JP2013181192A - 遮熱コーティング材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポーラス組織と縦割れ組織とを兼ね備えたトップコート層を有する遮熱コーティング材の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】遮熱コーティング材の製造方法は、耐熱基材１上に、アンダーコート層２とトップコート層３とを順に備える遮熱コーティング材の製造方法であって、セラミック粉末及び所定量の樹脂性粉末を、所定の溶射条件によりアンダーコート層２上に溶射してトップコート層３を形成するトップコート層形成工程と、トップコート層３に、厚さ方向に延びる亀裂５を形成する亀裂形成工程と、亀裂形成工程の後、耐熱基材１を熱処理して、トップコート層２中に気孔３を形成する気孔形成工程と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンの動静翼や燃焼器などの高温環境で使用される部材に施された遮熱コーティングの製造方法に係り、特に遮熱コーティング材のトップコート層の形成に関するものである。

ガスタービンなどの発電装置は、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、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。

ＴＢＣは、基材側から金属結合層（アンダーコート層）とセラミックス層（トップコート層）を積層した構成とされる。
アンダーコート層は、耐酸化性に優れたＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｃｏ及びＮｉのうち少なくとも１種の元素を表す）を主として含有し、基板上に溶射施工される。アンダーコート層は、基材への耐食機能、及び、基材とトップコート層とを結合する結合剤としての機能を備える。

トップコート層は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）系セラミックス粉末材料を用いて、アンダーコート層上にプラズマ溶射法により施工される。詳細には、セラミックス粉末材料をプラズマジェットで加熱溶融し、アンダーコート層上に吹きつけることでトップコート層を形成する。

トップコート層の断面組織は、「ポーラス組織」と「縦割れ組織」とに大別できる。図１４に、トップコート層の断面組織がポーラス組織とされる遮熱コーティング材の断面図を示す。図１５に、トップコート層の断面組織が縦割れ組織とされる遮熱コーティング材の断面図を示す。図１４及び図１５に示す遮熱コーティング材は、耐熱基材１上に、アンダーコート層２とトップコート層３とが順に積層されている。

図１４に示すように、「ポーラス組織」は、セラミック粉末材料の隙間などから形成された空孔４を多く含む構造とされる。トップコート層３に空孔４を設けることで、遮熱コーティング材の熱伝導率を下げる効果が得られる。

図１５に示すように、「縦割れ組織」は、トップコート層３の膜厚方向に割れ（縦割れ）５が入った構造とされる。縦割れ５を設けることにより、縦割れ５により熱歪みを吸収できるため、熱応力を低減し、トップコート層３が剥離しにくくなるという効果が得られる。特許文献１には、レーザビームを用いてトップコート層に縦割れを形成する方法が記載されている。

特許第４４３４６６７号公報（請求項１）

遮熱コーティング材には高い遮熱性が要求されため、トップコート層はポーラス組織とされることが望ましい。しかしながら、ポーラス組織は、ガスタービンの高温運転時の熱膨張差による熱応力に対して剥離しやすい傾向がある。一方、トップコート層を縦割れ組織とすると、剥離しにくくなるが、組織内に空孔が少ないため、熱伝導率が高くなる傾向を示す。

遮熱コーティング材の低熱伝導率と熱応力に対する高い耐熱性を両立させるためには、ポーラスで、且つ、縦割れを含むトップコート層を形成することが望ましい。しかしながら、縦割れ組織を形成するためには、トップコート層を緻密にする必要があり、ポーラス組織と両立させることは難しい。溶射によりトップコート層を形成する場合には、また、特許文献１に記載のように、レーザビームを用いて縦割れを形成する場合、空孔率が８体積％以上のトップコート層では、縦割れではなく横割れが形成されやすくなる。

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、ポーラス組織と縦割れ組織とを兼ね備えたトップコート層を有する遮熱コーティング材の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の遮熱コーティング材の製造方法は以下の手段を採用する。
本発明は、耐熱基材上に、アンダーコート層とトップコート層とを順に備える遮熱コーティング材の製造方法であって、セラミック粉末及び所定量の樹脂性粉末を、所定の溶射条件により前記アンダーコート層上に溶射してトップコート層を形成するトップコート形成工程と、前記トップコート層に、厚さ方向に延びる亀裂を形成する亀裂形成工程と、前記亀裂形成工程の後、前記耐熱基材を熱処理して、前記トップコート層中に気孔を形成する気孔形成工程と、を備える遮熱コーティング材の製造方法を提供する。

上記発明によれば、トップコート層に、厚さ方向に延びる亀裂（縦割れ）を形成した後、気孔を形成する。トップコート層は、樹脂性粉末を含むよう形成されるため、熱処理することにより樹脂性粉末を気化させることでトップコート層中に気孔を形成することができる。トップコート層に含まれる気孔は、遮熱コーティング材の熱伝導率を下げる効果がある。トップコート層の気孔率は樹脂性粉末の混合量を調整することで、制御可能である。よって、トップコート層を形成する際の溶射は、縦割れ形成に適した溶射条件を選択することができる。縦割れが形成されたトップコート層は、熱応力に対して剥離し難くなる。

上記発明の一態様において、トップコート層は、前記セラミック粉末と前記所定量の樹脂性粉末とを予め混合した混合粉末をプラズマフレームに供給する、または、前記セラミック粉末をプラズマフレーム内へ供給し、前記プラズマフレームの外にて前記プラズマフレームで加熱溶融されたセラミックと混合されるよう前記所定量の樹脂性粉末を供給することで形成する。

混合粉末を用いることで、プラズマ溶射装置の構成をよりシンプルにすることができる。また、樹脂性粉末をプラズマフレームを外して供給した場合には、トップコート層形成時の熱による樹脂性粉末の蒸発を防止することができるため、トップコート層内に所望量の樹脂を含有させることが容易となる。また、トップコート層内の気孔率を増加させることもできる。

上記発明の一態様では、前記亀裂形成工程において、前記所定の溶射条件を亀裂形成可能な条件に設定することにより前記亀裂を形成することができる。

上記発明の一態様によれば、トップコート層形成時の溶射条件を、亀裂形成可能な条件、すなわち、トップコート層の組織がより緻密になるような条件に設定することで、トップコート層を形成すると同時に、縦割れも形成することができる。トップコート層の組織をより緻密にするためには、溶射ガンの出力を大きくし、溶射距離を短くすることが効果的である。

上記発明の一態様では、前記亀裂形成工程において、前記混合粉末を溶射して形成したトップコート層上に、所定の照射条件によりレーザビームを照射することにより前記亀裂を形成しても良い。

上記発明の一態様によれば、トップコート層を形成した後に、レーザビームを照射することにより縦割れを形成させるため、トップコート層形成時の溶射条件の制限が緩和される。特に、溶射距離を離すことができるため、施工時の作業性を向上させることが可能となる。

本発明によれば、トップコート層の溶射材料に樹脂性粉末を混合させて溶射膜を形成することで、縦割れ形成後に熱処理によりトップコート層中に気孔を形成させることができる。それにより、ポーラス組織と縦割れ組織とを兼ね備えたトップコート層を有する遮熱コーティング材を製造することが可能となる。このような遮熱コーティング材は、低熱伝導で、且つ、高い耐剥離性を有する遮熱コーティング材となる。

第１実施形態に係る遮熱コーティング材の製造方法で製造した遮熱コーティング材の断面図である。 プラズマ溶射ガンの概略断面図である。 遮熱コーティング材の断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。 遮熱コーティング材の断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。 遮熱コーティング材の断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。 セラミック粉末及び樹脂性粉末の供給方法を示す概略図である。 セラミック粉末及び樹脂性粉末の供給方法を示す概略図である。 試験片１の断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。 試験片２の断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。 試験片３の断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。 試験片４の断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。 試験片５の断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。 第３実施形態に係る遮熱コーティング材の製造方法で製造した遮熱コーティング材の断面図である。 トップコート層の断面組織がポーラス組織とされる従来の遮熱コーティング材の断面図である。 トップコート層の断面組織が縦割れ組織とされる従来の遮熱コーティング材の断面図である。

以下に、本発明に係る遮熱コーティング材の製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
本実施形態に係る遮熱コーティング材の製造方法で製造される遮熱コーティングは、耐熱基材上に、アンダーコート層及びトップコート層が順に積層された構成とされる。
耐熱基材は、ＩＮ７３８ＬＣなどのＮｉ基耐熱合金などとされる。
アンダーコート層は、耐熱基材上に低圧プラズマ溶射法などにより形成される。アンダーコート層は、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１種の元素を示す）などとされ、一般的に、０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の厚さとされる。

トップコート層は、アンダーコート層上に大気圧プラズマ溶射法（ＡＰＳ）によって形成される。トップコート層は、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＹｂＳＺ（イッテルビア安定化ジルコニア）、ＤｙＳＺ（ジスプロシア安定化ジルコニア）、ＥｒＳＺ（エルビア安定化ジルコニア）、またはＳｍＹｂＺｒ_２Ｏ_７などからなる。トップコート層の厚さは、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とされる。

トップコート層は、層中に複数の気孔を有する。気孔が大きすぎるとトップコート層の熱サイクル耐久性が低下するため、気孔の大きさは、１μｍ以上５０μｍ以下、好ましくは３μｍ以上２０μｍ以下とされる。気孔の大きさを上記範囲とすることで、溶射膜の熱サイクル耐久性の低下を抑制することができる。トップコート層の気孔率は、１体積％以上２０体積％以下、好ましくは５体積％以上１５体積％以下とされる。気孔率を上記範囲とすることで、低熱伝導率のトップコート層となり、遮熱コーティング材の遮熱特性が向上する。気孔率が５体積％より小さい場合、縦割れ組織が形成しやすくなるものの、遮熱性が低下する。一方、気孔率が１５体積％より大きい場合、トップコート層内の粒子の密着性が弱くなり、耐エロージョン性などが低下する懸念がある。

本実施形態に係る遮熱コーティング材の製造方法は、トップコート層形成工程と、亀裂形成工程と、気孔形成工程と、を備えることを特徴とする。また、本実施形態において、亀裂形成工程は、トップコート層形成工程に組み込まれて実施される。本実施形態では、アンダーコート層は、既知の手法により耐熱基材上に形成されたものとし、アンダーコート層が形成された耐熱基材上にトップコート層を形成する工程を中心に説明する。
図１に、本実施形態に係る遮熱コーティング材の製造方法で製造した遮熱コーティング材の断面図を示す。図１（Ａ）は亀裂形成工程後、図１（Ｂ）は気孔形成工程後の遮熱コーティングの断面図である。

（１）トップコート層形成工程及び亀裂形成工程（図１（Ａ））
まず、溶射用粉末として、セラミック粉末に樹脂性粉末を混合した混合粉末を調製する。セラミック粉末及び樹脂性粉末は、溶射直前に十分に撹拌し、均一な混合粉末とする。

セラミック粉末は、ＹＳＺ、ＹｂＳＺ、ＤｙＳＺ、ＥｒＳＺ、またはＳｍＹｂＺｒ_２Ｏ_７などの粉末とされる。セラミック粉末の粒径は、溶射に使用する溶射ガンの出力に応じて適宜設定され得る。例えば、溶射ガンの出力を、電流７００Ａ、電圧４０Ｖとする場合、セラミック粉末の粒度分布（平均粒径）は、１μｍ以上１２５μｍ以下とされると良い。好ましくは、１０μｍ以上４５μｍ以下とされる。より細かい粒子のセラミック粉末を用いることで、セラミック粉末の熱容量が小さくなるため、溶射熱で良く溶けるようになる。セラミック粉末をよく溶かして溶射膜を形成することで、トップコート層を緻密な組織とすることが可能となる。なお、上記溶射ガンよりも大出力の溶射ガンを用いる場合には、４５μｍを超える大きさのセラミック粉末を使用することもできる。

樹脂性粉末は、ポリエステルまたはアクリル樹脂などの熱可塑性樹脂粉末とされる。樹脂性粉末の粒径は、トップコート層中に形成したい気孔の大きさに応じて適宜選択されると良い。樹脂性粉末の粒度分布（平均粒径）は、１μｍ以上１５０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以上１００μｍ以下とされると良い。樹脂性粉末は、具体的には、架橋ポリメタクリル酸メチル粉末（積水化成品工業株式会社製、ＭＢＸ−５、平均粒径５μｍ）、ポリエステル粉末（スルザーメテコ社製、Ｓｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｅｃｏ ２３９５、ＺｒＯ_２７．５Ｙ_２Ｏ_３０．７ＢＮ４．５Ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ、ポリエステル平均粒径３０μｍ）、架橋ポリメタクリル酸メチル粉末（積水化成品工業株式会社製、ＭＢＸ−１２、平均粒径１２μｍ）、架橋ポリメタクリル酸メチル粉末（積水化成品工業株式会社製、ＭＢＸ−８０、平均粒径８０μｍ）などを使用できる。

混合粉末中の樹脂性粉末の割合は、１重量％以上５０重量％以下、好ましくは３重量％以上３０重量％以下とされる。

次に、大気圧プラズマ溶射法を用いて、アンダーコート層２上に、混合粉末を溶射する。図２に、プラズマ溶射ガンの概略断面図を示す。図２に示すプラズマ照射ガンは、内部に陰極７と陽極８とを有する。プラズマ照射ガンは、該陰極７と陽極８との間に電圧をかけてアーク放電９させるとともに、陰極７の後方からプラズマガス１０を送給することでプラズマ１１を発生することができる。本実施形態では、粉末供給ポート１２からプラズマフレーム中に混合粉末を供給し、加熱溶融した混合粉末１３により基材上に溶射皮膜を形成する。

溶射は、トップコート層３の形成と同時に該トップコート層３に厚さ方向に延びる亀裂（縦割れ）５を形成可能な条件で実施される。例えば、平均粒径が１０μｍ以上４５μｍ以下のセラミック粉末を用いる場合、電流：５００Ａ〜８００Ａ、電圧：５５Ｖ〜７０Ｖ、溶射距離：５０ｍｍ〜１２０ｍｍとされる。

（２）気孔形成工程（図１（Ｂ））
トップコート層３まで形成した耐熱基材１に対して、大気雰囲気にて熱処理を施す。熱処理は、大気炉などで行われる。熱処理は、トップコー層３に含まれる樹脂６が熱分解し、且つ、熱分解により生成された分解生成物が気化される温度以上で所定時間実施される。熱処理は、例えば、４００℃〜７００℃、１時間〜１０時間で実施すると良い。

本実施形態によれば、トップコート層形成工程では、樹脂６が混在した状態で溶射膜が形成される。該溶射膜は緻密な組織を有し、溶射後、温度低下に伴う熱応力の作用により亀裂が生じ、縦割れ５を有するトップコート層３となる。縦割れ５を形成することで、アンダーコート層２との界面に生じる熱応力を緩和できるため、トップコート層３の熱サイクル耐久性が向上する。

本実施形態によれば、縦割れ５を形成させた後に気孔４を形成する。トップコート層３には、樹脂６が混在しているため、溶射膜形成後に熱処理することによりトップコート層３中に気孔４を形成することができる。すなわち、トップコート層３として緻密な組織の溶射膜を形成した場合であっても、後に熱処理することによりポーラス組織を有するトップコート層３とすることができる。また、縦割れ形成時には、トップコート層中に樹脂６が存在するため、気孔率の高いトップコート層３を形成したい場合であっても、気孔４の存在が縦割れ５の形成を阻害する恐れがない。

（実施例１）
第１実施形態に従って、遮熱コーティング材を製造した。耐熱基材１はＩＮ７３８とした。アンダーコート層２はＣｏＮｉＣｒＡｌＹとした。
トップコート層３は次にように形成した。セラミック粉末としては、Ａｍｐｅｒｉｔ８２７．０５４（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、７ＹＳＺ、粒度分布（平均粒径）１０μｍ〜４５μｍ）を使用した。樹脂性粉末としては、架橋ポリメタクリル酸メチル粉末（積水化成品工業株式会社製、ＭＢＸ−１０、平均粒径１０μｍ）を使用した。

セラミック粉末に樹脂性粉末を３重量％または６重量％混合させた混合粉末をアンダーコート層２上に溶射してトップコート層３（厚さ０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ）を形成した。また、比較対照としてセラミック粉末を用いて同様にトップコート層３を形成した。溶射条件は、電流７００Ａ、電圧６０Ｖ、溶射距離７０ｍｍとした。トップコート層３を形成した耐熱基材１を大気炉に入れ、４００℃で４時間熱処理し、遮熱コーティング材とした。

上記で製造した遮熱コーティング材について、断面ミクロ組織を顕微鏡にて観察した。図３〜図５に、遮熱コーティング材の断面ミクロ組織の顕微鏡写真を示す。図３はセラミックス粉末、図４は樹脂性粉末を３重量％混合した混合粉末、図５は樹脂性粉末６重量％混合した混合粉末、を用いてトップコート層３を形成した遮熱コーティング材の顕微鏡写真である。図３〜図５によれば、樹脂性粉末の混合量の増加に伴い、トップコート層内の気孔（図中の黒い点状のもので、φ１μｍ〜φ３０μｍ程度の大きさを有する。縦割れは、コーティングの水平方向長さ１ｍｍあたり２本以上とする。コーティングが厚膜になるほど層内の熱応力が大きくなって、縦割れを形成しやすい。図３は、約２ｍｍの厚膜コーティング（約２ｍｍ）であるため、縦割れが明瞭に観察される。）の占有率も増加した。

〔第２実施形態〕
本実施形態に係る遮熱コーティング材の製造方法は、トップコート層形成工程におけるセラミック粉末及び樹脂性粉末の供給方法が異なる以外は、第１実施形態と同様である。
まず、溶射用粉末として、セラミック粉末及び樹脂性粉末を個別に用意する。使用するセラミック粉末及び樹脂性粉末は、第１実施形態と同様とされる。
樹脂性粉末は、セラミック粉末と樹脂性粉末を合わせた総重量の１重量％以上５０重量％以下、好ましくは３重量％以上３０重量％以下となるようにする。

次に、大気圧プラズマ溶射法を用いて、アンダーコート層２上に、セラミック粉末及び樹脂性粉末を溶射する。図６に、セラミック粉末及び樹脂性粉末の供給方法を示す。本実施形態では、セラミック粉末と樹脂性粉末とを別々の供給ポートから供給する。詳細には、セラミック粉末は第１実施形態と同様に粉末供給ポート１２からプラズマフレーム内に供給する。樹脂性粉末は、加熱溶融されたセラミック粉末とプラズマフレームの外で混合されるよう樹脂性粉末供給ポート１４から供給される。図６では、プラズマフレームの法線方向に対して樹脂性粉末供給ポート１４の軸をプラズマの前方に向けて傾斜させることで、プラズマフレームを外して樹脂性粉末を供給している。

本実施形態によれば、トップコート形成時に樹脂性粉末がプラズマフレームの熱で蒸発することを防止できるため、トップコート層に含まれる樹脂性粉末の量を制御しやすくなる。

なお、プラズマフレームを外して樹脂性粉末を供給する方法は、樹脂性粉末供給ポート１４の軸を傾けることに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、樹脂性粉末供給ポート１４を、粉末供給ポート１２からプラズマの前方へ所定距離離して配置しても良い。

（実施例２）
第１実施形態及び第２実施形態に従って、遮熱コーティング材を製造した。
耐熱基材１はＩＮ７３８、アンダーコート層２はＣｏＮｉＣｒＡｌＹとし、アンダーコート層２上にトップコート層３を形成した。
セラミック粉末は、Ａｍｐｅｒｉｔ８２７．０５４（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社製、７ＹＳＺ、粒度分布（平均粒径）１０μｍ〜４５μｍ）を使用した。樹脂性粉末は、架橋ポリメタクリル酸メチル粉末（積水化成品工業株式会社製、ＭＢＸ−２０、ＭＢＸ−８０、平均粒径２０μｍまたは８０μｍ）を使用した。

表１にトップコート層形成の試験条件を示す。

表１の粉末供給方法において、「混合」は、第１実施形態に従いセラミック粉末と樹脂性粉末とを予め混合させた混合粉末を粉末供給ポート１２から供給したことを意味する。
「別供給Ａ」は、第２実施形態の図６のように、セラミック粉末を粉末供給ポート１２からプラズマフレーム内に供給するとともに、プラズマフレームの法線方向に対して１５°傾斜させた樹脂性粉末供給ポート１４からプラズマフレーム外へ樹脂性粉末を供給することを意味する。
「別供給Ｂ」は、第２実施形態の図７のように、セラミック粉末を粉末供給ポート１２からプラズマフレーム内に供給するとともに、粉末供給ポートからプラズマ前方に３０ｍｍ距離をあけて配置した樹脂性粉末供給ポート１４から樹脂性粉末をプラズマフレームの先端部、あるいは、外へ供給することを意味する。実際には、プラズマフレームで加熱溶融されたセラミック粒子に巻き込まれる形になる。

表１に示す試験条件１〜５によりトップコート層（厚さ０．３ｍｍ〜０．６ｍｍ）を形成した後、トップコート層３を形成した耐熱基材１を大気炉に入れ、４００℃で４時間熱処理し、試験片１〜５とした。

試験片１〜５について、断面ミクロ組織を顕微鏡にて観察した。図８〜図１２に、試験片１〜５の断面ミクロ組織の顕微鏡写真を示す。図８は、試験Ｎｏ．１の条件で作製した試験片１の断面ミクロ組織である。図９は、試験Ｎｏ．２の条件で作製した試験片２の断面ミクロ組織である。図１０は、試験Ｎｏ．３の条件で作製した試験片３の断面ミクロ組織である。図１１は、試験Ｎｏ．４の条件で作製した試験片４の断面ミクロ組織である。図１２は、試験Ｎｏ．５の条件で作製した試験片５の断面ミクロ組織である。

図８〜１２によれば、試験片１〜５のいずれにおいてもトップコート層３内に気孔が存在し、且つ、縦割れも形成されることが確認された。試験片１と比較して、試験片２〜５でトップコート層３内の気孔率は１〜２％増加した。

上記結果から、ポーラス組織と縦割れ組織とを兼ね備えたトップコート層を有する遮熱コーティング材を製造するのに、第１実施形態及び第２実施形態に係る遮熱コーティング材の製造方法が有効であると言える。また、第１実施形態及び第２実施形態において、（ｉ）樹脂性粉末の粒径を大きくする、（ｉｉ）樹脂性粉末の混合量を増やす、（ｉｉｉ）プラズマフレームの出力を下げる、を組み合わせることにより、トップコート層内の気孔を増やすことができる。

〔第３実施形態〕
本実施形態に係る遮熱コーティング材の製造方法で製造される遮熱コーティングは、第１実施形態と同様の構成とされる。本実施形態に係る遮熱コーティング材の製造方法は、トップコート層形成工程と、トップコート形成工程の後に実施される亀裂形成工程と、気孔形成工程と、を備えることを特徴とする。本実施形態では、アンダーコート層は、既知の手法により耐熱基材上に形成されたものとし、アンダーコート層が形成された耐熱基材上にトップコート層を形成する工程を中心に説明する。
図２に、本実施形態に係る遮熱コーティング材の製造方法で製造した遮熱コーティング材の断面図を示す。図１３（Ａ）はトップコート形成工程後、図１３（Ｂ）は亀裂形成工程後、図１３（Ｃ）は気孔形成工程後の遮熱コーティングの断面図である。

（１）トップコート層形成工程（図１３（Ａ））
まず、第１実施形態と同様に、溶射用粉末として、セラミック粉末に樹脂性粉末を混合した混合粉末を調製する。セラミック粉末及び樹脂性粉末は、溶射直前に十分に撹拌し、均一な混合粉末とする。使用するセラミック粉末及び樹脂性粉末は、第１実施形態と同様とされる。

次に、大気圧プラズマ溶射法を用いて、アンダーコート層２上に、混合粉末を溶射する。溶射は、トップコート層３の形成と同時に該トップコート層３に縦割れ５が形成されず、且つ、気孔率が１０％を超えない緻密組織を形成する条件で実施される。
例えば、平均粒径が１０μｍ以上４５μｍ以下のセラミック粉末を用いる場合、溶射条件は、電流５００Ａ〜７００Ａ、電圧５５Ｖ〜７０Ｖ、溶射距離１２０ｍｍ〜１８０ｍｍとされる。さらに具体的には、溶射条件は、電流６００Ａ、電圧４０Ｖ、溶射距離１５０ｍｍとされる。

（２）亀裂形成工程（図１３（Ｂ））
レーザビームを、トップコート層３の表面上に局所照射しながら走査し、トップコート層内に引張応力を発生させることで、トップコート層３に縦割れ５を形成する。レーザビームの照射条件は、パワー密度４０Ｗ／ｍｍ^２〜２００Ｗ／ｍｍ^２、エネルギー密度２Ｊ／ｍｍ^２〜５Ｊ／ｍｍ^２、且つ、パワー密度とエネルギー密度との積が１８０Ｗ／ｍｍ^２・Ｊ／ｍｍ^２以上となるように設定する。パワー密度及びエネルギー密度が低すぎると縦割れの生成が不十分になる。また、パワー密度が大きすぎるとレーザ入熱が過多になって健全な溶射膜の形成が困難となる。また、エネルギー密度が大きすぎると溶射膜の剥離や表面性の悪化を招く要因となる。また、トップコート層３に縦割れ５を形成するためには、ある程度のレーザ入熱が必要となるため、パワー密度とエネルギー密度との積は１８０Ｗ／ｍｍ^２・Ｊ／ｍｍ^２以上であることが望ましい。

（３）気孔形成工程（図１３（Ｃ））
トップコート層３まで形成した耐熱基材１に対して、大気雰囲気にて熱処理を施す。熱処理は、第１実施形態と同様に実施される。

本実施形態によれば、トップコート層形成時に亀裂５を形成させる必要がないため、トップコート形成時の溶射条件の制限が緩和される。具体的には、溶射ガンの出力を下げ、溶射距離を大きくとることができるようになる。これにより、溶射膜施工時の作業性を向上させることができる。本実施形態は、特に、ガスタービンの動静翼などの曲線を有する複雑な形状の部材にトップコート層３を形成する際に有用である。

１ 耐熱基材
２ アンダーコート層
３ トップコート層
４ 空孔（気孔）
５ 縦割れ（厚さ方向に延びる亀裂）
６ 樹脂
７ 陰極
８ 陽極
９ アーク放電
１０ プラズマガス
１１ プラズマ
１２ 粉末供給ポート
１３ 加熱溶融した混合粉末
１４ 樹脂性粉末供給ポート

Claims (5)

1. 耐熱基材上に、アンダーコート層とトップコート層とを順に備える遮熱コーティング材の製造方法であって、
   セラミック粉末及び所定量の樹脂性粉末を、所定の溶射条件により前記アンダーコート層上に溶射してトップコート層を形成するトップコート層形成工程と、
   前記トップコート層に、厚さ方向に延びる亀裂を形成する亀裂形成工程と、
   前記亀裂形成工程の後、前記耐熱基材を熱処理して、前記トップコート層中に気孔を形成する気孔形成工程と、
   を備える遮熱コーティング材の製造方法。
2. 前記トップコート層形成工程において、前記セラミック粉末と前記所定量の樹脂性粉末とを予め混合した混合粉末をプラズマフレームに供給する請求項１に記載の遮熱コーティング材の製造方法。
3. 前記トップコート層形成工程において、前記セラミック粉末をプラズマフレーム内へ供給し、前記プラズマフレームの外にて前記プラズマフレームで加熱溶融されたセラミックと混合されるよう前記所定量の樹脂性粉末を供給する請求項１に記載の遮熱コーティング材の製造方法。
4. 前記亀裂形成工程において、前記所定の溶射条件を亀裂形成可能な条件に設定することにより前記亀裂を形成する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の遮熱コーティング材の製造方法。
5. 前記亀裂形成工程において、
   前記混合粉末を溶射して形成したトップコート層上に所定の照射条件によりレーザビームを照射することにより前記亀裂を形成する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の遮熱コーティング材の製造方法。

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