(57)【要約】本発明は、ガスタービン翼の非破壊検査方法に関し、本発明に基づき、酸化された炭化物の表面近傍の酸化部（９）ないし母材表面近傍の硫化された部分を、被検査試料を交番磁界内におき、その際に発生する渦電流の測定により求める。これにより特に、ニッケル又はコバルト基の超合金からなるガスタービン翼の経費のかかる浄化・被覆過程の前に既に、翼の研摩ないし選別が行える。本発明は、更にこの検査方法を組み込んだガスタービン翼の製造方法にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化物含有合金の非破壊検査方法において、酸化された炭化物の表面近傍の酸化部（９）を、渦電流測定により求めることを特徴とする方法。
【請求項２】
炭化物含有合金から成るガスタービン翼の非破壊検査方法において、酸化された炭化物の表面近傍の酸化部（９）を、渦電流測定により求めることを特徴とする方法。
【請求項３】
合金がニッケル又はコバルト基超合金であることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
ガスタービン翼（１）の母材（５）を鋳造し、該母材（５）の表面（３）を防食被膜（７）を設置すべく浄化し、活性化し、続いて防食被膜（７）を設けるガスタービン翼（１）の製造方法において、鋳造後で浄化・活性化前に、母材表面を渦電流により、酸化された炭化物の酸化部の存在を検査することを特徴とする方法。
【請求項５】
母材（５）がニッケル又はコバルト基超合金から成ることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
防護膜（７）がＭＣｒＡｌＹ合金から成り、Ｍは鉄、コバルト又はクロムであり、Ｃｒはクロム、Ａｌはアルミニウム、Ｙはイットリウム、ランタン又は希土類元素であることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
ニッケル又はコバルト基合金の非破壊検査方法において、表面近傍の硫化された腐食部（９）を、渦電流測定により検出することを特徴とする方法。
【請求項８】
ニッケル又はコバルト基合金から成るガスタービン翼（１）の非破壊検査方法において、表面近傍の硫化された腐食部（９）を、渦電流測定で求めることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニッケル基又コバルト基合金の非破壊検査方法に関する。また本発明は、ニッケル又はコバルト基合金から成るガスタービン翼の非破壊検査方法に関する。更にまた本発明は、炭化物含有合金の非破壊検査方法に関する。加えて本発明は、炭化物含有合金から成るガスタービン翼の非破壊検査方法に関する。その他に本発明は、ガスタービン翼の母材を鋳造し、該母材の表面を防食被膜を設置するために浄化し、活性化し、続いて防食被膜を設けるガスタービン翼の製造方法に関する。
【０００２】
Ｈ．ブルーメナウエル著、「ベルクストッフプリューフング（Werkstoffprufung）」、第５版、（ライプツッヒ）、グルントシュトッフインダストリ・ドイツ人民企業社出版、１９８９年は、渦電流法による非破壊材料検査を開示している。それは、交流電流が流れるコイルの交番電磁界が、その作用範囲内に金属試料が置かれた際に変化することに基づく。コイルの一次磁界により被検査試料に交番電圧が誘起され、この交番電圧が交流電流を発生し、この交流電流がまた交番磁界を発生する。その二次交番磁界は、特徴的に一次磁界に対抗して作用し、この結果そのパラメータを変化させる。その変化は測定技術で検出できる。そのために、例えば一次巻線と二次巻線とを備えたコイルにおいて、二次電圧を測定する（変圧器原理）。或いは、例えば唯一の巻線を備えたコイルの場合、そのインピーダンスを求める（パラメトリック原理）。交流電流回路に適用される法則に基づき、パラメトリック配置においてコイルおよび試料における誘導により、オーム抵抗のほかに、誘導リアクタンスが発生し、変圧器的配置において、実際測定電圧の他に、虚測定電圧が発生する。それらの両電圧部分は、インピーダンス平面ないし複素電圧平面内に複素形で表される。これらのいずれの場合も、非破壊材料試験は、一次磁界の変化が物理的および幾何学的な試料特性並びに機器特性に関係する、という効果を利用している。その機器特性は特に、周波数、電流強さ、電圧およびコイルのターン数である。試料特性は特に導電率、透過率、試料形状並びに渦電流範囲内における材料の非均質性である。最近の誘導測定機器は、多数の励起周波数における測定を可能にしている。そのため、例えば測定中に周波数を自動的に変化させるか、周波数が２回の測定の間に使用者が手動で調整する。その周波数は渦電流の浸透深さに大きな影響を与える。近似的に次式が適用される。
【０００３】
【数１】
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【０００４】
ここで、δは浸透深さ（ｍｍ）、ｆは周波数（Ｈｚ）、σは比導電率（ＭＳ／ｍ＝ｍ／Ωｍｍ2）、ｕrは比透磁率である。
【０００５】
標準浸透深さは周波数の増大に伴って減少する。
【０００６】
「ＶＧＢ  クラフトベルクステヒニーク(Kraftwerkstechnik)  ７０」、（１９９０年）、９号に掲載のＧ．ディベリウス、Ｈ．Ｊ．クリッシェル、Ｕ．ライマン共著の論文、“高温防護膜における腐食過程の非破壊検査”に、ガスタービン翼の防護膜における腐食過程の非破壊検査が記載されている。ニッケル基防護膜に対する測定方式は、その防護膜における腐食過程で変化する強磁性度に基づく透磁率の測定にある。プラチナ・アルミニウム・防護膜系の場合、渦電流測定方式が検討されている。その測定信号の大さから、防護膜の層厚さが推定される。
【０００７】
「プレシジョン  メタル（Precision Metal）」、１９６９年、４月、第４６頁に掲載のＭ．Ｊ．ウッズ著の論文“コバルト基超合金の鋳造法”、並びに「コバルト（Cobalt）」、４２号、第３〜１３頁に掲載のＭ．Ｊ．ウッズ、Ｔ．Ｒ．カス共著の論文“最新開発のＭＡＲ−Ｍ合金  ５０９”に、部品並びにガスタービン翼の鋳造中に、凝固する部品表面或いは既に凝固した部品表面が鋳型の材料と反応することが記載されている。その場合、例えば鋳造品内の炭化物が酸化してしまう。以下でかかる過程を、ＩＣＯ（Inner Carbide Oxidation＝内部炭化物酸化）と呼ぶ。そのＩＣＯの発生は合金の粒子境界を強化する炭化物を減少させる。特にこれは、ガスタービン翼の表面近傍の箇所において材料をかなり弱める。その合金は通常、真空鋳造で製造される。その酸化に必要な酸素は、例えば二酸化シリコン、二酸化ジルコン或いは酸化アルミニウムから成る鋳型材料から得る。これにより、粒子境界に酸化物相が生ずる。そして、本来の炭化物が例えばジルコン、チタン、タンタル豊富の酸化物に変換される。酸化された炭化物を含む部の深さは、合金における炭素含有量、鋳型材料と鋳造合金の組成或いはまた冷却速度のようなパラメータに左右される。そのような酸化物含有層は代表的に約１００〜３００μｍの厚さを示す。品質管理のために、酸化された炭化物の機械特性を害する酸化部を検出することが望まれる。これは従来において非破壊的に行えない。
【０００８】
ニッケル又はコバルト基合金は、所定の周辺条件下において、高温腐食（ＨＴＫ）と呼ばれる腐食部を形成する傾向がある。材料技術的に見てこのＨＴＫは、母材の粒子境界に沿って延びる複素硫化物である。先行するＨＴＫにより、部品の支持断面が弱められる。部品の運転安全性および残留寿命を査定するためおよび再処理（例えばガスタービン翼の修繕）ができるか否かを決定するために、そのＨＴＫの腐食深さの認識が重要である。
【０００９】
本発明の課題は、酸化された炭化物の表面近傍の酸化部を検知できる炭化物含有合金の非破壊検査方法を提供することにある。また本発明の課題は、炭化物含有合金から成るガスタービン翼の非破壊検査方法を提供することにある。更にまた本発明の課題は、ガスタービン翼の母材上に防食被膜があり、その防食被膜の品質が高く寿命が長いガスタービン翼の製造方法を提供することにある。
【００１０】
更なる本発明の課題は、表面近傍の硫化された腐食部が検知できるニッケル又はコバルト基合金の非破壊検査方法を提供することにある。本発明のその他の課題は、ニッケル又はコバルト基合金から成るガスタービン翼の非破壊検査方法を提供することにある。
【００１１】
炭化物含有合金の非破壊検査方法についての課題は、本発明に基づき、炭化物含有合金の非破壊検査方法において、酸化された炭化物の表面近傍の酸化部を渦電流測定により求めることで解決される。
【００１２】
酸化された炭化物の酸化部（ＩＣＯ、上記参照）ないし硫化された母材の腐食部が、渦電流測定を介して十分な精度で検出できることが、新たに明らかになった。この渦電流測定は、上述のように、特にＩＣＯ部内における母材と異なる導電率に基礎を置く。また実験の結果、この方法の感度が、存在するＩＣＯ含有層の深さを決定するのに十分であることも証明された。上述の如く、そのため種々の励起周波数における渦電流測定が必要である。最適な低い周波数において、ＩＣＯ含有層内における渦電流伝播は無視できるので、測定は母材の特性だけで決定される。移行部において、完全な母材内並びにＩＣＯ含有層内における渦電流による一次磁界の変化が、条件づけられる。渦電流磁界は、或る周波数高さからは、ＩＣＯ含有層内しか伝播しない。従って、励起周波数の関数として測定量（例えば導電率や透過率）の限定的な変更が生ずる。ＩＣＯ含有層の影響が勝っている周波数の相関関係により、渦電流磁界の浸透深さで、ＩＣＯ含有層の厚さを決定できる。
【００１３】
ガスタービン翼の非破壊検査方法に関する課題は、本発明に基づき、炭化物含有合金から成るガスタービン翼の非破壊検査方法において、酸化された炭化物の表面近傍の酸化部を、渦電流測定により求めることにより解決される。
【００１４】
上述した方法に関する課題は、請求項１、２、４、７に記載の方法で解決される。
【００１５】
ガスタービン翼の非破壊検査方法に関する課題は、本発明に基づき、請求項８に記載の方法で解決される。
【００１６】
ガスタービン翼の場合、大きな熱的、機械的負荷のため、母材の欠陥のない組織が特に重要である。即ち本分野では、ＩＣＯ含有部や腐食部についての品質検査が重要である。
【００１７】
好適には、合金はニッケル又はコバルト基の超合金である。この種合金はガスタービンにおいてよく知られ、特に大きな高温強度を示す。しかしそのような超合金は、鋳造の際に鋳型の酸素と反応し、その際に上述したＩＣＯ部を形成する傾向がある。
【００１８】
ガスタービン翼の製造方法に関する課題は、本発明に基づき、ガスタービン翼の母材を鋳造し、該母材の表面を防食被膜を設けるべく浄化し、活性化し、続いて防食被膜を設けるガスタービン翼の製造方法において、鋳造後で浄化・活性化前に、母材表面を渦電流により、酸化された炭化物の酸化部の存在について検査することで解決できる。
【００１９】
ガスタービン翼では、通常母材に防食被膜を設けている。その場合、母材はニッケル又はコバルト基超合金で形成する。また好適には、防護膜はＭＣｒＡｌＹ合金から成り、Ｍは鉄、コバルト或いはクロム、Ｃｒはクロム、Ａｌはアルミニウム、Ｙはイットリウム、ランタン或いは希土類元素である。かかる防護膜は、母材と防護膜との永続的な付着を保証するため、母材表面の前処理を必要とする。防護膜との良好な結合のため同時に表面を活性化する適切な浄化過程はスパッタリング過程である。その際、母材表面にイオンが衝突し、その運動エネルギにより、表面が浄化・活性化される。試験の結果、表面層におけるＩＣＯ部が母材表面の適切な浄化および活性化を妨げることを確認した。ＩＣＯ部はスパッタリング過程では除去できない。ＩＣＯ部は、これを部分的に覆っていた金属や不純物が除去されるので、大幅に露出するが、酸化物自体は除去されない。このため、翼母材への防護膜の付着がひどく害される。
【００２０】
ガスタービン翼への経費のかかる浄化・被覆過程の前に、母材の表面にＩＣＯ含有層が存在するか否かを検出すべく、渦電流測定を行う。これにより、いまやはじめに、既に前段において経済的に、ＩＣＯ含有部が存在する翼を研摩過程で浄化するか、前段において既に選別できる。そして、うまく浄化された翼又ははじめからＩＣＯ部のない翼に、防護膜を設ける。これは、プラズマ噴射により行うとよい。
【００２１】
母材である超合金の組成（重量比）は、クロム２４％、ニッケル１０％、タングステン７％、タンタル３．５％、チタン０．２％、ジルコン０．５％、炭素０．６％、残りコバルトである。この合金は商品名“ＭＡＲ−Ｍ５０９”で市販されてもいる。
【００２２】
以下図を参照して本発明を詳細に説明する。図は尺度通りでなく、概略的に示し、各図において同一部分には同一符号が付している。
【００２３】
図１は、渦電流検査法によるガスタービン翼１の非破壊検査方法を概略的に示す。ガスタービン翼１は母材５を有し、該母材５は表面３を持つ。該表面３上に部分的に防護膜７を設けてある。防護膜７は渦電流測定後に初めて設けるが、念のため、図１に防護膜７も示している。表面３には腐食部９が生じている。例えばガスタービン翼１の鋳造過程で利用する鋳型（図示せず）との反応により、酸化された炭化物の酸化部９が生じている。鋳型からの酸素との反応で、腐食部や酸化部９内の炭化物は酸化物に変化している。また表面３に、例えば使用中の高温腐食で、硫化した母材の腐食部９も生ずる。
【００２４】
このために一方では、その箇所において粒子境界を強固にする炭化物の作用が失われるので、母材材料の強度が低下する。更に、防護膜７を設置する前に行うスパッタリング過程による浄化・活性化過程は、腐食部９では効果がない。これにより、母材５上への防護膜７の付着がかなり害される。経費のかかる浄化・被覆過程の前に既に有害な腐食部９を検出すべく、渦電流測定法を利用する。そのため、渦電流センサ１１を表面３に沿って導く。柔軟なプラスチック担体１５上に、電気コイル１３が配置され、該コイル１３を流れる交流電流により磁界が発生される。この磁界は表面３に電流を誘導し、この電流はまたその磁界を介してコイル１３に帰還結合する。これは、渦電流センサ１１に接続された評価回路１７において、信号１９としてはっきり分かる。渦電流センサ１１の範囲における材料の特に導電率或いは透磁率に関係して、異なった強さの信号１９が生ずる。腐食部９における異なった導電率および透磁率により、その腐食部９は渦電流センサ１１により検出できる。更に、渦電流センサ１１の交番磁界内での周波数変化により、腐食部９の深さの検出を行う。これにより、初めに非破壊腐食部（ＩＣＯ）９を検出できる。これは特に、翼が経費のかかる浄化・被覆過程の前に既にきれいに研摩ないしは選別されるので、結果としてかなりコスト的に有利である。
【００２５】
図２は、ガスタービン翼１のスパッタリングによる浄化・活性化後に露出したＩＣＯ部９を示す。ここでＩＣＯ部９は、特に翼形部（羽根）２１と翼取付け部２３との移行範囲に集中している。
【００２６】
図３は、母材５の表面３の、ＩＣＯ部９の顕微鏡写真金属組織を示す。母材５は上述した商品名“ＭＡＲ−Ｍ５０９”のコバルト基超合金からなる。ＩＣＯ層９の厚さは約１００μｍである。
【００２７】
図４は、ＩＣＯ部が存在する試料およびＩＣＯ部が存在しない試料における周波数と導電率との関係を線図で示している。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ガスタービン翼のＩＣＯ部についての検査方法の説明図。
【図２】ＩＣＯ部が露出したガスタービン翼の斜視図。
【図３】ＩＣＯ部が存在するタービン翼母材の顕微鏡写真金属組織。
【図４】ＩＣＯ部が存在する試料およびＩＣＯ部が存在しない試料における周波数と導電率との関係を示した線図。
【符号の説明】
【００２９】
１  ガスタービン翼、３  翼母材表面、５  翼母材、７  防食被膜、９  酸化部
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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