JP4131893B2 - コーティング材の劣化判定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温雰囲気で使用するガスタービン高温部材に保護層を形成した、そのコーティング材の劣化判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン高温部材、例えばタービン静翼材あるいはタービン動翼材等は、燃焼ガス（ガスタービン入口のガスタービン駆動ガス）の温度が１３００℃以上の高温雰囲気の下で運転しているので、翼母材の表面に耐熱性のコーティング材を被覆しているが、経年的に高温腐食や酸化等によりコーティング層が劣化し、その劣化がコーティング層表面から厚み方向に進行し、ついで翼母材にまで達することがある。
【０００３】
このため、翼母材に劣化が進行する以前にコーティング層の劣化程度を的確に計測・評価することがガスタービンに安定運転を行わせることができる上で大切である。
【０００４】
コーティング層の劣化を検出する方法は、評価部分の合金元素の濃度分布の変化やγ′相等の組織変化を検出し、その変化率とクリープ強度などの機械的特性との相関からコーティング層の劣化程度を評価するものがあり、例えば特開平５−３１２８００号公報や特開平８−１０５８８２号公報等が公表されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
高温雰囲気で使用するガスタービン静翼やガスタービン動翼等のガスタービン高温部材は、運転中、高温燃焼ガスから翼母材等を保護する必要上、耐熱性のコーティング材で被覆しているが、経年的に高温腐食や酸化等により劣化する。
【０００６】
この劣力のメカニズムを、例えば白金アルミ（ＰｔＡｌ）のコーティング材で被覆したガスタービン動翼を例に採って考察してみる。
【０００７】
ガスタービン動翼は、運転中、高温燃焼ガス中に含まれる窒素（Ｎ）に晒されており、コーティング材のアルミ（Ａｌ）と反応して窒素化合物（ＡｌＮ）を生成させる。この窒素化合物がコーティング層の内部（厚み方向）に拡散し、翼母材にまで達する。この窒素化合物の影響により、コーティング層が劣化し、さら翼母材の劣化を引き起こすため、ガスタービン動翼の健全性が損われると考えられる。
【０００８】
コーティング層の劣化評価法は、上述のとおり、評価部分の合金元素の濃度分布の変化やγ′相等の組織変化を検出し、その変化率とクリープ強度等の機械的特性との相関から材料の劣化度合を評価するものであるが、機械的特性を間接的に評価しているため、高精度かつ的確な劣化評価を行うには十分とは言い難い。
【０００９】
また、この評価法を用いてコーティング層の厚み方向の評価を行うには、コーティング層の劣化の進行の如何に拘らず、コーティング材を採取するための翼母材を傷付ける場合が生じたり、また劣化があまり進行していないコーティング材であっても再び新たなコーティング材に交換しなければならないなど、稼動率の向上やコストの低減化に反し、運用上好ましくない。
【００１０】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、コーティング層に超音波弾性表面波を送波し、受波としての超音波弾性表面波のエネルギー変化を検出し、このエネルギーの変化に基づいてコーティング材の劣化度合を的確に判定するコーティング材の劣化判定方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項１に記載したように、コーティング材の劣化度評価部分を選定する工程と、選定した劣化度評価部分に異なる周波数の超音波をコーティング層に伝播させ、それぞれの周波数毎の音速値、減衰値または周波数解析による周波数特性値の少なくとも１つを計測する工程と、上記音速値、減衰値または周波数解析による周波数特性値の少なくとも１つを計測する工程と並列してコーティング層の厚さを求める工程と、上記コーティング層の厚さを求める工程で得られたコーティング層の厚さと、上記計測された周波数毎の音速値、減衰値または周波数解析による周波数特性値の少なくとも１つから各周波数毎のコーティング層における層厚方向のエネルギー分布を求め、求めたエネルギー分布に基づき各周波数毎のエネルギーの層厚毎の平均値を求め、この平均値と各層厚毎の全エネルギーに基づいて上記コーティング層を細分化した層厚毎に区分化する工程と、上記層厚毎に区分化されたデータを画像化する工程と、上記画像化したデータを予めデータベースとして格納しておいたマスターカーブに照合させ、上記コーティング材の補修の可否を判定する劣化度評価工程とを備えている方法である。
【００１２】
また、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記選定した劣化度評価部分の層厚を求める工程は、電磁気法でコーティング層の層厚を求める方法である。
【００１３】
また、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記コーティング層の層厚を求める電磁気法は、コーティング層からインピーダンス変化を計測し、計測したインピーダンスを予めデータベース化したマスターカーブに照合させてコーティング層の層厚を求める方法である。
【００１４】
また、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記選定した劣化度評価部分の層厚を求める工程は、超音波法でコーティング層の層厚を求める方法である。
【００１５】
また、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記コーティング層の層厚を求める超音波法は、コーティング層の境界面に超音波が到達する時間と、超音波の音速との掛算からコーティング層の層厚を求める方法である。
【００１６】
また、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項６に記載したように、前記コーティング層に伝播される超音波は、漏洩表面波を用いる方法である。
【００１７】
また、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項７に記載したように、前記コーティング層に伝播される超音波は、表面ＳＨ波であることを特徴とする方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法の実施形態を説明するために用いたブロック図である。
【００２０】
本実施形態は、白金アルミ（ＰｔＡｌ）をコーティング材として被覆したガスタービン動翼を一例に採っている。
【００２１】
コーティング材の劣化度合を評価するには、まず、ガスタービン動翼の熱応力解析あるいは目視検査等による評価部分を選択する（ステップ１）。選定された評価部分に対し、コーティング層の表面に周波数の異なる表面波を送波させ、それぞれの周波数毎に音速値、減衰率、周波数解析による周波数特性値（中心周波数、重心周波数、振幅強度、ピーク周波数など）を計測する（ステップ２）。ステップ２の周波数毎の音速値、減衰率および周波数特性値の計測と併列して電磁気法および超音波法のうち、いずれかの方法でコーティング層の厚さを計測する（ステップ３）。
【００２２】
次に、ステップ２で異なる周波数の表面波から求めた音速値等と、ステップ３で計測したコーティング層の厚さとから、コーティング層の各層毎における音速値等を区分化する（ステップ４）。
【００２３】
コーティング層の各層毎における音速値等の計測値の区分化が終ると、ステップ５では、ステップ３で求めたコーティング厚みを基にして区分化された音速値等のデータをカラー階調による３次元画像化し、任意のコーティング層においても平面画像あるいは断面画像で表示できるようにする。
【００２４】
さらに、区分化された計測値は、テスト材を予め計測しておき、その計測値を劣化度評価線であらわした、いわゆるマスターカーブをコンピュータに格納し、そのマスターカーブをデータベースにして照合し（ステップ６）、コーティング層の厚さ方向の劣化度合を評価する（ステップ７）。このデータベースとしてのマスターカーブは、テスト材から求めたコーティング層の厚み方向の音速値等とコーティング層の組織変化（ＡｌＮの体積率）とで作成されている。なお、ステップ７では、コーティング層の劣化度合をカラー階調による３次元画像化し、任意の層の位置で平面画像、断面画像などが表示できるようになっている。
【００２５】
最後に、ステップ７で求めたコーティング層の劣化度合分布を再コーティング判定基準を基に再コーティング実施時期、再コーティング実施時期を明示して運転継続、翼母材の劣化に伴う廃棄などの判定を行う（ステップ８）。
【００２６】
このように、本実施形態はコーティング層の表面に周波数の異なる表面波を送波して音速値等を求めるとともに、コーティング層の厚みを計測し、計測した各層毎に音速値等を区分化し、各層毎に音速値等を区分化したデータで３次元画像化し、さらに音速値等の計測値をデータベースとして格納したマスターカーブに照合させ、再コーティング判定基準を基にコーティング層の再コーティング時期等を判定するので、コーティング材の劣化度合を的確に判定することができる。
【００２７】
なお、本実施形態は、白金アルミ（ＰｔＡｌ）のコーティング材のほかに、耐熱性、耐酸化性に優れたコーティング材であれば、材料の種類を問わず適用することができる。
【００２８】
図２は、本発明に係るコーティング材の劣化判定装置の実施形態を説明するために用いた概略系統ブロック図である。
【００２９】
本実施形態は、例えば白金アルミ（ＰｔＡｌ）をコーティング材として被覆したガスタービン動翼を一例に採っている。
【００３０】
ガスタービン動翼は、翼母材１と白金アルミ（ＰｔＡｌ）のコーティング材２で被覆したコーティング層３とで形成しているが、運転中、燃焼ガスの高温雰囲気に晒されているため、その燃焼ガスに含まれる窒素ガス（Ｎ）がコーティング材２のアルミ（Ａｌ）と反応し、窒素化合物（ＡｌＮ）３ａを生成する。さらに、運転時間の増加に伴い、窒素化合物３ａは、コーティング層３の厚み方向に拡散し、やがて翼母材１に達する。
【００３１】
このように、窒素化合物３ａがコーティング層３の厚み方向に拡散するコーティング材２に対し、ガスタービン動翼は、例えば水を接触媒質ｃとするコーティング層３に超音波弾性表面波ＵＴｂを送波する超音波センサ４を設置する。
【００３２】
この超音波センサ４は、センサホルダ５を介してコーティング層３の層厚計測センサ６とともにセンサ保持機構部７に組み込まれている。
【００３３】
また、センサ保持機構部７は、センサ駆動機構部８、駆動機構制御装置９を介して制御装置１０を備え、この制御装置１０からの指令信号を駆動機構制御装置９で演算し、その演算信号をセンサ駆動機構部８に与えて駆動させ、このセンサ駆動機構部８の駆動力に基づいて超音波センサ４および層厚計測センサ６のそれぞれをコーティング層３の適正位置に進退させるようになっている。
【００３４】
一方、超音波センサ４および層厚計測センサ６のそれぞれは、超音波送受信器１１、膜厚計測装置１２のそれぞれを介して信号処理装置１３を備えている。
【００３５】
この信号処理装置１３は、超音波送受信器１１から受波した周波数の異なる超音波弾性表面波ＵＴｂに基づいて超音波特性値、具体的には音速値、減衰率、および異なる周波数特性値（中心周波数、重心周波数、振幅強度、ピーク周波数等）に処理するとともに、膜厚計測装置１２からのコーティング層膜厚信号に基づいて周波数の超音波特性値および周波数特性値をコーティング層３の厚み方向の各層毎に区分化する。
【００３６】
また、各層毎に区分化された上述の超音波特性値等は、表示装置１５でカラー階調による３次元画像化され、任意の層の位置で平面画像、断面画像、立体画像のうち、いずれかの画像にして表示される。なお、信号処理装置１３で各層毎に区分化された信号は、制御装置１０に与えられ、ここから駆動機構制御装置９への修正信号として用いられる。また、制御装置１０は、膜厚計測センサ６からコーティング層３に異なる周波数の超音波の選択ができ、また適正な周波数の超音波の選択ができるように、膜厚計測装置１２に制御信号を与えている。
【００３７】
他方、信号処理装置１３に接続する劣化度評価装置１４は、予めテスト材を用いて作成した超音波特性値等と劣化度合との関係をデータベースとして格納しておいたマスターカーブに、上述の超音波特性値等を照合させ、各層毎に区分化してコーティング層３の劣化度合を求めることができるようにしている。
【００３８】
その際、表示装置１５は、各層毎に区分化した劣化度合にコーティング層劣化度判定基準を突き合せ、その結果を再コーティング実施時期、再コーティング実施時期を明示して運転継続、翼母材の劣化に伴う廃棄等の情報として表示する。
【００３９】
このように、本実施形態は、超音波送受信器１１から受波した周波数の異なる超音波弾性表面波ＵＴｂと膜厚計測装置１２からのコーティング層膜厚信号とを組み合せてコーティング層３の各層毎に区分化して超音波特性値等に処理する信号処理装置１３と超音波特性値等をコーティング層３の劣化判定基準に突き合せて補修時期等の再コーティングの有無の判定を行う劣化度評価装置１４とを備えたので、コーティング材２の劣化度合を精度良く、的確に判定することができる。
【００４０】
図３および図４は、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法において、図１で示したステップ２の音速を求める場合の具体例を説明するために用いたもので、図３は、コーティング層に異なる周波数の超音波弾性表面波を送波したときの層厚方向のエネルギー分布図であり、図４中、（ａ）は層厚み方向の層厚毎のエネルギー分布線であり、（ｂ）は層厚み方向の寄与率を考慮した超音波弾性表面波のエネルギ分布図である。
【００４１】
一般に、コーティング層３の表面に異なる周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，…（ｆ１＞ｆ２＞ｆ３…）の超音波弾性表面波を送波する場合、コーティング層３の層厚み方向のエネルギ分布は、振幅強度の基準を１とするとき、図３に示すように、適用周波数が小さくなるに従ってコーティング層の層厚み方向に向って広がる傾向になっている。さら、適用周波数が小さくなると、エネルギー分布は適用周波数の１波長分とほぼ近似できるようになっている。
【００４２】
本実施形態は、このような点を利用したもので、図４（ａ）に示すように、コーティング層の各層厚み毎に異なる周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，…（ｆ１＞ｆ２＞ｆ３…）のエネルギー分布を求めたものである。
【００４３】
その際、適用周波数が小さくなると、コーティング層のより深い部分までのエネルギー分布情報が収集できるので、この深い部分までのエネルギー分布情報を寄与率としてコーティング層の各層における超音波弾性表面波の音速を求めることが必要とされる。
【００４４】
図４（ｂ）は、コーティング層３の層厚をｔ１，ｔ２，ｔ３，…に区分けし、区分けした層厚ｔ１，ｔ２，ｔ３，…に対応させて周波数ｆ１のときの超音波弾性表面波の層厚ｔ１までの平均エネルギーＥ１を求め、さらに周波数ｆ２のときの超音波弾性表面波の層厚ｔ１までの平均エネルギーＥ２１と層厚ｔ２までの平均エネルギーＥ２２を求める。この場合、層厚ｔ１までの寄与率α２１、層厚ｔ２までの寄与率α２２は、図４（ｃ）に示すように、それぞれα２１＝Ｅ２１／（Ｅ２１＋Ｅ２２）、α２２＝Ｅ２２／（Ｅ２１＋Ｅ２２）として求めることができる。
【００４５】
また、コーティング層の厚さ方向の音速は、次のように求めることができる。まず、センサ（探触子）を用いて周波数ｆ１のときの超音波弾性表面波ＵＴｂの音速ｖ１を求め（図４（ｃ）（１）参照）、さらにセンサを用いて周波数ｆ２のときの超音波弾性表面波ＵＴｂの音速ｖ２を求める（図４（ｃ）（２）参照）。
【００４６】
次に、層厚ｔ１までの音速ｖ２１が、音速ｖ１と等しいから、層厚ｔ１から層厚ｔ２までの音速ｖ２２は、
【数１】
より
【数２】
ｖ２２＝（ｖ２−ｖ１×α２１）／α２２
として算出することができる。なお、コーティング層３の層厚ｔ１〜ｔ３の場合も周波数と同様にして音速ｖ ３ を算出する（図４（ｃ）（３）参照）。
【００４７】
このように、本実施形態は、適用周波数が小さいと、層厚方向の拡散エネルギー分布がより浅くなることを考慮し、コーティング層３の層厚ｔ１，ｔ２，ｔ３…を細かく区分けし、細かく区分けした層厚毎のエネルギーから寄与率としての比率を算出し、算出した比率を各層厚の全エネルギーに乗算し、この乗算値に対応する超音波弾性表面波の音速を算出するので、精度の高い音速度を算出することができる。
【００４８】
図５〜図７は、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法において、図１で示したステップ６のマスターカーブとしての具体例を説明するために用いたもので、図５は、コーティング層３に窒素化合物（ＡｌＮ）が含まれる場合、その体積率と超音波弾性表面波の音速値との相関関係を示すグラフであり、図６は、窒素化合物（ＡｌＮ）の体積率と超音波弾性表面波の減衰率との相関関係を示すグラフであり、図７は、窒素化合物（ＡｌＮ）の体積率と超音波弾性表面波の中心周波数低下率との相関関係を示すグラフである。
【００４９】
これらのグラフは、テスト材から予め求めておいたもので、コンピュータにデータベースとして格納され、ステップ７でコーティング層３の劣化度を評価する際、照合される。
【００５０】
図８および図９は、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法において、図１で示したステップ２の音速を求める際の送波の種類を説明するために用いたもので、図８は、コーティング層の表面を伝搬させる超音波としての漏洩表面波を用いることを説明する概念図であり、図９中、（ａ）は、コーティング層の表面を伝搬させる超音波として表面ＳＨ波を用いることを説明する概念図であり、（ｂ）は表面ＳＨ波の伝搬方向を説明するために用いた概念図である。
【００５１】
本実施形態は、図８に示すように、翼母材１に被覆した窒素化合物３ａを含むコーティング層３に、信号ケーブル１４から超音波センサ４を介して超音波弾性表面波ＵＴＳＡＷを送波する場合、その超音波弾性表面波ＵＴＳＡＷとして漏洩表面波を用いたものである。
【００５２】
本実施形態は、漏洩表面波を用いると、コーティング層３の層厚方向に振動する超音波弾性表面波ＵＴＳＡＷを検出することができ、また適用周波数を異ならしめてコーティング層３に伝搬させると、コーティング層３の層厚方向に異なるエネルギー分布を持つ超音波弾性表面波ＵＴＳＡＷを検出することができるので、音速度を的確に検出する際、有効である。
【００５３】
また、本実施形態は、図９（ａ）に示すように、翼母材１に被覆した窒素化合物３ａを含むコーティング層３に、超音波センサ４からの超音波弾性表面波ＵＴＳＨを送波する場合、その超音波弾性表面波ＵＴＳＨとして表面ＳＨ波を用いると、図９（ｂ）に示すように、その進行方向がコーティング層３の表面に対し平行であり、さらにその伝搬方向がコーティング層３の表面に対し垂直になるので、コーティング層３の表面の凹凸の障害に何ら影響を受けることなく音速を計測することができる点で効果的である。
【００５４】
図１０および図１１は、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法において、図１で示したステップ３のコーティング層の層厚を計測する具体例を説明するために用いたもので、図１０中、（ａ）は、電磁気法でコーティング層の層厚を計測する概念図であり、（ｂ）は、予めテスト材で求めておいたインピーダンス変化量とコーティング層の層厚との相関関係を示すマスターカーブであり、図１１は、コーティング層の層厚を超音波法で計測することを説明するために用いた概念図である。
【００５５】
本実施形態は、図１０（ａ）に示すように、境界面Ｚで仕切られた翼母材１とコーティング層３との、そのコーティング層３に層厚計測センサとして電磁気センサ１５を設け、電磁気センサ１５からコーティング層３に渦電流の磁力線ＭＦＬを与え、その際、インピーダンスを検出し、検出したインピーダンスを基に図１０（ｂ）のマスターカーブからコーティング層３の層厚を計測したものである。
【００５６】
また、本実施形態は、図１１に示すように、境界面Ｚで仕切られた翼母材１とコーティング層３との、そのコーティング層３に層厚計測センサとして超音波センサ４を設け、超音波センサ４からコーティング層３に高周波数の超音波ＴＵｃを送波し、境界面Ｚからの反射波を検出し、その到達時間ｔａと音速Ｖａとから式（１）を用いてコーティング層３の層厚Ｔａを求めたものである。
【００５７】
【数３】
Ｔａ＝Ｖａ×ｔａ ……（１）
【００５８】
このように、本実施形態は、コーティング層３の層厚を計測するにあたり、電磁気法および超音波法のいずれかを選択して計測するので、コーティング層３の層厚を高精度に計測することができる。
【００５９】
図１２は、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法において、図１で示したステップ５の３次元画像化の具体例を説明するために用いたもので、（ａ）はコーティング層３を層毎に区分化した概念図であり、（ｂ）は層毎にカラー階調で表示した、例えば音速分布を示す概念図である。
【００６０】
本実施形態は、図１２（ａ）に示すように、翼母材１に被覆したコーティング層３を層３ａ，３ｂ，…３ｎ毎に区分化し、図１２（ｂ）に示すように、区分化した層３ａ，３ｂ，…３ｎに画像化した音速分布Ａ，Ｂ，Ｃ，…をカラー階調で表示したものである。ここで、音速の速さの順は、Ａ＞Ｂ＞Ｃ…になっている。
【００６１】
このように、本実施形態は、コーティング層３を各層３ａ，３ｂ，…３ｎ毎に区分化し、区分化した層３ａ，３ｂ，…３ｎ毎にカラー階調にして音速分布を表示したので、画像をより鮮明に識別することができる。なお、カラー階調の画像は、音速のほかに超音波の減衰率、超音波の周波数解析による周波数特性値（中心周波数、ピーク周波数、振幅強度等）も平面像、断面像、立体像のいずれの像でも表示できる。
【００６２】
図１３および図１４は、本発明に係るコーティング材の劣化判定装置において、図２で示した超音波センサの具体例を説明するために用いたもので、図１３は、振動子が円錐型のものを適用することを示す概念図であり、図１４は振動子が半円柱状のものを適用することを示す概念図である。
【００６３】
本実施形態は、図１３に示すように、翼母材１に被覆した窒素化合物３ａを含むコーティング層３に、信号ケーブル１４から超音波センサ４を介して超音波ＴＵｂを送波する場合、その超音波センサ４の振動子１６を円錐型にしたものである。振動子１６は、円錐型にすれば、音響レンズが取り付けられて、いわゆる超音波顕微鏡としての使用ができる。
【００６４】
また、本実施形態は、図１４に示すように、超音波センサ４の振動子１６を半分円柱状に形成したので、コーティング層３に対して長方形型の範囲に超音波ＵＴｂを送波し、比較的広い範囲に亘って音速等を計測することができる。
【００６５】
図１５〜図１７は、本発明に係るコーティング材の劣化判定装置において、図２で示した超音波センサの他の実施形態における具体例を説明するために用いたもので、図１５は、レーザ発振部と超音波受信部とを組み合せた概念図であり、図１６は、レーザ発振部に超音波受信部および音響レンズを組み合せた概念図であり、図１７は、レーザ発振する場合、レーザパルス間隔を説明するために用いた概念図である。
【００６６】
本実施形態は、図１５に示すように、翼母材１に被覆したコーティング層３に臨む位置に設けた超音波センサ４の中央部にレーザ発振部１７を、その両外側に超音波受信部１８ａ，１８ｂを備えるとともに、レーザ発振部１７からコーティング層３にレーザビームＬｂを送波するレーザ発振器１９と、コーティング層３から反射する超音波ＵＴｂを超音波受信部１８ａ，１８ｂを介して受波する超音波発信器２０とを備えたものである。
【００６７】
このように、本実施形態は、超音波センサ４の中央部にレーザ発振部１７を、その両外側に超音波受信部１８ａ，１８ｂを備え、レーザ発振部１７から送波され、コーティング層３に入射され、入射時の熱衝撃によりコーティング層表面に超音波弾性表面波ＵＴｂが発生する。この超音波弾性表面波ＵＴｂは、コーティング層表面を伝搬し、レーザ発信部１７の周囲に配置した超音波受信部１８ａ，１８ｂで受波する。この方法で、音速や減衰率等を精度高く計測することができる。なお、本実施形態は、超音波センサ４の中央部にレーザ発振部１７を、その両外側に超音波受信部１８ａ，１８ｂを備えたが、この例に限らず、例えば図１６に示すように、超音波センサ４の中央部にレーザ発振部１７を、その両外側に音響レンズ２２，２２を介装して超音波受信部１８ａ，１８ｂを設けるとともに、音響レンズ２２，２２のそれぞれにレーザ検出器２１とを設けてもよい。また、図１５および図１６で示したレーザ発振部１７から発信するレーザ光は、図１７に示すように、パルス状に発信させるともに、そのパルスのパルス間隔Ｐｗを変化させたので、コーティング層３の表面を伝搬する超音波を任意の周波数に制御することができる。ちなみに、コーティング層３のコーティング材２を白金アルミ（ＰｔＡｌ）にした場合、適用周波数は、６００ＭＨｚ〜５ＭＨｚで音速等を充分に計測することができる。
【００６８】
図１８は、本発明に係るコーティング材の劣化判定装置において、図２で示した超音波センサおよび超音波送受信器の他の実施形態を説明するために用いた概略系統図である。
【００６９】
本実施形態は、翼母材１に被覆したコーティング層３に設けたセンサ２３と、このセンサ２３を介してコーティング層３にレーザ光を送波するレーザ発振器１９とを備えるとともに、レーザ照射により、コーティング層表面に超音波弾性波が発生し、コーティング層表面を伝搬する。
【００７０】
一方、レーザ検出器２１は、コーティング層表面へのレーザ照射により、コーティング層表面を伝搬した超音波弾性波の微少変位をセンサ２３が受波し、レーザ変位計２５にて超音波信号として受信する。この超音波は、周波数毎に区分化したフィルタ１，２，…，ｎを組み込んだフィルタユニット２６を介して異なった周波数の超音波信号として検出することができ、音速、減衰率等の超音波特性値を求めることができる。
【００７１】
また、本実施形態は、レーザ発振器１９、レーザ受信器２４、レーザ変位計２５、フィルタユニット２６のそれぞれを制御する制御ユニット２７を備えている。
【００７２】
このように、本実施形態は、コーティング層３からレーザ受信器２４を介して受波したレーザ光を超音波に代えるレーザ変位計２５を備えるとともに、超音波を周波数毎に区分化するフィルタユニット２６を備えたので、より精度の高い音速等を計測することができる。
【００７３】
図１９は、本発明に係るコーティング材の劣化判定装置において、図２で示した超音波センサのさらに他の実施形態を説明するために用いた概念図である。
【００７４】
本実施形態は、翼母材１に被覆したコーティング層３に、例えば水等の接触媒質ｃを介して設置させ、軸方向に配置した複数個の振動子Ａ（１），Ａ（２），…，Ａ（ｎ）を備えたアレイ型超音波センサ２８を設けたものである。
【００７５】
このアレイ型超音波センサ２８は、振動子Ａ（１），Ａ（２），…，Ａ（ｎ）のうち、振動子Ａ（１）を超音波ＵＴｂの送波用として用いるとともに、振動子Ａ（２），Ａ（３），…，Ａ（ｎ）を超音波ＵＴｂの受波用として用いたものである。
【００７６】
このように、本実施形態は、超音波センサをアレイ型超音波センサ２８にするとともに、振動子Ａ（１），Ａ（２），Ａ（３），…，Ａ（ｎ）のうち、一つを超音波ＵＴｂの送波用にし、残りを超音波ＵＴｂの受波用に区分けして軸方向に配置したので、より精度の高い音速等を計測することができる。
【００７７】
なお、本実施形態は、振動子Ａ（１），Ａ（２），Ａ（３），…，Ａ（ｎ）のうち、一つを超音波ＵＴｂの送波用とし、残りを超音波ＵＴｂの受波用に区分けして軸方向に配置したが、この例に限らず、例えば図２０に示すように、振動子Ｇ（Ｐ１），Ｇ（Ｐ２），…，Ｇ（Ｐｉ）を一つにまとめて超音波ＵＴｂの送波用群振動子Ｇ（Ｐ）とし、振動子Ｇ（Ｒ１），Ｇ（Ｒ２），…，Ｇ（Ｒｉ）を一つにまとめて超音波ＵＴｂの送波用群振動子Ｇ（Ｒ）とし、一つにまとめて超音波ＵＴｂの送波用群振動子Ｇ（Ｐ）と、一つにまとめて超音波ＵＴｂの受波用群振動子Ｇ（Ｒ）とを交互に軸方向に配置してもよい。
【００７８】
図２１は、本発明に係るコーティング材の劣化判定装置において、図２で示した超音波センサのさらに他の実施形態を説明するために用いた概念図である。
【００７９】
本実施形態は、翼母材１にコーティング材２を被覆したコーティング層３に、例えば水等の接触媒質ｃを介して設置され、複数個の振動子Ａ（１，１），Ａ（１，２），…，Ａ（１，ｍ）Ａ（２，１），…，Ａ（ｎ，１）を２次元平面状に配列したマトリックスアレイ型超音波センサ２９を設けたものである。
【００８０】
このマトリックスアレイ型超音波センサ２９は、振動子Ａ（１，１）を送波用とし、振動子（１，２），…，Ａ（１，ｍ）を受波用とし、さらに、振動子Ａ（２，１）を送波用とし、振動子（３，１），…，（ｎ，１）を受波用として用い、超音波ＵＴｂをコーティング層３に伝搬させたものである。
【００８１】
このように、本実施形態は、超音波センサをマトリックスアレイ型超音波センサ２９にしたので計測部位を広範囲に計測でき、より精度の高い音速等を計測することができる。なお、本実施形態は、超音波センサをマトリックスアレイ型超音波センサ２９にしたが、これに限らず、例えば図２２に示すように、アレイ型超音波センサ２８のうち、振動子Ａｆ（１，１），…，Ａｆ（１，ｎ）を群として一つにまとめて超音波ＵＴｂの送波用振動子Ａｆ１ｎとし、残りの振動子Ａｆ（２，１），…，Ａｆ（ｍ，ｎ）を群として一つにまとめて超音波ＵＴｂの受波様群振動子Ａｆｍｎとしてもよい。
【００８２】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、コーティング層に異なる周波数の超音波弾性表面波を送波し、コーティング層から得たエネルギー分布を層厚さ毎に区分化して３次元画像化するとともに、計測値と予めデータベースとして格納しておいた判定基準に照合させて再コーティングの可否等を判定・提示するので、コーティング材の健全性を確実に維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るコーティング材の劣化判定方法の実施形態を説明するために用いたブロック図。
【図２】 本発明に係るコーティング材の劣化判定装置の実施形態を説明するために用いたブロック図。
【図３】 図１で示したステップ２の音速を求める場合、コーティング層に異なる周波数の超音波弾性表面波を送波したときの層厚方向のエネルギー分布図。
【図４】 本発明に係るコーティング材の劣化判定方法において、図１で示したステップ２の音速を求める場合の具体例を説明するために用いたもので、（ａ）はコーティング層の厚さ方向の層厚毎のエネルギー分布線図、（ｂ）はコーティング層の厚さ方向の寄与率を考慮した層厚毎の超音波弾性表面波のエネルギー分布図、（ｃ）はコーティング層の厚さ方向の寄与率を考慮した層厚毎の音速分布図。
【図５】 図１で示したステップ６のマスターカーブの具体例を示すもので、コーティング層に窒素化合物が含まれる場合、その体積率と超音波弾性表面波の音速との相関関係を示すグラフ。
【図６】 図１で示したステップ６のマスターカーブの具体例を示すもので、コーティング層に窒素化合物が含まれる場合、その体積率と超音波弾性表面波の減衰率との相関関係を示すグラフ。
【図７】 図１で示したステップ６のマスターカーブの具体例を示すもので、コーティング層に窒素化合物が含まれる場合、その体積率と超音波弾性表面波の中心低下率との相関関係を示すグラフ。
【図８】 図１で示したステップ２の音速を求める際、超音波として漏洩表面波を用いることを説明する概念図。
【図９】 図１で示したステップ２の音速を求める際、超音波の種類を説明するもので、（ａ）は表面ＳＨ波を用いることを説明する概念図、（ｂ）は表面波の伝搬方向を説明するために用いた概念図。
【図１０】 図１で示したステップ３のコーティング層の層厚を計測する具体例を説明するために用いたもので、（ａ）は電磁気法でコーティング層の層厚を計測する概念図、（ｂ）は予めテスト材で求めておいたインピーダンス変化量とコーティング層の層厚との相関関係を示すマスターカーブ。
【図１１】 図１で示したステップ３のコーティング層の層厚を計測する具体例を説明するために用いたもので、超音波を説明するために用いた概念図。
【図１２】 図１で示したステップ５の３次元画像化の具体例を説明するために用いたもので、（ａ）はコーティング層を層毎に区分化した概念図、（ｂ）は層毎にカラー階調で表示した音速分布を示す概念図。
【図１３】 図２で示した超音波センサの具体例を説明するために用いたもので、振動子が円錐型のものを適用することを示す概念図。
【図１４】 図２で示した超音波センサの具体例を説明するために用いたもので、振動子が半円柱状のものを適用することを示す概念図。
【図１５】 図２で示した超音波センサの他の実施形態における具体例を説明するために用いたもので、レーザ発振部と超音波受信部とを組み合せた概念図。
【図１６】 図２で示した超音波センサの他の実施形態における具体例を説明するために用いたもので、レーザ発振部に超音波受信部および音響レンズを組み合せた概念図。
【図１７】 図１５および図１６で示したレーザ発振部から発信されるレーザパルス間隔を説明するために用いた概念図。
【図１８】 図２で示した超音波センサおよび超音波送受信器の他の実施形態を説明するために用いた概略系統図。
【図１９】 図２で示した超音波センサのさらに他の実施形態を説明するために用いた概念図。
【図２０】 図１９で示した超音波センサの変形例を示す概念図。
【図２１】 図２で示した超音波センサのさらに他の実施形態を説明するために用いた概念図。
【図２２】 図２１で示した超音波センサの変形例を示す概念図。
【符号の説明】
１ 翼母材
２ コーティング材
３ コーティング層
３ａ 窒素化合物
４ 超音波センサ
５ センサホルダ
６ 層厚計測センサ
７ センサ保持機構部
８ センサ駆動機構部
９ 駆動機構制御装置
１０ 制御装置
１１ 超音波送受信器
１２ 膜厚計測装置
１３ 信号処理装置
１４ 信号ケーブル
１５ 電磁気センサ
１６ 振動子
１７ レーザ発振部
１８ａ，１８ｂ 超音波受信部
１９ レーザ発振器
２０ 超音波受信器
２１ レーザ検出器
２２ 音響レンズ
２３ センサ
２４ レーザ受信器
２５ レーザ変位計
２６ フィルタユニット
２７ 制御ユニット
２８ アレイ型超音波センサ
２９ マトリックスアレイ型超音波センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温雰囲気で使用するガスタービン高温部材に保護層を形成した、そのコーティング材の劣化判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン高温部材、例えばタービン静翼材あるいはタービン動翼材等は、燃焼ガス（ガスタービン入口のガスタービン駆動ガス）の温度が１３００℃以上の高温雰囲気の下で運転しているので、翼母材の表面に耐熱性のコーティング材を被覆しているが、経年的に高温腐食や酸化等によりコーティング層が劣化し、その劣化がコーティング層表面から厚み方向に進行し、ついで翼母材にまで達することがある。
【０００３】
このため、翼母材に劣化が進行する以前にコーティング層の劣化程度を的確に計測・評価することがガスタービンに安定運転を行わせることができる上で大切である。
【０００４】
コーティング層の劣化を検出する方法は、評価部分の合金元素の濃度分布の変化やγ′相等の組織変化を検出し、その変化率とクリープ強度などの機械的特性との相関からコーティング層の劣化程度を評価するものがあり、例えば特開平５−３１２８００号公報や特開平８−１０５８８２号公報等が公表されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
高温雰囲気で使用するガスタービン静翼やガスタービン動翼等のガスタービン高温部材は、運転中、高温燃焼ガスから翼母材等を保護する必要上、耐熱性のコーティング材で被覆しているが、経年的に高温腐食や酸化等により劣化する。
【０００６】
この劣力のメカニズムを、例えば白金アルミ（ＰｔＡｌ）のコーティング材で被覆したガスタービン動翼を例に採って考察してみる。
【０００７】
ガスタービン動翼は、運転中、高温燃焼ガス中に含まれる窒素（Ｎ）に晒されており、コーティング材のアルミ（Ａｌ）と反応して窒素化合物（ＡｌＮ）を生成させる。この窒素化合物がコーティング層の内部（厚み方向）に拡散し、翼母材にまで達する。この窒素化合物の影響により、コーティング層が劣化し、さら翼母材の劣化を引き起こすため、ガスタービン動翼の健全性が損われると考えられる。
【０００８】
コーティング層の劣化評価法は、上述のとおり、評価部分の合金元素の濃度分布の変化やγ′相等の組織変化を検出し、その変化率とクリープ強度等の機械的特性との相関から材料の劣化度合を評価するものであるが、機械的特性を間接的に評価しているため、高精度かつ的確な劣化評価を行うには十分とは言い難い。
【０００９】
また、この評価法を用いてコーティング層の厚み方向の評価を行うには、コーティング層の劣化の進行の如何に拘らず、コーティング材を採取するための翼母材を傷付ける場合が生じたり、また劣化があまり進行していないコーティング材であっても再び新たなコーティング材に交換しなければならないなど、稼動率の向上やコストの低減化に反し、運用上好ましくない。
【００１０】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、コーティング層に超音波弾性表面波を送波し、受波としての超音波弾性表面波のエネルギー変化を検出し、このエネルギーの変化に基づいてコーティング材の劣化度合を的確に判定するコーティング材の劣化判定方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項１に記載したように、コーティング材の劣化度評価部分を選定する工程と、選定した劣化度評価部分に異なる周波数の超音波をコーティング層に伝播させ、それぞれの周波数毎の音速値、減衰値または周波数解析による周波数特性値の少なくとも１つを計測する工程と、上記音速値、減衰値または周波数解析による周波数特性値の少なくとも１つを計測する工程と並列してコーティング層の厚さを求める工程と、上記コーティング層の厚さを求める工程で得られたコーティング層の厚さと、上記計測された周波数毎の音速値、減衰値または周波数解析による周波数特性値の少なくとも１つから各周波数毎のコーティング層における層厚方向のエネルギー分布を求め、求めたエネルギー分布に基づき各周波数毎のエネルギーの層厚毎の平均値を求め、この平均値と各層厚毎の全エネルギーに基づいて上記コーティング層を細分化した層厚毎に区分化する工程と、上記層厚毎に区分化されたデータを画像化する工程と、上記画像化したデータを予めデータベースとして格納しておいたマスターカーブに照合させ、上記コーティング材の補修の可否を判定する劣化度評価工程とを備えている方法である。
【００１２】
また、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記選定した劣化度評価部分の層厚を求める工程は、電磁気法でコーティング層の層厚を求める方法である。
【００１３】
また、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記コーティング層の層厚を求める電磁気法は、コーティング層からインピーダンス変化を計測し、計測したインピーダンスを予めデータベース化したマスターカーブに照合させてコーティング層の層厚を求める方法である。
【００１４】
また、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記選定した劣化度評価部分の層厚を求める工程は、超音波法でコーティング層の層厚を求める方法である。
【００１５】
また、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記コーティング層の層厚を求める超音波法は、コーティング層の境界面に超音波が到達する時間と、超音波の音速との掛算からコーティング層の層厚を求める方法である。
【００１６】
また、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項６に記載したように、前記コーティング層に伝播される超音波は、漏洩表面波を用いる方法である。
【００１７】
また、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、上記目的を達成するために、請求項７に記載したように、前記コーティング層に伝播される超音波は、表面ＳＨ波であることを特徴とする方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法の実施形態を説明するために用いたブロック図である。
【００２０】
本実施形態は、白金アルミ（ＰｔＡｌ）をコーティング材として被覆したガスタービン動翼を一例に採っている。
【００２１】
コーティング材の劣化度合を評価するには、まず、ガスタービン動翼の熱応力解析あるいは目視検査等による評価部分を選択する（ステップ１）。選定された評価部分に対し、コーティング層の表面に周波数の異なる表面波を送波させ、それぞれの周波数毎に音速値、減衰率、周波数解析による周波数特性値（中心周波数、重心周波数、振幅強度、ピーク周波数など）を計測する（ステップ２）。ステップ２の周波数毎の音速値、減衰率および周波数特性値の計測と併列して電磁気法および超音波法のうち、いずれかの方法でコーティング層の厚さを計測する（ステップ３）。
【００２２】
次に、ステップ２で異なる周波数の表面波から求めた音速値等と、ステップ３で計測したコーティング層の厚さとから、コーティング層の各層毎における音速値等を区分化する（ステップ４）。
【００２３】
コーティング層の各層毎における音速値等の計測値の区分化が終ると、ステップ５では、ステップ３で求めたコーティング厚みを基にして区分化された音速値等のデータをカラー階調による３次元画像化し、任意のコーティング層においても平面画像あるいは断面画像で表示できるようにする。
【００２４】
さらに、区分化された計測値は、テスト材を予め計測しておき、その計測値を劣化度評価線であらわした、いわゆるマスターカーブをコンピュータに格納し、そのマスターカーブをデータベースにして照合し（ステップ６）、コーティング層の厚さ方向の劣化度合を評価する（ステップ７）。このデータベースとしてのマスターカーブは、テスト材から求めたコーティング層の厚み方向の音速値等とコーティング層の組織変化（ＡｌＮの体積率）とで作成されている。なお、ステップ７では、コーティング層の劣化度合をカラー階調による３次元画像化し、任意の層の位置で平面画像、断面画像などが表示できるようになっている。
【００２５】
最後に、ステップ７で求めたコーティング層の劣化度合分布を再コーティング判定基準を基に再コーティング実施時期、再コーティング実施時期を明示して運転継続、翼母材の劣化に伴う廃棄などの判定を行う（ステップ８）。
【００２６】
このように、本実施形態はコーティング層の表面に周波数の異なる表面波を送波して音速値等を求めるとともに、コーティング層の厚みを計測し、計測した各層毎に音速値等を区分化し、各層毎に音速値等を区分化したデータで３次元画像化し、さらに音速値等の計測値をデータベースとして格納したマスターカーブに照合させ、再コーティング判定基準を基にコーティング層の再コーティング時期等を判定するので、コーティング材の劣化度合を的確に判定することができる。
【００２７】
なお、本実施形態は、白金アルミ（ＰｔＡｌ）のコーティング材のほかに、耐熱性、耐酸化性に優れたコーティング材であれば、材料の種類を問わず適用することができる。
【００２８】
図２は、本発明に係るコーティング材の劣化判定装置の実施形態を説明するために用いた概略系統ブロック図である。
【００２９】
本実施形態は、例えば白金アルミ（ＰｔＡｌ）をコーティング材として被覆したガスタービン動翼を一例に採っている。
【００３０】
ガスタービン動翼は、翼母材１と白金アルミ（ＰｔＡｌ）のコーティング材２で被覆したコーティング層３とで形成しているが、運転中、燃焼ガスの高温雰囲気に晒されているため、その燃焼ガスに含まれる窒素ガス（Ｎ）がコーティング材２のアルミ（Ａｌ）と反応し、窒素化合物（ＡｌＮ）３ａを生成する。さらに、運転時間の増加に伴い、窒素化合物３ａは、コーティング層３の厚み方向に拡散し、やがて翼母材１に達する。
【００３１】
このように、窒素化合物３ａがコーティング層３の厚み方向に拡散するコーティング材２に対し、ガスタービン動翼は、例えば水を接触媒質ｃとするコーティング層３に超音波弾性表面波ＵＴｂを送波する超音波センサ４を設置する。
【００３２】
この超音波センサ４は、センサホルダ５を介してコーティング層３の層厚計測センサ６とともにセンサ保持機構部７に組み込まれている。
【００３３】
また、センサ保持機構部７は、センサ駆動機構部８、駆動機構制御装置９を介して制御装置１０を備え、この制御装置１０からの指令信号を駆動機構制御装置９で演算し、その演算信号をセンサ駆動機構部８に与えて駆動させ、このセンサ駆動機構部８の駆動力に基づいて超音波センサ４および層厚計測センサ６のそれぞれをコーティング層３の適正位置に進退させるようになっている。
【００３４】
一方、超音波センサ４および層厚計測センサ６のそれぞれは、超音波送受信器１１、膜厚計測装置１２のそれぞれを介して信号処理装置１３を備えている。
【００３５】
この信号処理装置１３は、超音波送受信器１１から受波した周波数の異なる超音波弾性表面波ＵＴｂに基づいて超音波特性値、具体的には音速値、減衰率、および異なる周波数特性値（中心周波数、重心周波数、振幅強度、ピーク周波数等）に処理するとともに、膜厚計測装置１２からのコーティング層膜厚信号に基づいて周波数の超音波特性値および周波数特性値をコーティング層３の厚み方向の各層毎に区分化する。
【００３６】
また、各層毎に区分化された上述の超音波特性値等は、表示装置１５でカラー階調による３次元画像化され、任意の層の位置で平面画像、断面画像、立体画像のうち、いずれかの画像にして表示される。なお、信号処理装置１３で各層毎に区分化された信号は、制御装置１０に与えられ、ここから駆動機構制御装置９への修正信号として用いられる。また、制御装置１０は、膜厚計測センサ６からコーティング層３に異なる周波数の超音波の選択ができ、また適正な周波数の超音波の選択ができるように、膜厚計測装置１２に制御信号を与えている。
【００３７】
他方、信号処理装置１３に接続する劣化度評価装置１４は、予めテスト材を用いて作成した超音波特性値等と劣化度合との関係をデータベースとして格納しておいたマスターカーブに、上述の超音波特性値等を照合させ、各層毎に区分化してコーティング層３の劣化度合を求めることができるようにしている。
【００３８】
その際、表示装置１５は、各層毎に区分化した劣化度合にコーティング層劣化度判定基準を突き合せ、その結果を再コーティング実施時期、再コーティング実施時期を明示して運転継続、翼母材の劣化に伴う廃棄等の情報として表示する。
【００３９】
このように、本実施形態は、超音波送受信器１１から受波した周波数の異なる超音波弾性表面波ＵＴｂと膜厚計測装置１２からのコーティング層膜厚信号とを組み合せてコーティング層３の各層毎に区分化して超音波特性値等に処理する信号処理装置１３と超音波特性値等をコーティング層３の劣化判定基準に突き合せて補修時期等の再コーティングの有無の判定を行う劣化度評価装置１４とを備えたので、コーティング材２の劣化度合を精度良く、的確に判定することができる。
【００４０】
図３および図４は、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法において、図１で示したステップ２の音速を求める場合の具体例を説明するために用いたもので、図３は、コーティング層に異なる周波数の超音波弾性表面波を送波したときの層厚方向のエネルギー分布図であり、図４中、（ａ）は層厚み方向の層厚毎のエネルギー分布線であり、（ｂ）は層厚み方向の寄与率を考慮した超音波弾性表面波のエネルギ分布図である。
【００４１】
一般に、コーティング層３の表面に異なる周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，…（ｆ１＞ｆ２＞ｆ３…）の超音波弾性表面波を送波する場合、コーティング層３の層厚み方向のエネルギ分布は、振幅強度の基準を１とするとき、図３に示すように、適用周波数が小さくなるに従ってコーティング層の層厚み方向に向って広がる傾向になっている。さら、適用周波数が小さくなると、エネルギー分布は適用周波数の１波長分とほぼ近似できるようになっている。
【００４２】
本実施形態は、このような点を利用したもので、図４（ａ）に示すように、コーティング層の各層厚み毎に異なる周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，…（ｆ１＞ｆ２＞ｆ３…）のエネルギー分布を求めたものである。
【００４３】
その際、適用周波数が小さくなると、コーティング層のより深い部分までのエネルギー分布情報が収集できるので、この深い部分までのエネルギー分布情報を寄与率としてコーティング層の各層における超音波弾性表面波の音速を求めることが必要とされる。
【００４４】
図４（ｂ）は、コーティング層３の層厚をｔ１，ｔ２，ｔ３，…に区分けし、区分けした層厚ｔ１，ｔ２，ｔ３，…に対応させて周波数ｆ１のときの超音波弾性表面波の層厚ｔ１までの平均エネルギーＥ１を求め、さらに周波数ｆ２のときの超音波弾性表面波の層厚ｔ１までの平均エネルギーＥ２１と層厚ｔ２までの平均エネルギーＥ２２を求める。この場合、層厚ｔ１までの寄与率α２１、層厚ｔ２までの寄与率α２２は、図４（ｃ）に示すように、それぞれα２１＝Ｅ２１／（Ｅ２１＋Ｅ２２）、α２２＝Ｅ２２／（Ｅ２１＋Ｅ２２）として求めることができる。
【００４５】
また、コーティング層の厚さ方向の音速は、次のように求めることができる。まず、センサ（探触子）を用いて周波数ｆ１のときの超音波弾性表面波ＵＴｂの音速ｖ１を求め（図４（ｃ）（１）参照）、さらにセンサを用いて周波数ｆ２のときの超音波弾性表面波ＵＴｂの音速ｖ２を求める（図４（ｃ）（２）参照）。
【００４６】
次に、層厚ｔ１までの音速ｖ２１が、音速ｖ１と等しいから、層厚ｔ１から層厚ｔ２までの音速ｖ２２は、
【数１】
【数２】
ｖ２２＝（ｖ２−ｖ１×α２１）／α２２
として算出することができる。なお、コーティング層３の層厚ｔ１〜ｔ３の場合も周波数と同様にして音速ｖ ３ を算出する（図４（ｃ）（３）参照）。
【００４７】
このように、本実施形態は、適用周波数が小さいと、層厚方向の拡散エネルギー分布がより浅くなることを考慮し、コーティング層３の層厚ｔ１，ｔ２，ｔ３…を細かく区分けし、細かく区分けした層厚毎のエネルギーから寄与率としての比率を算出し、算出した比率を各層厚の全エネルギーに乗算し、この乗算値に対応する超音波弾性表面波の音速を算出するので、精度の高い音速度を算出することができる。
【００４８】
図５〜図７は、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法において、図１で示したステップ６のマスターカーブとしての具体例を説明するために用いたもので、図５は、コーティング層３に窒素化合物（ＡｌＮ）が含まれる場合、その体積率と超音波弾性表面波の音速値との相関関係を示すグラフであり、図６は、窒素化合物（ＡｌＮ）の体積率と超音波弾性表面波の減衰率との相関関係を示すグラフであり、図７は、窒素化合物（ＡｌＮ）の体積率と超音波弾性表面波の中心周波数低下率との相関関係を示すグラフである。
【００４９】
これらのグラフは、テスト材から予め求めておいたもので、コンピュータにデータベースとして格納され、ステップ７でコーティング層３の劣化度を評価する際、照合される。
【００５０】
図８および図９は、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法において、図１で示したステップ２の音速を求める際の送波の種類を説明するために用いたもので、図８は、コーティング層の表面を伝搬させる超音波としての漏洩表面波を用いることを説明する概念図であり、図９中、（ａ）は、コーティング層の表面を伝搬させる超音波として表面ＳＨ波を用いることを説明する概念図であり、（ｂ）は表面ＳＨ波の伝搬方向を説明するために用いた概念図である。
【００５１】
本実施形態は、図８に示すように、翼母材１に被覆した窒素化合物３ａを含むコーティング層３に、信号ケーブル１４から超音波センサ４を介して超音波弾性表面波ＵＴＳＡＷを送波する場合、その超音波弾性表面波ＵＴＳＡＷとして漏洩表面波を用いたものである。
【００５２】
本実施形態は、漏洩表面波を用いると、コーティング層３の層厚方向に振動する超音波弾性表面波ＵＴＳＡＷを検出することができ、また適用周波数を異ならしめてコーティング層３に伝搬させると、コーティング層３の層厚方向に異なるエネルギー分布を持つ超音波弾性表面波ＵＴＳＡＷを検出することができるので、音速度を的確に検出する際、有効である。
【００５３】
また、本実施形態は、図９（ａ）に示すように、翼母材１に被覆した窒素化合物３ａを含むコーティング層３に、超音波センサ４からの超音波弾性表面波ＵＴＳＨを送波する場合、その超音波弾性表面波ＵＴＳＨとして表面ＳＨ波を用いると、図９（ｂ）に示すように、その進行方向がコーティング層３の表面に対し平行であり、さらにその伝搬方向がコーティング層３の表面に対し垂直になるので、コーティング層３の表面の凹凸の障害に何ら影響を受けることなく音速を計測することができる点で効果的である。
【００５４】
図１０および図１１は、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法において、図１で示したステップ３のコーティング層の層厚を計測する具体例を説明するために用いたもので、図１０中、（ａ）は、電磁気法でコーティング層の層厚を計測する概念図であり、（ｂ）は、予めテスト材で求めておいたインピーダンス変化量とコーティング層の層厚との相関関係を示すマスターカーブであり、図１１は、コーティング層の層厚を超音波法で計測することを説明するために用いた概念図である。
【００５５】
本実施形態は、図１０（ａ）に示すように、境界面Ｚで仕切られた翼母材１とコーティング層３との、そのコーティング層３に層厚計測センサとして電磁気センサ１５を設け、電磁気センサ１５からコーティング層３に渦電流の磁力線ＭＦＬを与え、その際、インピーダンスを検出し、検出したインピーダンスを基に図１０（ｂ）のマスターカーブからコーティング層３の層厚を計測したものである。
【００５６】
また、本実施形態は、図１１に示すように、境界面Ｚで仕切られた翼母材１とコーティング層３との、そのコーティング層３に層厚計測センサとして超音波センサ４を設け、超音波センサ４からコーティング層３に高周波数の超音波ＴＵｃを送波し、境界面Ｚからの反射波を検出し、その到達時間ｔａと音速Ｖａとから式（１）を用いてコーティング層３の層厚Ｔａを求めたものである。
【００５７】
【数３】
Ｔａ＝Ｖａ×ｔａ ……（１）
【００５８】
このように、本実施形態は、コーティング層３の層厚を計測するにあたり、電磁気法および超音波法のいずれかを選択して計測するので、コーティング層３の層厚を高精度に計測することができる。
【００５９】
図１２は、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法において、図１で示したステップ５の３次元画像化の具体例を説明するために用いたもので、（ａ）はコーティング層３を層毎に区分化した概念図であり、（ｂ）は層毎にカラー階調で表示した、例えば音速分布を示す概念図である。
【００６０】
本実施形態は、図１２（ａ）に示すように、翼母材１に被覆したコーティング層３を層３ａ，３ｂ，…３ｎ毎に区分化し、図１２（ｂ）に示すように、区分化した層３ａ，３ｂ，…３ｎに画像化した音速分布Ａ，Ｂ，Ｃ，…をカラー階調で表示したものである。ここで、音速の速さの順は、Ａ＞Ｂ＞Ｃ…になっている。
【００６１】
このように、本実施形態は、コーティング層３を各層３ａ，３ｂ，…３ｎ毎に区分化し、区分化した層３ａ，３ｂ，…３ｎ毎にカラー階調にして音速分布を表示したので、画像をより鮮明に識別することができる。なお、カラー階調の画像は、音速のほかに超音波の減衰率、超音波の周波数解析による周波数特性値（中心周波数、ピーク周波数、振幅強度等）も平面像、断面像、立体像のいずれの像でも表示できる。
【００６２】
図１３および図１４は、本発明に係るコーティング材の劣化判定装置において、図２で示した超音波センサの具体例を説明するために用いたもので、図１３は、振動子が円錐型のものを適用することを示す概念図であり、図１４は振動子が半円柱状のものを適用することを示す概念図である。
【００６３】
本実施形態は、図１３に示すように、翼母材１に被覆した窒素化合物３ａを含むコーティング層３に、信号ケーブル１４から超音波センサ４を介して超音波ＴＵｂを送波する場合、その超音波センサ４の振動子１６を円錐型にしたものである。振動子１６は、円錐型にすれば、音響レンズが取り付けられて、いわゆる超音波顕微鏡としての使用ができる。
【００６４】
また、本実施形態は、図１４に示すように、超音波センサ４の振動子１６を半分円柱状に形成したので、コーティング層３に対して長方形型の範囲に超音波ＵＴｂを送波し、比較的広い範囲に亘って音速等を計測することができる。
【００６５】
図１５〜図１７は、本発明に係るコーティング材の劣化判定装置において、図２で示した超音波センサの他の実施形態における具体例を説明するために用いたもので、図１５は、レーザ発振部と超音波受信部とを組み合せた概念図であり、図１６は、レーザ発振部に超音波受信部および音響レンズを組み合せた概念図であり、図１７は、レーザ発振する場合、レーザパルス間隔を説明するために用いた概念図である。
【００６６】
本実施形態は、図１５に示すように、翼母材１に被覆したコーティング層３に臨む位置に設けた超音波センサ４の中央部にレーザ発振部１７を、その両外側に超音波受信部１８ａ，１８ｂを備えるとともに、レーザ発振部１７からコーティング層３にレーザビームＬｂを送波するレーザ発振器１９と、コーティング層３から反射する超音波ＵＴｂを超音波受信部１８ａ，１８ｂを介して受波する超音波発信器２０とを備えたものである。
【００６７】
このように、本実施形態は、超音波センサ４の中央部にレーザ発振部１７を、その両外側に超音波受信部１８ａ，１８ｂを備え、レーザ発振部１７から送波され、コーティング層３に入射され、入射時の熱衝撃によりコーティング層表面に超音波弾性表面波ＵＴｂが発生する。この超音波弾性表面波ＵＴｂは、コーティング層表面を伝搬し、レーザ発信部１７の周囲に配置した超音波受信部１８ａ，１８ｂで受波する。この方法で、音速や減衰率等を精度高く計測することができる。なお、本実施形態は、超音波センサ４の中央部にレーザ発振部１７を、その両外側に超音波受信部１８ａ，１８ｂを備えたが、この例に限らず、例えば図１６に示すように、超音波センサ４の中央部にレーザ発振部１７を、その両外側に音響レンズ２２，２２を介装して超音波受信部１８ａ，１８ｂを設けるとともに、音響レンズ２２，２２のそれぞれにレーザ検出器２１とを設けてもよい。また、図１５および図１６で示したレーザ発振部１７から発信するレーザ光は、図１７に示すように、パルス状に発信させるともに、そのパルスのパルス間隔Ｐｗを変化させたので、コーティング層３の表面を伝搬する超音波を任意の周波数に制御することができる。ちなみに、コーティング層３のコーティング材２を白金アルミ（ＰｔＡｌ）にした場合、適用周波数は、６００ＭＨｚ〜５ＭＨｚで音速等を充分に計測することができる。
【００６８】
図１８は、本発明に係るコーティング材の劣化判定装置において、図２で示した超音波センサおよび超音波送受信器の他の実施形態を説明するために用いた概略系統図である。
【００６９】
本実施形態は、翼母材１に被覆したコーティング層３に設けたセンサ２３と、このセンサ２３を介してコーティング層３にレーザ光を送波するレーザ発振器１９とを備えるとともに、レーザ照射により、コーティング層表面に超音波弾性波が発生し、コーティング層表面を伝搬する。
【００７０】
一方、レーザ検出器２１は、コーティング層表面へのレーザ照射により、コーティング層表面を伝搬した超音波弾性波の微少変位をセンサ２３が受波し、レーザ変位計２５にて超音波信号として受信する。この超音波は、周波数毎に区分化したフィルタ１，２，…，ｎを組み込んだフィルタユニット２６を介して異なった周波数の超音波信号として検出することができ、音速、減衰率等の超音波特性値を求めることができる。
【００７１】
また、本実施形態は、レーザ発振器１９、レーザ受信器２４、レーザ変位計２５、フィルタユニット２６のそれぞれを制御する制御ユニット２７を備えている。
【００７２】
このように、本実施形態は、コーティング層３からレーザ受信器２４を介して受波したレーザ光を超音波に代えるレーザ変位計２５を備えるとともに、超音波を周波数毎に区分化するフィルタユニット２６を備えたので、より精度の高い音速等を計測することができる。
【００７３】
図１９は、本発明に係るコーティング材の劣化判定装置において、図２で示した超音波センサのさらに他の実施形態を説明するために用いた概念図である。
【００７４】
本実施形態は、翼母材１に被覆したコーティング層３に、例えば水等の接触媒質ｃを介して設置させ、軸方向に配置した複数個の振動子Ａ（１），Ａ（２），…，Ａ（ｎ）を備えたアレイ型超音波センサ２８を設けたものである。
【００７５】
このアレイ型超音波センサ２８は、振動子Ａ（１），Ａ（２），…，Ａ（ｎ）のうち、振動子Ａ（１）を超音波ＵＴｂの送波用として用いるとともに、振動子Ａ（２），Ａ（３），…，Ａ（ｎ）を超音波ＵＴｂの受波用として用いたものである。
【００７６】
このように、本実施形態は、超音波センサをアレイ型超音波センサ２８にするとともに、振動子Ａ（１），Ａ（２），Ａ（３），…，Ａ（ｎ）のうち、一つを超音波ＵＴｂの送波用にし、残りを超音波ＵＴｂの受波用に区分けして軸方向に配置したので、より精度の高い音速等を計測することができる。
【００７７】
なお、本実施形態は、振動子Ａ（１），Ａ（２），Ａ（３），…，Ａ（ｎ）のうち、一つを超音波ＵＴｂの送波用とし、残りを超音波ＵＴｂの受波用に区分けして軸方向に配置したが、この例に限らず、例えば図２０に示すように、振動子Ｇ（Ｐ１），Ｇ（Ｐ２），…，Ｇ（Ｐｉ）を一つにまとめて超音波ＵＴｂの送波用群振動子Ｇ（Ｐ）とし、振動子Ｇ（Ｒ１），Ｇ（Ｒ２），…，Ｇ（Ｒｉ）を一つにまとめて超音波ＵＴｂの送波用群振動子Ｇ（Ｒ）とし、一つにまとめて超音波ＵＴｂの送波用群振動子Ｇ（Ｐ）と、一つにまとめて超音波ＵＴｂの受波用群振動子Ｇ（Ｒ）とを交互に軸方向に配置してもよい。
【００７８】
図２１は、本発明に係るコーティング材の劣化判定装置において、図２で示した超音波センサのさらに他の実施形態を説明するために用いた概念図である。
【００７９】
本実施形態は、翼母材１にコーティング材２を被覆したコーティング層３に、例えば水等の接触媒質ｃを介して設置され、複数個の振動子Ａ（１，１），Ａ（１，２），…，Ａ（１，ｍ）Ａ（２，１），…，Ａ（ｎ，１）を２次元平面状に配列したマトリックスアレイ型超音波センサ２９を設けたものである。
【００８０】
このマトリックスアレイ型超音波センサ２９は、振動子Ａ（１，１）を送波用とし、振動子（１，２），…，Ａ（１，ｍ）を受波用とし、さらに、振動子Ａ（２，１）を送波用とし、振動子（３，１），…，（ｎ，１）を受波用として用い、超音波ＵＴｂをコーティング層３に伝搬させたものである。
【００８１】
このように、本実施形態は、超音波センサをマトリックスアレイ型超音波センサ２９にしたので計測部位を広範囲に計測でき、より精度の高い音速等を計測することができる。なお、本実施形態は、超音波センサをマトリックスアレイ型超音波センサ２９にしたが、これに限らず、例えば図２２に示すように、アレイ型超音波センサ２８のうち、振動子Ａｆ（１，１），…，Ａｆ（１，ｎ）を群として一つにまとめて超音波ＵＴｂの送波用振動子Ａｆ１ｎとし、残りの振動子Ａｆ（２，１），…，Ａｆ（ｍ，ｎ）を群として一つにまとめて超音波ＵＴｂの受波様群振動子Ａｆｍｎとしてもよい。
【００８２】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るコーティング材の劣化判定方法は、コーティング層に異なる周波数の超音波弾性表面波を送波し、コーティング層から得たエネルギー分布を層厚さ毎に区分化して３次元画像化するとともに、計測値と予めデータベースとして格納しておいた判定基準に照合させて再コーティングの可否等を判定・提示するので、コーティング材の健全性を確実に維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るコーティング材の劣化判定方法の実施形態を説明するために用いたブロック図。
【図２】 本発明に係るコーティング材の劣化判定装置の実施形態を説明するために用いたブロック図。
【図３】 図１で示したステップ２の音速を求める場合、コーティング層に異なる周波数の超音波弾性表面波を送波したときの層厚方向のエネルギー分布図。
【図４】 本発明に係るコーティング材の劣化判定方法において、図１で示したステップ２の音速を求める場合の具体例を説明するために用いたもので、（ａ）はコーティング層の厚さ方向の層厚毎のエネルギー分布線図、（ｂ）はコーティング層の厚さ方向の寄与率を考慮した層厚毎の超音波弾性表面波のエネルギー分布図、（ｃ）はコーティング層の厚さ方向の寄与率を考慮した層厚毎の音速分布図。
【図５】 図１で示したステップ６のマスターカーブの具体例を示すもので、コーティング層に窒素化合物が含まれる場合、その体積率と超音波弾性表面波の音速との相関関係を示すグラフ。
【図６】 図１で示したステップ６のマスターカーブの具体例を示すもので、コーティング層に窒素化合物が含まれる場合、その体積率と超音波弾性表面波の減衰率との相関関係を示すグラフ。
【図７】 図１で示したステップ６のマスターカーブの具体例を示すもので、コーティング層に窒素化合物が含まれる場合、その体積率と超音波弾性表面波の中心低下率との相関関係を示すグラフ。
【図８】 図１で示したステップ２の音速を求める際、超音波として漏洩表面波を用いることを説明する概念図。
【図９】 図１で示したステップ２の音速を求める際、超音波の種類を説明するもので、（ａ）は表面ＳＨ波を用いることを説明する概念図、（ｂ）は表面波の伝搬方向を説明するために用いた概念図。
【図１０】 図１で示したステップ３のコーティング層の層厚を計測する具体例を説明するために用いたもので、（ａ）は電磁気法でコーティング層の層厚を計測する概念図、（ｂ）は予めテスト材で求めておいたインピーダンス変化量とコーティング層の層厚との相関関係を示すマスターカーブ。
【図１１】 図１で示したステップ３のコーティング層の層厚を計測する具体例を説明するために用いたもので、超音波を説明するために用いた概念図。
【図１２】 図１で示したステップ５の３次元画像化の具体例を説明するために用いたもので、（ａ）はコーティング層を層毎に区分化した概念図、（ｂ）は層毎にカラー階調で表示した音速分布を示す概念図。
【図１３】 図２で示した超音波センサの具体例を説明するために用いたもので、振動子が円錐型のものを適用することを示す概念図。
【図１４】 図２で示した超音波センサの具体例を説明するために用いたもので、振動子が半円柱状のものを適用することを示す概念図。
【図１５】 図２で示した超音波センサの他の実施形態における具体例を説明するために用いたもので、レーザ発振部と超音波受信部とを組み合せた概念図。
【図１６】 図２で示した超音波センサの他の実施形態における具体例を説明するために用いたもので、レーザ発振部に超音波受信部および音響レンズを組み合せた概念図。
【図１７】 図１５および図１６で示したレーザ発振部から発信されるレーザパルス間隔を説明するために用いた概念図。
【図１８】 図２で示した超音波センサおよび超音波送受信器の他の実施形態を説明するために用いた概略系統図。
【図１９】 図２で示した超音波センサのさらに他の実施形態を説明するために用いた概念図。
【図２０】 図１９で示した超音波センサの変形例を示す概念図。
【図２１】 図２で示した超音波センサのさらに他の実施形態を説明するために用いた概念図。
【図２２】 図２１で示した超音波センサの変形例を示す概念図。
【符号の説明】
１ 翼母材
２ コーティング材
３ コーティング層
３ａ 窒素化合物
４ 超音波センサ
５ センサホルダ
６ 層厚計測センサ
７ センサ保持機構部
８ センサ駆動機構部
９ 駆動機構制御装置
１０ 制御装置
１１ 超音波送受信器
１２ 膜厚計測装置
１３ 信号処理装置
１４ 信号ケーブル
１５ 電磁気センサ
１６ 振動子
１７ レーザ発振部
１８ａ，１８ｂ 超音波受信部
１９ レーザ発振器
２０ 超音波受信器
２１ レーザ検出器
２２ 音響レンズ
２３ センサ
２４ レーザ受信器
２５ レーザ変位計
２６ フィルタユニット
２７ 制御ユニット
２８ アレイ型超音波センサ
２９ マトリックスアレイ型超音波センサ
Claims (7)
- コーティング材の劣化度評価部分を選定する工程と、
選定した劣化度評価部分に異なる周波数の超音波をコーティング層に伝播させ、それぞれの周波数毎の音速値、減衰値または周波数解析による周波数特性値の少なくとも１つを計測する工程と、
上記音速値、減衰値または周波数解析による周波数特性値の少なくとも１つを計測する工程と並列してコーティング層の厚さを求める工程と、
上記コーティング層の厚さを求める工程で得られたコーティング層の厚さと、上記計測された周波数毎の音速値、減衰値または周波数解析による周波数特性値の少なくとも１つから各周波数毎のコーティング層における層厚方向のエネルギー分布を求め、求めたエネルギー分布に基づき各周波数毎のエネルギーの層厚毎の平均値を求め、この平均値と各層厚毎の全エネルギーに基づいて上記コーティング層を細分化した層厚毎に区分化する工程と、
上記層厚毎に区分化されたデータを画像化する工程と、
上記画像化したデータを予めデータベースとして格納しておいたマスターカーブに照合させ、上記コーティング材の補修の可否を判定する劣化度評価工程と
を備えていることを特徴とするコーティング材の劣化判定方法。 - 前記選定した劣化度評価部分の層厚を求める工程は、電磁気法でコーティング層の層厚を求めることを特徴とする請求項１記載のコーティング材の劣化判定方法。
- 前記コーティング層の層厚を求める電磁気法は、コーティング層からインピーダンス変化を計測し、計測したインピーダンスを予めデータベース化したマスターカーブに照合させてコーティング層の層厚を求めることを特徴とする請求項２記載のコーティング材の劣化判定方法。
- 前記選定した劣化度評価部分の層厚を求める工程は、超音波法でコーティング層の層厚を求めることを特徴とする請求項１記載のコーティング材の劣化判定方法。
- 前記コーティング層の層厚を求める超音波法は、コーティング層の境界面に超音波が到達する時間と、超音波の音速との掛算からコーティング層の層厚を求めることを特徴とする請求項４記載のコーティング材の劣化判定方法。
- 前記コーティング層に伝播される超音波は、漏洩表面波を用いることを特徴とする請求項１記載のコーティング材の劣化判定方法。
- 前記コーティング層に伝播される超音波は、表面ＳＨ波であることを特徴とする請求項１記載のコーティング材の劣化判定方法。
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