JP2002180269A - セラミック被覆部材 - Google Patents

セラミック被覆部材

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JP2002180269A
JP2002180269A JP2000371988A JP2000371988A JP2002180269A JP 2002180269 A JP2002180269 A JP 2002180269A JP 2000371988 A JP2000371988 A JP 2000371988A JP 2000371988 A JP2000371988 A JP 2000371988A JP 2002180269 A JP2002180269 A JP 2002180269A
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Japan
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ceramic
powder
coating
nickel
ceramic coating
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Kazutaka Mori
一剛 森
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、セラミック被膜の全体的又は部分
的な剥離を防止しセラミック皮膜の高寿命化と伝熱性と
表面性状の向上を図った被膜部材を提供すること。 【解決手段】耐熱金属その他の基材上にアルミナ、イッ
トリア等を含むセラミック被膜を施した部材において、
前記セラミック被膜の表面に、ニッケル粉末に対し、ニ
ッケル粉末に対しシリコン、若しくはハフニウム等の4
A属、若しくはタンタル等の5A属のカーバイト(Si
C、HfC、TaC)粉末を5〜35重量%、好ましく
は10〜30重量%添加してスラリを調合してセラミッ
ク被膜の表面に塗布した後、略900〜1300℃、好
ましくは1000〜1100℃の温度条件で熱処理する
事により、セラミック被膜に密着したニッケル被膜を得
ることを特徴とし、好ましくはニッケル粉末の平均粒径
が0.5〜3μmであり、カーバイト粉末の1μm未満
であることを特徴とするセラミック被覆部材。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐熱金属その他の
基材上にアルミナ、イットリア等を含むセラミック被膜
を施した部材に関する
【0002】
【従来の技術】従来より、内燃機関の排気系部品等の耐
熱性を要求される部材において、セラミックを接合被覆
することが提案されている。上記従来技術では、内燃機
関の高熱を受ける部分に金属を介して鉄やアルミ、クロ
ムの酸化物を主体とするセラミック層を形成して、断熱
構造を構成している。
【0003】セラミック皮膜は、コーティングすべき部
材上に種々の方法を用いて形成し得る。これらの方法の
多くは二つに大別される。即ち、溶射皮膜及び物理的蒸
着皮膜である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】溶射皮膜の場合は、ジ
ルコニアベースの酸化物をプラズマ溶射に属する方法で
付着させる。皮膜は、厚さ50μm〜1mmの余り密で
ない付着物が形成されるように、溶融し、衝撃焼入れ
し、平たくし且つ積層したセラミック小滴の積層体から
なる。この種の皮膜の特徴の一つは、粗度が本質的に大
きいことにある(典型的Raが5〜35μm)。この種
の皮膜はその微細構造に起因して、超合金と酸化物の熱
膨張率の差により作動中の熱サイクル時に起こる剥離応
力に殆ど耐えることができない。従って、作動中の皮膜
の損壊モードは、セラミックの亀裂がセラミック/金属
界面と平行にゆっくりと伝搬する。これは凝集破壊であ
る。従って、セラミックと下地とからなるコーティング
の機械的弱点はセラミック自体にある。
【0005】物理的蒸着皮膜の場合は問題がかなり異な
る。この種の皮膜の形成は、電子ボンバード下での蒸発
のような装置を用いて実施し得る。その主な特徴は、皮
膜が、コーティングすべき面とほぼ直角に配向された極
めて微細な小柱(典型的直径0.2〜10μm)の集合
体で構成されることにある。この種の皮膜の厚みは20
〜600μmであり得る。このような集合体は、コーテ
ィングした基材の表面状態を再現するという有利な特性
を有する。特にタービンの羽根の場合には、1μmより
かなり小さい最終粗度を得ることができるため、羽根の
空気力学的性質にとって極めて有利である。物理的蒸着
セラミック皮膜の柱状構造に起因する別の特徴は、小柱
間に存在する空隙により、作動中に超合金製基材との膨
張率の差に起因して皮膜が受ける圧縮応力に極めて効果
的に適応することができることにある。
【0006】しながらかかる場合においてもセラミック
皮膜の寿命を超えると遮熱コーティングが全体的又は部
分的に剥離して所望の性能改善に終止符が打たれること
になる。特にセラミック自体は伝熱性と導電性が低いた
めに、局部的な熱応力により剥離等が生じやすいという
欠点を有する。
【0007】本発明の他の目的は、セラミック被膜の全
体的又は部分的な剥離を防止しセラミック皮膜の高寿命
化と伝熱性と表面性状の向上を図った被膜部材を提供す
ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するために、耐熱金属その他の基材上にアルミナ、イ
ットリア等を含むセラミック被膜を施した部材におい
て、前記セラミック被膜の表面に、ニッケル粉末に対し
シリコン、若しくはハフニウム等の4A属、若しくはタ
ンタル等の5A属のカーバイト(SiC、HfC、Ta
C)粉末を5〜35重量%、好ましくは10〜30%添
加してなる被膜部材が熱処理された状態でコーテイング
されてなることを特徴とする。
【0009】そしてより具体的には、請求項2に記載し
たように、耐熱金属その他の基材上にアルミナ、イット
リア等を含むセラミック被膜を施した部材において、前
記セラミック被膜の表面に、ニッケル粉末に対し、ニッ
ケル粉末に対しシリコン、若しくはハフニウム等の4A
属、若しくはタンタル等の5A属のカーバイト(Si
C、HfC、TaC)粉末を5〜35重量%、好ましく
は10〜30%添加してスラリを調合してセラミック被
膜の表面に塗布した後、略900〜1300℃、好まし
くは1000〜1100℃の温度条件で熱処理する事に
より、セラミック被膜に密着したニッケル被膜を得るこ
とを特徴とする。この場合、ニッケル粉末の平均粒径が
0.5〜3μmであり、カーバイト粉末の1μm未満で
あるのがよく、更には前記スラリの固形分が20〜50
重量%の低濃度スラリであるのがよい。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
る構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定
的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定
する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【0011】本発明に至った経過を順を追って説明す
る。例えば図1に示すように、超合金高温部材その他の
基材1上にセラミック皮膜2を形成する理由は耐熱性や
耐硬性の向上にある。一方セラミックは導電性や伝熱性
がないために、局部的な熱応力により剥離等が生じやす
いという欠点を有する。このためセラミック被膜2の表
面に耐熱性を有するニッケルコーテイング3をする技術
が検討される。しかしながらニッケルをセラミック被膜
2の上にコーテイング3して熱処理をすると焼結してフ
ォイル状になり、セラミック被膜2から剥離してしま
う。そこでニッケル粉末4に対しハフニウムカーバイ
ト、タンタルカーバイト、シリコンカーバイト等の粉末
5を混合してスラリを調合してセラミック被膜2の表面
に塗布した後、熱処理する事により、セラミック被膜2
に密着したニッケルコーテイング被膜3を得ることを提
案した。
【0012】かかる技術によれば、ハフニウムカーバイ
ト粉末がセラミックに対し親和性を有するために、セラ
ミック被膜2に密着したニッケルコーテイング被膜3を
得ることが出来る。
【0013】この場合、ニッケルの溶融点温度は140
0℃であるために、その熱処理温度はそれ以下で且つ前
記混合粉体4.5が焼結可能な温度、具体的には略90
0〜1300℃、好ましくは1000〜1100℃の温
度条件で熱処理するのがよい。このような温度条件で熱
処理することにより図1の拡大図で示すようにカーバイ
ト粉末5を結合媒体としてニッケル粉末が焼結される。
又その混合割合は、ニッケル粉末4に対しハフニウムカ
ーバイト(SiC、HfC、TaC)粉末5を5〜35
重量%、好ましくは10〜30重量%添加してスラリを
調合するのがよい。
【0014】けだしニッケル単独或いはハフニウムカー
バイトの量が5〜10%未満と少ない場合は、ニッケル
の焼結により箔状になり、セラミック被膜表面からはげ
落ちてしまう。一方ハフニウムカーバイトが30〜35
重量%を越えると、焼結性が悪いために、粉状のままで
あり、強いコーテイング膜が得られない。
【0015】又ニッケル粉末4の平均粒径が0.5〜3
μmであり、カーバイト粉末5の1μm未満であるのが
よく、具体的にはニッケル粉末4の粒子間の隙間にカー
バイト粉末5が入り込むような形が良く、具体的にはニ
ッケル粉末4の平均粒径が0.5〜2μmであった場
合、カーバイト粉末5の平均粒径は1μm未満の0.5
μm程度に設定することがよい。これによりカーバイト
粉末5が結合材として機能し、好ましい焼結力が得られ
る。
【0016】又塗布の良好性を確保するために、前記ス
ラリの固形分が20〜50重量%の低濃度スラリである
のがよく、又この場合カーバイト粉末5は3〜6容量%
であるのがよい。
【0017】以下好ましい実施例を記載する。 (実施例)図1に示すように、ニッケル及び/又はコバ
ルト基超合金高温部材の基材1上にセラミック皮膜2を
形成する。セラミック被膜2はアルミナをベースとする
酸化物の混合物からなる。実際この酸化物は、基材の超
合金に近い比較的大きい熱膨張率及び小さい熱伝導率を
有する材料のバランスをとる最も有利な物質の一つであ
る。最大の満足を与えるセラミック組成の一つは、酸化
イットリウムで部分的に安定化させたジルコニア、即ち
ZrO+6〜8質量%Yであるのがよい。ジル
コニアの安定化には、特に酸化セリウム、酸化カルシウ
ム、酸化マグネシウム、酸化ランタン、酸化イッテルビ
ウム及び酸化スカンジウムの中から選択した別の添加用
酸化物を使用することもできる。
【0018】セラミック被膜2には、下地皮膜を使用し
てもよい。このセラミック被膜2は、溶射法又は物理的
蒸着法によって形成することも可能であり、又スラリ状
に形成して塗布焼結させても良い。そしてアルミナ、イ
ットリア等のセラミック被膜2の上に金属ニッケルをコ
ーテイングする技術において、平均粒径2μmのニッケ
ル粉末4に対し、平均粒径0.5μmのハフニウムカー
バイト(HfC)粉末5を10%添加して40〜50%
の低濃度スラリを調合してセラミック被膜2の表面に塗
布した後、1000〜1100℃の温度条件で熱処理す
る事により、セラミック被膜に密着したニッケルコーテ
イング被膜3を得たもの(実施例1)。平均粒径2μm
と0.5μmの粒度のものを1:1で混合したニッケル
粉末4に対し、平均粒径0.5μmのハフニウムカーバ
イト(HfC)粉末5を20%添加して30〜40%の
低濃度スラリを調合してセラミック被膜2の表面に塗布
した後、1000〜1100℃の温度条件で熱処理する
事により、セラミック被膜2に密着したニッケルコーテ
イング被膜3を得たもの(実施例2)。平均粒径0.5
μmの粒度のニッケル粉末4に対し、平均粒径0.5μ
mのハフニウムカーバイト(HfC)粉末5を30%添
加して20〜30%の低濃度スラリを調合してセラミッ
ク被膜2の表面に塗布した後、1000〜1100℃の
温度条件で熱処理する事により、セラミック被膜2に密
着したニッケルコーテイング被膜3を得たもの(実施例
3)を作成したが、いずれも焼結性良く剥離等が生じな
かった。
【0019】(比較例)又平均粒径2μmのニッケル粉
末4に対し、平均粒径0.5μmのハフニウムカーバイ
ト(HfC)粉末5を4%添加して40〜50%の低濃
度スラリを調合してセラミック被膜2の表面に塗布した
後、1000〜1100℃の温度条件で熱処理する事に
より、セラミック被膜2に密着したニッケルコーテイン
グ被膜3を得たもの(比較例1)を作成したが、ニッケ
ルの焼結により箔状になり、セラミック被膜2表面から
はげ落ちてしまった。
【0020】又平均粒径0.5μmの粒度のニッケル粉
末4に対し、平均粒径0.5μmのハフニウムカーバイ
ト(HfC)粉末5を40%添加して20〜30%の低
濃度スラリを調合してセラミック被膜2の表面に塗布し
た後、1000〜1100℃の温度条件で熱処理する事
により、ニッケルコーテイング被膜3を得たもの(比較
例2)を作成したがハフニウムカーバイトが35重量%
を越えると、焼結性が悪いために、粉状のままであり、
強いコーテイング膜が得られなかった。
【0021】
【発明の効果】以上記載のごとく本発明によれば、耐熱
金属その他の基材上にセラミック被膜を施した部材にお
いて、前記セラミック被膜の表面にニッケルをコーテイ
ングすることによりセラミック皮膜の高寿命化と伝熱性
と表面性状の向上を図った被膜部材を得ることが出来、
特にセラミック被膜の全体的又は部分的な剥離を防止し
セラミック皮膜の高寿命化と伝熱性と表面性状の向上を
図った被膜部材を得ることが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図1】 耐熱金属その他の基材上にセラミック被膜を
施した部材において、前記セラミック被膜の表面にニッ
ケルをコーテイングした状態を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
1 耐熱金属その他の基材 2 セラミック被膜 3 ニッケルコーテイング 4 ニッケル粉末(粒子) 5 ハフニウムカーバイト粉末(粒子)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 耐熱金属その他の基材上にアルミナ、イ
    ットリア等を含むセラミック被膜を施した部材におい
    て、 前記セラミック被膜の表面に、ニッケル粉末に対しシリ
    コン、若しくはハフニウム等の4A属、若しくはタンタ
    ル等の5A属のカーバイト(SiC、HfC、TaC)
    粉末を5〜35重量%、好ましくは10〜30%添加し
    てなる被膜部材が熱処理された状態でコーテイングされ
    てなることを特徴とするセラミック被覆部材。
  2. 【請求項2】 耐熱金属その他の基材上にアルミナ、イ
    ットリア等を含むセラミック被膜を施した部材におい
    て、 前記セラミック被膜の表面に、ニッケル粉末に対し、シ
    リコン、若しくはハフニウム等の4A属、若しくはタン
    タル等の5A属のカーバイト(SiC、HfC、Ta
    C)粉末を5〜35重量%、好ましくは10〜30重量
    %添加してスラリを調合し、セラミック被膜の表面に塗
    布した後、略900〜1300℃、好ましくは1000
    〜1100℃の温度条件で熱処理する事により、セラミ
    ック被膜に密着したニッケル被膜を得ることを特徴とす
    るセラミック被覆部材。
  3. 【請求項3】 ニッケル粉末の平均粒径が0.5〜3μ
    mであり、カーバイト粉末の1μm未満であることを特
    徴とする請求項1若しくは2記載のセラミック被覆部
    材。
  4. 【請求項4】 前記スラリの固形分が20〜50重量%
    の低濃度スラリであることを特徴とする請求項2記載の
    セラミック被覆部材。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014214992A (ja) * 2013-04-26 2014-11-17 共和真空技術株式会社 凍結乾燥用の棚及びその棚を用いた凍結乾燥装置

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