JP2016222992A - Thermal barrier coating, thermal barrier member, and steam device - Google Patents

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JP2016222992A
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国彦 和田
Kunihiko Wada
国彦 和田
悟 窪谷
Satoru Kubotani
悟 窪谷
威夫 須賀
Takeo Suga
威夫 須賀
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermal barrier coating having high heat insulating properties and high corrosion resistance, being free from the occurrence of cracking, peeling, or the like, and being excellent in economical efficiency.SOLUTION: In a thermal barrier coating 1, a plurality of ceramic layers 2 and a plurality of metal layers 3 are alternately laminated, total thermal resistance is 1×10mK/W or more, the surface roughness Ra of a boundary surface between the metal layer and the adjacent ceramic layer is 5 to 100 μm, the ceramic layer 2 contains ceramics selected from zirconium oxide, hafnium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, tungsten oxide, chromium oxide, gallium oxide, nickel oxide, magnesium oxide, or mullite, and the metal layer 3 contains a metal selected from nickel, cobalt, iron, chromium, aluminum, zinc, titanium, copper, yttrium or alloys thereof.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、遮熱コーティング、遮熱部材および蒸気機器に関する。   The present invention relates to a thermal barrier coating, a thermal barrier member, and a steam device.

内部に高温蒸気が流通される蒸気機器、例えば、火力発電設備における蒸気タービンでは、従来、タービンローターや動翼などの主要部品の基材には、経済性、製造性などを考慮してフェライト系耐熱鋼が利用されていた。また、近年、高効率化を目的として、600℃程度の高温蒸気を利用した蒸気タービンが使用されているが、このような高温の蒸気を利用した場合、フェライト系耐熱鋼ではその耐熱性が十分ではなかった。そこで、フェライト系耐熱鋼に代え、ニッケルを主成分とする耐熱合金やオーステナイト系耐熱鋼などが利用されていた。   In steam equipment in which high-temperature steam is circulated, for example, steam turbines in thermal power generation facilities, the base material of main parts such as turbine rotors and rotor blades has conventionally been ferritic in consideration of economy and manufacturability. Heat resistant steel was used. In recent years, steam turbines using high-temperature steam at about 600 ° C. have been used for the purpose of improving efficiency. When such high-temperature steam is used, the heat resistance of ferritic heat-resistant steel is sufficient. It wasn't. Therefore, in place of the ferritic heat resistant steel, a heat resistant alloy mainly composed of nickel, an austenitic heat resistant steel, or the like has been used.

そして、近年、更なる高効率化を目的として、650℃以上の高温蒸気を利用した蒸気タービンが検討されている。このような高温蒸気を利用する場合、基材の材質などを変更するだけでは限界があり、基材などの温度を下げるため、冷却蒸気などが使用されている(特許文献1)。   In recent years, steam turbines using high-temperature steam at 650 ° C. or higher have been studied for the purpose of further increasing efficiency. When such high-temperature steam is used, there is a limit only by changing the material of the base material, and cooling steam is used to lower the temperature of the base material (Patent Document 1).

ところで、その内部を燃焼ガスが流通するガスタービンに関する分野では、Ni超合金などの金属基材を1000℃を超える燃焼ガスから保護するため、その表面に金属中間層などを介して、イットリア(Y)で安定化した酸化ジルコニウムからなるセラミックスコーティングにより被覆し、遮熱性を高め、金属基材の温度上昇を抑制するとともに耐食性を向上させていた。また、セラミックスコーティングは通常、溶射法などにより作製されるが、特開2001−226759号公報には、その表面平滑化を目的として、セラミックス前駆体を利用したスラリー/ゲルコーティングが開示されている(特許文献2)。 By the way, in the field related to gas turbines in which combustion gas circulates, in order to protect a metal substrate such as Ni superalloy from combustion gas exceeding 1000 ° C., yttria (Y It was coated with a ceramic coating made of zirconium oxide stabilized with 2 O 3 ) to enhance the heat shielding property, suppress the temperature rise of the metal base material and improve the corrosion resistance. Further, the ceramic coating is usually produced by a thermal spraying method or the like, but JP-A-2001-226759 discloses a slurry / gel coating using a ceramic precursor for the purpose of smoothing the surface ( Patent Document 2).

特開2004−353603号公報JP 2004-353603 A 特開2001−226759号公報JP 2001-226759 A

しかしながら、冷却蒸気の利用は、経済性およびガスタービンなどの設計変更の容易性といった観点からは好ましくない。また、セラミックスコーティングでは、割れや、金属基材からの剥離が発生しやすいといった問題があった。セラミックスコーティングに割れや剥離が生じてしまった場合、金属基材温度の急激な上昇を招いてしまうおそれがある。   However, the use of cooling steam is not preferable from the viewpoints of economy and ease of design change of a gas turbine or the like. In addition, the ceramic coating has a problem that cracking and peeling from the metal substrate are likely to occur. If the ceramic coating is cracked or peeled off, there is a risk of causing a rapid rise in the metal substrate temperature.

本発明は上記したような従来の問題を解決するためになされたものであり、高い遮熱性および耐食性を有し、かつ、割れや剥離などが生じることがなく、さらに経済性にも優れた遮熱コーティングを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, has high heat shielding properties and corrosion resistance, does not cause cracking or peeling, and has excellent economical efficiency. An object is to provide a thermal coating.

実施形態による遮熱コーティングは、複数のセラミックス層と複数の金属層とが交互に積層された構造を有していることを特徴とするものである。   The thermal barrier coating according to the embodiment has a structure in which a plurality of ceramic layers and a plurality of metal layers are alternately stacked.

本実施形態によれば、高い遮熱性および耐食性を有し、かつ、割れや剥離などが生じることがなく、さらに経済性にも優れた遮熱コーティングを実現することができる。   According to the present embodiment, it is possible to realize a thermal barrier coating that has high thermal barrier properties and corrosion resistance, is free from cracks and peeling, and is excellent in economic efficiency.

実施形態による遮熱コーティングを示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the thermal barrier coating by embodiment. 実施形態による遮熱部材を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the thermal insulation member by embodiment.

[遮熱コーティング]
第1の実施形態による遮熱コーティング1は、複数のセラミックス層2と、複数の金属層3と、を交互に積層した構造を有している。そしてこの遮熱コーティングは後記するように基材などの表面に設けられ、基材を水蒸気などの熱から保護する機能を有する(図1参照)。セラミックス層2と、金属層3とが交互に積層されていることにより、これらの界面において、熱伝達率を下げる熱抵抗が生じ、遮熱コーティングに遮熱性を付与することができる。また、層間での熱膨張の差に起因する熱応力を低減することができるため、優れた耐剥離性を有する遮熱コーティングとすることができる。さらに、遮熱コーティングの厚さを低減することができるため、経済性を向上させることができる。
[Thermal barrier coating]
The thermal barrier coating 1 according to the first embodiment has a structure in which a plurality of ceramic layers 2 and a plurality of metal layers 3 are alternately stacked. As will be described later, this thermal barrier coating is provided on the surface of a base material or the like, and has a function of protecting the base material from heat such as water vapor (see FIG. 1). By alternately laminating the ceramic layers 2 and the metal layers 3, a thermal resistance that lowers the heat transfer coefficient is generated at these interfaces, and heat shielding properties can be imparted to the thermal barrier coating. Moreover, since the thermal stress resulting from the difference of the thermal expansion between layers can be reduced, it can be set as the thermal barrier coating which has the outstanding peeling resistance. Furthermore, since the thickness of the thermal barrier coating can be reduced, the economy can be improved.

実施形態による遮熱コーティングは、セラミックス層と、金属層と、の界面を複数有している。それらの界面における総熱抵抗は、1×10−5K/w以上であることが好ましく、1×10−3K/W以上であることがより好ましい。また、熱抵抗は、1mK/w以下であることが好ましく、1×10−1K/W以下であることがより好ましい。総熱抵抗が1×10−5K/w以上であれば、セラミックス層と同程度の熱抵抗を有するため、セラミックス層を薄くして、皮膜の剥離を抑制することが可能となる。総熱抵抗の上限はとくに規定するものではないが、熱抵抗が1mK/wを超えると、界面の接触状態がよくないものと考えられ、剥離しやすいなどの問題が生じることから、1mK/w以下にするのが好ましい。なお、熱抵抗は、「界面の厚さ/熱伝導率」で表され、熱伝導率は、定常熱流法、平板熱流計法、またはレーザーフラッシュ法などにより測定することができる。 The thermal barrier coating according to the embodiment has a plurality of interfaces between the ceramic layer and the metal layer. The total thermal resistance at these interfaces is preferably 1 × 10 −5 m 2 K / w or more, and more preferably 1 × 10 −3 m 2 K / W or more. Furthermore, the thermal resistance is preferably less 1 m 2 K / w, more preferably not more than 1 × 10 -1 m 2 K / W. If the total thermal resistance is 1 × 10 −5 m 2 K / w or more, the ceramic layer has the same thermal resistance as that of the ceramic layer. Therefore, the ceramic layer can be made thin to suppress peeling of the coating. The upper limit of the total thermal resistance is not particularly specified, but if the thermal resistance exceeds 1 m 2 K / w, it is considered that the interface contact state is not good, and problems such as easy peeling occur. It is preferable to make it 2 K / w or less. The thermal resistance is represented by “interface thickness / thermal conductivity”, and the thermal conductivity can be measured by a steady heat flow method, a flat plate heat flow method, a laser flash method, or the like.

実施形態において遮熱コーティングの金属基材などと接する表面層(以下、場合により「最内面層」と表す。)は、熱応力低減の観点から金属層であることが好ましい。また、高温の水蒸気などと接する表面層(以下、場合により「最外面層」と表す。)は、熱安定性という観点からセラミックス層であることが好ましい。   In the embodiment, the surface layer (hereinafter referred to as “the innermost surface layer” in some cases) in contact with the metal substrate or the like of the thermal barrier coating is preferably a metal layer from the viewpoint of reducing thermal stress. Further, the surface layer (hereinafter, sometimes referred to as “outermost surface layer”) in contact with high-temperature water vapor is preferably a ceramic layer from the viewpoint of thermal stability.

実施形態において、金属層が有する熱膨張係数と、この金属層と隣り合う、すなわち、直接積層されたセラミックス層が有する熱膨張係数との差は1×10−8〜1×10−4であることが好ましく、1×10−8〜1×10−6であることがより好ましい。なお、熱膨張係数は、接触式、あるいは非接触の熱膨張計により測定することができる。 In the embodiment, the difference between the thermal expansion coefficient of the metal layer and the thermal expansion coefficient of the ceramic layer adjacent to the metal layer, that is, directly laminated, is 1 × 10 −8 to 1 × 10 −4 . It is preferably 1 × 10 −8 to 1 × 10 −6 . The thermal expansion coefficient can be measured by a contact type or non-contact thermal dilatometer.

遮熱コーティング全体の厚さは、その用途などに応じ適宜変更することができるが、例えば、10μm〜10000μmとすることができる。   Although the thickness of the whole thermal barrier coating can be appropriately changed according to its use, it can be set to, for example, 10 μm to 10,000 μm.

実施形態による遮熱コーティングは、後述する金属層および後述するセラミックス層が複数積層された構造を有する。積層される金属層およびセラミックス層の数は、一般に、それぞれ2層以上であり、好ましくは3層以上である。積層される層の数が多いほど、界面が増加して遮熱効果が増加する傾向にある。一方で、経済的な観点や、遮熱コーティングの全体厚さを過度に厚くしないために、積層される金属層およびセラミックス層の数は、一般に、それぞれ50層以下であり、好ましくは10層層以上である。   The thermal barrier coating according to the embodiment has a structure in which a plurality of metal layers to be described later and a plurality of ceramic layers to be described later are laminated. The number of metal layers and ceramic layers to be laminated is generally 2 or more, and preferably 3 or more. As the number of layers stacked increases, the interface increases and the heat shielding effect tends to increase. On the other hand, in order not to make the overall thickness of the thermal barrier coating excessively, the number of metal layers and ceramic layers to be laminated is generally 50 layers or less, preferably 10 layers. That's it.

実施形態において、遮熱コーティングを構成するセラミックス層および金属層の作製方法は特に限定されない。しかし、例えば、後記する材料をプラズマ溶射法などを用いて溶射することによって作製することができる。また、他の実施形態において、セラミックス層および金属層は、EB−PVD法などの蒸着法を用いても作製することができる。遮熱コーティングは、これらの方法により作成される金属層とセラミックス層とを順次積層することで作製できる。   In the embodiment, the method for producing the ceramic layer and the metal layer constituting the thermal barrier coating is not particularly limited. However, it can be produced, for example, by spraying a material described later using a plasma spraying method or the like. In another embodiment, the ceramic layer and the metal layer can also be produced using a vapor deposition method such as an EB-PVD method. The thermal barrier coating can be produced by sequentially laminating a metal layer and a ceramic layer produced by these methods.

本実施の形態による遮熱コーティングは、複数のセラミックス層を備えている。セラミックス層は、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タングステン、酸化クロム、酸化ガリウム、酸化ニッケル、酸化マグネシウムおよびムライトからなる群から選択されるセラミックスを含んでなることができ、これらの中でも、熱伝導率が低く、かつ耐熱性に優れていることから、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムがより好ましく、酸化ジルコニウムが特に好ましい。セラミックス層は、上記セラミックスを1種または2種以上含んでいてもよい。遮熱コーティングが、異なる材料を含む、異種のセラミックス層を組み合わせて有することもできる。なお、本発明において、セラミックスとは、金属の酸化物、窒化物もしくは炭化物、またはこれらの複合物のことをいう。また、本実施形態において、セラミックス層は、金属を一部含んでいてもよい。   The thermal barrier coating according to the present embodiment includes a plurality of ceramic layers. The ceramic layer can comprise a ceramic selected from the group consisting of zirconium oxide, hafnium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, tungsten oxide, chromium oxide, gallium oxide, nickel oxide, magnesium oxide, and mullite. Of these, zirconium oxide and hafnium oxide are more preferred, and zirconium oxide is particularly preferred because of its low thermal conductivity and excellent heat resistance. The ceramic layer may contain one or more of the ceramics. The thermal barrier coating can also have a combination of different ceramic layers, including different materials. In the present invention, the ceramic means a metal oxide, nitride or carbide, or a composite thereof. In the present embodiment, the ceramic layer may contain a part of metal.

また、セラミックス層は、熱膨張およびそれに伴う剥離防止という観点からは、イットリア(Y)、セリア(Ce)、カルシア(CaO)、マグネシア(MgO)、イッテルビア(Tb)、スカンジア(Sc)、ランタニア(La)、その他のランタノイド酸化物またはアクチノイド酸化物などの安定化剤を含んでなることが好ましく、これらの中でも、耐剥離性などを損なうことがないことから、イットリアを含んでなることがより好ましい。実施形態において、セラミックス層における安定化材の含有量は、0.1〜10重量%であることが好ましく、0.3〜1重量%であることがより好ましい。 In addition, the ceramic layer has a yttria (Y 2 O 3 ), a ceria (Ce 2 O 3 ), a calcia (CaO), a magnesia (MgO), and a ytterbia (Tb 2 O 3 ) from the viewpoint of thermal expansion and accompanying peeling prevention. ), Scandia (Sc 2 O 3 ), lanthanum (La 2 O 3 ), and other lanthanoid oxides or actinide oxides, and the like. Therefore, it is more preferable to include yttria. In the embodiment, the content of the stabilizing material in the ceramic layer is preferably 0.1 to 10% by weight, and more preferably 0.3 to 1% by weight.

セラミックス層の気孔率は、1〜35%であることが好ましく、10〜30%であることがより好ましい。セラミックス層の気孔率が上記数値範囲内であれば、セラミックス層の熱抵抗および機械的強度を向上させることができる。なお、セラミックス層の気孔率は、セラミックス層全体の体積に対する空隙の体積の割合により求められる。   The porosity of the ceramic layer is preferably 1 to 35%, and more preferably 10 to 30%. If the porosity of the ceramic layer is within the above numerical range, the thermal resistance and mechanical strength of the ceramic layer can be improved. The porosity of the ceramic layer is determined by the ratio of the void volume to the total volume of the ceramic layer.

セラミックス層の厚さは、それぞれ10μm〜5000μmであることが好ましく、100μm〜3000μmであることがより好ましい。複数のセラミックス層の厚さは,相互に同一であっても無くてもよい。なお、ここでセラミックス層の厚さとは平坦部分に形成されたセラミックス層の厚さの平均をいう。   The thickness of the ceramic layer is preferably 10 μm to 5000 μm, and more preferably 100 μm to 3000 μm. The thickness of the plurality of ceramic layers may or may not be the same. Here, the thickness of the ceramic layer refers to the average thickness of the ceramic layers formed on the flat portion.

なお、実施形態において、異なるセラミックス層が直接積層された、複数のセラミックス層を含む複合セラミックス層を用いることができる。このような複合セラミックス層では、セラミックス層同士の界面においても熱抵抗が生じる。ただし、その場合の熱抵抗は一般に金属層とセラミックス層との界面における熱抵抗に比較して小さくなる。なお、実施形態においてはこのような複合セラミックス層は、便宜的に単一のセラミックス層として扱うこととする。   In the embodiment, a composite ceramic layer including a plurality of ceramic layers in which different ceramic layers are directly laminated can be used. In such a composite ceramic layer, thermal resistance also occurs at the interface between the ceramic layers. However, the thermal resistance in that case is generally smaller than the thermal resistance at the interface between the metal layer and the ceramic layer. In the embodiment, such a composite ceramic layer is treated as a single ceramic layer for convenience.

本実施の形態による遮熱コーティングは、複数の金属層を備えている。金属層は、ニッケル、コバルト、鉄、クロム、アルミニウム、亜鉛、チタン、銅、イットリウムおよびこれらの合金からなる群から選択される金属を含んでなることができる。これらの中でも、耐熱性の観点から、ニッケル、コバルトまたは鉄を含んでなることが好ましく、防食性という観点からは、クロムまたはアルミニウムを含んでなることが好ましく、これらの合金であることがより好ましい。遮熱コーティングが、異なる金属を含む、異種の金属層を組み合わせて有することもできる。なお、本発明において、金属とは、単一の金属元素からなる単体の金属、および複数の金属元素または金属元素と非金属元素との合金のことをいう。また、本実施形態において、金属層は、上記金属が酸化された、セラミックスを一部含んでいてもよい。   The thermal barrier coating according to the present embodiment includes a plurality of metal layers. The metal layer can comprise a metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, iron, chromium, aluminum, zinc, titanium, copper, yttrium, and alloys thereof. Among these, from the viewpoint of heat resistance, it is preferable to contain nickel, cobalt or iron, and from the viewpoint of corrosion resistance, it is preferable to contain chromium or aluminum, and these alloys are more preferable. . The thermal barrier coating can also have a combination of different metal layers, including different metals. In the present invention, the metal means a single metal composed of a single metal element and a plurality of metal elements or an alloy of a metal element and a non-metal element. In the present embodiment, the metal layer may include a part of ceramics in which the metal is oxidized.

実施形態において、金属層は、M−Cr−Al−Y合金(Mは、Fe、NiおよびCoから選ばれる少なくとも1種の元素)を含んでなる。クロムの含有量は、10〜35重量%であることが好ましく、アルミニウムの含有量は、0.1〜20重量%であることが好ましく、イットリウムの含有量は、0.1〜5重量%であることが好ましく、残部は鉄、ニッケルおよび/またはコバルトからなることが好ましい。   In the embodiment, the metal layer includes an M—Cr—Al—Y alloy (M is at least one element selected from Fe, Ni, and Co). The chromium content is preferably 10 to 35% by weight, the aluminum content is preferably 0.1 to 20% by weight, and the yttrium content is 0.1 to 5% by weight. It is preferred that the balance consists of iron, nickel and / or cobalt.

実施形態において、金属層は、例えば上記した金属の粒子を基材表面またはセラミックス層の表面に溶射することにより形成することができるが、その平均粒子径は、5μm〜500μmであることが好ましく、10μm〜300μmであることがより好ましい。なお、「平均粒子径」とは、体積平均粒子径を意味し、粒度分布・粒径分布測定装置(例えば、ナノトラック粒度分布測定装置、日機装株式会社製など)を用いて公知の方法により測定することができる。   In the embodiment, the metal layer can be formed, for example, by spraying the above-described metal particles on the surface of the base material or the surface of the ceramic layer, and the average particle diameter is preferably 5 μm to 500 μm, More preferably, the thickness is 10 μm to 300 μm. The “average particle size” means the volume average particle size and is measured by a known method using a particle size distribution / particle size distribution measuring device (for example, Nanotrack particle size distribution measuring device, manufactured by Nikkiso Co., Ltd.). can do.

金属層の厚さは、それぞれ10μm〜500μmであることが好ましく、100μm〜300μmであることがより好ましい。複数の金属層の厚さは,相互に同一であっても無くてもよい。なお、ここで金属層の厚さとは平坦部分に形成された金属層の厚さの平均をいう。   The thickness of the metal layer is preferably 10 μm to 500 μm, and more preferably 100 μm to 300 μm. The thicknesses of the plurality of metal layers may or may not be the same. Here, the thickness of the metal layer means an average thickness of the metal layers formed on the flat portion.

なお、実施形態において、複合セラミックス層と同様に異なる金属が直接積層された複合金属層を用いることもできる。   In the embodiment, it is also possible to use a composite metal layer in which different metals are directly laminated similarly to the composite ceramic layer.

本実施の形態による遮熱コーティングが実用に供される場合、基材などと接する側の層と、高温の水蒸気などと接する側の層とでは、その温度が異なっており、温度勾配が生じている。したがって、比較的温度が低くなる基材などと接する側の金属層は、低温域(約500℃以下)での防食性が高いことが好ましい。このような低温域での防食性を高めるには、例えば金属層を構成する金属のクロムの濃度を高めることによって達成できる。具体的には、その金属層のクロム濃度は、5〜40質量%であることが好ましく、10〜30質量%であることがより好ましい。一方、基材などと接する側の層と反対側の高温の水蒸気と接する側の金属層は、高温域(約650℃以上)での防食性が高いことが好ましい。このような高温域での防食性を高めるには、例えば金属層を構成する金属のアルミニウムの濃度を高めることによって達成できる。具体的には、その金属層のアルミニウム濃度は、2〜20質量%であることが好ましく、3〜15質量%であることがより好ましい。   When the thermal barrier coating according to the present embodiment is practically used, the temperature of the layer on the side in contact with the substrate and the layer on the side in contact with the high-temperature water vapor are different and a temperature gradient is generated. Yes. Therefore, it is preferable that the metal layer on the side in contact with the substrate having a relatively low temperature has high anticorrosion properties in a low temperature range (about 500 ° C. or less). Increasing the corrosion resistance in such a low temperature range can be achieved, for example, by increasing the concentration of metallic chromium constituting the metal layer. Specifically, the chromium concentration of the metal layer is preferably 5 to 40% by mass, and more preferably 10 to 30% by mass. On the other hand, it is preferable that the metal layer on the side in contact with the high-temperature water vapor on the opposite side to the layer on the side in contact with the substrate or the like has high anticorrosion properties in a high temperature range (about 650 ° C. or higher). In order to increase the corrosion resistance in such a high temperature range, for example, it can be achieved by increasing the concentration of metal aluminum constituting the metal layer. Specifically, the aluminum concentration of the metal layer is preferably 2 to 20% by mass, and more preferably 3 to 15% by mass.

実施形態における遮熱コーティングにおいて、ひとつの金属層の、隣接するセラミックス層との界面は、完全に平滑では無いのが一般的である。このような界面における金属層の表面粗さRaは、5μm〜100μmであることが好ましく、10μm〜50μmであることがより好ましい。実施形態による遮熱コーティングは、セラミックス層と金属層との複数の界面を有する。これらのうち少なくとも一つの界面における表面粗さが前記の範囲にあればよいが、すべての界面の表面粗さが前記の範囲内にあることが好ましい。金属層の表面粗さRaが上記数値範囲内であれば、金属層と、セラミックス層との間に適切な割合の気孔が形成されることがあり、金属層とセラミックス層との密着性を十分に維持したまま、熱抵抗性をより向上させることができる。金属層の表面粗さは、その表面に対し、ブラスト処理などの表面処理を施したり、金属層作製に用いる金属粒子の粒子径を変更することなどにより調整することができる。なお、表面粗さRaは、JIS B0601:2001に従い、接触式の表面粗さ計などにより測定することができる。   In the thermal barrier coating in the embodiment, the interface between one metal layer and the adjacent ceramic layer is generally not completely smooth. The surface roughness Ra of the metal layer at such an interface is preferably 5 μm to 100 μm, and more preferably 10 μm to 50 μm. The thermal barrier coating according to the embodiment has a plurality of interfaces between a ceramic layer and a metal layer. Of these, the surface roughness of at least one interface may be in the above range, but the surface roughness of all interfaces is preferably in the above range. When the surface roughness Ra of the metal layer is within the above numerical range, an appropriate proportion of pores may be formed between the metal layer and the ceramic layer, and the adhesion between the metal layer and the ceramic layer is sufficient. Thus, the thermal resistance can be further improved. The surface roughness of the metal layer can be adjusted by subjecting the surface to surface treatment such as blasting or changing the particle diameter of the metal particles used for metal layer preparation. The surface roughness Ra can be measured with a contact-type surface roughness meter or the like according to JIS B0601: 2001.

[遮熱部材]
第2の実施形態による遮熱部材10は、基材11と、その表面に形成された遮熱コーティング1と、を備えてなる(図2参照)。
[Heat shield]
The heat shield member 10 according to the second embodiment includes a base material 11 and a heat shield coating 1 formed on the surface thereof (see FIG. 2).

基材は、特に限定されず、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タングステン、酸化クロム、酸化ガリウム、酸化ニッケル、酸化マグネシウムもしくはムライトなどのセラミックス、またはニッケル、コバルト、鉄、クロム、アルミニウム、亜鉛、チタン、銅、イットリウムもしくはこれらの合金からなるものであってもよい。   The substrate is not particularly limited, and zirconium oxide, hafnium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, tungsten oxide, chromium oxide, gallium oxide, nickel oxide, magnesium oxide, mullite, or other ceramics, or nickel, cobalt, iron, chromium, It may be made of aluminum, zinc, titanium, copper, yttrium, or an alloy thereof.

蒸気タービンに使用するタービンローター、ノズル、動翼、ノズルボックスまたは蒸気供給管などの蒸気機器を金属機材として、前記した遮熱コーティングをその表面に形成させることで、これらの機器を実施形態による遮熱部材とすることができる。   By using steam equipment such as a turbine rotor, nozzles, moving blades, nozzle box, or steam supply pipe used in the steam turbine as a metal material, the above-described thermal barrier coating is formed on the surface thereof. It can be a thermal member.

本発明を具体的な実施例を用いて説明すると以下の通りである。本発明がこれらの例に限定されないことはいうまでもない。   The present invention will be described below using specific examples. It goes without saying that the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
金属基材(12Cr鋼)の一方の表面に、Ni−21Cr−10Al−0.8Y合金(数字は重量%を表す。)の粒子(平均粒子径50μm)をプラズマ溶射法により、溶射し、厚さ150μmの金属層を形成させ、次いで、その金属層の上に、8重量%のイットリア(Y)で安定化した酸化ジルコニウムの粒子(平均粒子径70μm)をプラズマ溶射法により溶射して、セラミックス層を形成させた。同様の操作を繰り返してセラミックス層と、金属層とを交互に3層ずつ、それぞれ500μmの厚さで積層し、遮熱部材を作製した。なお、JIS B0601:2001に従い、各金属層のセラミックス層と接する面における表面粗さRaを、接触式の表面粗さ計を用いて測定した結果、10μmであった。また、金属層と、セラミックス層との界面における熱抵抗は、総熱抵抗は1×10−3K/Wであった。
Example 1
On one surface of a metal substrate (12Cr steel), particles (average particle diameter of 50 μm) of Ni-21Cr-10Al-0.8Y alloy (numbers represent% by weight) were sprayed by plasma spraying to obtain a thickness. A metal layer having a thickness of 150 μm was formed, and then zirconium oxide particles (average particle diameter of 70 μm) stabilized with 8 wt% yttria (Y 2 O 3 ) were sprayed on the metal layer by plasma spraying. Thus, a ceramic layer was formed. The same operation was repeated, and three layers of ceramic layers and metal layers were alternately laminated to a thickness of 500 μm to produce a heat shield member. In addition, according to JIS B0601: 2001, surface roughness Ra in the surface which contact | connects the ceramic layer of each metal layer was 10 micrometers as a result of measuring using the contact-type surface roughness meter. The total thermal resistance of the thermal resistance at the interface between the metal layer and the ceramic layer was 1 × 10 −3 m 2 K / W.

(実施例2)
各金属層を形成後、セラミックス層を形成する前に、金属層の表面を、平均粒子径250μmのサンドブラストを用いてサンドブラスト処理し、その表面粗さRaをそれぞれ20μmに調整したこと以外は実施例1と同様にして遮熱部材を作製した。また、実施例1と同様にして、界面における熱抵抗を測定したところ、総熱抵抗は1×10−2K/Wであった。
(Example 2)
Example except that after forming each metal layer and before forming the ceramic layer, the surface of the metal layer was sandblasted using sandblasting having an average particle diameter of 250 μm and the surface roughness Ra was adjusted to 20 μm. In the same manner as in Example 1, a heat shielding member was produced. Further, when the thermal resistance at the interface was measured in the same manner as in Example 1, the total thermal resistance was 1 × 10 −2 m 2 K / W.

(比較例1)
金属基材(12Cr鋼)の一方の表面にNi−21Cr−10Al−0.8Y合金(数字は重量%を表す。)の粒子(平均粒子径50μm)をプラズマ溶射法により、溶射し、厚さ150μmの金属層を形成させた。次いで、その金属層の上に、8重量%のイットリア(Y)で安定化した酸化ジルコニウムの粒子(平均粒子径100μm)をプラズマ溶射法により、溶射し、厚さ3mmのセラミックス層を積層し、遮熱部材を作製した。得られた遮熱部材について、実施例1と同様にして、界面における熱抵抗を測定したところ、総熱抵抗は1.2×10−2K/Wであった。
(Comparative Example 1)
One surface of a metal substrate (12Cr steel) was sprayed with particles of Ni-21Cr-10Al-0.8Y alloy (numbers represent weight%) (average particle diameter of 50 μm) by plasma spraying to obtain a thickness. A 150 μm metal layer was formed. Next, zirconium oxide particles (average particle diameter of 100 μm) stabilized with 8 wt% yttria (Y 2 O 3 ) were sprayed on the metal layer by plasma spraying to form a ceramic layer having a thickness of 3 mm. The heat shielding member was produced by laminating. About the obtained heat-shielding member, when the thermal resistance in an interface was measured like Example 1, the total thermal resistance was 1.2 * 10 <-2 > m < 2 > K / W.

<<耐食試験>>
実施例1および2ならびに比較例1で得られた遮熱部材を、大気圧、飽和水蒸気環境750℃において保持した。時間経過に伴う遮熱コーティングの剥離の発生を肉眼で観察した。評価基準は以下の通りとした。
評価基準は以下の通りとした。また、評価結果は、下記表1に示される通りであった。
A:5000時間経過後であっても遮熱コーティングの剥離が生じなかった。
B:2000時間以上、5000時間未満で遮熱コーティングの剥離が生じた。
C:500時間未満で遮熱コーティングの剥離が生じた。
<< Corrosion resistance test >>
The heat shield members obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were maintained at 750 ° C. in an atmospheric pressure and saturated steam environment. The occurrence of peeling of the thermal barrier coating over time was observed with the naked eye. The evaluation criteria were as follows.
The evaluation criteria were as follows. The evaluation results are as shown in Table 1 below.
A: Even after 5000 hours, the thermal barrier coating did not peel off.
B: Peeling of the thermal barrier coating occurred in 2000 hours or more and less than 5000 hours.
C: Peeling of the thermal barrier coating occurred in less than 500 hours.

<<遮熱性試験>>
実施例1および2ならびに比較例1で得られた遮熱部材を、大気圧において750℃で、30分間加熱保持した後、20℃の水中で冷却した。これを繰り返し行い、遮熱コーティングの剥離の発生を肉眼で観察した。評価基準は以下の通りとした。また、評価結果は、下記表1に示される通りであった。
A:200サイクル以上であっても遮熱コーティングの剥離が生じなかった。
B:50サイクル以上、200サイクル未満で遮熱コーティングの剥離が生じた。
C:50サイクル未満で遮熱コーティングの剥離が生じた。
<< Heat shielding test >>
The heat shield members obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were heated and held at 750 ° C. for 30 minutes at atmospheric pressure, and then cooled in water at 20 ° C. This was repeated and the occurrence of peeling of the thermal barrier coating was observed with the naked eye. The evaluation criteria were as follows. The evaluation results are as shown in Table 1 below.
A: Peeling of the thermal barrier coating did not occur even after 200 cycles or more.
B: The thermal barrier coating peeled off at 50 cycles or more and less than 200 cycles.
C: The thermal barrier coating peeled off in less than 50 cycles.

Figure 2016222992
Figure 2016222992

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、高い遮熱性、耐食性を有し、かつ、割れや剥離などが生じることがなく、経済性にも優れた遮熱コーティングを実現することができる。   According to at least one embodiment described above, it is possible to realize a thermal barrier coating that has high thermal barrier properties and corrosion resistance, is free from cracking and peeling, and is excellent in economy.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1…遮熱コーティング
2…セラミックス層
3…金属層
10…遮熱部材
11…金属基材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Thermal barrier coating 2 ... Ceramics layer 3 ... Metal layer 10 ... Thermal barrier member 11 ... Metal base material

Claims (9)

複数のセラミックス層と、複数の金属層とが交互に積層された構造を有することを特徴する、遮熱コーティング。   A thermal barrier coating characterized by having a structure in which a plurality of ceramic layers and a plurality of metal layers are alternately laminated. 総熱抵抗が、1×10−5K/W以上である、請求項1に記載の遮熱コーティング。 The thermal barrier coating according to claim 1, wherein the total thermal resistance is 1 × 10 −5 m 2 K / W or more. 前記金属層の、隣接するセラミックス層との界面の表面粗さRaが、5μm〜100μmである、請求項1または2に記載の遮熱コーティング。   The thermal barrier coating according to claim 1, wherein the metal layer has a surface roughness Ra of 5 μm to 100 μm at an interface with an adjacent ceramic layer. 前記セラミックス層が、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タングステン、酸化クロム、酸化ガリウム、酸化ニッケル、酸化マグネシウムおよびムライトからなる群より選択されるセラミックスを含んでなる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の遮熱コーティング。   The ceramic layer comprises a ceramic selected from the group consisting of zirconium oxide, hafnium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, tungsten oxide, chromium oxide, gallium oxide, nickel oxide, magnesium oxide and mullite. The thermal barrier coating according to any one of 3 above. 前記金属層が、金属層は、ニッケル、コバルト、鉄、クロム、アルミニウム、亜鉛、チタン、銅、イットリウムおよびこれらの合金からなる群より選択される金属を含んでなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の遮熱コーティング。   5. The metal layer according to claim 1, wherein the metal layer comprises a metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, iron, chromium, aluminum, zinc, titanium, copper, yttrium, and alloys thereof. The thermal barrier coating according to claim 1. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の遮熱コーティングと、基材と、を備えることを特徴とする、遮熱部材。   A thermal barrier member comprising the thermal barrier coating according to any one of claims 1 to 5 and a base material. 前記遮熱コーティングの最内面層が、金属層であり、前記基材上に直接積層されている、請求項6に記載の遮熱部材。   The heat shield member according to claim 6, wherein the innermost surface layer of the thermal barrier coating is a metal layer and is directly laminated on the base material. 前記遮熱コーティングの最外面層が、セラミックス層である、請求項6または7に記載の遮熱部材。   The heat shield member according to claim 6 or 7, wherein the outermost surface layer of the thermal barrier coating is a ceramic layer. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の遮熱コーティングを有することを特徴とする、蒸気機器。   A steam apparatus comprising the thermal barrier coating according to any one of claims 1 to 5.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113373408A (en) * 2021-05-14 2021-09-10 中国航发北京航空材料研究院 Dysprosium-doped gadolinium zirconate thermal barrier coating material and preparation method of coating

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