JP4716329B2 - 遮熱コーティングの寿命管理方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

特開２００４−４５３４２号公報 特開２００３−７４３７６号公報 特開２００３−４５４８号公報 特開２００３−１０６１６６号公報 特開２００５−３４４６０７号公報 荒井正行、岩田宇一、遮熱コーティングの界面酸化層測定に基づくガスタービン燃焼器部材の温度推定、火力原子力発電、第54巻、pp. 1064-1069（2003）

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。

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、前記高温部品の加熱時間と加熱温度と当該高温部品の前記ボンドコート層中の界面酸化物形成金属の含有量の変化との相関を求め、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。

かかる第１の態様では、高温部品の加熱時間と加熱温度と当該高温部品のボンドコート層中の界面酸化物金属の含有量の変化との相関を求め、実機の界面酸化物形成金属の平均含有量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。

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の平均含有量と加熱時間と前記相関との関係から実機で使用された高温部品の所定部位の使用温度を推定し、当該使用温度にて界面酸化物形成金属含有量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。

かかる第２の態様では、界面酸化物形成金属の平均含有量の計測値と加熱時間と相関とから、使用温度を推定し、これにより前記遮熱コーティングの寿命を推測する。

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、前記ボンドコート層中の界面酸化物形成金属の平均含有量が、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。

かかる第３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。

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、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、加熱時間と加熱温度と前記界面酸化物形成金属の平均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。

かかる第４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、予め加熱温度と加熱時間と界面酸化物形成金属の平均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。

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。

かかる第５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。

本発明は、加熱温度と加熱時間とボンドコート層中の界面酸化物金属の含有量の変化との相関に着目し、実機の界面酸化物形成金属の平均含有量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。

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。

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、ボンドコート層中のＡｌ含有量と加熱温度と加熱時間との相関を求める（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含有量を計測し（ステップＳ２０）、ステップＳ２０で求めたＡｌ含有量の計測値と、ステップＳ１０で求めたＡｌ含有量と加熱温度と加熱時間との相関とから遮熱コーティングの寿命を推測する（ステップＳ３０）。

ここで、ステップＳ１０におけるボンドコート層中のＡｌ含有量と加熱温度と加熱時間の相関は、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。

また、本発明におけるＡｌ含有量は、ボンドコートにおける厚さ方向及び面方向の平均含有量をいい、例えば、後述するように、ＥＰＭＡ分析のＡｌ検出強度の平均値より算出することができる。なお、Ａｌ含有量の測定はＥＰＭＡ分析に限定されるものではなく、超音波や渦電流を用いて計測することもできる。

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ボンドコート層中のＡｌ含有量と加熱温度と加熱時間の相関を求める方法を例として本発明を説明する。

（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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図８には、一例として、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。

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。

図９は、ボンドコート１２中の主要な元素の分布を示す。図９（ａ）は試験前、図９（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。

図１０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。

図１１は、図１０の縦軸をＡｌ含有量の減少量とし、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１１に示すように、ボンドコート１２中のＡｌ含有量の減少量は、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、Ａｌ含有量ｃの変化Δｃは、Ａｌ含有量の初期値をｃ₀、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。

図１２は、Ａｌ含有量減少速度定数ｋのアレニウスプロットを示す。図１２に示すように、Ａｌ含有量減少速度定数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。

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。

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、Ａｌ含有量を測定し、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。

（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含有量を計測することにより、Ａｌ含有量と加熱温度と加熱時間との相関とＡｌ含有量の計測値とから、遮熱コーティングの寿命を推測することができる。

次に、ボンドコート１２中のＡｌ含有量と加熱温度と加熱時間と、Ａｌ含有量の計測値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。

図１３には、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Ａｌ含有量の計測値と、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）。

次いで、任意のＡｌ含有量ｃ_s、例えば、基材１１のＡｌ含有量と一致するＡｌ含有量ｃ_sに達するまでの時間を式（１）から求め、現在までの部品の使用時間ｔ_p差し引けば、ボンドコート１２の耐酸化性が劣化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）。

以下に任意のＡｌ含有量ｃ_sになるまでの時間ｔ_lを求める式を示す。

ボンドコート中のＡｌ含有量は、基材とほぼ同程度になると、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。

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ボンドコート中のＡｌ含有量を把握し、Ａｌ含有量と加熱温度と加熱時間との相関を求め、次いで、実機で使用された高温部品の所定部位のＡｌ含有量を計測し、Ａｌ含有量の計測値と、Ａｌ含有量と加熱温度と加熱時間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。

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。

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ボンドコート中のＡｌ含有量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。

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である。 本発明の実施形態の加熱試験（大気中９５０℃）におけるＴＢＣ試験片断面の様相を示す図である。 本発明の実施形態の加熱試験（大気中９５０℃）におけるボンドコートの組織変化挙動を示す図である。 本発明の実施形態の加熱試験（大気中９５０℃）におけるトップコートとボンドコートとの界面の様相を示す図である。 本発明の実施形態の加熱試験におけるボンドコートのＥＰＭＡ面分析結果を示す図である。 本発明の実施形態の加熱試験におけるトップコートとボンドコートとの界面付近のＥＰＭＡ面分析結果を示す図である。 本発明の実施形態の加熱試験におけるボンドコートと基材との界面付近の面分析結果を示す図である。 本発明の実施形態の加熱試験における１０００℃１０００ｈ後のボンドコート微視組織の様相を示す図である。 本発明の実施形態の加熱試験におけるボンドコート中の元素分布を示す図である。 本発明の実施形態の加熱試験におけるボンドコート中のＡｌ含有量変化挙動を示す図である。 本発明の実施形態の加熱試験におけるＡｌ含有量減少量と酸化時間の平方根の関係を示す図である。 本発明の実施形態の加熱試験におけるＡｌ含有量減少速度のアレニウスプロットを示す図である。 本発明の実施形態におけるボンドコート中の寿命予測手法の一例のフローを示す図である。

符号の説明

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

Claims (5)

1. 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、
   前記高温部品の加熱時間と加熱温度と当該高温部品の前記ボンドコート層中の界面酸化物形成金属の含有量の変化との相関を求め、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。
2. 請求項１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の平均含有量と加熱時間と前記相関との関係から実機で使用された高温部品の所定部位の使用温度を推定し、当該使用温度にて界面酸化物形成金属含有量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。
3. 請求項１又は２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の平均含有量が、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。
4. 請求項１〜３の何れか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、加熱時間と加熱温度と前記界面酸化物形成金属の平均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。
5. 請求項１〜４の何れか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。
   

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