JP5384540B2 - Thermal barrier coating inspection method - Google Patents
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Description
本発明は、ガスタービン部材等に好適な遮熱コーティングの検査方法に関する。 The present invention relates to a thermal barrier coating inspection method suitable for gas turbine members and the like.
近年、ガスタービンにおいては、高効率化を目指して燃焼ガス温度の高温化が進んでいる。現在、既に燃焼ガス温度は、タービン動翼、静翼等の耐熱合金部材の融点を超えており、各種の冷却技術に加えて、タービンの動翼及び静翼の表面への遮熱コーティング(Thermal Barrier Coating:TBC)の施工が普及してきている。 In recent years, in gas turbines, the combustion gas temperature has been increased to achieve higher efficiency. At present, the combustion gas temperature has already exceeded the melting point of heat-resistant alloy members such as turbine blades and stationary blades, and in addition to various cooling technologies, the thermal barrier coating (Thermal coating on the surfaces of turbine blades and stationary blades). The construction of Barrier Coating (TBC) has become widespread.
TBCは、遮熱のためのトップコートと、耐酸化性及び耐食性の確保のためのボンドコートとで構成されるものであって、燃焼ガスから耐熱合金基材への熱流束を減少させ、耐熱合金基材の表面温度を低減する効果が得られるものである。 The TBC is composed of a top coat for heat insulation and a bond coat for ensuring oxidation resistance and corrosion resistance, and reduces the heat flux from the combustion gas to the heat-resistant alloy substrate, The effect of reducing the surface temperature of the alloy substrate is obtained.
トップコートには、熱伝導率が低い酸化物であるイットリア部分安定化ジルコニア(Yttria Stabilized Zirconia:YSZ)が広く用いられている。YSZは、イットリアを添加することにより結晶構造を安定化したものである。また、ボンドコートには、MCrAlY合金(Mは、Ni、Co及びFeのうち1種類以上の金属元素を含む。)やNi−Al、Ni−Al−Pt等のアルミナイドが用いられている。ボンドコートの表面には、高温に暴露している際に熱成長酸化物(Thermal Grown Oxide:TGO)が形成してあり、酸化性ガス及び腐食性ガスを遮断することにより、耐酸化性及び耐食性を確保している。 For the top coat, yttria partially stabilized zirconia (YSZ), which is an oxide having low thermal conductivity, is widely used. YSZ has a crystal structure stabilized by adding yttria. For the bond coat, MCrAlY alloy (M includes one or more metal elements of Ni, Co and Fe) and aluminides such as Ni-Al and Ni-Al-Pt are used. Thermal bond oxide (TGO) is formed on the surface of the bond coat when exposed to high temperature, and it is resistant to oxidation and corrosion by blocking oxidizing gas and corrosive gas. Is secured.
最近のTBCの場合、約150℃の遮熱効果があると言われている。しかしながら、ガスタービンにおいては、定常的に高温に暴露されるほか、起動・停止の際、加熱・冷却に伴う熱応力の変化が大きく、トップコートが剥離し、脱落してしまう。トップコートが剥離・脱落すると、ボンドコートが直接高温の燃焼ガスに曝され、局所的に温度が上昇し、タービンの動翼、静翼等の耐熱合金部材の損傷を引き起こすことになる。したがって、遮熱コーティングの健全性を保ち、ガスタービンの信頼性向上を目指す上で、TBCの劣化、特にトップコートの剥離を予測する検査法が望まれている。 In the case of recent TBC, it is said that there is a heat shielding effect of about 150 ° C. However, in a gas turbine, in addition to being constantly exposed to high temperatures, the change in thermal stress accompanying heating / cooling is large when starting and stopping, and the top coat peels off and falls off. When the top coat peels off, the bond coat is directly exposed to the high-temperature combustion gas, and the temperature locally rises, causing damage to heat-resistant alloy members such as turbine blades and stationary blades. Therefore, in order to maintain the soundness of the thermal barrier coating and improve the reliability of the gas turbine, an inspection method for predicting the deterioration of TBC, particularly the topcoat peeling is desired.
このような課題を解決するために、トップコートに鋼球等を衝突させてできた損傷部分を加熱し、損傷部分の温度分布を赤外線映像装置により検出し、剥離長さ算出することにより劣化を判断するセラミックスコーティング材の劣化検査方法が開発されている(特許文献1)。また、TBC試験片に室温で機械的荷重負荷を繰り返し与え、ひずみ量と剥離量を計測し、剥離量に対するひずみ量及び繰り返し数の関数で示される剥離パラメータを設定し、剥離パラメータにより剥離量を評価するコーティング剥離評価方法が開発されている(特許文献2)。 In order to solve such a problem, the damaged part formed by colliding a steel ball or the like with the top coat is heated, the temperature distribution of the damaged part is detected by an infrared imaging device, and the peeling length is calculated to cause deterioration. A method for inspecting deterioration of a ceramic coating material to be judged has been developed (Patent Document 1). In addition, mechanical load load is repeatedly applied to the TBC test piece at room temperature, the amount of strain and the amount of peeling are measured, the peeling parameter is set as a function of the amount of strain and the number of repetitions for the amount of peeling, and the amount of peeling is determined by the peeling parameter. A coating peeling evaluation method to be evaluated has been developed (Patent Document 2).
また、特許文献3及び特許文献4には、TBCを備えた高温部品について劣化状況を推定して高温部品の寿命を管理する遮熱コーティングの寿命管理方法として、ボンドコート層中の界面酸化物形成金属の平均含有量に着目して、計測値の相関から遮熱コーティングの寿命を推測する技術が開示されている。
従来、産業用ガスタービン部材における遮熱コーティング(TBC)施工後の検査としては、生産性の点から、短時間で実施可能な方法が望まれ、TBCの表面の亀裂、剥離、変色等の外観検査が主であり、施工時に発生する外部の欠陥を見つけることはできても、TBCの内部の状態や、使用中におけるトップコート剥離等の劣化を予測することは困難であった。 Conventionally, as an inspection after thermal barrier coating (TBC) construction in industrial gas turbine members, a method that can be carried out in a short time is desired from the viewpoint of productivity, and appearance of cracks, peeling, discoloration, etc. on the surface of TBC is desired. Although inspection is the main and external defects that occur during construction can be found, it is difficult to predict the internal state of the TBC and deterioration such as peeling off of the top coat during use.
特許文献1又は2に記載の技術を用いれば、TBCの劣化を診断、予測するのに一定の効果はある。しかしながら、損傷後の劣化度合いを測定しているため、その試験に多大な時間と費用とを必要とし、種々のTBCを短時間に検査する事は困難であった。また、損傷を受けていない施工直後のTBCが使用中にどの程度の経年劣化を示すのか予測することが可能とはいえなかった。
If the technique described in
特許文献3又は4に記載の技術に関しては、実機で使用された高温部品の状態を計測するものであり、使用前に寿命を推測することは困難であった。また、特許文献3又は4に記載の技術においては、ボンドコート層中の界面酸化物形成金属の平均含有量、すなわち界面酸化物形成金属の「組成」を計測するものであり、界面酸化物形成金属の「組織」に着目したものではない。
Regarding the technique described in
本発明の目的は、TBCの性能を使用前の状態において簡便に、かつ、短時間で判定できる検査方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an inspection method that can easily and quickly determine the performance of TBC in a state before use.
本発明の遮熱コーティングの検査方法においては、ガスタービン用高温部材の基材の表面に施工したボンドコートと、このボンドコートの表面に施工したトップコートとで構成された遮熱コーティングの剥離寿命を推定する際、複数種類のボンドコートの結晶化面積割合とその剥離寿命との相関を求め、試験片の結晶化面積割合を計測し、この試験片の結晶化面積割合と前記相関とから剥離寿命を推定する。 In the thermal barrier coating inspection method of the present invention, the release life of the thermal barrier coating composed of a bond coat applied to the surface of the base material of the high-temperature member for gas turbine and a top coat applied to the surface of the bond coat When estimating the crystallization area ratio of a plurality of types of bond coats and their peeling life, the crystallization area ratio of the test piece is measured, and the crystallization area ratio of the test piece is peeled off from the correlation. Estimate life.
本発明によれば、短時間で、容易にTBCのトップコート剥離を予測し、TBCの耐久性及び施工の良否を判定することができる。 According to the present invention, it is possible to easily predict the topcoat peeling of the TBC in a short time and determine the durability of the TBC and the quality of construction.
また、本発明によれば、部品を組み立てる前又は出荷する前に、部品の出来不出来を判別することができる。 Further, according to the present invention, it is possible to determine whether or not a part is available before assembling or shipping the part.
本発明は、例えばガスタービン部材に好適な遮熱コーティングのボンドコートの検査法に関する。 The present invention relates to a method for inspecting a bond coat of a thermal barrier coating suitable for a gas turbine member, for example.
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、TBCのトップコート剥離と施工後のボンドコートの結晶組織との相関を用いることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the above problems can be solved by using the correlation between the topcoat peeling of the TBC and the crystal structure of the bond coat after the construction, and the present invention has been completed. I let you.
以下、本発明を実施するための形態(以下、適宜「本実施形態」という。)を詳細に説明するが、本実施形態は、以下の内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施することができる。 Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “this embodiment” as appropriate) will be described in detail. However, the present embodiment is not limited to the following contents and does not depart from the gist thereof. Any change can be made within the range.
以下、本発明の一実施形態に係る遮熱コーティングの検査方法について説明する。 Hereinafter, a thermal barrier coating inspection method according to an embodiment of the present invention will be described.
前記遮熱コーティングの検査方法は、ガスタービン用高温部材の基材の表面に施工したボンドコートと、このボンドコートの表面に施工したトップコートとで構成された遮熱コーティングの剥離寿命を推定する検査方法であって、複数種類のボンドコートの結晶化面積割合とその剥離寿命との相関を求める工程と、試験片の結晶化面積割合を計測する工程と、試験片の結晶化面積割合と上記の相関とから剥離寿命を推定する工程とを含む。 The thermal barrier coating inspection method estimates the peeling life of a thermal barrier coating composed of a bond coat applied to the surface of a base material of a gas turbine high temperature member and a top coat applied to the surface of the bond coat. It is an inspection method, a step of obtaining a correlation between a crystallization area ratio of a plurality of types of bond coats and a peeling life thereof, a step of measuring a crystallization area ratio of a test piece, a crystallization area ratio of a test piece, and the above And a step of estimating the peeling life from the correlation of
前記遮熱コーティングの検査方法は、結晶化面積割合を算出する際、結晶化面積の測定に用いる部位の断面を研磨する。 In the method for inspecting the thermal barrier coating, when calculating the crystallization area ratio, the cross section of the part used for measuring the crystallization area is polished.
前記遮熱コーティングの検査方法において、ボンドコートの結晶化面積は、電子後方散乱回折によって測定する。 In the thermal barrier coating inspection method, the crystallization area of the bond coat is measured by electron backscatter diffraction.
前記遮熱コーティングの検査方法は、図1に示すように、主に下記の手順を経て行われる。 The thermal barrier coating inspection method is performed mainly through the following procedure as shown in FIG.
(1)ガスタービン用高温部材の基材に種々のTBCを施工する(TBC施工工程)。 (1) Various TBCs are applied to the base material of the high-temperature member for gas turbine (TBC application process).
(2)種々のTBCの断面観察を行い、それぞれのボンドコートの結晶状態を測定する(結晶状態測定工程)。 (2) Cross-sectional observation of various TBCs is performed, and the crystal state of each bond coat is measured (crystal state measurement step).
(3)上記(2)に記載のボンドコートの結晶質部分の面積比(結晶化面積割合)を算出する(結晶化面積割合算出工程)。 (3) The area ratio (crystallization area ratio) of the crystalline part of the bond coat described in (2) above is calculated (crystallization area ratio calculation step).
(4)結晶化面積割合とトップコートが剥離に至るまでの加熱・冷却の回数(トップコートの剥離寿命に対応する値である。)との相関を求める(相関算出工程)。 (4) A correlation between the ratio of the crystallized area and the number of heating / cooling times until the top coat is peeled (a value corresponding to the peel life of the top coat) is obtained (correlation calculation step).
(5)上記(4)に記載の相関を用いて、実機に組み込む前の試験片のトップコートの剥離寿命を推定する(剥離寿命推定工程)。 (5) Using the correlation described in (4) above, the peel life of the top coat of the test piece before being incorporated into an actual machine is estimated (peel life estimation step).
(6)上記(5)に記載の試験片のTBCの耐久性及び施工の良否を判定する(判定工程)。 (6) The durability of the TBC of the test piece according to the above (5) and the quality of construction are determined (determination step).
上記の試験片は、ガスタービン用高温部材の一部(実機に組み込まない部分が望ましい。)を切り出して用いてもよいし、ガスタービン用高温部材の基材にTBCを施工する際、別途準備した試験片の基材に同時に施工してもよい。 The above test piece may be used by cutting out a part of the high-temperature member for gas turbine (preferably a portion not incorporated in the actual machine), or separately prepared when TBC is applied to the base material of the high-temperature member for gas turbine. It may be applied simultaneously to the base material of the test piece.
また、上記(4)に記載の相関を求めるために用いる種々のTBCは、実際のガスタービン用高温部材の基材に施工してもよいし、上記の試験片の基材に施工してもよい。 Moreover, various TBC used in order to obtain | require the correlation as described in said (4) may be applied to the base material of the actual high-temperature member for gas turbines, or it may be applied to the base material of said test piece. Good.
以下、それぞれの工程について説明する。 Hereinafter, each process will be described.
(TBC施工工程)
本実施形態においては、先ず、耐熱合金基材にボンドコート及びトップコートを順次積層して、評価対象とするTBCを施工した試験片を用意する。
(TBC construction process)
In the present embodiment, first, a test piece is prepared by sequentially laminating a bond coat and a top coat on a heat-resistant alloy base material and constructing a TBC to be evaluated.
ボンドコートとしては、例えば、優れた耐食性及び耐酸化性を発揮するMCrAlYが使用される。厚さは、特に限定されないが、通常、約100〜200μm程度であり、具体的な成膜方法としては、例えば減圧プラズマ溶射法(Low Pressure Plasma Spray:LPPS)、高速フレーム溶射法(High Velocity Oxy−fuel Frame−spraying:HVOF)等を用いることができる。 As the bond coat, for example, MCrAlY that exhibits excellent corrosion resistance and oxidation resistance is used. Although the thickness is not particularly limited, it is usually about 100 to 200 μm. Specific film forming methods include, for example, a low pressure plasma spray (LPPS), a high speed flame spray (High Velocity Oxy). -Fuel Frame-spraying (HVOF) etc. can be used.
トップコートには、熱伝導率が低い材料、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ:ZrO2−6〜8Y2O3)が使用され、通常、約300〜500μm程度である。トップコートの堆積には、例えば大気圧下での大気圧プラズマ溶射法(Air Plasma Spray:APS)が通例用いられる。 For the top coat, a material having low thermal conductivity, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ: ZrO 2 -6 to 8Y 2 O 3 ) is used, which is usually about 300 to 500 μm. For the deposition of the top coat, for example, an atmospheric plasma spray (APS) under atmospheric pressure is usually used.
このようにして、評価するTBC試験片を準備するが、本実施形態においては、TBCの断面観察による検査を行うため、試験片としては、ガスタービン部材に施工されている状態のものや、試験用に平板、円板状等の簡易な形状の基材に施工した種々の形状のものが使用可能である。 In this way, the TBC test piece to be evaluated is prepared. In this embodiment, since the inspection is performed by observing the cross section of the TBC, the test piece is in a state where it is applied to the gas turbine member or the test. For example, various shapes applied to a base material having a simple shape such as a flat plate or a disk shape can be used.
このように、試験片の形状、測定部位に左右されずに検査を行える点は、本実施形態の利点である。溶射による成膜においては、その性質上、平面部と曲面部とで膜質が異なる場合があるが、局所的な検査・評価を行い、施工条件の検討に活用することができ、信頼性の高いTBCの施工に寄与する。 Thus, the point which can test | inspect without being influenced by the shape of a test piece and a measurement site | part is an advantage of this embodiment. In film formation by thermal spraying, the film quality may be different between the flat surface and curved surface due to its properties, but it can be used for local inspection and evaluation and examination of construction conditions, and is highly reliable Contributes to TBC construction.
一方、特許文献1に示す鋼球等を衝突させる方法の場合、鋼球の衝突する角度により損傷の程度が変わり、試験片の形状が翼形状等の複雑な場合、精度良く劣化を推定することは困難である。また、特許文献2に記載されている機械的荷重を与える評価方法の場合、歪量を測定するため、試験片の形状が平板、円筒、丸棒状等の簡易な形状に限られる。
On the other hand, in the case of the method of colliding the steel balls shown in
(結晶状態測定工程)
TBC試験片を準備した後、断面観察を行い、ボンドコートの結晶状態を測定する。
(Crystal state measurement process)
After preparing the TBC test piece, cross-sectional observation is performed and the crystal state of the bond coat is measured.
断面の調整は、一般的な金属組織の観察方法と同様に、任意の評価部分を採取し、樹脂等へ埋め込み、観察する断面を研磨する。 For the adjustment of the cross section, as in a general method for observing a metal structure, an arbitrary evaluation portion is sampled, embedded in a resin, and the cross section to be observed is polished.
研磨後の断面について、その結晶状態を測定する。結晶状態は、例えば、電子後方散乱回折(Electron Back−Scattering Diffraction:EBSD)を用いて測定することができる。このEBSDは、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)の反射電子回折における菊池線のパターンを解析して任意の点における結晶方位を測定する方法である。EBSDを用いることにより、合金の組織(結晶状態の分布)を観察することができる。 The crystal state of the cross section after polishing is measured. The crystal state can be measured using, for example, electron back-scattering diffraction (EBSD). This EBSD is a method of measuring a crystal orientation at an arbitrary point by analyzing a pattern of Kikuchi lines in reflection electron diffraction of a scanning electron microscope (SEM). By using EBSD, the structure of the alloy (crystal state distribution) can be observed.
最近は、全自動解析システムが開発され、数μm間隔で多数(数万点〜数十万点)の結晶方位を測定し、観察面の結晶方位の情報を画像情報として容易に得ることができるようになっている。 Recently, a fully automatic analysis system has been developed, and a large number (tens of thousands to hundreds of thousands) of crystal orientations can be measured at intervals of several μm, and information on the crystal orientation of the observation plane can be easily obtained as image information. It is like that.
以上のように、本実施形態においては、試験片の準備から結晶状態の測定までに要する時間が、特許文献1及び2に記載されている試験を実施する評価法に比較して短いことが特徴である。
As described above, in the present embodiment, the time required from the preparation of the test piece to the measurement of the crystal state is shorter than the evaluation method for performing the test described in
(結晶化面積割合算出工程)
上記の結晶化状態測定工程において得られた画像情報を用いて、ボンドコートにおける結晶質部分の面積割合(結晶化面積割合)を計測する。
(Crystallized area ratio calculation process)
Using the image information obtained in the crystallization state measurement step, the area ratio (crystallization area ratio) of the crystalline portion in the bond coat is measured.
EBSD測定においては、結晶粒界など結晶格子が歪んでいる部分や非晶質部分では、結晶方位の測定が困難であり、測定精度が低下する。通常は、測定精度に関する指標として信頼性指数(Confidence Index:CI値)を用い、CI値が一定値以上の部分を結晶質と判定する。画像表示においては、任意にCI値の閾値の設定が可能であり、CI値の高低により結晶質部分と非晶質または高歪部分とを区別することが可能である。 In the EBSD measurement, it is difficult to measure the crystal orientation at a portion where the crystal lattice is distorted such as a crystal grain boundary or an amorphous portion, and the measurement accuracy is lowered. In general, a reliability index (CI value) is used as an index relating to measurement accuracy, and a portion where the CI value is a certain value or more is determined as crystalline. In image display, it is possible to arbitrarily set a CI value threshold, and it is possible to distinguish between a crystalline portion and an amorphous or highly strained portion according to the level of the CI value.
本工程においては、結晶状態を測定し得られた画像情報から、ボンドコートの単位面積に占めるCI値が一定値以上の結晶質部分の面積を計測する。 In this step, from the image information obtained by measuring the crystal state, the area of the crystalline portion where the CI value occupying the unit area of the bond coat is a certain value or more is measured.
(相関算出工程)
上記の工程で得られた結晶質面積割合とトップコート剥離寿命との相関を求める。
(Correlation calculation process)
The correlation between the crystalline area ratio obtained in the above process and the topcoat peeling lifetime is determined.
トップコート剥離寿命は、トップコートが剥離に至るまでの加熱・冷却の回数(サイクル数)で定義する。このサイクル数は、熱サイクル試験を行うことによって求める。熱サイクル試験の温度、保持時間等の条件は、任意に設定が可能であるが、ガスタービン用高温部材の場合は900〜1200℃の高温で一定時間保持した後、室温に冷却し保持する工程を1サイクルとして実施するのが通例である。保持時間は、実機の運転条件により任意に設定される。 The top coat peeling life is defined by the number of heating and cooling times (number of cycles) until the top coat is peeled. The number of cycles is determined by conducting a thermal cycle test. Conditions such as the temperature and holding time of the heat cycle test can be arbitrarily set. In the case of a high-temperature member for gas turbine, the step of holding at a high temperature of 900 to 1200 ° C. for a certain period of time and then cooling and holding to room temperature It is usual to carry out as one cycle. The holding time is arbitrarily set according to the operating conditions of the actual machine.
予め結晶化面積を変化させたTBCをいくつか用意し、結晶化面積の計測を行うとともに、数回の熱サイクル試験を実施し、それぞれのトップコート剥離寿命を測定し、結晶化面積及びトップコート剥離寿命をパラメータとしてマスターカーブ(相関グラフ)を作成する。 Prepare several TBCs with different crystallized areas in advance, measure the crystallized area, conduct several thermal cycle tests, measure the topcoat peel life of each, determine the crystallized area and topcoat A master curve (correlation graph) is created using the peel life as a parameter.
(剥離寿命推定工程)
上記の相関算出工程において算出した相関と、試験片から求められた結晶化面積割合とを対照させることにより、試験片のトップコート寿命を推定する。 すなわち、上記の相関算出工程において得られたマスターカーブに対して、試験片より得られた結晶化面積割合を対応させる。
(Peeling life estimation process)
The topcoat life of the test piece is estimated by comparing the correlation calculated in the correlation calculation step with the crystallization area ratio obtained from the test piece. That is, the crystallization area ratio obtained from the test piece is made to correspond to the master curve obtained in the correlation calculation step.
(判定工程)
結晶化状態によるトップコート剥離寿命の推定の結果に基づき、TBC健全(TBC良好)又はTBC不健全(TBC不良)の判定を行う。TBCが健全(良好)であれば出荷し、TBCが不良であれば出荷せずに再コーティング、施工条件の再検討等の決定を行い、品質を管理する。
(Judgment process)
Based on the result of the estimation of the topcoat peeling life depending on the crystallization state, TBC sound (TBC good) or TBC unhealthy (TBC bad) is determined. If the TBC is healthy (good), the product is shipped, and if the TBC is defective, the product is not shipped, and re-coating, review of construction conditions, etc. are made, and the quality is controlled.
以下、実施例を用いて説明する。 Hereinafter, description will be made using examples.
ガスタービン部材に好適なNi基合金IN738を棒状に鋳造し、直径1インチ、厚さ3ミリに機械加工し、基材とした。 A Ni-based alloy IN738 suitable for a gas turbine member was cast into a rod shape and machined to a diameter of 1 inch and a thickness of 3 mm to obtain a base material.
基材の表面に対する溶射の前処理として、粒度24のアルミナ粒子を用い、圧力5kgf/cm2の条件でブラスト処理を行った。 As a pretreatment for thermal spraying on the surface of the substrate, alumina particles having a particle size of 24 were used, and blasting was performed under a pressure of 5 kgf / cm 2 .
ボンドコートの成膜方法は、様々な方法が利用可能で有ることは自明であるが、本実施例においては、高速フレーム溶射(HVOF)又は減圧プラズマ溶射(LPPS)を用いて基材の上に約150μmの厚さで成膜した。 Although it is obvious that various methods can be used as the method for forming the bond coat, in this embodiment, high-speed flame spraying (HVOF) or low-pressure plasma spraying (LPPS) is used to form the bond coat on the substrate. The film was formed with a thickness of about 150 μm.
後述するボンドコートA及びDは、Niリッチの合金であり、ボンドコートB及びCは、Coリッチの合金である。また、ボンドコートA及びBは、高速フレーム溶射(HVOF)を用いたものであり、ボンドコートC及びDは、減圧プラズマ溶射(LPPS)を用いたものである。ここで、Niリッチの合金の粉末は、NiCoCrAlY(組成式:Ni−23Co−17Cr−12.5Al−0.5Y(mass%))であり、Coリッチの合金の粉末は、CoNiCrAlY(組成式:Co−32Ni−21Cr−8Al−0.5Y(mass%))である。 Bond coats A and D described later are Ni-rich alloys, and bond coats B and C are Co-rich alloys. Bond coats A and B use high-speed flame spraying (HVOF), and bond coats C and D use low-pressure plasma spraying (LPPS). Here, the Ni-rich alloy powder is NiCoCrAlY (composition formula: Ni-23Co-17Cr-12.5Al-0.5Y (mass%)), and the Co-rich alloy powder is CoNiCrAlY (composition formula: Co-32Ni-21Cr-8Al-0.5Y (mass%)).
トップコートについては、市販のイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を、大気圧プラズマ溶射(APS)を用いて約300μmの厚さで施工した。 For the topcoat, commercially available yttria stabilized zirconia (YSZ) was applied at a thickness of about 300 μm using atmospheric pressure plasma spraying (APS).
本実施形態の検査法の有効性を確認するため、上述の方法にて作製したTBCについて熱サイクル試験を1093℃で10h保持後、室温に冷却し、15分保持を1サイクルとする条件で実施した。 In order to confirm the effectiveness of the inspection method of the present embodiment, a thermal cycle test is performed on the TBC produced by the above method at 1093 ° C. for 10 hours, cooled to room temperature, and held for 15 minutes for one cycle. did.
図2は、熱サイクル試験における剥離サイクル数を示すグラフである。 FIG. 2 is a graph showing the number of peeling cycles in the thermal cycle test.
横軸にボンドコートの種類をとり、縦軸にトップコート剥離に至るまでの加熱・冷却の回数(Number of Cycles:サイクル数(剥離サイクル数とも呼ぶ。))をとって示している。 The horizontal axis indicates the type of bond coat, and the vertical axis indicates the number of heating / cooling cycles (number of cycles: number of cycles (also referred to as the number of peeling cycles)) until the top coat is peeled off.
本図から、ボンドコートAは、サイクル数が30以下と小さく、ボンドコートB及びCは、サイクル数が60以上と大きいことがわかる。 From this figure, it can be seen that the bond coat A has a small cycle number of 30 or less, and the bond coats B and C have a large cycle number of 60 or more.
図3、図4及び図5は、図2に示す熱サイクル試験を実施したTBCを施工した試験片の断面の結晶状態を示すEBSD像である。 3, FIG. 4 and FIG. 5 are EBSD images showing the crystal state of the cross section of the test piece on which the TBC subjected to the thermal cycle test shown in FIG. 2 was applied.
これらの図に示す試験片は、基材1の上にボンドコート2及びトップコート3を順次施工したものである。
The test pieces shown in these drawings are obtained by sequentially applying a
また、これらの図においては、前述のCI値が0.1以下の部分を非晶質または高歪部分として判定した。図中においては、最も灰色を濃くした部分すなわち黒色で示す部分が非晶質または高歪部分である。 In these figures, the above-mentioned portion having a CI value of 0.1 or less was determined as an amorphous or high strain portion. In the figure, the darkest gray portion, that is, the black portion is an amorphous or highly strained portion.
図3に示すボンドコートAにおいては、ボンドコートの大部分が非晶質または高歪部分であり、図5に示すボンドコートCにおいては、ほぼ全体が結晶質であることがわかる。 In the bond coat A shown in FIG. 3, most of the bond coat is amorphous or highly strained, and in the bond coat C shown in FIG. 5, almost the whole is crystalline.
ボンドコートの単位面積に占める結晶化部分の面積(結晶化面積割合)を画像解析により測定した結果は、ボンドコートAが5%であり、ボンドコートBが22%であり、ボンドコートCが100%である。すなわち、ボンドコートA、ボンドコートB、ボンドコートCの順で結晶質が多くなっていることがわかる。 As a result of measuring the area (crystallized area ratio) of the crystallized portion in the unit area of the bond coat by image analysis, the bond coat A is 5%, the bond coat B is 22%, and the bond coat C is 100. %. That is, it can be seen that the crystallinity increases in the order of bond coat A, bond coat B, and bond coat C.
また、EBSD像を示していないが、ボンドコートDの場合、結晶化面積割合は100%であった。 Moreover, although the EBSD image is not shown, in the case of the bond coat D, the crystallization area ratio was 100%.
結晶化面積割合の大小関係と図2に示す熱サイクル試験における剥離サイクル数とから、結晶化部分に比例して剥離寿命が長くなっている傾向がわかった。そこで、結晶化部分の面積及び剥離サイクル数をパラメータとして関係を整理した。 From the magnitude relationship of the crystallization area ratio and the number of peel cycles in the thermal cycle test shown in FIG. 2, it was found that the peel life tends to increase in proportion to the crystallized portion. Therefore, the relationship was organized using the area of the crystallized portion and the number of peeling cycles as parameters.
図6は、結晶化面積割合(Fraction of Crystallized Area)とトップコート剥離に至るまでの加熱・冷却の回数(Number of Cycles)との相関を示す概念的なグラフである。 FIG. 6 is a conceptual graph showing the correlation between the crystallization area ratio (Fraction of Crystallized Area) and the number of times of heating and cooling (Number of Cycles) until the top coat is peeled off.
本図より、結晶化割合から剥離寿命を推定することが可能である。本実施例においては、結晶化面積割合が10%程度の場合、約30サイクルと早期のトップコート剥離を示すが、結晶化面積割合が20%程度以上の場合、70サイクル程度と良好な剥離寿命(剥離寿命が長いこと)を示している。そこで、良好な剥離寿命を示した結晶化面積割合の閾値を20%以上と規定することにより、TBCの健全性を判断することができる。 From this figure, it is possible to estimate the peeling life from the crystallization ratio. In this example, when the crystallization area ratio is about 10%, the top coat peeling is shown as early as about 30 cycles. However, when the crystallization area ratio is about 20% or more, about 70 cycles and a good peeling life are obtained. (Long peeling life). Therefore, the soundness of the TBC can be determined by defining the threshold value of the crystallization area ratio showing a good peeling life as 20% or more.
表1は、ボンドコートA〜Dの評価結果をまとめたものである。 Table 1 summarizes the evaluation results of bond coats A to D.
表中、カッコ内の数値は、結晶化面積割合(%)を示したものであり、○及び×はそれぞれ、剥離寿命の良否(剥離寿命が十分長いこと及び剥離寿命が短いこと)を表している。 In the table, the numerical value in parentheses indicates the crystallization area ratio (%), and ◯ and x indicate the quality of the peeling life (the peeling life is sufficiently long and the peeling life is short), respectively. Yes.
以上の説明の通り、本発明のボンドコート遮熱コーティングの検査方法によれば、TBCのボンドコートの結晶化割合からトップコート剥離寿命を推定することができ、TBCの健全性を評価し、品質管理を効率的に行うことが可能となる。 As described above, according to the inspection method of the bond coat thermal barrier coating of the present invention, the top coat peeling life can be estimated from the crystallization ratio of the bond coat of TBC, the soundness of TBC is evaluated, the quality Management can be performed efficiently.
1:基材、2:ボンドコート、3:トップコート。 1: base material, 2: bond coat, 3: top coat.
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