JP2008274357A - Thermal barrier coating member with columnar structure having excellent durability and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、耐熱性に優れた遮熱部材及びその製造方法に関する。更に詳しくは、ガスタービン部品、燃焼機器部品、ジェットエンジン部品等の高温部材等として有用な遮熱部材及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a heat shield member excellent in heat resistance and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a heat shield member useful as a high-temperature member such as a gas turbine part, a combustion equipment part, a jet engine part, and the like, and a manufacturing method thereof.
近年、発電用ガスタービンや航空機用ガスタービンの熱効率を向上させるため、燃焼ガスを高温化する研究が盛んに行われており、ガスタービンを構成する動翼、静翼等の基材を耐熱性に優れたものとし、この基材の表面にセラミック層を形成してなる部材が知られている。このような部材は、例えば、遮熱コーティング(TBC:Thermal Barrier Coating)システムを採用することにより得られたものであり、部材の冷却技術の改良と併せて、燃焼ガスの入口温度が1500℃を超えたガスタービンを実現している。 In recent years, in order to improve the thermal efficiency of power generation gas turbines and aircraft gas turbines, research into increasing the temperature of combustion gases has been actively conducted, and the base materials such as moving blades and stationary blades that constitute gas turbines are heat resistant. A member formed by forming a ceramic layer on the surface of the substrate is known. Such a member is obtained, for example, by adopting a thermal barrier coating (TBC) system, and the inlet temperature of the combustion gas is increased to 1500 ° C. together with the improvement of the cooling technology of the member. Has realized a gas turbine that surpassed.
特許文献1には、金属基材と、この金属基材の表面に形成された金属結合層(MCrAlY合金等)と、この金属結合層の表面に形成された柱状組織を有するLa2O3含有Zr系セラミック層とを有する遮熱コーティング部材が開示されており、このセラミック層は、電子ビーム物理蒸着法(EB−PVD)によって形成している。 Patent Document 1 includes La 2 O 3 having a metal substrate, a metal bonding layer (MCrAlY alloy or the like) formed on the surface of the metal substrate, and a columnar structure formed on the surface of the metal bonding layer. A thermal barrier coating member having a Zr-based ceramic layer is disclosed, and this ceramic layer is formed by electron beam physical vapor deposition (EB-PVD).
従来の遮熱部材によると、使用温度が高くなるほど、セラミック遮熱層が割れたり、剥離したりし、熱遮蔽効果における耐久性及び信頼性が得られなくなるといった問題点があった。
本発明の目的は、例えば、900℃以上の高温域で使用した場合において、遮熱層の割れ(亀裂)や剥離の発生が抑制され、耐熱性(熱サイクル耐久性)に優れた遮熱部材及びその製造方法を提供することにある。
According to the conventional heat shield member, the higher the operating temperature, the more the ceramic heat shield layer is cracked or peeled off, and there is a problem that durability and reliability in the heat shield effect cannot be obtained.
The object of the present invention is, for example, when used in a high temperature range of 900 ° C. or higher, the occurrence of cracking or peeling of the heat shielding layer is suppressed, and the heat shielding member is excellent in heat resistance (thermal cycle durability). And a manufacturing method thereof.
本発明者は、タービン翼等の規則性の乏しい形状を有する基材を回転させながら、その表面に遮熱層を形成したところ、図3に示すように、遮熱層13が、周期的なC型構造を有するセラミック柱状体131からなること、及び、得られた遮熱部材の耐熱性(熱サイクル耐久性)が、上記C型構造の軸方向の周期間隔に依存することを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventor formed a heat shield layer on the surface of a substrate having a poor regularity such as a turbine blade while rotating the substrate. As shown in FIG. It was found that the ceramic columnar body 131 has a C-shaped structure, and that the obtained heat shield member has heat resistance (thermal cycle durability) depending on the axial interval of the C-shaped structure. The invention has been completed.
本発明は、以下に示される。
1.合金基材と、該合金基材の表面に配され且つ該合金基材の酸化を抑制する耐酸化層と、該耐酸化層の表面に配され、周期的なC型構造を有するセラミック柱状体からなる遮熱層とを備える遮熱部材において、上記C型構造の軸方向の周期間隔が1μm以下であることを特徴とする遮熱部材。
2.上記セラミック柱状体が、希土類元素を含むZrO2系セラミックスからなる上記1に記載の遮熱部材。
3.上記遮熱層が、ZrO2−3〜5mol%Y2O3よりなる第1セラミック柱状体を含む基材側遮熱層と、該基材側遮熱層に配されてなり、上記第1セラミック柱状体と異なる構成であり、且つ、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuから選ばれた少なくとも1種の希土類元素を含有するZrO2系セラミックスよりなる第2セラミック柱状体を含む表面側遮熱層と、からなる上記1又は2に記載の遮熱部材。
4.上記第2セラミック柱状体を構成する上記ZrO2系セラミックスが、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuから選ばれた少なくとも2種の希土類元素を含有する上記3に記載の遮熱部材。
5.合金基材の表面に耐酸化層を形成する耐酸化層形成工程と、電子ビームの照射により蒸発させたセラミックを、耐酸化層付き合金基材を同一方向に回転させながら上記耐酸化層の表面に堆積させる遮熱層形成工程と、を備える遮熱部材の製造方法であって、
上記遮熱層形成工程を、上記耐酸化層付き合金基材の回転数、及び、上記セラミックの成膜速度を、それぞれ、x(rpm)及びy(μm/秒)としたときに、下記式の条件のもとで進めることを特徴とする遮熱部材の製造方法。
0<y≦0.017x
5≦x≦60
6.上記耐酸化層付き合金基材の回転数xが、15rpm以上40rpm以下である上記5に記載の遮熱部材の製造方法。
The present invention is shown below.
1. An alloy substrate, an oxidation resistant layer disposed on the surface of the alloy substrate and suppressing oxidation of the alloy substrate, and a ceramic columnar body disposed on the surface of the oxidation resistant layer and having a periodic C-type structure A heat-shielding member comprising a heat-shielding layer comprising: a heat-shielding member having an axial periodic interval of the C-type structure of 1 μm or less.
2. 2. The heat shield member according to 1 above, wherein the ceramic columnar body is made of a ZrO 2 ceramic containing a rare earth element.
3. The heat-shielding layer is disposed on the base-side heat-shielding layer including the first ceramic columnar body made of ZrO 2 -3 to 5 mol% Y 2 O 3 and the base-side heat-shielding layer. The structure is different from that of the ceramic columnar body, and at least one selected from Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. The heat-shielding member according to 1 or 2 above, comprising a surface-side heat-shielding layer comprising a second ceramic columnar body made of a ZrO 2 -based ceramic containing a rare earth element.
4). The ZrO 2 ceramics constituting the second ceramic columnar body are Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. 4. The heat shielding member according to 3 above, containing at least two selected rare earth elements.
5. The oxidation-resistant layer forming step for forming an oxidation-resistant layer on the surface of the alloy substrate, and the surface of the oxidation-resistant layer while rotating the alloy substrate with the oxidation-resistant layer in the same direction with the ceramic evaporated by electron beam irradiation. A method of manufacturing a heat shield member, comprising:
When the heat shielding layer forming step is set to x (rpm) and y (μm / sec), respectively, the number of rotations of the alloy base material with an oxidation resistant layer and the film forming speed of the ceramic, respectively, The manufacturing method of the thermal-insulation member characterized by progressing on condition of this.
0 <y ≦ 0.017x
5 ≦ x ≦ 60
6). 6. The method for producing a heat shield member according to 5 above, wherein the rotational speed x of the alloy substrate with an oxidation resistant layer is 15 rpm or more and 40 rpm or less.
本発明の遮熱部材によれば、900℃以上、好ましくは1000℃〜1500℃といった高温域で使用した場合において、遮熱層の割れ(亀裂)の発生が抑制され、また、上記温度の印加と、冷却等による低い温度の印加とを繰り返した場合に、この熱サイクルに伴う応力が遮熱層に作用しにくいので、剥離が起こりにくく、耐熱性(熱サイクル耐久性)に優れ、長期間に渡る使用に対する信頼性が高い。尚、300℃〜900℃の範囲の温度で使用した場合においても、上記効果を得ることができる。
上記セラミック柱状体が、希土類元素を含むZrO2系セラミックスからなる場合には、低熱伝導性であり、特に耐熱性(熱サイクル耐久性)に優れる。
また、上記遮熱層が、ZrO2−3〜5mol%Y2O3よりなる第1セラミック柱状体を含む基材側遮熱層と、該基材側遮熱層に配されてなり、上記第1セラミック柱状体と異なる構成であり、且つ、La、Sc、Y、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuから選ばれた少なくとも1種を含有するZrO2系セラミックスよりなる第2セラミック柱状体を含む表面側遮熱層と、からなる場合には、遮熱特性がより高まり、耐熱性、耐久性に優れる。
According to the heat shield member of the present invention, when used in a high temperature range of 900 ° C. or higher, preferably 1000 ° C. to 1500 ° C., the occurrence of cracks in the heat shield layer is suppressed, and the application of the above temperature When the application of a low temperature such as cooling is repeated, the stress associated with this thermal cycle is unlikely to act on the heat shield layer, so peeling does not occur easily, heat resistance (thermal cycle durability) is excellent, and long-term High reliability for use over a wide range. In addition, the said effect can be acquired also when it uses at the temperature of the range of 300 to 900 degreeC.
When the ceramic columnar body is made of a ZrO 2 -based ceramic containing a rare earth element, it has low thermal conductivity and is particularly excellent in heat resistance (thermal cycle durability).
Further, the thermal barrier layer, ZrO 2 -3~5mol% Y 2 and O 3 barrier substrate side including the first ceramic columnar body made of a thermal layer, and disposed on the substrate side thermal barrier layer, the The structure is different from the first ceramic columnar body and is selected from La, Sc, Y, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. In the case of comprising a surface side heat shield layer including a second ceramic columnar body made of ZrO 2 -based ceramics containing at least one kind, the heat shield characteristics are further enhanced, and the heat resistance and durability are excellent.
本発明の遮熱部材の製造方法によれば、合金基材の形状に関わらず、均一な遮熱層を形成することができ、900℃以上、好ましくは1000℃〜1500℃といった高温域で使用した場合において、遮熱層の割れ(亀裂)や剥離の発生が抑制され、耐熱性(熱サイクル耐久性)に優れる遮熱部材を効率よく製造することができる。 According to the method for producing a heat shield member of the present invention, a uniform heat shield layer can be formed regardless of the shape of the alloy substrate, and it is used in a high temperature range of 900 ° C. or higher, preferably 1000 ° C. to 1500 ° C. In such a case, it is possible to efficiently produce a heat shield member that is suppressed in cracking and peeling of the heat shield layer and is excellent in heat resistance (thermal cycle durability).
1.遮熱部材
本発明の遮熱部材は、合金基材と、この合金基材の表面に配され且つこの合金基材の酸化を抑制する耐酸化層と、この耐酸化層の表面に配され、周期的なC型構造を有するセラミック柱状体からなる遮熱層とを備える遮熱部材において、上記C型構造の軸方向の周期間隔が1μm以下であることを特徴とする。
本発明の遮熱部材の断面構造の一例を図1に示す。図1の遮熱部材1は、合金部材11と、この合金基材11の表面に配された耐酸化層12と、この耐酸化層12の表面に配されたセラミック柱状体からなる遮熱層13とを備える。
1. Heat-shielding member The heat-shielding member of the present invention is disposed on the surface of the alloy substrate, the oxidation-resistant layer disposed on the surface of the alloy substrate and suppressing oxidation of the alloy substrate, and the surface of the oxidation-resistant layer. A heat shield member comprising a heat shield layer made of a ceramic columnar body having a periodic C-shaped structure, wherein the periodic interval in the axial direction of the C-shaped structure is 1 μm or less.
An example of a cross-sectional structure of the heat shield member of the present invention is shown in FIG. 1 includes an alloy member 11, an oxidation resistant layer 12 disposed on the surface of the alloy base 11, and a heat shielding layer comprising a ceramic columnar body disposed on the surface of the oxidation resistant layer 12. 13.
上記合金基材は、ニッケル系合金、コバルト系合金、鉄系合金等から選ばれた部材とすることができる。
ニッケル系合金としては、Niを35質量%以上含有し且つNiの質量割合が最大量である合金が好ましい。他の構成元素としては、Co、Cr、Al、W、Mo、Ti、Fe等が挙げられる。これらのうち、1種のみが含まれてよいし、2種以上が含まれてもよい。
上記ニッケル系合金は、Inconel(登録商標)、Nimonic(登録商標)、Rene’(登録商標)等を用いることができる。
コバルト系合金としては、Coを30質量%以上含有し且つCoの質量割合が最大量である合金が好ましい。他の構成元素としては、Ni、Cr、Al、W、Mo、Ti、Fe等が挙げられる。これらのうち、1種のみが含まれてよいし、2種以上が含まれてもよい。
上記コバルト系合金は、Haynes(登録商標)、Nozzaloy(登録商標)、Stellite(登録商標)、Ultimet(登録商標)等を用いることができる。
また、鉄系合金としては、Feの質量割合が最大量であるステンレス等が好ましく用いられる。
The alloy base material may be a member selected from a nickel-based alloy, a cobalt-based alloy, an iron-based alloy, and the like.
As the nickel-based alloy, an alloy containing 35% by mass or more of Ni and having a maximum mass ratio of Ni is preferable. Examples of other constituent elements include Co, Cr, Al, W, Mo, Ti, and Fe. Among these, only 1 type may be contained and 2 or more types may be contained.
As the nickel-based alloy, Inconel (registered trademark), Nimonic (registered trademark), Rene '(registered trademark), or the like can be used.
As the cobalt-based alloy, an alloy containing 30 mass% or more of Co and having a maximum mass ratio of Co is preferable. Examples of other constituent elements include Ni, Cr, Al, W, Mo, Ti, and Fe. Among these, only 1 type may be contained and 2 or more types may be contained.
As the cobalt-based alloy, Haynes (registered trademark), Nozzaloy (registered trademark), Stellite (registered trademark), Ultimate (registered trademark), or the like can be used.
As the iron-based alloy, stainless steel having a maximum mass ratio of Fe is preferably used.
上記合金基材の形状は、特に限定されず、規則性のある形状であってよいし、規則性のないいびつな形状を有してもよい。この合金基材の例としては、動翼、静翼、回転翼等が挙げられる。 The shape of the alloy base material is not particularly limited, and may be a regular shape or an irregular shape without regularity. Examples of the alloy substrate include a moving blade, a stationary blade, and a rotating blade.
上記耐酸化層は、上記合金基材の表面に配され且つ該合金基材の酸化を抑制するものである。この耐酸化層の構成材料は、特に限定されないが、MCrAlX合金(但し、Mは、Co、Ni及びFeから選ばれた1種以上の元素であり、Xは、Y、Ta、Hf、Ce、La、Pt、Cs、W、Si、Mn及びBから選ばれた1種以上の元素)、ニッケルアルミナイド(NiAl)、Hfがドープされたニッケルアルミナイド(NiAl(Hf))、Zrがドープされたニッケルアルミナイド(NiAl(Zr))、白金アルミナイド(PtAl)等が挙げられる。これらのうち、MCrAlX合金が好ましい。
上記耐酸化層は、1種の構成材料からなる単層であってよいし、複層であってもよい。また、異なる構成材料からなる複層(2層以上)であってもよい。
The oxidation resistant layer is disposed on the surface of the alloy base material and suppresses oxidation of the alloy base material. The constituent material of the oxidation resistant layer is not particularly limited, but MCrAlX alloy (where M is one or more elements selected from Co, Ni and Fe, and X is Y, Ta, Hf, Ce, One or more elements selected from La, Pt, Cs, W, Si, Mn and B), nickel aluminide (NiAl), nickel aluminide doped with Hf (NiAl (Hf)), nickel doped with Zr Examples include aluminide (NiAl (Zr)), platinum aluminide (PtAl), and the like. Of these, MCrAlX alloys are preferred.
The oxidation-resistant layer may be a single layer made of one kind of constituent material or a multilayer. Moreover, the multilayer (two or more layers) which consists of a different structural material may be sufficient.
上記耐酸化層の厚さは、通常、50〜200μm、好ましくは100〜150μmである。この厚さが上記範囲にあれば、上記合金基材に対する耐酸化性に優れる。尚、上記厚さが厚すぎてもそれ以上の効果はなく、薄すぎると十分な耐酸化性が発現しない。 The thickness of the oxidation resistant layer is usually 50 to 200 μm, preferably 100 to 150 μm. If this thickness is in the above range, the oxidation resistance to the alloy substrate is excellent. If the thickness is too thick, there is no further effect, and if it is too thin, sufficient oxidation resistance is not exhibited.
次に、上記遮熱層は、上記耐酸化層の表面に配され、周期的なC型構造を有するセラミック柱状体からなる。本発明の遮熱部材を、5000倍程度の低倍率で観察すると、上記遮熱層は、上記合金基材の表面に対して垂直に且つ直線状に形成された多数本のセラミック柱状体により組織が緻密になっているように見えるが、更に高倍率とすると、図3に示すように、多数本のセラミック柱状体131が、合金基材の表面に対して略垂直に、波線状となっている。上記「周期的なC型構造」とは、この連続した波線状を意味する。尚、隣り合うセラミック柱状体131どうしは、通常、部分的に接触しており、接触していない部分は、気孔133となっている。上記遮熱層における気孔133の体積割合は、通常、15〜30%である。
本発明において、上記遮熱層を構成するセラミック柱状体131は、C型構造の軸方向(長さ方向)の周期間隔(図3参照)が、1μm以下であり、好ましくは0.1〜0.7μm、より好ましくは0.2〜0.6μm、更に好ましくは0.25〜0.5μmである。この周期間隔が上記範囲にあることにより、上記気孔133が均一に微分散した構造を有し、本発明の遮熱部材の耐熱性(熱サイクル耐久性)に優れる。一方、上記周期間隔が長すぎると、遮熱層におけるヤング率が高くなる傾向にあり、亀裂等が発生しやすくなる。また、上記周期間隔が長すぎると、気孔が大きくなり、亀裂の発生や進展を促進する更に、本発明の遮熱部材の使用を重ねるごとに、隣り合うセラミック柱状体131の接触部の結合が強固となり、遮熱層におけるヤング率が更に上昇し、亀裂等が発生しやすくなる。
Next, the heat shield layer is formed of a ceramic columnar body that is disposed on the surface of the oxidation resistant layer and has a periodic C-type structure. When the heat-shielding member of the present invention is observed at a low magnification of about 5000 times, the heat-shielding layer is structured by a large number of ceramic columnar bodies formed perpendicularly and linearly to the surface of the alloy base material. However, if the magnification is further increased, as shown in FIG. 3, a large number of ceramic columnar bodies 131 are wavy and substantially perpendicular to the surface of the alloy base material. Yes. The “periodic C-shaped structure” means this continuous wavy line shape. The adjacent ceramic columnar bodies 131 are usually in partial contact with each other, and the non-contact portions are pores 133. The volume ratio of the pores 133 in the heat shield layer is usually 15 to 30%.
In the present invention, the ceramic columnar body 131 constituting the heat shielding layer has a periodic interval (see FIG. 3) in the axial direction (length direction) of the C-type structure of 1 μm or less, preferably 0.1 to 0. 0.7 μm, more preferably 0.2 to 0.6 μm, still more preferably 0.25 to 0.5 μm. By having this periodic interval in the above range, the pores 133 have a structure in which the pores 133 are uniformly and finely dispersed, and the heat shield member of the present invention is excellent in heat resistance (thermal cycle durability). On the other hand, if the period interval is too long, the Young's modulus in the heat shield layer tends to increase, and cracks and the like are likely to occur. Further, if the above periodic interval is too long, the pores become large, and the occurrence and development of cracks are further promoted.In addition, every time the heat shield member of the present invention is used, the contact portions of the adjacent ceramic columnar bodies 131 are joined. It becomes stronger, the Young's modulus in the heat shield layer further increases, and cracks and the like are likely to occur.
上記セラミック柱状体131は、全体に渡って、同一の外径を有してよいし、異なる外径を有してもよい。外径は、通常、0.05〜30μm、好ましくは0.1〜10μmである。尚、本発明においては、上記遮熱層の全体において、上記C型構造は周期的に見られる一方で、表面に近づくほど、上記セラミック柱状体131の外径が大きくなる組織を有する遮熱層とすることができる。例えば、遮熱層の表面層におけるセラミック柱状体131の外径と、耐酸化層の表面層におけるセラミック柱状体131の外径との比が、好ましくは50〜1000、より好ましくは100〜500である構造を有する遮熱層とすることができる。 The ceramic columnar body 131 may have the same outer diameter or may have different outer diameters throughout. The outer diameter is usually 0.05 to 30 μm, preferably 0.1 to 10 μm. In the present invention, the C-type structure is periodically seen in the entire heat shield layer, while the heat shield layer has a structure in which the outer diameter of the ceramic columnar body 131 increases as it approaches the surface. It can be. For example, the ratio of the outer diameter of the ceramic columnar body 131 in the surface layer of the heat shield layer to the outer diameter of the ceramic columnar body 131 in the surface layer of the oxidation resistant layer is preferably 50 to 1000, more preferably 100 to 500. It can be set as the thermal insulation layer which has a certain structure.
上記セラミック柱状体の構成材料は、特に限定されないが、低熱伝導性であり、耐熱性に優れることから、ZrO2系セラミックスであることが好ましい。特に好ましい構成材料は、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Nd(ネオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユウロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)及びLu(ルテチウム)から選ばれた少なくとも1種の希土類元素を含むZrO2系セラミックスである。この希土類元素としては、Y、Yb、Er等が好ましい。尚、上記希土類元素を含むZrO2系セラミックスの組成は、希土類元素をReで表した場合、好ましくはZrO2−2〜8mol%Re2O3、より好ましくはZrO2−3〜6mol%Re2O3である。この範囲にあると、耐熱衝撃性に優れる。 The constituent material of the ceramic columnar body is not particularly limited, but is preferably ZrO 2 based ceramic because of its low thermal conductivity and excellent heat resistance. Particularly preferable constituent materials are Sc (scandium), Y (yttrium), La (lanthanum), Ce (cerium), Pr (praseodymium), Nd (neodymium), Pm (promethium), Sm (samarium), Eu (europium). , Gd (gadolinium), Tb (terbium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Yb (ytterbium) and Lu (lutetium) ZrO 2 -based ceramics containing As this rare earth element, Y, Yb, Er and the like are preferable. The composition of the ZrO 2 -based ceramics containing the rare earth element is preferably ZrO 2 -2 to 8 mol% Re 2 O 3 , more preferably ZrO 2 -3 to 6 mol% Re 2 when the rare earth element is represented by Re. O 3. Within this range, the thermal shock resistance is excellent.
上記遮熱層の熱伝導率は、通常、1〜2W/(m・K)である。尚、この熱伝導率は、レーザーフラッシュ法等により測定することができる。 The thermal conductivity of the heat shield layer is usually 1 to 2 W / (m · K). This thermal conductivity can be measured by a laser flash method or the like.
上記遮熱層は、1種の構成材料からなる単層であってよいし、複層であってもよい。また、異なる構成材料からなる複層(2層以上)であってもよい。上記遮熱層が複層構造を有する場合であっても、上記セラミック柱状体は、遮熱層の全体に渡って、周期的なC型構造を有し、このC型構造の軸方向の周期間隔は1μm以下である。 The heat shield layer may be a single layer made of one kind of constituent material or may be a multilayer. Moreover, the multilayer (two or more layers) which consists of a different structural material may be sufficient. Even if the thermal barrier layer has a multilayer structure, the ceramic columnar body has a periodic C-type structure over the entire thermal barrier layer, and an axial period of the C-type structure. The interval is 1 μm or less.
上記遮熱層の厚さは、通常、50〜500μm、好ましくは100〜300μmである。この厚さが上記範囲にあれば、900℃以上、好ましくは1000℃〜1500℃といった高温域で使用した場合において、遮熱層の割れや剥離の発生が抑制され、耐熱性(熱サイクル耐久性)に優れる。 The thickness of the heat shield layer is usually 50 to 500 μm, preferably 100 to 300 μm. If this thickness is within the above range, when used in a high temperature range of 900 ° C. or higher, preferably 1000 ° C. to 1500 ° C., the occurrence of cracking and peeling of the thermal barrier layer is suppressed, and heat resistance (thermal cycle durability) ).
上記遮熱層が、異なる構成材料からなる2層構造を有する場合、上記耐酸化層の表面に配され且つZrO2−3〜5mol%Y2O3よりなる第1セラミック柱状体を含む基材側遮熱層と、この基材側遮熱層に配されてなり、上記第1セラミック柱状体と異なる構成であり、且つ、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuから選ばれた少なくとも1種の希土類元素を含有するZrO2系セラミックスよりなる第2セラミック柱状体を含む表面側遮熱層と、からなることが好ましい。尚、上記表面側遮熱層を構成する第2セラミック柱状体に含まれる希土類元素としては、Y、Nd及びGdが好ましい。 When the heat-shielding layer has a two-layer structure made of different constituent materials, the base material includes a first ceramic columnar body that is disposed on the surface of the oxidation-resistant layer and made of ZrO 2 -3 to 5 mol% Y 2 O 3. It is arranged on the side heat shield layer and the base material side heat shield layer, and has a different structure from the first ceramic columnar body, and Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu A surface-side thermal barrier layer comprising a second ceramic columnar body made of ZrO 2 -based ceramics containing at least one rare earth element selected from Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, It is preferable to become. In addition, as a rare earth element contained in the 2nd ceramic columnar body which comprises the said surface side thermal insulation layer, Y, Nd, and Gd are preferable.
上記表面側遮熱層を構成する第2セラミック柱状体において、その組成は、希土類元素をReで表した場合、好ましくはZrO2−2〜50mol%Re2O3、より好ましくはZrO2−3〜15mol%Re2O3、である。この範囲にあると、遮熱特性に優れる。 In the second ceramic columnar body constituting the surface side heat shield layer, the composition is preferably ZrO 2 -2 to 50 mol% Re 2 O 3 , more preferably ZrO 2 -3 when the rare earth element is represented by Re. ˜15 mol% Re 2 O 3 . Within this range, the heat shielding properties are excellent.
本発明においては、上記表面側遮熱層が、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuから選ばれた少なくとも2種の希土類元素を含有するZrO2系セラミックスよりなる第2セラミック柱状体を含むことが特に好ましい。この場合、希土類元素は、Y、La等とすることができる。尚、上記希土類元素がY及びLaである場合、これらの含有割合(質量割合)は、好ましくはY:La=(1〜5):1、より好ましくは(3〜5):1である。 In the present invention, the surface-side heat shield layer is selected from Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. It is particularly preferable to include a second ceramic columnar body made of ZrO 2 -based ceramics containing at least two kinds of rare earth elements. In this case, the rare earth element can be Y, La, or the like. In addition, when the said rare earth elements are Y and La, these content rate (mass ratio) becomes like this. Preferably it is Y: La = (1-5): 1, More preferably, it is (3-5): 1.
上記基材側遮熱層及び上記表面側遮熱層の厚さ並びにその比は、特に限定されない。両者の厚さについて、上記基材側遮熱層及び上記表面側遮熱層は、それぞれ、好ましくは50〜150μm及び50〜200μm、より好ましくは50〜100μm及び100〜200μmとすることができる。 The thickness and ratio of the base material side heat shield layer and the surface side heat shield layer are not particularly limited. About both thickness, the said base-side thermal insulation layer and the said surface side thermal-insulation layer can respectively preferably be 50-150 micrometers and 50-200 micrometers, More preferably, they can be 50-100 micrometers and 100-200 micrometers.
上記遮熱層が単層である場合、本発明の遮熱部材の断面構造は、図1に示される。また、上記遮熱層が2層である場合、本発明の遮熱部材の断面構造は、図2に示される。即ち、図2の遮熱部材1’は、合金部材11と、この合金基材11の表面に配された耐酸化層12と、この耐酸化層12の表面に配された第1セラミック柱状体からなる基材側遮熱層13aと、この基材側遮熱層13aの表面に配された第2セラミック柱状体からなる表面側遮熱層13bとを備える。 When the heat shield layer is a single layer, the cross-sectional structure of the heat shield member of the present invention is shown in FIG. Moreover, when the said heat insulation layer is two layers, the cross-section of the heat insulation member of this invention is shown by FIG. 2 includes an alloy member 11, an oxidation resistant layer 12 disposed on the surface of the alloy base 11, and a first ceramic columnar body disposed on the surface of the oxidation resistant layer 12. And a surface-side heat shield layer 13b made of a second ceramic columnar body disposed on the surface of the substrate-side heat shield layer 13a.
本発明の遮熱部材のヤング率は、通常、30〜65GPaと低いことから、熱応力も低く、熱サイクル耐久性に優れる。尚、このヤング率は、ナノインデンテーション法等により測定することができる。
以上のように、本発明の遮熱部材は、耐熱性(熱サイクル耐久性)に優れることから、高い遮熱効果を有するガスタービン部品、燃焼機器部品、ジェットエンジン部品等の高温部材とすることができ、その熱効率の向上及び長寿命化を達成することができる。
Since the Young's modulus of the heat-shielding member of the present invention is usually as low as 30 to 65 GPa, the thermal stress is low and the thermal cycle durability is excellent. The Young's modulus can be measured by a nanoindentation method or the like.
As described above, since the heat shield member of the present invention is excellent in heat resistance (thermal cycle durability), it should be a high temperature member such as a gas turbine part, a combustion equipment part, a jet engine part or the like having a high heat shield effect. The thermal efficiency can be improved and the life can be extended.
2.遮熱部材の製造方法
本発明の遮熱部材の製造方法は、合金基材の表面に耐酸化層を形成する耐酸化層形成工程と、電子ビームの照射により蒸発させたセラミックを、耐酸化層付き合金基材を同一方向に回転させながら上記耐酸化層の表面に堆積させる遮熱層形成工程と、を備え、上記遮熱層形成工程を、上記耐酸化層付き合金基材の回転数、及び、上記セラミックの成膜速度を、それぞれ、x(rpm)及びy(μm/秒)としたときに、下記式の条件のもとで進めることを特徴とする(図5参照)。
0<y≦0.017x
5≦x≦60
2. Manufacturing method of heat-shielding member The manufacturing method of the heat-shielding member of the present invention comprises an oxidation-resistant layer forming step of forming an oxidation-resistant layer on the surface of an alloy substrate, and a ceramic evaporated by irradiation with an electron beam. A thermal barrier layer forming step of depositing on the surface of the oxidation resistant layer while rotating the attached alloy base material in the same direction, and the thermal barrier layer forming step is performed by rotating the alloy base material with the oxidation resistant layer, And when the film-forming speed | rate of the said ceramic is set to x (rpm) and y (micrometer / second), respectively, it progresses on the conditions of a following formula (refer FIG. 5).
0 <y ≦ 0.017x
5 ≦ x ≦ 60
上記耐酸化層形成工程は、合金基材の表面に耐酸化層を形成する工程であり、この工程により、通常、50〜200μm、好ましくは100〜200μmの厚さの耐酸化層が形成される。
上記合金基材は、上記説明の構成材料、形状等を有する基材が用いられるが、耐酸化層の形成前には、合金基材の表面に対して、公知の前処理、例えば、グリットブラスト、研磨、化学洗浄、超音波洗浄、脱脂又はこれらの組合せによる処理を行うことができる。
上記耐酸化層形成工程において用いる耐酸化層形成材料としては、上記説明のMCrAlX合金(但し、Mは、Co、Ni及びFeから選ばれた1種以上の元素であり、Xは、Y、Ta、Hf、Ce、La、Pt、Cs、W、Si、Mn及びBから選ばれた1種以上の元素)、ニッケルアルミナイド(NiAl)、Hfがドープされたニッケルアルミナイド(NiAl(Hf))、Zrがドープされたニッケルアルミナイド(NiAl(Zr))、白金アルミナイド(PtAl)等が挙げられる。
The oxidation-resistant layer forming step is a step of forming an oxidation-resistant layer on the surface of the alloy substrate, and an oxidation-resistant layer having a thickness of usually 50 to 200 μm, preferably 100 to 200 μm is formed by this step. .
As the above-mentioned alloy base material, a base material having the above-described constituent material, shape, etc. is used. Before forming the oxidation-resistant layer, a known pretreatment such as grit blasting is performed on the surface of the alloy base material. Polishing, chemical cleaning, ultrasonic cleaning, degreasing, or a combination thereof can be performed.
As the oxidation resistant layer forming material used in the oxidation resistant layer forming step, the above-described MCrAlX alloy (where M is one or more elements selected from Co, Ni and Fe, and X is Y, Ta , Hf, Ce, La, Pt, Cs, W, Si, Mn and B), nickel aluminide (NiAl), Hf-doped nickel aluminide (NiAl (Hf)), Zr And nickel aluminide (NiAl (Zr)), platinum aluminide (PtAl) and the like.
上記耐酸化層の形成方法としては、化学蒸着(CVD)、プラズマ強化化学蒸着(PECVD)、電子ビーム物理蒸着、カソードアークコーティング、スパッタリング、イオンプラズマコーティング等の、物理又は化学蒸着法;フレーム溶射、プラズマ溶射、高速オキシ燃料ガス溶射等の溶射法等が挙げられる。
尚、上記耐酸化層形成材料としてMCrAlX合金を用いる場合、減圧プラズマ溶射法、物理蒸着法(PVD)等が挙げられる。
上記のように、耐酸化層は、1種の耐酸化層形成材料からなる単層又は複層、更には、異なる耐酸化層形成材料からなる複層(2層以上)であってもよいので、目的、用途等に応じて、耐酸化層形成材料及び厚さが選択される。
Examples of the method for forming the oxidation resistant layer include chemical vapor deposition (CVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), electron beam physical vapor deposition, cathode arc coating, sputtering, ion plasma coating, and other physical or chemical vapor deposition methods; flame spraying, Examples of the thermal spraying method include plasma spraying and high-speed oxyfuel gas spraying.
In addition, when using a MCrAlX alloy as said oxidation-resistant layer forming material, a low pressure plasma spraying method, a physical vapor deposition method (PVD), etc. are mentioned.
As described above, the oxidation-resistant layer may be a single layer or multiple layers made of one kind of oxidation-resistant layer forming material, or may be a multiple layer (two or more layers) made of different oxidation-resistant layer forming materials. Depending on the purpose and application, the oxidation-resistant layer forming material and thickness are selected.
上記遮熱層形成工程は、電子ビームの照射により蒸発させたセラミックを、耐酸化層付き合金基材を同一方向に回転させながら上記耐酸化層の表面に堆積させる工程であり、この工程により、周期的なC型構造を有するセラミック柱状体が多数本形成され、これらのセラミック柱状体からなる遮熱層を得る。この遮熱層の厚さは、通常、50〜500μm、好ましくは100〜300μmである。 The thermal barrier layer forming step is a step of depositing the ceramic evaporated by electron beam irradiation on the surface of the oxidation resistant layer while rotating the alloy substrate with the oxidation resistant layer in the same direction. A large number of ceramic columnar bodies having a periodic C-type structure are formed, and a heat shield layer made of these ceramic columnar bodies is obtained. The thickness of this heat shield layer is usually 50 to 500 μm, preferably 100 to 300 μm.
上記遮熱層形成工程における具体的な方法は、図4に示す電子ビーム物理蒸着装置5を用いるものである。この電子ビーム物理蒸着装置5は、内圧を調整可能なチャンバー内に、耐酸化層付き合金基材2を支持し且つ回転可能な支持部51、電子銃54等を備えるものである。遮熱層を形成する場合には、電子銃54から遮熱層形成材料3に向かって電子ビーム55を、連続的又は間欠的に照射し、遮熱層形成材料3を溶融させると同時に気化させ、セラミック蒸気とする。同時に、耐酸化層付き合金基材2を支持している支持部51を回転させることで、合金基材の形状、更には、耐酸化層付き合金基材2の表面形状に関わりなく、その表面に均一に蒸着し、成膜することができる。 A specific method in the thermal barrier layer forming step uses an electron beam physical vapor deposition apparatus 5 shown in FIG. This electron beam physical vapor deposition apparatus 5 is provided with a support portion 51, an electron gun 54, and the like that support and rotate the alloy substrate 2 with an oxidation resistant layer in a chamber in which the internal pressure can be adjusted. In the case of forming the heat shield layer, the electron beam 55 is irradiated continuously or intermittently from the electron gun 54 toward the heat shield layer forming material 3 to melt and vaporize the heat shield layer forming material 3 at the same time. And ceramic vapor. At the same time, by rotating the support portion 51 that supports the alloy base material 2 with an oxidation resistant layer, the surface of the alloy base material can be obtained regardless of the shape of the alloy base material and the surface shape of the alloy base material 2 with an oxidation resistant layer. The film can be uniformly deposited and formed into a film.
上記遮熱層形成材料としては、上記説明のZrO2系セラミックスからなるインゴットが、通常、用いられる。このインゴットとしては、例えば、所定の組成を有する原料を、焼結又は電融固化により得られたものが用いることができる。 As the heat shielding layer forming material, an ingot made of the ZrO 2 -based ceramic described above is usually used. As this ingot, for example, a material obtained by sintering or electromelting a raw material having a predetermined composition can be used.
本発明は、上記遮熱層形成工程において、上記耐酸化層付き合金基材の回転数、及び、上記セラミックの成膜速度を、それぞれ、x(rpm)及びy(μm/秒)としたときに、0<y≦0.017x、好ましくは0<y≦0.0083x、より好ましくは0<y≦0.005x、且つ、5≦x≦60、好ましくは10≦x≦50、より好ましくは15≦x≦40の条件のもとで進めるものである。尚、y>0.017xの場合、セラミック柱状体のC型構造の軸方向の周期間隔が1μmを超える。尚、0<y≦0.005x、且つ、15≦x≦40であれば、ヤング率が低い遮熱層を形成することができる。 In the present invention, in the thermal barrier layer forming step, when the rotation speed of the alloy substrate with an oxidation-resistant layer and the film formation rate of the ceramic are x (rpm) and y (μm / second), respectively. 0 <y ≦ 0.017x, preferably 0 <y ≦ 0.0083x, more preferably 0 <y ≦ 0.005x, and 5 ≦ x ≦ 60, preferably 10 ≦ x ≦ 50, more preferably The process proceeds under the condition of 15 ≦ x ≦ 40. When y> 0.017x, the periodic interval in the axial direction of the C-shaped structure of the ceramic columnar body exceeds 1 μm. In addition, if 0 <y ≦ 0.005x and 15 ≦ x ≦ 40, a heat shielding layer having a low Young's modulus can be formed.
尚、上記遮熱層形成工程における他の条件は、特に限定されず、例えば、成膜時のチャンバー内の圧力は、0.1〜10Pa、雰囲気は、酸素を含む真空、成膜温度(耐酸化層付き合金基材の温度)は、900〜1100℃等とすることができる。 The other conditions in the thermal barrier layer forming step are not particularly limited. For example, the pressure in the chamber during film formation is 0.1 to 10 Pa, the atmosphere is a vacuum containing oxygen, the film formation temperature (acid resistance) The temperature of the alloy substrate with a chemical layer can be set to 900 to 1100 ° C or the like.
遮熱層を複層とする場合にも、上記条件下で進めることができる。 Even when the heat-insulating layer is a multilayer, it can proceed under the above conditions.
本発明の遮熱部材の製造方法により、900℃以上、好ましくは1000℃〜1500℃といった高温域で使用した場合において、遮熱層の割れの発生が抑制され、上記温度の印加と、冷却等による低い温度の印加とを繰り返した場合に、遮熱層の剥離が起こりにくく、耐熱性(熱サイクル耐久性)に優れた遮熱部材を得ることができる。 When used in a high temperature range of 900 ° C. or higher, preferably 1000 ° C. to 1500 ° C., by the method for manufacturing a heat shielding member of the present invention, generation of cracks in the heat shielding layer is suppressed, application of the above temperature, cooling, etc. When the application of a low temperature is repeated, it is possible to obtain a heat shield member that hardly peels off the heat shield layer and is excellent in heat resistance (thermal cycle durability).
以下、本発明について、実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら制約されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated concretely, this invention is not restrict | limited at all by these Examples.
実施例1
Inconel738からなる平板状の合金基材表面に、減圧プラズマ溶射法により、CoNiCrAlY合金からなる厚さ100μmの膜(耐酸化層)を形成させた。その後、図4に示す電子ビーム物理蒸着装置(チャンバー内圧力;1Pa)5を用い、耐酸化層付き合金基材2を回転速度20rpmで回転させながら、EB−PVD法により、電子銃54より電子ビーム(出力45kW)を、ZrO2−4mol%Y2O3からなるインゴット3に照射し、成膜温度950℃及び成膜速度0.1μm/秒で、耐酸化層の表面に、ZrO2−4mol%Y2O3からなる厚さ約200μmの膜(遮熱層)を形成させ、遮熱部材を得た(表1参照)。
この遮熱部材を電子顕微鏡で観察したところ(図6参照)、遮熱層が多数本の柱状体からなること、及び、この柱状体の外径が、遮熱層の深さ方向において異なることが分かる。また、図7は、図6における、合金基材表面と、耐酸化層と、耐酸化層側遮熱層とを含む部分の拡大画像であり、遮熱層を構成する柱状体が、耐酸化層側遮熱層から表面に向かって規則的に延びる波線状体であることが分かる。また、この図7から、波線状体のC型構造の周期間隔は0.3μmであることが分かる(表1参照)。
Example 1
A film (oxidation resistant layer) having a thickness of 100 μm made of a CoNiCrAlY alloy was formed on the surface of a flat alloy base made of Inconel 738 by low pressure plasma spraying. Thereafter, using an electron beam physical vapor deposition apparatus (chamber internal pressure: 1 Pa) 5 shown in FIG. 4, electrons are transferred from the electron gun 54 by the EB-PVD method while rotating the alloy substrate 2 with an oxidation resistant layer at a rotation speed of 20 rpm. beam (output 45kW), irradiating the ingots 3 consisting of ZrO 2 -4mol% Y 2 O 3 , at a deposition temperature of 950 ° C. and the film forming rate of 0.1 [mu] m / sec, the surface oxidation layer, ZrO 2 - A film (heat shield layer) of 4 mol% Y 2 O 3 having a thickness of about 200 μm was formed to obtain a heat shield member (see Table 1).
When the heat shield member was observed with an electron microscope (see FIG. 6), the heat shield layer was composed of a large number of columnar bodies, and the outer diameter of the columnar bodies was different in the depth direction of the heat shield layer. I understand. FIG. 7 is an enlarged image of a portion including the surface of the alloy substrate, the oxidation resistant layer, and the oxidation resistant layer side heat shielding layer in FIG. 6, and the columnar body constituting the heat shielding layer is oxidized resistant. It can be seen that this is a wavy line that regularly extends from the layer-side heat shield layer toward the surface. In addition, it can be seen from FIG. 7 that the periodic interval of the C-shaped structure of the wavy body is 0.3 μm (see Table 1).
得られた遮熱部材に対して、熱サイクル試験及びヤング率測定を行い、その結果を図8及び図9に示した。以下に、具体的操作を示す。
(1)熱サイクル試験
遮熱部材を、大気中、1150℃で1時間加熱し、その後、圧縮空気で10分間冷却する操作を1サイクルとし、遮熱層が耐酸化層から剥離するのを目視で確認できるまでのサイクル数(熱サイクル寿命)を計測した。
(2)ヤング率
ナノインデンテーション装置(型式「H100V」、Fischerscope社製)を用い、押し込み荷重1N、保持時間60秒の条件で測定した。
A thermal cycle test and Young's modulus measurement were performed on the obtained heat shield member, and the results are shown in FIGS. Specific operations are shown below.
(1) Thermal cycle test Heat-shielding member is heated in the atmosphere at 1150 ° C for 1 hour, and then cooled with compressed air for 10 minutes as one cycle, and the heat-shielding layer is visually peeled off from the oxidation-resistant layer. The number of cycles (thermal cycle life) until it can be confirmed by was measured.
(2) Young's modulus Using a nanoindentation device (model “H100V”, manufactured by Fischerscope), measurement was performed under conditions of an indentation load of 1 N and a holding time of 60 seconds.
実施例2
遮熱層の構成材料、厚さ及び製造条件を表1に示すようにした以外は、実施例1と同様にして遮熱部材を得た。得られた遮熱部材を構成する柱状体のC型構造の周期間隔は0.3μmであった(表1参照)。
また、熱サイクル試験及びヤング率測定の結果を図8及び図9に示した。
Example 2
A heat shield member was obtained in the same manner as in Example 1 except that the constituent material, thickness, and production conditions of the heat shield layer were as shown in Table 1. The periodic interval of the C-shaped structure of the columnar body constituting the obtained heat shield member was 0.3 μm (see Table 1).
The results of the thermal cycle test and Young's modulus measurement are shown in FIGS.
実施例3
2層構造の遮熱層とするために、基材側遮熱層並びに表面側遮熱層の構成材料及び厚さを表1に示すようにし、基材側遮熱層及び表面側遮熱層の形成条件をいずれも同一(基材の回転速度;20rpm、成膜速度;0.1μm/分)とした以外は、実施例1と同様にして遮熱部材を得た。得られた遮熱部材を構成する柱状体のC型構造の周期間隔は0.3μmであった(表1参照)。
また、熱サイクル試験及びヤング率測定の結果を図8及び図9に示した。
Example 3
In order to obtain a heat-shielding layer having a two-layer structure, the constituent materials and thicknesses of the base-side heat-shielding layer and the surface-side heat-shielding layer are as shown in Table 1, and the base-side heat-shielding layer and the surface-side heat-shielding layer The heat shielding member was obtained in the same manner as in Example 1 except that the formation conditions were the same (rotary speed of substrate: 20 rpm, film formation speed: 0.1 μm / min). The periodic interval of the C-shaped structure of the columnar body constituting the obtained heat shield member was 0.3 μm (see Table 1).
The results of the thermal cycle test and Young's modulus measurement are shown in FIGS.
実施例4
遮熱層の構成材料、厚さ及び製造条件を表1に示すようにした以外は、実施例1と同様にして遮熱部材を得た。得られた遮熱部材を構成する柱状体のC型構造の周期間隔は0.4μmであった(表1参照)。
また、熱サイクル試験及びヤング率測定の結果を図8及び図9に示した。
Example 4
A heat shield member was obtained in the same manner as in Example 1 except that the constituent material, thickness, and production conditions of the heat shield layer were as shown in Table 1. The periodic interval of the C-shaped structure of the columnar body constituting the obtained heat shield member was 0.4 μm (see Table 1).
The results of the thermal cycle test and Young's modulus measurement are shown in FIGS.
比較例1
遮熱層の構成材料、厚さ及び製造条件を表2に示すようにした以外は、実施例1と同様にして遮熱部材を得た(図10参照)。得られた遮熱部材を構成する柱状体のC型構造の周期間隔は6.0μmであった(表2参照)。
また、熱サイクル試験及びヤング率測定の結果を図8及び図9に示した。
Comparative Example 1
A heat shield member was obtained in the same manner as in Example 1 except that the constituent material, thickness and production conditions of the heat shield layer were as shown in Table 2 (see FIG. 10). The periodic interval of the C-shaped structure of the columnar body constituting the obtained heat shield member was 6.0 μm (see Table 2).
The results of the thermal cycle test and Young's modulus measurement are shown in FIGS.
比較例2
遮熱層の構成材料、厚さ及び製造条件を表2に示すようにした以外は、実施例1と同様にして遮熱部材を得た。得られた遮熱部材を構成する柱状体のC型構造の周期間隔は1.2μmであった(表2参照)。
また、熱サイクル試験及びヤング率測定の結果を図8及び図9に示した。
Comparative Example 2
A heat shield member was obtained in the same manner as in Example 1 except that the constituent material, thickness and production conditions of the heat shield layer were as shown in Table 2. The periodic interval of the C-shaped structure of the columnar body constituting the obtained heat shield member was 1.2 μm (see Table 2).
The results of the thermal cycle test and Young's modulus measurement are shown in FIGS.
比較例3
遮熱層の構成材料、厚さ及び製造条件を表2に示すようにした以外は、実施例1と同様にして遮熱部材を得た。得られた遮熱部材を構成する柱状体のC型構造の周期間隔は2.4μmであった(表2参照)。
また、熱サイクル試験及びヤング率測定の結果を図8及び図9に示した。
Comparative Example 3
A heat shield member was obtained in the same manner as in Example 1 except that the constituent material, thickness and production conditions of the heat shield layer were as shown in Table 2. The periodic interval of the C-shaped structure of the columnar body constituting the obtained heat shield member was 2.4 μm (see Table 2).
The results of the thermal cycle test and Young's modulus measurement are shown in FIGS.
比較例1〜3は、図8の熱サイクル試験結果から明らかなように、熱サイクル寿命が60サイクル以下であり、また、図9のヤング率測定結果から明らかなように、70GPa以上であり、耐久性に劣る(表2参照)。
一方、実施例1〜4は、熱サイクル寿命が70サイクル以上であり、ヤング率が65GPa以下であり、耐久性に優れることが分かる(表1参照)。
また、同じ倍率で撮影された遮熱層の断面画像を対比すると、比較例1(図10)においては、遮熱層がC型構造の周期間隔の長いセラミック柱状体からなり、隣り合うセラミック柱状体どうしが気孔のない部分において密着し、また、気孔のサイズが大きくなっている組織を有するのに対し、実施例1(図6)においては、遮熱層が、全体に渡って直線状のセラミック柱状体からなり、セラミック柱状体の外径は、表面に近づくほど大きくなった組織を有している。また、柱状体間の気孔のサイズも小さくなっており、亀裂の発生や進展がおこりにくい。
As is clear from the thermal cycle test results in FIG. 8, Comparative Examples 1 to 3 have a thermal cycle life of 60 cycles or less, and as is clear from the Young's modulus measurement results in FIG. Inferior in durability (see Table 2).
On the other hand, Examples 1 to 4 have a thermal cycle life of 70 cycles or more, a Young's modulus of 65 GPa or less, and are excellent in durability (see Table 1).
Further, when comparing cross-sectional images of the heat shield layer taken at the same magnification, in Comparative Example 1 (FIG. 10), the heat shield layer is composed of a ceramic columnar body having a long period interval of a C-type structure, and adjacent ceramic columnar shapes. In contrast to the structure in which the bodies are in close contact with each other without pores, and the pore size is large, in Example 1 (FIG. 6), the heat shield layer is linear throughout. It consists of a ceramic columnar body, and the outer diameter of the ceramic columnar body has a structure that increases as it approaches the surface. In addition, the size of the pores between the columnar bodies is small, and cracks are unlikely to occur and propagate.
本発明の遮熱部材は、発電用、航空機用、船舶用等のガスタービン部品(燃焼器の内筒、尾筒、トランジションピース、動翼、静翼、シュラウドセグメント、分割環等)、燃焼機器部品、ジェットエンジン部品、自動車エンジン部品等の高温部材等として有用である。 The heat shielding member of the present invention is a gas turbine component (combustor inner cylinder, tail cylinder, transition piece, moving blade, stationary blade, shroud segment, split ring, etc.), combustion equipment for power generation, aircraft use, marine use etc. It is useful as a high-temperature member for parts, jet engine parts, automobile engine parts, and the like.
1及び1’;遮熱部材
11;合金基材
12;耐酸化層
13;遮熱層
13a;基材側遮熱層
13b;表面側遮熱層
131;セラミック柱状体
133;気孔
2;耐酸化層付き合金基材
3;遮熱層形成材料(インゴット)
31;セラミック蒸気
5;電子ビーム物理蒸着装置
51;支持部
54;電子銃
55;電子ビーム
1 and 1 '; heat shield member 11; alloy substrate 12; oxidation resistant layer 13; heat shield layer 13a; substrate heat shield layer 13b; surface side heat shield layer 131; ceramic columnar body 133; Alloy base material 3 with a layer; Heat shielding layer forming material (ingot)
31; ceramic vapor 5; electron beam physical vapor deposition device 51; support 54; electron gun 55;
Claims (6)
上記遮熱層形成工程を、上記耐酸化層付き合金基材の回転数、及び、上記セラミックの成膜速度を、それぞれ、x(rpm)及びy(μm/秒)としたときに、下記式の条件のもとで進めることを特徴とする遮熱部材の製造方法。
0<y≦0.017x
5≦x≦60 The oxidation-resistant layer forming step for forming an oxidation-resistant layer on the surface of the alloy substrate, and the surface of the oxidation-resistant layer while rotating the alloy substrate with the oxidation-resistant layer in the same direction with the ceramic evaporated by electron beam irradiation. A method of manufacturing a heat shield member, comprising:
When the heat shielding layer forming step is set to x (rpm) and y (μm / sec), respectively, the number of rotations of the alloy base material with an oxidation resistant layer and the film forming speed of the ceramic, respectively, The manufacturing method of the thermal-insulation member characterized by progressing on condition of this.
0 <y ≦ 0.017x
5 ≦ x ≦ 60
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---|---|---|---|---|
JP2013520567A (en) * | 2010-02-26 | 2013-06-06 | シーメンス アクティエンゲゼルシャフト | 2-layer metal bond coat |
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JP2020507676A (en) * | 2017-01-30 | 2020-03-12 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトSiemens Aktiengesellschaft | Thermal barrier coating system compatible with overlay |
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2007
- 2007-04-27 JP JP2007119878A patent/JP2008274357A/en active Pending
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