JP2010242225A - Ceramic-coated member - Google Patents

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Yutaka Ishiwatari
裕 石渡
Toshiaki Fuse
俊明 布施
Kunihiko Wada
国彦 和田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic-coated member in which a gradient composition structure, in which the composition of the boundary between the respective films continuously changes, is formed using electron beam physical deposition, and which has excellent heat shielding properties and excellent thermal cycle life. <P>SOLUTION: The ceramic-coated member is composed in such a way that at least a thermal stress relaxing layer 22 and a heat shielding layer 23 are stacked in this order on a base material 20 comprising metals or ceramics. Further, in the boundary 24 between the thermal stress relaxing layer 22 and the heat shielding layer 23 and in the vicinity thereof, the concentration of zirconium oxide forming the layer 22 is continuously reduced from the layer 22 toward the layer 23, and at the same time, the concentration of hafnium oxide forming the layer 23 is continuously increased. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、電子ビーム物理蒸着を用いて金属やセラミックス材料でコーティングされた被覆部材に係り、特に、産業用のガスタービンやジェットエンジン等において高温に晒される部材の耐熱性、耐酸化性、耐熱サイクル性等の向上が図られたセラミックス被覆部材に関する。   The present invention relates to a coating member coated with a metal or ceramic material using electron beam physical vapor deposition, and in particular, heat resistance, oxidation resistance, heat resistance of a member exposed to high temperature in an industrial gas turbine or jet engine. The present invention relates to a ceramic-coated member that is improved in cycle performance and the like.

産業用のガスタービンやジェットエンジン等における動翼(ブレード)、静翼(ベーン)、燃焼器等の高温部材は、1000℃を超える燃焼ガスに晒される。一般に、これらの高温部材は、ニッケル基超合金と呼ばれる耐熱合金で作製されているが、1000℃を超えると急激に強度が低下する。そのため、これらの高温部材は、表面および裏面を空気や蒸気等の冷却媒体で冷却することにより950℃以下の温度に制御されている。しかしながら、燃焼ガス温度の高温化は、燃焼効率や発電効率の向上を図ることができるため、近年の産業用のガスタービンやジェットエンジン等の燃焼ガス温度は、1300℃、さらには1500℃と上昇の一途をたどっている。そのため、従来の冷却方法では、高温部材の温度を900℃以下に制御することが困難となっている。   High-temperature members such as moving blades (blades), stationary blades (vanes), and combustors in industrial gas turbines and jet engines are exposed to combustion gases exceeding 1000 ° C. In general, these high-temperature members are made of a heat-resistant alloy called a nickel-base superalloy. However, when the temperature exceeds 1000 ° C., the strength rapidly decreases. Therefore, these high temperature members are controlled to a temperature of 950 ° C. or lower by cooling the front and back surfaces with a cooling medium such as air or steam. However, increasing the combustion gas temperature can improve combustion efficiency and power generation efficiency, so the combustion gas temperature of industrial gas turbines and jet engines in recent years has increased to 1300 ° C, and further to 1500 ° C. I'm following a course. Therefore, in the conventional cooling method, it is difficult to control the temperature of the high temperature member to 900 ° C. or less.

ここで、図8に、最新の産業用のガスタービンやジェットエンジンに用いられている動翼200の断面構造の一部を示す。また、図9に、遮熱コーティングの効果を示すための模式図を示す。   Here, FIG. 8 shows a part of a cross-sectional structure of a moving blade 200 used in the latest industrial gas turbine and jet engine. FIG. 9 is a schematic diagram for showing the effect of the thermal barrier coating.

図8に示すように、この動翼200は、耐熱金属部材210の表面に耐酸化性に優れた金属層220がコーティングされ、この金属層220の表面に熱伝導率が低く、遮熱特性に優れたセラミックス層230がコーティングされている。ここで、金属層220およびセラミックス層230が、遮熱コーティング層240として機能している。なお、セラミックス層230の表面は、燃焼ガスと接触し、耐熱金属部材210の遮熱コーティング層240とは反対側の表面は、冷却媒体に接触する。   As shown in FIG. 8, in the moving blade 200, the surface of a heat-resistant metal member 210 is coated with a metal layer 220 having excellent oxidation resistance, and the surface of the metal layer 220 has a low thermal conductivity, resulting in a heat shielding property. An excellent ceramic layer 230 is coated. Here, the metal layer 220 and the ceramic layer 230 function as the thermal barrier coating layer 240. The surface of the ceramic layer 230 is in contact with the combustion gas, and the surface of the refractory metal member 210 opposite to the thermal barrier coating layer 240 is in contact with the cooling medium.

この動翼200において、図9に示すように、セラミックス層230で大きな温度勾配を持たせることにより、燃焼ガスの高温化に伴う金属基材の温度上昇を抑制している。なお、図9において、横軸は、図8に示した動翼200の、燃焼ガスと接触する表面から耐熱金属部材210方向への距離を示している。また、縦軸は、動翼200の温度を示している。このセラミックス層230に使用されるセラミックス材料としては、熱伝導率が小さく、かつ耐熱性に優れているものが好ましく、一般的には、酸化イットリウム(Y)で安定化された酸化ジルコニウム(ZrO)が広く用いられている。この酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウムの熱伝導率は、2W/(m・K)程度であり、これは金属材料の熱伝導率の1/10〜1/100程度である。この酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウムの熱伝導率は、セラミックス材料の中でも低熱伝導率の材料であるが、遮熱コーティングの際、プラズマ溶射を用いることにより皮膜中に多数の気孔を導入することで、熱伝導率を1.4W/(m・K)程度まで下げることが可能になっている。 In this moving blade 200, as shown in FIG. 9, the ceramic layer 230 has a large temperature gradient to suppress the temperature rise of the metal base material due to the high temperature of the combustion gas. In FIG. 9, the horizontal axis indicates the distance from the surface in contact with the combustion gas of the moving blade 200 shown in FIG. 8 toward the refractory metal member 210. The vertical axis indicates the temperature of the moving blade 200. As the ceramic material used for the ceramic layer 230, a material having a low thermal conductivity and excellent heat resistance is preferable. Generally, zirconium oxide stabilized with yttrium oxide (Y 2 O 3 ). (ZrO 2 ) is widely used. The thermal conductivity of the yttrium oxide-stabilized zirconium oxide is about 2 W / (m · K), which is about 1/10 to 1/100 of the thermal conductivity of the metal material. The thermal conductivity of this yttrium oxide-stabilized zirconium oxide is a material with low thermal conductivity among ceramic materials, but by introducing a large number of pores in the coating by using plasma spraying during thermal barrier coating, The thermal conductivity can be lowered to about 1.4 W / (m · K).

しかしながら、このような遮熱コーティング層240の表面は、酸化スケール等の固体粒子が高速で衝突するため、優れた耐磨耗性、耐エロージョン性が要求される。一方、金属層220の表面では、セラミックス層230の剥離の原因になる酸化層が成長するため、優れた耐酸化性も要求される。さらに、動翼200は、高温に長時間晒されるため、起動・停止に伴い金属層220とセラミックス層230との熱膨張差による熱応力が繰り返し発生する。そのため、セラミックス層230の剥離が加速されるので、熱応力の緩和も要求される。   However, the surface of such a thermal barrier coating layer 240 is required to have excellent wear resistance and erosion resistance because solid particles such as oxide scale collide at high speed. On the other hand, on the surface of the metal layer 220, an oxide layer that causes peeling of the ceramic layer 230 grows, so that excellent oxidation resistance is also required. Furthermore, since the moving blade 200 is exposed to a high temperature for a long time, a thermal stress due to a difference in thermal expansion between the metal layer 220 and the ceramic layer 230 is repeatedly generated with the start / stop. Therefore, since peeling of the ceramic layer 230 is accelerated, thermal stress relaxation is also required.

上記したように、動翼200などの高温部材に施される遮熱コーティングにおいては、様々な特性が要求されるため、単純な金属層とセラミックス層との組合せでは、上記した要求を満たすことが困難である。そこで、遮熱コーティング層を多層化することによって、各層の機能を分担させ、上記要求を満たすことが図られている。   As described above, since various characteristics are required in the thermal barrier coating applied to the high temperature member such as the moving blade 200, the above-described requirements can be satisfied by a combination of a simple metal layer and a ceramic layer. Have difficulty. In view of this, it has been attempted to satisfy the above-described requirements by making the thermal barrier coating layer multi-layered to share the function of each layer.

例えば、バリア層、熱ガス腐食防止層、保護層、熱バリア層、平滑層等の多層構造を備える金属部品が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。また、セラミックス層を高強度かつ高靭性を有するセラミックス層と高温安定を有するセラミックス層の2層構造を備えるガスタービン部材が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。さらに、密着促進層、応力緩和層、クラック進展防止層、表面耐食層等を備えるガスタービン用セラミック部品が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。   For example, a metal part having a multilayer structure such as a barrier layer, a hot gas corrosion prevention layer, a protective layer, a thermal barrier layer, and a smooth layer is disclosed (for example, see Patent Document 1). Further, a gas turbine member having a two-layer structure of a ceramic layer having a ceramic layer having high strength and high toughness and a ceramic layer having high temperature stability is disclosed (for example, see Patent Document 2). Furthermore, a ceramic component for a gas turbine including an adhesion promoting layer, a stress relaxation layer, a crack progress preventing layer, a surface corrosion resistant layer, and the like is disclosed (for example, see Patent Document 3).

また、上記した従来の高温部品における皮膜は、溶射により形成されるものであるが、電子ビーム物理蒸着を用いて遮熱コーティング皮膜が形成された金属製部品も開示されている(例えば、特許文献4参照。)。この電子ビーム物理蒸着では、蒸発した被覆材料が基材上に成長して皮膜を形成するため、柱状のセラミックス組織が得られ、溶射する場合に比べて熱応力緩和性に優れている。   Moreover, although the film in the above-described conventional high-temperature parts is formed by thermal spraying, metal parts having a thermal barrier coating film formed using electron beam physical vapor deposition are also disclosed (for example, patent documents). 4). In this electron beam physical vapor deposition, the evaporated coating material grows on the substrate to form a film, so that a columnar ceramic structure is obtained, which is superior in thermal stress relaxation compared to thermal spraying.

ここで、図10に電子ビーム物理蒸着の概要を説明するための図を示す。また、図11Aには、溶射を用いて、2種類のセラミックス材料(A、B)について傾斜組成層を形成させた場合の、セラミックス材料A層とセラミックス材料B層の界面近傍における膜厚方向の特性X線強度(セラミックス材料Aの濃度に対応)の変化を模式的に示す。また、図11Bには、電子ビーム物理蒸着を用いて、2種類のセラミックス材料(A、B)について傾斜組成層を形成させた場合の、セラミックス材料A層とセラミックス材料B層の界面近傍における膜厚方向の特性X線強度(セラミックス材料Aの濃度に対応)の変化を模式的に示す。   Here, FIG. 10 shows a diagram for explaining the outline of electron beam physical vapor deposition. Further, FIG. 11A shows the film thickness direction in the vicinity of the interface between the ceramic material A layer and the ceramic material B layer when a gradient composition layer is formed for two types of ceramic materials (A, B) using thermal spraying. A change in characteristic X-ray intensity (corresponding to the concentration of ceramic material A) is schematically shown. FIG. 11B shows a film in the vicinity of the interface between the ceramic material A layer and the ceramic material B layer when the gradient composition layer is formed for two types of ceramic materials (A, B) using electron beam physical vapor deposition. A change in characteristic X-ray intensity in the thickness direction (corresponding to the concentration of the ceramic material A) is schematically shown.

図10に示した電子ビーム物理蒸着では、2種類のインゴットである蒸発ターゲット250a、250bを準備し、電子ビーム260の出力を徐々に変えることにより蒸気270の蒸発量を制御して傾斜組成層を形成させる。そして、この電子ビーム物理蒸着で形成された傾斜組成層における、セラミックス材料A層とセラミックス材料B層の界面近傍における膜厚方向の特性X線強度は、図11Bに示すように、凹凸の激しい強度分布となる。一方、溶射法で形成された傾斜組成層における、セラミックス材料A層とセラミックス材料B層の界面近傍における膜厚方向の特性X線強度は、図11Aに示すように、階段状の強度分布となる。   In the electron beam physical vapor deposition shown in FIG. 10, evaporation targets 250 a and 250 b which are two types of ingots are prepared, and the gradient composition layer is formed by controlling the evaporation amount of the vapor 270 by gradually changing the output of the electron beam 260. Let it form. In the gradient composition layer formed by this electron beam physical vapor deposition, the characteristic X-ray intensity in the film thickness direction in the vicinity of the interface between the ceramic material A layer and the ceramic material B layer is as shown in FIG. Distribution. On the other hand, in the gradient composition layer formed by thermal spraying, the characteristic X-ray intensity in the film thickness direction in the vicinity of the interface between the ceramic material A layer and the ceramic material B layer has a stepwise intensity distribution as shown in FIG. 11A. .

特開2003−41358号公報JP 2003-41358 A 特開2001−348655号公報JP 2001-348655 A 特開2006−124226号公報JP 2006-124226 A 特開2005−313644号公報JP 2005-313644 A

上記した多層皮膜において、各皮膜間の密着性、結晶構造の整合性、熱膨張差に起因する熱応力を緩和することが重要となり、そのためには、各皮膜間の界面の組成が連続的に変化する傾斜組成組織となることが理想的である。   In the multilayer coating described above, it is important to relieve thermal stress caused by adhesion between each coating, crystal structure consistency, and thermal expansion difference. Ideally, the gradient composition should change.

従来の遮熱コーティング法である溶射では、溶射する粉末の配合比を段階的に変えることにより傾斜組成化が図られ、組成を変える毎に溶射粉末を入れ替える必要がある。そのため、上記したように、傾斜組成層における、セラミックス材料A層とセラミックス材料B層の界面近傍における膜厚方向の特性X線強度は、階段状の強度分布となり、連続的に組成を変化させることはできなかった。   In thermal spraying, which is a conventional thermal barrier coating method, a gradient composition is achieved by changing the blending ratio of powder to be sprayed stepwise, and it is necessary to replace the thermal spray powder every time the composition is changed. Therefore, as described above, the characteristic X-ray intensity in the thickness direction in the vicinity of the interface between the ceramic material A layer and the ceramic material B layer in the gradient composition layer has a stepwise intensity distribution, and the composition is continuously changed. I couldn't.

また、従来の電子ビーム物理蒸着では、電子ビーム出力に対する蒸発ターゲットの蒸発蒸気量が必ずしも一定ではなく、また、双方の蒸発ターゲットの蒸発において時間的なずれも発生する。そのため上記したように、傾斜組成層における、セラミックス材料A層とセラミックス材料B層の界面近傍における膜厚方向の特性X線強度は、凹凸の激しい強度分布となり、連続的に組成を変化させることはできなかった。   Further, in the conventional electron beam physical vapor deposition, the evaporation vapor amount of the evaporation target with respect to the electron beam output is not necessarily constant, and a time lag occurs in the evaporation of both evaporation targets. Therefore, as described above, the characteristic X-ray intensity in the film thickness direction in the vicinity of the interface between the ceramic material A layer and the ceramic material B layer in the gradient composition layer has a severe intensity distribution, and the composition can be continuously changed. could not.

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電子ビーム物理蒸着を用いて、各皮膜間の界面の組成が連続的に変化する傾斜組成組織が形成され、遮熱特性、熱サイクル寿命に優れたセラミックス被覆部材を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an electron beam physical vapor deposition is used to form a gradient composition structure in which the composition of the interface between the films changes continuously, thereby providing a heat shielding property. An object of the present invention is to provide a ceramic-coated member having an excellent thermal cycle life.

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、電子ビーム物理蒸着により、金属またはセラミックスからなる基材に、少なくとも熱応力緩和層、遮熱層をこの順に積層して構成されたセラミックス被覆部材であって、前記熱応力緩和層と前記遮熱層との境界層において、前記熱応力緩和層から前記遮熱層に向かって、前記熱応力緩和層を形成する第1のセラミックス材料の濃度が連続して減少するとともに、前記遮熱層を形成する第2のセラミックス材料の濃度が連続して増加することを特徴とするセラミックス被覆部材が提供される。   In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, it is configured by laminating at least a thermal stress relaxation layer and a thermal barrier layer in this order on a base material made of metal or ceramics by electron beam physical vapor deposition. 1st ceramic material which is a ceramic coating | coated member and forms the said thermal stress relaxation layer toward the said thermal insulation layer from the said thermal stress relaxation layer in the boundary layer of the said thermal stress relaxation layer and the said thermal insulation layer There is provided a ceramic-coated member characterized in that the concentration of the second ceramic material forming the heat-shielding layer is continuously increased while the concentration of is continuously reduced.

このセラミックス被覆部材によれば、熱応力緩和層と遮熱層との間は、熱応力緩和層から遮熱層に向かって、熱応力緩和層を形成する第1のセラミックス材料の濃度が連続して減少するとともに、遮熱層を形成する第2のセラミックス材料の濃度が連続して増加する傾斜組成層となる。これによって、異種材料の皮膜の接触部における熱応力の集中が緩和され、熱サイクル特性を向上させることができる。   According to this ceramic covering member, the concentration of the first ceramic material forming the thermal stress relaxation layer is continuous between the thermal stress relaxation layer and the thermal barrier layer from the thermal stress relaxation layer to the thermal barrier layer. And the gradient composition layer in which the concentration of the second ceramic material forming the heat shield layer continuously increases. As a result, the concentration of thermal stress at the contact portion of the coating of the different material can be relaxed, and the thermal cycle characteristics can be improved.

また、本発明の一態様によれば、電子ビーム物理蒸着により、金属またはセラミックスからなる基材に、少なくとも酸素バリア層、熱応力緩和層、遮熱層をこの順に積層して構成されたセラミックス被覆部材であって、前記酸素バリア層と前記熱応力緩和層との境界層において、前記酸素バリア層から前記熱応力緩和層に向かって、前記酸素バリア層を形成する第3のセラミックス材料の濃度が連続して減少するとともに、前記熱応力緩和層を形成する第1のセラミックス材料の濃度が連続して増加し、かつ前記熱応力緩和層と前記遮熱層との境界層において、前記熱応力緩和層から前記遮熱層に向かって、前記熱応力緩和層を形成する第1のセラミックス材料の濃度が連続して減少するとともに、前記遮熱層を形成する第2のセラミックス材料の濃度が連続して増加することを特徴とするセラミックス被覆部材が提供される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a ceramic coating formed by laminating at least an oxygen barrier layer, a thermal stress relaxation layer, and a thermal barrier layer in this order on a substrate made of metal or ceramic by electron beam physical vapor deposition. A concentration of a third ceramic material that forms the oxygen barrier layer from the oxygen barrier layer toward the thermal stress relaxation layer in a boundary layer between the oxygen barrier layer and the thermal stress relaxation layer; The thermal stress relaxation is continuously reduced and the concentration of the first ceramic material forming the thermal stress relaxation layer is continuously increased, and the thermal stress relaxation is performed in a boundary layer between the thermal stress relaxation layer and the thermal barrier layer. The concentration of the first ceramic material that forms the thermal stress relaxation layer decreases continuously from the layer toward the thermal barrier layer, and the second ceramic that forms the thermal barrier layer Ceramic coating member is provided, wherein the concentration of the charge increases continuously.

このセラミックス被覆部材によれば、酸素バリア層と熱応力緩和層との間は、酸素バリア層から熱応力緩和層に向かって、酸素バリア層を形成する第3のセラミックス材料の濃度が連続して減少するとともに、熱応力緩和層を形成する第1のセラミックス材料の濃度が連続して増加する傾斜組成層となる。さらに、熱応力緩和層と遮熱層との間は、熱応力緩和層から遮熱層に向かって、熱応力緩和層を形成する第1のセラミックス材料の濃度が連続して減少するとともに、遮熱層を形成する第2のセラミックス材料の濃度が連続して増加する傾斜組成層となる。これによって、異種材料の皮膜の接触部における熱応力の集中が緩和され、熱サイクル特性を向上させることができる。   According to this ceramic covering member, the concentration of the third ceramic material forming the oxygen barrier layer is continuously between the oxygen barrier layer and the thermal stress relaxation layer from the oxygen barrier layer toward the thermal stress relaxation layer. A gradient composition layer in which the concentration of the first ceramic material forming the thermal stress relaxation layer increases continuously while decreasing. Furthermore, between the thermal stress relaxation layer and the thermal barrier layer, the concentration of the first ceramic material forming the thermal stress relaxation layer continuously decreases from the thermal stress relaxation layer to the thermal barrier layer, and the thermal barrier layer is also shielded. A gradient composition layer in which the concentration of the second ceramic material forming the thermal layer continuously increases is obtained. As a result, the concentration of thermal stress at the contact portion of the coating of the different material can be relaxed, and the thermal cycle characteristics can be improved.

本発明によれば、電子ビーム物理蒸着を用いて、各皮膜間の界面の組成が連続的に変化する傾斜組成組織が形成され、遮熱特性、熱サイクル寿命に優れたセラミックス被覆部材を提供することができる。   According to the present invention, a gradient coated structure in which the composition of the interface between each film continuously changes is formed using electron beam physical vapor deposition, and a ceramic-coated member having excellent heat shielding characteristics and thermal cycle life is provided. be able to.

第1の実施の形態のセラミックス被覆部材の断面を示した図である。It is the figure which showed the cross section of the ceramic coating | coated member of 1st Embodiment. セラミックス被覆部材を製造するための電子ビーム物理蒸着の概要を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline | summary of the electron beam physical vapor deposition for manufacturing a ceramic coating | coated member. 第2の実施の形態のセラミックス被覆部材の断面を示した図である。It is the figure which showed the cross section of the ceramic coating | coated member of 2nd Embodiment. セラミックス被覆部材を製造するための電子ビーム物理蒸着の概要を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline | summary of the electron beam physical vapor deposition for manufacturing a ceramic coating | coated member. 実施例3で試験片3の断面をSEMにより観察した反射電子像を示す図である。6 is a diagram showing a backscattered electron image obtained by observing a cross section of a test piece 3 with an SEM in Example 3. FIG. 実施例3で実施した、試験片3における境界部とその近傍の元素分布測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the elemental distribution measurement of the boundary part in the test piece 3 implemented in Example 3, and its vicinity. 酸化ジルコニウムインゴットと酸化ハフニウムインゴットとの接触面が柱状の積層体の中心軸に対してなす角度θと、その角度のインゴットを用いたときに形成される傾斜組成層の厚さとの関係を示す図である。The figure which shows the relationship between the angle (theta) which the contact surface of a zirconium oxide ingot and a hafnium oxide ingot makes with respect to the center axis | shaft of a columnar laminated body, and the thickness of the gradient composition layer formed when using the ingot of the angle It is. 最新の産業用のガスタービンやジェットエンジンに用いられる動翼の断面構造の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of cross-sectional structure of the moving blade used for the latest industrial gas turbine and jet engine. 遮熱コーティングの効果を示すための模式図である。It is a schematic diagram for showing the effect of thermal barrier coating. 電子ビーム物理蒸着の概要を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline | summary of electron beam physical vapor deposition. 溶射法を用いて、2種類のセラミックス材料(A、B)について傾斜組成層を形成させた場合の、セラミックス材料A層とセラミックス材料B層の界面近傍における膜厚方向の特性X線強度の変化を模式的に示す図である。Change in characteristic X-ray intensity in the film thickness direction in the vicinity of the interface between the ceramic material A layer and the ceramic material B layer when a gradient composition layer is formed for two types of ceramic materials (A, B) using a thermal spraying method FIG. 電子ビーム物理蒸着を用いて、2種類のセラミックス材料(A、B)について傾斜組成層を形成させた場合の、セラミックス材料A層とセラミックス材料B層の界面近傍における膜厚方向の特性X線強度の変化を模式的に示す図である。Characteristic X-ray intensity in the film thickness direction in the vicinity of the interface between the ceramic material A layer and the ceramic material B layer when a gradient composition layer is formed on two types of ceramic materials (A, B) using electron beam physical vapor deposition It is a figure which shows typically the change of.

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態のセラミックス被覆部材10の断面を示した図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a view showing a cross section of the ceramic-coated member 10 of the first embodiment.

図1に示すように、セラミックス被覆部材10は、基材20と、この基材20に積層された酸化防止層21と、この酸化防止層21に積層された熱応力緩和層22と、この熱応力緩和層22に積層された遮熱層23とを備える。   As shown in FIG. 1, the ceramic covering member 10 includes a base material 20, an antioxidant layer 21 laminated on the base material 20, a thermal stress relaxation layer 22 laminated on the antioxidant layer 21, and this heat. And a heat shield layer 23 laminated on the stress relaxation layer 22.

また、熱応力緩和層22と遮熱層23との境界部24とその近傍においては、熱応力緩和層22から遮熱層23に向かって、熱応力緩和層22を形成するセラミックス材料の濃度が連続的に減少するとともに、遮熱層23を形成するセラミックス材料の濃度が連続的に増加する構成となっている。この境界部24とその近傍は、境界層として機能する。   Further, in the boundary portion 24 between the thermal stress relaxation layer 22 and the thermal barrier layer 23 and in the vicinity thereof, the concentration of the ceramic material forming the thermal stress relaxation layer 22 from the thermal stress relaxation layer 22 toward the thermal barrier layer 23 is increased. While it decreases continuously, the density | concentration of the ceramic material which forms the thermal insulation layer 23 becomes a structure which increases continuously. The boundary portion 24 and the vicinity thereof function as a boundary layer.

基材20は、例えば、Ni基超合金などの耐熱金属材料や、窒化珪素などのセラミックス材料で構成される。基材20として、例えば、産業用のガスタービンやジェットエンジン等において高温ガスに晒される部材などが挙げられるが、これらに限られるものではなく、セラミックスコーティングを必要とする高温部材であればよい。   The base material 20 is made of, for example, a heat-resistant metal material such as a Ni-base superalloy or a ceramic material such as silicon nitride. Examples of the substrate 20 include members exposed to high-temperature gas in industrial gas turbines, jet engines, and the like, but are not limited thereto, and may be any high-temperature member that requires ceramic coating.

酸化防止層21は、基材20表面における酸化物の生成を抑制し、熱応力緩和層22との接合性を向上させる皮膜であり、耐食性、耐酸化性、耐クッラク性に優れた金属材料で構成される。この酸化防止層21は、例えば、Cr、AlおよびYが所定の割合で添加された、Ni基合金、Co基合金、Ni−Co基合金などで構成される。また、酸化防止層21は、プラズマ溶射等により基材20の表面に形成される。   The antioxidant layer 21 is a film that suppresses the formation of oxides on the surface of the base material 20 and improves the bondability with the thermal stress relaxation layer 22, and is a metal material having excellent corrosion resistance, oxidation resistance, and crack resistance. Composed. The antioxidant layer 21 is made of, for example, a Ni-based alloy, a Co-based alloy, a Ni—Co-based alloy, or the like to which Cr, Al, and Y are added at a predetermined ratio. Further, the antioxidant layer 21 is formed on the surface of the substrate 20 by plasma spraying or the like.

熱応力緩和層22は、遮熱層23の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有するセラミックス材料からなる皮膜である。この皮膜を形成するセラミックス材料として、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO)を主成分とする安定化酸化ジルコニウム系セラミックス材料が用いられる。また、酸化ジルコニウムには、安定化剤として、例えば、イットリア(Y)、セリア(Ce)などの希土類元素の酸化物が添加される。 The thermal stress relaxation layer 22 is a film made of a ceramic material having a thermal expansion coefficient larger than that of the thermal barrier layer 23. As a ceramic material for forming this film, for example, a stabilized zirconium oxide ceramic material mainly composed of zirconium oxide (ZrO 2 ) is used. Further, rare earth element oxides such as yttria (Y 2 O 3 ) and ceria (Ce 2 O 3 ) are added to zirconium oxide as a stabilizer.

遮熱層23は、耐熱性に優れ、低熱伝導率のセラミックス材料からなる皮膜である。この皮膜を形成するセラミックス材料として、例えば、酸化ハフニウム(HfO)を主成分とする安定化酸化ハフニウム系セラミックス材料が用いられる。また、酸化ハフニウムにも、安定化剤として、例えば、イットリア(Y)、セリア(Ce)などの希土類元素の酸化物が添加される。 The heat shield layer 23 is a film made of a ceramic material having excellent heat resistance and low thermal conductivity. As a ceramic material for forming this film, for example, a stabilized hafnium oxide ceramic material mainly composed of hafnium oxide (HfO 2 ) is used. Moreover, oxides of rare earth elements such as yttria (Y 2 O 3 ) and ceria (Ce 2 O 3 ) are also added to hafnium oxide as a stabilizer.

また、熱応力緩和層22と遮熱層23の境界部24とその近傍では、熱応力緩和層22から遮熱層23に向かって、熱応力緩和層22を形成する酸化ジルコニウムの濃度が連続的に減少するとともに、遮熱層23を形成する酸化ハフニウムの濃度が連続的に増加する構成となっている。すなわち、熱応力緩和層22と遮熱層23の境界部24とその近傍では、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムの濃度が厚さ方向に連続的に変化する傾斜組成層を形成している。ここで、例えば熱応力の発生を考慮すると、この傾斜組成層の厚さは、熱応力緩和層22と遮熱層23とからなるセラミックス層の厚さの1/4程度であることが好ましい。一方、遮熱特性を考慮すると、この傾斜組成層の厚さは、熱応力緩和層22と遮熱層23とからなるセラミックス層の厚さの1/2程度であることが好ましい。なお、傾斜組成層の厚さは、これに限られるものではなく、基材20の要求に応じて適宜設定される。   Further, at the boundary portion 24 between the thermal stress relaxation layer 22 and the thermal barrier layer 23 and in the vicinity thereof, the concentration of zirconium oxide forming the thermal stress relaxation layer 22 is continuous from the thermal stress relaxation layer 22 toward the thermal barrier layer 23. In addition, the concentration of hafnium oxide forming the heat shielding layer 23 increases continuously. That is, a gradient composition layer in which the concentrations of zirconium oxide and hafnium oxide continuously change in the thickness direction is formed in the boundary portion 24 between the thermal stress relaxation layer 22 and the heat shielding layer 23 and in the vicinity thereof. Here, considering the generation of thermal stress, for example, the thickness of the gradient composition layer is preferably about ¼ of the thickness of the ceramic layer composed of the thermal stress relaxation layer 22 and the thermal barrier layer 23. On the other hand, in consideration of the heat shielding characteristics, the thickness of the gradient composition layer is preferably about ½ of the thickness of the ceramic layer composed of the thermal stress relaxation layer 22 and the heat shielding layer 23. The thickness of the gradient composition layer is not limited to this, and is appropriately set according to the requirements of the base material 20.

次に、セラミックス被覆部材10の製造方法について、図2を参照して説明する。   Next, the manufacturing method of the ceramic covering member 10 is demonstrated with reference to FIG.

図2は、セラミックス被覆部材10を製造するための電子ビーム物理蒸着(EB−PVD:Electron-Beam Physical Vapor Deposition)の概要を示す断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing an outline of electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) for manufacturing the ceramic-coated member 10.

まず、基材20の表面に、プラズマ溶射等により、上記した金属材料からなる酸化防止層21を形成する。   First, the antioxidant layer 21 made of the above metal material is formed on the surface of the substrate 20 by plasma spraying or the like.

続いて、この酸化防止層21上に形成される熱応力緩和層22および遮熱層23は、電子ビーム物理蒸着により形成される。以下に、これらの熱応力緩和層22および遮熱層23を形成する方法について具体的に説明する。   Subsequently, the thermal stress relaxation layer 22 and the thermal barrier layer 23 formed on the antioxidant layer 21 are formed by electron beam physical vapor deposition. Hereinafter, a method for forming the thermal stress relaxation layer 22 and the thermal barrier layer 23 will be specifically described.

この電子ビーム物理蒸着では、真空中においてセラミックスで形成されたインゴット40に電子ビーム45を照射し、インゴット表面を溶解して蒸発蒸気46とし、高温に加熱された酸化防止層21の表面にセラミックスコーティングを施す。なお、この際、酸化防止層21の表面に均一にセラミックスコーティングできるように、図2に示すように、基材20の中心軸を回転軸として基材20を所定方向に一定速度で回転させる構成となっている。なお、例えば、この方法でセラミックスコーティングする場合、一般的に、100μm/h(1時間にコーティングされる厚さ)程度のコーティング速度で、200〜300μmの厚さにコーティングされる。一方、基材20の回転速度は10rpm(1分間の回転数)程度に設定される。すなわち、1回転当りにコーティングされる厚さは、0.17μm程度となり、基材20を回転させてコーティングする場合でも、基材20の箇所に関わらず、良好な傾斜組成層を形成することができる。   In this electron beam physical vapor deposition, an ingot 40 made of ceramics is irradiated with an electron beam 45 in a vacuum, and the surface of the oxidation layer 21 heated to a high temperature is melted by melting the ingot surface to form an evaporating vapor 46. Apply. At this time, as shown in FIG. 2, the base material 20 is rotated at a constant speed in a predetermined direction with the central axis of the base material 20 as a rotation axis so that the surface of the antioxidant layer 21 can be uniformly coated with ceramics. It has become. For example, when ceramic coating is performed by this method, the coating is generally performed to a thickness of 200 to 300 μm at a coating speed of about 100 μm / h (thickness coated in one hour). On the other hand, the rotation speed of the base material 20 is set to about 10 rpm (the number of rotations per minute). That is, the thickness coated per rotation is about 0.17 μm, and even when the substrate 20 is rotated and coated, a good gradient composition layer can be formed regardless of the location of the substrate 20. it can.

インゴット40は、水冷ルツボ50の中に、始めに蒸発する側が酸化ジルコニウムインゴット41となるように、酸化ジルコニウムインゴット41および酸化ハフニウムインゴット42が柱状に積層して配置されている。また、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が、柱状の積層体の中心軸に対して所定の角度θを有して構成されている。   The ingot 40 has a zirconium oxide ingot 41 and a hafnium oxide ingot 42 stacked in a columnar shape in a water-cooled crucible 50 such that the side that evaporates first becomes the zirconium oxide ingot 41. Further, the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 is configured to have a predetermined angle θ with respect to the central axis of the columnar laminate.

ここで、所定の角度θは、45〜85度であることが好ましい。この所定の角度θが好ましいのは、45度を下回る場合には、傾斜組成層の厚さが必要以上に厚くなる。すなわち、皮膜全体の厚さが厚くなり成膜時間も長く、皮膜が剥離しやすくなる。また予め皮膜全体の厚さを決められている場合には、必要とする遮熱層の厚さが薄くなってしまう。一方、85度を越える場合には、接触面に角度を設けた効果が損なわれ、連続傾斜組成が形成されなくなる。   Here, the predetermined angle θ is preferably 45 to 85 degrees. The predetermined angle θ is preferable when the angle is less than 45 degrees, the thickness of the gradient composition layer becomes thicker than necessary. That is, the thickness of the entire film is increased, the film formation time is long, and the film is easily peeled off. Moreover, when the thickness of the whole film | membrane is decided previously, the thickness of the required heat-shielding layer will become thin. On the other hand, when it exceeds 85 degrees, the effect of providing an angle on the contact surface is impaired, and a continuous gradient composition is not formed.

上記したように、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面を柱状の積層体の中心軸に対して所定の角度θを有して構成することで、この部分が蒸発蒸気46となる際に、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムの双方の成分を含む組成の蒸発蒸気46を形成することができる。この所定の角度θを有する部分のインゴット40が蒸発する際における蒸発蒸気46の成分組成は、酸化ジルコニウムの濃度が連続的に減少するとともに、酸化ハフニウムの濃度が連続的に増加する。これによって、熱応力緩和層22と遮熱層23との間に、熱応力緩和層22から遮熱層23に向かって、熱応力緩和層22を形成する酸化ジルコニウムの濃度が連続的に減少するとともに、遮熱層23を形成する酸化ハフニウムの濃度が連続的に増加する傾斜組成層が形成される。   As described above, by forming the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 with a predetermined angle θ with respect to the central axis of the columnar laminate, this portion becomes the evaporated vapor 46. In this case, the vaporized vapor 46 having a composition containing both components of zirconium oxide and hafnium oxide can be formed. The component composition of the evaporated vapor 46 when the portion of the ingot 40 having the predetermined angle θ evaporates is such that the concentration of zirconium oxide continuously decreases and the concentration of hafnium oxide continuously increases. As a result, the concentration of zirconium oxide forming the thermal stress relaxation layer 22 continuously decreases between the thermal stress relaxation layer 22 and the thermal barrier layer 23 from the thermal stress relaxation layer 22 toward the thermal barrier layer 23. At the same time, a gradient composition layer in which the concentration of hafnium oxide that forms the heat shielding layer 23 continuously increases is formed.

また、上記した所定の角度θを調整することで、傾斜組成層の厚さや、傾斜組成層における酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムの濃度勾配を調整することができる。さらに、このインゴット40において、この所定の角度θで接触している部分以外の酸化ジルコニウムインゴット41または酸化ハフニウムインゴット42の積層量を調整することで、熱応力緩和層22または遮熱層23の厚さを調整することができる。また、コーティングする基材20に要求される、例えば熱サイクル寿命、遮熱特性、耐熱衝撃等の特性に応じて、適宜、インゴット40における所定の角度θや、この所定の角度θで接触している部分以外の酸化ジルコニウムインゴット41または酸化ハフニウムインゴット42の積層量を調整して、コーティングを施すことができる。   Further, by adjusting the predetermined angle θ described above, the thickness of the gradient composition layer and the concentration gradient of zirconium oxide and hafnium oxide in the gradient composition layer can be adjusted. Furthermore, in this ingot 40, the thickness of the thermal stress relaxation layer 22 or the heat shielding layer 23 is adjusted by adjusting the stacking amount of the zirconium oxide ingot 41 or the hafnium oxide ingot 42 other than the portion in contact with the predetermined angle θ. Can be adjusted. Further, depending on the characteristics required for the base material 20 to be coated, such as thermal cycle life, thermal insulation characteristics, thermal shock resistance, etc., the ingot 40 is appropriately contacted at the predetermined angle θ or the predetermined angle θ. Coating can be performed by adjusting the stacking amount of the zirconium oxide ingot 41 or the hafnium oxide ingot 42 other than the portion where the metal oxide is in.

上記したように、第1の実施の形態のセラミックス被覆部材10によれば、熱応力緩和層22と遮熱層23の境界部24とその近傍を、熱応力緩和層22から遮熱層23に向かって、熱応力緩和層22を形成する酸化ジルコニウムの濃度が連続的に減少するとともに、遮熱層23を形成する酸化ハフニウムの濃度が連続的に増加する傾斜組成層とすることができる。これによって、異種材料の皮膜の接触部における熱応力の集中が緩和され、熱サイクル特性を著しく向上させることができる。   As described above, according to the ceramic covering member 10 of the first embodiment, the boundary portion 24 between the thermal stress relaxation layer 22 and the thermal insulation layer 23 and the vicinity thereof are changed from the thermal stress relaxation layer 22 to the thermal insulation layer 23. On the other hand, a gradient composition layer in which the concentration of zirconium oxide forming the thermal stress relaxation layer 22 continuously decreases and the concentration of hafnium oxide forming the thermal barrier layer 23 continuously increases can be obtained. As a result, the concentration of thermal stress at the contact portion of the film made of the different material can be relaxed, and the thermal cycle characteristics can be remarkably improved.

また、セラミックス被覆部材10において、表面を耐熱性に優れた低熱伝導率の酸化ハフニウムからなる遮熱層23で構成し、この遮熱層23に積層させ、金属層側を酸化ハフニウムよりも熱膨張率が大きい低熱伝導率の酸化ジルコニウムからなる熱応力緩和層22で構成することにより、高温で長時間使用した場合においても優れた遮熱特性を維持することが可能となる。   Further, in the ceramic covering member 10, the surface is composed of a heat shielding layer 23 made of hafnium oxide having low heat conductivity and excellent heat resistance, and is laminated on the heat shielding layer 23, and the metal layer side is more thermally expanded than hafnium oxide. By comprising the thermal stress relaxation layer 22 made of zirconium oxide having a high thermal conductivity and low thermal conductivity, it is possible to maintain excellent heat shielding characteristics even when used at a high temperature for a long time.

また、上記した傾斜組成層(境界部24とその近傍)を有するセラミックス被覆部材10は、電子ビーム物理蒸着において、始めに蒸発する側が酸化ジルコニウムインゴット41となるように、酸化ジルコニウムインゴット41および酸化ハフニウムインゴット42が柱状に積層して配置され、かつ酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が、柱状の積層体の中心軸に対して所定の角度θを有するように構成されたインゴット40を用いることで製造することができる。   In addition, the ceramic-coated member 10 having the above-described gradient composition layer (the boundary portion 24 and the vicinity thereof) has the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide so that the first evaporation side becomes the zirconium oxide ingot 41 in the electron beam physical vapor deposition. An ingot 40 is configured such that ingots 42 are stacked in a columnar shape, and a contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 has a predetermined angle θ with respect to the central axis of the columnar stacked body. It can manufacture by using.

(第2の実施の形態)
図3は、第2の実施の形態のセラミックス被覆部材60の断面を示した図である。なお、第1の実施の形態のセラミックス被覆部材10の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a view showing a cross section of the ceramic-coated member 60 of the second embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as the structure of the ceramic coating | coated member 10 of 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted or simplified.

図3に示すように、セラミックス被覆部材60は、基材20と、この基材20に積層された酸化防止層21と、この酸化防止層21に積層された酸素バリア層70と、この酸素バリア層70に積層された熱応力緩和層22と、この熱応力緩和層22に積層された遮熱層23とを備える。   As shown in FIG. 3, the ceramic covering member 60 includes a base material 20, an antioxidant layer 21 laminated on the base material 20, an oxygen barrier layer 70 laminated on the antioxidant layer 21, and this oxygen barrier. The thermal stress relaxation layer 22 laminated | stacked on the layer 70 and the thermal-insulation layer 23 laminated | stacked on this thermal stress relaxation layer 22 are provided.

また、酸素バリア層70と熱応力緩和層22との境界部71とその近傍は、酸素バリア層70から熱応力緩和層22に向かって、酸素バリア層70を形成するセラミックス材料の濃度が連続的に減少するとともに、熱応力緩和層22を形成するセラミックス材料の濃度が連続的に増加する構成となっている。さらに、熱応力緩和層22と遮熱層23との境界部24とその近傍は、熱応力緩和層22から遮熱層23に向かって、熱応力緩和層22を形成するセラミックス材料の濃度が連続的に減少するとともに、遮熱層23を形成するセラミックス材料の濃度が連続的に増加する構成となっている。この境界部71とその近傍は、境界層として機能する。   Further, in the boundary portion 71 between the oxygen barrier layer 70 and the thermal stress relaxation layer 22 and its vicinity, the concentration of the ceramic material forming the oxygen barrier layer 70 is continuous from the oxygen barrier layer 70 toward the thermal stress relaxation layer 22. In addition, the concentration of the ceramic material forming the thermal stress relaxation layer 22 increases continuously. Further, in the boundary portion 24 between the thermal stress relaxation layer 22 and the thermal barrier layer 23 and its vicinity, the concentration of the ceramic material forming the thermal stress relaxation layer 22 is continuous from the thermal stress relaxation layer 22 toward the thermal barrier layer 23. And the concentration of the ceramic material forming the heat shield layer 23 increases continuously. This boundary portion 71 and its vicinity function as a boundary layer.

酸素バリア層70は、酸化防止層21側への外部からの酸素の透過防止性に優れ、熱応力緩和層22を形成する酸化ジルコニウムを主成分とするセラミックス材料および遮熱層23を形成する酸化ハフニウムを主成分とするセラミックス材料よりも大きな熱膨張係数を有するセラミックス材料からなる皮膜である。この皮膜を形成するセラミックス材料として、例えば、酸化アルミニウム(Al)を主成分とする安定化酸化アルミニウム系セラミックス材料が用いられる。 The oxygen barrier layer 70 is excellent in preventing oxygen from being transmitted from the outside to the antioxidant layer 21 side, and is composed of a ceramic material mainly composed of zirconium oxide that forms the thermal stress relaxation layer 22 and an oxidation that forms the thermal barrier layer 23. It is a film made of a ceramic material having a thermal expansion coefficient larger than that of a ceramic material mainly composed of hafnium. As the ceramic material for forming this film, for example, a stabilized aluminum oxide-based ceramic material mainly composed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is used.

また、酸素バリア層70と熱応力緩和層22との境界部71とその近傍は、酸素バリア層70から熱応力緩和層22に向かって、酸素バリア層70を形成する酸化アルミニウムの濃度が連続的に減少するとともに、熱応力緩和層22を形成する酸化ジルコニウムの濃度が連続的に増加する構成となっている。すなわち、酸素バリア層70と熱応力緩和層22との境界部71とその近傍は、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムの濃度が厚さ方向に連続的に変化する傾斜組成層を形成している。さらに、熱応力緩和層22と遮熱層23の境界部24とその近傍は、熱応力緩和層22から遮熱層23に向かって、熱応力緩和層22を形成する酸化ジルコニウムの濃度が連続的に減少するとともに、遮熱層23を形成する酸化ハフニウムの濃度が連続的に増加する構成となっている。すなわち、熱応力緩和層22と遮熱層23の境界部24とその近傍は、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムの濃度が厚さ方向に連続的に変化する傾斜組成層を形成している。   Further, in the boundary portion 71 between the oxygen barrier layer 70 and the thermal stress relaxation layer 22 and its vicinity, the concentration of aluminum oxide forming the oxygen barrier layer 70 is continuous from the oxygen barrier layer 70 toward the thermal stress relaxation layer 22. In addition, the concentration of zirconium oxide forming the thermal stress relaxation layer 22 increases continuously. In other words, the boundary portion 71 between the oxygen barrier layer 70 and the thermal stress relaxation layer 22 and its vicinity form a gradient composition layer in which the concentrations of aluminum oxide and zirconium oxide continuously change in the thickness direction. Further, in the boundary portion 24 between the thermal stress relaxation layer 22 and the thermal barrier layer 23 and its vicinity, the concentration of zirconium oxide forming the thermal stress relaxation layer 22 is continuous from the thermal stress relaxation layer 22 toward the thermal barrier layer 23. In addition, the concentration of hafnium oxide forming the heat shielding layer 23 increases continuously. That is, the boundary portion 24 between the thermal stress relaxation layer 22 and the heat shielding layer 23 and its vicinity form a gradient composition layer in which the concentrations of zirconium oxide and hafnium oxide continuously change in the thickness direction.

次に、セラミックス被覆部材60の製造方法について、図4を参照して説明する。   Next, a manufacturing method of the ceramic covering member 60 will be described with reference to FIG.

図4は、セラミックス被覆部材60を製造するための電子ビーム物理蒸着の概要を示す断面図である。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing an outline of electron beam physical vapor deposition for manufacturing the ceramic covering member 60.

まず、基材20の表面に、プラズマ溶射等により、上記した金属材料からなる酸化防止層21を形成する。   First, the antioxidant layer 21 made of the above metal material is formed on the surface of the substrate 20 by plasma spraying or the like.

続いて、この酸化防止層21上に形成される、酸素バリア層70、熱応力緩和層22および遮熱層23は、電子ビーム物理蒸着により形成される。以下に、これらの酸素バリア層70、熱応力緩和層22および遮熱層23を形成する方法について、さらに詳細に説明する。   Subsequently, the oxygen barrier layer 70, the thermal stress relaxation layer 22, and the thermal barrier layer 23 formed on the antioxidant layer 21 are formed by electron beam physical vapor deposition. Hereinafter, a method for forming the oxygen barrier layer 70, the thermal stress relaxation layer 22, and the thermal barrier layer 23 will be described in more detail.

この電子ビーム物理蒸着では、真空中においてセラミックスで形成されたインゴット65に電子ビーム45を照射し、インゴット表面を溶解して蒸発蒸気67とし、高温に加熱された酸化防止層21の表面にセラミックスコーティングを施す。なお、この際、酸化防止層21の表面に均一にセラミックスコーティングできるように、図4に示すように、基材20の中心軸を回転軸として基材20を所定方向に一定速度で回転させる構成となっている。   In this electron beam physical vapor deposition, an ingot 65 formed of ceramics is irradiated with an electron beam 45 in a vacuum, and the surface of the oxidation layer 21 heated to a high temperature is dissolved on the surface of the oxidation layer 21 by melting the ingot surface and evaporating vapor 67. Apply. At this time, as shown in FIG. 4, the base material 20 is rotated at a constant speed in a predetermined direction with the central axis of the base material 20 as a rotation axis so that the surface of the antioxidant layer 21 can be uniformly coated with ceramics. It has become.

インゴット65は、水冷ルツボ50の中に、始めに蒸発する側が酸化アルミニウムインゴット66となるように、酸化アルミニウムインゴット66、酸化ジルコニウムインゴット41および酸化ハフニウムインゴット42が、この順に柱状に積層して配置されている。また、酸化アルミニウムインゴット66と酸化ジルコニウムインゴット41との接触面、および酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が、それぞれ柱状の積層体の中心軸に対して所定の角度θ、γを有して構成されている。   In the ingot 65, an aluminum oxide ingot 66, a zirconium oxide ingot 41, and a hafnium oxide ingot 42 are stacked in this order in a column shape in the water-cooled crucible 50 so that the first evaporation side becomes the aluminum oxide ingot 66. ing. Further, the contact surface between the aluminum oxide ingot 66 and the zirconium oxide ingot 41 and the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 respectively have predetermined angles θ and γ with respect to the central axis of the columnar laminate. It is configured.

ここで、所定の角度θおよび所定の角度γは、それぞれ45〜85度であることが好ましい。この所定の角度θ、γが好ましいのは、45度を下回る場合には、傾斜組成層が厚くなり、85度を越える場合には、接触面に角度を設けた効果が損なわれ、連続傾斜組成が形成されなくなる。なお、傾斜組成層の熱伝導率は高いため、傾斜組成層は薄い方が望ましい。   Here, the predetermined angle θ and the predetermined angle γ are preferably 45 to 85 degrees, respectively. The predetermined angles θ and γ are preferable when the gradient composition layer is thicker when the angle is less than 45 degrees, and when the angle exceeds 85 degrees, the effect of providing an angle on the contact surface is impaired, and the continuous gradient composition is obtained. Will not be formed. In addition, since the thermal conductivity of the gradient composition layer is high, it is desirable that the gradient composition layer is thin.

上記したように、酸化アルミニウムインゴット66と酸化ジルコニウムインゴット41との接触面を柱状の積層体の中心軸に対して所定の角度γを有して構成することで、この部分が蒸発蒸気67となる際に、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムの双方の成分を含む組成の蒸発蒸気67を形成することができる。この所定の角度γを有する部分のインゴット65が蒸発する際における蒸発蒸気67の成分組成は、酸化アルミニウムの濃度が連続的に減少するとともに、酸化ジルコニウムの濃度が連続的に増加する。これによって、酸素バリア層70と熱応力緩和層22との間に、酸素バリア層70から熱応力緩和層22に向かって、酸素バリア層70を形成する酸化アルミニウムの濃度が連続的に減少するとともに、熱応力緩和層22を形成する酸化ジルコニウムの濃度が連続的に増加する傾斜組成層が形成される。   As described above, the contact surface between the aluminum oxide ingot 66 and the zirconium oxide ingot 41 is configured to have a predetermined angle γ with respect to the central axis of the columnar laminate, and this portion becomes the evaporated vapor 67. In this case, the vaporized vapor 67 having a composition containing both components of aluminum oxide and zirconium oxide can be formed. The component composition of the vaporized vapor 67 when the portion of the ingot 65 having the predetermined angle γ evaporates is such that the concentration of aluminum oxide continuously decreases and the concentration of zirconium oxide continuously increases. As a result, the concentration of aluminum oxide forming the oxygen barrier layer 70 continuously decreases between the oxygen barrier layer 70 and the thermal stress relaxation layer 22 from the oxygen barrier layer 70 toward the thermal stress relaxation layer 22. A gradient composition layer in which the concentration of zirconium oxide forming the thermal stress relaxation layer 22 continuously increases is formed.

また、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面を柱状の積層体の中心軸に対して所定の角度θを有して構成することで、この部分が蒸発蒸気67となる際に、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムの双方の成分を含む組成の蒸発蒸気67を形成することができる。この所定の角度θを有する部分のインゴット65が蒸発する際における蒸発蒸気67の成分組成は、酸化ジルコニウムの濃度が連続的に減少するとともに、酸化ハフニウムの濃度が連続的に増加する。これによって、熱応力緩和層22と遮熱層23との間に、熱応力緩和層22から遮熱層23に向かって、熱応力緩和層22を形成する酸化ジルコニウムの濃度が連続的に減少するとともに、遮熱層23を形成する酸化ハフニウムの濃度が連続的に増加する傾斜組成層が形成される。   Further, by forming the contact surface of the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 with a predetermined angle θ with respect to the central axis of the columnar laminate, when this portion becomes the evaporated vapor 67, An evaporating vapor 67 having a composition containing both components of zirconium oxide and hafnium oxide can be formed. The component composition of the vaporized vapor 67 when the portion of the ingot 65 having the predetermined angle θ evaporates is such that the concentration of zirconium oxide continuously decreases and the concentration of hafnium oxide continuously increases. As a result, the concentration of zirconium oxide forming the thermal stress relaxation layer 22 continuously decreases between the thermal stress relaxation layer 22 and the thermal barrier layer 23 from the thermal stress relaxation layer 22 toward the thermal barrier layer 23. At the same time, a gradient composition layer in which the concentration of hafnium oxide that forms the heat shielding layer 23 continuously increases is formed.

また、上記した所定の角度θ、γを調整することで、傾斜組成層の厚さや、傾斜組成層における、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムの濃度勾配や、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムの濃度勾配を調整することができる。さらに、このインゴット65において、この所定の角度θ、γで接触している部分以外の各インゴット41、42、66の積層量を調整することで、酸素バリア層70、熱応力緩和層22および遮熱層23の厚さを調整することができる。また、コーティングする基材20に要求される、例えば熱サイクル寿命、遮熱特性、耐熱衝撃等の特性に応じて、適宜、インゴット40における所定の角度θ、γや、この所定の角度θ、γで接触している部分以外の酸化アルミニウムインゴット66、酸化ジルコニウムインゴット41または酸化ハフニウムインゴット42の積層量を調整して、コーティングを施すことができる。   Further, by adjusting the predetermined angles θ and γ, the thickness of the gradient composition layer, the concentration gradient of aluminum oxide and zirconium oxide, and the concentration gradient of zirconium oxide and hafnium oxide in the gradient composition layer can be adjusted. Can do. Further, in the ingot 65, the oxygen barrier layer 70, the thermal stress relaxation layer 22 and the shielding layer 22 are adjusted by adjusting the amount of lamination of the ingots 41, 42 and 66 other than the portions in contact with the predetermined angles θ and γ. The thickness of the thermal layer 23 can be adjusted. Further, depending on the characteristics required for the substrate 20 to be coated, such as thermal cycle life, thermal insulation characteristics, thermal shock resistance, and the like, the predetermined angles θ and γ in the ingot 40 and the predetermined angles θ and γ are appropriately selected. It is possible to apply the coating by adjusting the stacking amount of the aluminum oxide ingot 66, the zirconium oxide ingot 41 or the hafnium oxide ingot 42 other than the portions in contact with each other.

上記したように、第2の実施の形態のセラミックス被覆部材60によれば、酸素バリア層70と熱応力緩和層22の境界部71とその近傍を、酸素バリア層70から熱応力緩和層22に向かって、酸素バリア層70を形成する酸化アルミニウムの濃度が連続的に減少するとともに、熱応力緩和層22を形成する酸化ジルコニウムの濃度が連続的に増加する傾斜組成層とすることができる。これによって、異種材料の皮膜の接触部における熱応力の集中が緩和され、熱サイクル特性を著しく向上させることができる。   As described above, according to the ceramic covering member 60 of the second embodiment, the boundary 71 between the oxygen barrier layer 70 and the thermal stress relaxation layer 22 and the vicinity thereof are changed from the oxygen barrier layer 70 to the thermal stress relaxation layer 22. On the other hand, a gradient composition layer in which the concentration of aluminum oxide forming the oxygen barrier layer 70 continuously decreases and the concentration of zirconium oxide forming the thermal stress relaxation layer 22 continuously increases can be obtained. As a result, the concentration of thermal stress at the contact portion of the film made of the different material can be relaxed, and the thermal cycle characteristics can be remarkably improved.

また、熱応力緩和層22と遮熱層23の境界部24とその近傍を、熱応力緩和層22から遮熱層23に向かって、熱応力緩和層22を形成する酸化ジルコニウムの濃度が連続的に減少するとともに、遮熱層23を形成する酸化ハフニウムの濃度が連続的に増加する傾斜組成層とすることができる。これによって、異種材料の皮膜の接触部における熱応力の集中が緩和され、熱サイクル特性を著しく向上させることができる。   Further, the concentration of zirconium oxide forming the thermal stress relaxation layer 22 is continuously increased from the thermal stress relaxation layer 22 toward the heat shield layer 23 at the boundary portion 24 between the thermal stress relaxation layer 22 and the thermal barrier layer 23 and the vicinity thereof. And the gradient composition layer in which the concentration of hafnium oxide forming the heat shielding layer 23 continuously increases. As a result, the concentration of thermal stress at the contact portion of the film made of the different material can be relaxed, and the thermal cycle characteristics can be remarkably improved.

また、セラミックス被覆部材10において、表面を耐熱性に優れた低熱伝導率の酸化ハフニウムからなる遮熱層23で構成し、この遮熱層23の金属層側に、酸化ハフニウムよりも熱膨張率が大きい低熱伝導率の酸化ジルコニウムからなる熱応力緩和層22を構成し、さらにこの熱応力緩和層22の金属層側に、酸化ジルコニウムよりも熱膨張率が大きい酸化アルミニウムからなる酸素バリア層70を構成することにより、高温で長時間使用した場合においても優れた遮熱特性を維持し、かつ、優れた熱サイクル特性を有する。   Further, in the ceramic covering member 10, the surface is constituted by a heat shielding layer 23 made of hafnium oxide having low heat conductivity and excellent heat resistance, and the thermal expansion coefficient is higher than that of hafnium oxide on the metal layer side of the heat shielding layer 23. A thermal stress relaxation layer 22 made of zirconium oxide having a large low thermal conductivity is formed, and an oxygen barrier layer 70 made of aluminum oxide having a thermal expansion coefficient larger than that of zirconium oxide is formed on the metal layer side of the thermal stress relaxation layer 22. Thus, even when used at a high temperature for a long time, excellent heat shielding characteristics are maintained and excellent thermal cycle characteristics are obtained.

また、上記した傾斜組成層(各境界部24、71とその近傍)を有するセラミックス被覆部材60は、電子ビーム物理蒸着において、始めに蒸発する側が酸化アルミニウムインゴット66となるように、酸化アルミニウムインゴット66、酸化ジルコニウムインゴット41および酸化ハフニウムインゴット42が、この順に柱状に積層して配置され、かつ酸化アルミニウムインゴット66と酸化ジルコニウムインゴット41との接触面、および酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が、それぞれ柱状の積層体の中心軸に対して所定の角度θ、γを有するように構成されたインゴット65を用いることで製造することができる。   Further, the ceramic covering member 60 having the above-described gradient composition layer (each of the boundary portions 24 and 71 and the vicinity thereof) has an aluminum oxide ingot 66 so that the first evaporation side becomes the aluminum oxide ingot 66 in the electron beam physical vapor deposition. The zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 are stacked in this order in a columnar shape, and the contact surface between the aluminum oxide ingot 66 and the zirconium oxide ingot 41 and the contact between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 are arranged. The surface can be manufactured by using an ingot 65 configured to have predetermined angles θ and γ with respect to the central axis of the columnar laminate.

次に、上記した、セラミックスからなる各インゴットの接触面が、柱状の積層体の中心軸に対して45〜85度を有して構成されるインゴットを用いてセラミックスコーティングされた本発明に係るセラミックス被覆部材が、優れた熱サイクル特性を有することを説明する。   Next, the ceramic according to the present invention, in which the contact surface of each of the ingots made of ceramic is coated with a ceramic using an ingot configured to have an angle of 45 to 85 degrees with respect to the central axis of the columnar laminate. It demonstrates that a coating | coated member has the outstanding heat cycle characteristic.

(実施例1)
実施例1で用いる試験片1の作製方法について、図2に示した、セラミックス被覆部材10を製造するための電子ビーム物理蒸着の概要を示す断面図を参照して説明する。
Example 1
A method for producing the test piece 1 used in Example 1 will be described with reference to a cross-sectional view showing an outline of electron beam physical vapor deposition for producing the ceramic-coated member 10 shown in FIG.

まず、直径が2.54cm(1インチ)、厚さが5mmのNi基超合金からなる円盤状の基材20の表面に、プラズマ溶射により耐食性および耐酸化性に優れたNi−Co基合金からなる厚さが100μm程度の皮膜である酸化防止層21を形成した。   First, from a Ni-Co base alloy having excellent corrosion resistance and oxidation resistance by plasma spraying on the surface of a disk-shaped substrate 20 made of a Ni base superalloy having a diameter of 2.54 cm (1 inch) and a thickness of 5 mm. An antioxidant layer 21 having a thickness of about 100 μm was formed.

この酸化防止層21が形成された基材20を電子ビーム物理蒸着装置の真空チャンバー内に円盤状の基材20の中心を回転軸として回転可能に装着した。ここでは、基材20を10rpm程度で回転させた。また、真空チャンバー内の水冷ルツボ50の中に、始めに蒸発する側が酸化ジルコニウムインゴット41となるように、酸化ジルコニウムインゴット41および酸化ハフニウムインゴット42を柱状に積層して配置した。この際、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が、柱状の積層体の中心軸に対して85度となるように形成した。   The base material 20 on which the antioxidant layer 21 was formed was mounted in a vacuum chamber of an electron beam physical vapor deposition apparatus so as to be rotatable about the center of the disk-shaped base material 20 as a rotation axis. Here, the base material 20 was rotated at about 10 rpm. In addition, the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 are stacked in a columnar shape in the water-cooled crucible 50 in the vacuum chamber so that the first evaporation side is the zirconium oxide ingot 41. At this time, the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 was formed to be 85 degrees with respect to the central axis of the columnar laminate.

このインゴット40を用いて、上記した真空チャンバー内を真空にした後、電子ビーム45を水冷ルツボ50内に挿入されたインゴット40の酸化ジルコニウムインゴット41の表面に照射し、酸化ジルコニウムを溶融して蒸発蒸気46とし、酸化防止層21の表面に酸化ジルコニウムからなる熱応力緩和層22を形成した。続いて、インゴット40が徐々に溶融して蒸発し、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面を含む領域に達し、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムの双方を含む蒸発蒸気46を発生し、熱応力緩和層22と遮熱層23の境界部24とその近傍に傾斜組成層を形成した。上記した、熱応力緩和層22および傾斜組成層の形成過程において、基材20の温度を850〜900℃に保持した。   After vacuuming the inside of the vacuum chamber using the ingot 40, the surface of the zirconium oxide ingot 41 of the ingot 40 inserted in the water-cooled crucible 50 is irradiated with the electron beam 45 to melt and evaporate the zirconium oxide. The thermal stress relaxation layer 22 made of zirconium oxide was formed on the surface of the antioxidant layer 21 by using steam 46. Subsequently, the ingot 40 gradually melts and evaporates, reaches an area including the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42, generates an evaporation vapor 46 including both zirconium oxide and hafnium oxide, A gradient composition layer was formed at and near the boundary 24 between the stress relaxation layer 22 and the heat shield layer 23. In the process of forming the thermal stress relaxation layer 22 and the gradient composition layer described above, the temperature of the substrate 20 was maintained at 850 to 900 ° C.

さらに、インゴット40が溶融して蒸発し、酸化ハフニウムインゴット42のみからなる領域に達し、酸化ハフニウムを溶融して蒸発蒸気46とし、酸化ハフニウムからなる遮熱層23を形成した。この遮熱層23の形成過程において、基材20の温度を900〜950℃に保持した。   Further, the ingot 40 was melted and evaporated to reach a region consisting only of the hafnium oxide ingot 42, and the hafnium oxide was melted to form the evaporated vapor 46, thereby forming the heat shielding layer 23 made of hafnium oxide. In the process of forming the heat shield layer 23, the temperature of the substrate 20 was maintained at 900 to 950 ° C.

そして、酸化ハフニウムインゴット42が完全に蒸発して消耗する直前に電子ビーム45を停止させた。   Then, the electron beam 45 was stopped immediately before the hafnium oxide ingot 42 was completely evaporated and consumed.

上記した電子ビーム物理蒸着において形成された、熱応力緩和層22の厚さは200μm程度であり、境界部24とその近傍に形成された傾斜組成層の厚さは24μm程度であり、遮熱層23の厚さは100μm程度であった。   The thickness of the thermal stress relaxation layer 22 formed in the above-described electron beam physical vapor deposition is about 200 μm, and the thickness of the gradient composition layer formed in the vicinity of the boundary portion 24 is about 24 μm. The thickness of 23 was about 100 μm.

上記した方法で作製された試験片1を用いて、熱サイクル試験を実施した。熱サイクル試験は、温度を1100℃に保持した電気炉内に試験片1を30分間放置して加熱し、その後、温度が100℃になるまで大気中に放置した。続いて、温度が100℃になった試験片1を、再び電気炉内に30分間放置して加熱し、その後、温度が100℃になるまで大気中に放置した。このように、加熱および冷却を繰り返し、試験片1のセラミックスからなる層が剥離するまでの繰り返し回数を測定した。   A thermal cycle test was carried out using the test piece 1 produced by the method described above. In the thermal cycle test, the test piece 1 was left to heat for 30 minutes in an electric furnace maintained at a temperature of 1100 ° C., and then left in the atmosphere until the temperature reached 100 ° C. Subsequently, the test piece 1 having a temperature of 100 ° C. was again left in the electric furnace for 30 minutes and heated, and then left in the atmosphere until the temperature reached 100 ° C. Thus, heating and cooling were repeated, and the number of repetitions until the ceramic layer of the test piece 1 was peeled was measured.

ここで、表1に熱サイクル試験の結果を示す。なお、表1の白丸および黒丸の数が同じ条件で熱サイクル試験を実施した回数を意味する。また、白丸は、対応する繰り返し回数において損傷が生じなかったことを意味し、黒丸は、対応する繰り返し回数において剥離または局部的な膨れが生じたことを意味する。   Here, Table 1 shows the results of the thermal cycle test. The number of white circles and black circles in Table 1 means the number of times the thermal cycle test was performed under the same conditions. A white circle means that no damage has occurred in the corresponding number of repetitions, and a black circle means that peeling or local swelling has occurred in the corresponding number of repetitions.

Figure 2010242225
Figure 2010242225

表1に示すように、試験片1においては、繰り返し回数が100回のときに、同じ条件で実施した2つの試験片1のうち、一方に損傷(皮膜の剥離)が発生した。また、繰り返し回数が125回のときに、損傷(皮膜の剥離)が発生した。   As shown in Table 1, in the test piece 1, damage (peel peeling) occurred in one of the two test pieces 1 carried out under the same conditions when the number of repetitions was 100 times. Moreover, damage (peel peeling) occurred when the number of repetitions was 125 times.

(実施例2)
実施例2で用いられる試験片2は、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が、柱状の積層体の中心軸に対して80度となるように形成されたインゴット40を用いた以外は、実施例1における試験片1の作製方法と同じ方法で作製された。
(Example 2)
The test piece 2 used in Example 2 used an ingot 40 formed such that the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 was 80 degrees with respect to the central axis of the columnar laminate. Except for the above, the test piece 1 was produced in the same manner as the test piece 1 in Example 1.

また、作製された試験片2において、熱応力緩和層22の厚さは200μm程度であり、境界部24とその近傍に形成された傾斜組成層の厚さは36μm程度であり、遮熱層23の厚さは100μm程度であった。また、熱サイクル試験の方法および測定条件は、実施例1における試験方法および測定条件と同じである。   Further, in the manufactured test piece 2, the thickness of the thermal stress relaxation layer 22 is about 200 μm, the thickness of the gradient composition layer formed in the vicinity of the boundary portion 24 is about 36 μm, and the heat shielding layer 23. The thickness of was about 100 μm. The thermal cycle test method and measurement conditions are the same as the test method and measurement conditions in Example 1.

表1に示すように、試験片2においては、繰り返し回数が125回のときに、同じ条件で実施した2つの試験片1のうち、一方に損傷(皮膜の剥離)が発生した。また、繰り返し回数が150回のときに、損傷(皮膜の剥離)が発生した。   As shown in Table 1, in the test piece 2, when the number of repetitions was 125, damage (peel peeling) occurred in one of the two test pieces 1 performed under the same conditions. Moreover, damage (peel peeling) occurred when the number of repetitions was 150 times.

(実施例3)
実施例3で用いられる試験片3は、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が、柱状の積層体の中心軸に対して75度となるように形成されたインゴット40を用いた以外は、実施例1における試験片1の作製方法と同じ方法で作製された。
Example 3
The test piece 3 used in Example 3 used an ingot 40 formed so that the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 was 75 degrees with respect to the central axis of the columnar laminate. Except for the above, the test piece 1 was produced in the same manner as the test piece 1 in Example 1.

また、作製された試験片3において、熱応力緩和層22の厚さは200μm程度であり、境界部24とその近傍に形成された傾斜組成層の厚さは50μm程度であり、遮熱層23の厚さは100μm程度であった。また、熱サイクル試験の方法および測定条件は、実施例1における試験方法および測定条件と同じである。   In the prepared test piece 3, the thickness of the thermal stress relaxation layer 22 is about 200 μm, the thickness of the gradient composition layer formed in the vicinity of the boundary portion 24 and the vicinity thereof is about 50 μm, and the heat shielding layer 23. The thickness of was about 100 μm. The thermal cycle test method and measurement conditions are the same as the test method and measurement conditions in Example 1.

表1に示すように、試験片3においては、繰り返し回数が200回のときに、同じ条件で実施した2つの試験片1のうち、一方に損傷(皮膜の剥離)が発生した。   As shown in Table 1, in the test piece 3, when the number of repetitions was 200, damage (peel peeling) occurred in one of the two test pieces 1 performed under the same conditions.

また、試験片3の断面を走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて観察した。さらに、EPMA(Electron prove micro analyzer)を用いて、試験片3における境界部24とその近傍の元素分布測定を実施した。これらの観察および元素分布測定の結果は後述する。   Moreover, the cross section of the test piece 3 was observed using the scanning electron microscope (SEM: Scanning Electron Microscope). Furthermore, using an EPMA (Electron prove micro analyzer), an element distribution measurement of the boundary portion 24 and its vicinity in the test piece 3 was performed. The results of these observations and element distribution measurements will be described later.

(実施例4)
実施例4で用いる試験片4の作製方法について、図3に示した、セラミックス被覆部材60を製造するための電子ビーム物理蒸着の概要を示す断面図を参照して説明する。
Example 4
A method for producing the test piece 4 used in Example 4 will be described with reference to a cross-sectional view showing an outline of electron beam physical vapor deposition for producing the ceramic-coated member 60 shown in FIG.

まず、直径が2.54cm(1インチ)、厚さが5mmのNi基超合金からなる円盤状の基材20の表面に、プラズマ溶射により耐食性および耐酸化性に優れたNi−Co基合金からなる厚さが100μm程度の皮膜である酸化防止層21を形成した。   First, from a Ni-Co base alloy having excellent corrosion resistance and oxidation resistance by plasma spraying on the surface of a disk-shaped substrate 20 made of a Ni base superalloy having a diameter of 2.54 cm (1 inch) and a thickness of 5 mm. An antioxidant layer 21 having a thickness of about 100 μm was formed.

この酸化防止層21が形成された基材20を電子ビーム物理蒸着装置の真空チャンバー内に円盤状の基材20の中心を回転軸として回転可能に装着した。ここでは、基材20を10rpm程度で回転させた。また、真空チャンバー内の水冷ルツボ50の中に、始めに蒸発する側が酸化アルミニウムインゴット66となるように、酸化アルミニウムインゴット66、酸化ジルコニウムインゴット41および酸化ハフニウムインゴット42を、この順に柱状に積層して配置した。この際、酸化アルミニウムインゴット66と酸化ジルコニウムインゴット41との接触面、および酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が、それぞれ柱状の積層体の中心軸に対して85度となるように形成した。   The base material 20 on which the antioxidant layer 21 was formed was mounted in a vacuum chamber of an electron beam physical vapor deposition apparatus so as to be rotatable about the center of the disk-shaped base material 20 as a rotation axis. Here, the base material 20 was rotated at about 10 rpm. Further, in the water-cooled crucible 50 in the vacuum chamber, an aluminum oxide ingot 66, a zirconium oxide ingot 41, and a hafnium oxide ingot 42 are laminated in this order in a column shape so that the first evaporation side becomes the aluminum oxide ingot 66. Arranged. At this time, the contact surface between the aluminum oxide ingot 66 and the zirconium oxide ingot 41 and the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 are respectively set to 85 degrees with respect to the central axis of the columnar laminate. Formed.

このインゴット65を用いて、上記した真空チャンバー内を真空にした後、電子ビーム45を水冷ルツボ50内に挿入されたインゴット65の酸化アルミニウムインゴット66の表面に照射し、酸化アルミニウムを溶融して蒸発蒸気67とし、酸化防止層21の表面に酸化アルミニウムからなる酸素バリア層70を形成した。続いて、インゴット65が徐々に溶融して蒸発し、酸化アルミニウムインゴット66と酸化ジルコニウムインゴット41との接触面を含む領域に達し、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムの双方を含む蒸発蒸気67を発生し、傾斜組成層を境界部71とその近傍に形成した。上記した、酸素バリア層70および傾斜組成層の形成過程において、基材20の温度を600〜800℃に保持した。   After vacuuming the inside of the vacuum chamber using the ingot 65, the surface of the aluminum oxide ingot 66 of the ingot 65 inserted into the water-cooled crucible 50 is irradiated with the electron beam 45 to melt and evaporate the aluminum oxide. Vapor 67 was used to form an oxygen barrier layer 70 made of aluminum oxide on the surface of the antioxidant layer 21. Subsequently, the ingot 65 gradually melts and evaporates, reaches an area including the contact surface between the aluminum oxide ingot 66 and the zirconium oxide ingot 41, generates an evaporation vapor 67 including both aluminum oxide and zirconium oxide, and is inclined. A composition layer was formed at the boundary portion 71 and its vicinity. In the process of forming the oxygen barrier layer 70 and the gradient composition layer described above, the temperature of the substrate 20 was maintained at 600 to 800 ° C.

さらにインゴット65が溶融して蒸発し、酸化ジルコニウムインゴット41のみからなる領域に達し、酸化ジルコニウムを溶融して蒸発蒸気67とし、酸化ジルコニウムからなる熱応力緩和層22を形成した。続いて、インゴット40が徐々に溶融して蒸発し、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面を含む領域に達し、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムの双方を含む蒸発蒸気67を発生し、傾斜組成層を境界部24とその近傍に形成した。上記した、熱応力緩和層22および傾斜組成層の形成過程において、基材20の温度を700〜900℃に保持した。   Further, the ingot 65 was melted and evaporated to reach a region consisting only of the zirconium oxide ingot 41, and the zirconium oxide was melted to form an evaporated vapor 67 to form the thermal stress relaxation layer 22 made of zirconium oxide. Subsequently, the ingot 40 gradually melts and evaporates, reaches an area including the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42, generates an evaporated vapor 67 including both zirconium oxide and hafnium oxide, and is inclined. A composition layer was formed at the boundary 24 and its vicinity. In the process of forming the thermal stress relaxation layer 22 and the gradient composition layer described above, the temperature of the substrate 20 was maintained at 700 to 900 ° C.

さらに、インゴット65が溶融して蒸発し、酸化ハフニウムインゴット42のみからなる領域に達し、酸化ハフニウムを溶融して蒸発蒸気67とし、酸化ハフニウムからなる遮熱層23を形成した。この遮熱層23の形成過程において、基材20の温度を750〜950℃に保持した。   Further, the ingot 65 was melted and evaporated to reach a region consisting only of the hafnium oxide ingot 42, and the hafnium oxide was melted to form an evaporated vapor 67 to form the heat shielding layer 23 made of hafnium oxide. In the process of forming the heat shield layer 23, the temperature of the substrate 20 was maintained at 750 to 950 ° C.

そして、酸化ハフニウムインゴット42が完全に蒸発して消耗する直前に電子ビーム45を停止させた。   Then, the electron beam 45 was stopped immediately before the hafnium oxide ingot 42 was completely evaporated and consumed.

上記した電子ビーム物理蒸着において形成された、酸素バリア層70の厚さは20μm程度であり、熱応力緩和層22の厚さは200μm程度であり、傾斜組成層の厚さは24μm程度であり、遮熱層23の厚さは100μm程度であった。   The thickness of the oxygen barrier layer 70 formed in the above-described electron beam physical vapor deposition is about 20 μm, the thickness of the thermal stress relaxation layer 22 is about 200 μm, and the thickness of the gradient composition layer is about 24 μm. The thickness of the heat shield layer 23 was about 100 μm.

上記した方法で作製された試験片4を用いて、熱サイクル試験を実施した。なお、熱サイクル試験の方法および測定条件は、実施例1における試験方法および測定条件と同じである。   A thermal cycle test was carried out using the test piece 4 produced by the method described above. The thermal cycle test method and measurement conditions are the same as the test method and measurement conditions in Example 1.

表1に示すように、試験片4においては、繰り返し回数が200回のとなっても損傷は生じなかった。   As shown in Table 1, the test piece 4 was not damaged even when the number of repetitions was 200.

(比較例1)
比較例1で用いられる試験片5は、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が、柱状の積層体の中心軸に対して90度となるように形成されたインゴット40を用いた以外は、実施例1における試験片1の作製方法と同じ方法で作製された。ここで、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が、柱状の積層体の中心軸に対して90度となるとは、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が水平となっていることを意味する。
(Comparative Example 1)
The test piece 5 used in Comparative Example 1 used an ingot 40 formed such that the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 was 90 degrees with respect to the central axis of the columnar laminate. Except for the above, the test piece 1 was produced in the same manner as the test piece 1 in Example 1. Here, when the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 is 90 degrees with respect to the central axis of the columnar laminate, the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 is horizontal. Means that

また、作製された試験片5において、熱応力緩和層22の厚さは100μm程度であり、遮熱層23の厚さは100μm程度であった。また、熱サイクル試験の方法および測定条件は、実施例1における試験方法および測定条件と同じである。   Moreover, in the produced test piece 5, the thickness of the thermal stress relaxation layer 22 was about 100 micrometers, and the thickness of the thermal insulation layer 23 was about 100 micrometers. The thermal cycle test method and measurement conditions are the same as the test method and measurement conditions in Example 1.

表1に示すように、試験片5においては、繰り返し回数が30回のときに、同じ条件で実施した2つの試験片1のうち、一方に損傷(皮膜の剥離)が発生した。また、繰り返し回数が75回のときに、損傷(皮膜の剥離)が発生した。   As shown in Table 1, in the test piece 5, when the number of repetitions was 30, damage (peel peeling) occurred on one of the two test pieces 1 performed under the same conditions. Moreover, damage (peel peeling) occurred when the number of repetitions was 75 times.

(比較例2)
比較例2で用いられる試験片6は、実施例1で用いたインゴット40の酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との位置を逆にしたインゴットを用いて作製された。すなわち、試験片6は、水冷ルツボ50の中に、始めに蒸発する側が酸化ハフニウムインゴット42となるように、酸化ハフニウムインゴット42および酸化ジルコニウムインゴット41を柱状に積層して配置されたインゴットを用いて作製された。なお、酸化ハフニウムインゴット42と酸化ジルコニウムインゴット41との接触面が、柱状の積層体の中心軸に対して85度となるようにインゴットを形成した。
(Comparative Example 2)
The test piece 6 used in Comparative Example 2 was manufactured using an ingot in which the positions of the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 of the ingot 40 used in Example 1 were reversed. That is, the test piece 6 uses an ingot in which a hafnium oxide ingot 42 and a zirconium oxide ingot 41 are stacked in a columnar shape in a water-cooled crucible 50 so that the first evaporation side becomes the hafnium oxide ingot 42. It was made. The ingot was formed such that the contact surface between the hafnium oxide ingot 42 and the zirconium oxide ingot 41 was 85 degrees with respect to the central axis of the columnar laminate.

このインゴットを用いて、上記した真空チャンバー内を真空にした後、電子ビーム45を水冷ルツボ50内に挿入されたインゴットの酸化ハフニウムインゴット42の表面に照射し、酸化ハフニウムを溶融して蒸発蒸気46とし、酸化防止層21の表面に酸化ハフニウムからなる皮膜層を形成した。続いて、インゴットが徐々に溶融して蒸発し、酸化ハフニウムインゴット42と酸化ジルコニウムインゴット41との接触面を含む領域に達し、酸化ハフニウムおよび酸化ジルコニウムの双方を含む蒸発蒸気46を発生し、傾斜組成層を境界部24とその近傍に形成した。上記した、皮膜層および傾斜組成層の形成過程において、基材20の温度を750〜950℃に保持した。   Using this ingot, the inside of the vacuum chamber described above is evacuated, and then the electron beam 45 is irradiated on the surface of the hafnium oxide ingot 42 of the ingot inserted into the water-cooled crucible 50 to melt the hafnium oxide and evaporate vapor 46. Then, a coating layer made of hafnium oxide was formed on the surface of the antioxidant layer 21. Subsequently, the ingot gradually melts and evaporates, reaches an area including the contact surface between the hafnium oxide ingot 42 and the zirconium oxide ingot 41, generates an evaporated vapor 46 including both hafnium oxide and zirconium oxide, and has a gradient composition. A layer was formed at and near the boundary 24. In the process of forming the coating layer and the gradient composition layer described above, the temperature of the substrate 20 was maintained at 750 to 950 ° C.

さらにインゴットが溶融して蒸発し、酸化ジルコニウムインゴット41のみからなる領域に達し、酸化ジルコニウムを溶融して蒸発蒸気46とし、酸化ジルコニウムからなる皮膜層を形成した。この皮膜層の形成過程において、基材20の温度を700〜900℃に保持した。   Further, the ingot was melted and evaporated to reach the region consisting only of the zirconium oxide ingot 41, and the zirconium oxide was melted to form the evaporated vapor 46 to form a coating layer made of zirconium oxide. In the process of forming the coating layer, the temperature of the substrate 20 was maintained at 700 to 900 ° C.

そして、酸化ジルコニウムインゴット41が完全に蒸発して消耗する直前に電子ビーム45を停止させた。   Then, the electron beam 45 was stopped immediately before the zirconium oxide ingot 41 was completely evaporated and consumed.

上記した電子ビーム物理蒸着において形成された、酸化ハフニウムからなる皮膜層の厚さは100μm程度であり、傾斜組成層の厚さは24μm程度であり、酸化ジルコニウムからなる皮膜層の厚さは200μm程度であった。   The thickness of the coating layer made of hafnium oxide formed in the above-described electron beam physical vapor deposition is about 100 μm, the thickness of the gradient composition layer is about 24 μm, and the thickness of the coating layer made of zirconium oxide is about 200 μm. Met.

上記した方法で作製された試験片6を用いて、熱サイクル試験を実施した。なお、熱サイクル試験の方法および測定条件は、実施例1における試験方法および測定条件と同じである。   A thermal cycle test was carried out using the test piece 6 produced by the method described above. The thermal cycle test method and measurement conditions are the same as the test method and measurement conditions in Example 1.

表1に示すように、試験片6においては、繰り返し回数が10回で、同じ条件で実施した2つの試験片の双方に損傷(皮膜の剥離)が発生した。   As shown in Table 1, in the test piece 6, the number of repetitions was 10, and damage (peel peeling) occurred on both of the two test pieces carried out under the same conditions.

(実施例1〜実施例4および比較例1〜比較例2のまとめ)
表1に示すように、本発明に係る実施例1〜実施例4で用いられた試験片(試験片1〜4)において、良好な熱サイクル特性を示すことがわかった。また、実施例4の結果から、酸化アルミニウムからなる酸素バリア層70を、酸化防止層21と熱応力緩和層22との間に設けることにより、さらに良好な熱サイクル特性が得られることがわかった。
(Summary of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2)
As shown in Table 1, it was found that the test pieces (test pieces 1 to 4) used in Examples 1 to 4 according to the present invention showed good thermal cycle characteristics. Further, from the results of Example 4, it was found that better thermal cycle characteristics can be obtained by providing the oxygen barrier layer 70 made of aluminum oxide between the antioxidant layer 21 and the thermal stress relaxation layer 22. .

また、本発明に係る実施例1〜実施例3における結果から、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が、柱状の積層体の中心軸に対してなす角度θが小さくなるほど良好な熱サイクル特性を示すことがわかった。これは、この角度θが小さくなるほど、図11Aおよび図11Bに示したような組成が不連続に変化する傾向が減少して連続的になり、異種材料間の界面における熱応力の集中が低減されたためと考えられる。   Further, from the results in Examples 1 to 3 according to the present invention, the smaller the angle θ formed between the contact surface of the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 with respect to the central axis of the columnar laminate, the better. It was found to exhibit thermal cycle characteristics. As the angle θ decreases, the tendency of the composition to discontinuously change as shown in FIGS. 11A and 11B decreases and becomes continuous, and the concentration of thermal stress at the interface between different materials is reduced. It is thought that it was because of.

ここで、図5には、実施例3で試験片3の断面をSEMにより観察した結果である反射電子像を示す。また、図6には、実施例3で実施した、試験片3における境界部24とその近傍の元素分布測定の結果を示す。   Here, FIG. 5 shows a backscattered electron image as a result of observing a cross section of the test piece 3 in Example 3 with an SEM. In addition, FIG. 6 shows the results of the element distribution measurement performed in Example 3 on the boundary portion 24 and its vicinity in the test piece 3.

図5に示すように、遮熱層23と熱応力緩和層22との間に、それぞれの層とは異なる構成を有する領域が境界部24とその近傍に存在することがわかった。また、図6に示す元素分布測定の結果から、境界部24とその近傍では、熱応力緩和層22から遮熱層23に向かって、熱応力緩和層22を形成する酸化ジルコニウムの濃度に対応するジルコニウムの強度が連続的に減少するとともに、遮熱層23を形成する酸化ハフニウムの濃度に対応するハフニウムの強度が連続的に増加していることが明らかとなった。すなわち、境界部24とその近傍では、酸化ジルコニウムと酸化ハフニウムの濃度が連続的に変化する傾斜組成層となっていることが明らかとなった。   As shown in FIG. 5, it was found that a region having a configuration different from each layer exists between the thermal barrier layer 23 and the thermal stress relaxation layer 22 in the boundary portion 24 and the vicinity thereof. Further, from the result of the element distribution measurement shown in FIG. 6, the boundary 24 and the vicinity thereof correspond to the concentration of zirconium oxide forming the thermal stress relaxation layer 22 from the thermal stress relaxation layer 22 toward the thermal barrier layer 23. It has been clarified that the strength of hafnium corresponding to the concentration of hafnium oxide forming the heat shielding layer 23 continuously increases as the strength of zirconium decreases continuously. That is, it has been clarified that a gradient composition layer in which the concentrations of zirconium oxide and hafnium oxide continuously change is formed in the boundary portion 24 and the vicinity thereof.

また、図7には、酸化ジルコニウムインゴット41と酸化ハフニウムインゴット42との接触面が柱状の積層体の中心軸に対してなす角度θと、その角度のインゴット40を用いたときに形成される傾斜組成層の厚さとの関係を示している。なお、角度が85度の場合が試験片1の傾斜組成層の厚さに、角度が80度の場合が試験片2の傾斜組成層の厚さに、角度が75度の場合が試験片3の傾斜組成層の厚さにそれぞれ対応する。   FIG. 7 shows an angle θ formed by the contact surface between the zirconium oxide ingot 41 and the hafnium oxide ingot 42 with respect to the central axis of the columnar laminate, and an inclination formed when the ingot 40 having that angle is used. The relationship with the thickness of a composition layer is shown. In addition, when the angle is 85 degrees, the thickness of the gradient composition layer of the test piece 1, when the angle is 80 degrees, the thickness of the gradient composition layer of the test piece 2, and when the angle is 75 degrees, the test piece 3 Respectively corresponding to the thickness of the gradient composition layer.

図7に示すように、角度θを変化させることで、境界部24とその近傍、すなわち傾斜組成層の厚さを制御できることが明らかとなった。また、角度θを大きくすれば傾斜組成層を薄くすることができ、一方、角度θを小さくすれば傾斜組成層を厚くすることができることがわかった。これによって、セラミックスコーティングした部材に要求される、例えば熱サイクル寿命、遮熱特性、耐熱衝撃等の特性に合わせて、傾斜組成層の適正な厚さを設定することができる。   As shown in FIG. 7, it became clear that the thickness of the boundary portion 24 and its vicinity, that is, the thickness of the gradient composition layer can be controlled by changing the angle θ. It was also found that the gradient composition layer can be made thinner by increasing the angle θ, while the gradient composition layer can be made thicker by reducing the angle θ. Accordingly, an appropriate thickness of the gradient composition layer can be set in accordance with characteristics required for a ceramic-coated member, such as thermal cycle life, thermal insulation characteristics, and thermal shock resistance.

また、酸化ハフニウムからなる皮膜層の上に酸化ジルコニウムからなる皮膜層を備えた比較例2における試験片6では、双方の境界部とその近傍には良好な傾斜組成層が形成されたが(図示しない)、実施例1〜3の試験片(試験片1〜3)に比べて熱サイクル寿命は著しく劣っていた。この結果は、酸化ハフニウムの熱膨張率(6×10−6/℃程度)が、酸化ジルコニウムの熱膨張率(10×10−6/℃程度)や金属基材の熱膨張率(15×10−6/℃程度)に比べて小さく、熱膨張率の大きい酸化ジルコニウムからなる皮膜層と金属基材で挟まれた酸化ハフニウムからなる皮膜層に大きな熱応力が発生したためと考えられる。したがって、各層に発生する熱応力を抑制するためには、実施例1〜実施例3の試験片(試験片1〜3)ように、各層の熱膨張率が金属基材側から表面に向かって徐々に小さくなるように材料を選定することが効果的であることがわかった。 Further, in the test piece 6 in Comparative Example 2 provided with the coating layer made of zirconium oxide on the coating layer made of hafnium oxide, a good gradient composition layer was formed at both the boundary portions and in the vicinity thereof (illustrated). No), and the heat cycle life was significantly inferior to the test pieces of Examples 1 to 3 (Test pieces 1 to 3). This result shows that the thermal expansion coefficient of hafnium oxide (about 6 × 10 −6 / ° C.) is the same as that of zirconium oxide (about 10 × 10 −6 / ° C.) or the thermal expansion coefficient of the metal base (15 × 10 This is probably because a large thermal stress was generated in the coating layer made of zirconium oxide having a small thermal expansion coefficient and a thermal expansion coefficient of about −6 / ° C. and the coating layer made of hafnium oxide sandwiched between metal substrates. Therefore, in order to suppress the thermal stress generated in each layer, as in the test pieces (test pieces 1 to 3) of Examples 1 to 3, the thermal expansion coefficient of each layer is from the metal substrate side toward the surface. It has been found that it is effective to select materials so that they gradually become smaller.

以上、本発明を実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。   Although the present invention has been specifically described above with reference to the embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

10…セラミックス被覆部材、20…基材、21…酸化防止層、22…熱応力緩和層、23…遮熱層、24…境界部、40…インゴット、41…酸化ジルコニウムインゴット、42…酸化ハフニウムインゴット、45…電子ビーム、46…蒸発蒸気、50…水冷ルツボ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Ceramics coating member, 20 ... Base material, 21 ... Antioxidation layer, 22 ... Thermal stress relaxation layer, 23 ... Thermal insulation layer, 24 ... Boundary part, 40 ... Ingot, 41 ... Zirconium oxide ingot, 42 ... Hafnium oxide ingot 45 ... Electron beam, 46 ... Evaporated vapor, 50 ... Water-cooled crucible.

Claims (7)

電子ビーム物理蒸着により、金属またはセラミックスからなる基材に、少なくとも熱応力緩和層、遮熱層をこの順に積層して構成されたセラミックス被覆部材であって、
前記熱応力緩和層と前記遮熱層との境界層において、前記熱応力緩和層から前記遮熱層に向かって、前記熱応力緩和層を形成する第1のセラミックス材料の濃度が連続して減少するとともに、前記遮熱層を形成する第2のセラミックス材料の濃度が連続して増加することを特徴とするセラミックス被覆部材。
A ceramic covering member configured by laminating at least a thermal stress relaxation layer and a thermal barrier layer in this order on a base material made of metal or ceramic by electron beam physical vapor deposition,
In the boundary layer between the thermal stress relaxation layer and the thermal barrier layer, the concentration of the first ceramic material forming the thermal stress relaxation layer continuously decreases from the thermal stress relaxation layer toward the thermal barrier layer. And the concentration of the second ceramic material forming the heat-insulating layer continuously increases.
前記基材と前記熱応力緩和層との間に、金属からなる酸化防止層が介在していることを特徴とする請求項1記載のセラミックス被覆部材。   2. The ceramic-coated member according to claim 1, wherein an antioxidant layer made of a metal is interposed between the base material and the thermal stress relaxation layer. 電子ビーム物理蒸着により、金属またはセラミックスからなる基材に、少なくとも酸素バリア層、熱応力緩和層、遮熱層をこの順に積層して構成されたセラミックス被覆部材であって、
前記酸素バリア層と前記熱応力緩和層との境界層において、前記酸素バリア層から前記熱応力緩和層に向かって、前記酸素バリア層を形成する第3のセラミックス材料の濃度が連続して減少するとともに、前記熱応力緩和層を形成する第1のセラミックス材料の濃度が連続して増加し、
かつ前記熱応力緩和層と前記遮熱層との境界層において、前記熱応力緩和層から前記遮熱層に向かって、前記熱応力緩和層を形成する第1のセラミックス材料の濃度が連続して減少するとともに、前記遮熱層を形成する第2のセラミックス材料の濃度が連続して増加することを特徴とするセラミックス被覆部材。
A ceramic-coated member formed by laminating at least an oxygen barrier layer, a thermal stress relaxation layer, and a thermal barrier layer in this order on a base material made of metal or ceramics by electron beam physical vapor deposition,
In the boundary layer between the oxygen barrier layer and the thermal stress relaxation layer, the concentration of the third ceramic material forming the oxygen barrier layer continuously decreases from the oxygen barrier layer toward the thermal stress relaxation layer. And the concentration of the first ceramic material forming the thermal stress relaxation layer continuously increases,
And in the boundary layer between the thermal stress relaxation layer and the thermal barrier layer, the concentration of the first ceramic material forming the thermal stress relaxation layer is continuously from the thermal stress relaxation layer toward the thermal barrier layer. A ceramic-coated member characterized by decreasing and continuously increasing the concentration of the second ceramic material forming the heat-shielding layer.
前記基材と前記酸素バリア層との間に、金属からなる酸化防止層が介在していることを特徴とする請求項3記載のセラミックス被覆部材。   4. The ceramic-coated member according to claim 3, wherein an antioxidant layer made of a metal is interposed between the base material and the oxygen barrier layer. 前記第1のセラミックス材料の熱膨張係数が、前記第2のセラミックス材料の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載のセラミックス被覆部材。   5. The ceramic-coated member according to claim 1, wherein a thermal expansion coefficient of the first ceramic material is larger than a thermal expansion coefficient of the second ceramic material. 前記第1のセラミックス材料が酸化ジルコニウムを主成分とし、前記第2のセラミックス材料が酸化ハフニウムを主成分とすることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載のセラミックス被覆部材。   The ceramic-coated member according to any one of claims 1 to 5, wherein the first ceramic material contains zirconium oxide as a main component, and the second ceramic material contains hafnium oxide as a main component. 前記第3のセラミックス材料が酸化アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項3または4記載のセラミックス被覆部材。   The ceramic-coated member according to claim 3 or 4, wherein the third ceramic material contains aluminum oxide as a main component.
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