説明

膜厚測定装置及び膜厚測定方法

【課題】被測定対象に施される遮熱コーティングの膜厚を効率良く正確に測定することが可能な膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することを目的とする。
【解決手段】膜厚測定装置1は、タービン翼11に形成された遮熱コーティング膜の膜厚を測定するECTセンサ4と、遮熱コーティング膜の膜厚を測定する地点であるタービン翼11上の測定地点を記憶している記憶手段9と、タービン翼11の形状を測定するレーザ変位計5と、レーザ変位計5によって測定された測定されたタービン翼11の形状と、記憶手段9に記憶されているタービン翼11上の測定地点に基づいて、ECTセンサ4による実際の膜厚測定に適した実測定地点を算出する測定位置算出手段8と、測定位置算出手段8によって算出された実測定地点に基づいて、ECTセンサ4を駆動して、ECTセンサ4の測定位置を調整するアーム駆動手段6とを備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、被測定対象に施された遮熱コーティング膜の膜厚を測定する膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ガスタービンに用いられる静翼や動翼といったガスタービン翼には、遮熱コーティング膜(TBC:Thermal Barrier Coating)が施される。そして、高品質なガスタービン翼を製造するため、ガスタービン翼の製造工程において、TBCの膜厚が管理される必要がある。
【0003】
特許文献1では、導電体基板上に置かれる薄い非導電体コーティングの厚さを測定するコーティング厚さ測定計器に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第3092722号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ガスタービン翼のTBC膜厚は、検査員が渦電流式変位センサ(以下「ECTセンサ」という。)を用いることによって手動で測定されている。TBC膜厚測定は、例えばガスタービン翼の出荷時に行われ、静翼の場合、1翼当たり32箇所程度で測定される。TBCの膜厚は、例えば500μmであり、膜厚精度は、製品のフラット部分では例えば±20μm、複雑な曲面形状部分では例えば±50μmが要求される。
【0006】
ECTセンサによる膜厚測定は、ECTセンサをTBCの表面に接触させ、ECTセンサとTBCの基材となる金属部材との距離を測定して、その測定結果を膜厚とするものである。したがって、ECTセンサがTBCの表面に対して傾いた状態で測定が行われると、正確な膜厚を取得できない。膜厚測定は、手動で行われていることから、特に複雑な形状部分ではECTセンサが傾きやすく正確な測定が困難である。また、正確な所定位置での測定が難しいという問題があった。更に、正確で、大量且つ迅速な測定を行うためには、検査員の熟練度が高いことが要求される。
【0007】
また、施工直後のTBCは、材料の溶射によって約300℃と高温である。そのため、検査員の手動による現状の方法では、安全面の観点から施工直後の膜厚測定が困難であり、再施工要否の判断のための測定は、冷却されるまで待つ必要があった。
【0008】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、被測定対象に施される遮熱コーティングの膜厚を効率良く正確に測定することが可能な膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明の膜厚測定装置及び膜厚測定方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る膜厚測定装置は、被測定対象に形成された遮熱コーティング膜の膜厚を測定する膜厚測定手段と、遮熱コーティング膜の膜厚を測定する地点である被測定対象上の測定地点を記憶している記憶手段と、被測定対象の形状を測定する形状測定手段と、形状測定手段によって測定された被測定対象の形状と、記憶手段に記憶されている被測定対象上の測定地点に基づいて、膜厚測定手段による実際の膜厚測定に適した実測定地点を算出する測定位置算出手段と、測定位置算出手段によって算出された実測定地点に基づいて、膜厚測定手段を駆動して、膜厚測定手段の測定位置を調整する駆動手段とを備える。
【0010】
この発明によれば、遮熱コーティング膜の膜厚を測定する地点である被測定対象上の測定地点が記憶手段に記憶されており、測定位置算出手段によって測定された被測定対象の形状に基づいて、膜厚測定手段による実際の膜厚測定に適した実測定地点が算出される。そこで、駆動手段が膜厚測定手段を駆動して、膜厚測定手段を膜厚測定に適した実測定位置へ移動させて、膜厚測定手段の測定位置を調整することによって、膜厚測定の精度を向上させることができる。なお、被測定対象は、例えば静翼又は動翼といったガスタービン翼である。
【0011】
上記発明において、形状測定手段は、レーザ光を直線方向に走査して2次元面内の被測定対象の形状を算出してもよい。
【0012】
この発明によれば、測定地点を含む被測定対象の形状を2次元面で算出することから、外表面が複雑な曲面形状を有する被測定対象であっても、被測定対象の形状と、膜厚測定手段による膜厚測定に適した実測定位置を簡易に取得することができる。
【0013】
上記発明において、遮熱コーティング膜の表面温度を測定する温度測定手段を更に備え、膜厚測定手段は、温度測定手段によって測定された表面温度に基づいて、測定された膜厚を補正してもよい。
【0014】
この発明によれば、温度測定手段によって測定された表面温度に基づいて、膜厚測定手段によって測定された膜厚が補正されることから、膜厚測定手段の温度特性によって、測定される値が温度に依存して変化する場合でも、より正確な遮熱コーティング膜の膜厚を取得することができる。
【0015】
また、本発明に係る膜厚測定方法は、膜厚測定手段が、被測定対象に形成された遮熱コーティング膜の膜厚を測定するステップと、形状測定手段が、被測定対象の形状を測定するステップと、測定位置算出手段が、形状測定手段によって測定された被測定対象の形状と、記憶手段に記憶されている、遮熱コーティング膜の膜厚を測定する地点である被測定対象上の測定地点に基づいて、膜厚測定手段による実際の膜厚測定に適した実測定地点を算出するステップと、駆動手段が、測定位置算出手段によって算出された実測定地点に基づいて、膜厚測定手段を駆動して、膜厚測定手段の測定位置を調整するステップとを備える。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、被測定対象に施される遮熱コーティングの膜厚を効率良く正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の第1実施形態に係る膜厚測定装置を示すブロック図である。
【図2】同実施形態に係る膜厚測定装置を示す斜視図である。
【図3】ガスタービン翼とガスタービン翼上の膜厚測定地点を示す斜視図である。
【図4】ガスタービン翼と膜厚測定装置の位置を示す断面図である。
【図5】ガスタービン翼と膜厚測定装置の位置を示す断面図である。
【図6】ECTセンサと被測定対象の凸部分の関係を示す概略図である。
【図7】ECTセンサと被測定対象の凹部分の関係を示す概略図である。
【図8】ECTセンサの測定誤差とECTセンサの位置ずれの関係を示すグラフである。
【図9】本発明の第2実施形態に係る膜厚測定装置を示すブロック図である。
【図10】ECTセンサで測定された信号と測定された温度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態に係る膜厚測定装置1について説明する。
膜厚測定装置1は、図1に示すとおり、ロボットアーム3と、ロボットアーム3に搭載されたECTセンサ4及びレーザ変位計5と、アーム駆動手段6と、膜厚測定手段7と、測定位置算出手段8と、記憶手段9などからなる。
【0019】
膜厚測定装置1は、図2に示すとおり、タービン翼11(ガスタービンの動翼及び静翼いずれの場合も含む。)の表面に施された遮熱コーティング膜(TBC:Thermal Barrier Coating)の膜厚を測定する。TBCには、基材となる金属部材上に、例えば、耐酸化性に優れるMCrAlY(M:Co,Ni,CoNi等)合金をボンドコートとして施工した後、熱伝導率の低いZrO2系セラミックス(YSZ:8wt%のY2O3で部分安定化したZrO2:Yttria Partially Stabilized Zirconia)をトップコートとして被覆したものがある。
【0020】
ECTセンサ4及びレーザ変位計5は、ロボットアーム3の例えば先端部分に固定されており、ロボットアーム3が駆動することによって、ECTセンサ4及びレーザ変位計5の位置及び方向が変化する。
【0021】
ECTセンサ4は、渦電流を用いた測定装置であり、被測定対象である金属部材とECTセンサ4との距離が測定信号として得られる。したがって、ECTセンサ4をTBCの表面に接触させて、ECTセンサ4とTBCの基材となる金属部材との距離を測定することによって、その測定結果をTBCの膜厚として取得する。
【0022】
レーザ変位計5は、例えば2次元レーザ変位計であり、レーザ光を直線方向に走査して、走査した結果得られる2次元面内の被測定対象の形状を取得する。
【0023】
アーム駆動手段6は、ロボットアーム3を駆動するモータや伝達部材であり、ロボットアーム3の位置や方向を変更させる。また、アーム駆動手段6は、ロボットアーム3の現在の位置や方向(ECTセンサ4及びレーザ変位計5の現在の位置や方向を含む)と、ECTセンサ4による膜厚測定のための最適測定地点(実測定地点)に基づいて、ロボットアーム3の位置や方向を変更できる。これにより、ECTセンサ4の位置や方向が、例えばECTセンサ4による膜厚測定に適した位置や方向に調整される。
【0024】
膜厚算出手段7は、ECTセンサ4から測定信号を取得し、その測定信号を換算してTBCの膜厚を算出する。
【0025】
測定位置算出手段8は、レーザ変位計5が測定した被測定対象であるタービン翼11の表面形状と、記憶手段9に保存されている被測定対象とするタービン翼11の形状に関するデータ(CADデータ)とを重ね合わせて、フィッティングする。そして、測定位置算出手段8は、記憶手段9に保存されている膜厚測定地点に基づいて、実際のタービン翼11上における膜厚測定に適した最適測定地点を算出する。
【0026】
記憶手段9には、被測定対象とするタービン翼11の形状に関するデータ(例えば、CADデータ)と、CADデータに関連付けられたタービン翼11における膜厚測定地点が保存されている。
【0027】
次に、膜厚測定装置1を用いた膜厚測定方法について説明する。
タービン翼11におけるTBCの膜厚は、図3中のa〜dの4箇所を含む1翼当たり32箇所程度で測定される。ECTセンサ4による測定は、上述の通り、ECTセンサ4をTBCの表面に接触させ、ECTセンサ4とTBCの基材となる金属部材との距離を測定して、その測定結果を膜厚とするものである。そのため、ECTセンサ4がTBCの表面に対して傾いた状態で測定が行われると、正確な膜厚を取得できない。特に、タービン翼11のリーディングエッジ12上の測定地点aやプラットフォーム14から翼部分への立ち上がりに設けられたフィレット部分13上の測定地点dで誤差が生じやすい。
【0028】
誤差の発生状況について、図4を参照し、図3中のリーディングエッジ12上の測定地点aを含むL1線で切断した断面で説明する。図4では、ECTセンサ4の測定位置として、4A、4B、4Cの3点を例示した。測定地点4Aでは、ECTセンサ4の先端部分がTBC15の表面に適切に接触しており、正確な膜厚が測定される。しかし、測定地点4B、4Cでは、ECTセンサ4の先端部分がTBCの表面に部分的にしか接触しておらず、ECTセンサ4から金属部材まで距離は、TBCの膜厚よりも長い距離になり、測定結果はTBCの膜厚を示さない。
【0029】
同様に、誤差の発生状況について、図5を参照し、図3中のフィレット部分13上の測定地点dを含むL2線で切断した断面で説明する。図5では、ECTセンサ4の測定位置として、4D、4E、4Fの3点を例示した。測定地点4Dでは、ECTセンサ4の先端部分がTBC15の表面に適切に接触しており、正確な膜厚が測定される。しかし、測定地点4E、4Fでは、ECTセンサ4の先端部分がTBC15の表面に部分的にしか接触しておらず、ECTセンサ4から金属部材まで距離は、TBC15の膜厚よりも長い距離になり、測定結果は、やはりTBC15の膜厚を示さない。
【0030】
図6及び図7は、それぞれリーディングエッジ12の凸部分及びフィレット部分13の凹部分を模式的に示した図である。図6及び図7では、基材16、18上にTBC17、19がそれぞれ施されている。この場合のECTセンサ4の横方向への位置ずれと、膜厚測定されたときの測定値及び実際値の差(誤差)の関係を図8に示す。図8は、TBC17、19の膜厚が0.5mm、ECTセンサ4の先端とECTセンサ4内のコイル部分までの距離が0.8mmとしたときに生じる誤差を示している。誤差は、ECTセンサ4の位置ずれが大きくなるほど、大きくなる傾向にあることから、ECTセンサ4の位置ずれは極力少ないことが望ましい。
【0031】
そこで、レーザ変位計5がレーザ光を直線方向に走査することによって、走査した結果から、2次元面内の被測定対象の断面形状を取得する。そして、取得された2次元断面形状と、記憶部9に記憶されているCADデータから導かれる被測定対象の断面形状と、記憶部9に記憶されている所定の測定地点に基づいて、実際に測定に適した最適測定地点を算出する。
【0032】
タービン翼11の基材である金属部材は、鋳物であることから、製品ごとに形状誤差が生じる。そこで、測定位置算出手段8は、走査した結果得られる2次元面内の被測定対象の断面形状をCADデータと重ね合わせ、フィッティングする。そして、CADデータと関連付けられた所定の測定地点に基づいて、実際に測定に適している最適測定地点を算出する。
【0033】
アーム駆動手段6は、算出された最適測定地点に基づいて、ロボットアーム11の先端部分を駆動し、ECTセンサ4及びレーザ変位計5を移動させる。このとき、レーザ変位計5は、移動先の現在位置を取得するため、継続して位置情報を取得する。その結果、ECTセンサ4は、測定に適した測定位置へ導かれ、最適測定地点において、より正確なTBCの膜厚を取得できる。
【0034】
上記第1実施形態によれば、タービン翼11の表面形状が複雑な曲面であり、CADデータなどの設計データと、実際の製品の形状とが異なる場合でも、TBCの膜厚測定に適した最適測定地点を算出できる。また、ロボットアーム3の位置や方向が調整されることによって、ECTセンサ4をTBC表面に適切に接触させることができることから、正確なTBCの膜厚を取得できる。
【0035】
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る膜厚測定装置2について説明する。
本実施形態では、測定時のタービン翼11の温度を考慮して、TBCの膜厚を測定する。
【0036】
膜厚測定装置2は、図9に示すように、第1実施形態の膜厚測定装置1に対して、温度算出手段10を更に備える。温度算出手段10は、ECTセンサ4で得られるコイル抵抗値に基づいて温度を算出する。ECTセンサ4には、銅線等のコイルが使用されており、TBC表面から金属部材までの距離(膜厚)を示す測定信号は、温度に依存する。そこで、恒温槽等を使用して、ECTセンサ4の校正カーブを予め取得しておき、温度と測定信号から膜厚を算出できるようにする。
【0037】
図10は、校正カーブの一例である。ECTセンサ4で測定された信号と、コイル抵抗値から導かれる温度が取得されることによって、図10の校正カーブを用いて、TBCの膜厚を算出できる。
【0038】
記憶手段9は、上記校正カーブを保存している。また、膜厚測定手段7は、温度算出手段10で算出された温度と、記憶手段9に記憶されている校正カーブを用いて、ECTセンサ4の測定信号に基づく膜厚を補正する。これにより、温度を考慮した、より正確なTBCの膜厚を算出できる。
【0039】
以上、本実施形態によれば、ロボットアーム3を使用し且つ温度特性を考慮した測定が実施されることから、人間が高温で触れないタービン翼11の状態でも、正確なTBCの膜厚測定が可能になる。また、TBC施工直後の高温状態(約300℃)でも、検査結果が得られるため、TBCが冷却されるまで膜厚測定の実施を待つ必要がない。よって、TBCの除去や再溶射といった再施工の要否の判断までにかかる時間を短縮化できる。
【符号の説明】
【0040】
1、2 膜厚測定装置
3 ロボットアーム
4 ECTセンサ(膜厚測定手段)
5 レーザ変位計(形状測定手段)
6 アーム駆動手段(駆動手段)
7 膜厚算出手段
8 測定位置算出手段
9 記憶手段
10 温度算出手段
11 タービン翼

【特許請求の範囲】
【請求項1】
被測定対象に形成された遮熱コーティング膜の膜厚を測定する膜厚測定手段と、
前記遮熱コーティング膜の膜厚を測定する地点である前記被測定対象上の測定地点を記憶している記憶手段と、
前記被測定対象の形状を測定する形状測定手段と、
前記測定手段によって測定された前記被測定対象の形状と、前記記憶手段に記憶されている前記被測定対象上の測定地点に基づいて、前記膜厚測定手段による実際の膜厚測定に適した実測定地点を算出する測定位置算出手段と、
前記測定位置算出手段によって算出された前記実測定地点に基づいて、前記膜厚測定手段を駆動して、前記膜厚測定手段の測定位置を調整する駆動手段と、
を備える膜厚測定装置。
【請求項2】
前記形状測定手段は、レーザ光を直線方向に走査して2次元面内の前記被測定対象の形状を算出する請求項1に記載の膜厚測定装置。
【請求項3】
前記遮熱コーティング膜の表面温度を測定する温度測定手段を更に備え、
前記膜厚測定手段は、前記温度測定手段によって測定された表面温度に基づいて、測定された前記膜厚を補正する請求項1又は2に記載の膜厚測定装置。
【請求項4】
膜厚測定手段が、被測定対象に形成された遮熱コーティング膜の膜厚を測定するステップと、
形状測定手段が、前記被測定対象の形状を測定するステップと、
測定位置算出手段が、前記形状測定手段によって測定された前記被測定対象の形状と、記憶手段に記憶されている、遮熱コーティング膜の膜厚を測定する地点である前記被測定対象上の測定地点に基づいて、前記膜厚測定手段による実際の膜厚測定に適した実測定地点を算出するステップと、
駆動手段が、前記測定位置算出手段によって算出された前記実測定地点に基づいて、前記膜厚測定手段を駆動して、前記膜厚測定手段の測定位置を調整するステップと、
を備える膜厚測定方法。



【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2013−50362(P2013−50362A)
【公開日】平成25年3月14日(2013.3.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−187980(P2011−187980)
【出願日】平成23年8月30日(2011.8.30)
【出願人】(000006208)三菱重工業株式会社 (10,378)
【Fターム(参考)】