JP2005008489A - Silicon nitride ceramic having rare earth titanate high temperature corrosion resistant layer - Google Patents

Silicon nitride ceramic having rare earth titanate high temperature corrosion resistant layer Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon nitride ceramic having a high temperature corrosion resistant coating film and its manufacturing method. <P>SOLUTION: The silicon nitride ceramic has a rare earth titanate as the high temperature corrosion resistant layer on the surface thereof in which a rare earth silicate is contained by volume ratio of 1:(0-0.7) as a material for forming a multi-phase and has a rare earth silicate as a bonding layer for the silicon nitride ceramic and the high temperature corrosion resistant layer. As a result, the silicon nitride ceramic has excellent high temperature steam corrosion resistance at a high temperature of ≥1,100°C. The high temperature corrosion resistant layer is durable for a long time even when the film is thin because there is no wear of the coating film due to corrosion and exhibits self-repairing function even if crack is produced on the coating film by accident by giving a rare earth enriched rare earth titanate composition to the coating film. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ケイ素セラミックス上にコーティングするための高温耐腐食層に関するものであり、更に詳しくは、1100〜1600℃の高温下で、10〜30%の水蒸気分圧下及び3%以下のアルカリ成分の存在下でも高温における水蒸気腐食あるいはアルカリの存在に起因する腐食の促進を抑制することが可能な新規な高温耐腐食層を有する窒化ケイ素セラミックスに関するものである。
本発明は、化石燃料を燃焼することにより20%程度の高い水蒸気分圧、数%以下のアルカリ成分が存在するとされる燃焼場で、ガスタービンの部材として窒化ケイ素を応用する際に、高温腐食を顕著に抑制することが可能な窒化ケイ素セラミックス材料を提供するものとして有用である。
【0002】
【従来の技術】
一般に、窒化ケイ素セラミックスは、1600℃までの高温で酸化して表面にシリカを生成し、更に高温では蒸気相のSiOを生成し、このSiOが昇華することで減肉しながら損耗する。高温で水蒸気が存在する環境下では、酸化に加えて水蒸気による腐食が生じ、損耗が加速されるため、例えば、実際の水蒸気分圧が20%程度に達する燃焼場におけるガスタービン部材として窒化ケイ素セラミックスを応用する際には、高温における水蒸気腐食を抑制する層をコーティングする必要がある。更に、ガスタービンの燃焼場には数%のアルカリ成分が含まれており、これらのアルカリ成分は容易に窒化ケイ素のシリカ相に取り込まれ、結晶粒界相の融点を急激に降下させるため、損耗がいっそう激しくなる。したがって、窒化ケイ素セラミックスをガスタービン部材として応用する際には、高温における酸化、水蒸気腐食、アルカリ成分の固溶及び拡散を防止する耐腐食層を形成させる必要があり、腐食層表面にはガラス相を形成させないようなシリカを含まない相を耐腐食層としてコーティングする必要がある。
【0003】
高温における耐酸化性に優れる窒化ケイ素セラミックスに関しては、先行技術文献(例えば、特許文献1、2、3参照)に記載されているように、焼結助剤として希土類酸化物を添加し、その化合物を表面に形成させることによる耐酸化性向上の機構が提案されている。難焼結性の窒化ケイ素を焼結する際に、焼結助剤として添加する希土類酸化物とシリカが反応して生成する希土類シリーケート系化合物が、耐酸化性及び耐水蒸気腐食性に優れていることから、これらの希土類シリケート相を高温における耐酸化及び耐水蒸気腐食皮膜とする応用研究開発が検討されている。
【0004】
窒化ケイ素セラミックスの強度は、焼結助剤として添加する希土類酸化物が重希土になるにしたがって向上することが知られており、最も高い強度が得られているLuを焼結助剤とした窒化ケイ素セラミックスが、高温構造部材への応用については有利であると考えられている。このLu を焼結助剤として添加した場合、Lu と窒化ケイ素が酸化して生じるシリカとが反応し、Lu SiO及びLu Si のシリケートを表面の一部で形成し、そのうち、Lu Si の熱膨張係数が窒化ケイ素の熱膨張係数に近く、耐酸化性に優れることが見出されたことから、LuSi層をコートした耐酸化/耐水蒸気腐食−窒化ケイ素セラミックスが開発されつつある。
【0005】
しかし、実際の化石燃料燃焼場には、水蒸気と共にナトリウムやカリウムのようなアルカリ成分が若干存在し、シリカを成分として含む複酸化物を耐腐食層として用いた場合、まず、アルカリ成分がシリカリッチとなる粒界相へ固溶し、粒界相の融点を劇的に低下させ、水蒸気による腐食を加速させてしまうと共に、高速気流に晒されるガスタービンの燃焼場では、結晶粒の脱落による損耗も激しくなることが予測される。したがって、窒化ケイ素セラミックスをガスタービン部材として用いる場合に必要とされる耐腐食皮膜の条件としては、(1)結晶粒界にシリカ成分のガラス相を含まないこと、(2)水蒸気の吸・脱着反応により耐腐食層に含まれる成分が脱離しにくいこと、が、高温における耐腐食皮膜の化学的安定性の観点から要求される。
【0006】
更に、窒化ケイ素セラミックスの熱膨張係数は、4×10−6/℃程度の低熱膨張であるので、基材との密着性を考慮した場合、耐腐食層の熱膨張係数が、窒化ケイ素のそれと同じかもしくは近い材料系を選択する必要がある。ガスタービン部材は、高温燃焼場で、8000時間という長い時間、化学変化、特性変化を生じないことが必要であり、皮膜と基材の化学反応により新たな相の生成を極力抑制するシステムが必要となる。
【0007】
シリカ成分を含まない酸化物又は複酸化物は、一般に、熱膨張係数が窒化ケイ素セラミックスのそれより大きいため、窒化ケイ素セラミックスの耐腐食皮膜としての検討はこれまでほとんど行なわれておらず、水蒸気及びアルカリが存在する高温の燃焼場での長時間使用においても腐食を抑制すると共に、新たな相の生成を抑制する機能を有する耐腐食層及びそれを有する窒化ケイ素セラミックスの開発例は、上記特許文献に記載された事案以外の報告例がない。
【0008】
【特許文献1】
特開平6−32658号公報
【特許文献2】
特開平5−221728号公報
【特許文献3】
特開平5−208870号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術における諸問題を抜本的に解決することを可能とする新しい窒化ケイ素セラミックスの高温耐腐食層を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、窒化ケイ素セラミックスと熱膨張係数がほぼ同じである希土類シリケートをボンドコートに用い、希土類シリケートと同じ結晶構造を持ち、結晶格子定数もほぼ同じである希土類チタネートと希土類シリケートを複合化させた耐腐食層を用いることにより、高温における水蒸気腐食を低く抑制し、高温での長時間使用においても基材とコーティング層との反応を抑制し、アルカリによる腐食の促進も抑制し得る高温耐腐食皮膜を有する窒化ケイ素セラミックスの作製が可能となることを見出し、本発明に至った。
【0010】
すなわち、本発明は、(1)基材となる窒化ケイ素セラミックスと同じ熱膨張係数を有する希土類シリケートと希土類シリケートと同じ結晶構造を有する希土類チタネートを複相化させて耐腐食相とすることで高温における水蒸気腐食による質量減少量を抑制すると共に、基材との熱膨張差に起因する密着性の不具合などの諸問題を解決すること、(2)チタニアとシリカが互いに固溶しないため、それぞれ高温安定相である希土類シリケートと希土類チタネートは反応することなく高温でも共存を保てるため、高温で長時間使用においても化学的に安定な相を形成させることが可能となること、(3)希土類チタネートが希土類組成において広い不定比幅を有し、希土類過剰でも元の結晶構造を保持できるため、仮に耐腐食層にクラックが生じて基材の窒化ケイ素が酸化しても、希土類チタネート相から希土類成分が供給され窒化ケイ素の酸化により生じるシリカ成分と反応し、希土類シリケート相を形成することにより、自己修復能を備えることが可能となること、を実現し得る高温耐腐食皮膜を有する窒化ケイ素セラミックス及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)希土類チタネートを高温耐腐食層として表面に有する窒化ケイ素セラミックスであって、当該高温耐腐食層の複相化材として希土類シリケートを体積比で1:0〜0.7含むことを特徴とする高温耐腐食層を有する窒化ケイ素セラミックス。
(2)希土類が、Yb又はLuの何れか、もしくは2種類の組み合わせからなる前記(1)記載の窒化ケイ素セラミックス。
(3)希土類チタネートの組成が、希土類酸化物(Ln )とチタニア(TiO )の比がモル比で1:0.8〜2である前記(1)記載の窒化ケイ素セラミックス。
(4)希土類シリケートの組成が、希土類酸化物(Ln )とシリカ(SiO)の比がモル比で1:1〜2である前記(1)記載の窒化ケイ素セラミックス。
(5)窒化ケイ素セラミックスと上記高温耐腐食層のボンド層として希土類シリケートを有する前記(1)記載の窒化ケイ素セラミックス。
(6)ボンド層の希土類シリケートが、緻密層であり、0〜10ミクロン厚を有し、希土類酸化物(Ln )とシリカ(SiO )の比がモル比で1:1〜2である前記(5)記載の窒化ケイ素セラミックス。
(7)緻密なボンド層が、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、ゾルゲル法の何れか又は2種類以上の方法を組み合わせて成膜されたものである前記(5)記載の窒化ケイ素セラミックス。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、耐腐食層として希土類チタネートを採用し、基材と耐腐食層との熱膨張係数差を最少にするために、より熱膨張係数の小さい希土類シリケートと複合化させること、皮膜にクラックが生じても自己修復能を可能とならしめるために、希土類チタネートの組成において同一構造を保持できる範囲でチタンに対する希土類元素の比を希土類リッチとして、基材の酸化にともない発生するシリカを吸収し、反応させること、基材に含まれる酸化物成分と耐腐食層との反応を抑制するために、必要に応じて、緻密な希土類シリケート薄膜を基材の上にボンドコーティングした耐腐食皮膜を製造し、耐腐食層を有する窒化ケイ素セラミックスを提供すること、を達成するものである。
【0013】
希土類シリケートと希土類チタネートは、共に高温安定相であり、同じ結晶構造を有する。シリカとチタニアは全率固溶しないので、希土類シリケートと希土類チタネートは、一旦、複相組織が形成されれば、高温で長時間のアニールに対しても2相共存が可能となる。互いに固溶しない2相が微細な組織を形成することにより、皮膜へのクラックの発生を抑制あるいは見かけの靭性を向上させることが可能となり、また、自己修復能を起こす箇所を微細化することとなるため、皮膜の長時間使用に対する信頼性を向上させることができる。
【0014】
微細な複相組織を有する耐腐食層の形成手法としては、微細な出発原料を用いる方法、予め合成した希土類シリケート及び希土類チタネートの微粉末を用いる方法、気相法あるいはゾルゲル法で塗布したアモルファスを高温で短時間熱処理する方法や急冷する方法などがあるが、本発明の複相組織は、熱膨張係数差に起因して発生するクラックの大きさ及び幅と同程度と予測されるおおむね1ミクロン程度の組織を呈する組織であればよく、複相組織の大きさ及び形成方法に何ら制約を加えるものではない。
【0015】
希土類チタネートは、螢石型構造で、状態図において希土類酸化物側に広い不定比性を示す。希土類とチタンの比が原子比で1:1に近づくに連れて不規則構造から規則構造へ変化するが、どちらの構造も格子定数、熱膨張係数に大きな変化はない。この不定比性、すなわち、希土類がリッチとなる組成を利用することで、皮膜にクラックが生じ、基材の窒化ケイ素セラミックスが酸化し、シリカを生じても、下記の化学反応により、シリカを効果的に吸収し、希土類シリケートを生成させることができ、自己修復機能を持たせることができる。
(希土類シリケートの生成)
Ln2+x Ti +ySiO →Ln2+x−y + 1/2Ln Si
【0016】
シリカが腐食層の結晶粒界あるいは腐食層表面に存在する場合、アルカリ成分は容易にシリカ成分に固溶して粒界相又は表面のシリカ相の融点を劇的に降下させ、水蒸気腐食を加速させ、更に、部材が高速気流中に晒された場合、粒界相の溶融に伴う結晶粒の脱落など、損耗を加速させることとなる。したがって、皮膜中の粒界相のシリカ成分を極力抑制する機構が必要となるが、上記反応式は、仮にシリカ成分が発生しても効果的に耐水蒸気腐食性に優れる希土類シリケートを生成することを意味し、アルカリ成分の存在による腐食の加速を効果的に抑制する機構となり得る。
【0017】
耐腐食層内にシリカリッチの粒界相を極力発生させないために、耐腐食層に希土類シリケート相を含ませないことが望ましく、熱応力が大きくかからない部所への応用に際しては、希土類チタネートと希土類シリケートの混合比を1:0としてよい。熱応力が大きくかかり基材と皮膜のほんの僅かな熱膨張係数差によりクラック発生が問題となるような部所への応用の際には、熱膨張係数差を小さくするために希土類チタネートと希土類シリケートを複相化させるが、この場合、希土類シリケートはその結晶自身は耐水蒸気腐食性に優れるもののシリカ成分を含む複酸化物であるため、その結晶粒界はシリカリッチの組成で構成され、アルカリの固溶を許し、水蒸気による腐食を加速させてしまうので、希土類シリケートの混合割合は極力少ない方が有利である。希土類リッチの希土類チタネート相との複相化を図ることにより、希土類シリケート相に付随する粒界相のシリカ成分を効果的に除去できるため、希土類チタネートと希土類シリケートの体積分率を1:1程度、すなわちモル比でおよそ1:0.7となる分率まで希土類チタネートの高耐食性を失することのない耐腐食層を得ることができる。
【0018】
窒化ケイ素セラミックスは、難焼結性であるため、一般に、焼結体を得るために焼結助剤を添加する。高温構造材料としての応用を考慮した場合、焼結助剤としてシリカ及び希土類酸化物を焼結助剤として添加するのが一般的であり、重希土になるにしたがって高温強度がますため、焼結助剤としてルテチアやイッテリビアを用いた窒化ケイ素セラミックス焼結体の開発が広く進められている。したがって、本発明の基材となる窒化ケイ素セラミックスにはシリカ及びルテチアあるいはイッテリビアが粒界相に存在するため、その上に成膜する耐腐食層に含まれる希土類成分の種類としては、ルテチウムあるいはイッテリビウムに限定される。どちらを用いるかは基材に添加した希土類酸化物の種類によるものである。
【0019】
窒化ケイ素を高温構造材料として開発する場合、その焼結体を得るために添加する焼結助剤は、一般的には上記の助剤に限られているが、低温側における更なる強度向上を図る目的でアルミナなど上記の焼結助剤以外のものを添加する場合がある。上記添加物以外の焼結助剤を加えた場合、窒化ケイ素基材の粒界相に存在するアルミナなどの成分と耐腐食層との反応が生じ、新たな相を形成することにより熱膨張係数の差が大きくなるなど、新たな層の形成に伴う皮膜性能の不具合が生じるものと予測されることから、窒化ケイ素セラミックス焼結体に希土類酸化物及びシリカ以外の焼結助剤が添加された場合、基材の成分と腐食層との高温における反応を抑制する機構が必要となる場合がある。例えば、窒化ケイ素焼結体にアルミナが含まれる場合、耐腐食層である希土類チタネートとアルミナが反応し、熱膨張係数に大きな異方性があるチタン酸アルミニウムが生成することとなり、皮膜内の熱応力を増加させることになる。
【0020】
本発明では、窒化ケイ素セラミックス焼結体に希土類酸化物及びシリカ以外の焼結助剤が添加されている場合には、基材と耐腐食層との高温における反応を抑制するために、基材の上にスパッタリング法やレーザーアブレーション法などの気相法あるいはゾルゲル法などの溶液法により緻密な希土類シリケート層を設ける。この層の成膜方法は、緻密となる層を形成し得ればよく、特に限定されない。希土類シリケート相を設けることにより、希土類シリケートとアルミナが高温反応によりムライトを生成してもその量は僅かであり、かつムライトの熱膨張係数は小さいので、ムライトの生成に伴う皮膜内の熱応力の増加は僅かであり、無視することができる。
【0021】
また、希土類シリケートと希土類チタネートは、結晶構造が同じであり、ボンディング層としての役割も果たすことができる。緻密な層の厚さは、部材を使用する温度・時間などのパラメータにより設計されるものであるが、クラックなどのない緻密な層を形成させるには薄膜が有利であり、本発明では、緻密な層の厚さは、好適には、0から10ミクロン厚である。窒化ケイ素セラミックス焼結体にアルミナなどの焼結助剤が含まれない場合は、この層は必要ではなく、この層の厚みに関する範囲は0を含む。
【0022】
以上のように、耐腐食層として希土類チタネートを用いることにより、基材の窒化ケイ素は、アルカリ成分の存在下、高温での長時間使用においても優れた耐水蒸気腐食性を示し、基材との熱膨張差を低減する目的で希土類シリケートと複相化することにより、高温において組織の安定化を図ることが容易であり、更に希土類リッチの組成を選択することにより、皮膜にクラックなどが生じて基材の窒化ケイ素が酸化されてシリカ成分を生じてもそのシリカ成分を吸収して希土類シリケートへ変化させることが可能な耐水蒸気腐食層を有する窒化ケイ素セラミックスの製造が可能となる。更に、窒化ケイ素焼結体に希土類酸化物及びシリカ成分以外の焼結助剤が存在する場合は、窒化ケイ素上へ成膜する緻密な希土類シリケートにより希土類チタネートと窒化ケイ素焼結体に含まれる成分との反応を高温・ 長時間のアニールでも効果的に遮断することができる耐水蒸気腐食層を有する窒化ケイ素セラミックスの製造が可能となる。
【0023】
本発明の高温耐腐食層を有する窒化ケイ素セラミックスの概念図を図1に示す。本発明では、希土類チタネートを耐腐食材料として基材の窒化ケイ素セラミックスにコーティングする。この場合、200ミクロンまでの厚膜とする。基材である窒化ケイ素セラミックスの熱膨張係数と耐腐食層の熱膨張係数の差を小さくするために、窒化ケイ素セラミックスの種類に応じて、希土類チタネートと基本構造が同じで、熱膨張係数が小さく、かつ高温における耐水蒸気腐食性に優れている希土類シリケートとの複合化を図る。この場合、0〜10ミクロンの厚膜とする。希土類シリケートとの複合化は、層の厚みを薄く抑えることが可能である場合には必ずしも必要ではなく、希土類シリケートの希土類チタネートに対する混合割合は0を含む。また、この厚膜の厚みは、部材が使用される温度・時間・信頼性などのパラメータにより適宜設計することができる。
【0024】
窒化ケイ素は、難焼結材料であるため、焼結助剤を添加するが、焼結助剤は、主に希土類酸化物とシリカである。希土類チタネート及び希土類シリケートの希土類の種類は、焼結助剤の希土類に合わせたものとする。高温構造部材の開発を目的とした窒化セラミックス焼結体には、希土類酸化物及びシリカの他にアルミナなどを添加して焼結させる場合がある。窒化ケイ素焼結体の結晶粒界にアルミナが含まれる場合、その上に希土類チタネートをコーティングすると、チタニア成分とアルミナが高温で反応し、チタン酸アルミニウムを生成する可能性がある。チタン酸アルミニウムは、熱膨張係数の異方性が強い物質であるため、皮膜内に大きな応力を作る可能性があるため、チタン酸アルミニウム相の生成を抑制する機構が必要となる。本発明では、チタン酸アルミニウムの生成など、窒化ケイ素焼結体に含まれる成分と皮膜との反応による新たな相の生成を抑制する目的で、窒化ケイ素セラミックスの上に緻密な希土類シリケート皮膜を作製する。この層は、窒化ケイ素焼結体に希土類酸化物とシリカ以外の焼結助剤がないか無視できる場合には必ずしも必要ではなく、膜厚は0を含む。希土類シリケートとアルミが反応した場合にも新たな相としてムライトを生成するが、ムライトの熱膨張係数は小さいので、相の生成に伴う皮膜内の応力の増加は無視することができる。
【0025】
希土類チタネートは、図2に示すように、一つの結晶構造で広い希土類側への不定比性を有する。希土類リッチの希土類チタネートを皮膜材として用いることにより、仮に皮膜にクラックなどが生じて基材の窒化ケイ素セラミックスが酸化されても、基材の酸化により生じるシリカと希土類リッチの希土類チタネートが反応して希土類シリケートを生成するため、結果として、自己修復能を付与することができる。シリカは、アルカリ成分の存在下でアルカリ成分の固溶により急激に融点を低下させ、水蒸気による腐食を加速するが、希土類シリケートのように複酸化物を形成すると、希土類シリケート結晶相自身の水蒸気腐食性は優れているので、高温における水蒸気腐食を効果的に抑制することができる。本発明では、希土類チタネートの組成は、希土類酸化物(Ln )とチタニア(TiO )の比がモル比で1:0.8〜2となる組成、すなわち、図2の斜線で示す領域、が選択される。
【0026】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により何ら限定されるものではない。
実施例
本実施例では、本発明の皮膜材について、1500℃における水蒸気腐食試験を行い、優れた耐腐食性を実証した結果について説明する。本発明では、希土類として、好適には、Yb及びLuが使用されるが、ここでは、希土類としてLuを用いて耐腐食性が優れていることを実証した結果を示す。また、水蒸気腐食の効果を比較する目的で、図2の状態図のエッジメンバーであるチタニアとルテチアについても同一条件下で腐食試験を試みた。ここで試験したルテチウムチタネートの組成は、Lu Ti 及びLuTiO である。Lu 、Lu Ti 、LuTiO 、TiO であるが、これらのうち、TiO の水蒸気腐食性については報告例があり公知である。
【0027】
(1)焼結体の作製
シリカ成分の存在による腐食機構の違いを明確にするために、焼結体の出発物質として、純度99.9%の高純度のTiO 及びLuを用いた。また、窒化ケイ素セラミックスへのコーティングにおいても出発物質の純度は、高純度であることが必要である。所定のモル比になるように出発物質を秤量した後、それらの粉末をポリエステル製のポットに入れ、モノボールと一緒に1時間純水中で超音波攪拌を行なった。バインダーとしては、ポリビニルアルコールを用いた。得られたスラリーを乾燥させた後、プレス成形し、大気中、1600℃で12時間反応焼結させることにより、Lu 、Lu Ti 、Lu TiO、TiOの焼結体を得た。
【0028】
(2)腐食試験
高温水蒸気腐食試験は、以下の条件で行なった。温度:1500℃、昇・降速度:250℃/時間、時間:100時間、空気に対する水蒸気量:30wt%、流速:175ml/分。300℃から500℃で生じる低温側の腐食機構による腐食の寄与を除去することを目的として、試料の温度が1500℃に達した後、水蒸気を導入し、表面へ付着した水及び水酸基を完全に除去し、高温における腐食効果を明確にする目的で、100時間が過ぎた時点で水蒸気の導入を停止した。アルカリ成分の存在による腐食機構と純粋な水蒸気腐食機構の違いを明確にする目的で、試料を1%以下0.1%以上のアルカリ成分を含むアルミナ焼結板に乗せて試験した。アルカリ成分を含むアルミナ板の上にバルクの試料をおいて試験することにより、アルミナ板と接している部分では水蒸気による腐食機構にアルカリ成分の寄与を付加させた効果を確認することができ、一方、アルミナ板から離れたバルク上部では水蒸気による腐食のみに起因した腐食機構となることから、バルク上下の腐食状況を解析することにより、水蒸気腐食におけるアルカリ成分の寄与を明確にすることができる。
【0029】
(3)試験結果
全ての試験試料について、試験前後で外観の大きな変化はなく、何れも良好な耐水蒸気腐食性を示した。上記の高温水蒸気腐食試験に伴う各試料の重量変化を図3に示す。TiO2 では、重量が減少し、Lu 、Lu Ti 、LuTiOでは、僅かながら重量が増加していた。一般に、酸化物は高温で水蒸気が存在すると、水分子の吸・脱着に伴い成分元素が脱離するため損耗し、重量は減少する。また、アルカリ成分が存在した場合、アルカリ成分の固溶によって融点が降下し、水分子の物質内への拡散が加速されるため腐食が促進されると一般に考えられている。
【0030】
上記の腐食試験の結果、Lu、Lu Ti 、Lu TiO では、僅かながら重量が増加していることから、水分子の吸・脱着に伴い、成分元素が脱離する機構は作用せず、水蒸気が結晶層内へ拡散するものの成分元素の脱離による腐食損耗は抑制されていることが判った。水分子が結晶相内へ取り込まれることにより材料の機械的強度が低下するなどの材料の特性変化は予測されるものの、これらの材料は、耐水蒸気腐食相としてのみの応用を考えた場合、高温における水蒸気腐食による損耗がないので、高温における耐腐食性材料としては優れた材料であると言える。ただし、Lu の熱膨張係数は、窒化ケイ素セラミックスのそれの2倍ほど大きいため、Luは、窒化ケイ素セラミックスの耐腐食皮膜材料からは除外される。
【0031】
図4に、腐食試験後のチタニアの表面から得られた赤外スペクトルの結果を示す。表面にはOH基や遊離の水分子は吸着していないことが判る。物質の表面に吸着する水分子あるいはOH基は、一般に、500℃以上の温度で飛ばされる。上記の腐食試験では、低温における腐食の効果を排除する目的で、100時間の試験が終了した時点の1500℃で水蒸気の導入を停止したため、表面に吸着した水分子あるいはOH基は完全に飛ばされていると云える。同様のことが他のLu 、Lu Ti 、Lu TiO でも言えるはずであり、Lu 、Lu Ti 、Lu TiO では試験後の重量が若干増加するのは、水分子がLu 、Lu Ti 、Lu TiO結晶格子内へ固溶しているためであることが判る。
【0032】
図5に、試験終了後の試料の表面及びアルカリ成分を含むアルミナ板に接していた試料の裏面の写真を示す。表面と裏面の外観に差異はなく、アルカリ成分の固溶による腐食の加速はこの材料系では抑制されていることが判る。更に、希土類チタネートは、純粋な水蒸気腐食による基材の損耗、すなわち、重量減少が観測されないことから、高温耐腐食皮膜として用いる場合、膜厚は薄くてもよいことになる。このことは、部材の設計を容易にするものである。
【0033】
以上のことから、TiO −Lu 系の高温における耐水蒸気腐食は優れることが証明できたが、Lu はアルカリ成分の存在下でも優れた水蒸気腐食性を示すものの、熱膨張係数が窒化ケイ素セラミックスのそれの2倍ほどであり、これも耐腐食皮膜材料としては除外される。希土類チタネートは、熱膨張係数が比較的小さいく、希土類シリケートと結晶構造が同じであるため、その複合相は窒化ケイ素セラミックスの耐腐食皮膜材料として非常に有用である。更に、上記反応式に示すように皮膜の組成を希土類リッチの組成とすることで不慮の事故により皮膜が破損してクラックなどが生じても自己修復機能を発現することが期待されること、腐食による損耗がないため、膜厚は薄くてもかまわないという、皮膜設計、部材設計、長時間使用に対する安全性の面で優れた性能を持ち得ると云える。
【0034】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、希土類チタネート高温耐腐食層を有する窒化ケイ素セラミックスに係るものであり、本発明により、1)本発明の高温耐水蒸気腐食層は、1100℃以上の高温において、優れた高温耐水蒸気腐食性を有し、腐食による皮膜の損耗がないため、薄い膜厚でも長時間使用に耐え得る耐腐食性皮膜層及び耐腐食層を有する窒化ケイ素セラミックスを提供することができる、2)皮膜の組成を希土類リッチの希土類チタネート組成とすることで不慮の事故により皮膜にクラックなどが生じても自己修復機能を発現する耐腐食性皮膜層を有する窒化ケイ素セラミックスを提供することができる、等の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】高温耐腐食層を有する窒化ケイ素セラミックスの概念図を示す。
【図2】希土類チタネートの組成範囲を示す。
【図3】腐食試験による重量変化を示す。
【図4】腐食試験後のチタニア表面から得られた赤外スペクトルを示す。
【図5】腐食試験後の表面と裏面の外観を示す。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-temperature corrosion-resistant layer for coating on silicon nitride ceramics, and more specifically, at a high temperature of 1100 to 1600 ° C., under a partial pressure of water vapor of 10 to 30%, and an alkali component of 3% or less. The present invention relates to a silicon nitride ceramics having a novel high-temperature corrosion-resistant layer capable of suppressing the promotion of corrosion caused by water vapor corrosion or alkali at high temperatures even in the presence of.
The present invention is a high temperature corrosion when applying silicon nitride as a gas turbine member in a combustion field where a high water vapor partial pressure of about 20% and an alkali component of several percent or less exist by burning fossil fuel. This is useful for providing a silicon nitride ceramic material capable of significantly suppressing the above.
[0002]
[Prior art]
In general, silicon nitride ceramics are oxidized at a high temperature up to 1600 ° C. to produce silica on the surface, and at a higher temperature, vapor phase SiO is produced, and the SiO sublimates and wears while thinning. In an environment where water vapor exists at high temperature, corrosion due to water vapor occurs in addition to oxidation, and wear is accelerated. For example, silicon nitride ceramics as a gas turbine member in a combustion field where the actual water vapor partial pressure reaches about 20% When applying, it is necessary to coat a layer that inhibits water vapor corrosion at high temperatures. Furthermore, the combustion field of the gas turbine contains several percent of alkali components, and these alkali components are easily taken into the silica phase of silicon nitride and rapidly lower the melting point of the grain boundary phase, resulting in wear and tear. Becomes more intense. Therefore, when silicon nitride ceramics is applied as a gas turbine member, it is necessary to form a corrosion-resistant layer that prevents oxidation at high temperatures, water vapor corrosion, solid solution and diffusion of alkali components, and the surface of the corrosion layer has a glass phase. It is necessary to coat a silica-free phase that does not cause the formation of a corrosion resistant layer.
[0003]
With respect to silicon nitride ceramics having excellent oxidation resistance at high temperatures, as described in prior art documents (for example, see Patent Documents 1, 2, and 3), a rare earth oxide is added as a sintering aid, and the compound A mechanism for improving the oxidation resistance by forming a metal on the surface has been proposed. When sintering difficult-to-sinter silicon nitride, rare earth silicate compounds produced by reaction of rare earth oxide added as a sintering aid with silica are excellent in oxidation resistance and steam corrosion resistance. Therefore, application research and development for making these rare earth silicate phases oxidation-resistant and steam-corrosion-resistant films at high temperatures is being studied.
[0004]
The strength of silicon nitride ceramics is known to improve as the rare earth oxide added as a sintering aid becomes heavy rare earth, and Lu has the highest strength.2  O3It is believed that silicon nitride ceramics using as a sintering aid are advantageous for application to high temperature structural members. This Lu2  O3  When added as a sintering aid, Lu2  O3  Reacts with silica formed by oxidation of silicon nitride, and Lu2  SiO5And Lu2  Si2  O7  Of the silicate is formed on a part of the surface, of which Lu2  Si2  O7  Was found to be close to the thermal expansion coefficient of silicon nitride and excellent in oxidation resistance.2Si2  O7Layer-coated oxidation / steam corrosion-resistant silicon nitride ceramics are being developed.
[0005]
However, in an actual fossil fuel combustion field, there are some alkali components such as sodium and potassium together with water vapor. When a double oxide containing silica as a component is used as a corrosion-resistant layer, the alkali component is first rich in silica. In the gas turbine combustion field exposed to high-speed air flow, the wear and tear due to the drop of crystal grains is drastically reduced. Is also expected to become intense. Therefore, the conditions of the anticorrosion film required when using silicon nitride ceramics as a gas turbine member are: (1) the crystal grain boundary does not contain a glass phase of silica component, and (2) water vapor absorption / desorption. It is required from the viewpoint of chemical stability of the corrosion-resistant film at high temperatures that the components contained in the corrosion-resistant layer are not easily detached by the reaction.
[0006]
Furthermore, the thermal expansion coefficient of silicon nitride ceramics is 4 × 10.-6Since it has a low thermal expansion of about / ° C., it is necessary to select a material system in which the thermal expansion coefficient of the corrosion-resistant layer is the same as or close to that of silicon nitride in consideration of adhesion to the substrate. Gas turbine components must not cause chemical changes or property changes for a long time of 8000 hours in a high-temperature combustion field, and a system that suppresses the generation of new phases as much as possible by the chemical reaction between the coating and the substrate is required. It becomes.
[0007]
Since oxides or double oxides not containing a silica component generally have a thermal expansion coefficient larger than that of silicon nitride ceramics, there has been almost no investigation as a corrosion-resistant film of silicon nitride ceramics. Examples of the development of a corrosion-resistant layer having a function of suppressing corrosion and suppressing the formation of a new phase even when used for a long time in a high-temperature combustion field where alkali is present and the silicon nitride ceramics having the same are disclosed in the above patent document There are no reports other than those described in.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-6-32658
[Patent Document 2]
JP-A-5-221728
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-208870
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Under such circumstances, the present inventors have developed a new high-temperature corrosion-resistant layer of silicon nitride ceramics that makes it possible to drastically solve the problems in the prior art in view of the prior art. As a result of intensive research aimed at achieving this goal, rare earth silicates with the same thermal expansion coefficient as silicon nitride ceramics are used in the bond coat, and the rare earth titanate has the same crystal structure as the rare earth silicate and has the same crystal lattice constant. By using a corrosion-resistant layer that is a composite of silicate and rare earth silicate, steam corrosion at high temperatures is suppressed to a low level, and the reaction between the substrate and coating layer is suppressed even during long-term use at high temperatures, and corrosion by alkali is promoted. It has been found that it is possible to produce silicon nitride ceramics having a high-temperature corrosion-resistant coating that can suppress It was.
[0010]
That is, the present invention is (1) high temperature by making a rare earth silicate having the same thermal expansion coefficient as that of the silicon nitride ceramic used as a base material and a rare earth titanate having the same crystal structure as the rare earth silicate to form a corrosion resistant phase. Suppresses the mass loss due to water vapor corrosion in the steel and solves various problems such as adhesion failure caused by the difference in thermal expansion with the base material. (2) Since titania and silica are not solid-solved with each other, the temperature is high. The rare earth silicate and rare earth titanate, which are stable phases, do not react and can coexist even at high temperatures, so that it is possible to form a chemically stable phase even at high temperatures for long periods of time. (3) Since the rare earth composition has a wide non-stoichiometric range and the original crystal structure can be retained even with an excess of rare earth, the corrosion-resistant layer is temporarily cracked Even if the silicon nitride of the base material is oxidized at the same time, the rare earth component is supplied from the rare earth titanate phase and reacts with the silica component generated by the oxidation of silicon nitride to form a rare earth silicate phase, thereby providing self-repairing ability. An object of the present invention is to provide a silicon nitride ceramic having a high-temperature corrosion-resistant film capable of realizing the above and a method for producing the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A silicon nitride ceramic having a rare earth titanate as a high-temperature corrosion-resistant layer on the surface thereof, characterized in that it contains rare earth silicate in a volume ratio of 1: 0 to 0.7 as a multiphase material of the high-temperature corrosion-resistant layer. A silicon nitride ceramic having a high temperature corrosion resistant layer.
(2) The silicon nitride ceramic according to (1), wherein the rare earth is any one of Yb and Lu, or a combination of two kinds.
(3) The composition of rare earth titanate is rare earth oxide (Ln2  O3  ) And titania (TiO)2  ) Is a silicon nitride ceramic according to (1), wherein the molar ratio is 1: 0.8-2.
(4) The composition of the rare earth silicate is rare earth oxide (Ln2  O3  ) And silica (SiO2) Is a silicon nitride ceramic according to (1), wherein the molar ratio is 1: 1 to 2.
(5) The silicon nitride ceramic according to (1), wherein the silicon nitride ceramic has a rare earth silicate as a bond layer between the silicon nitride ceramic and the high temperature corrosion resistant layer.
(6) The rare earth silicate of the bond layer is a dense layer, having a thickness of 0 to 10 microns, and a rare earth oxide (Ln2  O3  ) And silica (SiO2  ) Is a silicon nitride ceramic according to (5) above, wherein the molar ratio is 1: 1 to 2.
(7) The silicon nitride ceramic according to (5), wherein the dense bond layer is formed by sputtering, laser ablation, sol-gel, or a combination of two or more methods.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention employs rare earth titanate as a corrosion-resistant layer, and in order to minimize the difference in thermal expansion coefficient between the base material and the corrosion-resistant layer, it is combined with a rare earth silicate having a smaller thermal expansion coefficient, and the film is cracked. In order to make the self-healing ability possible even if the generation of selenium occurs, the ratio of the rare earth element to titanium is made rich in rare earth to the extent that the same structure can be maintained in the composition of the rare earth titanate, and the silica generated as a result of oxidation of the substrate is absorbed. In order to suppress the reaction between the oxide component contained in the substrate and the corrosion-resistant layer, if necessary, manufacture a corrosion-resistant film with a dense rare earth silicate thin film bond-coated on the substrate. And providing a silicon nitride ceramic having a corrosion-resistant layer.
[0013]
Rare earth silicate and rare earth titanate are both high temperature stable phases and have the same crystal structure. Since silica and titania do not completely dissolve, rare earth silicate and rare earth titanate can coexist in two phases even for annealing at high temperature for a long time once a multiphase structure is formed. By forming a fine structure of the two phases that do not form a solid solution with each other, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the film or improve the apparent toughness, and to make the part that causes self-healing ability finer Therefore, the reliability with respect to long-term use of the film can be improved.
[0014]
Corrosion-resistant layers having a fine multiphase structure can be formed by using a fine starting material, a pre-synthesized rare earth silicate and a rare earth titanate fine powder, a gas phase method, or an amorphous coating by a sol-gel method. Although there are a method of heat treatment for a short time at a high temperature and a method of rapid cooling, the multiphase structure of the present invention is predicted to be approximately the same as the size and width of a crack generated due to a difference in thermal expansion coefficient. Any structure may be used as long as the structure exhibits a certain degree of structure, and there is no restriction on the size and formation method of the multiphase structure.
[0015]
The rare earth titanate has a meteorite structure and exhibits a wide non-stoichiometry on the rare earth oxide side in the phase diagram. As the ratio of rare earth to titanium approaches 1: 1 in terms of atomic ratio, the structure changes from an irregular structure to an ordered structure, but neither structure has a significant change in the lattice constant or thermal expansion coefficient. By utilizing this non-stoichiometry, that is, a composition in which the rare earth is rich, cracks are generated in the film, and the silicon nitride ceramics of the base material are oxidized to produce silica. Can be absorbed and rare earth silicate can be generated, and a self-healing function can be provided.
(Generation of rare earth silicate)
Ln2 + x  Ti2O7  + YSiO2  → Ln2 + xy  + 1 / 2Ln2  Si2  O7
[0016]
When silica is present at the grain boundaries of the corrosive layer or at the surface of the corrosive layer, the alkali component readily dissolves in the silica component and dramatically lowers the melting point of the grain boundary phase or the surface silica phase, accelerating steam corrosion. In addition, when the member is exposed to a high-speed air stream, wear such as dropping of crystal grains accompanying melting of the grain boundary phase is accelerated. Therefore, a mechanism to suppress the silica component of the grain boundary phase in the film as much as possible is necessary. However, the above reaction formula can effectively generate a rare earth silicate having excellent steam corrosion resistance even if the silica component is generated. It can be a mechanism that effectively suppresses acceleration of corrosion due to the presence of alkali components.
[0017]
In order to minimize the generation of silica-rich grain boundary phases in the corrosion-resistant layer, it is desirable not to include a rare-earth silicate phase in the corrosion-resistant layer, and for applications where high thermal stress is not applied, rare earth titanate and rare earth The mixing ratio of silicate may be 1: 0. Rare earth titanates and rare earth silicates are used to reduce the thermal expansion coefficient difference in applications where cracks are a problem due to a slight difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the coating due to large thermal stress. In this case, the rare earth silicate is a double oxide containing a silica component, although the crystal itself is excellent in water vapor corrosion resistance. Since solid solution is allowed and corrosion by water vapor is accelerated, it is advantageous that the mixing ratio of the rare earth silicate is as small as possible. Since the silica component of the grain boundary phase associated with the rare earth silicate phase can be effectively removed by making a double phase with the rare earth-rich rare earth titanate phase, the volume fraction of the rare earth titanate and the rare earth silicate is about 1: 1. That is, it is possible to obtain a corrosion resistant layer that does not lose the high corrosion resistance of the rare earth titanate to a fraction of about 1: 0.7 in molar ratio.
[0018]
Since silicon nitride ceramics are difficult to sinter, generally a sintering aid is added to obtain a sintered body. Considering application as a high-temperature structural material, silica and rare earth oxides are generally added as sintering aids as sintering aids. Development of sintered silicon nitride ceramics using lutecia or ytterbia as a binder has been widely promoted. Accordingly, since silica and lutetia or ytterbia are present in the grain boundary phase in the silicon nitride ceramic used as the base material of the present invention, the type of rare earth component contained in the corrosion-resistant layer formed thereon is lutetium or ytterbium. It is limited to. Which is used depends on the kind of rare earth oxide added to the substrate.
[0019]
When silicon nitride is developed as a high-temperature structural material, the sintering aid added to obtain the sintered body is generally limited to the above-mentioned aid, but further improvement in strength on the low temperature side is possible. For the purpose, it may be added other than the above sintering aid such as alumina. When a sintering aid other than the above additives is added, a reaction between the components such as alumina present in the grain boundary phase of the silicon nitride substrate and the corrosion-resistant layer occurs, and a thermal expansion coefficient is formed by forming a new phase. As a result, it is predicted that defects in film performance will occur due to the formation of a new layer, such as a large difference, and sintering aids other than rare earth oxides and silica were added to the sintered silicon nitride ceramics. In some cases, a mechanism for suppressing the reaction between the component of the base material and the corrosive layer at a high temperature may be required. For example, when alumina is contained in a silicon nitride sintered body, the rare earth titanate, which is a corrosion-resistant layer, reacts with alumina to produce aluminum titanate having a large anisotropy in the thermal expansion coefficient. This will increase the stress.
[0020]
In the present invention, when a sintering aid other than the rare earth oxide and silica is added to the silicon nitride ceramic sintered body, the base material is used to suppress the reaction between the base material and the corrosion-resistant layer at a high temperature. A dense rare earth silicate layer is provided on the substrate by a vapor phase method such as a sputtering method or a laser ablation method or a solution method such as a sol-gel method. A method for forming this layer is not particularly limited as long as a dense layer can be formed. By providing the rare earth silicate phase, even if the rare earth silicate and alumina produce mullite by the high temperature reaction, the amount is small, and the thermal expansion coefficient of mullite is small. The increase is slight and can be ignored.
[0021]
In addition, rare earth silicate and rare earth titanate have the same crystal structure and can also serve as a bonding layer. The thickness of the dense layer is designed according to parameters such as temperature and time for using the member. However, a thin film is advantageous for forming a dense layer without cracks. The thickness of such layers is preferably 0 to 10 microns thick. When the silicon nitride ceramic sintered body does not contain a sintering aid such as alumina, this layer is not necessary, and the range relating to the thickness of this layer includes zero.
[0022]
As described above, by using rare earth titanate as the corrosion resistant layer, the silicon nitride of the substrate exhibits excellent steam corrosion resistance even in long-term use at high temperatures in the presence of an alkali component. In order to reduce the difference in thermal expansion, it is easy to stabilize the structure at a high temperature by forming a multiphase with a rare earth silicate, and by selecting a rare earth-rich composition, cracks and the like are generated in the film. Even if the silicon nitride of the base material is oxidized to produce a silica component, it is possible to produce a silicon nitride ceramic having a water vapor corrosion resistant layer that can absorb the silica component and change it into a rare earth silicate. Furthermore, when a sintering aid other than the rare earth oxide and the silica component is present in the silicon nitride sintered body, the components contained in the rare earth titanate and the silicon nitride sintered body by the dense rare earth silicate formed on the silicon nitride. This makes it possible to produce silicon nitride ceramics having a water vapor corrosion resistant layer that can effectively block the reaction with the high temperature and long time annealing.
[0023]
The conceptual diagram of the silicon nitride ceramics which has a high temperature corrosion-resistant layer of this invention is shown in FIG. In the present invention, the rare earth titanate is coated as a corrosion resistant material on the silicon nitride ceramic substrate. In this case, the film thickness is up to 200 microns. In order to reduce the difference between the thermal expansion coefficient of the silicon nitride ceramic substrate and the thermal expansion coefficient of the corrosion resistant layer, the basic structure is the same as that of the rare earth titanate and the thermal expansion coefficient is small depending on the type of silicon nitride ceramics. In addition, a composite with a rare earth silicate excellent in steam corrosion resistance at high temperatures is intended. In this case, the thickness is 0 to 10 microns. The compounding with the rare earth silicate is not always necessary when the thickness of the layer can be reduced, and the mixing ratio of the rare earth silicate to the rare earth titanate includes 0. Further, the thickness of the thick film can be appropriately designed according to parameters such as temperature, time and reliability at which the member is used.
[0024]
Since silicon nitride is a difficult-to-sinter material, a sintering aid is added, but the sintering aid is mainly a rare earth oxide and silica. The kind of rare earths of the rare earth titanate and the rare earth silicate is adapted to the rare earth of the sintering aid. A nitride ceramic sintered body for the purpose of developing a high-temperature structural member may be sintered by adding alumina or the like in addition to rare earth oxide and silica. When alumina is contained in the crystal grain boundary of the silicon nitride sintered body, when a rare earth titanate is coated thereon, the titania component and alumina may react at a high temperature to generate aluminum titanate. Since aluminum titanate is a substance having a strong thermal expansion coefficient anisotropy, there is a possibility of creating a large stress in the film, and thus a mechanism for suppressing the formation of an aluminum titanate phase is required. In the present invention, a dense rare earth silicate film is produced on silicon nitride ceramics for the purpose of suppressing the formation of a new phase due to the reaction between the components contained in the silicon nitride sintered body and the film, such as the formation of aluminum titanate. To do. This layer is not always necessary when the silicon nitride sintered body has no sintering aid other than the rare earth oxide and silica or can be ignored, and the film thickness includes zero. Even when the rare earth silicate reacts with aluminum, mullite is generated as a new phase. However, since the thermal expansion coefficient of mullite is small, an increase in stress in the film accompanying the generation of the phase can be ignored.
[0025]
As shown in FIG. 2, the rare earth titanate has a single crystal structure and a wide non-stoichiometry to the rare earth side. By using rare earth-rich rare earth titanate as a coating material, even if cracks occur in the coating and the silicon nitride ceramics of the substrate are oxidized, the silica generated by the oxidation of the substrate reacts with the rare earth-rich rare earth titanate. Since the rare earth silicate is produced, as a result, self-repairing ability can be imparted. Silica rapidly lowers the melting point due to the solid solution of the alkali component in the presence of the alkali component and accelerates corrosion due to water vapor, but if a double oxide is formed like the rare earth silicate, the water vapor corrosion of the rare earth silicate crystal phase itself. Therefore, it is possible to effectively suppress steam corrosion at high temperatures. In the present invention, the composition of the rare earth titanate is a rare earth oxide (Ln2  O3  ) And titania (TiO)2  ) Ratio in the molar ratio of 1: 0.8 to 2, that is, a region indicated by hatching in FIG.
[0026]
【Example】
Next, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
Example
In this example, the results of conducting a steam corrosion test at 1500 ° C. and demonstrating excellent corrosion resistance of the coating material of the present invention will be described. In the present invention, Yb and Lu are preferably used as the rare earth, but here, the results of demonstrating that the corrosion resistance is excellent by using Lu as the rare earth are shown. For the purpose of comparing the effects of steam corrosion, the corrosion test was also performed under the same conditions for titania and lutecia, which are the edge members of the phase diagram of FIG. The composition of the lutetium titanate tested here is Lu2  Ti2O7  And Lu2TiOx  It is. Lu2  O3  , Lu2  Ti2  O7  , Lu2TiOx  TiO2  Of these, TiO2  There are reports on the water vapor corrosivity of, and it is well known.
[0027]
(1) Production of sintered body
In order to clarify the difference in corrosion mechanism due to the presence of the silica component, high purity TiO having a purity of 99.9% was used as a starting material for the sintered body.2  And Lu2O3Was used. In addition, the purity of the starting material also needs to be high in coating silicon nitride ceramics. After starting materials were weighed so as to have a predetermined molar ratio, the powders were put in a polyester pot, and ultrasonically stirred in pure water for 1 hour together with a monoball. Polyvinyl alcohol was used as the binder. After the obtained slurry was dried, it was press-molded and reacted and sintered at 1600 ° C. for 12 hours in the atmosphere.2O3  , Lu2  Ti2  O7  , Lu2  TiOxTiO2A sintered body was obtained.
[0028]
(2) Corrosion test
The high temperature steam corrosion test was performed under the following conditions. Temperature: 1500 ° C., ascending / descending speed: 250 ° C./hour, time: 100 hours, water vapor amount relative to air: 30 wt%, flow rate: 175 ml / min. In order to remove the contribution of corrosion due to the low temperature side corrosion mechanism occurring at 300 ° C to 500 ° C, after the sample temperature reaches 1500 ° C, water vapor is introduced to completely remove water and hydroxyl groups adhering to the surface. For the purpose of removing and clarifying the corrosion effect at high temperature, the introduction of water vapor was stopped when 100 hours had passed. In order to clarify the difference between the corrosion mechanism due to the presence of the alkali component and the pure steam corrosion mechanism, the sample was placed on an alumina sintered plate containing an alkali component of 1% or less and 0.1% or more. By testing by placing a bulk sample on an alumina plate containing an alkali component, the effect of adding the contribution of the alkali component to the corrosion mechanism by water vapor can be confirmed at the portion in contact with the alumina plate, Since the upper part of the bulk away from the alumina plate has a corrosion mechanism caused only by corrosion due to water vapor, it is possible to clarify the contribution of alkali components in water vapor corrosion by analyzing the corrosion conditions above and below the bulk.
[0029]
(3) Test results
All the test samples had no significant change in appearance before and after the test, and all showed good steam corrosion resistance. The weight change of each sample accompanying said high temperature steam corrosion test is shown in FIG. With TiO2, the weight decreases and Lu2  O3  , Lu2  Ti2  O7  , Lu2TiOxThen, the weight increased slightly. In general, when water vapor is present at high temperature, oxides are worn out due to desorption of component elements as water molecules are absorbed and desorbed, and the weight decreases. Further, when an alkali component is present, it is generally considered that the melting point is lowered by the solid solution of the alkali component, and the diffusion of water molecules into the substance is accelerated, so that corrosion is accelerated.
[0030]
As a result of the above corrosion test, Lu2  O3, Lu2  Ti2  O7  , Lu2  TiOx  However, since the weight is slightly increased, the mechanism of desorption of the component elements does not work with the absorption and desorption of water molecules, and although water vapor diffuses into the crystal layer, corrosion due to desorption of the component elements It was found that wear was suppressed. Although changes in material properties such as a decrease in the mechanical strength of the material due to the incorporation of water molecules into the crystal phase are expected, these materials are not suitable for high-temperature steam corrosion phases. Therefore, it can be said that it is an excellent material as a corrosion resistant material at high temperatures. However, Lu2  O3  The coefficient of thermal expansion of is about twice that of silicon nitride ceramics, so Lu2O3Is excluded from the corrosion resistant coating material of silicon nitride ceramics.
[0031]
FIG. 4 shows the result of infrared spectrum obtained from the surface of titania after the corrosion test. It can be seen that OH groups and free water molecules are not adsorbed on the surface. Water molecules or OH groups adsorbed on the surface of a substance are generally skipped at a temperature of 500 ° C. or higher. In the above corrosion test, the introduction of water vapor was stopped at 1500 ° C. at the time when the test was completed for 100 hours in order to eliminate the effect of corrosion at low temperature, so that water molecules or OH groups adsorbed on the surface were completely blown off. It can be said that The same is true for other Lu2  O3  , Lu2  Ti2  O7  , Lu2  TiOx  But I can say, Lu2  O3  , Lu2  Ti2  O7  , Lu2  TiOx  Then, the weight after the test slightly increases because the water molecule is Lu.2  O3  , Lu2  Ti2  O7  , Lu2  TiOxIt can be seen that this is because it is dissolved in the crystal lattice.
[0032]
FIG. 5 shows a photograph of the surface of the sample after the test and the back surface of the sample in contact with the alumina plate containing the alkali component. There is no difference in the appearance of the front and back surfaces, and it can be seen that acceleration of corrosion due to the solid solution of the alkali component is suppressed in this material system. Furthermore, since rare earth titanate does not observe substrate wear due to pure steam corrosion, that is, weight loss, when used as a high temperature corrosion resistant coating, the film thickness may be thin. This facilitates member design.
[0033]
From the above, TiO2  -Lu2  O3  It was proved that the steam corrosion resistance at high temperature of the system was excellent, but Lu2  O3  Shows excellent water vapor corrosivity even in the presence of an alkali component, but its thermal expansion coefficient is about twice that of silicon nitride ceramics, which is also excluded as a corrosion-resistant coating material. Rare earth titanate has a relatively small thermal expansion coefficient and has the same crystal structure as rare earth silicate. Therefore, the composite phase is very useful as a corrosion resistant coating material for silicon nitride ceramics. Furthermore, as shown in the above reaction formula, the composition of the film is made of a rare earth-rich composition, so that it is expected to exhibit a self-repair function even if the film breaks due to an accident and a crack occurs. Therefore, it can be said that the film can be thin, and can have excellent performance in terms of film design, member design, and safety for long-term use.
[0034]
【The invention's effect】
As described above in detail, the present invention relates to silicon nitride ceramics having a rare earth titanate high temperature corrosion resistant layer. According to the present invention, 1) the high temperature steam resistant corrosion layer of the present invention is at a high temperature of 1100 ° C. or higher. It is possible to provide a silicon nitride ceramic having a corrosion-resistant film layer and a corrosion-resistant layer that can withstand long-term use even with a thin film thickness because it has excellent high-temperature steam corrosion resistance and does not wear the film due to corrosion. 2) To provide a silicon nitride ceramic having a corrosion-resistant coating layer that exhibits a self-healing function even if cracks or the like occur in the coating due to an unexpected accident by making the coating composition a rare earth-rich rare earth titanate composition And the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a conceptual diagram of silicon nitride ceramics having a high temperature corrosion resistant layer.
FIG. 2 shows the composition range of rare earth titanates.
FIG. 3 shows a change in weight due to a corrosion test.
FIG. 4 shows an infrared spectrum obtained from a titania surface after a corrosion test.
FIG. 5 shows the appearance of the front and back surfaces after a corrosion test.

Claims (7)

希土類チタネートを高温耐腐食層として表面に有する窒化ケイ素セラミックスであって、当該高温耐腐食層の複相化材として希土類シリケートを体積比で1:0〜0.7含むことを特徴とする高温耐腐食層を有する窒化ケイ素セラミックス。A silicon nitride ceramic having a rare earth titanate as a high temperature corrosion resistant layer on its surface, the rare earth silicate being contained in a volume ratio of 1: 0 to 0.7 as a multiphase material of the high temperature corrosion resistant layer. Silicon nitride ceramics with a corrosive layer. 希土類が、Yb又はLuの何れか、もしくは2種類の組み合わせからなる請求項1記載の窒化ケイ素セラミックス。The silicon nitride ceramic according to claim 1, wherein the rare earth is any one of Yb and Lu, or a combination of two kinds. 希土類チタネートの組成が、希土類酸化物(Ln )とチタニア(TiO )の比がモル比で1:0.8〜2である請求項1記載の窒化ケイ素セラミックス。The silicon nitride ceramics according to claim 1, wherein the composition of the rare earth titanate is such that the molar ratio of the rare earth oxide (Ln 2 O 3 ) and titania (TiO 2 ) is 1: 0.8 to 2. 希土類シリケートの組成が、希土類酸化物(Ln )とシリカ(SiO )の比がモル比で1:1〜2である請求項1記載の窒化ケイ素セラミックス。The silicon nitride ceramics according to claim 1, wherein the composition of the rare earth silicate is such that the molar ratio of the rare earth oxide (Ln 2 O 3 ) to silica (SiO 2 ) is 1: 1 to 2. 窒化ケイ素セラミックスと上記高温耐腐食層のボンド層として希土類シリケートを有する請求項1記載の窒化ケイ素セラミックス。2. The silicon nitride ceramic according to claim 1, wherein the silicon nitride ceramic has a rare earth silicate as a bond layer between the silicon nitride ceramic and the high temperature corrosion resistant layer. ボンド層の希土類シリケートが、緻密層であり、0〜10ミクロン厚を有し、希土類酸化物(Ln)とシリカ(SiO)の比がモル比で1:1〜2である請求項5記載の窒化ケイ素セラミックス。The rare earth silicate of the bond layer is a dense layer, has a thickness of 0 to 10 microns, and the ratio of the rare earth oxide (Ln 2 O 3 ) to silica (SiO 2 ) is 1: 1 to 2 in molar ratio. Item 6. The silicon nitride ceramics according to Item 5. 緻密なボンド層が、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、ゾルゲル法の何れか又は2種類以上の方法を組み合わせて成膜されたものである請求項5記載の窒化ケイ素セラミックス。The silicon nitride ceramic according to claim 5, wherein the dense bond layer is formed by sputtering, laser ablation, sol-gel, or a combination of two or more methods.
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