JP2000301655A - 熱遮蔽皮膜被覆部材および熱遮蔽皮膜の形成方法 - Google Patents
熱遮蔽皮膜被覆部材および熱遮蔽皮膜の形成方法Info
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- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
- Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ガスタービンおよびジェットエンジンの高温
被曝部材に形成されている熱遮蔽皮膜のトップコートの
早期剥離現象を防止し、長期間にわたって高温被曝部材
を保護すること。 【解決手段】 基材の表面に、ＭCrAlＸ合金溶射皮膜か
らなるアンダーコートを30〜500 μｍの厚さに施した
後、その上に大気プラズマ溶射法または減圧プラズマ溶
射法によってZrO2系セラミックス溶射皮膜からなるトッ
プコートを、アンダーコートの表面温度が 500〜900 ℃
の範囲に調節しつつ、気孔率２〜８％、膜厚50〜600 μ
ｍに施工し、溶射後の冷却過程または実用環境下の温度
変化を利用してトップコートのみに縦割れを発生させ
る。
被曝部材に形成されている熱遮蔽皮膜のトップコートの
早期剥離現象を防止し、長期間にわたって高温被曝部材
を保護すること。 【解決手段】 基材の表面に、ＭCrAlＸ合金溶射皮膜か
らなるアンダーコートを30〜500 μｍの厚さに施した
後、その上に大気プラズマ溶射法または減圧プラズマ溶
射法によってZrO2系セラミックス溶射皮膜からなるトッ
プコートを、アンダーコートの表面温度が 500〜900 ℃
の範囲に調節しつつ、気孔率２〜８％、膜厚50〜600 μ
ｍに施工し、溶射後の冷却過程または実用環境下の温度
変化を利用してトップコートのみに縦割れを発生させ
る。
Description
【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の高温被曝部材に適した熱遮蔽皮膜
被覆部材と熱遮蔽皮膜の形成方法に関するものである。
本発明の技術は、ボイラ、ディーゼル、高炉、熱処理炉
などに配設されている各種の高温被曝部材ならびにその
製造技術に対しても適用することができる。
ェットエンジンなどの高温被曝部材に適した熱遮蔽皮膜
被覆部材と熱遮蔽皮膜の形成方法に関するものである。
本発明の技術は、ボイラ、ディーゼル、高炉、熱処理炉
などに配設されている各種の高温被曝部材ならびにその
製造技術に対しても適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】ディーゼル、ボイラ、ガスタービンおよ
びジェットエンジンなどの原動機関では、熱効率の向上
を目的として精力的な開発研究が進められていることは
周知のとおりである。しかし、熱効率の向上は同時に、
構成部材に対する過酷な熱負荷の増大を強いる結果とも
なっている。従って、これらの原動機関の高温部に使用
される金属材料としては、使用環境下で高い機械的強度
を有すると共に、耐高温酸化性および耐高温腐食性に優
れることが要求される。このような要求に応えるため、
従来からCr, Ni, Mo, Co, Ｗ，Ta, AlおよびTiなどの非
鉄金属元素を主成分とする、いわゆる超合金と呼ばれる
耐熱合金類が多数開発されてきた。しかし、これらの超
合金類は、高温強度が最優先されるため、強度の向上に
役立たない金属元素の添加は必然的にその割合が低く抑
えられる傾向にある。このような強度の向上に役立たな
い金属元素の代表は、Cr, Al, Si等であるが、一方でこ
れらの元素は、耐酸化性、耐高温腐食性には優れている
ことから、上記のような高温強度を優先した超合金は、
耐酸化性や耐高温腐食性には乏しいのが一般的である。
びジェットエンジンなどの原動機関では、熱効率の向上
を目的として精力的な開発研究が進められていることは
周知のとおりである。しかし、熱効率の向上は同時に、
構成部材に対する過酷な熱負荷の増大を強いる結果とも
なっている。従って、これらの原動機関の高温部に使用
される金属材料としては、使用環境下で高い機械的強度
を有すると共に、耐高温酸化性および耐高温腐食性に優
れることが要求される。このような要求に応えるため、
従来からCr, Ni, Mo, Co, Ｗ，Ta, AlおよびTiなどの非
鉄金属元素を主成分とする、いわゆる超合金と呼ばれる
耐熱合金類が多数開発されてきた。しかし、これらの超
合金類は、高温強度が最優先されるため、強度の向上に
役立たない金属元素の添加は必然的にその割合が低く抑
えられる傾向にある。このような強度の向上に役立たな
い金属元素の代表は、Cr, Al, Si等であるが、一方でこ
れらの元素は、耐酸化性、耐高温腐食性には優れている
ことから、上記のような高温強度を優先した超合金は、
耐酸化性や耐高温腐食性には乏しいのが一般的である。
【０００３】このような状況に鑑み、高温環境下で使用
する超合金部材に対しては、予めCrやAl, Siなどの金属
あるいは合金をその表面に溶射法や拡散浸透法などによ
って被覆し、超合金の化学的損傷に対する抵抗力の低下
を補償している。
する超合金部材に対しては、予めCrやAl, Siなどの金属
あるいは合金をその表面に溶射法や拡散浸透法などによ
って被覆し、超合金の化学的損傷に対する抵抗力の低下
を補償している。
【０００４】近年、耐酸化性、耐熱性を有する酸化物や
合金類を容易に皮膜化する溶射法が普及し、これと並行
して優れた耐酸化性を発揮するＭCrAlＸ合金 (ここで、
Ｍは、Ni, CoおよびFeから選ばれるいずれか１種以上の
金属。Ｘは、Ｙ, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Siおよ
びThから選ばれるいずれか１種以上の金属) で示される
溶射材料の開発によって、溶射法の優位性がさらに高め
られている。このＭCrAlＸ合金材料に関する先行技術と
して、例えば、特開昭59−118847号公報や特開昭60−14
1842号公報に開示の技術がある。
合金類を容易に皮膜化する溶射法が普及し、これと並行
して優れた耐酸化性を発揮するＭCrAlＸ合金 (ここで、
Ｍは、Ni, CoおよびFeから選ばれるいずれか１種以上の
金属。Ｘは、Ｙ, Hf, Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Siおよ
びThから選ばれるいずれか１種以上の金属) で示される
溶射材料の開発によって、溶射法の優位性がさらに高め
られている。このＭCrAlＸ合金材料に関する先行技術と
して、例えば、特開昭59−118847号公報や特開昭60−14
1842号公報に開示の技術がある。
【０００５】一方、ＭCrAlＸ合金溶射皮膜が用いられる
分野に、高温被曝部材に施工して用いる熱遮蔽皮膜 (Th
ermal Barrier Coating, NASA Technical Memorandum：
NASA−TM−Ｘ3425：以下、単に「ＴＢＣ」と略記する)
がある。この皮膜は、アンダーコートとしてＭCrAlＸ合
金の皮膜を形成し、トップコートとして耐熱性に優れる
とともに熱伝導率の小さいZrO2系セラミックスの皮膜を
重畳被覆してなるものである。
分野に、高温被曝部材に施工して用いる熱遮蔽皮膜 (Th
ermal Barrier Coating, NASA Technical Memorandum：
NASA−TM−Ｘ3425：以下、単に「ＴＢＣ」と略記する)
がある。この皮膜は、アンダーコートとしてＭCrAlＸ合
金の皮膜を形成し、トップコートとして耐熱性に優れる
とともに熱伝導率の小さいZrO2系セラミックスの皮膜を
重畳被覆してなるものである。
【０００６】このようなＭCrAlＸ合金皮膜とZrO2系セラ
ミックス皮膜の組合せに係る上記ＴＢＣは、ガスタービ
ンの高温被曝部材のみならず、遠心鋳造用モールド (例
えば、特開昭64−870503号公報) や溶融板ガラスの搬送
用ロールの耐熱性皮膜 (例えば特開平 4−460622号公
報) などの耐熱性皮膜としても利用されている。しか
し、このようなＭCrAlＸ合金とZrO2系セラミックスを組
み合わせたＴＢＣにおいても、昨今の高温化されたガス
タービンの運転環境下でしばしば両皮膜の境界からトッ
プコートのみが剥離し、熱遮蔽作用が喪失するという問
題があった。
ミックス皮膜の組合せに係る上記ＴＢＣは、ガスタービ
ンの高温被曝部材のみならず、遠心鋳造用モールド (例
えば、特開昭64−870503号公報) や溶融板ガラスの搬送
用ロールの耐熱性皮膜 (例えば特開平 4−460622号公
報) などの耐熱性皮膜としても利用されている。しか
し、このようなＭCrAlＸ合金とZrO2系セラミックスを組
み合わせたＴＢＣにおいても、昨今の高温化されたガス
タービンの運転環境下でしばしば両皮膜の境界からトッ
プコートのみが剥離し、熱遮蔽作用が喪失するという問
題があった。
【０００７】この対策として従来、アンダーコートとし
てのＭCrAlＸ合金皮膜に対し、Al被覆層を酸化させたAl
2O3 層を設けて、その耐酸化力を向上させることによっ
て、トップコートの剥離を防ぐ技術 (特開昭62−211387
号公報) や、トップコートのZrO2中にCaO , SiO2を添加
して微細な割れを発生させることによって熱応力を分散
させ、このことによってトップコートの剥離を防ぐ方法
(例えば、特開平 4−36454 号公報) も提案されてい
る。しかし、これらの対策技術は、いずれもその出願当
時のガスタービンの使用温度域 (1100〜1300℃) におい
ては、その目的は十分に達成されていたが、昨今のとく
に稼働温度が1500℃を超えるような使用環境に対しては
不十分であった。
てのＭCrAlＸ合金皮膜に対し、Al被覆層を酸化させたAl
2O3 層を設けて、その耐酸化力を向上させることによっ
て、トップコートの剥離を防ぐ技術 (特開昭62−211387
号公報) や、トップコートのZrO2中にCaO , SiO2を添加
して微細な割れを発生させることによって熱応力を分散
させ、このことによってトップコートの剥離を防ぐ方法
(例えば、特開平 4−36454 号公報) も提案されてい
る。しかし、これらの対策技術は、いずれもその出願当
時のガスタービンの使用温度域 (1100〜1300℃) におい
ては、その目的は十分に達成されていたが、昨今のとく
に稼働温度が1500℃を超えるような使用環境に対しては
不十分であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、稼働温度が
1500℃を超えるような高温の環境で使用される熱遮蔽皮
膜（ＴＢＣ）について、とくにZrO2系セラミックストッ
プコートが早期に破壊されたり、局部的に剥離してその
熱遮蔽機能が喪失するという従来技術が抱える課題を解
決するものである。 (1) ＴＢＣは、通常、ＭCrAlＸ合金からなるアンダーコ
ートとZrO2系セラミックスからなるトップコートから構
成され、トップコートは種として輻射熱による部材の高
温化を防ぐ役割を果たしている。しかし、このトップコ
ートは、急激な温度変化を受けると、しばしばトップコ
ートのみがアンダーコートとの界面から剥離するため、
ＴＢＣとしての機能を喪失する。 (2) 急激な温度変化を受けたＴＢＣでは、金属質のアン
ダーコートとセラミックス質のトップコートが保有する
それぞれの物質固有の熱的特性の差（熱応力）が、極端
な形で両コートの界面に集中して発生して、皮膜界面か
らの剥離が起こる。 (3) 現在の技術により形成されているトップコートは、
(2) 項のような機構で発生する熱応力と輻射による熱伝
導率を低下させるため、多孔質な状態が最良とされてい
るが (例えば、日本溶射協会編、溶射技術ハンドブック
新技術開発センター出版、1998年５月30日 505頁) 、
昨今の高温化されたガスタービンの運転環境下では、多
孔質なトップコートは多数の横方向の割れが発生し (ア
ンダーコート面と並行な水平方向の割れ) 、アンダーコ
ートとの界面はもとより、トップコートの中でも横方向
(水平方向) の割れの発生とその成長が激しくなり、Ｔ
ＢＣとしての機能が著しく低下するという問題がある。 (4) 現行技術による多孔質なトップコートは、現在のガ
スタービンの運転温度では比較的良好なＴＢＣ特性を示
すが、さらに一段と高いレベルの温度域になると、焼結
収縮現象が顕著となって収縮応力が発生し、トップコー
トの横方向に対しても多数の割れが発生して成長し、ト
ップコートの剥離原因となっている。
1500℃を超えるような高温の環境で使用される熱遮蔽皮
膜（ＴＢＣ）について、とくにZrO2系セラミックストッ
プコートが早期に破壊されたり、局部的に剥離してその
熱遮蔽機能が喪失するという従来技術が抱える課題を解
決するものである。 (1) ＴＢＣは、通常、ＭCrAlＸ合金からなるアンダーコ
ートとZrO2系セラミックスからなるトップコートから構
成され、トップコートは種として輻射熱による部材の高
温化を防ぐ役割を果たしている。しかし、このトップコ
ートは、急激な温度変化を受けると、しばしばトップコ
ートのみがアンダーコートとの界面から剥離するため、
ＴＢＣとしての機能を喪失する。 (2) 急激な温度変化を受けたＴＢＣでは、金属質のアン
ダーコートとセラミックス質のトップコートが保有する
それぞれの物質固有の熱的特性の差（熱応力）が、極端
な形で両コートの界面に集中して発生して、皮膜界面か
らの剥離が起こる。 (3) 現在の技術により形成されているトップコートは、
(2) 項のような機構で発生する熱応力と輻射による熱伝
導率を低下させるため、多孔質な状態が最良とされてい
るが (例えば、日本溶射協会編、溶射技術ハンドブック
新技術開発センター出版、1998年５月30日 505頁) 、
昨今の高温化されたガスタービンの運転環境下では、多
孔質なトップコートは多数の横方向の割れが発生し (ア
ンダーコート面と並行な水平方向の割れ) 、アンダーコ
ートとの界面はもとより、トップコートの中でも横方向
(水平方向) の割れの発生とその成長が激しくなり、Ｔ
ＢＣとしての機能が著しく低下するという問題がある。 (4) 現行技術による多孔質なトップコートは、現在のガ
スタービンの運転温度では比較的良好なＴＢＣ特性を示
すが、さらに一段と高いレベルの温度域になると、焼結
収縮現象が顕著となって収縮応力が発生し、トップコー
トの横方向に対しても多数の割れが発生して成長し、ト
ップコートの剥離原因となっている。
【０００９】そこで、本発明の目的は、従来よりもさら
に高温の環境で使用されても皮膜の剥離が起こらず、長
期に亘る連続的な使用ができる熱遮蔽皮膜被覆部材を提
供することにある。本発明の他の目的は、上記熱遮蔽皮
膜を確実に形成するための方法を提案するところにあ
る。
に高温の環境で使用されても皮膜の剥離が起こらず、長
期に亘る連続的な使用ができる熱遮蔽皮膜被覆部材を提
供することにある。本発明の他の目的は、上記熱遮蔽皮
膜を確実に形成するための方法を提案するところにあ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上掲の目的を達成するた
めに鋭意研究した結果、本発明らは、ZrO2系セラミック
ス溶射皮膜からなるトップコートに加わる熱衝撃や、高
温焼結に伴う横方向割れの発生によって起こる皮膜の剥
離等と、ＴＢＣとしての機能の低下を防止するため、次
のような技術手段を採用する。 (1) 耐熱合金などの基材表面に、まずＭCrAlＸ合金材料
を溶射してアンダーコートを施工し、そしてその上に、
ZrO2系セラミックスを溶射してトップコートを施工して
緻密な熱遮蔽皮膜を形成する。 (2) このとき、緻密な熱遮蔽皮膜形成手段の一つとし
て、アンダーコート溶射皮膜表面のみならず既に溶射し
終えたトップコートのZrO2系セラミックス粒子表面を、
プラズマフレームと溶射施工部の距離を近づけて触れる
ようにすることなどの手段を使って、それらの表面 (ア
ンダーコートおよびトップコートのZrO2系セラミックス
粒子表面) を高温状態に維持するという条件下で溶射作
業を終える。このようにして、熱遮蔽皮膜（ＴＢＣ）の
形成が終わるまで、アンダーコート等の表面を高温に保
持して形成した緻密質トップコートは、溶射終了に伴う
冷却過程などにおける急激な温度変化、とくに急冷処理
されると、溶射時に蓄積された応力によって、皮膜に縦
割れが発生する。 (3) 上述した緻密なトップコートを形成する他の手段と
しては、減圧下においてプラズマ溶射法を適用すること
によってZrO2系セラミックス層を形成する方法が効果的
である。即ち、この方法は、減圧下雰囲気で行うのでプ
ラズマフレームが長くのび、その上速くなるという特徴
がある。さらに、こうした減圧下の溶射では、プラズマ
フレームの最高温度が約4000℃と低くなる。従って、こ
のような条件下でトップコートを形成すると、フレーム
の先端が常に溶射施工部にほぼ接触することになり、そ
れ故に該アンダ−コ−トおよびトップコートは、常に高
温状態に維持されたままとなり、緻密な皮膜が生成する
とともに、施工直後の冷却時、または一旦徐冷したのち
実用環境下において再度加熱したり、さらに急冷する場
合等の温度変化時と、該トップコートには横割れでなく
縦割れが発生する。
めに鋭意研究した結果、本発明らは、ZrO2系セラミック
ス溶射皮膜からなるトップコートに加わる熱衝撃や、高
温焼結に伴う横方向割れの発生によって起こる皮膜の剥
離等と、ＴＢＣとしての機能の低下を防止するため、次
のような技術手段を採用する。 (1) 耐熱合金などの基材表面に、まずＭCrAlＸ合金材料
を溶射してアンダーコートを施工し、そしてその上に、
ZrO2系セラミックスを溶射してトップコートを施工して
緻密な熱遮蔽皮膜を形成する。 (2) このとき、緻密な熱遮蔽皮膜形成手段の一つとし
て、アンダーコート溶射皮膜表面のみならず既に溶射し
終えたトップコートのZrO2系セラミックス粒子表面を、
プラズマフレームと溶射施工部の距離を近づけて触れる
ようにすることなどの手段を使って、それらの表面 (ア
ンダーコートおよびトップコートのZrO2系セラミックス
粒子表面) を高温状態に維持するという条件下で溶射作
業を終える。このようにして、熱遮蔽皮膜（ＴＢＣ）の
形成が終わるまで、アンダーコート等の表面を高温に保
持して形成した緻密質トップコートは、溶射終了に伴う
冷却過程などにおける急激な温度変化、とくに急冷処理
されると、溶射時に蓄積された応力によって、皮膜に縦
割れが発生する。 (3) 上述した緻密なトップコートを形成する他の手段と
しては、減圧下においてプラズマ溶射法を適用すること
によってZrO2系セラミックス層を形成する方法が効果的
である。即ち、この方法は、減圧下雰囲気で行うのでプ
ラズマフレームが長くのび、その上速くなるという特徴
がある。さらに、こうした減圧下の溶射では、プラズマ
フレームの最高温度が約4000℃と低くなる。従って、こ
のような条件下でトップコートを形成すると、フレーム
の先端が常に溶射施工部にほぼ接触することになり、そ
れ故に該アンダ−コ−トおよびトップコートは、常に高
温状態に維持されたままとなり、緻密な皮膜が生成する
とともに、施工直後の冷却時、または一旦徐冷したのち
実用環境下において再度加熱したり、さらに急冷する場
合等の温度変化時と、該トップコートには横割れでなく
縦割れが発生する。
【００１１】このように、減圧雰囲気下で溶射を行う
と、溶射材料のZrO2の一部が酸素を喪失してZrO2-Xとな
る (このことは、外観変化によっても観察できる。例え
ば、ZrO2を大気中で溶射すると淡黄色となり、減圧下の
溶射では灰黒色となる) 。そこで、減圧下で形成した灰
黒色のトップコートは、燃焼ガス中や空気中の高温環境
に被曝させると、淡黄色のZrO2に戻るが、その際、体積
変化を伴うので、緻密な皮膜ではこれが縦割れを誘発す
ることとなる。
と、溶射材料のZrO2の一部が酸素を喪失してZrO2-Xとな
る (このことは、外観変化によっても観察できる。例え
ば、ZrO2を大気中で溶射すると淡黄色となり、減圧下の
溶射では灰黒色となる) 。そこで、減圧下で形成した灰
黒色のトップコートは、燃焼ガス中や空気中の高温環境
に被曝させると、淡黄色のZrO2に戻るが、その際、体積
変化を伴うので、緻密な皮膜ではこれが縦割れを誘発す
ることとなる。
【００１２】以上説明したように、本発明のＴＢＣを構
成するトップコートの施工は、従来の技術思想とは異な
り緻密な皮膜とすることにより、この皮膜に発生する熱
応力を利用した縦割れを発生させることによって、横割
れを防止するものである。
成するトップコートの施工は、従来の技術思想とは異な
り緻密な皮膜とすることにより、この皮膜に発生する熱
応力を利用した縦割れを発生させることによって、横割
れを防止するものである。
【００１３】このような新規知見の下に開発に成功した
本発明は、基材表面に、アンダーコートとして、膜厚：
30〜500 μｍの耐熱合金溶射皮膜が形成され、そのアン
ダーコート上にはトップコートとして、膜厚：50〜600
μｍ、気孔率：２〜８％で、多数の縦割れを有するZrO2
系セラミックス溶射皮膜が形成されてなる熱遮蔽皮膜が
設けられていることを特徴とする熱遮蔽皮膜被覆部材で
ある。
本発明は、基材表面に、アンダーコートとして、膜厚：
30〜500 μｍの耐熱合金溶射皮膜が形成され、そのアン
ダーコート上にはトップコートとして、膜厚：50〜600
μｍ、気孔率：２〜８％で、多数の縦割れを有するZrO2
系セラミックス溶射皮膜が形成されてなる熱遮蔽皮膜が
設けられていることを特徴とする熱遮蔽皮膜被覆部材で
ある。
【００１４】なお、本発明において、アンダーコート用
の耐熱合金は、Cr, Ni, Co, AlおよびＹのうちから選ば
れる２種以上の金属元素を含む合金を用い、また、トッ
プコート用のZrO2系セラミックス材料は、Y2O3, CaO ,
CeO2, MgO およびSiO2から選ばれる少なくとも１種の酸
化物を５〜40wt％含むものが好ましい。
の耐熱合金は、Cr, Ni, Co, AlおよびＹのうちから選ば
れる２種以上の金属元素を含む合金を用い、また、トッ
プコート用のZrO2系セラミックス材料は、Y2O3, CaO ,
CeO2, MgO およびSiO2から選ばれる少なくとも１種の酸
化物を５〜40wt％含むものが好ましい。
【００１５】また、本発明は、金属製などの基材の表面
に、耐熱合金材料を溶射してアンダーコートを形成し、
引き続きそのアンダーコートの上にZrO2系セラミックス
材料をプラズマ溶射してトップコートとしてなる熱遮蔽
皮膜を形成すると同時に、このトップコート施工時に前
記アンダーコートの表面および施工を終えたオーバーコ
ートの前記ZrO2系セラミックス粒子の表面を 500〜900
℃の温度に保持し、そしてトップコートの施工後に熱遮
蔽皮膜に対し急な温度変化を与えることによって、トッ
プコートのみに縦割れを発生させることを特徴とする熱
遮蔽皮膜の形成方法である。
に、耐熱合金材料を溶射してアンダーコートを形成し、
引き続きそのアンダーコートの上にZrO2系セラミックス
材料をプラズマ溶射してトップコートとしてなる熱遮蔽
皮膜を形成すると同時に、このトップコート施工時に前
記アンダーコートの表面および施工を終えたオーバーコ
ートの前記ZrO2系セラミックス粒子の表面を 500〜900
℃の温度に保持し、そしてトップコートの施工後に熱遮
蔽皮膜に対し急な温度変化を与えることによって、トッ
プコートのみに縦割れを発生させることを特徴とする熱
遮蔽皮膜の形成方法である。
【００１６】なお、本発明において、アンダーコートお
よびトップコートの溶射に当たっては、大気プラズマ溶
射法、高速フレーム溶射法もしくは減圧プラズマ溶射法
のうちから選ばれるいずれかの溶射法を用いることが好
ましい。また、トップコート施工後に行う熱遮蔽皮膜に
付与する温度変化は、トップコートの溶射処理終了直後
に急冷する場合の他、一旦徐冷した後に再加熱する場合
とか、さらにその後急冷する場合を含む。そして、アン
ダーコート用の耐熱合金の例としては、Cr, Ni, Co, Al
およびＹのうちから選ばれる２種以上の金属元素からな
る合金を用い、また、トップコート用のZrO2系セラミッ
クス材料は、Y2O3, CaO , CeO2, MgO およびSiO2から選
ばれる少なくとも１種の酸化物を５〜40wt％含有するこ
とが好ましい。
よびトップコートの溶射に当たっては、大気プラズマ溶
射法、高速フレーム溶射法もしくは減圧プラズマ溶射法
のうちから選ばれるいずれかの溶射法を用いることが好
ましい。また、トップコート施工後に行う熱遮蔽皮膜に
付与する温度変化は、トップコートの溶射処理終了直後
に急冷する場合の他、一旦徐冷した後に再加熱する場合
とか、さらにその後急冷する場合を含む。そして、アン
ダーコート用の耐熱合金の例としては、Cr, Ni, Co, Al
およびＹのうちから選ばれる２種以上の金属元素からな
る合金を用い、また、トップコート用のZrO2系セラミッ
クス材料は、Y2O3, CaO , CeO2, MgO およびSiO2から選
ばれる少なくとも１種の酸化物を５〜40wt％含有するこ
とが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下に、本発明にかかる熱遮蔽皮
膜形成方法について、工程順に説明する。 (1) アンダーコートの施工；基材としては、主としてNi
基合金や、Co基合金などの耐熱合金を用いることが望ま
しいが、もちろん他の金属材料でも使用できる。アンダ
ーコートの施工に当たっては、まず上記基材の表面を、
脱脂し、ブラスト処理などの方法によって清浄化するこ
とにより清浄粗面を形成する。その後、粗面化した基材
表面には、溶射法によって、Cr, Ni, Co, AlおよびＹの
うちから選ばれる２種以上の金属元素を含む耐熱合金の
溶射皮膜を形成する。例えば、ＭCrAlＸ合金 (ここでＭ
は、Ni, Co, Feまたはこれらの複数金属、Ｘは、Ｙ, H
f,Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si, Thなどの元素) による
アンダーコートを施工することが望ましい。このアンダ
ーコートの役割りは、前記耐熱合金製基材との結合力の
向上を図るとともに、次工程のZrO2系酸化物セラミック
スのトップコートとも優れた密着力を得るために、必須
の工程である。このアンダーコートの厚さは、30〜500
μm の範囲がよく、30μm より薄い場合と均等な厚さが
維持できないうえ、多孔質となるので、十分な耐高温酸
化性を発揮することができない。また、300 μm より厚
くしても、アンダーコートとして格別良好な性能が得ら
れないので経済的でない。溶射法については、大気プラ
ズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法、高速フレーム溶射
法、爆発溶射法のいずれの方法でもよく、特に限定する
ものではない。
膜形成方法について、工程順に説明する。 (1) アンダーコートの施工；基材としては、主としてNi
基合金や、Co基合金などの耐熱合金を用いることが望ま
しいが、もちろん他の金属材料でも使用できる。アンダ
ーコートの施工に当たっては、まず上記基材の表面を、
脱脂し、ブラスト処理などの方法によって清浄化するこ
とにより清浄粗面を形成する。その後、粗面化した基材
表面には、溶射法によって、Cr, Ni, Co, AlおよびＹの
うちから選ばれる２種以上の金属元素を含む耐熱合金の
溶射皮膜を形成する。例えば、ＭCrAlＸ合金 (ここでＭ
は、Ni, Co, Feまたはこれらの複数金属、Ｘは、Ｙ, H
f,Ta, Cs, Pt, Ce, Zr, La, Si, Thなどの元素) による
アンダーコートを施工することが望ましい。このアンダ
ーコートの役割りは、前記耐熱合金製基材との結合力の
向上を図るとともに、次工程のZrO2系酸化物セラミック
スのトップコートとも優れた密着力を得るために、必須
の工程である。このアンダーコートの厚さは、30〜500
μm の範囲がよく、30μm より薄い場合と均等な厚さが
維持できないうえ、多孔質となるので、十分な耐高温酸
化性を発揮することができない。また、300 μm より厚
くしても、アンダーコートとして格別良好な性能が得ら
れないので経済的でない。溶射法については、大気プラ
ズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法、高速フレーム溶射
法、爆発溶射法のいずれの方法でもよく、特に限定する
ものではない。
【００１８】(2) トップコートの施工とその性状；トッ
プコート用材料としては、Y2O3, CaO , CeO2, MgO , Si
O2から選ばれる１種以上の酸化物を５〜40wt％含むZrO2
系セラミックスが用いられる。これらの材料をプラズマ
溶射することによって、50〜600 μｍ厚のトップコート
を施工する。ただし、本発明においては、このトップコ
ートを施工する際に、アンダーコートおよびトップコー
トの表面温度を 500〜900 ℃に加熱維持した状態で行う
ことが必須となる。このような温度条件で成膜した熱遮
蔽皮膜（ＴＢＣ）トップコートは、従来の方法 (常温の
アンダーコートへの溶射) で得られるZrO2系セラミック
ス皮膜に比較すると非常に緻密となり、一見、ＴＢＣ用
のトップコートとして不向きと思われるような断面状態
を呈する。しかし、このアンダーコートおよびトップコ
ートとして溶射したZrO2系セラミックス粒子の温度を上
記の範囲に維持するという条件下で溶射を続けると、ト
ップコート形成のために溶射されたZrO2系セラミックス
粒子は500 ℃以下には冷却されることなくそのまま高温
状態を維持することとなる。そして、このような状態で
50μｍ以上も厚く施工したトップコートの場合、溶射を
中止して常温に急冷されるとき、大きな縦割れが多数発
生する。本発明の熱遮蔽皮膜（ＴＢＣ）のトップコート
は、このような現象を利用して形成したものである。
プコート用材料としては、Y2O3, CaO , CeO2, MgO , Si
O2から選ばれる１種以上の酸化物を５〜40wt％含むZrO2
系セラミックスが用いられる。これらの材料をプラズマ
溶射することによって、50〜600 μｍ厚のトップコート
を施工する。ただし、本発明においては、このトップコ
ートを施工する際に、アンダーコートおよびトップコー
トの表面温度を 500〜900 ℃に加熱維持した状態で行う
ことが必須となる。このような温度条件で成膜した熱遮
蔽皮膜（ＴＢＣ）トップコートは、従来の方法 (常温の
アンダーコートへの溶射) で得られるZrO2系セラミック
ス皮膜に比較すると非常に緻密となり、一見、ＴＢＣ用
のトップコートとして不向きと思われるような断面状態
を呈する。しかし、このアンダーコートおよびトップコ
ートとして溶射したZrO2系セラミックス粒子の温度を上
記の範囲に維持するという条件下で溶射を続けると、ト
ップコート形成のために溶射されたZrO2系セラミックス
粒子は500 ℃以下には冷却されることなくそのまま高温
状態を維持することとなる。そして、このような状態で
50μｍ以上も厚く施工したトップコートの場合、溶射を
中止して常温に急冷されるとき、大きな縦割れが多数発
生する。本発明の熱遮蔽皮膜（ＴＢＣ）のトップコート
は、このような現象を利用して形成したものである。
【００１９】この点に関し、従来の技術 (常温のアンダ
ーコートへの溶射施工) で得られるトップコートの場
合、耐熱衝撃性を向上させるため意識的に多孔質として
いたが、このような皮膜は確かに熱衝撃性に優れるもの
の、一旦亀裂が発生すると基材ならびにアンダーコート
面と平行に成長するため、トップコートのみが剥離して
その遮蔽機能を喪失するという欠点がある。
ーコートへの溶射施工) で得られるトップコートの場
合、耐熱衝撃性を向上させるため意識的に多孔質として
いたが、このような皮膜は確かに熱衝撃性に優れるもの
の、一旦亀裂が発生すると基材ならびにアンダーコート
面と平行に成長するため、トップコートのみが剥離して
その遮蔽機能を喪失するという欠点がある。
【００２０】これに対し、大きな縦割れの入った本発明
法の適用によって形成されるトップコートは、溶射後の
冷却時などの熱衝撃環境に置かれると割れを発生する
が、その割れは皮膜が緻密であるため、その成長方向の
大部分が縦方向になる。従って、その後に急激な温度変
化を受けても熱応力に起因して発生する剪断応力値が極
めて小さく皮膜剥離を招くようなことがない。
法の適用によって形成されるトップコートは、溶射後の
冷却時などの熱衝撃環境に置かれると割れを発生する
が、その割れは皮膜が緻密であるため、その成長方向の
大部分が縦方向になる。従って、その後に急激な温度変
化を受けても熱応力に起因して発生する剪断応力値が極
めて小さく皮膜剥離を招くようなことがない。
【００２１】図１(a),(b) は、従来技術と本発明のＴＢ
Ｃの断面ミクロ組織を示したものである。ここで、１は
基材、２はアンダーコート、３はトップコート、４は溶
射直後に発生した本発明の縦割れを示したものである。
図１(a) の従来技術によるＴＢＣには、縦割れのない多
孔質なトップコートが形成されているが、このトップコ
ートは実用環境中で熱衝撃を受けると横割れが発生して
剥離する欠点がある。
Ｃの断面ミクロ組織を示したものである。ここで、１は
基材、２はアンダーコート、３はトップコート、４は溶
射直後に発生した本発明の縦割れを示したものである。
図１(a) の従来技術によるＴＢＣには、縦割れのない多
孔質なトップコートが形成されているが、このトップコ
ートは実用環境中で熱衝撃を受けると横割れが発生して
剥離する欠点がある。
【００２２】以上説明したような縦割れを有するトップ
コートを形成する方法としては、以下に示すような方法
が有効である。 アンダーコートを施工した被処理体を、Ar, Heなど
の不活性ガス雰囲気中で 500〜900 ℃に加熱した後、プ
ラズマ溶射してトップコートを施工する。 (具体的には
減圧プラズマ溶射の使用が好適である。) 大気中でトップコートを施工する場合、プラズマジ
ェットのフレームを被処理体の表面に接触させるように
してその表面を 500〜900 ℃に加熱しながら溶射する
と、アンダーコート等を高温に保持したままの溶射が可
能になり、緻密で縦割れの発生したトップコートが得ら
れる。
コートを形成する方法としては、以下に示すような方法
が有効である。 アンダーコートを施工した被処理体を、Ar, Heなど
の不活性ガス雰囲気中で 500〜900 ℃に加熱した後、プ
ラズマ溶射してトップコートを施工する。 (具体的には
減圧プラズマ溶射の使用が好適である。) 大気中でトップコートを施工する場合、プラズマジ
ェットのフレームを被処理体の表面に接触させるように
してその表面を 500〜900 ℃に加熱しながら溶射する
と、アンダーコート等を高温に保持したままの溶射が可
能になり、緻密で縦割れの発生したトップコートが得ら
れる。
【００２３】本発明に適合するトップコートの気孔率
は、２〜８％の範囲がよく、２％より緻密なトップコー
トは溶射法では得られ難く、８％より多い気孔率では割
れが横方向に成長するので適当でない。
は、２〜８％の範囲がよく、２％より緻密なトップコー
トは溶射法では得られ難く、８％より多い気孔率では割
れが横方向に成長するので適当でない。
【００２４】また、トップコートの厚さは50〜600 μｍ
の範囲がよく、50μｍより薄いときは明瞭な縦割れの発
生が認められないうえ、熱遮蔽効果も乏しい欠点があ
る。一方、600 μｍより厚くしてもトップコートとして
の作用機構が格別向上することが認められないので、経
済的に得策でない。
の範囲がよく、50μｍより薄いときは明瞭な縦割れの発
生が認められないうえ、熱遮蔽効果も乏しい欠点があ
る。一方、600 μｍより厚くしてもトップコートとして
の作用機構が格別向上することが認められないので、経
済的に得策でない。
【００２５】(3) 縦割れしたトップコートの作用機構；
ＭCrAlＸ合金のアンダーコートとZrO2系セラミックスの
トップコートは全く異質で熱膨張係数や熱伝導率が異な
るため、急激な温度変化を受けると両コート間に主とし
て熱膨張係数の相違に起因する剪断応力が発生する。こ
の剪断応力が両コートの結合力より大きくなるとき、ト
ップコートが剥離するものと考えられる。しかし、トッ
プコートに縦割れが存在すると、剪断応力は分散された
り解放されるので、両コートの結合力より大きくはなら
ず、急激な温度変化を受けても剥離することなく、長期
間にわたって輻射熱を遮蔽する作用を維持することがで
きる。
ＭCrAlＸ合金のアンダーコートとZrO2系セラミックスの
トップコートは全く異質で熱膨張係数や熱伝導率が異な
るため、急激な温度変化を受けると両コート間に主とし
て熱膨張係数の相違に起因する剪断応力が発生する。こ
の剪断応力が両コートの結合力より大きくなるとき、ト
ップコートが剥離するものと考えられる。しかし、トッ
プコートに縦割れが存在すると、剪断応力は分散された
り解放されるので、両コートの結合力より大きくはなら
ず、急激な温度変化を受けても剥離することなく、長期
間にわたって輻射熱を遮蔽する作用を維持することがで
きる。
【００２６】また、現行技術による多孔質なトップコー
トは、1000〜1200℃程度のガスタービン環境では比較的
良好なＴＢＣ特性を示すが、1300℃以上の高温環境下で
は焼結収縮現象を起こして冷却過程で多数の横方向の割
れを発生する特徴があり、やがてトップコートの剥離原
因となる。これに対し、本発明のトップコートの縦割れ
は、比較的太いため高温収縮によって結合することがな
く、収縮による応力の発生も受けないため、トップコー
トに負荷される熱応力に対しては大きな抵抗力を発揮す
る。
トは、1000〜1200℃程度のガスタービン環境では比較的
良好なＴＢＣ特性を示すが、1300℃以上の高温環境下で
は焼結収縮現象を起こして冷却過程で多数の横方向の割
れを発生する特徴があり、やがてトップコートの剥離原
因となる。これに対し、本発明のトップコートの縦割れ
は、比較的太いため高温収縮によって結合することがな
く、収縮による応力の発生も受けないため、トップコー
トに負荷される熱応力に対しては大きな抵抗力を発揮す
る。
【００２７】
【実施例】(実施例１)この実施例では、Ni基合金製の試
験片 (幅50mm×長さ 100mm×厚３mm) の片面を脱脂し、
ブラスト処理した後、大気プラズマ溶射法によって、17
wt％Cr-6.0wt％Al-0.5wt％Ｙ−残りwt％Niのアンダーコ
ートを 100μｍ厚に施工し、さらにその上に、各種のZr
O2系セラミックスのトップコートを大気溶射法および減
圧プラズマ溶射法によって 300μｍ厚に施工した。本発
明の溶射皮膜を形成するに当たり、特にトップコートの
施工時にはアンダーコートの表面もしくはアンダーコー
トの表面にトップコートの一部として堆積するZrO2系セ
ラミックス粒子の温度が500〜900 ℃の間に保持される
ようにして成膜した。溶射後の皮膜は、その断面を光学
顕微鏡で観察して、トップコートに発生する縦割れの有
無および気孔率を調査する一方、さらに成膜試験片を 9
00℃×30min電気炉中で加熱後、これを25℃の水中へ投
入した後、皮膜の断面を検鏡し、トップコートの割れの
有無を調査した。なお、比較用の皮膜として、大気プラ
ズマ溶射法によって、本発明のアンダーコートとトップ
コートの溶射材料を用いて、それぞれ 100μｍ厚、300
μｍ厚に仕上げた。 (比較例の大気プラズマ溶射法で
は、アンダーコートの表面温度は25〜200 ℃の範囲であ
った。)
験片 (幅50mm×長さ 100mm×厚３mm) の片面を脱脂し、
ブラスト処理した後、大気プラズマ溶射法によって、17
wt％Cr-6.0wt％Al-0.5wt％Ｙ−残りwt％Niのアンダーコ
ートを 100μｍ厚に施工し、さらにその上に、各種のZr
O2系セラミックスのトップコートを大気溶射法および減
圧プラズマ溶射法によって 300μｍ厚に施工した。本発
明の溶射皮膜を形成するに当たり、特にトップコートの
施工時にはアンダーコートの表面もしくはアンダーコー
トの表面にトップコートの一部として堆積するZrO2系セ
ラミックス粒子の温度が500〜900 ℃の間に保持される
ようにして成膜した。溶射後の皮膜は、その断面を光学
顕微鏡で観察して、トップコートに発生する縦割れの有
無および気孔率を調査する一方、さらに成膜試験片を 9
00℃×30min電気炉中で加熱後、これを25℃の水中へ投
入した後、皮膜の断面を検鏡し、トップコートの割れの
有無を調査した。なお、比較用の皮膜として、大気プラ
ズマ溶射法によって、本発明のアンダーコートとトップ
コートの溶射材料を用いて、それぞれ 100μｍ厚、300
μｍ厚に仕上げた。 (比較例の大気プラズマ溶射法で
は、アンダーコートの表面温度は25〜200 ℃の範囲であ
った。)
【００２８】表１は、以上の結果をまとめたものであ
り、本発明の方法で形成された熱遮蔽皮膜 (No.1〜７)
は、大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法とも、気
孔率は２〜８％の範囲にあって、非常に緻密である。そ
の上、溶射直後のトップコートにはすでに縦割れが発生
し、さらにその後、一旦徐冷したのち 900℃×20min の
加熱を行うことによって、縦割れの発生数が増加した。
ただ、No. 5 のトップコートのみ、溶射直後には縦割れ
の発生は認められなかったが、900 ℃×30min 加熱後、
25℃の水中へ投入して急冷すると多数の縦割れの発生が
認められた。これに対し、比較例の皮膜 (No. 8 〜12)
では、従来の知見通り極めて多孔質(8 〜19％) であ
り、この影響を受けて溶射直後はもとより 900℃×30mi
n 加熱後、水中へ投入しても割れの発生は認められなか
った。
り、本発明の方法で形成された熱遮蔽皮膜 (No.1〜７)
は、大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法とも、気
孔率は２〜８％の範囲にあって、非常に緻密である。そ
の上、溶射直後のトップコートにはすでに縦割れが発生
し、さらにその後、一旦徐冷したのち 900℃×20min の
加熱を行うことによって、縦割れの発生数が増加した。
ただ、No. 5 のトップコートのみ、溶射直後には縦割れ
の発生は認められなかったが、900 ℃×30min 加熱後、
25℃の水中へ投入して急冷すると多数の縦割れの発生が
認められた。これに対し、比較例の皮膜 (No. 8 〜12)
では、従来の知見通り極めて多孔質(8 〜19％) であ
り、この影響を受けて溶射直後はもとより 900℃×30mi
n 加熱後、水中へ投入しても割れの発生は認められなか
った。
【００２９】
【表１】
【００３０】(実施例２)実施例１と同条件、同材料で成
膜した試験片を用いて、電気炉中で1000℃×15min の加
熱後、25℃の水中へ投入して急冷する操作を１サイクル
とし、累計20サイクルの熱衝撃試験を実施し、トップコ
ートの剥離の有無および皮膜断面の割れの発生状況を調
査した。表２は、以上の結果を要約したものである。こ
の結果から明らかなように、溶射直後からすでに縦割れ
が発生している本発明の皮膜 (No. １〜７) は、20サイ
クルの熱衝撃試験においてもトップコートの剥離は認め
られなかった。これに対し、比較例の皮膜 (No. 8 〜1
2) は、8 〜12サイクル目に局部的なトップコートの剥
離が発生しはじめ、15サイクルでほぼ全面にわたってト
ップコートの剥離が認められるもの (No.12)があり、縦
割れを有する本発明の皮膜に比較すると耐熱衝撃性に乏
しいことが判明した。また、試験片上に残存していたト
ップコートの断面を検鏡すると、大きな横割れが認めら
れ、この横割れがトップコートの剥離を誘発したものと
考えられる。
膜した試験片を用いて、電気炉中で1000℃×15min の加
熱後、25℃の水中へ投入して急冷する操作を１サイクル
とし、累計20サイクルの熱衝撃試験を実施し、トップコ
ートの剥離の有無および皮膜断面の割れの発生状況を調
査した。表２は、以上の結果を要約したものである。こ
の結果から明らかなように、溶射直後からすでに縦割れ
が発生している本発明の皮膜 (No. １〜７) は、20サイ
クルの熱衝撃試験においてもトップコートの剥離は認め
られなかった。これに対し、比較例の皮膜 (No. 8 〜1
2) は、8 〜12サイクル目に局部的なトップコートの剥
離が発生しはじめ、15サイクルでほぼ全面にわたってト
ップコートの剥離が認められるもの (No.12)があり、縦
割れを有する本発明の皮膜に比較すると耐熱衝撃性に乏
しいことが判明した。また、試験片上に残存していたト
ップコートの断面を検鏡すると、大きな横割れが認めら
れ、この横割れがトップコートの剥離を誘発したものと
考えられる。
【００３１】
【表２】
【００３２】(実施例３)この実施例では、Co基合金 (24
wt％Cr-10 wt％Ni-7wt％Mo-3.5wt％Ta-0.6wt％Ｃ−残り
wt％Co) の試験片 (幅30mm×長さ100 mm×厚３mm) の片
面に、実施例１のアンダーコートを高速フレーム溶射法
によって 100μｍ厚に施工した後、その上に大気プラズ
マ溶射法によって 8wt％Y2O3・ZrO2のトップコートを 3
00μｍ厚に形成させたものを準備し、高温下の焼結反応
を調べた。本発明にかかる熱遮蔽皮膜つき試験片は、溶
射直後にすでにトップコートに縦割れが発生しているこ
とを確認した上で、1300〜1350℃の高温雰囲気中に24時
間放置した。その後、皮膜の断面を調査したところ、ト
ップコートの縦割れは多少幅が大きくなっていたが高温
焼結の傾向は認められなかった。これに対し、従来手段
の条件で形成させた多孔質 (気孔率12〜16％) なトップ
コートは、1300〜1350℃×10時間の加熱によって 0.3〜
0.5 ％の焼結収縮現象とこれに伴う微細な縦割れと多数
の横割れが発生した。この横割れの成長がトップコート
の剥離原因となるものと考えられ、1300℃以上の高温状
態では従来の多孔質皮膜の優位性は低下し、トップコー
トの横割れの原因になり得ることが判明した。
wt％Cr-10 wt％Ni-7wt％Mo-3.5wt％Ta-0.6wt％Ｃ−残り
wt％Co) の試験片 (幅30mm×長さ100 mm×厚３mm) の片
面に、実施例１のアンダーコートを高速フレーム溶射法
によって 100μｍ厚に施工した後、その上に大気プラズ
マ溶射法によって 8wt％Y2O3・ZrO2のトップコートを 3
00μｍ厚に形成させたものを準備し、高温下の焼結反応
を調べた。本発明にかかる熱遮蔽皮膜つき試験片は、溶
射直後にすでにトップコートに縦割れが発生しているこ
とを確認した上で、1300〜1350℃の高温雰囲気中に24時
間放置した。その後、皮膜の断面を調査したところ、ト
ップコートの縦割れは多少幅が大きくなっていたが高温
焼結の傾向は認められなかった。これに対し、従来手段
の条件で形成させた多孔質 (気孔率12〜16％) なトップ
コートは、1300〜1350℃×10時間の加熱によって 0.3〜
0.5 ％の焼結収縮現象とこれに伴う微細な縦割れと多数
の横割れが発生した。この横割れの成長がトップコート
の剥離原因となるものと考えられ、1300℃以上の高温状
態では従来の多孔質皮膜の優位性は低下し、トップコー
トの横割れの原因になり得ることが判明した。
【００３３】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の方法の適
用によって形成した熱遮蔽皮膜のZrO2系セラミックスか
らなるトップコートは、該皮膜形成後の冷却過程もしく
は実用環境中の温度変化によって、微細な縦割れを発生
させることができる。この縦割れを有するトップコート
を形成した熱遮蔽皮膜は、高温環境中に長期間暴露され
ても焼結反応によって再結合することなく、また、急激
な温度変化を受けてもアンダーコートとの間に大きな剪
断応力が発生しないため、熱的な環境変化に対し強い抵
抗力を発揮する。このため、本発明にかかる熱遮蔽皮膜
を形成した部材を、ガスタービン、ジェットエンジン等
の高温被曝部材として使用した場合、一層の高温化とそ
の連続運転の長期化が可能となり、熱エネルギーの有効
利用と消耗部材の減少化による経費の節減に大きく寄与
することができる。
用によって形成した熱遮蔽皮膜のZrO2系セラミックスか
らなるトップコートは、該皮膜形成後の冷却過程もしく
は実用環境中の温度変化によって、微細な縦割れを発生
させることができる。この縦割れを有するトップコート
を形成した熱遮蔽皮膜は、高温環境中に長期間暴露され
ても焼結反応によって再結合することなく、また、急激
な温度変化を受けてもアンダーコートとの間に大きな剪
断応力が発生しないため、熱的な環境変化に対し強い抵
抗力を発揮する。このため、本発明にかかる熱遮蔽皮膜
を形成した部材を、ガスタービン、ジェットエンジン等
の高温被曝部材として使用した場合、一層の高温化とそ
の連続運転の長期化が可能となり、熱エネルギーの有効
利用と消耗部材の減少化による経費の節減に大きく寄与
することができる。
【図１】熱遮蔽皮膜の断面ミクロ組織を示したものであ
る。
る。
１ 基材、 ２ アンダーコート ３ トップコート、 ４ 縦割れ
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｆ０１Ｄ 5/28 Ｆ０１Ｄ 5/28 Ｆターム(参考） 3G002 EA05 EA06 EA08 4F100 AA18C AA20C AA27C AB10B AB13B AB15B AB16B AB19C AB31B AB40B AD00C AT00A BA03 BA07 BA10A BA10C EH56C EH561 EH562 EJ501 EJ64C GB90 JA20B JA20C JJ03 JJ03B JM02B JM02C YY00B YY00C 4K031 AA04 AA08 AB03 AB08 BA07 BA08 CB21 CB22 CB26 CB27 CB42 DA01 DA04 EA10 EA11 FA01
Claims (6)
- 【請求項１】 基材表面に、アンダーコートとして、膜
厚：30〜500 μｍの耐熱合金溶射皮膜が形成され、その
アンダーコート上にはトップコートとして、膜厚：50〜
600 μｍ、気孔率：２〜８％で、多数の縦割れを有する
ZrO2系セラミックス溶射皮膜が形成されてなる熱遮蔽皮
膜が設けられている、ことを特徴とする熱遮蔽皮膜被覆
部材。 - 【請求項２】 アンダーコート用の耐熱合金は、Cr, N
i, Co, AlおよびＹのうちから選ばれる２種以上の金属
元素を含む合金を用い、また、トップコート用のZrO2系
セラミックス材料は、Y2O3, CaO , CeO2, MgO およびSi
O2から選ばれる少なくとも１種の酸化物を５〜40wt％含
むものである、請求項１に記載の部材。 - 【請求項３】 基材の表面に、耐熱合金材料を溶射して
アンダーコートを形成し、引き続きそのアンダーコート
の上にZrO2系セラミックス材料をプラズマ溶射してオー
バーコートを形成すると同時に、このオーバーコート施
工に当たっては、前記アンダーコートの表面および施工
を終えたオーバーコートの前記ZrO2系セラミックス粒子
の表面を 500〜900 ℃の温度に保持し、そしてトップコ
ート施工後の熱遮蔽皮膜に対し温度変化を起こさせるこ
とによって、トップコートのみに縦割れを発生させる、
ことを特徴とする熱遮蔽皮膜の形成方法。 - 【請求項４】 アンダーコートおよびトップコートの溶
射に当たって、大気プラズマ溶射法、高速フレーム溶射
法もしくは減圧プラズマ溶射法のうちから選ばれるいず
れかの溶射法を用いる、ことを特徴とする請求項３に記
載の形成方法。 - 【請求項５】 トップコート施工後に行う熱遮蔽皮膜へ
の急な温度変化の付与は、トップコートの溶射処理終了
直後に急冷する場合の他、一旦冷却した後に再加熱する
かさらに急冷する操作によって行う、ことを特徴とする
請求項３に記載の形成方法。 - 【請求項６】 アンダーコート用の耐熱合金は、Cr, N
i, Co, AlおよびＹのうちから選ばれる２種以上の金属
元素を含む合金を用い、また、トップコート用のZrO2系
セラミックス材料は、Y2O3, CaO , CeO2, MgO およびSi
O2から選ばれる少なくとも１種の酸化物を５〜40wt％含
むものである請求項３に記載の形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11471999A JP3530768B2 (ja) | 1999-04-22 | 1999-04-22 | 熱遮蔽皮膜の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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