JPH05223809A - γ’相析出強化型合金の残余寿命推定方法 - Google Patents

γ’相析出強化型合金の残余寿命推定方法

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JPH05223809A
JPH05223809A JP4029768A JP2976892A JPH05223809A JP H05223809 A JPH05223809 A JP H05223809A JP 4029768 A JP4029768 A JP 4029768A JP 2976892 A JP2976892 A JP 2976892A JP H05223809 A JPH05223809 A JP H05223809A
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JP
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gamma
stress
temperature
high temperature
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JP4029768A
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Hiroyuki Doi
裕之 土井
Tetsuo Kashimura
哲夫 樫村
Hiroshi Fukui
寛 福井
Hideki Tamaoki
英樹 玉置
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温下で長時間運転される機器の残余寿命を
推定する。 【構成】 γ' 相析出強化型合金のγ' 相の体積変化量
を計測し、該計測値から推定運転温度を算出した後、当
該合金の新材について実験的に算出した応力とラルソン
・ミラーのパラメータPとの関係から、当該高温下で使
用されたγ' 相析出強化型合金の応力に対する残余寿命
を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高温下で使用される
γ' 相析出強化型合金の残余寿命を推定する方法に関
し、特に高温下でのγ' 相の変化を定量的に測定するこ
とにより蒸気タービンあるいは産業用ガスタービンにお
ける高温部材の残余寿命を推定する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】産業用ガスタービンブレード(動翼) 等
に使用されているNi基超合金に代表される構造用耐熱
合金には、高温強度の点から基地中にγ' 相と呼ばれる
金属間化合物を整合に析出させることによって強化した
超合金が広く用いられている。近年、このような合金を
用いた発電用ガスタービンが増設されるとともに、運転
時間の長時間化に伴って定期検査等における各部位の信
頼性、すなわち残余寿命を材料の面から評価することが
急務となってきた。しかしながら、現状では、表面上の
クラック発生状況や腐食の状況等を目安にした診断が行
われており、材料の本質的な面から分析を加えその残余
寿命を的確に評価するための有効な手段は存在しない。
【0003】特に、高温材料の経年変化の評価・測定法
に関しては、特開昭57-29947号公報、特開昭58-92952号
公報、特開昭62-59263号公報及び特開平3-45790 号公報
等においていくつかの手法が開示されているが、これら
はいずれも蒸気タービンに用いられるCrMo系の低合金鋼
を対象としたものである。一方、ガスタービンの動翼等
に使用される耐熱鋼の劣化に関しては特開平3-209162号
公報においてγ' 相の平均粒径からその劣化を推定する
方法が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記の蒸気タービン用
CrMo系低合金鋼の経年劣化度の測定に関するものは、主
として素材の物理的性質(電気抵抗、分極特性等)や組
織観察による方法を用いて低合金鋼に固有の特性変化に
着目した評価方法であり、このような手法は対象とする
材料に応じてその評価方法をそれぞれ別個に検討するこ
とが必要となる。一方、γ' 相析出強化型合金について
はその金属学的な因子に着目した新しい評価方法が必要
とされており、前記特開平3-209162号公報で示されてい
るγ' 相の平均粒径とラルソン・ミラ−のパラメータと
の関係から劣化推定する方法はγ'相析出強化型合金固
有の現象に着目した有効な手法である。
【0005】本発明は、耐熱合金の内でも特に高温強度
に優れかつ最も高い温度域で使用されるγ' 相析出強化
型合金についてのより信頼性の高い劣化推定法を開示す
ることを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】γ' 相析出強化型合金の
高温強度は、長時間使用中のγ' 相の成長挙動(粒子サ
イズや析出密度等)に大きく依存する一方、高温加熱あ
るいはクリ−プのような高温下で応力負荷により、γ'
相は時々刻々と成長する。この成長挙動に着目して、予
め応力負荷下でのγ' 相の経時変化を定量的に評価する
ことにより組織観察による残余寿命推定を行うことが可
能となる。その際に、γ' 相の大きさの変化は、体積変
化として取り扱うことが有効である。また、γ' 相析出
強化型合金では、γ' 相の体積変化はおおよそ時間に比
例することが知られている。
【0007】本発明は、この現象を利用して残余寿命を
推定する過程において、予め求めた新材についての実験
結果を時間と温度の推定式の形で表し、実機での運転時
間から運転温度を推定した後、予め求めておいた新材の
応力デ−タと時間と温度のパラメ−タであるラルソン・
ミラーのパラメータとの関係式から残余寿命を推定す
る。
【0008】すなわち、高温下で使用されたγ' 相析出
強化型合金のγ' 相の体積変化量を計測し、該計測値か
ら推定運転温度tを算出した後、当該合金の新材につい
て実験的に算出した応力とラルソン・ミラーのパラメー
タP(P=T(logtr+A)x10-3)との関係式
から、当該高温下で使用されたγ' 相析出強化型合金の
応力に対する残余寿命を推定する。
【0009】使用された合金のγ' 相の体積変化量の計
測は、組織を非破壊的に転写したレプリカ膜を電子顕微
鏡を介した画像解析によってγ' 相の平均体積を定量的
に算出することにより行うことが好ましい態様である
が、他の任意の計測手段を用いて計測してもよい。ま
た、推定運転温度の算出は、実機の使用時間tを次式
(1)に算入することにより求めることができる。
【0010】式(1) Vγ' =t/T・exp(−C1/T
+C2)+Vγ'0 ここで、 Vγ' :高温使用後のγ' 相の平均体積 Vγ'0 :新材のγ' 相の平均体積 t :実機の使用時間 T :推定運転温度 C1 、C2 :定数 を示す。
【0011】また、本発明の実施に際しては、所要のデ
ータベースと数値計算機能を備えたコンピュータを利用
したシステムにより実施することはきわめて有効なこと
である。
【0012】
【作用】本発明による推定方法によれば、実機として用
いられているγ' 相析出強化合金の表面組織をレプリカ
膜等に複写し、該膜上の情報を適宜の手段好ましくは電
子顕微鏡を介した画像処理システムに入力し処理するこ
とにより、γ' 相の平均体積変化量を算出するとともに
理論的に時間と温度の推定式を算出する。該推定式に実
機運転時間を入力することにより精度良く運転温度を推
定した後、実機負荷応力における残余寿命を自動的に算
出することが可能となる。
【0013】
【実施例】以下、本発明のγ' 相析出強化型合金の残余
寿命推定方法の一実施例を説明する。図1は、本発明に
よる残余寿命推定方法の実行プロセスを概念的に示した
ブロック図である。大別して、試料の採取プロセス、
γ' 相体積変化量計量化プロセス、運転温度推定プロセ
ス、新材の寿命算出プロセス、及び残余寿命算出プロセ
スとに分けることができる。まず、実機の組織をレプリ
カにより非破壊的に採取し、γ' 相体積変化量計量化プ
ロセスにおいて適宜の定量化システムを用いて自動的に
γ' 相の平均体積を算出する。次いで後記する運転温度
推定手法により実機運転温度を推定した後、予め求めた
新材の強度デ−タと温度及び時間のパラメ−タとの関係
から残余寿命を推定する。
【0014】以下、詳細に説明する。所定時間使用後の
実機から従来知られた手段により、組織表面のレプリカ
を作製する。図2は、γ' 相析出強化型合金の一つであ
る14Cr-9.5Co-4W-4Mo-3Al-5Ti-Ni基超合金の未使用材
(図2A)と長時間使用材(図2B)の金属組織をレプ
リカにより透過型電子顕微鏡で観察したものを示してい
る。このようなレプレカに基づきまず、γ' 相の平均体
積を算出する。図において1、2はγ'相、3はマトリ
クスを示しており、未使用材で見られる細かいγ'相2
は使用中消失してしまうため、大きい四角形状のγ' 相
1のみに着目して平均体積を算出するようにしても差し
支えない。平均体積Vγ'0(未使用材)、Vγ' (使用
材)は、例えば、2次元的に画像処理によって求めた等
価四角形の一辺を平均粒径と見なして単純に3乗して平
均体積と定義する。平均体積の定義はγ' 相の形状によ
り適宜定義を選択することができる。
【0015】次に、実機の運転温度を推定する。実機の
寿命はその使用温度に大きく左右されることは知られて
いるが、実機での運転温度を実際に測定することは事実
上不可能である。そのために、本発明では、部材の残余
寿命を推定するための過程の一つとして、実機の運転温
度を精度良く推定するシステムを導入する。すなわち、
実機では図3に示したように、温度変動があるため、図
中破線で示したような等価温度を定量化した組織から算
出する。ここで等価温度とは、組織と対応した温度とい
う意味をもつものであり、予め求めた対象合金の実験値
から以下の理論式に基づいた温度と時間の推定式により
算出する。
【0016】Vγ' −Vγ'0=kt ・・・(1) k=A(D/T) ・・・(2) D=Bexp(−Q/RT) ・・・(3) Vγ' :高温使用後のγ' 相の平均体積 Vγ'0:新材のγ' 相の平均体積 k :成長速度 t :時間 T :温度 D :拡散係数 R :気体定数 Q :活性化エネルギ A,B:定数 の3式に新材の実験デ−タを代入し、成長速度kを時間
と温度の関数として表して整理すると、(1) 式は、 Vγ' =t/ T・ exp(−C1/T+ C2)+Vγ'0・・・(4) と表わされる。ここでC1 及びC2 は材料固有の定数と
して算出される。
【0017】次に、式(4)に対して、上記のγ' 相体積
変化量計量化プロセスで求めた実機のγ' 相平均体積及
び実機の実測使用時間tを代入することにより、実機運
転温度Tを算出する。一例として、本実施例に用いた前
出のNi基超合金では定数C1、C2 はそれぞれC1=2.5
×104 、C2=35が好適であった。なお、この運転温度推
定システムは、デ−タベ−スと数値計算機能を備えたコ
ンピュタを用いたシステムとして構築することができ
る。
【0018】一方において、実機に用いるγ' 相析出強
化型合金についての、応力と、素材の時間と温度との関
係を評価パラメータとしてよく知られているパラメータ
の一つであるラルソン・ミラーのパラメータP(P=T
(logtr+A)x10-3)との関係を実験的に求め
る。なお、上記式において、Tは当該素材の運転温度で
あり、trは破断にいたるまでの時間(破断寿命)であ
り、また、Aは材料に固有の定数を示す。応力として
は、クリープ破断応力、熱応力等の強度データを用いう
るが、図4には、強度データの一例としてクリープ破断
強度を用い、該応力とラルソン・ミラーのパラメータP
との関係を実験的に求めたものを示している。応力を
σ、パラメ−タをPとすると、例えば該曲線は、P= A
σ3+Bσ2+Cσ+ Dと表現することができ、この実施例
において用いた上記の合金においては、パラメ−タPは P=-6.05×10-5σ3+6.30×10-3σ2-0.320×σ+31.2 が適していた。また、Pを表現する式において、定数A
は20が適してした。
【0019】実機での設計応力、この場合においては設
計破断強度に対応するパラメータPの値を求め、既に求
めた推定運転温度Tを代入することにより、実機応力に
対応した寿命(破断寿命tr)が算出され、実機運転時
間tとの差が残余寿命として求めることができる。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
例えば実機の組織をレプリカとして採取し、適宜の計算
システムを利用して演算を行うことにより、γ' 相析出
強化型合金の残余寿命を推定することが可能となる。従
って、高温下で長時間運転されかつその実際の運転温度
を経時的に測定することが困難な機器について、比較的
容易にその残余寿命を有効に推定することが可能とな
る。特にガスタ- ビンの高温化に伴い信頼性が要求され
るガスタ- ビン動翼、静翼に代表される高温部材の評価
に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による残余寿命推定方法を示すブロッ
ク図。
【図2】 22Cr-19Co-2W-3.7Al-1.9Ti-Ni基超合金の未
使用材と長時間使用材の金属組織を示す図。
【図3】 実機運転温度の模式図。
【図4】 クリ−プ破断強度とラルソン・ミラ−の関係
を示す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 玉置 英樹 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高温下で使用されたγ' 相析出強化型合
    金の応力に対する寿命の推定方法であって、当該使用さ
    れた合金のγ' 相の体積変化量を計測し、該計測値から
    推定運転温度を算出した後、当該合金の新材について実
    験的に算出した応力とラルソン・ミラーのパラメータP
    (P=T(logtr+A)x10-3)との関係式か
    ら、当該高温下で使用されたγ' 相析出強化型合金の応
    力に対する残余寿命を算出する推定方法。なお、上記式
    P=T(logtr+A)x10-3において、Tは推定
    運転温度、trは当該γ' 相析出強化型合金の破断寿
    命、Aは定数を示す。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の推定方法において、該使
    用された合金のγ' 相の体積変化量の計測は、組織を非
    破壊的に転写したレプリカ膜を電子顕微鏡を介した画像
    解析によってγ' 相の平均体積を定量的に算出すること
    により行うことを特徴とする、推定方法。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2記載の推定方法におい
    て、該推定運転温度の算出は、実機の使用時間tを次式
    (1)に算入することにより求めることを特徴とする、推
    定方法。 式(1) Vγ' =t/T・exp(−C1/T+C2)+Vγ'0 ここで、 Vγ' :高温使用後のγ' 相の平均体積 Vγ'0 :新材のγ' 相の平均体積 t :実機の使用時間 T :推定運転温度 C1 、C2 :定数 を示す。
  4. 【請求項4】 特許請求の範囲第1ないし3記載の推定
    方法において、応力としてクリープ破断強度を用いるこ
    とを特徴とする、推定方法。
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