JPH0436454A - 溶射被覆用材料及び溶射被覆耐熱部材 - Google Patents

溶射被覆用材料及び溶射被覆耐熱部材

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JPH0436454A
JPH0436454A JP2139605A JP13960590A JPH0436454A JP H0436454 A JPH0436454 A JP H0436454A JP 2139605 A JP2139605 A JP 2139605A JP 13960590 A JP13960590 A JP 13960590A JP H0436454 A JPH0436454 A JP H0436454A
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初雄 平
Hiroshi Imawaka
寛 今若
Yoshio Harada
良夫 原田
Noriyuki Mifune
三船 法行
Hiroshi Hagiwara
萩原 宏
Takayuki Yogoro
余頃 孝之
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Tocalo Co Ltd
Taiheiyo Cement Corp
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ 本発明はセラミックスや金属等の表面改善のための溶射
被服用として用いられる、耐熱性を付与された断熱性に
優れる溶射被覆用材料および、耐熱性部品の高温耐久性
向上技術のうちで、特にカスタービン等の部品としで、
これらの溶射被覆用材料を、最適なプラズマ溶射法によ
り被覆した耐熱部材に関する。
[従来の技術] 耐熱、耐熱衝撃部材に要求される高温特性は、年々苛酷
さを増している。なかでもカスタービンは、高温で稼動
されるほど高い効率を発揮するので、その稼動温度の上
昇を絶えず要求されている。そのため、それに対応でき
る耐熱性と耐熱衝撃性を兼ねている材料として53C、
513N4等のファインセラミックスが検討されている
が、現時点では衝撃強度的に問題かあるためガスタービ
ン部品は金属材料を基本に製造されている。
しかし、Ni基、Co基などの耐熱金属材料は、その使
用を1000℃以下に限定される。それ故それらがガス
タービン部品に適用されるにあたっては、冷却あるいは
熱遮蔽する方法が種々検討されてきた。熱遮蔽とはガス
タービン等の高温耐熱部品の金属(以下母材と称する)
の表面にセラミック層を形成し母材温度を下げることで
あり、以前から熱伝導率が低く、かつ耐熱衝撃性および
輻射率が高いセラミック粉末を溶射被覆用材料として用
いている。
これまでこのような用途に使用している材料として例え
ばY2O3等の希土類酸化物を安定化剤として添加した
ZrO2等があげられる。しかしながら、現在最良とさ
れているこの溶射材料を使用して得られる溶射被覆ても
急冷、急熱の激しい熱サイクルを加えられるガスタービ
ンでは被覆層は母材から剥離を生じ、その機能を失う傾
向が見られた。
また、これらの材料は希土類酸化物を使用しているため
単味で使用すると値段が高く、製造された溶射材料も非
常に高価なものとなり、工業用等の構造材料部材に多量
に使用することはコスト的にかなり問題がある。
一般に急熱、急冷の激しい熱サイクル下で溶射被覆部材
を使用すると母材と被膜の間に熱的歪か生じ、急激な母
材の熱膨張に追随できず被覆層の亀裂、剥離が生じ十分
な耐用性を示さない。これ故に、単に熱伝導率が低いだ
けでなく膨張係数も、母材のそれに近い値を有する溶射
材料の開発が種々行われている。また、剥離の主因であ
る金属とセラミック層との中間に両者を混合ないしは複
合してなる層を設けた(例えば特開昭55−11388
0等)、或いはセラミック層に高温、長時間の熱処理に
よって微細な割れを形成させ(例えば特開昭56−54
905等)だ部品やセラミック層形成後急冷することで
層内に微細な割れを形成させ(例えば特開昭58−87
273等)た部品等、種々の提案がなされている。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上記の従来の手段てはそれぞれ改善はさ
れてはいるものの、熱サイクル試験等の成績からその効
果は限定されていた。本発明はこうした現況を考慮し、
Y2O3ZrO2等に比べ非常に安価て製品収率かよく
経済的てかつ延長された寿命を有する耐熱、耐熱衝撃を
有する溶射被覆用材料、及びこれを施されたカスタービ
ン部品の如き溶射被覆耐熱部材を提供することを目的と
している。
[課題を解決するための手段] 発明者等は、耐熱性、および耐熱衝撃性を具備するよう
な材料を見出すぺ〈鋭意研究を重ねてきた。その結果、
天然資源としても存在する珪酸マグネシウムとMg0・
4 ZrO2の組合せにより、耐熱性、耐熱衝撃性に優
れた希土類を使用しない安価な全く新しい溶射材料が得
られることを見出した。
すなわち、本発明は、 1 2 MgO−5iO2−lAg0・4 ZrO□系
酸化物で、組成は重量%表示て20≦2 MgO・5i
n2≦50.50≦MgO・4ZrO2≦80、かツ2
 MgO−5iO□+ MgO・4ZrOZr02= 
100から成ることを特徴とする溶射被覆用材料。
2 耐熱金属材料で構成された部品においで、該部品は
その表面に設けられた前記耐熱金属材料と同等もしくは
より高温耐食性に富む金属被覆層を有し、更に該金属被
覆層上に上記第1項記載の溶射被覆用材料を溶射したこ
とを特徴とする溶射被覆耐熱部材。
3 上記第1項記載の各系酸化物材料か化合物、複合物
、または混合物の粒子であることを特徴とする溶射被覆
用材料。
4 上記第1項記載の酸化物材料の粒径が5〜500μ
mに調整され、特に平均粒子径が10〜100μmであ
ることを特徴とする溶射被覆用材料。
5 上記第2項記載の溶射被覆用材料が、上記第3項記
載の溶射被覆用材料であることを特徴とする溶射被覆耐
熱部材。
である。
以下に本発明について具体的に説明する。
高温安定性であり耐熱効果が高く比較的熱膨張率か大き
くかつ安価で製造できるセラミック材料について珪酸マ
グネシウムを出発原料として溶射被覆用材料の開発を試
みた。珪酸マグネシウム系化合物にはrMgo・SiO
2」r 2 MgO・5iO2J等が知られている。し
かしMgO・5in2は含有5in2量が相対的に高く
、溶射時の漏れ性の悪さから母材との密着性が悪くなり
、熱サイクルを加えることにより、亀裂を発生する。こ
のような結果から珪酸マグネシウム溶射材料には2 M
gO・SiO□を選択した。また断熱、耐熱性の効果を
一層上げるために、種々の研究からMgO・4 ZrO
2を選びだし、本発明溶射被覆用材料はこわらを複数で
用いた。これら耐熱、断熱効果を有する材料を複数で用
いることは、従来の断熱材料と比較してより優れた耐熱
、断熱性を発現し、信頼性の高い被覆層形成が期待でき
るからである。
2 MgO−SiO2は混合物、複合物を用いることか
できるが純粋な鉱物(フォルステライト)を使用するの
が有効である。MgO・4 ZrO2も化合物、複合物
および混合物を用いることができるが、化合物もしくは
スプレードライヤー等で噴霧造粒した複合物が好ましい
。本発明材料は、粒径5〜500μmに調整され、特に
平均粒径が10〜100μmに調整されたものが好まし
い。
本発明について組成範囲を1記のように限定したものは
以下の理由による。2 MgO・SiO2が50重量%
より多い場合は熱膨張率が汁さく母材の熱膨張率に追随
できなくなるばかりでなく、含有5in2量が多くなる
につれ漏れ性も悪く、剥離を生ずる。
MgO・4 ZrO2が80重量%より多い場合は高温
安定作用の低下が起こり好ましくない。本発明溶射材料
の粒径が5μm以下の場合は溶射ガンへ供給される粉の
流れが悪く良好な被膜となりえず溶射時の歩留りも低下
する。また、500μm以上の場合は溶射波腹中に未溶
融粒子が形成され被膜の密着性の低下を招く。
本発明の溶射材料は、2種類の材料を種々の割合で化合
、複合もしくは混合することに特徴がある。これにより
耐用性の向上がはからねる。またこの材料を溶射した被
膜は、優れた耐熱性、断熱性を有しているばかりでなく
、母材と類似の熱間膨張挙動を示す。このことにより被
膜の剥M損傷を抑制できた本溶射材料の工業的意義は大
きい。
以下に本発明の種々の実施例について説明する。
寿命低下の主因であるセラミック層の剥離は、金属とセ
ラミックの膨張係数の相違に基づく熱応力に起因するた
め、これを緩和するために比較的熱膨張係数の大きなセ
ラミックを種々選択して熱衝撃試験を実施した。基材は
50x 50X 5 inIのNi基合金(lN939
:N1−Go−にr−W系合金)を用い、アルミナ粉末
でブラスト処理した後、まず高温耐食性に富む金属とし
てNlCrAIY合金を100μm減圧プラズマ溶射し
、更にその上に第1表に示す各セラミックスを平均粒径
約30μmに調整した溶射材料をプラズマ溶射した。得
られた試験片は1200℃で15分間加熱、室温で15
分間冷却という熱衝撃試験に供され、亀裂発生までの熱
サイクル回数を調査した。
結果を第1表に示す。
本試験結果より、No、6の2 MgO−5iO2−5
0wt96Mg0・4Zr(J2からNo、11の2 
MgO−SiO2−80wt’4 Mg0・4ZrO2
が耐熱衝$10回以上の耐用性を示し・良好な耐熱衝撃
性を有する事が判明した。
尚、2 MgO−5iO2−MgO・4ZrOZrO2
系原料に関しては、複合物が最も良好で、次いで、化合
物、混合物の順で耐熱衝撃性に優れていることが本試験
で判明した。第1図に良好な耐熱衝撃性を示したNo、
 10の2 MgO−SiO2−70wt!k MgO
・4ZrOZr0zを代表例として被膜の断面を示した
。被膜内に微細な垂直亀裂か多数存在し、この垂直亀裂
により耐熱衝撃性か向上したものと推定される。
[実施例コ 実施例1 灯油を使用している発電用ガスタービン1段、2段静翼
にNi(:rAIYを0.1mm減圧溶射し更に、その
上に平均粒径約30IJI11に調整された本発明溶射
被覆用材料、2 MgO・5iO2−50wt%; M
gO・4 Zr02(複合原料)、2 Mg(lSi0
2−70wt96vgo・4 ZrO2(複合原料)を
それぞれ0.2mm溶射し、タービン入口カス温度11
00℃て約1年間使用したが、本発明被覆の剥離などな
く良好に推移している。
実施例2 実施例1の発電用ガスターヒンの燃焼器内面に下盛層と
してN1CrAIYを0.15+nm減圧溶射し、その
上に第1表で示す試験片N003、No、4、No、 
10と同様の材料を大気中で各々0.3+n+nプラズ
マ溶射した燃焼器内筒を燃焼室温度1150〜1300
℃で1年間使用したが、本発明のNo、 10の被膜は
いずれも健全であり良好に推移している。尚、本実施例
で比較材料としたN083、No、4の被膜はいずれも
3〜6力月以内で亀甲状亀裂や剥離をおこした。
[発明の効果コ 上記の結果から明らかな如く、本発明溶射被覆用材料は
耐熱性、耐熱衝撃性に対する抵抗性か極めて大きく機械
的強度も優れている。本発明溶射被覆用材料を溶射した
被覆層を用いれば、優れた熱遮蔽効果と耐熱性を有する
とともに信頼性の高い高効率なタービン翼を得ることか
でき、かつ希土類酸化物を使用しないことからコスト低
減に大きく貢献出来るなとの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、2 Mg(lsio2−75wt96Mgo
・4 Zr02(複合原料)溶射被膜の結晶の構造を示
す断面写真である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.2MgO・SiO_2−MgO・4ZrO_2系酸
    化物で、組成は重量%表示で20≦2MgO・SiO_
    2≦50、50≦MgO・4ZrO_2≦80、かつ2
    MgO・SiO_2+MgO・4ZrO_2=100か
    ら成ることを特徴とする溶射被覆用材料。
  2. 2.耐熱金属材料で構成された部品において、該部品は
    その表面に設けられた前記耐熱金属材料と同等もしくは
    より高温耐食性に富む金属被覆層を有し、更に該金属被
    覆層上に請求項第1項記載の溶射被覆用材料を溶射した
    ことを特徴とする溶射被覆耐熱部材。
  3. 3.請求項第1項記載の各系酸化物材料が化合物、複合
    物、または混合物の粒子であることを特徴とする溶射被
    覆用材料。
  4. 4.請求項第1項記載の酸化物材料の粒径が5〜500
    μmに調整され、特に平均粒子径が10〜100μmで
    あることを特徴とする溶射被覆用材料。
  5. 5.請求項第2項記載の溶射被覆用材料が、請求項第3
    項記載の溶射被覆用材料であることを特徴とする溶射被
    覆耐熱部材。
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