专利名称：陶瓷的物理参数推测方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷的物理参数推测方法、隔热涂敷材料的物理参数推测方法、隔热 涂敷材料的剩余寿命推测方法、及高温部件的剩余寿命推测方法、以及物理参数获取装置， 特别是涉及形成于高温部件上的隔热涂敷材料的物理参数推测方法。
背景技术：
发电用燃气轮机及喷射发动机的动叶、静叶、燃烧器等在高温环境下使用的高温 部件，为了保护金属制的母材不受高温影响，而对母材表面涂敷隔热涂敷材料(Thermal Barrier Coating :TBC)。隔热涂敷材料由通过减压等离子喷镀等形成于母材上的金属接合 层、和通过大气压等离子喷镀而形成于金属接合层上的陶瓷层构成。陶瓷层使用氧化钇稳 定氧化锆(YSZ)等稀土类稳定氧化锆这样的材料。在涡轮机及喷射发动机等设备部件的运转中，当隔热涂敷材料的陶瓷层上发生 裂纹、剥离等损伤时，高温部件的金属制母材温度上升，导致设备部件破损。因此，在设备 部件的运转前或运转中，需要把握隔热涂敷材料的陶瓷层的耐久性及剩余寿命。为了把 握隔热涂敷材料的耐久性及寿命，只要在使用温度及使用时间加热高温部件即可，但得到 试验结果前需要较长时间，因此是不现实的。因此，使用拉森-米勒参数(Larson-Miller Parameter)从短时间的试验结果外推求出长时间的试验结果。专利文献1中公开有推测陶瓷层的温度作为对陶瓷层的耐久性评价及剩余寿命 评价有用的物理参数的方法。即，在表示使用与陶瓷层相同组成的试样材料求出的间隙状 缺陷(层状缺陷)的面积率和拉森-米勒参数值之间的关系的特性图中，代入测定实机上 使用了规定时间时的深度方向截面的间隙状缺陷的面积率而得到的值，推测陶瓷层的表面温度。专利文献1 (日本)特开2003-4549号公报隔热涂敷材料的陶瓷层在内部具有多个层状缺陷和气孔。在高温环境下长时间使 用高温部件时，进行隔热涂敷材料的烧结，使内部的层状缺陷及气孔减小。与层状缺陷及气 孔的变化相对应，陶瓷层的杨氏模量及热传导率也发生变化。陶瓷层的杨氏模量及热传导率与上述的陶瓷层的表面温度一样，是对陶瓷层的耐 久性及剩余寿命有影响的物理参数。因此，这些物理参数也需要在设备部件的运转前、运转 中进行管理。目前，需要对每个涡轮机实机的运转条件准备试验片来测定杨氏模量及热传导 率，试验片制作及物理参数测定中需要巨大的成本和时间。因此，需要下述方法在涡轮机 运转前、运转中，通过更简易且迅速的方法高精度地推测隔热涂敷材料的陶瓷层的物理参 数，进而推测隔热涂敷材料的剩余寿命。
发明内容
本发明提供一种在短时间内高精度地推测形成于高温部件的隔热涂敷材料的陶瓷层的物理参数、特别是杨氏模量及热传导率的方法。为解决上述课题，本发明提供一种陶瓷的物理参数推测方法，包括根据陶瓷的加 热时间和加热温度计算拉森-米勒参数的工序；根据该计算出的拉森-米勒参数、和从与所 述陶瓷相同组成的试样材料得到的拉森-米勒参数和气孔率的相关图获取与所述计算出 的拉森-米勒参数相对应的所述陶瓷的气孔率的工序；以及根据该获取到的气孔率、和从 与所述陶瓷相同组成的试样材料得到的气孔率和物理参数的相关图获取与所述获取到的 气孔率相对应的所述陶瓷的物理参数的工序。本发明中，根据与作为物理参数推测对象的陶瓷相同组成的试样材料，预先制作 拉森-米勒参数和气孔率的相关图、及气孔率和物理参数的相关图。根据物理参数推测对 象的陶瓷被加热的时间和温度计算拉森-米勒参数。根据计算出的拉森-米勒参数、和预 先制作的拉森-米勒参数和气孔率的相关图获取与计算出的拉森-米勒参数相对应的气孔 率。获取到的气孔率为陶瓷的气孔率的推测值。然后，根据获取到的气孔率、和预先制作的 气孔率和物理参数的相关图获取与获取到的气孔率相对应的物理参数。获取到的物理参数 为陶瓷的物理参数的推测值。通过由拉森-米勒参数表示陶瓷的加热时间及加热温度，也可将根据短时间的试 验结果得到的相关图适用于长时间加热时的陶瓷的物理参数的推测。另外，通过使用气孔 率和物理参数的相关图，获取的物理参数的精度较高。因此，如果使用上述相关图，则能够 在短时间内高精度地推测陶瓷的物理参数。上述发明中，优选上述物理参数为杨氏模量。杨氏模量与陶瓷内部的气孔及层状 缺陷有强的相关性。如果使用本发明，则能够在短时间内高精度地推测在高温长时间的条 件下进行了加热处理的陶瓷的杨氏模量。上述发明中，优选上述物理参数为热传导率。热传导率与陶瓷内部的气孔及层状 缺陷有强的相关。如果使用本发明，则能够在短时间内高精度地推测在高温长时间的条件 下进行了加热处理的陶瓷的热传导率。本发明提供一种隔热涂敷材料的物理参数推测方法，使用上述陶瓷的物理参数推 测方法，来获取形成于高温部件的隔热涂敷材料的陶瓷层的杨氏模量及热传导率中的至少 一个参数。例如，如果基于在隔热涂敷材料的陶瓷层材料的开发阶段得到的结果制作上述相 关图，则对于实机也能够适用相关图。因此，在实机运转前、运转中，能够根据运转条件在短 时间内推测隔热涂敷材料的陶瓷层的物理参数。另外，由于使用杨氏模量、热传导率和相关 性非常强的气孔率的相关图来求取陶瓷层的杨氏模量或热传导率，所以能够高精度地推测 杨氏模量、热传导率。由此，能够大幅度减少隔热涂敷材料的物理参数获取所需要的时间及 成本，并且能够提高隔热涂敷材料的物理参数的推测精度。本发明提供一种隔热涂敷材料的剩余寿命推测方法，使用利用所述的隔热涂敷材 料的物理参数推测方法获取到的所述陶瓷层的杨氏模量及热传导率中的至少一个参数，来 获取所述隔热涂敷材料的剩余寿命。此外，提供一种高温部件的剩余寿命推测方法，根据使 用上述隔热涂敷材料的剩余寿命推测方法获取到的所述隔热涂敷材料的剩余寿命，来推测 所述高温部件的剩余寿命。 如果使用上述的陶瓷的物理参数推测方法，则能够高精度地获取隔热涂敷材料的陶瓷层的杨氏模量、热传导率。因此，使用获取到的隔热涂敷材料的杨氏模量及热传导率中 的至少一个参数获取到的隔热涂敷材料的剩余寿命、及根据隔热涂敷材料的剩余寿命获取 到的高温部件的剩余寿命也成为高精度的值。因此，例如在涡轮机中，如果在涡轮机的运转 前、运转中使用本发明来推测隔热涂敷材料及高温部件的剩余寿命，则能够在隔热涂敷材 料损伤之前进行高温部件的维修检查。其结果是，能够避免高温部件的破损带来的紧急停 止，能够防止蒙受经济损失。本发明提供一种物理参数获取装置，具备拉森-米勒参数计算单元，根据陶瓷的 加热时间和加热温度计算拉森-米勒参数；气孔率获取单元，根据由该计算单元计算出的 拉森_米勒参数、和从与所述陶瓷相同组成的试样材料得到的拉森_米勒参数和气孔率的 相关图，来获取与所述计算出的拉森-米勒参数相对应的所述陶瓷的气孔率；以及物理参 数获取单元，根据由该气孔率获取单元获取到的气孔率、和从与所述陶瓷相同组成的试样 材料得到的气孔率和物理参数的相关图，来获取与所述获取到的气孔率相对应的所述陶瓷 的物理参数。如果使用上述陶瓷的物理参数获取装置，则能够在加热前迅速且高精度地获取并 推测在高温长时间的条件下进行了加热处理的陶瓷的物理参数。
在上述发明中，优选上述物理参数获取装置还具备剩余寿命获取单元，该剩余寿 命获取单元使用由所述物理参数获取单元获取到的物理参数来获取隔热涂敷材料的剩余 寿命。由此，能够在更短时间内获取隔热涂敷材料的剩余寿命。根据本发明，能够高精度地在短时间内推测陶瓷、特别是隔热涂敷材料的陶瓷层 的物理参数。由此，能够大幅度减少为获取物理参数所需要的成本及时间。另外，根据本发明，能够在短时间内高精度地推测隔热涂敷材料的剩余寿命及具 备隔热涂敷材料的高温部件的剩余寿命。因此，例如在涡轮机中，如果在涡轮机运转前、运 转中使用本发明来推测隔热涂敷材料及高温部件的剩余寿命，则能够在隔热涂敷材料损伤 之前进行高温部件的维修检查。其结果是，能够避免高温部件的破损导致的紧急停止，能够 防止蒙受经济损失。
图1是(A)加热前及(B)加热后的隔热涂敷材料截面微组织的示意图；图2是拉森_米勒参数和气孔率的相关图A的例子；图3是气孔率和杨氏模量的相关图B的例子；图4是使用了扫描型电子显微镜的反射电子图像时的气孔率和热传导率的相关 图C的例子；图5是使用了扫描型电子显微镜的二次电子图像时的气孔率和热传导率的相关 图C的例子；图6是使用了光学显微镜时的气孔率和热传导率的相关图C的例子。
具体实施例方式下面，对本发明的物理参数获取装置及陶瓷物理参数推测方法的一实施方式进行 说明。本实施方式中，作为陶瓷，例举形成于涡轮机高温部件上的隔热涂敷材料的陶瓷层。
本实施方式中，物理参数获取装置是计算机。首先，操作员制作表示拉森_米勒参数和气孔率的相关的坐标图。操作员向与涡轮机相同材料的金属母材喷镀与隔热涂敷材料的陶瓷层相同组成的陶瓷粉末，制作多个形成有陶瓷薄膜的试样材料。操作员使用电炉对每个试样材料改变 加热条件(加热温度及加热时间)而加热试样材料。操作员使用显微镜观察加热前及加热后的试验用母材的截面微组织。作为上述显 微镜，可使用光学显微镜或扫描型电子显微镜。图1是㈧加热前及⑶加热后的隔热涂敷材料截面微组织的示意图。如图1 (A) 所示，加热前的隔热涂敷材料的截面微组织存在气孔1和层状缺陷2。当在高温下加热隔热 涂敷材料时，如图1 (B)所示那样变化。即，烧结进行而气孔1及层状缺陷2变小，数量也减 少。操作员对显微镜照片进行图像处理，制作二值图像。检测制作好的二值图像的气 孔及层状的缺陷。测定所检测出的气孔和层状缺陷的面积，并计算气孔率及层状缺陷的面 积率。计算出的面积率作为试样材料的气孔率。操作员根据试样材料的加热温度及加热时间计算拉森_米勒参数。拉森_米勒参 数LMP由式(1)表示。LMP = T(20+logt)/1000... (1)在此，T是加热温度，t是加热时间。另外，上述试样材料的拉森-米勒参数也可以由物理参数获取装置计算出。该情 况下，操作员向物理参数获取装置输入试样材料的加热温度及加热时间。物理参数获取装 置在拉森-米勒参数计算单元中根据所输入的加热时间及加热温度，通过式(1)计算出试 样材料的拉森-米勒参数。操作员制作表示计算出的各试样材料的拉森-米勒参数和各试样材料的气孔率 的相关的坐标图(以下称作相关图A)。图2是形成有氧化钇稳定氧化锆(YSZ)薄膜及SmYWr2O7薄膜的试样材料的相关 图A的例子。该图中，横轴是拉森_米勒参数，纵轴是气孔率。气孔率根据扫描型电子显微 镜观察的反射电子图像(BSE)得到。如图2所示，对于YSZ和SmYWr2O7，拉森-米勒参数 和气孔率的关系有所不同。因此，操作员对每种材料制作相关图A。操作员将制作好的相关图A输入物理参数推测装置。物理参数推测装置将所输入 的相关图A存储于计算机的存储器。接着，操作员制作表示气孔率和物理参数的相关的坐标图。操作员测定上述试样材料的物理参数。本实施方式中，测定的物理参数为杨氏模 量及热传导率。操作员从加热前及加热后的试样材料分别切出由JIS标准规定的形状及大小的 物理参数测定用试验片。操作员使用切出的试验片测定杨氏模量及热传导率。操作员制作表示试样材料的气孔率和试验片的杨氏模量的相关的坐标图(以下 称作相关图B)。操作员制作表示试样材料的气孔率和试验片的热传导率的相关的坐标图 (以下称作相关图C)。图3是形成有YSZ薄膜及SmYWr2O7薄膜的试样材料的相关图B的例子，横轴是气孔率，纵轴是杨氏模量。图4是形成有YSZ薄膜及SmYWr2O7薄膜的试样材料的相关图C的例子，横轴是气孔率，纵轴是热传导率。另外，图3及图4中，根据从扫描型电子显微镜观察 的反射电子图像(BSE)得到气孔率。这样，对于YSZ和SmYWr2O7，气孔率和各物理参数的 相关有所不同。因此，操作员对每种材料制作相关图B及相关图C。操作员将制作好的相关图B及相关图C输入物理参数推测装置。物理参数推测装 置将所输入的相关图B及相关图C存储于计算机的存储器。本实施方式的物理参数获取装置使用存储于计算机的存储器的相关图A 相关 图C，获取形成于涡轮机部件的隔热涂敷材料的陶瓷层的物理参数。操作员将运转温度及运转时间作为涡轮机运转条件输入物理参数获取装置。物 理参数获取装置在拉森_米勒参数计算单元中根据所输入的运转温度及运转时间计算拉 森-米勒参数。物理参数获取装置在气孔率获取单元中，从存储器读出相关图A。物理参数获取装 置在气孔率获取单元中，基于所读出的相关图A，获取与上述计算出的拉森_米勒参数相对 应的气孔率的值。物理参数获取装置在物理参数获取单元中，从存储器读出相关图B。物理参数获取 装置在物理参数获取单元中，基于所读出的相关图B，获取与上述获取到的气孔率的值相对 应的杨氏模量的值。物理参数获取装置在物理参数获取单元中，从存储器读出相关图C。物理参数获取 装置在物理参数获取单元中，基于所读出的相关图C，获取与上述获取到的气孔率的值相对 应的热传导率的值。操作员将物理参数获取装置获取到的杨氏模量及热传导率的值推测为以上述运 转条件下使涡轮机运转时的陶瓷层的杨氏模量及热传导率。上述实施方式中，对气孔及层状缺陷的检测使用扫描型电子显微镜的反射电子图 像，但也可以使用光学显微镜图像、扫描型电子显微镜的二次电子图像。对于同一试件(合计13点)，分别根据扫描型电子显微镜的反射电子图像、二次电 子图像、光学显微镜图像检测气孔及层状缺陷。图4是使用扫描型电子显微镜的反射电子 图像检测气孔及层状缺陷而得到的气孔率和热传导率的相关图。图5是根据扫描型电子显 微镜的二次电子图像检测气孔及层状缺陷而得到的气孔率和热传导率的相关图。图6是根 据光学显微镜图像检测气孔率及层状缺陷而得到的气孔率和热传导率的相关图。该图中， 横轴是气孔率，纵轴是热传导率。图中实线描绘出的斜线表示测定值的平均线。另外，图中 虚线、双点划线及点划线分别表示1 ο、2 ο、3 ο的偏差带。从光学显微镜图像得到的图6可发现气孔率和热传导率的相关，但偏差带(1 σ、 2σ ,3σ)的宽度大，测定点的偏差大。另一方面，从扫描型电子显微镜图像得到的图4及 图5中，偏差带的宽度窄，测定点的偏差小。这是因为，由于在扫描型电子显微镜中可观察 微细的层状缺陷，物理参数获取装置也可检测出微细的层状缺陷。如果在组织观察中使用 扫描型电子显微镜，则气孔率的计算精度提高，因此，获取到的物理参数的精度也提高。特 别是如果使用反射电子图像，则如图4所示，可进一步减小测定点的偏差，故而优选之。在上述实施方式中，操作员进行气孔及层状缺陷的检测、气孔率的计算及各相关 图的制作，但从气孔及层状缺陷的检测到相关图制作的工序可通过物理参数推测装置或其它装置进行。该情况下，可大幅度缩短从气孔及层状缺陷的检测到相关图制作所需要的时间及操作员的劳力，故而优选之。特别是如果通过物理参数推测装置进行上述工序，则也可 省略向物理参数推测装置输入相关图的工序，故而可进一步简化工序。物理参数获取装置还可以具备剩余寿命获取单元。物理参数获取装置在剩余寿命 获取单元中，使用由上述物理参数获取单元获取到的杨氏模量和热传导率，通过热应力解 析来计算隔热涂敷材料中产生的畸变，获取根据畸变求出的剩余寿命。操作员将物理参数 获取装置获取到的剩余寿命推测为在上述运转条件下运转涡轮机时的隔热涂敷材料的剩 余寿命。另外，操作员将推测出的隔热涂敷材料的剩余寿命推测为涡轮机的高温部件的剩 余寿命。另外，本发明的物理参数推测方法不限于上述的实施方式，在本发明的范围内可 以任意组合。
权利要求
一种陶瓷的物理参数推测方法，包括根据陶瓷的加热时间和加热温度计算拉森-米勒参数的工序；根据该计算出的拉森-米勒参数、和从与所述陶瓷相同组成的试样材料得到的拉森-米勒参数和气孔率的相关图获取与所述计算出的拉森-米勒参数相对应的所述陶瓷的气孔率的工序；以及根据该获取到的气孔率、和从与所述陶瓷相同组成的试样材料得到的气孔率和物理参数的相关图获取与所述获取到的气孔率相对应的所述陶瓷的物理参数的工序。
2.如权利要求1所述的陶瓷的物理参数推测方法，其中，所述物理参数为杨氏模量。
3.如权利要求1所述的陶瓷的物理参数推测方法，其中，所述物理参数为热传导率。
4.一种隔热涂敷材料的物理参数推测方法，使用权利要求1 3中任一项所述的陶瓷 的物理参数推测方法，来获取形成于高温部件的隔热涂敷材料的陶瓷层的杨氏模量及热传 导率中的至少一个参数。
5.一种隔热涂敷材料的剩余寿命推测方法，使用利用权利要求4所述的隔热涂敷材料 的物理参数推测方法获取到的所述陶瓷层的杨氏模量及热传导率中的至少一个参数，来获 取所述隔热涂敷材料的剩余寿命。
6.一种高温部件的剩余寿命推测方法，根据使用权利要求5所述的隔热涂敷材料的 剩余寿命推测方法获取到的所述隔热涂敷材料的剩余寿命，来推测所 述高温部件的剩余寿 命。
7.—种物理参数获取装置，具备拉森_米勒参数计算单元，根据陶瓷的加热时间和加热温度计算拉森_米勒参数；气孔率获取单元，根据由该计算单元计算出的拉森-米勒参数、和从与所述陶瓷相 同组成的试样材料得到的拉森-米勒参数和气孔率的相关图，来获取与所述计算出的拉 森_米勒参数相对应的所述陶瓷的气孔率；以及物理参数获取单元，根据由该气孔率获取单元获取到的气孔率、和从与所述陶瓷相同 组成的试样材料得到的气孔率和物理参数的相关图，来获取与所述获取到的气孔率相对应 的所述陶瓷的物理参数。
8.如权利要求7所述的物理参数获取装置，其中，还具备剩余寿命获取单元，该剩余寿 命获取单元使用由所述物理参数获取单元获取到的物理参数来获取隔热涂敷材料的剩余 寿命ο
全文摘要
提供一种在短时间内高精度地推测形成于高温部件的隔热涂敷材料的陶瓷层的物理参数、特别是杨氏模量及热传导率的方法。陶瓷的物理参数推测方法包括根据陶瓷的加热时间和加热温度计算拉森-米勒参数的工序；根据该计算出的拉森-米勒参数、和从与所述陶瓷相同组成的试样材料得到的拉森-米勒参数和气孔率的相关图来获取与所述计算出的拉森-米勒参数相对应的所述陶瓷的气孔率的工序；根据该获取到的气孔率、和从与所述陶瓷相同组成的试样材料得到的气孔率和物理参数的相关图来获取与所述获取到的气孔率相对应的所述陶瓷的物理参数的工序。
文档编号G01M99/00GK101842685SQ20098010083
公开日2010年9月22日 申请日期2009年3月13日 优先权日2008年3月26日
发明者伊藤荣作, 冈田郁生, 志田雅人, 森一刚, 水流靖彦, 永野一郎, 难波克实, 高桥孝二, 鸟越泰治 申请人:三菱重工业株式会社