JP2003315253A - Durability testing method of coating member and test device therefor - Google Patents
Durability testing method of coating member and test device thereforInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はコーティング部材の
耐久性試験方法および試験装置に係り、室温および高温
における靭性・強度、熱衝撃における強度・耐久性、高
温腐食雰囲気下における耐食性および高温断熱性等の向
上を目的に使用されるコーティング部材の耐久性につい
て、特にコーティング部材の試験条件を実機使用条件に
十分に模擬することができるため、コーティング部材の
より詳細な損傷メカニズムの解明とより高精度の寿命評
価とを可能にしたコーティング部材の試験方法および試
験装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for testing the durability of a coating member, including toughness / strength at room temperature and high temperature, strength / durability at thermal shock, corrosion resistance in high temperature corrosive atmosphere, and high temperature heat insulating property. Regarding the durability of the coating member used for the purpose of improving the durability of the coating member, in particular, the test conditions of the coating member can be sufficiently simulated to the actual operating conditions. The present invention relates to a coating member testing method and a testing apparatus that enable life evaluation.
【０００２】[0002]
【従来の技術】化石燃料の燃焼に伴う炭酸ガスの放出に
よる地球温暖化を防止する観点や省資源による経済性の
向上という観点から、発電用ガスタービンやガスタービ
ンエンジンなどの原動機においては熱効率のさらなる向
上が求められており、精力的な研究開発が進められてい
る。例えばガスタービン発電設備においては、運転温度
を高めて燃焼機出口ガス温度が高いほど発電効率が向上
することが公知である。したがって高効率化を達成する
ためには、エネルギーロスを低減させるとともに、高温
度の燃焼ガスにさらされるガスタービンの動翼、静翼ま
たは燃焼器などの高熱機器を構成する耐熱構造部材に作
用する高温度を緩和したり、高温度運転に耐えるように
部材自体の耐用温度（耐熱温度）を高めたりする方向で
研究開発が進められている。2. Description of the Related Art From the viewpoint of preventing global warming due to the release of carbon dioxide gas accompanying the combustion of fossil fuels and improving the economic efficiency by saving resources, power generators such as gas turbines for power generation and gas turbine engines have thermal efficiency. Further improvement is required, and vigorous research and development is underway. For example, in a gas turbine power generation facility, it is known that the higher the operating temperature and the higher the combustor outlet gas temperature, the higher the power generation efficiency. Therefore, in order to achieve high efficiency, the energy loss is reduced and the heat-resistant structural members constituting high-heat equipment such as rotor blades, vanes or combustors of a gas turbine exposed to high-temperature combustion gas act. Research and development is being conducted in the direction of relaxing the high temperature and increasing the service temperature (heat resistant temperature) of the member itself so as to withstand the high temperature operation.
【０００３】上記耐熱構造部材の耐久性（信頼性）を向
上させるために、まず構造部材自体の耐熱性を向上させ
る研究が実施されてきた。例えば、既に高温部品用構造
材料としてＮｉ基合金、Ｃｏ基合金またはＦｅ基合金等
から成る耐熱超合金の研究開発が進んでおり、実用化さ
れているものも多い。In order to improve the durability (reliability) of the heat-resistant structural member, research has been conducted to improve the heat resistance of the structural member itself. For example, research and development of heat-resistant superalloys made of Ni-based alloys, Co-based alloys, Fe-based alloys, etc. have already been advanced as structural materials for high-temperature parts, and many of them have been put into practical use.
【０００４】しかしながら、上記従来の超合金のみから
成る耐熱構造部材では、融点が十分に高いものが得られ
ず、高温度域において部材組織の軟化や再結晶による強
度低下が発生し易いことから、１０００℃以上の高温度
領域では使用できないという制約があった。However, in the above-mentioned conventional heat-resistant structural member consisting only of a superalloy, a member having a sufficiently high melting point cannot be obtained, and in the high temperature region, the structure of the member tends to be softened and strength reduction due to recrystallization tends to occur. There is a restriction that it cannot be used in a high temperature region of 1000 ° C. or higher.
【０００５】そこで、上記制約の解消策として、遮熱コ
ーティング（ＴＢＣ：Thermal Barrier Coating）を用
いた技術が開発され、一部で実用化されている。例え
ば、特公平１−１８９９３号公報および特公平１−１８
９９４号公報には、耐熱合金である超合金製基材表面に
金属接合層およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層を介して熱
伝導率が低いセラミックス被覆層を遮熱コーティング層
として形成した耐熱部材が開示されている。Therefore, as a solution to the above restrictions, a technique using a thermal barrier coating (TBC) has been developed and partially put into practical use. For example, Japanese Patent Publication No. 1-18993 and Japanese Patent Publication No. 1-18
Japanese Patent No. 994 discloses a heat-resistant member in which a ceramic coating layer having a low thermal conductivity is formed as a thermal barrier coating layer on the surface of a superalloy base material which is a heat-resistant alloy via a metal bonding layer and an alumina (Al 2 O 3 ) layer. Is disclosed.
【０００６】上記耐熱部材の遮熱コーティング層は、熱
伝導率が低い酸化物系セラミックス層を金属基材表面に
形成することにより、熱を遮断し金属基材の温度上昇を
防止し、タービン部材として使用した場合に高温度条件
での使用を可能にする機能を有する。そして上記遮熱コ
ーティング層を形成した耐熱部材では、遮熱コーティン
グ層を施さない耐熱部材と比較して、耐熱合金基材の実
質的な温度上昇を５０℃〜１００℃程度の範囲で抑制で
きる。The thermal barrier coating layer of the heat-resistant member forms an oxide ceramics layer having a low thermal conductivity on the surface of the metal base material to block heat and prevent the temperature rise of the metal base material. When used as, it has a function that enables use under high temperature conditions. The heat-resistant member having the thermal barrier coating layer can suppress a substantial temperature rise of the heat-resistant alloy base material in the range of about 50 ° C to 100 ° C, as compared with the heat-resistant member not provided with the thermal barrier coating layer.
【０００７】従来から、上記遮熱コーティング層（皮
膜）の耐久性の指標となる密着性や接合強度を評価する
手法として、引張治具を接着剤で皮膜に接着して引張荷
重を加える密着力試験が一般に広く使用されている。す
なわち、皮膜表面に接着剤を介して引張治具を固定し、
皮膜に対して垂直方向の荷重を加えて引張試験を行い皮
膜損傷剥離時の荷重を測定して皮膜の密着性や接合強度
を評価する方法である。[0007] Conventionally, as a method for evaluating the adhesion and the bonding strength, which are indexes of the durability of the thermal barrier coating layer (film), the adhesion force of adhering a tensile jig to the film with an adhesive and applying a tensile load Testing is generally widely used. That is, a tension jig is fixed to the film surface via an adhesive,
This is a method in which a tensile test is applied by applying a load in the vertical direction to the film, and the load at the time of film damage and peeling is measured to evaluate the adhesion and bonding strength of the film.
【０００８】その他、密着力と皮膜強度試験法ととも
に、引抜き密着力試験法、せん断密着力試験法、引剥が
し試験法等を実施して多面的に皮膜の耐久性を評価する
方法も提案されている。一方、皮膜の密着力と同時に皮
膜自体の強さを評価する手法として曲げ試験法およびカ
ップ試験法が標準試験法として規格化されている。この
試験手法は特に米国等において遮熱コーティング層の密
着性評価試験方法として広く採用されている。いずれ
も、金属基材表面に溶射法によって皮膜を形成施工した
耐熱部材の耐久性評価用に使用されている試験方法であ
る。In addition to the adhesion and film strength test methods, a method has also been proposed in which a pull-out adhesion test method, a shear adhesion test method, a peeling test method and the like are carried out to evaluate the durability of the film in a multi-faceted manner. There is. On the other hand, the bending test method and the cup test method are standardized as standard test methods as a method for evaluating the strength of the film itself as well as the adhesion of the film. This test method is widely adopted as a test method for evaluating the adhesion of the thermal barrier coating layer, particularly in the United States and the like. All of them are test methods used for evaluating the durability of heat-resistant members having a coating formed on the surface of a metal substrate by a thermal spraying method.
【０００９】一方、ガスタービン部品に適用される遮熱
コーティング層を有する耐熱部材については、より実機
運転条件に近い状態での評価法であるとして、燃焼試験
により評価試験が実施されている。これは燃料中に含ま
れる腐食成分を試験雰囲気中に添加するなど、燃焼条件
や腐食環境条件を実機運転条件に近似させ、コーティン
グ層を施したガスタービン材料の耐久性確証試験を行う
ことを目的に実施されている試験方法である。On the other hand, a heat-resistant member having a heat-shielding coating layer applied to a gas turbine component is evaluated by a combustion test as an evaluation method in a state closer to actual machine operating conditions. The purpose of this is to make the combustion conditions and corrosive environmental conditions similar to the actual machine operating conditions, such as adding the corrosive components contained in the fuel to the test atmosphere, and to conduct a durability confirmation test of the gas turbine material with the coating layer. This is the test method used in.
【００１０】上記確証試験において基本となる加熱方式
はバーナー加熱方式である。すなわち燃焼ガスによる高
温腐食環境を模擬した試験方法であり、バーナーによる
定常加熱試験と、加熱・冷却を繰返す熱サイクル試験と
が実施されている。また、燃焼ガス中にＳＯ２を混入し
た腐食試験、あるいは食塩水の代わりにＮａやＶを添加
した腐食試験など、腐食環境についても対象機の目的に
応じて各種の試験が実施されている。The basic heating method in the above confirmation test is the burner heating method. That is, this is a test method simulating a high temperature corrosive environment due to combustion gas, and a steady heating test by a burner and a heat cycle test in which heating and cooling are repeated are performed. In addition, various tests have been carried out on the corrosive environment depending on the purpose of the target machine, such as a corrosive test in which SO 2 is mixed in the combustion gas or a corrosive test in which Na or V is added instead of saline.
【００１１】[0011]
【発明が解決しようとする課題】より遮熱性能が高い遮
熱コーティング部材の開発に際しても、上記の各種の燃
焼試験がコーティング部材の耐久性評価のために一般的
な採用されている。しかしながら、上記遮熱コーティン
グ層を形成した耐熱部材は、実際にはコーティング層の
厚さ方向に温度勾配が形成されるような不均一な温度分
布雰囲気下で使用されるため、バーナーによって耐熱部
材全体を均一に加熱した試験状態は、必ずしも実際の使
用状況を反映しておらず温度条件が一致していない。そ
のため、バーナー加熱方式による従来の耐久性試験方法
では、耐熱部材の耐久性を高精度で測定することが困難
であるという問題点があった。Even when developing a thermal barrier coating member having a higher thermal barrier performance, the above-mentioned various combustion tests are generally adopted for evaluating the durability of the coating member. However, since the heat-resistant member having the thermal barrier coating layer is actually used in a non-uniform temperature distribution atmosphere in which a temperature gradient is formed in the thickness direction of the coating layer, the entire heat-resistant member is burned by the burner. The test condition in which is uniformly heated does not necessarily reflect the actual use condition, and the temperature conditions do not match. Therefore, the conventional durability test method using the burner heating method has a problem that it is difficult to measure the durability of the heat resistant member with high accuracy.
【００１２】特に温度勾配が形成されないような均一な
温度分布下においては、遮熱コーティング層内に熱応力
も形成されず、実際の運転条件より緩和された試験条件
となる。さらに、耐熱部材は実機の構成材と一体に組み
立てられた状態で試験に供されることはなく、微小な試
験片として耐久性試験に供せられる。そのため、耐熱部
材と他の構成材との実際の結合関係から生じる引張応力
や圧縮応力も発生せず、実機運転条件から乖離した試験
条件で耐久性を評価せざるを得ないため、耐熱部材の耐
久性の測定精度が低下しやすいという問題点があった。Particularly under a uniform temperature distribution where no temperature gradient is formed, no thermal stress is formed in the thermal barrier coating layer, and the test conditions are relaxed from the actual operating conditions. Further, the heat-resistant member is not subjected to the test in a state where it is integrally assembled with the constituent materials of the actual machine, but is subjected to the durability test as a minute test piece. Therefore, neither tensile stress nor compressive stress generated from the actual coupling relationship between the heat-resistant member and other constituent materials is generated, and the durability must be evaluated under the test conditions that deviate from the actual machine operating conditions. There is a problem that the accuracy of measuring durability is likely to decrease.
【００１３】さらに、従来の燃焼試験がガスタービンの
実機運転条件に近い試験条件でコーティング部材の確証
試験を行うことを主目的としていたのに対し、最近はコ
ーティング部材の損傷メカニズムの解明に基づく高機能
コーティング材料の開発を主目的として燃焼試験が行わ
れるようになってきおり、より実機運転条件に近い試験
条件を設定して、さらに高い精度で耐久性を評価する方
法の開発が望まれている。Further, while the conventional combustion test was mainly intended to carry out a confirmation test of the coating member under a test condition close to the operating condition of the actual gas turbine, recently, a high degree based on the elucidation of the damage mechanism of the coating member has been proposed. Combustion tests have been conducted mainly for the purpose of developing functional coating materials, and it is desired to develop a method for evaluating durability with higher accuracy by setting test conditions closer to actual machine operating conditions. .
【００１４】本発明は、上記従来の問題点を解決するた
めになされたものであり、特にコーティング部材の試験
条件を実機使用条件に十分に模擬することが可能であ
り、コーティング部材のより詳細な損傷メカニズムの解
明とより高精度な寿命評価とを可能にするコーティング
部材の試験方法および試験装置を提供することを目的と
する。The present invention has been made in order to solve the above-mentioned conventional problems, and in particular, it is possible to sufficiently simulate the test conditions of the coating member to the operating conditions of the actual machine, and to explain the coating member in more detail. It is an object of the present invention to provide a coating member testing method and testing apparatus that enable elucidation of a damage mechanism and more accurate life evaluation.
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者らは遮熱コーティング層の剥離寿命および
その測定精度に影響を与える数多くの因子を究明し、各
因子による影響の大小を比較検討した。遮熱コーティン
グを主な対象として、損傷メカニズムを明確にし高精度
で詳細な寿命評価を可能とするためには、実機での使用
環境をどの程度十分に模擬できているかが重要な要件と
なることが判明し、その環境条件も比較検討した。In order to achieve the above object, the present inventors have investigated a number of factors affecting the peeling life of the thermal barrier coating layer and its measurement accuracy, and determined the influence of each factor. We compared and examined. In order to clarify the damage mechanism and enable highly accurate and detailed life evaluation, mainly for thermal barrier coatings, it is an important requirement how well the operating environment in the actual machine is simulated. Was found, and the environmental conditions were compared and examined.
【００１６】その結果、特にコーティング部材の実機運
転時の温度条件によって形成される温度勾配を模擬した
温度勾配を試験片断面の半径方向に形成した時に、コー
ティング層の耐久特性を高精度に測定できる一方、中空
筒状の試験片を形成し試験片の外面側を加熱する一方、
中空部に冷却媒体を流通せしめて内面側を冷却すること
により、上記温度勾配を安定した状態で容易に形成で
き、コーティング部材のより詳細な損傷メカニズムの解
明とより高精度な寿命評価とが可能になるという知見が
得られた。さらに、試験片への機械応力の重畳および長
時間試験への対応が模擬できれば、さらに高精度の評価
が可能になることが判明した。本発明は上記知見に基づ
いて完成されたものである。As a result, particularly when the temperature gradient simulating the temperature gradient formed by the temperature condition of the actual operation of the coating member is formed in the radial direction of the cross section of the test piece, the durability characteristic of the coating layer can be measured with high accuracy. On the other hand, while forming a hollow cylindrical test piece and heating the outer surface side of the test piece,
By circulating a cooling medium in the hollow part and cooling the inner surface side, it is possible to easily form the above temperature gradient in a stable state, and it is possible to clarify the detailed damage mechanism of the coating member and evaluate the life with higher accuracy. It was found that Furthermore, it was found that more accurate evaluation would be possible if the superposition of mechanical stress on the test piece and the response to the long-term test could be simulated. The present invention has been completed based on the above findings.
【００１７】すなわち、本発明に係るコーティング部材
の耐久性試験方法は、中空筒状の金属基材の表面にコー
ティング層を形成したコーティング部材である試験片の
外面側を加熱する一方、中空部に冷却媒体を流通せしめ
て内面側を冷却することにより、コーティング部材の実
機運転時の温度条件によって形成される温度勾配を模擬
した温度勾配を試験片断面の半径方向に形成し、この状
態でコーティング層の特性を計測することを特徴とす
る。That is, according to the durability test method of the coating member of the present invention, the outer surface side of the test piece which is the coating member having the coating layer formed on the surface of the hollow cylindrical metal base material is heated and By circulating a cooling medium to cool the inner surface side, a temperature gradient simulating the temperature gradient formed by the temperature conditions during the actual operation of the coating member is formed in the radial direction of the cross section of the test piece, and in this state the coating layer It is characterized by measuring the characteristics of.
【００１８】金属基材は、特に限定されるものではない
が、一般にガスタービン翼や燃焼器の構成材として使用
される１〜４％Ｔｉ−１〜５％Ａｌ−Ｎｉ合金、１５％
Ｃｒ−６〜７％Ｆｅ−２．５％Ｔｉ−１％Ｎｂ−Ｎｉ基
合金（例えば、商品名：ＩＮＣＯＮＥＬ−７３８）等の
超合金やステンレス鋼などの耐熱合金が広く適用でき
る。The metal base material is not particularly limited, but is generally 1 to 4% Ti-1 to 5% Al-Ni alloy, which is used as a constituent material of a gas turbine blade or a combustor, 15%.
A super alloy such as Cr-6 to 7% Fe-2.5% Ti-1% Nb-Ni based alloy (for example, trade name: INCONEL-738) and a heat resistant alloy such as stainless steel can be widely applied.
【００１９】またコーティング層として、金属基材より
熱伝導率が低い酸化物系セラミックス層を金属基材表面
に形成することにより、熱を遮断し金属基材の温度上昇
を防止し、タービン部材として使用した場合に高温度条
件での使用が可能となる。そして上記コーティング層を
形成した耐熱部材では、コーティング層を施さない耐熱
部材と比較して、耐熱合金基材の実質的な温度上昇を５
０℃〜１００℃程度の範囲で抑制できる。Further, as a coating layer, an oxide ceramics layer having a lower thermal conductivity than that of the metal base material is formed on the surface of the metal base material to block heat and prevent the temperature rise of the metal base material. When used, it can be used under high temperature conditions. The heat-resistant member having the above-mentioned coating layer has a substantially higher temperature rise of the heat-resistant alloy base material than the heat-resistant member having no coating layer.
It can be suppressed in the range of 0 ° C to 100 ° C.
【００２０】そして金属基材表面にコーティング層を形
成した中空筒状試験片を用い、その試験片の外面側を加
熱する一方、内面側を冷却することにより、試験片断面
の半径方向に温度勾配が形成され、実機運転状態に近い
熱環境が試験片に付与されるため、コーティング層の耐
久特性を高精度に測定することができる。A hollow cylindrical test piece having a coating layer formed on the surface of the metal substrate is used, and the outer surface side of the test piece is heated, while the inner surface side is cooled, so that a temperature gradient occurs in the radial direction of the cross section of the test piece. Is formed, and the thermal environment close to the operating state of the actual machine is applied to the test piece, so that the durability characteristics of the coating layer can be measured with high accuracy.
【００２１】上記中空筒状試験片の断面形状については
特に限定されるものではない。しかしながら、コーティ
ング層の損傷に対する部品形状の影響も大きいため、試
験片の断面形状としては、実際に使用される部品形状を
模擬した形状が好ましい。なお、試験片の断面形状が円
形である場合には熱応力解析や強度解析等が容易になる
利点があるが、円形以外の断面形状を有する試験片でも
良い。The cross-sectional shape of the hollow cylindrical test piece is not particularly limited. However, since the influence of the shape of the part on the damage of the coating layer is large, the cross-sectional shape of the test piece is preferably a shape simulating the shape of the part actually used. When the test piece has a circular cross-sectional shape, it has the advantage of facilitating thermal stress analysis, strength analysis, etc., but a test piece having a cross-sectional shape other than a circular shape may be used.
【００２２】また上記コーティング部材の耐久性試験方
法において、前記試験片の外表面に耐食コーティング
層、遮熱コーティング層および耐摩耗コーティング層の
少なくとも１種を形成する一方、内表面には耐食コーテ
ィング層を形成することも可能である。In the durability test method for the coating member, at least one of a corrosion resistant coating layer, a thermal barrier coating layer and an abrasion resistant coating layer is formed on the outer surface of the test piece, while the corrosion resistant coating layer is formed on the inner surface. Can also be formed.
【００２３】上記のように金属基材に形成するコーティ
ング層として、外表面に耐食コーティング層、遮熱コー
ティング層、耐摩耗コーティング層のいずれか１種類以
上を形成する一方、内表面に耐食コーティング層を形成
するという組み合わせで試験片を形成した場合には、高
温度の外表面および低温度の内表面にそれぞれ形成し
た、温度条件が異なる複数のコーティング層を同時に評
価することが可能となる。また内表面に形成したコーテ
ィング層により、試験片の内面側を効果的に保護するこ
とも可能である。As the coating layer formed on the metal substrate as described above, at least one of a corrosion resistant coating layer, a thermal barrier coating layer and a wear resistant coating layer is formed on the outer surface, while the corrosion resistant coating layer is formed on the inner surface. When the test piece is formed by the combination of forming a plurality of coating layers, it is possible to simultaneously evaluate a plurality of coating layers formed on the outer surface of high temperature and the inner surface of low temperature and having different temperature conditions. In addition, the coating layer formed on the inner surface can effectively protect the inner surface side of the test piece.
【００２４】さらに上記コーティング部材の耐久性試験
方法において、前記試験片の軸方向に圧縮荷重または引
張荷重を付与し、この荷重は機械式荷重負荷機構、油圧
式荷重負荷機構および変位拘束機構の少なくとも１種に
より付与することが好ましい。Further, in the durability test method of the coating member, a compressive load or a tensile load is applied in the axial direction of the test piece, and the load is at least one of a mechanical load applying mechanism, a hydraulic load applying mechanism and a displacement restraint mechanism. It is preferable to impart one kind.
【００２５】すなわちコーティング部材の実際の使用環
境では、熱的な負荷条件のみでなく機械応力も重畳して
負荷される場合が多い。例えばガスタービンでは、動翼
にかかる遠心応力や、静翼等の静止部品が拘束されて熱
伸び等が生じることによる熱応力がある。これらの機械
応力を試験条件に模擬することにより、実機運転状態に
近い応力環境が試験片に付与されるため、コーティング
層の耐久特性をより高精度に測定することができる。That is, in the actual use environment of the coating member, not only thermal load conditions but also mechanical stress is often superimposed and applied. For example, in a gas turbine, there is a centrifugal stress applied to a moving blade and a thermal stress due to thermal expansion caused by a stationary component such as a stationary blade being constrained. By simulating these mechanical stresses under test conditions, a stress environment close to the actual machine operating state is applied to the test piece, so that the durability characteristics of the coating layer can be measured with higher accuracy.
【００２６】上記機械応力を試験片の長さ方向（軸方
向）に圧縮荷重および／または引張荷重として付与する
機構として、例えばねじの押圧力を利用した機械式荷重
負荷機構、油圧シリンダーの駆動力を利用した油圧式荷
重負荷機構および／または試験片の長さを一定値に拘束
する変位拘束機構を用いることができる。特に変位拘束
機構を用いることにより、静翼等の拘束部に使用される
コーティング部材の試験条件を実機運転条件に近似させ
ることができる。As a mechanism for applying the above mechanical stress as a compressive load and / or a tensile load in the length direction (axial direction) of the test piece, for example, a mechanical load applying mechanism utilizing pressing force of a screw, a driving force of a hydraulic cylinder. It is possible to use a hydraulic load applying mechanism utilizing and / or a displacement restraint mechanism that restrains the length of the test piece to a constant value. In particular, by using the displacement restraint mechanism, the test condition of the coating member used for the restraint portion such as the stationary blade can be approximated to the actual machine operating condition.
【００２７】また上記コーティング部材の耐久性試験方
法において、前記加熱方法が誘導加熱法、電気ヒーター
加熱法、ランプ集光加熱法、レーザー加熱法、バーナー
燃焼加熱法、プラズマ加熱法のいずれか１種または２種
以上の組み合わせであることが好ましい。In the durability test method of the above coating member, the heating method is any one of induction heating method, electric heater heating method, lamp focusing heating method, laser heating method, burner combustion heating method and plasma heating method. Alternatively, a combination of two or more kinds is preferable.
【００２８】上記加熱方式のいずれかまたはその組み合
わせによれば、実機運転条件に近似した温度勾配（熱勾
配）が試験片の厚さ方向に容易に形成できる入熱量が確
保でき、効果的な加熱方法となり望ましい。According to any one of the above heating methods or a combination thereof, a heat input amount capable of easily forming a temperature gradient (thermal gradient) close to the operating conditions of the actual machine in the thickness direction of the test piece can be secured, and effective heating can be performed. It becomes a method and is desirable
【００２９】一方、上記コーティング部材の耐久性試験
方法において、前記冷却用の冷却媒体として常圧または
加圧した空気、水蒸気、水および液体ナトリウムのいず
れかを使用することが好ましい。On the other hand, in the method for testing the durability of the coating member, it is preferable to use air, steam, water or liquid sodium, which is atmospheric pressure or pressurized, as the cooling medium for cooling.
【００３０】つまり冷却方式としては、前記加熱方式に
おける入熱量と呼応して、実機運転条件に近似した熱勾
配が形成できる除熱量が十分に確保できる冷却方法であ
ることが望ましい。特に熱容量が大きく冷却性能が高い
冷却媒体を使用した冷却方式が好ましいが、冷却システ
ムの構築が容易である点および安全性の観点から、空
気、水蒸気または水を冷却媒体として使用した冷却方式
が特に好ましい。That is, it is desirable that the cooling method is a cooling method that can secure a sufficient amount of heat removal that can form a heat gradient close to the operating conditions of the actual machine, corresponding to the amount of heat input in the heating method. Particularly, a cooling method using a cooling medium having a large heat capacity and high cooling performance is preferable, but from the viewpoint of easy construction of a cooling system and safety, a cooling method using air, steam or water as the cooling medium is particularly preferable. preferable.
【００３１】また上記コーティング部材の耐久性試験方
法において、前記試験片の外周表面に冷却ガスを吹き付
けることによって冷熱衝撃を付与することにより、実機
運転時と同様な局部的な冷却状態あるいは瞬時的な冷却
状況を試験片に模擬することができる。したがって、よ
り実機運転状態に近い熱衝撃環境が試験片に付与される
ため、コーティング層の耐久特性をより高精度に測定す
ることができる。Further, in the durability test method for the coating member, a cooling gas is applied to the outer peripheral surface of the test piece to apply a thermal shock, so that a local cooling state or an instantaneous state similar to that in actual operation is obtained. The cooling situation can be simulated on the test piece. Therefore, since the thermal shock environment closer to the actual machine operating condition is applied to the test piece, the durability characteristics of the coating layer can be measured with higher accuracy.
【００３２】さらに上記コーティング部材の耐久性試験
方法において、試験時に試験片外周の雰囲気を、コーテ
ィング部材の実機運転時の雰囲気条件に模擬するように
制御することが好ましい。Further, in the above-mentioned durability test method for the coating member, it is preferable to control the atmosphere around the outer periphery of the test piece during the test so as to simulate the atmospheric condition when the coating member is actually operated.
【００３３】つまり、試験片外周の雰囲気が酸化性物質
や腐食性薬品を含有するように調整制御することによ
り、試験片の酸化や腐食による劣化メカニズムおよび損
傷メカニズムを容易に解明することも可能になる。That is, by adjusting and controlling the atmosphere around the test piece so that it contains an oxidizing substance or a corrosive chemical, it is possible to easily clarify the deterioration mechanism and the damage mechanism of the test piece due to oxidation or corrosion. Become.
【００３４】また上記コーティング部材の耐久性試験方
法において、前記試験片に加熱負荷および応力負荷を繰
り返し付与することにより、コーティング部材を適用し
た実機の稼働・停止の繰り返しの影響を容易に測定でき
る試験方法となる。Further, in the above-mentioned coating member durability test method, by repeatedly applying a heating load and a stress load to the test piece, it is possible to easily measure the effect of repeated operation / stop of the actual machine to which the coating member is applied. Be the way.
【００３５】さらに上記コーティング部材の耐久性試験
方法において、前記試験片の伸びまたは縮みを、試験片
に形成した標点（基準標識）を光学的な方法で非接触に
計測することが好ましい。特にレーザー光を用いた側長
器を使用することにより、高温度の試験片表面に形成し
た標点位置を高精度に測定することができる。つまり、
コーティング部材の損傷メカニズムを明確に把握するた
めには、上記のように、試験片の伸び（あるいは縮み）
を正確に測定することが前提であり、そのため試験片に
形成した標点を光学的な方法で非接触で、かつ高精度で
計測する必要がある。Further, in the above-mentioned durability test method for the coating member, it is preferable that the elongation or shrinkage of the test piece is measured in a non-contact manner by an optical method at a reference point (reference mark) formed on the test piece. In particular, by using a side length device using laser light, it is possible to highly accurately measure the position of the gauge mark formed on the surface of the high temperature test piece. That is,
In order to clearly understand the damage mechanism of the coating member, as described above, the elongation (or contraction) of the test piece
Is required to be accurately measured. Therefore, it is necessary to measure the gauge marks formed on the test piece by an optical method in a non-contact and highly accurate manner.
【００３６】本発明に係るコーティング部材の耐久性試
験装置は、中空筒状の金属基材の表面にコーティング層
を形成したコーティング部材の試験片の外面側を加熱す
る加熱装置と、中空筒状の金属基材の中空部に冷却媒体
を流通せしめて内面側を冷却する冷却装置と、前記試験
片の軸方向に圧縮荷重または引張荷重を付与する荷重負
荷機構とを備えることを特徴とするものであり、上記加
熱装置としてガスバーナーを用いた場合には、ガス吹き
出し口を前記試験片の中央からオフセットされた位置に
配置することが好ましい。A coating member durability test apparatus according to the present invention comprises a heating apparatus for heating the outer surface side of a test piece of a coating member having a coating layer formed on the surface of a hollow cylindrical metal substrate, and a hollow cylindrical A cooling device that circulates a cooling medium in the hollow portion of the metal base material to cool the inner surface side, and a load applying mechanism that applies a compressive load or a tensile load in the axial direction of the test piece. In the case where a gas burner is used as the heating device, it is preferable to dispose the gas blowing port at a position offset from the center of the test piece.
【００３７】また上記コーティング部材の耐久性試験装
置において、測定した試験片の伸びまたは縮みを制御回
路にフィードバックし、試験片に負荷する荷重および／
または試験片の変位の制御を実施するように構成するこ
とが好ましい。In the durability testing apparatus for the coating member, the measured elongation or shrinkage of the test piece is fed back to the control circuit, and the load applied to the test piece and / or
Alternatively, it is preferable that the displacement of the test piece is controlled.
【００３８】さらに上記コーティング部材の耐久性試験
装置において、試験片の温度を熱電対および／または放
射温度計で計測することが好ましい。Further, in the above-mentioned coating member durability test apparatus, it is preferable to measure the temperature of the test piece with a thermocouple and / or a radiation thermometer.
【００３９】また上記コーティング部材の耐久性試験装
置において、測定した試験片の温度を制御回路にフィー
ドバックし、試験片に負荷する荷重、試験片の変位また
は試験片の温度の制御を実施することが好ましい。In the durability testing apparatus for coating member, the measured temperature of the test piece is fed back to the control circuit to control the load applied to the test piece, the displacement of the test piece or the temperature of the test piece. preferable.
【００４０】さらに上記コーティング部材の耐久性試験
装置において、試験部をより均一に加熱して解析が容易
な評価を実現するために、加熱装置の加熱源をガスバー
ナーで構成することが好ましい。特に試験片の形状が、
筒状である場合には、ガスバーナーの吹き出し口が試験
片の周囲を囲むように３ヶ所以上配置されていることが
好ましい。Further, in the above-mentioned durability testing apparatus for coating members, it is preferable that the heating source of the heating apparatus is constituted by a gas burner in order to heat the test portion more uniformly and realize an evaluation that can be easily analyzed. Especially the shape of the test piece
In the case of a tubular shape, it is preferable that the gas burner blowout ports are arranged at three or more locations so as to surround the periphery of the test piece.
【００４１】上記耐久性試験装置において、加熱装置に
よって試験片の外面側から投入される入熱量と、冷却装
置によって試験片の内面側から除去される冷却熱量とが
均衡して定常状態になると、試験片断面の厚さ方向に一
定の温度勾配が形成され、この温度勾配は実機運転時に
形成される温度勾配に近似する。したがって試験片に対
して実機運転状態に近い熱環境が付与されるため、コー
ティング層の耐久特性を高精度に測定することができ
る。In the above durability test apparatus, when the heat input amount applied from the outer surface side of the test piece by the heating device and the cooling heat amount removed from the inner surface side of the test piece by the cooling device are in equilibrium, A constant temperature gradient is formed in the thickness direction of the cross section of the test piece, and this temperature gradient is close to the temperature gradient formed during operation of the actual machine. Therefore, the test piece is provided with a thermal environment close to the operating state of the actual machine, so that the durability characteristics of the coating layer can be measured with high accuracy.
【００４２】また上記加熱装置がガスバーナーで構成さ
れ、このガスバーナーのガス吹き出し口が前記試験片の
中央からオフセットされた位置に配置されているため、
試験片についての光学的な伸び計測作業を邪魔すること
が無く好適である。すなわち、ガスバーナーは試験片の
評価対象部の軸方向の中心位置から外れた位置に配置さ
れ、ガスバーナーの複数のガス吹き出し口が評価対象部
方向に向かうように延設されているため、評価対象部に
形成された標点を垂直方向から観察してもガスバーナー
が観察視野を遮ることがない。そのため、試験片の伸び
計測作業を高い精度で実施することができる。Since the heating device is composed of a gas burner, and the gas outlet of the gas burner is arranged at a position offset from the center of the test piece,
It is preferable because it does not disturb the optical elongation measurement work for the test piece. That is, the gas burner is arranged at a position deviated from the center position in the axial direction of the evaluation target portion of the test piece, and a plurality of gas outlets of the gas burner are extended to face the evaluation target portion, so that the evaluation is performed. The gas burner does not obstruct the observation field even when the gauge marks formed on the target portion are observed from the vertical direction. Therefore, the work of measuring the elongation of the test piece can be performed with high accuracy.
【００４３】また上記試験片の伸び計測作業で使用し伸
びを光学的に検出するための基準標識となる標点とし
て、試験片外周部の評価対象有効部に凸または凹状に段
差を形成しても良い。Further, as a reference mark used as a reference mark for optically detecting the elongation used in the elongation measuring operation of the test piece, a convex or concave step is formed on the effective portion to be evaluated on the outer peripheral portion of the test piece. Is also good.
【００４４】本発明に係るコーティング部材の耐久性試
験方法および試験装置によれば、コーティング部材の実
機運転時の温度条件によって形成される温度勾配を模擬
した温度勾配を試験片断面の半径方向に形成できるた
め、実機運転時に近似した温度環境条件下でコーティン
グ層の耐久特性を高精度に測定できる一方、中空筒状の
試験片を形成し試験片の外面側を加熱する一方、中空部
に冷却媒体を流通せしめて内面側を冷却することによ
り、上記温度勾配を安定した状態で容易に形成でき、コ
ーティング部材のより詳細な損傷メカニズムの解明と、
より高精度な寿命評価とが可能になる。According to the method and apparatus for testing the durability of the coating member according to the present invention, a temperature gradient simulating the temperature gradient formed by the temperature condition during the actual operation of the coating member is formed in the radial direction of the cross section of the test piece. As a result, the durability characteristics of the coating layer can be measured with high accuracy under the temperature environment conditions similar to those in actual operation, while a hollow cylindrical test piece is formed and the outer surface of the test piece is heated, while the cooling medium is placed in the hollow part. By cooling the inner surface side by circulating the above, it is possible to easily form the temperature gradient in a stable state, and clarify the more detailed damage mechanism of the coating member,
Higher accuracy life evaluation is possible.
【００４５】[0045]
【発明の実施の形態】次に、本発明に係るコーティング
部材の耐久性試験方法および耐久性試験装置の一実施例
について従来例を示す比較例と共に具体的に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, one embodiment of the durability test method for a coating member and the durability test apparatus according to the present invention will be specifically described together with a comparative example showing a conventional example.
【００４６】[0046]
【実施例】図１は本発明に係るコーティング部材の耐久
性試験方法を実施するために使用される耐久性試験装置
の一実施例の構成を示す系統図である。また図２は被試
験対象としての試験片と、その周辺設備を示す断面図で
ある。さらに、図３は図２に示す加熱装置の構成を示す
平面図である。EXAMPLE FIG. 1 is a system diagram showing the configuration of an example of a durability test apparatus used for carrying out the method for testing the durability of a coating member according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a test piece to be tested and its peripheral equipment. Further, FIG. 3 is a plan view showing the configuration of the heating device shown in FIG.
【００４７】すなわち本実施例に係るコーティング部材
の耐久性試験装置１は、耐熱合金（商品名：ＩＮＣＯＮ
ＥＬ−７３８）から成り中空筒状の金属基材２の表面に
酸化物セラミックスから成るコーティング層３を溶射法
により形成したコーティング部材の試験片４の外面側を
加熱する加熱装置５と、中空筒状の金属基材２の中空部
６に冷却媒体を流通せしめて内面側を冷却する冷却装置
７と、前記試験片４の軸方向に圧縮荷重または引張荷重
を付与する荷重負荷機構８とを備え、上記加熱装置５が
ガスバーナー９であり、このガスバーナー９のガス吹き
出し口９ａが前記試験片４の中央からオフセットされた
位置に配置されて構成されている。That is, the coating member durability test apparatus 1 according to the present embodiment is a heat-resistant alloy (trade name: INCON
EL-738) and a heating device 5 for heating the outer surface side of a test piece 4 of a coating member in which a coating layer 3 made of oxide ceramics is formed on the surface of a hollow cylindrical metal substrate 2 by a thermal spraying method; A cooling device 7 for circulating a cooling medium in the hollow portion 6 of the metal base material 2 to cool the inner surface side, and a load applying mechanism 8 for applying a compressive load or a tensile load in the axial direction of the test piece 4. The heating device 5 is a gas burner 9, and a gas outlet 9 a of the gas burner 9 is arranged at a position offset from the center of the test piece 4.
【００４８】また試験片４の形状については、曲率の大
きな部位でコーティング層の剥離が生じやすくなること
を考慮し、例えば動翼リーディングエッジ部の曲率（１
０ｍｍφ程度）を模擬できるような形状とした。Regarding the shape of the test piece 4, considering that the peeling of the coating layer is likely to occur at a portion having a large curvature, for example, the curvature (1
The shape is such that it can simulate 0 mmφ).
【００４９】上記ガスバーナー（リングバーナー）９は
試験片４の評価対象部の軸方向の中心位置から下方に外
れた位置に配置され、ガスバーナー９の内側周方向に等
間隔で配設された１２個のガス吹き出し口９ａが評価対
象部方向に向かうように延設されている。The gas burners (ring burners) 9 are arranged at positions deviating downward from the axial center position of the evaluation target portion of the test piece 4, and are arranged at equal intervals in the inner circumferential direction of the gas burner 9. Twelve gas outlets 9a are extended toward the evaluation target portion.
【００５０】試験片４の上下両端はそれぞれ荷重負荷機
構８によって拘束されており、荷重モーターによって回
転されるねじの押圧力によって試験片４の軸方向に圧縮
荷重または引張荷重が付与される。このような荷重負荷
機構８を付設することにより、熱的条件の他に機械応力
を重畳させることができ、特に動翼のように遠心力が作
用したり、静翼のように変形が拘束されるような場合に
発生する機械応力条件を容易に模擬できる。Both upper and lower ends of the test piece 4 are constrained by a load applying mechanism 8, and a compressive load or a tensile load is applied in the axial direction of the test piece 4 by the pressing force of a screw rotated by a load motor. By attaching such a load mechanism 8, it is possible to superpose mechanical stress in addition to thermal conditions, and in particular, centrifugal force acts like a moving blade or deformation is constrained like a stationary blade. In this case, it is possible to easily simulate the mechanical stress condition that occurs.
【００５１】また試験片４の温度および伸びをそれぞれ
測定するための放射温度計１０および側長器１１が、試
験片４の評価対象部に指向するように配設される。冷却
装置７は中空筒状の金属基材２の中空部６に冷却媒体と
しての冷却エアを送給し、試験片４の中空部６の入口お
よび出口における冷却エアの温度を測定するための熱電
対１２，１３が配置されている。さらに加熱装置５とし
てのリングバーナー９に、燃料ガス（ＣＨ４）と助燃剤
としての酸素（Ｏ２）との混合気を供給する燃料供給装
置１４が付設されている。A radiation thermometer 10 and a side length measuring device 11 for respectively measuring the temperature and elongation of the test piece 4 are arranged so as to face the evaluation target portion of the test piece 4. The cooling device 7 supplies a cooling air as a cooling medium to the hollow portion 6 of the hollow cylindrical metal substrate 2 to measure the temperature of the cooling air at the inlet and the outlet of the hollow portion 6 of the test piece 4. Pairs 12 and 13 are arranged. Further, a ring burner 9 as the heating device 5 is provided with a fuel supply device 14 for supplying a mixture of fuel gas (CH 4 ) and oxygen (O 2 ) as a combustion improver.
【００５２】さらに、側長器１１により測定された試験
片の伸びまたは縮みのデータ、放射温度計１０によって
測定された試験片４の温度データ、熱電対１２，１３に
よって計測された冷却エアの温度データは、制御回路１
５としてのシステムコントローラーにフィードバックさ
れ、制御回路１５はこれらのデータに基づいて試験片４
に負荷される荷重や試験片４の変位または試験片の温度
の制御を実行するように構成される。Further, data of elongation or contraction of the test piece measured by the side length device 11, temperature data of the test piece 4 measured by the radiation thermometer 10, and temperature of the cooling air measured by the thermocouples 12 and 13. Data is control circuit 1
5 is fed back to the system controller, and the control circuit 15 is based on these data.
It is configured to control the load applied to the test piece, the displacement of the test piece 4, or the temperature of the test piece.
【００５３】本発明者らがコーティング部材の損傷メカ
ニズムを詳細に解明した結果、遮熱コーティング層の剥
離寿命の予測評価を実施する場合に影響を与えると判明
した要因を図４にまとめて示す。ここで特に影響が大き
いと考えられる要因については、枠で囲って一次主要因
子と規定する一方、影響が相対的に小さい判明した要因
については、枠無しで表示した二次主要因子として区別
して表示した。As a result of detailed elucidation of the damage mechanism of the coating member by the present inventors, the factors found to have an influence on the prediction evaluation of the peeling life of the thermal barrier coating layer are collectively shown in FIG. Factors that are considered to have a particularly large impact are defined as primary major factors by enclosing them in a frame, while factors that are found to have a relatively small impact are displayed separately as secondary major factors displayed without a frame. did.
【００５４】図４に示す結果から明らかなように、剥離
寿命の予測評価に影響を与える因子は、コーティング層
に形成される温度勾配であり、次いで試験片の形状、試
験片に作用する機械負荷応力、試験片の保持時間である
と判明している。したがって、コーティング部材の実機
運転時の温度条件によって形成される温度勾配に近似し
た温度勾配を試験片断面の半径方向に形成することによ
り、実機運転時に相当する温度環境条件下でコーティン
グ層の耐久特性を高精度に測定できることになる。As is clear from the results shown in FIG. 4, the factor affecting the predictive evaluation of the peeling life is the temperature gradient formed in the coating layer, the shape of the test piece, and the mechanical load acting on the test piece. It is known to be the stress and the holding time of the test piece. Therefore, by forming a temperature gradient in the radial direction of the cross section of the test piece that approximates the temperature gradient formed by the temperature conditions of the actual operation of the coating member, the durability characteristics of the coating layer under the temperature environment conditions equivalent to those of the actual operation Can be measured with high accuracy.
【００５５】しかるに本実施例に係るコーティング部材
の耐久性試験装置１において、加熱装置５によって試験
片４の外面側から投入される入熱量と、冷却装置７によ
って試験片４の中空部６の内面側から除去される冷却熱
量とが均衡して定常状態になると、試験片４の断面の厚
さ方向に一定の温度勾配が形成され、この温度勾配は実
機運転時に形成される温度勾配に近似する。したがって
試験片４に対して実機運転状態に近い熱環境が付与され
るため、コーティング層３の耐久特性を高精度に測定す
ることができる。In the durability testing apparatus 1 for coating member according to the present embodiment, however, the heat input amount applied from the outer surface side of the test piece 4 by the heating device 5 and the inner surface of the hollow portion 6 of the test piece 4 by the cooling device 7. When the amount of cooling heat removed from the side is balanced and becomes a steady state, a constant temperature gradient is formed in the thickness direction of the cross section of the test piece 4, and this temperature gradient approximates to the temperature gradient formed during actual machine operation. . Therefore, the test piece 4 is provided with a thermal environment close to the operating state of the actual machine, so that the durability characteristics of the coating layer 3 can be measured with high accuracy.
【００５６】また上記加熱装置５がガスバーナー９で構
成され、このガスバーナー９のガス吹き出し口９ａが前
記試験片４の中央からオフセットされた位置に配置され
ているため、試験片４についての光学的な側長器１１を
使用した伸び計測作業の障害となるおそれが全く無い。
すなわち、ガスバーナー９は試験片４の評価対象部の軸
方向の中心位置から外れた下方位置に配置され、ガスバ
ーナー９の複数のガス吹き出し口９ａが評価対象部方向
に向かうように延設されているため、評価対象部に形成
された標点を垂直方向から観察してもガスバーナー９が
観察視野を遮ることがない。そのため、試験片４の伸び
計測作業を高い精度で実施することができる。Since the heating device 5 is composed of the gas burner 9 and the gas outlet 9a of the gas burner 9 is arranged at a position offset from the center of the test piece 4, the optical measurement of the test piece 4 is performed. There is no possibility of obstructing the elongation measurement work using the typical lateral length measuring device 11.
That is, the gas burner 9 is arranged at a lower position deviated from the axial center position of the evaluation target portion of the test piece 4, and the plurality of gas outlets 9a of the gas burner 9 are extended toward the evaluation target portion direction. Therefore, the gas burner 9 does not block the observation field even when the gauge marks formed on the evaluation target portion are observed from the vertical direction. Therefore, the work of measuring the elongation of the test piece 4 can be performed with high accuracy.
【００５７】[0057]
【比較例１】一方、比較例１として従来のレーザー加熱
方式を採用した耐久性試験を実施した。すなわち、Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザー（最大出力：８００Ｗ、入熱密度：
１３０ＭＷ／ｍ２）を照射して遮熱コーティング試験体
の表面を加熱する一方、試験体の裏面を空気冷却するこ
とにより遮熱コーティング層に定常的な温度勾配を形成
した後に冷却する操作を繰り返す熱サイクル試験を実施
した。Comparative Example 1 On the other hand, as Comparative Example 1, a durability test employing a conventional laser heating method was conducted. That is, N
d: YAG laser (maximum output: 800 W, heat input density:
130 MW / m 2 ) is applied to heat the front surface of the thermal barrier coating test body, while the back surface of the test body is air-cooled to form a steady temperature gradient in the thermal barrier coating layer, and then the cooling operation is repeated. A heat cycle test was performed.
【００５８】上記レーザー加熱方式では入熱コントロー
ルが容易であり、かつ大気中で実施したため酸化現象も
模擬できるなどの利点を有する反面、試験装置が非常に
大掛かりになることから試験コストが膨大になる難点が
あるとともに、試験片の形状が平板に限定されるため、
試験条件が実機運転条件から乖離し高い精度での評価が
困難になる問題点があった。The laser heating method has the advantage that the heat input can be controlled easily and that the oxidation phenomenon can be simulated because it was carried out in the atmosphere. However, the test equipment becomes very large and the test cost becomes enormous. Since there are difficulties and the shape of the test piece is limited to a flat plate,
There is a problem that the test conditions deviate from the operating conditions of the actual machine, making evaluation with high accuracy difficult.
【００５９】[0059]
【比較例２】また比較例２として、より簡便な熱源であ
るランプによる集光加熱方式を採用した耐久性試験を実
施した。すなわち、赤外線ランプ（入熱密度：０．３３
ＭＷ／ｍ２）の光線を集光照射して遮熱コーティング試
験体の表面を加熱する一方、試験体の裏面を空気冷却ま
たは水冷却することによって試験体の厚さ方向に温度勾
配を形成したのちに冷却する操作を繰り返す熱サイクル
試験を実施した。この場合、温度勾配を形成するための
比較的大きな入熱量の確保が困難であり、また試験片の
形状がやはり平板に限定されるため、試験条件が実機運
転条件から乖離し高い精度での評価が困難になる問題点
があった。[Comparative Example 2] As Comparative Example 2, a durability test was conducted using a condensing heating method using a lamp, which is a simpler heat source. That is, an infrared lamp (heat input density: 0.33
The surface of the thermal barrier coating test body was heated by concentrating and irradiating a light beam of MW / m 2 ) while the back surface of the test body was cooled by air or water to form a temperature gradient in the thickness direction of the test body. A heat cycle test was repeated in which the cooling operation was repeated. In this case, it is difficult to secure a relatively large amount of heat input to form the temperature gradient, and since the shape of the test piece is also limited to a flat plate, the test condition deviates from the actual machine operating condition and evaluation with high accuracy There was a problem that became difficult.
【００６０】[0060]
【比較例３】さらに近年になって開発された熱機械疲労
試験機を用いて耐久性試験を実施した。すなわち、内部
を空気冷却した遮熱コーティング試験体の表面を加熱す
るためにＳｉＣヒーターを使用し、加熱炉の開閉によっ
て熱サイクルを付与すると共に、実機運転時に相当する
機械的負荷を試験体の軸方向に与えて耐久性試験を実施
した。Comparative Example 3 Further, a durability test was conducted using a thermomechanical fatigue tester developed in recent years. That is, a SiC heater is used to heat the surface of the thermal barrier coating test body whose interior is air-cooled, a heat cycle is applied by opening and closing the heating furnace, and a mechanical load equivalent to that during actual operation is applied to the shaft of the test body. The endurance test was performed by giving the direction.
【００６１】上記耐久性試験では、加熱炉の開閉によっ
て熱サイクルを付与する方式であるために、加熱−冷却
サイクルに時間を要する難点がある反面、熱サイクルと
は別個に独立して加重パターンを任意に決定することが
可能である。すなわち、最高加熱温度到達時に最大圧縮
応力を同期させるパターン（Out-of-Phase）と、最低加
熱温度到達時に最大圧縮応力を同期させるパターン（In
-Phase）が、遮熱コーティング（ＴＢＣ：Thermal Barr
ier Coating）の剥離損傷に及ぼす影響について究明す
るために、特殊な局面を模擬した形状での耐久性試験が
可能である。しかしながら、入熱量が比較的低く限定さ
れる難点があり、実機運転条件が得にくい問題点があっ
た。In the above durability test, since the heating cycle is applied by opening and closing the heating furnace, there is a drawback that the heating-cooling cycle requires time, but on the other hand, the weighting pattern is set independently of the heating cycle. It can be arbitrarily determined. That is, the pattern that synchronizes the maximum compressive stress when the maximum heating temperature is reached (Out-of-Phase) and the pattern that synchronizes the maximum compressive stress when the minimum heating temperature is reached (In
-Phase is a thermal barrier coating (TBC: Thermal Barr)
In order to investigate the effect of ier coating) on peel damage, a durability test with a shape that simulates a special aspect is possible. However, there is a problem in that the heat input amount is relatively low and limited, and there is a problem that it is difficult to obtain operating conditions of an actual machine.
【００６２】上述した実施例に係るコーティング部材の
耐久性試験装置を含め、最近までの従来の代表的な加熱
試験装置を使用した場合において、コーティング層の剥
離寿命予測に影響を及ぼす主要因子についての評価性能
の優劣をまとめたものを下記表１に示す。The main factors affecting the prediction of the peeling life of the coating layer in the case of using the conventional typical heating test apparatus until recently including the durability test apparatus for the coating member according to the above-mentioned embodiment will be described. Table 1 below summarizes the superiority and inferiority of the evaluation performance.
【００６３】[0063]
【表１】 [Table 1]
【００６４】上記表１に示すように、炉加熱方式による
従来の試験方法によれば、試験片全体が加熱されるた
め、コーティング層に温度勾配を形成することは不可能
であり、実機運転条件から乖離し、高精度の評価は不可
能である。また荷重負荷機構を具備しない従来のバーナ
ー加熱方式による試験方法では、機械応力の重畳の模擬
が困難であり、試験片の形状により評価結果が大きくば
らつく難点がある。一方、ランプ集光加熱方式による従
来の試験方法では、入熱量に限度がありコーティング層
に温度勾配を形成することにやや難があり、長時間にわ
たる試験は困難である。また、レーザー／プラズマ加熱
方式による従来の試験方法では、定常状態に温度勾配を
付与することは容易だが、試験片の形状に影響を受けや
すく、機械応力の重畳の模擬および長時間にわたる試験
継続に難点がある。このように、従来の試験方法では、
いずれも実機使用条件を十分に模擬することができない
ため、詳細な損傷メカニズムの解明と寿命評価に限界が
あった。As shown in Table 1 above, according to the conventional test method using the furnace heating method, the entire test piece is heated, so that it is not possible to form a temperature gradient in the coating layer, and the operating conditions of the actual machine are used. Therefore, highly accurate evaluation is impossible. Further, in the conventional test method using the burner heating method that does not include a load applying mechanism, it is difficult to simulate the superposition of mechanical stress, and there is a problem that the evaluation result greatly varies depending on the shape of the test piece. On the other hand, in the conventional test method using the lamp condensing heating method, there is a limit to the amount of heat input, and it is somewhat difficult to form a temperature gradient in the coating layer, making it difficult to perform a test for a long time. Also, in the conventional test method using the laser / plasma heating method, it is easy to give a temperature gradient to the steady state, but it is easily affected by the shape of the test piece, and it is possible to simulate the superposition of mechanical stress and continue the test for a long time. There are difficulties. Thus, in the conventional test method,
In both cases, it was not possible to fully simulate the conditions under which the actual machine was used, so there was a limit to the detailed elucidation of the damage mechanism and the evaluation of life.
【００６５】これに対して、本実施例に係るバーナー加
熱方式と荷重負荷装置と中空筒状の試験片とを組み合わ
せた耐久性試験装置では下記のような理由で格別の効果
を奏する。すなわち、遮熱コーティング皮膜内で実機運
転時と同レベルの温度勾配を再現するためには、比較的
大きな熱流束を与えられる高密度熱源が不可欠であり、
試験片の裏面となる中空部での強い冷却手段と組み合わ
せる必要があるが、本実施例で使用する加熱バーナーと
中空筒状の試験片とを組み合わせた構成によれば、上記
温度勾配を容易に再現することができる。On the other hand, the durability test apparatus in which the burner heating method according to the present embodiment, the load applying apparatus, and the hollow cylindrical test piece are combined has a remarkable effect for the following reason. That is, in order to reproduce the temperature gradient in the thermal barrier coating film at the same level as in actual operation, a high-density heat source that can give a relatively large heat flux is essential.
Although it is necessary to combine with a strong cooling means in the hollow portion which is the back surface of the test piece, the above-mentioned temperature gradient can be easily obtained by the configuration combining the heating burner and the hollow cylindrical test piece used in this example. It can be reproduced.
【００６６】さらに、遮熱コーティング層の損傷メカニ
ズムを解明するためには、少なくとも数１００時間以上
の連続運転により、劣化挙動を追跡評価する必要がある
と考えられる。しかるに、本実施例の試験装置で使用し
た改良バーナー加熱方式によれば、試験片形状、機械応
力の重畳、定常温度勾配の付与および長時間試験への対
応が可能となる意味で高温動的腐食試験装置としての機
能もはたし、前記の各比較例として説明した試験評価方
法と比較して、実機運転条件をより忠実に模擬した耐久
性試験が可能になる。Further, in order to elucidate the damage mechanism of the thermal barrier coating layer, it is considered necessary to trace and evaluate the deterioration behavior by continuous operation for at least several hundred hours or more. However, according to the improved burner heating method used in the test apparatus of this example, the test piece shape, the superposition of mechanical stress, the application of a steady temperature gradient, and the correspondence to the long-term test are considered to be high temperature dynamic corrosion. It also functions as a test apparatus, and enables a durability test that more faithfully simulates actual machine operating conditions, as compared with the test evaluation methods described as the above-mentioned comparative examples.
【００６７】[0067]
【発明の効果】以上説明のとおり、本発明に係るコーテ
ィング部材の耐久性試験方法および試験装置によれば、
コーティング部材の実機運転時の温度条件によって形成
される温度勾配を模擬した温度勾配を試験片断面の半径
方向に形成できるため、実機運転時に近似した温度環境
条件下でコーティング層の耐久特性を高精度に測定でき
る一方、中空筒状の試験片を形成し試験片の外面側を加
熱する一方、中空部に冷却媒体を流通せしめて内面側を
冷却することにより、上記温度勾配を安定した状態で容
易に形成でき、コーティング部材のより詳細な損傷メカ
ニズムの解明と、より高精度な寿命評価とが可能にな
る。As described above, according to the durability test method and test apparatus for a coating member of the present invention,
Since a temperature gradient simulating the temperature gradient formed by the temperature conditions of the actual operation of the coating member can be formed in the radial direction of the cross section of the test piece, the durability characteristics of the coating layer are highly accurate under the temperature environment conditions similar to those of the actual operation. On the other hand, while forming a hollow cylindrical test piece and heating the outer surface side of the test piece, the cooling medium is circulated in the hollow part to cool the inner surface side, so that the temperature gradient can be easily maintained in a stable state. In this way, it becomes possible to clarify the damage mechanism of the coating member in more detail and to evaluate the life of the coating member with higher accuracy.
【図１】本発明に係るコーティング部材の耐久性試験方
法を実施するために使用される耐久性試験装置の一実施
例の構成を示す系統図。FIG. 1 is a system diagram showing a configuration of an embodiment of a durability test apparatus used for carrying out a durability test method for a coating member according to the present invention.
【図２】被試験対象としての試験片と、その周辺設備を
示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a test piece as a test object and its peripheral equipment.
【図３】加熱装置の構成例を示し、図２におけるＩＩＩ
−ＩＩＩ矢視平面図。FIG. 3 shows a configuration example of a heating device, and III in FIG.
-III arrow top view.
【図４】遮熱コーティング層の剥離寿命に影響を与える
因子を列記した特性要因図。FIG. 4 is a characteristic factor diagram listing factors that affect the peeling life of the thermal barrier coating layer.
１…コーティング部材の耐久性試験装置、２…金属基
材、３…コーティング層、４…試験片（コーティング部
材）、５…加熱装置、６…中空部、７…冷却装置、８…
荷重負荷装置、９…リングバーナー、９ａ…ガス吹き出
し口、１０…放射温度計、１１…側長器、１２…熱電
対、１３…熱電対、１４…燃料供給装置、１５…制御回
路（システムコントローラー）。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Durability test device of coating member, 2 ... Metal base material, 3 ... Coating layer, 4 ... Test piece (coating member), 5 ... Heating device, 6 ... Hollow part, 7 ... Cooling device, 8 ...
Load application device, 9 ... Ring burner, 9a ... Gas outlet, 10 ... Radiation thermometer, 11 ... Side length device, 12 ... Thermocouple, 13 ... Thermocouple, 14 ... Fuel supply device, 15 ... Control circuit (system controller) ).
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 日野 武久 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 伊藤 義康 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 2G050 AA01 BA02 BA10 BA11 BA12 CA06 DA01 DA02 EA01 EA04 EA10 2G061 AA01 AA13 AC03 AC04 BA15 CA02 CA03 CA04 CA16 CB13 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Takehisa Hino 2-4 Suehiro-cho, Tsurumi-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Toshiba Keihin Office (72) Inventor Yoshiyasu Ito 2-4 Suehiro-cho, Tsurumi-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Toshiba Keihin Office F-term (reference) 2G050 AA01 BA02 BA10 BA11 BA12 CA06 DA01 DA02 EA01 EA04 EA10 2G061 AA01 AA13 AC03 AC04 BA15 CA02 CA03 CA04 CA16 CB13
Claims (9)
グ層を形成したコーティング部材である試験片の外面側
を加熱する一方、中空部に冷却媒体を流通せしめて内面
側を冷却することにより、コーティング部材の実機運転
時の温度条件によって形成される温度勾配を模擬した温
度勾配を試験片断面の半径方向に形成し、この状態でコ
ーティング層の特性を計測することを特徴とするコーテ
ィング部材の耐久性試験方法。1. A test piece, which is a coating member having a coating layer formed on the surface of a hollow cylindrical metal substrate, is heated on the outer surface side, while a cooling medium is passed through the hollow part to cool the inner surface side. The coating member is characterized by forming a temperature gradient simulating the temperature gradient formed by the temperature condition of the actual operation of the coating member in the radial direction of the cross section of the test piece, and measuring the characteristics of the coating layer in this state. Durability test method.
性試験方法において、前記試験片の外表面に耐食コーテ
ィング層、遮熱コーティング層および耐摩耗コーティン
グ層の少なくとも１種を形成する一方、内表面には耐食
コーティング層を形成することを特徴とするコーティン
グ部材の耐久性試験方法。2. The durability test method for a coating member according to claim 1, wherein at least one of a corrosion resistant coating layer, a thermal barrier coating layer and an abrasion resistant coating layer is formed on the outer surface of the test piece while the inner surface is formed. A method for testing the durability of a coating member, which comprises forming a corrosion-resistant coating layer on the substrate.
性試験方法において、前記試験片の軸方向に圧縮荷重ま
たは引張荷重を付与し、この荷重は機械式荷重負荷機
構、油圧式荷重負荷機構および変位拘束機構の少なくと
も１種により付与することを特徴とするコーティング部
材の耐久性試験方法。3. The durability test method for a coating member according to claim 1, wherein a compressive load or a tensile load is applied in the axial direction of the test piece, and the load is a mechanical load applying mechanism, a hydraulic load applying mechanism, and A method for testing the durability of a coating member, characterized in that it is applied by at least one kind of displacement restraint mechanism.
性試験方法において、前記加熱方法が誘導加熱法、電気
ヒーター加熱法、ランプ集光加熱法、レーザー加熱法、
バーナー燃焼加熱法、プラズマ加熱法のいずれか１種ま
たは２種以上の組み合わせであることを特徴とするコー
ティング部材の耐久性試験方法。4. The coating member durability test method according to claim 1, wherein the heating method is an induction heating method, an electric heater heating method, a lamp condensing heating method, a laser heating method,
A durability test method for a coating member, which is a burner combustion heating method or a plasma heating method, or a combination of two or more thereof.
性試験方法において、前記冷却用の冷却媒体として常圧
または加圧した空気、水蒸気、水および液体ナトリウム
のいずれかを使用することを特徴とするコーティング部
材の耐久性試験方法。5. The method for testing the durability of a coating member according to claim 1, wherein any one of atmospheric pressure or pressurized air, steam, water and liquid sodium is used as the cooling medium for cooling. Durability test method for coated members.
性試験方法において、前記試験片の外周表面に冷却ガス
を吹き付けることにより冷熱衝撃を付与することを特徴
とするコーティング部材の耐久性試験方法。6. The durability test method for a coating member according to claim 1, wherein the thermal shock is applied by spraying a cooling gas onto the outer peripheral surface of the test piece.
性試験方法において、試験時に試験片外周の雰囲気を、
コーティング部材の実機運転時の雰囲気条件に模擬する
ように制御することを特徴とするコーティング部材の耐
久性試験方法。7. The durability test method for a coating member according to claim 1, wherein the atmosphere of the outer periphery of the test piece is changed during the test.
A method for testing the durability of a coating member, which is controlled so as to simulate the atmospheric conditions of the coating member during actual operation.
ィング部材の耐久性試験方法において、前記試験片に加
熱負荷および応力負荷を繰り返し付与することを特徴と
するコーティング部材の耐久性試験方法。8. The durability test method for a coating member according to claim 4, wherein a heating load and a stress load are repeatedly applied to the test piece. .
グ層を形成したコーティング部材の試験片の外面側を加
熱する加熱装置と、中空筒状の金属基材の中空部に冷却
媒体を流通せしめて内面側を冷却する冷却装置と、前記
試験片の軸方向に圧縮荷重または引張荷重を付与する荷
重負荷機構とを備えることを特徴とするコーティング部
材の耐久性試験装置。9. A heating device for heating the outer surface side of a test piece of a coating member having a coating layer formed on the surface of a hollow cylindrical metal base material, and a cooling medium flowing through the hollow portion of the hollow cylindrical metal base material. A durability testing device for a coating member, comprising: a cooling device for cooling at least the inner surface side; and a load applying mechanism for applying a compressive load or a tensile load in the axial direction of the test piece.
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