JPH0978257A - 遮熱被覆材料 - Google Patents
遮熱被覆材料Info
- Publication number
- JPH0978257A JPH0978257A JP23253895A JP23253895A JPH0978257A JP H0978257 A JPH0978257 A JP H0978257A JP 23253895 A JP23253895 A JP 23253895A JP 23253895 A JP23253895 A JP 23253895A JP H0978257 A JPH0978257 A JP H0978257A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- thermal barrier
- metal
- zirconia
- barrier coating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
- C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
- C23C28/3455—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer with a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxide, ZrO2, rare earth oxides or a thermal barrier system comprising at least one refractory oxide layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
- C23C28/321—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer
- C23C28/3215—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer at least one MCrAlX layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
- C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 耐熱サイクル特性や強度に優れると共に、金
属基材や金属結合層に対して優れた密着性を示すセラミ
ックス遮熱層が求められている。 【解決手段】 金属基材１上に金属結合層２を介して被
覆形成したセラミックス遮熱層３を具備する遮熱被覆材
料において、金属結合層２とセラミックス遮熱層３との
間に、活性金属および活性金属の酸化物から選ばれる少
なくとも 1種を主成分とし、かつ希土類酸化物の含有量
が 1重量% 以下である中間層４を設ける。あるいは、セ
ラミックス遮熱層を溶射法による内層とＥＢ−ＰＶＤ法
による表面層とにより構成する。あるいは、セラミック
ス遮熱層を金属結合層の表面等に対して (100)および
(001)から選ばれる少なくとも 1つの面方向に配向性を
有する安定化ジルコニア層により構成する。
属基材や金属結合層に対して優れた密着性を示すセラミ
ックス遮熱層が求められている。 【解決手段】 金属基材１上に金属結合層２を介して被
覆形成したセラミックス遮熱層３を具備する遮熱被覆材
料において、金属結合層２とセラミックス遮熱層３との
間に、活性金属および活性金属の酸化物から選ばれる少
なくとも 1種を主成分とし、かつ希土類酸化物の含有量
が 1重量% 以下である中間層４を設ける。あるいは、セ
ラミックス遮熱層を溶射法による内層とＥＢ−ＰＶＤ法
による表面層とにより構成する。あるいは、セラミック
ス遮熱層を金属結合層の表面等に対して (100)および
(001)から選ばれる少なくとも 1つの面方向に配向性を
有する安定化ジルコニア層により構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばガスタービ
ンの動・静翼の構成材料のように、高温かつ高応力化で
長時間の高温強度、遮熱性、耐酸化および耐食性が要求
される材料に好適な遮熱被覆材料およびその製造方法に
関する。
ンの動・静翼の構成材料のように、高温かつ高応力化で
長時間の高温強度、遮熱性、耐酸化および耐食性が要求
される材料に好適な遮熱被覆材料およびその製造方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】発電用やエンジン用のガスタービンに代
表される高温機器の高効率化を目指した機器使用温度の
高温化に伴って、機器構成部品に使用される材料には、
一層高レベルの特性、例えば高温強度、高温耐食・耐酸
化性等が要求されている。このため、高強度のNi基やCo
基の超合金の表面に、 M-Cr-Al-Y(M=Ni,Co等）合金等か
らなる耐食・耐酸化金属コーティングを施す技術が開発
され、発電用ガスタービンや航空機用ジェットエンジン
等の分野では、既に不可欠な技術として広く認識されて
いる。
表される高温機器の高効率化を目指した機器使用温度の
高温化に伴って、機器構成部品に使用される材料には、
一層高レベルの特性、例えば高温強度、高温耐食・耐酸
化性等が要求されている。このため、高強度のNi基やCo
基の超合金の表面に、 M-Cr-Al-Y(M=Ni,Co等）合金等か
らなる耐食・耐酸化金属コーティングを施す技術が開発
され、発電用ガスタービンや航空機用ジェットエンジン
等の分野では、既に不可欠な技術として広く認識されて
いる。
【０００３】しかし、さらなる高温化の流れの中では、
金属コーティングのみでは既に材料特性として不十分な
状況にあり、このため金属コーティング層の表面に熱伝
導率の低いセラミックスコーティングを施し、内部を冷
却する遮熱コーティング技術が次世代の技術として開発
され、航空機用ジェットエンジンの静翼等で実用化が進
められている。セラミックス材料の種類としては、高温
強度、熱伝導率、熱膨張率等の特性から Y2 O 3 安定化
ZrO2 が最も広く適用されている。なお、M-Cr-Al-Y(M=
Ni,Co等）合金等からなる金属コーティング層は、金属
基材とセラミックス層との熱膨張差等を緩和する結合層
としても機能するものである。
金属コーティングのみでは既に材料特性として不十分な
状況にあり、このため金属コーティング層の表面に熱伝
導率の低いセラミックスコーティングを施し、内部を冷
却する遮熱コーティング技術が次世代の技術として開発
され、航空機用ジェットエンジンの静翼等で実用化が進
められている。セラミックス材料の種類としては、高温
強度、熱伝導率、熱膨張率等の特性から Y2 O 3 安定化
ZrO2 が最も広く適用されている。なお、M-Cr-Al-Y(M=
Ni,Co等）合金等からなる金属コーティング層は、金属
基材とセラミックス層との熱膨張差等を緩和する結合層
としても機能するものである。
【０００４】上述した金属コーティングや遮熱コーティ
ング（セラミックスコーティング）には、各種のコーテ
ィング技術が適用されているが、なかでもプラズマ溶射
法はコーティング材料を幅広く選択することができ、ま
た成膜速度が速く、厚膜の形成が可能である等の利点に
基いて、高温機器における M-Cr-Al-Y合金やセラミック
ス材料のコーティングに広く利用されている。しかし、
プラズマ溶射法によるセラミックス層は、溶射層特有の
組織や内在する多数の欠陥によって、熱サイクル下での
耐剥離性、特にセラミックス層内部から剥離が生じやす
い、すなわち強度および耐熱サイクル性に劣ることが指
摘されている。
ング（セラミックスコーティング）には、各種のコーテ
ィング技術が適用されているが、なかでもプラズマ溶射
法はコーティング材料を幅広く選択することができ、ま
た成膜速度が速く、厚膜の形成が可能である等の利点に
基いて、高温機器における M-Cr-Al-Y合金やセラミック
ス材料のコーティングに広く利用されている。しかし、
プラズマ溶射法によるセラミックス層は、溶射層特有の
組織や内在する多数の欠陥によって、熱サイクル下での
耐剥離性、特にセラミックス層内部から剥離が生じやす
い、すなわち強度および耐熱サイクル性に劣ることが指
摘されている。
【０００５】一方、電子ビームＰＶＤ法（ＥＢ−ＰＶＤ
法）に代表される物理的・化学的蒸着法によるセラミッ
クス層は、溶射法と比較して成膜速度が低く、コストが
高いものの、ＥＢ−ＰＶＤ法特有の界面に対して垂直方
向に成長する柱状組織を有し、この組織が耐熱サイクル
特性に対して極めて有効に作用することが知られてい
る。しかし、金属結合層とセラミックス層との密着性に
関しては、現状のＥＢ−ＰＶＤ法では化学的結合力に頼
らざるを得ないため、金属結合層とセラミックス層との
界面で剥離が生じやすいという問題を有している。
法）に代表される物理的・化学的蒸着法によるセラミッ
クス層は、溶射法と比較して成膜速度が低く、コストが
高いものの、ＥＢ−ＰＶＤ法特有の界面に対して垂直方
向に成長する柱状組織を有し、この組織が耐熱サイクル
特性に対して極めて有効に作用することが知られてい
る。しかし、金属結合層とセラミックス層との密着性に
関しては、現状のＥＢ−ＰＶＤ法では化学的結合力に頼
らざるを得ないため、金属結合層とセラミックス層との
界面で剥離が生じやすいという問題を有している。
【０００６】また、ガスタービン等の実使用環境におい
ては、粗大粒子等の衝突による部材の摩耗や損傷が問題
となるが、特にプラズマ溶射法によるセラミックス層は
表面の凹凸が大きいことや、層内の ZrO2 粒子同士の結
合力が低いことから、衝突時のダメージが大きく、セラ
ミックス層表面の摩耗や損傷が生じやすいという問題を
有している。
ては、粗大粒子等の衝突による部材の摩耗や損傷が問題
となるが、特にプラズマ溶射法によるセラミックス層は
表面の凹凸が大きいことや、層内の ZrO2 粒子同士の結
合力が低いことから、衝突時のダメージが大きく、セラ
ミックス層表面の摩耗や損傷が生じやすいという問題を
有している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、遮熱
層として機能するセラミックス層の形成方法としては、
プラズマ溶射法とＥＢ−ＰＶＤ法の両者が有望視されて
いるが、それぞれに長所・短所があり、セラミックス層
の強度や耐熱サイクル特性、金属／セラミックス界面の
密着性等の全ての性能を同時に満足するセラミックス遮
熱層は得られていないのが現状である。
層として機能するセラミックス層の形成方法としては、
プラズマ溶射法とＥＢ−ＰＶＤ法の両者が有望視されて
いるが、それぞれに長所・短所があり、セラミックス層
の強度や耐熱サイクル特性、金属／セラミックス界面の
密着性等の全ての性能を同時に満足するセラミックス遮
熱層は得られていないのが現状である。
【０００８】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、耐熱サイクル特性や強度に優れると
共に、金属基材や金属結合層に対して優れた密着性を示
すセラミックス遮熱層を用いることによって、高温雰囲
気下で長時間の使用に耐え得る遮熱被覆材料を提供する
ことを目的としている。
になされたもので、耐熱サイクル特性や強度に優れると
共に、金属基材や金属結合層に対して優れた密着性を示
すセラミックス遮熱層を用いることによって、高温雰囲
気下で長時間の使用に耐え得る遮熱被覆材料を提供する
ことを目的としている。
【０００９】また、本発明は耐摩耗性、飛来物体の衝突
による損傷への抵抗性（耐ＦＯＤ性）等を向上させた遮
熱被覆材料を提供することを目的としている。
による損傷への抵抗性（耐ＦＯＤ性）等を向上させた遮
熱被覆材料を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明における第１の遮
熱被覆材料は、請求項１に記載したように、金属基材
と、前記金属基材上に被覆形成された金属結合層と、前
記金属結合層上に被覆形成されたセラミックス遮熱層と
を具備する遮熱被覆材料において、前記金属結合層とセ
ラミックス遮熱層との間に、活性金属および活性金属の
酸化物から選ばれる少なくとも 1種を主成分とし、かつ
希土類酸化物の含有量が 1重量% 以下である中間層が設
けられていることを特徴としている。
熱被覆材料は、請求項１に記載したように、金属基材
と、前記金属基材上に被覆形成された金属結合層と、前
記金属結合層上に被覆形成されたセラミックス遮熱層と
を具備する遮熱被覆材料において、前記金属結合層とセ
ラミックス遮熱層との間に、活性金属および活性金属の
酸化物から選ばれる少なくとも 1種を主成分とし、かつ
希土類酸化物の含有量が 1重量% 以下である中間層が設
けられていることを特徴としている。
【００１１】また、上記第１の遮熱被覆材料の製造方法
は、前記金属基材上に前記金属結合層を被覆形成する工
程と、前記金属結合層上に活性金属層を形成する工程
と、前記活性金属層上に直接、あるいは酸化処理を施し
た前記活性金属層上に、前記セラミックス遮熱層を被覆
形成する工程とを具備することを特徴としている。
は、前記金属基材上に前記金属結合層を被覆形成する工
程と、前記金属結合層上に活性金属層を形成する工程
と、前記活性金属層上に直接、あるいは酸化処理を施し
た前記活性金属層上に、前記セラミックス遮熱層を被覆
形成する工程とを具備することを特徴としている。
【００１２】本発明における第２の遮熱被覆材料は、請
求項２に記載したように、金属基材と、前記金属基材上
に被覆形成された金属結合層と、前記金属結合層上に被
覆形成されたセラミックス遮熱層とを具備する遮熱被覆
材料において、前記セラミックス遮熱層は溶射法による
内層と電子ビームＰＶＤ法（以下、ＥＢ−ＰＶＤ法と記
す）による表面層とから構成されていることを特徴とし
ている。
求項２に記載したように、金属基材と、前記金属基材上
に被覆形成された金属結合層と、前記金属結合層上に被
覆形成されたセラミックス遮熱層とを具備する遮熱被覆
材料において、前記セラミックス遮熱層は溶射法による
内層と電子ビームＰＶＤ法（以下、ＥＢ−ＰＶＤ法と記
す）による表面層とから構成されていることを特徴とし
ている。
【００１３】第３の遮熱被覆材料は、請求項３に記載し
たように、金属基材と、前記金属基材上に直接または金
属結合層を介して被覆形成された安定化ジルコニアから
なるセラミックス遮熱層とを具備する遮熱被覆材料にお
いて、前記セラミックス遮熱層は安定化ジルコニア層を
有し、前記安定化ジルコニア層表面のＸ線回折による回
折強度比{I(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(111)}が
0.9〜 1.0の範囲を満足することを特徴としている。こ
の第３の遮熱被覆材料は、請求項４に記載したように、
前記セラミックス遮熱層は、さらに前記金属基材表面ま
たは前記金属結合層表面に対して(111）面方向に配向性
を有する安定化ジルコニア層を有することを特徴として
いる。
たように、金属基材と、前記金属基材上に直接または金
属結合層を介して被覆形成された安定化ジルコニアから
なるセラミックス遮熱層とを具備する遮熱被覆材料にお
いて、前記セラミックス遮熱層は安定化ジルコニア層を
有し、前記安定化ジルコニア層表面のＸ線回折による回
折強度比{I(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(111)}が
0.9〜 1.0の範囲を満足することを特徴としている。こ
の第３の遮熱被覆材料は、請求項４に記載したように、
前記セラミックス遮熱層は、さらに前記金属基材表面ま
たは前記金属結合層表面に対して(111）面方向に配向性
を有する安定化ジルコニア層を有することを特徴として
いる。
【００１４】第１の遮熱被覆材料においては、Ti、Zr、
Hf等の活性金属およびこれら活性金属の酸化物から選ば
れる少なくとも 1種を主成分とする中間層が金属結合層
とセラミックス遮熱層との間に設けられている。Ti、Z
r、Hf等の活性金属は、酸素や窒素等との親和力が強
く、セラミックス遮熱層の構成材料となる酸化物等を容
易に還元するため、金属結合層とセラミックス遮熱層と
の間の密着性を高めることができる。また、活性金属層
を予め酸化した場合には、最表面のセラミックス遮熱層
に対する濡れ性が向上するため、同様に金属結合層とセ
ラミックス遮熱層との間の密着性を高めることができ
る。
Hf等の活性金属およびこれら活性金属の酸化物から選ば
れる少なくとも 1種を主成分とする中間層が金属結合層
とセラミックス遮熱層との間に設けられている。Ti、Z
r、Hf等の活性金属は、酸素や窒素等との親和力が強
く、セラミックス遮熱層の構成材料となる酸化物等を容
易に還元するため、金属結合層とセラミックス遮熱層と
の間の密着性を高めることができる。また、活性金属層
を予め酸化した場合には、最表面のセラミックス遮熱層
に対する濡れ性が向上するため、同様に金属結合層とセ
ラミックス遮熱層との間の密着性を高めることができ
る。
【００１５】第２の遮熱被覆材料においては、セラミッ
クス遮熱層を溶射法により形成された内層とＥＢ−ＰＶ
Ｄ法により形成された表面層とから構成しており、金属
結合層とセラミックス遮熱層とは良好な機械的結合が得
られる溶射法による内層により良好に密着させることが
できる。また、溶射法による内層上にＥＢ−ＰＶＤ法に
よる表面層を形成することによって、密着性を化学的な
結合力に頼っているＥＢ−ＰＶＤ法であっても、両層の
組成が極めて近いために、金属結合層上に直接形成した
場合と比較して高い結合力を得ることができる。そし
て、ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミックス表面層は、特有
の柱状組織の成長によって熱応力の緩和効果が高いため
に、セラミックス遮熱層の耐熱サイクル性を向上させる
ことができる。また、ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミック
ス層はプラズマ溶射法に比べて欠陥が少ないために硬度
が高く、表面の耐摩耗性や耐ＦＯＤ性も同時に向上させ
ることができる。
クス遮熱層を溶射法により形成された内層とＥＢ−ＰＶ
Ｄ法により形成された表面層とから構成しており、金属
結合層とセラミックス遮熱層とは良好な機械的結合が得
られる溶射法による内層により良好に密着させることが
できる。また、溶射法による内層上にＥＢ−ＰＶＤ法に
よる表面層を形成することによって、密着性を化学的な
結合力に頼っているＥＢ−ＰＶＤ法であっても、両層の
組成が極めて近いために、金属結合層上に直接形成した
場合と比較して高い結合力を得ることができる。そし
て、ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミックス表面層は、特有
の柱状組織の成長によって熱応力の緩和効果が高いため
に、セラミックス遮熱層の耐熱サイクル性を向上させる
ことができる。また、ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミック
ス層はプラズマ溶射法に比べて欠陥が少ないために硬度
が高く、表面の耐摩耗性や耐ＦＯＤ性も同時に向上させ
ることができる。
【００１６】第３の遮熱被覆材料においては、安定化ジ
ルコニア層表面のＸ線回折による回折強度比{I(200)+I
(002)}/{I(200)+I(002)+I(111)}を 0.9〜 1.0の範囲を
満足させている。ここで、上記安定化ジルコニア層は、
金属基材表面や金属結合層表面に対して (100)および
(001)から選ばれる少なくとも 1つの面方向に配向性を
有するものであるが、Ｘ線回折では (100)面、 (001)面
の回折ピークは得られないため、本発明では (200)面、
(002)面の回折ピークを用いて定義している。以下に示
す (200)面および (002)面はいずれも上記したことを意
味する。
ルコニア層表面のＸ線回折による回折強度比{I(200)+I
(002)}/{I(200)+I(002)+I(111)}を 0.9〜 1.0の範囲を
満足させている。ここで、上記安定化ジルコニア層は、
金属基材表面や金属結合層表面に対して (100)および
(001)から選ばれる少なくとも 1つの面方向に配向性を
有するものであるが、Ｘ線回折では (100)面、 (001)面
の回折ピークは得られないため、本発明では (200)面、
(002)面の回折ピークを用いて定義している。以下に示
す (200)面および (002)面はいずれも上記したことを意
味する。
【００１７】安定化ジルコニア層の割れや剥離の原因と
なる層内平行方向への亀裂進展は、最も剥離しやすいへ
き開面である (111)面の存在に起因するが、この (111)
面との面角が一番大きい (100)面や (001)面に配向させ
ると共に、 (111)面が層内平行方向にほぼ配向していな
い安定化ジルコニア層では、 (111)面が亀裂進展方向に
対して高角度となるため、亀裂が水平方向に伝播しずら
くなり、その結果として安定化ジルコニア層の割れや剥
離による損傷を抑制することが可能となる。
なる層内平行方向への亀裂進展は、最も剥離しやすいへ
き開面である (111)面の存在に起因するが、この (111)
面との面角が一番大きい (100)面や (001)面に配向させ
ると共に、 (111)面が層内平行方向にほぼ配向していな
い安定化ジルコニア層では、 (111)面が亀裂進展方向に
対して高角度となるため、亀裂が水平方向に伝播しずら
くなり、その結果として安定化ジルコニア層の割れや剥
離による損傷を抑制することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。
態について説明する。
【００１９】図１は、本発明における第１の遮熱被覆材
料の一実施形態を示す図である。同図において、１は金
属基材であり、この金属基材１としてはFe、NiおよびCo
から選ばれる少なくとも 1種の元素を主成分とする耐熱
合金が挙げられ、使用用途等に応じて各種公知の耐熱合
金を適宜選択して使用することができる。実用上は、IN
738、 IN939、Mar-M247、RENE80等のNi基超合金や、FSX
414、Mar-M509等のCo基超合金を用いることが有効であ
る。
料の一実施形態を示す図である。同図において、１は金
属基材であり、この金属基材１としてはFe、NiおよびCo
から選ばれる少なくとも 1種の元素を主成分とする耐熱
合金が挙げられ、使用用途等に応じて各種公知の耐熱合
金を適宜選択して使用することができる。実用上は、IN
738、 IN939、Mar-M247、RENE80等のNi基超合金や、FSX
414、Mar-M509等のCo基超合金を用いることが有効であ
る。
【００２０】上述した金属基材１の表面には、耐食・耐
酸化性に優れると共に、金属基材１と後述するセラミッ
クス遮熱層３との中間の熱膨張係数を有する M-Cr-Al-Y
合金（M=Co,Ni)等からなる金属結合層２が被覆形成され
ている。 M-Cr-Al-Y合金からなる金属結合層２は、上記
したように金属基材１の耐食・耐酸化性を保証すると同
時に、金属基材１／セラミックス遮熱層３間の熱膨張係
数の違いによる熱応力の緩和を図ることを目的としてお
り、総合的にこれらの性能を考慮して、一般的には 0.1
〜20重量% のAl、10〜35重量% のCr、 0.1〜 5重量% の
Yを含み、残部がNiおよびCoから選ばれる少なくとも 1
種の M元素から実質的になる組成の合金か用いられる。
また、用途によっては M-Cr-Al-Y合金に、Ti、Nb、Hf、
Zr、Taおよび Wから選ばれる少なくとも 1種の添加元素
を 5重量% 以下の範囲で微量添加することも可能であ
る。
酸化性に優れると共に、金属基材１と後述するセラミッ
クス遮熱層３との中間の熱膨張係数を有する M-Cr-Al-Y
合金（M=Co,Ni)等からなる金属結合層２が被覆形成され
ている。 M-Cr-Al-Y合金からなる金属結合層２は、上記
したように金属基材１の耐食・耐酸化性を保証すると同
時に、金属基材１／セラミックス遮熱層３間の熱膨張係
数の違いによる熱応力の緩和を図ることを目的としてお
り、総合的にこれらの性能を考慮して、一般的には 0.1
〜20重量% のAl、10〜35重量% のCr、 0.1〜 5重量% の
Yを含み、残部がNiおよびCoから選ばれる少なくとも 1
種の M元素から実質的になる組成の合金か用いられる。
また、用途によっては M-Cr-Al-Y合金に、Ti、Nb、Hf、
Zr、Taおよび Wから選ばれる少なくとも 1種の添加元素
を 5重量% 以下の範囲で微量添加することも可能であ
る。
【００２１】金属結合層２は、プラズマ溶射法、ＨＶＯ
Ｆ法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等の成膜方法によって形成す
ることができるが、実用上はプラズマ溶射法が最も有効
である。特にプラズマ溶射法の中でも、減圧雰囲気中で
溶射プロセスを行う減圧プラズマ溶射法（ＶＰＳ法）が
好ましく、これにより成膜時の金属結合層２の酸化を抑
制して、優れた耐酸化性を付与することができる。ま
た、プラズマ溶射法を用いた場合には、後に詳述するよ
うに、その表面を機械的研磨等により平滑化し、その後
の成膜工程を実施することが好ましい。
Ｆ法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等の成膜方法によって形成す
ることができるが、実用上はプラズマ溶射法が最も有効
である。特にプラズマ溶射法の中でも、減圧雰囲気中で
溶射プロセスを行う減圧プラズマ溶射法（ＶＰＳ法）が
好ましく、これにより成膜時の金属結合層２の酸化を抑
制して、優れた耐酸化性を付与することができる。ま
た、プラズマ溶射法を用いた場合には、後に詳述するよ
うに、その表面を機械的研磨等により平滑化し、その後
の成膜工程を実施することが好ましい。
【００２２】金属結合層２の厚さは10〜 500μm 程度の
範囲から用途に応じて選択でき、例えばガスタービン翼
部では50〜 300μm 程度が酸化寿命や金属基材１とセラ
ミックス遮熱層３の応力緩和効果の観点から適当であ
る。
範囲から用途に応じて選択でき、例えばガスタービン翼
部では50〜 300μm 程度が酸化寿命や金属基材１とセラ
ミックス遮熱層３の応力緩和効果の観点から適当であ
る。
【００２３】上述した金属結合層２と最表面のセラミッ
クス遮熱層３との間には、Ti、Zr、Hf等の活性金属およ
びこれら活性金属の酸化物から選ばれる少なくとも 1種
を主成分とする中間層４が設けられている。すなわち、
Ti、Zr、Hf等の活性金属は酸素や窒素等との親和力が強
く、後に詳述するセラミックス遮熱層３の構成材料とな
る安定化 ZrO2 等の酸化物を容易に還元するため、中間
層４として活性金属層を形成しておくことによって、金
属結合層２とセラミックス遮熱層３との間の密着性を高
めることができる。また、金属結合層２上に形成したT
i、Zr、Hf等の活性金属層に熱処理を施す等して予め酸
化し、これら酸化物を主成分とする中間層４とした場合
には、最表面のセラミックス遮熱層３に対する濡れ性が
向上するため、同様に金属結合層２とセラミックス遮熱
層３との間の密着性を高めることができる。
クス遮熱層３との間には、Ti、Zr、Hf等の活性金属およ
びこれら活性金属の酸化物から選ばれる少なくとも 1種
を主成分とする中間層４が設けられている。すなわち、
Ti、Zr、Hf等の活性金属は酸素や窒素等との親和力が強
く、後に詳述するセラミックス遮熱層３の構成材料とな
る安定化 ZrO2 等の酸化物を容易に還元するため、中間
層４として活性金属層を形成しておくことによって、金
属結合層２とセラミックス遮熱層３との間の密着性を高
めることができる。また、金属結合層２上に形成したT
i、Zr、Hf等の活性金属層に熱処理を施す等して予め酸
化し、これら酸化物を主成分とする中間層４とした場合
には、最表面のセラミックス遮熱層３に対する濡れ性が
向上するため、同様に金属結合層２とセラミックス遮熱
層３との間の密着性を高めることができる。
【００２４】ここで、中間層４の主成分を酸化物とする
場合においても、この活性金属の酸化物は上述したよう
に熱酸化物や還元酸化物（セラミックス遮熱層３の構成
材料を還元することで生成された酸化物）等であり、酸
化物を成膜原料等として形成した酸化物層とは異なるも
のである。従って、セラミックス遮熱層３として用いる
安定化ジルコニア層のように、希土類酸化物のような安
定化剤を実質的に含まない、具体的には希土類酸化物の
含有量が 1重量% 以下の活性金属の酸化物を構成成分と
するものである。
場合においても、この活性金属の酸化物は上述したよう
に熱酸化物や還元酸化物（セラミックス遮熱層３の構成
材料を還元することで生成された酸化物）等であり、酸
化物を成膜原料等として形成した酸化物層とは異なるも
のである。従って、セラミックス遮熱層３として用いる
安定化ジルコニア層のように、希土類酸化物のような安
定化剤を実質的に含まない、具体的には希土類酸化物の
含有量が 1重量% 以下の活性金属の酸化物を構成成分と
するものである。
【００２５】すなわち、第１の遮熱被覆材料において
は、図２に示すように、まず金属結合層２上に希土類酸
化物の含有量が 1重量% 以下の活性金属層４′を形成す
る（図２（ａ））。これによって、金属結合層２との良
好な密着性が得られる。次いで、この活性金属層４′上
にセラミックス遮熱層３を成膜し、セラミックス遮熱層
３との界面反応（還元反応）によって、例えば活性金属
の酸化物（還元酸化物）を主成分とする中間層４（主成
分は活性金属単体であってもよい）を形成したり、ある
いは活性金属層４′を熱酸化して生成した熱酸化物を主
成分とする中間層４上にセラミックス遮熱層３を形成す
ることによって（図２（ｂ））、セラミックス遮熱層３
との良好な密着性が得られる。これに対して、金属結合
層２上に当初から酸化物層を形成した場合には、この酸
化物層と金属結合層２との密着性を十分に得ることがで
きない。
は、図２に示すように、まず金属結合層２上に希土類酸
化物の含有量が 1重量% 以下の活性金属層４′を形成す
る（図２（ａ））。これによって、金属結合層２との良
好な密着性が得られる。次いで、この活性金属層４′上
にセラミックス遮熱層３を成膜し、セラミックス遮熱層
３との界面反応（還元反応）によって、例えば活性金属
の酸化物（還元酸化物）を主成分とする中間層４（主成
分は活性金属単体であってもよい）を形成したり、ある
いは活性金属層４′を熱酸化して生成した熱酸化物を主
成分とする中間層４上にセラミックス遮熱層３を形成す
ることによって（図２（ｂ））、セラミックス遮熱層３
との良好な密着性が得られる。これに対して、金属結合
層２上に当初から酸化物層を形成した場合には、この酸
化物層と金属結合層２との密着性を十分に得ることがで
きない。
【００２６】なお、特にZrの酸化物を中間層４として用
いる場合、その構造は特に規定されないが、単斜晶ジル
コニア等を挙げることができる。中間層４を構成するT
i、Zr、Hf等の酸化物としては、酸素が金属状態のTi、Z
r、Hf中に固溶しているものであってもよい。
いる場合、その構造は特に規定されないが、単斜晶ジル
コニア等を挙げることができる。中間層４を構成するT
i、Zr、Hf等の酸化物としては、酸素が金属状態のTi、Z
r、Hf中に固溶しているものであってもよい。
【００２７】活性金属層４′の形成方法は特に規定され
るものではないが、ＥＢ−ＰＶＤ法、スパッタリング法
等の物理的・化学的蒸着法を適用することが好ましい。
これは、ＥＢ−ＰＶＤ法等によれば平滑表面に直接成膜
が行え、表面粗さに起因する界面近傍の応力による剥離
を有効に抑制することが可能となるためである。
るものではないが、ＥＢ−ＰＶＤ法、スパッタリング法
等の物理的・化学的蒸着法を適用することが好ましい。
これは、ＥＢ−ＰＶＤ法等によれば平滑表面に直接成膜
が行え、表面粗さに起因する界面近傍の応力による剥離
を有効に抑制することが可能となるためである。
【００２８】上述した中間層４として形成する活性金属
層は、Ti、ZrおよびHfから選ばれる少なくとも 1種を主
成分として含むものであればよく、上記活性金属元素の
少なくとも 1種を含有する合金を用いることも可能であ
る。また、活性金属層は単独層として形成してもよい
が、金属結合層２の表面近傍に合金元素として存在さ
せ、セラミックス遮熱層３の成膜中やその後の熱処理過
程において、セラミックス遮熱層３と反応させるように
してもよい。
層は、Ti、ZrおよびHfから選ばれる少なくとも 1種を主
成分として含むものであればよく、上記活性金属元素の
少なくとも 1種を含有する合金を用いることも可能であ
る。また、活性金属層は単独層として形成してもよい
が、金属結合層２の表面近傍に合金元素として存在さ
せ、セラミックス遮熱層３の成膜中やその後の熱処理過
程において、セラミックス遮熱層３と反応させるように
してもよい。
【００２９】中間層４の厚さは特に規定されるものでは
ないが、セラミックス遮熱層３の成膜中やその後の熱処
理過程において、ほぼ全てがセラミックス遮熱層３との
反応に使用されることが好ましい。また、予め活性金属
層４′を酸化し、酸化物を主成分とする中間層４とする
場合、その厚さは10μm 以下とすることが好ましい。酸
化物を主成分とする中間層４の厚さが10μm を超えると
剥離性が高くなる。
ないが、セラミックス遮熱層３の成膜中やその後の熱処
理過程において、ほぼ全てがセラミックス遮熱層３との
反応に使用されることが好ましい。また、予め活性金属
層４′を酸化し、酸化物を主成分とする中間層４とする
場合、その厚さは10μm 以下とすることが好ましい。酸
化物を主成分とする中間層４の厚さが10μm を超えると
剥離性が高くなる。
【００３０】セラミックス遮熱層３の構成材料として
は、 ZrO2 、Si3 N 4 、 SiC、Al2 O3 、 TiN、 AlN、
サイアロン等の種々のセラミックス材料を使用すること
が可能であるが、 ZrO2 が低い熱伝導率と大きな熱膨張
係数からセラミックス遮熱層３として好適である。ま
た、 ZrO2 の相変化を抑制するための安定化剤として
は、Y2 O 3 、 CaO、 MgO等が用いられているが、これ
らの中でも Y2 O 3 が最も好ましく、特に Y2 O 3 を 8
重量% 程度含む部分安定化ジルコニアが極めて優れた特
性を示す。このセラミックス遮熱層３全体の厚さは用途
に応じて50〜3000μm程度の範囲から適宜選択可能であ
り、例えばガスタービン翼では 100〜 300μm程度、燃
焼器内面では 500〜2000μm 程度とすることが好まし
い。
は、 ZrO2 、Si3 N 4 、 SiC、Al2 O3 、 TiN、 AlN、
サイアロン等の種々のセラミックス材料を使用すること
が可能であるが、 ZrO2 が低い熱伝導率と大きな熱膨張
係数からセラミックス遮熱層３として好適である。ま
た、 ZrO2 の相変化を抑制するための安定化剤として
は、Y2 O 3 、 CaO、 MgO等が用いられているが、これ
らの中でも Y2 O 3 が最も好ましく、特に Y2 O 3 を 8
重量% 程度含む部分安定化ジルコニアが極めて優れた特
性を示す。このセラミックス遮熱層３全体の厚さは用途
に応じて50〜3000μm程度の範囲から適宜選択可能であ
り、例えばガスタービン翼では 100〜 300μm程度、燃
焼器内面では 500〜2000μm 程度とすることが好まし
い。
【００３１】セラミックス遮熱層３の形成方法は特に限
定されるものではないが、ＥＢ−ＰＶＤ法やスパッタリ
ング法等に代表される物理的・化学的蒸着法を用いるこ
とが好ましい。なぜならば、例えばＥＢ−ＰＶＤ法によ
れば、界面に対して垂直方向に成長する特有の柱状組織
が得られ、耐熱サイクル特性に優れたセラミックス遮熱
層３、すなわちクラックの面方向への伝播を抑制するこ
とが可能なセラミックス遮熱層３が得られるためであ
る。また、ＥＢ−ＰＶＤ法等によれば、プラズマ溶射法
に比べて欠陥が少なく、高硬度のセラミックス遮熱層３
が得られるため、セラミックス遮熱層３の耐摩耗性や耐
ＦＯＤ性等をも同時に向上させることができる。
定されるものではないが、ＥＢ−ＰＶＤ法やスパッタリ
ング法等に代表される物理的・化学的蒸着法を用いるこ
とが好ましい。なぜならば、例えばＥＢ−ＰＶＤ法によ
れば、界面に対して垂直方向に成長する特有の柱状組織
が得られ、耐熱サイクル特性に優れたセラミックス遮熱
層３、すなわちクラックの面方向への伝播を抑制するこ
とが可能なセラミックス遮熱層３が得られるためであ
る。また、ＥＢ−ＰＶＤ法等によれば、プラズマ溶射法
に比べて欠陥が少なく、高硬度のセラミックス遮熱層３
が得られるため、セラミックス遮熱層３の耐摩耗性や耐
ＦＯＤ性等をも同時に向上させることができる。
【００３２】さらに、ＥＢ−ＰＶＤ法等によれば、容易
に平滑面上に成膜することが可能であるため、界面の凹
凸形状に基く応力に起因するセラミックス遮熱層３の剥
離を抑制することができる。すなわち、通常の金属結合
層上にプラズマ溶射法でセラミックス遮熱層を形成する
場合、これらの密着は金属結合層の表面粗さを利用し
た、いわゆるアンカー効果に基いているため、金属結合
層の表面形状に起因する応力が界面近傍のセラミックス
層内に発生し、ガスタービン等の運転環境に晒される
と、上記応力に基いてセラミックス層の剥離が生じやす
い。これに対して、平滑面上に容易に成膜することが可
能なＥＢ−ＰＶＤ法等を利用することによって、上記セ
ラミックス層の剥離を抑制することが可能になる。ただ
し、本発明においては、中間層４による化学的結合力を
積極的に利用しているため、プラズマ溶射法によっても
平滑面上にセラミック遮熱層を形成することができる。
に平滑面上に成膜することが可能であるため、界面の凹
凸形状に基く応力に起因するセラミックス遮熱層３の剥
離を抑制することができる。すなわち、通常の金属結合
層上にプラズマ溶射法でセラミックス遮熱層を形成する
場合、これらの密着は金属結合層の表面粗さを利用し
た、いわゆるアンカー効果に基いているため、金属結合
層の表面形状に起因する応力が界面近傍のセラミックス
層内に発生し、ガスタービン等の運転環境に晒される
と、上記応力に基いてセラミックス層の剥離が生じやす
い。これに対して、平滑面上に容易に成膜することが可
能なＥＢ−ＰＶＤ法等を利用することによって、上記セ
ラミックス層の剥離を抑制することが可能になる。ただ
し、本発明においては、中間層４による化学的結合力を
積極的に利用しているため、プラズマ溶射法によっても
平滑面上にセラミック遮熱層を形成することができる。
【００３３】次に、本発明における第２の遮熱被覆材料
の実施形態について述べる。図３は第２の遮熱被覆材料
の一実施形態を示す図であり、１は前述した第１の実施
形態と同様な耐熱合金からなる金属基材であり、この金
属基材１上には第１の実施形態と同様に、 M-Cr-Al-Y合
金等からなる金属結合層２が被覆形成されている。金属
結合層２上には外部の熱を遮蔽して、部材内部の冷却効
果を高めて耐用温度を向上させると共に、部材の長寿命
化を達成するセラミックス遮熱層３が形成されている。
の実施形態について述べる。図３は第２の遮熱被覆材料
の一実施形態を示す図であり、１は前述した第１の実施
形態と同様な耐熱合金からなる金属基材であり、この金
属基材１上には第１の実施形態と同様に、 M-Cr-Al-Y合
金等からなる金属結合層２が被覆形成されている。金属
結合層２上には外部の熱を遮蔽して、部材内部の冷却効
果を高めて耐用温度を向上させると共に、部材の長寿命
化を達成するセラミックス遮熱層３が形成されている。
【００３４】上記セラミックス遮熱層３は、溶射法によ
るセラミックス内層５とＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミッ
クス表面層６とから構成されている。溶射法によるセラ
ミックス内層５は、 M-Cr-Al-Y合金等からなる金属結合
層２との結合性を高めるために形成される層であり、金
属結合層２表面の凹凸とかみ合うことによって良好な機
械的結合を得ることができる。セラミックス内層５の形
成に適用する溶射法としては、実用上はプラズマ溶射法
が最も有効である。
るセラミックス内層５とＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミッ
クス表面層６とから構成されている。溶射法によるセラ
ミックス内層５は、 M-Cr-Al-Y合金等からなる金属結合
層２との結合性を高めるために形成される層であり、金
属結合層２表面の凹凸とかみ合うことによって良好な機
械的結合を得ることができる。セラミックス内層５の形
成に適用する溶射法としては、実用上はプラズマ溶射法
が最も有効である。
【００３５】また、上記セラミックス内層５上にＥＢ−
ＰＶＤ法によるセラミックス表面層６を形成すると、密
着性を化学的な結合力に頼っているＥＢ−ＰＶＤ法であ
っても、両層の組成が極めて近いために、金属結合層２
上に直接形成した場合と比較して高い結合力を得ること
ができる。ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミックス表面層６
は、特有の柱状組織の成長によって熱応力の緩和効果が
高く、セラミックス遮熱層３の耐剥離性を向上させるこ
とができる。また、セラミックス表面層６はプラズマ溶
射法に比べて欠陥が少ないために硬度が高く、表面の耐
摩耗性や耐ＦＯＤ性も同時に向上させることが可能であ
る。溶射法によるセラミックス内層５とＥＢ−ＰＶＤ法
によるセラミックス表面層６とを組合せることは、ＥＢ
−ＰＶＤ法による高コストの問題解決策としても有効で
ある。
ＰＶＤ法によるセラミックス表面層６を形成すると、密
着性を化学的な結合力に頼っているＥＢ−ＰＶＤ法であ
っても、両層の組成が極めて近いために、金属結合層２
上に直接形成した場合と比較して高い結合力を得ること
ができる。ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミックス表面層６
は、特有の柱状組織の成長によって熱応力の緩和効果が
高く、セラミックス遮熱層３の耐剥離性を向上させるこ
とができる。また、セラミックス表面層６はプラズマ溶
射法に比べて欠陥が少ないために硬度が高く、表面の耐
摩耗性や耐ＦＯＤ性も同時に向上させることが可能であ
る。溶射法によるセラミックス内層５とＥＢ−ＰＶＤ法
によるセラミックス表面層６とを組合せることは、ＥＢ
−ＰＶＤ法による高コストの問題解決策としても有効で
ある。
【００３６】セラミックス内層５とセラミックス表面層
６との厚さの比は1:99から99:1まで適宜選択することが
できる。さらに用途によっては、図４に示すようにＥＢ
−ＰＶＤ法によるセラミックス表面層６が溶射法による
セラミックス内層５の表面凹凸を埋めるだけでのもの
や、あるいは図５に示すように溶射法によるセラミック
ス内層５が金属結合層２の凹凸を埋めるだけの厚さを有
するもの等、種々の形態を採用することができる。
６との厚さの比は1:99から99:1まで適宜選択することが
できる。さらに用途によっては、図４に示すようにＥＢ
−ＰＶＤ法によるセラミックス表面層６が溶射法による
セラミックス内層５の表面凹凸を埋めるだけでのもの
や、あるいは図５に示すように溶射法によるセラミック
ス内層５が金属結合層２の凹凸を埋めるだけの厚さを有
するもの等、種々の形態を採用することができる。
【００３７】ただし、実用的には以下に示すような厚さ
比を選択することが好ましい。すなわち、例えば耐熱サ
イクル性が極めて要求される部位では、ＥＢ−ＰＶＤ法
によるセラミックス表面層６の割合が高い、内層５：表
面層６=1:9〜 4:6程度の範囲とすることが好ましく、ま
た耐エロージョン性や耐ＦＯＤ性の向上と低コストが要
求される部位では内層５：表面層６=4:1〜99:1程度の範
囲に制御することが好ましい。
比を選択することが好ましい。すなわち、例えば耐熱サ
イクル性が極めて要求される部位では、ＥＢ−ＰＶＤ法
によるセラミックス表面層６の割合が高い、内層５：表
面層６=1:9〜 4:6程度の範囲とすることが好ましく、ま
た耐エロージョン性や耐ＦＯＤ性の向上と低コストが要
求される部位では内層５：表面層６=4:1〜99:1程度の範
囲に制御することが好ましい。
【００３８】また、溶射法によるセラミックス内層５と
ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミックス表面層６とを組合せ
たセラミックス遮熱層３においては、金属結合層２と溶
射法によるセラミックス内層５との界面の凸部と凹部の
高さの差（平均値として）を5〜 200μm の範囲にする
と共に、溶射法によるセラミックス内層５とＥＢ−ＰＶ
Ｄ法によるセラミックス表面層６との界面の凸部と凹部
の高さの差（平均値として）を0.01〜10μm の範囲とす
ることが好ましい。
ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミックス表面層６とを組合せ
たセラミックス遮熱層３においては、金属結合層２と溶
射法によるセラミックス内層５との界面の凸部と凹部の
高さの差（平均値として）を5〜 200μm の範囲にする
と共に、溶射法によるセラミックス内層５とＥＢ−ＰＶ
Ｄ法によるセラミックス表面層６との界面の凸部と凹部
の高さの差（平均値として）を0.01〜10μm の範囲とす
ることが好ましい。
【００３９】金属結合層２／セラミックス内層５の界面
の粗さは、両層の密着強度に著しい影響を及ぼすことを
知られており、界面の粗さが大きい方が密着強度は高く
なる傾向にある。界面付近を走査型電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）で 500〜1000倍の倍率で拡大して観察した時、凸部
と凹部の高さの差が 5ケ所の平均で 5〜 200μm の範囲
にあると、遮熱被覆材料は優れた耐熱サイクル性を示
す。実用上は界面粗さが 7〜20μm の範囲にあると、プ
ラズマ溶射による施工が容易であるためにさらに好まし
い。
の粗さは、両層の密着強度に著しい影響を及ぼすことを
知られており、界面の粗さが大きい方が密着強度は高く
なる傾向にある。界面付近を走査型電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）で 500〜1000倍の倍率で拡大して観察した時、凸部
と凹部の高さの差が 5ケ所の平均で 5〜 200μm の範囲
にあると、遮熱被覆材料は優れた耐熱サイクル性を示
す。実用上は界面粗さが 7〜20μm の範囲にあると、プ
ラズマ溶射による施工が容易であるためにさらに好まし
い。
【００４０】また、溶射層表面の粗さはＲmax で65μm
程度、その後のサンドブラスト処理によってＲmax 40μ
m 程度となり、サンドブラスト処理の有無にかかわら
ず、この表面上に直接ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミック
ス表面層６を形成することも可能であるが、ＥＢ−ＰＶ
Ｄ法によるセラミックス表面層６の性状は下地の粗さが
大きな影響を及ぼすことが明らかになっており、研磨等
の平滑化処理を施して表面粗さを0.01〜10μm の範囲と
すれば、さらに良好な柱状組織を得ることができる。セ
ラミックス内層５／セラミックス表面層６の界面の粗さ
が上記範囲より大きいと、各組織の成長方向が乱れるた
めに、柱状組織を十分に成長させることができないおそ
れがある。なお、上記粗さ範囲より平滑にするには研磨
加工が困難となるために実用上好ましくない。
程度、その後のサンドブラスト処理によってＲmax 40μ
m 程度となり、サンドブラスト処理の有無にかかわら
ず、この表面上に直接ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミック
ス表面層６を形成することも可能であるが、ＥＢ−ＰＶ
Ｄ法によるセラミックス表面層６の性状は下地の粗さが
大きな影響を及ぼすことが明らかになっており、研磨等
の平滑化処理を施して表面粗さを0.01〜10μm の範囲と
すれば、さらに良好な柱状組織を得ることができる。セ
ラミックス内層５／セラミックス表面層６の界面の粗さ
が上記範囲より大きいと、各組織の成長方向が乱れるた
めに、柱状組織を十分に成長させることができないおそ
れがある。なお、上記粗さ範囲より平滑にするには研磨
加工が困難となるために実用上好ましくない。
【００４１】なお、溶射法によるセラミックス内層５と
ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミックス表面層６間の結合強
度を高めるために、溶射粉末中またはＥＢ−ＰＶＤ法の
ターゲット中にCaを添加して、界面にCaとZr等とが共存
する酸化物層をさらに形成することも可能である。ま
た、セラミックス内層５およびセラミックス表面層６の
構成材料としては、前述した第１の実施形態で例示した
セラミックス材料と同様なものを使用することができ、
ZrO2 特に Y2 O 3 を 8重量% 程度含む部分安定化ジル
コニアが極めて優れた特性を示す。
ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミックス表面層６間の結合強
度を高めるために、溶射粉末中またはＥＢ−ＰＶＤ法の
ターゲット中にCaを添加して、界面にCaとZr等とが共存
する酸化物層をさらに形成することも可能である。ま
た、セラミックス内層５およびセラミックス表面層６の
構成材料としては、前述した第１の実施形態で例示した
セラミックス材料と同様なものを使用することができ、
ZrO2 特に Y2 O 3 を 8重量% 程度含む部分安定化ジル
コニアが極めて優れた特性を示す。
【００４２】次に、本発明における第３の遮熱被覆材料
の実施形態について述べる。図６は第３の遮熱被覆材料
の一実施形態を示す図であり、１は前述した第１の実施
形態と同様な耐熱合金からなる金属基材であり、この金
属基材１上には第１の実施形態と同様に、 M-Cr-Al-Y合
金等からなる金属結合層２が被覆形成されている。な
お、金属結合層２は必ずしも形成しなければならないも
のではない。以下では金属結合層２を有するものとして
説明するが、金属結合層２を形成しない場合には金属基
材１の表面が基準となる。
の実施形態について述べる。図６は第３の遮熱被覆材料
の一実施形態を示す図であり、１は前述した第１の実施
形態と同様な耐熱合金からなる金属基材であり、この金
属基材１上には第１の実施形態と同様に、 M-Cr-Al-Y合
金等からなる金属結合層２が被覆形成されている。な
お、金属結合層２は必ずしも形成しなければならないも
のではない。以下では金属結合層２を有するものとして
説明するが、金属結合層２を形成しない場合には金属基
材１の表面が基準となる。
【００４３】金属結合層２上には、安定化ジルコニアか
らなるセラミックス遮熱層（以下、ジルコニア遮熱層と
記す）７が形成されている。ジルコニア遮熱層７の厚さ
は50〜 500μm 程度とすることが好ましい。安定化ジル
コニアは、機械的強度や高靭性値が期待できる Y2 O 3
安定化ジルコニアが望ましい。なお、 1523K以上の高温
雰囲気や化学的に腐食性の強い環境下で長時間使用され
る場合には、 Yよりイオン半径の大きいNdやSmのような
希土類元素を添加したり、またはそれらで安定化させた
ジルコニアを用いた方が好ましい場合があり、それらに
よってジルコニア遮熱層７の強度低下を抑制することが
できる。
らなるセラミックス遮熱層（以下、ジルコニア遮熱層と
記す）７が形成されている。ジルコニア遮熱層７の厚さ
は50〜 500μm 程度とすることが好ましい。安定化ジル
コニアは、機械的強度や高靭性値が期待できる Y2 O 3
安定化ジルコニアが望ましい。なお、 1523K以上の高温
雰囲気や化学的に腐食性の強い環境下で長時間使用され
る場合には、 Yよりイオン半径の大きいNdやSmのような
希土類元素を添加したり、またはそれらで安定化させた
ジルコニアを用いた方が好ましい場合があり、それらに
よってジルコニア遮熱層７の強度低下を抑制することが
できる。
【００４４】上述したジルコニア遮熱層７は、金属結合
層２の表面に対して (100)および(001)から選ばれる少
なくとも 1つの面方向に配向性を有する安定化ジルコニ
ア層８を有している。この安定化ジルコニア層８は、
(100)または (001)のどちらか一方向に配向していても
よいし、 2方向が混在した状態であってもよい。望まし
くは、亀裂伝播の経路が偏曲できることから、面内の 2
次元方向ではランダムになっている方がよく、さらに配
向性も (100)と (001)をランダムに配向させた方が優れ
た熱応力緩和性が得られ、耐熱応力性に優れた部材が得
られる。上述した配向面は共に整合性がよく、剥離しや
すい面が金属結合層２に対して平行に積層することがな
い。
層２の表面に対して (100)および(001)から選ばれる少
なくとも 1つの面方向に配向性を有する安定化ジルコニ
ア層８を有している。この安定化ジルコニア層８は、
(100)または (001)のどちらか一方向に配向していても
よいし、 2方向が混在した状態であってもよい。望まし
くは、亀裂伝播の経路が偏曲できることから、面内の 2
次元方向ではランダムになっている方がよく、さらに配
向性も (100)と (001)をランダムに配向させた方が優れ
た熱応力緩和性が得られ、耐熱応力性に優れた部材が得
られる。上述した配向面は共に整合性がよく、剥離しや
すい面が金属結合層２に対して平行に積層することがな
い。
【００４５】なお、ここで述べる配向性とは、Ｘ線回折
法で測定される各面の回折ピーク強度比が JCPDSカード
(17-923)に対して 2倍以上になっていることを意味す
る。また、Ｘ線回折強度比はいずれもジルコニア遮熱層
７に対して垂直方向からＸ線を照射した場合の回折結果
に基くものである。
法で測定される各面の回折ピーク強度比が JCPDSカード
(17-923)に対して 2倍以上になっていることを意味す
る。また、Ｘ線回折強度比はいずれもジルコニア遮熱層
７に対して垂直方向からＸ線を照射した場合の回折結果
に基くものである。
【００４６】安定化ジルコニア層８の配向性を (100)や
(001)に規定する理由は、これらの配向性を有する安定
化ジルコニア層８内では安定化ジルコニアのへき開面に
相当する (111)面が金属結合層２表面に対して平行に積
層することがないためである。本来、安定化ジルコニア
層の割れや剥離は、安定化ジルコニア層内で亀裂が金属
結合層２に対して平行に伝播することによって起こる。
すなわち、この亀裂進展が容易に進行する、すなちわ最
も剥離しやすいへき開面である (111)面が、安定化ジル
コニア層内において金属結合層２表面に対して平行に集
合していると、安定化ジルコニア層の割れや剥離が容易
に起こる。
(001)に規定する理由は、これらの配向性を有する安定
化ジルコニア層８内では安定化ジルコニアのへき開面に
相当する (111)面が金属結合層２表面に対して平行に積
層することがないためである。本来、安定化ジルコニア
層の割れや剥離は、安定化ジルコニア層内で亀裂が金属
結合層２に対して平行に伝播することによって起こる。
すなわち、この亀裂進展が容易に進行する、すなちわ最
も剥離しやすいへき開面である (111)面が、安定化ジル
コニア層内において金属結合層２表面に対して平行に集
合していると、安定化ジルコニア層の割れや剥離が容易
に起こる。
【００４７】これに対して、 (111)面との面角が一番大
きい (100)面や (001)面に配向させた安定化ジルコニア
層８では、剥離を起こし易い (111)面が金属結合層２表
面に対して高角度となり、 (111)面が金属結合層２表面
に対して平行に集合することがなくなるため、亀裂が水
平方向に伝播しずらくなり、その結果として安定化ジル
コニア層８の割れや剥離による損傷を抑制することが可
能となる。
きい (100)面や (001)面に配向させた安定化ジルコニア
層８では、剥離を起こし易い (111)面が金属結合層２表
面に対して高角度となり、 (111)面が金属結合層２表面
に対して平行に集合することがなくなるため、亀裂が水
平方向に伝播しずらくなり、その結果として安定化ジル
コニア層８の割れや剥離による損傷を抑制することが可
能となる。
【００４８】このようなことから、耐熱応力・耐剥離特
性に優れた得るジルコニア遮熱層７を得る上で、安定化
ジルコニア層８の配向性はほぼ (111)面を含まない状態
が望まれ、具体的にはそのＸ線回折結果における回折強
度比{I(200)+I(002)}/{I(200）+I(002)+I(111)} を 0.9
〜 1.0の範囲を満足させる必要があり、さらには 1に限
りなく近いことが望ましい。すなわち、へき開面である
(111)面が金属結合層２表面に対して平行方向に存在し
ないようにする。このＸ線回折強度比が 0.9未満である
と、金属結合層２表面と平行に存在する (111)面によっ
て、亀裂の水平方向への伝播が起こる。その結果、割
れ、剥離に対して耐久性に優れたジルコニア被覆層７を
得ることができない。この剥離や割れが生じにくい構造
は、金属部分の耐熱性や耐酸化特性を低下させないこと
を意味する。
性に優れた得るジルコニア遮熱層７を得る上で、安定化
ジルコニア層８の配向性はほぼ (111)面を含まない状態
が望まれ、具体的にはそのＸ線回折結果における回折強
度比{I(200)+I(002)}/{I(200）+I(002)+I(111)} を 0.9
〜 1.0の範囲を満足させる必要があり、さらには 1に限
りなく近いことが望ましい。すなわち、へき開面である
(111)面が金属結合層２表面に対して平行方向に存在し
ないようにする。このＸ線回折強度比が 0.9未満である
と、金属結合層２表面と平行に存在する (111)面によっ
て、亀裂の水平方向への伝播が起こる。その結果、割
れ、剥離に対して耐久性に優れたジルコニア被覆層７を
得ることができない。この剥離や割れが生じにくい構造
は、金属部分の耐熱性や耐酸化特性を低下させないこと
を意味する。
【００４９】安定化ジルコニア層８は、さらに (100)面
および (001)面以外の結晶面が金属結合層２表面に対し
て平行に存在しないことが望ましい。具体的には、安定
化ジルコニア層８のＸ線回折結果における回折強度比{I
(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(HKL)}（ただし、 (HK
L)は (311)、 (113)、 (220)および (202)から選ばれる
少なくとも 1つの結晶面を表す）が 0.8〜 1の範囲であ
ることが望ましく、さらには 1に限りなく近いことがよ
り望ましい。
および (001)面以外の結晶面が金属結合層２表面に対し
て平行に存在しないことが望ましい。具体的には、安定
化ジルコニア層８のＸ線回折結果における回折強度比{I
(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(HKL)}（ただし、 (HK
L)は (311)、 (113)、 (220)および (202)から選ばれる
少なくとも 1つの結晶面を表す）が 0.8〜 1の範囲であ
ることが望ましく、さらには 1に限りなく近いことがよ
り望ましい。
【００５０】なお、上述したＸ線回折強度比は、被覆し
たジルコニア遮熱層７の表面から測定した値に基くもの
であり、熱応力の大きい金属基材１または金属結合層２
から1〜20μm 程度上の位置で上述した配向性を示す回
折強度比を満足させることが望ましい。
たジルコニア遮熱層７の表面から測定した値に基くもの
であり、熱応力の大きい金属基材１または金属結合層２
から1〜20μm 程度上の位置で上述した配向性を示す回
折強度比を満足させることが望ましい。
【００５１】また、上述した実施形態では熱疲労特性に
優れた正方晶ジルコニアによるジルコニア被覆層７の配
向性を規定しているが、熱疲労特性よりも耐化学的安定
性が要求される部材については、立方晶ジルコニアが混
在していたり、立方晶のみで構成されていてもよい。よ
って、立方晶ジルコニアで構成されている場合には、I
(200)=I(200)+I(002)として考える。さらに、Ｘ線回折
法で得られる回折強度を用いて算出される単斜晶ジルコ
ニア量は望ましくはＸ線回折法で検出できないほど少な
い方が望ましく、これにより昇・降温時に体積変化を伴
う相転移を防止することができ、ジルコニア遮熱層７の
強度低下を抑制することが可能となる。
優れた正方晶ジルコニアによるジルコニア被覆層７の配
向性を規定しているが、熱疲労特性よりも耐化学的安定
性が要求される部材については、立方晶ジルコニアが混
在していたり、立方晶のみで構成されていてもよい。よ
って、立方晶ジルコニアで構成されている場合には、I
(200)=I(200)+I(002)として考える。さらに、Ｘ線回折
法で得られる回折強度を用いて算出される単斜晶ジルコ
ニア量は望ましくはＸ線回折法で検出できないほど少な
い方が望ましく、これにより昇・降温時に体積変化を伴
う相転移を防止することができ、ジルコニア遮熱層７の
強度低下を抑制することが可能となる。
【００５２】ところで、上述した遮熱被覆材料を用いた
ガスタービンや航空機用エンジンの実機使用環境におい
ては、微細な粉塵や粗粒子がジルコニア遮熱層７に衝突
して損傷を与えるという問題がある。特に、大気溶射法
で作製したジルコニア被覆層は表面の凹凸が大きく、飛
来物体が衝突したときのダメージが大きい。さらに長時
間使用すると小さい飛来物体との摩擦による消耗が大き
く問題となる。
ガスタービンや航空機用エンジンの実機使用環境におい
ては、微細な粉塵や粗粒子がジルコニア遮熱層７に衝突
して損傷を与えるという問題がある。特に、大気溶射法
で作製したジルコニア被覆層は表面の凹凸が大きく、飛
来物体が衝突したときのダメージが大きい。さらに長時
間使用すると小さい飛来物体との摩擦による消耗が大き
く問題となる。
【００５３】一方で、ＥＢ−ＰＶＤ法等で形成される柱
状組織を有するジルコニア遮熱層では、被膜の硬度が大
きいため、溶射法で形成したものと比較すると優れた特
性を有しているが、実機として高温雰囲気で長時間使用
すると、飛来物の衝突と摩耗により被膜内部に亀裂が伝
播して、ジルコニア遮熱層の一部が剥離したりするおそ
れがある。このようなジルコニア遮熱層の消耗は遮熱効
果を低下させるために、抑制する必要がある。
状組織を有するジルコニア遮熱層では、被膜の硬度が大
きいため、溶射法で形成したものと比較すると優れた特
性を有しているが、実機として高温雰囲気で長時間使用
すると、飛来物の衝突と摩耗により被膜内部に亀裂が伝
播して、ジルコニア遮熱層の一部が剥離したりするおそ
れがある。このようなジルコニア遮熱層の消耗は遮熱効
果を低下させるために、抑制する必要がある。
【００５４】上述したような飛来物の衝突と摩耗による
ジルコニア遮熱層の剥離を防止するためには、前述した
第３の実施形態による遮熱被覆材料に、さらに (111)面
方向に配向性を有する安定化ジルコニア層を追加するこ
とが有効である。このような構造の遮熱被覆材料につい
て、図７を参照して説明する。
ジルコニア遮熱層の剥離を防止するためには、前述した
第３の実施形態による遮熱被覆材料に、さらに (111)面
方向に配向性を有する安定化ジルコニア層を追加するこ
とが有効である。このような構造の遮熱被覆材料につい
て、図７を参照して説明する。
【００５５】図７に示す遮熱被覆材料においては、金属
結合層２上に (100)面および (001)面の少なくとも 1方
向に配向性を有する安定化ジルコニア層、すなわち前述
した実施形態と同様な配向性を有する安定化ジルコニア
層（以下、 (100)/(001)面配向のジルコニア層と記す）
８がまず被覆形成されており、その上に (100)/(001)配
向のジルコニア層８と (111)面方向に配向性を有する安
定化ジルコニア層（以下、 (111)面配向のジルコニア層
と記す）９とを積層したジルコニア多層積層膜１０が設
けられており、これらによってジルコニア遮熱層７が構
成されている。ジルコニア多層積層膜１０において、
(111)面配向のジルコニア層９の 1層分の厚さは 0.5〜
5μm の範囲とすることが好ましい。
結合層２上に (100)面および (001)面の少なくとも 1方
向に配向性を有する安定化ジルコニア層、すなわち前述
した実施形態と同様な配向性を有する安定化ジルコニア
層（以下、 (100)/(001)面配向のジルコニア層と記す）
８がまず被覆形成されており、その上に (100)/(001)配
向のジルコニア層８と (111)面方向に配向性を有する安
定化ジルコニア層（以下、 (111)面配向のジルコニア層
と記す）９とを積層したジルコニア多層積層膜１０が設
けられており、これらによってジルコニア遮熱層７が構
成されている。ジルコニア多層積層膜１０において、
(111)面配向のジルコニア層９の 1層分の厚さは 0.5〜
5μm の範囲とすることが好ましい。
【００５６】(111)面配向のジルコニア層９を表面部側
の多層積層膜１０に用いる理由は、ジルコニア遮熱層７
の損傷（割れ・剥離）の原因である飛来物体の衝突や摩
耗により生じる表面から層内部に広がる亀裂の伝播を、
(111)配向を有する配向面で停止させるためである。具
体的には、ジルコニア遮熱層７内部へと進展する亀裂の
伝播経路を (111)面配向のジルコニア層９により90度進
展方向を変更させることで、層内部に広がる亀裂の伝播
を抑制する。なお、 (111)面配向のジルコニア層９は亀
裂伝播を抑制するために剥離してもかまわない。 (111)
面配向のジルコニア層９の膜厚を規定した理由は、その
厚さが 0.5μm 未満では亀裂伝播を抑制する効果が十分
に得られず、また 5μm を超えるとジルコニア多層積層
膜１０の強度が低下して、熱サイクルが生じる長時間の
運転には耐えることができなくなるおそれがある。
の多層積層膜１０に用いる理由は、ジルコニア遮熱層７
の損傷（割れ・剥離）の原因である飛来物体の衝突や摩
耗により生じる表面から層内部に広がる亀裂の伝播を、
(111)配向を有する配向面で停止させるためである。具
体的には、ジルコニア遮熱層７内部へと進展する亀裂の
伝播経路を (111)面配向のジルコニア層９により90度進
展方向を変更させることで、層内部に広がる亀裂の伝播
を抑制する。なお、 (111)面配向のジルコニア層９は亀
裂伝播を抑制するために剥離してもかまわない。 (111)
面配向のジルコニア層９の膜厚を規定した理由は、その
厚さが 0.5μm 未満では亀裂伝播を抑制する効果が十分
に得られず、また 5μm を超えるとジルコニア多層積層
膜１０の強度が低下して、熱サイクルが生じる長時間の
運転には耐えることができなくなるおそれがある。
【００５７】また、ジルコニア遮熱層７内における多層
積層膜１０部分の厚さは、使用環境によっても異なる
が、比較的耐摩耗性が要求されない部位では20μm 以下
でもよいし、非常にきびしい運転環境に晒される部位で
は、多層積層膜１０の密着強度を考慮して20〜 200μm
程度とすることが好ましい。また、 (111)面配向のジル
コニア層９の (100)/(001)面配向のジルコニア層８に対
する膜厚比は0.01〜 1.0とすることが好ましい。積層数
は特に規定されるものではないが、 (111)面配向のジル
コニア層９を多数含むほど摩耗による剥離をより良好に
抑制できる。
積層膜１０部分の厚さは、使用環境によっても異なる
が、比較的耐摩耗性が要求されない部位では20μm 以下
でもよいし、非常にきびしい運転環境に晒される部位で
は、多層積層膜１０の密着強度を考慮して20〜 200μm
程度とすることが好ましい。また、 (111)面配向のジル
コニア層９の (100)/(001)面配向のジルコニア層８に対
する膜厚比は0.01〜 1.0とすることが好ましい。積層数
は特に規定されるものではないが、 (111)面配向のジル
コニア層９を多数含むほど摩耗による剥離をより良好に
抑制できる。
【００５８】さらに、 (111)面配向のジルコニア層９と
(100)/(001)面配向のジルコニア層８との界面強度が必
要な部位については、これらの層間にCaを含む化合物層
を0.5〜10μm 程度の厚さで付加することが好ましく、
これにより界面強度を保つことができる。Ca化合物を用
いた理由は、 1273K付近で各層８、９を構成する安定化
ジルコニアと固相反応を起こして界面を接合するためで
ある。このCa安定化ジルコニアは遮熱層７作製時に同時
に形成してもよいし、Caを含む化合物例えばCa(OH)2 等
を塗布後 (111)面配向のジルコニア層９を形成し、熱処
理（1123〜1473K程度）によってCa安定化ジルコニアを
形成してもよい。また望ましくはCa安定化ジルコニアで
あるが、 CaZrO3 のようなCaとZrの化合物や、さらに他
の希土類元素を包含する化合物であってもよい。さら
に、遮熱層７作製時に同時にCa化合物やCa安定化ジルコ
ニアを成膜する場合は、ＰＶＤやＣＶＤ法を適用するこ
とが膜厚制御が容易であることから好ましい。
(100)/(001)面配向のジルコニア層８との界面強度が必
要な部位については、これらの層間にCaを含む化合物層
を0.5〜10μm 程度の厚さで付加することが好ましく、
これにより界面強度を保つことができる。Ca化合物を用
いた理由は、 1273K付近で各層８、９を構成する安定化
ジルコニアと固相反応を起こして界面を接合するためで
ある。このCa安定化ジルコニアは遮熱層７作製時に同時
に形成してもよいし、Caを含む化合物例えばCa(OH)2 等
を塗布後 (111)面配向のジルコニア層９を形成し、熱処
理（1123〜1473K程度）によってCa安定化ジルコニアを
形成してもよい。また望ましくはCa安定化ジルコニアで
あるが、 CaZrO3 のようなCaとZrの化合物や、さらに他
の希土類元素を包含する化合物であってもよい。さら
に、遮熱層７作製時に同時にCa化合物やCa安定化ジルコ
ニアを成膜する場合は、ＰＶＤやＣＶＤ法を適用するこ
とが膜厚制御が容易であることから好ましい。
【００５９】次に、上述した第３および第４の実施形態
による遮熱被覆材料の製造方法、特に (100)/(001)面配
向のジルコニア層８および (111)面配向のジルコニア層
９の形成方法について説明する。
による遮熱被覆材料の製造方法、特に (100)/(001)面配
向のジルコニア層８および (111)面配向のジルコニア層
９の形成方法について説明する。
【００６０】ジルコニア遮熱層７は、金属基材１上また
はその上に形成した金属結合層２上に被覆形成する。こ
の際、金属基材１または金属結合層２の表面には鏡面研
磨処理を施すことが好ましく、これにより配向性に優れ
たジルコニア層８、９を形成性が向上する。
はその上に形成した金属結合層２上に被覆形成する。こ
の際、金属基材１または金属結合層２の表面には鏡面研
磨処理を施すことが好ましく、これにより配向性に優れ
たジルコニア層８、９を形成性が向上する。
【００６１】配向性を有するジルコニア層８、９は、Ｐ
ＶＤ法やＣＶＤ法によって形成する。ＰＶＤ法を用いる
場合はジルコニアが高融点材料であるので、電子ビーム
で蒸着すると成膜効率が向上し、また膜特性も優れる。
すなわち、特にＥＢ−ＰＶＤ法を適用することが好まし
い。ジルコニア層の配向性は、金属部分の温度（基板温
度）、酸素分圧、電子ビームの入力エネルギー等によっ
て制御することができる。
ＶＤ法やＣＶＤ法によって形成する。ＰＶＤ法を用いる
場合はジルコニアが高融点材料であるので、電子ビーム
で蒸着すると成膜効率が向上し、また膜特性も優れる。
すなわち、特にＥＢ−ＰＶＤ法を適用することが好まし
い。ジルコニア層の配向性は、金属部分の温度（基板温
度）、酸素分圧、電子ビームの入力エネルギー等によっ
て制御することができる。
【００６２】例えば、被覆する金属部分を973K以上に加
熱すると、 (100)/(001)面配向のジルコニア層８が得ら
れる。また、973K未満の場合には、ジルコニア層の配向
面が(111)方向となる。 (100)/(001)面配向のジルコニ
ア層８を形成する際に、成膜速度を向上させたり、また
配向性を上げるためには、金属部分を 1023K以上の高温
に加熱することが好ましい。また、金属基材１または金
属結合層２上に、第１の実施形態で説明した中間層４
や、第２の実施形態で説明した溶射法による内層５を形
成することによって、金属結合層２とジルコニア遮熱層
３との密着性を向上させることができ、より一層耐熱応
力性に優れた遮熱被覆材料が得られる。
熱すると、 (100)/(001)面配向のジルコニア層８が得ら
れる。また、973K未満の場合には、ジルコニア層の配向
面が(111)方向となる。 (100)/(001)面配向のジルコニ
ア層８を形成する際に、成膜速度を向上させたり、また
配向性を上げるためには、金属部分を 1023K以上の高温
に加熱することが好ましい。また、金属基材１または金
属結合層２上に、第１の実施形態で説明した中間層４
や、第２の実施形態で説明した溶射法による内層５を形
成することによって、金属結合層２とジルコニア遮熱層
３との密着性を向上させることができ、より一層耐熱応
力性に優れた遮熱被覆材料が得られる。
【００６３】また、金属基材１または金属結合層２の表
面上に、Pt、Au、Pd、Ag等の少なくとも 1種類の貴金属
元素を含む化合物を存在させることにより、ジルコニア
遮熱層７と密接に接合した化合物を形成することができ
るため、より良好な熱疲労特性が得られ、割れ・剥離に
対して強いジルコニア遮熱層７が得られる。さらに、金
属部分を長時間加熱することが困難である場合には、イ
オンプレーティング法を併用したり、セラミックス部分
だけ集光加熱して金属部分を冷却するとよい。またさら
に、応力集中が大きい部分のみ加熱することによって、
部分的に (100)/(001)面配向のジルコニア層８を形成し
てもよい。
面上に、Pt、Au、Pd、Ag等の少なくとも 1種類の貴金属
元素を含む化合物を存在させることにより、ジルコニア
遮熱層７と密接に接合した化合物を形成することができ
るため、より良好な熱疲労特性が得られ、割れ・剥離に
対して強いジルコニア遮熱層７が得られる。さらに、金
属部分を長時間加熱することが困難である場合には、イ
オンプレーティング法を併用したり、セラミックス部分
だけ集光加熱して金属部分を冷却するとよい。またさら
に、応力集中が大きい部分のみ加熱することによって、
部分的に (100)/(001)面配向のジルコニア層８を形成し
てもよい。
【００６４】ジルコニア遮熱層の成膜中の酸素分圧は
1.0×103 Pa以下とすることが望ましく、割れ・剥離に
強いジルコニア遮熱層７を得る上で、被着時の酸化物を
コントロールするためには、さらに 1.0×10-1Pa以下に
することが望ましい。また、成膜中の酸素分圧は配向性
にも影響を与え、例えば (100)/(001)面配向のジルコニ
ア層８を形成する際には酸素分圧を 1.0×102 Pa以下と
することが好ましい。
1.0×103 Pa以下とすることが望ましく、割れ・剥離に
強いジルコニア遮熱層７を得る上で、被着時の酸化物を
コントロールするためには、さらに 1.0×10-1Pa以下に
することが望ましい。また、成膜中の酸素分圧は配向性
にも影響を与え、例えば (100)/(001)面配向のジルコニ
ア層８を形成する際には酸素分圧を 1.0×102 Pa以下と
することが好ましい。
【００６５】(111)面配向のジルコニア層９と (100)/(0
01)面配向のジルコニア層８とを交互に積層する際に
は、例えば被覆部の基板温度を制御する。具体的には、
(100)/(001)面配向のジルコニア層８を形成した後、被
覆部温度を923K以下にして(111)面配向のジルコニア層
９を形成し、その後被覆部温度を 1023K以上にして同じ
ように (100)/(001)面配向のジルコニア層８を形成す
る。膜厚比は成膜時間により制御し、温度サイクルの制
御によって多層構造を制御する。
01)面配向のジルコニア層８とを交互に積層する際に
は、例えば被覆部の基板温度を制御する。具体的には、
(100)/(001)面配向のジルコニア層８を形成した後、被
覆部温度を923K以下にして(111)面配向のジルコニア層
９を形成し、その後被覆部温度を 1023K以上にして同じ
ように (100)/(001)面配向のジルコニア層８を形成す
る。膜厚比は成膜時間により制御し、温度サイクルの制
御によって多層構造を制御する。
【００６６】また、 (100)/(001)面配向のジルコニア層
８と (111)面配向のジルコニア層９との間にCa安定化ジ
ルコニア等を挿入する場合には、 (100)/(001)面配向の
ジルコニア層８を形成した後に、Ca安定化ジルコニアを
0.5〜10μm 程度被覆した後、 (111)配向のジルコニア
層９を形成する。
８と (111)面配向のジルコニア層９との間にCa安定化ジ
ルコニア等を挿入する場合には、 (100)/(001)面配向の
ジルコニア層８を形成した後に、Ca安定化ジルコニアを
0.5〜10μm 程度被覆した後、 (111)配向のジルコニア
層９を形成する。
【００６７】
【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について説明
する。
する。
【００６８】まず、第１の遮熱被覆材料の具体的な実施
例について述べる。
例について述べる。
【００６９】実施例１ 動翼形状の IN738合金の表面をブラスト処理し、減圧プ
ラズマ溶射法により厚さ 100μm の NiCoCrAlY合金層(N
i-23%Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y(重量%)）を金属結合層とし
て成膜した。次いで、 NiCoCrAlY合金層の表面を鏡面研
磨した後、ＥＢ−ＰＶＤ用のチャンバに試料を移し、金
属Zr層を厚さ 1μm で成膜した。この後、酸素ガスをア
シストガスとしながら 8wt%Y2 O 3 -ZrO2 層を室温で 2
00μm 成膜して遮熱層とした。
ラズマ溶射法により厚さ 100μm の NiCoCrAlY合金層(N
i-23%Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y(重量%)）を金属結合層とし
て成膜した。次いで、 NiCoCrAlY合金層の表面を鏡面研
磨した後、ＥＢ−ＰＶＤ用のチャンバに試料を移し、金
属Zr層を厚さ 1μm で成膜した。この後、酸素ガスをア
シストガスとしながら 8wt%Y2 O 3 -ZrO2 層を室温で 2
00μm 成膜して遮熱層とした。
【００７０】このようにして得た遮熱被覆部材の成膜後
の断面構造を観察したところ、安定化ジルコニアからな
るセラミックス遮熱層と NiCoCrAlY合金からなる金属結
合層との界面に、金属Zr層が酸化したことにより生成し
た ZrO2 層が観察された。この ZrO2 層は実質的に希土
類酸化物を含まないものである。
の断面構造を観察したところ、安定化ジルコニアからな
るセラミックス遮熱層と NiCoCrAlY合金からなる金属結
合層との界面に、金属Zr層が酸化したことにより生成し
た ZrO2 層が観察された。この ZrO2 層は実質的に希土
類酸化物を含まないものである。
【００７１】また、本発明との比較例として、金属Zr層
を介在させることなく、 NiCoCrAlY合金層と安定化ジル
コニア層の 2層のみを、上記実施例と同一条件で被覆形
成した遮熱被覆部材を作製した。この比較例の遮熱被覆
部材と実施例１による遮熱被覆部材とに対して、同時に
室温と1173K-3600秒の繰り返し熱疲労試験を行ったとこ
ろ、実施例の遮熱被覆部材は1000回以上の寿命を示した
のに対して、比較例の遮熱被覆部材では30回で遮熱層が
剥離した。
を介在させることなく、 NiCoCrAlY合金層と安定化ジル
コニア層の 2層のみを、上記実施例と同一条件で被覆形
成した遮熱被覆部材を作製した。この比較例の遮熱被覆
部材と実施例１による遮熱被覆部材とに対して、同時に
室温と1173K-3600秒の繰り返し熱疲労試験を行ったとこ
ろ、実施例の遮熱被覆部材は1000回以上の寿命を示した
のに対して、比較例の遮熱被覆部材では30回で遮熱層が
剥離した。
【００７２】実施例２ 動翼形状の IN738合金の表面をブラスト処理し、減圧プ
ラズマ溶射法により厚さ 100μm の NiCoCrAlY合金層(N
i-23%Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y(重量%)）を金属結合層とし
て成膜した。次いで、 NiCoCrAlY合金層の表面を鏡面研
磨した後、ＥＢ−ＰＶＤ用のチャンバに試料を移して、
金属Zr層を厚さ 1μm で成膜した。金属Zr層は成膜後に
酸化させて ZrO2 層とした。この後、酸素ガスをアシス
トガスとしながら 8wt%Y2 O 3 -ZrO2 層を773Kの試料温
度で 200μm 成膜して遮熱層とした。
ラズマ溶射法により厚さ 100μm の NiCoCrAlY合金層(N
i-23%Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y(重量%)）を金属結合層とし
て成膜した。次いで、 NiCoCrAlY合金層の表面を鏡面研
磨した後、ＥＢ−ＰＶＤ用のチャンバに試料を移して、
金属Zr層を厚さ 1μm で成膜した。金属Zr層は成膜後に
酸化させて ZrO2 層とした。この後、酸素ガスをアシス
トガスとしながら 8wt%Y2 O 3 -ZrO2 層を773Kの試料温
度で 200μm 成膜して遮熱層とした。
【００７３】このようにして得た遮熱被覆部材の成膜後
の断面構造を観察したところ、安定化ジルコニアからな
るセラミックス遮熱層と NiCoCrAlY合金からなる金属結
合層との界面に、金属Zr層を予め酸化して形成した ZrO
2 層が観察された。この ZrO2 層は実質的に希土類酸化
物を含まないものである。
の断面構造を観察したところ、安定化ジルコニアからな
るセラミックス遮熱層と NiCoCrAlY合金からなる金属結
合層との界面に、金属Zr層を予め酸化して形成した ZrO
2 層が観察された。この ZrO2 層は実質的に希土類酸化
物を含まないものである。
【００７４】また、本発明との比較例として、金属Zr層
を介在させることなく、 NiCoCrAlY合金層と安定化ジル
コニア層の 2層のみを、上記実施例と同一条件で被覆形
成した遮熱被覆部材を作製した。この比較例の遮熱被覆
部材と実施例２による遮熱被覆部材とに対して、同時に
室温と1173K-3600秒の繰り返し熱疲労試験を行ったとこ
ろ、実施例の遮熱被覆部材は1000回以上の寿命を示した
のに対して、比較例の遮熱被覆部材では30回で遮熱層が
剥離した。
を介在させることなく、 NiCoCrAlY合金層と安定化ジル
コニア層の 2層のみを、上記実施例と同一条件で被覆形
成した遮熱被覆部材を作製した。この比較例の遮熱被覆
部材と実施例２による遮熱被覆部材とに対して、同時に
室温と1173K-3600秒の繰り返し熱疲労試験を行ったとこ
ろ、実施例の遮熱被覆部材は1000回以上の寿命を示した
のに対して、比較例の遮熱被覆部材では30回で遮熱層が
剥離した。
【００７５】実施例３ 動翼形状のCMSX-2合金の表面をブラスト処理し、減圧プ
ラズマ溶射法により厚さ 100μm の NiCoCrAlY合金層(N
i-23%Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y(重量%)）を金属結合層とし
て成膜した。次いで、 NiCoCrAlY合金層の表面を鏡面研
磨した後、ＥＢ−ＰＶＤ用のチャンバに試料を移し、金
属Ti層を厚さ 0.7μm で成膜した。この後、酸素ガスを
アシストガスとしながら 8wt%Y2 O 3 -ZrO2 層を773Kの
試料温度で 200μm 成膜して遮熱層とした。
ラズマ溶射法により厚さ 100μm の NiCoCrAlY合金層(N
i-23%Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y(重量%)）を金属結合層とし
て成膜した。次いで、 NiCoCrAlY合金層の表面を鏡面研
磨した後、ＥＢ−ＰＶＤ用のチャンバに試料を移し、金
属Ti層を厚さ 0.7μm で成膜した。この後、酸素ガスを
アシストガスとしながら 8wt%Y2 O 3 -ZrO2 層を773Kの
試料温度で 200μm 成膜して遮熱層とした。
【００７６】このようにして得た遮熱被覆部材の成膜後
の断面構造を観察したところ、安定化ジルコニアからな
るセラミックス遮熱層と NiCoCrAlY合金からなる金属結
合層との界面に、金属Ti層が酸化したことにより生成し
た TiO2 層が観察された。この TiO2 層は実質的に希土
類酸化物を含まないものである。
の断面構造を観察したところ、安定化ジルコニアからな
るセラミックス遮熱層と NiCoCrAlY合金からなる金属結
合層との界面に、金属Ti層が酸化したことにより生成し
た TiO2 層が観察された。この TiO2 層は実質的に希土
類酸化物を含まないものである。
【００７７】また、本発明との比較例として、金属Ti層
を介在させることなく、 NiCoCrAlY合金層と安定化ジル
コニア層の 2層のみを、上記実施例と同一条件で被覆形
成した遮熱被覆部材を作製した。この比較例の遮熱被覆
部材と実施例３による遮熱被覆部材とに対して、同時に
室温と1173K-3600秒の繰り返し熱疲労試験を行ったとこ
ろ、実施例の遮熱被覆部材は1000回以上の寿命を示した
のに対して、比較例の遮熱被覆部材では 100回で遮熱層
が剥離した。
を介在させることなく、 NiCoCrAlY合金層と安定化ジル
コニア層の 2層のみを、上記実施例と同一条件で被覆形
成した遮熱被覆部材を作製した。この比較例の遮熱被覆
部材と実施例３による遮熱被覆部材とに対して、同時に
室温と1173K-3600秒の繰り返し熱疲労試験を行ったとこ
ろ、実施例の遮熱被覆部材は1000回以上の寿命を示した
のに対して、比較例の遮熱被覆部材では 100回で遮熱層
が剥離した。
【００７８】実施例４ 動翼形状のCMSX-2合金の表面をブラスト処理し、減圧プ
ラズマ溶射法により厚さ 100μm の NiCoCrAlY合金層(N
i-23%Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y(重量%)）を金属結合層とし
て成膜した。次いで、 NiCoCrAlY合金層の表面を鏡面研
磨した後、ＥＢ−ＰＶＤ用のチャンバに試料を移し、金
属Hf層を厚さ 0.5μm で成膜した。この後、酸素ガスを
アシストガスとしながら 8wt%Y2 O 3 -ZrO2 層を773Kの
試料温度で 200μm 成膜して遮熱層とした。
ラズマ溶射法により厚さ 100μm の NiCoCrAlY合金層(N
i-23%Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y(重量%)）を金属結合層とし
て成膜した。次いで、 NiCoCrAlY合金層の表面を鏡面研
磨した後、ＥＢ−ＰＶＤ用のチャンバに試料を移し、金
属Hf層を厚さ 0.5μm で成膜した。この後、酸素ガスを
アシストガスとしながら 8wt%Y2 O 3 -ZrO2 層を773Kの
試料温度で 200μm 成膜して遮熱層とした。
【００７９】このようにして得た遮熱被覆部材の成膜後
の断面構造を観察したところ、安定化ジルコニアからな
るセラミックス遮熱層と NiCoCrAlY合金からなる金属結
合層との界面に、金属Hf層が酸化したことにより生成し
た HfO2 層が観察された。この HfO2 層は実質的に希土
類酸化物を含まないものである。
の断面構造を観察したところ、安定化ジルコニアからな
るセラミックス遮熱層と NiCoCrAlY合金からなる金属結
合層との界面に、金属Hf層が酸化したことにより生成し
た HfO2 層が観察された。この HfO2 層は実質的に希土
類酸化物を含まないものである。
【００８０】また、本発明との比較例として、金属Hf層
を介在させることなく、 NiCoCrAlY合金層と安定化ジル
コニア層の 2層のみを、上記実施例と同一条件で被覆形
成した遮熱被覆部材を作製した。この比較例の遮熱被覆
部材と実施例２による遮熱被覆部材とに対して、同時に
室温と1173K-3600秒の繰り返し熱疲労試験を行ったとこ
ろ、実施例の遮熱被覆部材は1000回以上の寿命を示した
のに対して、比較例の遮熱被覆部材では 100回で遮熱層
が剥離した。
を介在させることなく、 NiCoCrAlY合金層と安定化ジル
コニア層の 2層のみを、上記実施例と同一条件で被覆形
成した遮熱被覆部材を作製した。この比較例の遮熱被覆
部材と実施例２による遮熱被覆部材とに対して、同時に
室温と1173K-3600秒の繰り返し熱疲労試験を行ったとこ
ろ、実施例の遮熱被覆部材は1000回以上の寿命を示した
のに対して、比較例の遮熱被覆部材では 100回で遮熱層
が剥離した。
【００８１】次に、第２の遮熱被覆材料の具体的な実施
例について述べる。
例について述べる。
【００８２】実施例５ 基材としてNi基超合金 IN738LCを用意し、この合金基材
を20×20× 3mmの寸法に加工した。その表面上にNi-23%
Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y合金層を減圧プラズマ溶射法によ
って被覆形成した。この後、セラミックス内層として大
気プラズマ溶射法（ＡＰＳ法）により 8wt%Y2 O 3 -ZrO
2 を20μm の厚さで形成し、その表面を＃1000まで表面
研磨した後、同一組成のセラミックス表面層をＥＢ−Ｐ
ＶＤ法によって 180μm の厚さで成膜した。
を20×20× 3mmの寸法に加工した。その表面上にNi-23%
Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y合金層を減圧プラズマ溶射法によ
って被覆形成した。この後、セラミックス内層として大
気プラズマ溶射法（ＡＰＳ法）により 8wt%Y2 O 3 -ZrO
2 を20μm の厚さで形成し、その表面を＃1000まで表面
研磨した後、同一組成のセラミックス表面層をＥＢ−Ｐ
ＶＤ法によって 180μm の厚さで成膜した。
【００８３】一方、本発明との比較例として、金属結合
層(NiCoCrAlY合金層）形成までを同一のプロセスで行っ
た後、実施例５と同一組成のセラミックスをＡＰＳ法で
200μm 形成した試料（比較例５-1）、ならびにＥＢ−
ＰＶＤ法で 200μm 形成した試料（比較例５-2）を作製
した。
層(NiCoCrAlY合金層）形成までを同一のプロセスで行っ
た後、実施例５と同一組成のセラミックスをＡＰＳ法で
200μm 形成した試料（比較例５-1）、ならびにＥＢ−
ＰＶＤ法で 200μm 形成した試料（比較例５-2）を作製
した。
【００８４】上述した実施例５および比較例５-1、５-2
による各遮熱被覆部材を以下に示す試験に供した。ま
ず、これら各試料に対して室温×30min- 1273K×30min
の熱サイクル試験を実施し、巨視的なセラミックス層の
剥離が生じるまでのサイクル数を測定した。その結果、
比較例５-1では1300回、比較例５-2では2100回で剥離が
生じたのに対して、実施例５では5000回を超えても剥離
は生じなかった。
による各遮熱被覆部材を以下に示す試験に供した。ま
ず、これら各試料に対して室温×30min- 1273K×30min
の熱サイクル試験を実施し、巨視的なセラミックス層の
剥離が生じるまでのサイクル数を測定した。その結果、
比較例５-1では1300回、比較例５-2では2100回で剥離が
生じたのに対して、実施例５では5000回を超えても剥離
は生じなかった。
【００８５】次に、各試料を 1073Kで粒径約 500μm の
Al2 O 3 粒を含む流量約100L/minの大気雰囲気中に暴露
して表面のエロージョン状態を観察した。その結果、比
較例５-1では時間の経過と共にセラミックス層がフレー
ク状に欠け落ちたのに対して、その上にＥＢ−ＰＶＤ法
によるセラミックス表面層を有する実施例５では表面性
状に大きな変化は観察されなかった。
Al2 O 3 粒を含む流量約100L/minの大気雰囲気中に暴露
して表面のエロージョン状態を観察した。その結果、比
較例５-1では時間の経過と共にセラミックス層がフレー
ク状に欠け落ちたのに対して、その上にＥＢ−ＰＶＤ法
によるセラミックス表面層を有する実施例５では表面性
状に大きな変化は観察されなかった。
【００８６】実施例６ 基材合金としてNi基超合金 IN738を用い、これを20×20
× 3mmの寸法に加工した。その表面に M-Cr-Al-Y合金を
表面の粗さが15μm になるような溶射条件を用いて、Ｖ
ＰＳ法によって被覆形成した。さらに、ＡＰＳ法によっ
て 8wt%Y2 O 3-ZrO2 を約20μm の厚さで溶射した後、
＃1000まで表面研磨して粗さ（凹部と凸部の高さの差／
平均値）を 0.7μm とし、その後同一組成のセラミック
ス表面層をＥＢ−ＰＶＤ法で厚さ約 180μm となるよう
に成膜した。
× 3mmの寸法に加工した。その表面に M-Cr-Al-Y合金を
表面の粗さが15μm になるような溶射条件を用いて、Ｖ
ＰＳ法によって被覆形成した。さらに、ＡＰＳ法によっ
て 8wt%Y2 O 3-ZrO2 を約20μm の厚さで溶射した後、
＃1000まで表面研磨して粗さ（凹部と凸部の高さの差／
平均値）を 0.7μm とし、その後同一組成のセラミック
ス表面層をＥＢ−ＰＶＤ法で厚さ約 180μm となるよう
に成膜した。
【００８７】また比較例として、基材と各層の組成およ
び層構成は実施例６と同一で、M-Cr-Al-Y合金層／溶射
セラミックス層界面の粗さが 3μm となるような溶射条
件で合金層を形成した試料（比較例６-1）、および溶射
セラミックス層の研磨を省いてＥＢ−ＰＶＤ法によって
セラミックス層を形成した試料（比較例６-2）を作製し
た。
び層構成は実施例６と同一で、M-Cr-Al-Y合金層／溶射
セラミックス層界面の粗さが 3μm となるような溶射条
件で合金層を形成した試料（比較例６-1）、および溶射
セラミックス層の研磨を省いてＥＢ−ＰＶＤ法によって
セラミックス層を形成した試料（比較例６-2）を作製し
た。
【００８８】これらの試料を室温×30min- 1273K×30mi
n の熱サイクル試験に供して耐剥離性を評価した。その
結果、比較例６-1は1800回、比較例６-2は1300回でセラ
ミックス層の剥離を生じた。これに対して、実施例６で
は5000回を超えても剥離は観察されなかった。
n の熱サイクル試験に供して耐剥離性を評価した。その
結果、比較例６-1は1800回、比較例６-2は1300回でセラ
ミックス層の剥離を生じた。これに対して、実施例６で
は5000回を超えても剥離は観察されなかった。
【００８９】次に、第３の遮熱被覆材料（第３および第
４の実施形態）の具体的な実施例について述べる。
４の実施形態）の具体的な実施例について述べる。
【００９０】実施例７ Niを主成分とする金属基材上に、 Ni-Co-Cr-Al-Y合金か
ら構成される金属結合層をプラズマ溶射法で形成し、さ
らにその上に Y元素濃度が 1.0〜22mol%の範囲で変化さ
せた安定化ジルコニア被覆層を、それぞれ基板温度を 1
073KにしてＥＢ−ＰＶＤ法で形成した。得られた各試料
を熱疲労試験(1273K× 1時間保持−423K× 1時間保持）
に供した。その結果を表１に示す。正方晶ジルコニアや
立方晶ジルコニアから構成されるジルコニア被覆層は熱
疲労特性に優れ、また Y濃度は2.0〜20.0mol%程度の範
囲で良好な結果を得た。
ら構成される金属結合層をプラズマ溶射法で形成し、さ
らにその上に Y元素濃度が 1.0〜22mol%の範囲で変化さ
せた安定化ジルコニア被覆層を、それぞれ基板温度を 1
073KにしてＥＢ−ＰＶＤ法で形成した。得られた各試料
を熱疲労試験(1273K× 1時間保持−423K× 1時間保持）
に供した。その結果を表１に示す。正方晶ジルコニアや
立方晶ジルコニアから構成されるジルコニア被覆層は熱
疲労特性に優れ、また Y濃度は2.0〜20.0mol%程度の範
囲で良好な結果を得た。
【００９１】
【表１】 実施例８ Niを主成分とする金属基材上に、 Ni-Co-Cr-Al-Y合金か
らなる金属結合層をプラズマ溶射法で形成し、さらにそ
の上に Y元素濃度が8.5mol% の安定化ジルコニア層を、
基板温度を 673〜 1273Kの範囲で変化させてＥＢ−ＰＶ
Ｄ法で形成した。なお、安定化ジルコニア層の形成時に
おいて、基板温度以外にターゲットと基板との成す角度
についても変化させた。得られた各試料を熱疲労試験(1
273K× 1時間保持−423K× 1時間保持）に供した。その
結果を表２に示す。なお、表２中の試料No24〜34は本発
明との比較例として掲げたものである。また、表２中の
配向度Ａ，Ｂは、各試料についてＸ線回折を行い、その
Ｘ線回折強度比から下記の式に基いて算出した値であ
る。
らなる金属結合層をプラズマ溶射法で形成し、さらにそ
の上に Y元素濃度が8.5mol% の安定化ジルコニア層を、
基板温度を 673〜 1273Kの範囲で変化させてＥＢ−ＰＶ
Ｄ法で形成した。なお、安定化ジルコニア層の形成時に
おいて、基板温度以外にターゲットと基板との成す角度
についても変化させた。得られた各試料を熱疲労試験(1
273K× 1時間保持−423K× 1時間保持）に供した。その
結果を表２に示す。なお、表２中の試料No24〜34は本発
明との比較例として掲げたものである。また、表２中の
配向度Ａ，Ｂは、各試料についてＸ線回折を行い、その
Ｘ線回折強度比から下記の式に基いて算出した値であ
る。
【００９２】 配向度Ａ＝{I(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(111)} 配向度Ｂ＝{I(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(311)}
【表２】 表２から明らかなように、基板温度を低温側とした場合
や、基板温度を高温側とすると共にターゲットと基板と
の成す角度を浅くした場合には、 (111)面や(311)面配
向のジルコニア層が形成され、一方基板温度を高温側と
すると共にターゲットと基板との成す角度を深くした場
合には、 (100)/(001)面配向のジルコニア層が得られる
ことが分かる。そして、 (100)/(001)面配向のジルコニ
ア層を有する試料は、 (111)面や (311)面の配向量が多
いジルコニア層を有する試料に比べて、熱疲労寿命に優
れることが確認された。
や、基板温度を高温側とすると共にターゲットと基板と
の成す角度を浅くした場合には、 (111)面や(311)面配
向のジルコニア層が形成され、一方基板温度を高温側と
すると共にターゲットと基板との成す角度を深くした場
合には、 (100)/(001)面配向のジルコニア層が得られる
ことが分かる。そして、 (100)/(001)面配向のジルコニ
ア層を有する試料は、 (111)面や (311)面の配向量が多
いジルコニア層を有する試料に比べて、熱疲労寿命に優
れることが確認された。
【００９３】実施例９ Niを主成分とする金属基材(IN738LC）上に、 Ni-Co-Cr-
Al-Y合金からなる金属結合層をプラズマ溶射法で形成
し、さらにその上に Y元素濃度が 8.5mol%の安定化ジル
コニアを用いて、ＥＢ−ＰＶＤ法で基板温度を 1073Kに
して (100)/(001)面配向のジルコニア層を厚さ 150μm
で形成した。続いて、その上に厚さ 5μmの (111)面配
向のジルコニア層と厚さ10μm の (100)/(001)面配向の
ジルコニア層とを順に積層してジルコニア多層積層膜を
形成した。
Al-Y合金からなる金属結合層をプラズマ溶射法で形成
し、さらにその上に Y元素濃度が 8.5mol%の安定化ジル
コニアを用いて、ＥＢ−ＰＶＤ法で基板温度を 1073Kに
して (100)/(001)面配向のジルコニア層を厚さ 150μm
で形成した。続いて、その上に厚さ 5μmの (111)面配
向のジルコニア層と厚さ10μm の (100)/(001)面配向の
ジルコニア層とを順に積層してジルコニア多層積層膜を
形成した。
【００９４】一方、参考例として基板温度を 1073Kに保
持したままジルコニア層を 250μmの厚さで形成した試
料を作製した。
持したままジルコニア層を 250μmの厚さで形成した試
料を作製した。
【００９５】これら実施例および比較例による各試料の
ジルコニア遮熱層に、サンドブラスト法で SiC粉末を 5
分間吹き付けた後、熱疲労試験(1273K× 1時間保持−42
3K×1時間保持）に供し、この操作をジルコニア層が剥
離するまで繰り返した。なお、各試料共に熱疲労試験の
寿命は1000回以上であった。
ジルコニア遮熱層に、サンドブラスト法で SiC粉末を 5
分間吹き付けた後、熱疲労試験(1273K× 1時間保持−42
3K×1時間保持）に供し、この操作をジルコニア層が剥
離するまで繰り返した。なお、各試料共に熱疲労試験の
寿命は1000回以上であった。
【００９６】実施例９による試料においては、摩耗損傷
が (111)面配向のジルコニア層で抑えられ、亀裂等がジ
ルコニア遮熱層の深部まで及ばず、1000回以上の上記試
験を繰り返してもジルコニア遮熱層は剥離しなかった。
これに対して参考例では 200回以内で、ジルコニア遮熱
層が金属結合層界面にできた酸化物内で剥離した。以上
のことから、異なった配向性を持つジルコニア多層被膜
構造を有するジルコニア遮熱層は、摩耗損傷によっても
熱疲労特性が低下しないことが判明した。
が (111)面配向のジルコニア層で抑えられ、亀裂等がジ
ルコニア遮熱層の深部まで及ばず、1000回以上の上記試
験を繰り返してもジルコニア遮熱層は剥離しなかった。
これに対して参考例では 200回以内で、ジルコニア遮熱
層が金属結合層界面にできた酸化物内で剥離した。以上
のことから、異なった配向性を持つジルコニア多層被膜
構造を有するジルコニア遮熱層は、摩耗損傷によっても
熱疲労特性が低下しないことが判明した。
【００９７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の遮熱被覆
材料は、密着性や膜特性等に優れたセラミックス遮熱層
を有しているため、優れた耐剥離性、耐熱サイクル性、
耐ＦＯＤ性等が得られ、寿命ならびに耐用温度を格段に
向上させることができる。従って、例えばガスタービン
翼の使用環境のように、熱応力と酸化、さらには応力が
重畳して材料に作用するような環境下においても、優れ
た遮熱性、耐酸化性ならびに高温強度を長時間にわたっ
て維持できる遮熱被覆材料を提供することが可能とな
る。
材料は、密着性や膜特性等に優れたセラミックス遮熱層
を有しているため、優れた耐剥離性、耐熱サイクル性、
耐ＦＯＤ性等が得られ、寿命ならびに耐用温度を格段に
向上させることができる。従って、例えばガスタービン
翼の使用環境のように、熱応力と酸化、さらには応力が
重畳して材料に作用するような環境下においても、優れ
た遮熱性、耐酸化性ならびに高温強度を長時間にわたっ
て維持できる遮熱被覆材料を提供することが可能とな
る。
【図１】 本発明の第１の遮熱被覆材料の一実施形態を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図２】 図１に示す遮熱被覆材料の要部製造工程を示
す断面図である。
す断面図である。
【図３】 本発明の第２の遮熱被覆材料の一実施形態を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図４】 図３に示す遮熱被覆材料の変形例を示す断面
図である。
図である。
【図５】 図３に示す遮熱被覆材料の他の変形例を示す
断面図である。
断面図である。
【図６】 本発明の第３の遮熱被覆材料の一実施形態を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図７】 本発明の第３の遮熱被覆材料の他の実施形態
を示す断面図である。
を示す断面図である。
１……金属基材 ２……金属結合層 ３……セラミックス遮熱層 ４……中間層 ５……溶射法によるセラミックス内層 ６……ＥＢ−ＰＶＤ法によるセラミックス表面層 ７……安定化ジルコニア遮熱層 ８…… (100)/(001)面配向の安定化ジルコニア層 ９…… (111)面配向の安定化ジルコニア層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 立石 浩史 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 中橋 昌子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 松本 一秀 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内
Claims (5)
- 【請求項１】 金属基材と、前記金属基材上に被覆形成
された金属結合層と、前記金属結合層上に被覆形成され
たセラミックス遮熱層とを具備する遮熱被覆材料におい
て、 前記金属結合層とセラミックス遮熱層との間に、活性金
属および活性金属の酸化物から選ばれる少なくとも 1種
を主成分とし、かつ希土類酸化物の含有量が 1重量% 以
下である中間層が設けられていることを特徴とする遮熱
被覆材料。 - 【請求項２】 金属基材と、前記金属基材上に被覆形成
された金属結合層と、前記金属結合層上に被覆形成され
たセラミックス遮熱層とを具備する遮熱被覆材料におい
て、 前記セラミックス遮熱層は、溶射法により形成された内
層と、電子ビームＰＶＤ法により形成された表面層とか
ら構成されていることを特徴とする遮熱被覆材料。 - 【請求項３】 金属基材と、前記金属基材上に直接また
は金属結合層を介して被覆形成された安定化ジルコニア
からなるセラミックス遮熱層とを具備する遮熱被覆材料
において、 前記セラミックス遮熱層は安定化ジルコニア層を有し、
前記安定化ジルコニア層表面のＸ線回折による回折強度
比{I(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(111)}が0.9〜 1.
0の範囲を満足することを特徴とする遮熱被覆材料。 - 【請求項４】 請求項３記載の遮熱被覆材料において、 前記セラミックス遮熱層は、さらに前記金属基材表面ま
たは前記金属結合層表面に対して (111)面方向に配向性
を有する安定化ジルコニア層を有することを特徴とする
遮熱被覆材料。 - 【請求項５】 請求項１記載の遮熱被覆材料の製造方法
であって、 前記金属基材上に前記金属結合層を被覆形成する工程
と、 前記金属結合層上に活性金属層を形成する工程と、 前記活性金属層上に直接、あるいは酸化処理を施した前
記活性金属層上に、前記セラミックス遮熱層を被覆形成
する工程とを具備することを特徴とする遮熱被覆材料の
製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23253895A JPH0978257A (ja) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | 遮熱被覆材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23253895A JPH0978257A (ja) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | 遮熱被覆材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0978257A true JPH0978257A (ja) | 1997-03-25 |
Family
ID=16940904
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23253895A Withdrawn JPH0978257A (ja) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | 遮熱被覆材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0978257A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001295076A (ja) * | 2000-02-23 | 2001-10-26 | Howmet Res Corp | 断熱被膜及びその形成方法 |
| JP2004501275A (ja) * | 2000-03-27 | 2004-01-15 | サルツァー・メトコ（ユーエス）・インコーポレーテッド | 改良された高温酸化、腐食、及びクリープ耐性を備えた、超合金ｈｖｏｆ粉末 |
| JP2006045674A (ja) * | 2004-07-30 | 2006-02-16 | United Technol Corp <Utc> | 被膜物形成プロセス、被膜物形成組成物および被膜物含有物品 |
| JP2006117975A (ja) * | 2004-10-19 | 2006-05-11 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | 遮熱コーティング構造および遮熱コーティング製造方法 |
| JP2008303438A (ja) * | 2007-06-08 | 2008-12-18 | Ihi Corp | 遮熱コーティング部材とその製造方法 |
| JP2016141874A (ja) * | 2015-02-04 | 2016-08-08 | 株式会社不二機販 | 低温セラミックスコーティングの密着力強化方法 |
| JP2022524164A (ja) * | 2019-04-03 | 2022-04-27 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | リソグラフィによる遮熱コーティングの保護および強化 |
-
1995
- 1995-09-11 JP JP23253895A patent/JPH0978257A/ja not_active Withdrawn
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001295076A (ja) * | 2000-02-23 | 2001-10-26 | Howmet Res Corp | 断熱被膜及びその形成方法 |
| JP2004501275A (ja) * | 2000-03-27 | 2004-01-15 | サルツァー・メトコ（ユーエス）・インコーポレーテッド | 改良された高温酸化、腐食、及びクリープ耐性を備えた、超合金ｈｖｏｆ粉末 |
| JP2006045674A (ja) * | 2004-07-30 | 2006-02-16 | United Technol Corp <Utc> | 被膜物形成プロセス、被膜物形成組成物および被膜物含有物品 |
| JP2006117975A (ja) * | 2004-10-19 | 2006-05-11 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | 遮熱コーティング構造および遮熱コーティング製造方法 |
| JP2008303438A (ja) * | 2007-06-08 | 2008-12-18 | Ihi Corp | 遮熱コーティング部材とその製造方法 |
| JP2016141874A (ja) * | 2015-02-04 | 2016-08-08 | 株式会社不二機販 | 低温セラミックスコーティングの密着力強化方法 |
| JP2022524164A (ja) * | 2019-04-03 | 2022-04-27 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | リソグラフィによる遮熱コーティングの保護および強化 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6528189B1 (en) | Article with a protective coating system including an improved anchoring layer and method of manufacturing the same | |
| US5993980A (en) | Protective coating for protecting a component from corrosion, oxidation and excessive thermal stress, process for producing the coating and gas turbine component | |
| EP1953252B1 (en) | Alloy compositions of the MCrAlY type and articles comprising the same | |
| US6730413B2 (en) | Thermal barrier coating | |
| US6677064B1 (en) | In-situ formation of multiphase deposited thermal barrier coatings | |
| CN101220426B (zh) | 金属合金组合物及包含该组合物的物品 | |
| JP7232295B2 (ja) | 基材上に高温保護層を接合するための付着促進層、並びにそれの製造方法 | |
| WO1999018259A1 (en) | Thermal barrier coating with alumina bond inhibitor | |
| EP1980634B1 (en) | Metal alloy compositions and articles comprising the same | |
| CN101291806B (zh) | 具有低热导率的耐久性热屏蔽涂料 | |
| JP2005313644A (ja) | 耐剥離性金属製物品および金属製物品剥離低減方法 | |
| JP2002167636A (ja) | 接合被覆なしに断熱被覆を保持できる低密度耐酸化性超合金材料 | |
| EP0992614A1 (en) | Coatings for turbine components | |
| JPH06306640A (ja) | 高温被曝材料 | |
| CN113073285B (zh) | 一种热障涂层及其制备方法和应用 | |
| JPS61174385A (ja) | セラミツク被覆耐熱部材及びその製造方法 | |
| JP4492855B2 (ja) | 遮熱コーティング部材およびその製造方法 | |
| JP5164250B2 (ja) | 遮熱コーティング部材とその製造方法 | |
| CA2549091C (en) | Durable thermal barrier coating having low thermal conductivity | |
| JPS62211390A (ja) | セラミツク被覆耐熱部材およびその製造方法 | |
| JP2005042144A (ja) | 耐熱部材とその製造方法 | |
| JPH0411619B2 (ja) | ||
| JPH10273787A (ja) | 耐熱部材及びその製造方法 | |
| JPH09241867A (ja) | 耐熱部材 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20021203 |