JP2004125575A

JP2004125575A - 熱サイクル試験方法および熱サイクル試験用治具

Info

Publication number: JP2004125575A
Application number: JP2002289368A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Suzumura; 鈴村　宣行; Takeshi Nakamura; 中村　武志; Tadashi Natsumura; 夏村　匡
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】タービンブレード等に施される遮熱コーティングの耐久性を適切に評価するための熱サイクル試験の方法およびそれに用いる治具を提供する。
【解決手段】上面を開口した枡形形状の治具本体（８）の内部に取り付けた多数の貫通孔（１６）が形成されたインピンジプレート（１８）により、内部を下段空間（１２）および上段空間（１４）の二つの空間に仕切り、下段空間に連結した空気供給管（２２）から冷却空気を供給する。治具本体の開口にはこれを閉じるように薄い板状の供試体が載せ置かれ、治具本体の上端近傍には、貫通孔を通り上段空間に抜けて供試体のインピンジ冷却を行った（冷却）空気を排気するための排気孔（２４）が形成されている。ここで供試体は、クリップ機構（２６）によりその熱膨張・収縮を拘束されることなく支持されている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱サイクル試験方法および熱サイクル試験用治具にかかり、より詳細には、タービンブレードや燃焼器（実機部品）に施される遮熱コーティングの耐久性を適切に評価するための熱サイクル試験の方法およびそれに用いる治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンおよびジェットエンジンの燃焼ガスの高温化は熱効率を向上させる有力な手段であり、近年、基材を熱伝導率の低いセラミックスにより被覆する遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｂａｒｒｉｅｒ　Ｃｏａｔｉｎｇ：以下「ＴＢＣ」という。）が注目されている。
【０００３】
しかしながらＴＢＣには、基材とＴＢＣ材の熱膨張差などに起因して剥離が生じることがあるため、実機にこれを適用する前には熱の繰り返し負荷（熱サイクル）に関する耐久性データの取得のための熱サイクル試験が不可欠とされている。
【０００４】
図３に基材の片面にＴＢＣを被膜した板状の供試体を用いて行われる熱サイクル試験の概要を示した。この熱サイクル試験では底部が開口した高温の炉の中に供試体を挿入して加熱し、その後この炉から供試体を取り出して冷却空気を吹き付けることによりその冷却を行い、この動作を所望の回数だけ繰り返し行った後にＴＢＣの剥離度合い（耐久性）の評価を行っている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
しかしながらかかる試験方法では供試体全体が加熱・冷却されるため、基材への熱伝導を抑制するためのＴＢＣを被膜した面（ＴＢＣ面）を高温の燃焼ガスにさらし、その裏面が冷却用の空気によって冷却される実機部品の温度状態が模擬されておらず、その結果おのずとＴＢＣの剥離度合いも異なるものとなることからその評価の信頼性も低いと云わざるを得ない状況であった。
【０００６】
そこで最近では図４に示したような内部に冷却水を通す円筒状の冷却ホルダ５１の先端に円筒の一端を蓋するような特異な形状の供試体５２を取り付け、供試体先端部のＴＢＣ面をバーナ５３の炎で加熱する一方、その裏面（金属面）を冷却水で冷却して供試体の両面間に温度傾斜を付与し、その後バーナによる加熱を止めて供試体全体を冷却水で冷却し、この動作を所望の回数だけ繰り返し行った後にＴＢＣの剥離度合いを評価する熱サイクル試験も行われている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
大木基史、他４名，「遮熱コーティング材の熱サイクル損傷および遮熱特性」，溶接学会論文集，１９９８年，第１６巻，第３号，ｐ．３９５−４０４
【非特許文献２】
「二酸化炭素回収対応クローズド型高効率ガスタービン技術」，第一期研究開発平成１１年度成果報告書，ＮＥＤＯ―ＣＯ―ＴＢ９９，平成１２年３月，ＮＥＤＯ，ｐ．１０７−１２２
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この試験方法では実機部品の温度状態を模擬できるものの、冷却水を供試体の金属面側に流して供試体裏面の冷却を行う構造上、供試体が肉厚となってしまい、またＴＢＣ面が狭小であるため実機部品の熱応力状態を模擬できていなかった。すなわち、タービンブレード等の実機部品は薄い板状の基材にＴＢＣを被膜して製作され、加熱・冷却による迅速な熱変形を伴うが、かかる肉厚で剛性が高く、かつ、冷却ホルダに拘束された供試体とではその応力状態が異なり、またＴＢＣ面も狭小であるため、かかる点からも実機部品が模擬されているとはいえず、したがってＴＢＣの剥離度合いの評価の信頼性は依然として高いものとはいえなかった。
【０００９】
本発明はこれらの問題点を解決するためになされたものである。すなわち本発明は、供試体を用いて行われる熱サイクル試験において実機部品の温度状態を模擬するとともに、その応力状態をも模擬し、信頼性の高いＴＢＣの剥離度合い（耐久性）の評価に資する熱サイクル試験方法および熱サイクル試験用治具を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため本発明は、薄い板状の金属基材の片面に遮熱コーティングを被膜した供試体（２）を用い、該供試体の熱膨張・収縮を拘束することなく治具（１０）に支持し、遮熱コーティングを施した面側から供試体を断続的に加熱する一方、その裏面側の金属面に連続的に冷却空気を吹き付けて供試体をインピンジ冷却することで加熱と冷却を所望のサイクルだけ繰り返し、その後に遮熱コーティングの剥離状態を観察する、ことを特徴とする熱サイクル試験方法を提供する。
【００１１】
本発明では、片面にＴＢＣを施した薄い板状の供試体をその熱膨張・収縮を拘束することなく治具に支持してＴＢＣ面側を断続的に加熱する一方、その裏面の金属面に連続的に冷却空気を吹き付けてインピンジ冷却することで、実機部品の温度状態および応力状態を模擬して熱サイクル試験を行いＴＢＣの剥離状態を評価するものである。
すなわち本発明によれば、板状の基材を用いこれを拘束せずに治具に支持することで、供試体の熱膨張・収縮を阻害することがなく、また、治具自体の熱膨張・収縮も供試体に影響を与えることもないため実機部品に近い応力状態を充分に模擬することができる。また実機部品と同様の薄い板状の供試体に冷却空気を吹き付けてインピンジ冷却することで、運転時の実機部品に近い状態を忠実に模擬して熱サイクル試験を行うことができる。
なお「拘束することなく」とは、供試体が所定の範囲で遊びを持つ状態で治具本体に取り付けられていることを意味している。
【００１２】
上記熱サイクル試験方法を実施するため本発明は、底板（４）および側板（６）により形成され上面を開口した枡形形状の治具本体（８）と、該治具本体の内部を下段空間（１２）および上段空間（１４）の二つの空間に仕切る多数の貫通孔（１６）が形成された平板状のインピンジプレート（１８）と、前記下段空間に連結され下段空間に加圧した冷却空気を供給する空気供給管（２２）と、から構成され、前記治具本体の側板の上端近傍には、下段空間からインピンジプレートの貫通孔を通り上段空間に抜けた冷却空気を排気するための排気孔（２４）が形成され、また、治具本体の上面の開口を閉じるように載せ置かれる薄い板状の供試体（２）をその熱膨張・収縮を拘束することなく支持するクリップ機構（２６）が設けられている、ことを特徴とする熱サイクル試験用治具を提供する。
【００１３】
本発明の治具は、枡形形状の治具本体の上面の開口を閉じるようにＴＢＣ面を表にして薄い板状の供試体を配置してこれを緩やかに支持し、外部に設けたバーナでＴＢＣ面を断続的に加熱する一方、治具の内部空間側の金属面をインピンジ冷却して熱サイクル試験を実施するためのものである。
治具本体の内部には、多数の貫通孔が形成された平板状のインピンジプレートが配置されており、治具内部はこのインピンジプレートにより下段空間および上段空間に分割されている。下部空間には冷却空気を供給する空気供給管が連結され、治具本体の上端近傍の側板には冷却を行った後の空気を排気するための排気孔が形成され、さらに側板には供試体の熱膨張・収縮を拘束することなく支持するクリップ機構が設けられている。
この治具では、空気供給管から下段空間へ供給された冷却空気は、インピンジプレートの貫通孔を通り抜けて供試体の金属面に吹き付け供試体をインピンジ冷却し、その後側板の排気孔から外部に排気されるようになっている。
【００１４】
かかる構成の治具を用いて熱サイクル試験を行うことで、▲１▼実機部品と同じ薄い板状の供試体を用い、また実施部品と同様に冷却空気によるインピンジ冷却を行うため、実機部品の温度状態を模擬しやすい、▲２▼供試体を治具に完全に固定せずに遊びを持たせて支持するため加熱・冷却による熱変形（膨張・収縮）が阻害されることがなく、また治具の熱変形が供試体に影響を与えることもないため実機部品に近い応力状態を模擬することができる、▲３▼実機部品に近い大きいサイズの供試体を用いた場合でもインピンジ冷却によりその金属面を均一に冷却することができ、温度状態を模擬しやすい、という効果が達成され、ＴＢＣの剥離度合いの評価の信頼性を向上させることができる。
【００１５】
ここで前記クリップ機構（２６）は、前記上段空間（１４）側の供試体（２）の面に突起して設けた脚部（２８）と、治具本体（８）の側板（６）の上端傍を貫通して挿入されるピン（３４）と、からなり、前記脚部には該ピンの径よりも大径の支持孔（３２）が形成されており、側板を貫通したピンが該支持孔と係止して供試体を治具本体に支持するものである。
【００１６】
供試体を治具に支持するクリップ機構は、▲１▼供試体の熱変形を阻害しない、▲２▼治具自体の熱膨張・収縮が供試体に影響を与えない、▲３▼供試体金属面への冷却空気の吹き付けによっても供試体が治具から外れない、▲４▼供試体ＴＢＣ面の加熱を阻害しない、▲５▼供試体金属面の冷却を阻害しない、ものであればどんな構造であっても良いが、特に、供試体に脚部を設けこれに形成した支持孔に、治具本体の側板の上端近傍を貫通する支持孔よりも細いピンを差し込んで治具に供試体をガタがある状態で支持する構造、とすることが好ましい。
かかる構造のクリップ機構によれば上記▲１▼〜▲５▼の条件を満たし、また、供試体の交換も容易に行うことができる。
【００１７】
また好ましい実施例によれば、前記治具本体（８）は下段空間（１２）を形成する治具下部（８ａ）と上段空間（１４）を形成する治具上部（８ｂ）とからなり、前記インピンジプレート（１８）は治具下部と治具上部との間にシーリング状態を保って挟止されて固定される。
【００１８】
治具本体を治具下部と治具上部とにより分割して構成し、平板状のインピンジプレートを治具下部と治具上部との間に挟止・固定する構造とすることにより、必要に応じて様々なタイプの貫通孔を形成したインピンジプレートに交換できるので、供試体の金属面への冷却空気の吹き付け状態を最適化することができ、大きいサイズの供試体を用いた場合でも金属面を均一に冷却するために都合がよい。
【００１９】
また前記空気供給管（２２）は、下段空間（１２）の内部にまで伸長し、冷却空気を底板（４）に吹き付けて下部空間内に拡散させる、ことも好ましい。
【００２０】
空気供給管を下段空間の内部にまで伸長させ、加圧した冷却空気を一旦底板に吹き付けて拡散させた後に、インピンジプレートの貫通孔を通り抜けさせて供試体金属面のインピンジ冷却を行うことで冷却空気の偏りをなくし、より均一に供試体を冷却することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。以下、まず熱サイクル試験を行うための試験装置の全体像および試験条件を概説した後に、本発明の熱サイクル試験用治具について説明する。
【００２２】
熱サイクル試験は、Ｎｉ基の単結晶合金の基材の片面にＴＢＣを被膜した供試体を支持した治具と、火力および供試体との距離を調整できるバーナとを用い、供試体に与える熱量をコントロールして行われる。バーナの火炎は供試体にできるだけ垂直に当たるように調整され、また、供試体のＴＢＣ面の温度はパイロメータで、裏面の金属面の温度は熱電対で測定されて管理される。なお供試体は５０×５０×２．５ｍｍ（縦×横×厚）の薄い矩形の平板に形成され、ＴＢＣはその片面に０．５ｍｍの厚みで被膜されている。
【００２３】
熱サイクル試験は、ＴＢＣをタービン翼に適用した場合に生じる加熱状態（温度状態）を模擬するため、供試体の金属面を連続的に冷却しつつＴＢＣ面を断続的に加熱して行われる。
【００２４】
熱サイクルは、昇温を２０秒で行い、ＴＢＣ面の表面最高温度を１３７３〜１４７３Ｋで６０秒間保持し、その後１００秒かけて室温まで冷却するサイクルとする。１サイクルに要する時間は３分である。試験は外観上ＴＢＣに破壊が生じていないことを確認しつつ、最高１０００サイクルまで行い、各段階でＴＢＣの剥離の度合いをミクロ観察してその結果からＴＢＣの耐久性を評価する。
【００２５】
図１に第１実施例の熱サイクル試験用治具およびこれに支持される供試体をそれぞれ表した。ここで図１（ａ）は供試体を載せ置く前の治具の平面図、図１（ｂ）は供試体を載せ置いた状態の治具の断面図を表している。
【００２６】
第１実施例の治具１０は、底板４および側板６により形成され上面を開口した枡形形状（直方体形状）の治具本体８によりその外形が形成され、治具本体８の上面の開口には開口をほぼ塞ぐように供試体２を載せ置いて支持できるようになっている。
【００２７】
治具本体８の内部は供試体２と平行をなす多数の貫通孔１６が均一な密度で形成された平板状のインピンジプレート１８によって仕切られ、底板４、側板６およびインピンジプレート１８で囲まれる下段空間１２とインピンジプレート１８、側板６および供試体２で囲まれる上段空間１４の二つの空間に分割されている。
【００２８】
治具本体８の底板４には加圧した冷却空気を供給する空気供給管２２が連結され、治具本体の上端近傍の側板６には複数の排気孔２４が貫通して形成されている。また、治具本体８の上端近傍の対向する一対の側板６には、後述する供試体２の脚部２８に形成された支持孔３２に差し込まれるピン３４を貫通して取り付けるためのピン孔１５が４箇所（２対）形成されている。
【００２９】
空気供給管２２から下段空間１２に供給された冷却空気はインピンジプレート１８の貫通孔１６を通り抜け、供試体２の金属面の全面に吹き付けて供試体をインピンジ冷却し、その後側板の排気孔を通り抜けて外部へ排気される。
【００３０】
この治具１０に支持される平板状の供試体２には、治具本体のピン孔１５を貫通して取り付けられるピン３４を差し込むための脚部２８が設けられている。この脚部２８は供試体２の対向する２辺の端部において、金属面側から垂直に突起して形成されており、この脚部２８にはピン孔１５を貫通したピン３４を遊びを持って差し込むことができる大きさの支持孔３２が形成されている。すなわちＴＢＣ面を上面にして治具１０の開口に供試体２を配置し、次いで４本のピン３４を各ピン孔１５に挿入・貫通させて支持孔３２まで差し込むことにより、供試体２を治具にガタ（遊び）を設けて支持している。
【００３１】
本実施例の治具を用いた熱サイクル試験によれは、タービンブレード等の実機部品と近似した薄く大きいサイズの板状の供試体２をその熱膨張・収縮を拘束することなく治具に支持し、ＴＢＣ面を断続的に加熱する一方、その裏面の金属面に連続的に冷却空気を吹き付けてインピンジ冷却するため、実機部品の使用環境に近い環境で試験を行うことができ、また治具自体の熱膨張・収縮も供試体に影響を与えることもないため、実機部品の温度状態および応力状態を模擬することができ、熱サイクル試験によるＴＢＣの剥離度合いの評価の信頼性を向上させることができる。
【００３２】
図２に第２実施例の熱サイクル試験用治具を示した。ここで図２（ａ）は供試体を載せ置く前の治具の平面図、図１（ｂ）は供試体を載せ置いた状態の治具の断面図を表している。
【００３３】
本実施例の治具本体８は、枡形形状の治具下部８ａと枠形形状の治具上部８ｂとに２分割されており、治具下部８ａと治具上部８ｂとの間に平板状のインピンジプレート１８を挟み込んだ状態で治具下部と治具上部とを四隅でボルト２１で固定できるようになっている。インピンジプレートはシーリング状態を保って４本のボルト２１の間で前後左右にずらして固定することができ、貫通孔１６からの冷却空気の噴出位置の最適化、最適なインピンジプレートへの交換を容易に行うことができるようになっている。
【００３４】
本実施例では、外部から供給される冷却水を内部に流す冷却水管２３が治具上部内８ｂに埋め込まれており、この冷却水管２３を流れる冷却水により治具を冷却するために設けられている。
【００３５】
また本実施例では、空気供給管２２が治具下部の底板４を貫通して下段空間１２の内部にまで伸長している。下段空間内の空気供給管２２は底板と平行をなすように屈曲しており、その底板側には軸方向に多数の噴出穴２５が一列に設けられている。噴出穴２５から噴出された冷却空気は底板に一旦吹き付けてからインピンジプレート１８の貫通孔１６を通り抜けて供試体の冷却を行う。このように冷却空気を多数の噴出穴２５から噴出させ一旦底板４に吹き付けることで、下段空間１２内での冷却空気の偏りをなくして供試体をより均一にインピンジ冷却することが可能となる。
【００３６】
上述した本発明の治具を用いて熱サイクル試験を行うことにより、実機部品と近似した供試体を用い、また運転時の実機部品の温度状態および応力状態を模擬することができ、ＴＢＣの耐熱性の評価の信頼性を向上させることができる。
【００３７】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、供試体を用いて行われる熱サイクル試験において実機部品の温度状態を模擬するとともに、その応力状態をも模擬し、信頼性の高いＴＢＣの剥離度合い（耐久性）の評価に資する熱サイクル試験方法および熱サイクル試験用治具が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の熱サイクル試験用治具およびこれに支持される供試体を示した図である。
【図２】第２実施例の熱サイクル試験用治具およびこれに支持される供試体を示した図である。
【図３】従来の熱サイクル試験の装置および行程の概要を示した図である。
【図４】従来の熱サイクル試験の装置を示した図である。
【符号の説明】
２　供試体
４　底板
６　側板
８　治具本体
８ａ　治具下部
８ｂ　治具上部
１０　治具
１２　下段空間
１４　上段空間
１５　ピン孔
１６　貫通孔
１８　インピンジプレート
２１　ボルト
２２　空気供給管
２３　冷却水管
２４　排気孔
２５　噴出穴
２６　クリップ機構
２８　脚部
３２　支持孔
３４　ピン
５１　冷却ホルダ
５２　供試体
５３　バーナ

Claims

薄い板状の金属基材の片面に遮熱コーティングを被膜した供試体（２）を用い、
該供試体の熱膨張・収縮を拘束することなく治具（１０）に支持し、
遮熱コーティングを施した面側から供試体を断続的に加熱する一方、その裏面側の金属面に連続的に冷却空気を吹き付けて供試体をインピンジ冷却することで加熱と冷却を所望のサイクルだけ繰り返し、その後に遮熱コーティングの剥離状態を観察する、ことを特徴とする熱サイクル試験方法。
底板（４）および側板（６）により形成され上面を開口した枡形形状の治具本体（８）と、
該治具本体の内部を下段空間（１２）および上段空間（１４）の二つの空間に仕切る多数の貫通孔（１６）が形成された平板状のインピンジプレート（１８）と、
前記下段空間に連結され下段空間に加圧した冷却空気を供給する空気供給管（２２）と、から構成され、
前記治具本体の側板の上端近傍には、下段空間からインピンジプレートの貫通孔を通り上段空間に抜けた冷却空気を排気するための排気孔（２４）が形成され、また、治具本体の上面の開口を閉じるように載せ置かれる薄い板状の供試体（２）をその熱膨張・収縮を拘束することなく支持するクリップ機構（２６）が設けられている、ことを特徴とする熱サイクル試験用治具。
前記クリップ機構（２６）は、前記上段空間（１４）側の供試体（２）の面に突起して設けた脚部（２８）と、治具本体（８）の側板（６）の上端傍を貫通して挿入されるピン（３４）と、からなり、
前記脚部には該ピンの径よりも大径の支持孔（３２）が形成されており、側板を貫通したピンが該支持孔と係止して供試体を治具本体に支持する、ことを特徴とする請求項２に記載の熱サイクル試験用治具。
前記治具本体（８）は下段空間（１２）を形成する治具下部（８ａ）と上段空間（１４）を形成する治具上部（８ｂ）とからなり、前記インピンジプレート（１８）は治具下部と治具上部との間にシーリング状態を保って挟止されて固定される、ことを特徴とする請求項２乃至３に記載の熱サイクル試験用治具。
前記空気供給管（２２）は、下段空間（１２）の内部にまで伸長し、冷却空気を底板（４）に吹き付けて下部空間内に拡散させる、ことを特徴とする請求項２乃至４に記載の熱サイクル試験用治具。