JP2018132057A - 一体の歪みインジケータを備える部品を製作する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一体の歪みインジケータを備える部品を製作する方法を提供する。【解決手段】一体の受動型歪みインジケータを備える部品（１０）を製作する方法が、単一の均一な材料で部品（１０）を形成することを含み、部品（１０）は、外面（１４）および内部容積（１５）を備える。この方法は、部品（１０）の形成時に外面（１４）の一部分（１８）に単一の均一な材料で複数の基準マーカ（１２）を形成することを含み、外面（１４）の一部分（１８）は、部品（１０）の外面（１４）上の分析領域（１７）を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、広くには、部品の歪みを監視するための方法、および一体の受動型歪みインジケータを有する部品を製作するための方法に関する。

種々の産業用途において、装置の構成部品は、多数の極端な条件（例えば、高温、高圧、大きな応力荷重、など）に曝される。時間の経過につれて、装置の個々の部品が、部品の使用可能時間を短くしかねないクリープおよび／または変形に悩まされる可能性がある。そのような懸念は、例えば、いくつかのターボ機械に当てはまる可能性がある。

ターボ機械は、発電および航空機エンジンなどの分野で広く利用されている。例えば、従来のガスタービンシステムは、圧縮機部分、燃焼器部分、および少なくとも１つのタービン部分を含む。圧縮機部分は、作動流体（例えば、空気）が圧縮機部分を通って流れるときに、作動流体を圧縮するように構成される。圧縮機部分は、高圧の圧縮された作動流体を燃焼器へと供給し、燃焼器において、高圧の作動流体は、燃料と混合され、燃焼室において燃やされ、高温高圧の燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、高温ガス経路に沿ってタービン部分へと流れる。タービン部分は、燃焼ガスからエネルギを抽出することによって燃焼ガスを利用し、仕事を生み出す。例えば、タービン部分における燃焼ガスの膨張によってシャフトを回転させ、圧縮機、発電機、および他の種々の負荷を動かすことができる。

ターボ機械の動作の際に、ターボ機械内の種々の部品、とりわけターボ機械のタービン部分のタービンブレードなどの高温ガス経路に沿った部品が、高温および高応力に起因してクリープを被る可能性がある。タービンブレードの場合、クリープによってブレードの一部または全体が伸びることで、例えばタービンケーシングなどの不動の構造にブレードの先端が接触する可能性があり、クリープによって動作時に望ましくない振動および／または性能低下が引き起こされる可能性もある。

米国特許第９，２９２，９１６号明細書

本発明の態様および利点は、一部は以下の説明において述べられ、あるいは明細書から自明であってよく、もしくは本発明の実施を通じて習得可能である。

本開示の一実施形態によれば、一体の受動型歪みインジケータを備える部品を製作する方法が提供される。この方法は、単一の均一な材料で部品を形成することを含み、部品は、外面および内部容積を含む。この方法は、単一の均一な材料で複数の基準マーカを形成することをさらに含む。基準マーカは、部品の形成時に外面の一部分に形成される。外面の一部分は、部品の外面上の分析領域を含む。

本開示の別の実施形態によれば、一体の受動型歪みインジケータを備えるガスタービン部品が提供される。ガスタービン部品は、外面と、第１の面と、第２の面とを含む。複数の基準マーカは、外面の一部分に一体的に形成されている。外面の一部分は、第１の面または第２の面の一方にのみ配置される。

本開示の一実施形態によれば、部品を評価する方法が提供される。この方法は、部品の外面の一部分の複数の基準マーカを初期に走査することと、初期の走査に基づいて部品の固有のパターンを作成することと、固有のパターンをコンピュータメモリに記憶することと、部品を少なくとも１つのデューティサイクルに曝すことと、少なくとも１つのデューティサイクルの後で複数の基準マーカの事後走査を行うことと、初期の走査に基づく固有のパターンを事後走査と比較することで部品のクリープ歪みを測定することとを含む。

本発明のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されるであろう。添付の図面は、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成するが、本発明の実施形態を示しており、本明細書における説明と併せて本発明の原理の説明に役立つ。

本発明について、本発明の最良の態様を含む当業者に向けた充分かつ本発明を実施可能にする開示が、添付の図面を参照する本明細書に記載される。

本開示の実施形態による複数の基準マーカを含む典型的な部品の斜視図である。 本開示の実施形態による基準マーカが表面に形成された図１の部品の一部分の断面図である。 本開示の実施形態による部品の歪みを監視するためのシステムの斜視図である。 本開示の実施形態による複数の基準マーカの上面図である。 本開示の実施形態による複数の基準マーカの上面図である。 本開示の実施形態による典型的な基準マーカの第１の時点における断面図である。 本開示の実施形態による図６の基準マーカの第２の時点における断面図である。 本開示の実施形態による部品の製作方法を説明するフローチャートである。 本開示の１つ以上の実施形態による部品の変形を評価するための方法を説明するフローチャートである。

次に、本発明の実施形態を詳しく参照するが、それら実施形態の１つ以上の実施例が図面に示されている。各々の実施例は、本発明の限定としてではなく、本発明の説明として提示される。実際、本発明の範囲または主旨から逸脱せずに、本発明に様々な修正および変形を施し得ることが、当業者にとっては明らかであろう。例えば、一実施形態の一部分として例示または説明される特徴を別の実施形態とともに用いて、またさらなる実施形態を生み出すことができる。このように、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の技術的範囲に含まれるような変更および変種を包含するように意図される。

図１を参照すると、典型的な部品１０が示されており、部品の外面１４に複数の基準マーカ１２が形成されている。部品１０は、例えば高温の用途において利用される部品（例えば、ニッケルまたはコバルト系の超合金を含む部品）など、種々の異なる用途において用いられる様々な種類の部品のいずれかであってよい。いくつかの実施形態において、部品１０は、燃焼部品または高温ガス経路部品などの産業用ガスタービンまたは蒸気タービンの部品であってよい。いくつかの実施形態において、部品１０は、タービンブレード、圧縮機ブレード、ベーン、ノズル、シュラウド、ロータ、トランジションピース、またはケーシングであってよい。他の実施形態において、部品１０は、ガスタービンまたは蒸気タービンなどにおける任意の他の部品など、タービンの任意の他の部品であってよい。いくつかの実施形態において、部品は、これらに限られるわけではないが、自動車部品（例えば、自動車、トラック、など）、航空宇宙部品（例えば、航空機、ヘリコプタ、宇宙船、アルミニウム部品、など）、機関車または鉄道部品（例えば、列車、線路、など）、構造、インフラ、または土木工学の部品（例えば、橋梁、建物、建設機械、など）、ならびに／あるいは発電プラントまたは化学処理の部品（例えば、高温用途に使用される配管）など、非タービン部品であってよい。

例えば図１に示されるように、典型的な部品１０は、基準マーカ１２が配置される外面１４を有する。図１の例示の実施形態に示されている典型的な部品１０は、タービン部品であり、より具体的にはタービンブレードである。しかしながら、部品１０は、上述したように、種々のさらなる部品または別の部品であってよい。基準マーカ１２は、一般に、外面１４において長さＬおよび幅Ｗ（図４を参照）を有する識別可能なターゲットである。特定の基準マーカ１２の実施形態は、外面１４に対して厚さをさらに含むことにより、外面１４からの高さＨ（図２を参照）を有する高められたマーカ表面を形成することができる。

例えば図１および図２に示されるように、典型的な部品１０は、内部容積１５を有する。種々の冷却通路（図示せず）を、内部容積１５内に画定することができる。部品１０がタービンブレードである場合など、いくつかの実施形態においては、内部容積１５に適した材料として、ＧＴＤ−１１１（商標）、ＧＴＤ−４４４（商標）、ＲＥＮＥ Ｎ５（登録商標）、Ｒ１０８（商標）、ＩＮＣＯＮＥＬ（商標）７３８、あるいは単結晶Ｎ４およびＮ５など、高性能ニッケル系超合金を挙げることができる。あるいは、タービンブレード１０は、これらに限られるわけではないが、ステンレス鋼、低合金鋼、または耐クリープ鋼など、他の適切な金属または他の材料から形成されてもよい。内部容積１５、外面１４、および基準マーカ１２を含む部品１０は、部品１０の形成時に基準マーカ１２が形成される単一の連続ピースとして形成されてよい。例えば、いくつかの実施形態において、複数の基準マーカ１２は、外面１４、内部容積１５、および複数の基準マーカ１２がワンピースの単一の継ぎ目のない構造で形成されるように、部品１０の形成時に外面１４上に形成されてよい。例えば、部品１０を、インベストメント鋳造など、鋳型における鋳造によって形成することができる。適切な鋳造方法として、例えば、一方向凝固または等軸の鋳造が挙げられる。いくつかの典型的な実施形態においては、一方向凝固の鋳造を使用して、部品１０および部品１０上の基準マーカ１２を、例えば内部粒界のない単結晶として形成することができる。

例えばインベストメント鋳造法による鋳造プロセスの結果として、基準マーカ１２は、部品１０に依存しない基準マーカ１２の動きまたは部品１０を超える基準マーカ１２の動きが低減され、あるいは最小限に抑えられるように、部品１０に一体的に結合する。したがって、本開示による基準マーカ１２は、部品１０の一体的な受動型歪みインジケータを形成する。さらに、部品１０上に基準マーカ１２を鋳造することで、耐久性を向上させ、適切な測定装置が時間の経過につれてマーカ１２を測定できなくなるリスクを低減することができる。例えば、基準マーカ１２を単一の連続ピースとして部品１０の残りの部分と一体に形成する結果として、基準マーカ１２と内部容積１５との間の熱膨張の違いを、低減または排除することができる。

図１に示されるようないくつかの典型的な実施形態において、部品１０は、第１の面３６および第２の面３４を有することができる。複数の基準マーカ１２を、例えば第１の面３６または第２の面３４のうちの一方のみなど、部品１０の片側にのみ配置することができる。例えば、いくつかの実施形態において、部品１０は、ガスタービン部品、とくには高温ガス経路部品であってよい。そのような典型的な部品は、ガスタービンを通る高温ガスの流れが直接接触する高温ガス経路側３６と、非ガス経路側３４とを含むことができ、非ガス経路側３４は、おおむねガス経路側３６の反対側であってよい。いくつかの典型的な実施形態において、第１の面３６は正圧側であってよく、第２の面３４は負圧側であってよく、外面１４の一部分１８は、外面１４の正圧側３６に配置されてよい。このような典型的な実施形態においては、外面１４のうちの複数の基準マーカ１２を含む部分１８を高温ガス経路または正圧側３６に配置することにより、より正確かつ／またはより早期に部品１０における歪みの目安をもたらすことができ、なぜならば、高温ガスの流れに直接曝される部品１０の側面３６は、側面３６の下流または風下に位置する部品１０の比較的低温の側面３４と比べて、クリープに直面する可能性がより高く、かつ／またはより早期にクリープに直面する可能性があるからである。

ここで図１〜図５を参照すると、基準マーカ１２は、部品１０の外面１４の一部分１８上に配置される。典型的な実施形態においては、少なくとも２つの別個のマーカ（例えば、１２ａおよび１２ｂ）が設けられ、この少なくとも２つのマーカ１２ａおよび１２ｂの間で距離Ｄを測定することができる。当業者であれば理解できるとおり、これらの測定は、部品１０のその領域における歪み、歪み速度、クリープ、疲労、応力、などの量を明らかにする役に立つことができる。少なくとも２つの別個のマーカ１２ａおよび１２ｂは、それらの間の距離Ｄを測定できる限りにおいて、個々の部品１０に応じて様々な距離および様々な位置に配置されてよい。

基準マーカ１２は、それらが一貫して識別可能であり、それらの間の距離Ｄを測定するために使用できる限りにおいて、点、線、円、矩形、あるいは任意の他の幾何学的形状または非幾何学的形状など、任意の適切な形状を有することができる。基準マーカ１２は、例えば種々の異なる形状、サイズ、および配置の基準マーカ１２を取り入れることにより、種々の異なる構成および断面を形成することができる。例えば、各々の基準マーカ１２が、一致した形状または固有の形状を含むことができる。いくつかの実施形態において、各々のマーカ１２は、他の基準マーカと同じであり（すなわち、一致する）、あるいは他の基準マーカにない円形、矩形、または直線形を定めることができる。

いくつかの実施形態において、外面１４のうちの基準マーカ１２が形成される部分は、部品１０の外面１４上に分析領域１７を画定することができる。そのような実施形態において、分析領域１７の主要寸法は、分析領域１７のゲージ長さＧを画定する。ゲージ長さＧを有する分析領域１７を含むいくつかの実施形態において、基準マーカ１２の各々は、最大直径ＭＤ（図４）を有することができる。種々の典型的な実施形態において、マーカ１２の最大直径ＭＤは、１００分の２インチ（０．０２”）〜８分の１インチ（０．１２５”）の間など、１００分の１インチ（０．０１”）〜１００分の１５インチ（０．１５”）の間であってよい。或る基準マーカ１２の最大直径ＭＤが、他の基準マーカ１２の最大直径ＭＤと違ってもよく、例えば最大直径ＭＤが、すべて同じ範囲内にあってよいが、必ずしも互いに等しくなくてもよいことを、理解すべきである。

随意により、基準マーカ１２を、所定の基準パターンにて配置することができる。例えば、基準マーカ１２を、図４および図５に示されるように、例えば分析領域１７などの部品１０の外面１４の所定の部分において行列格子として並べることができる。行列格子は、隣接する各々のマーカ１２の間の距離Ｄを定めるように、予め選択された列間隔２０および予め選択された行間隔２２を含むことができる。さらに、複数の部品または部品の一部分が、個別化された所定の基準パターンを含むことができる。換言すると、或る部品１０またはその一部分の所定の基準パターンが、別の部品１０または一部分の所定の基準パターンから相違し、区別可能であってよい。これにより、部品１０の寿命の全体を通して、個別の部品および／または一部分を識別して追跡することが可能になる。

予め選択された列間隔２０および予め選択された行間隔２２は、同じでも、異なっていてもよい。例えば、いくつかの実施形態においては、予め選択された列間隔２０が、例えば約８分の１インチ（０．１２５”）〜約１０分の２インチ（０．２０”）の間や、約１００分の１８インチ（０．１８”）など、約１０分の１インチ（０．１０”）〜約４分の１インチ（０．２５”）の間であってよい一方で、予め選択された行間隔２２が、約１００分の２インチ（０．０２”）〜約１００分の８インチ（０．０８”）の間など、約１０００分の１５インチ（０．０１５”）〜約１０分の１インチ（０．１”）の間であってよい。とりわけ、例えば最大直径ＭＤなどの基準マーカ１２のサイズに対して、基準マーカ１２間の距離Ｄが比較的大きいと、部品１０の応力および／または歪みに起因して測定される変化について、基準マーカ１２の変形の影響が回避または低減されるため、部品１０自体の歪みの比較的正確な表現を好都合にもたらすことができる。したがって、１つの考えられる例として、基準マーカ１２は、約１００分の５インチ（０．０５”）の最大直径ＭＤを有することができ、基準マーカ１２の間の距離Ｄは、例えば分析領域１７における基準マーカ１２の行列格子配置を含む典型的な実施形態において、少なくとも１つの方向に約１００分の１９インチ（０．１９”）であってよく、予め選択された列間隔２０または予め選択された行間隔２２のうちの一方は、少なくとも約１００分の１９インチ（０．１９”）であってよい。

いくつかの典型的な実施形態において、部品１０の外面１４のうちの複数の基準マーカ１２が配置される部分１８は、識別領域１９および分析領域１７をさらに含むことができる。典型的な実施形態において、識別領域１９は、部品１０に固有の基準マーカ１２の個別化された所定のパターンを含む。識別領域１９内の基準マーカ１２の固有のパターンは、部品１０を追跡するためのバイナリ符号化識別データを含むことができる。識別領域１９は、いくつかの実施形態においては、例えば図１に示されるように、分析領域１７とは別であってよい。他の典型的な実施形態において、識別領域１９は、分析領域１７と同一の広がりを有していても、分析領域１７と重なっていてもよく、あるいは識別領域１９は、分析領域１７の部分領域であってよい。

上述したように、いくつかの実施形態において、各々の基準マーカ１２は、外面１４からの高さＨ（図２を参照）を有することができる。やはり上述したように、特定の典型的な実施形態において、部品１０は、タービンブレードまたは他の適切な空気力学的部品であってよい。好都合には、基準マーカ１２のサイズ、とくに高さＨは、好ましくは部品の空気力学に影響を与えないように充分に小さいが、本明細書に記載のとおりの測定のために充分に大きい。したがって、このような典型的な実施形態において、基準マーカ１２の高さＨは、例えば１０００分の３インチ（０．００３”）〜１０００分の２５インチ（０．０２５”）の間、１０００分の６インチ（０．００６”）〜１０００分の２０インチ（０．０２０”）の間、または１０００分の８インチ（０．００８”）〜１０００分の１５インチ（０．０１５”）の間など、１０００分の１インチ（０．００１”）〜１０００分の３０インチ（０．０３０”）の間であってよい。

以下でさらに詳しく説明されるとおり、種々の実施形態は、光学スキャナ２４（図３）などの３次元データ取得装置を使用して複数の基準マーカ１２を直接測定することを含む。光学スキャナ２４または他の適切な装置は、いくつかの実施形態においては、視野、すなわち装置が単一の画像またはパスにて取り込むことができる最大面積範囲を有し得る。このような実施形態において、分析領域１７のゲージ長さＧは、好ましくは、視野の最長寸法（例えば、視野が楕円である場合には、視野によって定められる楕円の長軸）の少なくとも３分の１（１／３）であってよい。例えば、以下でさらに詳しく説明されるように、いくつかの典型的な実施形態において、光学スキャナ２４は、構造化光スキャナであってよく、そのようなスキャナの典型的な実施形態は、６０ミリメートル（６０ｍｍ）の視野を有することができる。そのような実施形態において、分析領域１７のゲージ長さＧは、少なくとも２０ミリメートル（２０ｍｍ）であってよい。さらに、そのような実施形態において、スキャナ２４または他の適切な装置の視野は、分析領域１７のサイズに上限をもたらすことができ、例えば、分析領域１７は、複数の基準マーカ１２のすべてを視野内に収めることができるようなサイズであってよい。

基準マーカ１２を、種々の部品上の種々の位置のうちの１つ以上に配置することができる。例えば、上述したように、基準マーカ１２を、タービンブレード、ベーン、ノズル、シュラウド、ロータ、トランジションピース、またはケーシング上に配置することができる。そのような実施形態において、基準マーカ１２を、翼形部、プラットフォーム、または先端部の表面または付近、あるいは任意の他の適切な位置など、ユニットの動作時に種々の力に直面することが知られている１つ以上の位置に設定することができる。さらに、基準マーカ１２を、高温に直面することが知られている１つ以上の位置に配置することができる。例えば、基準マーカ１２を、高温ガス経路内および／または燃焼部品１０上に配置することができる。いくつかの実施形態において、分析領域１７は、例えば高応力または高クリープの領域ならびに／あるいは公差またはすき間が小さい領域など、部品の寿命制限領域を含むことができる。例えば、部品１０がガスタービンエンジンのタービンブレードである実施形態においては、ブレードの外側部分またはその付近において、タービンブレードとタービンのケーシングとの間のすき間が小さいかもしれない。したがって、ブレードの外側部分が、この部分の変形によってケーシングがブレードの回転に干渉しかねないという点で、寿命を制限する可能性がある。他の実施形態において、分析領域１７は、部品１０の外面１４の実質的に全体を含むことができる。そのような実施形態は、選択可能な可変のサブ部分（例えば、２つの隣接するマーカ１２間の領域）における局所的な歪みの随意による検出、および／または部品１０における全体的な歪みの検出を可能にすることができる。

複数の基準マーカ１２を、任意の適切な数および配置にて部品１０の外面１４上に配置することができる。例えば、少なくとも４つの基準マーカ１２を設けることで、２Ｄ歪み場の測定および分析を好都合に可能にすることができ、少なくとも７つの基準マーカ１２を設けることで、３Ｄ歪み場の測定および分析を好都合に可能にすることができる。基準マーカ１２を、種々の典型的な実施形態において、例えばマーカ１２が矩形を画定するように、規則的な格子に沿って配置することができる。少なくとも１つの代案の実施形態においては、基準マーカ１２を、直線状の様相または他の規則的なパターンにて配置することができる。他の代案の実施形態において、基準マーカ１２は、非直線のパターンにて配置されてよく、さらには／あるいは不規則な形状を定めることができる。そのような実施形態の種々の組み合わせが可能であり、例えば、４つのマーカを設け、矩形または直線を形成するように配置することができ、あるいは４つの基準マーカを非直線のパターンにて設けることができる。そのような例は、説明のためのものにすぎず、限定ではない。種々の実施形態において、任意の適切な数および配置の基準マーカ１２を設けることができる。

種々の実施形態において、基準マーカ上のいくつかの点のいずれかに基づいて、基準マーカの間の距離を測定し、さらには／あるいは基準マーカの位置を定めることが可能であり、例えば頂点などの基準マーカのエッジまたは外面の点を使用することができる。いくつかの実施形態において、基準マーカは、半球など、球の一部分であってよく、あるいは球の一部分を近似でき、例えば複数の基準マーカのうちの各々の基準マーカが、球面を部分的に定めることができる。そのような実施形態において、基準マーカ１２の重心１２０（図６および図７）または質量中心を使用して、分析の目的のための基準マーカ１２の位置を定めることができる。いくつかのそのような実施形態において、分析の目的のための基準マーカ１２の重心１２０は、例えば半球の基準マーカの物理的形状によって定まる実際の重心であってよい。他の典型的な実施形態においては、画像プロセッサ２６が、基準マーカ１２によって画定された部分的な球（例えば、半球）から完全な球体１３の重心１２０を計算または導出することができる。すなわち、本明細書で説明される監視のいくつかの典型的な方法における分析の目的のための基準マーカの重心は、例えば基準マーカが球の一部分を定める場合の球の重心など、仮想の重心であってよい。例えば、図２を参照すると、基準マーカ１２は、球体１３の約半分を画定し、球体１３の残りは、外面１４の下方の内部容積１５内の破線で示されている。

本開示による重心は、２次元または３次元の領域であってよい領域の幾何学的中心であり、したがって形状におけるすべての点の算術平均または平均位置である。典型的な実施形態においては、重心の位置を、画像化装置２４およびプロセッサ２６の使用によって特定することができる。プロセッサ２６は、例えば基準マーカの画像の分析において、上述したように、物理的な重心または仮想の重心であってよい基準マーカの重心を計算し、したがって位置を突き止めることができる。

基準マーカ１２の重心を距離測定のための基準点として使用することで、マーカ１２の変形に起因する誤差を好都合に低減または最小化することができる。例えば、図６が、例えば製造されたときなど、初期状態の典型的な基準マーカ１２を示しており、図７が、例えばマーカ１２が配置された部品１０が少なくとも１つのデューティサイクルに曝された後など、後の状態における図６の基準マーカ１２を示している。この例において、マーカ１２のエッジ上の点と隣接するマーカ上の別の点との間の距離は、部品１０の変形に代わり、あるいは部品１０の変形に加えて、マーカ１２の変形ゆえにマーカ１２のエッジまたは周辺に沿った点が変位するようにマーカ１２の形状が変化することによってのみ変化し得る。対照的に、重心１２０の位置は、マーカ１２のエッジに沿った点の位置と比べて比較的一定のままであり、したがって部品１０の変形のより本当のピクチャを、各々のマーカ１２の位置およびマーカ間の距離を重心１２０に基づいて決定することによって得ることができる。図６および図７において、重心１２０の位置は、後述され、図３に示されるように、Ｘ軸、Ｙ軸、またはＺ軸のうちの任意の２つであってよい相互に直交する軸５０，５２による座標系において定義されている。さらなる典型的な実施形態においては、重心１２０の位置を、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の３つすべてによる３次元座標系において定義することができる。

ここで図１〜図５を参照すると、部品の変形を監視するためのシステムの典型的な実施形態が示されている。本開示によるこのようなシステムは、３つの軸（一般的にはＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸と呼ばれ、互いに直交している）に沿って基準マーカ１２を測定することによって改善された局所的および／または全体的な歪みの分析を容易にすることができる。図４に示されるように、システム２３が各々のマーカの相対変位を測定することによって部品１０の変形を測定するとき、基準マーカ１２の移動Ｍ（図５）を、各々の平面内で追跡することができる。システム２３は、例えば、上述のように１つ以上の部品の外面１４上に配置された複数の基準マーカ１２を含むことができる。さらに、システム２３は、典型的な実施形態における基準マーカ１２を分析するための光学スキャナ２４（図３）などの３次元データ取得装置２４と、３次元データ取得デバイスと動作可能に通信するプロセッサ２６とを含むことができる。

一般に、本明細書で使用する「プロセッサ」という用語は、コンピュータに含まれるものとして当技術分野で呼ばれている集積回路を指すだけでなく、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路、および他のプログラマブル回路も指す。さらに、プロセッサ２６は、３次元データ取得装置２４などのプロセッサ２６と通信する種々の他の構成要素との入力の受信および制御信号の送信のための種々の入力／出力チャネルを含むことができる。プロセッサ２６は、３次元データ取得装置２４からの入力およびデータを記憶および分析し、本明細書に記載の方法の各段階を広く実行するための適切なハードウェアおよび／またはソフトウェアをさらに含むことができる。例えば、プロセッサ２６は、例えば入力および／またはデータを記憶するためにプロセッサ２６に組み合わせられたメモリを有することができる。メモリは、一般に、これらに限られるわけではないがＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードドライブ、フラッシュドライブ、または他のメモリデバイスなど、任意の適切な１つ以上のコンピュータ可読媒体であってよい。一般的に理解されるように、メモリは、プロセッサ２６による実行が可能な命令またはロジックなど、プロセッサ２６によるアクセスが可能な情報を格納するように構成されてよい。

とくには、プロセッサ２６（または、その構成要素）を、３次元データ取得装置２４に統合してもよい。追加または代案の実施形態において、プロセッサ２６（または、その構成要素）は、３次元データ取得装置２４とは別個であってもよい。例えば、典型的な実施形態において、プロセッサ２６は、３次元データ取得装置２４によって受信されたデータを最初に処理するための３次元データ取得装置２４に統合された構成要素と、基準マーカ１２を測定し、さらに／あるいはデータから現時点の３次元プロファイルを作り出し、これらのプロファイルを比較するための３次元データ取得装置２４とは別個の構成要素とを含む。

一般に、プロセッサ２６は、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿って基準マーカ１２を直接測定して、Ｘ軸データ点、Ｙ軸データ点、およびＺ軸データ点を取得し、外面１４のトポロジの正確な３Ｄデジタル複製を作成するように動作可能である。上述のように、軸は互いに直交している。Ｘ軸データ点、Ｙ軸データ点、およびＺ軸データ点は、基準マーカ１２の直接測定に関連する寸法データ点である。さらに、プロセッサ２６は、各々の基準マーカ１２の重心１２０の位置を特定し、例えば重心１２０の位置を表す３次元座標を決定するように動作可能であってよい。例えば、クリープ、疲労、および過負荷などの変形事象の前および後の種々の時点において部品１０を走査することにより、部品１０を、例えば応力および／または歪みに関して監視することができる。３次元データ取得装置２４は、複合走査が必要とされず、あるいは実行されないように、部品１０の単一の３次元走査を実行するように動作可能であってよい。部品１０の単一の３次元走査は、３次元データを生成し、３次元の歪み分析を可能にする。このような３次元データの典型的な実施形態は、互いに直交する軸Ｘ、Ｙ、およびＺによって画定される３次元空間における重心座標を含む３次元点群内のポリゴンメッシュデータを含み得る。次いで、このような三次元データを変形解析アルゴリズムへと入力して、局所的な表面歪みを計算することができる。

一般に、３次元での直接測定を得るために表面計測技術を利用する任意の適切な３次元データ取得装置２４が利用され得る。典型的な実施形態において、装置２４は、非接触表面計測技術を利用する非接触装置である。さらに、典型的な実施形態において、本開示による装置２４は、約１００ナノメートル〜約１００マイクロメートルの間のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿った分解能を有する。したがって、典型的な方法によれば、Ｘ軸データ点、Ｙ軸データ点、およびＺ軸データ点は、約１００ナノメートル〜約１００マイクロメートルの間の分解能で得られる。

例えば、いくつかの実施形態においては、３次元で基準マーカ１２を光学的に識別する適切な光学スキャナ２４を利用することができる。図３は、本開示による光学スキャナ２４の典型的な実施形態を示しており、スキャナは、構造化光スキャナである。構造化光スキャナは、一般に、発光ダイオード３０または他の適切な光発生装置などの内蔵の発光器から光２８を放射する。典型的な実施形態において、構造化光スキャナによって利用される放射光２８は、青色光または白色光である。一般に、放射光２８は、一般的には特定のパターンにて基準マーカ１２および部品１０へと投射される。光２８が基準マーカ１２および部品１０に接触するとき、部品および基準マーカ１２の表面の外形が、光２８を歪ませる。この歪みを、構造化された光が外面によって反射させられた後に、例えばカメラ３２によって撮影される画像において、検出器によって取り込むことができる。基準マーカ１２（および、周囲の外面１４）に接触する光２８の画像は、例えばプロセッサ２６によって受け取られる。次いで、プロセッサ２６は、例えば光パターンの歪みを予想されるパターンと比較することにより、受け取った画像に基づいてＸ軸データ点、Ｙ軸データ点、およびＺ軸データ点を計算する。とくに、典型的な実施形態において、プロセッサ２６は、そのような光学スキャナ２４を動作させて、種々の上記開示の段階を実行する。

あるいは、他の適切なデータ取得装置を利用してもよい。例えば、いくつかの実施形態においては、装置２４がレーザスキャナである。レーザスキャナは、一般に、これらの実施形態における基準マーカ１２およびタービン部品１０の全体などの物体に向けてレーザビームの形態で光を放射するレーザを含む。次いで、光は、装置２４のセンサによって検出される。例えば、いくつかの実施形態において、光は、表面に接触して表面から反射され、装置２４のセンサによって受光される。光がセンサに到達するまでの往復時間が、種々の軸に沿った測定値を決定するために利用される。これらの装置は、典型的には、飛行時間型の装置として知られている。他の実施形態において、センサは、光が接触する表面において光を検出し、センサの視野内の光の相対的な位置に基づいて測定値を決定する。これらの装置は、典型的には、三角測量装置として知られている。次いで、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸データ点が、上述のように検出された光に基づいて計算される。とくに、典型的な実施形態において、プロセッサ２６は、そのようなデータ取得装置２４を実行および動作させ、種々の上記開示の段階を実行する。

いくつかの実施形態において、レーザによって放射される光は、複数の基準マーカ１２などの測定対象物の一部分からの反射に充分なだけの広さの帯域にて放射される。これらの実施形態においては、ステッパモータまたはレーザを移動させるための他の適切な機構を利用して、光が測定対象物の全体から反射されるまで、必要に応じてレーザおよび放射帯域を移動させることができる。

またさらに、他の適切な３次元データ取得装置２４を利用することもできる。しかしながら、これに代えて、本開示は、３次元データ取得装置２４の使用に限定されない。例えば、他の適切な装置として、例えば渦電流コイル、ホール効果プローブ、導電性プローブ、および／または容量プローブを含むことができる電界スキャナが挙げられる。

ここで図８を参照すると、一体の受動型歪みインジケータを有する部品１０を製作する典型的な方法２００が示されている。方法２００は、単一の均一な材料で部品を形成するステップ２１０を含む。部品１０は、外面１４および内部容積１５を含む。方法２００は、単一の均一な材料で複数の基準マーカ１２を形成するステップ２２０をさらに含む。基準マーカ１２は、部品１０の形成時に外面１４の一部分１８に形成される。外面１４の一部分１８は、部品１０の外面１４上に分析領域１７を画定する。

次に図９を参照すると、部品を評価する典型的な方法３００が示されている。典型的な実施形態におけるこのような方法３００は、全体または一部分が、本明細書で論じられるようなプロセッサ２６によって実行されてよい。方法３００は、部品１０の外面１４の一部分１８の複数の基準マーカ１２を初期に走査するステップ３１０を含むことができる。方法３００は、初期の走査に基づいて部品１０の固有のパターンを作成するステップ３２０をさらに含む。ステップ３２０を、例えば、いくつかの実施形態においては走査ソフトウェアによって達成することができる。方法３００は、固有のパターンをコンピュータメモリに記憶するステップ３３０をさらに含む。ステップ３１０、３２０、および３３０を、第１の時点において行うことができる。方法３００は、第１の時点の後に生じ得る少なくとも１つのデューティサイクルに部品１０を曝すステップ３４０をさらに含む。例えば、デューティサイクルは、ターボ機械または他の動作において使用中のタービン部品について生じ得る。あるいは、デューティサイクルは、一般的には、部品１０が利用されるように設計された環境において部品１０を使用することによって達成されてよい。方法３００は、３次元データ取得装置２４による直接測定など、少なくとも１つのデューティサイクルの後の（第１の時点の後の第２の時点における）複数の基準マーカ１２の事後走査のステップ３５０をさらに含む。方法３００は、初期の走査に基づく固有のパターンを事後走査と比較することで部品のクリープ歪みを測定するステップ３６０をさらに含む。

いくつかの実施形態において、初期の走査に基づく固有のパターンは、部品１０の３次元モデルであってよい。例えば、三次元モデルは、例えば上述のように軸Ｘ、Ｙ、およびＺによって画定される三次元空間における重心１２０の位置を表す三次元座標など、各々の基準マーカ１２の初期位置の表現を含むことができる。いくつかの典型的な実施形態において、複数の基準マーカ１２を事後走査するステップは、例えば第２の時点における各々の基準マーカ１２の事後位置など、各々の基準マーカ１２の位置の３次元表現をさらに含むことができる。各々の基準マーカ１２の事後位置の３次元表現は、各々の基準マーカ１２の初期位置の表現と同様の３次元重心座標であってよい。さらに、方法３００のそのような実施形態において、比較のステップ３６０は、複数の基準マーカの初期位置を複数の基準マーカの事後位置と比較することを含むことができる。

本明細書は、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を含んでおり、あるいは特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
［実施態様１］
一体の受動型歪みインジケータを備える部品を製作する方法（２００）であって、
外面（１４）と内部容積（１５）とを備える部品（１０）を単一の均一な材料で形成するステップ（２１０）と、
前記部品（１０）の形成時に前記外面（１４）の一部分（１８）に前記単一の均一な材料で複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）と
を含んでおり、
前記外面（１４）の前記一部分（１８）は、前記部品（１０）の前記外面（１４）上の分析領域（１７）を含む、方法（２００）。
［実施態様２］
前記部品（１０）の形成時に前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）は、前記外面（１４）、前記内部容積（１５）、および前記複数の基準マーカ（１２）を単一の連続ピースとして形成するステップを含む、実施態様１に記載の方法（２００）。
［実施態様３］
前記部品（１０）の形成時に前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）は、前記外面（１４）、前記内部容積（１５）、および前記複数の基準マーカ（１２）をワンピースの単一の継ぎ目のない構造で形成するステップを含む、実施態様１に記載の方法（２００）。
［実施態様４］
前記部品（１０）を形成するステップ（２１０）および前記部品（１０）の形成時に前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）は、金属材料を鋳造することで前記部品（１０）および前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップを含む、実施態様１に記載の方法（２００）。
［実施態様５］
前記部品（１０）の前記外面（１４）の前記一部分（１８）に前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）は、前記外面（１４）の前記一部分（１８）に識別領域（１９）を形成するステップをさらに含み、前記識別領域（１９）は、前記部品（１０）に固有の基準マーカ（１２）のパターンを備える、実施態様１に記載の方法（２００）。
［実施態様６］
前記基準マーカ（１２）の固有のパターンは、バイナリ符号化識別データを含む，実施態様５に記載の方法（２００）。
［実施態様７］
前記識別領域（１９）は、前記分析領域（１７）とは別個である、実施態様５に記載の方法（２００）。
［実施態様８］
前記部品（１０）のろう型であって、該型の外面（１４）と、該型の外面（１４）の一部分（１８）に位置する複数の基準マーカ（１２）とを含むろう型を作成するステップと、
前記ろう型に基づき、耐熱材料を含む鋳型を作成するステップと、
前記鋳型の作成時に前記ろう型を溶かすステップと
をさらに含み、
前記部品（１０）の形成時に前記外面（１４）の一部分（１８）に前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）は、前記鋳型において金属材料を鋳造して、前記部品（１０）、前記部品（１０）の前記外面（１４）、前記部品（１０）の前記外面（１４）の前記一部分（１８）の前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）を含む、実施態様１に記載の方法（２００）。
［実施態様９］
一体の受動型歪みインジケータを備える部品（１０）であって、
外面（１４）と、
第１の面（３６）と、
第２の面（３４）と、
前記外面（１４）の一部分（１８）上に一体に形成された複数の基準マーカ（１２）と
を備えており、
前記外面（１４）の前記一部分（１８）は、前記第１の面（３６）または前記第２の面（３４）の一方だけに配置されている、部品（１０）。
［実施態様１０］
ガスタービン部品であり、前記第１の面（３６）は正圧側（３６）であり、前記第２の面（３４）は負圧側（３４）であり、前記外面（１４）の前記一部分（１８）は、前記外面（１４）の前記正圧側（３６）に配置されている、実施態様９に記載の部品（１０）。
［実施態様１１］
ガスタービンの高温ガス経路部品であり、前記第１の面（３６）はガス経路側（３６）であり、前記第２の面（３４）は非ガス経路側（３４）であり、前記外面（１４）の前記一部分（１８）は、前記ガス経路側（３６）に配置されている、実施態様９に記載の部品（１０）。
［実施態様１２］
当該部品（１０）および前記複数の基準マーカ（１２）は、当該部品（１０）および前記基準マーカ（１２）の全体にわたって単一の連続的な材料を備える、実施態様９に記載の部品（１０）。
［実施態様１３］
前記単一の連続的な材料は、耐熱超合金である、実施態様１２に記載の部品（１０）。
［実施態様１４］
前記分析領域（１７）は、当該部品（１０）の寿命制限領域を含む、実施態様９に記載の部品（１０）。
［実施態様１５］
前記複数の基準マーカ（１２）の各々の基準マーカ（１２）は、球面を部分的に画定する、実施態様９に記載の部品（１０）。
［実施態様１６］
前記複数の基準マーカ（１２）は、行列格子にて前記分析領域（１７）に配置され、前記行列格子は、予め選択された行間隔（２２）および予め選択された列間隔（２０）を有する、実施態様９に記載の部品（１０）。
［実施態様１７］
前記予め選択された行間隔（２２）は、前記予め選択された列間隔（２０）に等しくない、実施態様１６に記載の部品（１０）。
［実施態様１８］
部品（１０）を評価する方法（３００）であって、
前記部品（１０）の外面（１４）の一部分（１８）の複数の基準マーカ（１２）を初期に走査するステップ（３１０）と、
前記初期の走査に基づいて前記部品（１０）の固有のパターンを作成するステップ（３２０）と、
前記固有のパターンをコンピュータメモリに記憶するステップ（３３０）と、
前記部品（１０）を少なくとも１つのデューティサイクルに曝すステップ（３４０）と、
前記少なくとも１つのデューティサイクルの後で前記複数の基準マーカ（１２）の事後走査を行うステップ（３５０）と、
前記初期の走査に基づく前記固有のパターンを前記事後走査と比較することで前記部品（１０）のクリープ歪みを測定するステップ（３６０）と
を含む方法（３００）。
［実施態様１９］
前記測定されたクリープ歪みが所定のしきい値を下回る場合に、前記複数の基準マーカ（１２）の事後走査の後で前記部品（１０）を少なくとも１つのさらなるデューティサイクルに曝し、前記測定されたクリープ歪みが前記所定のしきい値を上回る場合に、前記複数の基準マーカ（１２）の事後走査の後で前記部品（１０）を退役させるステップ
をさらに含む、実施態様１８に記載の方法（３００）。
［実施態様２０］
前記固有のパターンは、シリアル番号付け部分と、評価用部分とを含み、前記シリアル番号付け部分は、前記部品（１０）を識別するバイナリ符号化情報に対応する基準マーカ（１２）の所定のパターンを含む、実施態様１８に記載の方法（３００）。

１０ 部品、タービン部品、タービンブレード、燃焼部品
１２ 基準マーカ
１２ａ マーカ
１２ｂ マーカ
１３ 球体
１４ 外面
１５ 内部容積
１７ 分析領域
１８ 一部分
１９ 識別領域
２０ 列間隔
２２ 行間隔
２３ システム
２４ ３次元データ取得装置、光学スキャナ、画像化装置
２６ 画像プロセッサ
２８ 放射光
３０ 発光ダイオード
３２ カメラ
３４ 第２の面、負圧側、側面、非ガス経路側、
３６ 第１の面、正圧側、側面、高温ガス経路側
５０ 軸
１２０ 重心
２００ 方法
３００ 方法
Ｄ 距離
Ｈ 高さ
Ｍ 移動
ＭＤ 最大直径
Ｎ４ 単結晶
Ｘ 軸
Ｙ 軸

Claims (15)

1. 一体の受動型歪みインジケータを備える部品を製作する方法（２００）であって、
   外面（１４）と内部容積（１５）とを備える部品（１０）を単一の均一な材料で形成するステップ（２１０）と、
   前記部品（１０）の形成時に前記外面（１４）の一部分（１８）に前記単一の均一な材料で複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）と
   を含んでおり、
   前記外面（１４）の前記一部分（１８）は、前記部品（１０）の前記外面（１４）上の分析領域（１７）を含む、方法（２００）。
2. 前記部品（１０）の形成時に前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）は、前記外面（１４）、前記内部容積（１５）、および前記複数の基準マーカ（１２）を単一の連続ピースとして形成するステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
3. 前記部品（１０）の形成時に前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）は、前記外面（１４）、前記内部容積（１５）、および前記複数の基準マーカ（１２）をワンピースの単一の継ぎ目のない構造で形成するステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
4. 前記部品（１０）を形成するステップ（２１０）および前記部品（１０）の形成時に前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）は、金属材料を鋳造することで前記部品（１０）および前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
5. 前記部品（１０）の前記外面（１４）の前記一部分（１８）に前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）は、前記外面（１４）の前記一部分（１８）に識別領域（１９）を形成するステップをさらに含み、前記識別領域（１９）は、前記部品（１０）に固有の基準マーカ（１２）のパターンを備える、請求項１に記載の方法（２００）。
6. 前記識別領域（１９）は、前記分析領域（１７）とは別個である、請求項５に記載の方法（２００）。
7. 前記部品（１０）のろう型であって、該型の外面（１４）と、該型の外面（１４）の一部分（１８）に位置する複数の基準マーカ（１２）とを含むろう型を作成するステップと、
   前記ろう型に基づき、耐熱材料を含む鋳型を作成するステップと、
   前記鋳型の作成時に前記ろう型を溶かすステップと
   をさらに含み、
   前記部品（１０）の形成時に前記外面（１４）の一部分（１８）に前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）は、前記鋳型において金属材料を鋳造して、前記部品（１０）、前記部品（１０）の前記外面（１４）、前記部品（１０）の前記外面（１４）の前記一部分（１８）の前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップ（２２０）を含む、請求項１に記載の方法（２００）。
8. 一体の受動型歪みインジケータを備える部品（１０）であって、
   外面（１４）と、
   第１の面（３６）と、
   第２の面（３４）と、
   前記外面（１４）の一部分（１８）上に一体に形成された複数の基準マーカ（１２）と
   を備えており、
   前記外面（１４）の前記一部分（１８）は、前記第１の面（３６）または前記第２の面（３４）の一方だけに配置されている、部品（１０）。
9. ガスタービン部品であり、前記第１の面（３６）は正圧側（３６）であり、前記第２の面（３４）は負圧側（３４）であり、前記外面（１４）の前記一部分（１８）は、前記外面（１４）の前記正圧側（３６）に配置されている、請求項８に記載の部品（１０）。
10. ガスタービンの高温ガス経路部品であり、前記第１の面（３６）はガス経路側（３６）であり、前記第２の面（３４）は非ガス経路側（３４）であり、前記外面（１４）の前記一部分（１８）は、前記ガス経路側（３６）に配置されている、請求項８に記載の部品（１０）。
11. 当該部品（１０）および前記複数の基準マーカ（１２）は、当該部品（１０）および前記基準マーカ（１２）の全体にわたって単一の連続的な材料を備える、請求項８に記載の部品（１０）。
12. 前記分析領域（１７）は、当該部品（１０）の寿命制限領域を含む、請求項８に記載の部品（１０）。
13. 前記複数の基準マーカ（１２）の各々の基準マーカ（１２）は、球面を部分的に画定する、請求項８に記載の部品（１０）。
14. 前記複数の基準マーカ（１２）は、行列格子にて前記分析領域（１７）に配置され、前記行列格子は、予め選択された行間隔（２２）および予め選択された列間隔（２０）を有する、請求項８に記載の部品（１０）。
15. 前記予め選択された行間隔（２２）は、前記予め選択された列間隔（２０）に等しくない、請求項１４に記載の部品（１０）。