JP6318429B2 - コーティング層における剥離の非破壊検査方法および非破壊検査装置 - Google Patents

Description

本発明はコーティング層における剥離の非破壊検査方法および非破壊検査装置に関し、特にガスタービン等における遮熱コーティング中の内部剥離を非破壊検出する場合に適用して有用なものである。

ガスタービンの燃焼器、動翼、静翼といった高温部品には、耐熱合金が用いられているが、特に高温の燃焼ガスに曝される部分には、金属の基材を守るために、遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ（以下、ＴＢＣという））が適用されている。ＴＢＣは、通常、合金製のボンドコートとセラミックス製のトップコートの２層から構成されている。トップコートは数百ミクロンの厚さであるが、金属よりも熱伝導率が低いセラミックスであることと、内部に細かな気孔を多数含んだ構成であることから、優れた遮熱性能を発揮する。しかし、ＴＢＣを高温で長時間使用すると、トップコートとボンドコートとの界面付近に横亀裂が発生する場合があり、その部分が剥離した状態（浮き上がり状態）となる。この状態のまま使用を続けると、将来的にトップコートの一部が部品表面から完全に離脱してしまい、初期に想定されていた遮熱性能が低下することになる。

遮熱性能の低下は、部品の金属基材の温度上昇をもたらし、部品自体の余寿命を短くすることや、部品の破損による事故を引き起こすことが考えられる。このため、完全に離脱する前に剥離を検査することが重要である。部品の点検時に、剥離箇所を非破壊で精度よく検出できれば、その情報を基に補修（再コーティング）の必要性の有無を判断することが可能となる。

この種のトップコートの剥離の非破壊検査方法を開示する公知文献として、本発明者等により提案した特許文献１が存在する。これは、動翼等の基材にコーティング層を形成した試料の表面にビーム状の加熱光を照射するとともに前記表面の線上を移動させ、前記線上の各点における温度を表す温度特性を検出し、さらに前記各点の周辺部分を含む前記試料の表面の温度分布を表す画像を撮像して前記温度特性がピークとなる前記試料の表面位置を特定し、特定した前記表面位置から走査方向に関し下流側の所定の範囲内において前記加熱光による走査方向の反対側に伸びる尻尾状の低温部である残熱像に基づき剥離の有無を検出するものである。すなわち、残熱像が検出された場合に温度特性がピークとなる位置におけるコーティング層を剥離部位と判定する。

特開２０１３−２４６０９７号公報

特許文献１に開示された検出方法は、加熱による温度のピークの出現と、そのピーク位置の近傍領域における残熱像の出現とをアンド条件として前記ピーク位置を剥離部位と判定しているので、コーティング層の剥離部位を高精度に特定することができるという特長は有するものの、コーティング層の厚さと加熱条件（ビーム状の加熱光の移動速度、加熱光の径、レーザ出力）の組み合わせによっては明確な残熱像が得られない場合がある。

本発明は、上記従来技術に鑑み、直線上を移動するビーム状の加熱光によりコーティング層の表面を加熱した場合に温度分布に基づき剥離部位を特定する場合において、剥離をより確実に非破壊検査で検出することができるコーティング層における剥離の非破壊検査方法および非破壊検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、次の知見を基礎とするものである。例えば、図１に示すように、金属基材１の表面にボンドコート２Ａおよびトップコート２Ｂからなる遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ（以下、ＴＢＣという））２を施した試料Ｉの表面にビーム状のレーザ光Ｌを図中左側から右側に向けて一定速度で移動させながら照射した場合、剥離部位５の始端Ａから終端Ｂを通過し、健全部Ｃにおける所定領域の赤外線カメラ４の画像に基づくトップコート２Ｂの表面の温度分布は、図に示すようになる。ＴＢＣ２に剥離部位が存在せず、健全である場合は、レーザ光Ｌの照射によりトップコート２Ｂの表面に発生する熱が、ボンドコート２Ａを介して金属基材１に移動するのに対し、ＴＢＣ２に剥離部位５が存在する場合には、剥離部位５が断熱層となるので、レーザ光Ｌの照射によりトップコート２Ｂの表面に発生する熱が剥離部位５で遮断されて、剥離部位５に対応するトップコート２Ｂの表面位置で、その温度が局部的に上昇するからである。特に、特許文献１に示すように、剥離部位５には、低温度の領域９に、レーザ光Ｌの移動方向と反対方向に伸びる尻尾状の帯部９Ａとして残熱像IIIが検出される。かかる残熱像IIIが明確になる条件を検討した。

図１に示すような加熱を行った場合において、トップコート２Ｂの表面の特定の検出点の温度変化を考える。図２（ａ）はレーザ光Ｌのビーム径が小さく移動速度が遅い場合、図２（ｂ）はビーム径が大きく移動速度が速い場合であるが、ビーム径と移動速度とで規定されるビームの通過時間だけ加熱されることを考慮すれば加熱時間を同一とすることができる。図２に示す加熱の場合、ＴＢＣ厚さ方向の一次元非定常熱伝導解析による、トップコート２Ｂ上の検出点ＤＰの経時的な温度変化特性は図３に示すようになる。すなわち、図３に示すように、異なるビーム径およびビーム移動速度でも、加熱時間が同じとなる一次元非定常熱伝導解析であれば、単一の温度変化特性となり、加熱開始Ｈ１から加熱途中Ｈ２を経て加熱終了Ｈ３に至るまでは、表面温度が上昇し、加熱終了後の放熱期間で徐々に下降する。

図４（ａ）および図４（ｂ）はレーザ光Ｌのビーム径は同じであるが、図４（ａ）の場合は移動速度が遅く、図４（ｂ）の場合は移動速度が速い場合である。したがって、ビーム径と移動速度とで規定される加熱時間は異なるが、図４に示す加熱の場合、ビーム径および移動速度で規定される加熱時間で時間を無次元化すると、無次元時間τ＝１の時にビームの移動距離はビーム径に等しくなることから、無次元時間はビーム径で規格化したビーム移動距離を表すことになる。また、健全部の最高温度で温度を無次元化することで、健全部の最高温度に対する割合で剥離の温度変化特性を評価可能となる。以上により、図４に示す場合のように、同じビーム径で異なるビーム移動速度を適用した場合でも、温度変化特性を無次元化すれば、異なる加熱時間の温度変化特性を比較することができる。すなわち、一次元非定常熱伝導解析による検出点ＤＰの無次元化した経時的な温度変化特性は、図５に示すように、加熱開始Ｈ１から加熱途中Ｈ２を経て、無次元時間τ＝１となる加熱終了Ｈ３に至るまでは、表面温度が上昇し、加熱終了後の放熱期間で徐々に下降する温度変化特性となり、無次元化した温度変化特性の違いが熱像の違いを表している。

ここで、剥離部では、上述の理由により表面温度が上昇し、健全部よりも高温となる。また、加熱終了Ｈ３の後でも表面温度の低下が緩やかである。

そこで、上述の如き剥離部と健全部とにおける温度変化特性を利用すれば、剥離部の特定をより簡単かつ高精度に行うことができると考えられる。具体的には、図６に示すように、横軸に無次元時間τを採り、縦軸に検出点ＤＰの無次元温度ηを採った温度変化特性において、加熱開始Ｈ１から加熱途中Ｈ２を経て加熱終了Ｈ３に至り、その後の放熱期間において所定の判定温度になるまでの時間に注目すると、剥離部における無次元時間τ_ｄと健全部における無次元時間τ_ｎとの間には、τ_ｄ＞τ_ｎの関係があり、無次元時間τ_ｎに対する無次元時間τ_ｄの割合が大きいほど明確な残熱像IIIが得られると考えられる。そこで、無次元時間τ_ｄと無次元時間τ_ｎとの比を残熱率（τ_ｄ／τ_ｎ）として定義する。この残熱率（τ_ｄ／τ_ｎ）が大きいほど明確な残熱像IIIを得ることができると考えられるので、残熱率（τ_ｄ／τ_ｎ）に基づき加熱条件を最適化することにより明確な残熱像IIIを得ることができると考えられる。

かかる知見を基礎とする本願発明の第１の態様は、
基材の表面に形成したコーティング層における剥離の非破壊検査方法であって、
前記基材にコーティング層を形成した試料の表面にビーム状の加熱光を照射するとともに前記表面の線上を移動させることにより走査し、前記線上の各点における温度を表す温度特性を検出するとともに、前記各点の周辺部分を含む前記試料の表面の温度分布を表す画像を撮像する場合において、
前記加熱光が、前記コーティング層に所定の剥離を生起している試料を通過する際の加熱開始から最高温度を経て、所定の判定温度に降下するまでの時間と、前記剥離を生起していない健全な試料を通過する際の同様の時間との比として定義される残熱率が最大となる最大残熱率特性を、前記コーティング層の厚さと、前記加熱光の照射による前記試料の加熱時間、または前記加熱光の移動速度および形状とをパラメータとして求めておき、
前記試料の前記コーティング層の特定の膜厚に対応する前記最大残熱率特性を求めるとともに、前記最大残熱率特性に対応する前記加熱時間を前記特定の膜厚における前記試料の加熱時間とすることを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査方法にある。

本態様によれば、最大残熱率に基づきコーティング層の特定の膜厚における加熱時間を決定し、この加熱時間でコーティング層を加熱するようにしたので剥離部位における残熱像を明確にすることができる。この結果、剥離部位の特定を容易かつ高精度に行うことができる。

本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載するコーティング層における剥離の非破壊検査方法において、
前記温度特性がピークとなる前記試料の表面位置を特定し、特定した前記表面位置から走査方向に関し下流側の所定の範囲内において前記加熱光による走査方向の反対側に伸びる尻尾状の低温部である残熱像が前記画像中に検出された場合に前記ピークとなる位置における前記コーティング層を剥離部位と判定することを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査方法にある。

本態様によれば、加熱による温度のピークの出現と、そのピーク位置の近傍領域における残熱像の出現とをアンド条件として前記ピーク位置を剥離部位と判定することができるばかりでなく、この場合の加熱条件を最適化することができる。この結果、コーティング層の剥離部位をさらに高精度に特定することができる。

本発明の第３の態様は、
第１または第２の態様に記載するコーティング層における剥離の非破壊検査方法において、
前記最大残熱率特性は、前記試料の物性値に基づいた一次元非定常熱伝導解析により求めることを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査方法にある。

本態様によれば、数値解析に必要な時間を短縮することができるばかりでなく、加熱時間が同じになるビーム径とビームの移動速度の組み合わせを一挙に考察することができる。

本発明の第４の態様は、
第１〜第３の態様のいずれか一つに記載するコーティング層における剥離の非破壊検査方法において、
前記最大残熱率特性は、前記コーティング層の厚さと、前記加熱光の照射による前記試料の加熱時間とをパラメータとしてコンター図を作成するとともに、前記コンター図において最大残熱率を与える点を結んで作成することを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査方法にある。

本態様によれば、コンター図を利用することで最大残熱率特性を容易かつ適切に求めることができるうえ、厚さが一様でないコーティング層において、各厚さの残熱率を基に加熱条件を求めることができる。

本発明の第５の態様は、
第１〜第４の態様のいずれか一つに記載するコーティング層における剥離の非破壊検査方法において、
前記コーティング層は、金属基材の表面にボンドコートを介してトップコートを形成した遮熱コーティングであることを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査方法にある。

本態様によれば、コーティング層の剥離部位の検出を確実かつ高精度に実現し得る。

本発明の第６の態様は、
基材の表面に形成したコーティング層における剥離の非破壊検査装置であって、
前記基材にコーティング層を形成した試料の表面にビーム状の加熱光を照射するとともに前記表面の線上を移動して走査可能に形成された加熱用光源と、
前記加熱用光源の位置を検出する位置検出手段と、
前記加熱光が照射された前記試料の表面の温度を検出する温度検出手段と、
前記加熱光が照射された前記試料の表面の温度分布を表す画像を撮像する撮像手段と、
前記加熱光が、前記コーティング層に所定の剥離を生起している試料を通過する際の加熱開始から最高温度を経て、所定の判定温度に降下するまでの時間と、前記剥離を生起していない健全な試料を通過する際の同様の時間との比として定義される残熱率が最大となる最大残熱率特性を、前記コーティング層の厚さと、前記加熱光の照射による前記試料の加熱時間または前記加熱光の移動速度および形状とをパラメータとして生成する最大残熱率特性生成部、前記最大残熱率特性を記憶する最大残熱率特性記憶部、および任意に特定した前記コーティング層の膜厚に対応する前記最大残熱率特性における前記加熱時間で前記試料が加熱されるよう加熱時間を制御する加熱時間制御部を備えた演算処理手段とを有することを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査装置にある。

本態様によれば、演算処理手段の処理により最大残熱率に基づき特定の膜厚における加熱時間を決定し、この加熱時間でコーティング層を加熱するようにしたので、剥離部位における残熱像を明確にすることができる。この結果、剥離部位の特定が容易かつ高精度に行うことができる。

本発明の第７の態様は、
第６の態様に記載するコーティング層における剥離の非破壊検査装置において、
前記演算処理手段は、前記位置検出手段が検出する位置情報と、前記温度検出手段が検出する温度情報とにより検出した前記線上の各点における前記温度を表す温度特性に基づき温度特性がピークとなる前記試料の表面位置を特定するとともに、特定した前記表面位置から前記加熱用光源の走査方向に関し下流側の所定の範囲内における前記画像中から、前記加熱光の走査方向の反対側に伸びる尻尾状の低温部である残熱像を検出し、さらに前記温度特性のピークと残熱像の存在が対で検出された場合に前記ピークとなる位置における前記コーティング層を剥離部位と判定するとともに、前記温度分布を表す画像の中心部である高温部から放射方向に低温部が同心円状に広がる標準形状に対し、前記所定の範囲内の前記画像の形状のずれに基づき残熱像であることを判定するように構成したことを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査装置にある。

本態様によれば、加熱による温度のピークの出現と、そのピーク位置の近傍領域における残熱像の出現とをアンド条件として前記ピーク位置を剥離部位と判定することができるばかりでなく、この場合の加熱条件を最適化することができる。すなわち、所望の残熱像の明確化も図り得るので、コーティング層の剥離部位をさらに高精度に特定することができる。

本発明の第８の態様は、
第６または第７の態様に記載するコーティング層における剥離の非破壊検査装置において、
前記最大残熱率特性は、前記試料の物性値に基づいた一次元非定常熱伝導解析により求めることを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査装置にある。

本態様によれば、数値解析に必要な時間を短縮することができるばかりでなく、加熱時間が同じになるビーム径とビームの移動速度の組み合わせを一挙に考察することができる。

本発明の第９の態様は、
第６〜第８の態様のいずれか一つに記載するコーティング層における剥離の非破壊検査装置において、
前記最大残熱率特性は、前記コーティング層の厚さと、前記加熱光の照射による前記試料の加熱時間とをパラメータとしてコンター図を作成するとともに、前記コンター図において最大残熱率を与える点を結んで作成することを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査装置にある。

本態様によれば、コンター図を利用することで最大残熱率特性を容易かつ適切に求めることができるうえ、厚さが一様でないコーティング層において、各厚さの残熱率を基に加熱条件を求めることができる。

本発明の第１０の態様は、
第６〜第９の態様のいずれか一つに記載するコーティング層における剥離の非破壊検査装置において、
前記画像の中心部である高温部から前記尻尾状の低温部の前記走査方向と反対方向の端部までの距離が所定の閾値を越えている場合に残熱像であると判定することを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査装置にある。

本態様によれば、より確実に残熱像を特定することができる。

本発明の第１１の態様は、
第６〜第１０の態様のいずれか一つに記載するコーティング層における剥離の非破壊検査装置において、
前記コーティング層は、金属基材の表面にボンドコートを介してトップコートを形成した遮熱コーティングであることを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査装置にある。

本態様によれば、コーティング層の剥離部位の検出を確実かつ高精度に実現し得る。

本発明によれば、コーティング層の剥離部位と健全部位におけるＴＢＣ厚さ方向の熱伝導特性の違いに基づき、加熱用の光線で試料の表面を加熱走査した結果得られた温度特性を利用して剥離を検出する場合の加熱条件の最適化を図ることができる。この結果、試料表面の汚れ等、当該検査に対するノイズ要素が存在しても、ノイズ要素に影響されることなく剥離部位を容易かつ高精度に検出することができる。

また、かかる一連の検出処理においては、加熱用光源を試料の表面に沿って走査するとともに、これに伴う表面の画像を撮像し、後は信号処理の結果を評価して剥離の有無を検出することができるので、検査時間も従来に較べ、極めて短時間のものとなる。

本発明の前提となる試料に対するレーザ光による加熱の態様を示す説明図である。 図１に示すような加熱を行った場合の態様を示す説明図で、同図（ａ）はレーザ光のビーム径が小さく移動速度が遅い場合、同図（ｂ）はビーム径が大きく移動速度が速い場合である。 図２に示す場合において、任意の検出点温度の時間変化を示す特性図である。 図１に示すような加熱を行った場合の他の態様を示す説明図で、同図（ａ）および（ｂ）の両方ともレーザ光のビーム径は同じで、同図（ａ）の場合が移動速度が遅く、（ｂ）の場合が移動速度が速い場合である。 図４に示す場合において、任意の検出点温度の時間変化を両者を無次元化して示す特性図である。 横軸に無次元時間τを採り、縦軸に検出点ＤＰの無次元温度ηを採った温度変化特性において定義される残熱率（τ_ｄ／τ_ｎ）の概念を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る剥離の非破壊検査の対象となる金属基材に遮熱コーティングを施した試料を模式的に示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る剥離の非破壊検査の態様を模式的に示す説明図である。 本発明の実施の形態により得られるトップコートの表面の温度特性を示す特性図である。 本発明の実施の形態により得られる熱画像の例を示す説明図で、（ａ）が標準形状、（ｂ）が残熱像をそれぞれ示す。 加熱条件の最適化を図る際に利用する最大残熱率特性を与えるコンター図を示す説明図である。 本発明の実施の形態を応用した非破壊検査方法の他の実施の形態を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る剥離の非破壊検査装置を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図７は本発明の実施の形態に係る剥離の非破壊検査の対象となる金属基材に遮熱コーティングを施した試料を模式的に示す説明図である。同図に示すように、試料Ｉは、例えばタービン動翼等の高温部品である金属基材１の表面に遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ（ＴＢＣ））２を施したものである。ＴＢＣ２では、金属基材１の表面にボンドコート２Ａを介してトップコート２Ｂが形成してある。ボンドコート２Ａは、例えば合金で形成されており、トップコート２Ｂは遮熱性能に優れる、例えばセラミックスで形成されている。セラミックスで形成されたトップコート２Ｂは多数の気孔３を含んでいる。ここで、気孔３も良好な遮熱効果を発揮している。

かかるＴＢＣ２の中の剥離はボンドコート２Ａとトップコート２Ｂとの界面付近に発生する。本形態に係るコーティング層における剥離の非破壊検査方法は、ＴＢＣ２を対象として、その剥離部位を検出するものであり、その態様を図８に模式的に示す。同図に示すように、本形態では、金属基材１の表面に形成したＴＢＣ２を施した試料Ｉの表面にビーム状のレーザ光Ｌを照射するとともに前記表面上を直線移動させることにより走査する。同時に、前記直線移動に伴う走査線上の各点における表面温度と、前記各点の周辺部分を含む試料Ｉの表面の温度分布を表す画像を撮像する。本形態においては赤外線カメラ４により、走査線上の各点を含むその周辺領域の熱画像を撮像している。したがって、走査線上の各点の温度情報とその周辺部分の熱画像とを同時に検出することができる。すなわち、レーザ光Ｌは図示しない駆動機構により所定の走査線上を移動して走査線上の各点を加熱するが、この加熱によるトップコート２Ｂの表面の熱画像が赤外線カメラ４により所定間隔で連写される。

ここで、図８（ａ）に示すように、ＴＢＣ２に剥離部位が存在せず、健全である場合は、レーザ光Ｌの照射によりトップコート２Ｂの表面に発生する熱Ｈは、ボンドコート２Ａを介して金属基材１に移動する。これに対し、図８（ｂ）に示すように、ＴＢＣ２に剥離部位５が存在する場合には、剥離部位５が断熱層となるので、レーザ光Ｌの照射によりトップコート２Ｂの表面に発生する熱Ｈは剥離部位５で遮断される。この結果、剥離部位５に対応するトップコート２Ｂの表面位置では、その温度が局部的に上昇し、その計測点から放射される赤外線Ｒが増大する。赤外線カメラ４は赤外線Ｒの量に感応するので、前記計測点の温度上昇が検出される。

図９は本形態により得られるトップコート２Ｂの表面の走査線上の温度を示す特性図である。同図はレーザ光Ｌを、試料Ｉの図中の左側から右側に向けて走査した場合の特性である。同図を参照すれば、試料Ｉの左端部および右端部を除き、位置Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ３１、Ｐ４１の４点で温度にピークＰ１２、Ｐ２２、Ｐ３２、Ｐ４２が検出されている。したがって、位置Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ３１、Ｐ４１はＴＢＣ２の剥離が疑われる部位であるとすることができる。しかしながら、温度のピークＰ１２〜Ｐ４２は、剥離が存在する場合以外にも、１）トップコート２Ｂの表面の汚損により放射率が周辺部と異なる場合、２）トップコート２Ｂの表面に付着物が存在する場合、３）温度のピークＰ１２〜Ｐ４２が現れた部分のみトップコート２Ｂの厚さが相対的に厚い場合にも出現する。

そこで、本形態ではピークＰ１２〜Ｐ４２が出現した場合には、それぞれに対応する各位置Ｐ１１〜Ｐ４１からレーザ光Ｌの走査方向に関し下流側の所定の範囲Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の熱画像を分析し、各熱画像に走査方向の反対側に伸びる尻尾状の低温部である残熱像が存在しないかを調べている。これは各点の熱画像をコマ送りしながら検出する。この結果、残熱像が熱画像中に検出された場合に、これに対応するピーク位置が剥離部位であると判定する。

図１０は本形態において得られる熱画像の例を示す説明図で、（ａ）が標準形状、（ｂ）が残熱像をそれぞれ示す。本形態においてトップコート２Ｂの表面に照射しているレーザ光Ｌの横断面内における強度は正規分布となっている。したがって、レーザ光Ｌをトップコート２Ｂの表面に照射した後、表面の温度分布を検出すれば、剥離や汚れ等のノイズ要因が存在しない通常時には、図１０（ａ）に示すように、熱画像は画像の中心部から放射方向に低温部が同心円状に広がる形状となる。かかる同心円状の形状を標準形状IIと呼ぶ。標準形状IIは、画像処理の方法にもよるが、例えば中心部の最高温度の温度領域６（レーザ光Ｌのビーム径Φに対応する）が白色、その外側の所定の温度の領域７が赤色、その外側の所定の温度の領域８が黄色、その外側の最も低温の温度の領域９が緑色として表示される。すなわち、標準形状IIでは、白色を中心とした赤色、黄色および緑色のリングが同心円状に配列される。

一方、トップコート２Ｂに剥離部位５が存在する場合には、図１０（ｂ）に示すように、熱画像は中心の高温領域である温度領域６，７の形状は変化しないが、低温領域である領域８，９、特に最低温部である領域９の形状が走査方向（図では左から右に向かう方向）の反対側に伸びる尻尾状の帯部９Ａを有する形状となる。かかる形状を剥離部に固有の残熱像IIIと呼ぶ。かかる残熱像IIIは次のような原因により形成されると考えられる。すなわち、レーザ光Ｌを、ある程度の速度で移動させた場合（走査した場合）、トップコート２Ｂの内部には過渡的に熱が伝達される。この場合に、剥離部位５では内部に熱が伝わりにくいため、ある程度の時間、熱がトップコート２Ｂに残ることになる。このため、剥離部位５をレーザ光Ｌのビームが通過した直後に、剥離部位５に熱残像が現れ、これによりそれよりも若干下流側の熱画像に残熱像IIIが現れると考えられる。したがって、かかる残熱像IIIを検出することにより剥離部位５を特定することができる。

例えば、ピークＰ２２に続く所定の範囲Ａ２の熱画像に残熱像IIIが検知され、それ以外の範囲Ａ１，Ａ３，Ａ４の熱画像には残熱像IIIが検知されない場合、それぞれに対応するピークＰ１２，Ｐ３２，Ｐ４２は、剥離以外の原因であると判断する。例えば、１）トップコート２Ｂの表面の汚損、２）トップコート２Ｂの表面の付着物、３）トップコート２Ｂの厚さのばらつきの何れかが原因であると判断する。ちなみに、トップコート２Ｂの表面の汚損、トップコート２Ｂの表面の付着物、トップコート２Ｂの厚さのばらつきに起因して対応する熱画像は標準形状IIに較べて各温度領域６〜９の形状が歪むことはあるが、帯部９Ａを伴う残熱像IIIは検出されなかった。したがって、残熱像IIIの検出をピークＰ２２の位置Ｐ２１と組み合わせることにより高精度の剥離部位５の特定が可能になる。

ここで、本形態では、残熱像IIIの明確化のための加熱条件の最適化処理を行っている。かかる最適化処理を具体的に説明する。まず、試料Ｉの熱物性値を計測するか、もしくは文献値で所定のパラメータを調べておく。その後、試料Ｉの熱物性値に基づき試料Ｉの一次元非定常熱伝導解析を行うとともに、残熱率のコンター図を作成する。ここで、残熱率とは、図６において定義した値である。すなわち、図６に示す温度変化特性において、無次元時間τ_ｄと無次元時間τ_ｎとの比として定義される。この残熱率（τ_ｄ／τ_ｎ）が大きいほど明確な残熱像IIIを得ることができると考えられる。

そこで、残熱率が最大となる最大残熱率特性を、トップコート２Ｂの厚さと、試料Ｉの加熱時間とをパラメータとして求める。ここで、加熱時間とは、所定のビーム径を有して移動するレーザ光Ｌのビームの先端が任意の試料Ｉの表面の任意の点の加熱を開始してから加熱を終了するまでの時間である。

本形態における最大残熱率特性は、図１１に示すコンター図に基づき生成する。同図に示すように、本形態におけるコンター図とは、加熱時間を横軸に採り、トップコート２Ｂの厚さを縦軸に採って両者の交点の残熱率に基づき作成した等値線である。かかるコンター図において、任意のトップコート２Ｂの厚さに対し最大残熱率となっている点を結ぶことにより最大残熱率線が得られる。なお、最大残熱率線は、コンター図を作成して求める手法に限定する必要はない。任意のトップコート２Ｂの厚さに対し最大残熱率となっている点を結んだ特性を表すものであれば、それ以上の特別な制限はない。

最大残熱率特性を求めた後、トップコート２Ｂの厚さを非破壊計測する。これは、例えば渦電流の利用やテラヘルツ電磁波の照射による既存の判定方法を利用することにより好適に非破壊計測し得る。その後、図１１のコンター図に基づき、計測したトップコート２Ｂの厚さに対応する最大残熱率を求め、求まった最大残熱率に対応する加熱時間を特定する。例えば、図１１中ではトップコート２Ｂの厚さが４００μｍの場合、最適な加熱時間は０．４ｓｅｃとなる。ここでレーザ光Ｌのビーム径は既知であるので、ビーム径／加熱時間（０．４ｓｅｃ）によりビームの最適移動速度が求まる。例えばビーム径が４ｍｍの場合、ビームの最適移動速度は１０（ｍｍ／ｓ）となる。そこで、最適移動速度でレーザ光Ｌを移動させつつトップコート２Ｂの表面を加熱することにより加熱条件を最適化することができる。この結果、最も明瞭な残熱像IIIが得られる。ちなみに、走査速度が遅すぎると残熱像IIIが形成されず、また早すぎるとピークＰ１２〜Ｐ４２が検出されず、残熱像IIIも得られない。

図１２は上記実施の形態を応用した非破壊検査方法の他の実施の形態を示すフローチャートである。同図に示すように、本形態に係る非破壊検査方法は、第１の判定工程１１、第２の判定工程１２、第３の判定工程１３の三種類の判定工程を組み合わせたものである。

第１の判定工程１１では、ＴＢＣ２のトップコート２Ｂの表面をランプ加熱により面状に一度に加熱している。これにより温度が上昇した部位が無ければ剥離なしと判定し、温度上昇の部位が検出され、剥離が疑われる部位が存在する場合は、第２の判定工程１２を実行する。

第２の判定工程１２では、第１の判定工程１１で、剥離が疑われる部位が存在する場合に、上記実施の形態と同様に、トップコート２Ｂにおける剥離部位５の有無を判定する。

第３の判定工程１３では、第２の判定工程１２で、剥離部位５が存在すると判定された場合に、熱画像中のレーザ光Ｌのビーム形状の変化状態、試料Ｉの視覚的な表面状態およびトップコート２Ｂの厚さのばらつき状態とを組み合わせて剥離部位の剥離の可能性を補完的に判定する。ここで、渦電流の利用やテラヘルツ電磁波の照射による既存の判定方法を利用すれば良い。この結果、間違いなく剥離部位５が発生しているか否かを最終的に判定する。

かかる本形態によれば、判定時間が短くて済む第１の判定工程で剥離部位５の存在の可能性が否定された場合には、判定精度を向上させるべくレーザ光Ｌのビームの走査により第１の判定工程１１よりも時間を掛けて判定処理を行う第２の判定工程１２ないし第３の判定工程１３を実行する必要がないので、その分判定処理の時間を短縮することができる。なお、第３の判定工程１３は必ずしも必要ではない。第２の判定工程１２で相当程度の判定精度は確保されるので、あくまで補完的に行えば良い。

図１３は本発明の実施の形態に係る剥離の非破壊検査装置を示すブロック図である。当該非破壊検査装置は前記実施の形態を実現する装置である。同図に示すように、本形態に係る非破壊検査装置は、演算処理装置２０、レーザ発振器２１、赤外線カメラ４および位置検出センサ２２を有している。演算処理装置２０は、後に詳述するような構成を有しており、所定の情報の処理を行なうことにより試料Ｉ中の剥離部位５の特定を行う。レーザ発振器２１は、試料Ｉのトップコート２Ｂの表面にビーム状のレーザ光Ｌを照射するとともに、自走の駆動手段を内蔵して試料Ｉのトップコート２Ｂの表面にレーザ光Ｌを直線的に走査させる。赤外線カメラ４は、トップコート２Ｂの所定の領域の温度分布を表す画像を撮像する。赤外線カメラ４では温度の検出機能も有するので、レーザ光Ｌの照射部位の温度も同時に検出し得る。位置検出センサ２２は、走査方向に沿い直線的に移動するレーザ発振器２１の基準位置に対する位置を検出する。レーザ発振器２１によるレーザ光Ｌの照射や、走査速度の制御等、その全般的な制御は、演算処理装置２０のレーザ制御部２３で行う。

演算処理装置２０は、レーザ制御部２３の他に、温度特性検出部２４、ピーク検出部２５、画像情報記憶部２６、画像情報抽出部２７、比較部２８、閾値設定部２９および表示部３０を有する。温度特性検出部２４は、赤外線カメラ４および位置検出センサ２２の出
力信号を処理して図９に示す温度特性の情報を検出する。ピーク検出部２５は温度特性検出部２４が出力する温度特性を表す信号を処理してピークＰ１２〜Ｐ４２に対応する位置
Ｐ１１〜Ｐ４１の情報とともに格納する。ピークＰ１２〜Ｐ４２の検出は、例えば温度特
性を表す信号を微分することにより好適に得ることができる。

画像情報記憶部２６は、赤外線カメラ４および位置検出センサ２２の出力信号を処理してトップコート２Ｂの各点における表面の熱画像情報を記憶するとともに、ピーク検出部２５が検出したピーク位置を表す情報に基づき各位置Ｐ１１〜Ｐ４１を基準とする所定範囲Ａ１〜Ａ４の画像情報を画像情報抽出部２７に移送して記憶させる。比較部２８は画像情報抽出部２７に抽出・記憶された各熱画像の情報と閾値設定部２９に設定された所定の閾値とを比較して、各熱画像中に残熱像IIIが存在するか否かを比較・判定する。すなわち、標準形状IIに対する特定の熱画像の形状のズレの程度を検出し、ズレの程度が閾値を超える場合に残熱像IIIであると判定して、剥離部位５を特定する情報を表示部３０に表示させる。

ここで、残熱像IIIであるか否かの判定は、さらに具体的には、例えば図１０（ａ）に示す標準形状IIの画像の中心Ｏから温度領域９の端部までの距離を不変の標準距離ｌ_ｓとする一方、図１０（ｂ）に示す熱画像の中心Ｏから温度領域９の帯部９Ａの端部までの実測距離ｌとを比較部２８で比較し、両者の差の絶対値が閾値設定部２９に設定されている閾値ｌ_ｔｈを超える場合に残熱像であると判定する構成が考えられる。

本形態によれば、上記実施の形態に係る残熱像IIIを利用した剥離の非破壊検査方法と同様に集積した情報から、残熱像IIIであるか否かの判定を演算処理装置２０、特に比較部２８で自動的に行わせることができるので、前記剥離の非破壊検査方法と同様の高精度の剥離検出の処理時間を飛躍的に短縮することができる。

さらに、本形態に係る非破壊検査装置は、明確な残熱像IIIを得るための加熱条件の最適化機能も有している。かかる最適化機能は、演算処理装置２０が備える最大残熱率特性生成部３１、最大残熱率特性記憶部３２および加熱時間制御部３３で実現される。最大残熱率特性生成部３１は、トップコート２Ｂの厚さと、レーザ光の照射による試料Ｉの加熱時間とをパラメータとして残熱率（τ_ｄ／τ_ｎ）の最大値を与える最大残熱率特性を生成する。さらに詳言すると、実測または文献を参照することにより得られる試料Ｉの熱物性値に基づき試料Ｉの一次元非定常熱伝導解析を行うとともに、残熱率のコンター図（図１１参照）を作成することにより、トップコート２Ｂの厚さと、試料Ｉの加熱時間とをパラメータとして残熱率が最大となる最大残熱率特性を求める。ここで、加熱時間とは、所定のビーム径を有して移動するレーザ光Ｌのビームの先端が任意の試料Ｉの表面の任意の点の加熱を開始してから加熱を終了するまでの時間である。

本形態における最大残熱率特性は、コンター図に基づき生成するようにしたが、これに限るものではない。任意のトップコート２Ｂの厚さに対し最大残熱率となっている点を結んだ特性を表すものであれば特に制限はない。

最大残熱率特性生成部３１が生成した最大残熱率特性を表すデータは、最大残熱率特性記憶部３２に記憶される。最大残熱率特性記憶部３２には、試料Ｉのトップコート２Ｂの厚さに関する情報が与えられる。トップコート２Ｂの厚さは、例えば渦電流の利用やテラヘルツ電磁波の照射による既存の判定方法を利用することにより好適に非破壊計測し得る。この計測結果の情報に基づき、最大残熱率特性記憶部３２は、計測結果として与えられたトップコート２Ｂの厚さに対応する最大残熱率を記憶している最大残熱率特性から求め、求まった最大残熱率に対応する加熱時間を特定して、その時間情報を加熱時間制御部３３に供給する。図１１のコンター図に示す特性の場合、トップコート２Ｂの厚さが、例えば４００μｍの場合には、最適な加熱時間は０．４ｓｅｃとなるので、かかる加熱時間の情報を加熱時間制御部３３に供給する。

加熱時間制御部３３は、最大残熱率特性記憶部３２より供給された加熱時間に基づきレーザ制御部２３を制御して所定の加熱を行う。具体的には、この場合のレーザ光Ｌのビーム径は既知であるので、ビーム径／加熱時間によりビームの最適移動速度を求め、この最適移動速度でレーザ光Ｌが移動するようにレーザ発振器２１の移動速度を制御する。例えばビーム径が４ｍｍの場合、ビームの最適移動速度は１０（ｍｍ／ｓ）となるので、この場合の最適移動速度である１０（ｍｍ／ｓ）でレーザ発振器２１が直線移動するように制御する。

なお、上記実施の形態に係る非破壊検査装置において、最大残熱率特性は、試料Ｉの一次元非定常熱伝導解析を行うことにより求めた残熱率に基づき求めたが、これに限るものではない。二次元または三次元非定常熱伝導解析に基づいても求めることができる。ただ、一次元非定常熱伝導解析では、コーティング層の厚さと、前記加熱光の照射による前記試料の加熱時間とをパラメータとするのに対し、二次元または三次元非定常熱伝導解析では、コーティング層の厚さと、前記加熱光の移動速度および形状とをパラメータとして求める。ここで、加熱光の形状とは、その横断面形状が円形である場合に限定されるものではなく、三角や四角であっても構わない。また、円形の場合には、その径が好適なパラメータとなる。

また、上記実施の形態に係る非破壊検査装置において、熱画像の中心Ｏから温度領域９の帯部９Ａの端部までの実測距離ｌと、標準形状IIの画像の中心Ｏから温度領域９の端部までの距離である標準距離ｌ_ｓとを比較することで、残熱像IIIであるか否かを判定しているが、これに限るものではない。標準形状と特定の熱画像との比較の結果、剥離画像IIIの帯部９Ａに基づくパラメータが所定の閾値を超える場合に残熱像IIIであると判定するものであれば良い。

さらに、判定対象はＴＢＣに限定するものではない。基材の表面に施されたコーティング層の剥離を検出するものであれば一般に適用し得る。同様に、加熱用光源をレーザ光に限定する必要もなく、また走査形状を直線に限定するものでもない。加熱の必要に応じた形状に走査すれば良い。

上記実施の形態では、赤外線カメラ４を用いたので、熱画像と温度情報を同時に得ることができたが、これに限るものでもない。個別の検出手段で、個別に熱画像と温度情報を得るように構成することもできる。

本発明は遮熱コーティングを施した部品を多く使用しているタービン等の高温機械の保守、製造等を行う産業分野において有効に利用することができる。

Ｉ 試料
II 標準形状
III 残熱像
Ｌ レーザ光
１ 金属基材
２ ＴＢＣ
２Ａ ボンドコート
２Ｂ トップコート
４ 赤外線カメラ
６〜９ 温度領域
３１ 最大残熱率特性生成部
３２ 最大残熱率特性記憶部
３３ 加熱時間制御部
Ａ１〜Ａ４ 範囲
Ｐ１１〜Ｐ４１ 位置
Ｐ１２〜Ｐ４２ ピーク
τ_ｄ、τ_ｎ 無次元時間

Claims (11)

1. 基材の表面に形成したコーティング層における剥離の非破壊検査方法であって、
   前記基材にコーティング層を形成した試料の表面にビーム状の加熱光を照射するとともに前記表面の線上を移動させることにより走査し、前記線上の各点における温度を表す温度特性を検出するとともに、前記各点の周辺部分を含む前記試料の表面の温度分布を表す画像を撮像する場合において、
   前記加熱光が、前記コーティング層に所定の剥離を生起している試料を通過する際の加熱開始から最高温度を経て、所定の判定温度に降下するまでの時間と、前記剥離を生起していない健全な試料を通過する際の同様の時間との比として定義される残熱率が最大となる最大残熱率特性を、前記コーティング層の厚さと、前記加熱光の照射による前記試料の加熱時間、または前記加熱光の移動速度および形状とをパラメータとして求めておき、
   前記試料の前記コーティング層の特定の膜厚に対応する前記最大残熱率特性を求めるとともに、前記最大残熱率特性に対応する前記加熱時間を前記特定の膜厚における前記試料の加熱時間とすることを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査方法。
2. 請求項１に記載するコーティング層における剥離の非破壊検査方法において、
   前記温度特性がピークとなる前記試料の表面位置を特定し、特定した前記表面位置から走査方向に関し下流側の所定の範囲内において前記加熱光による走査方向の反対側に伸びる尻尾状の低温部である残熱像が前記画像中に検出された場合に前記ピークとなる位置における前記コーティング層を剥離部位と判定することを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査方法。
3. 請求項１または請求項２に記載するコーティング層における剥離の非破壊検査方法において、
   前記最大残熱率特性は、前記試料の物性値に基づいた一次元非定常熱伝導解析により求めることを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載するコーティング層における剥離の非破壊検査方法において、
   前記最大残熱率特性は、前記コーティング層の厚さと、前記加熱光の照射による前記試料の加熱時間とをパラメータとしてコンター図を作成するとともに、前記コンター図において最大残熱率を与える点を結んで作成することを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査方法。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載するコーティング層における剥離の非破壊検査方法において、
   前記コーティング層は、金属基材の表面にボンドコートを介してトップコートを形成した遮熱コーティングであることを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査方法。
6. 基材の表面に形成したコーティング層における剥離の非破壊検査装置であって、
   前記基材にコーティング層を形成した試料の表面にビーム状の加熱光を照射するとともに前記表面の線上を移動して走査可能に形成された加熱用光源と、
   前記加熱用光源の位置を検出する位置検出手段と、
   前記加熱光が照射された前記試料の表面の温度を検出する温度検出手段と、
   前記加熱光が照射された前記試料の表面の温度分布を表す画像を撮像する撮像手段と、
   前記加熱光が、前記コーティング層に所定の剥離を生起している試料を通過する際の加熱開始から最高温度を経て、所定の判定温度に降下するまでの時間と、前記剥離を生起していない健全な試料を通過する際の同様の時間との比として定義される残熱率が最大となる最大残熱率特性を、前記コーティング層の厚さと、前記加熱光の照射による前記試料の加熱時間または前記加熱光の移動速度および形状とをパラメータとして生成する最大残熱率特性生成部、前記最大残熱率特性を記憶する最大残熱率特性記憶部、および任意に特定した前記コーティング層の膜厚に対応する前記最大残熱率特性における前記加熱時間で前記試料が加熱されるよう加熱時間を制御する加熱時間制御部を備えた演算処理手段とを有することを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査装置。
7. 請求項６に記載するコーティング層における剥離の非破壊検査装置において、
   前記演算処理手段は、前記位置検出手段が検出する位置情報と、前記温度検出手段が検出する温度情報とにより検出した前記線上の各点における前記温度を表す温度特性に基づき温度特性がピークとなる前記試料の表面位置を特定するとともに、特定した前記表面位置から前記加熱用光源の走査方向に関し下流側の所定の範囲内における前記画像中から、前記加熱光の走査方向の反対側に伸びる尻尾状の低温部である残熱像を検出し、さらに前記温度特性のピークと残熱像の存在が対で検出された場合に前記ピークとなる位置における前記コーティング層を剥離部位と判定するとともに、前記温度分布を表す画像の中心部である高温部から放射方向に低温部が同心円状に広がる標準形状に対し、前記所定の範囲内の前記画像の形状のずれに基づき残熱像であることを判定するように構成したことを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査装置。
8. 請求項６または請求項７に記載するコーティング層における剥離の非破壊検査装置において、
   前記最大残熱率特性は、前記試料の物性値に基づいた一次元非定常熱伝導解析により求めることを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査装置。
9. 請求項６〜請求項８のいずれか一つに記載するコーティング層における剥離の非破壊検査装置において、
   前記最大残熱率特性は、前記コーティング層の厚さと、前記加熱光の照射による前記試料の加熱時間とをパラメータとしてコンター図を作成するとともに、前記コンター図において最大残熱率を与える点を結んで作成することを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査装置。
10. 請求項６〜請求項９のいずれか一つに記載するコーティング層における剥離の非破壊検査装置において、
    前記画像の中心部である高温部から前記尻尾状の低温部の前記走査方向と反対方向の端部までの距離が所定の閾値を越えている場合に残熱像であると判定することを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査装置。
11. 請求項６〜請求項１０のいずれか一つに記載するコーティング層における剥離の非破壊検査装置において、
    前記コーティング層は、金属基材の表面にボンドコートを介してトップコートを形成した遮熱コーティングであることを特徴とするコーティング層における剥離の非破壊検査装置。