JP2005225723A - セラミックス基耐熱部材及びその製造方法並びにガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】 遮熱性を確保しつつセラミック基材とセラミック被覆層との密着性を向上させる。
【解決手段】 熱サイクルのある環境下に配されるセラミックス基耐熱部材１であって、ＣＭＣ材料によって構成されるセラミック基材１１と、該セラミック基材１１上に配されかつ上記セラミック基材１１側に上記セラミック基材１１に対する密着性を有し非セラミック基材１１側に遮熱性を有するポーラス状のセラミック被覆層１２とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミックス基耐熱部材及びその製造方法並びにガスタービンに関するものである。

例えば、ガスタービンのタービンンシュラウドのように、熱サイクルのある環境下に配されるセラミックス基耐熱部材は、ＣＭＣ（Ceramic Matrix Composites）材料によって構成されるセラミック基材とこのセラミック基材の耐熱性及び耐酸化性を向上させるためのコーティング部材とを備えている。
そして、従来の、セラミックス基耐熱部材においては、コーティング部材として一般的にＳｉＣコーティングが用いられており、この他のコーティング部材としてはジルコンコーティングやガラスコーティングが用いられていた。

しかしながら、ＳｉＣコーティングの場合は、コーティング材を厚く成形すると割れてしまう。このため、コーティング材を薄く成形することしかできず、長時間の使用によってコーティング材が損傷すると、セラミック基材自体が高温酸化雰囲気にさらされ損傷してしまう。
また、ガラスコーティングの場合は、耐酸化に有効な高温で軟化するため、ジェットエンジンのような流速の早いガス中では、飛散や反応によってコーティング材が消滅し、セラミック基材自体が損傷してしまう。
また、ジルコンコーティングの場合は、水蒸気を含む環境で使用する場合に制限があり、それ単体ではエンジン環境でコーティング材として機能させることができない。
このような問題を解決するべく、特開平１１−３４３８０３号公報には、セラミック基材上にポーラス状のセラミックスを被覆させコーティング材（セラミック被覆層）とすることによって、セラミック基材とコーティング材の密着性を向上させる技術が開示されている。
特開平１１−３４３８０３号公報

この技術によれば、セラミック基材とポーラス状のコーティング材とを熱収縮の少ないセラミックスを含ませて形成することによって、上述したコーティング材料よりも長期的な密着性を得ることができる。しかしながら、コーティング材の強度を上げ、セラミック基材との密着性を高めようとすると、コーティング材の気孔率を低下させる必要がある。このようにコーティング材の気孔率を低下させるとコーティング材の遮熱性が低下するため、コーティング材によって十分にセラミック基材を保護することが困難となる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、遮熱性を確保しつつセラミック基材とセラミック被覆層との密着性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るセラミックス基耐熱部材では、第１の手段として、熱サイクルのある環境下に配されるセラミックス基耐熱部材であって、ＣＭＣ材料から構成されるセラミック基材と、該セラミック基材上に配されかつ上記セラミック基材側に上記セラミック基材に対する密着性を有し非セラミック基材側に遮熱性を有するポーラス状のセラミック被覆層とを有するという構成を採用する。

セラミックス基耐熱部材に係る第２の手段として、上記第１の手段において、上記セラミック被覆層は、上記セラミック基材側から徐々に気孔率が高くなるという構成を採用する。

セラミックス基耐熱部材に係る第３の手段として、上記第１の手段において、上記セラミック被覆層は、上記密着性を有する密着層と、上記遮熱性を有する遮熱層とを備えてなり、上記密着層は、上記遮熱層よりも低い気孔率を有するという構成を採用する。

セラミックス基耐熱部材に係る第４の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、上記セラミック基材は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ及びＺｒのいずれかから選ぶ成分の酸化物、炭化物あるいは窒化物を含むという構成を採用する。

セラミックス基耐熱部材に係る第５の手段として、上記第１〜第４いずれかの手段において、上記セラミック被覆層は、Ｓｉ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｃｅ及びＹのうち少なくとも１つの成分を含む酸化物からなるという構成を採用する。

セラミックス基耐熱部材に係る第６の手段として、上記第１〜第５いずれかの手段において、上記セラミック基材は、上記セラミック被覆層との接触面が０．１〜１ｍｍの凹凸を有しているという構成を採用する。

ガスタービンに係る手段として、本発明に係るセラミックス基耐熱部材をタービンシュラウドとして用いるという構成を採用する。

セラミックス基耐熱部材の製造方法に係る第１の手段として、ＣＭＣ材料から構成されるセラミック基材上にポーラス状のセラミック被覆層が配されるセラミックス基耐熱部材の製造方法であって、上記セラミック被覆層材料を上記セラミック基材上にプラズマ溶射する溶射工程を有し、該溶射工程における圧力雰囲気を変化させるという構成を採用する。

セラミックス基耐熱部材の製造方法に係る第２の手段として、上記第１の手段において、上記溶射工程における圧力雰囲気を減圧状態から徐々に増圧するという構成を採用する。

セラミックス基耐熱部材の製造方法に係る第３の手段として、上記第１の手段において、上記溶射工程は、減圧雰囲気において上記セラミック被覆層材料を上記セラミック基材上にプラズマ溶射する第１溶射工程と、該第１溶射工程において溶射されたセラミック被覆層材料上に大気圧雰囲気において上記セラミック被覆層材料をプラズマ溶射する第２溶射工程とを有するという構成を採用する。

セラミックス基耐熱部材の製造方法に係る第４の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、上記セラミック基材をＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ及びＺｒのいずれかから選ぶ成分の酸化物、炭化物あるいは窒化物を含んで形成するという構成を採用する。

セラミックス基耐熱部材の製造方法に係る第５の手段として、上記第１〜第４いずれかの手段において、上記セラミック被覆層をＳｉ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｃｅ及びＹのうち少なくとも１つの成分を含む酸化物から形成するという構成を採用する。

本発明に係るセラミックス基耐熱部材及びその製造方法によれば、セラミック基材側に上記セラミック基材に対する密着性を有し非セラミック基材側に遮熱性を有するポーラス状のセラミック被覆層とを得ることができるため、遮熱性を確保しつつセラミック基材とセラミック被覆層との密着性を向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係るセラミックス基耐熱部材及びその製造方法並びにガスタービンの一実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本第１実施形態に係るセラミックス基耐熱部材１の模式図である。この図に示すように、本実施形態に係るセラミックス基耐熱部材１は、熱サイクルのある環境下に配されるものであり、ＣＭＣ材料によって構成されるセラミック基材１１と、このセラミック基材１１上に配されるコーティング材１２（セラミック被覆層）とによって構成されている。

セラミック基材１１は、繊維結合型立体セラミックスよりなるプリフォームにセラミックスを含浸し焼成することによって形成されるＣＭＣ材から構成されており、Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｇ及びＺｒのいずれかから選ぶ成分の酸化物、炭化物あるいは窒化物を含んでいる。そして、図示するように、このセラミック基材１１の上面１１ａには、凹凸が形成されている。

コーティング材１２は、セラミック基材１１の上面１１ａ上に配置されており、セラミック基材１１側から順に、セラミック基材１１に対する密着性を有する密着層１２ａと、遮熱性を有する遮熱層１２ｂとが積層されてなっている。
このコーティング材１２は、Ｓｉ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｃｅ及びＹのうち少なくとも１つの成分を含む酸化物からなっており、密着層１２ａと遮熱層１２ｂとの違いは、その層における気孔率の違いである。なお、気孔率とは、その層の体積に対する気孔の割合である。
この気孔率によってその層における線膨張係数及び遮熱性を規定することができる。具体的には、気孔率を低くすることによってその層における線膨張係数を小さくすることができ、気孔率を高くすることによってその層における遮熱性を高めることができる。
このため、本実施形態では、コーティング材１２のセラミック基材１１側の層における気孔率を低くすることによってセラミック基材１１との密着性が高い密着層１２ａを形成し、コーティング材１２の非セラミック基材１１側の層における気孔率を高くすることによって遮熱性が高い遮熱層１２ｂを形成している。なお、密着層１２ａの気孔率は、セラミック基材１１との密着力を有しかつコーティング材１２の構造強度が十分高い２〜１０％程度であることが好ましく、遮熱層１２ｂの気孔率１２ｂは、遮熱性を有しかつコーティング材１２の構造強度が保たれる１０〜４０％程度であることが好ましい。

ここで、図２及び図３を参照して、従来のコーティング材を有するセラミックス基耐熱部材と本実施形態に係るコーティング材１１を有するセラミックス基耐熱部材１との比較実験例について説明する。なお、本実験においては、従来のコーティング材として気孔率の高いコーティング材、すなわち、コーティング材が上述の密着層１２ａのみによって構成されるコーティング材を用いている。
図２は、従来のコーティング材を有するセラミックス基耐熱部材と本実施形態に係るコーティング材１１を有するセラミックス基耐熱部材１とを同じ熱サイクルの環境下に配した場合に、どの程度の熱サイクルでコーティング材が剥離したかを示すグラフであり、Ａが従来のコーティング材を有するセラミックス基耐熱部材に対応し、Ｂが本実施形態に係るコーティング材１１を有するセラミックス基耐熱部材１に対応している。
この図２に示すように、従来のコーティング材を有するセラミックス基耐熱部材のコーティング材料が７８回の熱サイクルでコーティング材が図３（ａ）の写真に示すように剥離したのに対して、本実施形態に係るコーティング材１１を有するセラミックス基耐熱部材１のコーティング材１１は、５００回以上の熱サイクルにおいても図３（ｂ）の写真に示すように剥離しないことが確認された。

このように、遮熱層１２ｂを当該遮熱層１２ｂより低い気孔率を有する密着層１２ａを介してセラミック基材１１上に配することによって、遮熱性を確保しつつセラミック基材１１とコーティング材１２との密着性を向上させることが可能となる。

また、セラミック基材１１の上面１１ａには、０．１〜１ｍｍの凹凸が形成されているため、セラミック基材１１とコーティング材１２とが接触する面が増える。このため、さらにセラミック基材１１とコーティング材１２との密着性を向上させることができる。

次に、図４を参照して本第１実施形態に係るセラミックス基耐熱部材１の製造方法について説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、繊維結合型立体セラミックス製のプリフォームを形成し、これにさらにセラミックスを含浸させて焼成することによって、ＣＭＣ材よりなるセラミック基材１１を形成する。

繊維結合型立体セラミックスは、例えば、ポリチタノカルボラシンを溶融紡糸した後、不融化、焼成して合成されるＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏからなる無機質繊維を原料繊維とし、この原料繊維を織機等を用いて作成した立体織物とする。そして、これにさらにＳｉ，Ａｌ，Ｍｇ及びＺｒのいずれかから選ぶ成分の酸化物、炭化物あるいは窒化物からなるセラミックスを気相法や液相法等により含浸させることによってＣＭＣ材よりなるセラミック基材１１を得る。

また、本実施形態に係るセラミックス基耐熱部材においては、０．１〜０．５ｍｍの繊維層を積層して織物を形成している。このため、セラミック基材１１の上面１１ａは上述したコーティング材２１との密着性を高めるための凹凸を有する。具体的には、セラミック基材１１の上面１１ａに対して加工を実施しないか、もしくは最小限の加工を行うことで、０．１〜１ｍｍの凹凸をセラミック基材１１の上面１１ａに残す。なお、ブラストやエッチング等の表面処理を施すことによってセラミック基材１１の上面１１ａに凹凸を形成しても良い。

このセラミック基材１１は、プリフォーム段階でＸ軸方向に延びる繊維ＳＸと、Ｙ軸方向に延びる繊維ＳＹと、Ｚ軸方向に延びる繊維ＳＺとを立体的に織り込んでいるため、板厚方向（Ｚ軸方向）にも高い耐破壊強度を持つ。

そして、このように形成されたセラミック基材１１の上面１１ａ上にコーティング材１１をプラズマ溶射によって形成する（溶射工程）。
まず、図４（ｂ）に示すように、セラミック基材１１を減圧雰囲気（例えば、１８０ｈＰａ）中に配し、このセラミック基材１１の上面１１ａ上にコーティング材料Ａ（セラミック被覆材材料）をプラズマ溶射する（第１溶射工程）。このように、減圧雰囲気においてコーティング材料Ａをプラズマ溶射することによって、セラミック基材１１の上面１１ａ上に気孔率が例えば２〜１０％の密着層１２ａを形成することができる。
続いて、図４（ｃ）に示すように、密着層１２ａが形成されたセラミック基材１１を大気圧雰囲気中に配し、密着層１２ａ上にコーティング材料Ａをプラズマ溶射する（第２溶射工程）。このように、大気圧雰囲気においてコーティング材料Ａをプラズマ溶射することによって、密着層１２ａ上に気孔率が１０〜４０％の遮熱層１２ｂを形成することができる。ここでコーティング材料Ａとしては、例えば、３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２・ＳｉＯ_２、ＨｆＯ_２・ＳｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２、ＨｆＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２を用いることができる。
なお、コーティング材料Ａをプラズマ溶射する際のプラズマガスとしては、Ａｒ及びＨ_２を混合したガスを用いることができる。
また、コーティング材料Ａをプラズマ溶射する前に、セラミック基材１１の上面１１ａを脱脂処理やブラスト処理を行っても良い。

次に、図５を参照して本第１実施形態に係るセラミックス基耐熱部材１をガスタービンのタービンシュラウドとして用いる場合の形態について説明する。

図５は、ガスタービンの一部の概略を示している。この図５において、Ｌはタービン軸線、１０はタービンシュラウド、２０はタービンケーシング、３０はタービン動翼、４０はタービン静翼である。そして、タービンシュラウド１０は、複数のセグメントを周方向に連結することでリング状に形成されており、セラミック基材１１がタービンケース２０に固着されることによって、コーティング材１２がタービン軸線Ｌに向けられて配されている。
このタービンシュラウド１０は、タービン動翼３０の回転によってタービン動翼３０の外周によって削られ、タービン動翼３０とタービンシュラウド１０との間のクリアランスが最適化される。

本第１実施形態に係るセラミックス基耐熱部材によれば、上述のように、セラミック基材１１に対する密着性を有する密着層１２ａと、遮熱性を有する遮熱層１２ｂとを備えることによって、遮熱性を確保しつつセラミック基材１１とコーティング材１２との密着性を向上させることができるため、タービン内部、すなわち、熱サイクルのある環境下においてもコーティング材１２が剥がれることなく、長期的に優れた遮熱性を確保することができる。

（第２実施形態）
次に、図６を参照して本発明に係るセラミックス基耐熱部材及びその製造方法の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態においては、上記第１実施形態と異なる部分のみを説明する。

図６は、本第２実施形態に係るセラミックス基耐熱部材２の模式図である。この図に示すように、本第２実施形態に係るセラミックス基耐熱部材２は、セラミック基材１１上に１層のコーティング材２１が配されている。
そして、このコーティング材２１は、セラミック基材１１側ら徐々に気孔率が高くされている。したがって、最もセラミック基材１１側に位置するコーティング材２１が最も高い密着性を有しており、また、最もセラミック基材１１から遠い側に位置するコーティング材２１が最も高い遮熱性を有している。
このような本第２実施形態に係るセラミックス基耐熱部材２においても、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、このような本第２実施形態に係るセラミックス基耐熱部材２を製造する場合には、セラミック基材１１の上面１１ａ上にコーティング材１１をプラズマ溶射によって形成する際に、その圧力雰囲気を減圧状態から徐々に大気圧状態まで増圧することによって製造することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係るセラミックス基耐熱部材及びその製造方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

本発明の第１実施形態に係るセラミックス基耐熱部材の模式図である。 従来のコーティング材を有するセラミックス基耐熱部材と本実施形態に係るコーティング材１１を有するセラミックス基耐熱部材１とを同じ熱サイクルの環境下に配した場合に、どの程度の熱サイクルでコーティング材が剥離したかを示すグラフである。 従来のコーティング材を有するセラミックス基耐熱部材と本実施形態に係るコーティング材１１を有するセラミックス基耐熱部材１とを同じ熱サイクルの環境下に配した場合における外観写真である。 同、セラミックス基耐熱部材の製造方法について説明するための図である。 同、セラミックス基耐熱部材をタービンシュラウドとして備えるガスタービンの概略図である。 本発明の第２実施形態に係るセラミックス基耐熱部材の模式図である。

符号の説明

１，２……セラミックス基耐熱部材
１１……セラミック基材
１２，２１……コーティング材（セラミック被覆層）
１２ａ……密着層
１２ｂ……遮熱層
Ａ……コーティング材料（セラミック被覆層材料）

Claims (12)

1. 熱サイクルのある環境下に配されるセラミックス基耐熱部材であって、
   ＣＭＣ材料によって構成されるセラミック基材と、
   該セラミック基材上に配されかつ前記セラミック基材側に前記セラミック基材に対する密着性を有し非セラミック基材側に遮熱性を有するポーラス状のセラミック被覆層と
   を有することを特徴とするセラミックス基耐熱部材。
2. 前記セラミック被覆層は、前記セラミック基材側から徐々に気孔率が高くなることを特徴とする請求項１記載のセラミックス基耐熱部材。
3. 前記セラミック被覆層は、前記密着性を有する密着層と、前記遮熱性を有する遮熱層とを備えてなり、
   前記密着層は、前記遮熱層よりも低い気孔率を有することを特徴とする請求項１記載のセラミックス基耐熱部材。
4. 前記セラミック基材は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ及びＺｒのいずれかから選ぶ成分の酸化物、炭化物あるいは窒化物を含むことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のセラミックス基耐熱部材。
5. 前記セラミック被覆層は、Ｓｉ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｃｅ及びＹのうち少なくとも１つの成分を含む酸化物からなることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のセラミックス基耐熱部材。
6. 前記セラミック基材は、前記セラミック被覆層との接触面が０．１〜１ｍｍの凹凸を有していることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のセラミックス基耐熱部材。
7. 請求項１〜６いずれかに記載のセラミックス基耐熱部材をタービンシュラウドとして用いることを特徴とするガスタービン。
8. ＣＭＣ材料から構成されるセラミック基材上にポーラス状のセラミック被覆層が配されるセラミックス基耐熱部材の製造方法であって、
   前記セラミック被覆層材料を前記セラミック基材上にプラズマ溶射する溶射工程を有し、該溶射工程における圧力雰囲気を変化させることを特徴とするセラミックス基耐熱部材の製造方法。
9. 前記溶射工程における圧力雰囲気を減圧状態から徐々に増圧することを特徴とする請求項８記載のセラミックス基耐熱部材の製造方法。
10. 前記溶射工程は、
    減圧雰囲気において前記セラミック被覆層材料を前記セラミック基材上にプラズマ溶射する第１溶射工程と、
    該第１溶射工程において溶射されたセラミック被覆層材料上に大気圧雰囲気において前記セラミック被覆層材料をプラズマ溶射する第２溶射工程と
    を有することを特徴とする請求項８記載のセラミックス基耐熱部材の製造方法。
11. 前記セラミック基材をＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ及びＺｒのいずれかから選ぶ成分の酸化物、炭化物あるいは窒化物を含んで形成することを特徴とする請求項８〜１０いずれかに記載のセラミックス基耐熱部材の製造方法。
12. 前記セラミック被覆層をＳｉ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｃｅ及びＹのうち少なくとも１つの成分を含む酸化物から形成することを特徴とする請求項８〜１１いずれかに記載のセラミックス基耐熱部材の製造方法。
    
    
    

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