JPH1161438A - 遮熱コーティング部材及びその製造方法 - Google Patents

遮熱コーティング部材及びその製造方法

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JPH1161438A
JPH1161438A JP9231042A JP23104297A JPH1161438A JP H1161438 A JPH1161438 A JP H1161438A JP 9231042 A JP9231042 A JP 9231042A JP 23104297 A JP23104297 A JP 23104297A JP H1161438 A JPH1161438 A JP H1161438A
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thermal barrier
porosity
partially stabilized
barrier coating
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Masashi Takahashi
雅士 高橋
Kunihiko Wada
国彦 和田
Masahiro Saito
正弘 齋藤
Keizo Honda
啓三 本多
Masako Nakabashi
昌子 中橋
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ガスタービンやジェットエンジンなど高温の酸
化腐食雰囲気で使用する高温部品に好適な遮熱性能と耐
久性に優れた遮熱コーティング部材を得ることにある。 【解決手段】金属基材１上にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎ
ｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの元素を組合せた合金）層
２と部分安定化ジルコニア層３を形成してなる遮熱コー
ティング部材において、部分安定化ジルコニア層３の気
孔率を５〜６０％とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン、ジ
ェットエンジンなど高温の酸化、あるいは腐食性雰囲気
で使用される高温部品材料の中で、金属基材表面に断熱
性材料のコーティングを施した遮熱コーティング部材及
びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンやジェットエンジンなどの
原動機においては、熱効率の向上を目的とした開発研究
が精力的に行われている。この熱効率の向上のための最
も有力な手段の一つは運転ガス温度の高温化であるため
に、熱効率の向上は一般的には構成部材をより高温の過
酷な使用環境に強いる方向にある。したがって、動翼、
静翼、燃焼器などの燃焼ガスに直接接する高温部品は、
高温環境での使用に耐え得るように大きく２つの観点か
ら検討がなされている。
【０００３】まず、第１は部品材料の温度を下げるため
の冷却特性向上策の検討である。冷却特性を向上するた
めには、原理的には冷却用ガス（空気）流量を増加する
のが効果的である。ところが、単に冷却用ガス流量を増
大させるだけでは燃焼ガス温度が低下してしまい、逆に
熱効率は低下する場合が多い。
【０００４】そこで、冷却用ガス流量を増大せずに冷却
性能を上げる方法として、フィルム冷却やインピンジ冷
却に代表される材料／冷却ガス間の熱伝達率を増大する
方法や翼冷却流路のリターンフロー構造に代表される材
料／冷却ガスの接触面積を増大させる方法など、少ない
冷却用ガス流量でより効率的に徐熱する方法が提案され
ている。
【０００５】しかし、これらの方法は何ずれの場合も装
置構造や部品構造の複雑化に繋がるために、装置制御の
複雑化や製造コストの上昇を招くことが欠点として上げ
られていた。
【０００６】また、第２の検討は材料の耐熱温度向上策
である。すでに、高温部品用構造材料として、Ｎｉ、Ｃ
ｏまたはＦｅ基の超合金の開発が進められている。ま
た、一方向凝固や単結晶にすることで、さらに高温強度
を向上させる試みもある。
【０００７】しかし、これらの方法では前述した超合金
の融点から考えても精々１０００℃が使用限界温度であ
る。さらに、耐熱性を高める方法として、融点が高く、
且つ耐酸化性や耐蝕性にも優れたセラミック材料の適用
が考えられる。
【０００８】実際にＳｉＣやＳｉ3 Ｎ4 をベースとした
セラミックでの試みもあるが、金属材料に比べるとじん
性が劣り、加工性も悪いという欠点がある。したがっ
て、高温部品構造材料としての幅広い適用のためには信
頼性やコストの面で多くの課題が残されていた。
【０００９】一方、じん性に優れる金属材料を強度メン
バーとして用いながら耐熱性を向上させる方法として、
遮熱コーティングがある。この遮熱コーティングは、金
属基材表面に低熱伝導率の酸化物系セラミック層（遮熱
セラミック層）を形成することで熱を遮断し、金属基材
の温度上昇を防止するものである。数百μｍｋ遮熱セラ
ミック層を形成することにより、金属基材の表面温度上
昇を数十℃も低減させることができるという報告もある
（特開昭６２−２１１３８７号公報）。
【００１０】これにより、強度メンバーとなる金属基材
の温度上昇を抑制でき、ガスタービンの高温化が可能と
なる。すなわち、遮熱コーティングでは、定性的には遮
熱セラミック層の厚さが大きいほど遮熱性能に優れ、よ
り金属基材の温度が低減できる。また、この遮熱コーテ
ィングにより、燃焼ガス側から冷却空気側に向っての熱
流束が小さくなり、冷却ガス流量も低減できるという長
所もある。
【００１１】しかし、遮熱コーティングを幅広く適用す
るためには課題も多い。特にコーティングした遮熱セラ
ミック層の割れや剥離が最大の問題点である。この遮熱
セラミック層の割れや剥離は、じん性が低いというセラ
ミック材料自身の本質的な性質と、金属基材と遮熱セラ
ミックの熱膨脹差より発生する熱応力や遮熱セラミック
層直下の金属表面の酸化に伴う材料劣化などが原因と考
えられる。
【００１２】一旦、遮熱セラミック層に剥離が生じると
遮熱性能が低下するために、金属基材温度が上昇する。
これにより金属基材の溶融、金属基材のクリープや疲労
破壊など、機器の運転にも支障をきたす大きなトラブル
の原因となる可能性も考えられる。
【００１３】一方、従来よりこの遮熱コーティングの剥
離低減を目指した種々の検討がなされている。遮熱コー
ティングとしては、金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金層と
低熱伝導セラミックのジルコニア系セラミックなどの酸
化物系セラミック層を形成させた二層構造のものが代表
的である。
【００１４】このＭＣｒＡｌＹ合金層は、金属基材と遮
熱セラミック層との密着性の向上や金属基材の腐食や酸
化の防止を考えてのものであり、溶射法により形成され
ることが多い。溶射法によれば、金属とセラミックを問
わず材料の種類が任意に選択できるという利点はあるも
のの、例えばＭＣｒＡｌＹ合金を高温の熱源を有するプ
ラズマ溶射法を用いて大気中で被覆した場合、(1) 多孔
質である、(2) 金属基材との密着性に乏しい、(3) 耐蝕
・耐酸化性に劣るなどの欠点があった。
【００１５】この点に関しては、近年実質的に空気を含
まない減圧の不活性ガス雰囲気中でプラズマ溶射する方
法（一般的には、減圧プラズマ溶射法と呼ばれている）
が開発され、これらの欠点は大幅に改善され、遮熱コー
ティングの耐久性も飛躍的に向上した。また、遮熱セラ
ミック層についても、ジルコニアの相安定化や熱サイク
ル特性の向上のために、安定化のための添加剤の種類や
量などからの検討は多くなされている。
【００１６】しかし、層の構造面からは、一部で柱状組
織に特徴を持つ電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ
法）の検討はあるものの殆ど成されていないのが現状で
ある。特に起動停止時など遮熱セラミック層内に急激な
温度変化が生じた場合には、遮熱セラミック層の低じん
性に起因した割れや剥離が生じることがあった。このこ
とは、厚膜の遮熱セラミック層を形成した場合などにお
いて顕著に発生し、問題となることが多かった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】このようにガスタービ
ンのように高温酸化、高温腐食雰囲気条件下で使用する
遮熱コーティングにおいて、遮熱セラミック皮膜の割れ
や剥離が生じる問題があり、十分な耐久性や信頼性を有
しているとは言い難いのが現状である。特に金属基材温
度の大幅な低減のために膜厚の遮熱セラミック層からな
る遮熱コーティングにおいて、耐久性や信頼性に大きな
課題がある。
【００１８】本発明は、このような課題を解決するため
になされたもので、ガスタービンやジェットエンジンな
どの高温の酸化腐食雰囲気で使用する高温部品を対象と
して、遮熱性能と耐久性に優れた遮熱コーティング部材
及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、次のような手段を講じたものである。請求
項１に対応する発明は、金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金
（Ｍ：Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの元素を組合せた
合金）層と部分安定化ジルコニア層を形成してなる遮熱
コーティング部材において、前記部分安定化ジルコニア
層の気孔率を５〜６０％とする。
【００２０】上記請求項１に対応する発明の遮熱コーテ
ィング部材にあっては、部分安定化ジルコニア層の気孔
率を上げることにより、熱伝導率を低くすることができ
ると共に、割れや剥離を低減できる。また、単位厚さ当
りの遮熱性能が向上するために、要求される遮熱性能に
対して遮熱のための部分安定化ジルコニア層の厚さを薄
くできる。
【００２１】請求項２に対応する発明は、金属基材上に
ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれら
の元素を組合せた合金）層と部分安定化ジルコニア層を
形成してなる遮熱コーティング部材において、前記部分
安定化ジルコニア層の気孔率を１０〜３０％とする。
【００２２】上記請求項２に対応する発明の遮熱コーテ
ィング部材にあっては、部分安定化ジルコニア層の気孔
率を１０〜３０％とすることにより、部分安定化ジルコ
ニア層内に生じた亀裂は気孔でエネルギを吸収できるた
めに、じん性と強度の双方を向上させることができる。
【００２３】請求項３に対応する発明は、金属基材上に
ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれら
の元素を組合せた合金）層を形成する工程と、二次粒子
の粒径が５０〜１００μｍのものを９５％以上有し、且
つ一次粒子の充填率が７０％以下である酸化物系セラミ
ック原料粉末を高温雰囲気中に供給して溶融し、それを
前記ＭＣｒＡｌＹ合金層の上に高速で吹付けて高い気孔
率を有する部分安定化ジルコニア層を形成する工程とを
具備する。
【００２４】上記請求項３に対応する発明の遮熱コーテ
ィング部材の製造方法にあっては、高い気孔率を有する
部分安定化ジルコニア層が形成できるので、じん性に優
れたものとなり、例えばガスタービンの起動停止時など
の大きな温度変化に伴う部分安定化ジルコニア層の割れ
や剥離が低減する。
【００２５】請求項４に対応する発明は、金属基材上に
ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれら
の元素を組合せた合金）層を形成する工程と、酸化物系
セラミックとカーボンや有機物などの高温雰囲気で昇華
する材料Ａとを混合したものを原料粉末として用い、そ
の原料粉末を高温雰囲気中に供給して、材料Ａは昇華さ
せながら溶融した酸化物系セラミックをＭＣｒＡｌＹ合
金層の上に吹付けて高い気孔率を有する部分安定化ジル
コニア層を形成する工程を具備する。
【００２６】上記請求項４に対応する発明の遮熱コーテ
ィング部材の製造方法にあっては、部分安定化ジルコニ
ア層とカーボンや有機物の混合粉末を高温雰囲気中に供
給して金属基材表面に吹付けることにより、粉末の飛行
中、または基材への堆積後にカーボンや有機物が堆積す
るため、高い気孔率を持つ部分安定化ジルコニア層を形
成できる。
【００２７】請求項５に対応する発明は、金属基材上に
ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれら
の元素を組合せた合金）層を形成する工程と、酸化物系
セラミックと酸化物系セラミックより蒸気圧が高い金
属、または無機化合物との混合物を原料粉末として用
い、その原料粉末を高温雰囲気中に供給して溶融し、そ
れを前記ＭＣｒＡｌＹ合金層の上に高速で吹付けること
で酸化物系セラミックと金属、または無機化合物の混合
皮膜を形成した後、高温中で金属、または無機化合物を
蒸発除去して高い気孔率を有する部分安定化ジルコニア
層を形成する工程を具備する。
【００２８】上記請求項５に対応する発明の遮熱コーテ
ィング部材の製造方法にあっては、酸化物セラミック
と、酸化物セラミックより蒸気圧が高い金属、または無
機化合物の混合物を原料粉末を高温雰囲気中に供給して
溶融し、それを金属基材上に高速で吹付けて混合皮膜を
形成した後、高温中で金属または無機化合物を蒸発除去
すれば高い気孔率を持つ部分安定化ジルコニア層が形成
できる。
【００２９】請求項６に対応する発明は、金属基材上に
ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれら
の元素を組合せた合金）層を形成する工程と、酸化物系
セラミックと金属の混合物を原料粉末として用い、その
原料粉末を高温雰囲気中に供給して溶融したものを前記
ＭＣｒＡｌＹ合金層の上に高速で吹付け、酸化物セラミ
ックと金属の混合皮膜を形成した後、酸またはアルカリ
で金属だけを溶解除去して高い気孔率を有する部分安定
化ジルコニア層を形成する工程を具備する。
【００３０】上記請求項６に対応する発明の遮熱コーテ
ィング部材の製造方法にあっては、酸化物セラミックと
金属の混合物を原料粉末として高温雰囲気中に供給して
溶融し、それを金属基材上に高速に吹付けて混合皮膜を
形成した後、酸、またはアルカリで金属だけを溶解除去
すれば高い気孔率を持つ部分安定化ジルコニア層が形成
できる。
【００３１】請求項７に対応する発明は、金属基材上に
ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれら
の元素を組合せた合金）層と部分安定化ジルコニア層を
形成してなる遮熱コーティング部材において、前記部分
安定化ジルコニア層はコーティング表面側を気孔率が５
〜６０％の多孔質な部分安定化ジルコニア層部とし、前
記ＭＣｒＡｌＹ合金層との界面近傍側を気孔率が前記コ
ーティング表面側より緻密な部分安定化ジルコニア層部
とする気孔率の異なる２層に形成される。
【００３２】上記請求項７に対応する発明の遮熱コーテ
ィング部材にあっては、例えばガスタービンの起動停止
時に大きな温度高倍を持つコーティング表面側は気孔率
５〜６０％の多孔質な部分安定化ジルコニア層部として
じん性を持たせ、定常運転時の熱応力が大きいＭＣｒＡ
ｌＹ合金層との界面近傍ではそれより緻密で気孔率が低
い高強度な部分安定化ジルコニア層部とし、気孔率が異
なる２層の部分安定化ジルコニア層とすることで、割れ
や剥離を低減させることができる。
【００３３】請求項８に対応する発明は、金属基材上に
ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれら
の元素を組合せた合金）層と部分安定化ジルコニア層を
形成してなる遮熱コーティング部材において、前記部分
安定化ジルコニア層は気孔率がコーティング表面側が多
孔質に、前記ＭＣｒＡｌＹ合金層との界面側が緻密にな
るように徐々に変化させて形成される。
【００３４】請求項９に対応する発明は、請求項３に対
応する発明の遮熱コーティング部材の製造方法におい
て、酸化物系セラミック原料粉末の二次粒子の粒径や一
次粒子の充填率を変化させたものを用いて部分安定化ジ
ルコニア層の気孔率を変化させる。
【００３５】請求項１０に対応する発明は、請求項４に
対応する発明の遮熱コーティング部材の製造方法におい
て、酸化物系セラミックとカーボンや有機物などの高温
雰囲気出昇華する材料Ａとの混合割合を変化させた原料
粉末を用いて部分安定化ジルコニア層の気孔率を変化さ
せる。
【００３６】請求項１１に対応する発明は、請求項５に
対応する発明の遮熱コーティング部材の製造方法におい
て、酸化物系セラミックと酸化物系セラミックより蒸気
圧が高い金属、または無機化合物との混合割合を変化さ
せた原料粉末を用いて部分安定化ジルコニア層の気孔率
を変化させる。
【００３７】請求項１２に対応する発明は、請求項６に
対応する発明の遮熱コーティング部材の製造方法におい
て、酸化物系セラミックと金属の混合割合を変化させた
原料粉末を用いて部分安定化ジルコニア層の気孔率を変
化させる。
【００３８】上記請求項８乃至請求項１２に対応する発
明の遮熱コーティング部材の製造方法にあっては、例え
ばガスタービンの起動停止時に大きな温度高倍を持つコ
ーティング表面側は気孔率が高く、定常運転時の熱応力
が大きいＭＣｒＡｌＹ合金層との界面近傍の気孔率が低
く、その間を表面から界面に向って徐々に気孔率を低く
した部分安定化ジルコニア層とすることで、割れや剥離
を低減させることができる。
【００３９】請求項１３に対応する発明は、金属基材上
にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれ
らの元素を組合せた合金）層と部分安定化ジルコニア層
を形成してなる遮熱コーティング部材において、前記部
分安定化ジルコニア層の気孔率を５〜６０％とし、且つ
前記ＭＣｒＡｌＹ合金層は気孔率が２％以下とする。
【００４０】請求項１４に対応する発明は、金属基材上
にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれ
らの元素を組合せた合金）層と部分安定化ジルコニア層
を形成してなる遮熱コーティング部材において、前記部
分安定化ジルコニア層の気孔率を１０〜３０％とし、且
つ前記ＭＣｒＡｌＹ合金層は気孔率が２％以下とする。
【００４１】上記請求項１３及び請求項１４に対応する
発明の遮熱コーティング部材にあっては、ＭＣｒＡｌＹ
合金層の気孔率を低くすることで、腐食酸化性ガスから
金属基材を保護できる。さらに、ＭＣｒＡｌＹ合金層が
腐食酸化性ガスと接する面積が小さいために腐食酸化の
絶対量が低減し、その腐食酸化に伴うＭＣｒＡｌＹ合金
層の体積膨脹により部分安定化ジルコニア層に発生する
応力が低減するため、部分安定化ジルコニア層の割れや
剥離が低減できる。
【００４２】請求項１５に対応する発明は、請求項１、
請求項２、請求項７、請求項８、請求項１３、請求項１
４の何ずれか一項に対応する発明の遮熱コーティング部
材において、ＭＣｒＡｌＹ合金層はその表面のＡｌ濃度
を１０％以上とする。
【００４３】上記請求項１５に対応する発明の遮熱コー
ティング部材にあっては、ＭＣｒＡｌＹ合金層表面のＡ
ｌ濃度を１０％以上とすることで、腐食酸化性ガスに接
するＭＣｒＡｌＹ合金層表面にＡｌ系保護皮膜が形成さ
れる。そのため、腐食酸化の絶対量が低減し、ＭＣｒＡ
ｌＹ合金層の腐食酸化に起因した体積膨脹により部分安
定化ジルコニア層に作用する応力が低減し、部分安定化
ジルコニア層の割れや剥離が低減できる。
【００４４】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明による遮熱コーティン
グ部材の第１の実施の形態を示す断面模式図である。
【００４５】本遮熱コーティング部材は、Ｎｉ、Ｃｏ、
またはＦｅをベースとした高温強度に優れた超合金の金
属基材１上に、耐蝕耐酸化性に優れたＭＣｒＡｌＹ合金
層２と低熱伝導率で化学的に安定な部分安定化ジルコニ
ア（ＺｒＯ2 を主成分とし、Ｙ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＣｅＯ
2 などを添加し安定化したもので、ここではＹ2 Ｏ3部
分安定化ＺｒＯ2 とする）層３の２層が形成されたもの
である。ここで、ＭＣｒＡｌＹ合金層２は、気孔４の割
合（気孔率）が２％以下の非常に緻密なもの、Ｙ2 Ｏ3
部分安定化ＺｒＯ2 層３は気孔率を５〜６０％とした多
孔質なものである。
【００４６】次に図１に示した遮熱コーティング部材の
製造方法の一例を説明する。ＭＣｒＡｌＹ合金層２は、
水素または炭化水素系燃料（例えばＣＨ4 ）と酸素の燃
焼ガスが熱源であり、圧縮空気などの高圧ガスを利用し
た溶射ガン中に原料粉末のＭＣｒＡｌＹ合金粉末を挿入
し、溶融したＭＣｒＡｌＹ合金粒子を高速で金属基材上
に吹付けることで形成する。
【００４７】このような方法を用いることで、金属基材
上に非常に緻密なＭＣｒＡｌＹ合金層が形成される。さ
らに、金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金層を形成した後、
加熱温度が７００℃から１１００℃の真空、または不活
性ガス雰囲気中で熱処理することにより、さらに緻密で
金属基材との密着性の高いＭＣｒＡｌＹ合金層となし得
る。
【００４８】一方、Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層３
は、二次粒子径が５０〜１００μｍの範囲の粉末を９５
％以上含む部分安定化ジルコニア中空粉末を高温プラズ
マ中に供給し溶解し、プラズマジェトにのせ溶融したも
のを金属基材上に高速で吹付けることにより形成され
る。
【００４９】このような方法を用いることで、金属基材
上に非常に多孔質なＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層が形
成される。さらに、このＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層
を多孔質にするためには、カーボンや有機物などの昇華
し易い粉末との混合粉末を用いること、金属や無機化合
物との複合皮膜を形成した後、酸、アルカリ、または加
熱蒸発により金属や無機化合物だけを除去して気孔とし
て残す方法も有効である。
【００５０】次に上記のように構成された遮熱コーティ
ング部材の作用を図２乃至図５により説明する。図２は
遮熱セラミック層として用いるＹ2 Ｏ3 部分安定化Ｚｒ
Ｏ2 層の気孔率と熱伝導率との関係を示したものであ
る。この図よりＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層では、気
孔率が大きくなるほど（多孔質にするほど），熱伝導率
が低下する傾向にあることは明らかである。
【００５１】これは気孔で熱を遮断する能力が代表的な
低熱伝導性材料のＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層よりも
さらに大きいことを示すものである。すなわち、Ｙ2 Ｏ
3 部分安定化ＺｒＯ2 層を多孔質化することによりさら
に低熱伝導率化を図ることが可能である。
【００５２】次に図３はＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層
の気孔率と破壊じん性値の関係を示したものである。こ
こで、縦軸の破壊じん性値は、インデンテーション法を
用いビッカース圧痕をつけた時の亀裂長さから算出した
ものである。この図よりＹ2Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層
では、多孔質にするほど破壊じん性値が増大するのは明
らかである。
【００５３】このように多孔質にするほど破壊じん性値
が増大するのは、気孔が亀裂の伝搬エネルギの吸収に有
効に作用しているためと考えられる。すなわち、Ｙ2 Ｏ
3 部分安定化ＺｒＯ2 層を多孔質化することにより破壊
じん性の向上が可能である。
【００５４】次に図４では金属基材の耐蝕耐酸化及び金
属基材との密着性を向上させるためのＭＣｒＡｌＹ合金
層の高温燃焼ガス雰囲気中での酸化増量を示している。
ここでは、気孔率が大きいＭＣｒＡｌＹ合金層（５％）
と気孔率が小さくて緻密なＭＣｒＡｌＹ合金層（１％）
の２種類について、酸化増量を比較している。この図よ
りＭＣｒＡｌＹ合金層の酸化増量は気孔率に大きく影響
され、気孔率が大きいほど酸化増量も大きくなることが
明らかかである。
【００５５】これは、ＭＣｒＡｌＹ合金層の気孔の大半
が外部とも通じた開気孔であるために、気孔率が大きな
ものほど高温の燃焼ガスに晒される面積が増大するため
と考えられる。
【００５６】一方、図５にＭＣｒＡｌＹ合金層の酸化に
よりＭＣｒＡｌＹはＡｌ2 Ｏ3 に変化するとし、その時
の体積膨脹によりＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層に生じ
る剥離方向の応力を解析的に求めている。また、ＭＣｒ
ＡｌＹ合金層とＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層の界面は
１０μｍ程度の凹凸を持たせている。この図より、ＭＣ
ｒＡｌＹ合金層の酸化増量が増加すると共に、Ｙ2 Ｏ3
部分安定化ＺｒＯ2 層に生じる剥離方向の最大応力も大
きくなる傾向にあることが明らかである。
【００５７】逆に言えばＭＣｒＡｌＹ合金層の酸化増量
を抑制すれば、Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層に生じる
剥離方向の最大応力を低減できることを意味している。
すなわち、図４に示した気孔率を変えたＭＣｒＡｌＹ合
金層での酸化増量の結果と考え合わせると、気孔率が小
さくて緻密なＭＣｒＡｌＹ合金層にするほど、Ｙ2 Ｏ3
部分安定化ＺｒＯ2 層に生じる剥離方向の最大応力を低
減できる。
【００５８】図６は本発明による遮熱コーティング部材
の第２の実施の形態を示す断面模式図である。本遮熱コ
ーティング部材は、図１と同様にＮｉ、Ｃｏ、またはＦ
ｅをベースとした高温強度に優れた超合金の金属基材１
上に、耐蝕耐酸化性に優れたＭＣｒＡｌＹ合金層２と低
熱伝導率で化学的に安定なＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2
層３から形成されたものである。ここで、ＭＣｒＡｌＹ
合金層２は、気孔４の割合（気孔率）が２％以下の非常
に緻密なもの、Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層３は表面
が気孔率を５〜６０％とした多孔質なＹ2 Ｏ3 部分安定
化ＺｒＯ2 層部５とし、ＭＣｒＡｌＹ合金層２との界面
は気孔率がそれより小さい緻密なＹ2 Ｏ3 部分安定化Ｚ
ｒＯ2 層部６とした気孔率の異なる２層構造としたもの
である。
【００５９】次に上記のように構成された遮熱コーティ
ング部材の作用について述べる。図２に示したようにＹ
2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層を多孔質化により低熱伝導
率化が図れるために、Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層の
表面側の気孔率を大きくすれば、Ｙ2 Ｏ3 部分安定化Ｚ
ｒＯ2 層全体とすれば熱伝導率を低下させることができ
る。
【００６０】また、図３に示したようにＹ2 Ｏ3 部分安
定化ＺｒＯ2 層の多孔質化により破壊じん性が向上す
る。すなわち、例えばガスタービンの起動停止時など急
激な温度変化を生じるＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層の
表面側を多孔質化することにより、その急激な温度変化
に伴い大きな熱衝撃が加わるＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ
2 層の表面側での損傷が低減できる。
【００６１】図７は本発明による遮熱コーティング部材
の第３の実施の形態を示す断面模式図である。本遮熱コ
ーティング部材は、図１と同様にＮｉ、Ｃｏ、またはＦ
ｅをベースとした高温強度に優れた超合金の金属基材１
上に、耐蝕耐酸化性に優れたＭＣｒＡｌＹ合金層２と低
熱伝導率で化学的に安定なＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2
層３から形成されたものである。ここで、ＭＣｒＡｌＹ
合金層２は、気孔４の割合（気孔率）が２％以下の非常
に緻密なものである。
【００６２】一方、Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層３は
表面が気孔率を大きくした多孔質なものであり、ＭＣｒ
ＡｌＹ合金層２との界面に向って徐々に緻密になるよう
にＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層３内の気孔率を変化さ
せている。
【００６３】次に上記のように構成された遮熱コーティ
ング部材の作用について述べる。図２に示したようにＹ
2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層を多孔質化により低熱伝導
率化が図れるために、Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層の
表面側の気孔率を大きくすれば、Ｙ2 Ｏ3 部分安定化Ｚ
ｒＯ2 層全体とすれば熱伝導率を低下させることができ
る。
【００６４】また、図３に示したようにＹ2 Ｏ3 部分安
定化ＺｒＯ2 層の多孔質化により破壊じん性が向上す
る。すなわち、例えばガスタービンの起動停止時など急
激な温度変化を生じるＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層の
表面側ほど破壊じん性に優れ、その急激な温度変化に伴
い大きな熱衝撃が加わるＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層
の表面側での損傷が低減できる。
【００６５】図８は本発明による遮熱コーティング部材
の第４の実施の形態を示す断面模式図である。本遮熱コ
ーティング部材は、図１と同様にＮｉ、Ｃｏ、またはＦ
ｅをベースとした高温強度に優れた超合金の金属基材１
上に、耐蝕耐酸化性に優れたＭＣｒＡｌＹ合金層２、合
金中間層７、低熱伝導率で化学的に安定なＹ2 Ｏ3 部分
安定化ＺｒＯ2 層３から形成されたものである。ここ
で、ＭＣｒＡｌＹ合金層２は、気孔４の割合（気孔率）
が２％以下の非常に緻密なものである。合金中間層７
は、耐酸化性元素のＡｌを濃度比で１０％以上含む層で
ある。Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層３は、気孔率を５
〜６０％とした非常に多孔質なものである。
【００６６】次に上記のように構成された遮熱コーティ
ング部材の作用について述べる。図２に示したようにＹ
2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層を多孔質化により低熱伝導
率化が図れるために、Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層全
体としての熱伝導率を低下させることができる。
【００６７】また、図３に示したようにＹ2 Ｏ3 部分安
定化ＺｒＯ2 層の多孔質化により破壊じん性が向上す
る。すなわち、例えばガスタービンの起動停止時など急
激な温度変化に伴って大きな熱衝撃が加わった場合もＹ
2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層の損傷が低減できる。
【００６８】さらに、図４に示したように気孔率が２％
以下の緻密なＭＣｒＡｌＹ合金層にすることにより高温
の燃焼ガス雰囲気での酸化増量が低減し、耐酸化性が向
上する。また、図９に示すようにＭＣｒＡｌＹ合金層の
表面に耐酸化正元素のＡｌを濃度比で１０％以上含む合
金中間層を設けることにより、さらに高温の燃焼ガス雰
囲気での酸化増量が低下し、耐酸化性が向上する。
【００６９】これは、合金中間層では高温の燃焼ガス中
で緻密で、且つ酸素の体積拡散係数が小さいＡｌ2 Ｏ3
が形成されるため、合金中への酸素の侵入が防止され、
酸素が抑制されるためである。すなわち、ＭＣｒＡｌＹ
合金層の表面にＡｌを濃度比で１０％以上含む合金中間
層を持つ遮熱コーティングとすることで、酸化増量が抑
制できる。結果として、図５に示すようにＭＣｒＡｌＹ
合金層及び合金中間層の酸化に伴い、Ｙ2 Ｏ3 部分安定
化ＺｒＯ2 層に生じる剥離方向の最大応力を低減でき、
Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層に生じる剥離が低減でき
る。
【００７０】以上述べた本発明の各実施の形態によれ
ば、次のような効果を得ることができる。まず、本発明
の第１の実施の形態において、５〜６０％の気孔率の多
孔質なＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層で遮熱性能が向上
できるのは、図２に示した気孔率と熱伝導率との関係を
見ても明らかである。
【００７１】また、図１０では本遮熱コーティング部材
をガスタービンの高温部品に適用した時の有効性を従来
のものと比較評価した。試験方法として、運転環境を模
擬したＬＮＧと空気の燃焼ガスによる加熱／冷却の繰返
しのバーナリング試験法を適用し、皮膜の剥離寿命を比
較している。
【００７２】この図より、遮熱コーティング部材では、
従来の大気中プラズマ溶射によるＭＣｒＡｌＹ合金層と
遮熱セラミック層からなる遮熱コーティング部材に比べ
て熱サイクル剥離寿命が著しく向上しているのは明らか
である。その結果は、特に遮熱セラミック層の厚さが
１．０mmのように膜厚の場合に大きい。
【００７３】次に本発明の他の実施の形態の効果を列挙
すると次の通りである。 （１）Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層を多孔質化によ
り、遮熱セラミック層として主機能である遮熱性能の向
上が図れ、薄い遮熱セラミック層厚さでも要求される遮
熱性能を満足させることが可能である。 （２）Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層を多孔質化するこ
とによりじん性が向上するため、ガスタービンの起動停
止時など急激な温度変化により大きな熱衝撃が加わった
時にＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層に生じる割れや剥離
を低減できる。 （３）表面は気孔率の大きい多孔質なＹ2 Ｏ3 部分安定
化ＺｒＯ2 であり、またＭＣｒＡｌＹ合金層との界面近
傍は気孔率が小さいＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2と気孔
率が異なる２層からなるＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層
では、ガスタービンの起動停止時など急激な温度変化が
生じる表面での破壊じん性とＭＣｒＡｌＹ合金層での界
面近傍で大きな強度を有する。すなわち、気孔率を制御
することをにより機能を分離させたＹ2 Ｏ3 部分安定化
ＺｒＯ2 層では、耐熱衝撃性と強度を両立するために、
割れや剥離が低減できる。 （４）表面は気孔率の大きい多孔質なＹ2 Ｏ3 部分安定
化ＺｒＯ2 層であり、ＭＣｒＡｌＹ合金層との界面に向
って気孔率が小さく、且つ気孔率が傾斜したＹ2Ｏ3 部
分安定化ＺｒＯ2 層では、ガスタービンの起動停止時な
ど急激な温度変化が生じる表面での破壊じん性とＭＣｒ
ＡｌＹ合金層との界面近傍で大きな応力が生じるＭＣｒ
ＡｌＹ合金層との界面近傍で大きな強度を有する。すな
わち、気孔率を制御することにより機能を分離させたＹ
2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層では、耐熱耐衝撃と強度を
両立させるために、割れや剥離が低減できる。 （６）ＭＣｒＡｌＹ合金層の表面に耐酸化性元素のＡｌ
を濃度比で１０％以上含む合金中間層を設けることによ
り耐酸化性が向上するために、Ｙ2 Ｏ3 部分安定化Ｚｒ
Ｏ2 層に生じる剥離方向の最大応力を低減でき、Ｙ2 Ｏ
3 部分安定化ＺｒＯ2 層に生じる剥離が低減できる。
【００７４】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、遮熱
性能と耐久性の向上を図ることができ、ガスタービンや
ジェットエンジンなどの高温の酸化腐食雰囲気で使用す
る高温部品として好適な遮熱コーティング部材及びその
製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による遮熱コーティング部材の第１の実
施の形態を示す断面模式図。
【図２】同実施の形態において、Ｙ2 Ｏ3 部分安定化Ｚ
ｒＯ2 層の気孔率と熱伝導率との関係を示した図。
【図３】同実施の形態において、Ｙ2 Ｏ3 部分安定化Ｚ
ｒＯ2 層の気孔率と破壊じん性値との関係を示した図。
【図４】同実施の形態において、気孔率が異なるＭＣｒ
ＡｌＹ合金層で構成した２種類の遮熱コーディング部材
について、高温の燃焼ガス雰囲気中での酸化増量を比較
した図。
【図５】同実施の形態において、遮熱コーディング部材
におけるＭＣｒＡｌＹ合金層の成長に伴う体積膨脹によ
りＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層に発生する剥離方向の
応力を示した図。
【図６】本発明による遮熱コーティング部材の第２の実
施の形態を示す断面模式図。
【図７】本発明による遮熱コーティング部材の第３の実
施の形態を示す断面模式図。
【図８】本発明による遮熱コーティング部材の第４の実
施の形態を示す断面模式図。
【図９】同実施の形態において、ＭＣｒＡｌＹ合金層の
表面にＡｌ濃度が大きい合金中間層がある場合とない場
合の２種類の遮熱コーティング部材について、高温の燃
焼ガス雰囲気中での酸化増量を比較した図。
【図１０】本発明による遮熱コーティング部材の各実施
の形態の効果を従来と対比して説明するためのもの図
で、バーナリグ試験装置による熱サイクル剥離寿命を比
較した図。
【符号の説明】
１……金属基材 ２……ＭＣｒＡｌＹ合金層 ３……Ｙ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層 ４……気孔 ５……多孔質なＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層部 ６……緻密なＹ2 Ｏ3 部分安定化ＺｒＯ2 層部 ７……合金中間層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本多 啓三 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 中橋 昌子 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎ
    ｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの元素を組合せた合金）層
    と部分安定化ジルコニア層を形成してなる遮熱コーティ
    ング部材において、前記部分安定化ジルコニア層の気孔
    率を５〜６０％としたことを特徴とする遮熱コーティン
    グ部材。
  2. 【請求項２】 金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎ
    ｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの元素を組合せた合金）層
    と部分安定化ジルコニア層を形成してなる遮熱コーティ
    ング部材において、前記部分安定化ジルコニア層の気孔
    率を１０〜３０％としたことを特徴とする遮熱コーティ
    ング部材。
  3. 【請求項３】 金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎ
    ｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの元素を組合せた合金）層
    を形成する工程と、二次粒子の粒径が５０〜１００μｍ
    のものを９５％以上有し、且つ一次粒子の充填率が７０
    ％以下である酸化物系セラミック原料粉末を高温雰囲気
    中に供給して溶融し、それを前記ＭＣｒＡｌＹ合金層の
    上に高速で吹付けて高い気孔率を有する部分安定化ジル
    コニア層を形成する工程とを具備したことを特徴とする
    遮熱コーティング部材の製造方法。
  4. 【請求項４】 金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎ
    ｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの元素を組合せた合金）層
    を形成する工程と、酸化物系セラミックとカーボンや有
    機物などの高温雰囲気で昇華する材料Ａとを混合したも
    のを原料粉末として用い、その原料粉末を高温雰囲気中
    に供給して、材料Ａは昇華させながら溶融した酸化物系
    セラミックをＭＣｒＡｌＹ合金層の上に吹付けて高い気
    孔率を有する部分安定化ジルコニア層を形成する工程を
    具備したことを特徴とする遮熱コーティング部材の製造
    方法。
  5. 【請求項５】 金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎ
    ｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの元素を組合せた合金）層
    を形成する工程と、酸化物系セラミックと酸化物系セラ
    ミックより蒸気圧が高い金属、または無機化合物との混
    合物を原料粉末として用い、その原料粉末を高温雰囲気
    中に供給して溶融し、それを前記ＭＣｒＡｌＹ合金層の
    上に高速で吹付けることで酸化物系セラミックと金属、
    または無機化合物の混合皮膜を形成した後、高温中で金
    属、または無機化合物を蒸発除去して高い気孔率を有す
    る部分安定化ジルコニア層を形成する工程を具備したこ
    とを特徴とする遮熱コーティング部材の製造方法。
  6. 【請求項６】 金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎ
    ｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの元素を組合せた合金）層
    を形成する工程と、酸化物系セラミックと金属の混合物
    を原料粉末として用い、その原料粉末を高温雰囲気中に
    供給して溶融したものを前記ＭＣｒＡｌＹ合金層の上に
    高速で吹付け、酸化物セラミックと金属の混合皮膜を形
    成した後、酸またはアルカリで金属だけを溶解除去して
    高い気孔率を有する部分安定化ジルコニア層を形成する
    工程を具備したことを特徴とする遮熱コーティング部材
    の製造方法。
  7. 【請求項７】 金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎ
    ｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの元素を組合せた合金）層
    と部分安定化ジルコニア層を形成してなる遮熱コーティ
    ング部材において、前記部分安定化ジルコニア層はコー
    ティング表面側を気孔率が５〜６０％の多孔質な部分安
    定化ジルコニア層部とし、前記ＭＣｒＡｌＹ合金層との
    界面近傍側を気孔率が前記コーティング表面側より緻密
    な部分安定化ジルコニア層部とする気孔率の異なる２層
    に形成されたことを特徴とする遮熱コーティング部材。
  8. 【請求項８】 金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎ
    ｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの元素を組合せた合金）層
    と部分安定化ジルコニア層を形成してなる遮熱コーティ
    ング部材において、前記部分安定化ジルコニア層は気孔
    率がコーティング表面側が多孔質に、前記ＭＣｒＡｌＹ
    合金層との界面側が緻密になるように徐々に変化させて
    形成されたことを特徴とする遮熱コーティング部材。
  9. 【請求項９】 請求項３記載の遮熱コーティング部材の
    製造方法において、酸化物系セラミック原料粉末の二次
    粒子の粒径や一次粒子の充填率を変化させたものを用い
    て部分安定化ジルコニア層の気孔率を変化させたことを
    特徴とする遮熱コーティング部材の製造方法。
  10. 【請求項１０】 請求項４記載の遮熱コーティング部材
    の製造方法において、酸化物系セラミックとカーボンや
    有機物などの高温雰囲気で昇華する材料Ａとの混合割合
    を変化させた原料粉末を用いて部分安定化ジルコニア層
    の気孔率を変化させたことを特徴とする遮熱コーティン
    グ部材の製造方法。
  11. 【請求項１１】 請求項５記載の遮熱コーティング部材
    の製造方法において、酸化物系セラミックと酸化物系セ
    ラミックより蒸気圧が高い金属、または無機化合物との
    混合割合を変化させた原料粉末を用いて部分安定化ジル
    コニア層の気孔率を変化させたことを特徴とする遮熱コ
    ーティング部材の製造方法。
  12. 【請求項１２】 請求項６記載の遮熱コーティング部材
    の製造方法において、酸化物系セラミックと金属の混合
    割合を変化させた原料粉末を用いて部分安定化ジルコニ
    ア層の気孔率を変化させたことを特徴とする遮熱コーテ
    ィング部材の製造方法。
  13. 【請求項１３】 金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：
    Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの元素を組合せた合金）
    層と部分安定化ジルコニア層を形成してなる遮熱コーテ
    ィング部材において、前記部分安定化ジルコニア層の気
    孔率を５〜６０％とし、且つ前記ＭＣｒＡｌＹ合金層は
    気孔率が２％以下としたことを特徴とする遮熱コーティ
    ング部材。
  14. 【請求項１４】 金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：
    Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅまたはそれらの元素を組合せた合金）
    層と部分安定化ジルコニア層を形成してなる遮熱コーテ
    ィング部材において、前記部分安定化ジルコニア層の気
    孔率を１０〜３０％とし、且つ前記ＭＣｒＡｌＹ合金層
    は気孔率が２％以下としたことを特徴とする遮熱コーテ
    ィング部材。
  15. 【請求項１５】 請求項１、請求項２、請求項７、請求
    項８、請求項１３、請求項１４の何ずれか一項に記載の
    遮熱コーティング部材において、ＭＣｒＡｌＹ合金層は
    その表面のＡｌ濃度を１０％以上としたことを特徴とす
    る遮熱コーティング部材。
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