(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムを含有するコーティングを施したガスタービン高温部品の寿命管理方法において、コーティング層のアルミニウムにより形成される相の占める比率をパラメータとしてコーティング層表層部のアルミニウム量を定量的に評価し、コーティング層の寿命を評価することにより高温部品の寿命予測をするようにしたことを特徴とするガスタービン高温部品の寿命管理方法。
【請求項２】
アルミニウムを含有するコーティングを施したガスタービン高温部品の寿命管理方法において、表層部の付着物あるいは酸化皮膜の影響を除去した後表層部の所望深さの情報が入手できる荷重で評価した硬さの値をパラメータとしてコーティング層表層部のアルミニウム量を定量的に評価し、コーティング層の寿命を評価することにより高温部品の寿命予測をするようにしたことを特徴とするガスタービン高温部品の寿命管理方法。
【請求項３】
アルミニウムを含有するコーティングを施したガスタービン高温部品の寿命管理方法において、コーティング層中に含まれず基材にのみ含有する元素あるいはコーティングよりも基材の方が多く含有する元素で表層部に外方拡散する性質を有する元素の濃度をパラメータとしてコーティング層表層部のアルミニウム量を定量的に評価し、コーティング層の寿命を評価することにより高温部品の寿命予測をするようにしたことを特徴とするガスタービン高温部品の寿命管理方法。
【請求項４】
アルミニウムを含有するコーティングを施したガスタービン高温部品の寿命管理方法において、コーティング層中に含まれず基材にのみ含有する元素あるいはコーティングよりも基材の方が多く含有する元素で表層部に拡散する特徴を有する元素がコーティング層の主要元素あるいは燃焼ガス中に含まれる元素と反応し形成する相を同定しその測定強度をパラメータとしてコーティング層表層部のアルミニウム量を定量的に評価し、コーティング層の寿命を評価することにより高温部品の寿命予測をするようにしたことを特徴とするガスタービン高温部品の寿命管理方法。
【請求項５】
ある押し込み深さと断面積に相関のある圧子を用い、コーティング表面に圧子をあてある一定付加速度で荷重を増加させ、その変位速度の変化から劣化していないコーティング層の厚さを計測し管理寿命を評価することを特徴とする請求項２記載のガスタービン高温部品の寿命管理方法。
【請求項６】
ある押し込み深さと断面積に相関のある圧子を用い、ある一定変位速度で圧子をコーティング層に押し付け、その荷重の変化から劣化していないコーティング層の厚さを計測し管理寿命を評価することを特徴とする請求項２記載のガスタービン高温部品の寿命管理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウムを含有するコーティングを施したガスタービン高温部品の寿命管理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの初段動翼を中心とした高温部品は燃焼ガスに表面を曝されると基材の酸化が進み、腐食に発展する恐れがある。このため高温環境から基材を保護するために高温部品の表層部にはアルミニウムを含有した耐食コーティングが施されている。この耐食コーティングにより高温部品の表層部にはアルミナの緻密な酸化皮膜が形成され、耐高温酸化性、耐高温腐食性が増し、高温環境より保護されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、アルミニウムを含有するコーティング層を有する高温部品は、高温環境下で長期間使用する内に表層部のコーティング層に含有されるアルミニウムが表層部から酸化物としてはがれたり、あるいは高温部品の基材に拡散してアルミナ濃度が低下し、緻密な酸化皮膜を形成するのに十分なアルミナ濃度が保てなくなる。
【０００４】
このコーティング層の寿命は一般に高温部品の基材の寿命よりも短い。このため、高温部品の耐高温酸化性、耐高温腐食性を維持するためにコーティング層が寿命に達する前にコーティング層を除去し再度コーティングをし直すか、あるいは、タービン動翼としての寿命は短くなるが、再コーティングを施すことなく環境による寿命低下を見越してコーティング層の寿命に合わせた高温部品の管理寿命を設定した保守管理手法が行われていた。この場合の寿命評価は、同一型式のガスタービンで、同一燃料、同一環境、同一運転モードで使用されたガスタービンのある集団の先行機の実績により求めた寿命を用い、外観観察結果及び任意にサンプリングした翼の切断調査結果を元に、定性的に高温部品としての継続使用の可否を判定してきた。
【０００５】
しかしながら、このような寿命管理手法は保守管理者の経験に基づくベースであり、かなり保守的な管理がなされ、ガスタービン高温部品の正確な寿命管理を行うことはできなかった。
【０００６】
本発明は以上の欠点を除去して、コーティング層が保有するアルミニウム量を非破壊あるいは破壊手法を用いて評価することにより正確な寿命予測が行えるガスタービン高温部品の寿命管理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、アルミニウムを含有するコーティングを施したガスタービン高温部品の寿命管理方法において、コーティング層のアルミニウムにより形成される相の占める比率をパラメータとしてコーティング層表層部のアルミニウム量を定量的に評価し、コーティング層の寿命を評価することにより高温部品の寿命予測をするようにしたことを特徴とする。
【０００８】
この発明であると、コーティング層表層部のアルミニウム量を定量的に評価し、コーティング層の寿命を評価することで経験に基づかない合理的な手法でガスタービン高温部品の寿命予測を行うことができる。
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のアルミニウムを含有するコーティングを施したガスタービン高温部品の寿命管理方法において、表層部の付着物あるいは酸化皮膜の影響を除去した後表層部の所望深さの情報が入手できる荷重で評価した硬さの値をパラメータとしてコーティング層表層部のアルミニウム量を定量的に評価し、コーティング層の寿命を評価することにより高温部品の寿命予測をするようにしたことを特徴とする。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１記載のアルミニウムを含有するコーティングを施したガスタービン高温部品の寿命管理方法において、コーティング層中に含まれず基材にのみ含有する元素あるいはコーティングよりも基材の方が多く含有する元素で表層部に外方拡散する性質を有する元素の濃度をパラメータとしてコーティング層表層部のアルミニウム量を定量的に評価し、コーティング層の寿命を評価することにより高温部品の寿命予測をするようにしたことを特徴とする。
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１記載のアルミニウムを含有するコーティングを施したガスタービン高温部品の寿命管理方法において、コーティング層中に含まれず基材にのみ含有する元素あるいはコーティングよりも基材の方が多く含有する元素で表層部に拡散する特徴を有する元素がコーティング層の主要元素あるいは燃焼ガス中に含まれる元素と反応し形成する相を同定しその測定強度をパラメータとしてコーティング層表層部のアルミニウム量を定量的に評価し、コーティング層の寿命を評価することにより高温部品の寿命予測をするようにしたことを特徴とする。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項２記載のガスタービン高温部品の寿命管理方法において、ある押し込み深さと断面積に相関のある圧子を用い、コーティング表面に圧子をあてある一定付加速度で荷重を増加させ、その変位速度の変化から劣化していないコーティング層の厚さを計測し管理寿命を評価することを特徴とする。
【００１５】
上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、請求項２記載のガスタービン高温部品の寿命管理方法において、ある押し込み深さと断面積に相関のある圧子を用い、ある一定変位速度で圧子をコーティング層に押し付け、その荷重の変化から劣化していないコーティング層の厚さを計測し管理寿命を評価することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
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。図１は本発明の第１の実施の形態を説明するためのコーティング層の評価マスターカーブを示したものである。アルミニウムを含有するコーティング層の表面、あるいは内部の情報を元に求めたパラメータＰを縦軸１に、ガスタービンの運転時間ｔを横軸２にとる。未使用状態のパラメータ値３からある点検時にコーティング層の劣化損傷の激しい部位のこのパラメータ値４を求め、その最も変化の顕著な領域に対しての測定値から限界パラメータ値５に対する運転時間７を求める。これがこのコーティング層の管理寿命時間（ｔＣＲ）であり、余寿命の推定は、点検時の運転時間６（ｔｉ）とこの管理寿命時間７（ｔＣＲ）との差（ｔＣＲ−ｔｉ）から求める。
【００１７】
図２〜４にコーティング層の断面組織の例を示す。図２では、コーティング層８中に十分なアルミニウムを含有しているコーティング層の例を、また、図３は使用条件に比較し十分なアルミニウムを含有していないことから真空プラズマ溶射にてオーバーレイコーティングをした後表層部にアルミニウムを拡散浸透し濃化させたアルミナイズ層１１を有するコーティング層の例を示す。図２の場合はコーティング層８の領域、図３の場合は濃化させたアルミナイズ層１１のアルミニウム濃度、析出相比、硬さ、コーティング相厚さ、及びコーティング層８と基材１０の界面の拡散層厚さ９が図１に示した縦軸のパラメータＰとなる。図４は、図３に示したコーティング層８が実機で使用され、劣化した状態を示している。アルミナイズ層１１のアルミニウム濃度が実機使用と共に低下し、ＮｉＡｌ相を維持できなくなり、コーティング層の地の相に変化してきており、コーティング層８のアルミナイズ層１１を除いた層の組織も、次第に（Ｃｏ、Ｎｉ）Ａｌ相の量が減少し、耐食性の低下を来たし、寿命に至ることがわかる。。
【００１８】
図５はパラメータとしてコーティング層表層部のアルミニウム濃度を用いた場合の評価マスターカーブで、図３のCoNiCrAlYコーティングにアルミニウムの拡散浸透処理を施し、表層部のアルミニウムを濃化させたアルミナイズ層のアルミニウム濃度、つまり表層部のアルミニウム濃度をパラメータＰとして縦軸１２に、横軸２をガスタービンの運転時間ｔで示している。未使用状態のパラメータ値１３からアルミナイズ層が（Ｃｏ、Ｎｉ）Ａｌ相の単相である間は緩やかな減少を示すが、図４に示す組織となると点検時のアルミニウム濃度のパラメータ値１４で示すように急速な濃度低下を来たし、十分な耐高温酸化性を示せなくなる限界アルミニウム濃度のパラメータ値１６に達する。
【００１９】
この限界アルミニウム濃度のパラメータ値１６に対する運転時間７が管理寿命時間（ｔＣＲ）であり、余寿命の推定は、点検時の運転時間１５（ｔｉ）とこの管理寿命時間７（ｔＣＲ）との差（ｔＣＲ−ｔｉ）から求めるものである。
【００２０】
図６はパラメータとして、アルミニウムとＮｉ、Ｃｏとの金属間化合物相と地の（Ｎｉ、Ｃｏ）Ｃｒ相の面積率を用いた場合の評価マスターカーブで、パラメータＰを縦軸１７に、ガスタービンの運転時間ｔを横軸２にとり、コーティング層の劣化損傷の激しい部位のこのパラメータ値１９を求め、その最も変化の顕著な領域に対しての測定値から限界パラメータ値２１に対する運転時間７を求める。これがこのコーティングの管理寿命時間（ｔＣＲ）であり、余寿命の推定は、点検時の運転時間２０（ｔｉ）とこの管理寿命時間７との差（ｔＣＲ−ｔｉ）から求めるものである。
【００２１】
またその他表層部の付着物あるいは酸化皮膜の影響を除去した後表層部の所望深さの情報が入手できる荷重で評価した硬さの値をパラメータとして用いることもできる。あるいは、パラメータとしてはこの金属間化合物（Ｎｉ、Ｃｏ）Ａｌ相と地の（Ｎｉ、Ｃｏ）Ｃｒ相のある特定の回折ピーク比を用いることもできる。
【００２２】
次に図７を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。図７は本発明の第２の実施の形態における評価マスターカーブを示したものである。コーティング層表面から、面角が１３６度のダイヤモンド型四角錘の圧子をあて、一定付加速度で荷重を増加させ、変位測定センサーにて求めた変位量と時間から変位速度を求め、その変位速度の変化からコーティング層の厚さを求めるもので、縦軸２２は変位速度のパラメータＰ、横軸２３は圧子の変位量を示している。ここでは、図３のコーティングにおける変化を示しているが、アルミナイズ層においては、未使用状態のパラメータ値２４からしばらくは硬さが高く一定のパラメータ値２５で緩やかな変化を示すが、その下のコーティング層においては、パラメータ値２７で示すように速度変化は速くなり、拡散層９では若干緩やかなパラメータ値２９になる。この変極点２６、２８、３０から各層の厚さを求め、この厚さを図１のパラメータとして用いコーティング層の寿命を求めるものである。なおここでは、一定速度で変位させ、その荷重変化から図７に示す評価マスターカーブを求め、コーティング層厚さを求めることにより寿命を評価することができる。
【００２３】
図８を参照して本発明の第３の実施の形態を説明する。図８は本発明の第３の実施の形態における評価マスターカーブを示したものである。第３の実施の形態は、表層部に拡散してきたコーティング層よりも基材により多く残存する元素Ｎｉ、あるいはコーティング層に存在しない元素Ｔｉを分析することにより求めた濃度をパラメータとして用いたものである。また、その元素により形成される相の析出比率をパラメータとしたものである。これらの評価マスターカーブを非破壊あるいは破壊調査により計測し評価マスターカーブを作成することによりコーティング層の管理寿命、あるいは余寿命を求め、高温部品の寿命管理を行う。
【００２４】
即ち、表層部に拡散してきた元素濃度をパラメータＰとして縦軸３１に、ガスタービンの運転時間ｔを横軸２にとり、未使用状態の元素量のパラメータ値３２に対しそれが表面に到達する時間３３を求め、また、点検時のパラメータ値３４に対する運転時間３５を求める。
【００２５】
コーティング層の劣化損傷の激しい部位のこのパラメータ値３４を求め、その最も変化の顕著な領域に対しての測定値から限界パラメータ値値３６に対する運転時間７を求める。これがこのコーティングの管理寿命時間（ｔＣＲ）であり、余寿命の推定は、点検時の運転時間３５（ｔｉ）とこの管理寿命時間７（ｔＣＲ）との差（ｔＣＲ−ｔｉ）から求めるものである。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、アルミニウムを含有するコーティングを施したガスタービン高温部品の寿命管理方法において、コーティング層表層部の経時的な変化を示すパラメータを用いてコーティング層表層部のアルミニウム量を定量的に評価し、コーティング層の寿命を評価することにより高温部品の寿命予測をするようにしたので、コーティング層が保有するアルミニウム量を非破壊あるいは破壊手法を用いて正確に評価することにより正確な寿命予測が行えるガスタービン高温部品の寿命管理方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態のパラメータを用いた寿命評価法の概説図。
【図２】本発明の実施の形態のコーティング層の断面の組織写真。
【図３】本発明の実施の形態のコーティング層の断面の組織写真。
【図４】本発明の実施の形態のコーティング層の実機使用後の劣化した断面の組織  写真。
【図５】第１の実施の形態の異なるパラメータを用いたコーティング層の寿命評価法の外略図。
【図６】第１の実施の形態の更に異なるパラメータを用いたコーティング層の寿命評価法の外略図。
【図７】本発明の第２の実施の形態のパラメータを用いたコーティング層の寿命評価法の概説図。
【図８】本発明の第３の実施の形態のパラメータを用いたコーティング層の寿命評価法の概説図。
【符号の説明】
１…コーティング層の寿命評価パラメータ、２…ガスタービンの運転時間、３…未使用状態のパラメータ値、４…点検時のパラメータ値、５…コーティング層の寿命評価管理パラメータ値、６…点検時の運転時間、７…コーティング層の管理寿命時間、８…コーティング層、９…コーティング層と基材の拡散層、１０…基材、１１…アルミが濃化したアルミナイズ層。
【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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