JP4716328B2 - Life management method of thermal barrier coating - Google Patents
Life management method of thermal barrier coating Download PDFInfo
- Publication number
- JP4716328B2 JP4716328B2 JP2006185239A JP2006185239A JP4716328B2 JP 4716328 B2 JP4716328 B2 JP 4716328B2 JP 2006185239 A JP2006185239 A JP 2006185239A JP 2006185239 A JP2006185239 A JP 2006185239A JP 4716328 B2 JP4716328 B2 JP 4716328B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- thermal barrier
- barrier coating
- forming metal
- oxide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
本発明は、遮熱コーティングの寿命管理方法に関し、例えばガスタービン動翼等の基材表面に施工された遮熱コーティングの寿命管理方法に関するものである。 The present invention relates to a thermal barrier coating life management method, for example, a thermal barrier coating lifetime management method applied to a substrate surface such as a gas turbine blade.
我国の電力事業の火力発電では、コンバインドサイクル発電を目的としてＬＮＧ焚きガスタービン（以下ＧＴと称す）が多く導入されている。コンバインドサイクルの熱効率を向上させるため、これまでガスタービン入口温度（ＴＩＴ）の高温化が図られており現在では、ＴＩＴが１５００℃に達するガスタービンが開発されている。 In the thermal power generation of our power business, many LNG-fired gas turbines (hereinafter referred to as GT) are introduced for the purpose of combined cycle power generation. In order to improve the thermal efficiency of the combined cycle, the gas turbine inlet temperature (TIT) has been increased so far, and a gas turbine having a TIT of 1500 ° C. has been developed.
燃焼器、静翼、動翼などのＧＴ高温部品は、燃焼ガス流に曝されており、耐熱性の面から厳しい環境に置かれている。ＧＴ高温部品の保守コスト削減および信頼性向上のためには、合理的な判断基準に基づいた寿命評価法の開発が重要である。 GT high-temperature parts such as a combustor, a stationary blade, and a moving blade are exposed to a combustion gas flow, and are placed in a severe environment in terms of heat resistance. In order to reduce the maintenance cost and improve the reliability of GT high-temperature parts, it is important to develop a life evaluation method based on rational judgment criteria.
ＧＴ高温部品には、高温の燃焼ガスから基材を保護するため、部品内部の冷却とともに遮熱コーティング（ＴＢＣ）が適用されており、ＧＴの高温化・高効率化に伴い、ＴＢＣの重要性はより一層高まっている。ＴＢＣは、Ｎｉ基あるいはＣｏ基の超合金基材表面に合金層（ボンドコート）を施工し、さらにその上に熱伝導率が小さいセラミック層（トップコート）が施工される構造となっている。 In order to protect the base material from high-temperature combustion gas, thermal barrier coating (TBC) is applied to GT high-temperature parts, and the importance of TBC is increasing with the higher temperature and higher efficiency of GT. Is growing even more. The TBC has a structure in which an alloy layer (bond coat) is applied to the surface of a Ni-based or Co-based superalloy substrate, and a ceramic layer (top coat) having a low thermal conductivity is further formed thereon.
高温部品の寿命評価にとって重要な温度分布を推定する手法として、耐食コーティングのみを施したものについては耐食コーティングの組織変化を用いた温度推定手法については本出願人がすでに提案している（特許文献１参照）が、セラミック層をトップコートに施したＴＢＣ部品についての温度推定方法ではない。 As a method for estimating the temperature distribution that is important for the life evaluation of high-temperature parts, the applicant has already proposed a temperature estimation method using the structural change of the anti-corrosion coating for those with only the anti-corrosion coating (Patent Literature). 1) is not a temperature estimation method for TBC parts with a ceramic layer applied to the topcoat.
一方、すでに提案されているＴＢＣ部品の温度推定手法としては、ボンドコートの高温酸化によって成長する酸化物に着目した手法（非特許文献１参照）、およびトップコートの気孔率および熱伝導率を用いた手法（特許文献２参照）がある。また、高温部品のメタル表面の酸化スケール層の厚さに基づいてメタル温度を推定する方法が提案されている（特許文献３参照）。 On the other hand, as a temperature estimation method for TBC parts that has already been proposed, a method focusing on oxides grown by high-temperature oxidation of a bond coat (see Non-Patent Document 1), and the porosity and thermal conductivity of the top coat are used. Method (see Patent Document 2). In addition, a method for estimating the metal temperature based on the thickness of the oxide scale layer on the metal surface of the high-temperature component has been proposed (see Patent Document 3).
しかしながら、何れも高温部品の温度を推定するのみであり、劣化を予測するものではなかった。 However, all of them only estimated the temperature of the high-temperature parts, and did not predict deterioration.
なお、高温部品の寿命管理方法としては、アルミニウムを含有するコーティングを施した高温部品について、コーティング層表層部の経時的変化を示すパラメータを用いてコーティング表層部のアルミニウム量を定量的に評価し、コーティング層の寿命を評価する方法が提案されている（特許文献４参照）。また、アルミニウムを含有するコーティングが施されたガスタービン動翼の寿命推定方法について、コーティング層と基材との間に形成される金属間化合物の厚さからその成長速度係数を求め、これから使用温度を推定して動翼の交換寿命を推定する方法が提案されている（特許文献５参照）。しかしながら、何れもＴＢＣを設けた高温部品に関するものではない。 In addition, as a life management method for high temperature parts, for the high temperature parts coated with aluminum, the amount of aluminum in the coating surface layer part is quantitatively evaluated using a parameter indicating the change over time of the coating layer surface part, A method for evaluating the life of the coating layer has been proposed (see Patent Document 4). In addition, regarding the life estimation method for gas turbine blades coated with aluminum, the growth rate coefficient is obtained from the thickness of the intermetallic compound formed between the coating layer and the substrate, and the operating temperature is determined from this. Has been proposed to estimate the replacement life of the rotor blade (see Patent Document 5). However, none relates to a high-temperature component provided with a TBC.
本発明は、上述した事情に鑑み、ＴＢＣを備えた高温部品について劣化状況を精度よく推定して高温部品の寿命を効率的に管理できる遮熱コーティングの寿命管理方法を提供することを課題とする。 This invention makes it a subject to provide the lifetime management method of the thermal-insulation coating which can estimate the deterioration condition accurately about the high temperature component provided with TBC, and can manage the lifetime of a high temperature component efficiently in view of the situation mentioned above. .
前記課題を解決する本発明の第１の態様は、高温部品の基材の表面に界面酸化物形成金属含有合金からなるボンドコート層とセラミックスからなるトップコート層とを施した遮熱コーティングの寿命管理方法において、前記ボンドコート層の前記基材及び前記トップコート層の何れか一方の界面近傍に存在する界面酸化物形成金属の含有量が低下した界面酸化物形成金属低下層の厚さと、当該ボンドコート層中の界面酸化物形成金属の平均含有量との相関を求め、実機で使用された高温部品の所定部位の遮熱コーティングの界面酸化物形成金属低下層の厚さを計測し、この計測値と前記相関とから前記遮熱コーティングの寿命を推測することを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法にある。 The first aspect of the present invention that solves the above problem is that the thermal barrier coating has a lifetime of a bond coat layer made of an interfacial oxide-forming metal-containing alloy and a top coat layer made of ceramics on the surface of a substrate of a high-temperature part. In the management method, the thickness of the interface oxide-forming metal-reduced layer in which the content of the interface oxide-forming metal present in the vicinity of any one of the base material and the topcoat layer of the bond coat layer is reduced, and Obtain the correlation with the average content of interfacial oxide-forming metal in the bond coat layer, and measure the thickness of the interfacial oxide-forming metal lowering layer of the thermal barrier coating at a predetermined part of the high-temperature part used in the actual machine. The lifetime management method of the thermal barrier coating is characterized by estimating the lifetime of the thermal barrier coating from the measured value and the correlation.
かかる第１の態様では、界面酸化物形成金属低下層の厚さとボンドコート層中の界面酸化物金属の平均含有量との相関を求め、実機の界面酸化物形成金属低下層の厚さを測定することにより、ボンドコート層の劣化を推定し、これにより遮熱コーティングの寿命、すなわち、高温部品の寿命を管理することができる。 In the first aspect, the correlation between the thickness of the interface oxide-forming metal lowering layer and the average content of the interface oxide metal in the bond coat layer is obtained, and the thickness of the actual interface oxide-forming metal lowering layer is measured. By doing so, it is possible to estimate the deterioration of the bond coat layer and thereby manage the life of the thermal barrier coating, that is, the life of the high-temperature component.
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の遮熱コーティングの寿命管理方法において、前記界面酸化物形成金属低下層が、前記トップコート層との界面近傍に存在するものであり、前記ボンドコート層と前記トップコート層との界面に形成される界面酸化物形成金属の酸化物からなる界面酸化層の内側に存在することを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法にある。 The second aspect of the present invention is the thermal barrier coating life management method according to the first aspect, wherein the interface oxide-forming metal reducing layer is present in the vicinity of the interface with the topcoat layer, The thermal barrier coating life management method is characterized in that the thermal barrier coating is present inside an interface oxide layer made of an oxide of an interface oxide forming metal formed at an interface between the bond coat layer and the top coat layer.
かかる第２の態様では、トップコート層とボンドコート層との界面に形成される界面酸化層の内側に存在する界面酸化物形成金属低下層の厚さとボンドコート層中の界面酸化物形成金属の含有量との相関をとることにより、これにより遮熱コーティングの寿命、すなわち、高温部品の寿命を管理することができる。 In the second aspect, the thickness of the interfacial oxide-forming metal-reducing layer existing inside the interfacial oxide layer formed at the interface between the topcoat layer and the bondcoat layer and the interfacial oxide-forming metal in the bondcoat layer By taking a correlation with the content, it is possible to manage the life of the thermal barrier coating, that is, the life of high temperature components.
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様に記載の遮熱コーティングの寿命管理方法において、前記計測値と前記相関とから前記遮熱コーティングの寿命を推測するステップでは、前記界面酸化物形成金属低下層の厚さの計測値から、当該ボンドコート層中の界面酸化物形成金属の平均含有量を推定し、当該界面酸化物形成金属含有量の低減状態から前記遮熱コーティングの寿命を推測することを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法にある。 According to a third aspect of the present invention, in the thermal barrier coating lifetime management method according to the first or second aspect, in the step of estimating the lifetime of the thermal barrier coating from the measured value and the correlation, the interface oxidation is performed. The average content of interfacial oxide-forming metal in the bond coat layer is estimated from the measured value of the thickness of the object-forming metal lowering layer, and the life of the thermal barrier coating from the reduced state of the interfacial oxide-forming metal content It is in the lifetime management method of the thermal barrier coating characterized by estimating this.
かかる第３の態様では、界面酸化物形成金属低下層の厚さの計測値から、当該ボンドコート層中の界面酸化物形成金属の平均含有量を推定し、これにより界面酸化物形成金属含有量の低減状態を把握し、これにより前記遮熱コーティングの寿命を推測する。 In the third aspect, the average content of the interfacial oxide-forming metal in the bond coat layer is estimated from the measured value of the thickness of the interfacial oxide-forming metal lowering layer, whereby the interfacial oxide-forming metal content is estimated. The reduction state is grasped, and thereby the life of the thermal barrier coating is estimated.
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様に記載の遮熱コーティングの寿命管理方法において、前記計測値と前記相関とから前記遮熱コーティングの寿命を推測するステップでは、前記ボンドコート層中の界面酸化物形成金属含有量が、前記基材中の界面酸化物形成金属の含有量と同等になるまでを寿命として推測することを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法にある。 According to a fourth aspect of the present invention, in the thermal barrier coating life management method according to any one of the first to third aspects, in the step of estimating the thermal barrier coating lifetime from the measured value and the correlation, The life management method of a thermal barrier coating, wherein the lifetime is estimated until the content of the interfacial oxide-forming metal in the bond coat layer is equal to the content of the interfacial oxide-forming metal in the substrate. It is in.
かかる第４の態様では、ボンドコート層中の界面酸化物形成金属含有量が、基材中の界面酸化物形成金属の含有量と同等になるまでを寿命として推測し、これを遮熱コーティングの寿命、すなわち、高温部品の寿命として管理する。 In the fourth aspect, the lifetime is estimated until the content of the interfacial oxide-forming metal in the bond coat layer becomes equal to the content of the interfacial oxide-forming metal in the substrate, and this is estimated as the life of the thermal barrier coating. It is managed as the lifetime, that is, the lifetime of the high temperature component.
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様に記載の遮熱コーティングの寿命管理方法において、前記計測値と前記相関とから前記遮熱コーティングの寿命を推測するステップでは、前記界面酸化物形成金属低下層の厚さと加熱時間と加熱温度との関係式を用いて、当該界面酸化物低下層の厚さが所定値となるまでの加熱時間を求めて寿命を推測することを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法にある。 According to a fifth aspect of the present invention, in the thermal barrier coating lifetime management method according to any one of the first to fourth aspects, in the step of estimating the thermal barrier coating lifetime from the measured value and the correlation, Using the relational expression between the thickness of the interface oxide-forming metal lowering layer, the heating time, and the heating temperature, the lifetime is estimated by obtaining the heating time until the thickness of the interface oxide lowering layer reaches a predetermined value. This is a method for managing the life of a thermal barrier coating.
かかる第５の態様では、界面酸化物形成金属低下層の厚さと加熱時間と加熱温度との関係式を用いて、当該界面酸化物低下層の厚さが所定値となるまでの加熱時間を求め、これにより、遮熱コーティングの寿命、すなわち、高温部品の寿命を管理する。 In the fifth aspect, the heating time until the thickness of the interface oxide lowering layer reaches a predetermined value is obtained using the relational expression between the thickness of the interface oxide-forming metal lowering layer, the heating time and the heating temperature. This manages the life of the thermal barrier coating, i.e., the life of the hot part.
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様に記載の遮熱コーティングの寿命管理方法において、実機相当の組成を有するコーティング試験片の加熱試験により、前記界面酸化物形成金属低下層の厚さと前記ボンドコート層中の界面酸化物形成金属含有量との相関を求めることを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法にある。 According to a sixth aspect of the present invention, in the thermal barrier coating life management method according to any one of the first to fifth aspects, the interfacial oxide-forming metal is obtained by a heating test of a coating specimen having a composition equivalent to an actual machine. The present invention resides in a life management method for a thermal barrier coating, characterized in that a correlation between a thickness of a lowering layer and an interfacial oxide-forming metal content in the bond coat layer is obtained.
かかる第６の態様では、実機相当の組成を有するコーティング試験片の加熱試験により、予め界面酸化物形成金属低下層の厚さと前記ボンドコート層中の界面酸化物形成金属含有量との相関を求めておき、これにより遮熱コーティングの寿命、すなわち、高温部品の寿命を管理する。 In the sixth aspect, a correlation between the thickness of the interface oxide-forming metal-reducing layer and the content of the interface oxide-forming metal in the bond coat layer is obtained in advance by a heating test of a coating specimen having a composition equivalent to the actual machine. In this way, the lifetime of the thermal barrier coating, that is, the lifetime of the high temperature component is managed.
本発明の第７の態様は、第１〜６の何れかの態様に記載の遮熱コーティングの寿命管理方法において、実機で使用された高温部品の種々の部位の遮熱コーティングの界面酸化物形成金属低下層の厚さを計測することにより、前記界面酸化物形成金属低下層の厚さと前記ボンドコート層中の界面酸化物形成金属含有量との相関を求めることを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法にある。 According to a seventh aspect of the present invention, in the thermal barrier coating life management method according to any one of the first to sixth aspects, interfacial oxide formation of the thermal barrier coating at various parts of the high-temperature part used in an actual machine is performed. By measuring the thickness of the metal lowering layer, a correlation between the thickness of the interface oxide forming metal lowering layer and the content of the interface oxide forming metal in the bond coat layer is obtained. It is in the life management method.
かかる第７の態様では、実機で使用された高温部品の種々の部位の遮熱コーティングの界面酸化物形成金属低下層の厚さを計測することにより、界面酸化物形成金属低下層の厚さとボンドコート層中の界面酸化物形成金属含有量との相関を求め、これにより遮熱コーティングの寿命、すなわち、高温部品の寿命を管理する。 In the seventh aspect, the thickness of the interfacial oxide-forming metal reducing layer and the bond are measured by measuring the thickness of the interfacial oxide-forming metal lowering layer of the thermal barrier coating at various parts of the high-temperature part used in the actual machine. The correlation with the interfacial oxide-forming metal content in the coating layer is obtained, and thereby the life of the thermal barrier coating, that is, the life of the high temperature part is managed.
本発明の第８の態様は、第１〜７の何れかの態様に記載の遮熱コーティングの寿命管理方法において、前記高温部品がガスタービン高温部品であり、前記界面酸化物形成金属がアルミニウムであることを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法にある。 According to an eighth aspect of the present invention, in the thermal barrier coating life management method according to any one of the first to seventh aspects, the high temperature component is a gas turbine high temperature component, and the interface oxide forming metal is aluminum. It exists in the lifetime management method of the thermal barrier coating characterized by being.
かかる第８の態様では、ボンドコート層のアルミニウム低下層の厚さとボンドコート層中のアルミニウムの平均含有量との相関を求め、実機のアルミニウム低下層の厚さを測定することにより、ボンドコート層の劣化を推定し、これにより遮熱コーティングの寿命、すなわち、高温部品の寿命を管理する。 In the eighth aspect, the correlation between the thickness of the aluminum lowering layer of the bond coat layer and the average content of aluminum in the bond coat layer is obtained, and the thickness of the actual aluminum lowering layer is measured to obtain the bond coat layer. Thus, the lifetime of the thermal barrier coating, that is, the lifetime of the high temperature component is managed.
本発明は、界面酸化物形成金属の低下層の厚さとボンドコート層の劣化との関係に着目し、界面酸化物形成金属低下層の厚さとボンドコート層中の界面酸化物金属の平均含有量との相関を求め、実機の界面酸化物形成金属低下層の厚さを測定することにより、ボンドコート層の劣化を推定し、これにより遮熱コーティングの寿命、すなわち、高温部品の寿命を高精度で管理することができるという効果を奏する。 The present invention focuses on the relationship between the thickness of the interface oxide-forming metal lowering layer and the deterioration of the bond coat layer, and the average content of the interface oxide-forming metal lowering layer and the interface oxide metal in the bond coat layer. The degradation of the bond coat layer is estimated by measuring the thickness of the actual interface oxide-forming metal lowering layer, and the life of the thermal barrier coating, that is, the life of high-temperature parts is highly accurate. There is an effect that it can be managed by.
以下、本発明を一実施形態を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to an embodiment.
図１には、本発明の遮熱コーティングの寿命管理方法のフローの概略を示す。図１に示すように、まず、Ａｌ低下層の厚さとボンドコート層中のＡｌ含有量との相関を求める（ステップＳ１０）、次いで、実機で使用された高温部品の所定部位のＡｌ低下層の厚さを計測し（ステップＳ２０）、ステップＳ２０で求めたＡｌ低下層の厚さの計測値と、ステップＳ１０で求めたＡｌ低下層の厚さとボンドコート層中のＡｌ含有量との相関とから前記遮熱コーティングの寿命を推測する（ステップＳ３０）。 In FIG. 1, the outline of the flow of the lifetime management method of the thermal barrier coating of this invention is shown. As shown in FIG. 1, first, the correlation between the thickness of the Al-decreasing layer and the Al content in the bond coat layer is obtained (step S10), and then the Al-decreasing layer at a predetermined part of the high-temperature part used in the actual machine The thickness is measured (step S20), and the measured value of the thickness of the Al lowered layer obtained in step S20 and the correlation between the thickness of the Al lowered layer obtained in step S10 and the Al content in the bond coat layer. The lifetime of the thermal barrier coating is estimated (step S30).
ここで、ステップＳ１０におけるＡｌ低下層の厚さとボンドコート層中のＡｌ含有量との相関は、実機相当のコーティング試験片を用いての加熱試験により求める場合と、実機で使用された高温部材の種々の部位の分析により求める場合とがある。 Here, the correlation between the thickness of the Al-lowering layer in Step S10 and the Al content in the bond coat layer is obtained by a heating test using a coating test piece corresponding to the actual machine, and the high-temperature member used in the actual machine. It may be obtained by analyzing various parts.
以下、ガスタービンの動翼を対象とし、実機相当の加熱試験からＡｌ低下層の厚さとボンドコート層中のＡｌ含有量との相関を求める方法を例として本発明を説明する。 Hereinafter, the present invention will be described by taking as an example a method for obtaining the correlation between the thickness of the Al-decreasing layer and the Al content in the bond coat layer from a heating test equivalent to an actual machine for a moving blade of a gas turbine.
（試験片の作製）
基材材質は、代表的なＧＴ動翼材料であるＩｎｃｏｎｅｌ７３８ＬＣとし、その組成を下記表１に示す。基材は、直径１０ｍｍ×長さ２０ｍｍの円筒形とし、加熱試験後、長さの中心で切断し、その断面を観察した。
(Preparation of test piece)
The base material is Inconel 738LC, which is a typical GT blade material, and its composition is shown in Table 1 below. The base material had a cylindrical shape with a diameter of 10 mm and a length of 20 mm, was cut at the center of the length after the heating test, and the cross section was observed.
下記表２にＴＢＣ試験片におけるコーティングの概略を示す。トップコートの材質はイットリア部分安定化ジルコニア（ＹＳＺ、８ｗｔ％Ｙ2Ｏ3−ＺｒＯ2）であり、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）によって厚さ約２００μｍに施工した。また、ボンドコートの材質はＣｏＮｉＣｒＡｌＹ （Ｃｏ−３２Ｎｉ−２１Ｃｒ− ８Ａｌ−０．５Ｙ （ｗｔ％））であり、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）によって厚さ約１００μｍに施工した。また、ボンドコート施工後には、真空中にて１１２０℃×２ｈおよび８４５℃×２４ｈの熱処理を施した。 Table 2 below outlines the coating on the TBC specimen. The material of the top coat was yttria partially stabilized zirconia (YSZ, 8 wt% Y 2 O 3 —ZrO 2 ), and was applied to a thickness of about 200 μm by atmospheric plasma spraying (APS). The material of the bond coat was CoNiCrAlY (Co-32Ni-21Cr-8Al-0.5Y (wt%)), and was applied to a thickness of about 100 μm by low pressure plasma spraying (LPPS). Moreover, after the bond coat was applied, heat treatment was performed at 1120 ° C. × 2 h and 845 ° C. × 24 h in vacuum.
（加熱試験）
加熱試験は、横型管状電気炉（炉心管内径φ７０ｍｍ）を用いて行った。試験に先立って炉内の温度分布を測定し、試験片を設置する範囲では測定温度の最大値と最小値の差が約２〜３℃程度になっており、温度分布にほとんど偏りがないことを確認した。また、試験片表面温度と炉内雰囲気温度がほぼ平衡に達することも確認した。
(Heating test)
The heating test was performed using a horizontal tubular electric furnace (core inner diameter φ70 mm). Prior to the test, the temperature distribution in the furnace is measured, and within the range where the test piece is installed, the difference between the maximum value and the minimum value of the measured temperature is about 2 to 3 ° C, and there is almost no bias in the temperature distribution. It was confirmed. It was also confirmed that the test piece surface temperature and the furnace atmosphere temperature almost reached equilibrium.
加熱試験雰囲気は大気とし、温度条件は９００℃、９５０℃、１０００℃、１０５０℃に設定した。昇温速度は２００℃／ｈとし、定格温度に到達後は等温で保持した。降温は２００℃／ｈで５００℃程度まで下げ、その後は常温に至るまで炉冷とした。加熱時間は、定格温度に保持した時間と定義し、最長３０００時間まで行った。試験片はある一定の加熱時間ごとに取り出し、試験片を切断・研磨し、組織分析を行った。観察部分は、長さの中心付近の断面である。組織分析は、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および電子線プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて行った。 The heating test atmosphere was air, and the temperature conditions were set at 900 ° C., 950 ° C., 1000 ° C., and 1050 ° C. The temperature rising rate was 200 ° C./h, and the temperature was kept isothermal after reaching the rated temperature. The temperature drop was reduced to about 500 ° C. at 200 ° C./h, and thereafter furnace cooling was performed until the temperature reached room temperature. The heating time was defined as the time maintained at the rated temperature, and was performed up to 3000 hours. The test piece was taken out every certain heating time, the test piece was cut and polished, and the structure analysis was performed. The observation portion is a cross section near the center of the length. The tissue analysis was performed using an optical microscope, a scanning electron microscope (SEM), and an electron beam probe microanalyzer (EPMA).
（加熱試験におけるボンドコート層の組織変化の観察）
図２は、光学顕微鏡で観察した大気中９５０℃の加熱試験におけるＴＢＣ試験片断面の様相を示す。図に示すように、基材１１表面にボンドコート１２及びトップコート１３が順次形成された試験片において、試験前後でトップコート１３およびボンドコート１２の厚さはほとんど変化していないことが確認された。なお、この観察は、一つの試験片について長さ約５００μｍの視野を４箇所撮影し、それぞれの視野の中で３箇所ずつトップコートおよびボンドコートの厚さを測定した結果によるものである。すなわち一つの試験片について１２箇所測定した結果、トップコート厚さおよびボンドコート厚さの変化に有意差は認められなかった。
(Observation of structural change of bond coat layer in heating test)
FIG. 2 shows the aspect of the cross section of the TBC specimen in a heating test at 950 ° C. in the atmosphere observed with an optical microscope. As shown in the figure, in the test piece in which the bond coat 12 and the top coat 13 were sequentially formed on the surface of the substrate 11, it was confirmed that the thickness of the top coat 13 and the bond coat 12 hardly changed before and after the test. It was. This observation is based on the results of photographing four fields of view having a length of about 500 μm for one test piece and measuring the thicknesses of the top coat and the bond coat at three positions in each field of view. That is, as a result of measuring 12 points on one test piece, no significant difference was observed in the changes in the top coat thickness and the bond coat thickness.
図３は、光学顕微鏡で観察した大気中９５０℃の加熱試験におけるボンドコートの組織変化の様相を示す。図より、試験前のボンドコート１２は、白色の組織に黒色の組織が析出する２相組織の様相を呈している。試験後には、ボンドコート１２の外面（トップコート１３との界面近傍）において２相組織が消失し、白く写る層状の領域（後述する外面Ａｌ低下層１５に相当する）が観察される。また、時間の経過とともに外面の層状の領域が内部へ成長し、２相組織の領域は小さくなっている。
FIG. 3 shows the appearance of the bond coat structure change in a heating test at 950 ° C. in the atmosphere observed with an optical microscope. From the figure, the bond coat 12 before the test has an aspect of a two-phase structure in which a black structure is precipitated in a white structure. After the test, a two-phase structure disappears on the outer surface of the bond coat 12 (near the interface with the top coat 13), and a layered region appearing white (corresponding to an outer surface Al lowered
図４は、ＳＥＭによって観察した９５０℃の加熱試験におけるトップコート１３とボンドコート１２の界面の様相を示す。試験後では、トップコート１３とボンドコート１２との界面に酸化物層が成長している。これは、ボンドコート１２が酸化によって成長する界面酸化層１４（ＴＧＯと称す）である。また、試験時間の増加とともに界面酸化層１４の厚さは大きくなっている。 FIG. 4 shows an aspect of the interface between the top coat 13 and the bond coat 12 in a heating test at 950 ° C. observed by SEM. After the test, an oxide layer has grown at the interface between the top coat 13 and the bond coat 12. This is an interface oxide layer 14 (referred to as TGO) in which the bond coat 12 is grown by oxidation. In addition, the thickness of the interfacial oxide layer 14 increases as the test time increases.
以下では、このような微視構造を有するＴＢＣの元素分布について、ボンドコート１２を中心に検討する。 Hereinafter, the element distribution of TBC having such a microscopic structure will be examined focusing on the bond coat 12.
図５は、ボンドコート１２の２相組織のＥＰＭＡ面分析結果を示す。試験前および９５０℃×５００ｈ後の試験片の組織を比較して示す。試験前後にかかわらず、（Ｃｏ，Ｃｒ）相に（Ｎｉ，Ａｌ）相が析出している様相を呈している。すなわち、図３において白く写っていた相は（Ｃｏ，Ｃｒ）相に対応し、黒く写っていた相は（Ｎｉ，Ａｌ）相に対応していると考えられる。 FIG. 5 shows an EPMA surface analysis result of the two-phase structure of the bond coat 12. The structure of the test piece before the test and after 950 ° C. × 500 h is compared and shown. Regardless of before and after the test, a (Ni, Al) phase is precipitated in the (Co, Cr) phase. That is, it can be considered that the phase shown in white in FIG. 3 corresponds to the (Co, Cr) phase and the phase shown in black corresponds to the (Ni, Al) phase.
図６は、トップコート１３とボンドコート１２との界面付近のＥＰＭＡ面分析結果を示す。試験前および９５０℃×５００ｈ後の試験片の組織を比較して示す。試験後のボンドコート１２の外面には、Ａｌが顕著に検出されていることから、界面酸化層１４は主にＡｌの酸化物であると考えられる。 FIG. 6 shows an EPMA surface analysis result in the vicinity of the interface between the top coat 13 and the bond coat 12. The structure of the test piece before the test and after 950 ° C. × 500 h is compared and shown. Since Al is remarkably detected on the outer surface of the bond coat 12 after the test, the interface oxide layer 14 is considered to be mainly an oxide of Al.
また、界面酸化層１４と２相組織との間に、Ａｌ含有量の低下した層状の領域が観察される。この層は、図３に示した試験後のボンドコート外面近傍で観察された白色の層に対応していると考えられる。この層をこれより「外面Ａｌ低下層１５」と称することとする。これは、界面酸化層１４を形成するため、ボンドコート中のＡｌがボンドコート１２の外面に拡散し、ボンドコート１２外面近傍においてＡｌが豊富な相が消失することによって生じた組織であると考えられる。ＥＰＭＡによる分析により、この層ではＡｌ含有量が約４ｗｔ％に低下していた。
Further, a layered region having a reduced Al content is observed between the interface oxide layer 14 and the two-phase structure. This layer is considered to correspond to the white layer observed near the outer surface of the bond coat after the test shown in FIG. This layer will hereinafter be referred to as “outer Al reduced
図７は、ボンドコート１２と基材１１との界面付近のＥＰＭＡ面分析結果を示す。試験前および９５０℃×５００ｈ後の試験片の組織を比較して示す。試験前後を比較すると、ＡｌおよびＣｏがボンドコート１２から基材１１へ拡散していることわかる。 FIG. 7 shows an EPMA surface analysis result near the interface between the bond coat 12 and the substrate 11. The structure of the test piece before the test and after 950 ° C. × 500 h is compared and shown. When comparing before and after the test, it can be seen that Al and Co are diffused from the bond coat 12 to the substrate 11.
次に、界面酸化層１４の厚さおよび外面Ａｌ低下層１５の成長挙動について検討した。
図８は、界面酸化層１４の厚さの成長挙動を示す。界面酸化層１４の厚さは、ＳＥＭを用いて５００倍で各試験片について４視野撮影し、各視野について５点ずつ界面酸化層１４の厚さを測定した。すなわち、一つの試験片あたり２０点ずつ測定した。図中には各試験片における界面酸化層１４の厚さの平均値を示す。各試験温度において、全体的には、加熱時間、すなわち、酸化時間の増加とともに、界面酸化層１４の厚さも増加した。また、試験温度で比較すると、温度が高いほど、厚さの成長速度が大きい傾向がある。しかし、たとえば同じ試験温度で、酸化時間が短い方が長い方に比べて界面酸化層１４の厚さが大きいものもある。これは、界面酸化層１４の厚さのバラツキが大きく、その影響であると考えられる。事実、すべての加熱試験後試験片についてその平均の不偏分散の平方根は約２μｍであり、最大の不偏分散の平方根は約６μｍであった。
Next, the thickness of the interface oxide layer 14 and the growth behavior of the outer Al reduced
FIG. 8 shows the growth behavior of the thickness of the interfacial oxide layer 14. The thickness of the interfacial oxide layer 14 was photographed at 4 times for each test piece at 500 times using SEM, and the thickness of the interfacial oxide layer 14 was measured at 5 points for each visual field. That is, 20 points were measured per test piece. In the figure, the average value of the thickness of the interface oxide layer 14 in each test piece is shown. At each test temperature, overall, the thickness of the interfacial oxide layer 14 increased with increasing heating time, ie, oxidation time. Also, when compared at the test temperature, the higher the temperature, the greater the growth rate of the thickness. However, for example, there is a case where the thickness of the interfacial oxide layer 14 is larger when the oxidation time is shorter and the oxidation time is longer at the same test temperature. This is considered to be due to the large variation in the thickness of the interface oxide layer 14. In fact, for all specimens after the heat test, the average unbiased dispersion square root was about 2 μm and the maximum unbiased dispersion square root was about 6 μm.
図９は、外面Ａｌ低下層１５の厚さの成長挙動を示す。外面Ａｌ低下層１５の厚さは、光学顕微鏡を用いて２００倍で４視野撮影し、各視野について３点ずつ外面Ａｌ低下層１５の厚さを測定した。すなわち、一つの試験片あたり１２点ずつ測定した。この場合は、すべての加熱試験後試験片について、測定値の平均の不偏分散の平方根は１０μｍ以下であった。図に示すように、酸化時間の増加に伴い、外面Ａｌ低下層１５の厚さは単調に増加した。また、試験温度が高いほど、外面Ａｌ低下層１５の厚さの成長速度は大きいことがわかる。しかし、１０００℃×５００ｈ以降、および１０５０℃×２００ｈ以降の試験片では、ボンドコート１２の層内に２相組織が消失し、外面Ａｌ低下層１５は判別できなくなった。すなわち、ボンドコート１２全体が外面Ａｌ低下層１５のような様相を呈した。このため、上述の試験条件については、外面Ａｌ低下層１５の厚さは図示しなかった。
FIG. 9 shows the growth behavior of the thickness of the outer Al reduced
図１０に例として、１０００℃×１０００ｈ後のボンドコート１２の微視組織の様相を示す。これは、界面酸化層１４形成および基材１１へ相互拡散によって、ボンドコート１２中のＡｌ含有量が減少し、その結果、Ａｌを豊富に含む（Ｎｉ，Ａｌ）相がボンドコート１２中から消失したことを示すものであると考えられる。 As an example, FIG. 10 shows the appearance of the microstructure of the bond coat 12 after 1000 ° C. × 1000 h. This is because the Al content in the bond coat 12 is reduced due to the formation of the interfacial oxide layer 14 and mutual diffusion to the base material 11, and as a result, the (Ni, Al) phase rich in Al disappears from the bond coat 12. It is thought that it shows that it did.
上述したように、ボンドコート１２の耐酸化性にとって重要なＡｌ含有量は、トップコート１３とボンドコート１２との界面方向への拡散、および基材１１への拡散によって減少していく。そこで、酸化時間とボンドコート１２中のＡｌ含有量との関係について検討した。 As described above, the Al content that is important for the oxidation resistance of the bond coat 12 decreases due to diffusion in the interface direction between the top coat 13 and the bond coat 12 and diffusion into the base material 11. Therefore, the relationship between the oxidation time and the Al content in the bond coat 12 was examined.
図１１は、ボンドコート１２中の主要な元素の分布を示す。図１１（ａ）は試験前、図１１（ｂ）は９５０℃×５００ｈ後の試験片に関する分析結果である。図は、ボンドコート１２の外面付近から基材１１との界面付近までコーティング厚さ方向に電子ビーム（ビーム径１μｍ）を０．５μｍ間隔で走査し、元素の検出強度と測定位置の関係を示したものである。このうちＡｌに注目すると、加熱試験後の試験片では、界面酸化層１４の直下にＡｌ検出強度が小さい領域があるが、これは外面Ａｌ低下層１５が外面近傍に存在しているからである。このように、ボンドコート１２中のＡｌの分布は一様ではない。よって、本願発明では、ボンドコート１２中のＡｌ含有量は、ボンドコート１２中のＡｌ検出強度の平均値より算出した。さらに、ボンドコート１２の外面から界面までの走査を一つの試験片について４ヵ所行い、その平均値を各試験片のＡｌ含有量とした。
FIG. 11 shows the distribution of main elements in the bond coat 12. FIG. 11A shows the analysis results for the test piece before the test and FIG. 11B shows the test piece after 950 ° C. × 500 h. The figure shows the relationship between the element detection intensity and the measurement position by scanning an electron beam (beam diameter: 1 μm) at 0.5 μm intervals from the vicinity of the outer surface of the bond coat 12 to the vicinity of the interface with the substrate 11 in the coating thickness direction. It is a thing. Of these, when attention is paid to Al, in the test piece after the heating test, there is a region where the Al detection intensity is small immediately below the interface oxide layer 14 because the outer surface Al lowered
図１２は、ボンドコート１２中のＡｌ含有量変化を示す。いずれの温度条件においても、酸化時間の経過とともにＡｌ含有量は減少する傾向を示した。また、温度が高いほどＡｌ含有量の減少速度は大きくなった。しかし、１０５０℃については、５００ｈ以降、Ａｌ含有量が４ｗｔ％以下になると減少が飽和する傾向を示した。これは、ボンドコート１２中のＡｌ含有量が基材１１と同程度に近づいたため、拡散が飽和しつつあることが原因であると考えられる。 FIG. 12 shows the change in Al content in the bond coat 12. Under any temperature condition, the Al content tended to decrease with the lapse of oxidation time. Moreover, the decreasing rate of Al content became large, so that temperature was high. However, for 1050 ° C., the decrease tends to saturate after 500 h when the Al content is 4 wt% or less. This is considered to be caused by the fact that the Al content in the bond coat 12 has approached the same level as that of the base material 11 and the diffusion is being saturated.
図９に示したように、外面Ａｌ低下層１５の厚さは、酸化時間とともに成長する。この厚さと酸化時間の関係についてさらに検討する。
As shown in FIG. 9, the thickness of the outer Al reduced
図１３は、図９の横軸に示した時間を時間の平方根に取り直して図示したものである。図１３に示すように、外面Ａｌ低下層１５の厚さは、酸化時間の平方根の増加に伴い、直線的に増加する傾向があることが明らかになった。すなわち、外面Ａｌ低下層１５の厚さをｌ（μｍ）、酸化時間をｔ（ｈ）とすると、両者の関係は以下の式で表すことができる。
FIG. 13 shows the time shown on the horizontal axis in FIG. 9 again with the square root of time. As shown in FIG. 13, it has been clarified that the thickness of the outer Al reduced
図１４は、外面Ａｌ低下層１５の成長速度定数のアレニウスプロットを示す。図１４に示すように、外面Ａｌ低下層１５の成長速度定数ｋの対数は、温度Ｔの逆数と直線的な関係にあり、以下のようなアレニウスの関係で表すことができる。
FIG. 14 shows an Arrhenius plot of the growth rate constant of the outer Al reduced
式（１）および（２）を、温度Ｔについて書き直すと、以下の式となる。 When equations (1) and (2) are rewritten for temperature T, the following equation is obtained.
式（３）より、ボンドコート外面付近の温度を推定することができる。すなわち、実機で使用した高温部品を切り出し、外面Ａｌ低下層１５の厚さを測定し、使用時間がわかっていれば、温度を算出することができる。
From Equation (3), the temperature near the outer surface of the bond coat can be estimated. That is, a high temperature part used in an actual machine is cut out, the thickness of the outer Al reduced
以上の結果より、ＴＢＣについては、図７に示したボンドコート１２と基材１１との界面における組織の変化よりも、ボンドコート１２の外面の外面Ａｌ低下層１５の成長の方が顕著であるので、これに着目した温度推定法がより有効である。
From the above results, regarding the TBC, the growth of the outer Al reduced
しかしながら、外面Ａｌ低下層１５の厚さの代わりにボンドコート１２の基材１１との界面に形成されるＡｌ低下層（内面Ａｌ低下層と称す）の厚さを検討しても同様に、ボンドコート中のＡｌ含有量との相関を取ることができ、外面Ａｌ低下層１５の代わりに内面Ａｌ低下層の厚さを用いてもよい。
However, even if the thickness of the Al reducing layer (referred to as the inner Al reducing layer) formed at the interface of the bond coat 12 with the base material 11 instead of the thickness of the outer
（外面Ａｌ低下層厚さとボンドコート中のＡｌ含有量との相関）
図１５は、試験条件の違いによって異なる値をとるボンドコート中のＡｌ含有量と外面Ａｌ低下層厚さを図にプロットしたものであり、外面Ａｌ低下層１５の厚さとボンドコート１２中のＡｌ含有量との相関を示している。ただし、外面Ａｌ低下層が判別できなかった１０００℃×５００ｈ以降、および１０５０℃×２００ｈ以降の試験条件は除いた。
(Correlation between outer Al reduced layer thickness and Al content in bond coat)
FIG. 15 is a graph plotting the Al content in the bond coat and the outer surface Al reduced layer thickness that take different values depending on the test conditions. The thickness of the outer surface Al reduced
図１５に示されるように、ボンドコート１２中のＡｌ含有量は、初期値（８ｗｔ％）からその半分（４ｗｔ％）の範囲で、外面Ａｌ低下層１５の厚さの増加に伴い直線的に減少する傾向があることが明らかである。これは、ボンドコート１２中のＡｌ含有量が、ボンドコート外面への拡散によって支配されていることが原因であると考えられる。
As shown in FIG. 15, the Al content in the bond coat 12 is linear in the range of the initial value (8 wt%) to half (4 wt%) as the thickness of the outer Al reduced
このように、上述したような加熱試験により、Ａｌ低下層の厚さとボンドコート中のＡｌ含有量との相関を求めることができる。なお、このような相関は、上述したような加熱試験を行わないで、実機で使用された高温部品の種々の部位（使用温度が異なる部位）について加熱試験と同様に観察することにより求めることができ、これによっても本発明方法を実施できる。 Thus, the correlation between the thickness of the Al lowered layer and the Al content in the bond coat can be obtained by the heating test as described above. Such correlation can be obtained by observing various parts (parts having different operating temperatures) of the high-temperature parts used in the actual machine in the same manner as the heating test without performing the heating test as described above. This also allows the method of the present invention to be carried out.
（遮熱コーティングの寿命の推定）
このように相関を求めた後、実機で使用された高温部品の所定部位のＡｌ低下層の厚さを計測することにより、Ａｌ低下層の厚さとボンドコート層中のＡｌ含有量との相関とＡｌ低下層の厚さの計測値とから、遮熱コーティングの寿命を推測することができる。
(Estimation of thermal barrier coating life)
After obtaining the correlation in this way, by measuring the thickness of the Al lowered layer at a predetermined part of the high temperature part used in the actual machine, the correlation between the thickness of the Al lowered layer and the Al content in the bond coat layer From the measured value of the thickness of the Al lowered layer, the life of the thermal barrier coating can be estimated.
次に、ボンドコート１２中のＡｌ含有量と外面Ａｌ低下層１５の厚さとの関係を用いた遮熱コーティングの寿命の予測手法について説明する。
Next, a method for predicting the lifetime of the thermal barrier coating using the relationship between the Al content in the bond coat 12 and the thickness of the outer Al reduced
図１６には、Ａｌ含有量予測手法の一例のフローの概略を示す。まず、実機部品から測定した外面Ａｌ低下層１５の厚さの計測値と、上述した式（３）から、測定部位の温度を推定する（ステップＳ２１）。
In FIG. 16, the outline of an example of the Al content prediction method is shown. First, the temperature of the measurement site is estimated from the measured value of the thickness of the outer Al reduced
次いで、図１５より、任意のＡｌ含有量ｃaに対応する外面Ａｌ低下層ｌaを読み取る。そして、式（１）および（２）より得られた推定温度より、その外面Ａｌ低下層に達するまでの時間を求めることができ、これより寿命を推定することができる（ステップＳ２２）。なお、本発明手法が好適に適用できるのは、ボンドコート中のＡｌ含有量が初期値の約半分になるまでの範囲である。 Then, from FIG. 15, reads the outer surface Al reduction layer l a corresponding to any of the Al content c a. Then, from the estimated temperature obtained from the equations (1) and (2), the time required to reach the outer Al reduced layer can be obtained, and the lifetime can be estimated from this (step S22). It should be noted that the method of the present invention can be suitably applied in the range until the Al content in the bond coat is about half of the initial value.
ＥＰＭＡによる分析では、ボンドコート中のＡｌ含有量が初期値の約半分（４ｗｔ％）であっても、外面には安定なＡｌ酸化物層が形成していた。しかしながら、Ａｌ含有量が初期値の約半分になると、ボンドコート中にはＡｌが豊富な相が消失し、外面Ａｌ低下層は判別できなくなる。また、ボンドコート中のＡｌ含有量は、基材とほぼ同程度になり、耐酸化性の低下が懸念される。このことから、ボンドコート中のＡｌ含有量の約半分の値は、ボンドコートの耐酸化性低下を判断する指標の一つになると考えられる。このように、基材中のＡｌの含有量と同等になるまでをボンドコート、すなわち、遮熱コーティングの寿命として推定してもよいし、例えば、安全を見て、基材中のＡｌ含有量の１．２倍などとしてもよく、又は基材の濃度とは関係なく、初期のボンドコート中のＡｌ含有量の４０〜６０％などの量を寿命としてもよい。 According to the analysis by EPMA, even when the Al content in the bond coat was about half (4 wt%) of the initial value, a stable Al oxide layer was formed on the outer surface. However, when the Al content is about half of the initial value, the Al-rich phase disappears in the bond coat, and the outer Al reduced layer cannot be identified. In addition, the Al content in the bond coat is approximately the same as that of the base material, and there is a concern that the oxidation resistance is lowered. From this, it is considered that a value about half of the Al content in the bond coat is one of the indexes for judging the decrease in the oxidation resistance of the bond coat. Thus, until it becomes equivalent to the Al content in the base material, it may be estimated as the life of the bond coat, that is, the thermal barrier coating. For example, in view of safety, the Al content in the base material It may be 1.2 times as long as the above, or the life may be 40 to 60% of the Al content in the initial bond coat regardless of the concentration of the base material.
図１７は、ボンドコート中のＡｌ含有量の低下時間を予測した結果を示す。各温度において、ボンドコート中のＡｌ含有量が初期値の約半分（４ｗｔ％）になるまでの時間を示している。図より、ボンドコート外面付近の温度が８５０℃とすると、約４万時間でＡｌ含有量は初期値の約半分になると推定される。 FIG. 17 shows the result of predicting the decrease time of the Al content in the bond coat. At each temperature, the time until the Al content in the bond coat becomes approximately half (4 wt%) of the initial value is shown. From the figure, assuming that the temperature near the outer surface of the bond coat is 850 ° C., the Al content is estimated to be about half of the initial value in about 40,000 hours.
以上説明したように、ＴＢＣ試験片を用いて高温加熱試験を行い、ＴＢＣボンドコートの組織変化を把握し、それを用いた温度推定手法およびＡｌ含有量予測手法により、Ａｌ低下層の厚さとボンドコート層中のＡｌ含有量との相関を求め、次いで、実機で使用された高温部品の所定部位のＡｌ低下層の厚さを計測し、Ａｌ低下層の厚さの計測値と、Ａｌ低下層の厚さとボンドコート層中のＡｌ含有量との相関とから遮熱コーティングの寿命を推測することができることが明らかとなった。 As explained above, a high temperature heating test is performed using a TBC test piece, the structural change of the TBC bond coat is grasped, and the thickness of the Al lowered layer and the bond are determined by the temperature estimation method and the Al content prediction method using the TBC bond coat. Obtain the correlation with the Al content in the coating layer, then measure the thickness of the Al-lowering layer at a predetermined part of the high-temperature part used in the actual machine, and measure the thickness of the Al-lowering layer and the Al-lowering layer. It became clear that the lifetime of the thermal barrier coating can be estimated from the correlation between the thickness of the film and the Al content in the bond coat layer.
また、以上説明した実施形態では、タービンで使用される高温部品を例としてボンドコート中に含有される界面酸化物形成金属がＡｌであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ボイラなどで使用される高温部品にも適用でき、この場合の界面酸化物形成金属としてはクロム（Ｃｒ）が考えられ、この場合にも本発明が適用できる。 Further, in the embodiment described above, the interface oxide forming metal contained in the bond coat was Al as an example of a high temperature component used in a turbine, but the present invention is not limited to this, For example, the present invention can be applied to high-temperature parts used in boilers and the like. In this case, chromium (Cr) can be considered as the interface oxide forming metal, and the present invention can also be applied to this case.
なお、上述した加熱試験での本発明方法の適用に関する知見は以下の通りである。
（１） 加熱試験後には、ボンドコート外面に酸化層が成長し、それに伴い、特に外面近傍においてＡｌが豊富な相が消失した層（外面Ａｌ低下層）が観察された。これは、ボンドコートの酸化に伴い、Ａｌが外面へ拡散したことが原因であると考えられる。この外面Ａｌ低下層厚さは、酸化時間の平方根に比例する放物線則に従って成長することが明らかとなり、外面Ａｌ低下層厚さと酸化時間および温度の関係式を得ることができた。ただし、ボンドコートの酸化がさらに進展すると、Ａｌの外面および基材への拡散によって、Ａｌが豊富な相はボンドコート全体から消失し、外面Ａｌ低下層は判別できなくなる。
（２） ＴＢＣ施工実機部品の外面Ａｌ低下層厚さを測定することにより、上記の式を用いてボンドコート外面近傍の温度を推定できる可能性が得られた。しかし、外面Ａｌ低下層厚さの検出限界（約１０μｍ）と判別限界（約５０μｍ）のため、本手法が好適に適用できる時間範囲がある。本試験結果では、例えば使用温度が８５０℃とすると、約２千時間から約４万時間であると考えられる。
（３） ボンドコート中の平均Ａｌ含有量は、外面Ａｌ低下層厚さの増加に伴い、直線的に減少する関係が得られた。この関係を用いてＡｌ含有量の低下を予測できる可能性が見出された。ただし、外面Ａｌ低下層が厚さ約５０μｍで判別不能となると、Ａｌ含有量の低下は初期含有量の約半分（４ｗｔ％）で飽和し、この関係は成立しなくなる。したがって、Ａｌ含有量が初期値の約半分に低下するまでが好適な適用範囲であると考えられる。
In addition, the knowledge regarding application of the method of this invention in the heating test mentioned above is as follows.
(1) After the heating test, an oxide layer grew on the outer surface of the bond coat, and accordingly, a layer in which an Al-rich phase disappeared particularly in the vicinity of the outer surface (outer Al reduced layer) was observed. This is considered to be caused by the diffusion of Al to the outer surface as the bond coat is oxidized. It became clear that the outer surface Al-lowering layer thickness grows according to a parabolic law proportional to the square root of the oxidation time, and a relational expression between the outer surface Al-lowering layer thickness, the oxidation time and temperature could be obtained. However, when the oxidation of the bond coat further progresses, the Al-rich phase disappears from the entire bond coat due to the diffusion of Al to the outer surface and the base material, and the outer Al reduced layer cannot be identified.
(2) The possibility of estimating the temperature in the vicinity of the outer surface of the bond coat using the above formula was obtained by measuring the thickness of the outer surface Al lowered layer of the TBC construction actual machine part. However, due to the detection limit (about 10 μm) and the discrimination limit (about 50 μm) of the outer Al reduced layer thickness, there is a time range in which this method can be suitably applied. In this test result, for example, when the operating temperature is 850 ° C., it is considered that it is about 2,000 hours to about 40,000 hours.
(3) A relationship in which the average Al content in the bond coat decreases linearly with an increase in the thickness of the outer Al reduced layer was obtained. It was found that this relationship could be used to predict a decrease in Al content. However, when the outer Al reduced layer becomes indistinguishable at a thickness of about 50 μm, the decrease in the Al content is saturated at about half (4 wt%) of the initial content, and this relationship is not established. Therefore, it is considered that the preferred application range is until the Al content is reduced to about half of the initial value.
本発明の遮熱コーティングの寿命管理方法によると、例えば、タービンの高温部材である動翼について、例えば、２年毎の定期点検時に予備動翼のＡｌ低下層の厚さを測定することにより、今後どれくらいの寿命があるかを推定することができ、動翼の交換時期を高度に管理することができる。 According to the lifetime management method of the thermal barrier coating of the present invention, for example, for a moving blade that is a high temperature member of a turbine, for example, by measuring the thickness of the Al lowering layer of the preliminary moving blade during a periodic inspection every two years, It is possible to estimate how long the service life will be in the future, and to highly control the timing of blade replacement.
１１ 基材
１２ ボンドコート
１３ トップコート
１４ 界面酸化層
１５ 外面Ａｌ低下層
11 Substrate 12 Bond coat 13 Top coat 14
Claims (8)
前記ボンドコート層の前記基材及び前記トップコート層の何れか一方の界面近傍に存在する界面酸化物形成金属の含有量が低下した界面酸化物形成金属低下層の厚さと、当該ボンドコート層中の界面酸化物形成金属の平均含有量との相関を求め、実機で使用された高温部品の所定部位の遮熱コーティングの界面酸化物形成金属低下層の厚さを計測し、この計測値と前記相関とから前記遮熱コーティングの寿命を推測することを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法。 In the life management method of a thermal barrier coating in which a bond coat layer made of an interface oxide-forming metal-containing alloy and a top coat layer made of ceramics are applied to the surface of a base material of a high-temperature component,
The thickness of the interface oxide-forming metal-decreasing layer in which the content of the interface oxide-forming metal existing in the vicinity of either the interface of the base material or the topcoat layer of the bond coat layer is reduced, and in the bond coat layer To obtain the correlation with the average content of the interfacial oxide-forming metal, and measure the thickness of the interfacial oxide-forming metal lowering layer of the thermal barrier coating in a predetermined part of the high-temperature part used in the actual machine. A method for managing the life of a thermal barrier coating, wherein the lifetime of the thermal barrier coating is estimated from a correlation.
前記界面酸化物形成金属低下層が、前記トップコート層との界面近傍に存在するものであり、前記ボンドコート層と前記トップコート層との界面に形成される界面酸化物形成金属の酸化物からなる界面酸化層の内側に存在することを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法。 In the thermal barrier coating life management method according to claim 1,
The interface oxide-forming metal lowering layer is present in the vicinity of the interface with the topcoat layer, and is formed from an oxide of an interface oxide-forming metal formed at the interface between the bondcoat layer and the topcoat layer. A thermal barrier coating life management method, wherein the thermal barrier coating is present inside an interfacial oxide layer.
前記計測値と前記相関とから前記遮熱コーティングの寿命を推測するステップでは、前記界面酸化物形成金属低下層の厚さの計測値から、当該ボンドコート層中の界面酸化物形成金属の平均含有量を推定し、当該界面酸化物形成金属含有量の低減状態から前記遮熱コーティングの寿命を推測することを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法。 In the life management method of the thermal barrier coating according to claim 1 or 2,
In the step of estimating the lifetime of the thermal barrier coating from the measured value and the correlation, from the measured value of the thickness of the interface oxide-forming metal lowering layer, the average content of the interface oxide-forming metal in the bond coat layer The lifetime management method of the thermal barrier coating characterized by estimating the lifetime and estimating the lifetime of the thermal barrier coating from the reduced state of the interfacial oxide-forming metal content.
前記計測値と前記相関とから前記遮熱コーティングの寿命を推測するステップでは、前記ボンドコート層中の界面酸化物形成金属含有量が、前記基材中の界面酸化物形成金属の含有量と同等になるまでを寿命として推測することを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法。 In the life management method of the thermal barrier coating according to any one of claims 1 to 3,
In the step of estimating the lifetime of the thermal barrier coating from the measured value and the correlation, the content of the interface oxide forming metal in the bond coat layer is equal to the content of the interface oxide forming metal in the substrate. A life management method for a thermal barrier coating, characterized in that the lifetime is estimated.
前記計測値と前記相関とから前記遮熱コーティングの寿命を推測するステップでは、前記界面酸化物形成金属低下層の厚さと加熱時間と加熱温度との関係式を用いて、当該界面酸化物低下層の厚さが所定値となるまでの加熱時間を求めて寿命を推測することを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法。 In the life management method of the thermal barrier coating according to any one of claims 1 to 4,
In the step of estimating the lifetime of the thermal barrier coating from the measured value and the correlation, using the relational expression of the thickness, heating time, and heating temperature of the interfacial oxide-forming metal lowering layer, the interfacial oxide lowering layer A lifetime management method for a thermal barrier coating, wherein the lifetime is estimated by obtaining a heating time until the thickness of the coating reaches a predetermined value.
実機相当の組成を有するコーティング試験片の加熱試験により、前記界面酸化物形成金属低下層の厚さと前記ボンドコート層中の界面酸化物形成金属含有量との相関を求めることを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法。 In the life management method of the thermal barrier coating according to any one of claims 1 to 5,
A heat-shielding method characterized in that a correlation between the thickness of the interfacial oxide-forming metal-reducing layer and the interfacial oxide-forming metal content in the bond coat layer is obtained by a heating test of a coating specimen having a composition equivalent to an actual machine. Coating life management method.
実機で使用された高温部品の種々の部位の遮熱コーティングの界面酸化物形成金属低下層の厚さを計測することにより、前記界面酸化物形成金属低下層の厚さと前記ボンドコート層中の界面酸化物形成金属含有量との相関を求めることを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法。 In the life management method of the thermal barrier coating according to any one of claims 1 to 6,
By measuring the thickness of the interfacial oxide-forming metal reducing layer of the thermal barrier coating at various parts of the high-temperature part used in the actual machine, the thickness of the interfacial oxide-forming metal reducing layer and the interface in the bond coat layer A method for managing the life of a thermal barrier coating, characterized in that a correlation with an oxide-forming metal content is obtained.
前記高温部品がガスタービン高温部品であり、前記界面酸化物形成金属がアルミニウムであることを特徴とする遮熱コーティングの寿命管理方法。
In the life management method of the thermal barrier coating according to any one of claims 1 to 7,
The thermal barrier coating life management method, wherein the high temperature component is a gas turbine high temperature component and the interface oxide forming metal is aluminum.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006185239A JP4716328B2 (en) | 2006-07-05 | 2006-07-05 | Life management method of thermal barrier coating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006185239A JP4716328B2 (en) | 2006-07-05 | 2006-07-05 | Life management method of thermal barrier coating |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008014747A JP2008014747A (en) | 2008-01-24 |
| JP4716328B2 true JP4716328B2 (en) | 2011-07-06 |
Family
ID=39071905
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006185239A Expired - Fee Related JP4716328B2 (en) | 2006-07-05 | 2006-07-05 | Life management method of thermal barrier coating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4716328B2 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4716329B2 (en) * | 2006-07-05 | 2011-07-06 | 財団法人電力中央研究所 | Life management method of thermal barrier coating |
| JP5311403B2 (en) * | 2009-07-27 | 2013-10-09 | 一般財団法人電力中央研究所 | How to create a temperature estimation formula for coated parts |
| KR102254816B1 (en) * | 2019-10-17 | 2021-05-24 | 한국전력공사 | Determning apparatus and method for abailability of hot gas path components of gas turbine |
| EP3832288A1 (en) * | 2019-12-04 | 2021-06-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Component wear state evaluation method and tool |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09176821A (en) * | 1995-12-21 | 1997-07-08 | Toshiba Corp | Radiation shield coating member and its production |
| EP0985745B1 (en) * | 1998-09-08 | 2006-07-12 | General Electric Company | Bond coat for a thermal barrier coating system |
| US6830827B2 (en) * | 2000-03-07 | 2004-12-14 | Ebara Corporation | Alloy coating, method for forming the same, and member for high temperature apparatuses |
| US6607789B1 (en) * | 2001-04-26 | 2003-08-19 | General Electric Company | Plasma sprayed thermal bond coat system |
| JP3794939B2 (en) * | 2001-06-18 | 2006-07-12 | 三菱重工業株式会社 | Method for estimating metal temperature of high temperature parts |
| JP4460806B2 (en) * | 2001-09-28 | 2010-05-12 | 株式会社東芝 | Life management method of high-temperature parts of gas turbine |
| JP4105911B2 (en) * | 2002-07-15 | 2008-06-25 | 財団法人電力中央研究所 | Metal element content prediction method and metal element content decrease timing prediction method |
| JP3865705B2 (en) * | 2003-03-24 | 2007-01-10 | トーカロ株式会社 | Heat shielding coating material excellent in corrosion resistance and heat resistance, and method for producing the same |
| JP2005344607A (en) * | 2004-06-03 | 2005-12-15 | Hitachi Zosen Corp | Life estimating method and life estimating device for gas turbine moving blade |
| JP5205608B2 (en) * | 2006-05-11 | 2013-06-05 | 国立大学法人東北大学 | Non-contact and non-destructive inspection method for aged thermal barrier coatings |
| JP4716329B2 (en) * | 2006-07-05 | 2011-07-06 | 財団法人電力中央研究所 | Life management method of thermal barrier coating |
-
2006
- 2006-07-05 JP JP2006185239A patent/JP4716328B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2008014747A (en) | 2008-01-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4716329B2 (en) | Life management method of thermal barrier coating | |
| Nowak et al. | Effect of processing parameters on MCrAlY bondcoat roughness and lifetime of APS–TBC systems | |
| Hejrani et al. | Isothermal and cyclic oxidation behavior of free standing MCrAlY coatings manufactured by high-velocity atmospheric plasma spraying | |
| Quadakkers et al. | Oxidation characteristics of a platinized MCrAlY bond coat for TBC systems during cyclic oxidation at 1000 C | |
| JP4716328B2 (en) | Life management method of thermal barrier coating | |
| Zhu et al. | A study of the diffusion and pre-oxidation treatment on the formation of Al2O3 ceramic scale on NiCrAlY bond-coat during initial oxidation process | |
| Lance et al. | Effect of APS flash bond coatings and curvature on TBC performance on rod specimens | |
| Pint et al. | Cyclic oxidation behavior of HVOF bond coatings deposited on La-and Y-doped superalloys | |
| JP3794939B2 (en) | Method for estimating metal temperature of high temperature parts | |
| US7175720B2 (en) | Non-destructive testing method of determining the depletion of a coating | |
| Eriksson et al. | Corrosion of NiCoCrAlY coatings and TBC systems subjected to water vapor and sodium sulfate | |
| JP5311403B2 (en) | How to create a temperature estimation formula for coated parts | |
| Kim et al. | Quantitative analysis on the depletion rate of β-NiAl phases in MCrAlY coating | |
| US7150798B2 (en) | Non-destructive testing method of determining the service metal temperature of a component | |
| JP4105911B2 (en) | Metal element content prediction method and metal element content decrease timing prediction method | |
| JP3519703B2 (en) | Temperature estimation method for high temperature parts | |
| JP5384540B2 (en) | Thermal barrier coating inspection method | |
| Lance et al. | The Effect of APS-HVOF Bond Coating Thickness Ratio on TBC Furnace Cycle Lifetime | |
| JP5173554B2 (en) | Evaluation method for thin-walled alloys | |
| Okada et al. | Temperature estimation and Al content prediction focusing on microstructural change in a thermal barrier coating | |
| JP4740966B2 (en) | Prediction method for metal element content decline | |
| Kitamura | Examination on microstructural change of a bond coat in a thermal barrier coating for temperature estimation and aluminum-content prediction | |
| Brodin et al. | Thermal barrier coating fatigue life assessment | |
| Okada et al. | Examination on Microstructural Change of a Bond Coat in a Thermal Barrier Coating for Temperature Estimation and Aluminum‐Content Prediction | |
| Wu | Substrate and bond coat related failure of thermal barrier coatings |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090521 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110310 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110323 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110323 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140408 Year of fee payment: 3 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |