JP2007297947A - Fluorescence spectroscopic internal stress inspection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、航空エンジンや産業用ガスタービンなどの高温燃焼用機器に施された遮熱コーティング、特にタービン部分の動翼、静翼や燃焼器ライナーの表面を被覆するセラミック遮熱コーティング(TBC)の健全性を検査する装置に関する。 The present invention relates to a thermal barrier coating applied to high-temperature combustion equipment such as aero engines and industrial gas turbines, and more particularly to a ceramic thermal barrier coating (TBC) that covers the surfaces of rotor blades, stationary blades, and combustor liners in turbine parts. The present invention relates to an apparatus for inspecting the soundness of a machine.
航空機、船舶、発電装置などに用いられるガスタービンは、高効率化、高出力化のためガスタービン作動温度(燃焼ガスのタービン入口温度)の高温化が図られている。タービン作動温度を上昇させるためには、高温度の燃焼ガスに曝されるタービン動翼、静翼、燃焼器などの部品を保護する冷却技術や遮熱コーティングの技術が求められる。
さらに、安全で安心できる社会を維持するために、航空機のガスタービンの安全性確保や発電用ガスタービンの寿命保証などが要求される。また、ランニングコスト低減の観点からも、ガスタービン部品の耐久性向上が重要な課題であり、遮熱コーティングに対して、遮熱性能、耐久性の向上がより一層求められている。
Gas turbines used in aircraft, ships, power generation devices, and the like are designed to increase the gas turbine operating temperature (combustion gas turbine inlet temperature) for higher efficiency and higher output. In order to raise the turbine operating temperature, a cooling technique and a thermal barrier coating technique that protect components such as turbine blades, stationary blades, and combustors that are exposed to high-temperature combustion gas are required.
Furthermore, in order to maintain a safe and secure society, it is required to ensure the safety of aircraft gas turbines and guarantee the life of power generation gas turbines. Further, from the viewpoint of reducing running costs, it is an important issue to improve the durability of gas turbine components, and further improvements in heat shielding performance and durability are required for the heat shielding coating.
ガスタービンによく使用される遮熱コーティング(TBC)は、一般に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)などを主成分とする超耐熱合金の基材に対して、MCrAlY(Mは、ニッケル、コバルト、鉄のうちの1以上を意味する)の金属ボンドコートを施して金属下地層とし、この上にセラミック遮熱層を形成することにより構成された剥離抑制性能の良い遮熱コーティングである。
セラミック遮熱層は、酸化イットリウム(Y2O3)で部分安定化した酸化ジルコニウム(ZrO2)など、低熱伝導性のセラミックで形成する。
金属ボンドコートは、金属基材と密着し耐食・耐酸化性金属被覆機能を有し、剥離を防止する。
Thermal barrier coatings (TBC) often used in gas turbines are generally made of MCrAlY (M) on a superheat-resistant alloy base material mainly composed of nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe) and the like. Is a metal undercoat by applying a metal bond coat of one or more of nickel, cobalt, and iron), and a ceramic heat shield layer is formed on the metal undercoat. It is a coating.
The ceramic thermal barrier layer is formed of a low thermal conductive ceramic such as zirconium oxide (ZrO 2 ) partially stabilized with yttrium oxide (Y 2 O 3 ).
The metal bond coat adheres to the metal substrate and has a corrosion resistance / oxidation resistance metal coating function to prevent peeling.
しかし、これらの遮熱コーティングは、ガスタービンの稼働中に高温環境に曝されることによる高温腐食(酸化)や起動停止の繰り返しによる熱疲労により、長時間使用すると金属下地層とセラミック遮熱層との間で剥離損傷する。
高温酸化による剥離は、金属下地層に含まれるアルミニウムがセラミック遮熱層から供給される酸素と反応して金属下地層の表層にアルミナ(Al2O3)を含む酸化層(TGO)が成長し、この酸化層が厚くなるに従いセラミック遮熱層に作用する熱応力が大きくなって、遂にはセラミック遮熱層が剥離すると推測されている。
However, these thermal barrier coatings have a metal underlayer and ceramic thermal barrier layer when used for a long time due to high temperature corrosion (oxidation) due to exposure to a high temperature environment during operation of the gas turbine and thermal fatigue due to repeated start and stop. Peeling damage between.
Peeling due to high-temperature oxidation is caused by the fact that aluminum contained in the metal underlayer reacts with oxygen supplied from the ceramic heat shield layer, and an oxide layer (TGO) containing alumina (Al 2 O 3 ) grows on the surface of the metal underlayer. It is presumed that the thermal stress acting on the ceramic heat shield layer increases as the oxide layer becomes thicker and eventually the ceramic heat shield layer is peeled off.
遮熱セラミック層は金属基材と熱膨張係数が大きく異なることから熱応力が発生し、界面で剥離が起こりやすい。また、遮熱セラミック層は多くの気孔が存在し、外から侵入する酸素、さらに高温で解離した酸素を下層まで供給するので、MCrAlY合金層との界面でニッケル、コバルト、アルミニウムなどの酸化物層を形成し、MCrAlY合金層の減耗や損傷、さらには金属基材の酸化や強度低下などを抑制することができない。 The thermal barrier ceramic layer has a thermal expansion coefficient that is significantly different from that of the metal substrate, so that thermal stress is generated and peeling is likely to occur at the interface. In addition, the heat-shielding ceramic layer has many pores and supplies oxygen entering from the outside and oxygen dissociated at high temperature to the lower layer, so that an oxide layer of nickel, cobalt, aluminum, etc. at the interface with the MCrAlY alloy layer The MCrAlY alloy layer cannot be depleted or damaged, and further, oxidation or strength reduction of the metal substrate cannot be suppressed.
現在の遮熱コーティングは部材の温度上昇を20〜100℃程度抑制する効果を有するが、遮熱コーティングの剥離損傷の有無は基材の劣化に大きな影響を及ぼす。したがって、ガスタービン部材の遮熱コーティングの健全性を非破壊で評価し、損傷具合に応じて再コーティングする技術の開発が望まれる。
すなわち、遮熱コーティングの界面近傍の状況を反映する事象を観察することができる装置、あるいは亀裂発生部位となるTGOの応力状態を直接検知する装置が得られれば、遮熱コーティングの健全性を非破壊で評価することが可能となり、遮熱コーティングの余寿命評価が可能となる。
The current thermal barrier coating has an effect of suppressing the temperature rise of the member by about 20 to 100 ° C., but the presence or absence of peeling damage of the thermal barrier coating greatly affects the deterioration of the substrate. Therefore, it is desired to develop a technique for evaluating the soundness of the thermal barrier coating of the gas turbine member in a non-destructive manner and performing recoating according to the degree of damage.
In other words, if a device that can observe an event that reflects the situation near the interface of the thermal barrier coating or a device that directly detects the stress state of the TGO that is the crack occurrence site is obtained, the soundness of the thermal barrier coating is reduced. It becomes possible to evaluate by destruction, and the remaining life of the thermal barrier coating can be evaluated.
現在、現行ガスタービンの遮熱コーティングについて実施されている健全性確認法は、ボアスコープなどをケーシング内に挿入して外観観察するものである。外観損傷評価装置による外観観察は、不燃焼物による圧痕などの表面損傷を評価することができるが、遮熱コーティングの内部損傷に関する情報を得ることはできない。
したがって、遮熱コーティングの剥離損傷を評価することはできるが、剥離に至らない遮熱コーティングの余寿命を評価することは不可能である。
At present, the soundness confirmation method implemented for the thermal barrier coating of the current gas turbine is to insert a borescope or the like into the casing and observe the appearance. The appearance observation by the appearance damage evaluation apparatus can evaluate surface damage such as indentation due to non-combustible material, but cannot obtain information on internal damage of the thermal barrier coating.
Therefore, it is possible to evaluate the peeling damage of the thermal barrier coating, but it is impossible to evaluate the remaining life of the thermal barrier coating that does not lead to peeling.
また、特許文献1には、セラミック層と耐食合金層の間に生成する酸化物層を非破壊的に検出して映像化処理により酸化物層の量を推定し、セラミック層に発生する熱応力を求め、累積損傷度を算出して、セラミック層と耐食合金層の余寿命を評価するセラミックコーティング余寿命評価診断システムが開示されている。
ここで、非破壊検出装置として、超音波を利用する方法、X線透過を利用する方法、赤外線カメラを用いる方法が採用されている。ただし、これらの方法はそれぞれ測定条件に基づいて、非測定体が、実機から取り外しのできる部品や形状が複雑でない比較的小さな部品に限られ、あるいは赤外線カメラ方式では非測定体の裏側から加熱して表面に表れる温度差から推定するため加熱ができる部材に限られるという問題がある。
Here, as the nondestructive detection device, a method using ultrasonic waves, a method using X-ray transmission, and a method using an infrared camera are employed. However, each of these methods is based on the measurement conditions, and the non-measurement body is limited to parts that can be removed from the actual machine or relatively small parts whose shape is not complicated, or in the infrared camera method, heating is performed from the back side of the non-measurement body. Therefore, there is a problem that it is limited to a member that can be heated because it is estimated from the temperature difference appearing on the surface.
また、特許文献2には、目視による評価の不確実性に鑑みて、目視検査の後に、赤外線サーモグラフィ法により遮熱コーティングの内部剥離を検査し、その結果剥離模様が検出された場合は、模様部について蛍光X線法による表面元素分析検査と渦流探傷法を用いた膜厚測定を行い、遮熱コーティングの剥離減耗等の有無を検出して劣化を判定する遮熱コーティング劣化診断方法が開示されている。
開示方法は、赤外線サーモグラフィ法で検出した部分について表面元素分析法を用いて単なるスケールなどを検出して区別し剥離部分を確認するようにしたものである。複合的な測定方法により、目的とする遮熱コーティングの剥離現象を間接的に検出することができる。
In addition, in
According to the disclosed method, a part detected by an infrared thermography method is detected by using a surface element analysis method to detect a mere scale or the like, thereby confirming a peeled part. By means of a composite measurement method, it is possible to indirectly detect the target thermal barrier coating peeling phenomenon.
セラミック遮熱層と金属下地層の層間に生成するTGOの応力は、健全なときに1〜3GPa程度の高い値を持ち、剥離したときに解放されて低下する。そこで、セラミック遮熱層やTGOの応力を、レーザラマン法、フォトルミネッセンス法、X線回折法などを用いて測定し、遮熱コーティングの劣化を評価する方法がある。
特に、試料に可視光レーザを照射し、TGOで励起された蛍光のスペクトルを検出することによりTGO応力を測定するフォトルミネッセンス法が有効である。この方法によれば、蛍光を励起させるレーザ光は最外層の約0.5mmのジルコニアセラミック遮熱層を透過して酸化物層に到達するので、酸化物層の応力を非破壊的に測定することができる。
The stress of TGO generated between the ceramic heat shield layer and the metal underlayer has a high value of about 1 to 3 GPa when healthy, and is released and lowered when peeled off. Therefore, there is a method for evaluating the deterioration of the thermal barrier coating by measuring the stress of the ceramic thermal barrier layer or TGO using a laser Raman method, a photoluminescence method, an X-ray diffraction method or the like.
In particular, a photoluminescence method for measuring TGO stress by irradiating a sample with a visible light laser and detecting a spectrum of fluorescence excited by TGO is effective. According to this method, the laser light for exciting the fluorescence passes through the outermost zirconia ceramic heat shield layer of about 0.5 mm and reaches the oxide layer, so that the stress of the oxide layer is measured nondestructively. be able to.
特許文献3には、フォトルミネッセンス法を用いた健全性評価装置で、蛍光物質として希土類元素を含むTBCに紫外線レーザを当てて発生する蛍光を検出器で捉えて放射スペクトルを解析し、TBC中の結晶相の量を算定することにより累積損傷度や余寿命を推定することができる装置が開示されている。開示方法は、蛍光の内のあるピークの強度比、たとえば605nmのピークと615nmのピークの強度の比がTBCの単斜晶の量と関連することに基づいて、実測したピーク値からその材料の余寿命を算出するものである。
In
さらに、測定されたTGOの応力値よりセラミック遮熱層の劣化状況を判断する方法として、有限要素法により推定される値と比較する方法や、所定の高温酸化環境に暴露したり熱サイクルや熱衝撃による劣化を引き起こした部材についてTGOの残留応力を測定することにより予め劣化状況と残留応力の相関関係を把握して対照する方法などを利用することができる。
フォトルミネッセンス法は、顕微鏡構成を利用して、たとえば波長532nmのグリーンレーザを対物レンズを通して試料に照射し、発生した蛍光を分光器で分離してCCDカメラで撮像することにより、蛍光映像の顕微鏡写真を取得して応力の評価をする。
Furthermore, as a method of judging the deterioration state of the ceramic thermal barrier layer from the measured stress value of TGO, a method of comparing with a value estimated by the finite element method, exposure to a predetermined high-temperature oxidation environment, thermal cycle or heat By measuring the residual stress of TGO for a member that has caused deterioration due to impact, a method of grasping and contrasting the correlation between the deterioration state and the residual stress in advance can be used.
The photoluminescence method uses a microscope configuration, for example, irradiates a sample with a green laser having a wavelength of 532 nm through an objective lens, separates the generated fluorescence with a spectroscope, and picks up an image with a CCD camera. To evaluate the stress.
現在のフォトルミネッセンス法では、試料が小型の平板に限られるため、TBC健全性評価手法として期待されても、複雑な形状を持つタービン動翼や静翼、燃焼器などに被覆された遮熱コーティングをそのまま評価する手段として利用することはできない。
また、可視光レーザを対物レンズで絞って試料に照射するため、測定エリアの径が約15μm程度と極めて小さく、ガスタービン部材の遮熱コーティングの広い表面をくまなく測定するには極めて長い測定時間が必要となり実質上困難である。
さらに、運用している最中の現行ガスタービンについてそのままの状態で測定して余寿命を評価する手段として利用することはできない。
In the current photoluminescence method, the sample is limited to a small flat plate, so even if it is expected as a TBC soundness evaluation method, a thermal barrier coating coated on a turbine blade, stationary blade, or combustor with a complicated shape Can not be used as a means to evaluate as it is.
In addition, since the sample is irradiated with the visible light laser by squeezing the visible light laser, the measurement area has a very small diameter of about 15 μm, and it takes a very long measurement time to measure the entire surface of the thermal barrier coating of the gas turbine member. Is necessary and practically difficult.
Furthermore, it cannot be used as a means for evaluating the remaining life by measuring the current gas turbine in operation as it is.
なお、波長514nmのグリーンレーザを照射すると、TGOに含まれるCr3+により発生する蛍光が、TGOの応力に対応して周波数遷移を起こすことが知られている。
非特許文献1は、この現象を利用して、応力のないサファイヤと応力下のTGOで蛍光波長に明らかな差異があることを確認し、非破壊的測定を介してTBCの品質管理に利用する可能性について論じている。
しかし、試用した計測装置は、光ファイバを利用したプローブを実験室用のラマン測定装置に接続したもので、実機を分解せずに適用できるものではない。
Non-Patent
However, the trial measuring device is a probe in which a probe using an optical fiber is connected to a laboratory Raman measuring device, and cannot be applied without disassembling an actual machine.
本発明が解決しようとする課題は、材料の内部応力を蛍光のスペクトルシフトに基づいて推定する内部応力検査装置を提供することであり、特に現行ガスタービンなどの複雑形状部材に被覆された遮熱コーティングについて健全性を評価できる装置を提供することである。さらに、現行ガスタービンを開放しないで遮熱コーティングの内部損傷を検査することができる健全性評価装置を提供することであり、また、現行ガスタービンの稼働中に遮熱コーティングの検査を可能とする健全性評価装置を提供することである。さらに、遮熱コーティングの表面状態と内部損傷を同時に検査できる複合機能化損傷評価装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide an internal stress inspection apparatus that estimates the internal stress of a material based on the spectral shift of fluorescence, and in particular, a heat shield coated on a complicated shape member such as a current gas turbine. It is to provide an apparatus that can evaluate the soundness of a coating. Furthermore, it is to provide a soundness evaluation device that can inspect the internal damage of the thermal barrier coating without opening the current gas turbine, and also enables the thermal barrier coating to be inspected while the current gas turbine is in operation. It is to provide a soundness evaluation device. It is another object of the present invention to provide a combined functional damage evaluation apparatus capable of simultaneously inspecting the surface state and internal damage of a thermal barrier coating.
上記課題を解決するため本発明の蛍光分光式内部応力検査装置は、照射光を伝送する光ファイバと画像を伝送するレンズリレーを備えたボアスコープチューブと、蛍光励起用可視光レーザ発生装置と、蛍光画像上の画素ごとに波長成分ごとの光強度信号を出力する画像出力装置と、電子計算機でなる演算装置を備えて、蛍光励起用可視光レーザ発生装置で生成したレーザをボアスコープチューブの光ファイバを通して対象に照射するようにし、対象から放出される蛍光をレンズリレーを通して画像出力装置で検出し、演算装置において画像出力装置の出力に基づき光周波数スペクトルのピークを検出して、内部応力の大小を判定することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fluorescence spectroscopy internal stress inspection apparatus according to the present invention includes a borescope tube including an optical fiber that transmits irradiation light and a lens relay that transmits an image, a visible light laser generator for fluorescence excitation, and An image output device that outputs a light intensity signal for each wavelength component for each pixel on the fluorescence image, and an arithmetic unit composed of an electronic computer, and the laser generated by the visible light laser generator for excitation of fluorescence is emitted from the borescope tube. The target is irradiated through the fiber, the fluorescence emitted from the target is detected by the image output device through the lens relay, and the peak of the optical frequency spectrum is detected based on the output of the image output device in the arithmetic unit, and the magnitude of the internal stress It is characterized by determining.
画像出力装置は、チューナブルフィルタと二次元CCDカメラを備え、さらにCCDカメラを制御するカメラ制御器と、チューナブルフィルタの透過光周波数を調整するフィルタ制御器を備えて、対象物から放出される蛍光をレンズリレーを通しチューナブルフィルタを介して二次元CCDカメラで検出するものであってよい。演算装置は、カメラが検出した光信号とフィルタ制御器から取得したチューナブルフィルタの透過光周波数とに基づき、蛍光の光周波数スペクトルのピーク波長を検出して、対象物の内部応力の大小を判定する。
また、画像出力装置は、分光器と一次元CCDカメラとCCDカメラを制御するカメラ制御器を備えて、対象物から放出される蛍光をレンズリレーを通し分光器を介して一次元CCDカメラで検出するものであってもよい。演算装置は分光器を透過した光を検出したカメラ信号と分光器の透過光周波数に基づいて、蛍光の光周波数スペクトルのピーク位置を推定することができる。
The image output apparatus includes a tunable filter and a two-dimensional CCD camera, and further includes a camera controller that controls the CCD camera and a filter controller that adjusts the transmitted light frequency of the tunable filter, and is emitted from an object. The fluorescence may be detected by a two-dimensional CCD camera through a lens relay and a tunable filter. The arithmetic unit detects the peak wavelength of the optical frequency spectrum of fluorescence based on the optical signal detected by the camera and the transmitted optical frequency of the tunable filter obtained from the filter controller, and determines the magnitude of the internal stress of the object. To do.
The image output device also includes a spectroscope, a one-dimensional CCD camera, and a camera controller that controls the CCD camera, and detects the fluorescence emitted from the object through the lens relay and the spectroscope through the spectroscope. You may do. The arithmetic unit can estimate the peak position of the optical frequency spectrum of the fluorescence based on the camera signal that has detected the light transmitted through the spectroscope and the transmitted light frequency of the spectroscope.
検査対象物は、可視光で励起されて蛍光を発生する材料を含む物であって、蛍光スペクトルにおけるピーク位置が内部応力と関連を有する物である。特に、超合金基材上に、金属下地層である金属接合層、セラミック遮熱層の順に重なった構造を備え、金属下地層に可視光レーザにより蛍光を発生する蛍光物質を含む遮熱コーティングであることが好ましい。
このような遮熱コーティングでは、金属下地層の材料がセラミック遮熱層から浸潤してくる酸素により酸化してた酸化層(TGO)が成長し、この酸化層が原因となって、遂にはセラミック遮熱層が剥離する現象が発生する。本発明の健全性検査装置では、蛍光励起用可視光レーザが薄いセラミック遮熱層を透過してTGOに達し、TGOに含有される蛍光物質の発生する蛍光周波数の遷移に基づいて内部応力を推定するので、非接触でセラミック遮熱層の剥離を判定することができる。
The inspection object is an object including a material that generates fluorescence when excited by visible light, and a peak position in the fluorescence spectrum is related to internal stress. In particular, it is a thermal barrier coating that has a structure in which a metal bonding layer, which is a metal underlayer, and a ceramic thermal barrier layer are stacked in this order on a superalloy substrate, and the metal underlayer includes a fluorescent material that generates fluorescence by a visible light laser. Preferably there is.
In such a thermal barrier coating, an oxide layer (TGO) in which the material of the metal underlayer is oxidized by oxygen infiltrated from the ceramic thermal barrier layer grows, and this oxide layer causes the ceramic layer finally. A phenomenon occurs in which the heat shielding layer peels off. In the soundness inspection apparatus of the present invention, the visible light laser for fluorescence excitation passes through the thin ceramic heat shield layer and reaches the TGO, and the internal stress is estimated based on the transition of the fluorescence frequency generated by the fluorescent material contained in the TGO. Therefore, the peeling of the ceramic heat shield layer can be determined in a non-contact manner.
励起用レーザと蛍光はいずれも可視光であるので、ボアスコープチューブは、市販のボアスコープに用いられるチューブと同じものを活用することができる。また、ボアスコープチューブに照明用光源とアイピースを付与してボアスコープと共用し、必要に応じて表面観察と内部応力の観察を同時にあるいは切り替えて実行するようにしてもよい。
ボアスコープと同じ構造のチューブを使用するため、ガスタービンの動翼、静翼、燃焼器などの部品を保護する遮熱コーティングなどを測定対象とする場合にも、タービンを分解しなくても、覗き孔からチューブ状のプローブを差し入れて検査することができる。
チューナブルフィルタは、透過光の周波数を電気的に調整できるフィルターで、たとえば液晶の特性を利用した液晶チューナブルフィルタ(ケンブリッジリサーチアンドインストルメンテーション社製バリスペック(VariSpec):商品名)など、市販されているものを利用することもできる。
Since both the excitation laser and the fluorescence are visible light, the same borescope tube as that used in a commercially available borescope can be used. Further, a light source for illumination and an eyepiece may be provided to the borescope tube so as to be shared with the borescope, and surface observation and internal stress observation may be performed simultaneously or by switching as necessary.
Because the tube with the same structure as the borescope is used, even if you want to measure thermal barrier coatings that protect parts such as moving blades, stationary blades, and combustors of gas turbines, A tube-like probe can be inserted through the viewing hole for inspection.
Tunable filters are filters that can electrically adjust the frequency of transmitted light. For example, liquid crystal tunable filters that use the characteristics of liquid crystals (VariSpec (trade name, manufactured by Cambridge Research and Instrumentation)) are commercially available. You can also use what is being done.
また、さらに、渦電流式膜厚計あるいは交流インピーダンス式膜厚計を備えて、同時にセラミック遮熱層の厚さや金属接合層の厚さを測定して加味し、表面状態と内部損傷の2つの観点から観察することにより遮熱コーティングの健全性と余寿命をより的確に評価できるようにすることもできる。
また、タービンなどを回転させながら動翼の出現時間間隔に同期するパルスでレーザ照射をして発生する蛍光を測定することにより、動翼を群として見て表面位置にしたがった内部応力分布を測定することができる。
Furthermore, an eddy current film thickness meter or an AC impedance film thickness meter is provided, and the thickness of the ceramic heat shield layer and the thickness of the metal bonding layer are simultaneously measured and taken into account. By observing from the viewpoint, the soundness and remaining life of the thermal barrier coating can be more accurately evaluated.
In addition, by measuring the fluorescence generated by laser irradiation with a pulse synchronized with the appearance time interval of the moving blade while rotating the turbine etc., the internal stress distribution according to the surface position is measured by looking at the moving blade as a group. can do.
本発明の蛍光分光式内部応力検査装置を用いることにより、ボアスコープのプローブチューブと同等の物を利用して、解体しないでタービン動翼、静翼、燃焼器などの遮熱コーティングの内層の状態を検診して、セラミック遮熱層の剥脱を検知し余寿命を推定することができるので、航空エンジンや産業用ガスタービンなどの高温燃焼用機器に施した遮熱コーティングなどについて、的確に再コーティングするための情報を提供し、より高度な保全を行うことができる。
なお、本発明の蛍光分光式内部応力検査装置は、遮熱コーティングに限らず、可視光レーザを照射すると可視光領域の蛍光を発生し、かつ、この蛍光の波長が内部応力に影響を受けるような材料に対して、同様に適用できることはいうまでもない。
By using the fluorescent spectroscopic internal stress inspection apparatus of the present invention, the state of the inner layer of the thermal barrier coating such as a turbine rotor blade, stationary blade, combustor, etc. without being disassembled using the same thing as the probe tube of the borescope Can detect the exfoliation of the ceramic thermal barrier layer and estimate the remaining life, so it is possible to accurately recoat thermal barrier coatings applied to high-temperature combustion equipment such as aircraft engines and industrial gas turbines. To provide more information and to perform more advanced maintenance.
The fluorescence spectroscopic internal stress inspection apparatus of the present invention is not limited to a thermal barrier coating, and generates fluorescence in the visible light region when irradiated with a visible light laser, and the wavelength of the fluorescence is affected by internal stress. Needless to say, the present invention can be similarly applied to other materials.
以下、図面を用いて、本発明の蛍光分光式内部応力検査装置の最良の形態を詳細に説明する。
図1は本発明の1実施例に係る蛍光分光式内部応力検査装置の構成を模式的に示した断面図、図2は蛍光の応力遷移を表す図面、図3は二次元CCDカメラで得られた光強度信号例を示すグラフ、図4は剥離判定の手順を説明するブロック図、図5と図6は蛍光分光式内部応力検査装置により動翼を測定する例を説明する図面、図7は高温に長時間暴露した蛍光分光式内部応力の内部応力の観察例を示す図面、図8は蛍光分光式内部応力検査装置により構成するタービン翼自動検査装置の概念図である。
Hereinafter, the best mode of a fluorescence spectroscopy internal stress inspection apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a fluorescence spectroscopy internal stress inspection apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a drawing showing stress transition of fluorescence, and FIG. 3 is obtained by a two-dimensional CCD camera. FIG. 4 is a block diagram for explaining the procedure of peeling determination, FIGS. 5 and 6 are diagrams for explaining an example of measuring a moving blade by a fluorescence spectroscopic internal stress inspection apparatus, and FIG. Drawing which shows the example of an observation of the internal stress of the fluorescence spectroscopy type | mold internal stress exposed to high temperature for a long time, FIG. 8 is a conceptual diagram of the turbine blade automatic inspection apparatus comprised with a fluorescence spectroscopy type internal stress inspection apparatus.
本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置は、ボアスコープチューブ11、蛍光励起用レーザ発生装置21、二次元CCDカメラ31、演算装置41、アイピース51を備える。
ボアスコープチューブ11は、工業用内視鏡であるボアスコープのチューブと同様に、画像を伝送するレンズリレーを中心軸に沿って設けその外側にレーザ光を伝送する光ファイバ束を配置しステンレス管で被覆したものである。
The fluorescence spectroscopic internal stress inspection apparatus of the present embodiment includes a
The
また、蛍光励起用レーザ発生装置21の出力レーザは、光ファイバ22と光路切替ミラー23と半透過反射板24を介し、光ファイバ12を通ってボアスコープチューブ11に入射し、ボアスコープチューブ11の端面から励起光線13として対象物を照射する。
対象物には蛍光励起用レーザにより蛍光を生ずる蛍光物質が含まれていて、励起光線13を受光すると特定波長の蛍光14が生ずる。
The output laser of the fluorescence
The target object includes a fluorescent substance that generates fluorescence by a fluorescence excitation laser, and when an
たとえば、遮熱コーティング(TBC)の酸化膜(TGO)に含まれるクロムイオン(Cr3+)は、波長514nmの緑色のレーザを受けると無応力状態でR1(波数14402cm-1)とR2(14432cm-1)の蛍光を励起することができる。この蛍光は、図2に示すように、応力によりピークの波数値が遷移するので、ピークの波長変化により応力推定ができる。なお、R2ピークの方が応力変化に対して正確に変化する。 For example, chromium ions (Cr 3+ ) contained in an oxide film (TGO) of a thermal barrier coating (TBC) receive R1 (wave number 14402 cm −1 ) and R2 (14432 cm) in a stress-free state when subjected to a green laser having a wavelength of 514 nm. -1 ) fluorescence can be excited. As shown in FIG. 2, since the peak wave value of this fluorescence changes due to the stress, the stress can be estimated by the change in the wavelength of the peak. The R2 peak changes more accurately with respect to the stress change.
図2は、クロムイオンの蛍光の波数分布例を模式的に示した図面である。無応力状態の酸化アルミニウム(サファイア)における蛍光のピークに対して、遮熱コーティング中に拘束されたTGOの蛍光のピークは波数が小さい方に遷移している。遷移量Δνは応力σに比例して、
Δν=Πσ (式1)
と表すことができることが知られている。Πは比例係数である。
FIG. 2 is a drawing schematically showing an example of the wave number distribution of fluorescence of chromium ions. The fluorescence peak of TGO constrained in the thermal barrier coating transitions to the smaller wave number with respect to the fluorescence peak of unstressed aluminum oxide (sapphire). The transition amount Δν is proportional to the stress σ,
Δν = Πσ (Formula 1)
It is known that Π is a proportional coefficient.
そこで、グリーンレーザ発生装置を蛍光励起用レーザ発生装置21として利用する。グリーンレーザは可視光領域にあるため、ボアスコープの照明光と同様にボアスコープチューブ11の光ファイバ束をよく透過する。
対象物の画像信号は、ボアスコープチューブ11に組み込まれたレンズリレーで伝送され、半透過反射板24を透過して二次元CCDカメラ31に入射する。二次元CCDカメラ31が受入する画像信号には、対象物から放射される蛍光が含まれている。
なお、蛍光を観察するときは、第2光路切替ミラー25は光路を避けた位置に待避させておく。
Therefore, the green laser generator is used as the fluorescence
The image signal of the object is transmitted by a lens relay incorporated in the
When observing fluorescence, the second optical
二次元CCDカメラ31の入射口には、狭い光透過域を持つ中心波長可変のチューナブルフィルター32が設けられていて、透過光の波長を所定刻みごとに変化させて走査し、CCDカメラ31に入射する光の波長を順次選択できるようになっている。
したがって、チューナブルフィルター32と組み合わされた二次元CCDカメラ31は、スペクトル解析を行ったと同じ作用をし、フィルターで選択した波長ごとの二次元画像を提供する。
At the entrance of the two-
Therefore, the two-
チューナブルフィルター32は、たとえば液晶の特性を利用した液晶チューナブルフィルターLCTF(ケンブリッジリサーチアンドインストルメンテーション社製バリスペック(VariSpec):商品名)などの液晶可変フィルタであることが好ましい。バリスペック(商品名)は、位相遅延板と液晶セルを1対の直線偏光子で挟んだユニットを複数直列に配設して、透過光のバンド幅を極めて狭く調整したもので、透過光の周波数を電気的に調整できるようにしたフィルタで、500−720nmの領域で0.25nm程度のバンド幅を達成している。
The
チューナブルフィルター32にはフィルタ制御器34が付属し、フィルタ制御器34は透過光中心周波数を調整すると共に、その周波数を演算装置41に伝達する。
二次元CCDカメラ31にはカメラ制御器33が付属し、カメラ制御器33はカメラ31を制御して画像を取得すると共に、カメラの出力を演算装置41に伝送する。二次元CCDカメラ31は、チューナブルフィルター32を透過した画像を撮影するので、フィルタの透過周波数ごとに切り出した画像を取得して出力する。
なお、二次元CCDカメラ31の1画面は、対象物表面の40μm平方に対応する。従来の顕微鏡型フォトルミネッセンス法においては直径約15μmの測定エリアで観察するのと比較すると、測定領域が極めて大きく拡大し、同じ表面積を測定する場合にも能率が大いに向上する。
A
A
One screen of the two-
また、第1の光路切替ミラー23と第2光路切替ミラー25を切り替えて、ハロゲンランプ52を点灯する。すると、ハロゲンランプ52の光がボアスコープチューブ11の光ファイバ束に入射し、対象物を照明する。照明された対象物表面の画像は、レンズリレーを通って伝送され半透過反射板24を透過して、光路中に進出してきた第2光路切替ミラー25で反射して、アイピース51から肉眼で観察できるようになる。このようにして、蛍光分光式内部応力検査装置をボアスコープとして使用することができる。なお、アイピース51にはCCDカメラをセットして、画像信号を演算装置41に伝送して画像処理するようにしてもよい。
In addition, the
演算装置41は、カメラ出力とフィルター制御器からの透過光周波数情報を用いて、測定対象物の内部応力を検知し、健全性をより定量的に評価する。
図3は、二次元CCDカメラ31における所定の画素から得られた光強度信号を波長および波数に対してプロットしたグラフである。
上段のグラフ(a)は内部応力のない状態にあるアルミナについて波長532nmのグリーンレーザを照射して測定したときの光強度、下段のグラフ(b)は遮熱コーティングに発生した酸化層について測定したときの光強度の測定値である。フィルター制御器によりフィルター透過周波数が順次、電気的に所定間隔で設定されたときの画像信号から取得された光強度信号であるので、測定値は離散的な値をとる周波数ごとに得られる。
The
FIG. 3 is a graph in which a light intensity signal obtained from a predetermined pixel in the two-
The upper graph (a) shows the light intensity when measured by irradiating a green laser with a wavelength of 532 nm on alumina in a state without internal stress, and the lower graph (b) shows the oxide layer generated in the thermal barrier coating. It is a measured value of the light intensity at the time. Since the filter transmission frequency is a light intensity signal acquired from the image signal when the filter transmission frequency is sequentially set electrically at predetermined intervals, the measurement value is obtained for each frequency having a discrete value.
グラフには、R1ピークとR2ピークが明らかに存在し、応力状態のときは無応力状態のときより波長λが長い方に遷移することが分かる。先に説明した通り、R2ピークの波長遷移量Δλ2を用いることにより、TGOの内部応力が推定できる。しかし、測定データは離散的な数値として得られるので、グラフから直接にピークを求めることはできない。さらに、2つのピークは重なり合っているためピーク値は互いに干渉を受けてグラフ上のピークからずれている。
そこで、正しい内部応力値を知るためには正確なピーク位置を求める必要があり、この離散的な情報を用いて相互干渉したピークの位置を正確に推定できる手法が求められる。
The graph clearly shows that the R1 peak and the R2 peak exist, and the wavelength λ transitions to a longer one in the stress state than in the no-stress state. As described above, the internal stress of TGO can be estimated by using the wavelength transition amount Δλ2 of the R2 peak. However, since the measurement data is obtained as discrete numerical values, the peak cannot be obtained directly from the graph. Further, since the two peaks overlap, the peak values are interfered with each other and deviate from the peaks on the graph.
Therefore, in order to know the correct internal stress value, it is necessary to obtain an accurate peak position, and a method capable of accurately estimating the position of the mutually interfered peak using this discrete information is required.
R1とR2のピーク位置は、2つのベル型の分布関数曲線にフィッティングさせることにより正確な値を得ることができる。一般的には、この分布関数として、ガウス関数(G(ν−ν0;w))とローレンツ関数(L(ν−ν0;w))が用いられるが、本実施例のRピークには十分うまくフィットしない。しかし、ナノ応力顕微鏡における経験から、下に表す疑似フォックト関数PVを用いることにより、高精度にフィッティングできることが分かっている。
PV(ν−ν0)=G(ν−ν0;w1)[L(ν−ν0;w2)]β
(式2)
ここで、Gは幅w1に関するガウス分布関数、Lは幅w2に関するローレンツ分布関数、指数βは正の定数である。
By fitting the peak positions of R1 and R2 to two bell-shaped distribution function curves, accurate values can be obtained. In general, a Gaussian function (G (ν−ν0; w)) and a Lorentz function (L (ν−ν0; w)) are used as this distribution function. Does not fit. However, from experience in the nano-stress microscope, it is known that fitting can be performed with high accuracy by using the pseudo-Fockt function PV shown below.
PV (ν−ν0) = G (ν−ν0; w1) [L (ν−ν0; w2)] β
(Formula 2)
Here, G is a Gaussian distribution function related to the width w1, L is a Lorentz distribution function related to the width w2, and the index β is a positive constant.
こうしたスペクトル解析の結果得られるピークにおける波長あるいは波数から、画像中のTGOの内部応力を算定する。
TGOの内部応力は、TGO層が薄く基材との界面剥離が無い間はほぼ2〜2.3GPaの圧縮応力を示し、多少厚みが増えると界面クラックが生じるようになって1.5〜1.7MPa程度に減少し、その後、界面剥離が進行するにつれてさらに内部応力が低下し、金属下地層とセラミック遮熱層との間が完全に剥離すると内部応力が解放されてほぼ0MPaになる。
The internal stress of the TGO in the image is calculated from the wavelength or wave number at the peak obtained as a result of such spectrum analysis.
The internal stress of TGO shows a compressive stress of about 2 to 2.3 GPa when the TGO layer is thin and there is no interfacial delamination with the base material, and when the thickness is slightly increased, interfacial cracks are generated and 1.5 to 1 Then, the internal stress is further reduced as the interfacial peeling progresses, and when the metal underlayer and the ceramic heat shield layer are completely peeled, the internal stress is released and becomes almost 0 MPa.
そこで、内部応力の測定を行うことにより、金属下地層とセラミック遮熱層の剥離破損の状態を推定する。
図4は、演算装置41において実行される剥離判定の手順を説明するブロック図である。
ボアスコープチューブ11の先端を測定対象物の表面に向けてグリーンレーザを照射し、発生する蛍光を二次元CCDカメラ31で受光する。
演算装置41は、カメラ制御器33からCCDカメラ出力(101)を取得し、フィルター制御器34から透過光の波長情報(102)を取得して、スペクトル解析(103)をする。
Therefore, the state of peeling damage between the metal underlayer and the ceramic heat shield layer is estimated by measuring the internal stress.
FIG. 4 is a block diagram for explaining a procedure of peeling determination executed in the
The tip of the
The
スペクトル解析では、所定の波長範囲について透過光波長を変化させた結果から、CCDカメラ31の各画素に対応する対象物表面の蛍光スペクトルを生成する。生成した蛍光スペクトルについてピークフィッティングをして、ピーク位置を正確に推定し、無応力状態のピーク位置との波長ずれ(Δλ)を算定する。
算定した波長ずれを用い、波数偏差と内部応力が比例することを表す先の関係式(式1)に基づいて、内部応力値を推定する(104)。
内部応力の推定値から剥離の有無を判定する(105)。内部応力と剥離状態の対応関係を予め調査して、剥離の有無を判定する判定基準(106)として使用することができる。また、ボアスコープによる表面観察の結果(107)を加味して判定の正確度を向上させることが好ましい。
In the spectrum analysis, the fluorescence spectrum of the object surface corresponding to each pixel of the
Using the calculated wavelength shift, the internal stress value is estimated based on the previous relational expression (Formula 1) that indicates that the wave number deviation and the internal stress are proportional (104).
The presence or absence of peeling is determined from the estimated value of internal stress (105). The correspondence relationship between the internal stress and the peeled state can be investigated in advance and used as a criterion (106) for determining the presence or absence of peeling. In addition, it is preferable to improve the accuracy of determination in consideration of the result (107) of surface observation by the borescope.
本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置を用いれば、図5、図6に示すように、航空エンジン60のカバー62に設けられた観察孔63からボアスコープチューブ11を挿入して、動翼61の表面に被覆された遮熱コーティングをエンジン内部に収納されたままの状態で内部応力を測定し剥離状態を観察することができる。
ボアスコープチューブ11の先端から照射される可視光レーザにより遮熱コーティングの酸化層に含まれるクロムイオンの蛍光に基づいて得られる内部応力に基づいて剥離状態を推定する。
動翼61の位置を調整すると共に、ボアスコープチューブ11を動翼の表面に沿って走査させることにより、動翼の遮熱コーティング表面を広く観察することができる。
If the fluorescence spectroscopic internal stress inspection apparatus of the present embodiment is used, the
The peeled state is estimated based on the internal stress obtained based on the fluorescence of chromium ions contained in the oxide layer of the thermal barrier coating by the visible light laser irradiated from the tip of the
By adjusting the position of the moving
図7は、1150℃の高温に長時間暴露した遮熱コーティングについて、内部応力の観察を行った例を示す図面である。図中、最も淡色の部分はTGOの内部応力が−3.5から−4.5MPaの領域で、密着により応力が高い部分、最も濃色の部分は+0.5から−0.5MPaの領域で剥離して応力開放された部分になる。
図7の(a)は10時間、(b)は50時間、(c)は100時間、(d)は200時間暴露したときの応力分布状態を表す。短時間の暴露では部分的にしか剥離していないが、長時間暴露するとほぼ全面にわたって剥離してしまう様子が観察できた。
FIG. 7 is a drawing showing an example in which internal stress was observed for a thermal barrier coating exposed to a high temperature of 1150 ° C. for a long time. In the figure, the lightest part is the region where the internal stress of TGO is -3.5 to -4.5 MPa, the part where the stress is high due to adhesion, and the darkest part is the region of +0.5 to -0.5 MPa. The part is peeled off and the stress is released.
7A shows the stress distribution state when exposed for 10 hours, (b) for 50 hours, (c) for 100 hours, and (d) for 200 hours. It was observed that only a part of the film peeled off after a short exposure, but peeled off almost over the entire surface.
また、図8に示すように、本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置70、サンプル駆動装置71、自動搬送装置72を組み合わせることにより、タービン翼の自動検査装置を構成することができる。
サンプル駆動装置71は、タービン翼を蛍光分光式内部応力検査装置70に対して所定の位置姿勢に把持し、プログラムにしたがって駆動して、タービン翼73の検査対象部分を自動的に蛍光分光式内部応力検査装置にかける。蛍光分光式内部応力検査装置は、可視光レーザにより励起された蛍光のスペクトル解析をしてR2ピークの位置を確定し、内部応力を算定して、剥離状態を推定する。1個のタービン翼について測定をすませたら、自動搬送装置によって検査済みのタービン翼を排泄し次のタービン翼をサンプル駆動装置に供給して次々に自動検査を行う。
Moreover, as shown in FIG. 8, the turbine blade automatic inspection device can be configured by combining the fluorescence spectroscopy internal
The
さらに、回転する動翼の間隔と同期する間隔で励起レーザを点滅させて、CCDカメラで観測することにより、回転中の動翼について同じ部位における遮熱コーティングの平均的な剥離状態を観察することができる。 In addition, blinking the excitation laser at an interval synchronized with the interval between the rotating blades and observing it with a CCD camera to observe the average peel-off state of the thermal barrier coating at the same site for the rotating blades Can do.
また、本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置は、ボアスコープなどの外観損傷検査装置を備える上に、さらにセラミック遮熱層の厚さを測定できる渦電流式膜厚測定器、金属接合層の厚さを測定できる交流インピーダンス計などを備えて、複合機能化することによって、より高度な損傷評価を実現する装置を構成することができる。
ボアスコープで行うTBCの外観検査により、TBCの剥離や金属粉などの衝突痕などを発見することができ、蛍光分光式内部応力検査装置の蛍光検出によりTBC内部の状態を推定することができる。しかし、これだけではTBC膜厚が薄いときにTGO応力が小さく評価されてTBCの健全性を正当に評価することが難しい。
これに対して、TBCの膜厚や金属接合層の厚さを同時に測定した結果を加味することにより、TBCの健全性や余寿命を高い信頼性を持って評価することが可能になる。
In addition, the fluorescence spectroscopic internal stress inspection apparatus according to the present embodiment is provided with an appearance damage inspection apparatus such as a borescope, and further, an eddy current type film thickness measuring device capable of measuring the thickness of the ceramic thermal barrier layer, a metal bonding layer By providing an AC impedance meter or the like that can measure the thickness of the film and making it a multiple function, it is possible to configure a device that realizes more advanced damage evaluation.
TBC peeling or collision marks such as metal powder can be found by TBC appearance inspection performed in the borescope, and the internal state of the TBC can be estimated by fluorescence detection of a fluorescence spectroscopic internal stress inspection apparatus. However, with this alone, when the TBC film thickness is thin, the TGO stress is evaluated to be small, and it is difficult to properly evaluate the soundness of the TBC.
On the other hand, by taking into account the results of simultaneously measuring the thickness of the TBC and the thickness of the metal bonding layer, it is possible to evaluate the soundness and remaining life of the TBC with high reliability.
なお、セラミック遮熱層の焼結と共に気孔率が変化するが、気孔率が異なればTGOで発生する蛍光の透過率が変化するので、蛍光のスペクトルから輝度の変化を観察することにより、セラミック遮熱層の焼結性を評価することができる。
また、遮熱コーティングの履歴した温度水準も同様に蛍光スペクトルのピーク輝度に影響を与えるので、本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置を用いたフォトルミネッセンス法により暴露温度履歴を推定することができる。
このように、本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置を利用することにより、多様な内部損傷検査が可能になる。
The porosity changes with the sintering of the ceramic thermal barrier layer. However, if the porosity is different, the transmittance of the fluorescence generated by TGO changes. Therefore, by observing the change in luminance from the fluorescence spectrum, the ceramic barrier is observed. The sinterability of the heat layer can be evaluated.
Moreover, since the temperature level at which the thermal barrier coating has a history similarly affects the peak luminance of the fluorescence spectrum, it is possible to estimate the exposure temperature history by the photoluminescence method using the fluorescence spectroscopy internal stress inspection apparatus of this embodiment. it can.
As described above, various internal damage inspections can be performed by using the fluorescence spectroscopic internal stress inspection apparatus according to the present embodiment.
本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置は、主として、航空エンジンや産業用ガスタービンなどの高温燃焼用機器、特にタービン部分の動翼、静翼や燃焼器ライナーに施された遮熱コーティング(TBC)の健全性を検査することを目的とする。
本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置を用いることにより、従来のフォトルミネッセンス法によるよりも広範囲の測定が可能で検査の効率が向上し、また、現行ガスタービンを開放することなく能率よく健全性評価が可能である。
The fluorescence spectroscopic internal stress inspection apparatus of the present embodiment is mainly composed of a high-temperature combustion device such as an aero engine or an industrial gas turbine, in particular, a thermal barrier coating applied to a moving blade, a stationary blade or a combustor liner of the turbine portion. The purpose is to check the soundness of TBC).
By using the fluorescence spectroscopic internal stress inspection apparatus of this embodiment, a wider range of measurement is possible than with the conventional photoluminescence method, the inspection efficiency is improved, and the current gas turbine is not opened efficiently and efficiently. Sex assessment is possible.
11 ボアスコープチューブ
12 光ファイバ
13 励起光線
14 蛍光
21 蛍光励起用レーザ発生装置
22 光ファイバ
23 光路切替ミラー
24 半透過反射板
25 第2光路切替ミラー
31 二次元CCDカメラ
32 チューナブルフィルター
33 カメラ制御器
34 フィルタ制御器
41 演算装置
51 アイピース
52 ハロゲンランプ
60 航空エンジン
61 動翼
62 カバー
63 観察孔
70 蛍光分光式内部応力検査装置
71 サンプル駆動装置
72 自動搬送装置
73 タービン翼
DESCRIPTION OF
Claims (9)
The fluorescence spectroscopic internal stress inspection apparatus according to any one of claims 1 to 8, further comprising an eddy current film thickness meter or an AC impedance film thickness meter.
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