JP6078373B2 - 遮熱層の人工欠陥形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、遮熱層の人工欠陥形成方法に関する。

ガスタービン等に使用される動翼等の部品では、高温の燃焼ガスに長時間曝されるため、メタル温度や熱応力の低減を目的として遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ：ＴＢＣ）が施されている。遮熱コーティングは、一般的に母材の表面に密着性の高いアンダーコート層を形成し、その上から熱伝導性の低いセラミック等をトップコート層として被覆して形成される。遮熱コーティングにより動翼の損傷は軽減されているが、ガスタービン等の運転中の厳しい環境により、遮熱コーティングはアンダーコート層に近いトップコート層内で剥離が生じることが知られている。トップコート層内で剥離が生じると剥離が欠陥として働き、剥離部分を起点に遮熱コーティングを剥がしてしまう。そして、遮熱コーティングが剥がれてしまうと、母材に対する遮熱効果が失われ、動翼の損傷に繋がる恐れがある。そこで、トップコート層の内部の剥離による欠陥が小さい状態で検出することが可能な検出方法が必要とされている。各検出方法では検出できることが可能な最小の大きさが決まっており、この最小の大きさである欠陥の検出限界を向上するために様々な研究がなされている。

遮熱コーティングの欠陥の検出限界を向上させるために研究では、人工的にトップコート層内に剥離による欠陥を形成した試験片を用いる必要がある。このような試験片の作製方法としては、例えば、特許文献１のように、遮熱コーティングを行う際に、人工欠陥形成部材を用いて人工的にトップコート層内に空間を形成する方法が開示されている。即ち、特許文献１の作製方法は、母材上にアンダーコート層を形成後に、マスク材を用いて人工欠陥形成部材を形成し、その上からトップコート層を形成し、最後に人工欠陥形成部材を消失させることでトップコート層内に空間を形成させている。このような方法を用いることで、トップコート層内に空間を形成し、人工的にトップコート層内に剥離による欠陥を形成することができる。

特開２００２−３６１１６６号公報

しかしながら、上述のような試験片の作製方法では、遮熱コーティングを行う際に内部に人工欠陥形成部材を形成して人工的に空間を形成するため、試験片の作製に非常に時間がかかってしまうという問題を有している。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、トップコート層内に欠陥を有する試験片を容易に作製することが可能な遮熱層の人工欠陥形成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の一態様に係る遮熱層の人工欠陥形成方法は、母材の表面にアンダーコート層及びトップコート層を順次形成してなる遮熱層の人工欠陥形成方法であって、前記トップコート層の表面に押圧部材を当接させて、該押圧部材を介して力を加えることにより、前記トップコート層内に亀裂を形成し、前記押圧部材を介して加える力と前記亀裂の長さとに相関関係があることに基づいて、前記押圧部材を介して加える力を調整することによって前記亀裂の長さを調整することを特徴とする。

このような遮熱層の人工欠陥形成方法よれば、押圧部材をトップコート層の表面に当接させて力を加えることで、トップコート層内にせん断応力を働かせることができる。そして、トップコート層内で生じるせん断応力によって内部でせん断破壊が発生し、トップコート層内に欠陥となる亀裂を生じさせることができる。これにより、トップコート層内に欠陥を有する試験片を容易に作製することが可能となる。
また、押圧部材を介して加える力を調整することで、トップコート層内に働くせん断応力が変化し、トップコート層内に形成する亀裂の長さを調整することができる。これにより、任意の大きさの亀裂をトップコート層内に形成でき、要求される大きさの亀裂を確実に作製することができる。

また、本発明の他の態様に係る遮熱層の人工欠陥形成方法は、前記押圧部材は、前記トップコート層に向かって凸状をなす凸曲面を有し、該凸曲面を介して前記トップコート層に力を加えることを特徴とする。

このような遮熱層の人工欠陥形成方法よれば、押圧部材がトップコート層に向かって凸状をなす凸曲面であるため、トップコート層に凸曲面を介して力を加えると、トップコート層では放射状に力が分散されて、トップコート層の内部で均等にせん断応力が働き、力をかける方向と直角方向にせん断破壊が生じ易くなる。これにより、力をかける方向と直角方向に亀裂を形成することができ、トップコート層内に欠陥を有する試験片を容易に作製することが可能となる。

また、本発明の他の態様に係る遮熱層の人工欠陥形成方法は、前記押圧部材を介して力を加える回数及び加える位置と、前記亀裂の長さとに相関関係があることに基づいて、前記押圧部材を介して力を加える回数を増やして力を加える位置を調整することによって前記亀裂の長さを調整することを特徴とする。

このような遮熱層の人工欠陥形成方法によれば、押圧部材を介して力を加える回数を増やして異なる位置に力を加えることで、トップコート層内に働くせん断応力が生じる範囲を大きくすることができ、トップコート層内に形成する亀裂の長さを大きくすることができる。これにより、より大きな亀裂を任意の大きさでトップコート層内に形成でき、要求される大きさの亀裂を確実に作製することができる。

さらに、本発明の他の態様に係る遮熱層の人工欠陥形成方法は、前記押圧部材を介して力を加える回数と前記亀裂の長さとに相関関係があることに基づいて、前記押圧部材を介して力を加える回数を調整することによって前記亀裂の長さを調整することを特徴とする。

このような遮熱層の人工欠陥形成方法によれば、押圧部材を介して力を加える回数を調整することで、トップコート層内に働くせん断応力が徐々に大きくなり、トップコート層内に形成する亀裂の長さを調整することができる。これにより、より大きな亀裂を任意の大きさでトップコート層内に形成でき、要求される大きさの亀裂を確実に作製することができる。

また、本発明の他の態様に係る遮熱層の人工欠陥形成方法は、前記押圧部材の大きさと前記亀裂の長さとに相関関係があることに基づいて、前記押圧部材の大きさを調整することによって前記亀裂の長さを調整することを特徴とする。

このような遮熱層の人工欠陥形成方法によれば、押圧部材の大きさを調整することで、トップコート層へ働く力の範囲を変化させることができ、トップコート層内に形成する亀裂の長さを調整することができる。これにより、任意の大きさの亀裂をトップコート層内に形成でき、要求された大きさの亀裂を確実に作製することができる。

本発明の遮熱層の人工欠陥形成方法によれば、押圧部材によってトップコート層内にせん断応力を働かせることで亀裂を生じさせ、トップコート層内に欠陥を有する試験片を容易に形成することが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る遮熱層の人工欠陥形成方法を説明する工程図で、同図（ａ）は試験片を説明する模式図、同図（ｂ）は試験片に押圧部材を当接する様子を説明する模式図、同図（ｃ）は押圧部材を試験片に押し付ける様子を説明する模式図、同図（ｄ）は人工欠陥が形成された様子を説明する模式図である。 本発明の第一実施形態に係る遮熱層の人工欠陥形成方法で用いる試験機の様子を説明する模式図である。 本発明の第一実施形態に係る遮熱層の人工欠陥形成方法にて作製した試験片の断面図を観察した写真図である。 本発明の第二実施形態に係る遮熱層の人工欠陥形成方法で使用する試験片を説明する模式図である。 本発明の第二実施形態に係る遮熱層の人工欠陥形成方法にて作製した試験片のＢ−Ｂにおける断面図を観察した写真図である。

以下、本発明に係る第一実施形態について図１から図３を参照して説明する。
第一本実施形態の遮熱層１０の人工欠陥形成方法は、図１（ａ）に示すように、母材１１に対してアンダーコート層１２とトップコート層１３を形成する遮熱コーティングを施した試験片１に対して実施される。
遮熱コーティングは、トップコート層１３と母材１１との密着性を向上させつつ、耐食性や耐酸化性等の向上を目的とするアンダーコート層１２と、アンダーコート層１２の上から被覆されるトップコート層１３との二層を有する遮熱層１０を形成する。

母材１１は、耐熱性の高い合金が用いられることが好ましく、例えば、Ｎｉ基をベースとしたガスタービン燃焼器用Ni基超耐熱合金であるＴＯＭＩＬＬＯＹ等が挙げられる。
アンダーコート層１２は、金属結合層であり、例えば、ＭＣｒＡｌＹを用いて低圧プラズマ溶射によって形成しても良い。ここで、アンダーコート層１２を構成するＭＣｒＡｌＹ合金の「Ｍ」は、金属元素を示し、例えば，ＮｉＣｏ，Ｎｉ、Ｃｏ等の単独の金属元素又はこれらのうち２種以上の組み合わせを示している。
トップコート層１３は、熱伝導率の低いセラミックス層であり、例えば、Ｙｂ₂Ｏ₃で部分安定化させたＺｒＯ₂であるＹｂＳＺを大気プラズマ溶射によって形成しても良い。

図１（ｂ）に示すように、母材１１に遮熱コーティングが施された試験片１の表面に押圧部材２を当接させる。
押圧部材２は、本実施形態では、鉄球が用いられている。押圧部材２の形状は、本実施形態では球状をなしているように、先端がトップコート層１３に向かって凸状をなす凸曲面２１を有していることが好ましく、例えば、他にも先端が半球状をなす棒材や、先端の断面形状が半円状をなす角材であっても良い。

図１（ｃ）及び（ｄ）に示すように、試験片１に押圧部材２を当接させた状態で、試験機等を用いて鉛直下方（図２紙面下方向）に向かって押圧部材２を試験片１の表面に押し付けるように徐々に荷重を負荷する。押圧部材２が押し付けられることで、トップコート層１３の表面は押圧部材２の形状に沿った曲面を描いて凹まされる。そして、トップコート層１３内に亀裂３が形成される。

以下、実施例１によって本発明の第一実施形態を詳細に説明するが、本発明の第一実施形態は以下の記載によって限定されない。
本実施例１で使用した試験片１を以下に示す。
（試験片１）
母材１１：ＴＯＭＩＬＬＯＹ
アンダーコート層１２：ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ
トップコート層１３：ＹｂＳＺ

（試験条件）
押圧部材２：直径５ｍｍ鉄球
負荷荷重：５ｋＮ、１０ｋＮ
負荷回数：１回
負荷位置：亀裂３を作製する目標点α

（試験方法）
図２に示すように、試験片１を台に水平に載せ、試験片１のトップコート層１３側の表面に押圧部材２を当接させ、引張試験機４（島津製作所製、ＵＥＨ５０型）で、鉛直下方に設定した荷重となるまで押圧する。押圧部材２によって試験片１を押圧した後は、試験片１の断面形状を確認する。

試験を実施した結果、図３に示すように、トップコート層１３内に水平方向に亀裂３が生じている（Ａ部参照）ことが確認された。また、各条件における試験結果を表１に示す。

上記のような遮熱層１０の人工欠陥形成方法によれば、押圧部材２をトップコート層１３の表面に当接させて鉛直下方に向かって試験片１を凹ませるように力を加えることで、トップコート層１３内にせん断応力を働かせることができる。そして、トップコート層１３内で生じるせん断応力によって内部でせん断破壊が発生し、トップコート層１３内に欠陥となる亀裂３を生じさせている。これにより、トップコート層１３内に欠陥を有する試験片１を容易に作製することが可能となる。

さらに、押圧部材２が球状をなしており、トップコート層１３に向かって凸状をなす凸曲面２１であるため、トップコート層１３に凸曲面２１を介して力を加えると、トップコート層１３は放射状に力が分散されて凸曲面２１である球状に沿った曲面を描いて凹む。そのため、トップコート層１３の内部で均等にせん断応力が働き、力をかける方向である鉛直下方と直角方向である水平方向にせん断破壊が生じ易くなり亀裂３が水平方向に生じる。これにより、欠陥である亀裂３を水平方向に形成することができ、トップコート層１３内に欠陥を有する試験片１をより容易に作製することが可能となる。

また、表１の試験結果からも明らかなように、押圧部材２である鉄球を介して加える力である荷重が５ｋＮから１０ｋＮへと増加することでトップコート層１３内に形成される亀裂３長さも１．１ｍｍから１．４ｍｍと大きくすることができる。即ち、押圧部材２を介して加える力と、トップコート層１３内に形成される亀裂３の長さとには相関関係がある。この相関関係に基づいて、押圧部材２を介して加える力である荷重を調整することで、トップコート層１３内に働くせん断応力が変化し、トップコート層１３内に形成する亀裂３の長さを調整することができる。これにより、任意の大きさの亀裂３をトップコート層１３内に形成でき、要求される大きさの欠陥を有する試験片１を確実に作製することができる。

次に、図４から図５を参照して第二実施形態の遮熱層１０の人工欠陥形成方法について説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を伏して詳細な説明を省略する。この第二実施形態の遮熱層１０の人工欠陥形成方法は、試験片１に対して異なる複数の位置に押圧部材２を介して力をかける点について、第一実施形態と相違する。

第二実施形態の遮熱層１０の人工欠陥形成方法は、図４に示すように、亀裂３を設けたい箇所を中心として均等に離間した複数の箇所に対して、押圧部材２を介して順に力を加える。

以下、実施例２によって本発明の第二実施形態を詳細に説明するが、本発明の第一実施形態は以下の記載によって限定されない。なお、使用する試験片１及び試験方法は実施例１と同じであるため、実施例２では説明を省略する。
本実施例２で使用した試験片１を以下に示す。

（試験条件）
押圧部材２：直径５ｍｍ鉄球
負荷荷重：１０ｋＮ
負荷回数：４回
負荷位置：亀裂３を作製する目標点αから等距離離れた４点（各点は５ｍｍピッチで離間）

（試験方法）
図２に示すように、実施例１と同様に、試験片１を台に水平に載せ、試験片１のトップコート層１３側の表面に押圧部材２を当接させ、引張試験機４（島津製作所製、ＵＥＨ５０型）で、鉛直下方に設定した荷重となるまで押圧する。その後、図４に示すように、順次異なる３点にも押圧部材２によって試験片１を押圧した後に、試験片１の断面形状を確認する。

試験を実施した結果、図５に示すように、トップコート層１３内に水平方向に大きな亀裂３が生じている（Ｃ部参照）ことが確認された。また、各条件における試験結果を表２に示す。

上記のような遮熱層１０の人工欠陥形成方法によれば、表２の試験結果からも明らかなように、押圧部材２である鉄球を介して力を加える回数を増加し４点に対して力を加えることでトップコート層１３内に形成される亀裂３長さが１．４ｍｍから８．８ｍｍと数倍大きくすることができる。即ち、押圧部材２を介して力を加える回数及び加える位置と、トップコート層１３内に形成される亀裂３の長さとには相関関係がある。この相関関係に基づいて、押圧部材２を介して加える荷重を回数と位置とを調整することで、トップコート層１３内に働くせん断応力がより広い範囲で生じ、トップコート層１３内に形成する亀裂３の長さを大きくするができる。これにより、より大きな亀裂３を任意の大きさでトップコート層１３内に形成でき、要求される大きさの欠陥である亀裂３を有する試験片１を確実に作製することができる。

また、実施例１及び実施例２の結果より、押圧部材２を介して力を加える回数とトップコート層１３内に形成される亀裂３の長さとには一定の相関関係があることが推定される。そのため、目標点αに対して押圧部材２を介して力を加える回数を増やし同じ位置に複数回力を加えることで、トップコート層１３内に働くせん断応力を徐々に大きくすることができ、トップコート層１３内に形成する亀裂３の長さをより大きく調整することができるものと推定できる。これにより、より大きな亀裂３を任意の大きさでトップコート層１３内に形成でき、要求される大きさの欠陥である亀裂３を有する試験片１を確実に作製することができる。

さらに、押圧部材２である鉄球の大きさを変えることで凸形状をなす凸球面を大きくすることができるため、トップコート層１３を押圧した際に凹む面積が大きくなり、トップコート層１３内でせん断応力が生じる範囲も大きくすることができる。つまり、押圧部材２に大きさを調整することで、トップコート層１３へ働く力の範囲を変化させることができ、要求される大きさの欠陥である亀裂３を有する試験片１を確実に作製することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。

なお、本実施形態では、押圧部材２は、鉄球に限定されるものではなく、樹脂材料や、他の金属材料で形成されていても良い。

１…試験片 １０… 遮熱層 １１…母材 １２…アンダーコート層 １３…トップコート層 ２…押圧部材 ２１…凸曲面 ３…亀裂 ４…試験機 α…目標点

Claims (5)

1. 母材の表面にアンダーコート層及びトップコート層を順次形成してなる遮熱層の人工欠陥形成方法であって、
   前記トップコート層の表面に押圧部材を当接させて、該押圧部材を介して力を加えることにより、前記トップコート層内に亀裂を形成し、
   前記押圧部材を介して加える力と前記亀裂の長さとに相関関係があることに基づいて、
   前記押圧部材を介して加える力を調整することによって前記亀裂の長さを調整することを特徴とする遮熱層の人工欠陥形成方法。
2. 母材の表面にアンダーコート層及びトップコート層を順次形成してなる遮熱層の人工欠陥形成方法であって、
   前記トップコート層の表面に押圧部材を当接させて、該押圧部材を介して力を加えることにより、前記トップコート層内に亀裂を形成し、
   前記押圧部材を介して力を加える回数及び加える位置と、前記亀裂の長さとに相関関係があることに基づいて、
   前記押圧部材を介して力を加える回数を増やして力を加える位置を調整することによって前記亀裂の長さを調整することを特徴とする遮熱層の人工欠陥形成方法。
3. 母材の表面にアンダーコート層及びトップコート層を順次形成してなる遮熱層の人工欠陥形成方法であって、
   前記トップコート層の表面に押圧部材を当接させて、該押圧部材を介して力を加えることにより、前記トップコート層内に亀裂を形成し、
   前記押圧部材を介して力を加える回数と前記亀裂の長さとに相関関係があることに基づいて、
   前記押圧部材を介して力を加える回数を調整することによって前記亀裂の長さを調整することを特徴とする遮熱層の人工欠陥形成方法。
4. 母材の表面にアンダーコート層及びトップコート層を順次形成してなる遮熱層の人工欠陥形成方法であって、
   前記トップコート層の表面に押圧部材を当接させて、該押圧部材を介して力を加えることにより、前記トップコート層内に亀裂を形成し、
   前記押圧部材の大きさと前記亀裂の長さとに相関関係があることに基づいて、
   前記押圧部材の大きさを調整することによって前記亀裂の長さを調整することを特徴とする遮熱層の人工欠陥形成方法。
5. 前記押圧部材は、前記トップコート層に向かって凸状をなす凸曲面を有し、
   該凸曲面を介して前記トップコート層に力を加えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の遮熱層の人工欠陥形成方法。