JP2009280854A - Ceramic film and method of manufacturing the same and thermal barrier coating structure - Google Patents

Ceramic film and method of manufacturing the same and thermal barrier coating structure Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a ceramic film having excellent thermal barrier property, heat shock resistance, and oxygen barrier property, and favorable for thermal barrier coating structure. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the ceramic film has a deposition step of colliding aerosolized raw ceramic powder on a film deposition base material to crush primary particles in the raw powder, and depositing the crushed raw powder on the film deposition base material. The deposition step is performed under the condition that a part of the primary particles 64P in the raw powder remains in crushed stuff 63 as aggregate 64 without being crushed. After the deposition step, the heat treatment step is preferably performed in which the aggregate 64 left in the crushed stuff 63 is sintered and contracted to form pores in the crushed stuff 63. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、セラミックス膜とその製造方法、及び金属基材を熱から保護するための遮熱コーティング構造に関するものである。   The present invention relates to a ceramic film, a manufacturing method thereof, and a thermal barrier coating structure for protecting a metal substrate from heat.

航空機用のジェットエンジンや発電用のガスタービン等においては、熱効率や出力を向上させるために、燃焼ガス温度の高温化が進められている。それに伴い、高温環境、さらには高温高腐食環境において使用される部材を冷却する冷却技術と共に、該部材を熱から保護する遮熱コーティング(thermal barrier coating:TBC)技術が重要になってくる。   In aircraft jet engines, power generation gas turbines, and the like, the combustion gas temperature is being increased in order to improve thermal efficiency and output. Accordingly, along with a cooling technique for cooling a member used in a high-temperature environment and further a high-temperature and high-corrosion environment, a thermal barrier coating (TBC) technique for protecting the member from heat becomes important.

遮熱コーティングはガスタービンの燃焼器や動翼等の部材からなる金属基材上に施されており、一般的にその構造は、耐環境性に優れた金属接合層(ボンドコート層)と、低熱伝導性のセラミックス遮熱層(トップコート層)との積層構造を有している。熱伝導率の低いセラミックス遮熱層を燃焼ガス流路側に設けることにより、金属基材を高温に曝すことなく長寿命化を図ることができる。従来、遮熱性及び耐熱衝撃性が良好なことから、セラミックス遮熱層としては多孔質セラミックス膜が用いられている。   The thermal barrier coating is applied on a metal base material composed of members such as a gas turbine combustor and a moving blade. Generally, its structure is a metal bonding layer (bond coat layer) excellent in environmental resistance, It has a laminated structure with a low thermal conductive ceramic thermal barrier layer (topcoat layer). By providing a ceramic heat shield layer with low thermal conductivity on the combustion gas flow path side, it is possible to extend the life without exposing the metal substrate to a high temperature. Conventionally, a porous ceramic film has been used as the ceramic heat shield layer because of its good heat shield and thermal shock resistance.

特許文献1等に記載されているように、従来、セラミックス遮熱層としてはプラズマ溶射皮膜が広く用いられている。図7に、特許文献1の図2に記載の遮熱コーティング構造の断面写真を示す。この遮熱コーティング構造101は、金属基材111上に形成された金属接合層112と溶射皮膜からなるセラミックス遮熱層114との積層構造を有している。   As described in Patent Document 1 and the like, conventionally, a plasma sprayed coating has been widely used as a ceramic thermal barrier layer. FIG. 7 shows a cross-sectional photograph of the thermal barrier coating structure described in FIG. The thermal barrier coating structure 101 has a laminated structure of a metal bonding layer 112 formed on a metal substrate 111 and a ceramic thermal barrier layer 114 made of a sprayed coating.

一方、非特許文献1等に記載されているように、近年、ジェットエンジンのタービンブレード用等のセラミックス遮熱層として、EB-PVD(電子ビーム蒸着)皮膜が用いられている。図8に、非特許文献1に記載の遮熱コーティング構造の断面写真を示す。この遮熱コーティング構造102は、金属基材121上に形成された金属接合層123とEB-PVD皮膜からなるセラミックス遮熱層124との積層構造を有している。この遮熱コーティング構造102では、金属基材121と金属接合層123との間に拡散層122が形成されている。
特開2006-117975号公報 石川島播磨技報Vol.47 No.1(2007-3)
On the other hand, as described in Non-Patent Document 1 and the like, in recent years, an EB-PVD (electron beam vapor deposition) film has been used as a ceramic thermal barrier layer for a turbine blade of a jet engine. FIG. 8 shows a cross-sectional photograph of the thermal barrier coating structure described in Non-Patent Document 1. This thermal barrier coating structure 102 has a laminated structure of a metal bonding layer 123 formed on a metal substrate 121 and a ceramic thermal barrier layer 124 made of an EB-PVD film. In the thermal barrier coating structure 102, a diffusion layer 122 is formed between the metal substrate 121 and the metal bonding layer 123.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-117975 Ishikawajima Harima Technical Report Vol.47 No.1 (2007-3)

特許文献1に記載の溶射皮膜では、その内部に多数の気孔が存在しており、これによって遮熱性及び耐熱衝撃性が発現する。しかしながら、溶射皮膜では多くの気孔が互いに連通していることが多く、実質的に遮熱層の表面から下地である金属接合層の表面まで遮熱層を貫通する貫通孔が形成されてしまうことも少なくない。   In the thermal spray coating described in Patent Document 1, a large number of pores exist in the coating, thereby exhibiting heat shielding properties and thermal shock resistance. However, many pores are often communicated with each other in the thermal spray coating, and a through-hole penetrating the thermal barrier layer is formed from the surface of the thermal barrier layer to the surface of the metal bonding layer as a base. Not a few.

図7では一見、溶射皮膜に形成された多くの気孔が互いに独立しているようにも見えるが、実際には緻密に見える部分にも多数の微細な気孔が形成されている。実際、金属基材/金属接合層/溶射皮膜からなる積層構造体を水中に浸漬させた状態で放置すると、金属接合層の表面に錆びが生じることなどから、多くの気孔が互いに連通した貫通孔が形成されていることが確認されている。   In FIG. 7, at first glance, it seems that many pores formed in the sprayed coating are independent from each other, but in reality, many fine pores are also formed in the portion that looks fine. In fact, if a laminated structure consisting of a metal substrate / metal bonding layer / sprayed coating is left immersed in water, rust will form on the surface of the metal bonding layer. Has been confirmed to be formed.

実質的に遮熱層を貫通する貫通孔が形成された構造では、この貫通孔を介して金属接合層が外気に接触するため、その分遮熱効果が低減してしまう。また、貫通孔を介して外気中の酸素ガスが金属接合層の表面に到達するため、金属接合層の表面に金属酸化物(TGO)が生成され、このTGOが成長することで、遮熱層と金属接合層との間に界面剥離が生じる恐れもある。   In a structure in which a through hole that substantially penetrates the heat shield layer is formed, the metal bonding layer comes into contact with the outside air through the through hole, so that the heat shield effect is reduced accordingly. Further, since oxygen gas in the outside air reaches the surface of the metal bonding layer through the through hole, a metal oxide (TGO) is generated on the surface of the metal bonding layer, and this TGO grows, whereby the heat shielding layer. There is also a possibility that interfacial peeling occurs between the metal and the metal bonding layer.

上記課題を解消するために、特許文献1では、金属接合層とセラミックス遮熱層との間に、湿式法であるゾルゲル法又はスラリー法等によって、緻密なAl膜等からなる酸素バリア層(図7の符号113)を設けることが提案されている。酸素バリア層を通常の気相成膜法により成膜することも考えられる。しかしながら、一般に、湿式法であるゾルゲル法又はスラリー法等、あるいは通常の気相成膜法によって成膜される酸素バリア層は、下地との密着性が良くなく、度重なる熱衝撃に耐えることができず界面剥離が生じてしまう恐れがある。 In order to solve the above problem, in Patent Document 1, an oxygen barrier made of a dense Al 2 O 3 film or the like is formed between a metal bonding layer and a ceramic heat shield layer by a sol-gel method or a slurry method that is a wet method. It has been proposed to provide a layer (reference numeral 113 in FIG. 7). It is also conceivable to form the oxygen barrier layer by a normal vapor deposition method. However, in general, an oxygen barrier layer formed by a wet method such as a sol-gel method or a slurry method, or a normal vapor phase film formation method does not have good adhesion to the base, and can withstand repeated thermal shocks. There is a risk that interfacial peeling may occur.

図8に示すように、非特許文献1に記載のEB-PVD皮膜は、基材面に対して略垂直方向に延びる多数の柱状結晶からなる柱状構造を有している。かかる構造では、互いに隣接する柱状結晶の間に空隙が存在しており、これによって遮熱性及び耐熱衝撃性が発現する。しかしながら、この空隙は、遮熱層の表面から下地である金属接合層の表面まで遮熱層を貫通する貫通孔であり、溶射皮膜と事情は変わらない。   As shown in FIG. 8, the EB-PVD film described in Non-Patent Document 1 has a columnar structure composed of a large number of columnar crystals extending in a direction substantially perpendicular to the substrate surface. In such a structure, there are voids between the columnar crystals adjacent to each other, thereby exhibiting heat shielding properties and thermal shock resistance. However, this void is a through-hole penetrating the heat shield layer from the surface of the heat shield layer to the surface of the metal bonding layer as the base, and the situation is not different from that of the thermal spray coating.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、遮熱性、耐熱衝撃性、及び酸素バリア性が良好な新規なセラミックス膜とその製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明はまた、酸素バリア層を設けることなく、遮熱性、耐熱衝撃性、及び酸素バリア性が良好な新規な遮熱コーティング構造を提供することを目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a novel ceramic film having good heat shielding properties, thermal shock resistance, and oxygen barrier properties, and a method for producing the same.
Another object of the present invention is to provide a novel thermal barrier coating structure having good thermal barrier properties, thermal shock resistance, and oxygen barrier properties without providing an oxygen barrier layer.

本発明のセラミックス膜の製造方法は、成膜基材上にエアロゾル化されたセラミックス原料粉を衝突させて該原料粉中の一次粒子を破砕せしめ、該原料粉の破砕物を前記成膜基材上に堆積させる堆積工程を有するセラミックス膜の製造方法において、
前記原料粉中の一次粒子の一部が破砕されることなく凝集体として前記破砕物中に残存する条件で、前記堆積工程を実施することを特徴とするものである。
In the method for producing a ceramic film of the present invention, an aerosolized ceramic raw material powder is collided with a film forming substrate to crush primary particles in the raw material powder, and the crushed material powder is used as the film forming substrate. In a method for producing a ceramic film having a deposition step of depositing on a ceramic film,
The deposition step is performed under the condition that some of the primary particles in the raw material powder remain in the crushed material as aggregates without being crushed.

本発明のセラミックス膜の製造方法において、前記堆積工程後に、前記破砕物中に残存した前記凝集体を焼結収縮させて気孔を形成する熱処理工程をさらに有することが好ましい。   The method for producing a ceramic film of the present invention preferably further includes a heat treatment step of forming pores by sintering the aggregate remaining in the crushed material after the deposition step.

本発明のセラミックス膜の製造方法において、前記堆積工程前に、前記原料粉中の一次粒子同士の結合力を弱める前粉処理工程をさらに有することが好ましい。
前記前粉処理工程としては、前記原料粉に対してミル処理を行う工程が挙げられる。
In the method for producing a ceramic film of the present invention, it is preferable that the method further includes a pre-powder treatment step for weakening the bonding force between primary particles in the raw material powder before the deposition step.
Examples of the pre-powder treatment step include a step of milling the raw material powder.

本発明のセラミックス膜の製造方法において、前記原料粉として、前記破砕物の組成と前記破砕物中に前記凝集体として残存する前記一次粒子の組成とが異なるように組成が調整されたものを用いて、前記堆積工程を実施するようにしてもよい。
この場合、前記原料粉として、前記破砕物の融点よりも前記破砕物中に前記凝集体として残存する前記一次粒子の融点の方が低くなるように組成が調整されたものを用いて、前記堆積工程を実施することができる。
In the method for producing a ceramic film according to the present invention, the raw material powder having a composition adjusted so that the composition of the crushed material and the composition of the primary particles remaining as the aggregate in the crushed material are different from each other is used. Then, the deposition step may be performed.
In this case, as the raw material powder, using the powder whose composition is adjusted so that the melting point of the primary particles remaining as the aggregate in the crushed material is lower than the melting point of the crushed material, A process can be performed.

本発明の第1のセラミックス膜は、上記の本発明のセラミックス膜の製造方法により製造されたものであることを特徴とするものである。   The first ceramic film of the present invention is manufactured by the above-described method for manufacturing a ceramic film of the present invention.

本発明の第2のセラミックス膜は、セラミックス膜中に、内部圧力が大気圧未満である複数の気孔を有することを特徴とするものである。
本発明によれば、相対密度50〜95%の多孔質膜である本発明の第2のセラミックス膜を提供することができる。
「相対密度」とは、理論密度に対する実測密度の割合を表すものであり、次式で表される。
相対密度=(実測密度/理論密度)×100(%)
実測密度はアルキメデス法によって測定することが可能であり、測定装置としては例えば、AlfaMirage社のSD200Lを用いることができる。
The second ceramic film of the present invention is characterized in that the ceramic film has a plurality of pores whose internal pressure is less than atmospheric pressure.
According to the present invention, the second ceramic film of the present invention which is a porous film having a relative density of 50 to 95% can be provided.
“Relative density” represents the ratio of the actually measured density to the theoretical density, and is expressed by the following equation.
Relative density = (actual density / theoretical density) × 100 (%)
The actually measured density can be measured by the Archimedes method. As a measuring device, for example, SD200L manufactured by AlfaMirage can be used.

本発明によれば、前記複数の気孔が平面視ディスク状である本発明の第2のセラミックス膜を提供することができる。
セラミックス膜内に存在する複数の気孔の平面形状は、非破壊形状検査によって分析することができる。
According to the present invention, it is possible to provide the second ceramic film of the present invention in which the plurality of pores have a disk shape in plan view.
The planar shape of the plurality of pores existing in the ceramic film can be analyzed by nondestructive shape inspection.

本発明によれば、前記複数の気孔が互いに独立している本発明の第2のセラミックス膜を提供することができる。
遮熱コーティング構造等の用途に用いる場合、本発明のセラミックス膜は、Al、HfO、CeO、及びZrOの群から選択される少なくとも1種の酸化物セラミックスを含むことが好ましい。
According to the present invention, it is possible to provide the second ceramic film of the present invention in which the plurality of pores are independent from each other.
When used for applications such as a thermal barrier coating structure, the ceramic film of the present invention preferably contains at least one oxide ceramic selected from the group consisting of Al 2 O 3 , HfO 2 , CeO 2 , and ZrO 2. .

本発明の遮熱コーティング構造は、
金属基材を熱から保護するための遮熱コーティング構造において、
前記金属基材側から、金属接合層と、上記本発明の第2のセラミックス膜からなる遮熱層とを順次有することを特徴とするものである。
The thermal barrier coating structure of the present invention is
In a thermal barrier coating structure for protecting a metal substrate from heat,
From the metal substrate side, a metal bonding layer and a heat shield layer made of the second ceramic film of the present invention are sequentially provided.

本発明の遮熱コーティング構造において、
前記金属基材が、Co、Ni、及びFeからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素を含む合金を主成分とし、
前記金属接合層が、一般式MCrAlY(式中、MはNi及び/又はCo、Crはクロム、Alはアルミニウム、Yはイットリウムをそれぞれ示す。)で表される少なくとも1種の合金を主成分とすることが好ましい。
本明細書において、「主成分」とは30質量%以上の成分と定義する。
In the thermal barrier coating structure of the present invention,
The metal base material is mainly composed of an alloy containing at least one metal element selected from the group consisting of Co, Ni, and Fe,
The metal bonding layer is mainly composed of at least one alloy represented by the general formula MCrAlY (wherein M represents Ni and / or Co, Cr represents chromium, Al represents aluminum, and Y represents yttrium). It is preferable to do.
In this specification, the “main component” is defined as a component of 30% by mass or more.

本発明によれば、遮熱性、耐熱衝撃性、及び酸素バリア性が良好であり、遮熱コーティング構造等として好適な新規なセラミックス膜とその製造方法を提供することができる。
本発明によれば、酸素バリア層を設けることなく、遮熱性、耐熱衝撃性、及び酸素バリア性が良好な新規な遮熱コーティング構造を提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a novel ceramic film having a good thermal barrier property, thermal shock resistance, and oxygen barrier property and suitable as a thermal barrier coating structure and a method for producing the same.
According to the present invention, it is possible to provide a novel thermal barrier coating structure with good thermal barrier properties, thermal shock resistance, and oxygen barrier properties without providing an oxygen barrier layer.

「セラミックス膜とその製造方法、遮熱コーティング構造」
図面を参照して、本発明に係る実施形態のセラミックス膜及びこれを備えた遮熱コーティング構造について説明する。遮熱コーティング構造は、例えば航空機用のジェットエンジンや発電用のガスタービン等において金属基材を熱から保護するために使用されるものである。図1は金属基材及びその上に形成された遮熱コーティング構造の断面図である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。
"Ceramic film and its manufacturing method, thermal barrier coating structure"
With reference to drawings, the ceramic film of embodiment which concerns on this invention, and the thermal-insulation coating structure provided with the same are demonstrated. The thermal barrier coating structure is used for protecting a metal base material from heat in, for example, an aircraft jet engine or a power generation gas turbine. FIG. 1 is a cross-sectional view of a metal substrate and a thermal barrier coating structure formed thereon. In order to facilitate visual recognition, the scale of the constituent elements is appropriately changed from the actual one.

図1に示すように、遮熱コーティング構造1は、金属基材11上に形成された金属接合層(ボンドコート)12とセラミックス遮熱層(トップコート)14との積層構造を有している。熱伝導率の低いセラミックス遮熱層14を燃焼ガス流路側に形成することにより、金属基材11を高温に曝すことなく長寿命化を図ることができる。   As shown in FIG. 1, the thermal barrier coating structure 1 has a laminated structure of a metal bonding layer (bond coat) 12 and a ceramic thermal barrier layer (top coat) 14 formed on a metal substrate 11. . By forming the ceramic heat shield layer 14 having a low thermal conductivity on the combustion gas flow path side, it is possible to extend the life without exposing the metal substrate 11 to a high temperature.

金属基材11の組成は特に制限されず、上記用途においては例えば、Co、Ni、及びFeからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素を含む合金(好ましくはいわゆる「超耐熱合金」)を主成分とするものが好ましい。   The composition of the metal substrate 11 is not particularly limited, and in the above application, for example, an alloy containing at least one metal element selected from the group consisting of Co, Ni, and Fe (preferably a so-called “super heat-resistant alloy”). The main component is preferred.

「超耐熱合金」とは、1000〜2000℃の高温領域において、大きな応力や酸化・腐食等の厳しい環境の下で使用することのできる一群の先進材料のことを言う。具体的には、超耐熱合金として、コバルト、アルミニウム、及びタングステンの3元系金属間化合物(Co(Al,W));ニッケル、銅、及び鉄を主成分とする合金(Ni:66.5%/Cu:31.5%/Fe:1.2%)等が挙げられる。 “Super heat resistant alloy” refers to a group of advanced materials that can be used in a high temperature region of 1000 to 2000 ° C. under severe environments such as large stress, oxidation and corrosion. Specifically, as a super heat-resistant alloy, a ternary intermetallic compound of cobalt, aluminum, and tungsten (Co 3 (Al, W)); an alloy mainly composed of nickel, copper, and iron (Ni: 66. 5% / Cu: 31.5% / Fe: 1.2%) and the like.

金属接合層12は金属基材11の耐酸化等を目的とした金属コーティング層である。金属接合層12の膜厚は特に制限されず、例えば50〜100μmが好ましい。   The metal bonding layer 12 is a metal coating layer for the purpose of oxidation resistance of the metal substrate 11. The film thickness of the metal bonding layer 12 is not particularly limited, and is preferably 50 to 100 μm, for example.

金属接合層12の組成は特に制限されない。上記用途において、金属接合層12はAlを含むことが好ましく、Al及びPtを含むことがより好ましい。
より高い耐腐食性及び耐酸化性が得られることから、上記用途において、金属接合層12は一般式MCrAlY(式中、MはNi及び/又はCo、Crはクロム、Alはアルミニウム、Yはイットリウムをそれぞれ示す。)で表される合金を含むことがより好ましく、かかる合金を主成分とすることが特に好ましい。
The composition of the metal bonding layer 12 is not particularly limited. In the above application, the metal bonding layer 12 preferably contains Al, and more preferably contains Al and Pt.
Since higher corrosion resistance and oxidation resistance can be obtained, in the above application, the metal bonding layer 12 has a general formula MCrAlY (wherein M is Ni and / or Co, Cr is chromium, Al is aluminum, and Y is yttrium. It is more preferable to include an alloy represented by:

金属接合層12は、非特許文献1等に記載の公知方法により形成できる。
Alを含む金属接合層12の形成方法としては例えば、Al拡散コーティング法が挙げられる。例えば、Niを含む金属基材11(Ni基超耐熱合金等)の表面に対してAlCl等のハロゲン化アルミニウムを接触させて、基材11表面で化学反応を起こすことで、b−NiAl等を含む金属接合層12を形成することができる。この工程は、アルミナイズ工程と呼ばれる。
The metal bonding layer 12 can be formed by a known method described in Non-Patent Document 1 or the like.
Examples of the method for forming the metal bonding layer 12 containing Al include an Al diffusion coating method. For example, b-NiAl or the like is caused by causing a chemical reaction on the surface of the base material 11 by bringing an aluminum halide such as AlCl 3 into contact with the surface of the metal base material 11 (Ni-based super heat-resistant alloy or the like) containing Ni. The metal bonding layer 12 containing can be formed. This process is called an aluminizing process.

上記アルミナイズ工程の前に、金属基材11表面に例えば5〜10μm程度の厚みのPt膜を形成し、さらに金属基材11の表層内にPtを拡散させておくことで、Al及びPtを含む金属接合層12を形成することができる。金属接合層12にPtを含有させることで、アルミナイズ層の耐酸化性と寿命が向上することが知られている。このコーティング法はPt−Alコーティング法と呼ばれ、航空用タービン翼のボンドコートとして現在最も一般的な方法である。   Prior to the aluminizing step, a Pt film having a thickness of, for example, about 5 to 10 μm is formed on the surface of the metal substrate 11, and Pt is diffused in the surface layer of the metal substrate 11, so that Al and Pt are dispersed. A metal bonding layer 12 can be formed. It is known that the oxidation resistance and life of the aluminized layer are improved by including Pt in the metal bonding layer 12. This coating method is called a Pt—Al coating method and is the most common method as a bond coat for an aircraft turbine blade.

上記一般式MCrAlYで表される合金を含む金属接合層12は、減圧プラズマ溶射 (Low-Pressure(Vacuum) Plasma Spray:LPPS(VPS))法、あるいは高速ガス炎溶射(High Velocity Oxy-Fuel:HVOF)法等の方法によって成膜できる。これらの方法では、一度に大量のコーティング処理が可能なAl拡散コーティング法より製造コストが高くなると言われているが、コーティング組成の設計自由度が大きいメリットがある。   The metal bonding layer 12 including the alloy represented by the above general formula MCrAlY is formed by a low-pressure plasma spray (LPPS (VPS)) method or a high velocity gas flame spray (High Velocity Oxy-Fuel: HVOF). ) Method or the like. These methods are said to be higher in production cost than the Al diffusion coating method capable of performing a large amount of coating treatment at a time, but have an advantage that the degree of freedom in designing the coating composition is great.

セラミックス遮熱層14の組成は特に制限されず、上記用途においては例えば、Al、HfO、CeO、及びZrOの群から選択される少なくとも1種の酸化物セラミックスを含むものが好ましく、かかる成分を主成分として含むものが特に好ましい。
遮熱層14がZrOを含む場合、ZrOに、Y、CaO、及びMgO等の群から選択される少なくとも1種の安定化剤が添加されて部分的に安定化された部分安定化ジルコニアの形態で、ZrOを含むことがより好ましい。
The composition of the ceramic thermal barrier layer 14 is not particularly limited, and in the above application, for example, the ceramic thermal barrier layer 14 includes at least one oxide ceramic selected from the group of Al 2 O 3 , HfO 2 , CeO 2 , and ZrO 2. Those containing such a component as a main component are particularly preferable.
If the thermal barrier coating 14 comprises ZrO 2, the ZrO 2, Y 2 O 3, CaO, and at least one added stabilizing agent partially stabilized moiety selected from the group such as MgO More preferably, ZrO 2 is included in the form of stabilized zirconia.

セラミックス遮熱層14の膜厚は特に制限されず、例えば10〜300μmが好ましい。
セラミックス遮熱層14の相対密度は特に制限されない。従来、遮熱性及び耐熱衝撃性の観点でセラミックス遮熱層は相対密度50〜95%の多孔質膜であることが好ましいとされており、本実施形態のセラミックス遮熱層14でも同様である。すなわち、本実施形態のセラミックス遮熱層14は、相対密度50〜95%の多孔質膜であることが特に好ましい。ただし、同じ相対密度で比較した場合、本実施形態では従来法よりも遮熱性及び耐熱衝撃性がより向上されたセラミックス遮熱層14を製造できる。したがって、本実施形態のセラミックス遮熱層14では、相対密度50〜95%の範囲外で使用することも可能である。
The film thickness of the ceramic heat shield layer 14 is not particularly limited, and is preferably 10 to 300 μm, for example.
The relative density of the ceramic heat shield layer 14 is not particularly limited. Conventionally, it is considered that the ceramic heat shield layer is preferably a porous film having a relative density of 50 to 95% from the viewpoints of heat shield properties and thermal shock resistance, and the same applies to the ceramic heat shield layer 14 of the present embodiment. That is, the ceramic heat shield layer 14 of the present embodiment is particularly preferably a porous film having a relative density of 50 to 95%. However, when compared with the same relative density, in this embodiment, the ceramic heat shield layer 14 with improved heat shield and thermal shock resistance than the conventional method can be manufactured. Therefore, the ceramic heat shield layer 14 of the present embodiment can be used outside the range of the relative density of 50 to 95%.

本実施形態のセラミックス遮熱層14は新規なセラミックス膜の製造方法により製造されたものであり、新規な膜構造を有している。図4C及び図6Bに示すように、セラミックス遮熱層14は、その膜中に、内部圧力が大気圧未満であり、互いに独立した、平面視ディスク状の複数の気孔66を有している。   The ceramic heat shield layer 14 of the present embodiment is manufactured by a novel method for producing a ceramic film, and has a novel film structure. As shown in FIG. 4C and FIG. 6B, the ceramic heat shield layer 14 has a plurality of pores 66 in the form of a disk in plan view that are independent of each other and have an internal pressure of less than atmospheric pressure.

本実施形態において、セラミックス遮熱層14はエアロゾルデポジション(AD)法を用いて製造されたものである。AD法は、成膜基材上にエアロゾル化されたセラミックス原料粉を衝突させて原料粉中の一次粒子を破砕せしめ、原料粉の破砕物を成膜基材上に堆積させて成膜する方法である。セラミックス遮熱層14の製造では、金属接合層12が形成された金属基材11が成膜基材13である。   In the present embodiment, the ceramic thermal barrier layer 14 is manufactured using an aerosol deposition (AD) method. The AD method is a method in which an aerosolized ceramic raw material powder is collided on a film forming substrate to crush primary particles in the raw material powder, and a crushed material powder is deposited on the film forming substrate to form a film. It is. In the production of the ceramic heat shield layer 14, the metal substrate 11 on which the metal bonding layer 12 is formed is the film forming substrate 13.

「エアロゾル」とは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことを言う。AD法は焼結プロセスが必須ではなく、比較的低温でセラミックス等の膜を成膜できる方法として知られている。AD法では、原料粉の対象物への衝突により生じる破砕物によって非常に緻密な膜が形成されることが知られている。AD法は、噴射堆積法又はガスデポジション法とも呼ばれる。   “Aerosol” refers to solid or liquid particles suspended in a gas. The AD method is known as a method capable of forming a film of ceramics or the like at a relatively low temperature without requiring a sintering process. In the AD method, it is known that a very dense film is formed by crushed material generated by collision of raw material powder with an object. The AD method is also called a jet deposition method or a gas deposition method.

本実施形態では、AD法を用いてセラミックス遮熱層14を製造するが、従来のAD法のプロセスに新規なプロセスを加えることにより、新規な膜構造のセラミックス膜を実現している。   In the present embodiment, the ceramic thermal barrier layer 14 is manufactured by using the AD method. However, by adding a new process to the conventional AD method, a ceramic film having a new film structure is realized.

(成膜装置)
セラミックス遮熱層14の製造方法について詳しく説明する前に、図2を参照して、セラミックス遮熱層14の製造に用いて好適なAD成膜装置の構成例について説明する。
(Deposition system)
Before describing in detail the manufacturing method of the ceramic thermal barrier layer 14, a configuration example of an AD film forming apparatus suitable for use in manufacturing the ceramic thermal barrier layer 14 will be described with reference to FIG.

図2に示すAD成膜装置2は、エアロゾルの生成が行われるエアロゾル生成部20と、成膜部40と、両者を接続しているエアロゾル搬送管30と、各部の動作を制御する制御部50とを備えている。   An AD film forming apparatus 2 shown in FIG. 2 includes an aerosol generating unit 20 that generates an aerosol, a film forming unit 40, an aerosol transport pipe 30 that connects the two, and a control unit 50 that controls the operation of each unit. And.

エアロゾル生成部20は、エアロゾル生成容器21と、振動台22と、巻き上げガスノズル23と、圧力調整ガスノズル24とを備えている。エアロゾル生成容器21内に原料粉61が仕込まれ、ここでエアロゾルの生成が行われる。エアロゾル生成容器21は、原料粉61を攪拌して効率的にエアロゾルを生成するために、所定の周波数で振動する振動台22の上に設置されている。   The aerosol generation unit 20 includes an aerosol generation container 21, a vibration table 22, a hoisting gas nozzle 23, and a pressure adjusting gas nozzle 24. The raw material powder 61 is charged into the aerosol generation container 21, and generation of the aerosol is performed here. The aerosol generation container 21 is installed on a vibration table 22 that vibrates at a predetermined frequency in order to stir the raw material powder 61 and efficiently generate an aerosol.

巻き上げガスノズル23は、外部のガスボンベから供給されるキャリアガスをエアロゾル生成容器21内に導入することにより、サイクロン流を生成するものである。それにより、エアロゾル生成容器21内の原料粉61が巻き上げられて分散し、エアロゾルが生成される。圧力調整ガスノズル24は、外部のガスボンベから供給されるキャリアガスをエアロゾル生成容器21内に導入することにより、エアロゾル生成容器21内のガス圧を調整するものである。それにより、エアロゾル生成容器21内の圧力と成膜室41内の圧力との差が調整される。   The hoisting gas nozzle 23 generates a cyclone flow by introducing a carrier gas supplied from an external gas cylinder into the aerosol generating container 21. Thereby, the raw material powder 61 in the aerosol generation container 21 is rolled up and dispersed, and an aerosol is generated. The pressure adjusting gas nozzle 24 adjusts the gas pressure in the aerosol generating container 21 by introducing a carrier gas supplied from an external gas cylinder into the aerosol generating container 21. Thereby, the difference between the pressure in the aerosol generation container 21 and the pressure in the film forming chamber 41 is adjusted.

巻き上げガスノズル23及び圧力調整ガスノズル24によって導入されるガスの流量は、流量調整部23a,24aによって調節される。ガスノズル23,24によって供給されるキャリアガスとしては、He、O、N、Ar、又はこれらの混合ガス、又は乾燥空気等が用いられる。 The flow rate of the gas introduced by the hoisting gas nozzle 23 and the pressure adjusting gas nozzle 24 is adjusted by the flow rate adjusting units 23a and 24a. As the carrier gas supplied by the gas nozzles 23 and 24, He, O 2 , N 2 , Ar, a mixed gas thereof, dry air, or the like is used.

エアロゾル生成部20で生成されたエアロゾルは、エアロゾル搬送管30を介して成膜部40に搬送される。成膜室41において、エアロゾル搬送管30はエアロゾルを噴射する噴射ノズル42に接続されている。   The aerosol generated by the aerosol generating unit 20 is transported to the film forming unit 40 via the aerosol transport pipe 30. In the film forming chamber 41, the aerosol transport pipe 30 is connected to an injection nozzle 42 for injecting the aerosol.

成膜部40は、成膜室41と噴射ノズル42とステージ48と排気管49とを備えている。成膜室41の内部は、排気管49に接続されている排気ポンプによって排気可能とされている。成膜時には、成膜室41の内部は所定の減圧状態、好ましくは100Pa以下の減圧状態に保たれる。噴射ノズル42は、所定の形状及び大きさの開口を有しており、エアロゾル生成容器21からエアロゾル搬送管30を介して供給される原料粉のエアロゾルを、成膜基材13に向けて噴射する。噴射ノズル42から噴射されるエアロゾルの速度は、エアロゾル生成容器21と成膜室41との間の圧力差によって決定される。   The film forming unit 40 includes a film forming chamber 41, an injection nozzle 42, a stage 48, and an exhaust pipe 49. The inside of the film forming chamber 41 can be evacuated by an exhaust pump connected to an exhaust pipe 49. During film formation, the inside of the film formation chamber 41 is maintained at a predetermined reduced pressure, preferably 100 Pa or less. The injection nozzle 42 has an opening of a predetermined shape and size, and injects the aerosol of the raw material powder supplied from the aerosol generation container 21 via the aerosol transport pipe 30 toward the film forming substrate 13. . The velocity of the aerosol ejected from the ejection nozzle 42 is determined by the pressure difference between the aerosol generation container 21 and the film forming chamber 41.

成膜基材13が固定されるステージ48は、成膜基材13と噴射ノズル42との相対位置及び相対速度を制御するための3次元的に移動可能なステージである。この相対速度を調節することにより、1往復あたりに形成される膜の厚さが制御される。本実施形態においては、ステージ48側を移動させることにより、噴射ノズル42と成膜基材13との相対位置を変化させているが、成膜基材13の位置を固定して噴射ノズル42側を移動させるようにしてもよい。   The stage 48 to which the film forming substrate 13 is fixed is a stage that can be moved three-dimensionally to control the relative position and relative speed between the film forming substrate 13 and the injection nozzle 42. By adjusting this relative speed, the thickness of the film formed per reciprocation is controlled. In the present embodiment, the relative position between the injection nozzle 42 and the film forming substrate 13 is changed by moving the stage 48 side. However, the position of the film forming substrate 13 is fixed and the injection nozzle 42 side is fixed. May be moved.

成膜に際しては、原料粉61がエアロゾル生成容器21内に配置されると共に、成膜基材13がステージ48上に配置される。成膜装置2を駆動すると、エアロゾル生成容器21において生成されたエアロゾルがエアロゾル搬送管30を通って成膜室41に導入され、噴射ノズル42から噴射されて成膜基材13に吹き付けられる。このエアロゾル中の原料粉61が成膜基材13に衝突して破砕され、この破砕物が成膜基材13に堆積する。その際に、制御部50の制御の下で、ステージ48を所定の速度で移動させることにより、ステージ48の移動速度(噴射ノズル42と成膜基材13との相対速度)に応じたレートで、原料粉61と同じ組成を有するセラミックス膜62が成膜される。   At the time of film formation, the raw material powder 61 is disposed in the aerosol generation container 21, and the film formation substrate 13 is disposed on the stage 48. When the film forming apparatus 2 is driven, the aerosol generated in the aerosol generating container 21 is introduced into the film forming chamber 41 through the aerosol transport pipe 30, sprayed from the spray nozzle 42, and sprayed onto the film forming substrate 13. The raw material powder 61 in the aerosol collides with the film forming substrate 13 and is crushed, and the crushed material is deposited on the film forming substrate 13. At that time, the stage 48 is moved at a predetermined speed under the control of the control unit 50, so that the stage 48 is moved at a rate corresponding to the moving speed of the stage 48 (relative speed between the spray nozzle 42 and the film forming substrate 13). A ceramic film 62 having the same composition as the raw material powder 61 is formed.

エアロゾル生成部20の替わりに、図3に示すエアロゾル生成装置3を用いてもよい。図3Aはエアロゾル生成装置の構成を示す断面図であり、図3Bはエアロゾル生成装置の内部を示す平面図である。   Instead of the aerosol generation unit 20, an aerosol generation device 3 shown in FIG. 3 may be used. FIG. 3A is a cross-sectional view showing the configuration of the aerosol generating device, and FIG. 3B is a plan view showing the inside of the aerosol generating device.

図3A及び図3Bに示すエアロゾル生成装置3は、粉体収納室70及びエアロゾル生成部80を備えている。粉体収納室70は粉体を収納するチャンバであり、その上底部には粉体供給口70aが設けられており、下底部には開口71が形成されている。この開口71を介して、粉体収納室70とエアロゾル生成部80とが連結されている。   The aerosol generating apparatus 3 shown in FIGS. 3A and 3B includes a powder storage chamber 70 and an aerosol generating unit 80. The powder storage chamber 70 is a chamber for storing powder, and a powder supply port 70a is provided at the upper bottom thereof, and an opening 71 is formed at the lower bottom thereof. The powder storage chamber 70 and the aerosol generation unit 80 are connected via the opening 71.

粉体収納室70には、モータによって駆動されることにより回転する攪拌羽72が備えられている。この攪拌羽72の回転軸73にはO−リング73aがはめ込まれており、それによって粉体収納室70内の気密が確保される。そのような粉体収納室70に粉体を収納し、攪拌羽72によって粉体を攪拌する。それにより、粉体が開口71から落下し、エアロゾル生成部80に導出される。また、粉体収納室70には、粉体が開口71から導出されるのを補助又は促進するために、アシストガス導入部74が設けられている。アシストガス導入部74は配管及びバルブを含んでおり、配管の先には例えばガスボンベが接続されている。   The powder storage chamber 70 is provided with a stirring blade 72 that rotates when driven by a motor. An O-ring 73 a is fitted on the rotating shaft 73 of the stirring blade 72, thereby ensuring airtightness in the powder storage chamber 70. The powder is stored in such a powder storage chamber 70, and the powder is stirred by the stirring blade 72. Thereby, the powder falls from the opening 71 and is led out to the aerosol generating unit 80. In addition, an assist gas introduction unit 74 is provided in the powder storage chamber 70 in order to assist or promote the powder being led out from the opening 71. The assist gas introduction unit 74 includes a pipe and a valve, and a gas cylinder, for example, is connected to the end of the pipe.

エアロゾル生成部80には、モータによって駆動されることにより回転する回転盤81が備えられている。回転盤81の回転軸82にはO−リング82aがはめ込まれており、それによってエアロゾル生成部80内の気密が確保される。回転盤81には、所定の幅及び深さを有する溝83が円周に沿って形成されている。回転盤81は、溝83が粉体収納室70の開口71に対向するように配置されている。このような回転盤81は、開口71から落下した粉体を溝83によって受けながら回転することにより、粉体を一定の割合で搬送する。   The aerosol generating unit 80 includes a rotating disk 81 that rotates when driven by a motor. An O-ring 82 a is fitted on the rotation shaft 82 of the turntable 81, thereby ensuring airtightness in the aerosol generating unit 80. A groove 83 having a predetermined width and depth is formed in the turntable 81 along the circumference. The turntable 81 is arranged so that the groove 83 faces the opening 71 of the powder storage chamber 70. Such a rotating plate 81 conveys the powder at a certain ratio by rotating while receiving the powder dropped from the opening 71 through the groove 83.

さらに、エアロゾル生成部80には、分散ガス導入部84及びエアロゾル供給管85が設けられている。分散ガス導入部84は配管及びバルブを含んでおり、配管の先には例えばガスボンベが接続されている。アシストガス及び分散ガスとしては、N、O、He、Ar、又はこれらの混合ガス、あるいは乾燥空気等が用いられる。 Further, the aerosol generation unit 80 is provided with a dispersed gas introduction unit 84 and an aerosol supply pipe 85. The dispersed gas introduction part 84 includes a pipe and a valve, and a gas cylinder, for example, is connected to the end of the pipe. As the assist gas and the dispersion gas, N 2 , O 2 , He, Ar, a mixed gas thereof, dry air, or the like is used.

図3Aに示すように、分散ガス導入部84によってエアロゾル生成部80内に導入される分散ガスの吹き出し口は、回転盤81の溝83に対向するように設けられている。エアロゾル供給管85は、先端の開口部が溝83に対向するように配置された管であり、その他端は、例えばフレキシブルな材料によって形成された配管を介して、図2に示すエアロゾル搬送管30に接続される。   As shown in FIG. 3A, the outlet of the dispersed gas introduced into the aerosol generating unit 80 by the dispersed gas introducing unit 84 is provided so as to face the groove 83 of the rotating plate 81. The aerosol supply pipe 85 is a pipe disposed so that the opening at the tip thereof faces the groove 83, and the other end is connected to the aerosol carrying pipe 30 shown in FIG. 2 via a pipe formed of, for example, a flexible material. Connected to.

このようなエアロゾル生成装置3において、粉体収納室70に所望の粉体を収納して攪拌羽72を駆動すると共に、エアロゾル生成部80において回転盤81を回転させ、回転盤81の溝83に対して分散ガスを吹き付ける。粉体収納室70に収納された粉体は、攪拌羽72によって攪拌されながら、開口71を通って溝83に落下する。その際に、粉体収納室70にアシストガスを導入することにより、開口71内に気流を形成する。この気流が、粉体の導出を補助又は促進する駆動力として作用する。それにより、粉体は、よりスムーズに開口71から溝83に落下する。溝83に落下した粉体は、回転盤82の回転速度に応じて堆積して搬送される。アシストガスの導入は、連続的でも間欠的でもよい。   In such an aerosol generating device 3, the desired powder is stored in the powder storage chamber 70 and the stirring blade 72 is driven, and the rotating plate 81 is rotated in the aerosol generating unit 80, and the groove 83 of the rotating plate 81 is inserted. A dispersion gas is sprayed on the surface. The powder stored in the powder storage chamber 70 falls into the groove 83 through the opening 71 while being stirred by the stirring blade 72. At that time, an air flow is formed in the opening 71 by introducing an assist gas into the powder storage chamber 70. This airflow acts as a driving force that assists or accelerates the derivation of the powder. Thereby, the powder falls from the opening 71 into the groove 83 more smoothly. The powder that has fallen into the groove 83 is deposited and conveyed in accordance with the rotational speed of the turntable 82. The introduction of the assist gas may be continuous or intermittent.

一方、回転盤82の溝83においては、そこに吹き付けられた分散ガスが溝83に沿って流れることにより気流が形成されている。この分散ガスは、エアロゾル供給管85の先端部の開口からその内部に流れ込む。その際に、エアロゾル供給管85の周囲には、エアロゾル供給管85の内部に向かう吸引力が発生する。この吸引力により、溝83に堆積していた粉体が分散ガスと共にエアロゾル供給管85に流れ込む。このようにして生成されたエアロゾルは、エアロゾル供給管85からエアロゾル搬送管30(図2)に供給され、エアロゾル搬送管30を介して成膜部40に導入される。   On the other hand, in the groove 83 of the turntable 82, the dispersed gas blown there flows along the groove 83 to form an air flow. This dispersed gas flows into the aerosol supply pipe 85 from the opening at the tip thereof. At that time, a suction force toward the inside of the aerosol supply pipe 85 is generated around the aerosol supply pipe 85. Due to this suction force, the powder accumulated in the groove 83 flows into the aerosol supply pipe 85 together with the dispersion gas. The aerosol generated in this way is supplied from the aerosol supply pipe 85 to the aerosol transport pipe 30 (FIG. 2) and is introduced into the film forming unit 40 via the aerosol transport pipe 30.

(セラミックス膜の製造方法の一実施形態)
以下、本発明に係るセラミックス膜の製造方法の一実施形態について説明する。本実施形態ではセラミックス遮熱層14の製造について説明するが、本実施形態の製造方法はセラミックス遮熱層14以外の任意の用途のセラミックス膜にも適用できる。
(One Embodiment of Manufacturing Method of Ceramic Film)
Hereinafter, an embodiment of a method for producing a ceramic film according to the present invention will be described. In the present embodiment, the production of the ceramic heat shield layer 14 will be described. However, the production method of the present embodiment can be applied to a ceramic film for any use other than the ceramic heat shield layer 14.

<原料粉の用意>
はじめに、セラミックス原料粉を用意する。AD法では、原料粉の成膜基材に対する衝突エネルギーにより、原料粉中の一次粒子が破砕される。エアロゾルの噴射速度等の他のAD条件が同一であれば、原料粉の一次粒子径が大きい程、その運動エネルギーが大きくなるので、成膜基材に対する衝突エネルギーが大きくなる傾向にある。原料粉の平均一次粒子径は特に制限されず、例えば0.1〜1.0μmが好ましい。
<Preparation of raw material powder>
First, ceramic raw material powder is prepared. In the AD method, primary particles in the raw material powder are crushed by the collision energy of the raw material powder against the film-forming substrate. If the other AD conditions such as the aerosol injection speed are the same, the larger the primary particle diameter of the raw material powder, the larger the kinetic energy, so the collision energy against the film-forming substrate tends to increase. The average primary particle diameter of the raw material powder is not particularly limited, and is preferably 0.1 to 1.0 μm, for example.

<前粉処理工程>
固相法により製造された原料粉は一次粒子の状態で分散していることはごく稀であり、通常はネッキングにより複数の一次粒子が強固に凝集した二次粒子が多数分散した状態にある。本実施形態では、AD法による成膜に先立ち、原料粉中の一次粒子同士の結合力を弱める前粉処理工程を実施する。この前処理を実施してからAD法による成膜を実施することで、少なくとも一部の凝集粒子が破砕されることなく膜中にトラップされる。これは、上記前粉処理によって原料粉中の一次粒子間のネッキングを弱めて、一次粒子同士がソフトに結合した凝集体の状態とすることができ、凝集粒子の基材衝突時の衝撃が吸収されるためと考えられる。上記前処理を行わない通常のAD法の場合、エアロゾル中の凝集粒子は基材衝突と同時に破砕・飛散し、膜中に凝集体としてトラップされることはない。
<Pre-flouring process>
The raw material powder produced by the solid phase method is very rarely dispersed in the form of primary particles, and usually a large number of secondary particles in which a plurality of primary particles are strongly aggregated by necking are dispersed. In the present embodiment, prior to the film formation by the AD method, a pre-powder treatment step for weakening the bonding force between the primary particles in the raw material powder is performed. By performing film formation by the AD method after performing this pretreatment, at least a part of the aggregated particles is trapped in the film without being crushed. This can weaken the necking between the primary particles in the raw powder by the pre-powder treatment, and the primary particles can be brought into a state of agglomerated softly, and the impact of the agglomerated particles upon collision with the substrate is absorbed. It is thought to be done. In the case of the normal AD method in which the pretreatment is not performed, the aggregated particles in the aerosol are crushed and scattered simultaneously with the base material collision, and are not trapped as aggregates in the film.

原料粉中の一次粒子同士の結合力を弱める前粉処理としては、ミル処理等の機械的処理が好ましい。ミル処理は、自動乳鉢あるいはボールミル等を用いて、実施することができる。ミル処理の時間、及びミル処理中に原料粉にかかる応力等を調整することで、ミル処理後の原料粉中の一次粒子同士の結合力を制御することができる。ミル処理後の原料粉中の一次粒子同士の結合力の制御は難しいが、乳鉢等を用いた手動ミル処理を実施しても差し支えない。   As the pre-powder treatment for weakening the bonding force between the primary particles in the raw material powder, mechanical treatment such as mill treatment is preferable. The mill treatment can be performed using an automatic mortar or a ball mill. By adjusting the milling time and the stress applied to the raw material powder during the milling process, the binding force between the primary particles in the raw material powder after the milling process can be controlled. Although it is difficult to control the bonding force between the primary particles in the raw material powder after milling, manual milling using a mortar or the like may be performed.

一次粒子同士がソフトに結合した凝集体を含む原料粉の調製法としては、原料粉に水あるいは有機バインダ等の液体を添加して造粒する処理も挙げられる。かかる処理では、後の熱処理工程において、セラミックス膜中で添加した液体成分の気化膨張が起こることを考慮して、添加量を少なく調整することが好ましい。   As a method for preparing a raw material powder containing an aggregate in which primary particles are softly bonded, a process of adding a liquid such as water or an organic binder to the raw material powder and granulating it can also be mentioned. In such a treatment, it is preferable to adjust the addition amount to be small in consideration of the fact that the liquid component added in the ceramic film undergoes vaporization and expansion in the subsequent heat treatment step.

<堆積工程>
上記前粉処理を実施した原料粉を用いて、図2あるいは図3に示したような装置を用いて、AD法による成膜を行う。すなわち、上記前粉処理を実施した原料粉をエアロゾル化させ、これを成膜基材上に衝突させて原料粉中の一次粒子を破砕せしめ、原料粉の破砕物を成膜基材上に堆積させる堆積工程を実施する。
<Deposition process>
Using the raw powder subjected to the above-mentioned pre-powder treatment, film formation by the AD method is performed using an apparatus as shown in FIG. 2 or FIG. That is, the raw powder subjected to the above-mentioned pre-powder treatment is aerosolized and collides with the film-forming substrate to crush primary particles in the raw material powder, and the crushed material powder is deposited on the film-forming substrate. A deposition step is performed.

本実施形態では、原料粉中の一次粒子の一部が破砕されることなく凝集体として破砕物中に残存する条件で、この堆積工程を実施する。通常のAD法では、緻密な膜を成膜することが目的であるので、原料粉中の一次粒子が破砕されることなく凝集体として破砕物中に残存することは好ましくなく、従来は凝集体を積極的に残存させるという発想はなかった。   In the present embodiment, this deposition step is performed under the condition that some of the primary particles in the raw material powder remain in the crushed material as aggregates without being crushed. In the normal AD method, the purpose is to form a dense film, so it is not preferable that the primary particles in the raw material powder remain in the crushed material without being crushed. There was no idea of actively remaining.

図4Aは本工程後に成膜されたセラミックス膜62の拡大断面図を模式的に示す図であり、図6Aは後記実施例1において本工程後に成膜されたセラミックス膜のSEM断面写真である。図5は本発明者が提案するトラップ/クラッシュモデルの説明図である。   FIG. 4A is a diagram schematically showing an enlarged cross-sectional view of the ceramic film 62 formed after this step, and FIG. 6A is a SEM cross-sectional photograph of the ceramic film formed after this step in Example 1 described later. FIG. 5 is an explanatory diagram of the trap / crash model proposed by the present inventor.

図5の左図に示すように、通常の原料粉は、複数の一次粒子64Pが凝集した凝集体64(二次粒子)が多数分散した状態にある。図5の左図は1個の凝集体64が成膜基材13に対して衝突しようとしている状態を示している。   As shown in the left diagram of FIG. 5, the normal raw material powder is in a state where a large number of aggregates 64 (secondary particles) in which a plurality of primary particles 64P are aggregated are dispersed. The left diagram in FIG. 5 shows a state in which one aggregate 64 is about to collide with the film forming substrate 13.

通常のAD法では、原料粉を含むエアロゾルが成膜基材に対して大きな運動エネルギーで衝突する。この際、多くの一次粒子が破砕されて、より細かい粒子径の破砕物となって、成膜基材上に堆積する。図4Aの細かい粒子群が一次粒子の破砕物63である。   In the normal AD method, the aerosol containing the raw material powder collides with the film forming substrate with a large kinetic energy. At this time, many primary particles are crushed to become crushed material having a finer particle diameter and deposited on the film forming substrate. The fine particle group in FIG. 4A is a pulverized product 63 of primary particles.

本実施形態では、一次粒子同士の結合力を弱める前粉処理を行っているので、図5の右下図(b)に示すように、原料粉中の一次粒子64Pの一部を破砕せずに凝集体64として破砕物63中に残存させることができる(トラップ現象)。このメカニズムは必ずしも明らかではないが、本発明者は、この現象は成膜基材への衝突エネルギーが一次粒子同士の弱い結合力に吸収されるためではないかと考えている。   In the present embodiment, since the pre-powder treatment for weakening the bonding force between the primary particles is performed, as shown in the lower right diagram (b) of FIG. It can remain in the crushed material 63 as an aggregate 64 (trap phenomenon). Although this mechanism is not necessarily clear, the present inventor believes that this phenomenon is due to the fact that the collision energy to the film-forming substrate is absorbed by the weak binding force between the primary particles.

原料粉中の一次粒子同士の結合力が強い状態では、成膜基材への衝突エネルギーが凝集体64をなす複数の一次粒子64Pに容易に伝播して、図5の右上図(a)に示すように、凝集体64が破砕されて一次粒子64P同士の結合が切れた状態となる(クラッシュ現象)。これらの一次粒子64Pは成膜に寄与しないし、破砕物63中にトラップされることもないが、再度成膜基材13に衝突し、この際により細かい粒子径の破砕物63となって、成膜基材13上に堆積すると考えられる。   In the state where the binding force between the primary particles in the raw material powder is strong, the collision energy to the film forming substrate easily propagates to the plurality of primary particles 64P forming the aggregate 64, and the upper right diagram (a) in FIG. As shown, the aggregates 64 are crushed and the primary particles 64P are disconnected from each other (crash phenomenon). These primary particles 64P do not contribute to the film formation and are not trapped in the crushed material 63, but collide with the film forming substrate 13 again, and become a crushed material 63 having a finer particle diameter. It is considered that the film is deposited on the film forming substrate 13.

成膜基材13に対して、凝集体64はエネルギー的に安定な比較的球に近い形状で衝突していくので、図4A、図5の右下図(b)、及び図6Aに示すように、破砕物63中に残存する凝集体64はディスク状となる。   Since the agglomerates 64 collide with the film forming substrate 13 in an energy-stable, relatively sphere-like shape, as shown in the lower right view (b) of FIG. 4A and FIG. 5 and FIG. 6A. The aggregate 64 remaining in the crushed material 63 becomes a disk shape.

図4Aにおいて、破砕物63内に取り込まれた凝集体64の一次粒子64P間には多少空隙が存在すると考えられる。AD法は大気圧未満の減圧状態、好ましくは100Pa以下の減圧状態で実施されるので、この空隙の圧力はAD法の成膜室の圧力と同等レベルとなる。   In FIG. 4A, it is considered that some voids exist between the primary particles 64P of the aggregate 64 taken into the crushed material 63. Since the AD method is carried out in a reduced pressure state less than atmospheric pressure, preferably in a reduced pressure state of 100 Pa or less, the pressure in the gap is equivalent to the pressure in the film formation chamber of the AD method.

本工程後には、緻密な破砕物63の堆積物の中に、複数の凝集体64が取り込まれた膜構造のセラミックス膜62が得られる。本実施形態ではさらに後工程において熱処理を実施するが、本工程後の中間生成膜62も新規である。この中間生成膜62の相対密度は例えば50〜95%である。   After this step, a ceramic film 62 having a film structure in which a plurality of aggregates 64 are incorporated in the dense crushed material 63 is obtained. In the present embodiment, heat treatment is further performed in a later process, but the intermediate product film 62 after this process is also novel. The relative density of the intermediate product film 62 is, for example, 50 to 95%.

<熱処理工程>
上記堆積工程後のセラミックス膜62に対して、熱処理を実施する。図4Cは破砕物63中に残存する凝集体64の焼結温度以上の熱処理を実施した後のセラミックス膜を模式的に示し、図4Bは図4Aから図4Cに至る間の中間温度のセラミックス膜を示している。図6Bは後記実施例1において本工程後に成膜されたセラミックス膜のSEM断面写真である。
<Heat treatment process>
A heat treatment is performed on the ceramic film 62 after the deposition step. FIG. 4C schematically shows a ceramic film after heat treatment at a temperature equal to or higher than the sintering temperature of the aggregate 64 remaining in the crushed material 63, and FIG. 4B shows a ceramic film at an intermediate temperature from FIG. 4A to FIG. 4C. Is shown. FIG. 6B is a SEM cross-sectional photograph of the ceramic film formed after this step in Example 1 described later.

例えば、アルミナ膜あるいはYSZ(イットリア安定化ジルコニア)膜の場合、1200℃程度の熱処理で図4Bに示す中間状態となり、1500℃以上の熱処理で図4Cに示す状態となる。   For example, in the case of an alumina film or a YSZ (yttria stabilized zirconia) film, the intermediate state shown in FIG. 4B is obtained by heat treatment at about 1200 ° C., and the state shown in FIG. 4C is obtained by heat treatment at 1500 ° C. or higher.

セラミックス膜62に対して熱処理を実施すると、破砕物63は粒成長して、より大きな粒子径の結晶粒65が生成され、緻密化する。一方、破砕物63中に残存した凝集体64は焼結収縮して、気孔66が形成される。気孔66の形状は破砕物63内に残存した凝集体64の形状を受け継いで、ディスク状となる。   When heat treatment is performed on the ceramic film 62, the crushed material 63 grows and crystal grains 65 having a larger particle diameter are generated and densified. On the other hand, the aggregate 64 remaining in the crushed material 63 is sintered and contracted to form pores 66. The shape of the pores 66 inherits the shape of the aggregates 64 remaining in the crushed material 63 and becomes a disk shape.

本実施形態では、図6Bに示すように、破砕物63が粒成長して生成される多数の結晶粒65からなる緻密なセラミックスの内部に複数のディスク状の気孔66が独立して存在する膜構造のセラミックス膜14が得られる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 6B, a film in which a plurality of disc-shaped pores 66 exist independently in a dense ceramic made up of a large number of crystal grains 65 produced by grain growth of crushed material 63. A ceramic film 14 having a structure is obtained.

気孔66の数及びサイズは、破砕物63内に残存する凝集体64の数及びサイズと相関するので、前粉処理工程及び堆積工程を制御することで、制御可能である。   The number and size of the pores 66 correlate with the number and size of the aggregates 64 remaining in the crushed material 63, and therefore can be controlled by controlling the pre-powder treatment process and the deposition process.

セラミックス遮熱層14は、例えば相対密度50〜95%の多孔質膜であることが好ましいことを述べたが、前粉処理工程及び堆積工程を制御することで、相対密度を好ましい範囲に制御できる。また、相対密度を50〜95%の範囲外に制御することも可能である。   It has been described that the ceramic thermal barrier layer 14 is preferably a porous film having a relative density of 50 to 95%, for example, but the relative density can be controlled within a preferable range by controlling the pre-powder treatment step and the deposition step. . It is also possible to control the relative density outside the range of 50 to 95%.

熱処理前の図4Aにおいて、破砕物63内に取り込まれた凝集体64の一次粒子64P間には多少空隙が存在すると考えられ、この空隙の圧力はAD法の成膜室の圧力と同等レベルとなることを先に述べた。   In FIG. 4A before the heat treatment, it is considered that there are some voids between the primary particles 64P of the aggregate 64 taken into the crushed material 63, and the pressure of the voids is the same level as the pressure in the film formation chamber of the AD method. I mentioned earlier.

破砕物63内に取り込まれた凝集体64、及びこの凝集体64の一次粒子64P間に多少存在する空隙は、これらの周囲に存在する緻密な破砕物63群あるいはそれが粒成長した結晶粒65群の存在によって、膜外部から遮断された状態にあるので、本工程後に生成される気孔66の内部圧力はAD法の成膜室の圧力の同等レベル以下となる。すなわち、内部圧力が大気圧未満、例えば10Pa以下の気孔66が生成される。気孔66は外部環境から独立しているので、この気孔66の内部圧力は、外部環境の圧力によらない。 The agglomerates 64 taken into the crushed material 63 and the voids somewhat present between the primary particles 64P of the agglomerates 64 are a group of dense crushed materials 63 existing around them or crystal grains 65 from which the grains have grown. Due to the presence of the group, the film is cut off from the outside of the film, so that the internal pressure of the pores 66 generated after this step is equal to or lower than the pressure in the film forming chamber of the AD method. That is, pores 66 having an internal pressure of less than atmospheric pressure, for example, 10 4 Pa or less are generated. Since the pores 66 are independent of the external environment, the internal pressure of the pores 66 does not depend on the pressure of the external environment.

熱処理温度は、気孔66が生成される温度であればよい。破砕物63中に取り込まれた凝集体64の焼結温度以上に熱処理すれば確実に気孔66が生成される。それよりも低い中間温度でも、図4Bに示すように気孔66が生成されるので、それでも構わない。   The heat treatment temperature may be a temperature at which the pores 66 are generated. If heat treatment is performed at a temperature higher than the sintering temperature of the aggregate 64 taken into the crushed material 63, the pores 66 are reliably generated. Even at an intermediate temperature lower than that, pores 66 are generated as shown in FIG.

下地である金属接合層12の耐熱温度よりも気孔66が生成される熱処理温度が高い場合には、セラミックス膜62の表面側から加熱していくなど、下地に対する熱影響が比較的小さくなるよう工夫する必要がある。   When the heat treatment temperature at which the pores 66 are generated is higher than the heat resistance temperature of the metal bonding layer 12 that is the base, the heat effect on the base is relatively reduced, such as heating from the surface side of the ceramic film 62. There is a need to.

本実施形態の製造方法は、セラミックス遮熱層以外の任意の用途に適用できる。例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等のセラミックスであれば、セラミックス遮熱層用途のセラミックスよりも焼結温度が低く、比較的低温で気孔66を生成することができる。このような場合には、下地への熱影響を小さくできるので、熱処理を工夫することは必須ではない。   The manufacturing method of this embodiment is applicable to arbitrary uses other than a ceramic thermal barrier layer. For example, in the case of ceramics such as PZT (lead zirconate titanate), the sintering temperature is lower than that of ceramics for the ceramic heat shield layer, and the pores 66 can be generated at a relatively low temperature. In such a case, it is not indispensable to devise a heat treatment because the thermal influence on the base can be reduced.

「発明が解決しようとする課題」の項において説明したように、従来のセラミックス遮熱層の製造方法であるプラズマ溶射法及びEB-PVD(電子ビーム蒸着)法では、生成される気孔は外部環境と連通しているので、通常の大気圧の使用条件では気孔内部の圧力は大気圧である。すなわち、セラミックス膜中に、内部圧力が大気圧未満である複数の気孔を有するセラミックス膜自体、新規である。   As described in the section “Problems to be Solved by the Invention”, in the plasma spraying method and the EB-PVD (electron beam deposition) method, which are the conventional methods for producing a ceramic thermal barrier layer, the generated pores are in the external environment. Therefore, the pressure inside the pores is atmospheric pressure under normal atmospheric pressure use conditions. That is, the ceramic film itself having a plurality of pores whose internal pressure is less than atmospheric pressure is novel.

気孔が外部環境と連通しているか否かは、例えばBET吸着試験等により評価できる。同組成及び同気孔率で比較した場合、従来のプラズマ溶射法及びEB-PVD法によるセラミックス膜では生成される気孔は外部環境と連通しているので、BET比表面積が格段に大きくなるのに対し、本実施形態で得られるセラミックス膜は多数の気孔66が形成されていても、それらは外部環境から独立しているので、BET比表面積はそれ程大きくならない。   Whether or not the pores communicate with the external environment can be evaluated by, for example, a BET adsorption test. Compared with the same composition and the same porosity, the pores generated in the ceramic film by the conventional plasma spraying method and EB-PVD method are in communication with the external environment, whereas the BET specific surface area is greatly increased. Even if a large number of pores 66 are formed in the ceramic film obtained in this embodiment, the BET specific surface area is not so large because they are independent of the external environment.

本実施形態によれば、好ましくは相対密度50〜95%の多孔質膜であるセラミックス遮熱層14を提供することができる。かかるセラミックス遮熱層14は多孔質構造であるので、遮熱性及び耐熱衝撃性が良好なものとなる。   According to this embodiment, it is possible to provide the ceramic heat shield layer 14 which is preferably a porous film having a relative density of 50 to 95%. Since the ceramic heat shield layer 14 has a porous structure, the heat shield property and the thermal shock resistance are good.

本実施形態によれば、外部環境から独立した気孔66を複数有するセラミックス遮熱層14を製造できる。外部環境と連通した気孔を有する従来法によるセラミックス遮熱層では気孔に高温の燃焼ガス等が容易に入り込むが、本実施形態のセラミックス遮熱層14ではこのようなことがないので、従来よりも遮熱性及び耐熱衝撃性がより向上されたものとなる。   According to this embodiment, the ceramic heat shield layer 14 having a plurality of pores 66 independent of the external environment can be manufactured. In the conventional ceramic heat shield layer having pores communicating with the external environment, high-temperature combustion gas or the like easily enters the pores. However, in the ceramic heat shield layer 14 of the present embodiment, this is not the case. Thermal insulation and thermal shock resistance are further improved.

さらに、本実施形態によれば、内部圧力が大気圧未満である気孔66を複数有するセラミックス遮熱層14を製造でき、内部圧力が10Pa以下である気孔66を複数有するセラミックス遮熱層14を製造することも可能である。いわゆる真空断熱という用語からも分かるように、気孔66の内部圧力が低い程、遮熱性及がより高くなる傾向にある。 Furthermore, according to this embodiment, the ceramic heat shield layer 14 having a plurality of pores 66 whose internal pressure is less than atmospheric pressure can be manufactured, and the ceramic heat shield layer 14 having a plurality of pores 66 whose internal pressure is 10 4 Pa or less. Can also be manufactured. As can be understood from the term of so-called vacuum insulation, the lower the internal pressure of the pores 66, the higher the heat shielding property.

本実施形態によれば、外部環境から独立した気孔66を複数有するセラミックス遮熱層14を製造できる。かかるセラミックス遮熱層14は、外部環境と連通した気孔を有する従来法によるセラミックス遮熱層とは異なり、酸素バリア性も良好である。したがって、本実施形態の遮熱コーティング構造1では、従来法のように酸素バリア層を別途設けなくても、金属接合層12の表面における金属酸化物(TGO)の生成、及びこれによるセラミックス遮熱層14と金属接合層12との間の界面剥離が抑制される。   According to this embodiment, the ceramic heat shield layer 14 having a plurality of pores 66 independent of the external environment can be manufactured. Unlike the conventional ceramic thermal barrier layer having pores communicating with the external environment, the ceramic thermal barrier layer 14 has good oxygen barrier properties. Therefore, in the thermal barrier coating structure 1 of the present embodiment, the generation of metal oxide (TGO) on the surface of the metal bonding layer 12 and the ceramic thermal barrier by this, without providing an oxygen barrier layer separately as in the conventional method. Interfacial peeling between the layer 14 and the metal bonding layer 12 is suppressed.

湿式法あるいは通常の気相成膜法によって成膜される酸素バリア層は、下地との密着性が良くなく、度重なる熱衝撃に耐えることができず界面剥離が発生してしまう恐れがあるが、本実施形態では、酸素バリア層を設ける必要がないので、かかる問題も生じない。   An oxygen barrier layer formed by a wet method or a normal vapor deposition method does not have good adhesion to the base, cannot withstand repeated thermal shocks, and may cause interface peeling. In this embodiment, since it is not necessary to provide an oxygen barrier layer, such a problem does not occur.

本実施形態の遮熱コーティング構造1では、セラミックス遮熱層14単独で良好な遮熱性/耐熱衝撃性/酸素バリア性が得られるので、金属接合層12及びセラミックス遮熱層14以外の層を設ける必要がない。ただし、必要に応じて、他の層を設けることは差し支えない。   In the thermal barrier coating structure 1 of the present embodiment, a good thermal barrier property / thermal shock resistance / oxygen barrier property can be obtained by the ceramic thermal barrier layer 14 alone, so that layers other than the metal bonding layer 12 and the ceramic thermal barrier layer 14 are provided. There is no need. However, other layers may be provided as necessary.

(セラミックス膜の製造方法の変更例)
上記実施形態では、原料粉が均一組成である場合について説明した。この場合、破砕物63の組成と破砕物63中に凝集体64として残存する一次粒子64Pの組成とは同一となる。
(Modification example of ceramic film manufacturing method)
In the above embodiment, the case where the raw material powder has a uniform composition has been described. In this case, the composition of the crushed material 63 and the composition of the primary particles 64P remaining as aggregates 64 in the crushed material 63 are the same.

原料粉として、破砕物63の組成と破砕物63中に凝集体64として残存する一次粒子64Pの組成とが異なるように組成が調整されたものを用いて、堆積工程を実施しても構わない。かかる方法によっても、上記と同様の気孔構造及び効果を有するセラミックス膜を製造することができる。   As the raw material powder, the deposition process may be performed using a powder whose composition is adjusted so that the composition of the crushed material 63 and the composition of the primary particles 64P remaining as aggregates 64 in the crushed material 63 are different. . Also by this method, a ceramic film having the same pore structure and effect as described above can be produced.

この場合、破砕物63の組成を有する原料粉Aと、破砕物63中に残存させる凝集体64の組成を有する原料粉Bとをそれぞれ用意し、原料粉Bに対してのみミル処理等の前粉処理を行って、原料粉B中の一次粒子同士の結合力を弱めてから、原料粉Aと原料粉Bとを混合し、原料粉としてこの混合物を用いて堆積工程を実施することが好ましい。   In this case, the raw material powder A having the composition of the crushed material 63 and the raw material powder B having the composition of the aggregate 64 remaining in the crushed material 63 are prepared, respectively, and only the raw material powder B is subjected to the milling or the like. It is preferable to mix the raw material powder A and the raw material powder B after carrying out the powder treatment to weaken the bonding force between the primary particles in the raw material powder B, and to carry out the deposition step using this mixture as the raw material powder. .

原料粉Aを含むエアロゾルと原料粉Bを含むエアロゾルとを別々に生成させて、これらエアロゾルを同時に成膜基材に噴射させて、堆積工程を実施してもよい。この場合、別々に生成された原料粉Aを含むエアロゾルと原料粉Bを含むエアロゾルとを異なる噴射ノズルからそれぞれ成膜基材に噴射するようにしてよいし、噴射ノズルの手前等で、別々に生成された原料粉Aを含むエアロゾルと原料粉Bを含むエアロゾルとを合流させてから、同じ噴射ノズルから成膜基材に噴射するようにしてよい。   An aerosol containing the raw material powder A and an aerosol containing the raw material powder B may be separately generated, and these aerosols may be simultaneously injected onto the film-forming substrate to perform the deposition step. In this case, the aerosol containing the raw material powder A and the aerosol containing the raw material powder B, which are separately generated, may be sprayed from different spray nozzles to the film-forming substrate, respectively, before the spray nozzle, etc. The aerosol containing the generated raw material powder A and the aerosol containing the raw material powder B may be merged and then injected from the same injection nozzle onto the film forming substrate.

原料粉として、破砕物63の融点よりも破砕物63中に凝集体64として残存する一次粒子64Pの融点の方が低くなるように組成が調整されたものを用いることが特に好ましい。この場合、気孔66が生成する熱処理温度を比較的低くできるので、下地への熱影響を小さくすることができる。   It is particularly preferable to use a raw material powder whose composition is adjusted so that the melting point of the primary particles 64P remaining as aggregates 64 in the crushed material 63 is lower than the melting point of the crushed material 63. In this case, since the heat treatment temperature generated by the pores 66 can be relatively lowered, the thermal influence on the base can be reduced.

例えば、破砕物63の組成は、Al、HfO、CeO、及びZrOの群から選択される少なくとも1種を含む酸化物セラミックスとし、破砕物63中に凝集体64として残存させる一次粒子64Pの組成はPZT等の比較的低融点の組成とするなどの組合せが考えられる。 For example, the composition of the crushed material 63 is an oxide ceramic containing at least one selected from the group of Al 2 O 3 , HfO 2 , CeO 2 , and ZrO 2 , and is left as an aggregate 64 in the crushed material 63. A combination of the primary particles 64P having a relatively low melting point composition such as PZT is conceivable.

本発明に係る実施例について説明する。   Embodiments according to the present invention will be described.

(実施例1)
堺化学社製のPZT粉末(チタン酸ジルコン酸鉛、商品名PZT−L9)を用意した。粒子径データを測定したところ、以下の通りであった。この原料粉に対して、ドライボックス付き自動乳鉢(automatic mortar with dry-box (MND-01, AS ONE, Osaka, Japan)を用いて1時間のミル処理を実施した。
走査型電子顕微鏡(FE-SEM,S-4100, Hitachi, Tokyo, Japan)で観察した平均一次粒子径:0.3μm、
粒度分布計(Microtrac MT3300, Nikkiso, Tokyo, Japan)で測定した平均粒子径(粒度分布計で測定される粒子径は主として二次粒子径である。):約1μm。
Example 1
A PZT powder (lead zirconate titanate, trade name PZT-L9) manufactured by Sakai Chemical Co., Ltd. was prepared. The particle size data was measured and found to be as follows. This raw powder was milled for 1 hour using an automatic mortar with dry-box (MND-01, AS ONE, Osaka, Japan).
Average primary particle diameter observed with a scanning electron microscope (FE-SEM, S-4100, Hitachi, Tokyo, Japan): 0.3 μm,
Average particle size measured with a particle size distribution meter (Microtrac MT3300, Nikkiso, Tokyo, Japan) (particle size measured with a particle size distribution meter is mainly a secondary particle size): about 1 μm.

上記前粉処理を行った原料粉を用いて、図2に示したAD成膜装置を用いて、ステンレス基板上に300μm厚のPZT膜の成膜を実施した。成膜条件は以下の通りとした。
巻き上げガスノズル及び圧力調整ガスノズルによってエアロゾル生成容器に導入されるガスの流量:7L/min、
成膜基材の温度:室温(27℃)、
エアロゾル生成容器の圧力:50kPa、
成膜室の圧力:50Pa。
A 300 μm thick PZT film was formed on a stainless steel substrate using the AD film forming apparatus shown in FIG. The film forming conditions were as follows.
The flow rate of gas introduced into the aerosol generation container by the hoisting gas nozzle and the pressure adjusting gas nozzle: 7 L / min,
Deposition substrate temperature: room temperature (27 ° C.)
Pressure of aerosol generation container: 50 kPa,
Deposition chamber pressure: 50 Pa.

この工程後に成膜されたセラミックス膜のSEM断面写真を図6Aに示す。図示するように、緻密な破砕物の中に複数の凝集体がディスク状の形態で取り込まれた膜構造のPZT膜が得られていることが確認された。凝集体の径は3〜10μm程度であった。   A SEM cross-sectional photograph of the ceramic film formed after this step is shown in FIG. 6A. As shown in the drawing, it was confirmed that a PZT film having a film structure in which a plurality of aggregates were taken in a disk-like form in a dense crushed material was obtained. The diameter of the aggregate was about 3 to 10 μm.

上記成膜後に、ステンレス基板の裏面側からステンレス基板をエッチングして除去し、PZT膜のみを取り出した。これに対して、大気雰囲気下、1000℃3時間(この熱処理温度はPZTの焼結温度以上である。)の熱処理を実施した。この工程後に成膜されたPZT膜のSEM断面写真を図6Bに示す。   After the film formation, the stainless steel substrate was removed by etching from the back side of the stainless steel substrate, and only the PZT film was taken out. On the other hand, heat treatment was performed in an air atmosphere at 1000 ° C. for 3 hours (this heat treatment temperature is equal to or higher than the sintering temperature of PZT). FIG. 6B shows a SEM cross-sectional photograph of the PZT film formed after this step.

図示するように、破砕物は粒成長して、より大きな粒子径の結晶粒が生成されており、破砕物中に残存した凝集体は焼結収縮して、ディスク状の気孔が形成されていることが確認された。すなわち、本実施例によれば、破砕物が粒成長して生成される多数の結晶粒からなる緻密なセラミックスの内部に複数のディスク状の気孔が独立して存在する膜構造のPZT膜が得られた。得られた膜の相対密度は80〜90%であり、気孔径は3〜10μm程度であった。   As shown in the figure, the crushed material is grown to produce crystal grains having a larger particle diameter, and the aggregate remaining in the crushed material is sintered and contracted to form disk-like pores. It was confirmed. That is, according to the present example, a PZT film having a film structure in which a plurality of disk-like pores exist independently in a dense ceramic made up of a large number of crystal grains generated by grain growth of crushed material is obtained. It was. The relative density of the obtained film was 80 to 90%, and the pore diameter was about 3 to 10 μm.

(実施例2)
市販のYSZ粉末(イットリア安定化ジルコニア)を用意し、実施例1と同じ自動乳鉢を用いて1時間のミル処理を実施した。この前粉処理を行った原料粉を用いて、図2に示したAD成膜装置を用いて、300μm厚のYSZ膜の成膜を実施した。成膜基材としては、Ni基超耐熱合金基板の上に、減圧プラズマ溶射法により一般式NiCrAlYで表される合金からなる金属接合層を成膜したものを用いた。
(Example 2)
Commercially available YSZ powder (yttria-stabilized zirconia) was prepared and milled for 1 hour using the same automatic mortar as in Example 1. A 300 μm-thick YSZ film was formed using the AD film forming apparatus shown in FIG. As the film forming substrate, a metal bonding layer made of an alloy represented by the general formula NiCrAlY was formed on a Ni-based superalloy alloy substrate by a low pressure plasma spraying method.

YSZ膜の成膜条件は以下の通りとした。
巻き上げガスノズル及び圧力調整ガスノズルによってエアロゾル生成容器に導入されるガスの流量:7L/min、
成膜基材の温度:室温(27℃)、
エアロゾル生成容器の圧力:50kPa、
成膜室の圧力:50Pa。
The deposition conditions for the YSZ film were as follows.
The flow rate of gas introduced into the aerosol generation container by the hoisting gas nozzle and the pressure adjusting gas nozzle: 7 L / min,
Deposition substrate temperature: room temperature (27 ° C.)
Pressure of aerosol generation container: 50 kPa,
Deposition chamber pressure: 50 Pa.

SEM観察を実施したところ、実施例1と同様に、緻密な破砕物の中に複数の凝集体がディスク状の形態で取り込まれた膜構造のYSZ膜が得られていることが確認された。
上記成膜後に、大気雰囲気下、1500℃3時間(この熱処理温度はYSZの焼結温度以上である。)の熱処理を実施した。SEM観察を実施したところ、実施例1と同様に、破砕物は粒成長して、より大きな粒子径の結晶粒が生成されており、破砕物中に残存した凝集体は焼結収縮して、ディスク状の気孔が形成されていることが確認された。本実施例によっても、破砕物が粒成長して生成される多数の結晶粒からなる緻密なセラミックスの内部に複数のディスク状の気孔が独立して存在する膜構造のYSZ膜が得られた。
As a result of SEM observation, as in Example 1, it was confirmed that a YSZ film having a film structure in which a plurality of aggregates were taken in a disk-like form in a dense crushed material was confirmed.
After the film formation, heat treatment was performed in an air atmosphere at 1500 ° C. for 3 hours (this heat treatment temperature is equal to or higher than the sintering temperature of YSZ). When SEM observation was carried out, as in Example 1, the crushed material was grown and crystal grains having a larger particle diameter were generated, and the aggregate remaining in the crushed material was sintered and contracted. It was confirmed that disk-like pores were formed. Also according to this example, a YSZ film having a film structure in which a plurality of disk-like pores exist independently in a dense ceramic made up of a large number of crystal grains generated by the growth of crushed particles was obtained.

本発明のセラミックス膜は、高温環境において使用される部材を熱から保護するための遮熱コーティング構造等に好ましく利用することができる。   The ceramic film of the present invention can be preferably used for a thermal barrier coating structure for protecting a member used in a high temperature environment from heat.

本発明に係る実施形態の遮熱コーティング構造を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows typically the thermal barrier coating structure of embodiment which concerns on this invention AD成膜装置の構成例を示す図The figure which shows the structural example of AD film-forming apparatus 成膜装置の設計変更例を示す図Diagram showing an example of design change of the deposition system 成膜装置の設計変更例を示す図Diagram showing an example of design change of the deposition system 気孔生成のメカニズムを示す模式図Schematic diagram showing the mechanism of pore generation 気孔生成のメカニズムを示す模式図Schematic diagram showing the mechanism of pore generation 気孔生成のメカニズムを示す模式図Schematic diagram showing the mechanism of pore generation 本発明者が提案するトラップ/クラッシュモデルの説明図Explanatory diagram of the trap / crash model proposed by the present inventor 実施例1の焼成前のPZT膜のSEM断面写真SEM cross-sectional photograph of PZT film before firing in Example 1 実施例1の1000℃焼成後のPZT膜のSEM断面写真SEM cross-sectional photograph of PZT film after firing at 1000 ° C. in Example 1 特許文献1に記載の遮熱コーティング構造Thermal barrier coating structure described in Patent Document 1 非特許文献1に記載の遮熱コーティング構造Thermal barrier coating structure described in Non-Patent Document 1

符号の説明Explanation of symbols

1 遮熱コーティング構造
11 金属基材
12 金属接合層
13 成膜基材
14 セラミックス遮熱層
61 セラミックス原料粉
62 焼成前のセラミックス膜
63 破砕物
64 凝集体
64P 凝集体を構成する一次粒子
65 結晶粒
66 気孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermal barrier coating structure 11 Metal base material 12 Metal bonding layer 13 Film-forming base material 14 Ceramic thermal barrier layer 61 Ceramic raw material powder 62 Ceramic film before baking 63 Crushed material 64 Aggregate 64P Primary particle which comprises aggregate 65 Crystal grain 66 pores

Claims (14)

成膜基材上にエアロゾル化されたセラミックス原料粉を衝突させて該原料粉中の一次粒子を破砕せしめ、該原料粉の破砕物を前記成膜基材上に堆積させる堆積工程を有するセラミックス膜の製造方法において、
前記原料粉中の一次粒子の一部が破砕されることなく凝集体として前記破砕物中に残存する条件で、前記堆積工程を実施することを特徴とするセラミックス膜の製造方法。
A ceramic film having a deposition step of causing aerosolized ceramic raw material powder to collide with a film forming substrate to crush primary particles in the raw material powder, and depositing the crushed material powder on the film forming substrate. In the manufacturing method of
A method for producing a ceramic film, wherein the deposition step is carried out under a condition that a part of primary particles in the raw material powder remains in the crushed material as an aggregate without being crushed.
前記堆積工程後に、前記破砕物中に残存した前記凝集体を焼結収縮させて気孔を形成する熱処理工程をさらに有することを特徴とする請求項1に記載のセラミックス膜の製造方法。   The method for producing a ceramic film according to claim 1, further comprising a heat treatment step of forming pores by sintering and shrinking the aggregate remaining in the crushed material after the deposition step. 前記堆積工程前に、前記原料粉中の一次粒子同士の結合力を弱める前粉処理工程をさらに有することを特徴とする請求項1又は2に記載のセラミックス膜の製造方法。   The method for producing a ceramic film according to claim 1 or 2, further comprising a pre-powder treatment step for weakening the bonding force between primary particles in the raw material powder before the deposition step. 前記前粉処理工程が、前記原料粉に対してミル処理を行う工程であることを特徴とする請求項3に記載のセラミックス膜の製造方法。   The method for producing a ceramic film according to claim 3, wherein the pre-powder treatment step is a step of milling the raw material powder. 前記原料粉として、前記破砕物の組成と前記破砕物中に前記凝集体として残存する前記一次粒子の組成とが異なるように組成が調整されたものを用いて、前記堆積工程を実施することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のセラミックス膜の製造方法。   The raw material powder is subjected to the deposition step using a powder whose composition is adjusted so that the composition of the crushed material and the composition of the primary particles remaining as the aggregate in the crushed material are different. The method for producing a ceramic film according to any one of claims 1 to 4. 前記原料粉として、前記破砕物の融点よりも前記破砕物中に前記凝集体として残存する前記一次粒子の融点の方が低くなるように組成が調整されたものを用いて、前記堆積工程を実施することを特徴とする請求項5に記載のセラミックス膜の製造方法。   The deposition step is performed using the raw material powder whose composition is adjusted so that the melting point of the primary particles remaining as aggregates in the crushed material is lower than the melting point of the crushed material. The method for producing a ceramic film according to claim 5. 請求項1〜6のいずれかに記載のセラミックス膜の製造方法により製造されたものであることを特徴とするセラミックス膜。   A ceramic film produced by the method for producing a ceramic film according to claim 1. セラミックス膜中に、内部圧力が大気圧未満である複数の気孔を有することを特徴とするセラミックス膜。   A ceramic film having a plurality of pores having an internal pressure of less than atmospheric pressure in the ceramic film. 相対密度50〜95%の多孔質膜であることを特徴とする請求項8に記載のセラミックス膜。   The ceramic film according to claim 8, which is a porous film having a relative density of 50 to 95%. 前記複数の気孔が平面視ディスク状であることを特徴とする請求項8又は9に記載のセラミックス膜。   The ceramic film according to claim 8 or 9, wherein the plurality of pores have a disk shape in plan view. 前記複数の気孔が互いに独立していることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載のセラミックス膜。   The ceramic film according to claim 8, wherein the plurality of pores are independent of each other. Al、HfO、CeO、及びZrOの群から選択される少なくとも1種の酸化物セラミックスを含むことを特徴とする請求項8〜11のいずれかに記載のセラミックス膜。 12. The ceramic film according to claim 8, comprising at least one oxide ceramic selected from the group consisting of Al 2 O 3 , HfO 2 , CeO 2 , and ZrO 2 . 金属基材を熱から保護するための遮熱コーティング構造において、
前記金属基材側から、金属接合層と、請求項8〜12のいずれかに記載のセラミックス膜からなる遮熱層とを順次有することを特徴とする遮熱コーティング構造。
In a thermal barrier coating structure for protecting a metal substrate from heat,
A thermal barrier coating structure comprising a metal bonding layer and a thermal barrier layer made of the ceramic film according to any one of claims 8 to 12 in order from the metal substrate side.
前記金属基材が、Co、Ni、及びFeからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素を含む合金を主成分とし、
前記金属接合層が、一般式MCrAlY(式中、MはNi及び/又はCo、Crはクロム、Alはアルミニウム、Yはイットリウムをそれぞれ示す。)で表される少なくとも1種の合金を主成分とすることを特徴とする請求項13に記載の遮熱コーティング構造。
The metal base material is mainly composed of an alloy containing at least one metal element selected from the group consisting of Co, Ni, and Fe,
The metal bonding layer is mainly composed of at least one alloy represented by the general formula MCrAlY (wherein M represents Ni and / or Co, Cr represents chromium, Al represents aluminum, and Y represents yttrium). The thermal barrier coating structure according to claim 13.
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