(57)【要約】【課題】信憑性が従来よりも高いニッケル基合金部品の寿命推定方法を提供する。【解決手段】ニッケル基合金からなる基材の表面に金属コーティング層が形成されたニッケル基合金部品の寿命推定方法であって、ニッケル基合金部品と同等な複数の試料について、基材に形成される拡散層の厚さｄＥ（拡散層厚）とラーソン・ミラー・パラメータＰＥとの関係をそれぞれ求める第１工程と、各試料に関する関係に基づいて拡散層厚ｄＥとラーソン・ミラー・パラメータＰＥとの関係を示す近似式を求める第２工程と、近似式とラーソン・ミラー・パラメータの定義式との連立方程式に、ニッケル基合金部品の拡散層厚の測定値と使用時間とを代入してニッケル基合金部品の使用温度を求める第３工程と、この求めた使用温度を、予め取得されたクリープマスターカーブに当てはめることによりニッケル基合金部品の破断時間を求める第４工程と、を有することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル基合金からなる基材の表面に金属コーティング層が形成されたニッケル基合金部品の寿命推定方法であって、
前記ニッケル基合金部品と同等な複数の試料について、前記ニッケル基合金部品の使用によって前記基材に形成される拡散層の厚さ（拡散層厚）とラーソン・ミラー・パラメータとの関係をそれぞれ求める第１工程と、
各試料に関する前記関係に基づいて拡散層厚とラーソン・ミラー・パラメータとの関係を示す近似式を求める第２工程と、
前記近似式とラーソン・ミラー・パラメータの定義式との連立方程式に、前記ニッケル基合金部品の拡散層厚の測定値と使用時間とを代入することにより前記ニッケル基合金部品の使用温度を求める第３工程と、
このようにして求めた前記ニッケル基合金部品の使用温度を、前記ニッケル基合金部品の同等部品について予め取得されたクリープマスターカーブに当てはめることにより前記ニッケル基合金部品の破断時間を求める第４工程と、
を有することを特徴とするニッケル基合金部品の寿命推定方法。
【請求項２】
前記第２工程において、前記第１工程で求められた複数の試料に関する拡散層厚とラーソン・ミラー・パラメータとの関係のうち、実際に使用された複数の前記ニッケル基合金部品の同等部品について予め測定された拡散層厚の分布範囲に該当するものを抽出し、当該抽出された拡散層厚とラーソン・ミラー・パラメータとの関係について近似性が最も高くなるようにラーソン・ミラー・パラメータを規定する材料定数を最適化して近似式を求める
ことを特徴とする請求項１記載のニッケル基合金部品の寿命推定方法。
【請求項３】
前記金属コーティング層は、アルミニウム層またはアルミニム合金層であることを特徴とする請求項１または２記載のニッケル基合金部品の寿命推定方法。
【請求項４】
前記ニッケル基合金部品は、ガスタービンの動翼または静翼であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のニッケル基合金部品の寿命推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニッケル基合金部品の寿命推定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ニッケル基合金は、高温下における強度と耐クリープ性に優れ、ガスタービン、ジェットエンジン、化学プラント等に使用されている。また、ニッケル基合金は、表面にアルミ等をコーティングすることにより、高温下における酸化の進行による材料強度の低下が防止されて、優れた強度及び耐クリープ性が持続する。
【０００３】
しかし、このような性質を有するニッケル基合金であっても、高温・高応力に曝される使用環境下では、経年劣化による疲労破壊やクリープ破壊等が生じる。従って、このような高温・高応力下で使用されるニッケル基合金部品の余寿命を正確且つ定量的に予測することは、ニッケル基合金部品の検査や交換等の時期を計画する上で非常に重要である。
【０００４】
例えば下記特許文献１には、基材の表面にアルミコーティングを施したニッケル基合金からなるガスタービン動翼（ニッケル基合金部品）の寿命推定方法として、コーティング層と基材との間に形成される拡散層及び金属間化合物層の厚さを測定し、この測定値とガスタービンの稼働時間に基づいて上記金属間化合物層の成長速度係数を求め、当該成長速度係数、金属間化合物層の材料定数、金属間化合物層成長の活性化エネルギ及びガス定数からガスタービンの使用温度を推定し、当該使用温度に基づいてガスタービン動翼の交換寿命（余寿命）を推定する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３３０４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術によって得られた寿命推定値は、実際に稼動しているガスタービン動翼の実寿命と整合しない場合がある。従って、上記従来技術の寿命推定値に基づいて立案されたニッケル基合金部品のメンテナンス計画は、実効性に欠けるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、信憑性が従来よりも高いニッケル基合金部品の寿命推定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】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用する。
すなわち、本発明は、第１の解決手段として、ニッケル基合金からなる基材の表面に金属コーティング層が形成されたニッケル基合金部品の寿命推定方法であって、前記ニッケル基合金部品と同等な複数の試料について、前記ニッケル基合金部品の使用によって前記基材に形成される拡散層の厚さ（拡散層厚）とラーソン・ミラー・パラメータとの関係をそれぞれ求める第１工程と、各試料に関する前記関係に基づいて拡散層厚とラーソン・ミラー・パラメータとの関係を示す近似式を求める第２工程と、前記近似式とラーソン・ミラー・パラメータの定義式との連立方程式に、前記ニッケル基合金部品の拡散層厚の測定値と使用時間とを代入することにより前記ニッケル基合金部品の使用温度を求める第３工程と、このようにして求めた前記ニッケル基合金部品の使用温度を、前記ニッケル基合金部品の同等部品について予め取得されたクリープマスターカーブに当てはめることにより前記ニッケル基合金部品の破断時間を求める第４工程とを有する、という手段を採用する。
【０００８】
また、ニッケル基合金部品の寿命推定方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段における前記第２工程において、前記第１工程で求められた複数の試料に関する拡散層厚とラーソン・ミラー・パラメータとの関係のうち、実際に使用された複数の前記ニッケル基合金部品の同等部品について予め測定された拡散層厚の分布範囲に該当するものを抽出し、当該抽出された拡散層厚とラーソン・ミラー・パラメータとの関係について近似性が最も高くなるようにラーソン・ミラー・パラメータを規定する材料定数を最適化して近似式を求める、という手段を採用する。
【０００９】
また、ニッケル基合金部品の寿命推定方法に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記金属コーティング層がアルミニウム層またはアルミニム合金層である、という手段を採用する。
また、ニッケル基合金部品の寿命推定方法に係る第４の解決手段として、上記第１から第３のうちいずれかの解決手段において、前記ニッケル基合金部品がガスタービンの動翼または静翼である、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、近似式、つまりラーソン・ミラー・パラメータと拡散層厚との関係が複数の試料に関する試験結果から高精度に特定されるので、近似式とラーソン・ミラー・パラメータの定義式との連立方程式及びニッケル基合金部品の拡散層厚の測定値と使用時間とに基づいて、ニッケル基合金部品の使用温度を高精度の推定することが可能であり、よって当該使用温度の推定値に基づいてニッケル基合金部品の寿命を高精度に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態は、ガスタービンにおける圧縮機やタービンの構成部品である動翼（ガスタービン動翼）を寿命推定対象とするものである。
【００１２】
図１は、使用開始からある程度時間が経過したガスタービン動翼１の要部断面図である。このガスタービン動翼１は、ニッケル基合金からなる基材１ａ上に拡散層１ｂ、コーティング層１ｃ及び酸化膜層１ｄが形成されたものである。本来（使用開始前）のガスタービン動翼は、基材１ａの表面にアルミニウムあるいはアルミニウム合金からなるコーティング層１ｃが形成されたものであるが、高温環境下での使用によってコーティング層１ｃのアルミニウムが基材１ａ内に拡散することによって拡散層１ｂが形成されると共に、酸化によってコーティング層１ｃの表面に酸化膜層１ｄが形成される。
【００１３】
このようなガスタービン動翼１は、以下に説明するように、ラーソン・ミラー・パラメータＰの定義式（１）と、使用開始前のガスタービン動翼１と同等な複数の試料に関する熱時効試験（熱処理）の試験結果から同定されたラーソン・ミラー・パラメータＰＥと拡散層１ｂの厚さｄＥ（拡散層厚）との近似式（２）と、Ｐ＝ＰＥとして上記定義式（１）と近似式（２）とを連立させて得られる関係式（３）に基づいてガスタービン動翼１の使用温度Ｔの推定値を求め、この使用温度Ｔの推定値をガスタービン動翼１の使用温度と未使用状態から破断までの初期破断時間とに相当する関係（クリープマスターカーブ）に当てはめることにより破断時間（寿命）を推定するものである。なお、各変数の添字Ｅは、試料に関するものを意味するが、関係式（３）においてはガスタービン動翼１の拡散層厚ｄを代入するので、ｄＥをｄとしている。
Ｐ＝Ｔ・（Ｃ＋ｌｏｇｔ）                                （１）
ＰＥ＝（ｄＥ／α）β                                      （２）
Ｔ＝｛（ｄ／α）β／（Ｃ＋ｌｏｇｔ）｝                  （３）
【００１４】
ラーソン・ミラー・パラメータは、周知のように、金属部品のクリープ破壊における温度と時間との関係を示すパラメータとして、上記定義式（１）で表される。この定義式（１）において、Ｔは使用温度（絶対温度）、ｔは使用時間、Ｃは材料固有の材料定数である。
【００１５】
また、近似式（２）におけるα，βは、上記試料に関する実験結果に基づいて同定される定数である。本実施形態では、以下に説明するように、定数α，βをより正確に同定するために、実際に使用された複数のガスタービン動翼１から取得した拡散層厚ｄの分布範囲に該当する熱時効試験（熱処理）の試験結果に限定して材料定数Ｃを最適化する。
【００１６】
上記熱時効試験（熱処理）では、上記複数の試料について試験温度ＴＥと試験時間ｔＥを変えた熱時効試験（熱処理）を行う。試験温度ＴＥは、大まかに把握されるガスタービン動翼１の実際の使用温度範囲内及びその近傍における複数温度、例えば４つの試験温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が設定され、一方、試験時間ｔＥについては、ガスタービン動翼１の実際の使用時間範囲内における複数の時間、例えば３つの試験時間ｔ１，ｔ２，ｔ３が設定される。すなわち、熱時効試験（熱処理）では、各試料について４つの試験温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４と３つの試験時間ｔ１，ｔ２，ｔ３とが設定される。
【００１７】
そして、上記定義式（１）における使用温度Ｔに試験温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４をそれぞれ代入すると共に使用時間ｔに試験時間ｔ１，ｔ２，ｔ３をそれぞれ代入することにより、各試料に関するラーソン・ミラー・パラメータＰＥを求める。なお、このラーソン・ミラー・パラメータＰＥの算出に際しては、別途クリープ試験等で材料定数Ｃを算出してこの値を設定する。
【００１８】
続いて、上記各試料を研磨して内部を露出させ、顕微鏡を用い拡散層厚ｄＥを計測する。この拡散層厚ｄＥは、顕微鏡から出力される試料の画像について画像処理装置を用いて画像処理することによって、あるいは検査員が試料の画像を目視することによって計測される。なお、顕微鏡は拡散層厚ｄＥを計測するのに適切な分解能を有していればよく、例えば光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡を用いることができる。
【００１９】
図２は、このようにして求められた各試料のラーソン・ミラー・パラメータＰＥと拡散層厚ｄＥとの関係を示す点（計測点）を片対数グラフ上に示した図である。この図では、試料毎に異なる表記方法で計測点を示している。本実施形態では、このような各試料に関する計測点の全てに例えば最小二乗法を適用することにより、全ての試料に関するラーソン・ミラー・パラメータＰＥと拡散層厚ｄＥとの関係を示す特性直線を求める。このようにして各試料に関する熱時効試験（熱処理）の試験結果から得られた特性直線は、上述した近似式（２）において定数α、βが同定されたものである。
【００２０】
ここで、図２に破線で示すように、同一温度における試料の計測点は良好な直線性を示す。つまり各温度については近似性の高い特性直線を求めることができるが、全ての温度の計測点を１本の特性直線を求めるための要素とした場合には、異なる温度域が含まれるので、近似性の高い１本の特性直線を求めることは困難である。
【００２１】
本実施形態では、このような事情を回避して、より近似性の高い特性直線Ｌ、つまり近似式（２）を求めるために、上記と同様に顕微鏡を用いて実際に使用された複数のガスタービン動翼１から拡散層厚ｄの分布範囲Ｈを予め取得し、各試料に関するラーソン・ミラー・パラメータＰＥを求める際に、分布範囲Ｈに該当する試料の熱時効試験（熱処理）の試験結果（計測点）のみに限定して材料定数Ｃを最適化する。すなわち、近似式（２）の近似性が最も高くなるように、図２に示すように各試料に関する計測点を分布範囲Ｈ内に狭く限定し、この上で各試料に関するラーソン・ミラー・パラメータＰＥを求める際の材料定数Ｃを最適化する。なお、近似式（３）における材料定数Ｃも上記最適化したものを用いる。
【００２２】
図３は、このような材料定数Ｃの最適化処理前における各試料のラーソン・ミラー・パラメータＰＥと拡散層厚ｄＥとの関係を示す計測点を片対数グラフ上に示した図である。この図３に示すように、材料定数Ｃについて最適化処理を行わない場合、各試料の計測点に関する特性直線は、分布範囲Ｈ内において乖離するので、材料定数Ｃを最適化した後の特性直線Ｌに比べて近似性が低いものとなる。
【００２３】
図４は、上記ガスタービン動翼１と同等な動翼にクリープ試験を行って得られたクリープマスターカーブを示しており、上記ガスタービン動翼１の未使用状態から破断までの使用時間ｔ（初期破断時間）と使用温度Ｔとの関係に相当する特性直線を示している。本実施形態では、近似式（２）を特定することによって得られる関係式（３）にガスタービン動翼１の拡散層厚ｄの測定値を代入することによりガスタービン動翼１の使用温度Ｔの推定値を求めるが、さらに当該使用温度Ｔの推定値をクリープマスターカーブに当てはめることによってガスタービン動翼１の初期破断時間の推定値を求める。そして、ガスタービン動翼１の使用開始から現在までの使用時間ｔを上記初期破断時間の推定値から減算することによりガスタービン動翼１の破断時間（余寿命）を求める。例えば関係式（３）により、ガスタービン動翼１の使用温度ＴＳが求まると、クリープマスターカーブにより使用温度ＴＳにおける初期破断時間ｔＯが求められる。そして、この初期破断時間ｔＯからガスタービン動翼１の使用時間ｔＳを減算すれば、ガスタービン動翼１の破断時間（余寿命）ｔＮが推定される。
【００２４】
このような本実施形態によれば、近似式（２）、つまりラーソン・ミラー・パラメータＰと拡散層厚ｄとの関係が複数の試料に関する熱時効試験（熱処理）の試験結果から高精度に特定されるので、関係式（３）と拡散層厚ｄとに基づいてガスタービン動翼１の使用温度Ｔを高精度に推定することが可能であり、よって当該使用温度Ｔの推定値に基づいてガスタービン動翼１の寿命を高精度に推定することができる。
また、近似式（２）とラーソン・ミラー・パラメータＰの定義式との関係式（３）及びニッケル基合金部品の拡散層厚ｄの測定値と使用時間ｔとに基づいて、寿命の推定が可能なので、寿命推定の工程が単純化されて、ガスタービン動翼１の寿命を迅速に推定することができる。
【００２５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下の変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、近似式（２）の近似性が最も高くなるように、各試料に関する計測点を分布範囲Ｈ内に狭く限定し、この上で各試料に関するラーソン・ミラー・パラメータＰＥを求める際の材料定数Ｃを最適化したが、これはガスタービン動翼１の使用温度Ｔの推定精度のさらなる向上を目的とするものであり、必ずしも必須の処理ではない。
（２）上記実施形態では、ラーソン・ミラー・パラメータＰＥの算出に際して、別途クリープ試験等で材料定数Ｃを算出してこの値を設定したが、一般的に用いられる「２０」に設定してもよい。
【００２６】
（３）上記実施形態では、ガスタービン動翼１を寿命推定対象としたが、本発明における寿命推定対象（ニッケル基合金部品）はガスタービン動翼１に限定されない。本発明は、コーティング層を有する各種のニッケル基合金部品に適用可能である。例えばガスタービンの静翼にも本発明を適用することができる。
（４）上記実施形態では、基材１ａの表面にアルミニウムあるいはアルミニウム合金からなるコーティング層１ｃを有するガスタービン動翼１を寿命推定対象としたが、本発明の金属コーティング層は、このようなコーティング層１ｃに限定されない。本発明は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金以外の金属からなる金属コーティング層を有するニッケル基合金部品にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態において、使用開始からある程度時間が経過したガスタービン動翼１の内部状態を示す要部断面図である。
【図２】本発明の一実施形態において、材料定数Ｃを調整した後の各試料のラーソン・ミラー・パラメータＰＥと拡散層厚ｄＥの関係を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態において、材料定数Ｃを調整する前の各試料のラーソン・ミラー・パラメータＰＥと拡散層厚ｄＥとの関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態において、ガスタービン動翼１の未使用状態から破断までの使用時間ｔ（初期破断時間）と使用温度Ｔとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１…ガスタービン動翼（ニッケル基合金部品）
１ａ…基材
１ｂ…拡散層
ｄ，ｄＥ…拡散層厚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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