JP4592716B2 - 試料片採取方法、翼の温度推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面に層が設けられた部材から試料片を採取する試料片採取方法に関し、特に、ガスタービンに用いられる翼の表面にから試料片を採取する試料片採取方法と、翼の温度推定方法に関する。

部品の耐熱性を向上させるために、基材の表面に遮熱コーティングを施すことが従来から知られており、例えば、ガスタービンにおいては、タービンを構成する動翼や静翼の表面に遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating）を施すことが知られている。

遮熱コーティングにより部品表面に構成された部材（以下、遮熱コートと記す）は、一般的に、トップコートと呼ばれる最外層と、ボンドコートと呼ばれるトップコートと基材を接合する層の２つの層で構成されている。ガスタービン用の遮熱コートの場合、トップコートには、低熱伝導性のセラミックが用いられ、ボンドコートには、耐酸化性に優れた合金が用いられている。

このような遮熱コートは長時間高温にさらされると、ボンドコートのうちトップコートに接する側に、トップコートからの熱を受けて酸化した酸化物（Thermally Grown Oxide、以下、酸化スケール層と記す）が生じることがある。酸化スケール層は、トップコートに接する部分に生じ、熱的負荷の増大につれて体積膨張する。酸化スケール層が膨張して厚みを増すと、酸化スケール層がトップコートを押し上げてしまい、トップコートに割れ等が生じ、場合によっては、トップコートが基材及びボンドコートから剥離することがある。

このような遮熱コートに生じる剥離を事前に察知するために、遮熱コートの損傷の度合い、すなわち劣化状態を評価する手法が求められており、下記の特許文献１に記載の技術では、球体を衝突させる等、遮熱コートに衝撃力を与えることで、遮熱コートを破壊し、剥離等の破壊の状況から遮熱コートの劣化状態を把握している。

特開２００２−２７７３８３号公報

しかし、特許文献１に記載の技術は、遮熱コートに強い衝撃力を与えて、遮熱コートの組織を壊してしまうものであるため、遮熱コートを光学的に観察して劣化状態を把握するには適していない。

また、酸化スケール層は、厚くても２０μｍと極めて薄いものであり、単純な組成の酸化物ではないため、非破壊的な手法により、遮熱コートの酸化スケール層の状態を正確に把握することも困難である。

特に、ガスタービン用の翼に設けられている翼の遮熱コートの劣化状態を評価する場合、翼を切断するなどして、遮熱コートと部品とを共に破壊していた。このため、遮熱コートの評価を行うごとに、破壊した部品に替えて、新たな部品を備え付ける必要があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、部材を極力損傷させることなく、部材表面から試料片を採取可能な試料片採取方法と、翼を破壊することなくガスタービン用の翼の温度を推定可能な翼の温度推定方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る試料片採取方法は、基材の表面上に層が設けられた部材から基材の表面上に設けられた層の試料片を採取する試料片採取方法であって、筒状の刃を備える筒状カッタを表面から厚さ方向に送って切削することで、筒状の切り込みを形成する切込形成工程と、筒状の切り込みを外側に拡げるよう部材を切削する切込拡大工程と、外側に拡げられた筒状の切り込みから内側に向けて切削することで、切り込みの内側に構成される試料片を切り取る試料片切取工程と、を含み、試料片切取工程は、円盤状の刃を備える回転カッタを、外側に拡げられた筒状の切り込み内に挿入して切削することを特徴とする。

本発明に係る試料片採取方法において、部材は、ガスタービン用の翼であるものとすることができ、翼は、基材上に遮熱コートの層が設けられて表面が構成されるものとすることができ、切込形成工程において、筒状カッタは、基材に接するまで送られるものすることができ、試料片切取工程において、回転カッタは、基材を切削するものとすることができる。

本発明に係る試料片採取方法において、切込形成工程において、複数の筒状の切り込みを一部重複させて形成するものとすることができる。

本発明に係る翼の温度推定方法は、前記試料片採取方法で得られた試料片を用いて、基材上にボンドコートとトップコートが順次形成された翼の温度を推定する方法において、翼と同じ組成の供試体に基づいて、翼の酸化スケール層の厚さと温度，時間との関係を求めた後、この関係を利用して、実機から得られた試料片の酸化スケール層の厚みから翼の温度を推定するものとすることもできる。

また、本発明に係る翼の温度推定方法は、前記試料片採取方法で得られた試料片を用いて、基材上にセラミック層であるトップコートが形成された翼の温度を推定する方法において、得られた試料片から、トップコートに生成される単斜晶の量をＸ線回折法により測定し、この単斜晶の量に基づいてトップコートの表面温度を推定するものとすることもできる。

本発明に係る試料片採取方法によれば、筒状の刃を備える筒状カッタにより筒状の切り込みを形成する切込形成工程と、筒状の切り込みから内側に向けて切削することで試料片を切り取る試料片切取工程とを含むものとしたので、試料片を採取する際に部材に衝撃力を極力与えることなく、部材の表面から試料片を得ることができる。部材の正確な光学的観察が可能となる。

本発明に係る試料片採取方法において、筒状の切り込みを形成した後に、切り込みを外側に拡げるよう部材を切削する切込拡大工程を含むものとすることで、筒状カッタによる内径と外径の差が小さく、切り込みの内縁と外縁との間の距離が小さなものであっても、回転カッタを極力、部材表面に対して鋭角に挿入することができる。この結果、切り取られる試料片を極力薄いものとすることができ、試料片が切り取られた後に部材に形成される凹みを極力浅いものとすることができる。

本発明に係る試料片採取方法において、部材は、ガスタービン用の翼であるものとし、翼は、表面に遮熱コートの層が設けられて表面が構成されているものとし、切込形成工程において、筒状カッタは、基材に接するまで送られ、試料片切取工程において、回転カッタは、基材を切削するものとすることで、ガスタービンの翼の遮熱コートの試料片を、損傷の少ない形で採取することができる。これにより、ガスタービンの翼を破壊して交換することなく、酸化スケール層の評価を行って、翼の劣化状態を評価することが可能となる。

本発明に係る試料片採取方法において、複数の筒状の切り込みを一部重複させて形成するものとすることで、得られる試料片の面積に対する、複数の切り込みから外側に拡げる領域の面積割合を、切り込みを一つ形成する場合に比べて小さなものとすることができる。これにより、切り込みを外側に拡げるという面倒な工程を最小限に抑制しつつ、複数の試料片を得ることができる。

本発明に係る翼の温度推定方法は、翼と同じ組成の供試体に基づいて、翼の酸化スケール層の厚さと温度，時間との関係を求めた後、この関係を利用して、実機から得られた試料片の酸化スケール層の厚みから翼の温度を推定することで、翼を極力損傷させることなく、翼の温度を推定することができる。試料を得るために、翼を交換する必要がないため、低コストで翼の劣化状態を評価することができる。

また、本発明に係る翼の温度推定方法は、前記試料片採取方法から得られた試料片から、トップコートに生成される単斜晶の量をＸ線回折法により測定し、この単斜晶の量に基づいてトップコートの表面温度を推定することで、翼を極力損傷させることなく、翼の温度を推定することができる。試料を得るために、翼を交換する必要がないため、低コストで翼の劣化状態を評価することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本実施例に係る遮熱コート試料片の採取方法が適用されるガスタービンと、そのタービンの翼に設けられた遮熱コートについて図１〜図３−２を用いて説明する。図１は、ガスタービンの全体構成を示す縦断面図である。図２は、翼の断面図である。図３−１は、翼に設けられている遮熱コートの一例を示す図であり、図３−２は、遮熱コート内に酸化スケール層が生成された状態を示す図である。なお、図１及び図２には、本発明に関連する要部のみを模式的に示している。また、図３は、図２に二点鎖線Ｂで囲う部位の拡大図となっている。

図１に示すように、本実施例に係るガスタービン１は、産業用のものであり、空気の流れの上流側から下流側に向かって空気取入口２、圧縮機３、燃焼器４及びタービン５が設けられている。空気取入口２から取り込まれた空気は圧縮機３によって圧縮され、高温・高圧の圧縮空気となって燃焼器１０に供給する。燃焼器４は、圧縮空気に天然ガス等の気体燃料、或いは軽油や重油等の液体燃料を供給して燃料を燃焼させて、高温・高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼器４で生じた高温・高圧の燃焼ガスは、タービン５に供給される。

タービン５には、静翼１０及び動翼１１が交互に配列されている。タービン５は、燃焼器４から供給される燃焼ガスのエネルギを、静翼１０と動翼１１によって回転トルクに変換している。燃焼ガスからタービン５が受けた機械的動力のうち一部は、圧縮機３の駆動に用いられ、残りは、発電等に供される。なお、「翼」とは、動翼又は静翼を意味している。

図２に示すように、本実施例に係る翼１０（１１）は、その断面の全周に亘って、基材１００の表面１００ａ上に遮熱コート１１０の層が設けられている。遮熱コート１１０は、基材１００の表面１００ａに対して、蒸着や溶射を行うことで設けられる。翼１０（１１）に遮熱コート１１０を設けることで、基材１００の温度（メタル温度）を、翼１０（１１）に接する燃焼ガスの温度（例えば、１５００℃）に比べて低いものとすることができる。

図３−１に示すように、本実施例に係る遮熱コート１１０は、翼１０（１１）の外表面を構成する最外層であるトップコート１１４と、トップコート１１４と基材１００を結合する金属結合層であるボンドコート１１２を有している。ボンドコート１１２の材質には、耐酸化性に優れたＭＣｒＡlＹ（Ｍ：Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等）の合金が用いられている。この合金を低圧プラズマ溶射等により基材１００上に施工することで、ボンドコート１１２が形成されている。一方、トップコート１１４の材質には、ジルコニア系のセラミックが用いられる。このセラミックを大気圧プラズマ溶射や電子ビーム物理蒸着法によりボンドコート１１２上に施工することで、トップコート１１４が形成されている。

トップコート１１４は、内部に多数の気孔を有するなどして、遮熱性を有している。トップコート１１４は、その表面１１４ａに触れる燃焼ガスの温度に比べて基材１００の温度を低減させている。ボンドコート１１２は、トップコート１１４と基材１００を結合すると共に、トップコート１１４内に入り込んだ燃焼ガスやその熱により基材１００が酸化することを防止している。なお、トップコート１１４の表面１１４ａが、翼１０（１１）の表面となっている。

以上のように構成されたガスタービン１が長時間運転されると、動翼１０及び静翼１１の遮熱コート１１０においては、ボンドコート１１２とトップコート１１４との境界に隣接してボンドコート１１２に、図３−２に示すように、酸化物である酸化スケール層１１２ｓが生じる。酸化スケール層１１２ｓは、熱的負荷を受けるにしたがって、その領域が大きくなる（成長する）。これにより、トップコート１１４が基材１００から離れる側に押し上げられて、トップコート１１４に割れが生じ、場合によっては、トップコート１１４が剥離する場合がある。

このような遮熱コート１１０における酸化スケール層１１２ｓの生成状態を把握するために、本実施例では、円筒状の刃（切削部）を備える超音波カッタを利用してガスタービンの翼の表面から遮熱コートの試料片を採取しており、以下、図４〜図７を用いて、遮熱コートの試料片の採取方法を説明する。図４は、超音波カッタの円筒状の刃を示す斜視図である。図５−１〜図５−５は、試料片を採取する各工程における加工内容を説明する図である。図６は、試料採取中の遮熱コートの上面図である。図７は、超音波カッタにより翼の表面に形成される切り込みの他の態様を示す図である。

なお、図５−１には、加工前の状態を示し、図５−２は、遮熱コート１１０に円筒状の切り込みを入れた状態を示し、図５−３には、円筒状の切り込みの周囲をグラインダで切削している状態を示し、図５−４には、円盤状の刃を有する回転カッタにより、試料片の下にある基材１００を切削する状態を示し、図５−５には、基材１００から試料片が切り離された状態を示している。

図４に示すように、本実施例で用いる超音波カッタ２００は、刃２０２が細かく振動することで加工対象部材を切削するものである。超音波カッタ２００の刃２０２は、円筒状を呈しており、その直径Ｄは３〜５ｍｍとなっている。この超音波カッタ２００は、刃２０２を遮熱コート１１０に押し付けることで、遮熱コート１１０に円筒状の切り込みを形成することが可能となっている。また、超音波カッタ２００は、刃２０２の送り、すなわち刃２０２のトップコート１１４から基材１００に向かう方向への移動（図５−１中、矢印Ａで示す）の距離を把握できるように構成されている。

図５−１に示すように、まず、遮熱コート１１０の上から円筒状の刃２０２を垂直に突き立て振動させてトップコート１１４の切削を開始する。そして、トップコート１１４及びボンドコート１１２を切削しながら、図に矢印Ａで示すように、基材１００に向けて、遮熱コート１１０の厚さ分だけ、刃２０２を送る。

なお、超音波カッタ２００の刃２０２の振動周波数は、１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚのものが用いられる。振動周波数を大きくするに従って、切削速度すなわち刃の送り速度も大きくすることができるが、５０ｋＨｚ以上では、切削速度が大きすぎて、トップコート１１４に損傷を与えてしまう。一方、１ｋＨｚ以下では、トップコート１１４の切削速度が、後述する標準条件の１００分の１以下となり、著しく低下してしまう。本実施例の標準的な条件では、刃の振動周波数が２５ｋＨｚに設定されていると共に、刃の送り速度が０．５ｍｍ／ｍｉｎに設定されている。

また、超音波カッタ２００の砥粒には、カーボランダム（ＳｉＣ）が用いられ、その粒度は、粒度＃２４０〜＃１０００、すなわち砥粒の直径約６０μｍ〜１６μｍのものが用いられている。本実施例の標準的な条件では、粒度は＃４００すなわち砥粒の直径約３０μｍに設定されている。なお、砥粒の粒度が＃２４０より小さい即ち砥粒の粒径が大きいと、切削速度が速くなるが、切断面に損傷が生じ易く、＃１０００より大きい即ち砥粒の粒径が小さくなると切削速度が著しく低下する。

そして、図５−２に示すように、超音波カッタ２００の刃２０２が基材１００と遮熱コート１１０の境界である基材表面１００ａに接するまで切削する（切込形成工程）。これにより、図６に示すように、遮熱コート１１０に円筒状の切り込み１２１を形成することができる。遮熱コート１１０のうち、この円筒状の切り込み１２１に囲まれた部位が、後述する試料片２０となる。すなわち切り込み１２１の内縁１２０が試料片２０の縁となる。

そして、図５−３に示すように、切り込み１２１の外側にある遮熱コート１１０を、後の工程において円盤状の刃２２２（切削部）を有する回転カッタ２２０が挿入できるように、グラインダ等により除去する。詳細には、図６に示すように、切り込み１２１の外縁１２２に隣接する遮熱コート１１０を、外縁１２２から基材１００の表面１００ａに沿う方向に所定の距離の離れた縁１３０まで切削することで、切り込み１２１を拡大する（切込拡大工程）。縁１３０は、切削前のトップコート１１４の表面１１４ａと連続することとなる。つまり、切り込み１２１の外縁１２２から所定の距離をあけた縁１３０までは、外縁１２２から縁１３０に向けて離れるに従って、基材１００表面１００ａからトップコート１１４表面１１４ａに向かうように皿状に切削されている。このように、切り込み１２１の外縁１２２に隣接する領域１３３の遮熱コート１１０を切削することで、切り込み１２１を外側に皿状に拡げている。

そして、図５−４に示すように、後に試料片２０となる部分２０ａのうちボンドコート１１２より基材１００側が、極薄の円盤状の刃２２２（切削部）を備える回転カッタ２２０により切削される。

回転カッタ２２０は、ダイヤモンドの砥粒が円盤に電着されて、円盤状の刃２２２が構成されているものである。回転カッタ２２０は、円盤状の刃２２２を回転させることで、加工対象部材のうち刃２２２に接する部位を切削することが可能となっている。回転カッタ２２０の刃２２２は、厚さＴが０．０５〜０．４ｍｍのものが用いられる。本実施例において、回転カッタ２２０の刃の厚さＴは、０．２ｍｍのものを用いている。なお、刃の厚さが０．０５ｍｍ未満のものを用いると、切削中に刃２２２が撓んでしまう。一方、刃２２２の厚さが０．４ｍｍを超えるものを用いると、「切削しろ」が大きく、基材１００を大きく削ることとなってしまうため好ましくない。また、回転カッタ２２０の円盤状の刃２２２の外径は、超音波カッタ２００の円筒状の刃２０２の内径Ｄ２に比べて十分大きいものが用いられている。

回転カッタ２２０は、試料片２０となる部分２０ａのうちボンドコート１１２を削らないように、刃先２２３が挿入される。加えて、回転カッタ２２０は、ボンドコート１１２の下にある基材１００を極力削らないよう、なるべく円盤の表面２２２ａと基材１００の表面１００ａが、小さな角度をなすように挿入される。

そして、回転カッタ２２０により、円筒状の切り込み１２１の内縁１２０から全周に亘って、試料片２０となる部分２０ａから内側に向けて基材１００を切削することで、図５−５に示すように、翼１０（１１）から試料片２０が切り取られる（試料片切取工程）。このようにして、本実施例では、超音波カッタ２００の筒状の刃２０２の内径に応じた試料片２０を採取することができる。得られた試料片２０は、遮熱コート１１０の劣化状態の評価に供される。なお、「内側」とは、切り込み１２１から、試料片となる部分２０ａの中心に向かう方向、すなわち円筒状の切り込み１２１の径方向内向きを意味している。

試料片２０を採取する際に、試料片２０のトップコート１１４及びボンドコート１１２と共に基材１００の一部１１０ｃが切り取られてしまい。基材１００には、この痕跡である凹み１００ｅが形成されてしまう。しかし、この凹み１００ｅの基材表面１００ａからの深さＢが、０．５ｍｍ程度であれば、凹み１００ｅの上に遮熱コート１１０を再び形成することで、凹み１００ｅを有する翼１０（１１）を、そのままガスタービン１のタービン５の翼１０（１１）として用いることができる。

以上に説明したように本実施例では、筒状の刃２０２を備える超音波カッタ２００により遮熱コート１１０の表面１１４ａから基材１００の表面まで、円筒状の切り込み１２１を形成する工程と、円盤状の刃２２２を備える回転カッタ２２０により、円筒状の切り込み１２１から内側に向けて切削することで、試料片２０を切り取る工程とを有している。このため、採取する際に遮熱コート１１０に衝撃力を極力与えてしまうことがなく、翼１０（１１）から遮熱コート１１０を含む試料片２０を得ることができる。これにより、翼１０（１１）設けられた遮熱コート１１０のボンドコート１１２に生じている酸化スケール層１１２ｓの厚さの計測など、酸化スケール層１１２ｓの正確な光学的観察が可能となる。この結果、ガスタービン１において、タービン５の翼１０（１１）を交換することなく、遮熱コート１１０の劣化状態の評価を行うことができる。

また、本実施例では、超音波カッタ２００により切り込み１２１を形成した後、切り込み１２１の外側にある遮熱コート１１０を全周に亘って切削することで切り込み１２１を拡げてから、回転カッタ２２０により切り込み１２１から内側に向けて切削するものとした。切り込み１２１を外側に拡げてから、切り込み１２１に回転カッタ２２０を挿入するため、超音波カッタ２００による内径Ｄ２と外径Ｄ１の差が小さく、切り込み１２１の内縁１２０と外縁１２２との間の距離が小さなものであっても、回転カッタ２２０を極力、基材１００表面に対して鋭角に挿入することができる。この結果、試料片２０において遮熱コート１１０と共に切り取られる基材１００を極力薄いものとすることができ、試料片２０が切り取られた後に基材１００に形成される凹み１００ｅを極力浅いものとすることができる。

なお、本実施例において、超音波カッタ２００による筒状の切り込み１２１は、円形のものが１つ形成されるものとしたが、切り込み１２１の態様は、これに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、複数の切り込み１２１ｃ，１２１ｆを一部重複させて形成することも好適である。このように切り込み１２１ｃ，１２１ｆを重ねることで、得られる試料片（２０ｃ，２０ｅ，２０ｆ）の面積に対する、切り込み１２１ｃ，１２１ｆから外側に拡げる領域１３５の面積の割合を、切り込み１２１を一つ形成する場合に比べて小さなものとすることができる。これにより、切り込み１２１を外側に拡げるという他の工程に比べて面倒な工程を最小限のものとしつつ、複数の試料片２０ｃ，２０ｅ，２０ｆを得ることができる。

本実施例に係る遮熱コートの試料片の採取方法について、図５−２、図５−３、及び図８−１〜図９−３を用いて説明する。図８−１は、放電ワイヤカット装置の正面図である。図８−２は、放電ワイヤカット装置の側面図である。図９−１〜図９−３は、放電ワイヤカット装置の動作を説明する図であり、図９−１は、電極が遮熱コートに形成された切り込みに入り込む状態を示す図である。図９−２は、電極が放電により切削を行いながら基材表面に沿って移動している状態を示す図である。図９−３は、電極が切削を終えて切り込みから抜け出す状態を示す図である。本実施例は、回転カッタに替えて放電ワイヤカット装置を用いて、遮熱コートの試料片を切り取る点で、実施例１とは異なり、以下に詳細を説明する。なお、ガスタービン、翼、及び遮熱コートについては、実施例１と共通の構成であり、同一の符号を付して説明を省略する。

図８−１に示すように、放電ワイヤカット装置３００は、コの字形のワイヤで構成されて放電により金属を切削可能な電極３１０と、この電極３１０を保持する電極ホルダ３１５を有している。電極３１０には、図示しない電源から電力が供給されており、電極３１０は、加工対象部材であり金属部材である翼１０（１１）との間に、放電を生じさせることで、翼１０（１１）を切削することが可能に構成されている。

また、放電ワイヤカット装置３００には、電極ホルダ３１５を回転駆動する回転軸３３０と、ステー３２５を介して回転軸３３０に結合されているスライド機構３２０と、ローラ３４０の動きを電極ホルダ３１５に伝達する回転軸３３０の回転を電極ホルダ３１５に伝達するステー３２５とを有している。回転軸３３０は、図示しないモータに結合されており、回転軸３３０の軸心Ｃを中心に回転駆動される。回転軸３３０の回転は、ステー３２５から後述するスライド機構３２０を介して電極ホルダ３１５に伝達される。これにより、電極３１０を回転軸３３０の周方向に回転駆動することが可能となっている。

加えて、放電ワイヤカット装置３００には、電極３１０及び電極ホルダ３１５の回転軸３３０の径方向にスライド移動を可能にするスライド機構３２０と、電極３１０の径方向に移動を規定する輪郭面（プロファイル面、３５１，３５２，３５３）が形成されているならい型３５０と、ならい型３５０の輪郭面３５１，３５２，３５３に沿って移動するローラ３４０と、ローラ３４０の回転軸３３０の径方向の移動を、電極ホルダ３１５及び電極３１０に伝達するロッド３３５とを有している。

ローラ３４０は、ロッド３３５に対して回転可能に支持されており、ならい型３５０の輪郭面（３５１，３５２，３５３）に沿って移動する。ロッド３３５は、図示しないスプリングにより、ローラ３４０を、回転軸３３０の径方向をならい型３５０の輪郭面（３５１，３５２，３５３）に向かう方向に付勢している。これにより、ローラ３４０は、ならい型３５０の輪郭面（３５１，３５２，３５３）に沿って移動することができ、ロッド３３５は、ならい型３５０の輪郭に応じて回転軸３３０の径方向に駆動される。ロッド３３５には、電極ホルダ３１５が結合されており、且つスライド機構３２０を介して、回転軸３３０に結合されている。これにより、回転軸３３０の回転と、ならい型３５０の輪郭面（３５１，３５２，３５３）により規定されるロッド３３５の、回転軸３３０の径方向へのスライド移動が統合されて、電極ホルダ３１５及び電極３１０に伝達される。

このように構成された放電ワイヤカット装置３００は、図８−２に示すように、ならい型３５０の輪郭面（３５１，３５２，３５３）の断面形状を回転軸３３０の軸心Ｃを中心とする円周形から変化させた分だけ、電極３１０が回転軸３３０の径方向にスライド移動することとなる。つまり、放電ワイヤカット装置３００は、ならい型３５０の輪郭面（３５１，３５２，３５３）の断面形状を設定することで、回転軸３３０の軸心Ｃから電極３１０までの距離Ｅが電極３１０の回転角位置に応じた所望の値となるよう調整することができる。

本実施例に係る遮熱コートの試料片採取方法では、実施例１と同様に、まず、図５−２に示すように、円筒状の刃２０２を備える超音波カッタ２００により遮熱コート１１０から基材１００まで円筒状の切り込み１２１を形成する（切込形成工程）。そして、図５−３に示すように、切り込み１２１の外縁より外側にある遮熱コート１１０を切削することで、切り込み１２１を外側に拡げる（切込拡大工程）。

そして、切り込み１２１が形成された翼１０（１１）を、図９−１に示すように、放電ワイヤカット装置３００にセットして、図示しないモータを制御して回転軸３３０を回転させると共に、電極３１０に電圧をかけて放電させる。ならい型３５０の輪郭面（３５１，３５２，３５３）のうち第１面３５１に沿ってローラ３４０が移動することで、電極３１０は、回転軸３３０の周方向に回転移動して、切り込み１２１内に入り込む。

そして、ローラ３４０は、図９−２に示すように、輪郭面（３５１，３５２，３５３）のうち中央にある第２面３５２に沿って移動する。第２面３５２は、第１面３５１に比べて電極３１０を回転軸３３０の径方向をならい型３５０側にスライド移動させるよう凹み１００ｅが形成されている。この第２面３５２は、これに沿ってローラ３４０が移動することで、回転軸３３０を中心としてローラ３４０の反対側に設けられている電極３１０が、基材１００と遮熱コート１１０の基材表面１００ａに沿って平行に移動するよう、形状が設定されている。このように設定することで、電極３１０は、基材表面１００ａに沿って平行移動すると共に、遮熱コート１１０及び基材１００との間で放電を生じさせることにより、基材表面１００ａに沿って切削する（試料片切取工程）。

そして、ローラ３４０が、第２面３５２から第３面３５３に沿って移動することで、翼１０（１１）から試料片２０が切り取られ、電極３１０は、切り込み１２１から抜け出る。このようにして、放電ワイヤカット装置３００は、翼１０（１１）の表面から、遮熱コート１１０の試料片２０を切り取ることができる。

以上説明したように本実施例に係る遮熱コート１１０の試料片採取方法では、回転軸３３０のから電極３１０までの距離Ｅを電極３１０の回転角位置に応じた所望の値に調整可能な、放電ワイヤカット装置３００により、筒状の切り込み１２１から内側に向けて切削して試料片２０を切り取る工程を行うものとしたので、採取される遮熱コート１１０の試料片２０を、基材１００が極力含まれないものとすることができる。

なお、本実施例において、放電ワイヤカット装置３００は、ならい型３５０と、ならい型３５０の輪郭面（３５１，３５２，３５３）に沿って移動するローラ３４０と、ローラ３４０を回転可能に指示すると共に電極ホルダ３１５に結合されているローラ３４０を有するものとしたが、放電ワイヤカット装置３００の態様は、これに限定されるものではない。回転軸３３０から電極３１０までの距離Ｅを電極３１０の回転角位置に応じた所望の値に調整可能であれば良い。例えば、本実施例の放電ワイヤカット装置３００に対して、ならい型３５０、ローラ３４０、ロッド３３５を廃止し、電極ホルダ３１５を保持するスライド機構３２０に替えて、制御装置により伸縮制御可能なアクチュエータで構成するものとして良い。

本実施例は、実施例１又は２に係る試料片の採取方法で得られた遮熱コートの試料片から、基材の温度である「メタル温度」を推定する方法であり、以下に詳細を説明する。なお、ガスタービン、翼、及び遮熱コートと共通の構成については、実施例１と共通の構成であり、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例に係るメタル温度推定方法は、基材１００上にボンドコート１１２とトップコート１１４を順次形成した翼１０（１１）のメタル温度を推定する方法において、翼１０（１１）と同じ組成の供試体に基づいて、翼１０（１１）の酸化スケール層１１２ｓの厚さと温度，時間との関係を求めた後、この関係を利用して実機から得られた試料片２０の酸化スケール層１１２ｓの厚みから翼１０（１１）のメタル温度を推定する。これにより、翼１０（１１）の基材１００を極力損傷させることなく、トップコート１１４の剥離等の翼１０（１１）の劣化時期を予測することができ、翼１０（１１）の残存寿命を評価することができる。翼を交換する必要がないため、低コストで翼の劣化状態を評価することができる。

また、本実施例に係るメタル温度推定方法は、基材１００上にボンドコート１１２とトップコート１１４を順次形成した翼１０（１１）のメタル温度を推定する方法において、翼１０（１１）と同じ組成の供試体に基づいて、翼１０（１１）の表面側に形成された析出物消失深さと温度，時間との関係を求めた後、この関係を利用して実機から得られた試料片２０に形成されている析出物消失深さから翼１０（１１）のメタル温度を推定するものとすることができる。この方法によっても、トップコート１１４の剥離等の翼１０（１１）の劣化時期を予測することができ、翼１０（１１）の残存寿命を評価することができる。

また、本実施例に係るメタル温度推定方法は、基材１００上にボンドコート１１２を形成した翼１０（１１）のメタル温度を推定する方法において、翼１０（１１）と同じ組成の供試体に基づいて、翼１０（１１）の基材１００表面に形成されている拡散層の厚さと温度，時間との関係を求めた後、この関係を利用して実機から得られた試料片２０の拡散層の厚さから高温部品のメタル温度を推定するものとすることができる。この方法によっても、トップコート１１４の剥離等の翼１０（１１）の劣化時期を予測することができ、翼１０（１１）の残存寿命を評価することができる。

また、本実施例に係るメタル温度推定方法は、基材１００上にボンドコート１１２を形成した翼１０（１１）のメタル温度を推定する方法において、翼１０（１１）と同じ組成の供試体に基づいて、翼１０（１１）の基材１００側に形成された析出物消失深さと温度，時間との関係を求めた後、この関係を利用して実機から得られた試料片２０に形成されている析出物消失深さから高温部品のメタル温度を推定するものとすることができる。この方法によっても、トップコート１１４の剥離等の翼１０（１１）の劣化時期を予測することができ、翼１０（１１）の残存寿命を評価することができる。

なお、本実施例に係るメタル温度推定方法の詳細は、本願出願人の特許第３７９４９３９号公報の第０００１段落から第００２８段落に記載されており、本実施例は、これら段落に対応して説明されている、図をも含むものとする。

本実施例に係る翼１０（１１）の温度推定方法は、実施例１又は２に係る試料片２０の採取方法で得られた遮熱コート１１０の試料片２０から、翼１０（１１）のトップコート１１４の温度を推定する方法であり、以下に詳細を説明する。なお、ガスタービン、翼１０（１１）、及び遮熱コート１１０の構成については、実施例１と共通の構成であり、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例に係る翼１０（１１）の温度推定方法は、基材１００上にセラミック層であるトップコート１１４が形成された翼１０（１１）の温度を推定する方法において、得られた試料片２０から、トップコート１１４に生成される単斜晶の量をＸ線回折法により測定し、この単斜晶の量に基づいてトップコート１１４の表面温度を推定する。これにより、非破壊的にトップコート１１４の表面温度を推定して、トップコート１１４の剥離等の翼１０（１１）の劣化時期を予測することができ、翼１０（１１）の残存寿命を評価することができる。翼を交換する必要がないため、低コストでトップコート１１４の状態を評価することができる。

基材１００上にトップコート１１４が形成された翼１０（１１）の温度を推定する方法において、得られた試料片２０からトップコート１１４の深さ方向に沿う断面のミクロ組織を画像処理して膜状欠陥の面積率を求めることにより、この面積率に基づいてトップコート１１４の表面温度を推定する。この方法によっても、トップコート１１４の剥離等の翼１０（１１）の劣化時期を予測することができ、翼１０（１１）の残存寿命を評価することができる。

基材１００上にトップコート１１４が形成された翼１０（１１）の温度を推定する方法において、トップコート１１４の深さ方向に沿う断面の硬さを求め、この硬さに基づいてトップコート１１４の表面温度を推定する。この方法によっても、トップコート１１４の剥離等の翼１０（１１）の劣化時期を予測することができ、翼１０（１１）の残存寿命を評価することができる。

なお、本実施例に係るメタル温度推定方法の詳細は、本願出願人の特許第３５１９７０３号公報の第０００１段落から第００３８段落に記載されており、本実施例は、これら段落を含むものとする。

なお、上述の各実施例において、基材１００上には、遮熱コート１１０として、耐酸化層であるボンドコート１１２と、セラミック層であるトップコート１１４が順次設けられているものとし、試料片２０は、主にボンドコート１１２とトップコート１１４で構成されるものとしたが、遮熱コート１１０及び試料片２０の構成は、これに限定されるものではない。例えば、基材の上に設けられたボンドコートと、翼の表面を構成するトップコートの間に、別途、耐酸化層を設ける構成としても良い。

以上のように、本実施例に係る試料片の採取方法は、タービン用の翼に設けられた遮熱コートの劣化状態の評価に有用であり、特に、産業用ガスタービン用の翼の劣化状態の評価に有用である。

実施例１に係るガスタービンの全体構成を示す縦断面図である。 実施例１に係る翼の断面図である。 実施例１に係る翼に設けられている遮熱コートの一例を示す図である。 実施例１に係る遮熱コート内に酸化スケール部が生成された状態を示す図である。 実施例１に係る超音波カッタの円筒状の刃を示す斜視図である。 実施例１に係る試料片を採取する各工程における加工内容を説明する図であり、加工前の状態を示す図である。 実施例１に係る試料片を採取する各工程における加工内容を説明する図であり、遮熱コートに円筒状の切り込みをいれた状態を示す図である。 実施例１に係る試料片を採取する各工程における加工内容を説明する図であり、円筒状の切り込みの周囲をグラインで切削している状態を示す図である。 実施例１に係る試料片を採取する各工程における加工内容を説明する図であり、円盤状の刃を有する回転カッタにより、試料片の下にある基材を切削する状態を示す図である。 実施例１に係る試料片を採取する各工程における加工内容を説明する図であり、基材から試料片が切り離された状態を示す図である。 実施例１に係る試料採取中の遮熱コートの上面図である。 超音波カッタにより翼に形成される切り込みの他の態様を示す図である。 実施例２に係る放電ワイヤカット装置の正面図である。 実施例２に係る放電ワイヤカット装置の側面図である。 実施例２に係る放電ワイヤカット装置の動作を説明する図であり、電極が遮熱コートに形成された切り込みに入り込む状態を示す図である。 実施例２に係る放電ワイヤカット装置の動作を説明する図であり、電極が切削を行いながら基材表面に沿って移動している状態を示す図である。 実施例２に係る放電ワイヤカット装置の動作を説明する図であり、電極が切削を終えて切り込みから抜け出す状態を示す図である。

符号の説明

１ ガスタービン
３ 圧縮機
５ タービン
２０ 試料片
２０ｃ，２０ｅ，２０ｆ 試料片
１００ 基材
１００ａ 基材の表面
１１０ 遮熱コート
１１２ ボンドコート
１１２ｓ 酸化スケール層
１１４ トップコート
１１４ａ 表面（翼の表面）
１２０ 内縁
１２１ 切り込み
１２２ 外縁
２００ 超音波カッタ（筒状カッタ）
２０２ 刃（筒状の刃）
２２０ 回転カッタ
２２２ 刃（円盤状の刃）
３００ 放電ワイヤカット装置（放電サンプリング装置）
３１０ 電極
３１５ 電極ホルダ
３２０ スライド機構
３３０ 回転軸
３４０ ローラ

Claims (5)

1. 基材の表面上に層が設けられた部材から基材の表面上に設けられた層の試料片を採取する試料片採取方法であって、
   筒状の刃を備える筒状カッタを表面から厚さ方向に送って切削することで、筒状の切り込みを形成する切込形成工程と、
   筒状の切り込みを外側に拡げるよう部材を切削する切込拡大工程と、
   外側に拡げられた筒状の切り込みから内側に向けて切削することで、切り込みの内側に構成される試料片を切り取る試料片切取工程と、
   を含み、
   試料片切取工程は、円盤状の刃を備える回転カッタを、外側に拡げられた筒状の切り込み内に挿入して切削することを特徴とする試料片採取方法。
2. 請求項１に記載の試料片採取方法であって、
   部材は、ガスタービン用の翼であり、
   翼は、基材上に遮熱コートの層が設けられて表面が構成されるものであり、
   切込形成工程において、筒状カッタは、基材に接するまで送られ、
   試料片切取工程において、回転カッタは、基材を切削する、
   ことを特徴とする試料片採取方法。
3. 請求項１に記載の試料片採取方法であって、
   切込形成工程において、複数の筒状の切り込みを一部重複させて形成することを特徴とする試料片採取方法。
4. 請求項３に記載の試料片採取方法で得られた試料片を用いて、基材上にボンドコートとトップコートが順次形成された翼の温度を推定する方法において、
   翼と同じ組成の供試体に基づいて、翼の酸化スケール層の厚さと温度，時間との関係を求めた後、この関係を利用して、実機から得られた試料片の酸化スケール層の厚みから翼のメタル温度を推定することを特徴とする翼の温度推定方法。
5. 請求項３に記載の試料片採取方法で得られた試料片を用いて、基材上にセラミック層であるトップコートが形成された翼の温度を推定する方法において、得られた試料片から、トップコートに生成される単斜晶の量をＸ線回折法により測定し、この単斜晶の量に基づいてトップコートの表面温度を推定することを特徴とする翼の温度推定方法。

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