ディーゼルターボチャージャーのSEM破壊解析:EDSが苦戦する中でBEXが成功する理由

Author: George Stonadge
Last updated: 27 Jul 2026

ディーゼルターボチャージャーのSEM故障解析:複雑な破断面でBEXがEDSに勝る理由 — Oxford Instruments Learning Centre

ターボチャージャーのタービンブレードは、急加速時に600 MPaを超える遠心応力と1000℃を超える温度という過酷な機械的・熱的負荷にさらされます[1,2]。このような条件下での塑性変形、き裂発生、ブレード脱落を防ぐため、タービン材料には高い引張強度と、疲労およびクリープに対する強い耐性の両立が求められます。こうした要求から、多くの材料が軟化・酸化し、あるいは許容範囲を超えるクリープを起こす温度域においても、強度と微細組織の安定性を維持できるニッケル基超合金が一般的に採用されています[1]。

しかし、部品が想定耐用年数に達する前に破損した場合には、根本原因を特定し、再発を防止し、フリート全体の信頼性を守るために、迅速かつ体系的な故障解析が不可欠となります。

本ケーススタディでは、破損したターボチャージャーブレードの根本原因解析に対する新たなアプローチを紹介します。本調査では、走査電子顕微鏡(SEM)における後方散乱電子・X線同時検出(BEX)を用いることで、大型かつ表面の凹凸が大きい試料においてシャドウイングにより通常のEDSでは精度が低下する条件下でも、高品質な元素マップを取得しています(図1)。ポールピース直下に配置されたBEXは、起伏の激しい破断面全体においてもシャドウイングを低減する「鳥瞰的」な検出ジオメトリを提供します。これにより、前処理や試料の改変を一切行うことなく破損部品全体を分析することが可能となり(図1)、重要な証拠を保持しつつ、分析時間と前処理に起因する不確実性を削減します。

BEXが可能にする根本原因解析

目視観察および二次電子SEM画像(図1B、図2C)から、観察された破断形態は、表面起点の疲労き裂発生とそれに続く繰り返し荷重下での安定的なき裂進展という特徴に一致することが示されています。き裂の発生位置と進展特性は、局所的な応力集中により疲労損傷が徐々に蓄積する、繰り返し熱機械荷重を受けるタービンブレードに典型的なものです。しかし本事例では、想定耐用年数よりも大幅に早い段階で破損が発生しており、目視検査だけでは明らかにならない追加の要因が部品性能を低下させた可能性が示唆されます。

そこで、破損していない状態のターボチャージャーをSEMで直接観察し、加速電圧20 kV、プローブ電流5 nA、作動距離25 mm(部品表面の顕著な凹凸に対応するため選定、図1A)の条件で分析を実施しました。撮像にはUnity BEX検出器と、Ultim Max ∞ 170エネルギー分散型X線(EDS)検出器の両方を使用しました。

500倍および1500倍で取得したBEX画像(図2A、図2B)は、破断面全体にわたり顕著な組成コントラストを示しており、これはTi-Nbの不均一な元素分布と一致します。この特徴は、対応する二次電子画像(図2C)で観察される層状の破断形態として現れています。

同一領域から同時取得したEDSデータ(図2D)は顕著なシャドウイングと信号強度の低下を示しており、下層の微細組織の特徴を確信を持って解釈することができません。

Nb・Ti系介在物はニッケル基超合金において一般的に見られる特徴ですが、本事例では脆いNbリーブス相の不完全な均質化が確認されました[3,4]。このような微細組織はブレード構造に恒久的な弱点を生じさせ[3,4]、き裂の発生・進展の起点として作用し、部品の早期破損の原因となった可能性があります。

結論:BEXが自動車部品の故障解析に新たな可能性を拓く

未加工部品の故障解析には、部品サイズや顕著な表面凹凸に起因して、従来のSEM-EDS手法では実用上の制約があります。こうした条件は検出器の信号を制限、あるいは阻害し、良好に保存された部品から得られる組成解釈に対する確信度を低下させます。本事例は、時間のかかる試料前処理を必要とせずに、大型かつ不定形な部品のSEMベース故障解析をBEXが可能にし、従来のSEM-EDSワークフローでは損なわれたり失われたりしがちな重要な証拠を保持できることを示しています。

← ラーニングセンターに戻る