JP5173554B2 - 薄肉合金の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばガスタービン等の高温環境下に晒される例えばハニカム、ベローズ等の薄肉部材の薄肉合金の評価方法に関する。

ガスタービンの一例を図８に示す。図８に示すように、ガスタービンは、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３と排気室１４により構成され、このタービン１３に図示しない発電機が連結されている。この圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口１５を有し、圧縮機車室１６内に複数の静翼１７と動翼１８が交互に配設されてなり、その外側に抽気マニホールド１９が設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナで点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２０内に複数の静翼２１と動翼２２が交互に配設されている。排気室１４は、タービン１３に連続する排気ディフューザ２３を有している。また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室１４の中心部を貫通するようにロータ（タービン軸）２４が位置しており、圧縮機１１側の端部が軸受部２５により回転自在に支持される一方、排気室１４側の端部が軸受部２６により回転自在に支持されている。そして、このロータ２４には、複数のディスクが固定され、各動翼１８、２２が固定されると共に、排気室１４側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。なお、図中、符号３５は動翼本体、３６は翼根部、４２は漏れ空気を図示する。

圧縮機１１の空気取入口１５から取り込まれた空気が、複数の静翼２１と動翼２２を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され燃焼する。そして、この燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３を構成する複数の静翼２１と動翼２２を通過することでロータ２４を駆動回転し、このロータ２４に連結された発電機を駆動する。排気ガスは排気室１４の排気ディフューザ２３で静圧に変換されてから大気に放出される。

上述したタービン１３において、図９に示すように、タービン車室２０には、燃料ガスの流れ方向（図９の矢印方向）に沿って静翼２１ａ、２１ｂ・・・が配設されている。各静翼２１ａ、２１ｂ・・・は、タービン車室２０の周方向に沿って均等間隔で複数設けられている。また、ロータ２４（図８参照）には、その軸方向に沿ってタービンディスク３１ａ、３１ｂ・・・が一体回転可能に連結されている。この各タービンディスク３１ａ、３１ｂ・・・の外周部に動翼２２ａ、２２ｂ・・・が固定されている。各動翼２２ａ、２２ｂ・・・は、各タービンディスク３１ａ、３１ｂ・・・の周方向に沿って均等間隔で複数設けられている。
また、内側シュラウド４１の端部にはシール部材としてのハニカムシール４３が設けられている（特許文献１）。

ガスタービンは、近年、高出力化及び高効率化が求められており、静翼及び動翼に導かれる燃焼ガスの温度はますます高くなる傾向にある。そのため、前記ハニカムシールを構成するハニカム材や図示しない配管材であるベローズ等の薄肉材料は、０．５ｍｍ以下（好適には０．２ｍｍ以下）の薄肉合金材料であるので、薄肉合金が例えば８００〜１０００℃の高温に晒されて酸化し、合金中の例えばクロム、アルミニウム等の耐酸化保護性皮膜を生成する金属が大幅に減少して酸化がさらに加速することから、余寿命の予測手法の開発が必要となっている。

ここで、従来の金属材料の寿命予測・損傷評価手法としては、例えば材料の硬さの変化や結晶粒の形状変化やクリープボイド数により損傷・寿命評価する「クリープ損傷試験」や、酸化した材料の減肉厚さの計測や試験片重量変化の計測により行っている（特許文献２、３）。

特開平１１−６４４６号公報 特公平０６−３５９７１号公報 特開２００３−３１５２５１号公報

しかしながら、タービン部材等の高温酸化では、保護性皮膜を構成する元素（クロム、アルミニウム）が消費されて合金中から無くなっていくため、途中で酸化プロセスが変わってしまい、減肉量の計測では正しい寿命評価ができない、という問題がある。

また、薄肉材料はその使用環境を予め予測して耐久性の設計を行っているが、実機においては、予想外の高温に晒される場合があり、その予想温度以上で使用される結果、予想以上に損傷が進行している場合があるので、そのような使用環境温度を予測して、その余寿命を推定することが切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、例えばガスタービン等の高温環境下に晒される例えばハニカム、ベローズ等の薄肉部材の薄肉合金の評価方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、高温環境下で使用される薄肉合金の評価方法であって、評価対象試験片を切断して、その両側表層近傍、肉厚中央部の計３点の合金中の酸化被膜を形成する特定の金属濃度を測定し、平均値を求め、合金中の酸化被膜を形成する特定の金属の減少量を求める工程と、求めた特定金属の減少量から下記評価式（１）より、使用環境温度を求める工程と、予め求めた使用環境温度における合金濃度と寿命時間との関係より、使用環境温度における薄肉合金の余寿命を推定する工程とを有することを特徴とする薄肉合金の評価方法。
Ｔ＝−ｂ ₁ ／ｌｎ（Ｃ ₁ ／（ａ ₁ ・ｔ ₁ ））…（１）
ここで、Ｔは使用環境温度、Ｃ ₁ は減少した特定金属濃度、ｔは使用時間、ａ ₁ 、ｂ ₁ は材料種による固有定数である。

第２の発明は、第１の発明において、特定の金属がクロム、アルミニウム、鉄、ニッケル、チタンのいずれか一種であることを特徴とする薄肉合金の評価方法にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、高温環境下で使用される薄肉合金が、厚さ１ｍｍ以下のタービン用部材であることを特徴とする薄肉合金の評価方法にある。

第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、さらに、特定の金属の低下に伴い生じた空孔密度より余寿命を推定する工程を有することを特徴とする薄肉合金の評価方法にある。

本発明によれば、例えばガスタービン等の高温環境下に晒される例えばハニカム、ベローズ等の薄肉部材の使用環境温度を推定することができる。また、その使用環境温度と合金を構成する特定金属の減少量からその材料の余寿命を推定することができる。

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、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例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。

本発明による実施例に係る薄肉合金の評価方法について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例に係るクロム濃度と推定温度との関係図である。
本発明の薄肉合金の評価方法は、高温環境下で使用される薄肉合金の評価方法であって、合金中の酸化被膜を形成する特定の金属（例えばクロム（Ｃｒ））の減少量を求め、その減少量から使用環境温度を推定するものである。

すなわち、本発明では、合金中の特定の金属である例えばクロムの減少量を測定し、クロム量の低下速度を用いて、評価式により酸化寿命を予測するものである。
評価方法としては、先ず試験片を切断して、その両側表層近傍、肉厚中央部の計３点のクロム濃度を測定し、平均値を求める。

次に、下記に示す評価式（１）により、その使用環境の温度を求める。
Ｔ＝−ｂ₁／ｌｎ（Ｃ₁／（ａ₁・ｔ₁））…（１）
ここで、Ｔは使用環境温度、Ｃ₁は減少したクロム濃度、ｔは使用時間、ａ₁、ｂ₁は材料種による固有定数である。

ここで、クロム濃度の計測は、電子プローブ・マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ:Electron Probe Micro Analyzer）を用いている。
このＥＰＭＡは、加速した電子線を物質に照射（電子線による励起）させ、特性Ｘ線のスペクトルに注目して、電子線が照射されている微小領域（おおよそ1μｍ³）に於ける構成元素の比率（濃度）を分析する、固体の試料をほぼ非破壊で分析するものを用いている。なお、その他には走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、ＳＥＭ）に付属して使用されるエネルギー分散型Ｘ線分析装置（Energy Dispersive Spectroscopy ）を用いて簡易に計測することもできる。

これによって、ある高温環境で長時間使用した薄肉材料について、平均クロム濃度を測定することで、使用時の温度推定が可能となる。

この結果、設計段階で推定した使用環境温度と適合しているか否かを判断することができる。また、その薄肉部材の使用環境温度を推定することで、ガスタービンの評価の判断基準のパラメータとして利用することができる。

次に、この使用環境温度を推定することにより、薄肉部材の余寿命を推定することについて説明する。
（１）先ず、前述したのと同様にして合金中の酸化被膜を形成する特定の金属の減少量（例えばクロム濃度）を求め、その減少量から前述した評価式（１）に基づき使用環境温度を推定する。ここで、図１はクロム合金のクロム濃度の減少と推定温度との関係図である。

（２）次に、予め求めた合金濃度と寿命時間との関係図（図２）を用い、その使用時間が判明しているので、前記求めた使用環境温度（例えば８００℃）における薄肉合金の余寿命を推定する。

また、求めた使用環境温度が９００℃の場合には、余寿命の傾きがきつくなる図３を用いて、余寿命を推定することとなる。

これによって、高温環境で使用される薄肉合金の余寿命を推定することができることとなる。

この結果、本発明によれば、例えばガスタービン等の高温環境下に晒される例えばハニカム、ベローズ等の薄肉部材の使用環境温度を推定することができることとなる。また、その使用環境温度と合金を構成する特定金属の減少量からその材料の余寿命を推定することができ、使用環境が劣悪で減少量が多いような場合には次回の定期点検を待たずに、部材の交換を行うことが可能となる。

ここで、本発明で特定の金属としては、合金を構成する金属であれば特に限定するものではないが、例えばクロム、アルミニウム、鉄、ニッケル、チタンのいずれか一種を挙げることができる。

下記表に合金の組成の一例を示す。

表１中、「ハステロイＸ」は、ヘインズ社の登録商標であり、ニッケル基の耐熱・耐食合金である。この合金では、クロムを特定金属の元素としている。
「Ｈａｙｎｅｓ（ハイネス）２１４」は、ヘインズ社の登録商標であり、ニッケルを主成分とする合金であり、クロムやアルミニウムを特定金属の元素としている。
「Ｓ４５Ｃ」は、０．４５％の炭素が含まれている材料炭素鋼であり、鉄を特定金属の元素としている。
「ＮｉＣｕ３０」は、ＪＩＳで規定されるニッケルを主成分とする合金であり、ニッケルを特定金属の元素としている。
「ＴＡＰ６４００」は、ＪＩＳで規定されるチタンを主成分とする合金であり、チタン、アルミニウムを特定金属の元素としている。

ここで、本発明で薄肉合金部材としては、前述したようなハニカムシールを構成するハニカム材や配管材であるベローズ等を挙げることができ、その薄肉材料の厚さは、１ｍｍ以下、好適には０．５ｍｍ以下、更に好適には０．２ｍｍ以下である。

また、特定の金属の濃度の減少以外に、本発明では、酸化被膜を形成する特定の金属の低下に伴い生じた空孔の密度から酸化寿命を予測することができる。

その手順を以下に説明する。
（１）画像解析により試験片の空孔密度を測定する。
（２）下記式により、材料の使用環境温度を求める。
次に、下記に示す評価式（２）により、その使用環境の温度を求める。
Ｔ＝−ｂ₂／ｌｎ（Ｃ₂／（ａ₂・ｔ））…（２）
ここで、Ｔは使用環境温度、Ｃ₂は減少した空孔密度、ｔは使用時間、ａ₂、ｂ₂は材料種による固有定数である。

（３）空孔密度から評価式（２）に基づき使用環境温度を推定する（図４）。
（４）次に、予め求めた空孔密度と寿命時間との関係図（図５）を用いて、使用時間が判明しているので、前記求めた使用環境温度（例えば８００℃）における薄肉合金の余寿命を推定する。
また、求めた使用環境温度が９００℃の場合には、余寿命の傾きがきつくなる図６を用いて、余寿命を推定することとなる。

これによって、薄肉合金の余寿命を推定することができることとなる。

図７に、断面組織観察結果とＥＰＭＡによるクロム濃度の分析結果を示す。明るいほうが濃度が高く、暗い方が濃度が低い。
図７中、（ａ−１）は初期断面組織観察結果の画像図である。（ａ−２）はこれに対応する初期ＥＰＭＡ分析結果である。
図７中、（ｂ−１）は中期断面組織観察結果の画像図である。（ｂ−２）はこれに対応する中期ＥＰＭＡ分析結果である。
図７中、（ｃ−１）は後期断面組織観察結果の画像図である。（ｃ−２）はこれに対応する後期ＥＰＭＡ分析結果である。

図７に示すように、高温使用において、時間の経過と共に表面に酸化層が形成され、材料中のクロム濃度が低下することが判明した。また、時間の経過と共に表面に酸化層が形成され、消費された金属により発生する空孔が多くなることが判明した。

以上のように、本発明に係る薄肉合金の評価方法によれば、例えばガスタービン等の高温環境下に晒される例えばハニカム、ベローズ等の薄肉部材の使用環境温度を推定することができ、その使用環境温度と合金を構成する特定金属の減少量からその材料の余寿命を予測し交換の必要性を判断することに適している。

クロム合金のクロム濃度の減少と推定温度との関係図である。 特定温度（８００℃）におけるクロム濃度の減少と時間との関係図である。 特定温度（９００℃）におけるクロム濃度の減少と時間との関係図である。 空孔密度の増加と推定温度との関係図である。 特定温度（８００℃）における空孔密度の増加と時間との関係図である。 特定温度（９００℃）における空孔密度の増加と時間との関係図である。 断面組織観察結果とＥＰＭＡによるクロム濃度の分析結果図である。 ガスタービンの一例を示す図である。 図８の要部拡大概略図である。 ハニカムシールの斜視図である。

Claims (4)

1. 高温環境下で使用される薄肉合金の評価方法であって、
   評価対象試験片を切断して、その両側表層近傍、肉厚中央部の計３点の合金中の酸化被膜を形成する特定の金属濃度を測定し、平均値を求め、合金中の酸化被膜を形成する特定の金属の減少量を求める工程と、
   求めた特定金属の減少量から下記評価式（１）より、使用環境温度を求める工程と、
   予め求めた使用環境温度における合金濃度と寿命時間との関係より、使用環境温度における薄肉合金の余寿命を推定する工程とを有することを特徴とする薄肉合金の評価方法。
   Ｔ＝−ｂ ₁ ／ｌｎ（Ｃ ₁ ／（ａ ₁ ・ｔ ₁ ））…（１）
   ここで、Ｔは使用環境温度、Ｃ ₁ は減少した特定金属濃度、ｔは使用時間、ａ ₁ 、ｂ ₁ は材料種による固有定数である。
2. 請求項１において、
   特定の金属がクロム、アルミニウム、鉄、ニッケル、チタンのいずれか一種であることを特徴とする薄肉合金の評価方法。
3. 請求項１又は２において、
   高温環境下で使用される薄肉合金が、厚さ１ｍｍ以下のタービン用部材であることを特徴とする薄肉合金の評価方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
   さらに、特定の金属の低下に伴い生じた空孔密度より余寿命を推定する工程を有することを特徴とする薄肉合金の評価方法。

Images