(57)【要約】      （修正有）【課題】赤外線サーモグラフィ（温度画像）を用いた簡便で可搬性の良い遮熱コーティング剥離の検査手法を提供する。【解決手段】基材表面に形成されたコーティングの剥離の有無を非破壊で検査するコーティング剥離の検査装置１０１であって、検査装置は、コーティングの表面にレーザービームを照射する熱源２２と、レーザービーム照射部を撮像するサーモカメラ２６と、撮像装置により撮像した画像を解析する画像解析部２９と、予め測定した複数のコーティングの剥離部の温度特性が記憶された温度変化データベース３７と、撮像装置により撮像した画像から算出したレーザービーム照射部の温度特性、および温度変化データベースのデータを比較することにより剥離であるか否かを判定する剥離判定部３０と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2017096834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材表面に形成されたコーティングの剥離の有無を非破壊で検査するコーティング剥離の検査装置であって、
前記検査装置は、前記コーティングの表面にレーザービームを照射する熱源と、
レーザービーム照射部を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置により撮像した画像を解析する画像解析部と、
予め測定した複数のコーティングの剥離部の温度特性が記憶された温度変化データベースと、
前記撮像装置により撮像した画像から算出したレーザービーム照射部の温度特性、および前記温度変化データベースのデータを比較することにより剥離であるか否かを判定する剥離判定部と、
を備えることを特徴とするコーティング剥離の検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載のコーティング剥離の検査装置であって、
前記熱源からのレーザービーム照射を制御する熱源制御部をさらに備え、
前記熱源制御部により、前記熱源からのレーザービーム照射を断続的に行うことを特徴とするコーティング剥離の検査装置。
【請求項３】
請求項２に記載のコーティング剥離の検査装置であって、
前記熱源からのレーザービーム照射の照射範囲を変更するビーム成形部をさらに備え、
前記撮像装置により撮像した画像に基づき、温度が周囲より高い部分があると判定した場合、レーザービーム照射の照射範囲をスポット状に変更し、当該温度が周囲より高い部分にレーザービームを断続的に照射することを特徴とするコーティング剥離の検査装置。
【請求項４】
請求項１に記載のコーティング剥離の検査装置であって、
前記剥離判定部は、レーザービーム照射後の照射部の温度上昇値とレーザービーム照射停止後の照射部の温度低下時間から剥離の有無を判定することを特徴とするコーティング剥離の検査装置。
【請求項５】
請求項１に記載のコーティング剥離の検査装置であって、
前記熱源は、ハロゲンランプ、白熱ランプ、レーザー光源のいずれかであることを特徴とするコーティング剥離の検査装置。
【請求項６】
請求項１に記載のコーティング剥離の検査装置であって、
前記コーティングは、火力発電に用いるタービン翼のコーティングであることを特徴とするコーティング剥離の検査装置。
【請求項７】
基材表面に形成されたコーティングの剥離の有無を非破壊で検査するコーティング剥離の検査方法であって、
前記コーティングにレーザービームを照射し、
当該レーザービーム照射部の熱画像を撮像し、
当該撮像した熱画像から算出したレーザービーム照射部の温度特性と、予め測定した複数のコーティングの剥離部の温度特性とを比較することにより、前記コーティングの剥離の有無を判定することを特徴とするコーティング剥離の検査方法。
【請求項８】
請求項７に記載のコーティング剥離の検査方法であって、
前記コーティングに断続的にレーザービームを照射することを特徴とするコーティング剥離の検査方法。
【請求項９】
請求項８に記載のコーティング剥離の検査方法であって、
前記熱画像に基づき、温度が周囲より高い部分があると判定した場合、レーザービーム照射の照射範囲をスポット状に変更し、
当該温度が周囲より高い部分にレーザービームを断続的に照射することを特徴とするコーティング剥離の検査方法。
【請求項１０】
請求項７に記載のコーティング剥離の検査方法であって、
レーザービーム照射後の照射部の温度上昇値とレーザービーム照射停止後の照射部の温度低下時間から剥離の有無を判定することを特徴とするコーティング剥離の検査方法。
【請求項１１】
請求項７に記載のコーティング剥離の検査方法であって、
前記レーザービームの熱源は、ハロゲンランプ、白熱ランプ、レーザー光源のいずれかであることを特徴とするコーティング剥離の検査方法。
【請求項１２】
請求項７に記載のコーティング剥離の検査方法であって、
前記コーティングは、火力発電に用いるタービン翼のコーティングであることを特徴とするコーティング剥離の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーティング層の内部に発生する剥離の非破壊検査方法に係り、特に、ガスタービンの燃焼器、動翼、静翼等の高温部品に施される遮熱コーティングの内部に発生する剥離の非破壊検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン高温部品を高温の燃焼ガスから守るために、遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating：TBC）が用いられている。これらの部品の基材には、耐熱合金が用いられ、さらに、この基材を保護する目的で、遮熱コーティングが用いられる。
【０００３】
遮熱コーティングは、トップコートと呼ばれる熱伝導率の小さいセラミックス製の遮熱層（例えば、イットリア安定化ジルコニア：YSZ）と、遮熱層と基材の間の熱膨張差を緩和して密着性を向上するためのボンドコートと呼ばれる結合層を基材上に成膜した２層構造からなる。
【０００４】
トップコートの膜厚は数百ミクロンであり、金属よりも熱伝導率が低いセラミックスであることと、内部に細かな気孔、すなわち、断熱部が多く存在することから、優れた遮熱性能を持つ。このような遮熱コーティング（TBC）は、長期使用により結合層が酸化し、割れや剥離が発生する問題があり、定期的なリコーティング補修が必要とされている。
【０００５】
そこで、適切なタイミングで遮熱コーティング（TBC）の補修を行うためには、高温部品の点検時などに、剥離の発生状況を把握する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−２４６０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この種のトップコートの剥離の非破壊検査方法の従来技術として、赤外線サーモグラフィを利用したものが提案されている。
【０００８】
例えば、特許文献１には、金属基材に遮熱コーティングを施した試料の表面にレーザービームを照射するとともに、トップコートの表面の線上を移動させることにより走査し、前記線上の各点における温度を表す温度特性を検出するとともに、前記各点の周辺部分を含む試料の表面の温度分布を表す画像を赤外線カメラで撮像する一方、前記温度特性がピークとなる試料の表面位置を特定し、特定した表面位置から走査方向に関し下流側の所定の範囲内においてレーザービームによる走査方向の反対側に伸びる尻尾状の低温部である剥離残像が前記画像中に検出された場合に前記ピークとなる位置におけるトップコートを剥離部位と判定する方法が述べられている。
【０００９】
しかしながら、この方法では、走査が必要となるため、発電所現地での検査を想定した場合に、大型の走査機構が必要になるという課題がある。
【００１０】
以上を鑑み、本発明は、赤外線サーモグラフィ（温度画像）を用いた簡便で可搬性の良い遮熱コーティング剥離の検査手法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、基材表面に形成されたコーティングの剥離の有無を非破壊で検査するコーティング剥離の検査装置であって、前記検査装置は、前記コーティングの表面にレーザービームを照射する熱源と、レーザービーム照射部を撮像する撮像装置と、前記撮像装置により撮像した画像を解析する画像解析部と、予め測定した複数のコーティングの剥離部の温度特性が記憶された温度変化データベースと、前記撮像装置により撮像した画像から算出したレーザービーム照射部の温度特性、および前記温度変化データベースのデータを比較することにより剥離であるか否かを判定する剥離判定部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、基材表面に形成されたコーティングの剥離の有無を非破壊で検査するコーティング剥離の検査方法であって、前記コーティングにレーザービームを照射し、当該レーザービーム照射部の熱画像を撮像し、当該撮像した熱画像から算出したレーザービーム照射部の温度特性と、予め測定した複数のコーティングの剥離部の温度特性とを比較することにより、前記コーティングの剥離の有無を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、走査機構が不要となるため装置が小型化でき、剥離の有無の判定が容易になり、かつ、判定精度が向上する。
【００１４】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る検査装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る検査対象（遮熱コーティング）を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る検査対象（遮熱コーティング）を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る検査対象（遮熱コーティング）を示す平面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る非剥離部の温度分布の変化の様子を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る剥離部の温度分布の変化の様子を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る非剥離部および剥離部のピーク温度の変化の様子を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る検査方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
【実施例１】
【００１７】
図１を用いて、本実施例におけるコーティング剥離の検査装置について説明する。図１は検査装置の全体構成を示している。本実施例の検査装置は、検査ヘッド１００および検査装置本体１０１から構成されている。
【００１８】
検査ヘッド１００は、熱源２２、ビーム成形部２３、ミラー２４、サーモカメラ２６を備えている。熱源２２（例えば、ハロゲンランプ、白熱ランプ、レーザー光源など）からの光を、ビーム成形部２３で成形し、ミラー２４を介して、例えばガスタービンの高温部品の表面（遮熱コーティング）などの検査対象２５に照射する。次に、照射エリアをサーモカメラ（赤外線サーモグラフィ）２６で撮像する。このとき、ビーム成形部２３では、ビームを拡散させ、サーモカメラ２６の視野よりも広い範囲を照射する。
【００１９】
検査装置本体１０１は、ファンクションジェネレータ２０、熱源制御部２１を備えており、熱源２２からの光の放射を制御する。また、検査装置本体１０１は、画像取込部２７、画像記憶部２８、画像解析部２９、剥離判定部３０、表示部３１、記録部３２、ビーム成形部制御部３６、温度変化ＤＢ（データベース）３７を備えている。サーモカメラ２６で撮像された熱画像は、画像取込部２７を介して、画像解析部２９に送られるとともに、画像記憶部２８に記憶される。
【００２０】
画像解析部２９では、温度が周囲より高くなる部分の有無を判定する。温度が周囲より高くなる部分がある場合には、ビーム成形部制御部３６からの指令により、ビーム成形部２３により、照射ビームがスポット状に変更される。
【００２１】
照射ビームがスポット状になったら、温度が周囲より高くなる部分にビームが照射されるように熱源２２、ビーム成形部２３、ミラー２４、およびサーモカメラ２６が一体化された検査ヘッド１００を動かす。このとき、熱源２２は、熱源制御部２１を介したファンクションジェネレータ２０からの信号に基づき、断続的にＯＮ／ＯＦＦされる。
【００２２】
次に、図２から図４を用いて、検査対象２５の詳細について説明する。図２および図３は検査対象２５の一部断面を示している。また、図４は図３におけるＡ−Ａ’矢視図（検査対象２５の平面図）である。
【００２３】
図２に示すように、検査対象２５は、基材２（金属など）の上にボンドコート（結合層）１Ｂおよびトップコート（遮熱層）１Ａが積層された構造となっている。このボンドコート（結合層）１Ｂとトップコート（遮熱層）１Ａからなる遮熱コーティング（ＴＢＣ）１に剥離が生じる場合、図３に示すように、剥離３は主にトップコート（遮熱層）１Ａとボンドコート1Ｂの界面にできる。剥離３は気体層であるため断熱効果が高く、熱源２２で加熱すると熱溜りとなり、剥離３は高温となる。
【００２４】
図４は、検査対象２５の遮熱コーティング（ＴＢＣ）１に、剥離３以外に、例えば、表面が黒く汚れている領域３５が存在した場合を示している。
【００２５】
サーモカメラ２６は、対象物から出ている赤外線放射エネルギーを検出し、見かけの温度に変換して、温度分布を画像表示する。対象物から放射されている赤外線を受動的に検出するだけのため、周囲からの反射などの影響を受ける場合がある。そのため、剥離などの欠陥がなくても、例えば、表面が黒く汚れている領域３５などがあると、熱源２２からの赤外線を吸収し高温になり、多くの熱輻射を発生し、サーモカメラ２６で取得される画像で、温度が高く検出される場合がある。そこで、サーモカメラ２６で高温部となった部位が、剥離なのか、或いは、表面の汚れなどの影響によるものなのかを判定する必要がある。
【００２６】
そこで、本実施例では、上記の判定のために、熱源２２から照射されるビームを、熱源制御部２１を介してファンクションジェネレータ２０からの信号に基づき、断続的にＯＮ／ＯＦＦする。
【００２７】
図５は表面が黒く汚れている領域３５の温度分布を示している。熱源２２から照射がＯＮになると、表面が黒く汚れている領域３５の周囲が高温になる。図５の符号５から符号８は等温線を示している。ビーム照射中は、高温部分が広く、符号４（温度ピーク点）の温度も高い。熱源２２からのビーム照射がＯＦＦになると、急速に冷えて高温領域が狭くなり（等温線の７，８が無くなり）、同時に、符号４（温度ピーク点）の温度も低くなる。更に時間が経過すると、高温部分は消滅する。
【００２８】
一方、図６は剥離３の温度分布を示している。熱源２２からビーム照射がＯＮになると、剥離部３の周囲が高温になる。図６の符号１０から符号１３は等温線を示している。ビーム照射中は、高温部分が広く、符号９（温度ピーク点）の温度も高い。熱源２２からのビーム照射がＯＦＦになっても、剥離３が熱溜りとなるため、急には温度が低下せず、徐々にピーク温度が低下しつつ、高温領域も徐々に消滅していく。
【００２９】
図７は、図５および図６における温度ピーク点４，９の時間変化曲線を示している。ピーク温度曲線１４（実線）は剥離３のピーク温度推移を示し、ピーク温度曲線１５（破線）は表面が黒く汚れている領域３５のピーク温度推移を示している。
【００３０】
熱源２２からのビーム照射がＯＮになると、温度が急峻に上昇する。ピーク温度は剥離３がある場合の方が高くなり（Ｔ２＞Ｔ１）、ピーク温度に達するまでの時間は剥離３がある方が長くなる（ｔ２＞ｔ１）。
【００３１】
次に、熱源２２からのビーム照射がＯＦＦになると、表面が黒く汚れている領域３５は急速に温度が低下するのに対し、剥離３は徐々に温度が低下する（ｔ３＜ｔ４，Ｔ３＜Ｔ４）。
【００３２】
本実施例では、この温度上昇と温度低下の違い（時定数の違い）を利用して、剥離３と非剥離部である表面が黒く汚れている領域３５を判別する。すなわち、様々な剥離（面積）や汚れに対して、予め時定数を測定しておき、それを温度変化ＤＢ３７に保存しておく。次に、剥離判定部３０で温度変化ＤＢ３７に保存された時定数の情報を比較しつつ、剥離であるのか、或いは、非剥離（表面が黒く汚れている領域）であるのかを識別する。
【００３３】
図８に上記で説明した剥離の検査方法のフローチャートを示す。
【００３４】
先ず、検査対象（試料）にレーザービームを照射する。（ステップＳ１）
次に、照射エリアをサーモカメラで撮像する。（ステップＳ２）
続いて、サーモカメラで撮像した撮像画像（熱画像）に基づき、温度が周囲より高くなる部分の有無を判定する。（ステップＳ３）温度が周囲より高くなる部分が無いと判定した場合、ステップＳ１に戻り、検査対象（試料）の別の領域にレーザービームを照射し、温度が周囲より高くなる部分が見つかるまで、ステップ１からステップ３を繰り返す。一方、温度が周囲より高くなる部分が有りと判定した場合、ステップＳ４に移行する。
【００３５】
続いて、レーザービームをスポット状に変更し、温度が周囲より高い部分に断続的にレーザービームを照射する。（ステップＳ４）
次に、照射エリアをサーモカメラで一定時間撮像する。（ステップＳ５）
続いて、照射エリアの温度特性（温度上昇および温度低下の時定数）を撮像画像（熱画像）から算出し、予め測定した様々な剥離（面積）や汚れの温度特性（時定数）を温度変化ＤＢから読み出し、照射エリアの温度特性と比較する。温度変化ＤＢのデータとの比較により、剥離であるか否かの判定を行う。（ステップＳ６）
剥離でない（否）と判定した場合、ステップＳ１に戻り、検査対象（試料）の別の領域にレーザービームを照射し、温度が周囲より高くなる部分が見つかるまで、ステップ１からステップ３を繰り返す。一方、剥離と判定した場合、剥離と判定した部分の検査対象（試料）における位置や大きさなどを判定結果と共に表示部に表示して、検査を終了する。（ステップＳ７）
以上説明したように、本実施例によれば、発電所などの現地において、簡便な方法で遮熱コーティングの剥離の有無を非破壊で検査することができる。
【００３６】
特に、火力発電所のガスタービンの燃焼器、動翼や静翼のようなタービン翼等の高温部品に施される遮熱コーティングの内部に発生する剥離を非破壊で精度良く検査することができる。
【００３７】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１…遮熱コーティング（ＴＢＣ）、１Ａ…トップコート（遮熱層）、１Ｂ…ボンドコート（結合層）、２…基材、３…剥離、４，９…温度ピーク点、５〜８，１０〜１３…等温線、１４，１５…ピーク温度曲線、２０…ファンクションジェネレータ、２１…熱源制御部、２２…熱源、２３…ビーム成形部、２４…ミラー、２５…検査対象、２６…サーモカメラ、２７…画像取込部、２８…画像記憶部、２９…画像解析部、３０…剥離判定部、３１…表示部、３２…記録部、３３，３４…ビーム光束、３５…表面が黒く汚れている領域、３６…ビーム成形部制御部、３７…温度変化ＤＢ、１００…検査ヘッド、１０１…検査装置本体。
【図１】
2017096834.tif 000003
【図２】
2017096834.tif 000004
【図３】
2017096834.tif 000005
【図４】
2017096834.tif 000006
【図５】
2017096834.tif 000007
【図６】
2017096834.tif 000008
【図７】
2017096834.tif 000009
【図８】
2017096834.tif 000010