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JP4986730B2 - Judgment method for coating deterioration of high temperature metal products - Google Patents

Judgment method for coating deterioration of high temperature metal products Download PDF

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JP4986730B2
JP4986730B2 JP2007160645A JP2007160645A JP4986730B2 JP 4986730 B2 JP4986730 B2 JP 4986730B2 JP 2007160645 A JP2007160645 A JP 2007160645A JP 2007160645 A JP2007160645 A JP 2007160645A JP 4986730 B2 JP4986730 B2 JP 4986730B2
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Description

耐熱性合金基材の上に金属系コーティングを備えた高温用金属製品(以下「実機」ということもある。)の金属系コーティング(以下、単に「コーティング」という。)の劣化度を非破壊検査の結果を利用して判定する方法に関する。   Non-destructive inspection of the degree of deterioration of metal coatings (hereinafter simply referred to as “coating”) of high-temperature metal products (hereinafter also referred to as “real machines”) having a metal coating on a heat-resistant alloy substrate The present invention relates to a determination method using the result of

ここで、高温用金属製品(高温部品)としては、発電所や航空機で使用されているガスタービン、ジェットエンジにおけるタービン動翼が代表的である。高温下(通常600℃乃至900℃以上)における耐熱強度とともに耐熱酸化防止性が要求される。   Here, typical high-temperature metal products (high-temperature parts) are gas turbines used in power plants and aircraft, and turbine blades in jet engines. Heat resistance and antioxidant properties are required as well as heat resistance at high temperatures (usually 600 ° C to 900 ° C or higher).

本発明を適用する高温用金属製品は、上記タービン動翼に限られることない。すなわち、耐熱性合金基材の上にメタルコーティングを備えた高温用金属製品であれば特に限定されず、タービン静翼、燃焼器、その他の高温用金属製品にも適用できる。   The metal product for high temperature to which the present invention is applied is not limited to the turbine rotor blade. That is, it is not particularly limited as long as it is a high-temperature metal product provided with a metal coating on a heat-resistant alloy substrate, and can also be applied to turbine stationary blades, combustors, and other high-temperature metal products.

以下の説明で、配合単位を示す「部」及び「%」は、特に断らない限り、質量単位を意味する。また、本明細書及び特許請求の範囲では、「エックス線」は「X線」と表記する。   In the following description, “part” and “%” indicating a blending unit mean a mass unit unless otherwise specified. In the present specification and claims, “X-ray” is expressed as “X-ray”.

以下、ガスタービンにおけるタービン動翼・静翼を、主として例に採り説明する。   Hereinafter, turbine blades and stationary blades in a gas turbine will be mainly described as an example.

図1(A)・(B)は、それぞれ、第一段動翼及び第一段静翼における、冷却方式を付記した断面図である。   1 (A) and 1 (B) are cross-sectional views with a cooling method added to the first stage moving blade and the first stage stationary blade, respectively.

タービン動翼・静翼は、耐熱強度確保のためにNi基又はCo基の超耐熱合金を本体基材とし、さらに、耐熱酸化防止の見地から該本体基材の上にコーティングを備えている。   Turbine rotor blades and stationary blades have a Ni-base or Co-base super-heat-resistant alloy as a main body base material to ensure heat-resistant strength, and further have a coating on the main body base material from the viewpoint of heat-resistant oxidation prevention.

上記コーティングの材料としては、エムクラリー(MCrAlY)と称されるもの及びそれらにAl等を拡散浸漬処理(パック)した酸化・耐高温腐食用コーティング材料が多用されている。ここで、MはNi、Co、Feの金族元素(単独又は併用)を意味する。Cr、Al、Yは元素記号で、それぞれで示される元素を意味する。   As the coating material, what is called Mclary (MCrAlY) and a coating material for oxidation / high temperature corrosion resistance obtained by diffusing and dipping (packing) Al or the like in them are frequently used. Here, M means a metal element (single or combined) of Ni, Co, and Fe. Cr, Al, and Y are element symbols, meaning the elements indicated by each.

しかし、当該コーティングは、過酷な高温雰囲気で長時間使用されることにより、酸化性高温燃焼ガスによるエロージョンにより劣化乃至減肉して、耐熱酸化防止機能を奏し難くなる。このため、定期的な再コーティングが必要とされる。   However, when the coating is used in a harsh high temperature atmosphere for a long time, the coating is deteriorated or thinned by erosion caused by the oxidizing high-temperature combustion gas, so that the heat-resistant oxidation prevention function is hardly achieved. For this reason, periodic recoating is required.

この再コーティング時期を適正に判断することは、保守管理の見地から重大(critical)である。すなわち、再コーティング時期(修理時期)が早すぎると保守効率の低下を招き、逆に遅すぎて時期を失すると本体基材の損傷につながる。   Proper determination of this re-coating time is critical from a maintenance management standpoint. That is, if the re-coating time (repair time) is too early, the maintenance efficiency is lowered. Conversely, if the time is too late and the time is lost, the main body substrate is damaged.

従来は、一部の部品をサンプリング(標本抽出)して、当該標本を破壊して断面観察を行う破壊検査を行っている。   Conventionally, a destructive inspection is performed in which a part of a part is sampled (sample extraction), the sample is destroyed, and a cross section is observed.

しかし、部品破壊検査は、工数が嵩む上、標本抽出であるため、標本が少ない場合、バラツキを配慮して、修理時期の設定を早めにすることが多く、やはり、保守効率の低下につながった。   However, parts destructive inspection is labor intensive and sample extraction, so when there are few samples, the repair time is often set early in consideration of variations, which also led to a decrease in maintenance efficiency. .

本発明の特許性に影響を与えるものではないが、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献1・2等を挙げることができる。   Although it does not affect the patentability of the present invention, Patent Documents 1 and 2 can be cited as prior art documents related to the present invention.

特許文献1には、「表面にAl及びSi含有の耐酸化・耐摩耗性のコーティングを持つNi基又はCo基合金製品に対し蛍光X線分析法でNi及びCoの少なくとも一方の含有量を測定し、予め実験で求めた上記厚さと上記測定の含有量との関係曲線からメタルコーティング厚さと、蛍光X線分析計、同測定の含有量に対応する同コーティング厚さを読み取ることを特徴とするNi基又はCo基合金上のコーティング厚さの測定方法。」(請求項1)が記載されている。すなわち、コーティングを介してコーティング直下のNi及び/又はCoを蛍光X線分析計で分析した場合、検出強度がコーティングの厚さに比例することに着目した発明である(段落0021参照)。   Patent Document 1 states that “the content of at least one of Ni and Co is measured by fluorescent X-ray analysis for a Ni-based or Co-based alloy product having an oxidation- and wear-resistant coating containing Al and Si on the surface. The metal coating thickness, the fluorescent X-ray analyzer, and the coating thickness corresponding to the measurement content are read from the relationship curve between the thickness and the measurement content obtained in advance in an experiment. "Measurement method of coating thickness on Ni-base or Co-base alloy" (Claim 1). That is, the present invention focuses on the fact that the detected intensity is proportional to the thickness of the coating when Ni and / or Co immediately below the coating is analyzed with a fluorescent X-ray analyzer via the coating (see paragraph 0021).

特許文献2には、ガスタービン動翼の推定寿命において、コーティング層直下の拡散層と基材との間で運転時間に応じて形成される金属間化合物の厚さを超音波等の厚さ測定手段により測定し、当該厚さ等を所定の式に代入することにより寿命を推定する技術が記載されている。
特開平10−246619号公報 特開2005−344607号公報
In Patent Document 2, in the estimated life of a gas turbine blade, the thickness of an intermetallic compound formed according to the operation time between the diffusion layer immediately below the coating layer and the base material is measured by ultrasonic thickness or the like. A technique is described in which the lifetime is estimated by measuring by means and substituting the thickness or the like into a predetermined formula.
JP-A-10-246619 JP 2005-344607

本発明は、上記先行技術文献等に開示若しくは示唆されていない、非破壊検査による高温用金属製品のコーティング劣化度判定方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a method for determining the degree of coating deterioration of a high-temperature metal product by non-destructive inspection, which is not disclosed or suggested in the above prior art documents.

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意、開発に努力をする過程で、試験片について、熱時効試験を行い、複数の熱時効時間において、コーティング中の各元素含有率を測定したところ、特定元素の含有率(c)と熱時効時間(t)との関係において、安定したc2=at(a:比例定数)の関数で表されることを知見した。 In order to solve the above-mentioned problems, the inventors conducted a thermal aging test on the test piece in the process of diligently developing and measuring each element content in the coating at a plurality of thermal aging times. As a result, it has been found that the relationship between the content (c) of the specific element (c) and the thermal aging time (t) is expressed by a stable function of c 2 = at (a: proportional constant).

当該、知見に基づき、下記構成の高温用金属製品のコーティング劣化度判定方法に想到した。   Based on this knowledge, the inventors have come up with a method for determining the degree of coating deterioration of high-temperature metal products having the following structure.

耐熱性合金基材の上にコーティングを備えた高温用金属製品のメタルコーティングの劣化度を非破壊検査の結果を利用して判定する方法であって、
耐熱性合金基材からメタルコーティングへ拡散した特定元素の含有率を、蛍光X線分析計により測定し、当該結果を利用して、実機のコーティング劣化度を判定することを特徴とする。
A method for determining the degree of deterioration of a metal coating of a high-temperature metal product provided with a coating on a heat-resistant alloy substrate, using a result of nondestructive inspection,
The content rate of the specific element diffused from the heat-resistant alloy base material to the metal coating is measured by a fluorescent X-ray analyzer, and the coating deterioration degree of the actual machine is determined using the result.

本発明では携帯型の蛍光X線分析計および劣化に伴う特定元素(Mo等)の検出量マスターカーブを用い、Ni基等の耐熱性合金基材(部品)上に施工されたコーティング(通常、代表成分:Co、Ni、Cr、Al、Y等)の劣化状況を非破壊評価(検査)ができる。すなわち、個々の部品をすべて、破壊することなく、コーティングの劣化状況を精度良く評価することが可能となり、可及的に至適な実機のコーティング修理時期を設定可能となる。   In the present invention, using a portable fluorescent X-ray analyzer and a detection amount master curve of a specific element (such as Mo) accompanying deterioration, a coating (usually, a Ni-based heat-resistant alloy substrate (component)) Nondestructive evaluation (inspection) can be performed on the deterioration state of representative components (Co, Ni, Cr, Al, Y, etc.). That is, it becomes possible to accurately evaluate the deterioration state of the coating without destroying all the individual parts, and it is possible to set the coating repair timing of the actual machine as optimal as possible.

以下、本発明の望ましい形態について説明する。   Hereinafter, desirable modes of the present invention will be described.

本発明は、耐熱性合金基材の上にコーティングを備えた高温用金属製品(実機)のコーティングの劣化度を非破壊検査の結果を利用して判定する方法に係る。ここで、実機として、図1に示すような発電用ガスタービンの第一段動翼・静翼を、主として例に採り説明する。   The present invention relates to a method of determining the degree of deterioration of a coating of a high-temperature metal product (actual machine) provided with a coating on a heat-resistant alloy substrate, using the result of nondestructive inspection. Here, as an actual machine, the first stage moving blades and stationary blades of the power generation gas turbine as shown in FIG. 1 will be mainly described as an example.

ここで、耐熱性合金基材としては、各種のNi基合金、Co基合金を挙げることができる。例えば、発電用ガスタービン用としては、下記のような材料名のものを使用可能である。   Here, examples of the heat resistant alloy base material include various Ni-based alloys and Co-based alloys. For example, the following material names can be used for power generation gas turbines.

タービン動翼用・・・Inconel(インコネル)、IN-700・713C・738LC・792・939、Rene80、U-500・520、MAR-M247(CC/DS)、CM-247LC(DS)、GTD111(CC/DS)、MGA1400、CMSX-4(SC)、ReneN5(SC)、PWA1483(SC);以上Ni基合金
タービン静翼用・・・X-40・45、FSX-414、MAR-M509、ECY-768、(CC/DS);以上Co基合金、CM-247LC(DS)、GTD111(CC/DS)、MGA2400、MAR-M247、Rene108、CMSX-4(SC)、ReneN5(SC);以上Ni基合金、N-155、SCH-20;以上鉄基合金
コーティング形成用の金属材料としては、前述のMCrAlY系と称される耐酸化・耐高温腐食用コーティング材料を使用できる。
For turbine blades: Inconel, IN-700 / 713C / 738LC / 792/939, Rene80, U-500 / 520, MAR-M247 (CC / DS), CM-247LC (DS), GTD111 ( CC / DS), MGA1400, CMSX-4 (SC), ReneN5 (SC), PWA1483 (SC); Ni-based alloys for turbine stationary blades ... X-40 / 45, FSX-414, MAR-M509, ECY -768, (CC / DS); Co-based alloy, CM-247LC (DS), GTD111 (CC / DS), MGA2400, MAR-M247, Rene108, CMSX-4 (SC), ReneN5 (SC); Base alloy, N-155, SCH-20; As described above, as the metal material for forming the iron-base alloy coating, the above-mentioned MCrAlY-based anti-oxidation / high-temperature corrosion-resistant coating material can be used.

より具体的には、下記のような材料名(又は組成を有する)ものを例示できる。   More specifically, the following material names (or compositions) can be exemplified.

CoCrAlY、CoNiCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlY、及びそれらにAl拡散浸透処理したもの。   CoCrAlY, CoNiCrAlY, NiCrAlY, NiCoCrAlY, and those subjected to Al diffusion penetration treatment.

そして、コーティングは、通常、溶射(通常、プラズマ溶射)で形成され、その膜厚は、部品の種類又は耐熱性合金基材、溶射材料の種類により異なる。   The coating is usually formed by thermal spraying (usually plasma spraying), and the film thickness varies depending on the type of component, the heat-resistant alloy base material, and the type of thermal spray material.

例えば、部品が上記第一段動翼の場合、コーティング材がCoCrAlY又はCoNiCrAlYの場合、200〜300μmとする。   For example, when the component is the first stage blade, when the coating material is CoCrAlY or CoNiCrAlY, the thickness is set to 200 to 300 μm.

そして本発明の特徴は、コーティングの劣化度を非破壊検査の結果を利用する判定を、耐熱性合金基材から前記メタルコーティングへ拡散した特定元素の含有率を、蛍光X線分析により測定した結果を利用して行うことにある。   And the feature of the present invention is the result of measuring the content of the specific element diffused from the heat-resistant alloy base material to the metal coating by the determination using the result of the non-destructive inspection of the deterioration degree of the coating by the fluorescent X-ray analysis. There is to do using.

ここで、蛍光X線分析とは、下記の原理により、物質にX線を照射したとき出る蛍光X線を利用して行う元素分析をいう。   Here, fluorescent X-ray analysis refers to elemental analysis performed using fluorescent X-rays emitted when a substance is irradiated with X-rays according to the following principle.

「蛍光X線分析では、物質の化学的な組み合わせに関係なく全ての元素に対して濃度分析や含有量を知ることができます。 試料にX線を照射すると、試料中の元素が励起され電子を弾き出します。   “With fluorescent X-ray analysis, it is possible to know the concentration analysis and content of all elements regardless of the chemical combination of substances. When a sample is irradiated with X-rays, the elements in the sample are excited and electrons are emitted. Play out.

電子が弾き出されて安定を失った元素はもとの安定な状態へ戻るために外殻から電子を補給しますが、この時に元素に固有の蛍光X線(特性エックス線)が発生します。 この固有エネルギーのX線によって元素が識別でき、さらに強度が元素濃度に比例します。 この励起により発生した蛍光X線は、高分解能比例計数管に入射しプリアンプ等の増幅回路により増幅されマルチチャンネルアナライザーによってエネルギー毎に分解され計数されます。測定する元素を指定すれば、その元素固有のエネルギー窓が設定され計数されたX線から濃度を計算します。」(「ユアサイオニクス、蛍光X線分析」[平成19年5月9日検索]インターネット<URL:http://www.yuasa-ionics.co.jp/laser/index.html>から引用)。   An element that has lost its stability due to electrons being ejected replenishes electrons from its outer shell to return to its original stable state. At this time, fluorescent X-rays (characteristic X-rays) specific to the element are generated. Elements can be identified by this intrinsic energy X-ray, and the intensity is proportional to the element concentration. X-ray fluorescence generated by this excitation enters a high-resolution proportional counter, is amplified by an amplifier circuit such as a preamplifier, and is decomposed and counted for each energy by a multichannel analyzer. If you specify the element to be measured, the energy window specific to that element is set and the concentration is calculated from the counted X-rays. ("Your Cyonics, X-ray fluorescence analysis" [May 9, 2007 search] Internet <URL: http://www.yuasa-ionics.co.jp/laser/index.html>).

ここで、特定元素とは、熱時効時間と特定元素含有率(c)の二乗値の関係がc2=at(aは比例定数)で示される良好な相関関係を示すものをいう。そして、本発明者らは、当該相関関係が実機における実運転時間とも合致することを前記の如く知見した(表1,2及び図5〜7参照)。なお、特定元素は、耐熱性合金基材とコーティングの組合わせにより異なる。
例えば、耐熱性合金基材がNi基又はCo基合金で、コーティングが下記の場合、特定元素は下記のものとすることが望ましい。
CoCrAlY(Al拡散浸透処理):Mo又はNi
CoNiCrAlY:Mo又はTi
Here, the specific element refers to an element showing a good correlation in which the relationship between the thermal aging time and the square value of the specific element content (c) is represented by c 2 = at (a is a proportional constant). The inventors have found that the correlation also matches the actual operation time in the actual machine as described above (see Tables 1 and 2 and FIGS. 5 to 7). In addition, a specific element changes with combinations of a heat resistant alloy base material and coating.
For example, when the heat-resistant alloy substrate is a Ni-based or Co-based alloy and the coating is as follows, it is desirable that the specific element is as follows.
CoCrAlY (Al diffusion permeation treatment): Mo or Ni
CoNiCrAlY: Mo or Ti

なお、特定元素としては、上記以外の元素も、上記関係式を満たす限り採用できる。通常、初期含有率が痕跡量(0.01%以下)であるものを選択する。初期(使用前)のコーティング内に含まれる元素の影響を受けず、安定した拡散現象が期待できるためである。なお、コーティングの主要元素でなくて初期含有率が微量(通常、8%以下)である元素も、経時的に耐熱性合金基材からの拡散量が増大していくなら特定元素として選択可能である。   In addition, as a specific element, elements other than the above can be adopted as long as the above relational expression is satisfied. Usually, the initial content is a trace amount (0.01% or less). This is because a stable diffusion phenomenon can be expected without being affected by the elements contained in the initial coating (before use). In addition, elements that are not the main elements of the coating but have a small initial content (usually 8% or less) can be selected as specific elements if the amount of diffusion from the heat-resistant alloy substrate increases over time. is there.

特に、これらの特定元素のうち、CoCrAlY(Al拡散浸透処理)及び、NiCrAlYのいずれの場合も、蛍光X線分析において、Moが安定した検出強度を得易くて望ましい。   In particular, among these specific elements, CoCrAlY (Al diffusion permeation treatment) and NiCrAlY are desirable because Mo easily obtains a stable detection intensity in fluorescent X-ray analysis.

次に、本発明で使用するマスターカーブ(判定グラフ)は、下記のようにして求める。   Next, the master curve (determination graph) used in the present invention is obtained as follows.

1)実機の耐熱性合金基材と同一基材(新品)上に同一仕様コーティングを形成した試験片を、設定測定時間(熱時効時間)に対応する個数(例えば、5個)ずつで一組として、各設定試験温度に対応した組数(例えば4組)を用意する。     1) A set of test pieces in which the same specification coating is formed on the same base material (new) as the actual heat resistant alloy base material, with a number (for example, 5) corresponding to the set measurement time (thermal aging time) As such, the number of groups (for example, 4 groups) corresponding to each set test temperature is prepared.

そして、予め、初期界面拡散層の厚みを、光学顕微鏡で観察測定する。   Then, the thickness of the initial interface diffusion layer is previously observed and measured with an optical microscope.

2)各組の試験片について、設定温度に調節した各電気炉に投入し、熱時効試験を行い、設定の経過熱時効時間(以下「経過時間」という。)ごとに、試験片を取り出して、界面拡散層の厚さを測定する。     2) For each set of test pieces, put them into each electric furnace adjusted to the set temperature, conduct a thermal aging test, and take out the test pieces for each set elapsed heat aging time (hereinafter referred to as “elapsed time”). The thickness of the interface diffusion layer is measured.

このとき、界面拡散層12の厚さは、図2に示す如く、経過時間ごとに増大していく。図例中、14はコーティング(層)であり、16は合金基材である。   At this time, the thickness of the interface diffusion layer 12 increases with each elapsed time as shown in FIG. In the illustrated example, 14 is a coating (layer), and 16 is an alloy substrate.

ここで、界面拡散層の厚さ(L)と、熱時効時間(t)との関係は、
2=kt+L0 2(ただし、L0:初期拡散層厚さ、k:拡散係数)・・・(1)
の関係にあることが分かっている(前記特許文献2段落0019等参照)。
Here, the relationship between the thickness (L) of the interface diffusion layer and the thermal aging time (t) is
L 2 = kt + L 0 2 (where L 0 is the initial diffusion layer thickness, k is the diffusion coefficient) (1)
It is known that there is a relationship of

このため、界面拡散層の厚さの二乗値と実機相当熱時効時間(相当運転時間)との関係は線形(一次式)となる(図3参照)。   For this reason, the relationship between the square value of the thickness of the interface diffusion layer and the actual machine equivalent thermal aging time (equivalent operation time) is linear (refer to FIG. 3).

そして、上記(1)式で求めたkを拡散にも適用できるとされているアレニウスの式である(2)式に代入すると、
k=k0exp(−Q/RT)・・・(2)
(k0:定数、Q:活性化エネルギー、R:気体定数、T:絶対温度)
となる。
上記(2)式を対数変形すると、In(k)と1/Tとの関係は、線形(一次式)となる(図4参照)。
Then, substituting k obtained in the above equation (1) into the Arrhenius equation (2), which is said to be applicable to diffusion,
k = k 0 exp (−Q / RT) (2)
(K 0 : constant, Q: activation energy, R: gas constant, T: absolute temperature)
It becomes.
When the above equation (2) is logarithmically modified, the relationship between In (k) and 1 / T becomes linear (primary equation) (see FIG. 4).

この直線の傾きから、Qさらにはk0を求めることができる。 From this slope of the straight line, Q and k 0 can be obtained.

そして、界面拡散層の成長式は、(2)式を(1)式に代入すると、下記(3)式となる。   And the growth formula of the interface diffusion layer becomes the following formula (3) when formula (2) is substituted into formula (1).

2=k0exp(−Q/RT)t+d0 2・・・(3)
(3)式に、実機使用動翼から所定運転時間経過後に測定(例えば、光学顕微鏡で断面検査)した界面拡散層の値を代入すれば、実機翼の表面付近内部温度(Ta)が推定できる。
d 2 = k 0 exp (−Q / RT) t + d 0 2 (3)
By substituting the value of the interface diffusion layer measured (eg, cross-sectional inspection with an optical microscope) from the moving blade used in the actual machine into the equation (3), the internal temperature (T a ) near the surface of the actual blade is estimated. it can.

そして、当該推定温度から、試験熱時効時間と相当実機熱時効時間との対応関係を求めることができる。すなわち、実機における拡散係数:ka、試験実機翼温度:Taとすると、前述で求めたIn(k)=−A(Aは正の定数)から、
In(k)―In(ka)=Ink/ka =A(1/Ta―1/T)
従って、k/ka =exp(A(1/Ta―1/T))=T/Taとなる。
And from the said estimated temperature, the correspondence of a test heat aging time and an equivalent real machine heat aging time can be calculated | required. That is, the diffusion coefficient in actual: k a, test actual wings Temperature: When T a, an In obtained in above (k) = - from A (A is a positive constant),
In (k) -In (k a ) = Ink / k a = A (1 / T a -1 / T)
Thus, k / k a = exp ( A (1 / T a -1 / T)) = a T / T a.

3)上記と同時に所定の設定温度(通常、最低設定温度を選択する。)である熱時効試験の試験片について、各コーティング内の各元素含有率と蛍光X線分析により測定する。設定温度として、温度が低い方が、拡散係数が実機に近くなるためである。     3) At the same time as described above, the test piece of the thermal aging test having a predetermined set temperature (usually, the lowest set temperature is selected) is measured by the content of each element in each coating and fluorescent X-ray analysis. This is because the lower the set temperature, the closer the diffusion coefficient to the actual machine.

そして、各種の元素の含有率(c)と、元素の分析値を熱時効時間にプロットする(図5参照)。   And the content rate (c) of various elements and the analytical value of an element are plotted on a thermal aging time (refer FIG. 5).

そして、各元素のうち、元素含有率の二乗値が、熱時効時間に対して線形の関係にあるc2=at(a:比例定数)のグラフ上に載る元素を求める。 Then, among the elements, an element placed on a graph of c 2 = at (a: proportionality constant) in which the square value of the element content rate has a linear relationship with the thermal aging time is obtained.

そして、当該特定元素について、熱時効時間から換算した相当熱時効時間と(特定元素含有率)2値との関係を、マスターカーブ(判定グラフ)とする(図6・7参照)。 And about the said specific element, let the relationship between the equivalent thermal aging time converted from the thermal aging time, and (specific element content) 2 value be a master curve (judgment graph) (refer FIG. 6, 7).

こうして得た判定グラフを使用して、下記の如く、コーティング劣化度の判定を行う。   Using the determination graph thus obtained, the degree of coating deterioration is determined as follows.

すなわち、実機運転時間が所定時間経過後、実機翼のコーティングの特定元素の含有率を、蛍光X線分析計により測定する。   That is, after the actual machine operation time has elapsed, the content of the specific element in the coating of the actual machine blade is measured by a fluorescent X-ray analyzer.

そして、当該特定元素の含有率に対応する推定相当熱時効時間を判定グラフから読む。そして、当該推定相当熱時効時間と実機運転時間とを対比する。   Then, the estimated equivalent thermal aging time corresponding to the content of the specific element is read from the determination graph. Then, the estimated equivalent thermal aging time is compared with the actual machine operating time.

そして、当該推定相当熱時効時間が、該実機運転時間より有意差を越えて長い場合は、実機の熱時効(熱劣化)が進行していると判定し、有意差を越えて短い場合は、実機の熱時効が進んでいないと判定する。   And, when the estimated equivalent thermal aging time is longer than the actual machine operating time exceeding a significant difference, it is determined that the thermal aging (thermal degradation) of the actual machine is progressing, and when the estimated equivalent thermal aging time is shorter than the significant difference, Judge that the thermal aging of the actual machine is not progressing.

ここで、有意差の範囲は、通常、±5%前後とする。   Here, the range of significant difference is usually around ± 5%.

以下、本発明の効果を支持する実施例について説明する。1100℃級ガスタービン第1段動翼損傷評価に適用した。なお、当該動翼のコーティングは、従来、CoCrAlY(Al拡散浸透処理)であったが、現行、CoNiCrAlYが主体である。   Examples that support the effects of the present invention will be described below. It was applied to 1100 ° C class gas turbine first stage blade damage assessment. In addition, the coating of the moving blade has been conventionally CoCrAlY (Al diffusion permeation treatment), but currently CoNiCrAlY is mainly used.

1)実機(動翼)における使用温度の推定:
ここで、実機の使用温度は、従来のCoCrAlY(Al拡散浸透処理)コーティング動翼について、下記のようにして推定した数値を使用した。なお、動翼の推定温度は、コーティングがCoCrAlY(Al拡散浸透処理)でもCoNiCrAlYでも同一となる。コーティングは薄くかつ熱伝達率も両者は同等なためである。
1) Estimation of operating temperature in actual machine (blade):
Here, the operating temperature of the actual machine was a value estimated as follows for a conventional CoCrAlY (Al diffusion permeation treatment) coated moving blade. The estimated temperature of the rotor blade is the same whether the coating is CoCrAlY (Al diffusion permeation treatment) or CoNiCrAlY. This is because the coating is thin and both have the same heat transfer coefficient.

5枚一組で3組の熱時効試験用の試験片を用意した。   Three sets of five test pieces for thermal aging test were prepared.

各試験片は、動翼と同じ、母材(Ni系合金基材):GTD111DSに、コーティング: CoCrAlYプラズマ溶射膜:250μmを施した後、Al拡散浸透処理:80〜90μmを施して調製した。   Each test piece was prepared by applying a coating material: CoCrAlY plasma sprayed film: 250 μm to a base material (Ni-based alloy base material): GTD111DS, which is the same as the moving blade, and then applying an Al diffusion permeation treatment: 80-90 μm.

表1に母材の組成を示す。   Table 1 shows the composition of the base material.

Figure 0004986730
そして、各組の試験片を、3個の所定温度(950℃、1000℃、1070℃)に設定した電気炉中に置き各設定時間(100h、300h、500h及び1000h)ごとに、界面拡散層の厚さを測定した。その結果を図3に示す。
Figure 0004986730
Then, each set of test pieces is placed in an electric furnace set at three predetermined temperatures (950 ° C, 1000 ° C, 1070 ° C), and the interface diffusion layer is set for each set time (100h, 300h, 500h and 1000h). The thickness of was measured. The result is shown in FIG.

その結果を、アレニウスの式に代入すると、
k=k0exp(−Q/RT)・・・(2)となる。
(2)式の両辺の対数をとって、In(k)と1/Tとの関係グラフ図を求める(図4参照)。
Substituting the result into the Arrhenius equation,
k = k 0 exp (−Q / RT) (2)
Taking the logarithm of both sides of the equation (2), a relationship graph between In (k) and 1 / T is obtained (see FIG. 4).

このグラフ図における直線の傾きから、Qさらにはk0を求めると、下記界面拡散層の成長式が得られる。 When Q and k 0 are obtained from the slope of the straight line in this graph, the following growth formula for the interface diffusion layer is obtained.

2=1.1×1014exp(−328×103/RT)t+d0 2・・・(3)
この(3)式に、所定運転時間経過後(2500h)の実機動翼の一つから測定(例えば、光学顕微鏡で断面検査)した界面拡散層の値を代入して実機翼の推定使用温度(表面付近内部使用温度)を求めた。その結果は880℃であった。
d 2 = 1.1 × 10 14 exp (−328 × 10 3 / RT) t + d 0 2 (3)
Substituting the value of the interfacial diffusion layer measured from one of the actual moving blades after a predetermined operating time (2500 h) (for example, cross-sectional inspection with an optical microscope) into this equation (3), the estimated operating temperature ( The internal operating temperature near the surface) was determined. The result was 880 ° C.

2)マスターカーブの作成:
動翼と同じ、母材(Ni系合金基材):GTD111DSに、コーティング:GT33incoat(CoNiCrAlY)プラズマ溶射膜:250μmを施して試験片を調製した。
2) Creating a master curve:
A test piece was prepared by applying a coating material: GT33incoat (CoNiCrAlY) plasma sprayed film: 250 μm to a base material (Ni-based alloy base material): GTD111DS, which is the same as the moving blade.

上記において、1000℃の電気炉中の置いた一組の試験片について、各設定時間(250h、500h、1000h、2000h、3000h)における、コーティングに含まれる全ての元素の含有率(%)を蛍光X線分析計により測定する。その結果を、表2及び図5に示す。   In the above, with respect to a set of test pieces placed in an electric furnace at 1000 ° C., the contents (%) of all the elements contained in the coating at each set time (250 h, 500 h, 1000 h, 2000 h, 3000 h) are fluorescent. Measure with an X-ray analyzer. The results are shown in Table 2 and FIG.

Figure 0004986730
なお、CoCrAlY(Al拡散浸透処理)についても、同様に測定したので、その結果を、表3及び図5に示す。
Figure 0004986730
Since CoCrAlY (Al diffusion permeation treatment) was measured in the same manner, the results are shown in Table 3 and FIG.

Figure 0004986730
そして、これらの元素の中から、c2=atのグラフ図に載る元素(本実施例では、Mo)を特定し、当該元素を特定元素として、c2=atのグラフ図を、推定使用温度に相当する実機相当熱時効時間で表示したものをt軸として、マスターカーブ(判定グラフ)を作成する。
Figure 0004986730
Then, among these elements, an element (Mo in this embodiment) listed in the graph of c 2 = at is identified, and the graph of c 2 = at is estimated using the element as the specific element. A master curve (judgment graph) is created using the t-axis as the actual machine equivalent thermal aging time equivalent to.

該マスターカーブを図6・7に示す(図6・7のマスターカーブは同一となる。)。   The master curve is shown in FIGS. 6 and 7 (the master curves in FIGS. 6 and 7 are the same).

3)劣化度の判定:
そして、下記各運転履歴(a)、(b)後の実機(第1段動翼:10枚)について、コーティング中のMoの成分分析を行った。
3) Degradation determination:
Then, the component analysis of Mo in the coating was performed on the actual machine (first stage moving blade: 10 sheets) after the following operation histories (a) and (b).

(a)実機運転時間;17,196時間、起動回数;822回
(b)実機運転時間:32,460h 起動回数:1,220回
Mo検出値は、(a)0.25〜0.31%(平均値:0.28%)、(b)0.34〜0.50%(0.41%)であった。
(a) Actual machine operation time: 17,196 hours, number of startups: 822 times
(b) Actual machine operation time: 32,460h Number of start-ups: 1,220 times Mo detection values were (a) 0.25 to 0.31% (average value: 0.28%) and (b) 0.34 to 0.50% (0.41%).

したがって、(a)では、(Mo検出値平均)2=0.0784となり、マスターカーブから推定相当熱時効時間:16000hとなる。当該推定相当熱時効時間は、実機運転時間17196hの「-7%」値であり、実機の熱時効は予測より進んでいないと判定できる。 Accordingly, in (a), (Mo detection value average) 2 = 0.0784, and the estimated equivalent thermal aging time from the master curve is 16000 h. The estimated equivalent thermal aging time is a “−7%” value of the actual machine operating time of 17196 h, and it can be determined that the thermal aging of the actual machine has not progressed beyond prediction.

(b)では、(Mo検出値)2=0.1681となり、マスターカーブから推定相当熱時効時間:33620hとなる。当該推定相当熱時効時間は、実機運転時間32460hの「+3.6%」値であり、実機の熱時効は、概略予測通りであると判定できる。 In (b), (Mo detection value) 2 = 0.1681, and the estimated equivalent thermal aging time from the master curve is 33620h. The estimated equivalent thermal aging time is a “+ 3.6%” value of the actual machine operating time of 32460 h, and it can be determined that the thermal aging of the actual machine is as predicted.

本発明の高温用製品のメタルコーティング劣化度判定方法の適用部品の例である発電用ガスタービンの動翼(A)及び静翼(B)の各モデル断面図である。It is each model sectional drawing of the moving blade (A) and stationary blade (B) of the gas turbine for power generation which is an example of the application part of the metal coating degradation degree determination method of the high temperature product of this invention. 加熱時効促進試験結果における熱時効時間とコーティング中のMo含有率との関係を示すモデル断面図である。It is model sectional drawing which shows the relationship between the heat aging time in a heating aging promotion test result, and Mo content rate in coating. 熱時効時間と界面拡散層の厚さの関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between thermal aging time and the thickness of an interface diffused layer. 図3のグラフ図から求めたIn(k)と1/Tとの関係グラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the relationship between In (k) and 1 / T obtained from the graph of FIG. 3. 熱時効試験におけるコーティング中の蛍光X線により測定したMo含有率と熱時効時間との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between Mo content rate measured with the fluorescent X ray in the coating in a thermal aging test, and thermal aging time. 図5の関係をMo含有率の二乗値と実機使用温度における相当熱時効時間スケールとの関係を表示し直したグラフ図であり、実機運転時間17196hのときの判定説明図である。6 is a graph illustrating the relationship between the square value of Mo content and the equivalent thermal aging time scale at the actual machine operating temperature in the relationship of FIG. 5, and is an explanatory diagram for determination when the actual machine operating time is 17196 h. 同じく実機運転時間32460hのときの判定説明図である。Similarly, it is a determination explanatory diagram when the actual machine operating time is 32460h.

Claims (3)

耐熱性合金基材の上に金属系コーティング(以下、単に「コーティング」という。)を備えた高温用金属製品(以下「実機」ということもある。)のコーティングの劣化度を非破壊検査の結果を利用して判定する方法であって、
前記耐熱性合金基材から前記コーティングへ拡散した特定元素の含有率を、蛍光X線分析計により測定し、該結果を利用して、実機のコーティング劣化度を判定する方法であって、
前記耐熱性合金基材が、Ni基合金又はCo基合金であり、前記特定元素の前記コーティングにおける初期含有率が、痕跡量(0.01%以下)であるものとするとともに、
前記コーティングがMCrAlY系であるとき、前記特定元素をMoとすることを特徴とする高温用金属製品のコーティング劣化度判定方法。
Results of non-destructive inspection of the degree of coating deterioration of high-temperature metal products (hereinafter sometimes referred to as “actual machines”) having a metal-based coating (hereinafter simply referred to as “coating”) on a heat-resistant alloy substrate Is a method of determining using
A method of measuring the content of a specific element diffused from the heat-resistant alloy base material to the coating with a fluorescent X-ray analyzer, and using the result to determine a coating deterioration level of an actual machine ,
The heat-resistant alloy base material is a Ni-based alloy or a Co-based alloy, and the initial content of the specific element in the coating is a trace amount (0.01% or less),
When the coating is MCrAlY, the specific element is Mo.
前記蛍光X線分析計を用いて熱時効試験で求めた実機相当熱時効時間と(特定元素含有率)2値との関係である一次関数(マスターカーブ)を基準として、前記コーティング劣化度の判定をすることを特徴とする請求項1記載の高温用金属製品のコーティング劣化度判定方法。 Judgment of the degree of coating deterioration based on a linear function (master curve) that is a relationship between a thermal aging time corresponding to an actual machine obtained by a thermal aging test using the fluorescent X-ray analyzer and a (specific element content) binary value The method for determining the degree of coating deterioration of a high-temperature metal product according to claim 1 . 請求項2記載の高温用金属製品のコーティング劣化度判定方法を用いて行なう高温用金属製品の保守方法であって、実機運転時間が所定時間経過後の高温用金属製品から特定元素含有率を前記蛍光X線分析計により測定して、当該含有率対応する前記マスターカーブ上の推定相当熱時効時間と前記実機運転時間との長短比較によりコーティング修理の有無を決定することを特徴とする高温用金属製品の保守方法。 A maintenance method for a high-temperature metal product performed using the method for determining a coating deterioration level of a high-temperature metal product according to claim 2 , wherein the specific element content is determined from the high-temperature metal product after a predetermined time has elapsed since the actual operation time. as measured by a fluorescent X-ray analyzer, high temperature, characterized by determining the presence or absence of the coating repair by length compared with the estimated equivalent heat aging time on the master curve corresponding to the content and the actual operation time Maintenance method of metal products.
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