JP2011117012A - Executing method of thermal barrier coating, heat-resistant member, and gas turbine - Google Patents
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本発明は、遮熱コーティングの施工方法、耐熱部材及びガスタービンに関し、特にガスタービンなどの遮熱コーティングされた部品や、成膜された部品とその施工方法に関するものである。 The present invention relates to a thermal barrier coating construction method, a heat-resistant member, and a gas turbine, and more particularly to a thermal barrier coating component such as a gas turbine, a film-formed component, and a construction method thereof.
例えば、発電用ガスタービンプラントのガスタービン部品は、高温環境で使用される。そのため、ガスタービンを構成する静翼や動翼、あるいは燃焼器の壁材などは、耐熱部材で構成される。更に、この耐熱部材の基材上に金属結合層(ボンドコート層)を介して溶射等の成膜方法によって酸化物セラミックスからなるセラミックス層(トップコート層)を積層した遮熱コーティング(Thermal Barrier Coating,TBC)を形成して、耐熱部材を高温から保護することが行われている。 For example, gas turbine components of power generation gas turbine plants are used in high temperature environments. Therefore, the stationary blades and moving blades constituting the gas turbine, the wall material of the combustor, and the like are made of heat resistant members. Furthermore, a thermal barrier coating in which a ceramic layer (topcoat layer) made of oxide ceramics is laminated on a base material of the heat-resistant member by a film forming method such as thermal spraying through a metal bonding layer (bond coat layer). , TBC) to protect the heat-resistant member from high temperatures.
遮熱コーティングの形成条件は、通常、試験片を用いた要素試験によって適正化される。しかしながら、試験片と実機では、熱容量に差がある。そのため、上記熱容量の差を考慮せず、実部品に遮熱コーティングを形成しようとすると、遮熱コーティングの耐久性や遮熱性に悪影響を及ぼす。例えば、熱容量の大きな中実翼に、要素試験と同じ条件で遮熱コーティングを形成させると、遮熱コーティングのトップコート層中に層状の欠陥が生じることがある。その反対に、熱容量の小さな、小型、中空翼に、連続で多層コートを行い、翼を過熱させた場合も、コーティング部にダメージが生ずる。このようなコーティング層は、熱サイクル耐久性が低いものとなる。 The formation conditions of the thermal barrier coating are usually optimized by an element test using a test piece. However, there is a difference in heat capacity between the test piece and the actual machine. Therefore, if a thermal barrier coating is formed on an actual part without considering the difference in heat capacity, the durability and thermal barrier properties of the thermal barrier coating are adversely affected. For example, when a thermal barrier coating is formed on a solid blade having a large heat capacity under the same conditions as in the element test, a layered defect may occur in the top coat layer of the thermal barrier coating. On the other hand, when a multilayer coating is continuously performed on a small, hollow blade having a small heat capacity and the blade is overheated, the coating portion is damaged. Such a coating layer has low thermal cycle durability.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高耐久性及び高遮熱性を有する遮熱コーティングの施工方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, Comprising: It aims at providing the construction method of the thermal barrier coating which has high durability and high thermal-insulation property.
上記課題を解決するために、本発明は、耐熱合金基材上にボンドコート層を形成する工程と、前記ボンドコート層上にトップコート層を形成する工程とを備え、前記トップコート層を形成する工程が、複数のセラミックス膜を溶射によって形成する工程と、前記トップコート層の表面温度が450℃以下となるよう温度制御する工程とを備える遮熱コーティングの施工方法を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention comprises a step of forming a bond coat layer on a heat-resistant alloy substrate and a step of forming a top coat layer on the bond coat layer, and forming the top coat layer There is provided a thermal barrier coating construction method comprising a step of forming a plurality of ceramic films by thermal spraying and a step of controlling the temperature so that the surface temperature of the topcoat layer is 450 ° C. or lower.
従来、トップコート層は、所望の膜厚となるように溶射を繰り返し行って複数のセラミックス膜を積層させて形成する。そのため、実機の生産において、要素試験と同様の条件で遮熱コーティングを施工しようとすると、熱容量の違いから基材の温度が上昇してしまう。温度が上昇した基材は膨張し、膨張した基材は室温に戻る際に収縮する。基材とトップコート層とでは熱膨張係数に差があるため、基材の収縮がトップコート層に圧縮応力を与えることになり、トップコート層中に亀裂が生じやすくなる。すなわち、トップコート層の熱サイクル耐久性の低下につながる。本発明の施工方法によれば、トップコート層の表面温度を450℃以下になるよう制御することで、基材の膨張が抑制されるため、トップコート層にかかる圧縮応力を抑制することができる。これによって、亀裂の発生が抑制され、熱サイクル耐久性の高い遮熱コーティングを施工することができる。 Conventionally, the top coat layer is formed by laminating a plurality of ceramic films by repeatedly performing thermal spraying to have a desired film thickness. Therefore, in the production of an actual machine, if an attempt is made to apply a thermal barrier coating under the same conditions as in the element test, the temperature of the substrate will rise due to the difference in heat capacity. The substrate whose temperature has risen expands, and the expanded substrate shrinks when returning to room temperature. Since there is a difference in thermal expansion coefficient between the base material and the top coat layer, the shrinkage of the base material gives a compressive stress to the top coat layer, and cracks are likely to occur in the top coat layer. That is, the heat cycle durability of the topcoat layer is reduced. According to the construction method of the present invention, by controlling the surface temperature of the topcoat layer to be 450 ° C. or lower, the expansion of the base material is suppressed, so that the compressive stress applied to the topcoat layer can be suppressed. . Thereby, generation | occurrence | production of a crack is suppressed and a thermal barrier coating with high thermal cycle durability can be applied.
トップコート層の遮熱性は、気孔率に影響される。気孔率が低くなると、熱伝導率が高くなるため、遮熱性が低下する。トップコート層の表面温度を450℃以下になるよう制御すると、成膜中の温度上昇によるトップコート層の気孔率の低下を抑制することができる。これによって、遮熱特性の高い遮熱コーティングを施工することができる。 The heat shielding property of the top coat layer is affected by the porosity. When the porosity is lowered, the thermal conductivity is increased, so that the heat shielding property is lowered. When the surface temperature of the topcoat layer is controlled to be 450 ° C. or lower, it is possible to suppress a decrease in the porosity of the topcoat layer due to a temperature rise during film formation. Thereby, a thermal barrier coating having a high thermal barrier property can be applied.
上記発明において、前記温度制御する工程が、一のセラミックス膜を形成するための溶射と、前記一のセラミックス膜上に別のセラミックス膜を形成するための溶射との間に所定の時間間隔を設ける手段でなされても良い。
溶射を連続して行うと、基材及びセラミックス膜の温度が上昇する。溶射と溶射との間に所定の時間間隔を設けることで、大気放熱などによって、基材及びセラミックス膜の温度上昇幅を抑制することができる。
In the above invention, the temperature controlling step provides a predetermined time interval between the thermal spraying for forming one ceramic film and the thermal spraying for forming another ceramic film on the one ceramic film. It may be done by means.
When the thermal spraying is continuously performed, the temperature of the base material and the ceramic film increases. By providing a predetermined time interval between the thermal spraying, the temperature rise width of the base material and the ceramic film can be suppressed by atmospheric heat dissipation or the like.
上記発明において、前記温度制御する工程が、前記耐熱合金基材を、前記耐熱合金基材の前記トップコート層が形成される側と反対側の面から、冷却媒体によって冷却する手段によってなされても良い。
耐熱合金基材の裏面から冷却することで、基材の板厚方向の温度分布を、トップコート層を形成させる側が高く、裏面側が低くなるように制御することができる。冷却された耐熱合金基材は、トップコート層を形成させる側に引張応力を生ずるよう作用するため、基材の熱膨張によってトップコート層へ負荷される圧縮応力が軽減される。これによりトップコート層中での亀裂発生が低減され、遮熱コーティングの耐久性の向上につながる。また、トップコート層が形成される面を直接冷却しないため、外部の冷却ガスの流れや、トップコート層が形成される面の温度低下による溶射粒子の偏平挙動に悪影響を与えることもない。さらに、トップコート層を形成すると同時に温度制御できるため、製造に要する時間の短縮や製造コストの削減にもつながる。
In the above invention, the step of controlling the temperature may be performed by means for cooling the heat-resistant alloy base material with a cooling medium from a surface opposite to the side on which the top coat layer of the heat-resistant alloy base material is formed. good.
By cooling from the back surface of the heat-resistant alloy substrate, the temperature distribution in the plate thickness direction of the substrate can be controlled such that the side on which the topcoat layer is formed is high and the back surface side is low. Since the cooled heat-resistant alloy base material acts to generate a tensile stress on the side on which the topcoat layer is formed, the compressive stress applied to the topcoat layer due to the thermal expansion of the base material is reduced. This reduces the occurrence of cracks in the topcoat layer, leading to improved durability of the thermal barrier coating. Further, since the surface on which the topcoat layer is formed is not directly cooled, there is no adverse effect on the flow of external cooling gas or the flattening behavior of the spray particles due to the temperature drop on the surface on which the topcoat layer is formed. Furthermore, since the temperature can be controlled simultaneously with the formation of the topcoat layer, the manufacturing time can be shortened and the manufacturing cost can be reduced.
上記発明において、前記トップコート層を形成する工程が、前記セラミックス膜の初層を形成する前に、前記ボンドコート層が形成された前記耐熱合金基材を100℃以上に予熱する工程を備えることが好ましい。 In the above invention, the step of forming the top coat layer includes a step of preheating the heat-resistant alloy substrate on which the bond coat layer is formed to 100 ° C. or higher before forming the first layer of the ceramic film. Is preferred.
基材(耐熱合金基材/ボンドコート層)上に溶射によってセラミックス膜の初層を形成させる際、基材温度が、溶射粒子の偏平挙動に影響を与える。温度が上がると、溶射粒子の偏平化が促進され、セラミックス膜の組織は緻密化する方向に変化する。
一般的には、粒子の完全な扁平状態(パンケーキ状の扁平状態)になる条件を用いることが良いように見えるが、セラミック遮熱コーティングの場合、適度な気孔を膜内に形成する必要があるので、密着性のみを考えて、扁平させすぎることが、必ずしも最適とは言えない。
この傾向は、基材側の材質や、熱容量、粗面化の状態等によっても変わる。また、予熱温度を上げすぎることは、成膜時の温度全体を上げることにつながるので、遮熱性の低下や耐久性の低下につながる場合があり、後述のように、予熱(成膜開始温度)だけでなく、成膜時の温度全体での制御を行う必要がある。
従って、予熱は、100℃以上200℃以下で行うことが好ましい。これによって、組織緻密化や耐久性にほとんど影響せず、密着性改善効果を得ることができる。熱容量が小さな成膜対象(板厚の薄い対象)等、基材温度が溶射粒子の扁平挙動に与える影響が少ないと考えられる場合であっても、上記範囲で予熱を行うことで、成膜部の付着水分などを除去する効果が得られ、密着性や組織的な改善効果が期待できる。
When the first layer of the ceramic film is formed by thermal spraying on the substrate (heat-resistant alloy substrate / bond coat layer), the substrate temperature affects the flattening behavior of the spray particles. When the temperature rises, the flattening of the spray particles is promoted, and the structure of the ceramic film changes in the direction of densification.
In general, it seems to be good to use conditions that make the particles completely flat (pancake-like flat state), but in the case of ceramic thermal barrier coating, it is necessary to form appropriate pores in the film Therefore, it is not always optimal to make it too flat considering only adhesion.
This tendency varies depending on the material on the substrate side, the heat capacity, the roughened state, and the like. Also, if the preheating temperature is raised too much, it will lead to an increase in the overall temperature during film formation, which may lead to a decrease in heat shielding properties and durability, and preheating (deposition start temperature) as described later. In addition, it is necessary to control the entire temperature during film formation.
Therefore, preheating is preferably performed at 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. As a result, the effect of improving the adhesion can be obtained with little influence on the densification and durability of the structure. Even if it is considered that the influence of the substrate temperature on the flattening behavior of the thermal spray particles is small, such as a film formation target with a small heat capacity (target with a small plate thickness), the film formation part The effect of removing adhering moisture and the like can be obtained, and adhesion and systematic improvement effects can be expected.
上記発明において、前記溶射がプラズマ溶射であり、前記予熱を、原料粒子を溶射しないでプラズマによって行うことが好ましい。
原料粒子を溶射しないとは、原料粒子を供給しない状態のことを意味する。上記プラズマは、セラミックス膜の成膜に用いる溶射装置を用いて発生させることができ、セラミックス溶射の熱源として用いられる。すなわち、このプラズマの中に、セラミックス粉末を供給することによって、溶射が行われるわけであるが、粉末を供給しない状態にすれば、単純な加熱源として用いることができる。溶射施工と同様に、ロボットでプラズマガンを被溶射物の表面をまんべんなく、炙るように加熱することで、均一な加熱状態を溶射施工前のセッティング状態のまま得ることができる。プラズマそのものは、中心部は10000℃程度の高温であるが、プラズマガンと被溶射物との間の距離を適正に保つことで、被溶射物は、プラズマからの輻射熱で加熱されるため、温度制御は、比較的簡単、かつ正確に行うことができる。そのため、溶射時のセッティング状態で、加熱が行えるため、加熱終了から、溶射成膜開始までの時間を正確に制御することで、予熱温度の精度を上げられるとともに、製造工程数や製造コストの増加もほとんどない上、基材の移動等によって生じる汚染の心配もない。
In the above invention, the thermal spraying is preferably plasma spraying, and the preheating is preferably performed by plasma without spraying the raw material particles.
Not spraying the raw material particles means a state in which the raw material particles are not supplied. The plasma can be generated by using a thermal spraying apparatus used for forming a ceramic film, and is used as a heat source for ceramic thermal spraying. That is, thermal spraying is performed by supplying ceramic powder into this plasma, but if the powder is not supplied, it can be used as a simple heating source. Similar to the thermal spraying construction, a uniform heating state can be obtained in the setting state before the thermal spraying construction by heating the plasma gun so that the surface of the object to be sprayed is covered evenly by the robot. Although the plasma itself has a high temperature of about 10000 ° C., the temperature of the sprayed object is heated by the radiant heat from the plasma by keeping the distance between the plasma gun and the sprayed object appropriate. Control can be performed relatively easily and accurately. Therefore, since heating can be performed in the setting state at the time of thermal spraying, by accurately controlling the time from the end of heating to the start of thermal spraying film formation, the accuracy of the preheating temperature can be increased, and the number of manufacturing processes and manufacturing costs are increased. In addition, there is no concern about contamination caused by movement of the base material.
本発明によれば、セラミックス膜を形成する際に、トップコート層の表面温度を制御することで、高い熱サイクル耐久性と高い遮熱性を有する遮熱コーティングを施工することができる。このような遮熱コーティングが施工された耐熱部材及び該部材を用いたガスタービンは遮熱性が高く、耐久性に優れたものとなる。 According to the present invention, when the ceramic film is formed, a thermal barrier coating having high thermal cycle durability and high thermal barrier properties can be applied by controlling the surface temperature of the topcoat layer. A heat-resistant member on which such a thermal barrier coating is applied and a gas turbine using the member have high thermal barrier properties and excellent durability.
本実施形態に係る施工方法にて遮熱コーティングされた部材は、耐熱合金基材1と、耐熱合金基材1上に形成されたボンドコート層2と、ボンドコート層2上に形成されたトップコート層3とで構成されている(図1(a)V参照)。
耐熱合金基材1は、IN738LCなどのNi基耐熱合金が用いられる。
ボンドコート層2は、MCrAIY合金(Mは、Ni、Co、Fe等の金属元素またはこれらのうち2種類以上の組み合わせを示す)などとされ、部品の使用温度等の使用環境他により決定されるが、一般的に、0.05mm以上0.2mm以下の厚さで形成されている。
トップコート層3は、8質量%イットリア部分安定化ジルコニアなどとされ、部品の使用温度等の使用環境他により決定されるが、一般的に、0.1mm以上1mm以下の厚さとなるように複数のセラミックス膜3aが積層されている(図1(a)III参照)。
The member thermally coated by the construction method according to the present embodiment includes a heat-
As the heat-
The
The
以下に、本実施形態における遮熱コーティングの施工方法を説明する。
本実施形態における施工方法は、ボンドコート層2を形成する工程と、トップコート層3を形成する工程とを備えている。
ボンドコート層2を形成する工程では、耐熱合金基材1上に溶射又は蒸着などの既知の手法を用いてボンドコート層2を成膜する。本実施形態では低圧プラズマ溶射法を用いる。
トップコート層3を形成する工程では、ボンドコート層2まで形成した基材をプラズマによって予熱した後、プラズマ溶射法によってセラミックス膜3aを成膜する。このとき、トップコート層3が所望の膜厚となるまで繰り返し溶射する。
Below, the construction method of the thermal barrier coating in this embodiment is demonstrated.
The construction method in the present embodiment includes a step of forming the
In the step of forming the
In the step of forming the
予熱は、基材表面の温度をサーモビューアで測定し、基材表面温度が100℃以上となるまで加熱する。なお、この予熱工程は、省略しても良い。 Preheating is performed by measuring the temperature of the substrate surface with a thermo viewer and heating the substrate surface temperature to 100 ° C. or higher. Note that this preheating step may be omitted.
トップコート層3を形成するにあたり、トップコート層3の表面温度が450℃以下となるよう、耐熱合金基材1やボンドコート層2及びトップコート層3の材質や厚さ、成膜中の作業環境などを考慮してトップコート層3の表面温度を制御する。本実施形態において、トップコート層3の表面温度は、任意の一のセラミックス膜3aを形成する溶射と、上記セラミックス膜3a上に別のセラミックス膜3aを形成する溶射との間に所定の時間間隔を設けることでセラミックス膜3aの表面温度が450℃以下となるように制御する。
In forming the
なお、トップコート層3の表面温度は、耐熱合金基材1のセラミックス層3が形成される側と反対側から冷却することで450℃以下となるように制御しても良い。翼等のガスタービン部材は、内部冷却のための通路を備えているものがある。そのような部材に遮熱コーティングを施工する場合、上記通路に流量等を制御された冷却ガスを流しながら、溶射を実施することによって基材温度を制御することができる。
In addition, you may control the surface temperature of the
図1に、本実施形態に係る施工方法でトップコート層3を成膜したときの、基材及びセラミックス膜3aの表面温度プロファイルの一例を示す。図1(a)はトップコート層3の成膜中にトップコート層3の表面温度を制御した場合、図1(b)はトップコート層3の成膜中にトップコート層3の表面温度を制御せず、基材の温度上昇が進んだ場合の温度プロファイルである。図1に示されるように、基材の温度は、溶射を繰り返し行うことで上昇し(I〜IV)、成膜終了以降は低下する(IV〜V)。耐熱合金基材1及びボンドコート層2は、トップコート層3よりも熱膨張係数が大きいため、基材温度が低下する際に耐熱合金基材1及びボンドコート層2がより大きく収縮し、トップコート層3に圧縮応力がかかる。基材温度の降下幅が大きいほど、圧縮応力も大きくなる。図1(b)では、成膜終了後の基材の温度降下が大きいため、トップコート層3中に亀裂4を発生させる要因となる。一方、図1(a)では、温度制御することで、基材温度の上昇を抑制することができる。そのため、成膜終了後の温度降下幅が小さくなり、トップコート層3にかかる圧縮応力を小さくすることができる。また、図1(a)からわかるように、温度制御した場合、セラミックス膜3aの温度上昇は途中から飽和状態となる。従って、本実施形態においては、成膜中の基材及びトップコート層3の板厚方向の温度差は小さいと考える。
FIG. 1 shows an example of the surface temperature profile of the base material and the
以下に、トップコート層3の表面温度を450℃以下とする根拠を説明する。
(気孔率)
実施例1
以下の構成の遮熱コーティング部材を作製し、実施例1の試験片とした。
耐熱合金基材1:IN738LC
ボンドコート層2:CoNiCrAIY合金、膜厚0.1mm
トップコート層3:8質量%イットリア部分安定化ジルコニア、膜厚0.5mm
セラミックス膜3aは、大気プラズマ溶射法で、溶射電流600(A)、溶射距離150(mm)、粉末供給量60(g/min)、Ar/H2量;35/7.4(l/min)の条件により、気孔が含まれるよう成膜を行った。溶射と溶射との層間の時間間隔は20秒とした。
Hereinafter, the grounds for setting the surface temperature of the
(Porosity)
Example 1
A thermal barrier coating member having the following constitution was produced and used as a test piece of Example 1.
Heat-resistant alloy substrate 1: IN738LC
Bond coat layer 2: CoNiCrAIY alloy, film thickness 0.1 mm
Topcoat layer 3: 8% by weight yttria partially stabilized zirconia, film thickness 0.5 mm
実施例2
セラミックス膜3aの初層の成膜前に、耐熱合金基材1/ボンドコート層2を、原料粒子を供給しない状態で、プラズマによって100℃に予熱した以外は、実施例1と同様の工程で試験片を作製した。
Example 2
The same process as in Example 1 except that the heat-
実施例3
実施例2の予熱温度を200℃に変更した以外は、実施例1と同様の工程で試験片を作製した。
Example 3
A test piece was prepared in the same process as in Example 1 except that the preheating temperature in Example 2 was changed to 200 ° C.
実施例4
実施例2の予熱温度を300℃に変更した以外は、実施例1と同様の工程で試験片を作製した。
Example 4
A test piece was prepared in the same process as in Example 1 except that the preheating temperature in Example 2 was changed to 300 ° C.
表1に、実施例1〜実施例4の試験片のトップコート層3の施工終了時の表面温度及び気孔率を示す。トップコート層3の施工終了時の表面温度は、トップコート層3の成膜直後に、セラミックス膜3aの最上層表面側から赤外線放射温度計で計測した。気孔率は、組織の画像処理結果から算出した。
トップコート層3の施工終了時の表面温度が450℃を超えると、気孔率が低下しはじめ、より緻密な組織となることが確認された。
It was confirmed that when the surface temperature at the end of the construction of the
(熱サイクル耐久性)
実施例5〜実施例10及び比較例1
実施例1の予熱温度、溶射と溶射の層間の時間間隔を変更した以外は、実施例1と同様の工程で試験片を作製した。表2に、各実施例における予熱温度、時間間隔及びトップコート層3の施工終了時の表面温度を示す。
ここで、比較例1は、基材温度の上昇を考慮せず、連続的に施工を続けた場合で、図1(b)のような状態に相当する。
Examples 5 to 10 and Comparative Example 1
A test piece was prepared in the same process as in Example 1 except that the preheating temperature of Example 1 and the time interval between the layers of thermal spraying and thermal spraying were changed. Table 2 shows the preheating temperature, the time interval, and the surface temperature at the end of the construction of the
Here, Comparative Example 1 corresponds to the state as shown in FIG. 1B in the case where the construction is continuously performed without considering the increase in the substrate temperature.
実施例5〜実施例10及び比較例1の熱サイクル耐久性を測定した。図2は、熱サイクル耐久性の評価に用いたレーザ式熱サイクル試験装置の模式断面図である。この図に示すレーザ式熱サイクル試験装置は、本体部133上に配設された試料ホルダ132に、基材(耐熱合金基材1/ボンドコート層2)131A上にトップコート層131Bが形成された試料131を、トップコート層131Bが外側となるように配置し、この試料131に対して炭酸ガスレーザ装置130からレーザ光Lを照射することで試料131を、トップコート層131B側から加熱するようになっている。また、レーザ装置130による加熱と同時に本体部133を貫通して本体部133の内部の試料131裏面側と対向する位置に配設された冷却ガスノズル134の先端から吐出されるガス流Fにより試料131をその裏面側から冷却するようになっている。
The thermal cycle durability of Examples 5 to 10 and Comparative Example 1 was measured. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a laser thermal cycle test apparatus used for evaluation of thermal cycle durability. In the laser thermal cycle testing apparatus shown in this figure, a
このレーザ式熱サイクル試験装置によれば、容易に試料131内部に温度勾配を形成することができ、ガスタービン部材などの高温部品に適用された場合の使用環境に即した評価を行うことができる。図3(a)は、図2に示す装置により熱サイクル試験に供された試料の温度変化を模式的に示すグラフである。この図に示す曲線A〜Cは、それぞれ図3(b)に示す試料131における温度測定点A〜Cに対応している。図3(b)に示すように、図2に示す装置によれば試料131のトップコート層131B表面(A)、トップコート層131Bと基材131Aとの界面(B)、基材131Aの裏面側(C)の順に温度が低くなるように加熱することができる。
例えば、トップコート層131Bの表面を1200℃以上の高温とし、トップコート層131Bと基材131Aとの界面の温度を800〜1000℃とすることで、実機ガスタービンと同様の温度条件とすることができる。なお、本試験装置による加熱温度と温度勾配は、レーザ装置130の出力とガス流量Fとを調整することで、容易に所望の温度条件とすることができる。
According to this laser type thermal cycle test apparatus, a temperature gradient can be easily formed inside the
For example, by setting the surface of the
図2に示すレーザ式熱サイクル試験装置を用い、最高表面温度(トップコート層表面の最高温度)を1750℃とし、最高界面温度(トップコート層と耐熱合金基材1/ボンドコート層2との界面の最高温度)を900℃とする繰り返しの加熱を行った。本条件は、効果の明確化を図るため、温度的にはかなり厳しい条件(温度加速条件)を用いている。この熱サイクル試験においてトップコート層131Bに剥離が生じた時点でのサイクル数を熱サイクル耐久性の評価値とした。
Using the laser thermal cycle test apparatus shown in FIG. 2, the maximum surface temperature (the maximum temperature of the top coat layer surface) is set to 1750 ° C., and the maximum interface temperature (the top coat layer and the heat
図4に、熱サイクル耐久性試験の結果を示す。同図において、横軸は試料名、縦軸は実施例5の場合を100%としたときの熱サイクル相対寿命である。実施例5〜実施例10は、耐久性にばらつきはあるが、いずれも、実施例5と同様の、寿命100%程度であった。一方、比較例1の熱サイクル相対寿命は、10%程度で、明らかな耐久性低下が認められた。上記結果から、トップコート層3の施工終了時の表面温度を450℃以下とすることで、熱サイクル耐久性を向上させることができる。
FIG. 4 shows the results of the thermal cycle durability test. In the figure, the horizontal axis represents the sample name, and the vertical axis represents the thermal cycle relative life when the case of Example 5 is 100%. Examples 5 to 10 had variations in durability, but all had a lifetime of about 100% as in Example 5. On the other hand, the thermal cycle relative life of Comparative Example 1 was about 10%, and a clear decrease in durability was observed. From the above results, the heat cycle durability can be improved by setting the surface temperature at the end of the construction of the
(基材の予熱)
実施例11,実施例12
原料粒子を溶射する基材として、IN738LC(実施例11)または8質量%イットリア部分安定化ジルコニア(実施例12)を用いた。セラミックス膜3aの原料粒子として、8質量%イットリア部分安定化ジルコニア(実施例12)を用いた。予熱温度を変化させた基材上に、プラズマ溶射法によってセラミックス膜3aの原料粒子を溶射し、粒子の扁平状態を観察した。図5(実施例11)及び図6(実施例12)は、基材上に溶射粒子1個が衝突した場合の走査型電子顕微鏡写真と、予熱温度と扁平率の関係を示すグラフである。図5の写真I〜III及び図6の写真II〜IIIは、グラフ中の番号(I〜III)に対応している。扁平率は、走査型電子顕微鏡観察視野内の扁平粒子数を総粒子数で除した割合として算出した。ここでの、扁平粒子とは、図5の写真IIIに示すような、一般的にパンケーキ状と言われている、基材面に円状に広がるように扁平した粒子を示す。
(Preheating the base material)
Example 11 and Example 12
IN738LC (Example 11) or 8 mass% yttria partially stabilized zirconia (Example 12) was used as a base material on which the raw material particles were sprayed. As raw material particles of the
図5及び図6から、基材の温度が低いと粒子は扁平しにくく、温度が上がると、扁平しやすくなることが分かる。実施例11では予熱温度が200℃以上から、実施例12では予熱温度が100℃以上から、粒子が大きく扁平するようになった。溶射粒子の温度は、イットリア部分安定化ジルコニアの融点付近(2700℃以上)と推定される。そのため、溶射された粒子が基材上に衝突した際に、基材温度が低いと、粒子が急激に冷やされて粒子の温度が融点以下となるため、粒子は変形し難くなると考えられる。実施例12では、基材がセラミックスであるため、実施例11の金属の基材に比べて熱伝導率が低い。そのため、粒子の熱が奪われにくく、実施例11よりも低めの温度であっても、扁平形態が変化すると考えられる。 5 and 6, it can be seen that the particles are less likely to flatten when the temperature of the substrate is low, and flattened easily when the temperature rises. In Example 11, the preheating temperature was 200 ° C. or higher, and in Example 12, the preheating temperature was 100 ° C. or higher. The temperature of the spray particles is estimated to be near the melting point (2700 ° C. or higher) of yttria partially stabilized zirconia. For this reason, when the sprayed particles collide with the base material, if the base material temperature is low, the particles are rapidly cooled and the temperature of the particles becomes lower than the melting point, so that it is considered that the particles are hardly deformed. In Example 12, since the base material is ceramic, the thermal conductivity is lower than that of the metal base material of Example 11. Therefore, it is considered that the flat form is changed even at a temperature lower than that of Example 11 because the heat of the particles is not easily taken.
実施例13
入口温度1500℃級ガスタービンの動翼に遮熱コーティングを施工した。施工方法を以下で説明する。低圧プラズマ溶射法によって動翼にボンドコート層2を成膜した。その後、プラズマ溶射ガンを用いて基材表面が100℃となるまで加熱した。次に、プラズマ溶射ガンから原料粒子を溶射して、多層のセラミックス膜3aを成膜した。
Example 13
A thermal barrier coating was applied to the moving blade of a gas turbine with an inlet temperature of 1500 ° C. The construction method will be described below. The
上記で施工した動翼をガスタービン実証試験装置に装着して使用した結果、使用時間:2500時間以上、起動発停:150回以上であっても、トップコート層3が剥離する等のトラブルもなく、良好に使用することができた。
As a result of using the rotor blade constructed above in the gas turbine verification test device, troubles such as peeling off the
1 耐熱合金基材
2 ボンドコート層
3 トップコート層
3a セラミックス膜
4 亀裂
130 レーザ装置
131 試料
132 試料ホルダ
133 本体部
134 冷却ガスノズル
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記トップコート層を形成する工程が、複数のセラミックス膜を溶射によって形成する工程と、前記トップコート層の表面温度が450℃以下となるよう温度制御する工程とを備える遮熱コーティングの施工方法。 A step of forming a bond coat layer on the heat-resistant alloy substrate, and a step of forming a top coat layer on the bond coat layer,
A method for applying a thermal barrier coating, wherein the step of forming the topcoat layer comprises a step of forming a plurality of ceramic films by thermal spraying and a step of controlling the temperature so that the surface temperature of the topcoat layer is 450 ° C. or lower.
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