JP3794943B2 - Ni基合金製部品のメタル温度、材料特性推定法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン、ジェットエンジンなどの高温部品、特に動翼あるいは静翼に使用されるNi基合金製部品のメタル温度、材料特性推定法に関する。
【0002】
【従来の技術】
周知の如く、例えばガスタービンの動翼や静翼等の高温部品には、Ni基合金が使用されている。こうした動翼や静翼は高温下で応力をかけられながら長時間使用されるので、運転中にクリープ損傷を受け、金属組織,特にγ’相(Ni3Al金属間化合物)が粗大化する等の形態変化が生じる。この形態変化は材料劣化を意味し、その要因としてNi基合金の温度(メタル温度)、応力、使用時間等が挙げられる。従って、ガスタービンでは、材料劣化を考慮して長時間の使用に耐えうるように翼の材質の組成や形状等を決めている。
【0003】
しかし、このように配慮しても何らかの要因でメタル温度が急激に上昇する等の理由により、ガスタービンがその寿命に達する前に破損する可能性がある。そこで、動翼や静翼の劣化状況を正確に検知して残りの寿命を的確に予測する技術が求められている。従来、その一手段として、動翼や静翼の断面ミクロ組織によりγ’相の形態変化を測定してメタル温度を求めることが行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、γ’相の変化は応力(遠心力)の影響を受けることもあり、別のパラメーターに基づくメタル温度や材料特性の推定が求められていた。
【0005】
本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、LMPの関係式に基づいて供試体の加熱温度、加熱時間から鈴なりにつながった粒界炭化物の幅とLMPパラメーターとの関係を示すベースラインを求めた後、実機の各部の断面ミクロ組織から測定された鈴なりにつながった粒界炭化物の幅から前記ベースラインを利用してメタル温度を推定することにより、ガスタービンの残りの寿命を的確に予測しえるNi基合金製部品のメタル温度推定法を提供することを目的とする。
【0006】
また、本発明は、LMPの関係式に基づいて供試体の加熱温度、加熱時間から材料特性とLMPパラメーターとの関係を示すベースラインを求めた後、実機の各部の断面ミクロ組織から測定された鈴なりにつながった粒界炭化物の幅から前記ベースラインを利用して材料特性を推定することにより、ガスタービンの残りの寿命を的確に予測しえるNi基合金製部品の材料特性推定法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本願第1の発明は、ガスタービン、ジェットエンジンなどの高温部品に使用されるNi基合金の組織変化に基づいてNi基合金製高温部品のメタル温度を推定する方法において、
下記式(1)に示すラーソンミラーパラメーター(LMP)の関係式に基づいて供試体の加熱温度、加熱時間から鈴なりにつながった粒界炭化物の幅とLMPパラメーターとの関係を示すベースラインを求める工程と、実機の各部の断面ミクロ組織から測定された鈴なりにつながった粒界炭化物の幅から前記ベースラインを利用してメタル温度を推定する工程とを具備することを特徴とするNi基合金製部品のメタル温度推定法である。
【0008】
LMP=(273+T)(K+logt)/1000 …(3)
但し、式(3)において、Tは加熱温度(℃)、tは加熱時間(h)を示す。また、Kは定数で15〜20の適当な数を示す。
【0009】
本願第2の発明は、ガスタービン、ジェットエンジンなどの高温部品に使用されるNi基合金の組織変化に基づいてNi基合金製高温部品の材料特性を推定する方法において、上記式(3)に示すラーソンミラーパラメーター(LMP)の関係式に基づいて供試体の加熱温度、加熱時間から材料特性とLMPパラメーターとの関係を示すベースラインを求める工程と、実機の各部の断面ミクロ組織から測定された鈴なりにつながった粒界炭化物の幅から前記ベースラインを利用して材料特性を推定する工程とを具備することを特徴とするNi基合金製部品の材料特性推定法である。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について更に詳細に説明する。
本発明において、前記粒界炭化物又は粒内炭化物の大きさは、粒界炭化物又は粒内炭化物の粒径若しくは幅若しくは面積を示す。ここで、粒界炭化物とは加熱によりNi基合金の表面に析出した場合を示し、粒内炭化物とは加熱により表面に析出せずにNi基合金内に存在する場合を示す。また、例えばIN738LCのようなNi基合金は図5(A)に示すように粒界炭化物(粒内炭化物)が切り離されて存在するので、粒界炭化物の径Rを測定することになるが、例えばTomilloyのようなNi基合金は図5(B)に示すように鈴なりにつながるので粒界炭化物(粒内炭化物)の幅Wを測定することになる。
【0011】
本発明において、前記材料特性とは、Ni基合金製高温部品のクリープ破断強度、寿命、引張強度の少なくともいずれかを示し、メタル温度とともにこれらの材料特性を推定することにより、部品の残り寿命をより精度よく求めることができる。
【0012】
【実施例】
以下、本発明の実施例に係るNi基合金製部品の温度推定方法について説明する。なお、下記実施例で述べる各部材の材質、数値等は一例を示すもので、本発明の権利範囲を特定するものではない。
【0013】
(実施例1)
本実施例1では、供試体としてNi基合金であるINCO(株)製の商品名:IN738LC,即ちNi−16Cr−8.5Co−1.7Mo−2.6W−1.8Ta−3.4Ti−3.44Al−0.12C−0.1Zr−0.01Bである場合について試験した。
【0014】
[1]粒界炭化物の大きさとLMPパラメーターとの関係の求め方:
LMP値(パラメーター:P)は、上記式(3)のラーソンミラーパラメーター(LMP)式、即ちLMP=(273+T℃)(K+logt)/1000を用いる(但し、定数Kは15)。なお、定数Kは15に限らず、15〜20のいずれか適当な数値でもよい。
【0015】
まず、上記Ni基合金と同じ組成の供試体を用意して、供試体の加熱時間t1,t2,t3,…tnに対応する供試体の加熱温度を夫々T1,T2,T3,…Tnとし、そのときの粒界炭化物の大きさ(例えば径)を夫々R1,R2,R3,…Rn(加熱材炭化物粒径)及びR01,R02,R03,…R0n(初期材炭化物粒径)とする。同時に、上記加熱時間t1,t2,t3,…tn、加熱温度T1,T2,T3,…Tnを夫々上記LMP式に代入し、LMP値(パラメーターP)P1,P2,P3,…Pnを求め、加熱材炭化物粒径と初期材炭化物の比(H)とパラメーターP1,P2,P3,…Pnとの関係を示すベースラインを求める(図1参照)。
【0016】
[2]メタル温度の推定の仕方:
実機(上記組成のNi基合金)の断面ミクロ組織から測定された粒界炭化物の径(加熱材炭化物粒径と初期材炭化物粒径の比)から上記[1]で求めた図1のベースラインに基づいてパラメーターPを求める。つづいて、上記LMP式にパラメーターP、加熱時間tを代入して実機のメタル温度Tを求める。
【0017】
このように、上記実施例1によれば、Ni基合金製部品と同じ組成の供試体を用いて加熱材炭化物粒径と初期材炭化物の比(H)とパラメーターPとの関係から図1に示すようなベースラインを求め、このベースラインを利用して実機の加熱時間tにおける加熱材炭化物粒径と初期材炭化物の比(H)及び加熱温度tより加熱温度Tを求めるため、使用中の実機のメタル温度を的確に推定することができ、実機の残りの寿命を推定することができる。
【0018】
(実施例2)
本実施例2では、供試体としてNi基合金である三菱重工業(株)製の商品名:Tomilloy,即ちNi−22Cr−8Co−9Mo−3W−0.3Ti−1Al−0.07Cである場合について試験した。
【0019】
[1]粒界炭化物の面積とLMPパラメーターとの関係の求め方:
LMP値(パラメーター:P)は、上記式(3)のラーソンミラーパラメーター(LMP)式、即ちLMP=(273+T℃)(K+logt)/1000を用いる。
【0020】
まず、上記Ni基合金と同じ組成の供試体を用意して、供試体の加熱時間t1,t2,t3,…tnに対応する供試体の加熱温度を夫々T1,T2,T3,…Tnとし、そのときの粒界炭化物の大きさ(例えば面積)を夫々S1,S2,S3,…Snとする。同時に、上記加熱時間t1,t2,t3,…tn、加熱温度T1,T2,T3,…Tnを夫々上記LMP式に代入してLMP値(パラメーターP)P1,P2,P3,…Pnを求め、粒界炭化物の粒径S1,S2,S3,…SnとパラメーターP1,P2,P3,…Pnとの関係を示すベースラインを求める(図2参照)。
【0021】
[2]メタル温度の推定の仕方:
実機(上記組成のNi基合金)の断面ミクロ組織から測定された粒界炭化物の面積から上記[1]で求めた図2のベースカーブに基づいてパラメーターPを求める。つづいて、上記LMP式にパラメーターP、加熱時間tを代入して実機のメタル温度Tを求める。
【0022】
このように、上記実施例2によれば、Ni基合金製部品と同じ組成の供試体を用いて粒界炭化物の面積とパラメーターPとの関係から図2に示すようなベースカーブを求め、このベースカーブを利用して実機の加熱時間tにおける粒界炭化物の面積及び加熱温度tより加熱温度Tを求めるため、使用中の実機のメタル温度を的確に推定することができ、実機の残りの寿命を推定することができる。
【0023】
(実施例3)
本実施例3では、供試体としてNi基合金であるSpecial Metals社製の商品名:U520,即ちNi−19Cr−12Co−6Mo−1W−3Ti−2Al−0.05C−0.005Bである場合について試験した。
【0024】
[1]粒界炭化物の幅とLMPパラメーターとの関係の求め方:
LMP値(パラメーター:P)は、上記式(3)のラーソンミラーパラメーター(LMP)式、即ちLMP=(273+T℃)(15+logt)/1000を用いる。
【0025】
まず、上記Ni基合金と同じ組成の供試体を用意して、供試体の加熱時間t1,t2,t3,…tnに対応する供試体の加熱温度を夫々T1,T2,T3,…Tnとし、そのときの粒界炭化物の大きさ(例えば幅)を夫々W1,W2,W3,…Wnとする。同時に、上記加熱時間t1,t2,t3,…tn、加熱温度T1,T2,T3,…Tnを夫々上記LMP式に代入してLMP値(パラメーターP)P1,P2,P3,…Pnを求め、粒界炭化物の幅W1,W2,W3,…WnとパラメーターP1,P2,P3,…Pnとの関係を示すベースラインを求める(図3参照)。
【0026】
[2]メタル温度の推定の仕方:
実機(上記組成のNi基合金)の断面ミクロ組織から測定された粒界炭化物の幅から上記[1]で求めた図3のベースラインに基づいてパラメーターPを求める。つづいて、上記LMP式にパラメーターP、加熱時間tを代入して実機のメタル温度Tを求める。
【0027】
このように、上記実施例3によれば、Ni基合金製部品と同じ組成の供試体を用いて粒界炭化物の幅とパラメーターPとの関係から図3に示すようなベースラインを求め、このベースラインを利用して実機の加熱時間tにおける粒界炭化物の幅及び加熱温度tより加熱温度Tを求めるため、使用中の実機のメタル温度を的確に推定することができ、実機の残りの寿命を推定することができる。
【0028】
(実施例4)
本実施例4では、供試体としてNi基合金であるSpecial Metals社製の商品名:U520,即ちNi−19Cr−12Co−6Mo−1W−3Ti−2Al−0.05C−0.005Bである場合について試験した。
【0029】
[1]粒界炭化物の幅とLMPパラメーターとの関係の求め方:
上記実施例3で述べたような方法により、図3に示すように粒界炭化物の幅W1,W2,W3,…WnとパラメーターP1,P2,P3,…Pnとの関係を示すベースラインを求める。同時に、粒界炭化物の幅W1,W2,W3,…Wnに対応する寿命幅L1,L2,L3,…Lnをもとめておく。そして、図4に示すように、粒界炭化物の幅W1,W2,W3,…Wnと寿命L1,L2,L3,…Lnとの関係を示す特性図を求める。
【0030】
[2]寿命の推定の仕方
実機(上記組成のNi基合金)の断面ミクロ組織から測定された粒界炭化物の幅から上記[1]で求めた図4の特性図に基づいて寿命Lを求める。
このように、上記実施例4によれば、Ni基合金製部品と同じ組成の供試体を用いて粒界炭化物の幅WとパラメーターPとの関係から図3に示すようなベースラインを求めるとともに、粒界炭化物の幅Wと寿命Lとの関係を示す特性図(図4)を求め、この特性図を利用しての加熱時間tにおける粒界炭化物の幅より寿命Lを求めるため、使用中の実機の寿命を的確に推定することができる。
【0031】
なお、上記実施例1〜3では実機のメタル温度を推定する場合について述べ、実施例4では寿命を求める場合について述べたが、メタル温度とともに寿命を求めてもよい。また、上記実施例では、粒界炭化物の幅を求める場合について述べたが、粒界炭化物の径を求める場合でもよい。更に、粒界炭化物の幅(又は径)の代わりに、粒内炭化物の幅(又は径)を求める場合でもよい。
【0032】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、LMPの関係式に基づいて供試体の加熱温度、加熱時間から鈴なりにつながった粒界炭化物の幅とLMPパラメーターとの関係を示すベースラインを求めた後、実機の各部の断面ミクロ組織から測定された鈴なりにつながった粒界炭化物の幅から前記ベースラインを利用してメタル温度を推定することにより、ガスタービンの残りの寿命を的確に予測しえるNi基合金製部品のメタル温度推定法を提供できる。
【0033】
また、本発明によれば、LMPの関係式に基づいて供試体の加熱温度、加熱時間から材料特性とLMPパラメーターとの関係を示すベースラインを求めた後、実機の各部の断面ミクロ組織から測定された鈴なりにつながった粒界炭化物の幅から前記ベースラインを利用して材料特性を推定することにより、ガスタービンの残りの寿命を的確に予測しえる
Ni基合金製部品の材料特性推定法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るNi基合金製部品に使用されるMGA1400の加熱材炭化物粒径/初期材炭化物粒径とLMP式による加熱条件パラメーターとの関係を示す特性図。
【図2】本発明に係るNi基合金製部品に使用されるTomilloyの炭化物の面積とLMP式による加熱条件パラメーターとの関係を示す特性図。
【図3】本発明に係るNi基合金製部品に使用されるU520の粒界炭化物の幅とLMP式による加熱条件パラメーターとの関係を示す特性図。
【図4】本発明に係るNi基合金製部品に使用されるU520の寿命と粒界炭化物の幅との関係を示す特性図。
【図5】本発明に係るNi基合金と同組成の供試体における粒界炭化物の幅若しくは径の説明図。
【符号の説明】
1…粒界炭化物。
Claims (3)
- ガスタービン、ジェットエンジンなどの高温部品に使用されるNi基合金の組織変化に基づいてNi基合金製高温部品のメタル温度を推定する方法において、
下記式(1)に示すラーソンミラーパラメーター(LMP)の関係式に基づいて供試体の加熱温度、加熱時間から鈴なりにつながった粒界炭化物の幅とLMPパラメーターとの関係を示すベースラインを求める工程と、実機の各部の断面ミクロ組織から測定された鈴なりにつながった粒界炭化物の幅から前記ベースラインを利用してメタル温度を推定する工程とを具備することを特徴とするNi基合金製部品のメタル温度推定法。
LMP=(273+T)(K+logt)/1000 …(1)
但し、式(1)において、Tは加熱温度(℃)、tは加熱時間(h)を示す。また、Kは定数で15〜20の適当な数を示す。 - ガスタービン、ジェットエンジンなどの高温部品に使用されるNi基合金の組織変化に基づいてNi基合金製高温部品の材料特性を推定する方法において、
下記式(2)に示すラーソンミラーパラメーター(LMP)の関係式に基づいて供試体の加熱温度、加熱時間から材料特性とLMPパラメーターとの関係を示すベースラインを求める工程と、実機の各部の断面ミクロ組織から測定された鈴なりにつながった粒界炭化物の幅から前記ベースラインを利用して材料特性を推定する工程とを具備することを特徴とするNi基合金製部品の材料特性推定法。
LMP=(273+T)(K+logt)/1000 …(2)
但し、式(2)において、Tは加熱温度 ( ℃)、tは加熱時間(h)を示す。また、Kは定数で15〜20の適当な数を示す。 - 前記材料特性は、Ni基合金製高温部品のクリープ破断強度、寿命、引張強度のいずれかであることを特徴とする請求項2記載のNi基合金製部品の材料特性推定法。
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