JP4591989B2

JP4591989B2 - Coating thickness inspection method

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Publication number: JP4591989B2
Application number: JP2001241449A
Authority: JP
Inventors: 広幸福冨; 隆志緒方
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2021-08-08
Also published as: JP2003057002A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に製造時にコーティング厚さを検査する方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、ガスタービン動翼の耐食コーティングの厚さを検査するのに好適な方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ガスタービンの高効率化を実現するには燃焼ガスの高温化が有効であることから、動翼、静翼、燃焼器などの高温部品には厳しい運転条件が課せられる。特に、高速回転する動翼、中でも高圧高温のガスが最初に吹き付けられる初段動翼においては、厳しい条件と高い安全性とが課せられる。そこで、動翼の表面には十分な厚みの耐食コーティングを施すことが要求される。
【０００３】
このガスタービン動翼への耐食コーティングの施工は、従来、ガスタービン動翼が複雑な曲面形状を有していることから、真空プラズマ溶射によって行われ、その厚さは溶射時間の調整などにより経験的に制御されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来、耐食コーティングの厚さを非破壊的に検査する手法は確立されていないことから、溶射後の耐食コーティングの厚さを定量的に評価するには、動翼を破壊して組織観察しなければならなかった。しかし、高価な動翼を割って耐食コーティングの厚みを測定するわけには行かないので、実際には耐食コーティング厚さは測定されていない。一方で、耐食コーティングの厚さは動翼の耐食性に大きく関わるため、定量的に評価されることが望まれている。また、耐食コーティングに限らず、強磁性となり得る組成を含むコーティング、例えば耐摩耗コーティングなどにおいても所望の厚みが得られているか定量的に評価することが望まれる。
【０００５】
そこで、本発明は、コーティングの厚さ、特に耐食コーティングの厚さを非破壊検査する検査法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明者らが種々研究・実験した結果、強磁性となり得る組成を有するコーティングはその結晶構造が磁化し易い結晶構造に変化する温度環境下で使用されるとき、例えば耐食コーティングにおいては８００℃程度の高熱を受けるとき、磁性が生じ、更にその磁化に関する物理的現象例えば透磁率はそのときの温度によって一律に決まってしまい、透磁率の数値が温度履歴に反映していることを知見するに至った。より具体的には、例えばニッケルベースの超合金基材にメタルコーティングを施したタービン動翼等の高温部品では、製造時には磁性を帯びていなくても、高温雰囲気下で使用されると、高熱の影響を受けてメタルコーティングが強磁性体となり、しかもその強磁性は到達最高温度に応じて強さが変化し、ある程度の間例えば１００時間程度は残留していることがわかった。更に、コバルト、ニッケルあるいはフェライトの少なくともいずれか１つを主成分とする耐食コーティング材料、なかでもCoCrAlYのコーティングを表層に施したガスタービン動翼材料あるいはそのコーティングに更にＡｌパックが施されたガスタービン動翼材料については、実験により、磁性が応力には依存しないことが明らかになった。即ち、このような材料では、磁性は熱履歴に依存し、応力に依存しないことを知見するに至った。つまり、熱処理温度を一定にすれば、透磁率が一律に定まり、磁性の強さはコーティングの厚みに依存することを知見するに至った。
【０００７】
請求項１記載の発明はかかる知見に基づくものであって、構造部材の表面に施された強磁性となり得る組成のコーティングの厚さを検査する方法において、コーティング材と同じ材料を使って一定温度で熱処理したときの透磁率とコーティング厚さとの相関を示す検定曲線を求めておき、検定曲線を求める際の熱処理と同じ温度でコーティングに熱処理を施すと共にコーティングの透磁率を測定し、この透磁率から検定曲線を利用してコーティングの厚さを推定するようにしている。
【０００８】
したがって、コーティングと同じ材料を使い、厚みを変えて一定温度で熱処理温度をしたときの磁化に関する物理的現象の変化量としての透磁率とコーティング厚さとの相関を示す検定曲線を求めておけば、製造過程においてコーティングに対し検定曲線を求める際の熱処理と同じ温度の熱処理を加えたときの透磁率を求めるだけで、検定曲線を利用してコーティングの厚みを求めることができる。例えばニッケルベースの超合金基材に耐食メタルコーティングを施したタービン動翼の場合、基材とコーティングは製造過程では強磁性になり難いが、ある温度でアニーリングすると耐食コーティングが強磁性体になり、基材とコーティングとが磁気的に異なる物質になる。そこで、動翼を検定曲線を得る際に加えた熱処理温度と同じ温度で熱処理することによって、この耐食コーティングの磁性を制御し、既知の透磁率とコーティング厚さとの相関からコーティング厚さを推定することが可能となる。
【０００９】
なお、磁化に関する物理的現象としては、透磁率の採用が好ましいが、例えば渦電流や磁気誘導波形の歪みによっても、コーティング厚みとの相関をとることができる。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のコーティング厚さ検査法において、構造部材がガスタービン動翼であり、コーティングがCoCrAlYから成る耐食コーティングであることを特徴としている。この場合、製造時にはタービン動翼の基材と共に磁性を示していないCoCrAlYコーティングが、高温雰囲気下で使用されることによって、磁性が生じて強磁性体となる。しかも、この磁性は熱履歴にのみ依存し、応力には依存しない。このことから、コーティングの磁性は到達温度に依存した温度履歴情報として記憶され、１００時間程度は維持される。したがって、同じ熱処理温度条件下でその透磁率を測定することでコーティング厚さを推定することができる。
【００１１】
更に、請求項３記載の発明は、請求項１記載のコーティング厚さ検査法において、構造部材がガスタービン動翼であり、耐食コーティングの上に更にアルミパック層が形成されている場合において、耐食コーティングに対する熱処理は、アルミパックのセメンテーション処理の際の加熱処理であることを特徴とする。
【００１２】
例えば1300℃級のガスタービン動翼であってアルミコーティング（アルミパック）で耐食性を高めるような高温部材の場合、アルミコーティングのセメンテーションにおける熱処理によりメタルコーティングが強磁性を帯びる。このため、この場合は製造工程とは別に新たな熱処理工程を追加する必要なく、この磁性を計測して耐食コーティング厚さを検査することができる。勿論、アルミパックを施していないガスタービン初段動翼の場合には、セメンテーションの熱を利用することができないので、製造工程で必要とされる熱処理とは別に熱処理工程を用意することが必要となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の耐食コーティング厚みの検査方法を一実施態様に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
このコーティング厚さの検査方法は、強磁性となり得る組成を有するコーティングの厚みを主に製造時に検査する方法であって、コーティング材と同じ材料を使って一定温度で熱処理したときの磁化に関する物理的現象の変化量とコーティング厚さとの相関を示す検定曲線を求めておき、検定曲線を求める際の熱処理と同じ温度でコーティングに熱処理を施すと共にコーティングの磁化に関する物理的現象の変化量を測定し、この変化量から検定曲線を利用してコーティングの厚さを推定するようにしたものである。ここで、磁化に関する物理的現象としては、本実施形態では透磁率を採用しているが、これに特に限定されるものではなく、その他の磁化に関する物理的現象例えば渦電流や磁気誘導波形の歪みによっても、コーティング厚さとの相関をとることができる。
【００１５】
コーティング厚さと透磁率の検定曲線は、コーティングと同じ材料またはこれと同等の部材（以下、対比試験体と呼ぶ）を使って、一定熱処理温度で異なる厚さ毎に所定時間例えば１０時間程度熱処理した結果得られた透磁率とコーティング厚さとの相関をプロットすることによって得られる。ここで、強磁性となり得る組成を有するコーティングは、その結晶構造が磁化し易い結晶構造に変化する温度環境下で使用されるとき、例えば耐食コーティングにおいては８００℃程度の高熱を受けるとき、またコーティング用途に応じたコーティング材料によっては５００〜６００℃程度の熱を受けるときに、磁性が生じる。例えば、ガスタービン動翼の耐食コーティングの厚みを検査する場合には、動翼（またはこれと同等の部材）を対比試験体とし、この対比試験体を８００℃〜１０００℃で加熱処理してその磁性を測定してコーティング厚みと透磁率に関する検定曲線を作成しておく。
【００１６】
ここで、強磁性となり得る組成のコーティング材としては、例えばコバルト、ニッケルあるいはフェライトの少なくともいずれか１つを主成分とするものが代表的なものとして挙げられるが、これに特に限定されるものではない。例えば、ガスタービン動翼の耐食コーティング材のような場合には、ニッケル超合金IN738LCやニッケル超合金一方向凝固（Directionally Solidified、DS）材から成る基材の表層に、CoCrAlYのコーティングあるいはそのコーティングに更にＡｌパックが施されおり、CoCrAlYのコーティング層部分が定格運転時に強磁性となるものである。
【００１７】
斯様にして求めたコーティング厚みと透磁率との相関を示す検定曲線を利用して、製造工程で耐食コーティングの溶射後に、検定曲線を求める時の熱処理温度と同じ温度（例えば８００℃程度）の熱処理を行い、透磁率を測定し、測定透磁率から耐食コーティング厚さを求めることができる。一定温度下での透磁率の数値・変動はコーティング厚みに反映しており一律に決まってしまう。そこで、この測定透磁率から検定曲線を用いてコーティング厚みを一義的に精度よく推定することができる。尚、コーティングの磁気計測は例えば低透磁率測定計を用いて行うことが好ましい。
【００１８】
【実施例】
以下にガスタービンの初段動翼に施される耐食コーティングの厚みを検査する手法を説明する。
【００１９】
１．試験片の作製
初段動翼材料の磁気的物性を測定するために初段動翼と同じ材質の試験片を作製した。１１００℃級ガスタービン初段動翼の基材に用いられているニッケル超合金IN738LC，１３００℃ガスタービン初段動翼の基材に用いられているニッケル超合金一方向凝固（Directionally Solidified、DS）材、および耐食コーティングに用いられるCoCrAlY それぞれ単体の試験片を加工した。そして、IN738LC およびCoCrAlY の試験片を人工的に劣化させるために、大気中において２個ずつ950℃および1000℃の熱時効試験に供じ、熱時効材を作製した。尚、試験片の形状および個数を表１に、ニッケル基合金の化学組成を表２に、耐食コーティングCoCrAlYの化学組成を表３にそれぞれ示す。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【表２】

【００２２】
【表３】

【００２３】
また、コーティング厚さを推定するために、コーティングの厚さの異なる試験片を作製した。この試験片は、１３個の円柱状DS材の曲面に５１〜３５２μｍの範囲でそれぞれ異なる厚みのコーティングとなるようにCoCrAlY を溶射し、その後にアルミパックを施工した。アルミパックの厚さは約20ミクロンであった。
【００２４】
２．初段動翼材料の磁気的物性
2.1 磁気的物性の測定
まず、ガスタービン動翼の製造時の状態に匹敵する未時効材の比透磁率をμメータにより測定した結果を表４に示す。この結果は、試験片の両平面部中心にμメータプローブを押し付けて測定した結果である。表４から、ニッケル基超合金およびCoCrAlY の磁性は無視できるほど小さく、即ち、加熱処理しない状態では磁性を示していないことが分かる。しかし、基材となるIN738LCの熱時効材では高温（950℃，1000℃）での加熱処理直後には顕著な磁性が見られず、500時間加熱処理した以降で試験片表層が酸化して磁性が生じていた。因みに、測定対象を不規則な曲面形状を有する動翼とした場合、測定影響領域が狭く、リフトオフ変化による信号の減衰が少ないμメータの使用が適している。μメータによる透磁率測定は、試験片に磁気誘導原理で透磁率に比例した電圧を発生させるものである。透磁率に比例した信号と同時に渦電流が発生してその影響に応じた信号も出力されるが、位相検波回路で渦電流に起因する信号分を除去することによて透磁率のみに比例する信号を取り出すことにより、感度良く測定できる。研磨後のIN738LC の熱時効材では顕著な磁性が見られなかったが、500時間以降では試験片表層に磁性が生じていた。
【００２５】
【表４】

【００２６】
次いで、試験片の熱時効材の比透磁率を測定した。その結果を図１に示す。尚、測定においては室温でデータを取得した。比透磁率の測定は、簡易的に磁性を評価できる低透磁率計(μメータ)と振動試料型磁力計(Vibrating Sample Magnetometer、VSM)を用いた。なお、熱時効材表面に付着した酸化膜のため、抵抗測定が不可能であったため、試験片を研磨した後、比透磁率を測定した。
【００２７】
図１にはCoCrAlY に対するμメータの出力値（比透磁率相当）の平均値を示す。この図からCoCrAlY の磁性は、試験温度1000℃の熱時効材は950℃の熱時効材より比透磁率が高いことが判った。また、両者の比透磁率は試験時間とともに上昇傾向を示す。IN738LCおよびCoCrAlY に磁性が生じたのは、それぞれの主成分であるNiおよびCoが強磁性元素であり、それらの化合物の結晶構造が磁化し易い結晶構造に変化したことが原因と考えられる。
【００２８】
2.2 熱処理温度と比透磁率の相関性
図１に示す測定結果から、CoCrAlY は熱処理により磁性が変化し、熱処理温度に応じて磁性が強くなることが観測された。さらに、温度と比透磁率との関係を考察するため、CoCrAlYの単体の試験片(CoCrAlY 材)およびニッケル超合金基材にコーティング溶射した円盤試験片(コート材)に対し、温度を850℃から1050℃まで変化させ、10時間の熱処理を実施した。各試験片に対するμメータの出力値を図２の（ａ），（ｂ）に示す。単体のCoCrAlY 材に関しては、図２の（ａ）に示すように、参考のためVSM による測定で得られた初期比透磁率も載せている。今回用いたμメータは、平面部が3mmφ以上で、かつ厚さが1.5mm以上ある試験片に対して、出力値が比透磁率に相当するように調整されている。しかしながら、図２の（ｂ）に示すように、コート材のCoCrAlYコーティングは0.2mmと薄いため、出力値は実際の比透磁率と大きく異なっていた。しかし、図２より、熱処理温度の上昇に伴い、CoCrAlY 材の磁性は強くなることが判った。即ち、コーティング試験片においては、非コーティング面（基材となるIN738LCが露出している面）では磁性に変化が見られなかったのに対し、コーティング面では磁性が強くなることを確認することができた。このことから、１０時間程度の加熱処理下では、仮にコーティングに欠損等が生じて基材が露出していたとしても、基材は磁性をもつことがないのでその影響はなく、測定された透磁率は全てCoCrAlYコーティングからのものであると言える。コーティングの欠損等により露出した基材が磁性を生じるのは５００時間程度経過してからである。
【００２９】
以上の結果は、CoCrAlYのコーティングの磁性が応力に影響されなければ、温度との間に相関を有し、コーティングの磁性を測定することにより、加えられた温度を推定することが可能となることを示唆している。
【００３０】
そこで、CoCrAlYの透磁率の応力による影響を調べるため，クリープ試験を実施し，比透磁率をμメータにより測定した。試験条件は以下に示す通りである。
温度：975℃
応力：50MPa，100MPa
時間：50hrs
比較のため，クリープ試験と同じ温度制御の熱時効試験も実施した。磁気測定を中心部で軸方向に２点、周方向に等間隔で４点の計８箇所で実施した。それぞれの試験片の比透磁率を図３に示す。図３から判るように応力による影響は無視できるほど小さいものであった。
【００３１】
３．コーティング厚さの推定
上述のように、溶射工程直後のCoCrAlY は、IN738LC とほぼ等しい磁気的物性を有するが、熱処理により磁性を制御できる。すなわち、熱処理によりコーティングと基材を磁気的に異なるものとすることができることが示された。また、透磁率が応力に影響されないことも示された。そこで、コーティングの磁性を制御することにより、電磁気的にコーティング厚さを推定することが可能となる。この検討のため、上述した１３種類の厚さの異なるCoCrAlY コーティングを有する試験片を用いてコーティング厚さの推定を実施した。用いた試験片のCoCrAlY の磁性は基材より強くなっていた。これは１３００℃級のガスタービン動翼の場合は、CoCrAlY の上にアルミパックが施工されるため、そのアルミパックの熱処理過程（セメンテーション）によるものと考えられる。各試験片の透磁率は低透磁率計(μメータ)を用いた。測定方法としては、磁性に対して感度を有するECT、磁気法(NLH)および交流電位差法も考えられる。高温環境下における試験体に付着する酸化膜が電気絶縁層と成り得ることを考えると、非接触に測定できるECTおよびNLHが有効であり、両手法によるコーティング厚さの推定は十分期待できる。なお、アルミパックの磁性はECTおよびMTの検出感度から無視できるほど小さいが、アルミパックのため基材の感度が低くなることから、アルミパックがあるケースではμメータの利用の方が精度が良い。勿論、アルミパックのないガスタービン動翼の耐食コーティングを対象とする場合には、ＥＣＴでもばらつきは生じない。
【００３２】
厚さの異なるCoCrAlYコーティングを有する試験片をμメータによりリフトオフ0.1mmで測定した。Ａスキャン（１点測定）して得られた信号（それぞれの縦軸はμメータ出力）を図４に示す。試験周波数には、コーティング厚さの変化に最も感度が高くなるように、測定系で許容される最高の周波数である５MHzを選んだ。コーティング厚さとμメータ出力（絶対値）には相関性があることを確認できる。尚、図示していないが、ＥＣＴによる測定結果からもコーティング厚さを推定できたが、アルミパックを有する場合にはその導電性により、コーティング厚さの差異に対する感度が低くなるため、測定結果にばらつきが見られた。試験周波数を500kHz、１MHzと変化させても、信号のばらつきは改善されず、逆に試験周波数を５ｋＨｚとした場合、出力が得られなかった。
【００３３】
ここで、μメータの出力値とコーティング厚さは線形関係にあり、アルミパックを有する場合にはＥＣＴよりも精度良く厚さを推定できることが期待できる。図４において、コーティング厚さと各測定結果の関係を線形近似することによって得られた直線を用い、コーティング厚さを推定した。推定結果を図５に示す。この図からμメータの測定結果は、推定が精度良いことを示唆しており、コーティング厚さの推定に適していると言える。μメータの出力とコーティング厚さの相関性は測定原理から考察できる。図６にμメータのセンサおよび測定回路を示す。センサが空気中にある場合、センサの芯であるパーマロイの磁気抵抗は上下で対象となり、検出コイルの差動出力電圧は零となる。一方、センサが磁性体の近傍にある場合では、パーマロイの磁性体に近い部分の磁気抵抗が変化し、差動出力電圧は零にはならない。μメータはこの電圧から比透磁率に相当する数値を出力するように電気回路が設計されている。この磁気抵抗の変化は、測定領域内の磁気モーメントの積分値に関連する。使用した試験片のコーティングが薄いため、結果としてコーティング厚さに応じた出力値が得られている。
【００３４】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施例ではタービン動翼の耐食コーティングに適用した例を示したが、これは一例にすぎず、高温雰囲気下で使用されるタービン動翼以外の高温部材あるいは構造物の耐食コーティングあるいは高温環境下での使用で強磁性を示す組成を有するそれ以外の用途のコーティング材にも適用可能であることはいうまでもない。
【００３５】
また、本実施形態では、磁化に関する物理的現象として透磁率を測定するようにしているがこれに特に限定されず、場合によっては渦電流法や磁気法などによって得られる磁化に関する物理的現象を用いるようにしても良い。渦電流法は、磁性体に交流磁界を与えて電磁誘導により渦電流を発生されてそれがつくる鎖交磁束を測定するものである。渦電流がつくる磁束は磁性材料の透磁率を反映しているものなので、透磁率の変化が渦電流や磁束の変化としてＥＣＴ出力に影響を与えるため、これら出力とコーティング厚さとの相関を示す検定曲線を作成し、かつ同じ熱処理温度下での検査対象コーティングからのＥＣＴ出力を求めれば、これらからコーティング厚さを推定することができる。また、磁気法の１つとしては、例えばＮＬＨ（Non linear harmonic）法が挙げられる。このＮＬＨ法は、磁性体に交流磁界をかけると、磁気誘導波形に歪みが生じることを利用して、磁性体の磁性に関連する信号を出力するものである。この歪んだ波形は加えた磁界を基本波として奇数倍の高調波を含む。交流磁界を加え、測定された磁気誘導波形の第三次高調波の振幅は磁性体の磁性に相関性があるため、振幅から磁性の程度を決定することができる。この場合にも、透磁率の変化が磁気誘導によって生じる磁束ひいてはＮＬＨの出力に影響を与えるため、この出力を利用して検定曲線を作成し、更に検査対象からの出力でコーティング厚さを推定することができる。
【００３６】
更に、本実施形態では、ニッケル超合金IN738LCの基材にCoCrAlYのコーティング層を形成した１１００℃級ガスタービン初段動翼を例に挙げて主に説明しているが、これに特に限られず、NiCoCrAlYやCoNiCrAlYなどの耐食コーティングについても適用可能であるし、また、強磁性となり得る組成を有するコーティングであれば耐摩耗コーティングやその他の用途のコーティングの厚さ検査にも適用できることは言うまでもない。更に、アルミパックのような非磁性材料（比透磁率が１に近く、強い磁性を示さない材料）で覆われた１３００℃ガスタービン初段動翼のようなものでも適用可能である。アルミパックの透磁率は真空とほぼ等しいため、アルミパックの有無によらず、CoCrAlY の磁性が顕著であれば本手法は有効である。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明のコーティング厚さ検査法によると、コーティングの厚さを非破壊的に正確に推定することができる。このことは、ガスタービン動翼のような極めて高価な部品を適切な寿命まで使用することを可能とするコーティングの定量的な評価、即ち耐食性を保持するに十分な厚さであるか否かを定量的に評価できるので、ガスタービン動翼の余寿命評価を成す上で極めて効果的である。
【００３８】
特に、磁化に関する物理的現象の変化量として透磁率を採用しているので、得られる検出信号も極めて明瞭なものとなり、測定が容易となる。
【００３９】
また、請求項２記載の発明によると、耐食コーティングの磁化が応力の影響を受けずに温度にのみ影響されるので、耐食コーティングの厚さの推定精度が高くなる。
【００４０】
更に、請求項３記載の発明によると、ガスタービン動翼の製造工程で必然的に加えられる熱処理の熱を利用して耐食コーティングを磁化するようにしているので、新たな熱処理工程の追加を必要とせず、省エネによるコストダウンが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】CoCrAlY熱時効材の比透磁率を熱処理温度毎に示すグラフである。
【図２】CoCrAlYの比透磁率の熱処理温度依存性を示すグラフで、（ａ）はCoCrAlY材、（ｂ）はコート材の測定結果を示す。
【図３】CoCrAlYの透磁率の応力による影響を調べる試験結果を示すグラフで、比透磁率と応力との関係を示している。
【図４】コーティング厚さとμメータの出力値の関係を示すグラフである。
【図５】コーティング厚さ推定結果の比較を示すグラフである。
【図６】μメータの測定原理を示す（ａ）空気中にあるセンサ、（ｂ）磁性体の近傍にあるセンサの概略図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention mainly relates to a method for inspecting a coating thickness during manufacturing. More particularly, the present invention relates to a method suitable for inspecting the thickness of a corrosion resistant coating on a gas turbine blade.
[0002]
[Prior art]
Since it is effective to increase the temperature of the combustion gas in order to achieve high efficiency of the gas turbine for power generation, severe operating conditions are imposed on high-temperature parts such as moving blades, stationary blades, and combustors. In particular, severe conditions and high safety are imposed on moving blades that rotate at high speed, especially first-stage blades that are first sprayed with high-pressure and high-temperature gas. Therefore, it is required to apply a corrosion-resistant coating having a sufficient thickness on the surface of the rotor blade.
[0003]
The application of anti-corrosion coating to gas turbine blades has been performed by vacuum plasma spraying because the gas turbine blades have a complicated curved surface, and the thickness has been experienced by adjusting the spraying time. Controlled.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, since the method of nondestructively inspecting the thickness of the anticorrosion coating has not been established so far, in order to quantitatively evaluate the thickness of the anticorrosion coating after spraying, the rotor blade is destroyed and the structure is observed. Had to do. However, since the thickness of the corrosion-resistant coating cannot be measured by breaking an expensive blade, the corrosion-resistant coating thickness is not actually measured. On the other hand, since the thickness of the corrosion resistant coating is greatly related to the corrosion resistance of the rotor blade, it is desired to be evaluated quantitatively. Further, it is desired to quantitatively evaluate whether a desired thickness is obtained not only in a corrosion resistant coating but also in a coating including a composition that can become ferromagnetic, for example, an abrasion resistant coating.
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an inspection method for nondestructive inspection of the thickness of a coating, particularly the thickness of a corrosion-resistant coating.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of various studies and experiments conducted by the present inventors in order to achieve such an object, a coating having a composition that can become ferromagnetic can be used in a temperature environment where the crystal structure changes to a crystal structure that is easily magnetized. In corrosion-resistant coatings, magnetism occurs when subjected to a high heat of about 800 ° C., and further, a physical phenomenon related to the magnetization, such as magnetic permeability, is uniformly determined by the temperature at that time, and the magnetic permeability value is reflected in the temperature history. I came to know that. More specifically, for example, a high-temperature component such as a turbine rotor blade having a metal coating on a nickel-based superalloy base material has a high temperature when used in a high-temperature atmosphere even though it is not magnetized at the time of manufacture. It was found that the metal coating became a ferromagnetic body under the influence, and the strength of the ferromagnetism changed according to the maximum temperature reached, and remained for a certain time, for example, about 100 hours. Further, a corrosion-resistant coating material mainly composed of at least one of cobalt, nickel and ferrite, in particular, a gas turbine blade material having a CoCrAlY coating on its surface, or a gas turbine in which the coating is further provided with an Al pack For rotor blade materials, experiments have shown that magnetism does not depend on stress. That is, in such a material, it has been found that magnetism depends on thermal history and does not depend on stress. That is, when the heat treatment temperature is kept constant, the magnetic permeability is uniformly determined, and it has been found that the magnetic strength depends on the thickness of the coating.
[0007]
The invention according to claim 1 is based on such knowledge, and in a method for inspecting the thickness of a coating having a composition capable of becoming ferromagnetic applied to the surface of a structural member, a constant temperature is used by using the same material as the coating material. in advance seeking calibration curve showing the correlation between the permeability and the coating thickness when the heat treatment, measuring the coating of magnetic permeability with a heat treatment to the coating at the same temperature as the heat treatment for obtaining the calibration curve performed, the permeability From this, the thickness of the coating is estimated using a calibration curve.
[0008]
Therefore, if you use the same material as the coating, and obtain a calibration curve that shows the correlation between permeability and coating thickness as the amount of change in the physical phenomenon related to magnetization when changing the thickness and heat treatment temperature at a constant temperature, The thickness of the coating can be determined by using the calibration curve simply by obtaining the magnetic permeability when the heat treatment at the same temperature as the heat treatment for obtaining the calibration curve is obtained for the coating in the manufacturing process. For example, in the case of a turbine blade with a corrosion-resistant metal coating applied to a nickel-based superalloy substrate, the substrate and coating are unlikely to become ferromagnetic in the manufacturing process, but when annealed at a certain temperature, the corrosion-resistant coating becomes ferromagnetic. The substrate and the coating are magnetically different materials. Therefore, the magnetism of this corrosion-resistant coating is controlled by heat-treating the rotor blade at the same temperature as the heat treatment temperature applied when obtaining the calibration curve, and the coating thickness is estimated from the correlation between the known permeability and the coating thickness. It becomes possible.
[0009]
As the physical phenomena relating to the magnetization, but the adoption of permeability is preferred, by the distortion of the eddy current and magnetic induction waveform if example embodiment, it is possible to correlate the coating thickness.
[0010]
Further, an invention according to claim 2, wherein, in the coating thickness inspection method 請 Motomeko 1 wherein the structural member is a gas turbine rotor blade is characterized by coating a corrosion resistant coating consisting of CoCrAlY. In this case, a CoCrAlY coating that does not exhibit magnetism together with the turbine blade base material at the time of manufacture is used in a high-temperature atmosphere, thereby producing magnetism and becoming a ferromagnetic material. Moreover, this magnetism depends only on the thermal history and not on the stress. From this, the magnetism of the coating is stored as temperature history information depending on the reached temperature, and is maintained for about 100 hours. Therefore, the coating thickness can be estimated by measuring the magnetic permeability under the same heat treatment temperature condition.
[0011]
Furthermore, the invention described in claim 3 is the coating thickness inspection method according to claim 1, wherein the structural member is a gas turbine rotor blade and an aluminum pack layer is further formed on the corrosion resistant coating. The heat treatment for the coating is a heat treatment during the cementation treatment of the aluminum pack.
[0012]
For example, in the case of a high-temperature member such as a 1300 ° C. class gas turbine blade whose aluminum coating (aluminum pack) enhances corrosion resistance, the metal coating becomes ferromagnetic due to heat treatment in the aluminum coating cementation. Therefore, in this case, it is not necessary to add a new heat treatment process separately from the manufacturing process, and the magnetism can be measured to inspect the corrosion resistant coating thickness. Of course, in the case of a gas turbine first stage rotor blade not provided with an aluminum pack, the heat of cementation cannot be used, so it is necessary to prepare a heat treatment process separately from the heat treatment required in the manufacturing process. Become.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the inspection method of the corrosion-resistant coating thickness of the present invention will be described in detail based on one embodiment.
[0014]
This coating thickness inspection method is a method in which the thickness of a coating having a composition that can become ferromagnetic is mainly inspected at the time of manufacturing, and is a physical property related to magnetization when heat-treated at a constant temperature using the same material as the coating material. Obtain a calibration curve indicating the correlation between the amount of change in the phenomenon and the coating thickness, heat-treat the coating at the same temperature as the heat treatment for obtaining the calibration curve, and measure the amount of change in the physical phenomenon related to the magnetization of the coating, The thickness of the coating is estimated from the amount of change using a test curve. Here, as a physical phenomenon related to magnetization, the magnetic permeability is adopted in the present embodiment, but is not particularly limited to this, and other physical phenomena related to magnetization such as eddy current and distortion of magnetic induction waveform are used. Can also be correlated with the coating thickness.
[0015]
The test curve for coating thickness and permeability is heat-treated for a predetermined time, for example, about 10 hours at different thicknesses at a constant heat treatment temperature using the same material as the coating or a member equivalent thereto (hereinafter referred to as a contrast specimen). It is obtained by plotting the correlation between the resulting permeability and the coating thickness. Here, a coating having a composition that can become ferromagnetic is used when it is used in a temperature environment in which its crystal structure changes to a crystal structure that is easily magnetized, for example, when it is subjected to a high heat of about 800 ° C. in a corrosion-resistant coating, Depending on the coating material according to the application, magnetism occurs when receiving heat of about 500 to 600 ° C. For example, when inspecting the thickness of the anticorrosion coating of a gas turbine blade, the blade (or an equivalent member) is used as a comparison specimen, and the comparison specimen is heat-treated at 800 ° C. to 1000 ° C. Measure magnetism and create a calibration curve for coating thickness and permeability.
[0016]
Here, as a coating material having a composition that can become ferromagnetic, for example, a material mainly composed of at least one of cobalt, nickel, and ferrite can be cited as a representative material. However, the coating material is not particularly limited thereto. Absent. For example, in the case of a corrosion resistant coating material for gas turbine blades, the surface layer of a base material made of nickel superalloy IN738LC or nickel superalloy directional solidified (DS) material, CoCrAlY coating or its coating Furthermore, an Al pack is applied, and the CoCrAlY coating layer portion becomes ferromagnetic during rated operation.
[0017]
Using the calibration curve showing the correlation between the coating thickness thus obtained and the magnetic permeability, after the thermal spraying of the corrosion-resistant coating in the production process, the same temperature (for example, about 800 ° C.) as the heat treatment temperature when obtaining the calibration curve. Heat treatment is performed, the magnetic permeability is measured, and the corrosion resistant coating thickness can be obtained from the measured magnetic permeability. The numerical value and fluctuation of the magnetic permeability at a constant temperature are reflected in the coating thickness and are determined uniformly. Therefore, the coating thickness can be estimated uniquely and accurately from the measured permeability using a test curve. The magnetic measurement of the coating is preferably performed using, for example, a low permeability meter.
[0018]
【Example】
A method for inspecting the thickness of the corrosion-resistant coating applied to the first stage blade of the gas turbine will be described below.
[0019]
1. Preparation of test piece In order to measure the magnetic properties of the first stage blade material, a test piece of the same material as the first stage blade was prepared. Nickel superalloy IN738LC used for the base material of 1100 ° C class gas turbine first stage rotor blades, Nickel superalloy unidirectionally solidified (Directionally Solidified, DS) material used for the base material of 1300 ° C gas turbine first stage rotor blades, And CoCrAlY used for corrosion-resistant coating was processed individually. Then, in order to artificially deteriorate the IN738LC and CoCrAlY specimens, two pieces were subjected to a thermal aging test at 950 ° C. and 1000 ° C. in the atmosphere to produce a thermal aging material. Table 1 shows the shape and number of the test pieces, Table 2 shows the chemical composition of the nickel-based alloy, and Table 3 shows the chemical composition of the corrosion-resistant coating CoCrAlY.
[0020]
[Table 1]

[0021]
[Table 2]

[0022]
[Table 3]

[0023]
In order to estimate the coating thickness, test pieces having different coating thicknesses were prepared. In this test piece, CoCrAlY was sprayed on the curved surface of 13 cylindrical DS materials so as to have coatings with different thicknesses in the range of 51 to 352 μm, and then an aluminum pack was applied. The thickness of the aluminum pack was about 20 microns.
[0024]
2. Magnetic properties of first stage blade material
2.1 Measurement of magnetic properties First, Table 4 shows the results of measuring the relative permeability of unaged materials comparable to the conditions at the time of manufacture of gas turbine rotor blades using a μ meter. This result is a result of measurement by pressing the μ meter probe against the center of both flat portions of the test piece. From Table 4, it can be seen that the magnetic properties of the nickel-base superalloy and CoCrAlY are negligibly small, that is, they do not show magnetism when not heat-treated. However, in the heat aging material of IN738LC as the base material, no remarkable magnetism was observed immediately after the heat treatment at high temperature (950 ° C, 1000 ° C), and the surface layer of the specimen was oxidized and magnetized after the heat treatment for 500 hours. Has occurred. Incidentally, when the measurement object is a moving blade having an irregular curved surface shape, it is suitable to use a μ meter that has a narrow measurement influence region and a small signal attenuation due to a lift-off change. The permeability measurement by the μ meter is to generate a voltage proportional to the permeability on the test piece by the principle of magnetic induction. An eddy current is generated at the same time as a signal proportional to the magnetic permeability, and a signal corresponding to the influence is also output. However, the signal due to the eddy current is removed by the phase detection circuit, and only proportional to the magnetic permeability. By taking out the signal, it can be measured with high sensitivity. In the IN738LC heat-aged material after polishing, no significant magnetism was observed, but after 500 hours, magnetism occurred on the surface of the specimen.
[0025]
[Table 4]

[0026]
Next, the relative permeability of the heat aging material of the test piece was measured. The result is shown in FIG. In the measurement, data was acquired at room temperature. The relative permeability was measured using a low permeability meter (μ meter) and a vibrating sample magnetometer (VSM) that can easily evaluate magnetism. Since the resistance measurement was impossible due to the oxide film adhering to the surface of the heat aging material, the relative permeability was measured after polishing the test piece.
[0027]
FIG. 1 shows the average value of the μ meter output value (corresponding to the relative permeability) for CoCrAlY. From this figure, it was found that the magnetic permeability of CoCrAlY is higher in the magnetic permeability of the heat aging material at the test temperature of 1000 ° C than that of the heat aging material at 950 ° C. Moreover, both relative magnetic permeability shows an upward tendency with test time. The reason why magnetism occurred in IN738LC and CoCrAlY is thought to be that Ni and Co, which are the main components, are ferromagnetic elements, and the crystal structure of these compounds has changed to a magnetized crystal structure.
[0028]
2.2 Correlation between heat treatment temperature and relative permeability From the measurement results shown in Fig. 1, it was observed that CoCrAlY changed its magnetic properties by heat treatment and became stronger with the heat treatment temperature. Furthermore, in order to consider the relationship between temperature and relative magnetic permeability, the temperature was measured from 850 ° C on a single specimen of CoCrAlY (CoCrAlY material) and a disk specimen (coat material) sprayed onto a nickel superalloy substrate. The temperature was changed to 1050 ° C. and heat treatment was performed for 10 hours. The output value of the μ meter for each test piece is shown in FIGS. For the single CoCrAlY material, as shown in Fig. 2 (a), the initial relative magnetic permeability obtained by VSM measurement is also included for reference. The μ meter used this time is adjusted so that the output value corresponds to the relative magnetic permeability of a test piece having a plane portion of 3 mmφ or more and a thickness of 1.5 mm or more. However, as shown in FIG. 2 (b), the CoCrAlY coating of the coating material was as thin as 0.2 mm, so the output value was greatly different from the actual relative permeability. However, FIG. 2 shows that the magnetism of the CoCrAlY material becomes stronger as the heat treatment temperature increases. That is, in the coated test piece, it was confirmed that the magnetism did not change on the non-coated surface (the surface on which the IN738LC as the base material was exposed), whereas the magnetic property was confirmed on the coated surface. did it. From this, under the heat treatment for about 10 hours, even if a defect or the like occurs in the coating and the base material is exposed, the base material does not have magnetism. It can be said that all the magnetic susceptibility is from CoCrAlY coating. It is after about 500 hours that the exposed substrate is magnetized due to coating defects or the like.
[0029]
The above results show that if the magnetic properties of the CoCrAlY coating are not affected by stress, there is a correlation with the temperature, and it is possible to estimate the applied temperature by measuring the magnetic properties of the coating. It suggests.
[0030]
Therefore, in order to investigate the effect of CoCrAlY permeability on the stress, a creep test was performed and the relative permeability was measured with a micrometer. The test conditions are as shown below.
Temperature: 975 ° C
Stress: 50MPa, 100MPa
Time: 50hrs
For comparison, a thermal aging test with the same temperature control as the creep test was also conducted. Magnetic measurement was carried out at a total of 8 points, 2 points in the axial direction at the center and 4 points at equal intervals in the circumferential direction. The relative magnetic permeability of each test piece is shown in FIG. As can be seen from FIG. 3, the influence of stress was negligibly small.
[0031]
3. Estimation of Coating Thickness As described above, CoCrAlY immediately after the thermal spraying process has almost the same magnetic properties as IN738LC, but the magnetism can be controlled by heat treatment. That is, it was shown that the coating and the substrate can be made magnetically different by heat treatment. It was also shown that permeability is not affected by stress. Therefore, the coating thickness can be estimated electromagnetically by controlling the magnetism of the coating. For this study, the coating thickness was estimated using the above-mentioned 13 types of specimens having different CoCrAlY coatings. The magnetic strength of CoCrAlY of the test piece used was stronger than that of the base material. This is considered to be due to the heat treatment process (cementation) of the aluminum pack because the aluminum pack is applied on the CoCrAlY in the case of a 1300 ° C class gas turbine blade. The permeability of each test piece was a low permeability meter (μ meter). As a measuring method, ECT having sensitivity to magnetism, a magnetic method (NLH), and an AC potential difference method are also conceivable. Considering that the oxide film adhering to the specimen in a high-temperature environment can be an electrical insulation layer, ECT and NLH that can be measured in a non-contact manner are effective, and the estimation of the coating thickness by both methods can be expected sufficiently. The magnetic properties of aluminum packs are negligibly small from the detection sensitivity of ECT and MT, but the sensitivity of the base material is low because of the aluminum packs, so in the case with an aluminum pack, the use of a μ meter is better. . Of course, when the corrosion resistant coating of the gas turbine rotor blade without an aluminum pack is targeted, the ECT does not vary.
[0032]
Specimens with CoCrAlY coatings of different thicknesses were measured with a micrometer at a lift-off of 0.1 mm. FIG. 4 shows signals obtained by A-scan (single point measurement) (each vertical axis is μ meter output). As the test frequency, 5 MHz, which is the highest frequency allowed in the measurement system, was selected so as to be most sensitive to changes in the coating thickness. It can be confirmed that there is a correlation between the coating thickness and the μ meter output (absolute value). Although not shown, the coating thickness could be estimated from the ECT measurement results. However, when an aluminum pack is used, the conductivity is low, so the sensitivity to the difference in coating thickness is low. Variation was seen. Even if the test frequency was changed to 500 kHz and 1 MHz, the signal variation was not improved. Conversely, when the test frequency was 5 kHz, no output was obtained.
[0033]
Here, the output value of the μ meter and the coating thickness are in a linear relationship, and it can be expected that the thickness can be estimated with higher accuracy than ECT when an aluminum pack is provided. In FIG. 4, the coating thickness was estimated using a straight line obtained by linearly approximating the relationship between the coating thickness and each measurement result. The estimation results are shown in FIG. From this figure, the measurement result of the μ meter suggests that the estimation is accurate and can be said to be suitable for the estimation of the coating thickness. The correlation between μmeter output and coating thickness can be considered from the measurement principle. FIG. 6 shows a sensor and measurement circuit of the μ meter. When the sensor is in the air, the magnetic resistance of the permalloy, which is the core of the sensor, becomes the target at the top and bottom, and the differential output voltage of the detection coil becomes zero. On the other hand, when the sensor is in the vicinity of the magnetic body, the magnetoresistance of the portion close to the permalloy magnetic body changes and the differential output voltage does not become zero. The μ meter is designed to output a value corresponding to the relative permeability from this voltage. This change in magnetoresistance is related to the integral value of the magnetic moment in the measurement region. Since the coating of the test piece used was thin, an output value corresponding to the coating thickness was obtained as a result.
[0034]
The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in this embodiment, an example of application to a corrosion resistant coating on a turbine blade has been shown, but this is only an example, and a corrosion resistant coating or high temperature on a high temperature member or structure other than a turbine blade used in a high temperature atmosphere. Needless to say, the present invention can also be applied to coating materials for other uses having a composition exhibiting ferromagnetism when used in an environment.
[0035]
In this embodiment, the magnetic permeability is measured as a physical phenomenon related to magnetization. However, the present invention is not particularly limited to this, and in some cases, a physical phenomenon related to magnetization obtained by an eddy current method or a magnetic method is used. You may do it. The eddy current method measures an interlinkage magnetic flux generated by applying an alternating magnetic field to a magnetic material and generating an eddy current by electromagnetic induction. Since the magnetic flux produced by the eddy current reflects the magnetic permeability of the magnetic material, changes in the magnetic permeability affect the ECT output as changes in the eddy current and magnetic flux. If a curve is created and the ECT output from the coating to be inspected under the same heat treatment temperature is obtained, the coating thickness can be estimated from these. As one of the magnetic methods, for example, an NLH (Non linear harmonic) method can be cited. This NLH method outputs a signal related to magnetism of a magnetic material by utilizing the fact that a magnetic induction waveform is distorted when an AC magnetic field is applied to the magnetic material. This distorted waveform includes an odd multiple of harmonics with the applied magnetic field as the fundamental wave. Since an AC magnetic field is applied and the amplitude of the third harmonic of the measured magnetic induction waveform is correlated with the magnetism of the magnetic material, the degree of magnetism can be determined from the amplitude. Also in this case, since the change in magnetic permeability affects the magnetic flux generated by the magnetic induction and thus the output of NLH, a test curve is created using this output, and the coating thickness is estimated from the output from the inspection object. be able to.
[0036]
Further, in the present embodiment, the description is mainly given by taking as an example a first stage blade of a 1100 ° C. class gas turbine in which a CoCrAlY coating layer is formed on a base material of a nickel superalloy IN738LC. However, the present invention is not particularly limited to this, and NiCoCrAlY Needless to say, the present invention can be applied to corrosion resistant coatings such as CoNiCrAlY and coatings having a composition that can become ferromagnetic, and can also be applied to thickness inspection of wear resistant coatings and coatings for other uses. Furthermore, it can also be applied to a 1300 ° C. gas turbine first stage moving blade covered with a nonmagnetic material (a material having a relative permeability close to 1 and not exhibiting strong magnetism) such as an aluminum pack. Since the magnetic permeability of the aluminum pack is almost equal to the vacuum, this method is effective as long as the magnetism of CoCrAlY is remarkable regardless of the presence or absence of the aluminum pack.
[0037]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the coating thickness inspection method of the present invention, the thickness of the coating can be accurately estimated non-destructively. This is a quantitative evaluation of the coating that allows extremely expensive parts such as gas turbine blades to be used to the proper lifetime, i.e. whether the thickness is sufficient to maintain corrosion resistance. Since it can be quantitatively evaluated, it is extremely effective in evaluating the remaining life of the gas turbine rotor blade.
[0038]
In particular, because it uses magnetic permeability as the change amount of the physical phenomena relating to the magnetization, the detection signal obtained becomes an extremely clear, it is easy to measure.
[0039]
According to the second aspect of the present invention, since the magnetization of the anticorrosion coating is influenced only by the temperature without being affected by the stress, the estimation accuracy of the thickness of the anticorrosion coating is increased.
[0040]
Furthermore, according to the invention described in claim 3 , since the heat-resistant heat that is inevitably applied in the manufacturing process of the gas turbine rotor blade is used to magnetize the corrosion resistant coating, it is necessary to add a new heat treatment process. However, it is possible to reduce costs by saving energy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the relative magnetic permeability of CoCrAlY thermal aging material for each heat treatment temperature.
FIG. 2 is a graph showing the heat treatment temperature dependency of the relative permeability of CoCrAlY, where (a) shows the measurement results of the CoCrAlY material and (b) shows the measurement results of the coating material.
FIG. 3 is a graph showing test results for examining the effect of CoCrAlY permeability on stress, showing the relationship between relative permeability and stress.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the coating thickness and the output value of the μ meter.
FIG. 5 is a graph showing a comparison of coating thickness estimation results.
FIGS. 6A and 6B are schematic views of (a) a sensor in the air and (b) a sensor in the vicinity of a magnetic body, showing the measurement principle of the μ meter.

Claims

構造部材の表面に施された強磁性となり得る組成のコーティングの厚さを検査する方法において、前記コーティング材と同じ材料を使って一定温度で熱処理したときの透磁率とコーティング厚さとの相関を示す検定曲線を求めておき、前記検定曲線を求める際の熱処理と同じ温度で前記コーティングに熱処理を施すと共に前記コーティングの前記透磁率を測定し、この透磁率から前記検定曲線を利用して前記コーティングの厚さを推定することを特徴とするコーティング厚さ検査法。In a method for inspecting the thickness of a coating having a composition capable of becoming ferromagnetic applied to the surface of a structural member, the correlation between magnetic permeability and coating thickness when heat-treated at a constant temperature using the same material as the coating material is shown. to previously obtain a calibration curve, the permeability of the coating with a heat treatment to the coating at the same temperature as the heat treatment for obtaining the calibration curve is measured, of the coating by using the calibration curve from the magnetic permeability A coating thickness inspection method characterized by estimating the thickness.

前記構造部材はガスタービン動翼であり、前記コーティングはCoCrAlYから成る耐食コーティングであることを特徴とする請求項１記載のコーティング厚さ検査法。 The coating thickness inspection method according to claim 1, wherein the structural member is a gas turbine blade, and the coating is a corrosion resistant coating made of CoCrAlY.

前記構造部材がガスタービン動翼であり、耐食コーティングの上に更にアルミパック層が形成されている場合において、前記耐食コーティングに対する熱処理は、前記アルミパックのセメンテーション処理の際の加熱処理であることを特徴とする請求項１記載のコーティング厚さ検査法。 When the structural member is a gas turbine blade and an aluminum pack layer is further formed on the corrosion-resistant coating, the heat treatment for the corrosion-resistant coating is a heat treatment during the cementation treatment of the aluminum pack. The coating thickness inspection method according to claim 1.