(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶成長に方向性を有する被検査物に対して超音波を入射させ、前記被検査物内で反射された超音波に基づいて、前記超音波が反射された位置までの距離を測定する超音波検査方法であって、
前記被検査物に対して、前記被検査物の結晶成長方向と一致する振動方向をもった横波超音波を入射させることを特徴とする超音波検査方法。
【請求項２】
前記被検査物は、ターボ形流体機械の翼部材であり、
前記結晶成長方向と一致する振動方向をもった横波超音波を、前記翼部材の表面に対して垂直に入射させることを特徴とする請求項１に記載の超音波検査方法。
【請求項３】
結晶成長に方向性を有する被検査物に対して超音波を入射させ、前記被検査物内で反射された超音波に基づいて、前記被検査物を探傷する超音波検査方法であって、
前記被検査物に対して、前記被検査物の結晶成長方向と一致する振動方向を有する横波超音波を入射させることを特徴とする超音波検査方法。
【請求項４】
前記結晶成長方向と一致する振動方向をもった横波超音波を発生させる超音波探触子と、凸面を有する遅延部材とを用い、
前記凸面を前記被検査物に当接させると共に、前記遅延部材を介して、前記被検査物に横波超音波を入射させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方向凝固鋳物又は単結晶鋳物等の、結晶成長に方向性を有する被検査物を測長、探傷する超音波検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋳造成形品の肉厚測定や、孔食等の探傷には、パルス反射式の超音波検査方法が用いられている。このパルス反射式の超音波検査方法では、探触子が発生させるパルス状の縦波超音波を被検査物の表面から入射させ、その縦波超音波が欠陥部あるいは被検査物の入射面と反対側の端面といった境界面にて反射され、反射されて戻ってくる縦波超音波を検知することにより観測して測長あるいは探傷を行う。
【０００３】
近年、一方向凝固鋳物又は単結晶鋳物といった、結晶成長に方向性を有する素材が例えばガスタービン等のターボ流体機械の中空翼部材等に採用されつつある。これらの一方向凝固鋳物又は単結晶鋳物による中空翼部材は、結晶の成長方向が翼高さ方向と一致するように、鋳型を炉中にて徐々に引き下げ、凝固の進行を制御しながら製造される。このため、中空翼部材は、鋳型内に溶湯が充満した不安定な状態で炉中に長時間保持されるので、中空部を形成するための中子が移動し翼部の肉厚が変動することがある。従って、中空翼部材の品質管理上、非破壊による肉厚測定や孔食等の探傷を精度よく行うことが極めて重要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、結晶成長に方向性を有する被検査物に対して超音波を入射させ、反射された超音波に基づいて、高精度に測長あるいは探傷を行うことが可能な超音波検査方法を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、高精度な測定を可能とする超音波検査方法について鋭意研究を行った結果、以下のような事実を新たに見出した。一方向凝固鋳物又は単結晶鋳物等の被検査物は結晶方位による異方性を有し、結晶の成長方向を［００１］方向とした場合、結晶の成長方向に垂直な平面である（００１）面上での結晶方位は結晶粒子毎に異なる。従って、縦波超音波を被検査物の表面から入射させた場合、超音波による結晶粒子の振動方向は、超音波の進行方向と平行となり、（００１）面上での結晶異方性の影響を大きく受けることになる。一方、縦波超音波の伝播速度はヤング率の大きさに応じて変化するが、例えば、ガスタービンの動翼に使用されるＮｉ基超合金のヤング率は、図６に示されるような、結晶方位依存性を示す。従って、このようなヤング率の結晶方位依存性に起因して縦波超音波を入射させる方向に応じて伝播速度が変化し、測定値に含まれる誤差が大きくなってしまう。上述したＮｉ基超合金の場合、ヤング率の変化量から推定すれば、超音波の伝播速度が平均値±１５％程度も変化してしまうことになり、従来の超音波検査方法では、結晶成長に方向性を有する被検査物に対して高精度に測長、探傷を行うことは困難であることが見出された。
【０００６】
かかる研究結果を踏まえ、請求項１に記載の本発明による超音波検査方法は、結晶成長に方向性を有する被検査物に対して超音波を入射させ、被検査物内で反射された超音波に基づいて、超音波が反射された位置までの距離を測定する超音波検査方法であって、被検査物に対して、被検査物の結晶成長方向と一致する振動方向をもった横波超音波を入射させることを特徴としている。
【０００７】
上述の請求項１に記載の超音波検査方法によれば、結晶成長方向と一致する振動方向を有する横波超音波を被検査物に入射させると、結晶粒子は結晶成長方向に振動し、結晶成長方向に垂直な面における結晶異方性の影響を受けることなく、横波超音波は入射方向へ進行する。従って、横波超音波を入射させる方向に拘わらず横波超音波は略一定の音速にて伝播することになり、伝播速度の変動による測長誤差の発生が極めて効果的に抑制される。
【０００８】
また、被検査物は、ターボ形流体機械の翼部材であり、結晶成長方向と一致する振動方向をもった横波超音波を、翼部材の表面に対して垂直に入射させることが好ましい。このように、ターボ形流体機械の翼部材に対して表面に対して垂直に横波超音波を入射させることで、翼部の肉厚を正確に測定することが可能となる。
【０００９】
請求項３に記載の本発明による超音波検査方法は、結晶成長に方向性を有する被検査物に対して超音波を入射させ、被検査物内で反射された超音波に基づいて、被検査物を探傷する超音波検査方法であって、被検査物に対して、被検査物の結晶成長方向と一致する振動方向を有する横波超音波を入射させることを特徴としている。
【００１０】
上述の請求項３に記載の超音波検査方法によれば、結晶成長方向と一致する振動方向を有する横波超音波を被検査物に入射させると、結晶粒子は結晶成長方向に振動し、結晶成長方向に垂直な面における結晶異方性の影響を受けることなく、横波超音波は入射方向へ進行する。従って、横波超音波を入射させる方向に拘わらず横波超音波は略一定の音速にて伝播することになるので、欠陥部の位置等の探傷結果に伝播速度の変動に起因する誤差が含まれてしまうことが極めて効果的に抑制される。
【００１１】
また、結晶成長方向と一致する振動方向をもった横波超音波を発生させる超音波探触子と、凸面を有する遅延部材とを用い、凸面を被検査物に当接させると共に、遅延部材を介して、被検査物に横波超音波を入射させることが好ましい。この場合には、被検査物の表面が凹面形状を有する場合においても、所望の方向に対して正確に横波超音波を入射させることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付しており、重複する説明は省略する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は本発明による超音波検査方法の第１実施形態を説明するための概念図であり、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本発明による超音波検査方法の第１実施形態で用いられる超音波探触子を示すものであり、図２（ａ）は超音波探触子の縦断面図、図２（ｂ）は超音波探触子の横断面図である。
【００１４】
まず、図１を参照しながら、一方向凝固鋳物からなる被検査物１の肉厚を測定する方法の概要を説明する。同図に示されるように、被検査物１は柱状に形成され、［００１］方向（図中、Ｚ軸方向）の一方向に結晶が成長するものであり、結晶の成長方向と垂直な（００１）面が被検査面２となる。被検査物１に対しては、被検査面２の一側３から、被検査物１の結晶成長方向（［００１］方向）と一致する振動方向を有するパルス状の横波超音波４を入射する。この際、横波超音波４を、被検査物１の表面に対して垂直に入射させる。被検査物１に入射したパルス状の横波超音波４は、被検査物１内を伝播し、被検査面２の他側５に到達する。被検査面２の他側５に到達したパルス状の横波超音波４はこの他側５にて反射し、横波超音波４を入射させた一側３に向けて伝播し、入射位置である一側３に到達する。従って、パルス状の横波超音波４を被検査面２の一側３から入射させてから、他側５にて反射された横波超音波４が一側３に到達するまでの伝播時間を計測することで、被検査面２における肉厚（＝伝播時間×伝播速度）を測定することができる。ここで、伝播速度は横波音速として予め設定されている。
【００１５】
パルス状の横波超音波４を発生させる超音波探触子１０は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、筐体１１と、筐体１１内に支持されるＹカット振動子１３と、被検査物１に当接させる凸状遅延部材１４とを有する。超音波探触子１０は、接続ケーブル１５を介して超音波測定器２０に接続されていると共に、超音波を出射する面とは反対側の面に振動低減部材１２が設けられている。超音波測定器２０は、超音波探触子１０からパルス状の横波超音波４を出射させてから、反射された横波超音波が超音波探触子１０に入射するまでの時間に基づいて、被検査物１の肉厚等を算出し、算出結果を表示する。
【００１６】
Ｙカット振動子１３は、図２（ｂ）に示される矢印方向に振動し、被検査物１の測定面に対して平行なせん断振動を付与し、被検査物１に対して横波超音波を入射させる。このせん断振動の方向を被検査物１の結晶成長方向（［００１］方向）と一致させることで、被検査物１の結晶成長方向（［００１］方向）と一致する振動方向をもった横波超音波を入射することが可能となる。振動低減部材１２及び凸状遅延部材１４はアクリル樹脂等からなり、振動低減部材１２のＹカット振動子１３に当接させる面は平坦に形成されており、凸状遅延部材１４の被検査物１に当接させる面は、所定の曲率を有する凸（略かまぼこ形状）に形成されている。
【００１７】
図３に、一方向凝固鋳物からなり、ターボ流体機械に適用される中空翼部材の一例として、ガスタービンの動翼３０の肉厚を測定する手順を示す。この場合、超音波探触子１０を動翼３０の腹面３１に当接させている。超音波探触子１０の筐体１１の背面には、Ｙカット振動子１３の振動方向を示す矢印マーク１６が付されており、この矢印マーク１６の向きと動翼３０の結晶成長方向とを一致させた状態で、凸状遅延部材１４を動翼３０の腹面３１に対して垂直な方向から当接させる。この状態で、超音波探触子１０からパルス状の横波超音波４を入射させる。超音波測定器２０は、パルス状の横波超音波４を出射させてから反射されたパルス状の横波超音波が超音波探触子１０に入射するまでの時間を計測し、この計測した時間に基づいて動翼３０の肉厚を算出する。
【００１８】
図４（ａ）は、上述した手順により一方向凝固鋳物からなる動翼３０の肉厚の測定値と動翼３０の切断片の肉厚実測値と比較した結果を示す。図４（ａ）に示されるように、実測値に対する誤差量は全測定範囲で±０．２ｍｍ以下になることから、動翼３０の結晶成長方向と一致する振動方向をもった横波超音波を用いて肉厚を測定すれば、極めて高精度な測定が行えることが確認できる。一方、縦波超音波を用いた場合には、図４（ｂ）に示されるように、実測値に対する誤差量は全測定範囲で実測値の±１０％程度にもなる。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）から、縦波超音波を用いた場合には、肉厚が厚くなるに従って、測定誤差が増加する傾向にあるのに対して、横波超音波を用いた場合は、肉厚に拘わらず、誤差の少ない安定した測定が行えることも確認できる。
【００１９】
このように、被検査物１（動翼３０）内を伝播するパルス状の横波超音波４の振動方向を、被検査物１の結晶成長方向（［００１］方向）と一致させることにより、被検査物１の結晶粒子は結晶成長方向に振動し、パルス状の横波超音波４は、結晶成長方向に垂直な平面での結晶異方性に影響を受けることなく、被検査物１（動翼３０）内を伝播する。従って、横波超音波４を入射させる方向に拘わらずパルス状の横波超音波４は略一定の音速にて伝播することになり、伝播速度の変動による測長誤差の発生が抑制される。この結果、極めて高精度な測長を行うことが可能となる。
【００２０】
また、Ｙカット振動子１３の振動方向と、動翼３０の結晶成長方向とを一致させた状態で、凸状遅延部材１４を動翼３０の腹面３１に対して垂直な方向から当接させれば、動翼３０の腹面３１に対して垂直に横波超音波を入射させて動翼３０の肉厚を正確に測定することが可能となる。
【００２１】
また、凸状遅延部材１４の動翼３０に当接させる面は、所定の曲率を有する凸（略かまぼこ形状）に形成されているので、動翼３０の腹面３１のように被検査物の表面が凹面形状を有する場合であっても、所望の方向に対して正確に横波超音波を入射させることが可能となる。
【００２２】
（第２実施形態）
図５は、本発明による超音波検査方法の第２実施形態を説明するための概念図である。
【００２３】
図４を参照しながら、一方向凝固鋳物からなる被検査物４１の内部に存在する微小な孔食等の欠陥部５０を探傷する方法について説明する。被検査物４１は、第１実施形態と同様に、柱状に形成され、［００１］方向（図中、Ｚ軸方向）の一方向に結晶が成長するものであり、結晶の成長方向と垂直な（００１）面が被検査面４２となる。被検査物４１に対しては、被検査面４２の一側４３から、被検査物４１の結晶成長方向（［００１］方向）と一致する振動方向をもったパルス状の横波超音波４４を入射させる。この際、横波超音波４４を被検査物４１の表面に対して垂直に入射させる。被検査物４１に入射したパルス状の横波超音波４４は、被検査物４１内を伝播する。図５に示されるように、被検査物４１内に欠陥部５０が存在すると、欠陥部５０との境界面にてパルス状の横波超音波４４は反射し、横波超音波４４を入射させた一側４３に向けて伝播し、入射位置である一側４３に到達する。従って、パルス状の横波超音波４４を被検査面４２の一側４３から入射させてから、欠陥部５０にて反射されて一側４３に到達するまでの伝播時間を計測することで、被検査面４２における欠陥部５０の有無、及び、欠陥部５０までの距離（＝伝播時間×伝播速度）を測定することができる。ここで、伝播速度は横波音速として予め設定されている。
【００２４】
このように、被検査物４１内を伝播するパルス状の横波超音波４４の振動方向は、被検査物４１の結晶成長方向（［００１］方向）と一致させるとにより、被検査物４１の結晶粒子は結晶成長方向に振動し、パルス状の横波超音波４４は、結晶成長方向に垂直な平面での結晶異方性に影響を受けることなく、被検査物４１内を伝播する。従って、横波超音波４４を入射させる方向に拘わらずパルス状の横波超音波４４は略一定の音速にて伝播することになり、欠陥部５０の有無あるいは欠陥部５０までの距離等の探傷結果に伝播速度の変動による誤差が含まれてしまうことが抑制される。この結果、極めて高精度な探傷を行うことが可能となる。
【００２５】
なお、第１及び第２実施形態においては、一方向凝固鋳物からなる被検査物１，４１を測長あるいは探傷する例を示したが、被検査物としてはこれらに限られることなく、例えば単結晶鋳物からなるものでもよく、結晶成長方向に方向性を有するものであれば、各種素材を被検査物とすることができる。
【００２６】
また、第１実施形態に含まれる超音波探触子１０の凸状遅延部材１４の形状は、上述したものに限られることなく、被検査物に当接させる面が所定の曲率を有する球面形状としてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、請求項１に記載の本発明によれば、結晶成長方向と一致する振動方向を有する横波超音波を被検査物に入射させることにより、結晶粒子は結晶成長方向に振動し、結晶成長方向に垂直な平面での結晶異方性に影響を受けることなく、横波超音波は入射方向へ進行する。従って、横波超音波は略一定の音速にて伝播することになり、伝播速度変動による測長誤差の発生が抑制され、高精度な測長を行うことが可能となる。
【００２８】
また、請求項３に記載の本発明によれば、結晶成長方向と一致する振動方向を有する横波超音波を被検査物に入射させると、結晶粒子は結晶成長方向に振動し、結晶成長方向に垂直な平面での結晶異方性に影響を受けることなく、横波超音波は入射方向へ進行する。従って、横波超音波は略一定の音速にて伝播することになり、欠陥部の位置等の探傷結果への伝播速度変動による誤差の含有が抑制され、高精度な探傷を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波検査方法の第１実施形態を説明するための概念図である。
【図２】本発明による超音波検査方法の第１実施形態に用いられる超音波探触子を示し、（ａ）は超音波探触子の縦断面図、（ｂ）は超音波探触子の横断面図である。
【図３】本発明による超音波検査方法の第１実施形態を、中空翼部材の肉厚測定に適用した例を示す説明図である。
【図４】（ａ）は一方向凝固鋳物からなる中空翼部材に横波超音波を入射した場合の測定結果を示す図表、（ｂ）は一方向凝固鋳物からなる中空翼部材に縦波超音波を入射した場合の測定結果を示す図表である。
【図５】本発明による超音波検査方法の第２実施形態を説明するための概念図である。
【図６】Ｎｉ基超合金における、結晶方位とヤング率との関係を示す図表である。
【符号の説明】
１，４１…被検査物、２，４２…被検査面、４…横波超音波、１０…超音波探触子、１１…筐体、１２…振動低減部材、１３…Ｙカット振動子、１４…凸状遅延部材、１５…接続ケーブル、１６…矢印マーク、２０…超音波測定器、３０…動翼、３１…腹面、５０…欠陥部。
【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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