(57)【要約】【課題】多結晶のニッケル基合金からなるニッケル基合金部品について高精度に寿命を推定することができる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】クリープ試験を行った複数の試料について、所定面Ｓａにおける複数の結晶粒ＧＥの結晶方位と結晶粒ＧＥの結晶格子面に沿って析出した複数の析出物ＥＥの厚さＭＥとをそれぞれ計測すると共にＬＭＰを求める第１工程と、結晶粒ＧＥの結晶方位と析出物ＥＥの厚さＭＥとに基づいて析出物ＥＥの真の厚さ（析出物厚）ＤＥを求める第２工程と、複数の試料のＬＭＰと析出物厚ＤＥとの近似式を求める第３工程と、近似式とＬＭＰの定義式との連立方程式に、ニッケル基合金部品の析出物厚及び使用時間を代入することにより使用温度を求める第４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破断時間を求める第５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】
多結晶ニッケル基合金から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、
異なる試験温度でクリープ試験を行った前記ニッケル基合金部品と同等な複数の試料について、所定面における複数の結晶粒の結晶方位と結晶粒の結晶格子面に沿って析出した複数の析出物の厚さとをそれぞれ計測すると共にラーソン・ミラー・パラメータを求める第１工程と、
前記結晶粒の結晶方位と析出物の厚さとに基づいて析出物の真の厚さ（析出物厚）を求める第２工程と、
前記複数の試料のラーソン・ミラー・パラメータと前記析出物厚との関係を示す近似式を求める第３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から得られた析出物厚及び使用時間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の推定値を求める第４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の推定値を、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５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】
前記所定面は試料の応力軸に直交する面であり、
前記第３工程では、前記結晶方位と前記応力軸とのなす負荷角度の余弦値との関係の直線性が良好な領域における特定の前記負荷角度の前記析出物厚について前記近似式を求めて、前記第４工程では、前記特定の負荷角度と同一の負荷角度の析出物厚を前記連立方程式に代入することを特徴とする請求項１に記載されるニッケル基合金部品の寿命推定方法。
【請求項３】
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または２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。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。
【０００３】
例えば下記特許文献１には、クリープ試験終了後のニッケル基合金試料から、（１）γ´相（析出物）の円相当直径の平均値とラーソン・ミラー・パラメータとの関係、（２）ラーソン・ミラー・パラメータとラフト化比率（γ´相の応力負荷を受ける方向のアスペクト比と無負荷のアスペクト比の比）との関係を予め求めておき、使用時間が既知の寿命推定対象におけるγ´相の円相当直径及び（１）の関係からラーソン・ミラー・パラメータを求め、このラーソン・ミラー・パラメータ、寿命推定対象を測定して求めたラフト化比率及び（２）の関係に基づいてクリープ破断寿命比（使用時間／未使用状態からの破断時間）を推定する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平８−２９７０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば論文「三浦信祐、他２名、“多結晶Ｎｉ基超合金，ＩＮ−１００，のクリープ変形により形成されるγ´相のラフト構造”、鉄と鋼、社団法人日本鉄鋼協会、２００４年８月１日、Ｖｏｌ．９０、Ｎｏ．８、ｐ．５６７−５７３」に記載されているように、多結晶ニッケル基合金の結晶方位は各結晶粒によって異なり、またγ´相のラフト化は結晶粒の結晶方位によって異なる。
従って、上記従来技術は、単結晶ニッケル基合金には適用できるものの、多結晶ニッケル基合金には適用することができない。すなわち、多結晶ニッケル基合金では各結晶粒の結晶方位が異なるので、上記従来技術のように各結晶粒の結晶方位の違いを考慮しないで一律に測定した応力負荷面と応力負荷無し面の長径及び短径に基づいてラフト化比率を求める手法は、多結晶ニッケル基合金に適用した場合に大きな誤差を含むものとなる。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、多結晶のニッケル基合金からなるニッケル基合金部品について高精度に寿命を推定することができる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】
【０００６】
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、多結晶ニッケル基合金から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、異なる試験温度でクリープ試験を行った前記ニッケル基合金部品と同等な複数の試料について、所定面における複数の結晶粒の結晶方位と結晶粒の結晶格子面に沿って析出した複数の析出物の厚さとをそれぞれ計測すると共にラーソン・ミラー・パラメータを求める第１工程と、前記結晶粒の結晶方位と析出物の厚さとに基づいて析出物の真の厚さ（析出物厚）を求める第２工程と、前記複数の試料のラーソン・ミラー・パラメータと前記析出物厚との関係を示す近似式を求める第３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から得られた析出物厚及び使用時間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４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５工程と、を有する、という手段を採用する。
【０００７】
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所定面が試料の応力軸に直交する面であり、前記第３工程では、前記結晶方位と前記応力軸とのなす負荷角度の余弦値との関係の直線性が良好な領域における特定の前記負荷角度の前記析出物厚について前記近似式を求めて、前記第４工程では、前記特定の負荷角度と同一の負荷角度の析出物厚を前記連立方程式に代入する、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の解決手段における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】
【０００８】
本発明によれば、複数の試料について計測された各結晶粒の結晶方位と各析出物の厚さとに基づいて各析出物の真の厚さ（析出物厚）を求め、結晶方位の違いを考慮した上で析出物の析出物厚と各試料のラーソン・ミラー・パラメータとの関係を示す近似式を求めるので、多結晶ニッケル基合金から形成された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】
【０００９】
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であって、多結晶ニッケル基合金から形成されたもの（ガスタービン動翼）を寿命推定対象とするものである。
【００１０】
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を示す図である。
この図１において、符号Ｌは、ガスタービン動翼１に作用する応力方向（応力軸）を示している。ガスタービン動翼１はタービン回転軸に放射状に取り付けられて使用に供されるので、応力軸Ｌは、図示するようにガスタービン動翼１の長さ方向となる。
【００１１】
図２は、図１における上記応力軸Ｌと直行する断面Ｓｒの結晶粒と結晶方位の関係を示す測定結果である。この図２に示すように、ガスタービン動翼１は、多結晶ニッケル基合金から形成されており、ガスタービン動翼１の応力軸Ｌに直交する断面Ｓｒには、多数の結晶粒Ｇが分布している。また、これら結晶粒Ｇは、図示する立方体が示すように互いに異なる結晶方位を有している。
なお、ガスタービン動翼１は、使用開始から時間が経過するに従って、未使用時には立方体状であった結晶粒内の析出物（γ´相）が板状となって、結晶粒の結晶格子面に沿って粗大化することが知られている。
【００１２】
本実施形態においては、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クリープ試験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と析出物の真の厚さ（析出物厚ＤＥ）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の使用温度と初期破断時間との関係を示す特性図（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（余寿命）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の析出物厚Ｄを代入するので、ＤＥをＤとしている。
Ｐ＝Ｔ・（Ｃ＋ｌｏｇｔ）                                （１）
ＰＥ＝（ＤＥ−β）／α                                          （２）
Ｔ＝（Ｄ−β）／{α（Ｃ＋ｌｏｇｔ）}                    （３）
【００１３】
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）で表せる。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。
【００１４】
また、本実施形態では、上記近似式（２）を求めるに際して、その近似性を高めるために、各々の結晶粒の結晶方位を考慮することによって、正確な析出物厚ＤＥを求めると共に、析出物厚ＤＥと結晶方位との関係から定数α，βをより正確に同定する。
【００１５】
上記クリープ試験では、上記複数の試料について、同一の引張（負荷）応力について異なる試験温度ＴＥが設定される。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における複数温度、例えば３つの試験温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が設定され、一方、引張応力については、例えばガスタービン動翼１に作用する実際の負荷応力、例えばガスタービン動翼１に加わる遠心力を断面Ｓｒの断面積で除した値が設定される。
【００１６】
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（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）をそれぞれ代入すると共に、使用時間ｔに各試料の試験時間ｔ１，ｔ２，ｔ３（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。
【００１７】
図３は、上記試料における析出物の測定厚ＭＥと析出物厚ＤＥとの関係を示す模式図であり、符号ＧＥは結晶粒を、またＥＥは析出物をそれぞれ示している。上述したように各試料についてラーソン・ミラー・パラメータＰＥを求めて、各試料に作用する応力の応力軸ＬＥに直交する断面Ｓａを露出させて、走査型電子顕微鏡を用いることにより当該断面Ｓａの各析出物ＥＥについて測定厚ＭＥをそれぞれ測定すると共に、走査型電子顕微鏡にＥＢＳＰ（Electron Back Scattering Pattern）検出器を接続することにより上記断面Ｓａの各結晶粒ＧＥについて結晶方位ＤＩＥ（結晶格子面Ｓｂの法線方向）をそれぞれ測定する。
【００１８】
図４は、上記図３における結晶粒ＧＥの結晶方位ＤＩＥ（結晶格子面Ｓｂの法線方向）と応力軸ＬＥとのなす角度θＥ（負荷角度）を示す模式図である。
各結晶粒ＧＥの断面Ｓａは、応力軸ＬＥに直交する面であるが、結晶粒ＧＥの結晶方位ＤＩＥは、応力軸ＬＥに関係なく個々の方向となる。すなわち、負荷角度θＥは、結晶粒ＧＥ毎に異なった値となる。従って、各結晶粒ＧＥについて得られた測定厚ＭＥに同じく各結晶粒ＧＥについて得られた負荷角度θＥの余弦値cosθＥ（負荷角余弦値）を乗算することにより、各結晶粒ＧＥについて結晶方位ＤＩＥの方向における析出物ＥＥの真の厚さ（析出物厚ＤＥ）を求める。
【００１９】
以上の処理によって、試料毎にラーソン・ミラー・パラメータＰＥが求められると共に、各試料の断面Ｓａにおける複数の結晶粒ＧＥについて結晶方位ＤＩＥが求められ、また複数の結晶粒ＧＥの結晶格子面Ｓｂに沿って各々粗大化する複数の析出物ＥＥについて析出物厚ＤＥが求められる。
【００２０】
図５は、上記負荷角余弦値cosθＥと析出物厚ＤＥの関係を示したグラフである。
図５（ａ）は、試験温度Ｔ２、試験時間ｔ１でクリープ試験を行った場合の関係であり、負荷角余弦値cosθＥが大きい結晶粒ＧＥほど析出物厚ＤＥが直線状に大きくなっている。一方、図５（ｂ）は、試験温度Ｔ２、試験時間ｔ３でクリープ試験を行った場合の関係であり、負荷角余弦値cosθＥが略０．８以上の領域では直線性が崩れている。
【００２１】
この直線性の崩れは、負荷角度θＥが０°に近いので、結晶格子面Ｓｂの受ける負荷応力が引張応力の大きさに近く比較的に大きいことと、長時間の試験によって析出物ＥＥの崩壊が始まったためであると推測される。なお、試験温度Ｔ３、試験時間ｔ１の場合についても、負荷角余弦値cosθＥが１近傍においては直線性が崩れる傾向が認められる。
【００２２】
一方、図６は、負荷角余弦値cosθＥが０．８の場合と１．０の場合とについて、各試料のラーソン・ミラー・パラメータＰＥと析出物厚ＤＥとの関係を示す点（計測点）を片対数グラフ上に示した特性図である。この図において、白丸は負荷角余弦値cosθＥが１．０の場合の計測点を示し、黒丸は負荷角余弦値cosθＥが０．８の場合を示し、また曲線状の破線は白丸の計測点に最小二乗法を適用することにより求めた近似曲線を、直線状の実線は黒丸の計測点に最小二乗法を適用することにより求めた近似直線を示している。
【００２３】
上記近似曲線は、負荷角余弦値cosθＥが１．０の場合には、ラーソン・ミラー・パラメータＰＥと析出物厚ＤＥとの関係が直線近似することができないと共にその近似性が低いことを示し、また上記近似直線は、負荷角余弦値cosθＥが０．８の場合には、ラーソン・ミラー・パラメータＰＥと析出物厚ＤＥとの関係を直線近似することができると共にその近似性が高いことを示している。
【００２４】
このような図５及び図６の特性を総合的に解釈すると、ラーソン・ミラー・パラメータＰＥと析出物厚ＤＥとの関係を高精度に直線近似する、つまり上述した近似性の高い近似式（２）を求める（定数α、βを高精度に同定する）ためには、負荷角余弦値cosθＥと析出物厚ＤＥとの関係が直線近似することが可能な負荷角余弦値cosθＥの領域、すなわち負荷角余弦値cosθＥが１．０近傍の領域を除外した領域において近似式（２）を求める必要がある。
【００２５】
すなわち、本実施形態では、負荷角余弦値cosθＥの値として、図５（ｂ）において直線性が良好な負荷角余弦値cosθＥが０．８以下の領域のうち最も大きな値（例えば０．８）を限定的に採用することにより、近似式（２）の定数α、βを高精度に同定する。
【００２６】
そして、Ｐ＝ＰＥとして、上記のようにして求めた近似式（２）とラーソン・ミラー・パラメータＰの定義式（１）とを連立させて得られる関係式（３）に、ガスタービン動翼１の使用時間ｔ及び上記のように限定的に採用した負荷角度θＥ（例えば、cosθＥ＝０．８）と同一の負荷角度となるガスタービン動翼１における析出物の析出物厚Ｄを代入することにより、使用温度Ｔの推定値を求める。このガスタービン動翼１における析出物の析出物厚Ｄは、上記試料と同様に垂直な断面（例えば断面Ｓｒ）を露出させて、負荷角度θＥと同一の負荷角度となる結晶粒Ｇから直接的に求められる析出物厚Ｄを用いてもよいし、図５のように各結晶粒Ｇから析出物厚Ｄと負荷角度の余弦値との関係を求めて、この関係から負荷角度θＥと同一の負荷角度となる析出物厚Ｄを求め、これを用いてもよい。
【００２７】
図７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、ガスタービン動翼１と同等な動翼にクリープ試験を施すことによって得られたクリープマスターカーブに上記使用温度Ｔの推定値を当てはめることにより、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の推定値が求められる。そして、この初期破断時間ｔＯの推定値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。
【００２８】
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ＰＥと析出物の析出物厚ＤＥとの関係が、複数の試料に関するクリープ試験の試験結果から高精度に特定される。すなわち、応力軸ＬＥと直交する断面Ｓａにおける結晶粒ＧＥの析出物ＥＥについて測定された測定厚ＭＥを応力軸方向ＬＥと結晶粒Ｇの結晶方位ＤＩＥから求められた負荷角余弦値cosθＥを用いて析出物厚ＤＥ（析出物ＥＥの真の厚さ）を求め、当該析出物厚ＤＥに基づいて近似式（２）を求めるので、使用温度Ｔの推定値を精度良く求めることが可能であり、よって破断時間（余寿命）の推定値を精度良く求めることができる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、負荷角余弦値cosθＥと析出物厚ＤＥとの関係の直線性が良好な負荷角余弦値cosθＥの領域のうち最も大きな値に限定して近似式（２）を特定するので、使用温度Ｔの推定値をさらに精度良く求めることが可能であり、よって破断時間（余寿命）の推定値をさらに精度良く求めることができる。
【００３０】
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、ラーソン・ミラー・パラメータＰＥを求める際に材料定数Ｃを最適化する処理を行っていないが、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して、材料定数Ｃを最適化して近似式（２）を求めてもよい。
（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。
【００３１】
（３）上記実施形態では、負荷角余弦値cosθＥの値として、図５（ｂ）において直線性が良好な領域（負荷角余弦値cosθＥが０．８以下の領域）のうち最も大きな値を限定的に採用した。しかし、これはラーソン・ミラー・パラメータＰＥに対して析出物厚ＤＥの変化量を大きくすることにより、近似式（２）の近似性を高くするために採用したに過ぎないので、上記領域内の他の負荷角余弦値cosθＥの値を用いて比較的に近似性のよい近似式を求めることができる。
（４）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、多結晶からな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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【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を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態において、ガスタービン動翼１の応力軸Ｌと直行する断面Ｓｒの結晶粒Ｇと結晶方位の関係を示す測定結果である。
【図３】本発明の一実施形態において、試料における析出物の測定厚ＭＥと析出物厚ＤＥとの関係を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態において、結晶粒ＧＥの結晶方位ＤＩＥと応力軸ＬＥとのなす角度θＥ（負荷角度）を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態において、負荷角余弦値cosθＥと析出物厚ＤＥとの関係の一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態において、負荷角余弦値cosθＥが０．８の場合と１．０の場合とについて、各試料のラーソン・ミラー・パラメータＰＥと析出物厚ＤＥとの関係を示す図である。
【図７】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】
【００３３】
１…ガスタービン動翼（ニッケル基合金部品）
Ｇ，ＧＥ…結晶粒
ＥＥ…析出物
Ｓａ…所定面
Ｓｂ…結晶格子面
Ｌ，ＬＥ…応力軸
【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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【図７】
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