JP2018162506A - High temperature member and manufacturing method of the same - Google Patents

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将大 根上
Masahiro Negami
将大 根上
明人 川野
Akihito Kawano
明人 川野
嘉道 野村
Yoshimichi Nomura
嘉道 野村
智紀 谷口
Tomonori Taniguchi
智紀 谷口
良造 田中
Ryozo Tanaka
良造 田中
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology for forming an oxide barrier layer contributing to a further improvement of durability of a thermal barrier coating (TBC).SOLUTION: A manufacturing method of a high temperature member includes a step for forming a bond coating composed of a NiCoCrAlY alloy by flame spraying a NiCoCrAlY alloy powder on a substrate composed of a heat-resistant alloy, a step for forming an oxide barrier layer on a surface of the bond coating with a preliminary oxidation treatment of the substrate with the bond coating formed under a vacuum environment with an oxygen partial pressure of 1.0×10-1.0×10Pa at 1000-1200°C for 1-6 hours, and a step for forming a top coating on a surface of the oxide barrier layer by flame spraying an oxide-based ceramic powder.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、遮熱コーティング(Thermal Barrier Coating:TBC)が施された高温部材及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a high-temperature member to which a thermal barrier coating (TBC) is applied and a method for manufacturing the same.

従来、産業用ガスタービンの構成部品を高温の環境から守るために、TBCが利用されてきた。TBCは、一般に、金属製基材上に、低熱伝導率のセラミックスから成る低熱伝導率のトップコート(遮熱層)と、トップコートと基材の間の密着性を向上するためのボンドコート(結合層)とを成膜した2層構造を有する。   Traditionally, TBC has been used to protect the components of industrial gas turbines from high temperature environments. A TBC generally has a low thermal conductivity topcoat (heat shielding layer) made of a ceramic having a low thermal conductivity on a metal substrate, and a bond coat for improving adhesion between the topcoat and the substrate ( A bonding layer).

近年、エネルギー問題への意識の高まりから、ガスタービンにはより一層の効率向上が求められている。ガスタービンの効率を向上させるためには、タービン入口温度を高温化することが一つの有効な手段である。タービン入口温度が高温化すると、それに伴い、高温環境下で使用されるノズル、ガイドベーン、ブレードなどの高温部材はより高温の環境に晒されることとなる。ガスタービンの高温部材は、その表面にTBCが適用されることにより、表面から内部への伝熱を抑制する遮熱性を備えている。しかしながら、TBCを高温下で長期間使用するとトップコートの剥離や遮熱性能の低下が生じるため、ガスタービンの高温部材が高温環境下での長時間の使用に耐えうる耐久性を維持することが困難となっている。   In recent years, due to increasing awareness of energy problems, gas turbines are required to further improve efficiency. In order to improve the efficiency of the gas turbine, increasing the turbine inlet temperature is one effective means. As the turbine inlet temperature rises, high-temperature members such as nozzles, guide vanes, and blades used in a high-temperature environment are exposed to a higher-temperature environment. The high temperature member of the gas turbine is provided with a heat shielding property that suppresses heat transfer from the surface to the inside by applying TBC to the surface thereof. However, if TBC is used for a long time at a high temperature, the top coat peels off and the heat shielding performance is deteriorated. It has become difficult.

トップコートの剥離を引き起こすメカニズムとしては様々なものが論じられているが、トップコートとボンドコートとの界面においてボンドコートの高温酸化によって形成される酸化物(Thermally Grown Oxide :TGO)が関与していることが認識されている。したがって、TBCのトップコートの剥離を抑制し、TBCの耐久性向上を図るためには、TGOの成長を抑制することが重要であると考えられる。特許文献1,2及び3では、TGOの成長を抑制するための技術が提案されている。   Various mechanisms for causing peeling of the top coat have been discussed, but an oxide (Thermally Grown Oxide: TGO) formed by high-temperature oxidation of the bond coat is involved at the interface between the top coat and the bond coat. It is recognized that Therefore, in order to suppress the peeling of the TBC topcoat and improve the durability of the TBC, it is considered important to suppress the growth of TGO. In Patent Documents 1, 2, and 3, techniques for suppressing the growth of TGO are proposed.

特許文献1では、金属製基材の表面に、MCrAlYからなる結合層を設けた後、真空環境下900℃で熱処理を行うことにより結合層の表面にα−Al層を形成し、続いて、α−Al層の表面に酸化物系セラミックスからなる遮熱層を設けて、高温部材を製造することが記載されている。ここでは、成長速度の小さいα−Al層を結合層上に形成することにより、遮熱層と結合層との界面でのTGOの成長を抑制しようとしている。 In Patent Document 1, after a bonding layer made of MCrAlY is provided on the surface of a metal base material, an α-Al 2 O 3 layer is formed on the surface of the bonding layer by performing heat treatment at 900 ° C. in a vacuum environment. Subsequently, it is described that a high-temperature member is manufactured by providing a heat-shielding layer made of an oxide-based ceramic on the surface of the α-Al 2 O 3 layer. Here, an attempt is made to suppress TGO growth at the interface between the thermal barrier layer and the bonding layer by forming an α-Al 2 O 3 layer having a low growth rate on the bonding layer.

また、特許文献2では、耐熱合金製基材の表面にAlの含有量が3〜24mass%であるMCrAlX(MはCo,Cr,Ni及びFeのうちから選ばれる1種又は2種以上、XはY,Hf,Ta,Cs,Ce,La,Th,W,Si,Pt,Mn及びBのうちから選ばれる1種又は2種以上)からなる耐高温酸化性合金皮膜を設け、その合金皮膜の表面にAl層を介し、酸化クロム皮膜(又は、酸化クロム皮膜及びクロム皮膜)を積層形成させることが記載されている。ここでは、耐高温酸化性合金皮膜の表面に、緻密性で密着性に富み、且つ保護性に優れたAlのみからなる酸化バリア層を積極的に生成させることにより、耐高温酸化性合金皮膜の優れた耐高温酸化性を十分に発揮できるようにしている。 Further, in Patent Document 2, MCrAlX (M is one or more selected from Co, Cr, Ni and Fe, and X is one selected from the group consisting of Co, Cr, Ni and Fe on the surface of a heat-resistant alloy base material having an Al content of 3 to 24 mass%, X Is provided with a high-temperature oxidation-resistant alloy film made of Y, Hf, Ta, Cs, Ce, La, Th, W, Si, Pt, Mn and B). Is formed by laminating and forming a chromium oxide film (or a chromium oxide film and a chromium film) via an Al 2 O 3 layer. Here, the surface of the high-temperature oxidation-resistant alloy film is positively formed with an oxidation barrier layer made of only Al 2 O 3 that is dense, rich in adhesion, and excellent in protective properties. The excellent high temperature oxidation resistance of the alloy film can be fully exhibited.

また、特許文献3では、耐熱合金基材の表面に耐酸化被膜を介してセラミック遮熱層を形成した耐酸化コーティング部材において、耐酸化被膜とセラミック遮熱層との界面に、不純物元素として含まれるCo及びNiの各含有量が1原子%以下である薄いα−Al層を形成することが記載されている。このα−Al層は、耐熱合金表面に対して垂直方向に延び、太さが0.2μm以上の柱状の結晶粒から構成されている。 Moreover, in patent document 3, in the oxidation-resistant coating member which formed the ceramic thermal-insulation layer through the oxidation-resistant film on the surface of the heat-resistant alloy base material, it contains as an impurity element in the interface of an oxidation-resistant film and a ceramic thermal-insulation layer. Forming a thin α-Al 2 O 3 layer having a Co and Ni content of 1 atomic% or less. The α-Al 2 O 3 layer is composed of columnar crystal grains extending in a direction perpendicular to the surface of the heat-resistant alloy and having a thickness of 0.2 μm or more.

特開2000−17458号公報JP 2000-17458 A 特開2004−76099号公報JP 2004-76099 A 特開2007−262530号公報JP 2007-262530 A

本発明は、上記背景技術に鑑み、TBCのトップコートとボンドコートの界面酸化物の成長の抑制に優れた効果を発揮することはもちろん、TBCの耐久性の更なる向上に寄与する酸化バリア層を形成する技術を提案することを目的とする。そして、TBCの耐久性の向上による、TBCが適用された高温部材の長寿命化を図る。   In view of the above-described background art, the present invention exhibits an excellent effect in suppressing the growth of interfacial oxides of the TBC topcoat and bond coat, as well as an oxidation barrier layer that contributes to further improving the durability of the TBC. The purpose is to propose a technology to form And the lifetime improvement of the high temperature member to which TBC was applied by the improvement of durability of TBC is aimed at.

上記特許文献1〜3に記載のように、α−Alはトップコートとボンドコートの界面酸化物の成長を抑制する酸化バリアとして機能する。一方、α−Alと結晶構造の異なるθ−Alは、格子欠陥を含むため、α−Alのような酸化バリアとしての効果は期待できない。また、θ−Alからα−Alへの相転移は約13%もの体積収縮を伴うため、トップコートとボンドコートとの界面にθ−Alが存在するとそれが相転移して酸化バリア層に欠陥を生じさせるおそれがある。酸化バリア層に欠陥が生じると、酸化バリア効果が損なわれ、それが、トップコートの剥離の要因となるおそれがある。これらのことから、TBCの耐久性の更なる向上を図るためには、トップコートとボンドコートの界面に酸化バリア層を形成する際に、θ−Alを生成させずにα−Alのみを生成することが望ましい。 As described in Patent Documents 1 to 3, α-Al 2 O 3 functions as an oxidation barrier that suppresses the growth of the interface oxide between the top coat and the bond coat. On the other hand, different θ-Al 2 O 3 crystal structure and α-Al 2 O 3 is to include lattice defects, the effect of the oxidation barrier, such as α-Al 2 O 3 can not be expected. Moreover, since the phase transition from θ-Al 2 O 3 to α-Al 2 O 3 is accompanied by a volume shrinkage of about 13%, if θ-Al 2 O 3 is present at the interface between the top coat and the bond coat, There is a possibility of causing a defect in the oxidation barrier layer by phase transition. If defects occur in the oxidation barrier layer, the oxidation barrier effect is impaired, which may cause the topcoat to peel off. From these facts, in order to further improve the durability of TBC, when forming an oxidation barrier layer at the interface between the top coat and the bond coat, α-Al 2 O 3 is not generated without generating θ-Al 2 O 3. It is desirable to produce only 2 O 3 .

本願の発明者らは、一定以下の低酸素分圧の真空雰囲気下でボンドコートの予備酸化処理を行うことにより、トップコートとボンドコートの界面にθ−Alを殆ど生じさせることなくα−Alからなる酸化バリア層を生成させることができるという知見を得た。 The inventors of the present application perform a pre-oxidation treatment of the bond coat in a vacuum atmosphere with a low oxygen partial pressure of a certain level or less, thereby hardly generating θ-Al 2 O 3 at the interface between the top coat and the bond coat. It was found that an oxidation barrier layer made of α-Al 2 O 3 can be generated.

そこで、本発明の一態様に係る高温部材の製造方法は、
耐熱合金からなる基材の表面に、NiCoCrAlY合金粉末を溶射して、NiCoCrAlY合金からなるボンドコートを形成させる工程と、
前記ボンドコートが形成された前記基材に対し、1.0×10-15−1.0×10-9Paの酸素分圧の真空雰囲気下において、1000−1200℃の範囲内の所定温度で、1〜6時間加熱する予備酸化処理を行うことにより、前記ボンドコートの表面に酸化バリア層を生成させる工程と、
前記酸化バリア層の表面に、酸化物系セラミックス粉末を溶射して、トップコートを形成させる工程とを含むことを特徴としている。
Then, the manufacturing method of the high temperature member which concerns on 1 aspect of this invention is the following.
A step of thermally spraying NiCoCrAlY alloy powder on the surface of a base material made of a heat-resistant alloy to form a bond coat made of NiCoCrAlY alloy;
With respect to the base material on which the bond coat is formed, in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −15 to 1.0 × 10 −9 Pa, at a predetermined temperature within a range of 1000 to 1200 ° C. , A step of generating an oxidation barrier layer on the surface of the bond coat by performing a pre-oxidation treatment by heating for 1 to 6 hours;
And a step of thermally spraying an oxide-based ceramic powder on the surface of the oxidation barrier layer to form a top coat.

また、本発明の別の一態様に係る高温部材の製造方法は、
耐熱合金からなる基材の表面に、NiCoCrAlY合金粉末を溶射して、NiCoCrAlY合金からなるボンドコートを形成させる工程と、
前記ボンドコートが形成された前記基材の表面に、酸化物系セラミックス粉末を溶射して、トップコートを形成させる工程と、
前記ボンドコート及び前記トップコートで被覆された前記基材に対し、1.0×10-15−1.0×10-9Paの酸素分圧の真空雰囲気下において、1000−1200℃の範囲内の所定温度で、1−6時間加熱する予備酸化処理を行うことにより、前記ボンドコートと前記トップコートの界面に酸化バリア層を生成させる工程とを含むことを特徴としている。
Moreover, the manufacturing method of the high temperature member which concerns on another one aspect | mode of this invention,
A step of thermally spraying NiCoCrAlY alloy powder on the surface of a base material made of a heat-resistant alloy to form a bond coat made of NiCoCrAlY alloy;
A step of thermally spraying an oxide-based ceramic powder on the surface of the base material on which the bond coat is formed to form a top coat;
Within a range of 1000 to 1200 ° C. in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −15 to 1.0 × 10 −9 Pa with respect to the base material coated with the bond coat and the top coat. And a step of generating an oxidation barrier layer at the interface between the bond coat and the top coat by performing a pre-oxidation treatment by heating at a predetermined temperature for 1-6 hours.

また、本発明の一態様に係る高温部材は、
耐熱合金からなる基材と、
前記基材の表面に設けられたNiCoCrAlY合金からなるボンドコートと、
前記ボンドコートの表面に設けられた等軸晶組織のα−Alからなる酸化バリア層と、
前記酸化バリア層の表面に設けられた酸化物系セラミックスからなるトップコートとを備えることを特徴としている。
The high temperature member according to one embodiment of the present invention is
A base material made of a heat-resistant alloy;
A bond coat made of NiCoCrAlY alloy provided on the surface of the substrate;
An oxidation barrier layer made of α-Al 2 O 3 having an equiaxed crystal structure provided on the surface of the bond coat;
And a top coat made of an oxide-based ceramic provided on the surface of the oxidation barrier layer.

上記の高温部材の製造方法において、前記予備酸化処理における、前記ボンドコートの昇温レートが5−15℃/minであってよい。   In the method for manufacturing a high temperature member, a temperature increase rate of the bond coat in the preliminary oxidation treatment may be 5-15 ° C./min.

また、上記の高温部材及びその製造方法において、前記NiCoCrAlY合金は、質量分率で表して、18.0−28.0%のCo、13.0−21.0%のCr、10.0−15.0%のAl、及び、0.1−0.8%のYを含んでなることがよい。   In the high temperature member and the manufacturing method thereof, the NiCoCrAlY alloy is expressed by mass fraction, 18.0-28.0% Co, 13.0-21.0% Cr, 10.0- It is preferable to contain 15.0% Al and 0.1-0.8% Y.

上記の高温部材及びその製造方法によれば、TBCを形成しているボンドコートとトップコートとの界面に設けられた酸化バリア層は、θ−Alを殆ど含まず、α−Alからなる。よって、高温部材に生成された酸化バリア層は、TBCのトップコートとボンドコートの界面酸化物の成長の抑制に優れた効果を発揮することはもちろん、θ−Alを殆ど含まないことによりTBCの耐久性の更なる向上に寄与することができる。そして、TBCの耐久性の向上により、TBCが適用された高温部材の長寿命化を実現できる。 According to the high temperature member and the manufacturing method thereof, the oxidation barrier layer provided at the interface between the bond coat and the top coat forming the TBC hardly contains θ-Al 2 O 3 , and α-Al 2 consisting of O 3. Therefore, the oxidation barrier layer formed on the high temperature member exhibits an excellent effect in suppressing the growth of the interface oxide of the TBC topcoat and bond coat, and hardly contains θ-Al 2 O 3. This can contribute to further improvement of the durability of TBC. And the lifetime improvement of the high temperature member to which TBC was applied is realizable by the improvement of durability of TBC.

本発明によれば、TBCの耐久性の更なる向上に寄与する酸化バリア層を形成する技術及びその技術が適用された高温部材を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the high temperature member to which the technique which forms the oxidation barrier layer which contributes to the further improvement of durability of TBC, and the technique can be provided can be provided.

図1は、試料を大気雰囲気下で1100℃まで昇温した際の、in-situ XRDによるボンドコートの表面の分析結果である。FIG. 1 shows the analysis result of the surface of the bond coat by in-situ XRD when the sample was heated to 1100 ° C. in an air atmosphere. 図2は、試料を酸素分圧が1.0×10-1Paの真空雰囲気下で1000℃まで昇温した際の、in-situ XRDによるボンドコートの表面の分析結果である。FIG. 2 shows the analysis result of the surface of the bond coat by in-situ XRD when the sample was heated to 1000 ° C. in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −1 Pa. 図3は、試料を酸素分圧が1.0×10-12Paの真空雰囲気下で1000℃まで昇温した際の、in-situ XRDによるボンドコートの表面の分析結果である。FIG. 3 shows the analysis result of the surface of the bond coat by in-situ XRD when the sample was heated to 1000 ° C. in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −12 Pa. 図4は、酸素分圧が1.0×10-14Paの真空雰囲気下で予備酸化処理が行われた試料の断面のTEM像である。FIG. 4 is a TEM image of a cross section of a sample that was pre-oxidized in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −14 Pa. 図5は、酸素分圧が1.0×10-16Paの真空雰囲気下で予備酸化処理が行われた試料の断面のTEM像である。FIG. 5 is a TEM image of a cross section of a sample that was pre-oxidized in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −16 Pa. 図6は、異なる複数の酸素分圧の真空雰囲気下と大気雰囲気下で予備酸化処理された試料のXRDによるボンドコートの表面の分析結果である。FIG. 6 shows the results of analysis of the surface of the bond coat by XRD of samples pre-oxidized in a vacuum atmosphere and a plurality of air atmospheres having different oxygen partial pressures. 図7は、高温酸化試験の結果を表す図表である。FIG. 7 is a chart showing the results of the high temperature oxidation test. 図8(a)は試験片を3000時間熱暴露した後のボンドコートとトップコートの界面の断面SEM写真であり、図8(b)は比較用試験片を3000時間熱暴露した後のボンドコートとトップコートの界面の断面SEM写真である。FIG. 8 (a) is a cross-sectional SEM photograph of the interface between the bond coat and the top coat after the test piece is exposed to heat for 3000 hours, and FIG. 8 (b) is the bond coat after the comparative test piece is exposed to heat for 3000 hours. It is a cross-sectional SEM photograph of the interface of a topcoat. 図9は、トップコート施工後に予備酸化処理を行った試料の高温酸化試験の結果を表す図表である。FIG. 9 is a chart showing the results of a high-temperature oxidation test of a sample subjected to a pre-oxidation treatment after topcoat construction.

〔高温部材〕
本発明の一実施形態に係る高温部材は、耐熱性に優れた合金からなる基材が、遮熱コーティング(Thermal Barrier Coating:TBC)で被覆されたものである。TBCは、基材の表面に形成されたボンドコート(結合層)、ボンドコートの表面に生成した界面酸化物からなる酸化バリア層、及び、酸化バリア層の表面に形成された低熱伝導率のトップコート(遮熱層)からなる。
(High temperature member)
The high temperature member according to an embodiment of the present invention is obtained by coating a base material made of an alloy having excellent heat resistance with a thermal barrier coating (TBC). TBC is a bond coat (bonding layer) formed on the surface of a substrate, an oxidation barrier layer made of an interface oxide formed on the surface of the bond coat, and a top of low thermal conductivity formed on the surface of the oxidation barrier layer. It consists of a coat (heat shield layer).

上記基材は、Ni基合金や、Co基合金などの、一般にガスタービン翼や燃焼器の構成材として使用されている耐熱合金からなる。このような耐熱合金として、特に限定されるものではないが、例えば、MAR−M−247(登録商標)、Udimet520TM、CMSX−4(登録商標)などの耐熱合金が挙げられる。 The base material is made of a heat-resistant alloy that is generally used as a constituent material of a gas turbine blade or a combustor, such as a Ni-based alloy or a Co-based alloy. Such a heat-resistant alloy is not particularly limited, and examples thereof include heat-resistant alloys such as MAR-M-247 (registered trademark), Udimet520 , and CMSX-4 (registered trademark).

上記トップコートは、低熱伝導率のセラミックスからなる。このような低熱伝導率のセラミックスとして、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などの酸化物系セラミックスが挙げられる。   The top coat is made of ceramic with low thermal conductivity. Examples of such a low thermal conductivity ceramic include oxide ceramics such as yttria stabilized zirconia (YSZ).

上記酸化バリア層は、主に等軸晶組織のα−Alからなる。α−Alは、緻密であると共に高温環境下での長時間の使用に伴う成長速度が遅い。このような酸化バリア層がボンドコートとトップコートとの界面に存在することによって、ボンドコートとトップコートとの界面酸化物のそれ以上の成長が抑制される。 The oxidation barrier layer is mainly composed of α-Al 2 O 3 having an equiaxed crystal structure. α-Al 2 O 3 is dense and has a slow growth rate due to long-time use in a high-temperature environment. The existence of such an oxidation barrier layer at the interface between the bond coat and the top coat suppresses further growth of the interface oxide between the bond coat and the top coat.

上記ボンドコートは、NiCoCrAlY合金からなる。なお、上記NiCoCrAlY合金には、NiCoCrAlYSiHf合金も含まれる。NiCoCrAlY合金では、各成分の質量分率がNi>Co>Cr>Alの関係となっている。   The bond coat is made of a NiCoCrAlY alloy. The NiCoCrAlY alloy includes a NiCoCrAlYSiHf alloy. In the NiCoCrAlY alloy, the mass fraction of each component has a relationship of Ni> Co> Cr> Al.

JIS H8260「溶射粉末材料」では、NiCoCrAlY合金粉末の種類が、コード番号4.3−4.4(記号NiCoCrAlY47 22 17 13)及びコード番号4.5(記号NiCoCrAlYSiHf47 22 17 13)で区分されている。ボンドコートの材料として、上記コード番号4.3−4.5に区分される種類のNiCoCrAlY合金が用いられてよい。また、ボンドコートの材料として、例えば、AMPERIT(登録商標)405、AMPERIT410、AmdryTM365、Amdry386などの市販されているNiCoCrAlY合金が用いられてよい。表1では、市販されているNiCoCrAlY合金の化学成分を示す。 In JIS H8260 “Sprayed powder material”, the types of NiCoCrAlY alloy powders are classified by code number 4.3-4.4 (symbol NiCoCrAlY47 22 17 13) and code number 4.5 (symbol NiCoCrAlYSiHf47 22 17 13). As a material for the bond coat, a NiCoCrAlY alloy of the type classified into the code numbers 4.3 to 4.5 may be used. Further, as a material for the bond coat, for example, a commercially available NiCoCrAlY alloy such as AMPERIT (registered trademark) 405, AMPERIT 410, Amdry 365, Amdry 386 may be used. Table 1 shows chemical components of commercially available NiCoCrAlY alloys.

NiCoCrAlY合金に分類される合金の各成分の質量分率は、Co:18.0−28.0%、Cr:13.0−21.0%、Al:10.0−15.0%、Y:0.1−0.8%、残部Niである。また、NiCoCrAlY合金(そのうち、NiCoCrAlYSiHf合金)に分類される合金の各成分の質量分率は、Co:18.0−26.0%、Cr:13.0−21.0%、Al:10.0−15.0%、Y:0.1−1.0%、Hf:0.1−1.0%、Si::0.1−0.7%、残部Niである。なお、上記NiCoCrAlY合金は、各成分の質量分率に表れていない微量の不純物が含まれていてよい。   The mass fraction of each component of the alloys classified as NiCoCrAlY alloys is Co: 18.0-28.0%, Cr: 13.0-21.0%, Al: 10.0-15.0%, Y : 0.1-0.8%, balance Ni. Moreover, the mass fraction of each component of the alloy classified into NiCoCrAlY alloys (including NiCoCrAlYSiHf alloys) is Co: 18.0-26.0%, Cr: 13.0-21.0%, Al: 10. 0-15.0%, Y: 0.1-1.0%, Hf: 0.1-1.0%, Si :: 0.1-0.7%, and the balance Ni. In addition, the said NiCoCrAlY alloy may contain the trace amount impurity which does not appear in the mass fraction of each component.

NiCoCrAlY合金の成分のうちNi,Cr,Al,Coの各成分の質量分率が、α−Alの生成に関与していると考えられている。詳細には、NiCoCrAlY合金の成分のうち、Cr及びAlの質量分率の増加はα−Alの生成を促進し、NiとCoの質量分率の増加はα−Alの生成を阻害すると考えられている。 It is considered that the mass fraction of each of Ni, Cr, Al, and Co among the components of the NiCoCrAlY alloy is involved in the formation of α-Al 2 O 3 . Specifically, among the components of the NiCoCrAlY alloy, an increase in the mass fraction of Cr and Al promotes the formation of α-Al 2 O 3 , and an increase in the mass fraction of Ni and Co is the increase in α-Al 2 O 3 . It is thought to inhibit production.

このことから、高温部材のボンドコートの材料として採用され得るNiCoCrAlY合金を、Ni,Cr,Al,Coの各成分の質量分率のバランスで定義することができる。つまり、ボンドコートの材料として好適なNiCoCrAlY合金は、質量分率で表して、18.0−28.0%のCo、13.0−21.0%のCr、10.0−15.0%のAl、及び、0.1−0.8%のYを含んでなることが好適である。   From this, the NiCoCrAlY alloy that can be adopted as the material for the bond coat of the high-temperature member can be defined by the balance of the mass fraction of each component of Ni, Cr, Al, and Co. That is, the NiCoCrAlY alloy suitable as a material for the bond coat is expressed by mass fraction, 18.0-28.0% Co, 13.0-21.0% Cr, 10.0-15.0%. It is preferable to contain Al and 0.1 to 0.8% of Y.

〔高温部材の製造方法〕
上記高温部材は、次の工程(1)−(3)により製造される。なお、高温部材の製造工程は(1)−(3)の順に進行する。
[Method for producing high temperature member]
The high temperature member is manufactured by the following steps (1) to (3). In addition, the manufacturing process of a high temperature member advances in order of (1)-(3).

(1)基材の表面に、NiCoCrAlY合金を溶射して、例えば、100−150μm厚のボンドコート(即ち、NiCoCrAlY合金皮膜)を形成させる。この際、NiCoCrAlY合金の溶射には、高速フレーム溶射法と呼ばれるHVOF(High Velocity Oxy−Fuel)溶射法、又は、減圧プラズマ溶射(Low Pressure Plasma Spraying:LPPS)が用いられる。なお、ボンドコートの厚みは上記に限定されない。 (1) A NiCoCrAlY alloy is sprayed on the surface of the substrate to form, for example, a bond coat (ie, NiCoCrAlY alloy film) having a thickness of 100 to 150 μm. At this time, for the thermal spraying of the NiCoCrAlY alloy, an HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) thermal spraying method called a high-speed flame spraying method or a low pressure plasma spraying (LPPS) is used. The thickness of the bond coat is not limited to the above.

(2)上記のように形成されたボンドコートの予備酸化処理を行い、ボンドコートの表面に酸化バリア層(即ち、酸化膜)を生成させる。予備酸化処理では、ボンドコートが形成された基材を、酸素分圧が平均で1.0×10-15−1.0×10-9Paの真空雰囲気の、1000−1200℃の範囲内の所定温度の炉内で、1−6時間加熱する。なお、上記予備酸化処理の加熱時間には、基材の熱処理のための時間が加味されている。 (2) A pre-oxidation treatment of the bond coat formed as described above is performed to generate an oxidation barrier layer (that is, an oxide film) on the surface of the bond coat. In the pre-oxidation treatment, the base material on which the bond coat is formed is within a range of 1000 to 1200 ° C. in a vacuum atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −15 to 1.0 × 10 −9 Pa on average. Heat in a furnace at a given temperature for 1-6 hours. In addition, the time for the heat treatment of the base material is added to the heating time of the preliminary oxidation treatment.

予備酸化処理において、ボンドコートを1000−1200℃の範囲内の所定温度に昇温するまでの昇温レートが5−15℃/minとなるように、炉内の温度や環境が調整される。予備酸化処理において、酸素分圧や加熱温度条件に加えて、ボンドコートの昇温レートは、ボンドコートの表面に生成する酸化バリア層の結晶構造(後述する等軸晶組織)に影響を与えると考えられる。   In the preliminary oxidation treatment, the temperature and environment in the furnace are adjusted so that the rate of temperature rise until the temperature of the bond coat is raised to a predetermined temperature within the range of 1000 to 1200 ° C. is 5-15 ° C./min. In the pre-oxidation treatment, in addition to the oxygen partial pressure and the heating temperature condition, the temperature increase rate of the bond coat affects the crystal structure (an equiaxed crystal structure described later) of the oxidation barrier layer generated on the surface of the bond coat. Conceivable.

また、予備酸化処理の上記のような極低酸素分圧の炉内環境は、炉内を真空ポンプで真空引きして、アルゴンガスを導入することにより実現可能である。ここで、「真空」とは、大気圧より低い圧力で満たされた空間の状態を意味する。   Further, the extremely low oxygen partial pressure in the furnace environment as described above for the pre-oxidation treatment can be realized by evacuating the inside of the furnace with a vacuum pump and introducing argon gas. Here, “vacuum” means a state of a space filled with a pressure lower than atmospheric pressure.

(3)上記のように形成された酸化バリア層の表面に、低熱伝導率の酸化物系セラミックスを溶射して、約200μm厚のトップコート(即ち、セラミックス皮膜)を形成させる。この際、低熱伝導性セラミックスの溶射には、大気プラズマ溶射(Atmospheric Plasma Spraying:APS)溶射法が用いられる。なお、トップコートの厚みは高温部材の用途に応じて適宜調整される。 (3) An oxide ceramic with low thermal conductivity is sprayed on the surface of the oxidation barrier layer formed as described above to form a top coat (that is, a ceramic film) having a thickness of about 200 μm. At this time, atmospheric plasma spraying (APS) spraying is used for spraying the low thermal conductive ceramic. The thickness of the top coat is appropriately adjusted according to the use of the high temperature member.

〔ボンドコートの表面の酸化挙動の分析〕
高温部材の製造過程におけるボンドコートの表面の酸化挙動を分析するために、ボンドコートの表面に生成される酸化物に対しin-situ XRD(X線回折法)による相組成分析(結晶成分の相同定/定性分析、定量分析、結晶構造解など)を行った。
[Analysis of oxidation behavior of bond coat surface]
In order to analyze the oxidation behavior of the bond coat surface during the manufacturing process of high temperature components, the phase composition analysis by in-situ XRD (X-ray diffraction method) is performed on the oxide formed on the bond coat surface Qualitative / qualitative analysis, quantitative analysis, crystal structure solution, etc.).

in-situ XRD分析用の試料は、単結晶Ni基合金であるCMSX−4からなる耐熱合金基材に、NiCoCrAlY合金粉末を溶射し、約100μm厚のボンドコート(即ち、NiCoCrAlY合金皮膜)を形成させ、ボンドコートの表面を鏡面になるまで研磨したものである。この試料に対し、10℃/minの昇温レートで1000−1100℃となるまで加熱し、加熱を1時間保持し、50℃/minの降温レートで常温まで冷却する、一連の予備酸化処理を行った。この予備酸化処理において、試料は、雰囲気制御可能な高温ステージ(Anton Paar社製DHS1100)に載置した。高温ステージの雰囲気は、酸素分圧の影響を比較するために、真空度の異なる複数種類の真空雰囲気と、大気雰囲気下とした。   The sample for in-situ XRD analysis was formed by spraying NiCoCrAlY alloy powder onto a heat-resistant alloy substrate made of CMSX-4, a single crystal Ni-based alloy, to form a bond coat (ie, NiCoCrAlY alloy film) with a thickness of about 100 μm. The surface of the bond coat is polished until it becomes a mirror surface. This sample was heated at a rate of 10 ° C./min to 1000-1100 ° C., held for 1 hour, and cooled to room temperature at a rate of 50 ° C./min. went. In this preliminary oxidation treatment, the sample was placed on a high-temperature stage (DHS1100 manufactured by Anton Paar) that can control the atmosphere. In order to compare the influence of the oxygen partial pressure, the atmosphere of the high temperature stage was set to a plurality of types of vacuum atmospheres having different degrees of vacuum and an air atmosphere.

上記in-situ XRD分析用の試料の予備酸化処理の間、XRDによるボンドコートの表面酸化物の相組成分析を連続して行った。   During the preliminary oxidation treatment of the sample for in-situ XRD analysis, the phase composition analysis of the surface oxide of the bond coat by XRD was continuously performed.

図1は、試料を大気雰囲気下で1100℃まで昇温した際の、in-situ XRDによるボンドコートの表面の分析結果である。図1に示す分析結果では、加熱を開始してから試料温度が1000℃に達するまでの間は、ボンドコートの表面に酸化物の生成が確認されなかった。なお、600℃前後から、γ−Niのピーク幅が減少するとともに、β−NiAlのピークが出現したが、これは結晶性の低い溶射膜のγ−Ni組織が、昇温により再結晶が進むとともに熱力学的に安定なγ−Niとβ−NiAlの混合組織に変化したためと考えられる。試料温度が1000℃を超えた時点から、β−NiAlのピークが消失し、代わって、θ−Alのピークと、α−Alの弱いピークとが検出された。 FIG. 1 shows the analysis result of the surface of the bond coat by in-situ XRD when the sample was heated to 1100 ° C. in an air atmosphere. According to the analysis result shown in FIG. 1, generation of oxide on the surface of the bond coat was not confirmed until the sample temperature reached 1000 ° C. after heating was started. From around 600 ° C., the peak width of γ-Ni decreased and the peak of β-NiAl appeared. This is because the γ-Ni structure of the sprayed film having low crystallinity progresses with recrystallization. In addition, it is considered that the mixed structure of γ-Ni and β-NiAl which is thermodynamically stable is changed. From the time when the sample temperature exceeded 1000 ° C., the β-NiAl peak disappeared, and instead a θ-Al 2 O 3 peak and a weak α-Al 2 O 3 peak were detected.

図2及び図3は、試料を2種類の異なる酸素分圧の真空雰囲気下で1000℃まで昇温した際の、in-situ XRDによるボンドコートの表面の分析結果である。2種類の異なる酸素分圧条件のうち、条件(a)の酸素分圧が平均で1.0×10-1Paであり、条件(b)の酸素分圧は平均で1.0×10-12Paである。図2では条件(a)での分析結果が示され、図3では条件(b)での分析結果が示されている。 2 and 3 show the results of analysis of the surface of the bond coat by in-situ XRD when the sample was heated to 1000 ° C. in two different oxygen partial pressure vacuum atmospheres. Of the two different oxygen partial pressure conditions, the oxygen partial pressure of condition (a) is 1.0 × 10 −1 Pa on average, and the oxygen partial pressure of condition (b) is 1.0 × 10 − 12 Pa. FIG. 2 shows the analysis result under the condition (a), and FIG. 3 shows the analysis result under the condition (b).

図2及び図3に示す分析結果では、上記いずれの酸素分圧条件においても、加熱を開始してから試料温度が1000℃に達するまでの間は、ボンドコートの表面に酸化物の生成が確認されなかった。条件(a)では、1000℃での温度保持開始とともに、β−NiAlのピークが消失し、代わって、酸化物のピークが出現した。酸化物はθ−Alとα−Alであり、両者は同時に出現し、両者のピーク強度は時間の経過とともに増大した。一方、条件(b)では、1000℃での温度保持中に酸化物のピークが出現し、この酸化物はα−Alのみであった。 The analysis results shown in FIG. 2 and FIG. 3 confirm that oxide formation is generated on the surface of the bond coat from the start of heating until the sample temperature reaches 1000 ° C. under any oxygen partial pressure conditions described above. Was not. Under the condition (a), with the start of temperature holding at 1000 ° C., the β-NiAl peak disappeared and an oxide peak appeared instead. The oxides were θ-Al 2 O 3 and α-Al 2 O 3 , and both appeared at the same time, and the peak intensities of both increased with time. On the other hand, under the condition (b), an oxide peak appeared while maintaining the temperature at 1000 ° C., and this oxide was only α-Al 2 O 3 .

以上の分析結果によれば、大気雰囲気下における1100℃で1時間の予備酸化処理では、ボンドコートの表面においてθ−Alからα−Alへの相転移は十分に進行しないと推察される。一方、酸素分圧が低い真空雰囲気下での予備酸化処理では、より低温の1000℃においてもボンドコートの表面にα−Alが生成した。とりわけ、条件(b)の極めて低い酸素分圧の真空雰囲気下での予備酸化処理では、ボンドコートの表面にθ−Alが生成することなく、α−Alのみが生成した。 According to the above analysis results, the phase transition from θ-Al 2 O 3 to α-Al 2 O 3 does not proceed sufficiently on the surface of the bond coat in the pre-oxidation treatment at 1100 ° C. for 1 hour in the air atmosphere. It is guessed. On the other hand, in the preliminary oxidation treatment in a vacuum atmosphere with a low oxygen partial pressure, α-Al 2 O 3 was generated on the surface of the bond coat even at a lower temperature of 1000 ° C. In particular, in the pre-oxidation treatment in a vacuum atmosphere with a very low oxygen partial pressure under the condition (b), only α-Al 2 O 3 was generated without generating θ-Al 2 O 3 on the surface of the bond coat. .

つまり、以上の分析結果から、一定以下の低酸素分圧の真空雰囲気下でボンドコートの予備酸化処理を行うことにより、トップコートとボンドコートの界面にθ−Alを殆ど生じさせることなく、α−Alを(相転移を経ずに)生成させることができることがわかった。 In other words, from the above analysis results, by performing the pre-oxidation treatment of the bond coat in a vacuum atmosphere with a low oxygen partial pressure below a certain level, θ-Al 2 O 3 is almost generated at the interface between the top coat and the bond coat. As a result, it was found that α-Al 2 O 3 can be produced (without undergoing a phase transition).

〔酸化バリア層の形態観察〕
透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)を用いて、ボンドコートの表面に生成される酸化物(即ち、酸化バリア層)の形態観察を行った。
[Observation of oxidation barrier layer morphology]
Using a transmission electron microscope (TEM), the form of the oxide (that is, the oxidation barrier layer) generated on the surface of the bond coat was observed.

TEM観察用の試料は、単結晶Ni基合金であるCMSX−4からなる耐熱合金基材に、NiCoCrAlY合金粉末を溶射し、約100μm厚のボンドコート(NiCoCrAlY合金皮膜)を形成させ、ボンドコートの表面を鏡面になるまで研磨したものである。この試料に対し、1080℃で4時間の条件で予備酸化処理を行い、ボンドコートの表面に酸化バリア層(即ち、酸化膜)を生成させた。予備酸化処理中の雰囲気の酸素分圧(平均値)を、1.0×10-3Pa、1.0×10-9Pa、1.0×10-14Pa、1.0×10-15Pa、1.0×10-16Paの異なる複数種類で変化させて、酸素分圧が酸化バリア層の生成に与える影響を比較した。 A sample for TEM observation was obtained by spraying NiCoCrAlY alloy powder onto a heat-resistant alloy substrate made of single crystal Ni-based alloy CMSX-4 to form a bond coat (NiCoCrAlY alloy film) having a thickness of about 100 μm. The surface is polished until it becomes a mirror surface. This sample was pre-oxidized at 1080 ° C. for 4 hours to form an oxidation barrier layer (that is, an oxide film) on the surface of the bond coat. The oxygen partial pressure (average value) of the atmosphere during the pre-oxidation treatment is 1.0 × 10 −3 Pa, 1.0 × 10 −9 Pa, 1.0 × 10 −14 Pa, 1.0 × 10 −15. The effect of the partial pressure of oxygen on the formation of the oxidation barrier layer was compared by changing the pressure at different types of Pa and 1.0 × 10 −16 Pa.

上記予備酸化処理後のTEM観察用の試料に対し、集束イオンビーム(Focused Ion Beam:FIB)でTEM試料作製加工を行って、試料の所定箇所の断面を露出させた断面試料を作製し、この断面試料の酸化バリア層をTEMを用いて観察した。併せて、予備酸化処理後のTEM観察用の試料に対し、XRDによる酸化バリア層の相組成分析を行った。   The sample for TEM observation after the pre-oxidation treatment is subjected to TEM sample preparation processing with a focused ion beam (FIB) to prepare a cross-sectional sample in which a cross section of a predetermined portion of the sample is exposed. The oxidation barrier layer of the cross-sectional sample was observed using TEM. In addition, the phase composition analysis of the oxidation barrier layer by XRD was performed on the sample for TEM observation after the preliminary oxidation treatment.

図4は、酸素分圧が1.0×10-14Paの真空雰囲気下で予備酸化処理が行われた試料の断面のTEM像である。図4の試料の断面のTEM像では、ボンドコートの表面に連続的な酸化膜(即ち、酸化バリア層)が生成している。また、この断面のTEM像からは、酸化膜の厚さが0.1−0.5μmであること、及び、酸化膜は結晶径が0.1−0.5μm程度の等軸晶が隙間が殆どなく並んだ組織構造を有していることがわかる。酸化バリア層内の物質拡散は主に粒界拡散であると考えられるため、このように、等軸晶組織のα−Alからなる酸化バリア層は、柱状晶組織のα−Alからなる酸化バリア層と比較して、層の厚みが同じ場合には、トップコートとボンドコートの界面でOやAlが拡散する粒界の表面積に対する割合が小さいことから、高い酸化バリア効果が得られると考えられる。 FIG. 4 is a TEM image of a cross section of a sample that was pre-oxidized in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −14 Pa. In the TEM image of the cross section of the sample in FIG. 4, a continuous oxide film (that is, an oxidation barrier layer) is generated on the surface of the bond coat. Further, from the TEM image of this cross section, the thickness of the oxide film is 0.1-0.5 μm, and the oxide film has an equiaxed crystal having a crystal diameter of about 0.1-0.5 μm. It can be seen that there is almost no side-by-side organization structure. It is considered that the diffusion of substances oxide barrier layer is predominantly grain boundary diffusion, thus, oxidation barrier layer consisting of α-Al 2 O 3 of equiaxed organization, the columnar crystal structure alpha-Al 2 Compared with the oxidation barrier layer made of O 3 , when the layer thickness is the same, the ratio of the grain boundary surface area in which O and Al diffuse at the interface between the top coat and the bond coat is small, and thus a high oxidation barrier effect. Can be obtained.

図5は、酸素分圧が1.0×10-16Paの真空雰囲気下で予備酸化処理が行われた試料の断面のTEM像である。図5の試料の断面のTEM像では、ボンドコートの表面の一部分に酸化物が生成している。 FIG. 5 is a TEM image of a cross section of a sample that was pre-oxidized in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −16 Pa. In the TEM image of the cross section of the sample in FIG. 5, oxide is generated on a part of the surface of the bond coat.

次表2では、予備酸化処理中の真空雰囲気の酸素分圧を1.0×10-3Pa、1.0×10-9Pa、1.0×10-14Pa、1.0×10-15Pa、1.0×10-16Paの複数種類で変化させたときの、酸化バリア層の生成の成否を表している。 In the following Table 2, the oxygen partial pressure in the vacuum atmosphere during the pre-oxidation treatment is 1.0 × 10 −3 Pa, 1.0 × 10 −9 Pa, 1.0 × 10 −14 Pa, 1.0 × 10 −. It shows the success or failure of the generation of the oxidation barrier layer when it is changed in plural types of 15 Pa and 1.0 × 10 −16 Pa.

酸素分圧が1.0×10-16Paでは、酸化物は生成されたものの、それがボンドコート表面で膜状に連続しなかった、つまり、成膜しなかった。酸素分圧が1.0×10-3Paでは、α−Alではなく、酸化バリア機能を成さない複合酸化物が生成された。酸素分圧が1.0×10-15Paから1.0×10-9Paの範囲では、酸化バリア層の生成が確認された。以上から、予備酸化処理の酸素分圧(pO)は、1.0×10-15Pa以上1.0×10-9Pa以下が好適であることがわかる。 When the oxygen partial pressure was 1.0 × 10 −16 Pa, an oxide was produced, but it was not continuous in the form of a film on the bond coat surface, that is, no film was formed. When the oxygen partial pressure was 1.0 × 10 −3 Pa, a composite oxide that was not α-Al 2 O 3 and did not have an oxidation barrier function was produced. Formation of an oxidation barrier layer was confirmed when the oxygen partial pressure was in the range of 1.0 × 10 −15 Pa to 1.0 × 10 −9 Pa. From the above, it can be seen that the oxygen partial pressure (pO 2 ) in the pre-oxidation treatment is preferably 1.0 × 10 −15 Pa or more and 1.0 × 10 −9 Pa or less.

図6は、異なる複数の酸素分圧の真空雰囲気下と大気雰囲気下で予備酸化処理された試料のXRDによるボンドコートの表面の分析結果である。図6の図表において、Sample-Aは大気雰囲気下で予備酸化処理された試料、Sample-Bは酸素分圧が1.0×10-14Paの真空雰囲気下で予備酸化処理された試料、Sample-Cは酸素分圧が1.0×10-16Paの真空雰囲気下で予備酸化処理された試料の分析結果を示している。 FIG. 6 shows the results of analysis of the surface of the bond coat by XRD of samples pre-oxidized in a vacuum atmosphere and a plurality of air atmospheres having different oxygen partial pressures. In the chart of FIG. 6, Sample-A is a sample preliminarily oxidized in an air atmosphere, Sample-B is a sample preliminarily oxidized in a vacuum atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −14 Pa, Sample -C shows the analysis result of the sample preliminarily oxidized in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −16 Pa.

Sample-Aの分析結果では、ボンドコートの表面の酸化物としてα−Al、θ−Al、及び、スピネル型酸化物である(Ni,Co)Alが検出された。また、Sample-BとSample-Cの分析結果では、ボンドコートの表面の酸化物としてα−Alが検出され、θ−Alや(Ni,Co)Alは検出されなかった。 In the analysis result of Sample-A, α-Al 2 O 3 , θ-Al 2 O 3 , and (Ni, Co) Al 2 O 4 which is a spinel oxide are detected as oxides on the surface of the bond coat. It was. Moreover, in the analysis results of Sample-B and Sample-C, α-Al 2 O 3 is detected as an oxide on the surface of the bond coat, and θ-Al 2 O 3 and (Ni, Co) Al 2 O 4 are detected. Was not.

以上の分析結果から、Sample-Aでは、in-situ XRDの分析結果では検出されなかったα−Alが検出されたことから、4時間の熱処理の間に、θ−Alからα−Alへの相転移が生じたと考えられる。また、高い酸素分圧での処理のため、Ni及びCoが酸化し、(Ni,Co)Alを生じたと考えられる。Ni及びCoは、準安定アルミナからα−Alへの相転移を抑制する効果があるとされており、Sample-Aのボンドコートの表面にθ−Alが残存する原因となったと考えられる。 From the above analysis results, in Sample-A, α-Al 2 O 3 that was not detected in the in-situ XRD analysis results was detected. Therefore, during heat treatment for 4 hours, θ-Al 2 O 3 was detected. It is thought that a phase transition from α to α-Al 2 O 3 occurred. In addition, it is considered that Ni and Co were oxidized due to the treatment at a high oxygen partial pressure, resulting in (Ni, Co) Al 2 O 4 . Ni and Co are said to have an effect of suppressing the phase transition from metastable alumina to α-Al 2 O 3 , and cause that θ-Al 2 O 3 remains on the surface of the bond coat of Sample-A. It is thought that it became.

一方、Sample-B及びSample-Cでは、予備酸化処理の酸素分圧がNi及びCoが酸化する条件ではないため、α−Alのみが検出されたと考えられる。Sample-B及びSample-Cにおいて、θ−Alが検出されなかった事実は、前出のin-situ XRDの分析結果と一致する。 On the other hand, in Sample-B and Sample-C, it is considered that only α-Al 2 O 3 was detected because the oxygen partial pressure in the pre-oxidation treatment was not a condition for oxidizing Ni and Co. The fact that θ-Al 2 O 3 was not detected in Sample-B and Sample-C is consistent with the above-described in-situ XRD analysis results.

以上から、比較的高酸素分圧の環境では、NiCoCrAlY合金の酸化生成物としてはα−Alだけでなくθ−Al等の準安定アルミナ及び(Ni,Co)Alを生じるが、一定以下の酸素分圧になると、NiCoCrAlY合金の酸化生成物としてはθ−Alを殆ど生じさせることなくα−Alのみを形成させることができることが明らかとなった。このことから、適正な酸素分圧範囲でボンドコートの予備酸化処理を行うことにより、ボンドコートの表面に界面酸化物の成長の抑制に効果的なα−Alから成る酸化バリア層を形成できると考えられる。 From the above, in a relatively high oxygen partial pressure environment, the oxidation products of the NiCoCrAlY alloy include not only α-Al 2 O 3 but also metastable alumina such as θ-Al 2 O 3 and (Ni, Co) Al 2 O. Although resulting in 4, when a constant following the oxygen partial pressure, as the oxidation product of NiCoCrAlY alloy clear that it is possible to form only the α-Al 2 O 3 without causing almost θ-Al 2 O 3 became. From this, by performing a pre-oxidation treatment of the bond coat in an appropriate oxygen partial pressure range, an oxidation barrier layer made of α-Al 2 O 3 effective for suppressing the growth of the interface oxide is formed on the surface of the bond coat. It can be formed.

〔TBCの耐剥離性の評価〕
高温部材のTBCの耐剥離性を評価するために、高温酸化試験(isothermal oxidation test)を行った。
[Evaluation of TBC peeling resistance]
In order to evaluate the TBC peel resistance of the high temperature member, an isothermal oxidation test was performed.

高温酸化試験では、1050℃の大気炉を用い、試験片(及び、比較用試験片)を大気中で熱暴露した。そして、高温酸化試験の途中で試験片を取り出して切断し、試験片の断面をSEMにて観察し、画像解析することによって、ボンドコートとトップコートの界面酸化物の厚さを計測した。   In the high temperature oxidation test, a test piece (and a test piece for comparison) was exposed to heat in the atmosphere using an atmospheric furnace at 1050 ° C. And the test piece was taken out and cut | disconnected in the middle of the high temperature oxidation test, the thickness of the interface oxide of a bond coat and a topcoat was measured by observing the cross section of a test piece in SEM, and image-analyzing.

高温酸化試験用の試験片は、Ni基合金(MAR−M−247)からなる基材に、NiCoCrAlY合金粉末を溶射して約150μm厚のボンドコートを形成させ、酸素分圧が1.0×10-14Paの真空雰囲気下において1080℃で4時間の予備酸化処理を行ってボンドコートの表面に酸化バリア層を生成し、酸化バリア層の表面にイットリア安定化ジルコニア粉末を溶射して約200μm厚のトップコートを形成させたものである。 The test piece for the high temperature oxidation test was formed by spraying NiCoCrAlY alloy powder onto a base material made of a Ni-based alloy (MAR-M-247) to form a bond coat having a thickness of about 150 μm, and an oxygen partial pressure of 1.0 ×. A pre-oxidation treatment is performed at 1080 ° C. for 4 hours in a vacuum atmosphere of 10 −14 Pa to form an oxidation barrier layer on the surface of the bond coat, and yttria-stabilized zirconia powder is sprayed on the surface of the oxidation barrier layer to about 200 μm. A thick top coat is formed.

高温酸化試験用の比較用試験片は、Ni基合金(MAR−M−247)からなる基材に、NiCoCrAlY合金粉末を溶射して約150μm厚のボンドコートを形成させ、ボンドコートの表面にイットリア安定化ジルコニア粉末を溶射して約200μm厚のトップコートを形成させ、トップコートを形成した後で酸素分圧が1.0×10-16Paの真空雰囲気下で1080℃で4時間の熱処理を行ったものである。つまり、比較用試験片は、予備酸化処理を行わず、トップコートを形成した後で熱処理を行った点、及び、熱処理時の酸素分圧の値で試験片と異なる。なお、酸素分圧が1.0×10-16Paの真空雰囲気下での熱処理(予備酸化処理)では、前述の通りボンドコートとトップコートの界面に酸化バリア層が形成されないことがわかっている。 A comparative test piece for a high temperature oxidation test was formed by spraying a NiCoCrAlY alloy powder on a base material made of a Ni-based alloy (MAR-M-247) to form a bond coat having a thickness of about 150 μm, and forming a yttria on the surface of the bond coat. A stabilized zirconia powder is sprayed to form a top coat having a thickness of about 200 μm. After the top coat is formed, heat treatment is performed at 1080 ° C. for 4 hours in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −16 Pa. It is what I did. That is, the comparative test piece is different from the test piece in that the pre-oxidation treatment is not performed, the heat treatment is performed after the top coat is formed, and the oxygen partial pressure during the heat treatment. In addition, it has been found that, in the heat treatment (preliminary oxidation treatment) in a vacuum atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −16 Pa, an oxidation barrier layer is not formed at the interface between the bond coat and the top coat as described above. .

図7は、高温酸化試験の結果を表す図表であり、横軸が熱暴露時間を表し、縦軸が界面酸化物の厚さを表している。図7に示す高温酸化試験の結果では、試験片では3000時間熱暴露した後でも界面酸化物の厚みが20μm程度であるのに対し、比較用試験片では3000時間熱暴露した後の界面酸化物の厚みは35μm程度である。   FIG. 7 is a chart showing the results of the high-temperature oxidation test, where the horizontal axis represents the heat exposure time, and the vertical axis represents the thickness of the interface oxide. According to the results of the high temperature oxidation test shown in FIG. 7, the thickness of the interface oxide is about 20 μm even after 3000 hours of thermal exposure in the test piece, whereas the interfacial oxide after 3000 hours of thermal exposure in the comparative test piece. The thickness is about 35 μm.

図8(a)は試験片を3000時間熱暴露した後のボンドコートとトップコートの界面の断面SEM写真であり、図8(b)は比較用試験片を3000時間熱暴露した後のボンドコートとトップコートの界面の断面SEM写真である。図8(a)及び図8(b)から、予備酸化処理を行った試験片は、予備酸化処理が行われていない比較用試験片と比較して、界面酸化物の成長が著しく抑制されていることが確認できる。   FIG. 8 (a) is a cross-sectional SEM photograph of the interface between the bond coat and the top coat after the test piece is exposed to heat for 3000 hours, and FIG. 8 (b) is the bond coat after the comparative test piece is exposed to heat for 3000 hours. It is a cross-sectional SEM photograph of the interface of a topcoat. From FIG. 8A and FIG. 8B, the test piece subjected to the pre-oxidation treatment is significantly suppressed in the growth of the interface oxide compared to the comparative test piece not subjected to the pre-oxidation treatment. It can be confirmed.

以上から、ボンドコートの予備酸化処理によってボンドコートとトップコートの界面に生成された酸化バリア層によって、界面酸化物の成長が効果的に抑制されたことが明らかとなった。   From the above, it has been clarified that the growth of the interface oxide was effectively suppressed by the oxidation barrier layer generated at the interface between the bond coat and the top coat by the preliminary oxidation treatment of the bond coat.

なお、上記実施形態の高温材料の製造方法では、ボンドコートの予備酸化処理を、トップコートを形成する前に行っている。これに対し、ボンドコートの予備酸化処理を、トップコートを形成した後に行っても、同様の高温部材を製造できることが分かった。   In the high temperature material manufacturing method of the above embodiment, the pre-oxidation treatment of the bond coat is performed before the top coat is formed. On the other hand, it was found that a similar high-temperature member can be produced even if the bond coat is pre-oxidized after the top coat is formed.

つまり、上記の高温部材は、次の工程(1)−(3)からなる変形例1に係る製造方法によっても製造することができる。なお、工程は(1)−(3)の順に進行する。   That is, said high temperature member can be manufactured also with the manufacturing method which concerns on the modification 1 which consists of following process (1)-(3). In addition, a process progresses in order of (1)-(3).

(1)耐熱合金からなる基材の表面に、NiCoCrAlY合金粉末を溶射して、NiCoCrAlY合金からなるボンドコートを形成させる。
(2)ボンドコートが形成された基材の表面に、酸化物系セラミックス粉末を溶射して、トップコートを形成させる。(3)ボンドコート及びトップコートで被覆された基材に対し、1.0×10-15−1.0×10-9Paの酸素分圧の真空雰囲気下において、1000−1200℃の範囲内の所定温度で、1〜6時間加熱する予備酸化処理を行うことにより、ボンドコートとトップコートの界面に酸化バリア層を生成させる。
(1) A NiCoCrAlY alloy powder is sprayed on the surface of a base material made of a heat-resistant alloy to form a bond coat made of a NiCoCrAlY alloy.
(2) An oxide ceramic powder is sprayed on the surface of the substrate on which the bond coat is formed to form a top coat. (3) With respect to the substrate coated with the bond coat and the top coat, within a range of 1000 to 1200 ° C. in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −15 to 1.0 × 10 −9 Pa. An oxidation barrier layer is formed at the interface between the bond coat and the top coat by performing a pre-oxidation treatment by heating at a predetermined temperature of 1 to 6 hours.

次に、上記の変形例1に係る製造方法によって製造された高温部材の性状を評価するために、以下に説明する高温酸化試験を行った。   Next, in order to evaluate the properties of the high-temperature member manufactured by the manufacturing method according to Modification 1, a high-temperature oxidation test described below was performed.

高温酸化試験用の試験片は、Ni基合金(CMSX−4)からなる基材に、NiCoCrAlY合金粉末を溶射して約150μm厚のボンドコートを形成させ、酸化バリア層の表面にイットリア安定化ジルコニア粉末を溶射して約200μm厚のトップコートを形成させたのち、酸素分圧が1.0×10-14Paの真空雰囲気下において1080℃で4時間の予備酸化処理を行って、ボンドコートとトップコートの界面に酸化バリア層を生成したものである。 A test piece for high-temperature oxidation test was formed by spraying NiCoCrAlY alloy powder to a base material made of a Ni-based alloy (CMSX-4) to form a bond coat having a thickness of about 150 μm, and yttria-stabilized zirconia on the surface of the oxidation barrier layer. After spraying the powder to form a top coat having a thickness of about 200 μm, a pre-oxidation treatment was performed at 1080 ° C. for 4 hours in a vacuum atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −14 Pa, An oxidation barrier layer is formed at the interface of the top coat.

高温酸化試験用の比較用試験片は、Ni基合金(CMSX−4)からなる基材に、NiCoCrAlY合金粉末を溶射して約150μm厚のボンドコートを形成させ、ボンドコートの表面にイットリア安定化ジルコニア粉末を溶射して約200μm厚のトップコートを形成させたのち、酸素分圧が1.0×10-16Paの真空雰囲気下で1080℃で4時間の熱処理を行ったものである。なお、酸素分圧が1.0×10-16Paの真空雰囲気下での予備酸化処理では、前述の通りボンドコートとトップコートの界面に酸化バリア層が形成されないことがわかっている。 A comparative test piece for high-temperature oxidation test was formed by spraying NiCoCrAlY alloy powder onto a base material made of Ni-based alloy (CMSX-4) to form a bond coat of about 150 μm thickness, and stabilizing yttria on the surface of the bond coat A zirconia powder was sprayed to form a top coat having a thickness of about 200 μm, and then a heat treatment was performed at 1080 ° C. for 4 hours in a vacuum atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −16 Pa. It has been found that in the pre-oxidation treatment in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −16 Pa, an oxidation barrier layer is not formed at the interface between the bond coat and the top coat as described above.

図9は、高温酸化試験の結果を表す図表であり、横軸が熱暴露時間を表し、縦軸が界面酸化物の厚さを表している。図9に示す高温酸化試験の結果では、試験片では800時間熱暴露した後でも界面酸化物の厚みが8μm程度であるのに対し、比較用試験片では800時間熱暴露した後の界面酸化物の厚みは19μm程度であった。この高温酸化試験の結果から、変形例1に係る製造方法によって製造された高温材料でも、ボンドコートとトップコートの界面に生成された酸化バリア層によって、界面酸化物の成長が効果的に抑制されたことがわかる。   FIG. 9 is a chart showing the results of the high-temperature oxidation test, in which the horizontal axis represents the heat exposure time, and the vertical axis represents the thickness of the interface oxide. The results of the high temperature oxidation test shown in FIG. 9 show that the thickness of the interface oxide is about 8 μm even after the test piece is exposed to heat for 800 hours, whereas the comparative test piece shows the interface oxide after the heat exposure for 800 hours. The thickness was about 19 μm. From the result of this high-temperature oxidation test, even in the high-temperature material manufactured by the manufacturing method according to Modification 1, the growth of the interface oxide is effectively suppressed by the oxidation barrier layer generated at the interface between the bond coat and the top coat. I understand that.

本発明に係る高温材料及びその製造方法は、産業用ガスタービンの構成部品に限らず、ボイラやジェットエンジンの構成部品などの高温の環境に晒される高温部材に広く適用することができる。   The high-temperature material and the manufacturing method thereof according to the present invention can be widely applied to high-temperature members that are exposed to high-temperature environments such as boilers and jet engine components, as well as industrial gas turbine components.

Claims (6)

耐熱合金からなる基材の表面に、NiCoCrAlY合金粉末を溶射して、NiCoCrAlY合金からなるボンドコートを形成させる工程と、
前記ボンドコートが形成された前記基材に対し、1.0×10-15−1.0×10-9Paの酸素分圧の真空雰囲気下において、1000−1200℃の範囲内の所定温度で、1〜6時間加熱する予備酸化処理を行うことにより、前記ボンドコートの表面に酸化バリア層を生成させる工程と、
前記酸化バリア層の表面に、酸化物系セラミックス粉末を溶射して、トップコートを形成させる工程とを含む、
高温部材の製造方法。
A step of thermally spraying NiCoCrAlY alloy powder on the surface of a base material made of a heat-resistant alloy to form a bond coat made of NiCoCrAlY alloy;
With respect to the base material on which the bond coat is formed, in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −15 to 1.0 × 10 −9 Pa, at a predetermined temperature within a range of 1000 to 1200 ° C. , A step of generating an oxidation barrier layer on the surface of the bond coat by performing a pre-oxidation treatment by heating for 1 to 6 hours;
Spraying an oxide-based ceramic powder on the surface of the oxidation barrier layer to form a top coat,
Manufacturing method of high temperature member.
耐熱合金からなる基材の表面に、NiCoCrAlY合金粉末を溶射して、NiCoCrAlY合金からなるボンドコートを形成させる工程と、
前記ボンドコートが形成された前記基材の表面に、酸化物系セラミックス粉末を溶射して、トップコートを形成させる工程と、
前記ボンドコート及び前記トップコートで被覆された前記基材に対し、1.0×10-15−1.0×10-9Paの酸素分圧の真空雰囲気下において、1000−1200℃の範囲内の所定温度で、1−6時間加熱する予備酸化処理を行うことにより、前記ボンドコートと前記トップコートの界面に酸化バリア層を生成させる工程とを含む、
高温部材の製造方法。
A step of thermally spraying NiCoCrAlY alloy powder on the surface of a base material made of a heat-resistant alloy to form a bond coat made of NiCoCrAlY alloy;
A step of thermally spraying an oxide-based ceramic powder on the surface of the base material on which the bond coat is formed to form a top coat;
Within a range of 1000 to 1200 ° C. in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.0 × 10 −15 to 1.0 × 10 −9 Pa with respect to the base material coated with the bond coat and the top coat. A step of generating an oxidation barrier layer at the interface between the bond coat and the top coat by performing a pre-oxidation treatment by heating at a predetermined temperature for 1-6 hours,
Manufacturing method of high temperature member.
前記予備酸化処理において、前記ボンドコートを前記所定温度に昇温するまでの昇温レートが5−15℃/minである、
請求項1又は請求項2に記載の高温部材の製造方法。
In the preliminary oxidation treatment, the rate of temperature rise until the temperature of the bond coat is raised to the predetermined temperature is 5-15 ° C./min.
The manufacturing method of the high temperature member of Claim 1 or Claim 2.
前記NiCoCrAlY合金は、質量分率で表して、18.0−28.0%のCo、13.0−21.0%のCr、10.0−15.0%のAl、及び、0.1−0.8%のYを含んでなる、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の高温部材の製造方法。
The NiCoCrAlY alloy has a mass fraction of 18.0-28.0% Co, 13.0-21.0% Cr, 10.0-15.0% Al, and 0.1% Comprising -0.8% Y,
The manufacturing method of the high temperature member as described in any one of Claims 1-3.
耐熱合金からなる基材と、
前記基材の表面に設けられたNiCoCrAlY合金からなるボンドコートと、
前記ボンドコートの表面に設けられた等軸晶組織のα−Alからなる酸化バリア層と、
前記酸化バリア層の表面に設けられた酸化物系セラミックスからなるトップコートとを備える、
高温部材。
A base material made of a heat-resistant alloy;
A bond coat made of NiCoCrAlY alloy provided on the surface of the substrate;
An oxidation barrier layer made of α-Al 2 O 3 having an equiaxed crystal structure provided on the surface of the bond coat;
A top coat made of an oxide-based ceramic provided on the surface of the oxidation barrier layer,
High temperature member.
前記NiCoCrAlY合金は、質量分率で表して、18.0−28.0%のCo、13.0−21.0%のCr、10.0−15.0%のAl、及び、0.1−0.8%のYを含んでなる、
請求項5の高温部材。
The NiCoCrAlY alloy has a mass fraction of 18.0-28.0% Co, 13.0-21.0% Cr, 10.0-15.0% Al, and 0.1% Comprising -0.8% Y,
The high temperature member according to claim 5.
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