CN107148493A - 热障涂层以及涡轮构件 - Google Patents

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正田淳郎
正田淳一郎
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上村好古
冈岛芳史
冈矢尚俊
伊藤荣作
妻鹿雅彦
堀江茂齐
谷川秀次
水流靖彦
塚越敬三
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Abstract

热障涂层(11)包括：作为层叠于母材(10)上的金属结合层的粘结涂层(12)；以及层叠于所述粘结涂层(12)之上而包含氧化锆系陶瓷的外涂层(13)，所述外涂层(13)的气孔率为9％以下。

Description

热障涂层以及涡轮构件
技术领域
本发明涉及热障涂层以及涡轮构件。
本申请基于在2014年11月11日向日本申请的日本特愿2014-228812号而主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
在燃气轮机中，为了提高效率，有时将使用的气体温度设定得较高。这样的燃气轮机的涡轮构件(动叶、静叶等)暴露于高温的气体。因此，在涡轮构件的表面施加有热障涂层(Thermal Barrier Coating：TBC)。该热障涂层将热传导率低的陶瓷系材料等的喷镀材料喷镀形成于作为被喷镀物的涡轮构件的表面。利用这样的热障涂层来覆盖涡轮构件，由此提高涡轮构件的隔热性以及耐久性。
上述热障涂层有时因燃烧气体所包含的各种微粒而产生所谓的烧蚀，从而被减薄。
专利文献1公开了在维持低热传导率的同时改善热障涂层的耐烧蚀性的技术。具体来说，作为热障涂层，提出有如下的热障涂层：具有约1.0117～约1.0148的范围的氧化锆晶格的c/a比，并且包括利用氧化钇单独以外的稳定化量的金属氧化物稳定剂稳定化为正方晶相的含氧化锆的陶瓷组成物，将其空隙率设为约0.1～0.25(换言之，气孔率为10～25％)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-232590号公报
发明内容
发明要解决的课题
在上述的专利文献1所记载那样的热障涂层中，已知有耐烧蚀性和热传导率成为折衷选择的关系。这是因为，当使热障涂层的气孔率降低而形成为致密时，虽然能够提高耐烧蚀性，但与形成为致密相应地使热传导率上升。
已知上述热障涂层的热循环耐久性存在气孔率越降低而变得越低的趋势。若热循环耐久性降低，则可能产生热障涂层的剥离等。
换句话说，在上述热障涂层中，在为了提高耐烧蚀性而使气孔率降低时，热传导率上升而隔热性能降低。若为了弥补该热传导率的上升量而增大热障涂层的厚度，则因热循环耐久性降低而导致强度不足，热障涂层变得容易剥离。
本发明的目的在于，提供能够在确保足够的隔热性能以及强度的同时提高耐烧蚀性的热障涂层以及涡轮构件。
解决方案
根据本发明的第一方式，热障涂层包括粘结涂层和外涂层。粘结涂层设为层叠于母材上的金属结合层。外涂层层叠于所述粘结涂层之上而包含氧化锆系陶瓷。所述外涂层的气孔率为9％以下。
通常，外涂层的热循环耐久性根据陶瓷的气孔率的降低而降低。因此，热障涂层所使用的陶瓷的气孔率形成为比10％大的区域。然而，本发明人深入研究的结果是查明如下情况：在与利用超过800℃那样的高温的燃烧气体来运转的燃气轮机同等的条件下，在气孔率为9％以下的区域中，与气孔率降低无关地，热循环耐久性上升。换句话说，通过使气孔率为9％以下，由于能够提高热循环耐久性，因此在因气孔率的降低而提高耐烧蚀性的同时，与热循环耐久性提高相应地增大外涂层的厚度，从而能够抑制隔热性能的降低。
其结果是，能够在确保足够的隔热性能以及强度的同时提高耐烧蚀性。
根据本发明的第二方式，也可以是，热障涂层的第一方式中的气孔率为6％以下。
通过这样构成，比起气孔率为9％的情况，能够进一步提高耐烧蚀性，并且提高热循环耐久性而进一步增大外涂层的厚度。因此，能够延长直至因烧蚀使外涂层磨损而使母材暴露于高温为止的时间。换言之，能够延长因外涂层而得到足够的隔热效果的持续时间。其结果是，由于能够使维护的间隔变长，因此能够减轻用户的负担。
根据本发明的第三方式，也可以是，热障涂层的第一方式中的外涂层的沿与层叠方向交叉的方向延伸的层状缺陷的缺陷密度为250根/mm2以下。
通过这样构成，通过气孔率的降低和层状缺陷的降低，能够确保足够的强度。因此，能够在增大外涂层的厚度而确保足够的隔热性能的同时进一步提高耐烧蚀性。
根据本发明的第四方式，也可以是，热障涂层的第三方式中的所述外涂层的所述层状缺陷的缺陷密度为225根/mm2以下。
由于能够使层状缺陷的缺陷密度降低，因此能够提高强度。因此，能够在确保足够的隔热性能的同时进一步提高耐烧蚀性。
根据本发明的第五方式，也可以是，热障涂层的第四方式中的所述外涂层的所述层状缺陷的平均长度为33.8μm以下。
由于能够使层状缺陷的平均长度降低，因此能够提高强度。因此，能够在确保足够的隔热性能的同时进一步提高耐烧蚀性。
根据本发明的第六方式，也可以是，热障涂层的第四或者第五方式中的所述外涂层的所述层状缺陷的缺陷密度为196根/mm2以下。
由于能够使层状缺陷的缺陷密度进一步降低，因此能够进一步提高强度。因此，能够在确保足够的隔热性能的同时进一步提高耐烧蚀性。
根据本发明的第七方式，也可以是，热障涂层的第六方式中的所述外涂层的所述层状缺陷的平均长度为31.7μm以下。
由于能够使层状缺陷的平均长度降低，因此能够进一步提高强度。因此，能够在确保足够的隔热性能的同时进一步提高耐烧蚀性。
根据本发明的第八方式，也可以是，热障涂层的第四～第七方式的任一方式中的所述气孔率为8.4％以下。
因气孔率的降低，能够提高强度。因此，能够在确保足够的隔热性能的同时进一步提高耐烧蚀性。
根据本发明的第九方式，也可以是，热障涂层的第八方式中的所述气孔率为7.0％以下。
因气孔率的降低，能够进一步提高强度。因此，能够在确保足够的隔热性能的同时进一步提高耐烧蚀性。
根据本发明的第十方式，也可以是，热障涂层的第三～第九方式的任一方式中的所述外涂层由ZrO2-8wt％Y2O3构成。
通过这样构成，能够容易地得到耐烧蚀性、隔热性能优异的外涂层。
根据本发明的第十一方式，也可以是，热障涂层的第三～第九方式的任一方式中的所述外涂层由ZrO2-16wt％Yb2O3构成。
通过这样构成，能够容易地得到耐烧蚀性、隔热性能优异的外涂层。
根据本发明的第十二方式，涡轮构件在表面具有第一或者第十一方式的热障涂层。
通过这样构成，能够抑制涡轮构件长期暴露在高温下而受到损伤的情况。此外，由于能够延长维护周期，因此能够降低使燃气轮机运转停止的频率。
发明效果
根据上述热障涂层以及涡轮构件，能够不使热循环耐久性降低而提高耐烧蚀性。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式中的燃气轮机的简要结构图。
图2是示出本发明的第一实施方式中的动叶的简要结构的立体图。
图3是放大本发明的第一实施方式中的动叶的主要部位的剖视图。
图4是本发明的第一实施方式中的涡轮的形成方法的流程图。
图5是示出与外涂层的气孔率对应的减耗深度的图表。
图6是示出与外涂层的气孔率对应的热传导率的图表。
图7是示出与外涂层的气孔率对应的热循环耐久性的图表。
图8是示出本发明的第一实施方式中的热循环试验装置的结构的局部剖视图。
图9是示意性示出利用图8所示的装置用于热循环试验的试料的温度变化的图表。
图10是示出用于图9的热循环试验的试料的温度测定点的图。
图11是与本发明的第一实施方式的变形例中的图3相当的剖视图。
图12是示出与外涂层的气孔率对应的减耗深度的图表。
图13是示出与外涂层的气孔率对应的热传导率的图表。
图14是示出与外涂层的气孔率对应的热循环耐久性的图表。
图15A是第一实施例中的气孔率为8.4％且层状缺陷密度为225根/mm2的情况的剖面照片。
图15B是复写图15A的层状缺陷而成的图画。
图16A是第二实施例中的气孔率为7.0％且层状缺陷密度为196根/mm2时的剖面照片。
图16B是复写图16A的层状缺陷而成的图画。
图17A是比较例中的气孔率为12.9％且层状缺陷密度为556根/mm2时的剖面照片。
图17B是复写图17A的层状缺陷而成的图画。
具体实施方式
基于附图，对本发明的第一实施方式所涉及的热障涂层以及涡轮构件进行说明。
图1是本发明的第一实施方式中的燃气轮机的简要结构图。
如图1所示，该第一实施方式中的燃气轮机1具备压缩机2、燃烧器3、涡轮主体4以及转子5。
压缩机2将大量的空气导入内部并对其进行压缩。
燃烧器3将燃料与由压缩机2压缩后的压缩空气A混合并使该燃料燃烧。
涡轮主体4将从燃烧器3导入的燃烧气体G的热能转换为旋转能量。该涡轮主体4通过向设于转子5的动叶7吹送燃烧气体G而将燃烧气体G的热能转换为机械旋转能量并产生动力。在涡轮主体4中，除了设有转子5侧的多个动叶7以外，还在涡轮主体4的外壳6设置多个静叶8。在涡轮主体4中，这些动叶7与静叶8沿转子5的轴向交替排列。
转子5将涡轮主体4旋转的动力的一部分传导至压缩机2而使压缩机2旋转。
以下，在该第一实施方式中，将涡轮主体4的动叶7作为本发明的涡轮构件的一例而进行说明。
图2是示出本发明的第一实施方式中的动叶的简要结构的立体图。
如图2所示，动叶7具备动叶主体71、平台72、叶片根73以及护罩74。动叶主体71配置在涡轮主体4的外壳6内的燃烧气体G流路内。平台72设于动叶主体71的基端。该平台72在动叶主体71的基端侧划分出燃烧气体G的流路。叶片根73形成为从平台72向与动叶主体71相反的一侧突出。护罩74设于动叶主体71的前端。该护罩74在动叶主体71的前端侧划分出燃烧气体G的流路。
图3是放大本发明的第一实施方式中的动叶的主要部位的剖视图。
如图3所示，动叶7由母材10和热障涂层11构成。
母材10由Ni(镍)基合金等耐热合金构成。
热障涂层11形成为覆盖母材10的表面。该热障涂层11具备粘结涂层12和外涂层13。
粘结涂层12抑制外涂层13从母材10剥离。该粘结涂层12是抗腐蚀性以及抗氧化性优异的金属结合层。粘结涂层12例如通过将作为喷镀材料的MCrAlY合金的金属喷镀粉末向母材10的表面喷镀来形成。在此，构成粘结涂层12的MCrAlY合金的“M”表示金属元素。该金属元素“M”例如由NiCo(镍-钴)、Ni(镍)、Co(钴)等单独的金属元素或者这些中的两种以上的组合构成。
外涂层13层叠于粘结涂层12的表面。该外涂层13通过将包含陶瓷的喷镀材料喷镀于粘结涂层12的表面而形成。该第一实施方式中的外涂层13的气孔率(每单位体积的气孔的占有率)为9％以下，更优选为6％以下。作为在形成外涂层13时使用的喷镀材料，能够使用氧化锆系陶瓷。作为氧化锆系陶瓷，举出氧化钇稳定化氧化锆(YSZ)、以及由氧化镱(Yb2O3)部分稳定化后的氧化锆(ZrO2)即氧化镱稳定化氧化锆(YbSZ)等。
接下来，对将上述的热障涂层11形成于母材10的表面的涡轮构件的形成方法的一例进行说明。
图4是本发明的第一实施方式中的涡轮的形成方法的流程图。
如图4所示，首先，作为母材形成工序S1，将母材10形成为目标涡轮构件、例如动叶7的形状。该第一实施方式中的母材10使用上述的Ni基合金来形成。
接着，作为热障涂层方法S2，依次进行粘结涂层层叠工序S21、外涂层层叠工序S22以及表面调整工序S23。
在粘结涂层层叠工序S21中，在母材10的表面形成粘结涂层12。在该第一实施方式的粘结涂层层叠工序S21中，例如，利用低压等离子体喷镀法将MCrAlY合金的金属喷镀粉末喷镀于母材10的表面。
在外涂层层叠工序S22中，在粘结涂层12上层叠外涂层13。在该第一实施方式的外涂层层叠工序S22中，例如，利用大气压等离子体喷镀法(Atmospheric pressure PlasmaSpray：APS)，将作为喷镀材料的YSZ的粉末喷镀于粘结涂层12上。
在此，在外涂层层叠工序S22中，使外涂层13的气孔率为9％以下，更优选为6％以下。这样，作为使外涂层13的气孔率为9％以下、更优选为6％以下的方法，例如，举出使喷射上述的喷镀材料的喷镀装置的喷嘴的前端(未图示)与母材10的距离(换言之喷镀距离)比气孔率高于9％的情况短的方法。例如，使喷镀装置的喷镀电流增加等，也能够进一步降低外涂层13的气孔率。此外，在气孔率为9％以下、更优选为6％以下的情况下，通过控制上述的喷镀距离和喷镀电流这两者，能够得到所希望的气孔率。
表面调整工序S23对热障涂层11的表面的状态进行调整。具体来说，在表面调整工序S23中，略微切削外涂层13的表面而调整热障涂层11的膜厚、或者使表面更光滑。根据该表面调整工序S23，例如，能够使朝向动叶7的热传导率降低。在该第一实施方式的表面调整工序S23中，通过将外涂层13切削数十μm，能够使表面光滑并且调整膜厚。
图5是示出与外涂层的气孔率对应的减耗深度的图表。图6是示出与外涂层的气孔率对应的热传导率的图表。图7是示出与外涂层的气孔率对应的热循环耐久性的图表。
如图5所示，比起气孔率大于9％的区域(尤其是10％～15％左右的区域)，上述的外涂层13的减耗深度(mm)在气孔率(％)为9％以下的区域中大幅降低。换句话说，在气孔率为9％以下的区域中，耐烧蚀性提高。在此，减耗深度是指，在以恒定的条件对外涂层13进行烧蚀试验的情况下外涂层13减耗的深度。在此，恒定的条件是指，至少不使试验温度、烧蚀剂速度、烧蚀剂的种类、烧蚀剂的供给量以及烧蚀剂碰撞角度发生变化而成为恒定值的试验条件。
在烧蚀试验中，使用与动叶7同样地在母材10的表面形成有热障涂层的试料。
如图6所示，外涂层13中，气孔率(％)越是降低，热传导率越是上升。这意味着，在使外涂层13成为恒定的厚度的情况下，气孔率越是降低，隔热性越是降低。尤其是在气孔率为9％以下的区域中，与气孔率高于9％的区域相比，热传导率较大地上升。
外涂层13的热循环耐久性之前被认为是伴随着外涂层13的气孔率(％)的降低而降低。然而，这次在与以燃烧气体超过800℃那样的高温环境进行运转的燃气轮机相同的条件下进行试验的结果是，得到如下见解：如图7所示，在气孔率为9％以下的区域中，热循环耐久性转为上升。该热循环耐久性的上升通过使气孔率为6％以下而更显著地显现。换句话说，在使用非常高温的燃烧气体G的燃气轮机的环境中，通过使气孔率为9％以下、更优选为6％以下，即便与热循环耐久性的上升相应地增大外涂层13的厚度，也能够得到足够的强度。因此，与增大其厚度相应地能够进一步提高外涂层13中的隔热性。
图8是示出本发明的第一实施方式中的热循环试验装置的结构的局部剖视图。
如图8所示，热循环试验装置30形成为，在配设于主体部33上的试料保持架32上以使热障涂层11成为外侧的方式配置在母材10上形成有热障涂层11的试料31，通过从CO2激光装置34对该试料31照射激光L而从热障涂层11侧加热试料31。在基于CO2激光装置34的加热的同时，利用从贯穿主体部33并配置于主体部33的内部的同试料31背面侧对置的位置处的冷却气体喷嘴35的前端喷出的气体流F，从该背面侧冷却试料31。
根据以上结构的热循环试验装置，能够容易地在试料31内部形成温度梯度，能够进行符合应用于燃气轮机构件等高温部件的情况下的使用环境的评价。
图9是示意性示出利用图8所示的装置进行热循环试验的试料的温度变化的图表。图10是示出进行图9的热循环试验的试料的温度测定点的图。图9所示的曲线A～C分别与图10所示的试料31中的温度测定点A～C对应。
如图9所示，根据图8所示的热循环试验装置，能够以使温度按照试料31的热障涂层11表面(A)、热障涂层11与母材10的界面(B)、母材10的背面侧(C)的顺序变低的方式进行加热。因此，例如，通过将热障涂层11的表面设为1200℃以上的高温、将热障涂层11与母材10之间的界面的温度设为800～900℃，由此能够设为与实机燃气轮机相同的温度条件。该热循环试验装置的加热温度和温度梯度能够通过调整CO2激光装置34的输出和气体流F而容易地成为所希望的温度条件。
在此，在上述的图7所示的图表中，纵轴所示的热循环耐久性试验温度(℃)是在进行1000周期的反复加热时热障涂层11产生剥离的温度。该第一实施方式中的热循环试验进行了将最高表面温度(热障涂层11表面的最高温度)设为1300℃、将最高界面温度(热障涂层11与母材10之间的界面的最高温度)设为950℃的反复的加热。此时，设为加热时间3分钟、冷却时间3分钟的反复(冷却时的表面温度设定为100℃以下)。
因此，根据上述的第一实施方式的热障涂层11，通过将外涂层13的气孔率设为9％以下，能够提高热循环耐久性。因此，在因气孔率的降低而提高耐烧蚀性的同时，与热循环耐久性提高相应地增大外涂层13的厚度，能够抑制隔热性能的降低。其结果是，能够在确保足够的隔热性能以及强度的同时提高耐烧蚀性。
此外，在将气孔率设为6％以下的情况下，与气孔率为9％的情况相比，能够进一步提高外涂层13的耐烧蚀性，并且提高热循环耐久性而进一步增大外涂层13的厚度。因此，能够延长直至因烧蚀使外涂层13磨损而使母材10暴露在高温下为止的时间。换言之，能够延长因外涂层13而得到足够的隔热效果的持续时间。其结果是，由于能够使维护的间隔变长，因此能够减轻用户的负担。
此外，根据上述的第一实施方式中的涡轮构件即动叶7，能够抑制在长期范围内暴露于高温而受到损伤的情况。此外，由于能够延长维护周期，因此能够减小使燃气轮机运转停止的频率。
(第一实施方式的变形例)
本发明并不限于上述的第一实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，包含对上述的第一实施方式加以各种变更的情况。即，在第一实施方式中举出的具体的形状、结构等只不过是一例，能够进行适宜地变更。
粘结涂层12、外涂层13也可以通过上述的第一实施方式以外的方法形成。例如，可以作为大气压等离子体喷镀以外的电喷镀而使用减压等离子体喷镀，可以作为气体式喷镀而使用火焰喷镀法、高速火焰喷镀。另外，可以通过喷镀法以外的方法形成，例如，也可以使用电子束物理蒸镀法。
此外，在上述的结构中，作为涡轮构件而以动叶7为例进行了说明，但也可以在其他涡轮构件、例如燃气轮机1的静叶8、构成燃烧器3的喷嘴、筒体等构件中应用本发明。
在形成上述的第一实施方式中的外涂层13时，逐渐缩短喷镀距离，但此时，也可以形成图11所示那样的所谓的纵向裂纹。在如此形成纵向裂纹的情况下，外涂层13的杨氏模量变低且热应力降低，因此能够进一步提高热循环耐久性。
(第二实施方式)
接下来，基于附图对本发明的第二实施方式的热障涂层以及涡轮构件进行说明。该第二实施方式与第一实施方式的不同点在于，附加了层状缺陷的条件。因此，对与第一实施方式相同的部分标注相同的附图标记而进行说明，并且省略重复的说明。
第二实施方式的燃气轮机1具备压缩机2、燃烧器3、涡轮主体4以及转子5。动叶7具备动叶主体71、平台72、叶片根73以及护罩74。
动叶7包括母材10和热障涂层11。热障涂层11具备粘结涂层12和外涂层13。
接下来，对将第二实施方式的热障涂层11形成于母材10的表面的涡轮构件的形成方法进行说明。在该第二实施方式中的涡轮构件的形成方法的说明中，引用第一实施方式的图4而进行说明。
如图4所示，首先，作为母材形成工序S1，将母材10形成为目标的涡轮构件、例如动叶7的形状。该第二实施方式中的母材10与第一实施方式同样地使用上述的Ni(镍)基合金来形成。
接着，作为热障涂层方法S2，依次进行粘结涂层层叠工序S21、外涂层层叠工序S22以及表面调整工序S23。
在粘结涂层层叠工序S21中，在母材10的表面上形成粘结涂层12。该第二实施方式的粘结涂层层叠工序S21中，例如，利用低压等离子体喷镀法将MCrAlY合金的金属喷镀粉末喷镀于母材10的表面。
外涂层层叠工序S22中，在粘结涂层12上层叠外涂层13。该第二实施方式的外涂层层叠工序S22中，例如，利用大气压等离子体喷镀法(Atmospheric pressure PlasmaSpray：APS)，将作为喷镀材料的YSZ(氧化钇稳定化氧化锆)的粉末喷镀于粘结涂层12上。在此，作为该第二实施方式中的YSZ，能够使用部分稳定化氧化锆即ZrO2-8wt％Y2O3、或者ZrO2-16wt％Yb2O3。
在此，在外涂层层叠工序S22中，将外涂层13的层状缺陷密度设为250根/mm2以下。在该实施方式中，层状缺陷密度为225根/mm2以下，更优选为196根/mm2。
外涂层工序S22中，将外涂层13的气孔率设为9％以下。在该实施方式中，将气孔率设为8.4％以下，更优选为7.0％以下。
作为将外涂层13的气孔率设为9％以下且将外涂层13的层状缺陷密度设为250根/mm2以下的方法，例如，举出增大喷镀装置的喷镀电流的方法。在该情况下，也可以与第一实施方式同样地比起层状缺陷密度高于250根/mm2的情况，缩短喷射上述的喷镀材料的喷镀装置的喷嘴的前端(未图示)与母材10的距离(换言之，喷镀距离)。
表面调整工序S23中，对热障涂层11的表面的状态进行调整。具体来说，在表面调整工序S23中，略微切削外涂层13的表面而调整热障涂层11的膜厚、或者使表面更光滑。根据该表面调整工序S23，例如，能够使朝向动叶7的热传导率降低。在该第二实施方式的表面调整工序S23中，与第一实施方式同样地通过将外涂层13切削数十μm，能够使表面光滑并且调整膜厚。
图12是示出与外涂层的气孔率对应的减耗深度的图表。图13是示出与外涂层的气孔率对应的热传导率的图表。图14是示出与外涂层的气孔率对应的热循环耐久性的图表。
在该第二实施方式中，在图12～图14中示出气孔率为“4.5％”、“6.5％”、“7.0％”、“8.4％”、“11.4％”、“12.9％”、“14.9％”的情况。
在此，在气孔率为8.4％的情况下，层状缺陷密度(根/mm2)为225根/mm2，层状缺陷平均长度(μm)为33.8μm。在气孔率为7.0％的情况下，层状缺陷密度(根/mm2)为196根/mm2，层状缺陷平均长度(μm)为31.7μm。
此外，在气孔率为12.9％的情况下，层状缺陷密度(根/mm2)为556根/mm2，层状缺陷平均长度(μm)为37.9μm。
图15A是第一实施例中的气孔率为8.4％且层状缺陷密度为225根/mm2的情况的剖面照片，图15B是复写图15A的层状缺陷而成的图画。图16A是第二实施例中的气孔率为7.0％且层状缺陷密度为196根/mm2时的剖面照片，图16B是复写图16A的层状缺陷而成的图画。图17A是比较例中的气孔率为12.9％且层状缺陷密度为556根/mm2时的剖面照片，图17B是复写图17A的层状缺陷的图画。
形成于外涂层13的层状缺陷与气孔不同。层状缺陷主要形成为，沿与外涂层13的层叠方向交叉的横向延伸的微细的龟裂。层状缺陷形成在外涂层13的整个区域内。这些层状缺陷的每单位面积的根数为“层状缺陷密度”，这些层状缺陷朝向横向的长度的平均值为“层状缺陷平均长度”。
如图12所示，上述的外涂层13在气孔率(％)为9％以下即气孔率为8.4％、6.5％、7.0％、4.5％的情况下，比起气孔率为11.4％、12.9％、14.9％的情况而使减耗深度(mm)大幅地降低。这认为是基于如下的效果：通过改善喷镀粒子的熔融状态，在降低气孔率之外，提高喷镀粒子间的紧贴力，将被膜中的微细的剥离方向(横向)的裂纹(层状缺陷)降低至极低的水平。
换句话说，在气孔率为9％以下、具体来说8.4％以下的区域中，耐烧蚀性提高。减耗深度是指，与第一实施方式同样地在以恒定的条件对外涂层13进行烧蚀试验的情况下，外涂层13减耗的深度。恒定的条件是指，至少不使试验温度、烧蚀剂速度、烧蚀剂的种类、烧蚀剂的供给量以及烧蚀剂碰撞角度发生变化而成为恒定值的试验条件。在烧蚀试验中，与动叶7同样地使用在母材10的表面形成有热障涂层的试料。
本烧蚀试验利用模拟实机的高温高速烧蚀试验装置而进行评价。这是在三菱重工技报Vol.52No.2(2015)所示的特殊装置。该高温高速烧蚀试验装置能够再现极其接近于实机的燃气轮机的热障涂层(TBC；Thermal Barrier Coating)的工作环境的环境，若不是本装置，则难以准确地评价热障涂层。通常，烧蚀试验大多在室温下进行，并且，本装置那样的高速的气体流速大多在高温环境下也无法获得。
如图13所示，外涂层13如在第一实施方式也说明过那样，气孔率(％)越是降低，热传导率越是上升。这意味着，在将外涂层13设为恒定的厚度的情况下，气孔率越是降低且层状缺陷密度越是降低，隔热性越是降低。
在气孔率为9％以下即8.4％、7.0％、6.5％、4.5％的各个情况下，比起气孔率高于8.4％的情况(层状缺陷密度高于225根/mm2、层状缺陷平均长度长于33.8μm的情况)的比较例，热传导率较大地上升。这被认为是因为，喷镀中的粒子的熔融进展，气孔率的降低以及喷镀被膜特融的横向的缺陷即层状缺陷变得极少。
外涂层13的热循环耐久性之前被认为是伴随着外涂层13的气孔率(％)的降低而降低。然而，这次在与以燃烧气体超过800℃且与实机同样的100m/s以上的气体流速的高温环境进行运转的燃气轮机相同的条件下进行试验的结果是，得到如下见解：如图14所示，在气孔率为9％以下的区域，更具体来说，气孔率为8.4％以下(层状缺陷密度为225根/mm2以下，层状缺陷平均长度为33.8μm以下)的情况下，热循环耐久性转为上升。
该热循环耐久性的上升通过使气孔率为7.0％(层状缺陷密度为196根/mm2以下，层状缺陷平均长度为31.7μm以下)而更显著地显现。换句话说，在使用非常高温的燃烧气体G的燃气轮机的环境中，通过使气孔率为8.4％以下、更优选为7.0％以下，降低层状缺陷密度，缩短层状缺陷平均长度，能够使热循环耐久性上升。因此，即便与该热循环耐久性的上升相应地增大外涂层13的厚度，也能够得到足够的强度。
这被认为是因为，喷镀中的粒子的熔融进展，气孔率的降低和层状缺陷变得极少。
能够发现如下情况：气孔率的降低、层状缺陷的降低对于膜厚的增加极为有效，即便使膜厚大幅增加至热传导率上升量以上，也具有足够的耐久性以及对耐烧蚀极为有效。
因此，根据第二实施方式，通过将外涂层13的气孔率设为9％以下且将层状缺陷密度设为250根/mm2以下，能够提高外涂层13中的隔热性。此外，通过将气孔率设为8.4％以下、更优选为7.0％，将层状缺陷密度设为225根/mm2、更优选为196根/mm2以下，能够提高隔热性。
此外，通过将气孔率设为8.4％以下、更优选为7.0％，将层状缺陷平均长度设为33.8μm以下、更优选为31.7μm以下，能够提高隔热性。
此外，能够因气孔率的降低、层状缺陷的降低而增大膜厚。其结果是，即便为了成为由气孔率的降低、层状缺陷的降低引起的热传导率上升量以上的热传导率而大幅地增大膜厚，也能够确保足够的耐久性。
能够在改善耐烧蚀性的基础上增加外涂层13的膜厚而改善热传导性。因此，根据上述耐烧蚀性、热传导性这两者的效果，能够在长期范围内提高可靠性。
工业实用性
本发明能够应用于热障涂层以及涡轮构件。根据应用本发明的热障涂层以及涡轮构件，能够不降低热循环耐久性而提高耐烧蚀性。
附图标记说明：
1 燃气轮机
2 压缩机
3 燃烧器
4 涡轮主体
5 转子
6 外壳
7 动叶
8 静叶
10 母材
11 热障涂层
12 粘结涂层
13 外涂层
30 热循环试验装置
31 试料
32 试料保持架
33 主体部
40 纵向裂纹
71 动叶主体
72 平台
73 叶片根
74 护罩

Claims (12)

1.一种热障涂层，其中，
所述热障涂层包括：
作为层叠于母材上的金属结合层的粘结涂层；以及
外涂层，其层叠于所述粘结涂层之上而包含氧化锆系陶瓷，
所述外涂层的气孔率为9％以下。
2.根据权利要求1所述的热障涂层，其中，
所述气孔率为6％以下。
3.根据权利要求1所述的热障涂层，其中，
所述外涂层的沿与层叠方向交叉的方向延伸的层状缺陷的缺陷密度为250根/mm2以下。
4.根据权利要求3所述的热障涂层，其中，
所述外涂层的所述层状缺陷的缺陷密度为225根/mm2以下。
5.根据权利要求4所述的热障涂层，其中，
所述外涂层的所述层状缺陷的平均长度为33.8μm以下。
6.根据权利要求4或5所述的热障涂层，其中，
所述外涂层的所述层状缺陷的缺陷密度为196根/mm2以下。
7.根据权利要求6所述的热障涂层，其中，
所述外涂层的所述层状缺陷的平均长度为31.7μm以下。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的热障涂层，其中，
所述气孔率为8.4％以下。
9.根据权利要求8所述的热障涂层，其中，
所述气孔率为7.0％以下。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的热障涂层，其中，
所述外涂层由ZrO2-8wt％Y2O3构成。
11.根据权利要求3至9中任一项所述的热障涂层，其中，
所述外涂层由ZrO2-16wt％Yb2O3构成。
12.一种涡轮构件，其中，
所述涡轮构件在表面具有权利要求1至11中任一项所述的热障涂层。
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