JP2011027602A - Creation method of temperature estimation expression of coating component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はコーティング部品の温度推定式の作成方法に関し、例えば耐食乃至遮熱コーティングが施されたガスタービン、ジェットエンジン、ボイラ等の高温コーティング部品の温度推定に適用して有用なものである。 The present invention relates to a method for creating a temperature estimation formula for a coating component, and is useful when applied to temperature estimation of a high temperature coating component such as a gas turbine, a jet engine, a boiler or the like that has been subjected to a corrosion resistant or thermal barrier coating.
発電用ガスタービン等、高温部品の寿命評価においては、部品の温度分布を把握することが重要である。しかしながら、かかる高温環境において温度分布を把握するための温度の実測は困難である。そこで、温度推定技術の確立が重要な課題となる。 In the life evaluation of high-temperature parts such as gas turbines for power generation, it is important to grasp the temperature distribution of the parts. However, it is difficult to actually measure the temperature for grasping the temperature distribution in such a high temperature environment. Therefore, establishment of temperature estimation technology becomes an important issue.
一方、高温部品には、一般に基材を保護するための耐食コーティングや遮熱コーティング（ＴＢＣ）が施されている。そこで、高温部品に施されたコーティングの組織変化の状態を観察することによる温度推定方法が提案されている。これは、耐食コーティングにおける界面拡散層厚さ、ＴＢＣにおける外面Ａｌ低下層厚さあるいは界面酸化物層（ＴＧＯ）厚さの成長挙動を予め把握して温度推定式を導出し、これにより高温部品の温度を推定するものである。ここで、界面拡散層とは、基材とコーティングとの界面に両者の化学的組成が異なることに起因して相互拡散により成長する層である。外面Ａｌ低下層とは、ボンドコートの外面の酸化に伴いボンドコート中にＡｌが拡散することにより形成される層である。界面酸化層とは、ボンドコートの外面が酸化して成長した層である。 On the other hand, high-temperature parts are generally provided with a corrosion-resistant coating or a thermal barrier coating (TBC) for protecting the substrate. Therefore, a temperature estimation method has been proposed by observing the state of the structure change of the coating applied to the high-temperature part. This is based on the understanding of the growth behavior of the interfacial diffusion layer thickness in the anticorrosion coating, the outer Al reduced layer thickness or the interfacial oxide layer (TGO) thickness in the TBC, and derives the temperature estimation formula. Estimate temperature. Here, the interfacial diffusion layer is a layer that grows by interdiffusion due to the difference in chemical composition between the base material and the coating. The outer surface Al-lowering layer is a layer formed by diffusing Al in the bond coat as the outer surface of the bond coat is oxidized. The interfacial oxide layer is a layer grown by oxidizing the outer surface of the bond coat.
このため、従来技術においては、実機を模擬してコーティングを施した試験片（相当試験片）を作製し、この試験片を用いて所定温度で所定時間の加熱試験を行い、耐食コーティングにおける界面拡散層厚さ、ＴＢＣにおける外面Ａｌ低下層厚さあるいはＴＧＯ厚さを検出し、これらの厚さに基づき温度推定式を作成していた。こうして得た温度推定式に、対象となる実機のコーティング部品から得る所定のデータを代入してその温度を推定している（非特許文献１及び非特許文献２参照）。 For this reason, in the prior art, a test piece (corresponding test piece) that has been coated by simulating an actual machine is prepared, and a heating test is carried out at a predetermined temperature for a predetermined time using this test piece, whereby interfacial diffusion in the corrosion-resistant coating The layer thickness, the outer Al reduced layer thickness in TBC, or the TGO thickness was detected, and a temperature estimation formula was created based on these thicknesses. The temperature is estimated by substituting predetermined data obtained from the actual coating component of the target machine into the temperature estimation formula thus obtained (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).
ところが、上述の如き温度推定方法に用いる温度推定式の作成の為には、別途相当試験片を作製する必要があるため、次のような問題がある。
１）相当試験片を別途作製するため、その分のコストがかかる。
２）実機の高温部品（例えばタービン翼）の組成が不明な場合等、相当試験片を作製することができない場合がある。ちなみに、実機から該当する高温部品を取り出して分析すればその組成は判明するが、例えばタービン翼の場合、それ自体が高価なものであるので相当試験片の作製のためだけに、該当する高温部品を実機から切り出すことは経済上好ましくない。
３）相当試験片は円柱乃至角柱の基材にコーティングを施したものであるが、実機の高温部品は、例えばタービン翼等、複雑な三次元形状の基材にコーティングを施したものであるため、相当試験片と実機の高温部品とでコーティングの材質や性状等が異なる場合があり、この場合には正確な温度推定式を作成することができず、温度推定の精度が劣る原因となる。
However, in order to create the temperature estimation formula used in the temperature estimation method as described above, it is necessary to prepare a corresponding test piece separately, and there are the following problems.
1) Since an equivalent test piece is prepared separately, the cost is increased.
2) In some cases, such as when the composition of high-temperature parts (for example, turbine blades) of an actual machine is unknown, an equivalent test piece cannot be produced. By the way, if the relevant high-temperature parts are taken out from the actual machine and analyzed, the composition can be found, but for example, in the case of a turbine blade, it is expensive itself, so that the relevant high-temperature parts are only for the production of the corresponding test piece. It is economically unpreferable to cut out from the actual machine.
3) The equivalent test piece is a cylindrical or prismatic base material coated, but the high-temperature part of the actual machine is a base material with a complicated three-dimensional shape such as a turbine blade. The material and properties of the coating may differ between the corresponding test piece and the high-temperature part of the actual machine. In this case, an accurate temperature estimation formula cannot be created, which causes inferior accuracy of temperature estimation.
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、耐食コーティングや遮熱コーティングが施されている高温部品のコーティングの組織変化の状態に基づき、低コストで、簡易且つ高精度にコーティング部品の温度を推定するための温度推定式の作成方法を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems of the prior art, the present invention can easily and accurately control the temperature of a coating component at low cost based on the state of structural change in the coating of a high-temperature component coated with a corrosion-resistant coating or a thermal barrier coating. An object of the present invention is to provide a method for creating a temperature estimation formula for estimation.
上記目的を達成する本発明の第１の態様は、実機における使用済み部品のコーティングのうち組織変化が認められない部位である供試部位を特定するとともに、前記供試部位から試験片を作製し、さらに前記試験片を加熱手段で所定時間、所定温度で加熱し、その後前記試験片のコーティングの組織が変化した部位の厚さを検出するとともに、前記厚さに基づき、温度を推定するコーティング部品のコーティングの組織が変化した部位の厚さと前記コーティング部品を有する実機の運転時間とを未知数とする前記コーティング部品の温度を推定するための温度推定式を作成することを特徴とするコーティング部品の温度推定式の作成方法にある。 The first aspect of the present invention that achieves the above object is to specify a test site that is a site where no tissue change is observed in the coating of used parts in an actual machine, and prepare a test piece from the test site. Furthermore, the test piece is heated at a predetermined temperature for a predetermined time by a heating means, and then the thickness of the part where the coating structure of the test piece is changed is detected, and the temperature is estimated based on the thickness The temperature of the coating component is characterized by creating a temperature estimation formula for estimating the temperature of the coating component with unknown thicknesses of the portion where the coating structure of the coating has changed and the operation time of the actual machine having the coating component There is an estimation formula creation method.
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載するコーティング部品の温度推定式の作成方法において、前記コーティングの組織変化が認められない部位は、コーティングの界面拡散層が認められない部位とし、前記コーティングの組織が変化した部位の厚さとして、コーティングにおける界面拡散層の厚さを用いることを特徴とするコーティング部品の温度推定式の作成方法にある。 According to a second aspect of the present invention, in the method for creating a temperature estimation formula for a coating component described in the first aspect, a site where no change in the texture of the coating is observed is a site where no interfacial diffusion layer of the coating is observed. In the method for creating a temperature estimation formula for a coating component, the thickness of the interfacial diffusion layer in the coating is used as the thickness of the portion where the structure of the coating has changed.
本発明の第３の態様は、第１の態様に記載するコーティング部品の温度推定式の作成方法において、前記コーティングの組織変化が認められない部位は、遮熱コーティングの外面Ａｌ低下層が認められない部位とし、前記コーティングの組織が変化した部位の厚さとして、遮熱コーティングにおける外面Ａｌ低下層厚さを用いることを特徴とするコーティング部品の温度推定式の作成方法にある。 According to a third aspect of the present invention, in the method for creating a temperature estimation formula for a coating component described in the first aspect, the outer surface Al-reduced layer of the thermal barrier coating is recognized at a site where no structural change of the coating is observed. There is a method for creating a temperature estimation formula for a coating component, characterized in that the thickness of the outer surface Al lowered layer in the thermal barrier coating is used as the thickness of the portion where the coating structure is changed.
本発明の第４の態様は、第１の態様に記載するコーティング部品の温度推定式の作成方法において、前記コーティングの組織変化が認められない部位は、遮熱コーティングの界面酸化物層が認められない部位とし、前記コーティングの組織が変化した部位の厚さとして、遮熱コーティングにおける界面酸化物層厚さを用いることを特徴とするコーティング部品の温度推定式の作成方法にある。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for creating a temperature estimation formula for a coating component described in the first aspect, an interfacial oxide layer of a thermal barrier coating is recognized at a site where no structural change of the coating is observed. There is a method for creating a temperature estimation formula for a coating part, characterized in that the thickness of the interface oxide layer in the thermal barrier coating is used as the thickness of the portion where the coating structure is changed.
本発明によれば、実機における使用済みコーティング部品を用いて所定の温度推定式を作成しているので、別途相当試験片を作製する場合に比べ、安価に所定の試験片を得ることができ、所定の温度推定式を作成するためのコストを全体として低減することができる。これは、例えば交換する使用済みのコーティング部品にもコーティングの組織変化を生起していない部位が存在することに着目し、この変化がない部位を利用して試験片を作製したからである。ちなみに、タービンの場合、例えば年一回の定期診断の際に使用済みのブレード翼等は、取り外し、場合によっては廃棄していた。したがって、この場合には廃棄部品の有効利用を図ることもできる。 According to the present invention, since a predetermined temperature estimation formula is created using a used coating component in an actual machine, a predetermined test piece can be obtained at a lower cost than when a corresponding test piece is separately prepared, The cost for creating the predetermined temperature estimation formula can be reduced as a whole. This is because, for example, attention is paid to the fact that there is a site where the coating structure change does not occur in the used coating part to be replaced, and the test piece is produced using the site where this change does not occur. Incidentally, in the case of a turbine, for example, blade blades that have been used at the time of a regular diagnosis once a year have been removed and possibly discarded. Therefore, in this case, the waste parts can be effectively used.
また、実機のコーティング部品の組成等に関するデータがない場合でも容易且つ経済的に所定の温度推定式を作成することができる。ちなみに、実機から新品の該当部品（例えばタービン翼）を切り出せば良いが、温度推定式を作成するためだけにこれを切り出すのは不経済な場合がある。 In addition, even when there is no data on the composition of the actual coating parts, a predetermined temperature estimation formula can be created easily and economically. Incidentally, although it is only necessary to cut out a new relevant part (for example, a turbine blade) from an actual machine, it may be uneconomical to cut out only to create a temperature estimation formula.
さらに、別途相当試験片を作製した場合には実機と異なる場合があるが、本発明によれば実際に実機で使用したコーティング部品から作製した試験片を用いているので、実態を正確に反映した高精度の温度推定式を作成することができる。 Furthermore, when a corresponding test piece is separately prepared, it may be different from the actual machine, but according to the present invention, since the test piece produced from the coating part actually used in the actual machine is used, the actual situation is accurately reflected. A highly accurate temperature estimation formula can be created.
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。以下に説明する各実施の形態は耐食コーティング乃至遮熱コーティングを施したタービン翼を対象として温度推定式を作成する場合であるが、勿論これに限定されるものではない。高温環境に晒されるコーティング部品であれば制限なく対象とすることができる。例えばガスタービンの燃焼器、ジェットエンジン乃至ボイラ等における高温コーティング部品も対象とすることができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each embodiment described below is a case where a temperature estimation formula is created for a turbine blade that has been subjected to a corrosion-resistant coating or a thermal barrier coating. However, the present invention is not limited to this. Any coating component that is exposed to a high temperature environment can be used without limitation. For example, high temperature coating components in a gas turbine combustor, a jet engine, a boiler, and the like can also be targeted.
＜第１の実施の形態＞
図１はガスタービンのタービン動翼の一枚を抽出して示す正面図である。同図の下側がタービン動翼１の根元部、反対側が先端部、右側が前縁、左側が後縁である。燃焼ガスは前縁側から後縁側に流れる。本形態におけるタービン動翼１はその基材が、例えばＮｉベース，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｔｉの合金から成り、この基材にＣｏＮｉＣｒＡｌＹのコーティングが施してある。かかるタービン動翼１は，例えば燃焼ガス温度１３００℃で、約２８０００時間運転したものである。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a front view showing an extracted turbine blade of a gas turbine. The lower side of the figure is the root of the turbine blade 1, the opposite side is the tip, the right side is the front edge, and the left side is the rear edge. Combustion gas flows from the leading edge side to the trailing edge side. The base of the turbine rotor blade 1 in this embodiment is made of an alloy of, for example, Ni base, Cr, Co, W, Al, and Ti, and this base is coated with CoNiCrAlY. The turbine rotor blade 1 is operated for about 28000 hours at a combustion gas temperature of 1300 ° C., for example.
図２は光学顕微鏡によって得られたタービン動翼１の各部における耐食コーティングの微視組織の様相を示す図である。図２（ａ）は耐食コーティングと基材との界面に界面拡散層が形成されている場合である。このような界面拡散層は実機相当の耐食コーティングを施した従来技術における相当試験片を用いた高温加熱試験後に観察されることが確認されている。 FIG. 2 is a view showing the appearance of the microstructure of the anticorrosion coating in each part of the turbine rotor blade 1 obtained by an optical microscope. FIG. 2A shows a case where an interface diffusion layer is formed at the interface between the corrosion resistant coating and the substrate. It has been confirmed that such an interfacial diffusion layer is observed after a high-temperature heating test using a corresponding test piece in the prior art to which a corrosion resistant coating equivalent to an actual machine is applied.
一方、図２（ｂ）は界面拡散層が観察されない組織である。この場合、実機で使用されたタービン動翼１であっても界面拡散層が観察されていない。このことは、使用済みのタービン動翼１であっても耐食コーティングの初期状態が維持された部位が存在することを示している。ちなみに、図２（ｂ）に示すように、界面拡散層が観察されない部位は、その近傍における温度が比較的低いため、界面拡散層が未成長であると考えられる。そこで、本形態では、耐熱コーティングが施され界面拡散層が観察されない部位から切り出した試験片を用いて所定の温度推定式を作成する。 On the other hand, FIG. 2B shows a structure in which no interface diffusion layer is observed. In this case, the interface diffusion layer is not observed even in the turbine rotor blade 1 used in the actual machine. This indicates that there is a portion where the initial state of the anticorrosion coating is maintained even in the used turbine blade 1. Incidentally, as shown in FIG. 2B, it is considered that the portion where the interface diffusion layer is not observed has a relatively low temperature in the vicinity thereof, and therefore the interface diffusion layer is not grown. Therefore, in this embodiment, a predetermined temperature estimation formula is created using a test piece cut out from a portion where the heat-resistant coating is applied and the interface diffusion layer is not observed.
具体的には、先ずタービン動翼１における界面拡散層が未成長な部位から耐食コーティング施工面が含まれるように板状の断面を切り出して試験片を作製する。これは、温度が比較的低く界面拡散層が未成長な部位であると考えられるタービン動翼１の基端部から耐食コーティング施工面が含まれるように板状の断面を切り出すことにより好適に得ることができる。このときの切断線Ｌ１０，Ｌ２０の一例を図１に示す。 Specifically, first, a plate-shaped cross section is cut out from a portion where the interface diffusion layer in the turbine rotor blade 1 is not grown so as to include a corrosion-resistant coating construction surface, thereby preparing a test piece. This is suitably obtained by cutting a plate-like cross section so that the corrosion-resistant coating construction surface is included from the base end portion of the turbine rotor blade 1, which is considered to be a portion where the temperature is relatively low and the interface diffusion layer is not grown. be able to. An example of the cutting lines L10 and L20 at this time is shown in FIG.
次に、上述の如く界面拡散層が成長していない部位から切り出した複数の試験片を電気炉内で所定温度で所定時間加熱する。本形態では温度条件（定常時の温度）を９００℃、９５０℃、１０００℃及び１１００℃の４種類に設定して、それぞれ最長２０００ｈまで加熱した。ここで、一定の加熱時間ごとに試験片を取り出し、コーティング施工面の中央付近で試験片を切断し、その断面を研磨して光学顕微鏡を用いて組織分析を行うことにより界面拡散層の厚さｌｂｄ（μｍ）を検出した。さらに詳言すると、光学顕微鏡によって２００倍で撮影し、その視野において１０点ずつ測定し、その平均値を各試験片の界面拡散層の厚さｌｂｄ（μｍ）と定義した。 Next, the plurality of test pieces cut out from the portion where the interface diffusion layer is not grown as described above is heated in the electric furnace at a predetermined temperature for a predetermined time. In this embodiment, the temperature conditions (temperature during steady state) were set to four types of 900 ° C., 950 ° C., 1000 ° C., and 1100 ° C., and each was heated to a maximum of 2000 h. Here, the thickness of the interfacial diffusion layer is obtained by taking out the test piece every certain heating time, cutting the test piece near the center of the coating surface, polishing the cross section, and analyzing the structure using an optical microscope. l bd (μm) was detected. More specifically, an image was taken at 200 × with an optical microscope, 10 points were measured in the field of view, and the average value was defined as the thickness l bd (μm) of the interface diffusion layer of each test piece.
図３は１０００℃での試験片における耐食コーティング／基材界面の組織変化の様相を示す図で、同図（ａ）が試験前、（ｂ）が１００ｈ加熱後、（ｃ）が１０００ｈ加熱後のそれぞれの様相である。図３を参照すれば加熱後には界面近傍に白色の層状組織が観察され、加熱時間の経過とともにその厚さが厚くなっていることが分かる。 FIG. 3 is a diagram showing the appearance of the structure of the corrosion resistant coating / substrate interface in the test piece at 1000 ° C., where FIG. 3 (a) is before the test, (b) is heated for 100h, and (c) is heated for 1000h. Each aspect of. Referring to FIG. 3, a white layered structure is observed in the vicinity of the interface after heating, and it can be seen that the thickness increases as the heating time elapses.
図４は、加熱温度をパラメータとする界面拡散層の厚さｌｂｄと加熱時間ｔとの関係を示す特性図である。同図を参照すれば界面拡散層の厚さｌｂｄ（μｍ）は加熱時間ｔ（ｈ）の平方根に比例して上昇していることが分る。したがって、界面拡散層の厚さｌｂｄ（μｍ）と加熱時間ｔ（ｈ）との関係は，次式（１）で表すことができる。 FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness l bd of the interface diffusion layer and the heating time t using the heating temperature as a parameter. Referring to the figure, it can be seen that the thickness l bd (μm) of the interface diffusion layer increases in proportion to the square root of the heating time t (h). Therefore, the relationship between the thickness l bd (μm) of the interface diffusion layer and the heating time t (h) can be expressed by the following equation (1).
図４に示す各特性の傾きを与える成長速度定数ｋｂｄの対数と温度Ｔの逆数との関係は図５のようになる。図５の特性は、成長速度定数ｋｂｄがアレニウスの関係に従うことを示している。すなわち、成長速度定数ｋｂｄは式（２）で表わすことができる。 The relationship between the logarithm of the growth rate constant k bd giving the slope of each characteristic shown in FIG. 4 and the inverse of the temperature T is as shown in FIG. The characteristics of FIG. 5 indicate that the growth rate constant k bd follows the Arrhenius relationship. That is, the growth rate constant k bd can be expressed by equation (2).
次に、式（１）、（２）を温度Ｔについて書き直すと式（３）を得る。 Next, when the equations (1) and (2) are rewritten for the temperature T, the equation (3) is obtained.
したがって、実機のタービン動翼の界面拡散層の厚さｌｂｄを測定し、当該実機の運転時間とともに、上式（３）に代入すれば所定の温度を推定することができる。ここで、実機の運転時間は、通常運転記録に記録されているのでこれを用いれば良い。 Therefore, it is possible to measure the thickness l bd of actual turbine blades in the interface diffusion layer, together with the actual running time, estimates the predetermined temperature by substituting the above equation (3). Here, since the operation time of the actual machine is recorded in the normal operation record, it may be used.
＜第２の実施の形態＞
本形態は、遮熱コーティング（ＴＢＣ）を施したガスタービン動翼の温度推定式の作成方法である。本形態におけるタービン動翼はその基材が、例えばＮｉベース，Ｃｒ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｗの合金から成り、この基材にボンドコートとしてＣｏＮｉＣｒＡｌＹのコーティング、トップコートとしてＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３が施してある。かかるタービン動翼は，例えば燃焼ガス温度１３００度で、約１２０００時間運転したものである。
<Second Embodiment>
This embodiment is a method for creating a temperature estimation formula for a gas turbine rotor blade provided with a thermal barrier coating (TBC). The base material of the turbine rotor blade in this embodiment is made of, for example, an alloy of Ni base, Cr, Co, Al, Ti, and W. The base material is coated with CoNiCrAlY as a bond coat, and ZrO 2 or Y 2 O as a top coat. 3 is given. Such a turbine rotor blade is operated for about 12000 hours at a combustion gas temperature of 1300 degrees, for example.
図６はＳＥＭによって得られたＴＢＣ施工タービン動翼の各部におけるボンドコートの微視組織の様相を示す図である。同図（ａ）に示すように当該ボンドコートは２相組織から成り立っている。当該タービン動翼では、その多くの部位で、ボンドコート全体が、図６（ａ）に示すような２相組織を呈していた。一方、図６（ｂ）に示すように、一部の部位では、ボンドコート外面近傍において白色の層状組織が観察された。これは、ボンドコートの外面が酸化して界面酸化層（ＴＧＯ）が成長し、それに伴いボンドコート中のＡｌが拡散するために形成される外面Ａｌ低下層である。 FIG. 6 is a view showing a microscopic structure of a bond coat in each part of a TBC construction turbine blade obtained by SEM. As shown in FIG. 2A, the bond coat is composed of a two-phase structure. In the turbine rotor blade, the entire bond coat exhibited a two-phase structure as shown in FIG. On the other hand, as shown in FIG. 6B, a white layered structure was observed in the vicinity of the outer surface of the bond coat at some sites. This is an outer surface Al lowered layer formed because the outer surface of the bond coat is oxidized and an interfacial oxide layer (TGO) grows, and Al in the bond coat diffuses accordingly.
図６（ａ）に示すようなボンドコート組織の部位では、温度が比較的低いと考えられ、ボンドコートの外面がほとんど酸化しなかったため、外面Ａｌ低下層が形成しなかったと考えられる。このことは、使用済みのタービン動翼であっても遮熱コーティングの初期状態が維持された部位が存在することを示している。 そこで、本形態では、遮熱コーティングが施され外面Ａｌ低下層が観察されない部位から切り出した試験片を用いて所定の温度推定式を作成する。 At the site of the bond coat structure as shown in FIG. 6 (a), the temperature is considered to be relatively low, and the outer surface of the bond coat was hardly oxidized. This indicates that there is a portion where the initial state of the thermal barrier coating is maintained even with the used turbine blade. Therefore, in this embodiment, a predetermined temperature estimation formula is created using a test piece cut out from a portion where the thermal barrier coating is applied and the outer Al reduced layer is not observed.
具体的には、第１の実施の形態と同様に、先ずタービン動翼における外面Ａｌ低下層が未成長な部位から遮熱コーティング施工面が含まれるように板状の断面を切り出して試験片を作製する。 Specifically, as in the first embodiment, first, a plate-shaped cross section is cut out from a portion where the outer surface Al reduced layer in the turbine rotor blade is not grown, so that the test piece is cut out. Make it.
次に、上述の如く外面Ａｌ低下層が成長していない部位から切り出した複数の試験片を電気炉内で所定温度で所定時間加熱する。本形態では温度条件（定常時の温度）を９００℃、９５０℃、１０００℃及び１０５０℃の４種類に設定して、それぞれ最長３０００ｈまで加熱した。ここで、一定の加熱時間ごとに試験片を取り出し、コーティング施工面の中央付近で試験片を切断し、その断面を研磨して光学顕微鏡を用いて組織分析を行うことにより外面Ａｌ低下層の厚さｌＡｌ（μｍ）を検出した。さらに詳言すると、光学顕微鏡によって２００倍で撮影し、その視野において１０点ずつ測定し、その平均値を各試験片の外面Ａｌ低下層の厚さｌＡｌ（μｍ）と定義した。 Next, as described above, the plurality of test pieces cut out from the portion where the outer surface Al lowered layer is not grown is heated in the electric furnace at a predetermined temperature for a predetermined time. In this embodiment, the temperature conditions (temperature at steady state) were set to four types of 900 ° C., 950 ° C., 1000 ° C., and 1050 ° C., and each was heated to a maximum of 3000 hours. Here, the thickness of the outer surface Al-decreasing layer is removed by taking out the test piece every certain heating time, cutting the test piece in the vicinity of the center of the coating surface, polishing the cross section and conducting the structure analysis using an optical microscope. 1 Al (μm) was detected. More specifically, an image was taken at 200 × with an optical microscope, 10 points were measured in the field of view, and the average value was defined as the thickness l Al (μm) of the outer Al reduced layer of each test piece.
図７は１０００℃での試験片におけるトップコート／ボンドコート界面近傍の組織変化の様相を示す図で、同図（ａ）が試験前、（ｂ）が１００ｈ加熱後のそれぞれの様相である。図７を参照すれば所定時間の加熱後にはボンドコート外面に外面Ａｌ低下層が成長していることが観察される。図７に、図示はしないが、外面Ａｌ低下層は加熱時間の経過とともにその厚さが増大する。 FIGS. 7A and 7B are diagrams showing the structural changes in the vicinity of the top coat / bond coat interface in the test piece at 1000 ° C., where FIG. 7A shows the state before the test and FIG. 7B shows the state after the heating for 100 hours. Referring to FIG. 7, it is observed that an outer Al reduced layer has grown on the outer surface of the bond coat after heating for a predetermined time. Although not shown in FIG. 7, the thickness of the outer Al reduced layer increases as the heating time elapses.
図８は、加熱温度をパラメータとする外面Ａｌ低下層の厚さｌＡｌと加熱時間ｔとの関係を示す特性図である。同図を参照すれば外面Ａｌ低下層の厚さｌＡｌ（μｍ）は加熱時間ｔ（ｈ）の平方根に比例して上昇していることが分る。したがって、外面Ａｌ低下層の厚さｌＡｌ（μｍ）と加熱時間ｔ（ｈ）との関係は，次式（４）で表すことができる。 Figure 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness l Al and heating time t of the outer surface Al reduction layer to the heating temperature as a parameter. Referring to the figure, it can be seen that the thickness l Al (μm) of the outer Al lowered layer increases in proportion to the square root of the heating time t (h). Accordingly, the relationship between the thickness l Al (μm) of the outer Al reduced layer and the heating time t (h) can be expressed by the following equation (4).
図８に示す各特性の傾きを与える成長速度定数ｋＡｌの対数と温度Ｔの逆数との関係は図９のようになる。図９の特性は、成長速度定数ｋＡｌがアレニウスの関係に従うことを示している。すなわち、成長速度定数ｋＡｌは式（５）で表わすことができる。 The relationship between the logarithm of the growth rate constant k Al giving the inclination of each characteristic shown in FIG. 8 and the reciprocal of the temperature T is as shown in FIG. The characteristic of FIG. 9 shows that the growth rate constant k Al follows the Arrhenius relationship. That is, the growth rate constant k Al can be expressed by equation (5).
次に、式（４）、（５）を温度Ｔについて書き直すと式（６）を得る。 Next, when the equations (4) and (5) are rewritten with respect to the temperature T, the equation (6) is obtained.
したがって、実機のタービン動翼の外面Ａｌ低下層の厚さｌＡｌを測定し、当該実機の運転時間とともに、上式（６）に代入すれば所定の温度を推定することができる。ここで、実機の運転時間は、通常運転記録に記録されているのでこれを用いれば良い。 Therefore, the predetermined temperature can be estimated by measuring the thickness l Al of the outer Al reduced layer of the turbine blade of the actual machine and substituting it into the above equation (6) together with the operation time of the actual machine. Here, since the operation time of the actual machine is recorded in the normal operation record, it may be used.
＜第３の実施の形態＞
本形態は、遮熱コーティング（ＴＢＣ）を施したガスタービン動翼の温度推定式の作成方法という点で第２の実施の形態と同様であるが、第２の実施の形態が外面Ａｌ低下層の厚さに基づき所定の温度推定式を作成しているのに対し、本形態は界面酸化物層（ＴＧＯ）の厚さに基づき所定の温度推定式を作成するものである。したがって、試験片の作製及びその後の加熱工程は第２の実施の形態と全く同様であり、加熱後の試験片における遮熱コーティングの組織状態の分析方法が異なる。したがって、第２の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
<Third Embodiment>
This embodiment is the same as the second embodiment in that it is a method for creating a temperature estimation formula for a gas turbine rotor blade having a thermal barrier coating (TBC), but the second embodiment is an outer Al reduced layer. In this embodiment, a predetermined temperature estimation formula is created based on the thickness of the interface oxide layer (TGO). Therefore, the preparation of the test piece and the subsequent heating step are exactly the same as in the second embodiment, and the analysis method of the structure of the thermal barrier coating in the test piece after heating is different. Therefore, the description will focus on the differences from the second embodiment.
図７（ｂ）に示すように、１０００℃で１００ｈ加熱した試験片におけるトップコート／ボンドコート界面にはＴＧＯ（図中の黒色部分）が成長しており、ＴＧＯの下に外面Ａｌ低下層が成長している。本形態では、ＴＧＯの厚さを検出することで所定の温度推定式を作成する。そこで、所定温度による所定時間の加熱後の試験片の組織分析をＳＥＭを用いて行うことによりＴＧＯの厚さΔｌＴＧＯ（μｍ）を検出した。なお、ここで、ΔｌＴＧＯ（μｍ）は初期値からの変化量である。すなわち、遮熱コーティングはその安定化のため、コーティング施工後熱処理を行うが、この熱処理に伴い薄い酸化膜（１μｍ程度）ができる。かかる酸化膜の影響を除去するため、これを初期値として見込んで実測値から引いた厚さΔｌＴＧＯ（μｍ）を用いている。 As shown in FIG. 7B, TGO (black portion in the figure) grows at the topcoat / bondcoat interface in the test piece heated at 1000 ° C. for 100 h, and an outer Al reduced layer is formed under the TGO. Growing. In this embodiment, a predetermined temperature estimation formula is created by detecting the thickness of the TGO. Therefore, the TGO thickness Δl TGO (μm) was detected by analyzing the structure of the test piece after heating at a predetermined temperature for a predetermined time using an SEM. Here, Δl TGO (μm) is the amount of change from the initial value. That is, in order to stabilize the thermal barrier coating, a heat treatment is performed after the coating is applied, and a thin oxide film (about 1 μm) can be formed by this heat treatment. In order to eliminate the influence of such an oxide film, the thickness Δl TGO (μm) subtracted from the actual measurement value is used as an initial value.
さらに詳言すると、ＴＧＯの実測厚さはＳＥＭによって１０００倍で各試験片を２視野撮影し、各視野において１０点ずつ２０点測定し、その平均値を各試験片のＴＧＯの実測厚さｌＴＧＯ（μｍ）と定義し、このＴＧＯの実測厚さｌＴＧＯから所定の初期値を引いたΔｌＴＧＯ（μｍ）をＴＧＯの厚さとして用いている。 More specifically, the measured thickness of TGO is 1000 times by SEM, each specimen is photographed in two fields of view, 20 points are measured at 10 points in each field of view, and the average value is the measured thickness of TGO of each specimen. defined as TGO ([mu] m), it is used .DELTA.l TGO minus a predetermined initial value from the measured thickness l TGO this TGO the ([mu] m) the thickness of TGO.
図１０は、加熱温度をパラメータとするＴＧＯの厚さΔｌＴＧＯと加熱時間ｔとの関係を示す特性図である。同図を参照すればＴＧＯの厚さΔｌＴＧＯ（μｍ）は加熱時間ｔ（ｈ）の平方根に比例して上昇していることが分る。したがって、ＴＧＯの厚さΔｌＴＧＯ（μｍ）と加熱時間ｔ（ｈ）との関係は，次式（７）で表すことができる。 FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the TGO thickness Δl TGO and the heating time t with the heating temperature as a parameter. Referring to the figure, it can be seen that the TGO thickness Δl TGO (μm) increases in proportion to the square root of the heating time t (h). Therefore, the relationship between the TGO thickness Δl TGO (μm) and the heating time t (h) can be expressed by the following equation (7).
図１０に示す各特性の傾きを与える成長速度定数ｋＴＧＯの対数と温度Ｔの逆数との関係は図１１のようになる。図１１の特性は、成長速度定数ｋＴＧＯがアレニウスの関係に従うことを示している。すなわち、成長速度定数ｋＴＧＯは式（８）で表わすことができる。 The relationship between the logarithm of the growth rate constant k TGO giving the slope of each characteristic shown in FIG. 10 and the reciprocal of the temperature T is as shown in FIG. The characteristics shown in FIG. 11 indicate that the growth rate constant k TGO follows the Arrhenius relationship. That is, the growth rate constant k TGO can be expressed by equation (8).
次に、式（７）、（８）を温度Ｔについて書き直すと式（９）を得る。 Next, when the equations (7) and (8) are rewritten for the temperature T, the equation (9) is obtained.
したがって、実機のタービン動翼のＴＧＯの厚さｌＴＧＯを測定し、当該実機の運転時間とともに、上式（９）に代入すれば所定の温度を推定することができる。ここで、実機の運転時間は、通常運転記録に記録されているのでこれを用いれば良い。 Therefore, the predetermined temperature can be estimated by measuring the TGO thickness l TGO of the turbine blade of the actual machine and substituting it into the above equation (9) together with the operation time of the actual machine. Here, since the operation time of the actual machine is recorded in the normal operation record, it may be used.
以上第１乃至第３の実施の形態とともに説明した本発明によれば、コーティング部品の材料組織を分析し、比較的温度が低く、界面拡散層、外面Ａｌ低下層及びＴＧＯの成長等のコーティング組織の変化が認められない部位が存在することを確認し、これらの部位から切り出した試験片を用いて高温加熱試験を行うことにより以下の結果を得た。
（1）耐食コーティング
加熱後の実機試験片には界面拡散層が形成され、相当試験片と同様に、その厚さは加熱時間の平方根に比例して成長した。このことから、実機試験片を用いて界面拡散層の厚さの成長に基づく温度推定式を導き出すことができる。
（２）遮熱コーティング
加熱の実機試験片には外面Ａｌ低下層およびＴＧＯが成長していた。そして、その厚さは相当試験片と同様に、実機験片における外面Ａｌ低下層及びＴＧＯの厚さは加熱時間の平方根に比例して成長した。このことから、実機試験片を用いて外面Ａｌ低下層の厚さ乃至ＴＧＯの厚さの成長に基づく温度推定式を導出できる。
According to the present invention described together with the first to third embodiments, the material structure of the coating component is analyzed, and the coating structure such as the growth of the interface diffusion layer, the outer Al reduced layer, and the TGO is relatively low in temperature. The following results were obtained by confirming the existence of sites where no change was observed, and conducting a high-temperature heating test using test pieces cut out from these sites.
(1) Corrosion resistant coating
An interface diffusion layer was formed on the actual test piece after heating, and its thickness grew in proportion to the square root of the heating time, as in the case of the corresponding test piece. From this, the temperature estimation formula based on the growth of the thickness of the interface diffusion layer can be derived using the actual test piece.
(2) Thermal barrier coating
An outer Al reduced layer and TGO were grown on the actual test piece of heating. The thickness of the outer surface Al-lowering layer and the TGO in the actual test piece grew in proportion to the square root of the heating time in the same manner as the corresponding test piece. From this, it is possible to derive a temperature estimation formula based on the growth of the thickness of the outer Al reduced layer or the thickness of TGO using an actual test piece.
なお、第２及び第３の実施の形態に係る遮熱コーティングの組織状態を利用する温度推定式の作成方法では、外面Ａｌ低下層乃至ＴＧＯの厚さを利用したが、これらに限るものではない。第１の実施の形態と同様に、遮熱コーティングの界面拡散層の厚さを利用しても同様の手順で温度推定式を作成することができる。 In addition, in the preparation method of the temperature estimation formula using the structural state of the thermal barrier coating according to the second and third embodiments, the thickness of the outer Al reduced layer or TGO is used, but is not limited thereto. . Similar to the first embodiment, the temperature estimation formula can be created in the same procedure even if the thickness of the interface diffusion layer of the thermal barrier coating is used.
本発明はガスタービン等、高温環境で運転する機器の製造や保守を行う産業分野で有効に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be effectively used in an industrial field where manufacturing and maintenance of equipment operating in a high temperature environment such as a gas turbine is performed.
１ タービン動翼
Ｌ１０，Ｌ２０ 切断線
1 Turbine blade L10, L20 Cutting line
Claims (4)
さらに前記試験片を加熱手段で所定時間、所定温度で加熱し、その後前記試験片のコーティングの組織が変化した部位の厚さを検出するとともに、前記厚さに基づき、温度を推定するコーティング部品のコーティングの組織が変化した部位の厚さと前記コーティング部品を有する実機の運転時間とを未知数とする前記コーティング部品の温度を推定するための温度推定式を作成することを特徴とするコーティング部品の温度推定式の作成方法。 In addition to identifying the test site that is the site where the tissue change is not recognized in the coating of used parts in the actual machine, create a test piece from the test site,
Further, the test piece is heated by a heating means for a predetermined time at a predetermined temperature, and then the thickness of the part where the coating structure of the test piece is changed is detected, and the temperature of the coating component is estimated based on the thickness. Estimating the temperature of the coating component by creating a temperature estimation formula for estimating the temperature of the coating component with the unknown thickness of the part where the coating structure has changed and the operation time of the actual machine having the coating component How to create an expression.
前記コーティングの組織変化が認められない部位は、コーティングの界面拡散層が認められない部位とし、
前記コーティングの組織が変化した部位の厚さとして、コーティングにおける界面拡散層の厚さを用いることを特徴とするコーティング部品の温度推定式の作成方法。 In the preparation method of the temperature estimation formula of the coating component according to claim 1,
The site where the change in the texture of the coating is not recognized is a site where the interface diffusion layer of the coating is not recognized,
A method for creating a temperature estimation formula for a coating component, wherein the thickness of the interface diffusion layer in the coating is used as the thickness of the portion where the texture of the coating has changed.
前記コーティングの組織変化が認められない部位は、遮熱コーティングの外面Ａｌ低下層が認められない部位とし、
前記コーティングの組織が変化した部位の厚さとして、遮熱コーティングにおける外面Ａｌ低下層厚さを用いることを特徴とするコーティング部品の温度推定式の作成方法。 In the preparation method of the temperature estimation formula of the coating component according to claim 1,
The part where the structural change of the coating is not recognized is a part where the outer surface Al reduced layer of the thermal barrier coating is not recognized,
A method for creating a temperature estimation formula for a coating component, wherein the thickness of the outer surface Al-reduced layer in the thermal barrier coating is used as the thickness of the portion where the texture of the coating has changed.
前記コーティングの組織変化が認められない部位は、遮熱コーティングの界面酸化物層が認められない部位とし、
前記コーティングの組織が変化した部位の厚さとして、遮熱コーティングにおける界面酸化物層厚さを用いることを特徴とするコーティング部品の温度推定式の作成方法。 In the preparation method of the temperature estimation formula of the coating component according to claim 1,
The part where the structural change of the coating is not recognized is a part where the interface oxide layer of the thermal barrier coating is not recognized,
A method for creating a temperature estimation formula for a coating component, wherein the thickness of an interface oxide layer in a thermal barrier coating is used as the thickness of the portion where the texture of the coating has changed.
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