(57)【要約】【課題】参照データが特に存在しない場合であっても、検査の実施時点で取得した試験データ単独で実施できる部材の劣化度評価方法を提供する。【解決手段】部材の劣化度評価方法は、一方向凝固合金で構成される部材１０から、凝固方向１３を基準にとる第１方向１１に沿って第１採取片を作製するステップと、この第１方向１１とは異なる第２方向１２に沿って部材１０から第２採取片を作製するステップと、第１採取片及び第２採取片に対し同一の試験条件で破壊試験を実施するステップと、この破壊試験により得られた第１採取片及び第２採取片の各々の試験値を演算して導出した試験データに基づいて部材１０の劣化度を評価するステップと、を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向凝固合金で構成される部材から、凝固方向を基準にとる第１方向に沿って第１採取片を作製するステップと、
前記第１方向とは異なる第２方向に沿って前記部材から第２採取片を作製するステップと、
前記第１採取片及び前記第２採取片に対し、同一の試験条件で破壊試験を実施するステップと、
前記破壊試験により得られた前記第１採取片及び前記第２採取片の各々の試験値を演算して導出した試験データに基づいて前記部材の劣化度を評価するステップと、を含むことを特徴とする部材の劣化度評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の部材の劣化度評価方法において、
前記部材と同一規格の一方向凝固合金からなる素材から、前記第一方向及び前記第二方向に対応する方向に沿って、第１試験片及び第２試験片の組を複数作製するステップと、
保持温度及び保持時間のうち少なくとも一方を変化させた複数の条件の各々において、前記第１試験片及び前記第２試験片の組を熱処理するステップと、
各々の条件で前記熱処理された複数の前記第１試験片及び前記第２試験片の組に対し、前記第１採取片及び前記第２採取片に対して実施した同一の前記試験条件で破壊試験を実施し、各々の試験値に対し前記試験データと同様の演算をして検定データを導出するステップと、
前記保持温度及び前記保持時間の関係から導かれる劣化パラメータに、対応する前記検定データの各々を、関連付けするステップと、を含み、
前記部材の劣化度を評価するステップは、前記試験データと一致する前記検定データに対応する前記劣化パラメータを認識することによる部材の劣化度評価方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の部材の劣化度評価方法において、
前記破壊試験はクリープ試験であって、前記試験値はクリープ破断時間である部材の劣化度評価方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の部材の劣化度評価方法において、
前記破壊試験は引張試験であって、前記試験値は引張耐力又は引張強さである部材の劣化度評価方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の部材の劣化度評価方法において、
前記試験データは、前記第１採取片及び前記第２採取片の各々の試験値を差分演算して導出したものである部材の劣化度評価方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の部材の劣化度評価方法において、
前記第１方向は前記凝固方向に一致する部材の劣化度評価方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の部材の劣化度評価方法において、
前記第２方向は前記凝固方向の直交方向に一致する部材の劣化度評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一方向凝固合金で構成される部材の劣化度評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温で使用される機器の寿命は、多くの場合、この機器を構成する部材のクリープ特性に依存している。このため、タービンをはじめとして高温環境で荷重がかかる状態で使用される機器の安全基準には、部材のクリープ特性の検査が、組み込まれている。
【０００３】
近年、燃料を燃焼して生成した高温ガスを入力するガスタービンにおいては、エネルギー効率の向上を図るため、燃焼温度の高温化が求められている。
また、このガスタービンの構成部材であるブレードには、その長手方向に過大な遠心力が、動作中に付与され続けている。
【０００４】
このタービンブレードは、耐久性の向上を目的として、柱状晶を長手方向に成長させた一方向凝固合金により構成されている。
このように組織制御された一方向凝固合金は、柱状晶の成長方向（凝固方向）に付与される応力が結晶粒界にせん断作用を及ぼさないため、この凝固方向において高いクリープ特性を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１５０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
タービンブレードのクリープ特性の検査は、定期点検中などに、多数ある中から抜き取った一部のブレードを凝固方向に沿って切断し、採取した試験片に対して行っている。
部材の劣化度は、同一の設定条件の下、試験片のクリープ破断時間が、劣化の進行とともに短縮する性質に基づいて評価される。
【０００７】
しかし、経年使用された機器においては、劣化度を評価するために参照する過去のクリープ破断時間のデータが存在しない場合がある。
また、試験片の寸法、保持温度及び設定荷重といった試験条件に、クリープ破断時間は大きく依存するために、データベースを参照した劣化度評価にも限界がある。
【０００８】
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、参照データが特に存在しない場合であっても、検査の実施時点で取得した試験データ単独で実施できる部材の劣化度評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態にかかる部材の劣化度評価方法において、一方向凝固合金で構成される部材から凝固方向を基準にとる第１方向に沿って第１採取片を作製するステップと、前記第１方向とは異なる第２方向に沿って前記部材から第２採取片を作製するステップと、前記第１採取片及び前記第２採取片に対し同一の試験条件で破壊試験を実施するステップと、前記破壊試験により得られた前記第１採取片及び前記第２採取片の各々の試験値を演算して導出した試験データに基づいて前記部材の劣化度を評価するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、参照データが特に存在しない場合であっても、検査の実施時点で取得した試験データ単独で実施できる部材の劣化度評価方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態が適用されるタービンブレードの側面図。
【図２】本発明の実施形態に係る部材の劣化度評価方法を説明するフローチャート。
【図３】一方向凝固Ｎｉ基超合金のクリープ破断時間と劣化パラメータとの相関を示すグラフ。
【図４】一方向凝固Ｎｉ基超合金のクリープ破断時間と引張０．０２％耐力（室温）との相関を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態に係る部材の劣化度評価方法を添付図面に基づいて説明する。
図１は、劣化度評価方法が適用される部材の一例として示すタービンブレード１０の側面図である。ガスタービンは、燃料を燃焼させて発生した高温高圧の燃焼ガスを回転運動エネルギーに変換するものである。このためタービンブレード１０は、１０００℃以上の高温にさらされるとともにその長手方向に回転運動に伴う過大な遠心力が付与される。
【００１３】
このためにタービンブレード１０は、耐久性の向上を目的として、柱状晶の凝固方向１３を長手方向に一致させて成長させたＮｉ基一方向凝固合金により構成されている。
このＮｉ基一方向凝固合金は、５０％以上のＮｉ（ニッケル）を含有する合金であって、Ｎｉ−Ｃｕ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｍｏ系のものが知られ、さらにクリープ強度、高温強度の向上のためにＮｂ,Ｔｉ,Ａｌ等の元素を添加したものが知られている。
【００１４】
タービンブレード１０は、遠心力が付与する方向とＮｉ基一方向凝固合金の凝固方向１３とが一致していることにより、柱状晶の粒界にせん断応力が作用せず、高温における粒界すべり変形や破壊が起こりにくくなり、高温強度が向上することになる。
【００１５】
図２のフローチャートに基づいて、実施形態に係る部材の劣化度評価方法を説明する（適宜、図１参照）。
まず、高温機器（タービン）の定期点検中に、多数ある中から一部の部材（タービンブレード１０）の抜き取りを行う（Ｓ１１）。
この部材１０の劣化度評価方法は、一方向凝固合金で構成される部材１０から、凝固方向１３を基準にとる第１方向１１に沿って第１採取片（図示略）を作製するステップ（Ｓ１２）と、この第１方向１１とは異なる第２方向１２に沿って部材１０から第２採取片（図示略）を作製するステップ（Ｓ１３）と、第１採取片及び第２採取片に対し、同一の試験条件で破壊試験を実施するステップ（Ｓ１４）と、この破壊試験により得られた第１採取片及び第２採取片の各々の試験値を演算して導出した試験データに基づいて部材１０の劣化度を評価するステップ（Ｓ１５，Ｓ１６）と、を含んでいる。
【００１６】
そして、所定のレベルまで劣化が進んでいるという評価結果が得られれば（Ｓ１６：ＮＧ）、対応する他の部材（タービンブレード１０）を交換する（Ｓ１７）。また、所定のレベルまで劣化が進んでいないという評価結果が得られれば（Ｓ１６：ＯＫ）、部材の劣化度評価方法のフローを終了する（ＥＮＤ）。
【００１７】
第１実施形態の部材の劣化度評価方法において、破壊試験はクリープ試験を採用している。この場合、上述の試験値は第１採取片及び前記第２採取片のクリープ破断時間に対応する。
このクリープ試験に限らず破壊試験により得られる試験値は、凝固方向１３を基準とする方向依存性を有しており、凝固方向１３に平行方向の試験値が最大値を示し、これに垂直方向の試験値が最小値を示す。
【００１８】
各実施形態において第１方向１１は、部材１０の凝固方向１３に一致させており、第２方向１２は第１方向１１の直交方向に一致させている。
これにより、第１採取片及び第２採取片から得られる各々の試験値の相違が最大となり、この二つの試験値を演算して導出された試験データは、部材１０の劣化度を高感度に反映する。
なお、第１方向１１及び第２方向１２は、両者が一致しない限りにおいて、現実の部材の形状等に対応して、任意に設定することができる。
【００１９】
図３のグラフは、部材１０の素材と同一規格の一方向凝固Ｎｉ基超合金のクリープ破断時間と劣化パラメータとの相関を示している。部材１０の劣化度評価の実施（図２の（Ｓ１１）〜（Ｓ１７））に先立って、このグラフのような検量線を作製しておくことにより、評価精度をさらに向上させることができる。
【００２０】
再び図２のフローチャートに基づいて、クリープ破断時間と劣化パラメータとの相関を示す検量線の作製方法を説明する（適宜、図１参照）。
まず、部材１０と同一規格の一方向凝固合金からなる素材（図示略）を準備する（Ｓ２１）。この素材から、部材１０の第一方向１１及び第二方向１２に対応する方向に沿って、第１試験片（図示略）及び第２試験片（図示略）の組を複数（Ｎ組）作製する（Ｓ２２）。保持温度及び保持時間のうち少なくとも一方を変化させた複数（Ｎ個）の条件の各々（ｎ＝１〜Ｎ）において、第１試験片及び第２試験片の組を熱処理する（Ｓ２３，Ｓ２４，Ｓ２５）。各々の条件（ｎ＝１〜Ｎ）で熱処理された複数（Ｎ組）の第１試験片及び第２試験片の組に対し、第１採取片及び第２採取片に対して実施した同一の試験条件で破壊試験を実施し（Ｓ２６）、各々の試験値に対し前記試験データと同様の演算をして検定データを導出する（Ｓ２７）。そして、保持温度及び保持時間の関係から劣化パラメータを導いて（Ｓ２８）、対応する検定データの各々に関連付けする（Ｓ２９）。
【００２１】
このようにして作成した検量線を劣化度の評価ステップ（Ｓ１６）で参照し、試験データと一致する検定データに対応する劣化パラメータを認識することで、より信頼性の高い部材の劣化度評価が実施できる。
【００２２】
図２及び図３を参照して検量線の作製方法をさらに詳述する。
熱処理のステップ（Ｓ２３〜Ｓ２５）では、保持温度が７５０℃〜９００℃の範囲、保持時間が約２４０００時間までの範囲で設定される複数（Ｎ＝６）の熱処理条件で、一方向凝固Ｎｉ基超合金から作製した第１試験片及び第２試験片の組を、人工的に劣化させている。なお、図３のグラフ中、左側のデータプロットは、熱処理を実施していない新材のデータである。
【００２３】
劣化パラメータを導出するステップ（Ｓ２８）では、次の数式（１）に基づいて、複数（Ｎ＝６）の熱処理条件における各々の劣化パラメータを計算する。
（劣化パラメータ）＝Ｔ（ｌｏｇｔ＋Ｃ）      （１）
ここで、Ｔ：保持温度（Ｋ）、ｔ：保持時間（ｈ）、Ｃ：定数である。
この劣化パラメータの値が大きい程、高温または長時間の曝露により試験片の劣化が進行していることになる。
【００２４】
破壊試験のステップ（Ｓ２６）では、異なる熱処理条件で作製された複数（Ｎ＝６）の第１試験片及び第２試験片の組及び熱処理を未実施の第１試験片及び第２試験片の組に対し、試験条件（温度、荷重）を同一にして、クリープ試験を実施している。
なお、この試験条件（温度、荷重）は、部材１０から採取した第１採取片及び第２採取片に対して実施した試験条件と同一にする必要がある。
このクリープ試験によりクリープ破断時間が試験値として得られる。
【００２５】
図３は、縦軸に新材の試験値を基準として規格化されたクリープ破断時間をとり、横軸に劣化パラメータをとって表したものである。
この図３から、凝固方向１３（図１）では、劣化度の進行とともに、クリープ破断時間（試験値）が急激に低下していく様子が観測されている。
【００２６】
一方、直交方向では劣化初期においてクリープ破断時間（試験値）が新材の値から一時的に大きくに低下するが、その後の低下は緩やかであることが観察される。
換言すると、一方向凝固合金では、凝固方向１３及びこれに直交方向のクリープ破断時間は、劣化の開始直後は両者の差が広がるものの、劣化の進行とともに両者の差が縮まり、ゼロに到達した後にさらに逆転する場合もあることが観察される。
【００２７】
このような関係から、実際の検査においては、抜き取った部材の互いに異なる二方向の採取片の各々から試験値を得、この二つの試験値を差分演算して導出した試験データのみに基づいて、この部材の劣化度評価が可能であることを示している。
すなわち、この検査の実施時点よりも過去に検査をした実績がなくても、つまり実施時点よりも劣化が進行していない過去における部材１０の破壊試験データが存在していなくても、この部材の劣化度評価が可能である。
【００２８】
図３の場合では、凝固方向と直交方向の採取片のクリープ破断時間の差分がゼロクロスするとき、クリープ余寿命が新材の３０％以下に低下したと見做し、部材（タービンブレード１０）交換の判断材料にすることができる。このような判断を行う場合、図２の（Ｓ２１）〜（Ｓ２９）に示す検量線を作製するステップは、不要である。
一方において、このような検量線を作製しておけば、検査時点における劣化パラメータを認識して部材１０の劣化度を知ることができる。
なお、部材の劣化パラメータを認識するための試験データ及び検定データの演算方法は、二つの試験値の差分をとる場合の他、比をとることも考えられ、特に限定されない。
【００２９】
（第２実施形態）
第１実施形態では、破壊試験がクリープ試験である場合について説明を行った。第２実施形態では、破壊試験が引張試験である場合について説明を行う。この第２実施形態の場合、破壊試験の試験値は、引張耐力又は引張強さとなる。
【００３０】
図４のグラフは、一方向凝固Ｎｉ基超合金のクリープ破断時間と引張０．０２％耐力（室温）との相関を示している。
この図４のグラフから、クリープ破断時間と引張耐力との間には、良好な線形関係が認められる。つまり、引張耐力も、クリープ破断時間と同様に劣化パラメータの増加に応じて減少していく。これより、図３のグラフの縦軸をクリープ破断時間から室温における引張耐力に変えて、第１実施形態で行った説明をそのまま第２実施形態に適用することが可能となる。
【００３１】
つまり第２実施形態では、図２のフローチャートにおいて、（Ｓ１４）及び（Ｓ２６）における破壊試験の実施は、部材１０から採取した第１採取片及び第２採取片、並びに素材から切り出して各種の条件で熱処理を行った第１試験片及び第２試験片に対し、室温で引張試験を実施すればよいことになる。
この場合、試験条件として、引張速度を同一にする必要がある。
第２実施形態では、部材の劣化度評価を短期間で簡便に実行することが可能になる。
なお、第２実施形態において引張０．０２％耐力との相関を示したが、０．２％耐力でも、あるいは引張強さでも同様の結果が得られている。
【００３２】
以上において、破壊試験として、クリープ試験と引張試験を適用した場合を説明したが、試験法は特に限定が無く、その試験値が凝固方向を基準として方向依存性を有するものであれば適宜採用することができる。
また、本発明の実施形態が適用される一方向凝固合金もＮｉ基合金に限定されることはない。
【００３３】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の部材の劣化度評価方法によれば、互いに異なる二方向から部材を切り出した採取片を、破壊試験にかけることにより、参照データが特に存在しない場合であっても、検査の実施時点で取得した試験データ単独で部材の劣化度評価を実施することが可能となる。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３５】
１０…部材（タービンブレード）、１１…第一方向、１２…第二方向、１３…凝固方向。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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