JP7068134B2 - How to estimate the life of the thermal barrier coating - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、遮熱コーティングの寿命推定方法に関する。 An embodiment of the present invention relates to a method for estimating the life of a heat shield coating.
ガスタービンやＣＯ２タービンなどの機器において、高温環境下で用いられる高温部品（動翼、静翼など）は、基材の表面が遮熱コーティング（ＴＢＣ；Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ）で保護されている。 In equipment such as gas turbines and CO 2 turbines, the surface of the base material of high-temperature parts (moving blades, stationary blades, etc.) used in a high-temperature environment is protected by a thermal barrier coating (TBC).
高温部品は、たとえば、タービン起動時に低温状態から高温状態になり、タービン停止時に高温状態から低温状態になる熱サイクルが繰り返されるために、基材の表面から遮熱コーティングが剥離する場合がある。具体的には、タービン起動時には作動媒体の供給によって高温部品の温度が上昇するので、基材と遮熱コーティングとの間に大きな熱伸び差が生じ、遮熱コーティングに引張りの熱応力が加わる。これに対して、タービン停止時には作動媒体の供給が停止されて高温部品の温度がタービン運転時よりも低下するので、遮熱コーティングには熱応力が加わらない。このように高温部品に繰り返し加わる熱応力に起因して、遮熱コーティングに亀裂が発生し、遮熱コーティングの剥離が発生する場合がある。 The heat shield coating may peel off from the surface of the base material of the high temperature component, for example, because the thermal cycle from the low temperature state to the high temperature state when the turbine is started and the high temperature state to the low temperature state are repeated when the turbine is stopped. Specifically, when the turbine is started, the temperature of the high-temperature component rises due to the supply of the working medium, so that a large thermal expansion difference occurs between the base material and the thermal barrier coating, and tensile thermal stress is applied to the thermal barrier coating. On the other hand, when the turbine is stopped, the supply of the working medium is stopped and the temperature of the high temperature component is lower than that during the turbine operation, so that no thermal stress is applied to the thermal barrier coating. Due to the thermal stress repeatedly applied to the high temperature component, cracks may occur in the thermal barrier coating and peeling of the thermal barrier coating may occur.
遮熱コーティングの剥離が発生した場合には、基材の表面が高温の作動媒体に直接的に曝されるので、高温部品に損傷が発生する場合がある。このため、遮熱コーティングの再施工などの補修計画を立てるために、遮熱コーティングの寿命を推定する方法が提案されている。 When the thermal barrier coating is peeled off, the surface of the substrate is directly exposed to the hot working medium, which may cause damage to the hot parts. Therefore, in order to make a repair plan such as reconstruction of the heat shield coating, a method of estimating the life of the heat shield coating has been proposed.
しかしながら、従来においては、遮熱コーティングの寿命を簡便かつ的確に推定することが容易でない。たとえば、寿命の推定に用いるデータベースの取得に時間を要する場合がある。また、寿命の相対的な比較でなく、絶対的な寿命を的確に推定することが困難な場合がある。 However, conventionally, it is not easy to easily and accurately estimate the life of the heat shield coating. For example, it may take time to acquire the database used for estimating the life. In addition, it may be difficult to accurately estimate the absolute lifespan, rather than the relative comparison of lifespans.
したがって、本発明が解決しようとする課題は、遮熱コーティングの寿命を簡便かつ的確に推定可能な、遮熱コーティングの寿命推定方法を提供することである。 Therefore, an object to be solved by the present invention is to provide a method for estimating the life of a heat shield coating, which can easily and accurately estimate the life of the heat shield coating.
実施形態に係る遮熱コーティングの寿命推定方法は、熱サイクル試験工程と関係式導出工程と寿命推定工程とを有する。熱サイクル試験工程では、基材の表面に遮熱コーティングが形成された試験片に関して基材の表面側から裏面側に向けて温度が低下する条件で第１の熱サイクル試験を実行すると共に、その試験片に関して基材の表面側から裏面側に渡って温度が同じ条件で第２の熱サイクル試験を実行する。関係式導出工程では、第１の熱サイクル試験および第２の熱サイクル試験において遮熱コーティングの剥離が生じたサイクル数と遮熱コーティングの剥離発生時に遮熱コーティングに加わった熱応力との関係式を導出する。寿命推定工程では、実機で用いられる高温部品において遮熱コーティングの剥離が生ずる剥離寿命を関係式に基いて推定する。 The method for estimating the life of the heat shield coating according to the embodiment includes a thermal cycle test step, a relational expression derivation step, and a life estimation step. In the thermal cycle test step, the first thermal cycle test is performed under the condition that the temperature of the test piece having the thermal barrier coating formed on the surface of the substrate decreases from the front surface side to the back surface side of the substrate, and the first thermal cycle test is performed. A second thermodynamic cycle test is performed on the test piece under the same temperature conditions from the front surface side to the back surface side of the substrate. In the relational expression derivation process, the relational expression between the number of cycles in which the thermal barrier coating was peeled off in the first thermal cycle test and the second thermal cycle test and the thermal stress applied to the thermal barrier coating when the thermal barrier coating was peeled off. Is derived. In the life estimation step, the peeling life at which the heat-shielding coating is peeled off in the high-temperature parts used in the actual machine is estimated based on the relational expression.
実施形態に係る遮熱コーティングの寿命推定方法について、図１を用いて説明する。 The method of estimating the life of the heat shield coating according to the embodiment will be described with reference to FIG.
［熱サイクル試験工程］
図１に示すように、遮熱コーティングの寿命を推定する場合には、まず、熱サイクル試験を実施する（ＳＴ１０；熱サイクル試験工程）。
[Thermodynamic cycle test process]
As shown in FIG. 1, when estimating the life of the heat shield coating, first, a heat cycle test is carried out (ST10; heat cycle test step).
ここでは、第１の熱サイクル試験と、第１の熱サイクル試験とは試験条件が異なる第２の熱サイクル試験とを実行する。詳細については後述するが、第１の熱サイクル試験は、温度勾配下での熱サイクル試験である。これに対して、第２の熱サイクル試験は、等温場での熱サイクル試験である。 Here, the first heat cycle test and the second heat cycle test whose test conditions are different from those of the first heat cycle test are executed. Although the details will be described later, the first thermodynamic cycle test is a thermodynamic cycle test under a temperature gradient. On the other hand, the second thermal cycle test is a thermal cycle test in an isothermal field.
（第１の熱サイクル試験）
第１の熱サイクル試験を実行するときの様子について図２および図３を用いて説明する。
(First thermal cycle test)
The state when the first thermal cycle test is executed will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
第１の熱サイクル試験を実行する際には、図２に示すように、基材１１の表面にボンドコート層２１を介して遮熱コーティング２２が形成された試験片１０を準備する。試験片１０において、基材１１は、たとえば、Ｎｉ基合金などの金属材料で形成されている。ボンドコート層２１は、たとえば、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍは、ＮｉとＣｏの少なくとも一つ）などの金属材料を溶射することで形成されている。遮熱コーティング２２は、たとえば、部分安定化ジルコニアなどのセラミック材料を溶射することで形成されている。試験片１０は、たとえば、円柱形状に形成されている。
When performing the first heat cycle test, as shown in FIG. 2, a
試験片１０は、図２に示すように、載置台８１に載置される。ここでは、試験片１０においてボンドコート層２１および遮熱コーティング２２が設けられた表面が上方に向き、裏面が下方に向くように、試験片１０が載置台８１の上面に載せられる。
The
載置台８１は、図２に示すように、表面に冷却媒体ＣＬが供給されるように構成されており、載置台８１に載せられた試験片１０の裏面側を冷却する。たとえば、冷却媒体ＣＬは、冷却水であって、冷却媒体ＣＬが試験片１０の裏面に直接的に供給される。載置台８１の上方には、レーザー光源８２が設置されている。レーザー光源８２は、載置台８１に載せられた試験片１０にレーザー光ＬＢを照射することによって、試験片１０の表面側を加熱する。このように、試験片１０は、レーザ加熱装置を用いて第１の熱サイクル試験が実行される。
As shown in FIG. 2, the mounting table 81 is configured to supply the cooling medium CL to the front surface, and cools the back surface side of the
図３に示すように、第１の熱サイクル試験の一サイクルは、表面温度上昇時間Ｈ１１、表面温度保持時間Ｈ１２、および、表面温度下降時間Ｈ１３のそれぞれにおいて、温度上昇、温度保持、および、温度下降のそれぞれが行われる。具体的には、表面温度上昇時間Ｈ１１においては、試験片１０の表面側へのレーザー光ＬＢの照射が開始されることによって、試験片１０の表面側が第１の表面温度Ｔ１Ｓから第２の表面温度Ｔ１Ｈに上昇する。そして、表面温度保持時間Ｈ１２においては、レーザー光ＬＢの照射が保持されることによって、試験片１０の表面側が第２の表面温度Ｔ１Ｈに保たれる。その後、表面温度下降時間Ｈ１３においては、レーザー光ＬＢの照射が停止されることによって、試験片１０の表面側が第２の表面温度Ｔ１Ｈから第１の表面温度Ｔ１Ｓに下降する。第１の熱サイクル試験の一サイクルでは、試験片１０の裏面側は、第１の表面温度Ｔ１Ｓおよび第２の表面温度Ｔ１Ｈよりも低い裏面温度Ｔ１Ｌに保持される。
As shown in FIG. 3, in one cycle of the first thermal cycle test, the temperature rise, the temperature holding, and the temperature are taken in each of the surface temperature rise time H11, the surface temperature holding time H12, and the surface temperature falling time H13, respectively. Each of the descents takes place. Specifically, during the surface temperature rise time H11, the surface side of the
第１の表面温度Ｔ１Ｓ、第２の表面温度Ｔ１Ｈ、および、裏面温度Ｔ１Ｌは、たとえば、下記の条件である。
・第１の表面温度Ｔ１Ｓ：１００℃以上、２００℃以下
・第２の表面温度Ｔ１Ｈ：９００℃以上、１２００℃以下
・裏面温度Ｔ１Ｌ：２０℃以上、８０℃以下
The first surface temperature T1 S , the second surface temperature T1 H , and the back surface temperature T1 L are, for example, the following conditions.
・ First surface temperature T1 S : 100 ° C or higher, 200 ° C or lower ・ Second surface temperature T1 H : 900 ° C or higher, 1200 ° C or lower ・ Back surface temperature T1 L : 20 ° C or higher, 80 ° C or lower
また、表面温度上昇時間Ｈ１１と表面温度保持時間Ｈ１２との合計時間、および、表面温度下降時間Ｈ１３は、たとえば、下記の条件である。各条件は、適宜、変更可能である。
・表面温度上昇時間Ｈ１１と表面温度保持時間Ｈ１２との合計時間：１００秒以上、２００秒以下
・表面温度下降時間Ｈ１３：５０秒以上、１５０秒以下
Further, the total time of the surface temperature rise time H11 and the surface temperature holding time H12 and the surface temperature decrease time H13 are, for example, the following conditions. Each condition can be changed as appropriate.
・ Total time of surface temperature rise time H11 and surface temperature holding time H12: 100 seconds or more, 200 seconds or less ・ Surface temperature decrease time H13: 50 seconds or more, 150 seconds or less
上記のように、第１の熱サイクル試験は、基材１１の表面に遮熱コーティング２２が形成された試験片１０に関して基材１１の表面側から裏面側に向けて温度が低下する条件で実行される。つまり、第１の熱サイクル試験においては、試験片１０が第１の表面温度Ｔ１Ｓと第２の表面温度Ｔ１Ｈとに変わることが繰り返し実行される。
As described above, the first thermal cycle test is performed under the condition that the temperature of the
このとき、第１の熱サイクル試験において遮熱コーティング２２の剥離が生じたサイクル数（剥離サイクル数）を求める。ここでは、試験片１０を目視で観察して、遮熱コーティング２２の剥離の有無を判断することで、遮熱コーティング２２の剥離が生じたサイクル数（剥離サイクル数）を求める。その他、赤外線サーモグラフィを用いて、遮熱コーティング２２の剥離が生じたサイクル数（剥離サイクル数）を求めてもよい。
At this time, the number of cycles in which the
（第２の熱サイクル試験）
第２の熱サイクル試験を実行するときの様子について図４Ａ、図４Ｂ、および、図５を用いて説明する。図４Ａは、加熱時の状態を示し、図４Ｂは、冷却時の状態を示している。
(Second thermal cycle test)
The state when the second thermal cycle test is performed will be described with reference to FIGS. 4A, 4B, and 5. FIG. 4A shows a state at the time of heating, and FIG. 4B shows a state at the time of cooling.
第２の熱サイクル試験を実行する際には、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第１の熱サイクル試験の場合と同様に、基材１１の表面にボンドコート層２１を介して遮熱コーティング２２が形成された試験片１０を準備する。そして、たとえば、電気炉を用いて第２の熱サイクル試験が実行される。
When performing the second heat cycle test, as shown in FIGS. 4A and 4B, as in the case of the first heat cycle test, the surface of the
試験片１０は、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、載置台９１に載置される。ここでは、試験片１０においてボンドコート層２１および遮熱コーティング２２が設けられた表面が上方に向き、裏面が下方に向くように、試験片１０が載置台９１の上面に載せられる。
The
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、一対のヒータ９１１，９２が設けられている。図４Ａに示すように、試験片１０を加熱する際には、一対のヒータ９１１，９２は、試験片１０の上方および下方に位置した状態になる。これにより、試験片１０の裏面側がヒータ９１１で加熱され、試験片１０の表面側がヒータ９２で加熱される。これに対して、図４Ａに示すように、試験片１０を冷却する際には、一対のヒータ９１１，９２は、試験片１０の上方および下方に位置せずに、試験片１０から離れた位置に移動する。
As shown in FIGS. 4A and 4B, a pair of
図５に示すように、第２の熱サイクル試験の一サイクルは、全体温度上昇時間Ｈ２１、全体温度保持時間Ｈ２２、および、全体温度下降時間Ｈ２３のそれぞれにおいて、温度上昇、温度保持、および、温度下降のそれぞれが行われる。第２の熱サイクル試験は、第１の熱サイクル試験の場合と異なり、試験片１０の表面側から裏面側に渡って温度が均一になる状態で実行される。具体的には、全体温度上昇時間Ｈ２１では、試験片１０の全体は、第１の全体温度Ｔ２ｓから第２の全体温度Ｔ２に上昇する。そして、全体温度保持時間Ｈ２２では、加熱状態を保持することによって、試験片１０の全体が第２の全体温度Ｔ２に保たれる。その後、全体温度下降時間Ｈ２３では、加熱が停止されることによって、試験片１０の全体が、第２の全体温度Ｔ２から第１の全体温度Ｔ２Ｓに下降する。
As shown in FIG. 5, in one cycle of the second thermal cycle test, the temperature rise, the temperature holding, and the temperature are taken in each of the total temperature rise time H21, the total temperature holding time H22, and the total temperature falling time H23, respectively. Each of the descents takes place. Unlike the case of the first thermal cycle test, the second thermal cycle test is performed in a state where the temperature becomes uniform from the front surface side to the back surface side of the
第１の全体温度Ｔ２Ｓ、および、第２の全体温度Ｔ２は、たとえば、下記の条件である。
・第１の全体温度Ｔ２Ｓ：１００℃以上、２００℃以下
・第２の全体温度Ｔ２：８００℃以上、１２００℃以下
The first overall temperature T2 S and the second overall temperature T2 are, for example, the following conditions.
-First overall temperature T2 S : 100 ° C or higher, 200 ° C or lower-Second overall temperature T2: 800 ° C or higher, 1200 ° C or lower
また、全体温度上昇時間Ｈ２１と全体温度保持時間Ｈ２２との合計時間、および、全体温度下降時間Ｈ２３は、たとえば、下記の条件である。
・全体温度上昇時間Ｈ２１と全体温度保持時間Ｈ２２との合計時間：２０分以上、４０分以下
・全体温度下降時間Ｈ２３：２０分以上、４０分以下
Further, the total time of the total temperature rise time H21 and the total temperature holding time H22 and the total temperature fall time H23 are, for example, the following conditions.
・ Total time of total temperature rise time H21 and total temperature holding time H22: 20 minutes or more, 40 minutes or less ・ Overall temperature decrease time H23: 20 minutes or more, 40 minutes or less
上記のように、第２の熱サイクル試験は、試験片１０に関して基材１１の表面側から裏面側に渡って温度が同じ条件で実行される。つまり、第２の熱サイクル試験においては、試験片１０の全体が第１の全体温度Ｔ２Ｓと第２の表面温度Ｔ２とに変わることが繰り返し実行される。
As described above, the second thermal cycle test is carried out under the same temperature condition from the front surface side to the back surface side of the
このとき、第２の熱サイクル試験において遮熱コーティング２２の剥離が生じたサイクル数（剥離サイクル数）を求める。ここでは、第１の熱サイクル試験の場合と同様に、遮熱コーティング２２の剥離の有無を判断することで、遮熱コーティング２２の剥離が生じたサイクル数（剥離サイクル数）を求める。
At this time, the number of cycles in which the
［関係式導出工程］
上記のように熱サイクル試験を実施した後には（ＳＴ１０）、図１に示すように、関係式を導出する（ＳＴ２０；関係式導出工程）。
[Relational expression derivation process]
After performing the thermal cycle test as described above (ST10), the relational expression is derived (ST20; relational expression derivation step) as shown in FIG.
ここでは、第１の熱サイクル試験および第２の熱サイクル試験において遮熱コーティング２２の剥離が生じたサイクル数と遮熱コーティングの剥離発生時に遮熱コーティング２２に加わった熱応力との関係式を導出する。
Here, the relational expression between the number of cycles in which the heat-shielding
遮熱コーティング２２の剥離発生時に遮熱コーティング２２に加わった熱応力を求める際には、まず、試験片１０に関して熱応力解析を実行することによって熱応力分布を求める。そして、その求めた熱応力分布において熱応力の最大値を、遮熱コーティング２２の剥離発生時に遮熱コーティング２２に加わった熱応力として求める。なお、熱応力は、遮熱コーティング２２において基材１１の側に位置する界面の近傍で最大値になる。
When determining the thermal stress applied to the
関係式の導出に関して図６を用いて例示する。図６において、縦軸は、熱応力ＨＳの値を示し、横軸は、遮熱コーティング２２の剥離が生じたサイクル数ＨＣの対数値（ｌｏｇ（ＨＣ））を示している。
The derivation of the relational expression will be illustrated with reference to FIG. In FIG. 6, the vertical axis shows the value of the thermal stress HS, and the horizontal axis shows the logarithm (log (HC)) of the number of cycles HC in which the
図６に示すように、関係式Ｆ１の導出を実行する際には、各熱サイクル試験において剥離が生じたサイクル数ＨＣの対数値（ｌｏｇ（ＨＣ））と、剥離発生時に遮熱コーティング２２に加わった熱応力の値との関係を示すデータをプロットする。たとえば、図６において、点Ｐ１１は、第１の熱サイクル試験において剥離が生じたサイクル数ＨＣの対数値（ｌｏｇ（ＨＣ））と、その第１の熱サイクル試験で剥離が発生した時に遮熱コーティング２２に加わった熱応力の値との関係を示すデータである。点Ｐ２１、点Ｐ２２、および、点Ｐ２３は、第２の熱サイクル試験において剥離が生じたサイクル数ＨＣの対数値（ｌｏｇ（ＨＣ））と、その第２の熱サイクル試験で剥離が発生した時に遮熱コーティング２２に加わった熱応力の値との関係を示すデータである。点Ｐ２１と点Ｐ２２と点Ｐ２３とのそれぞれは、互いに異なる熱応力が発生する条件（たとえば、異なる温度条件）で第２の熱サイクル試験を実施することによって得られたデータである。
As shown in FIG. 6, when the derivation of the relational expression F1 is executed, the log (log (HC)) of the number of cycles in which peeling occurred in each thermal cycle test and the
そして、各データに基いて、たとえば、最小二乗法によって一次関数の近似式Ｆ０を導く。たとえば、下記のように、近似式Ｆ０が求められる（傾きａ０，切片ｂ０は、定数）。 Then, based on each data, for example, the approximate expression F0 of the linear function is derived by the least squares method. For example, the approximate expression F0 is obtained as shown below (the slope a0 and the intercept b0 are constants).
ＨＳ＝ａ０・ｌｏｇ（ＨＣ）＋ｂ０ ・・・（Ｆ０） HS = a0 · log (HC) + b0 ・ ・ ・ (F0)
そして、上記の近似式Ｆ０から関係式Ｆ１を求める。ここでは、近似式Ｆ０の傾きａ０と傾きが同じであって、各点Ｐ１１，Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２３のデータが導かれる複数の一次関数のうち、切片が最小値になる一次関数を関係式Ｆ１として求める。このため、下記のように、関係式Ｆ１が求められる。つまり、図６の場合には、点Ｐ２１のデータが導かれる一次関数の切片ｂ１が他の各点Ｐ１１，Ｐ２２，Ｐ２３が導かれる他の一次関数の切片よりも小さいので、点Ｐ２１のデータが導かれる一次関数が関係式Ｆ１として求められる。 Then, the relational expression F1 is obtained from the above approximate expression F0. Here, the relational expression F1 is a linear function having the same slope as the slope a0 of the approximate expression F0 and having the minimum intercept among a plurality of linear functions from which the data of each points P11, P21, P22, and P23 are derived. Ask as. Therefore, the relational expression F1 is obtained as follows. That is, in the case of FIG. 6, since the intercept b1 of the linear function from which the data at the point P21 is derived is smaller than the intercept of the other linear function from which the other points P11, P22, and P23 are derived, the data at the point P21 is. The derived linear function is obtained as the relational expression F1.
ＨＳ＝ａ０・ｌｏｇ（ＨＣ）＋ｂ１ ・・・（Ｆ１） HS = a0 · log (HC) + b1 ... (F1)
このように、本実施形態では、熱応力が異なる条件で複数の熱サイクル試験を実行し、その複数の熱サイクル試験において剥離が生じたサイクル回数の結果を用いて、上記の関係式Ｆ１を求める。 As described above, in the present embodiment, a plurality of thermal cycle tests are performed under conditions of different thermal stresses, and the above relational expression F1 is obtained by using the result of the number of cycles in which peeling occurs in the plurality of thermal cycle tests. ..
［寿命推定工程］
上記のように、関係式を導出した後には（ＳＴ２０）、図１に示すように、剥離寿命の推定を行う（ＳＴ３０；寿命推定工程）。
[Life estimation process]
After deriving the relational expression as described above (ST20), the peeling life is estimated as shown in FIG. 1 (ST30; life estimation step).
ここでは、上記した試験片１０と同様に基材１１にボンドコート層２１および遮熱コーティング２２が形成された高温部品（図示なし）に関して、遮熱コーティングの剥離が生ずる剥離寿命を、上記した関係式に基いて推定する。たとえば、ガスタービン、ＣＯ２タービンなどの機器で用いられる、動翼、静翼などの高温部品に関して、遮熱コーティングの剥離が生ずる剥離寿命を推定する。
Here, with respect to a high-temperature component (not shown) in which the
高温部品の剥離寿命を推定に関して図７を用いて例示する。図７においては、縦軸は、図６と同様に、熱応力ＨＳの値を示し、横軸は、遮熱コーティング２２の剥離が生じたサイクル数ＨＣの対数値（ｌｏｇ（ＨＣ））を示している。
FIG. 7 is used to illustrate the estimation of the peeling life of a high temperature component. In FIG. 7, the vertical axis shows the value of the thermal stress HS as in FIG. 6, and the horizontal axis shows the logarithm (log (HC)) of the number of cycles HC in which the
高温部品の剥離寿命を推定する際には、高温部品に関して熱応力解析を実行することによって熱応力分布を算出し、その熱応力分布において熱応力の最大値ＨＳＪを求める。そして、上記の関係式Ｆ１において、高温部品に加わる熱応力の最大値ＨＳＪから導かれるサイクル回数ＨＳＪの対数値（ｌｏｇ（ＨＣＪ））を算出する。その後、その対数値（ｌｏｇ（ＨＣＪ））から導かれるサイクル回数ＨＳＪを剥離寿命として推定する。 When estimating the peeling life of a high-temperature component, the thermal stress distribution is calculated by performing a thermal stress analysis on the high-temperature component, and the maximum value HSJ of the thermal stress is obtained in the thermal stress distribution. Then, in the above relational expression F1, the logarithm (log (HCJ)) of the number of cycles HSJ derived from the maximum value HSJ of the thermal stress applied to the high temperature component is calculated. Then, the cycle count HSJ derived from the logarithm (log (HCJ)) is estimated as the peeling life.
以上のように、本実施形態では、基材１１の表面に遮熱コーティング２２が形成された試験片１０に関して基材１１の表面側から裏面側に向けて温度が低下する条件で第１の熱サイクル試験を実行する。これと共に、同様に形成された試験片１０に関して基材１１の表面側から裏面側に渡って温度が同じ条件で第２の熱サイクル試験を実行する。そして、第１の熱サイクル試験および第２の熱サイクル試験において遮熱コーティング２２の剥離が生じたサイクル数と剥離発生時に遮熱コーティング２２に加わった熱応力との関係式を用いて、実機で用いられる高温部品において遮熱コーティングの剥離が生ずる剥離寿命を推定する。
As described above, in the present embodiment, the first heat of the
このため、本実施形態では、遮熱コーティングの寿命を簡便かつ的確に推定することができる。その結果、本実施形態においては、遮熱コーティングの再施工などの補修計画を的確かつ容易に立てることができる。なお、温度勾配下での第１の熱サイクル試験は、レーザ光源を用いて実行されるので、サイクル回数を容易に増加させることができる。また、等温場での第２の熱サイクル試験は、電気炉を用いて実行されるので、応力の増加が容易である。このため、それぞれの利点を考慮して、第１の熱サイクル試験と第２の熱サイクル試験とを行うことによって、遮熱コーティングの寿命推定を効率的に実行可能である。 Therefore, in the present embodiment, the life of the heat shield coating can be estimated easily and accurately. As a result, in the present embodiment, a repair plan such as re-construction of the heat-shielding coating can be accurately and easily made. Since the first thermal cycle test under the temperature gradient is performed using a laser light source, the number of cycles can be easily increased. Further, since the second thermal cycle test in an isothermal field is performed using an electric furnace, it is easy to increase the stress. Therefore, by performing the first heat cycle test and the second heat cycle test in consideration of the respective advantages, it is possible to efficiently estimate the life of the heat shield coating.
［変形例］
上記の実施形態では、新品の試験片１０について第１の熱サイクル試験および第２の熱サイクル試験を実行し、新品の高温部品の剥離寿命について推定する場合に関して説明したが、これに限らない。たとえば、下記の変形例に示すように、寿命の推定を実行してもよい。
[Modification example]
In the above embodiment, the case where the first heat cycle test and the second heat cycle test are performed on the
（変形例１）
変形例１では、経年劣化が生じた高温部品の剥離寿命について推定する場合について説明する。この場合には、試験片１０について第１の熱サイクル試験および第２の熱サイクル試験を実行する前に、試験片１０のボンドコート層２１を酸化する酸化処理を予め実施する。そして、そのボンドコート層２１が酸化された試験片１０について第１の熱サイクル試験および第２の熱サイクル試験を実行する。そして、その結果に基づいて関係式の導出を実行した後に、その関係式を用いて経年劣化が生じた高温部品の剥離寿命を推定する。
(Modification 1)
In the first modification, a case of estimating the peeling life of a high-temperature component that has deteriorated over time will be described. In this case, before performing the first heat cycle test and the second heat cycle test on the
変形例２において導出される関係式に関して図８を用いて例示する。図８においては、図６の場合と同様に、縦軸は、熱応力ＨＳの値を示し、横軸は、遮熱コーティング２２の剥離が生じたサイクル数ＨＣの対数値（ｌｏｇ（ＨＣ））を示している。また、上記した実施形態で導出された関係式Ｆ１については一点鎖線で示し、本変形例で導出される関係式Ｆ１ｂについては実線で示している。
FIG. 8 is used to illustrate the relational expression derived in the second modification. In FIG. 8, as in the case of FIG. 6, the vertical axis represents the value of the thermal stress HS, and the horizontal axis is the logarithm of the number of cycles HC in which the
一般に、試験片１０においてボンドコート層２１が酸化されている場合には、ボンドコート層２１が酸化されていない場合よりも低い熱応力で遮熱コーティング２２の剥離が生ずる。このため、図８に示すように、本変形例で導出される関係式Ｆ１ｂは、上記した実施形態で導出された関係式Ｆ１よりも切片が小さい状態になる。したがって、経年劣化が生じた高温部品は、剥離が生ずるサイクル数が小さく、剥離寿命が短くなると推定される。
Generally, when the
（変形例２）
変形例２では、実際に使用されている実機のタービンに設置された実機高温部品（使用中の高温部品）の剥離寿命を推定する場合について説明する。この場合には、実機のタービンに設置された実機高温部品の一部を試験片１０として第１の熱サイクル試験および第２の熱サイクル試験を実行することによって関係式を導く。たとえば、定期検査の際に取り出した実機高温部品の一部を試験片１０として用いる。使用中の高温部品は、経年劣化（ボンドコート層２１の酸化等）が生じている。このため、使用中の高温部品の剥離寿命は、変形例１の場合と同様に、通常、新品の高温部品の剥離寿命よりも短くなると推定される。
(Modification 2)
In the second modification, a case of estimating the peeling life of the actual machine high temperature parts (high temperature parts in use) installed in the turbine of the actual machine actually used will be described. In this case, the relational expression is derived by executing the first thermal cycle test and the second thermal cycle test using a part of the actual machine high temperature parts installed in the turbine of the actual machine as the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof, as are included in the scope and gist of the invention.
１０…試験片、１１…基材、２１…ボンドコート層、２２…遮熱コーティング、８１…載置台、８２…レーザー光源、９１…載置台、９２…ヒータ、９１１…ヒータ 10 ... test piece, 11 ... base material, 21 ... bond coat layer, 22 ... heat shield coating, 81 ... mounting table, 82 ... laser light source, 91 ... mounting table, 92 ... heater, 911 ... heater
Claims (4)
前記第１の熱サイクル試験および前記第２の熱サイクル試験において前記遮熱コーティングの剥離が生じたサイクル数と前記遮熱コーティングの剥離発生時に前記遮熱コーティングに加わった熱応力との関係式を導出する、関係式導出工程と、
実機で用いられる高温部品において前記遮熱コーティングの剥離が生ずる剥離寿命を前記関係式に基いて推定する、寿命推定工程と
を有する、
遮熱コーティングの寿命推定方法。 The first thermodynamic cycle test was performed on a test piece having a heat-shielding coating formed on the surface of the base material under the condition that the temperature decreased from the front surface side to the back surface side of the base material, and the base material was subjected to the first heat cycle test. A thermal cycle test step in which a second thermal cycle test is performed under the same temperature conditions from the front surface side to the back surface side of the material.
The relational expression between the number of cycles in which the heat-shielding coating was peeled off in the first heat cycle test and the second heat-shielding test and the thermal stress applied to the heat-shielding coating when the heat-shielding coating was peeled off was calculated. Derivation of relational expression derivation process and derivation
It has a life estimation step of estimating the peeling life at which the heat-shielding coating peels off in a high-temperature component used in an actual machine based on the relational expression.
How to estimate the life of a thermal barrier coating.
請求項１に記載の遮熱コーティングの寿命推定方法。 In the life estimation step, the number of cycles derived from the maximum value of the thermal stress applied to the high temperature component in the relational expression is estimated as the peeling life.
The method for estimating the life of a heat shield coating according to claim 1.
前記ボンドコート層は、前記第１の熱サイクル試験および前記第２の熱サイクル試験を実行する前に酸化されている、
請求項１または２に記載の遮熱コーティングの寿命推定方法。 In the test piece, the heat shield coating is formed on the surface of the base material in a porous structure via a bond coat layer formed of a metal material.
The bond coat layer is oxidized prior to performing the first thermal cycle test and the second thermal cycle test.
The method for estimating the life of a thermal barrier coating according to claim 1 or 2.
請求項１から３のいずれかに記載の遮熱コーティングの寿命推定方法。 The test piece is a part of an actual machine high temperature component installed in an actual machine actually used.
The method for estimating the life of a thermal barrier coating according to any one of claims 1 to 3.
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