JP2008308374A - 炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の耐環境コーティング - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料で形成される基材1の表面に、アルミノシリケート系結晶化ガラスと希土類ケイ酸塩の混合体からなる中間層3を形成し、この中間層3の上に希土類ケイ酸塩層からなるトップコート2を施して、耐環境コーティングを構成する。
【選択図】 図1
Description
炭化ケイ素(SiC)系繊維を強化繊維とした繊維強化セラミックス複合材料は、1200℃以上の耐熱性を有し高い損傷許容性が期待できるため、高温化したガスタービンの高温部品用材料として有望視されている。
炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料は、水蒸気を含まない高温の酸化雰囲気中では、酸化ケイ素(SiO2)と炭酸ガス(CO2)が生成し、酸化ケイ素(SiO2)が炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料表面に保護性酸化膜を形成して酸素を遮断するため、酸化の進行は阻止されるのに対して、水蒸気を含む高温の酸化雰囲気中では、生成したSiO2がガス中の水と反応して揮発性の高い水酸化ケイ素(Si(OH)4 )に変化して次々に揮散するため、浸食が継続する。
炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の浸食を防止する耐環境コーティングとして、ジルコニアや希土類ケイ酸塩など酸化物系セラミックスが有力な候補となる。
炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の表面に希土類ケイ酸塩化合物を主成分とする緻密なコーティングを被覆することにより、高温領域でも炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の特性を損なわず耐酸化性および耐食性を有するセラミックス複合材料となることが期待される。
試験によると、炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料をサンドブラストして表面をあらした場合とサンドブラストしない場合で炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料自体の強度は殆ど差がないにもかかわらず、炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料表面をサンドブラストした上に大気プラズマ溶射法により耐環境コーティングを施して強い密着性を有するものの室温における強度が明らかに低下した一方、サンドブラストしないまま大気プラズマ溶射法により耐環境コーティングを施した密着性が弱いものでは強度が低下しないことが観測された。
ただし、この場合、炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の破壊と共に耐環境コーティングの顕著な剥離が生じた。
したがって、耐環境コーティングは、炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料に近い熱膨張率を有すると共に、1600℃以上の高温域で構造的に安定であり、耐酸化性、耐食性を備えた十分緻密なトップコートと、トップコート及び炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料基材と良く密着し、しかもトップコートの亀裂が炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料基材に伝播することを効果的に抑制する中間層を備えることが望まれる。
しかし、一般に密着強度の向上と亀裂伝播の抑制は相反する特性であるから、適当な材料あるいは構成を得ることは簡単でない。
(1)本質的には脆性な炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料上に、脆性材料である酸化物系セラミックスをコーティングするので、ノッチ効果によりコーティングが炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の破壊起点として大きな影響を与える可能性がある。
(2)反応性の乏しいセラミックス同士を結合するので、簡単に剥離する可能性がある。
(3)酸化物系セラミックスと非酸化物セラミックスは物性が異なるので、良好な結合性が期待できない。
本願発明者らは、耐環境コーティングとの界面構造最適化に関して鋭意研究を重ねて、耐水蒸気性に優れるトップコートと炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料との間の密着性および亀裂進展を抑制する性能を付与する中間層構造を見出すことができた。
なお、第2層は一般式RE3Al5O12またはRE2AlO3(式中のREは、Y,Yb,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Nd,Luのいずれかの希土類元素)で表される希土類酸化物セラミックスで置き換えることもできる。これら希土類酸化物セラミックスは、ガスタービンなどの高温高速燃焼ガス気流中においても十分な耐久性を有する。
また、第1層と第2層の積層界面を第1層から第2層組成に徐々に遷移する傾斜組成にすることが好ましい。
これら被覆層は、たとえば溶射法によって簡便に焼結炭化ケイ素繊維結合体に被覆一体化するように形成することができる。
この技術は炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料など炭化ケイ素/セラミックス複合材料にも適用できるが、第1層のセラミックスと基材のセラミックスを直接結合するので材料としての結合性は十分でなく、また脆性の強い被覆セラミックスが破壊起点となって複合材料としての強度を損ねる可能性が残る。
そこで、高温強度に優れる炭化ケイ素を、高温での耐酸化性、耐食性が優れる酸化物系セラミックスで被覆することで、優れた構造用材料、特に高温ガスタービン用部材等を製造するための材料として利用することが期待される。
そこで、特許文献2の発明者らは、上記希土類ケイ酸塩化合物(ダイシリケート)が耐酸化性に優れるとともに、炭化ケイ素に近い熱膨張率を持ち熱膨張挙動が類似していることを見出し、炭化ケイ素に上記ダイシリケートでコーティングする技術検討を行って、ダイシリケートと炭化ケイ素の間に酸化ケイ素層を介在させて加熱処理することにより両者の接着性を改善したものである。
しかし、開示技術は、コーティングを施工する対象基材として、本願発明が対象とする炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料よりも高温での耐久性が高い材料を対象としており、コーティングの施工時においては、高い密着性を確保するため、より高いプロセス温度で処理されるものである。また、開示技術において、第2層として基材と希土類ケイ酸塩化合物との中間に形成される酸化ケイ素層や酸化ケイ素とムライト層やアルミナ層との多層構造層は硬質な層であることから、亀裂伝播の抑制効果は期待できない。
特許文献3に開示された構成では、耐酸化層として導入した金属Siが酸化して酸化ケイ素になるときに体積膨張するためコーティングが剥離することが問題となる。この対策として、トップコートを緻密化し、金属シリコンの酸化を防止することが要求されるが、緻密なトップコートを得るためにはより高温のプロセスが必要となるため、基材CMCの損傷を考慮するとトップコートの緻密化には限界がある。
ここで、マトリックスとなるセラミックスの材料に、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロンなどのケイ素系の非酸化物セラミックスを使用した場合ばかりでなく、アルミナなどを使用した場合にも同様の効果をもたらすことができる。
しかし、セラミックス同士では反応性が乏しく、また炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料と酸化物セラミックスは物性が異り結合性が悪いので、簡単に剥離する可能性がある。またコーティングが炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の破壊起点として大きな影響を与える可能性がある。
本発明の中間層は、結晶化ガラス成分を含んで炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料およびトップコートの希土類ケイ酸塩層のそれぞれに対して高い濡れ性を有するので、炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料とトップコートの密着性が高まり良好な結合が保持される。また、中間層は高温での弾性率が小さい結晶化ガラス成分を含み応力緩和機能を有し、トップコートに発生する亀裂が中間層で中断され直接に基材の炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料に達することがないので、炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の強度を低下させずに維持する。
また、BMASなどの結晶化ガラスの熱膨張率は、トップコートの希土類ケイ酸塩の熱膨張率と炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の熱膨張率の中間にあるので、希土類ケイ酸塩と適当な割合で混合することにより、トップコートと炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の間の熱膨張率差を緩和することができる。
ここで、ルテチウムシリケートは、様々な結晶系のルテチウムモノシリケート(Lu2SiO5)もしくはルテチウムダイシリケート(Lu2Si2O7)を含む。
なお、本願発明に係るコーティング手法では、原料粉末としてルテチウムモノシリケート粉末のみ、もしくはルテチウムダイシリケート粉末のみを使用しても、ルテチウムモノシリケート相のみ、もしくはルテチウムダイシリケート相のみからなる物質を得ることは難しく、実質的には両相が混在した状態となる。
また、ここで、イッテルビウムシリケートは、様々な結晶系のイッテルビウムモノシリケート(Yb2SiO5)もしくはイッテルビウムダイシリケート(Yb2Si2O7)を含む。
本願発明に係るコーティング手法では、原料粉末としてイッテルビウムモノシリケート粉末のみ、もしくはイッテルビウムダイシリケート粉末のみを使用しても、イッテルビウムモノシリケート相のみ、もしくはイッテルビウムダイシリケート相のみからなる物質を得ることは難しく、実質的には両相が混在した状態となる。
こうして選択された具体的な炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料とトップコートの組合せに対する最適な中間層の構成として、発明者らによる研究の結果、BMASまたはSASとイッテルビウムシリケートを採用することにより、複合材料として良好な性能を発揮することを確認した。
結晶化ガラスの量が多すぎると、炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料との密着性は良好でも高温雰囲気中で中間層が軟化し極端な場合には発泡して複合材料としての強度が低下する。一方、結晶化ガラスの量が少なすぎれば、炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料との密着性が不足して中間層の性能が発揮されない。
試験の結果、ガラス成分は中間層材料に対して20〜25質量%で良好な性能が得られることが分かった。
炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の表面に形成される凹凸の深さは機械加工などにより比較的容易に数μm程度に管理することができる。そこで、中間層は炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の凹凸がトップコートに反映しないように、厚さ10μm以上に積層することが好ましい。一方、中間層には低融点成分が含まれるので、中間層が厚すぎないようにすることが望ましい。このため、中間層厚さを10μmないし30μmにすることが好ましい。
また、高温水蒸気による腐食に強い耐性を有する希土類ケイ酸塩で形成されたトップコートで被覆して炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の損傷を防止し高い耐熱性能と強度を維持すると共に、中間層に高温で軟化し室温でも弾性率が低い結晶化ガラス成分を含むため、トップコートに発生する亀裂が炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料に伝播するのを防いで複合材料として基材の強度と同じ水準の強度を保持させることができる。
なお、本発明の耐環境コーティングを施すことにより、マトリックスとなるセラミックスの材料が、炭化ケイ素や窒化ケイ素などのケイ素系の非酸化物セラミックスである場合ばかりでなく、サイアロンやアルミナなどを使用した場合にも同様の効果をもたらすことができる。
なお、スラリー溶剤には、ポリビニルアルコールやαテルピネオールなど重い粉末が沈殿しにくい高粘度の有機溶媒を用いることが好ましい。
炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料は、高温における耐熱性、耐熱衝撃性、耐クリープ特性など機械的特性が優れるので、適当なコーティングを施すことにより、高温雰囲気に曝されるガスタービン用部品などの構造部材として優れた性能を発揮することが期待される。
基材1となる非酸化物セラミックスの炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料は、たとえば、化学気相含浸法を用いて表面に厚さ数10nmの炭素膜を形成しさらにその上に厚さ1μmの炭化ケイ素膜を形成した炭化ケイ素繊維で構成された織物に、ポリマー含浸焼成法により炭化ケイ素などのセラミックスの前駆ポリマーを含浸し加熱してセラミックス化したものをマトリックスとした複合材料である。
特に、化学式:RE2Si2O7またはRE2SiO5(式中のREは希土類元素のLuまたはYb)で表される希土類ケイ酸塩化合物は、炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の熱膨張率に類似した特性を有するため、炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の耐環境コーティングのトップコートとしてよく適合する。
なお、ガラス成分は冷却過程で不可逆的に結晶化し耐熱性が向上する。
また、結晶化しないで残ったガラス成分はトップコートや基材より柔軟性があるので、両者間に生じる応力を緩和しトップコート2に発生する亀裂が基材1に伝搬することを防ぐ機能を有する。
さらに、中間層3は緻密であるため酸素や水蒸気の浸透を防止する拡散バリアとしての機能を備える。また、溶融時に基材1の亀裂部分や空隙に侵入してその後固化することにより基材1の中間層結合部に形成される傾斜組成部11も、拡散バリア機能を強化する働きを有する。
ここで、ルテチウムシリケートは、様々な結晶系のルテチウムモノシリケート(Lu2SiO5)もしくはルテチウムダイシリケート(Lu2Si2O7)を含む。なお、本願発明に係るコーティング手法では、原料粉末としてルテチウムモノシリケート粉末のみ、もしくはルテチウムダイシリケート粉末のみを使用しても、ルテチウムモノシリケート相のみ、もしくはルテチウムダイシリケート相のみからなる物質を得ることは難しく、実質的には両相が混在した状態となる。
また、ここで、イッテルビウムシリケートは、様々な結晶系のイッテルビウムモノシリケート(Yb2SiO5)もしくはイッテルビウムダイシリケート(Yb2Si2O7)を含む。本願発明に係るコーティング手法では、原料粉末としてイッテルビウムモノシリケート粉末のみ、もしくはイッテルビウムダイシリケート粉末のみを使用しても、イッテルビウムモノシリケート相のみ、もしくはイッテルビウムダイシリケート相のみからなる物質を得ることは難しく、実質的には両相が混在した状態となる。
炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の基材1をホットプレートなどで約100℃程度に加熱して、加熱された基材1の処理面に中間層成分の粉末を有機溶剤に懸濁させたスラリーを吹き付けると、表面をスラリーが流れる前に溶剤が直ちに揮発して成分粉末のみが表面に残る。重量増加量を秤量器で測定して、中間層成分粉末が予め決めた面積密度になったら、焼成炉中で1350℃程度に加熱して焼成する。
図2は、加熱した基材に中間層形成スラリーをスプレーし、溶剤が揮発除去されたときの、基材の単位面積当たり重量増加量と焼成後の中間層膜厚の関係を示すグラフである。実験には、BMASとYb2Si2O7の混合スラリーで、BMASの含量がBMASとYb2Si2O7の合計量に対して重量比で25%のスラリーを使用した。膜厚は、焼成後に走査電子顕微鏡(SEM)による断面写真を計測して求めたものである。
図から、単位面積あたりのコーティング粉末重量に対して焼成後の中間層膜厚が単調に増加することが分かる。したがって、コーティング粉末量を管理することにより、所望の膜厚にすることができる。
このため、中間層膜厚は10〜30μmが適当である。なお、基材1の表面粗度にしたがって、適正な膜厚が変化することはいうまでもない。
図3は、中間層中のガラス成分の割合を変えて基材1との密着性を評価した結果を示す表である。試験は中間層厚10μmで行った。
図3に示したとおり、BMASとYb2Si2O7の混合物(サンプル略号:BMAS/Yb2S)については、ガラス成分と希土類ケイ酸塩の和に対するガラス成分の重量が50〜20%では密着性が良好であるが、17%、13%では部分的に密着しない部分が生じて良好とはいえない。さらに、5%では、明らかに密着性が悪い。なお、ガラス成分50%では密着性は良いが、高温雰囲気下でガラス成分が発泡する現象が生じる。
したがって、ガラス成分が粉末全量に対して20〜25重量%程度になるようにしたものが、最も性能がよいことが分かった。
これらの結果から、結晶化ガラスとイッテルビウムダイシリケートの混合物については、20〜25重量%において、密着性が良好であることが分かった。
なお、BMASとルテチウムダイシリケート(Lu2Si2O7)の混合物(サンプル略号:BMAS/Lu2S)では、BMASとルテチウムダイシリケートが反応するためか、ガラス成分が25重量%と17重量%のときにも密着性が十分でなく、コーティング後の強度に低下が見られた。
なお、中間層3に結晶化しないで残ったガラス成分は、トップコートを被覆する工程中に再び軟化するので、中間層3とトップコート2の間がよく融着して、高い結合が確保される。また、熱処理工程中にガラスの結晶化が進み、中間層3の強度も増加する。
また、イッテルビウムダイシリケート(Yb2Si2O7)トップコートを施したサンプルは、イッテルビウムダイシリケート(Yb2Si2O7)粉末を懸濁したスラリーに漬けてから焼成する方法により、層厚約20μmの表皮層を形成した。
なお、中間層3の材料は熱処理中に基材1に浸透し冷却過程で固化するので、基材1の中間層3と接する領域は、炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料と中間層材料が混ざりあい、基材中の中間層成分の割合が接触面から離れるにしたがって薄くなる傾斜組成部11を形成して、両者間の高い結合性が確保できる。
表面処理状態が異なる炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料基材1に大気プラズマ溶射法(APS)によって厚さ200μmのルテチウムダイシリケート・トップコートを施し、密着性を比較した。
図4の写真は、基材1を砥石研削した機械加工面に直接トップコートを施した状態を撮影したもので、十分な密着性が得られないで、トップコートは至る所で剥離していることが分かる。
これに対して、図5の写真は、基材の機械加工面にSAS/Yb2Sの中間層を形成した上にトップコートを施した状態を示し、APSにより密着性の良好なトップコートを得ることができることが分かる。
中間層がない従来型の耐環境コーティングでは、トップコートにより減肉はないが、内部酸化が進行して脆化するが、本実施例の耐環境コーティングでは基材の酸化を防止し初期強度を維持することができるからである。
なお、それぞれのサンプルについて、熱衝撃試験後の状態を撮影した写真を図7〜11として添付した。
中間層は、結晶化ガラス成分と希土類ケイ酸塩成分を合わせたものに対する結晶化ガラス成分の重量比はいずれも1:4、すなわち25重量%とし、中間層はスラリースプレーコートを形成して焼成することにより形成した。
比較に用いたYSZ−TBCは、現行の商用ガスタービンに適用されているもので、インコネル耐熱超合金IN738に大気プラズマ法によりNiCoCrAlYのアンダーコートと200−300μmのY2O3−ZrO2のトップコートを形成したものである。
また、熱衝撃試験は、水素バーナーリグ試験装置を用いたもので、サンプルを水素バーナーから所定の距離に置いて加熱し、遮熱板で炎を遮断して熱負荷を急変させて、目視により剥離が生じたときの水素流量を比較する方法で行った。遮熱中にバーナーを調整して水素流量を増加させることにより熱負荷を漸増して試験する。水素流量の上限を220とし、上限値に達したら水素バーナーとサンプルの距離を縮めて同程度の熱負荷になる水素流量まで減らしてから、再度、水素流量を漸増していって剥離が生じるとき水素流量値と距離から熱衝撃耐性を評価する。また、バーナーとサンプル間の距離は最も近い場合で50mmとした。
また、トップコートと基材の密着性は目視で評価した。
また、熱衝撃試験では、現行でガスタービンに使用されるYSZ−TBCでノズルサンプル間距離50mm、水素流量220において、図11に見られるような剥離ないしひび割れが観測された。
これに対して、A−Lu2S/SAS以外のサンプルについては、ノズルサンプル間距離50mm、水素流量220においても、図7、図9、図10に見られる通り、コーティングに明白な欠陥が生じず、現行YSZ−TBCと同等以上の性能があることが分かった。
ただし、A−Lu2S/SASではノズルサンプル間距離100mm、水素流量140において図8に見られるようにトップコートの剥離が生じて性能が劣ることが分かった。
さらに、トップコートと基材の間の密着性については、本実施例の耐環境コーティングシステムがいずれも現行YSZ−TBCより優れた性能を有することが分かった。
11 傾斜組成部
2 トップコート
3 中間層
Claims (3)
- セラミックスのマトリックスを炭化ケイ素系繊維で強化した炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料を基材とし、該基材表面にアルミノシリケート系結晶化ガラスと希土類ケイ酸塩の混合体からなる中間層を備え、該中間層の上にトップコートとして希土類ケイ酸塩層が設けられたことを特徴とする炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の耐環境コーティング。
- 前記トップコートの希土類ケイ酸塩がルテチウムシリケートまたはイッテルビウムシリケートであって、前記中間層のアルミノシリケート系結晶化ガラスと希土類ケイ酸塩の混合体がBaO・MgO・Al2O3・SiO2またはSrO・Al2O3・SiO2からなる結晶化ガラスとイッテルビウムシリケートの混合体であることを特徴とする請求項1記載の炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の耐環境コーティング。
- 前記中間層は、厚みが10μmないし30μmであってアルミノシリケート系結晶化ガラスの含有量が質量で20%ないし25%であることを特徴とする請求項2記載の炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の耐環境コーティング。
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