覆系を評価するのに利用されることを特徴とする請求項１９記載のシステム。
【請求項２８】
システムは、製造環境、修理環境、および保守環境のうちの少なくとも一つの環境において利用できることを特徴とする請求項１９記載のシステム。
【請求項２９】
ガスタービンエンジン部材上の被覆を非破壊的に評価するための手持ち式システムであって、この手持ち式システムは、
ガスタービンエンジン部材の被覆されていない部分を手持ち式システムに作用するよう結合できる作用電極と、
ガスタービンエンジン部材上の被覆を手持ち式システムに作用するよう結合できるプローブと、
作用電極とプローブとに作用するよう結合される電気化学インピーダンス装置と、
を備えており、
電極プローブは、
内部に液体電解質を収容するシールされた電解質貯蔵器と、
ガスタービンエンジン部材上の被覆を液体電解質に作用するよう結合できる対極と、
シールされた電解質貯蔵器に作用するよう結合されており、かつ被覆を対極に作用するよう結合するようにガスタービンエンジン部材上の被覆上に所定量の液体電解質を供給することができる、供給装置と、
を備えることを特徴とする手持ち式システム。
【請求項３０】
作用電極は、ガスタービンエンジン部材の被覆されていない部分それ自体から成ることを特徴とする請求項２９記載の手持ち式システム。
【請求項３１】
プローブは、液体電解質に作用するよう結合される参照電極をさらに備えることを特徴とする請求項２９記載の手持ち式システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、基体上の被覆を評価するための非破壊検査技術に関する。より詳細には、本発明は、ガスタービンエンジン部材上の熱成長酸化物を評価するために電気化学インピーダンス分光法を用いることに関し、またそれと共に使用するプローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、燃料の形態における化学ポテンシャルエネルギーを熱エネルギーに、さらには、航空機の推進、電力の発生、流体のポンプ輸送その他などに使用するための力学的エネルギーに変換するために長い間使用されている。ガスタービンエンジンの効率は、作動温度の増加とともに増加する。従って、このようなエンジンの燃焼および排気温度を増加させる大きな動機がある。しかしながら、このようなエンジンの高温セクション部材に使用される金属材料は現在、その熱安定性の上限のごく近くにある温度において作動される。実際、現代のガスタービンエンジンの最高温度セクションにおいては、金属材料は、その融点を超える温度における高温ガス経路内において使用される。これらの金属材料は、単に何らかの仕方で空冷されるので持ちこたえるか、あるいは、これらの金属材料は、部材の熱伝導率を低下させる断熱被覆（ｔｈｅｒｍａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｃｏａｔｉｎｇ）（ＴＢＣ）をその上に有しており、それによって、部材が、より高い温度で作動できるので、持ちこたえることができる。
【０００３】
ガスタービンエンジン部材（すなわち、タービンブレード、タービンベーン、シール、燃焼器パネル、その他）上の通常の断熱被覆は一般に、金属接合被覆およびセラミックトップコートを含む。金属接合被覆は、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏ、またはＮｉＣｏである）から成ることができ、任意の適切な仕方で金属製基体に直接施してその上に配置される。断熱セラミックトップコートは、イットリア安定化ジルコニアから成ることができ、任意の適切な仕方で金属接合被覆層に施してその上に配置される。このトップコート層が堆積されている間に、アルミナなどの熱成長酸化物（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｇｒｏｗｎ  ｏｘｉｄｅ）層が、金属接合被覆とセラミックトップコートとの間の金属接合被覆層上に形成する。所定温度における時間とサイクル数が増加するにつれ、このＴＧＯ層は厚みが増大し、ついには、臨界値に達し、その後、被覆の破損が生じる。被覆の破損は、下に位置するガスタービンエンジン部材合金材料を極端な温度に曝すことになり、それによって、合金材料の酸化と腐食の一方または両方が促進され、部材の破損に繋がる。このＴＧＯ層は、ＴＢＣの劣化を制御する重要な要因なので、ＴＢＣの劣化の程度を決定することは、ガスタービンエンジン部材上のＴＢＣの残存寿命および破損の予測に不可欠である。また、部材が被覆されている間に欠陥が生じ得る。従って、製造ラインにおいてあるいは修理または保守環境において、被覆の質を非破壊的に評価する迅速かつ容易な方法を有することは有益である。
【０００４】
現在、部材上のＴＧＯ層の厚みと質を測定または評価するのに使用できるさまざまな非破壊方法が存在する。このような方法は一般に、被覆または被覆された部材の破壊を必要とせずに何らかの物理特性の変化を決定することにより被覆の厚みを測定または評価する。非破壊的方法には、渦電流法、レーザ蛍光法、光ルミネセンス法、スマート（ｓｍａｒｔ）被覆、音響導波管検出法、および磁気的方法、その他などが挙げられる。渦電流法は、駆動コイルを用いて、試験する被覆部材内に渦電流を誘導し、それによって次に、誘導された渦電流で生じる二次的な磁場を、検出コイルによって検出できる。レーザ蛍光法は、セラミックトップコート層上にアルゴンレーザビームを照射し、トップコート層を通過させて、このレーザビームをＴＧＯに到達させることを含み、次いでこのＴＧＯが蛍光を発し、蛍光はトップコートを通って放射され、検出器に到達する。光ルミネセンス法は、被覆に光ルミネセンス材料をドープし、被覆に励起放射を照射し、光ルミネセンス材料の放射スペクトルにおける特性モノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）相ピークの強度の変化を検出することを含む。スマート被覆は、作動中の被覆部材の摩耗および損傷の程度を指示可能な、あるいは、被覆が劣化する間に下流の排気ガス中で検出可能な、化学的識別用添加剤（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｔａｇｇａｎｔ）をドープした被覆である。音響導波管検出法は、被覆が劣化する間に被覆を通過する音響波の大きさおよび速度の変化を検出することを含む。磁気的方法は、被覆の劣化を決定するのに非線形高調波技術を用いることを含む。
【０００５】
最近になって、ガスタービンエンジン部材上のＴＧＯ層の厚みを測定または評価し、それによってＴＢＣの質を評価できる非破壊検査技術として、電気化学インピーダンス分光法（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）（ＥＩＳ）を利用できることが発見された。イットリア安定化ジルコニアは、イオン伝導体であり、ＴＧＯは一般に絶縁体なので、ＥＩＳを用いて、ガスタービンエンジン部材上のＴＢＣのインピーダンススペクトルを測定することができ、それからＴＧＯ内の組成または微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の変化を決定することができる。同一出願人による米国特許出願番号第１０／４１７，０３２号に、このような方法でどのようにＥＩＳを利用できるかの詳細が開示されており、この出願は、参照することによりその全体がここに組み込まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
既存のＥＩＳプローブは、ガスタービンエンジン部材上のＴＢＣを評価するのには理想的ではない。多数の既存のＥＩＳプローブは、実験室用に設計されており、従って、それらは大きく、製造、修理、または保守環境へと容易には適用しにくい。さらに、既存のＥＩＳプローブは一般に、測定する部品を固定する必要があり、既存のプローブは、複雑な表面上では測定できない。多数の既存のＥＩＳプローブは、我々の目的には全く不適当であるか、あるいは、製造、修理、または保守環境で容易にもまた持ち運んでも使用できない高価な実験室用装置から成っているかなので、ＴＢＣの厚み、質、構造の完全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）、劣化の程度、および残存寿命のうちの少なくとも一つを評価すること、および、ＴＧＯ層内の混合酸化物の存在を決定することの一方または両方を行うことができる新しいＥＩＳプローブを有するのが好ましい。理想的には、これらのプローブは、ガスエンジンタービン部材上の被覆の非破壊的な評価を迅速かつ容易に行うことができ、それによって、不良な質のＴＢＣを、下に位置する部材に対する損傷が生じる前に、修理または交換できる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、断熱被覆系の厚み、質、構造の完全性、劣化の程度、および残存寿命のうちの少なくとも一つを評価するのに使用すること、および、熱成長酸化物層内の混合酸化物の存在を決定することの一方または両方を行うことができる新規なＥＩＳプローブの設計に関する本発明の実施態様によって既存のＥＩＳプローブの上述した短所が克服される。本発明のプローブは、既存のＥＩＳプローブよりかなり小さく、本発明のプローブによって、製造、修理、および保守環境のうちの少なくとも一つの環境において複雑な表面上での測定が可能となる。このプローブによって、被覆部材に対する非破壊的な品質管理の調査の実施が迅速かつ容易になり、それによって、不良な質のＴＢＣを特定して、下に位置する部材に対する損傷が生じる前に、修理または交換できる。このプローブは、ガスタービンエンジン部材上の被覆を評価するのに使用できる。
【０００８】
本発明の実施態様は、基体上の被覆を評価するための電極プローブを含む。このプローブは、内部に液体電解質を収容できる電解質貯蔵器と、液体電解質に作用するよう（ｏｐｅｒａｔｉｖｅｌｙ）結合されることができるように配置された対極（ｃｏｕｎｔｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）と、電解質貯蔵器内に液体電解質を保持することができる少なくとも一つのシール装置と、電解質貯蔵器に作用するよう結合される供給装置とを備えており、供給装置は、対極に作用するよう被覆を結合するように基体上の被覆上に所定量の液体電解質を供給することができる。
【０００９】
対極は、電解質貯蔵器それ自体から成ることができ、あるいは、電解質貯蔵器内に配置された電極から成ることができる。対極は、例えば基体と同じ金属材料、基体の金属材料より貴（ｎｏｂｌｅ）な金属材料、および基体の金属材料より活性な金属材料のうちの少なくとも一つなどの任意の適切な金属材料から成ることができる。
【００１０】
これらのプローブの実施態様は、液体電解質と作用するよう接触して電解質貯蔵器内に配置された参照電極を備えることもできる。参照電極は、例えば飽和甘汞電極またはＡｇ／ＡｇＣｌ電極などの任意の適切な電極から成ることができる。これらのプローブは、電解質貯蔵器内で所定の位置に参照電極と対極とを保持するための保持板または他の適切な装置を備えることもできる。
【００１１】
これらのプローブ内のシール装置は、例えばＯリングなどといった電解質貯蔵器内に液体電解質を保持するための任意の適切なシール機構を備えることができる。
【００１２】
供給装置は、電解質の実質的に残りの全てを電解質貯蔵器内に確実に留まらせながら、所定の事象が生じるときに所定量の液体電解質を被覆上に供給することができる任意の適切な供給装置から成ることができる。いくつかの適切な非限定的な供給装置は、逆止弁、多孔質膜、および多孔質セラミック接合部を含む。実施態様においては、所定の事象は、少量の液体電解質を電解質貯蔵器から被覆上に流出させるように被覆に対して供給装置を押し付けることを含む。液体電解質が、基体上の被覆に作用するよう結合されるとき、液体電解質と被覆との間に流体連通が存在し、被覆から液体電解質を通って対極への電気経路が提供され、それによって、基体の被覆されていない部分に作用するよう結合される作用電極と対極との間の電気回路が完成する。
【００１３】
電解質は、例えば塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ4）、および水酸化カリウム（ＫＯＨ）のうちの少なくとも一つなどの任意の適切な電解質を含むことができる。これらのプローブはまた、電極プローブを電気化学インピーダンス分光装置に作用するよう結合するための電気リード線を備えることができる。
【００１４】
基体上の被覆は、例えばタービンベーン、タービンブレード、燃焼器パネル、ブレード外側空気シール、タービン排気ケース、オーグメンタライナ、およびＴＢＣをその上に有することができるその他の任意のガスタービンエンジン部材などのガスタービンエンジン部材の上の断熱被覆系から成ることができる。このペン状の手持ち式のプローブは、製造環境、修理環境、および保守環境のうちの少なくとも一つの環境においてガスタービンエンジン部材上の断熱被覆系の残存寿命の推定値を得るのに利用できる。
【００１５】
本発明の実施態様は、基体上の被覆を評価するためのシステムを含む。このシステムは、基体の被覆されていない部分に作用するよう結合されることができる作用電極と、基体上の被覆に作用するよう結合されることができる電極プローブと、電気化学インピーダンス装置とを備えており、電極プローブは、第一の電気リード線を介して電気化学インピーダンス装置に電気的に接続され、作用電極は、第二の電気リード線を介して電気化学インピーダンス装置に電気的に接続される。作用電極は、基体の被覆されていない部分それ自体から成ることができる。
【００１６】
本発明の実施態様はまた、ガスタービンエンジン部材上の被覆を非破壊的に評価する手持ち式のシステムを含む。この手持ち式のシステムは、ガスタービンエンジン部材の被覆されていない部分を手持ち式のシステムに作用するよう結合することができる作用電極と、ガスタービンエンジン部材上の被覆を手持ち式のシステムに作用するよう結合することができるプローブと、作用電極とプローブとに作用するよう結合される電気化学インピーダンス装置とを備えており、プローブは、内部に液体電解質を収容するシールされた電解質貯蔵器と、ガスタービンエンジン部材上の被覆を液体電解質に作用するよう結合することができる対極と、シールされた電解質貯蔵器に作用するよう結合されており、かつ被覆を対極に作用するよう結合するようにガスタービンエンジン部材上の被覆上に所定量の液体電解質を供給することができる、供給装置とを備える。作用電極は、ガスタービンエンジン部材の被覆されていない部分それ自体から成ることができる。
【００１７】
本発明のさらなる特徴、態様、および利点は、本発明のいくつかの好ましい形態を例示する添付の図面が参照され、かつ、参照符号の同様の文字が図面の全体を通して同様の部品を示している以下の説明の間に、当業者には容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明のシステムおよび方法は、さまざまな図面を参照して以下に説明する。
【００１９】
本発明の理解を促進する目的で、図１〜図８に例示される本発明のいくつかの好ましい実施態様と、本発明を記載するのに使用される特定の用語とをここで参照する。ここで使用する用語は、限定ではなく説明の目的のためのものである。ここに開示する特定の構造上および機能上の詳細は、限定として解釈されるものではなく、本発明をさまざまに利用するのを当業者に教示するための代表的な基礎としての請求項のための単なる基礎として解釈する必要がある。説明した構造および方法における任意の変更または変形、および、当業者には通常浮かぶであろうような、ここに例示した本発明の原理のさらなる適用は、本発明の精神および範囲内にあると考えられる。
【００２０】
本発明は、ガスタービンエンジン部材上の熱成長酸化物を評価するのに電気化学インピーダンス分光法と共に使用できるプローブに関する。このプローブは、そのような部材上の断熱被覆（ＴＢＣ）の質を迅速に、容易に、かつ非破壊的に評価するのに使用でき、それによって、不良な質のＴＢＣを特定して、下に位置する部材に対する損傷が生じる前に、修理または交換できる。このプローブは、製造、修理、および保守環境において容易に利用できる。
【００２１】
先に述べたように、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）は、ＡＣインピーダンスとしても知られており、ガスタービンエンジン部材上のＴＢＣ系の厚み、質、構造の完全性、劣化の程度、残存寿命、その他などのうちの少なくとも一つを評価すること、および、ＴＧＯ層内の混合酸化物の存在を決定することの一方または両方を行う非破壊検査技術として利用できる。ＥＩＳは、測定する性質にほとんどあるいは全く影響を及ぼさない非常に小さな振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）信号を用いることができるので、他の技術と比較すると有利である。例えば、インピーダンス測定値を得るために、本発明の実施態様では、約５〜５０ｍＶの電圧を、約０．００１〜１，０００，０００Ｈｚの周波数の範囲に亘って被覆部材に印加できる。次いで被覆部材の電気インピーダンスは、印加ＡＣ電流の周波数の関数として測定できる。この測定は、絶対インピーダンス、インピーダンスの実数部、インピーダンスの虚数部、および位相角などのパラメータを提供する。周波数の関数としてまた互いに対するこれらのパラメータのプロットは、被覆部材のためのインピーダンススペクトル１０を提供する。図１は、本発明の実施態様に用いる例示的なインピーダンススペクトル１０を示しており、スペクトル１０は、インピーダンスΩ（Ｋｏｈｍ／ｃｍ2）対周波数ω（ｍＨｚ）のプロット２０と、位相角θ（度）対周波数ωのプロット３０を含む。被覆の質の評価は、このインピーダンススペクトル１０から決定でき、それから被覆の残存寿命も推定できる。次いでこれによって、不良な質のＴＢＣ被覆を、下に位置する部材に対する損傷が生じる前に、修理または交換できる。
【００２２】
図２に示すように、ガスタービンエンジン部材のための通常のＴＢＣ系５５は、金属製基体５０の上に位置する金属接合被覆層５２と、金属接合被覆層５２の上に位置する断熱セラミックトップコート層５４と、金属接合被覆層５２とセラミックトップコート層５４との間に配置されるその場で形成されたＴＧＯ層５３とから成る。金属製基体５０は、重量で、約１〜２５％のコバルトと、約１〜２５％のクロムと、約０〜８％のアルミニウムと、約０〜１０％のモリブデンと、約０〜１５％のタングステンと、約０〜１２％のタンタルと、約０〜５％のチタンと、約０〜７％のレニウムと、約０〜６％のルテニウムと、約０〜４％のニオブと、約０〜０．２％の炭素と、約０〜０．１５％のホウ素と、約０〜０．０５％のイットリウムと、約０〜１．６％のハフニウムと、ニッケルおよび偶発的な（ｉｎｃｉｄｅｎｔａｌ）不純物である残部と、から成るニッケル基超合金から成ることができる。金属接合被覆５２は、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏ、またはＮｉＣｏである）から成ることができ、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）または他の任意の適切な方法で金属製基体５０に直接施してその上に配置される。断熱セラミックトップコート５４は、イットリア安定化ジルコニアから成ることができ、任意の適切な仕方で金属接合被覆層５２に施してその上に配置される。
【００２３】
このトップコート層５４が堆積されている間に、アルミナなどの熱成長酸化物（ＴＧＯ）層５３が、金属接合被覆５２とセラミックトップコート５４との間の金属接合被覆層５２上に形成する。所定温度における時間とサイクル数が増加するにつれ、このＴＧＯ層５３は厚みが増大し、ついには、臨界値に達し、その後、被覆の破損が生じる。また、製造中にこれらのＴＢＣ系内に欠陥が形成されることもある。このような欠陥は、製造中に形成されようと、使用中に形成されようと、最終的には下に位置する部材の破損に繋がり得るものであり、この破損は、補修するのに非常に費用がかかり、厄介で、時間がかかるものとなり得る。理想的には、ＴＢＣ系の残存寿命を推定することができ、それによって、不良な質のＴＢＣを、下に位置する部材に対する損傷が生じる前に、修理または交換できるのが好ましい。本発明のプローブによって、ＴＢＣ系の残存寿命を推定でき、それによって、部材の破損を防止できる。このプローブによって、被覆部材の製造中に、あるいは、プローブと被覆部材との間の直接の物理的接触が可能となるときはいつでも、迅速かつ容易で非破壊的な品質管理の調査を行うことができる。例えば、被覆ガスタービンエンジン部材は、航空機の翼に取り付けられている間は、接近することができないが、関心がもたれている部材は、エンジンを取り外して完全に分解する必要なしで、接近することができるようになる。
【００２４】
本発明のプローブは、任意の被覆されたガスタービンエンジン部材上の被覆の質を評価するのに任意の適切なＥＩＳシステムと共に利用できる。例示的で非限定的なガスタービンエンジン部材すなわちブレード６０を図３に示すが、ブレード６０は、プラットホーム６４からブレード先端６５の方へと外側へ延在する被覆されたエーロフォイル部分６２と、プラットホーム６４から内側へ延在する被覆されていないブレード根元部分６６とを有する。ブレード６０の被覆されたエーロフォイル部分６２は、その上に断熱被覆系５５を含む。ここに示す例示的なＥＩＳシステムは、一対の電気リード線７４、７６を介して被覆部材６０に作用するよう結合されるインピーダンス分析器７２を備える。各電気リード線は、二つの端部を有する。各電気リード線７４、７６の一つの端部は、インピーダンス分析器７２に作用するよう結合され、同時に、各リード線７４、７６のもう一つの端部は、電極７５、７７に作用するようそれぞれ結合される。実施態様においては、電気リード線７４は、部品の被覆されていない部分（すなわち、ブレード６０の被覆されていないブレード基部部分６６）に作用するよう直接結合され、それによって、部品の被覆されていない部分が作用電極７５となる。電気リード線７６は、濡れている電極７７に作用するよう結合されており、濡れている電極７７は、部品の被覆部分（すなわち、ブレード６０の被覆エーロフォイル部分６２）に接触する。濡れている電極７７は、対極９５を含み、また参照電極９２を含むこともできる。連続した電気経路が二つの電極７５、７７間に存在するとき、電圧源７１を、対極９５と作用電極７５との間の反応を駆動するのに使用でき、インピーダンスパラメータを、インピーダンス分析器７２によって測定できる。実施態様においては、この電圧源７１は、インピーダンス分析器７２の一部とすることができる。インピーダンス分析器７２は、コンピュータ７８に作用するよう結合でき、コンピュータ７８は、測定されたインピーダンスパラメータを表示すること、および、測定されたパラメータに基づいて被覆の定量的および／または定性的な性質を決定するようそれに対して分析を行うことの一方または両方を行うことができる。
【００２５】
層の厚み、欠陥（すなわち、層の分離または層間剥離を示す被覆の層内または層間の空隙（ｖｏｉｄ））の存在、大きさ、および質、被覆の劣化の程度、被覆の推定残存寿命、その他を決定するのに、さまざまな理論的、実験的、または混成（ｈｙｂｒｉｄ）のモデルを使用できる。
【００２６】
図４は、図２および図３に示すガスタービンエンジンブレード６０上のＴＢＣ系の基本電気回路モデル８０を示す。回路の一端から他端へ、電解質溶液抵抗ＲSが、電極抵抗ＲPと直列に示される。これは次に、トップコートキャパシタンスＣCとトップコート抵抗ＲCとの並列の組み合わせと直列になっている。これは次に、ＴＧＯキャパシタンスＣOとヴァールブルク（Ｗａｒｂｕｒｇ）係数ＷOを掛けたＴＧＯ抵抗ＲOとの並列の組み合わせと直列になっている。これは次に、ＴＧＯと接合被覆との間の界面の界面キャパシタンスＣTと界面抵抗ＲTとの並列の組み合わせと直列になっている。
【００２７】
図１を再び参照すると、インピーダンスΩ（Ｋｏｈｍ／ｃｍ2）対周波数ωのプロット２０と、位相角θ対周波数ωのプロット３０を含む例示的なインピーダンススペクトル１０が示される。インピーダンスピーク２２の位置は、ＴＧＯと接合被覆との間の界面の抵抗ＲTを示し、インピーダンステール２４の位置は、電極の抵抗ＲPを示し、インピーダンス移行部２６の位置は、トップコート抵抗ＲCとＴＧＯ抵抗ＲOとを示す。低周波数位相角ピーク３２の位置は、ＴＧＯキャパシタンスＣOを示し、高周波数位相角ピーク３４の位置は、トップコートキャパシタンスＣCを示し、位相角テール３６の位置は、ＴＧＯと接合被覆との間の界面の界面キャパシタンスＣTを示す。このインピーダンススペクトル１０から、ＴＢＣの推定残存寿命を決定でき、不良な質のＴＢＣを、下に位置する部材に対する損傷が生じる前に、修理または交換できる。
【００２８】
図５をここで参照すると、電気化学インピーダンスシステムと共に使用するための一つの例示的な電極７７が示される。電極７７のこの特定の実施態様は、二電極すなわち、作用電極７５と対極９５とを含む湿式電極プローブシステムである。このプローブ７７は、電解質９１で満たされた中空の管状容器９０を備える。この実施態様においては、中空の管状容器９０は、金属で作成され、それによって、中空の管状容器９０それ自体が、対極９５として機能する。この中空の管状容器９０は好ましくは、回路内の分極効果を制限するように、測定される部品（すなわち、タービンエンジンブレード６０）の基礎（ｂａｓｅ）金属合金と同じ金属材料で作成される。逆止弁９３が、所望の場合を除いて、プローブ７７から電解質９１が漏れないように、プローブ７７の一つの端部に存在する。また、Ｏリングシール９４または他の適切なシール装置が、中空の管状容器９０内に電解質９１を収容しておくように、中空の管状容器９０の各端部に配置される。このプローブ７７を使用するときは、対極９５を、作用電極７５と共に回路を完成するのに利用し、対極９５と作用電極７５との間の反応を、これらに接続した電圧源７１によって駆動する。
【００２９】
図６をここで参照すると、電気化学インピーダンスシステムと共に使用するための別の例示的な電極７７が示される。電極７７のこの特定の実施態様も、二電極すなわち、作用電極７５と対極９５とを含む湿式電極プローブシステムである。この実施態様においては、中空の管状容器９０は、対極９５として機能せず、従って、この中空の管状容器９０は、中空の管状容器９０内に残る電解質９１のレベルを容易に評価できる例えばプレクシグラス（Ｐｌｅｘｉｇｌａｓ）（登録商標）などの任意の適切な材料で作成できる。この実施態様においては、対極９５は、電解質９１と作用するよう接触して中空の管状容器９０内に配置される。この対極９５は好ましくは、回路内の分極効果を制限するように、測定される部品（すなわち、タービンエンジンブレード６０）の基礎金属合金と同じ金属材料で作成される。先の実施態様のように、この実施態様も、逆止弁９３と、Ｏリングシール９４または他の適切なシール装置とを備える。このプローブ７７を使用するときは、対極９５を、作用電極７５と共に回路を完成するのに利用し、対極９５と作用電極７５との間の反応を、これらに接続した電圧源７１によって駆動する。
【００３０】
図７をここで参照すると、電気化学インピーダンスシステムと共に使用するための別の例示的な電極７７が示される。電極７７のこの特定の実施態様は、三電極すなわち、作用電極７５と、対極９５と、参照電極９２とを含む湿式電極プローブシステムである。先の実施態様のように、この中空の管状容器９０は、金属で作成され、それによって、中空の管状容器９０それ自体が、対極９５として機能する。この中空の管状容器９０は、例えば、測定される部品（すなわち、タービンエンジンブレード６０）の基礎金属合金より貴であるかまたはより活性である金属材料などの任意の適切な金属材料で作成できる。このプローブ７７は、電解質９１と作用するよう接触して中空の管状容器９０内に配置された参照電極９２も備える。この参照電極９２は、例えば飽和甘汞電極（すなわち、Ｈｇ／Ｈｇ2Ｃｌ2）またはＡｇ／ＡｇＣｌ電極などの任意の適切な電極から成ることができる。先の実施態様のように、このプローブ７７も、逆止弁９３と、Ｏリングシール９４または他の適切なシール装置とを備える。このプローブ７７を使用するときは、対極９５を、作用電極７５と共に回路を完成しかつ電位を制御するのに利用し、対極９５と作用電極７５との間の反応を、これらに接続した電圧源７１によって駆動し、参照電極９２を、セル電位を測定するのに利用する。
【００３１】
図８をここで参照すると、電気化学インピーダンスシステムと共に使用するための別の例示的な電極７７が示される。電極７７のこの特定の実施態様も、三電極すなわち、作用電極７５と、対極９５と、参照電極９２とを含む湿式電極プローブシステムである。このプローブ７７は、電解質９１と作用するよう接触して中空の管状容器９０内に対極９５と参照電極９２両方を備える。この実施態様においては、中空の管状容器９０は、対極９５として機能せず、従って、この中空の管状容器９０は、中空の管状容器９０内に残る電解質９１のレベルを容易に評価できる例えばプレクシグラス（Ｐｌｅｘｉｇｌａｓ）（登録商標）などの任意の適切な材料で作成できる。先の実施態様のように、この参照電極９２は、例えば飽和甘汞電極（すなわち、Ｈｇ／Ｈｇ2Ｃｌ2）またはＡｇ／ＡｇＣｌ電極などの任意の適切な電極から成ることができる。この対極９５は、例えば、測定される部品（すなわち、タービンエンジンブレード６０）の基礎金属合金より貴であるかまたはより活性である、白金あるいは他の金属または合金などのなどの任意の適切な金属材料で作成できる。先の実施態様のように、この実施態様も、逆止弁９３と、Ｏリングシール９４または他の適切なシール装置とを備える。このプローブ７７の一つの端部はまた、所定の位置に参照電極９２と対極９５とを保持するための保持板９６を備える。中空の管状容器９０内に電解質９１を収容しておくように、保持板９６と共にＯリングまたは他の適切なシール装置９７を使用できる。このプローブ７７を使用するときは、対極９５を、作用電極７５と共に回路を完成しかつ電位を制御するのに利用し、対極９５と作用電極７５との間の反応を、これらに接続した電圧源７１によって駆動し、参照電極９２を、セル電位を測定するのに利用する。
【００３２】
先に検討したように、作用電極７５は一般に、部品の被覆されていない部分それ自体（すなわち、ブレード６０の被覆されていないブレード基部部分６６の基礎合金）から成る。プローブ７７の逆止弁９３は、図２に示すように、部材６０の被覆部分６２のセラミックトップコート層５４上に配置でき、プローブ７７をその上に押し下げると、逆止弁９３が開いて、そこから少量の電解質９１が流出することができ、被覆部分６２とプローブ７７の内部に収容された電解質９１との間に流体連通が確立される。電極７５、７７両方が所定の位置にあると、部材６０の被覆されていない部分６６から作用電極７５と電気リード線７４を介してインピーダンス分析器７２へ、インピーダンス分析器７２から電気リード線７６を介して濡れている電極７７へ、電解質９１を通り、そして部材６０上の断熱被覆系５５へと、連続した電気経路が確立される。一旦、連続した電気経路が二つの電極７５、７７間に存在すると、次いでインピーダンスパラメータまたは他の所望のパラメータを、インピーダンス分析器７２または他の適切な測定装置によって得ることができる。
【００３３】
本発明は、例えば、ＥＩＳ測定を実現できる十分なイオン伝導率を有する、希酸、酸の混合物、または塩溶液などといった、測定される被覆部材上の被覆を攻撃も、破壊も、その他この被覆と反応もしない任意の適切な電解質９１を含むことができる。いくつかの適切で非限定的な電解質は、一つまたは複数の以下の物質すなわち、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ4）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）のうちの少なくとも一つを含むことができる。
【００３４】
必要な電解質９１の量は、中空の管状容器９０の大きさに応じて変化する。しかしながら、プローブ７７をさまざまな角度で使用するときに、その内部の電極９２、９５を十分に覆うように、少なくとも十分な電解質が中空の管状容器９０内に存在する必要がある。一旦、中空の管状容器９０が、その内部に配置された電極９２、９５を電解質９１と確実に接触させるのに十分な電解質９１で満たされると、次いでプローブ７７は、一つまたは複数の電気リード線７４、７６を介して商業的に入手可能なＥＩＳ装置７２に作用するよう接続できる。ＥＩＳ装置７２は、実施態様では周波数応答分析器とデータ取得システムとを備えることができる任意の適切な装置を備えることができる。このＥＩＳ装置は、携帯型とすることができ、それによって、被覆の質の評価を、さまざまな環境において迅速かつ容易に行うことができる。例えば、本発明によって、被覆部材の製造中に、あるいは、修理または保守環境などにおいてプローブと被覆部材との間の直接の物理的接触が可能となるときはいつでも、迅速かつ容易で非破壊的な品質管理の調査を行うことができる。
【００３５】
上述したように、本発明は、タービンベーン、タービンブレード、燃焼器パネル、ブレード外側空気シール、タービン排気ケース、オーグメンタライナ、およびＴＢＣをその上に有することができるその他の任意のガスタービンエンジン部材などのガスタービンエンジン部材の上にあるＴＢＣ系の質を評価するのにＥＩＳシステムと共に利用するように詳細に設計されたプローブを提供する。有利なことには、このプローブは、使用するのが容易であり、また、製造、修理、および保守環境において品質の確認を行うことができる。従って、不良な質のＴＢＣを特定して、下に位置する部材に対する損傷が生じる前に、修理または交換できる。多くの他の実施態様および利点は、当業者には明らかであろう。
【００３６】
本発明が満足するさまざまな必要を果たす、本発明のさまざまな実施態様を説明した。これらの実施態様は、本発明のさまざまな原理の単なる例示であることを理解する必要がある。本発明の多数の変形および適合は、本発明の精神および範囲から逸脱せずに当業者には明らかであろう。従って、本発明は、添付の請求項およびそれらの均等物の範囲に含まれる全ての適切な変形および変更を含むことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施態様において利用されるインピーダンス対周波数のプロットと、位相角対周波数のプロットとを含む例示的なインピーダンススペクトルを示すグラフである。
【図２】本発明の実施態様により評価されるガスタービンエンジン部材上の例示的な断熱被覆系の断面図である。
【図３】本発明の実施態様において利用される例示的な電気化学インピーダンスシステムを示す概略図である。
【図４】図２および図３に示される断熱被覆系の回路等価モデルを示す概略図である。
【図５】本発明の実施態様において利用される電気化学インピーダンスシステムと共に使用するための二電極プローブシステムを示す概略図である。
【図６】本発明の他の実施態様において利用される電気化学インピーダンスシステムと共に使用するための二電極プローブシステムを示す概略図である。
【図７】本発明の他の実施態様において利用される電気化学インピーダンスシステムと共に使用するための三電極プローブシステムを示す概略図である。
【図８】本発明のさらなる他の実施態様において利用される電気化学インピーダンスシステムと共に使用するための三電極プローブシステムを示す概略図である。
【符号の説明】
【００３８】
５０…金属製基体
５２…金属接合被覆層
５３…ＴＧＯ層
５４…断熱セラミックトップコート層
５５…ＴＢＣ系
６０…ブレード
６２…被覆されたエーロフォイル部分
６６…ブレード根元部分
７２…インピーダンス分析器
７５…作用電極
７７…プローブ
９０…中空の管状容器
９１…電解質
９２…参照電極
９３…逆支弁
９４、９７…Ｏリングシール
９５…対極
９６…保持板
【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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