JP2000017458A - 高温部材およびその製造方法 - Google Patents
高温部材およびその製造方法Info
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- JP2000017458A JP2000017458A JP10181922A JP18192298A JP2000017458A JP 2000017458 A JP2000017458 A JP 2000017458A JP 10181922 A JP10181922 A JP 10181922A JP 18192298 A JP18192298 A JP 18192298A JP 2000017458 A JP2000017458 A JP 2000017458A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高温環境下での長時間の使用でも高耐久性を
維持することができる高温部材およびその製造方法を提
供する。 【解決手段】 金属からなる基材１１の表面に、ＭＣｒ
ＡｌＹからなる結合層１２を設けた後、真空環境下、９
００℃以上で熱処理を行うことにより、結合層１２の表
面にα−アルミナ層１３を形成し、続いて、α−アルミ
ナ層１３の表面に、酸化物系セラミックスからなる遮熱
層１４を設けて高温部材を製造する。
維持することができる高温部材およびその製造方法を提
供する。 【解決手段】 金属からなる基材１１の表面に、ＭＣｒ
ＡｌＹからなる結合層１２を設けた後、真空環境下、９
００℃以上で熱処理を行うことにより、結合層１２の表
面にα−アルミナ層１３を形成し、続いて、α−アルミ
ナ層１３の表面に、酸化物系セラミックスからなる遮熱
層１４を設けて高温部材を製造する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、遮熱性および高耐
久性を兼ね備える高温部材およびその製造方法に関す
る。
久性を兼ね備える高温部材およびその製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンやボイラなどの高温環境下
で使用される高温部材においては、熱により劣化が進行
しやすいため、内部を中空構造として、当該内部に冷却
空気を流通させて表面へ噴出させることにより冷却する
と共に、その表面に遮熱層を形成することにより表面側
から内部への伝熱を抑制するようにしている。
で使用される高温部材においては、熱により劣化が進行
しやすいため、内部を中空構造として、当該内部に冷却
空気を流通させて表面へ噴出させることにより冷却する
と共に、その表面に遮熱層を形成することにより表面側
から内部への伝熱を抑制するようにしている。
【０００３】遮熱層は、高温部材を構成する金属材料の
基材よりも熱伝導率の小さい材料（例えば酸化物系セラ
ミックス）が溶射等により当該基材の表面に設けられ
る。このような材料からなる遮熱層は、基材の表面に直
接設けられると、基材との線膨張係数の差により、基材
から剥離しやすくなってしまうため、基材との間に結合
層が設けられ、基材に対する密着性の向上が図られてい
る。つまり、図３に示すように、高温部材は、基材１の
表面に結合層２が設けられ、当該結合層２の表面に遮熱
層４が設けられているのである。
基材よりも熱伝導率の小さい材料（例えば酸化物系セラ
ミックス）が溶射等により当該基材の表面に設けられ
る。このような材料からなる遮熱層は、基材の表面に直
接設けられると、基材との線膨張係数の差により、基材
から剥離しやすくなってしまうため、基材との間に結合
層が設けられ、基材に対する密着性の向上が図られてい
る。つまり、図３に示すように、高温部材は、基材１の
表面に結合層２が設けられ、当該結合層２の表面に遮熱
層４が設けられているのである。
【０００４】産業用ガスタービンの高温部材において、
遮熱層４の材料には、イットリアなどで部分安定化され
たジルコニアが多用され、また、結合層２の材料には、
ＭＣｒＡｌＹと称されるＣｒ，Ａｌ，Ｙなどを含む合金
（残部はＮｉ，Ｃｏ，Ｆｅのうちの１種または２種の元
素の組み合わせからなる）が多用されている。
遮熱層４の材料には、イットリアなどで部分安定化され
たジルコニアが多用され、また、結合層２の材料には、
ＭＣｒＡｌＹと称されるＣｒ，Ａｌ，Ｙなどを含む合金
（残部はＮｉ，Ｃｏ，Ｆｅのうちの１種または２種の元
素の組み合わせからなる）が多用されている。
【０００５】遮熱層４の形成には、大気プラズマ溶射
法、電子ビーム・物理蒸着法などが利用され、結合層２
の形成には、低圧プラズマ溶射法、大気プラズマ溶射
法、電子ビーム・物理蒸着法などが利用されている。
法、電子ビーム・物理蒸着法などが利用され、結合層２
の形成には、低圧プラズマ溶射法、大気プラズマ溶射
法、電子ビーム・物理蒸着法などが利用されている。
【０００６】特に、産業用ガスタービンの高温部材を製
造する場合には、アルミナブラストにより汚れ除去およ
び粗面化した基材１の表面に低圧プラズマ溶射法により
結合層２を形成した後、結合層２の表面に汚れ等を付着
させないように大気プラズマ溶射法により遮熱層４を形
成することにより、耐久性やコストなどの面で最もバラ
ンスよく高温部材を得ることができる。なお、遮熱層４
の形成後には、基材１、結合層２、セラミックス層４の
各間の密着性を向上させるため、基材１の時効熱処理を
兼ねた熱処理（例えば８４３℃×２４時間）が行われ
る。
造する場合には、アルミナブラストにより汚れ除去およ
び粗面化した基材１の表面に低圧プラズマ溶射法により
結合層２を形成した後、結合層２の表面に汚れ等を付着
させないように大気プラズマ溶射法により遮熱層４を形
成することにより、耐久性やコストなどの面で最もバラ
ンスよく高温部材を得ることができる。なお、遮熱層４
の形成後には、基材１、結合層２、セラミックス層４の
各間の密着性を向上させるため、基材１の時効熱処理を
兼ねた熱処理（例えば８４３℃×２４時間）が行われ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前述したような高温部
材においては、高温環境下での長時間の使用により、結
合層２中に含有される成分の酸化物が当該結合層２と遮
熱層４との間に生成し、次第に成長していく。この酸化
物は、結合層２の耐食性や耐酸化性を保持するのに必要
不可欠であるものの、その生成や成長に伴う結合層２の
体積膨張により、当該結合層２と遮熱層４との間の密着
性を低下させてしまう。このため、上記酸化物において
は、その厚さが薄く、その成長速度が遅いとよいが、成
長速度の大きいＮｉ，Ｃｏの遷移金属元素とＡｌからな
るスピネル構造の酸化物が生成してしまうため、高温部
材の高温環境下での長時間の使用による耐久性を維持す
ることが困難となっていた。
材においては、高温環境下での長時間の使用により、結
合層２中に含有される成分の酸化物が当該結合層２と遮
熱層４との間に生成し、次第に成長していく。この酸化
物は、結合層２の耐食性や耐酸化性を保持するのに必要
不可欠であるものの、その生成や成長に伴う結合層２の
体積膨張により、当該結合層２と遮熱層４との間の密着
性を低下させてしまう。このため、上記酸化物において
は、その厚さが薄く、その成長速度が遅いとよいが、成
長速度の大きいＮｉ，Ｃｏの遷移金属元素とＡｌからな
るスピネル構造の酸化物が生成してしまうため、高温部
材の高温環境下での長時間の使用による耐久性を維持す
ることが困難となっていた。
【０００８】このようなことから、本発明は、高温環境
下での長時間の使用でも高耐久性を維持することができ
る高温部材およびその製造方法を提供することを目的と
した。
下での長時間の使用でも高耐久性を維持することができ
る高温部材およびその製造方法を提供することを目的と
した。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
ための、本発明による高温部材は、金属からなる基材
と、前記基材の表面に設けられてＭＣｒＡｌＹからなる
結合層と、前記結合層の表面に設けられたα−アルミナ
層と、前記α−アルミナ層の表面に設けられて酸化物系
セラミックスからなる遮熱層とを備えてなることを特徴
とする。
ための、本発明による高温部材は、金属からなる基材
と、前記基材の表面に設けられてＭＣｒＡｌＹからなる
結合層と、前記結合層の表面に設けられたα−アルミナ
層と、前記α−アルミナ層の表面に設けられて酸化物系
セラミックスからなる遮熱層とを備えてなることを特徴
とする。
【００１０】前述した課題を解決するための、本発明に
よる高温部材の製造方法は、金属からなる基材の表面
に、ＭＣｒＡｌＹからなる結合層を設けた後、真空環境
下、９００℃以上で熱処理を行うことにより、当該結合
層の表面にα−アルミナ層を形成し、続いて、当該α−
アルミナ層の表面に、酸化物系セラミックスからなる遮
熱層を設けるようにしたことを特徴とする。
よる高温部材の製造方法は、金属からなる基材の表面
に、ＭＣｒＡｌＹからなる結合層を設けた後、真空環境
下、９００℃以上で熱処理を行うことにより、当該結合
層の表面にα−アルミナ層を形成し、続いて、当該α−
アルミナ層の表面に、酸化物系セラミックスからなる遮
熱層を設けるようにしたことを特徴とする。
【００１１】上述した高温部材の製造方法において、金
属製ヒータ使用の加熱炉を用いて前記熱処理を行うこと
を特徴とする。
属製ヒータ使用の加熱炉を用いて前記熱処理を行うこと
を特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明による高温部材およびその
製造方法を産業用ガスタービンの動翼に適用する場合の
実施の形態を図１を用いて説明する。なお、図１は、そ
の構造を表す断面図である。
製造方法を産業用ガスタービンの動翼に適用する場合の
実施の形態を図１を用いて説明する。なお、図１は、そ
の構造を表す断面図である。
【００１３】図１に示すように、金属からなる基材１１
の表面には、ＭＣｒＡｌＹと称されるＣｒ，Ａｌ，Ｙな
どを含む合金（残部はＮｉ，Ｃｏ，Ｆｅのうちの１種ま
たは２種の元素の組み合わせからなる）からなる結合層
１２が形成されている。結合層１２上には、α−アルミ
ナ層１３が形成されている。α−アルミナ層１３上に
は、イットリアなどで部分安定化されたジルコニアなど
のような酸化物系セラミックスからなる遮熱層１４が形
成されている。
の表面には、ＭＣｒＡｌＹと称されるＣｒ，Ａｌ，Ｙな
どを含む合金（残部はＮｉ，Ｃｏ，Ｆｅのうちの１種ま
たは２種の元素の組み合わせからなる）からなる結合層
１２が形成されている。結合層１２上には、α−アルミ
ナ層１３が形成されている。α−アルミナ層１３上に
は、イットリアなどで部分安定化されたジルコニアなど
のような酸化物系セラミックスからなる遮熱層１４が形
成されている。
【００１４】このような高温部材においては、基材１１
の表面に低圧プラズマ溶射法により結合層１２を形成し
た後、真空環境下（１０-5〜１０-3Ｔｏｒｒ）、９００
℃以上で１〜４８時間の熱処理を行うことにより、結合
層１２上にα−アルミナ層１３を形成し、続いて、大気
プラズマ溶射法により遮熱層１４を形成することによ
り、容易に製造することができる。
の表面に低圧プラズマ溶射法により結合層１２を形成し
た後、真空環境下（１０-5〜１０-3Ｔｏｒｒ）、９００
℃以上で１〜４８時間の熱処理を行うことにより、結合
層１２上にα−アルミナ層１３を形成し、続いて、大気
プラズマ溶射法により遮熱層１４を形成することによ
り、容易に製造することができる。
【００１５】つまり、高温環境下での長時間の使用に伴
う遮熱層１４の密着性の低下を抑制し、その耐久性を向
上させるため、成長速度の小さいα−アルミナ層１３を
結合層１２上に生成させたのである。
う遮熱層１４の密着性の低下を抑制し、その耐久性を向
上させるため、成長速度の小さいα−アルミナ層１３を
結合層１２上に生成させたのである。
【００１６】この結合層１２は、高酸素分圧下で熱処理
するとスピネル酸化物が生成してしまい、９００℃未満
で熱処理するとδ−アルミナまたはθ−アルミナが生成
してしまう。これらの酸化物は、成長速度が大きいた
め、遮熱層１４に亀裂や剥離などを発生させてしまう虞
がある。そこで、本発明では、結合層１２を形成した後
に、真空環境下（１０-5〜１０-3Ｔｏｒｒ）で９００℃
以上で１〜４８時間の熱処理を行うことにより、酸化速
度の大きいスピネル酸化物の生成を抑制し、かつ成長速
度が小さく緻密なα−アルミナ層１３を結合層１２上に
生成させるようにしたのである。
するとスピネル酸化物が生成してしまい、９００℃未満
で熱処理するとδ−アルミナまたはθ−アルミナが生成
してしまう。これらの酸化物は、成長速度が大きいた
め、遮熱層１４に亀裂や剥離などを発生させてしまう虞
がある。そこで、本発明では、結合層１２を形成した後
に、真空環境下（１０-5〜１０-3Ｔｏｒｒ）で９００℃
以上で１〜４８時間の熱処理を行うことにより、酸化速
度の大きいスピネル酸化物の生成を抑制し、かつ成長速
度が小さく緻密なα−アルミナ層１３を結合層１２上に
生成させるようにしたのである。
【００１７】したがって、このような高温部材およびそ
の製造方法によれば、緻密であると共に高温環境下での
長時間の使用に伴う成長速度の遅いα−アルミナ層１３
が結合層１２と遮熱層１４との間に形成されるので、高
温環境下での長時間の使用でも高耐久性が発現されるよ
うになる。
の製造方法によれば、緻密であると共に高温環境下での
長時間の使用に伴う成長速度の遅いα−アルミナ層１３
が結合層１２と遮熱層１４との間に形成されるので、高
温環境下での長時間の使用でも高耐久性が発現されるよ
うになる。
【００１８】なお、上述した熱処理は、基材１１の溶体
化や安定化のための熱処理と兼ねることができるので、
基材１１の熱処理と両立させることができる。また、本
発明は、上述したような条件に基づく熱処理により、結
合層１２上にα−アルミナ層１３をまず初めに生成させ
ることができることから、α−アルミナを生成しうるす
べてのＭＣｒＡｌＹ（一般的なＡｌの含有量は５〜２０
重量％）に適用することができる。
化や安定化のための熱処理と兼ねることができるので、
基材１１の熱処理と両立させることができる。また、本
発明は、上述したような条件に基づく熱処理により、結
合層１２上にα−アルミナ層１３をまず初めに生成させ
ることができることから、α−アルミナを生成しうるす
べてのＭＣｒＡｌＹ（一般的なＡｌの含有量は５〜２０
重量％）に適用することができる。
【００１９】続いて、産業用ガスタービンの動翼に適用
する場合における効果を確認するため、次のような確認
試験を行った。
する場合における効果を確認するため、次のような確認
試験を行った。
【００２０】産業用ガスタービンの動翼に一般に使用さ
れるＩＮ７３８ＬＣ（大同インコ社商品名，典型組成：
１６Ｃｒ−８．５Ｃｏ−１．７Ｍｏ−２．６Ｗ−１．７
Ｔａ−０．９Ｎｂ−３．４Ａｌ−３．４Ｔｉ−０．１７
Ｃ−０．０１Ｂ−０．１Ｚｒ−残りＮｉ）を基材に用い
た。
れるＩＮ７３８ＬＣ（大同インコ社商品名，典型組成：
１６Ｃｒ−８．５Ｃｏ−１．７Ｍｏ−２．６Ｗ−１．７
Ｔａ−０．９Ｎｂ−３．４Ａｌ−３．４Ｔｉ−０．１７
Ｃ−０．０１Ｂ−０．１Ｚｒ−残りＮｉ）を基材に用い
た。
【００２１】結合層は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ（典型組
成：３１−３３Ｎｉ−２０〜２２Ｃｒ−７〜９Ａｌ−
０．３５〜０．６５Ｙ−残りＣｏ）を低圧プラズマ溶射
法により厚さ０．１ｍｍに形成した。
成：３１−３３Ｎｉ−２０〜２２Ｃｒ−７〜９Ａｌ−
０．３５〜０．６５Ｙ−残りＣｏ）を低圧プラズマ溶射
法により厚さ０．１ｍｍに形成した。
【００２２】遮熱層は、イットリア安定化ジルコニア
（典型組成：８Ｙ2 Ｏ3 −ＺｒＯ2 ）を大気プラズマ溶
射法により厚さ０．３ｍｍに形成した。
（典型組成：８Ｙ2 Ｏ3 −ＺｒＯ2 ）を大気プラズマ溶
射法により厚さ０．３ｍｍに形成した。
【００２３】なお、結合層の形成前にアルミナブラスト
により基材の表面汚れ除去及び粗面化を行った。
により基材の表面汚れ除去及び粗面化を行った。
【００２４】まず、初めに、結合層からα−アルミナ層
を生成させるのに適切な熱処理条件を求めた。
を生成させるのに適切な熱処理条件を求めた。
【００２５】具体的には、表１に示した熱処理温度、雰
囲気、時間の各条件で熱処理を行って高温部材を製作し
た後、Ｘ線回折法により、生成酸化物の同定および断面
組織の観察を行った。表１に示す熱処理条件のうち、１
１２１℃×２時間は基材（ＩＮ７３８ＬＣ）の溶体化熱
処理条件であり、８４３℃×２４時間は基材（ＩＮ７３
８ＬＣ）の時効熱処理条件である。
囲気、時間の各条件で熱処理を行って高温部材を製作し
た後、Ｘ線回折法により、生成酸化物の同定および断面
組織の観察を行った。表１に示す熱処理条件のうち、１
１２１℃×２時間は基材（ＩＮ７３８ＬＣ）の溶体化熱
処理条件であり、８４３℃×２４時間は基材（ＩＮ７３
８ＬＣ）の時効熱処理条件である。
【００２６】
【表１】
【００２７】表１からわかるように、酸素分圧の高い大
気中での熱処理条件下（比較体３，４）では、８４３℃
および１１２１℃の両者共にα−アルミナ層が生成せ
ず、スピネル酸化物が生成してしまった。一方、酸素分
圧の低い１０-3Ｔｏｒｒまたは１０-5Ｔｏｒｒで温度の
低い８４３℃での熱処理条件下（比較体１，２）では、
２４時間の加熱によりθ−アルミナが生成してしまっ
た。これに対し、酸素分圧の低い１０-3Ｔｏｒｒまたは
１０-5Ｔｏｒｒで温度の高い１１２１℃での熱処理条件
下（試験体１，２）では、１時間の加熱によりα−アル
ミナ層の生成が確認された。
気中での熱処理条件下（比較体３，４）では、８４３℃
および１１２１℃の両者共にα−アルミナ層が生成せ
ず、スピネル酸化物が生成してしまった。一方、酸素分
圧の低い１０-3Ｔｏｒｒまたは１０-5Ｔｏｒｒで温度の
低い８４３℃での熱処理条件下（比較体１，２）では、
２４時間の加熱によりθ−アルミナが生成してしまっ
た。これに対し、酸素分圧の低い１０-3Ｔｏｒｒまたは
１０-5Ｔｏｒｒで温度の高い１１２１℃での熱処理条件
下（試験体１，２）では、１時間の加熱によりα−アル
ミナ層の生成が確認された。
【００２８】なお、８４３℃で生成したθ−アルミナが
約９００℃を境にα−アルミナ層へ変化することから、
α−アルミナ層を生成させるためには少なくとも９００
℃以上での熱処理が必要と考えられる。
約９００℃を境にα−アルミナ層へ変化することから、
α−アルミナ層を生成させるためには少なくとも９００
℃以上での熱処理が必要と考えられる。
【００２９】次に、耐久性を確認するため、次のような
熱サイクル試験を行った。試験体は、直径１０ｍｍ、長
さ６５ｍｍのＩＮ７３８ＬＣ製の基材の中央部３５ｍｍ
に上述の製造方法にしたがって結合層および遮熱層を形
成した。なお、結合層形成後のα−アルミナ層生成のた
めの熱処理条件は、１０-5Ｔｏｒｒの環境下、１１２１
℃×２時間とし、さらに、遮熱層形成後に８４３℃×２
４時間の時効熱処理を行った（試験体３）。
熱サイクル試験を行った。試験体は、直径１０ｍｍ、長
さ６５ｍｍのＩＮ７３８ＬＣ製の基材の中央部３５ｍｍ
に上述の製造方法にしたがって結合層および遮熱層を形
成した。なお、結合層形成後のα−アルミナ層生成のた
めの熱処理条件は、１０-5Ｔｏｒｒの環境下、１１２１
℃×２時間とし、さらに、遮熱層形成後に８４３℃×２
４時間の時効熱処理を行った（試験体３）。
【００３０】また、比較体として、結合層形成前に１１
２１℃×２時間の熱処理を行い、結合層形成後と遮熱層
形成前との間には熱処理を行わず、遮熱層形成後に８４
３℃×２４時間の時効熱処理を実施したもの（比較体
５）を用いた。
２１℃×２時間の熱処理を行い、結合層形成後と遮熱層
形成前との間には熱処理を行わず、遮熱層形成後に８４
３℃×２４時間の時効熱処理を実施したもの（比較体
５）を用いた。
【００３１】試験方法は、流動床炉において、６０℃か
ら１０００℃まで３分間で加熱した後、１０００℃から
６０℃まで圧縮空気を吹き付けて６分間で冷却すること
を亀裂や剥離が認められるまで繰り返し、その亀裂や剥
離の発生するまでの回数を求めた。その結果を表２に示
す。
ら１０００℃まで３分間で加熱した後、１０００℃から
６０℃まで圧縮空気を吹き付けて６分間で冷却すること
を亀裂や剥離が認められるまで繰り返し、その亀裂や剥
離の発生するまでの回数を求めた。その結果を表２に示
す。
【００３２】
【表２】
【００３３】表２からわかるように、α−アルミナ層を
形成した試験体３は、α−アルミナ層のない比較体５の
約４倍以上の耐熱サイクル性を有し、その耐久性が優れ
ることを確認できた。
形成した試験体３は、α−アルミナ層のない比較体５の
約４倍以上の耐熱サイクル性を有し、その耐久性が優れ
ることを確認できた。
【００３４】本発明による高温部材およびその製造方法
を産業用ガスタービンの静翼に適用する場合の実施の形
態を図２を用いて説明する。なお、図２は、その構造を
表す断面図である。ただし、前述した実施の形態と同様
な部分については、その説明を省略する。
を産業用ガスタービンの静翼に適用する場合の実施の形
態を図２を用いて説明する。なお、図２は、その構造を
表す断面図である。ただし、前述した実施の形態と同様
な部分については、その説明を省略する。
【００３５】図２に示すように、高温部材の基材２１の
表面には、結合層２２が形成されている。結合層２２上
には、α−アルミナ層２３が形成されている。α−アル
ミナ層２３上には、遮熱層２４が形成されている。
表面には、結合層２２が形成されている。結合層２２上
には、α−アルミナ層２３が形成されている。α−アル
ミナ層２３上には、遮熱層２４が形成されている。
【００３６】このような高温部材においては、基材２１
の表面に低圧プラズマ溶射法により結合層２２を形成し
た後、金属製ヒータ使用の抵抗加熱式の加熱炉を用いて
９００℃以上で１〜４８時間の熱処理を真空環境下（１
０-5〜１０-3Ｔｏｒｒ）で行うことにより、結合層２２
上にα−アルミナ層２３を形成し、続いて、大気プラズ
マ溶射法により遮熱層２４を形成することにより、容易
に製造することができる。
の表面に低圧プラズマ溶射法により結合層２２を形成し
た後、金属製ヒータ使用の抵抗加熱式の加熱炉を用いて
９００℃以上で１〜４８時間の熱処理を真空環境下（１
０-5〜１０-3Ｔｏｒｒ）で行うことにより、結合層２２
上にα−アルミナ層２３を形成し、続いて、大気プラズ
マ溶射法により遮熱層２４を形成することにより、容易
に製造することができる。
【００３７】つまり、本実施の形態では、金属製ヒータ
使用の抵抗加熱式の加熱炉を用いて加熱するようにして
いるのである。
使用の抵抗加熱式の加熱炉を用いて加熱するようにして
いるのである。
【００３８】なぜなら、α−アルミナ層がエネルギ的に
最も安定に存在できる９００℃以上の温度で上述した熱
処理を行う場合、酸素分圧が高いと、成長速度の大きい
スピネル酸化物が優先的に生成してしまうことから、酸
素分圧の低い真空環境下で熱処理することにより、スピ
ネル酸化物の生成を抑えてα−アルミナを生成させるよ
うにする必要があるものの、炭素を抵抗線とした抵抗加
熱式の加熱炉または炭素に誘導電流を流してその電気抵
抗によるジュール熱により加熱を行う高周波加熱式の加
熱炉を用いて加熱すると、高温の炭素が共存する状態で
熱処理を行うことになってしまい、炭素による還元作用
でα−アルミナ層はもちろんのこと、酸化物がなんら生
成しなくなってしまうのである。
最も安定に存在できる９００℃以上の温度で上述した熱
処理を行う場合、酸素分圧が高いと、成長速度の大きい
スピネル酸化物が優先的に生成してしまうことから、酸
素分圧の低い真空環境下で熱処理することにより、スピ
ネル酸化物の生成を抑えてα−アルミナを生成させるよ
うにする必要があるものの、炭素を抵抗線とした抵抗加
熱式の加熱炉または炭素に誘導電流を流してその電気抵
抗によるジュール熱により加熱を行う高周波加熱式の加
熱炉を用いて加熱すると、高温の炭素が共存する状態で
熱処理を行うことになってしまい、炭素による還元作用
でα−アルミナ層はもちろんのこと、酸化物がなんら生
成しなくなってしまうのである。
【００３９】したがって、このような高温部材およびそ
の製造方法によれば、緻密であると共に高温環境下での
長時間の使用に伴う成長速度の遅いα−アルミナ層２３
が結合層２２と遮熱層２４との間に形成されるので、高
温環境下での長時間の使用でも高耐久性が発現されるよ
うになる。
の製造方法によれば、緻密であると共に高温環境下での
長時間の使用に伴う成長速度の遅いα−アルミナ層２３
が結合層２２と遮熱層２４との間に形成されるので、高
温環境下での長時間の使用でも高耐久性が発現されるよ
うになる。
【００４０】なお、産業用ガスタービンの静翼に使用さ
れる材料のうち、ＥＣＹ７６８は、材質調整のための熱
処理条件が定まっていないものの、材質調整のための熱
処理条件が定まっているＩＮ９３９などのＮｉ基超合金
は、その溶体化もしくは安定化熱処理とα−アルミナ層
２３を形成するための熱処理とを兼ねて行うことができ
る。また、前述した実施の形態の場合と同様に、遮熱層
形成後、時効熱処理が行われる。
れる材料のうち、ＥＣＹ７６８は、材質調整のための熱
処理条件が定まっていないものの、材質調整のための熱
処理条件が定まっているＩＮ９３９などのＮｉ基超合金
は、その溶体化もしくは安定化熱処理とα−アルミナ層
２３を形成するための熱処理とを兼ねて行うことができ
る。また、前述した実施の形態の場合と同様に、遮熱層
形成後、時効熱処理が行われる。
【００４１】続いて、産業用ガスタービンの静翼に適用
する場合における効果を確認するため、次のような確認
試験を行った。
する場合における効果を確認するため、次のような確認
試験を行った。
【００４２】産業用ガスタービンの静翼に一般に使用さ
れるＥＣＹ７６８（典型組成：２３．５Ｃｒ−１０Ｎｉ
−７Ｗ−３．５Ｔａ−０．２５Ｔｉ−０．１８Ａｌ−
０．６０Ｃ−残りＣｏ）を基材に用いた。
れるＥＣＹ７６８（典型組成：２３．５Ｃｒ−１０Ｎｉ
−７Ｗ−３．５Ｔａ−０．２５Ｔｉ−０．１８Ａｌ−
０．６０Ｃ−残りＣｏ）を基材に用いた。
【００４３】結合層は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ（典型組
成：３１〜３３Ｎｉ−２０〜２２Ｃｒ−７〜９Ａｌ−
０．３５〜０．６５Ｙ−残りＣｏ）を低圧プラズマ溶射
法により厚さ０．１ｍｍに形成した。なお、耐久性が低
下してしまう可能性を有するものの、製造コストを抑え
ることができるため、ＨＶＯＦ（High Velocity Oxi-Fu
el Flame Spray：超高速フレーム溶射）法により結合層
を形成することも可能である。
成：３１〜３３Ｎｉ−２０〜２２Ｃｒ−７〜９Ａｌ−
０．３５〜０．６５Ｙ−残りＣｏ）を低圧プラズマ溶射
法により厚さ０．１ｍｍに形成した。なお、耐久性が低
下してしまう可能性を有するものの、製造コストを抑え
ることができるため、ＨＶＯＦ（High Velocity Oxi-Fu
el Flame Spray：超高速フレーム溶射）法により結合層
を形成することも可能である。
【００４４】遮熱層は、イットリア安定化ジルコニア
（典型組成：８Ｙ2 Ｏ3 −ＺｒＯ2 ）を大気プラズマ溶
射法により厚さ０．３ｍｍに形成した。
（典型組成：８Ｙ2 Ｏ3 −ＺｒＯ2 ）を大気プラズマ溶
射法により厚さ０．３ｍｍに形成した。
【００４５】なお、結合層の形成前にアルミナブラスト
により基材の表面汚れ除去及び粗面化を行った。
により基材の表面汚れ除去及び粗面化を行った。
【００４６】まず、初めに、結合層からα−アルミナ層
を生成させるのに適切な熱処理条件を求めた。
を生成させるのに適切な熱処理条件を求めた。
【００４７】具体的には、表３に示した熱処理温度、雰
囲気、時間、加熱炉ヒータ線材質の各条件で熱処理を行
って高温部材を製作した後、Ｘ線回折法により、生成酸
化物の同定および断面組織の観察を行った。
囲気、時間、加熱炉ヒータ線材質の各条件で熱処理を行
って高温部材を製作した後、Ｘ線回折法により、生成酸
化物の同定および断面組織の観察を行った。
【００４８】
【表３】
【００４９】表３からわかるように、酸素分圧の高い大
気中での熱処理条件下（比較体８，９）では、８５０℃
および１０８０℃の両者共にα−アルミナ層が生成せ
ず、スピネル酸化物が生成してしまった。一方、カーボ
ンヒータ使用の加熱炉を用いた真空環境で１０８０℃×
２時間の加熱を行う熱処理条件下（比較体６）では、い
ずれの酸化物も同定されなかった。さらに、金属製（モ
リブデン）ヒータ使用の加熱炉を用いた真空環境で８５
０℃×２４時間の加熱を行う熱処理条件下（比較体７）
では、θ−アルミナが生成してしまった。これに対し、
金属製（モリブデン）ヒータ使用の加熱炉を用いた真空
環境で１０８０℃×２時間の加熱を行う熱処理条件下
（試験体４）では、α−アルミナ層の生成が確認され
た。
気中での熱処理条件下（比較体８，９）では、８５０℃
および１０８０℃の両者共にα−アルミナ層が生成せ
ず、スピネル酸化物が生成してしまった。一方、カーボ
ンヒータ使用の加熱炉を用いた真空環境で１０８０℃×
２時間の加熱を行う熱処理条件下（比較体６）では、い
ずれの酸化物も同定されなかった。さらに、金属製（モ
リブデン）ヒータ使用の加熱炉を用いた真空環境で８５
０℃×２４時間の加熱を行う熱処理条件下（比較体７）
では、θ−アルミナが生成してしまった。これに対し、
金属製（モリブデン）ヒータ使用の加熱炉を用いた真空
環境で１０８０℃×２時間の加熱を行う熱処理条件下
（試験体４）では、α−アルミナ層の生成が確認され
た。
【００５０】なお、生成するアルミナの種類は、一般に
約９００℃を境にθ−アルミナからα−アルミナ層へ変
化する。よって、α−アルミナ層を生成させるために
は、カーボンヒータのような還元作用のないヒータ線使
用の加熱炉を用いて少なくとも９００℃以上で熱処理す
る必要がある。
約９００℃を境にθ−アルミナからα−アルミナ層へ変
化する。よって、α−アルミナ層を生成させるために
は、カーボンヒータのような還元作用のないヒータ線使
用の加熱炉を用いて少なくとも９００℃以上で熱処理す
る必要がある。
【００５１】次に、耐久性を確認するため、次のような
熱サイクル試験を行った。試験体は、直径１０ｍｍ、長
さ６５ｍｍのＥＣＹ７６８製の基材の中央部３５ｍｍに
上述の製造方法にしたがって結合層および遮熱層を形成
した。なお、結合層形成後のα−アルミナ層生成のため
の熱処理条件は、金属製ヒータ使用の加熱炉で真空環境
下、１０８０℃×２時間とし、さらに、結合層と遮熱層
との密着性向上を図るため、遮熱層形成後に８５０℃×
２４時間の時効熱処理を行った（試験体５）。
熱サイクル試験を行った。試験体は、直径１０ｍｍ、長
さ６５ｍｍのＥＣＹ７６８製の基材の中央部３５ｍｍに
上述の製造方法にしたがって結合層および遮熱層を形成
した。なお、結合層形成後のα−アルミナ層生成のため
の熱処理条件は、金属製ヒータ使用の加熱炉で真空環境
下、１０８０℃×２時間とし、さらに、結合層と遮熱層
との密着性向上を図るため、遮熱層形成後に８５０℃×
２４時間の時効熱処理を行った（試験体５）。
【００５２】また、比較体として、金属製ヒータ使用の
加熱炉に代えてカーボンヒータ使用の加熱炉を用いたも
の（比較体１０）と、結合層形成前に１０８０℃×２時
間の熱処理を行い、結合層形成後と遮熱層形成前との間
には熱処理を行わず、遮熱層形成後に８５０℃×２４時
間の時効熱処理を実施したもの（比較体１１）を製造し
た。
加熱炉に代えてカーボンヒータ使用の加熱炉を用いたも
の（比較体１０）と、結合層形成前に１０８０℃×２時
間の熱処理を行い、結合層形成後と遮熱層形成前との間
には熱処理を行わず、遮熱層形成後に８５０℃×２４時
間の時効熱処理を実施したもの（比較体１１）を製造し
た。
【００５３】試験方法は、流動床炉において、６０℃か
ら１０００℃まで３分間で加熱した後、１０００℃から
６０℃まで圧縮空気を吹き付けて６分間で冷却すること
を亀裂や剥離が認められるまで繰り返し、その亀裂や剥
離の発生するまでの回数を求めた。その結果を表４に示
す。
ら１０００℃まで３分間で加熱した後、１０００℃から
６０℃まで圧縮空気を吹き付けて６分間で冷却すること
を亀裂や剥離が認められるまで繰り返し、その亀裂や剥
離の発生するまでの回数を求めた。その結果を表４に示
す。
【００５４】
【表４】
【００５５】表４からわかるように、α−アルミナ層を
形成した試験体５は、α−アルミナ層のない比較体１
０，１１の約２〜３倍以上の耐熱サイクル性を有し、そ
の耐久性が優れることを確認できた。
形成した試験体５は、α−アルミナ層のない比較体１
０，１１の約２〜３倍以上の耐熱サイクル性を有し、そ
の耐久性が優れることを確認できた。
【００５６】
【発明の効果】本発明による高温部材は、金属からなる
基材と、前記基材の表面に設けられてＭＣｒＡｌＹから
なる結合層と、前記結合層の表面に設けられたα−アル
ミナ層と、前記α−アルミナ層の表面に設けられて酸化
物系セラミックスからなる遮熱層とを備えてなることか
ら、緻密であると共に高温環境下での長時間の使用に伴
う成長速度の遅いα−アルミナ層が結合層と遮熱層との
間に存在するので、高温環境下での長時間の使用でも高
耐久性が発現されるようになる。
基材と、前記基材の表面に設けられてＭＣｒＡｌＹから
なる結合層と、前記結合層の表面に設けられたα−アル
ミナ層と、前記α−アルミナ層の表面に設けられて酸化
物系セラミックスからなる遮熱層とを備えてなることか
ら、緻密であると共に高温環境下での長時間の使用に伴
う成長速度の遅いα−アルミナ層が結合層と遮熱層との
間に存在するので、高温環境下での長時間の使用でも高
耐久性が発現されるようになる。
【００５７】一方、本発明による高温部材の製造方法
は、金属からなる基材の表面に、ＭＣｒＡｌＹからなる
結合層を設けた後、真空環境下、９００℃以上で熱処理
を行うことにより、当該結合層の表面にα−アルミナ層
を形成し、続いて、当該α−アルミナ層の表面に、酸化
物系セラミックスからなる遮熱層を設けるようにしたこ
とから、高温環境下での長時間の使用でも高耐久性を発
現することができる高温部材を簡単に製造することがで
きる。また、上述の熱処理は、基材の溶体化もしくは安
定化時効熱処理と兼ねることができるので、コストの上
昇なしに高温部材の耐久性を向上させることができる。
は、金属からなる基材の表面に、ＭＣｒＡｌＹからなる
結合層を設けた後、真空環境下、９００℃以上で熱処理
を行うことにより、当該結合層の表面にα−アルミナ層
を形成し、続いて、当該α−アルミナ層の表面に、酸化
物系セラミックスからなる遮熱層を設けるようにしたこ
とから、高温環境下での長時間の使用でも高耐久性を発
現することができる高温部材を簡単に製造することがで
きる。また、上述の熱処理は、基材の溶体化もしくは安
定化時効熱処理と兼ねることができるので、コストの上
昇なしに高温部材の耐久性を向上させることができる。
【００５８】また、金属製ヒータ使用の加熱炉を用いて
前記熱処理を行えば、結合層の表面にα−アルミナ層を
確実に形成することができる。
前記熱処理を行えば、結合層の表面にα−アルミナ層を
確実に形成することができる。
【図１】本発明による高温部材を産業用ガスタービンの
動翼に適用する場合の実施の形態の構造を表す断面図で
ある。
動翼に適用する場合の実施の形態の構造を表す断面図で
ある。
【図２】本発明による高温部材を産業用ガスタービンの
静翼に適用する場合の実施の形態の構造を表す断面図で
ある。
静翼に適用する場合の実施の形態の構造を表す断面図で
ある。
【図３】従来の高温部材の構造を表す断面図である。
１１，２１ 基材 １２，２２ 結合層 １３，２３ α−アルミナ層 １４，２４ 遮熱層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２３Ｃ 28/00 Ｃ２３Ｃ 28/00 Ａ (72)発明者 西浦 由希子 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者 守屋 慶一 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 Ｆターム(参考） 4K031 AA02 AA04 AB03 AB08 CB22 CB26 CB27 CB42 DA04 EA10 FA01 FA10 4K044 AA01 AB10 BA02 BA06 BA10 BA12 BB04 BB11 BC11 CA11 CA62
Claims (3)
- 【請求項１】 金属からなる基材と、 前記基材の表面に設けられてＭＣｒＡｌＹからなる結合
層と、 前記結合層の表面に設けられたα−アルミナ層と、 前記α−アルミナ層の表面に設けられて酸化物系セラミ
ックスからなる遮熱層とを備えてなることを特徴とする
高温部材。 - 【請求項２】 金属からなる基材の表面に、ＭＣｒＡｌ
Ｙからなる結合層を設けた後、真空環境下、９００℃以
上で熱処理を行うことにより、当該結合層の表面にα−
アルミナ層を形成し、続いて、当該α−アルミナ層の表
面に、酸化物系セラミックスからなる遮熱層を設けるよ
うにしたことを特徴とする高温部材の製造方法。 - 【請求項３】 金属製ヒータ使用の加熱炉を用いて前記
熱処理を行うことを特徴とする請求項２に記載の高温部
材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18192298A JP3411823B2 (ja) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | 高温部材およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18192298A JP3411823B2 (ja) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | 高温部材およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000017458A true JP2000017458A (ja) | 2000-01-18 |
| JP3411823B2 JP3411823B2 (ja) | 2003-06-03 |
Family
ID=16109260
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18192298A Expired - Fee Related JP3411823B2 (ja) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | 高温部材およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3411823B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003068673A2 (de) * | 2002-02-15 | 2003-08-21 | Alstom Technology Ltd | Verfahren zum herstellen eines thermisch hoch belastbaren, mit einer wärmeschutzschicht beschichteten bauteils |
| JP2007231422A (ja) * | 2006-03-01 | 2007-09-13 | United Technol Corp <Utc> | コーティング方法、およびコーティングされた物品 |
| JP2007262530A (ja) * | 2006-03-29 | 2007-10-11 | Chubu Electric Power Co Inc | 耐酸化コーティング部材およびその製造方法 |
| JP2007297711A (ja) * | 2006-05-05 | 2007-11-15 | Sulzer Metco Ag | 被覆を製造する方法 |
| JP2012082519A (ja) * | 2010-10-11 | 2012-04-26 | Sulzer Metco Ag | 熱遮蔽被覆構造体を製造する方法 |
| KR20170034252A (ko) * | 2015-09-18 | 2017-03-28 | 한국전력공사 | 열차폐 코팅층 형성방법 및 이에 의해 형성된 열차폐 코팅층 |
-
1998
- 1998-06-29 JP JP18192298A patent/JP3411823B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003068673A2 (de) * | 2002-02-15 | 2003-08-21 | Alstom Technology Ltd | Verfahren zum herstellen eines thermisch hoch belastbaren, mit einer wärmeschutzschicht beschichteten bauteils |
| WO2003068673A3 (de) * | 2002-02-15 | 2003-10-16 | Alstom Switzerland Ltd | Verfahren zum herstellen eines thermisch hoch belastbaren, mit einer wärmeschutzschicht beschichteten bauteils |
| JP2007231422A (ja) * | 2006-03-01 | 2007-09-13 | United Technol Corp <Utc> | コーティング方法、およびコーティングされた物品 |
| JP2007262530A (ja) * | 2006-03-29 | 2007-10-11 | Chubu Electric Power Co Inc | 耐酸化コーティング部材およびその製造方法 |
| JP2007297711A (ja) * | 2006-05-05 | 2007-11-15 | Sulzer Metco Ag | 被覆を製造する方法 |
| JP2012082519A (ja) * | 2010-10-11 | 2012-04-26 | Sulzer Metco Ag | 熱遮蔽被覆構造体を製造する方法 |
| KR20170034252A (ko) * | 2015-09-18 | 2017-03-28 | 한국전력공사 | 열차폐 코팅층 형성방법 및 이에 의해 형성된 열차폐 코팅층 |
| KR102359508B1 (ko) | 2015-09-18 | 2022-02-09 | 한국서부발전(주) | 열차폐 코팅층 형성방법 및 이에 의해 형성된 열차폐 코팅층 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3411823B2 (ja) | 2003-06-03 |
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