JP4753787B2 - 蛍光分光式内部応力検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、航空エンジンや産業用ガスタービンなどの高温燃焼用機器に施された遮熱コーティング、特にタービン部分の動翼、静翼や燃焼器ライナーの表面を被覆するセラミック遮熱コーティング（ＴＢＣ）の健全性を検査する装置に関する。

航空機、船舶、発電装置などに用いられるガスタービンは、高効率化、高出力化のためガスタービン作動温度（燃焼ガスのタービン入口温度）の高温化が図られている。タービン作動温度を上昇させるためには、高温度の燃焼ガスに曝されるタービン動翼、静翼、燃焼器などの部品を保護する冷却技術や遮熱コーティングの技術が求められる。
さらに、安全で安心できる社会を維持するために、航空機のガスタービンの安全性確保や発電用ガスタービンの寿命保証などが要求される。また、ランニングコスト低減の観点からも、ガスタービン部品の耐久性向上が重要な課題であり、遮熱コーティングに対して、遮熱性能、耐久性の向上がより一層求められている。

ガスタービンによく使用される遮熱コーティング（ＴＢＣ）は、一般に、ニッケル（Ni）、コバルト（Co）、鉄（Fe）などを主成分とする超耐熱合金の基材に対して、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍは、ニッケル、コバルト、鉄のうちの１以上を意味する）の金属ボンドコートを施して金属下地層とし、この上にセラミック遮熱層を形成することにより構成された剥離抑制性能の良い遮熱コーティングである。
セラミック遮熱層は、酸化イットリウム（Y₂O₃）で部分安定化した酸化ジルコニウム（ZrO₂）など、低熱伝導性のセラミックで形成する。
金属ボンドコートは、金属基材と密着し耐食・耐酸化性金属被覆機能を有し、剥離を防止する。

しかし、これらの遮熱コーティングは、ガスタービンの稼働中に高温環境に曝されることによる高温腐食（酸化）や起動停止の繰り返しによる熱疲労により、長時間使用すると金属下地層とセラミック遮熱層との間で剥離損傷する。
高温酸化による剥離は、金属下地層に含まれるアルミニウムがセラミック遮熱層から供給される酸素と反応して金属下地層の表層にアルミナ（Al₂O₃）を含む酸化層（ＴＧＯ）が成長し、この酸化層が厚くなるに従いセラミック遮熱層に作用する熱応力が大きくなって、遂にはセラミック遮熱層が剥離すると推測されている。

遮熱セラミック層は金属基材と熱膨張係数が大きく異なることから熱応力が発生し、界面で剥離が起こりやすい。また、遮熱セラミック層は多くの気孔が存在し、外から侵入する酸素、さらに高温で解離した酸素を下層まで供給するので、ＭＣｒＡｌＹ合金層との界面でニッケル、コバルト、アルミニウムなどの酸化物層を形成し、ＭＣｒＡｌＹ合金層の減耗や損傷、さらには金属基材の酸化や強度低下などを抑制することができない。

現在の遮熱コーティングは部材の温度上昇を２０〜１００℃程度抑制する効果を有するが、遮熱コーティングの剥離損傷の有無は基材の劣化に大きな影響を及ぼす。したがって、ガスタービン部材の遮熱コーティングの健全性を非破壊で評価し、損傷具合に応じて再コーティングする技術の開発が望まれる。
すなわち、遮熱コーティングの界面近傍の状況を反映する事象を観察することができる装置、あるいは亀裂発生部位となるＴＧＯの応力状態を直接検知する装置が得られれば、遮熱コーティングの健全性を非破壊で評価することが可能となり、遮熱コーティングの余寿命評価が可能となる。

現在、現行ガスタービンの遮熱コーティングについて実施されている健全性確認法は、ボアスコープなどをケーシング内に挿入して外観観察するものである。外観損傷評価装置による外観観察は、不燃焼物による圧痕などの表面損傷を評価することができるが、遮熱コーティングの内部損傷に関する情報を得ることはできない。
したがって、遮熱コーティングの剥離損傷を評価することはできるが、剥離に至らない遮熱コーティングの余寿命を評価することは不可能である。

また、特許文献１には、セラミック層と耐食合金層の間に生成する酸化物層を非破壊的に検出して映像化処理により酸化物層の量を推定し、セラミック層に発生する熱応力を求め、累積損傷度を算出して、セラミック層と耐食合金層の余寿命を評価するセラミックコーティング余寿命評価診断システムが開示されている。
ここで、非破壊検出装置として、超音波を利用する方法、Ｘ線透過を利用する方法、赤外線カメラを用いる方法が採用されている。ただし、これらの方法はそれぞれ測定条件に基づいて、非測定体が、実機から取り外しのできる部品や形状が複雑でない比較的小さな部品に限られ、あるいは赤外線カメラ方式では非測定体の裏側から加熱して表面に表れる温度差から推定するため加熱ができる部材に限られるという問題がある。

また、特許文献２には、目視による評価の不確実性に鑑みて、目視検査の後に、赤外線サーモグラフィ法により遮熱コーティングの内部剥離を検査し、その結果剥離模様が検出された場合は、模様部について蛍光Ｘ線法による表面元素分析検査と渦流探傷法を用いた膜厚測定を行い、遮熱コーティングの剥離減耗等の有無を検出して劣化を判定する遮熱コーティング劣化診断方法が開示されている。
開示方法は、赤外線サーモグラフィ法で検出した部分について表面元素分析法を用いて単なるスケールなどを検出して区別し剥離部分を確認するようにしたものである。複合的な測定方法により、目的とする遮熱コーティングの剥離現象を間接的に検出することができる。

セラミック遮熱層と金属下地層の層間に生成するＴＧＯの応力は、健全なときに１〜３ＧＰａ程度の高い値を持ち、剥離したときに解放されて低下する。そこで、セラミック遮熱層やＴＧＯの応力を、レーザラマン法、フォトルミネッセンス法、Ｘ線回折法などを用いて測定し、遮熱コーティングの劣化を評価する方法がある。
特に、試料に可視光レーザを照射し、ＴＧＯで励起された蛍光のスペクトルを検出することによりＴＧＯ応力を測定するフォトルミネッセンス法が有効である。この方法によれば、蛍光を励起させるレーザ光は最外層の約０．５ｍｍのジルコニアセラミック遮熱層を透過して酸化物層に到達するので、酸化物層の応力を非破壊的に測定することができる。

特許文献３には、フォトルミネッセンス法を用いた健全性評価装置で、蛍光物質として希土類元素を含むＴＢＣに紫外線レーザを当てて発生する蛍光を検出器で捉えて放射スペクトルを解析し、ＴＢＣ中の結晶相の量を算定することにより累積損傷度や余寿命を推定することができる装置が開示されている。開示方法は、蛍光の内のあるピークの強度比、たとえば６０５ｎｍのピークと６１５ｎｍのピークの強度の比がＴＢＣの単斜晶の量と関連することに基づいて、実測したピーク値からその材料の余寿命を算出するものである。

さらに、測定されたＴＧＯの応力値よりセラミック遮熱層の劣化状況を判断する方法として、有限要素法により推定される値と比較する方法や、所定の高温酸化環境に暴露したり熱サイクルや熱衝撃による劣化を引き起こした部材についてＴＧＯの残留応力を測定することにより予め劣化状況と残留応力の相関関係を把握して対照する方法などを利用することができる。
フォトルミネッセンス法は、顕微鏡構成を利用して、たとえば波長５３２ｎｍのグリーンレーザを対物レンズを通して試料に照射し、発生した蛍光を分光器で分離してＣＣＤカメラで撮像することにより、蛍光映像の顕微鏡写真を取得して応力の評価をする。

現在のフォトルミネッセンス法では、試料が小型の平板に限られるため、ＴＢＣ健全性評価手法として期待されても、複雑な形状を持つタービン動翼や静翼、燃焼器などに被覆された遮熱コーティングをそのまま評価する手段として利用することはできない。
また、可視光レーザを対物レンズで絞って試料に照射するため、測定エリアの径が約１５μｍ程度と極めて小さく、ガスタービン部材の遮熱コーティングの広い表面をくまなく測定するには極めて長い測定時間が必要となり実質上困難である。
さらに、運用している最中の現行ガスタービンについてそのままの状態で測定して余寿命を評価する手段として利用することはできない。

なお、波長５１４ｎｍのグリーンレーザを照射すると、ＴＧＯに含まれるＣｒ³⁺により発生する蛍光が、ＴＧＯの応力に対応して周波数遷移を起こすことが知られている。
非特許文献１は、この現象を利用して、応力のないサファイヤと応力下のＴＧＯで蛍光波長に明らかな差異があることを確認し、非破壊的測定を介してＴＢＣの品質管理に利用する可能性について論じている。
しかし、試用した計測装置は、光ファイバを利用したプローブを実験室用のラマン測定装置に接続したもので、実機を分解せずに適用できるものではない。
特開平１１−１４８９３１号公報 特開２００４−１５６４４４号公報 米国特許第６７３０９１８号公報 Maurice Gell, et al.,"Photoluminescence Piezospectroscopy:A Multi-Purpose Quality Control and NDI Technique for Thermal Barrier Coatings" Int. J. Applied Ceramic Technology, 1 [4] 316-29 (2004)

本発明が解決しようとする課題は、材料の内部応力を蛍光のスペクトルシフトに基づいて推定する内部応力検査装置を提供することであり、特に現行ガスタービンなどの複雑形状部材に被覆された遮熱コーティングについて健全性を評価できる装置を提供することである。さらに、現行ガスタービンを開放しないで遮熱コーティングの内部損傷を検査することができる健全性評価装置を提供することであり、また、現行ガスタービンの稼働中に遮熱コーティングの検査を可能とする健全性評価装置を提供することである。さらに、遮熱コーティングの表面状態と内部損傷を同時に検査できる複合機能化損傷評価装置を提供することである。

上記課題を解決するため本発明の蛍光分光式内部応力検査装置は、照射光を伝送する光ファイバと画像を伝送するレンズリレーを備えたボアスコープチューブと、蛍光励起用可視光レーザ発生装置と、蛍光画像上の画素ごとに波長成分ごとの光強度信号を出力する画像出力装置と、電子計算機でなる演算装置を備えて、蛍光励起用可視光レーザ発生装置で生成したレーザをボアスコープチューブの光ファイバを通して対象に照射するようにし、対象から放出される蛍光をレンズリレーを通して画像出力装置で検出し、演算装置において画像出力装置の出力に基づき光周波数スペクトルのピークを検出して、内部応力の大小を判定することを特徴とする。

画像出力装置は、チューナブルフィルタと二次元ＣＣＤカメラを備え、さらにＣＣＤカメラを制御するカメラ制御器と、チューナブルフィルタの透過光周波数を調整するフィルタ制御器を備えて、対象物から放出される蛍光をレンズリレーを通しチューナブルフィルタを介して二次元ＣＣＤカメラで検出するものであってよい。演算装置は、カメラが検出した光信号とフィルタ制御器から取得したチューナブルフィルタの透過光周波数とに基づき、蛍光の光周波数スペクトルのピーク波長を検出して、対象物の内部応力の大小を判定する。
また、画像出力装置は、分光器と一次元ＣＣＤカメラとＣＣＤカメラを制御するカメラ制御器を備えて、対象物から放出される蛍光をレンズリレーを通し分光器を介して一次元ＣＣＤカメラで検出するものであってもよい。演算装置は分光器を透過した光を検出したカメラ信号と分光器の透過光周波数に基づいて、蛍光の光周波数スペクトルのピーク位置を推定することができる。

検査対象物は、可視光で励起されて蛍光を発生する材料を含む物であって、蛍光スペクトルにおけるピーク位置が内部応力と関連を有する物である。特に、超合金基材上に、金属下地層である金属接合層、セラミック遮熱層の順に重なった構造を備え、金属下地層に可視光レーザにより蛍光を発生する蛍光物質を含む遮熱コーティングであることが好ましい。
このような遮熱コーティングでは、金属下地層の材料がセラミック遮熱層から浸潤してくる酸素により酸化してた酸化層（ＴＧＯ）が成長し、この酸化層が原因となって、遂にはセラミック遮熱層が剥離する現象が発生する。本発明の健全性検査装置では、蛍光励起用可視光レーザが薄いセラミック遮熱層を透過してＴＧＯに達し、ＴＧＯに含有される蛍光物質の発生する蛍光周波数の遷移に基づいて内部応力を推定するので、非接触でセラミック遮熱層の剥離を判定することができる。

励起用レーザと蛍光はいずれも可視光であるので、ボアスコープチューブは、市販のボアスコープに用いられるチューブと同じものを活用することができる。また、ボアスコープチューブに照明用光源とアイピースを付与してボアスコープと共用し、必要に応じて表面観察と内部応力の観察を同時にあるいは切り替えて実行するようにしてもよい。
ボアスコープと同じ構造のチューブを使用するため、ガスタービンの動翼、静翼、燃焼器などの部品を保護する遮熱コーティングなどを測定対象とする場合にも、タービンを分解しなくても、覗き孔からチューブ状のプローブを差し入れて検査することができる。
チューナブルフィルタは、透過光の周波数を電気的に調整できるフィルターで、たとえば液晶の特性を利用した液晶チューナブルフィルタ（ケンブリッジリサーチアンドインストルメンテーション社製バリスペック（VariSpec）：商品名）など、市販されているものを利用することもできる。

また、さらに、渦電流式膜厚計あるいは交流インピーダンス式膜厚計を備えて、同時にセラミック遮熱層の厚さや金属接合層の厚さを測定して加味し、表面状態と内部損傷の２つの観点から観察することにより遮熱コーティングの健全性と余寿命をより的確に評価できるようにすることもできる。
また、タービンなどを回転させながら動翼の出現時間間隔に同期するパルスでレーザ照射をして発生する蛍光を測定することにより、動翼を群として見て表面位置にしたがった内部応力分布を測定することができる。

本発明の蛍光分光式内部応力検査装置を用いることにより、ボアスコープのプローブチューブと同等の物を利用して、解体しないでタービン動翼、静翼、燃焼器などの遮熱コーティングの内層の状態を検診して、セラミック遮熱層の剥脱を検知し余寿命を推定することができるので、航空エンジンや産業用ガスタービンなどの高温燃焼用機器に施した遮熱コーティングなどについて、的確に再コーティングするための情報を提供し、より高度な保全を行うことができる。
なお、本発明の蛍光分光式内部応力検査装置は、遮熱コーティングに限らず、可視光レーザを照射すると可視光領域の蛍光を発生し、かつ、この蛍光の波長が内部応力に影響を受けるような材料に対して、同様に適用できることはいうまでもない。

以下、図面を用いて、本発明の蛍光分光式内部応力検査装置の最良の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の１実施例に係る蛍光分光式内部応力検査装置の構成を模式的に示した断面図、図２は蛍光の応力遷移を表す図面、図３は二次元ＣＣＤカメラで得られた光強度信号例を示すグラフ、図４は剥離判定の手順を説明するブロック図、図５と図６は蛍光分光式内部応力検査装置により動翼を測定する例を説明する図面、図７は高温に長時間暴露した蛍光分光式内部応力の内部応力の観察例を示す図面、図８は蛍光分光式内部応力検査装置により構成するタービン翼自動検査装置の概念図である。

本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置は、ボアスコープチューブ１１、蛍光励起用レーザ発生装置２１、二次元ＣＣＤカメラ３１、演算装置４１、アイピース５１を備える。
ボアスコープチューブ１１は、工業用内視鏡であるボアスコープのチューブと同様に、画像を伝送するレンズリレーを中心軸に沿って設けその外側にレーザ光を伝送する光ファイバ束を配置しステンレス管で被覆したものである。

また、蛍光励起用レーザ発生装置２１の出力レーザは、光ファイバ２２と光路切替ミラー２３と半透過反射板２４を介し、光ファイバ１２を通ってボアスコープチューブ１１に入射し、ボアスコープチューブ１１の端面から励起光線１３として対象物を照射する。
対象物には蛍光励起用レーザにより蛍光を生ずる蛍光物質が含まれていて、励起光線１３を受光すると特定波長の蛍光１４が生ずる。

たとえば、遮熱コーティング（ＴＢＣ）の酸化膜（ＴＧＯ）に含まれるクロムイオン（Ｃｒ³⁺）は、波長５１４ｎｍの緑色のレーザを受けると無応力状態でＲ１（波数１４４０２ｃｍ^-1）とＲ２（１４４３２ｃｍ^-1）の蛍光を励起することができる。この蛍光は、図２に示すように、応力によりピークの波数値が遷移するので、ピークの波長変化により応力推定ができる。なお、Ｒ２ピークの方が応力変化に対して正確に変化する。

図２は、クロムイオンの蛍光の波数分布例を模式的に示した図面である。無応力状態の酸化アルミニウム（サファイア）における蛍光のピークに対して、遮熱コーティング中に拘束されたＴＧＯの蛍光のピークは波数が小さい方に遷移している。遷移量Δνは応力σに比例して、
Δν＝Πσ （式１）
と表すことができることが知られている。Πは比例係数である。

そこで、グリーンレーザ発生装置を蛍光励起用レーザ発生装置２１として利用する。グリーンレーザは可視光領域にあるため、ボアスコープの照明光と同様にボアスコープチューブ１１の光ファイバ束をよく透過する。
対象物の画像信号は、ボアスコープチューブ１１に組み込まれたレンズリレーで伝送され、半透過反射板２４を透過して二次元ＣＣＤカメラ３１に入射する。二次元ＣＣＤカメラ３１が受入する画像信号には、対象物から放射される蛍光が含まれている。
なお、蛍光を観察するときは、第２光路切替ミラー２５は光路を避けた位置に待避させておく。

二次元ＣＣＤカメラ３１の入射口には、狭い光透過域を持つ中心波長可変のチューナブルフィルター３２が設けられていて、透過光の波長を所定刻みごとに変化させて走査し、ＣＣＤカメラ３１に入射する光の波長を順次選択できるようになっている。
したがって、チューナブルフィルター３２と組み合わされた二次元ＣＣＤカメラ３１は、スペクトル解析を行ったと同じ作用をし、フィルターで選択した波長ごとの二次元画像を提供する。

チューナブルフィルター３２は、たとえば液晶の特性を利用した液晶チューナブルフィルターＬＣＴＦ（ケンブリッジリサーチアンドインストルメンテーション社製バリスペック（VariSpec）：商品名）などの液晶可変フィルタであることが好ましい。バリスペック（商品名）は、位相遅延板と液晶セルを１対の直線偏光子で挟んだユニットを複数直列に配設して、透過光のバンド幅を極めて狭く調整したもので、透過光の周波数を電気的に調整できるようにしたフィルタで、５００−７２０ｎｍの領域で０．２５ｎｍ程度のバンド幅を達成している。

チューナブルフィルター３２にはフィルタ制御器３４が付属し、フィルタ制御器３４は透過光中心周波数を調整すると共に、その周波数を演算装置４１に伝達する。
二次元ＣＣＤカメラ３１にはカメラ制御器３３が付属し、カメラ制御器３３はカメラ３１を制御して画像を取得すると共に、カメラの出力を演算装置４１に伝送する。二次元ＣＣＤカメラ３１は、チューナブルフィルター３２を透過した画像を撮影するので、フィルタの透過周波数ごとに切り出した画像を取得して出力する。
なお、二次元ＣＣＤカメラ３１の１画面は、対象物表面の４０μｍ平方に対応する。従来の顕微鏡型フォトルミネッセンス法においては直径約１５μｍの測定エリアで観察するのと比較すると、測定領域が極めて大きく拡大し、同じ表面積を測定する場合にも能率が大いに向上する。

また、第１の光路切替ミラー２３と第２光路切替ミラー２５を切り替えて、ハロゲンランプ５２を点灯する。すると、ハロゲンランプ５２の光がボアスコープチューブ１１の光ファイバ束に入射し、対象物を照明する。照明された対象物表面の画像は、レンズリレーを通って伝送され半透過反射板２４を透過して、光路中に進出してきた第２光路切替ミラー２５で反射して、アイピース５１から肉眼で観察できるようになる。このようにして、蛍光分光式内部応力検査装置をボアスコープとして使用することができる。なお、アイピース５１にはＣＣＤカメラをセットして、画像信号を演算装置４１に伝送して画像処理するようにしてもよい。

演算装置４１は、カメラ出力とフィルター制御器からの透過光周波数情報を用いて、測定対象物の内部応力を検知し、健全性をより定量的に評価する。
図３は、二次元ＣＣＤカメラ３１における所定の画素から得られた光強度信号を波長および波数に対してプロットしたグラフである。
上段のグラフ（ａ）は内部応力のない状態にあるアルミナについて波長５３２ｎｍのグリーンレーザを照射して測定したときの光強度、下段のグラフ（ｂ）は遮熱コーティングに発生した酸化層について測定したときの光強度の測定値である。フィルター制御器によりフィルター透過周波数が順次、電気的に所定間隔で設定されたときの画像信号から取得された光強度信号であるので、測定値は離散的な値をとる周波数ごとに得られる。

グラフには、Ｒ１ピークとＲ２ピークが明らかに存在し、応力状態のときは無応力状態のときより波長λが長い方に遷移することが分かる。先に説明した通り、Ｒ２ピークの波長遷移量Δλ２を用いることにより、ＴＧＯの内部応力が推定できる。しかし、測定データは離散的な数値として得られるので、グラフから直接にピークを求めることはできない。さらに、２つのピークは重なり合っているためピーク値は互いに干渉を受けてグラフ上のピークからずれている。
そこで、正しい内部応力値を知るためには正確なピーク位置を求める必要があり、この離散的な情報を用いて相互干渉したピークの位置を正確に推定できる手法が求められる。

Ｒ１とＲ２のピーク位置は、２つのベル型の分布関数曲線にフィッティングさせることにより正確な値を得ることができる。一般的には、この分布関数として、ガウス関数（Ｇ（ν−ν０；ｗ））とローレンツ関数（Ｌ（ν−ν０；ｗ））が用いられるが、本実施例のＲピークには十分うまくフィットしない。しかし、ナノ応力顕微鏡における経験から、下に表す疑似フォックト関数ＰＶを用いることにより、高精度にフィッティングできることが分かっている。
ＰＶ（ν−ν０）＝Ｇ（ν−ν０；ｗ１）[Ｌ（ν−ν０；ｗ２）]^β
（式２）
ここで、Ｇは幅ｗ１に関するガウス分布関数、Ｌは幅ｗ２に関するローレンツ分布関数、指数βは正の定数である。

こうしたスペクトル解析の結果得られるピークにおける波長あるいは波数から、画像中のＴＧＯの内部応力を算定する。
ＴＧＯの内部応力は、ＴＧＯ層が薄く基材との界面剥離が無い間はほぼ２〜２．３ＧＰａの圧縮応力を示し、多少厚みが増えると界面クラックが生じるようになって１．５〜１．７ＭＰａ程度に減少し、その後、界面剥離が進行するにつれてさらに内部応力が低下し、金属下地層とセラミック遮熱層との間が完全に剥離すると内部応力が解放されてほぼ０ＭＰａになる。

そこで、内部応力の測定を行うことにより、金属下地層とセラミック遮熱層の剥離破損の状態を推定する。
図４は、演算装置４１において実行される剥離判定の手順を説明するブロック図である。
ボアスコープチューブ１１の先端を測定対象物の表面に向けてグリーンレーザを照射し、発生する蛍光を二次元ＣＣＤカメラ３１で受光する。
演算装置４１は、カメラ制御器３３からＣＣＤカメラ出力（１０１）を取得し、フィルター制御器３４から透過光の波長情報（１０２）を取得して、スペクトル解析（１０３）をする。

スペクトル解析では、所定の波長範囲について透過光波長を変化させた結果から、ＣＣＤカメラ３１の各画素に対応する対象物表面の蛍光スペクトルを生成する。生成した蛍光スペクトルについてピークフィッティングをして、ピーク位置を正確に推定し、無応力状態のピーク位置との波長ずれ（Δλ）を算定する。
算定した波長ずれを用い、波数偏差と内部応力が比例することを表す先の関係式（式１）に基づいて、内部応力値を推定する（１０４）。
内部応力の推定値から剥離の有無を判定する（１０５）。内部応力と剥離状態の対応関係を予め調査して、剥離の有無を判定する判定基準（１０６）として使用することができる。また、ボアスコープによる表面観察の結果（１０７）を加味して判定の正確度を向上させることが好ましい。

本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置を用いれば、図５、図６に示すように、航空エンジン６０のカバー６２に設けられた観察孔６３からボアスコープチューブ１１を挿入して、動翼６１の表面に被覆された遮熱コーティングをエンジン内部に収納されたままの状態で内部応力を測定し剥離状態を観察することができる。
ボアスコープチューブ１１の先端から照射される可視光レーザにより遮熱コーティングの酸化層に含まれるクロムイオンの蛍光に基づいて得られる内部応力に基づいて剥離状態を推定する。
動翼６１の位置を調整すると共に、ボアスコープチューブ１１を動翼の表面に沿って走査させることにより、動翼の遮熱コーティング表面を広く観察することができる。

図７は、１１５０℃の高温に長時間暴露した遮熱コーティングについて、内部応力の観察を行った例を示す図面である。図中、最も淡色の部分はＴＧＯの内部応力が−３．５から−４．５ＭＰａの領域で、密着により応力が高い部分、最も濃色の部分は＋０．５から−０．５ＭＰａの領域で剥離して応力開放された部分になる。
図７の（ａ）は１０時間、（ｂ）は５０時間、（ｃ）は１００時間、（ｄ）は２００時間暴露したときの応力分布状態を表す。短時間の暴露では部分的にしか剥離していないが、長時間暴露するとほぼ全面にわたって剥離してしまう様子が観察できた。

また、図８に示すように、本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置７０、サンプル駆動装置７１、自動搬送装置７２を組み合わせることにより、タービン翼の自動検査装置を構成することができる。
サンプル駆動装置７１は、タービン翼を蛍光分光式内部応力検査装置７０に対して所定の位置姿勢に把持し、プログラムにしたがって駆動して、タービン翼７３の検査対象部分を自動的に蛍光分光式内部応力検査装置にかける。蛍光分光式内部応力検査装置は、可視光レーザにより励起された蛍光のスペクトル解析をしてＲ２ピークの位置を確定し、内部応力を算定して、剥離状態を推定する。１個のタービン翼について測定をすませたら、自動搬送装置によって検査済みのタービン翼を排泄し次のタービン翼をサンプル駆動装置に供給して次々に自動検査を行う。

さらに、回転する動翼の間隔と同期する間隔で励起レーザを点滅させて、ＣＣＤカメラで観測することにより、回転中の動翼について同じ部位における遮熱コーティングの平均的な剥離状態を観察することができる。

また、本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置は、ボアスコープなどの外観損傷検査装置を備える上に、さらにセラミック遮熱層の厚さを測定できる渦電流式膜厚測定器、金属接合層の厚さを測定できる交流インピーダンス計などを備えて、複合機能化することによって、より高度な損傷評価を実現する装置を構成することができる。
ボアスコープで行うＴＢＣの外観検査により、ＴＢＣの剥離や金属粉などの衝突痕などを発見することができ、蛍光分光式内部応力検査装置の蛍光検出によりＴＢＣ内部の状態を推定することができる。しかし、これだけではＴＢＣ膜厚が薄いときにＴＧＯ応力が小さく評価されてＴＢＣの健全性を正当に評価することが難しい。
これに対して、ＴＢＣの膜厚や金属接合層の厚さを同時に測定した結果を加味することにより、ＴＢＣの健全性や余寿命を高い信頼性を持って評価することが可能になる。

なお、セラミック遮熱層の焼結と共に気孔率が変化するが、気孔率が異なればＴＧＯで発生する蛍光の透過率が変化するので、蛍光のスペクトルから輝度の変化を観察することにより、セラミック遮熱層の焼結性を評価することができる。
また、遮熱コーティングの履歴した温度水準も同様に蛍光スペクトルのピーク輝度に影響を与えるので、本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置を用いたフォトルミネッセンス法により暴露温度履歴を推定することができる。
このように、本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置を利用することにより、多様な内部損傷検査が可能になる。

本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置は、主として、航空エンジンや産業用ガスタービンなどの高温燃焼用機器、特にタービン部分の動翼、静翼や燃焼器ライナーに施された遮熱コーティング（ＴＢＣ）の健全性を検査することを目的とする。
本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置を用いることにより、従来のフォトルミネッセンス法によるよりも広範囲の測定が可能で検査の効率が向上し、また、現行ガスタービンを開放することなく能率よく健全性評価が可能である。

本発明の１実施例に係る蛍光分光式内部応力検査装置の構造概念図である。 本実施例におけるクロムイオンの蛍光の応力遷移を示す波数分布例を模式的に示した図面である。 本実施例の二次元ＣＣＤカメラで得られた光強度信号を波長および波数に対してプロットしたグラフである。 本実施例において実行される剥離判定の手順を説明するブロック図である。 本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置により動翼を測定する例を示す概念図である。 図５における測定対象である航空エンジンを示す斜視図である。 高温に長時間暴露した遮熱コーティングについて内部応力の観察を行った例を示す図面である。 本実施例の蛍光分光式内部応力検査装置により構成するタービン翼自動検査装置を示す構成図である。

符号の説明

１１ ボアスコープチューブ
１２ 光ファイバ
１３ 励起光線
１４ 蛍光
２１ 蛍光励起用レーザ発生装置
２２ 光ファイバ
２３ 光路切替ミラー
２４ 半透過反射板
２５ 第２光路切替ミラー
３１ 二次元ＣＣＤカメラ
３２ チューナブルフィルター
３３ カメラ制御器
３４ フィルタ制御器
４１ 演算装置
５１ アイピース
５２ ハロゲンランプ
６０ 航空エンジン
６１ 動翼
６２ カバー
６３ 観察孔
７０ 蛍光分光式内部応力検査装置
７１ サンプル駆動装置
７２ 自動搬送装置
７３ タービン翼

Claims (8)

1. 照射光を伝送する光ファイバと画像を伝送するレンズリレーを備えたボアスコープチューブと、蛍光励起用可視光レーザ発生装置と、蛍光画像上の画素ごとに波長成分ごとの光強度信号を出力する画像出力装置と、演算装置を備えて、超合金基材上に、金属下地層である金属接合層、セラミック遮熱層の順に重なった構造を備え、金属下地層に可視光レーザにより蛍光を発生する蛍光物質を含む遮熱コーティングを対象物として、前記蛍光励起用可視光レーザ発生装置で生成したレーザを前記ボアスコープチューブの前記光ファイバを通して前記対象物に照射するようにし、前記対象物から放出される蛍光を前記画像出力装置で検出し、前記演算装置において前記画像出力装置の出力に基づき前記蛍光の光周波数スペクトルのピークを検出して、前記対象物の内部応力の大小を判定することを特徴とする蛍光分光式内部応力検査装置。
2. 前記蛍光励起用可視光レーザは緑色のグリーンレーザであって、前記蛍光物質がクロムイオン（Cr^３＋）であることを特徴とする請求項１記載の蛍光分光式内部応力検査装置。
3. 前記蛍光励起用可視光レーザ発生装置がパルスレーザを発生して、該パルスレーザの周期を対象物の回転と同期させるように調整することができることを特徴とする請求項１または２記載の蛍光分光式内部応力検査装置。
4. 前記ボアスコープチューブに照明用光源とアイピースを付与してボアスコープと共用することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の蛍光分光式内部応力検査装置。
5. 前記画像出力装置は、チューナブルフィルタと二次元ＣＣＤカメラを備え、さらに、該ＣＣＤカメラを制御するカメラ制御器と前記チューナブルフィルタの透過光周波数を調整するフィルタ制御器を備えて、前記対象物から放出される蛍光を前記レンズリレーを通し前記チューナブルフィルタを介して前記二次元ＣＣＤカメラで検出し、前記演算装置は前記カメラが検出した光信号と前記フィルタ制御器から取得した前記チューナブルフィルタの透過光周波数とに基づき前記蛍光の光周波数スペクトルのピーク波長を検出して、前記対象物の内部応力の大小を判定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の蛍光分光式内部応力検査装置。
6. 前記チューナブルフィルタは、位相遅延板と液晶セルを１対の直線偏光子で挟んだものを複数直列に配設して、透過光の周波数を電気的に調整できるようにしたフィルタであることを特徴とする請求項５記載の蛍光分光式内部応力検査装置。
7. 前記画像出力装置は、分光器と一次元ＣＣＤカメラと該ＣＣＤカメラを制御するカメラ制御器を備え、前記対象物から放出される蛍光を前記レンズリレーを通し前記分光器を介して前記一次元ＣＣＤカメラで検出し、前記演算装置は前記カメラが検出した前記分光器を透過した光信号と該分光器の透過光周波数とに基づき前記蛍光の光周波数スペクトルのピーク位置を検出して、前記対象物の内部応力の大小を判定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の蛍光分光式内部応力検査装置。
8. さらに、渦電流式膜厚計あるいは交流インピーダンス式膜厚計を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の蛍光分光式内部応力検査装置。

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