JP2020158859A - 遮熱コーティング、タービン部材、ガスタービン及び遮熱コーティングの製造方法 - Google Patents
遮熱コーティング、タービン部材、ガスタービン及び遮熱コーティングの製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】遮熱コーティングの耐久性を向上することを目的とする。【解決手段】本発明の少なくとも一実施形態に係る遮熱コーティングは、基材を熱から保護するための遮熱コーティングであって、前記基材側に設けられ、第１セラミックスを含む第１層と、前記第１層を挟んで前記基材とは反対側に設けられ、第２セラミックスを含む第２層とを備え、前記第１層は、前記第２層よりも気孔率が高く、前記第２層は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である。【選択図】図１
Description
本開示は、遮熱コーティング、タービン部材、ガスタービン及び遮熱コーティングの製造方法に関する。
産業用ガスタービンの分野では、翼の形状や翼に設けられた冷却構造を変えずに、耐熱部材への熱負荷を低減することができる遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ，ＴＢＣ）が知られている。
例えば、特許文献１には、高い遮熱性と熱サイクル耐久性を両立するために、所定の粒度分布を有する溶射粒子を溶射することでセラミックス層を形成する遮熱コーティングの製造方法が開示されている。
例えば油燃料を使用する油焚きガスタービンのように、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる場合がある。このような場合、腐食性物質が遮熱コーティングのセラミックス層の気孔からセラミックス層に浸透してセラミックス層を劣化させる場合があることが知られている。そのため、燃焼ガスに含まれる腐食性物質によって遮熱コーティングの耐久性が低下することがある。
そこで、例えば、遮熱コーティングのセラミックス層の気孔率を低減することで腐食性物質がセラミックス層に浸透することを抑制することが考えられる。しかし、セラミックス層の気孔率を低減させると、セラミックス層の熱伝導率が上昇してしまうため、遮熱コーティングの遮熱性が低下してしまう。
そこで、例えば、遮熱コーティングのセラミックス層の気孔率を低減することで腐食性物質がセラミックス層に浸透することを抑制することが考えられる。しかし、セラミックス層の気孔率を低減させると、セラミックス層の熱伝導率が上昇してしまうため、遮熱コーティングの遮熱性が低下してしまう。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、遮熱コーティングの耐久性を向上することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る遮熱コーティングは、
基材を熱から保護するための遮熱コーティングであって、
前記基材側に設けられ、セラミックスを含む第１層と、
前記第１層を挟んで前記基材とは反対側に設けられ、セラミックスを含む第２層とを備え、
前記第１層は、前記第２層よりも気孔率が高く、
前記第２層は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である。
基材を熱から保護するための遮熱コーティングであって、
前記基材側に設けられ、セラミックスを含む第１層と、
前記第１層を挟んで前記基材とは反対側に設けられ、セラミックスを含む第２層とを備え、
前記第１層は、前記第２層よりも気孔率が高く、
前記第２層は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である。
上記（１）の構成によれば、第２層よりも気孔率が高い第１層と、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である第２層とを備え、該第２層が第１層を挟んで基材とは反対側に設けられているので、第１層によって遮熱コーティングの熱伝導率の上昇を抑制しつつ、第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
すなわち、腐食性物質の浸透を抑制する観点から、第２層における気孔率は小さい方が望ましく、５．０％以下であるとよいことが分かった。また、腐食性物質の浸透を抑制するためには、最大気孔径が小さい方が望ましく、最大気孔径が２０μｍ以下であるとよいことが分かった。したがって、上記（１）の構成によれば、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても遮熱コーティングの耐久性を向上できる。
すなわち、腐食性物質の浸透を抑制する観点から、第２層における気孔率は小さい方が望ましく、５．０％以下であるとよいことが分かった。また、腐食性物質の浸透を抑制するためには、最大気孔径が小さい方が望ましく、最大気孔径が２０μｍ以下であるとよいことが分かった。したがって、上記（１）の構成によれば、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても遮熱コーティングの耐久性を向上できる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記第２層の厚さは、前記第１層の厚さと前記第２層の厚さとの厚さの合計値に対して０．１以上０．３以下の比率となる値を有する。
例えば第２層の厚さが第１層の厚さと第２層の厚さとの厚さの合計値の０．１未満の比率となる値であると、例えば第１層の厚さと第２層の厚さとの厚さの合計値を０．５ｍｍとすると、第２層の厚さが０．０５ｍｍ（５０μｍ）未満となるため、局所的に層の厚さが薄い場所があると、気孔が第２層を貫通するおそれがある。一方、例えば第２層の厚さが第１層の厚さと第２層の厚さとの厚さの合計値の０．３を超える比率となる値であると、第２層の気孔率が第１層よりも低く熱伝導率が高いため、遮熱コーティングにおける遮熱効果が不十分となるおそれがある。
その点、上記（２）の構成によれば、第２層の厚さが第１層の厚さと第２層の厚さとの厚さの合計値に対して０．１以上０．３以下の比率となる値を有するので、遮熱性を確保しつつ、腐食性物質の浸透を抑制できる。
その点、上記（２）の構成によれば、第２層の厚さが第１層の厚さと第２層の厚さとの厚さの合計値に対して０．１以上０．３以下の比率となる値を有するので、遮熱性を確保しつつ、腐食性物質の浸透を抑制できる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記第２層のセラミックスの材質は、前記第１層のセラミックスの材質と同じである。
上記（３）の構成によれば、第２層が第１層と同じ材質で構成されるので、同じ組成の材料で第１層と第２層との成膜条件の急変をなくすことができ、第１層と第２層との界面の密着性が高い。また、第１層と第２層とで、高温環境下における線膨張係数や相安定性等が同じになるので、高温環境下における遮熱コーティングの品質劣化を抑制できる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、前記第２層のセラミックスの材質は、イットリア安定化ジルコニア、又は、イッテルビア安定化ジルコニアである。
イットリア安定化ジルコニアやイッテルビア安定化ジルコニアは、セラミックス材料の中では比較的低い熱伝導率と比較的高い熱膨張率を有している。そのため、イットリア安定化ジルコニアやイッテルビア安定化ジルコニアを遮熱コーティングの材料として用いた場合、高い遮熱性を確保できるとともに、基材が金属製であっても基材との熱膨張率の差を小さくすることができる。したがって、上記（４）の構成によれば、遮熱コーティングが例えば金属製基材の遮熱用途に適したものとなる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、前記第２層は、積算粒度１０％粒径が１μｍ以上１０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が５μｍ以上１５μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が１０μｍ以上３０μｍ以下とされる粒度分布を有するセラミックスの溶射粒子を溶射して形成されている。
発明者らが鋭意検討した結果、上記粒度分布を有するセラミックスの溶射粒子を溶射して第２層を形成することで、第２層の気孔率を低下させて腐食性物質の浸透を抑制できることが判明した。すなわち、上記粒度分布を有するセラミックスの溶射粒子を用いることで、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である第２層を形成できることができることが判明した。
したがって、上記（５）の構成によれば、第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
したがって、上記（５）の構成によれば、第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
（６）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン部材は、上記構成（１）乃至（５）の何れかの遮熱コーティングを有するので、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であってもタービン部材の耐久性を向上できる。
（７）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンは、上記構成（６）のタービン部材を有するので、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であってもガスタービンにおけるタービン部材の耐久性を向上できる。
（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、
基材を熱から保護するための遮熱コーティングの製造方法であって、
前記基材側にセラミックスを含む第１層を積層させる工程と、
前記第１層を挟んで前記基材とは反対側にセラミックスを含む第２層を積層させる工程と、
を備え、
前記第１層を積層させる工程は、前記第２層よりも気孔率が高くなるように前記第１層を積層させ、
前記第２層を積層させる工程は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように前記第２層を積層させる。
基材を熱から保護するための遮熱コーティングの製造方法であって、
前記基材側にセラミックスを含む第１層を積層させる工程と、
前記第１層を挟んで前記基材とは反対側にセラミックスを含む第２層を積層させる工程と、
を備え、
前記第１層を積層させる工程は、前記第２層よりも気孔率が高くなるように前記第１層を積層させ、
前記第２層を積層させる工程は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように前記第２層を積層させる。
上記（８）の方法によれば、第１層を挟んで基材とは反対側に０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となる第２層を形成できる。これにより、第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
このように、上記（８）の方法によれば、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても遮熱コーティングの耐久性を向上できる。
このように、上記（８）の方法によれば、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても遮熱コーティングの耐久性を向上できる。
（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の方法において、前記第２層を積層させる工程は、積算粒度１０％粒径が１μｍ以上１０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が５μｍ以上１５μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が１０μｍ以上３０μｍ以下とされる粒度分布を有するセラミックスの溶射粒子を溶射して前記第２層を積層させる。
上述したように、上記粒度分布を有するセラミックスの溶射粒子を溶射して第２層を形成することで、第２層の気孔率を低下させて腐食性物質の浸透を抑制できることが判明した。すなわち、上記粒度分布を有するセラミックスの溶射粒子を用いることで、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である第２層を形成できることができることが判明した。
したがって、上記（９）の方法によれば、第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
したがって、上記（９）の方法によれば、第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、
基材を熱から保護するための遮熱コーティングの製造方法であって、
セラミックスを含み前記基材側に設けられた第１層を挟んで前記基材とは反対側にセラミックスを含む第２層を積層させる工程、
を備え、
前記第２層を積層させる工程は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように前記第２層を積層させる。
基材を熱から保護するための遮熱コーティングの製造方法であって、
セラミックスを含み前記基材側に設けられた第１層を挟んで前記基材とは反対側にセラミックスを含む第２層を積層させる工程、
を備え、
前記第２層を積層させる工程は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように前記第２層を積層させる。
上記（１０）の方法によれば、例えば第１層を備える既設の遮熱コーティングに対して、上述した第２層を積層させる工程によって、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となる第２層を形成できる。これにより、第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。したがって、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても既設の遮熱コーティング層の耐久性を向上できる。
（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、
セラミックスを含み基材側に設けられた第１層と、前記第１層を挟んで前記基材とは反対側に設けられ、セラミックスを含む第２層とを備える既設遮熱コーティング層に対し、前記第２層を除去する工程と、
前記第２層を除去した後の前記既設遮熱コーティング層に対し、前記第１層を挟んで前記基材とは反対側に前記セラミックスを含む第２層を積層させる工程と、
を備え、
前記第２層を積層させる工程は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように前記第２層を積層させる。
セラミックスを含み基材側に設けられた第１層と、前記第１層を挟んで前記基材とは反対側に設けられ、セラミックスを含む第２層とを備える既設遮熱コーティング層に対し、前記第２層を除去する工程と、
前記第２層を除去した後の前記既設遮熱コーティング層に対し、前記第１層を挟んで前記基材とは反対側に前記セラミックスを含む第２層を積層させる工程と、
を備え、
前記第２層を積層させる工程は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように前記第２層を積層させる。
上記（１１）の方法によれば、既設遮熱コーティング層の第２層を除去して新たに０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となる第２層を形成できる。したがって、既設遮熱コーティング層における第２層が劣化した場合などに、第２層を新たに積層させることが可能となる。これにより、新たに積層させた第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。したがって、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても既設遮熱コーティング層の耐久性を向上できる。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、遮熱コーティングの耐久性を向上できる。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
（遮熱コーティング）
図１は、実施形態に係る遮熱コーティングを備えるタービン部材の断面の模式図である。幾つかの実施形態では、タービンの動翼、静翼などの耐熱性の母材（基材）１１上に、遮熱コーティングとして金属結合層（ボンドコート層）１２及びセラミックス層１３が順に形成される。即ち、図１に示すように、幾つかの実施形態では、遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ ： ＴＢＣ）層１０は、ボンドコート層１２及びセラミックス層１３を含んでいる。
ボンドコート層１２は、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等の金属元素またはこれらのうち２種類以上の組合せを示す）などで構成される。
図１は、実施形態に係る遮熱コーティングを備えるタービン部材の断面の模式図である。幾つかの実施形態では、タービンの動翼、静翼などの耐熱性の母材（基材）１１上に、遮熱コーティングとして金属結合層（ボンドコート層）１２及びセラミックス層１３が順に形成される。即ち、図１に示すように、幾つかの実施形態では、遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ ： ＴＢＣ）層１０は、ボンドコート層１２及びセラミックス層１３を含んでいる。
ボンドコート層１２は、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等の金属元素またはこれらのうち２種類以上の組合せを示す）などで構成される。
図１に示した幾つかの実施形態では、セラミックス層１３は、基材１１側に設けられ、セラミックスを含む第１層１４と、第１層１４を挟んで基材１１とは反対側に設けられ、セラミックスを含む第２層１５とを含んでいる。幾つかの実施形態における第２層１５に含まれるセラミックス（以下、第２セラミックス）の材料は、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、又は、ＹｂＳＺ（イッテルビア安定化ジルコニア）である。
イットリア安定化ジルコニアやイッテルビア安定化ジルコニアは、セラミックス材料の中では比較的低い熱伝導率と比較的高い熱膨張率を有している。そのため、イットリア安定化ジルコニアやイッテルビア安定化ジルコニアを遮熱コーティングの材料として用いた場合、高い遮熱性を確保できるとともに、基材１１が金属製であっても基材１１との熱膨張率の差を小さくすることができる。したがって、遮熱コーティング層１０が金属製の基材１１の遮熱用途に適したものとなる。
イットリア安定化ジルコニアやイッテルビア安定化ジルコニアは、セラミックス材料の中では比較的低い熱伝導率と比較的高い熱膨張率を有している。そのため、イットリア安定化ジルコニアやイッテルビア安定化ジルコニアを遮熱コーティングの材料として用いた場合、高い遮熱性を確保できるとともに、基材１１が金属製であっても基材１１との熱膨張率の差を小さくすることができる。したがって、遮熱コーティング層１０が金属製の基材１１の遮熱用途に適したものとなる。
図１に示した幾つかの実施形態では、第２セラミックスの材質は、第１層１４に含まれるセラミックス（以下、第１セラミックス）の材質と同じであってもよい。
これにより、第２層１５が第１層１４と同じ材質で構成されるので、同じ組成の材料で第１層１４と第２層１５との成膜条件の急変をなくすことができ、第１層１４と第２層１５との界面の密着性が高い。また、第１層１４と第２層１５とで、高温環境下における線膨張係数や相安定性等が同じになるので、高温環境下における遮熱コーティング層１０の品質劣化を抑制できる。
これにより、第２層１５が第１層１４と同じ材質で構成されるので、同じ組成の材料で第１層１４と第２層１５との成膜条件の急変をなくすことができ、第１層１４と第２層１５との界面の密着性が高い。また、第１層１４と第２層１５とで、高温環境下における線膨張係数や相安定性等が同じになるので、高温環境下における遮熱コーティング層１０の品質劣化を抑制できる。
なお、第１層１４及び第２層１５は、ＳｍＹｂＺｒ２Ｏ７、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）などの何れかで構成されていてもよい。
図１に示した幾つかの実施形態では、第１層１４は、気孔１６を多く含むポーラスな組織とされる。ここでいう「多く含む」とは、第２層１５と比較して気孔率（体積％）が高いことを意味する。第１層１４の気孔率及び厚さは、要求される熱伝導性に応じて適宜設定される。幾つかの実施形態では、後述するように、第１層１４の気孔率は、１０％以上１５％以下とされる。
なお、気孔率は、遮熱コーティング層１０の断面における気孔の面積の割合として定義され、気孔の面積を断面の面積で除した値を百分率で表した値である。具体的には、次のようにして気孔率を求める。例えば、遮熱コーティング層１０の断面を研磨して光学顕微鏡や電子顕微鏡で観察される像を撮影する。本明細書では、気孔率を求めるにあたり、観察倍率を１００倍とし、異なる３箇所の像を撮影する。観察視野１箇所あたりの面積は約０．５平方ミリメートルである。そして、撮影によって得られた異なる３箇所の組織の写真（例えば図１２）のそれぞれに対して二値化処理を行うことで、気孔部（空隙部）と被膜部とを別々に抽出可能とする。そして、異なる３箇所の像を二値化した画像（例えば図１３）のそれぞれから気孔部の面積と被膜部の面積を算出し、気孔部の面積を気孔部と被膜部の面積の和、すなわち断面の面積で除して気孔率をそれぞれ算出する。または、二値化した画像のそれぞれから気孔部の面積と断面の面積を算出し、気孔部の面積を断面の面積で除して気孔率をそれぞれ算出する。このようにして求めた３箇所の気孔率の平均値を、その組織の気孔率とする。
第１層１４の気孔率を算出する場合、上述のようにして求めた第１層１４における気孔１６の面積を第１層１４の断面の面積で除すことで第１層１４の気孔率を求める。すなわち、観察された３箇所の領域における気孔率の平均値を第１層１４全体の気孔率と見なす。同様に、第２層１５の気孔率を算出する場合、上述のようにして求めた第２層１５における気孔１６の面積を第２層１５の断面の面積で除すことで第２層１５の気孔率を求める。すなわち、観察された３箇所の領域における気孔率の平均値を第２層１５全体の気孔率と見なす。
なお、図１２は、遮熱コーティング層の気孔率を算出するにあたっての皮膜断面の光学顕微鏡写真の一例である。また、図１３は、遮熱コーティング層の気孔率を算出するにあたっての皮膜断面の光学顕微鏡写真を２値化した画像の一例である。
第１層１４の気孔率を算出する場合、上述のようにして求めた第１層１４における気孔１６の面積を第１層１４の断面の面積で除すことで第１層１４の気孔率を求める。すなわち、観察された３箇所の領域における気孔率の平均値を第１層１４全体の気孔率と見なす。同様に、第２層１５の気孔率を算出する場合、上述のようにして求めた第２層１５における気孔１６の面積を第２層１５の断面の面積で除すことで第２層１５の気孔率を求める。すなわち、観察された３箇所の領域における気孔率の平均値を第２層１５全体の気孔率と見なす。
なお、図１２は、遮熱コーティング層の気孔率を算出するにあたっての皮膜断面の光学顕微鏡写真の一例である。また、図１３は、遮熱コーティング層の気孔率を算出するにあたっての皮膜断面の光学顕微鏡写真を２値化した画像の一例である。
また、本明細書では、後述する気孔径を次のようにして求めることとする。例えば、遮熱コーティング層１０の断面を研磨して光学顕微鏡や電子顕微鏡で観察される像を撮影する。本明細書では、気孔径を求めるにあたり、観察倍率を５００倍とする。そして、撮影によって得られた写真に対して二値化処理を行うことで、気孔部（空隙部）を抽出可能とする。そして、二値化した画像から気孔部の径を算出する。
後述するように、第２層１５の最大気孔径を算出する場合、遮熱コーティング層１０を複数箇所で切断し、複数の切断面のそれぞれに対して複数の領域で気孔径を求めることで最大気孔径を算出することが望ましい。
なお、第２層１５の全ての領域の気孔を観察することは困難である。また、第２層１５における大多数の気孔の分布から外れた大きな気孔が僅かに含まれることも考えられる。そこで、例えば、上述のようにして複数領域で観察した気孔についての気孔径の累積頻度が気孔の個数を基準として９９％となる気孔径を第２層１５における最大気孔径としてもよい。
後述するように、第２層１５の最大気孔径を算出する場合、遮熱コーティング層１０を複数箇所で切断し、複数の切断面のそれぞれに対して複数の領域で気孔径を求めることで最大気孔径を算出することが望ましい。
なお、第２層１５の全ての領域の気孔を観察することは困難である。また、第２層１５における大多数の気孔の分布から外れた大きな気孔が僅かに含まれることも考えられる。そこで、例えば、上述のようにして複数領域で観察した気孔についての気孔径の累積頻度が気孔の個数を基準として９９％となる気孔径を第２層１５における最大気孔径としてもよい。
図１に示した幾つかの実施形態では、第２層１５は、第１層１４よりも緻密な組織とされ、第１層１４上に形成されている。ここでいう「緻密な組織」とは、具体的には、第１層１４やボンドコート層１２、基材１１への腐食成分（腐食性物質）の浸透を抑制することができる気孔率を有する組織のことである。
第２層１５の気孔率、最大気孔径及び厚さは、腐食性物質の浸透を抑制する効果（以下、浸透抑制効果と呼ぶ）、及びセラミックス層１３としたときに要求される熱伝導性などを考慮して適宜設定される。幾つかの実施形態では、後述するように、第２層１５の気孔率は、０．１％以上５．０％以下とされ、最大気孔径は２０μｍ以下とされる。
なお、セラミックス層１３の厚さは、特に限定されないが、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下などとされる。
なお、幾つかの実施形態に係る第２層１５は、第１層１４上に直接、すなわち他の層を介さずに形成されていてもよく、第１層１４上に形成された他の層の上に形成されていてもよい。ここで、他の層とは、例えば、第１層１４又は第２層１５の少なくとも一方とは気孔率や材質、厚さ等が異なる層であってもよい。
また、幾つかの実施形態に係る第２層１５は、遮熱コーティング層１０の最外層であるり、第２層１５の表面には他の層は形成されていない。しかし、第２層１５の表面に他の層が形成されていてもよい。
第２層１５の気孔率、最大気孔径及び厚さは、腐食性物質の浸透を抑制する効果（以下、浸透抑制効果と呼ぶ）、及びセラミックス層１３としたときに要求される熱伝導性などを考慮して適宜設定される。幾つかの実施形態では、後述するように、第２層１５の気孔率は、０．１％以上５．０％以下とされ、最大気孔径は２０μｍ以下とされる。
なお、セラミックス層１３の厚さは、特に限定されないが、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下などとされる。
なお、幾つかの実施形態に係る第２層１５は、第１層１４上に直接、すなわち他の層を介さずに形成されていてもよく、第１層１４上に形成された他の層の上に形成されていてもよい。ここで、他の層とは、例えば、第１層１４又は第２層１５の少なくとも一方とは気孔率や材質、厚さ等が異なる層であってもよい。
また、幾つかの実施形態に係る第２層１５は、遮熱コーティング層１０の最外層であるり、第２層１５の表面には他の層は形成されていない。しかし、第２層１５の表面に他の層が形成されていてもよい。
すなわち、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングは、基材１１を熱から保護するための遮熱コーティングであって、上述した第１層１４と、第２層１５とを備える。
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングによれば、第２層１５よりも気孔率が高い第１層１４と、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である第２層１５とを備え、該第２層１５が第１層１４を挟んで基材１１とは反対側に設けられているので、第１層１４によって遮熱コーティングの熱伝導率の上昇を抑制しつつ、第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
すなわち、腐食性物質の浸透を抑制する観点から、第２層１５における気孔率は小さい方が望ましく、５．０％以下であるとよいことが分かった。また、腐食性物質の浸透を抑制するためには、最大気孔径が小さい方が望ましく、最大気孔径が２０μｍ以下であるとよいことが分かった。したがって、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングによれば、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても遮熱コーティング層１０の耐久性を向上できる。
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングによれば、第２層１５よりも気孔率が高い第１層１４と、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である第２層１５とを備え、該第２層１５が第１層１４を挟んで基材１１とは反対側に設けられているので、第１層１４によって遮熱コーティングの熱伝導率の上昇を抑制しつつ、第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
すなわち、腐食性物質の浸透を抑制する観点から、第２層１５における気孔率は小さい方が望ましく、５．０％以下であるとよいことが分かった。また、腐食性物質の浸透を抑制するためには、最大気孔径が小さい方が望ましく、最大気孔径が２０μｍ以下であるとよいことが分かった。したがって、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングによれば、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても遮熱コーティング層１０の耐久性を向上できる。
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、以下で述べる理由から、第１層１４の気孔率は、１０％以上１５％以下にするとよい。
すなわち、第１層１４の気孔率が小さくなると第１層１４における熱伝導率が上昇するので、第１層１４の気孔率が１０％未満になると、遮熱性能が不十分になるおそれがある。また、第１層１４の気孔率が大きくなるとボンドコート層１２との密着性が低下する傾向にあるので、第１層１４の気孔率が１５％を超えると、ボンドコート層１２との密着性が不十分になるおそれがある。
そこで、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、第１層１４の気孔率が１０％以上１５％以下とすることで、第１層１４の耐久性を確保しつつ、第１層１４の熱伝導率の上昇を抑制できる。
すなわち、第１層１４の気孔率が小さくなると第１層１４における熱伝導率が上昇するので、第１層１４の気孔率が１０％未満になると、遮熱性能が不十分になるおそれがある。また、第１層１４の気孔率が大きくなるとボンドコート層１２との密着性が低下する傾向にあるので、第１層１４の気孔率が１５％を超えると、ボンドコート層１２との密着性が不十分になるおそれがある。
そこで、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、第１層１４の気孔率が１０％以上１５％以下とすることで、第１層１４の耐久性を確保しつつ、第１層１４の熱伝導率の上昇を抑制できる。
（第１層１４及び第２層１５の厚さについて）
第１層１４及び第２層１５の厚さは、例えば大気プラズマ溶射によって生成する場合、安定した被膜を得るために３０μｍ以上とすることが望ましい。
なお、第２層１５の厚さが５０μｍ未満になる場合、局所的に層の厚さが薄い場所が存在すると、気孔が第２層１５を貫通するおそれがあるため、腐食性物質の浸透抑制の観点からは、第２層１５の厚さは５０μｍ以上とすることが望ましい。
また、第２層１５の厚さが１００μｍを超えると、セラミックス層１３全体の熱サイクル耐久性が低下するおそれがあるため、第２層１５の厚さは１００μｍ以下とすることが望ましい。
第１層１４及び第２層１５の厚さは、例えば大気プラズマ溶射によって生成する場合、安定した被膜を得るために３０μｍ以上とすることが望ましい。
なお、第２層１５の厚さが５０μｍ未満になる場合、局所的に層の厚さが薄い場所が存在すると、気孔が第２層１５を貫通するおそれがあるため、腐食性物質の浸透抑制の観点からは、第２層１５の厚さは５０μｍ以上とすることが望ましい。
また、第２層１５の厚さが１００μｍを超えると、セラミックス層１３全体の熱サイクル耐久性が低下するおそれがあるため、第２層１５の厚さは１００μｍ以下とすることが望ましい。
例えば第２層１５の厚さが第１層１４の厚さと第２層１５の厚さとの厚さの合計値、すなわちセラミックス層１３の厚さの０．１未満の比率となる値であると、例えばセラミックス層１３の厚さを０．５ｍｍとすると、第２層１５の厚さが０．０５ｍｍ（５０μｍ）未満となるため、局所的に層の厚さが薄い場所があると、気孔が第２層１５を貫通するおそれがある。一方、例えば第２層１５の厚さがセラミックス層１３の厚さの０．３を超える比率となる値であると、第２層１５の気孔率が第１層１４よりも低く熱伝導率が高いため、遮熱コーティングにおける遮熱効果が不十分となるおそれがある。
したがって、第２層１５の厚さは、第１層１４の厚さと第２層１５の厚さとの厚さの合計値（セラミックス層１３の厚さ）に対して０．１以上０．３以下の比率となる値を有することが望ましい。
これにより、遮熱性を確保しつつ、腐食性物質の浸透を抑制できる。
したがって、第２層１５の厚さは、第１層１４の厚さと第２層１５の厚さとの厚さの合計値（セラミックス層１３の厚さ）に対して０．１以上０．３以下の比率となる値を有することが望ましい。
これにより、遮熱性を確保しつつ、腐食性物質の浸透を抑制できる。
なお、上述したように、第２層１５の厚さは、５０μｍ以上１００μｍ以下とすること、及び、セラミックス層１３の厚さに対して０．１以上０．３以下の比率となる値を有することが望ましい。
一方、第１層１４の厚さは、セラミックス層１３に要求される遮熱性能を満たすように設定されることが望ましい。すなわち、上述したように第２層１５の熱伝導率が第１層１４の熱伝導率よりも高いが、第２層１５を有するセラミックス層１３が要求される遮熱性能を満たすように、第１層１４の厚さを設定する。具体的には、例えば、第２層１５の熱伝導率と厚さ、及び、第１層１４の熱伝導率に基づいて、必要とされる遮熱性能から第１層１４の厚さを求めるとよい。なお、第１層１４の厚さは、例えば４００μｍ以上５００μｍ以下の厚さに設定することができる。
一方、第１層１４の厚さは、セラミックス層１３に要求される遮熱性能を満たすように設定されることが望ましい。すなわち、上述したように第２層１５の熱伝導率が第１層１４の熱伝導率よりも高いが、第２層１５を有するセラミックス層１３が要求される遮熱性能を満たすように、第１層１４の厚さを設定する。具体的には、例えば、第２層１５の熱伝導率と厚さ、及び、第１層１４の熱伝導率に基づいて、必要とされる遮熱性能から第１層１４の厚さを求めるとよい。なお、第１層１４の厚さは、例えば４００μｍ以上５００μｍ以下の厚さに設定することができる。
なお、例えばセラミックス層１３の厚さを０．５ｍｍとした場合、第２層１５の厚さをその下限値である５０μｍとすると、第２層１５の厚さは、セラミックス層１３の厚さに対して０．１の比率となる。また、例えばセラミックス層１３の厚さを０．５ｍｍとした場合、第２層１５の厚さをその上限値である１００μｍとすると、第２層１５の厚さは、セラミックス層１３の厚さに対して０．２の比率となる。
（第１層１４及び第２層１５の形成方法について）
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、第１層１４及び第２層１５は、大気プラズマ溶射によって生成された溶射層であるとよい。
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、第１層１４及び第２層１５は、大気プラズマ溶射によって生成された溶射層であるとよい。
例えば化学蒸着法や物理蒸着法によって第１層１４及び第２層１５を生成する場合や、例えば減圧プラズマ溶射によって第１層１４及び第２層１５を生成する場合には、チャンバを備える大掛かりな装置が必要となり、装置の費用が高額になる他、段取り等の準備等を含めた工数が多くなりがちである。
その点、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、第１層１４及び第２層１５を大気プラズマ溶射によって生成することで、例えば化学蒸着法や物理蒸着法、減圧プラズマ溶射等によって第１層１４及び第２層１５を生成する場合と比べて、装置構成が簡素であるので、装置の費用を安価にできる他、段取り等の準備等を含めた工数を削減でき、タクトタイムを短縮できる。
その点、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、第１層１４及び第２層１５を大気プラズマ溶射によって生成することで、例えば化学蒸着法や物理蒸着法、減圧プラズマ溶射等によって第１層１４及び第２層１５を生成する場合と比べて、装置構成が簡素であるので、装置の費用を安価にできる他、段取り等の準備等を含めた工数を削減でき、タクトタイムを短縮できる。
（第２層１５の形成に用いる溶射粒子について）
従来は、平均粒径１０μｍから１５０μｍの範囲、一般には１０μｍから１００μｍで正規分布に近い粒度分布を有する溶射粒子を用いてセラミックス層を形成することが一般的であった。
発明者らが鋭意検討した結果、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子よりも、大径粒子の割合を低減し、比較的小さい粒子を主とする溶射粒子を用いて第２層１５を形成することで、第２層１５の気孔率を低下させて腐食性物質の浸透を抑制できることが判明した。すなわち、積算粒度１０％粒径が１μｍ以上１０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が５μｍ以上１５μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が１０μｍ以上３０μｍ以下とされる粒度分布を有する第２セラミックスの溶射粒子を用いることで、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である第２層１５を形成できることができることが判明した。
従来は、平均粒径１０μｍから１５０μｍの範囲、一般には１０μｍから１００μｍで正規分布に近い粒度分布を有する溶射粒子を用いてセラミックス層を形成することが一般的であった。
発明者らが鋭意検討した結果、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子よりも、大径粒子の割合を低減し、比較的小さい粒子を主とする溶射粒子を用いて第２層１５を形成することで、第２層１５の気孔率を低下させて腐食性物質の浸透を抑制できることが判明した。すなわち、積算粒度１０％粒径が１μｍ以上１０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が５μｍ以上１５μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が１０μｍ以上３０μｍ以下とされる粒度分布を有する第２セラミックスの溶射粒子を用いることで、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である第２層１５を形成できることができることが判明した。
従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子を用いた場合、第２層１５の気孔率を例えば０．５％未満にするためには、例えば化学蒸着法によるコーティングのように、チャンバを備える大掛かりな装置が必要であった。
その点、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、上述した粒度分布を有する第２セラミックスの溶射粒子を用いることで、溶射によって第２層１５の気孔率を０．１％にまで低減できる。
したがって、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、上記粒度分布を有する第２セラミックスの溶射粒子を溶射して第２層１５を形成することで、第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
その点、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、上述した粒度分布を有する第２セラミックスの溶射粒子を用いることで、溶射によって第２層１５の気孔率を０．１％にまで低減できる。
したがって、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、上記粒度分布を有する第２セラミックスの溶射粒子を溶射して第２層１５を形成することで、第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
（第１層１４の形成に用いる溶射粒子について）
発明者らが鋭意検討した結果、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子よりも、小径粒子の割合を低減し、比較的大きい粒子を主とする溶射粒子を用いて第１層１４を形成することで、気孔率が上昇して遮熱コーティング層１０の遮熱性が向上するとともに、層状欠陥の発生が抑制されて遮熱コーティング層１０の熱サイクル耐久性が向上することを見出した。
すなわち、発明者らが鋭意検討した結果、第１層１４を溶射によって形成するにあたり、例えば積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上１５０μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を用いることで、第１層１４の熱サイクル耐久性が向上することを見出した。すなわち、該溶射粒子を用いることで、第１層１４における気孔率を１０％以上１５％以下とすることができ、第１層１４の耐久性を確保しつつ、第１層１４の遮熱性を向上できる。
発明者らが鋭意検討した結果、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子よりも、小径粒子の割合を低減し、比較的大きい粒子を主とする溶射粒子を用いて第１層１４を形成することで、気孔率が上昇して遮熱コーティング層１０の遮熱性が向上するとともに、層状欠陥の発生が抑制されて遮熱コーティング層１０の熱サイクル耐久性が向上することを見出した。
すなわち、発明者らが鋭意検討した結果、第１層１４を溶射によって形成するにあたり、例えば積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上１５０μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を用いることで、第１層１４の熱サイクル耐久性が向上することを見出した。すなわち、該溶射粒子を用いることで、第１層１４における気孔率を１０％以上１５％以下とすることができ、第１層１４の耐久性を確保しつつ、第１層１４の遮熱性を向上できる。
（実施例１について）
以下、遮熱コーティング層１０の実施例１について説明する。
実施例１に係る遮熱コーティング層１０のサンプルでは、ガスタービン高温部品の代表的基材であるＮｉ基超合金基材に、ＭＣｒＡｌＹ合金によるボンドコート層１２を約０．１ｍｍの厚さで形成した。
実施例１に係るサンプルでは、第１層１４は、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上１５０μｍ以下とされる粒度分布を有するイッテルビア安定化ジルコニアの溶射粒子を用いて、大気プラズマ溶射によって生成した。実施例１に係るサンプルでは、第１層１４の厚さは、約４００μｍである。
以下、遮熱コーティング層１０の実施例１について説明する。
実施例１に係る遮熱コーティング層１０のサンプルでは、ガスタービン高温部品の代表的基材であるＮｉ基超合金基材に、ＭＣｒＡｌＹ合金によるボンドコート層１２を約０．１ｍｍの厚さで形成した。
実施例１に係るサンプルでは、第１層１４は、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上１５０μｍ以下とされる粒度分布を有するイッテルビア安定化ジルコニアの溶射粒子を用いて、大気プラズマ溶射によって生成した。実施例１に係るサンプルでは、第１層１４の厚さは、約４００μｍである。
実施例１に係るサンプルでは、第２層１５は、イットリア安定化ジルコニアを溶融して固化させた後粉砕して得られた粉末を溶射粒子として用いて、大気プラズマ溶射によって生成した。実施例１に係るサンプルでは、該溶射粒子は、積算粒度１０％粒径が２．４μｍとされ、積算粒度５０％粒径が１０μｍとされ、積算粒度９０％粒径が２０μｍとされる粒度分布を有する。実施例１に係るサンプルでは、第２層１５の厚さは、約１００μｍである。したがって、第２層１５の厚さは、セラミックス層１３の厚さに対して約０．２の比率となる。
実施例１に係るサンプルでは、第２層１５における気孔径の範囲は、０．４μｍ〜１４．８μｍであり、気孔率は１．０％である。
実施例１に係るサンプルでは、第２層１５における気孔径の範囲は、０．４μｍ〜１４．８μｍであり、気孔率は１．０％である。
上述のようにして作成した実施例１に係るサンプルに対し、ガスタービンの実機を模した燃焼環境において、一定時間Ｎａ２ＳＯ４を注入して、実施例１に係るサンプルに腐食ダメージを付与した。
その後、タービンの実機を模して湿分を付与した後、基材とボンドコート層１２との界面の温度が９００℃となり、第２層１５の表面温度が１６００℃となるようにレーザ加熱による熱サイクル試験（加速試験）を実施した。この熱サイクル試験における加熱と冷却の繰り返し回数は、１０００回とした。
その後、タービンの実機を模して湿分を付与した後、基材とボンドコート層１２との界面の温度が９００℃となり、第２層１５の表面温度が１６００℃となるようにレーザ加熱による熱サイクル試験（加速試験）を実施した。この熱サイクル試験における加熱と冷却の繰り返し回数は、１０００回とした。
その結果、実施例１に係るサンプルでは、基材と遮熱コーティング層１０との間、及び遮熱コーティング層１０内において剥離は認められなかった。
実施例１に係るサンプルにおける遮熱性は、実施例１に係るサンプルと同様の第１層１４を厚さ５００μｍで生成し、第２層１５を有さない比較例と略同等であった。具体的には、該比較例の熱伝導率に対して、実施例１に係るサンプルの熱伝導率の増分は１０％以下であった。
実施例１に係るサンプルにおける溶融塩の浸透量は、該比較例における溶融塩の浸透量の１０％以下であった。
実施例１に係るサンプルにおける遮熱性は、実施例１に係るサンプルと同様の第１層１４を厚さ５００μｍで生成し、第２層１５を有さない比較例と略同等であった。具体的には、該比較例の熱伝導率に対して、実施例１に係るサンプルの熱伝導率の増分は１０％以下であった。
実施例１に係るサンプルにおける溶融塩の浸透量は、該比較例における溶融塩の浸透量の１０％以下であった。
（実施例２について）
以下、遮熱コーティング層１０の実施例２について説明する。
実施例２に係る遮熱コーティング層１０のサンプルでは、上述した実施例１に係る遮熱コーティング層１０のサンプルとは、第２層１５だけが異なっている。すなわち、実施例２に係る遮熱コーティング層１０のサンプルでは、ガスタービン高温部品の代表的基材であるＮｉ基超合金基材に、ＭＣｒＡｌＹ合金によるボンドコート層１２を約０．１ｍｍの厚さで形成した。
実施例２に係るサンプルでは、第１層１４は、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上１５０μｍ以下とされる粒度分布を有するイッテルビア安定化ジルコニアの溶射粒子を用いて、大気プラズマ溶射によって生成した。実施例２に係るサンプルでは、第１層１４の厚さは、約４００μｍである。
以下、遮熱コーティング層１０の実施例２について説明する。
実施例２に係る遮熱コーティング層１０のサンプルでは、上述した実施例１に係る遮熱コーティング層１０のサンプルとは、第２層１５だけが異なっている。すなわち、実施例２に係る遮熱コーティング層１０のサンプルでは、ガスタービン高温部品の代表的基材であるＮｉ基超合金基材に、ＭＣｒＡｌＹ合金によるボンドコート層１２を約０．１ｍｍの厚さで形成した。
実施例２に係るサンプルでは、第１層１４は、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上１５０μｍ以下とされる粒度分布を有するイッテルビア安定化ジルコニアの溶射粒子を用いて、大気プラズマ溶射によって生成した。実施例２に係るサンプルでは、第１層１４の厚さは、約４００μｍである。
実施例２に係るサンプルでは、第２層１５は、イッテルビア安定化ジルコニアを造粒後に焼結して得られた粉末を溶射粒子として用いて、大気プラズマ溶射によって生成した。実施例２に係るサンプルでは、該溶射粒子は、積算粒度１０％粒径が８．２μｍとされ、積算粒度５０％粒径が１４．３μｍとされ、積算粒度９０％粒径が２４．６μｍとされる粒度分布を有する。実施例２に係るサンプルでは、第２層１５の厚さは、約１００μｍである。したがって、第２層１５の厚さは、セラミックス層１３の厚さに対して約０．２の比率となる。
実施例２に係るサンプルでは、第２層１５における気孔径の範囲は、０．５１μｍ〜７．３μｍであり、気孔率は１．２％である。
実施例２に係るサンプルでは、第２層１５における気孔径の範囲は、０．５１μｍ〜７．３μｍであり、気孔率は１．２％である。
上述のようにして作成した実施例２に係るサンプルに対し、ガスタービンの実機を模した燃焼環境において、一定時間Ｎａ２ＳＯ４を注入して、実施例２に係るサンプルに腐食ダメージを付与した。
その後、タービンの実機を模して湿分を付与した後、基材とボンドコート層１２との界面の温度が９００℃となり、第２層１５の表面温度が１６００℃となるようにレーザ加熱による熱サイクル試験（加速試験）を実施した。この熱サイクル試験における加熱と冷却の繰り返し回数は、１０００回とした。
その後、タービンの実機を模して湿分を付与した後、基材とボンドコート層１２との界面の温度が９００℃となり、第２層１５の表面温度が１６００℃となるようにレーザ加熱による熱サイクル試験（加速試験）を実施した。この熱サイクル試験における加熱と冷却の繰り返し回数は、１０００回とした。
その結果、実施例２に係るサンプルでは、基材と遮熱コーティング層１０との間、及び遮熱コーティング層１０内において剥離は認められなかった。
実施例２に係るサンプルにおける遮熱性は、上述した比較例と略同等であった。具体的には、該比較例の熱伝導率に対して、実施例２に係るサンプルの熱伝導率の増分は１０％以下であった。
実施例２に係るサンプルにおける溶融塩の浸透量は、該比較例における溶融塩の浸透量の５０％以下であった。
実施例２に係るサンプルにおける遮熱性は、上述した比較例と略同等であった。具体的には、該比較例の熱伝導率に対して、実施例２に係るサンプルの熱伝導率の増分は１０％以下であった。
実施例２に係るサンプルにおける溶融塩の浸透量は、該比較例における溶融塩の浸透量の５０％以下であった。
上述した実施例１、２から明らかなように、幾つかの実施形態に係る第１層１４及び第２層１５を有するセラミックス層１３では、熱サイクル耐久性、熱伝導率、及び溶融塩浸透量の点で、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子によって形成された従来のセラミックス層よりも優れた特性を有する。
（遮熱コーティングの製造方法について）
図２を参照して、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法について説明する。図２は、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造工程についてのフローチャートである。
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、ボンドコート層積層工程Ｓ１０と、第１層積層工程Ｓ２０と、第２層積層工程Ｓ３０とを含む。
図２を参照して、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法について説明する。図２は、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造工程についてのフローチャートである。
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、ボンドコート層積層工程Ｓ１０と、第１層積層工程Ｓ２０と、第２層積層工程Ｓ３０とを含む。
ボンドコート層積層工程Ｓ１０は、基材１１上にボンドコート層１２を積層させる工程である。ボンドコート層積層工程Ｓ１０では、例えば、前述のＭＣｒＡｌＹ合金等の溶射粉を基材１１の表面に溶射することでボンドコート層１２を形成する。
第１層積層工程Ｓ２０は、ボンドコート層１２上に、第１セラミックスを含む第１層１４を積層させる工程である。第１層積層工程Ｓ２０では、例えば、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上１５０μｍ以下とされる粒度分布を有する第１セラミックスの溶射粒子を大気プラズマ溶射によってボンドコート層１２の表面に溶射することで第１層１４を形成する。第１層積層工程Ｓ２０では、第２層１５よりも気孔率が高くなるように第１層１４を積層させる。
第２層積層工程Ｓ３０は、第１層１４を挟んで基材１１とは反対側に第２セラミックスを含む第２層１５を積層させる工程である。第２層積層工程Ｓ３０では、例えば、積算粒度１０％粒径が１μｍ以上１０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が５μｍ以上１５μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が１０μｍ以上３０μｍ以下とされる粒度分布を有する第２セラミックスの溶射粒子を大気プラズマ溶射によって第１層１４の表面に溶射することで第２層１５を形成する。第２層積層工程Ｓ３０では、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように第２層１５を積層させる。
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、ボンドコート層１２上に、１０％以上１５％以下の気孔率を有する第１層１４を形成できる。これにより、第１層１４の耐久性を確保しつつ、第１層１４の熱伝導率の上昇を抑制できる。
また、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、第１層１４を挟んで基材１１とは反対側に０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となる第２層１５を形成できる。これにより、第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
このように、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても遮熱コーティング層１０の耐久性を向上できる。
また、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、上記粒度分布を有する第２セラミックスの溶射粒子を溶射して第２層１５を形成することで、第２層１５の気孔率を低下させて腐食性物質の浸透を抑制できる。すなわち、上記粒度分布を有する第２セラミックスの溶射粒子を用いることで、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である第２層１５を形成できる。
また、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、第１層１４を挟んで基材１１とは反対側に０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となる第２層１５を形成できる。これにより、第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
このように、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても遮熱コーティング層１０の耐久性を向上できる。
また、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、上記粒度分布を有する第２セラミックスの溶射粒子を溶射して第２層１５を形成することで、第２層１５の気孔率を低下させて腐食性物質の浸透を抑制できる。すなわち、上記粒度分布を有する第２セラミックスの溶射粒子を用いることで、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である第２層１５を形成できる。
（タービン部材及びガスタービン）
上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングは、産業用ガスタービンの動翼や静翼、あるいは燃焼器の内筒や尾筒、分割環などの高温部品に適用して有用である。また、産業用ガスタービンに限らず、自動車やジェット機などのエンジンの高温部品の遮熱コーティング膜にも適用することができる。これらの部材に上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを設けることで、耐食性及び熱サイクル耐久性に優れるガスタービン翼や高温部品を構成することができる。
上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングは、産業用ガスタービンの動翼や静翼、あるいは燃焼器の内筒や尾筒、分割環などの高温部品に適用して有用である。また、産業用ガスタービンに限らず、自動車やジェット機などのエンジンの高温部品の遮熱コーティング膜にも適用することができる。これらの部材に上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを設けることで、耐食性及び熱サイクル耐久性に優れるガスタービン翼や高温部品を構成することができる。
図３乃至５は、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを適用可能なタービン部材の構成例を示す斜視図である。図６は、一実施形態係るガスタービン６の部分断面構造を模式的に示す図である。上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを適用可能なタービン部材の構成例として、図３に示すガスタービン動翼４や、図４に示すガスタービン静翼５、図５に示す分割環７、及び図６に示すガスタービン６の燃焼器８を挙げることができる。図３に示すガスタービン動翼４は、ディスク側に固定されるタブテイル４１、プラットフォーム４２、翼部４３等を備えて構成されている。また、図４に示すガスタービン静翼５は、内シュラウド５１、外シュラウド５２、翼部５３等を備えて構成されており、翼部５３にはシールフィン冷却孔５４、スリット５５等が形成されている。
図５に示す分割環７は、環状の部材を周方向に分割した部材であり、ガスタービン動翼４の外側に複数配置され、タービン６２のケーシングに保持される。図５に示す分割環７には冷却孔７１が形成されている。図６に示すガスタービン６が備える燃焼器８は、ライナとして内筒８１と尾筒８２とを有する。
次に、上述したタービン部材を適用可能なガスタービンについて図６を参照して以下に説明する。図６は、一実施形態係るガスタービンの部分断面構造を模式的に示す図である。このガスタービン６は、互いに直結された圧縮機６１とタービン６２とを備える。圧縮機６１は、例えば軸流圧縮機として構成されており、大気又は所定のガスを吸込口から作動流体として吸い込んで昇圧させる。この圧縮機６１の吐出口には、燃焼器８が接続されており、圧縮機６１から吐出された作動流体は、燃焼器８によって所定のタービン入口温度まで加熱される。そして所定温度まで昇温された作動流体がタービン６２に供給されるようになっている。図６に示すように、タービン６２のケーシング内部には、上述したガスタービン静翼５が、複数段設けられている。また、上述したガスタービン動翼４が、各静翼５と一組の段を形成するように主軸６４に取り付けられている。主軸６４の一端は、圧縮機６１の回転軸６５に接続されており、その他端には、図示しない発電機の回転軸が接続されている。
このような構成により、燃焼器８からタービン６２のケーシング内に高温高圧の作動流体を供給すれば、ケーシング内で作動流体が膨張することにより、主軸６４が回転し、このガスタービン６と接続された図示しない発電機が駆動される。即ち、ケーシングに固定された各静翼５によって圧力降下させられ、これにより発生した運動エネルギは、主軸６４に取り付けられた各動翼４を介して回転トルクに変換される。そして、発生した回転トルクは、主軸６４に伝達され、発電機が駆動される。
一般に、ガスタービン動翼に用いられる材料は、耐熱合金（例えばＩＮ７３８ＬＣ＝インコ社の市販の合金材料）であり、ガスタービン静翼に用いられる材料は、同様に耐熱合金（例えばＩＮ９３９＝インコ社の市販の合金材料）である。即ち、タービン翼を構成する材料は、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングにおいて基材１１として採用可能な耐熱合金が使用されている。従って、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを、これらのタービン翼に適用すれば、遮熱効果と、耐食性及び耐久性に優れたタービン翼を得ることができるので、より高い温度環境で使用することができ、長寿命のタービン翼を実現することができる。また、より高い温度環境において適用可能であることは、作動流体の温度を高められることを意味し、これによりガスタービン効率を向上させることも可能となる。
このように、幾つかの実施形態に係るタービン部材であるタービン翼４，５は、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを有するので、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であってもタービン部材の耐久性を向上できる。
また、幾つかの実施形態に係るガスタービン６は、上記タービン部材であるタービン翼４，５を有するので、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であってもガスタービン６におけるタービン部材の耐久性を向上できる。
このように、幾つかの実施形態に係るタービン部材であるタービン翼４，５は、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを有するので、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であってもタービン部材の耐久性を向上できる。
また、幾つかの実施形態に係るガスタービン６は、上記タービン部材であるタービン翼４，５を有するので、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であってもガスタービン６におけるタービン部材の耐久性を向上できる。
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、ボンドコート層積層工程Ｓ１０と、第１層積層工程Ｓ２０と、第２層積層工程Ｓ３０とを含む。しかし、既にボンドコート層１２及び第１層１４が形成された基材１１に対して、上述した第２層積層工程Ｓ３０によって第１層１４の表面側に第２層１５を形成するようにしてもよい。
これにより、例えば、第１層１４と同様の層を有する従来のタービン部材に対して、第２層１５を形成できる。
例えば、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、ボンドコート層積層工程Ｓ１０と、第１層積層工程Ｓ２０と、第２層積層工程Ｓ３０とを含む。しかし、既にボンドコート層１２及び第１層１４が形成された基材１１に対して、上述した第２層積層工程Ｓ３０によって第１層１４の表面側に第２層１５を形成するようにしてもよい。
これにより、例えば、第１層１４と同様の層を有する従来のタービン部材に対して、第２層１５を形成できる。
具体的には、例えば図７に示すように、基材１１上にボンドコート層１２及び第１層１４と同様の第１層１４Ａとが積層された既設コーティング層１０Ａに対して、図８に示す遮熱コーティングの製造工程において、第２層１５を形成できる。なお、図７は、第１層１４と同様の第１層１４Ａとが積層された既設コーティング層１０Ａを備えるタービン部材の断面の模式図である。図８は、既設コーティング層１０Ａに対して第２層１５を形成する遮熱コーティングの製造工程についてのフローチャートである。
図８に示す実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、第２層積層工程Ｓ３０を含む。図８に示す実施形態に係る第２層積層工程Ｓ３０は、上述した図２に示す幾つかの実施形態に係る第２層積層工程Ｓ３０と同じである。
図８に示す実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、例えば、ガスタービン６の運転に供された、第２層１５が形成されていないタービン部材や、第２層１５が形成されていない未使用品のタービン部材に対し、第２層積層工程Ｓ３０において、第１層１４Ａの表面に第２層１５を形成する。すなわち、図８に示す実施形態に係る第２層積層工程Ｓ３０では、第１セラミックスを含み基材１１側に設けられた第１層１４Ａを挟んで基材１１とは反対側に第２セラミックスを含む第２層１５を積層させる。図８に示す実施形態に係る第２層積層工程Ｓ３０では、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように第２層１５を積層させる。
これにより、ボンドコート層１２とボンドコート層１２上に積層された第１層１４Ａとを有する既設コーティング層１０Ａに対して、第２層積層工程Ｓ３０によって、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように第２層１５を形成できる。これにより、第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。したがって、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても既設コーティング層１０Ａの耐久性を向上できる。
上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、ボンドコート層積層工程Ｓ１０と、第１層積層工程Ｓ２０と、第２層積層工程Ｓ３０とを含む。しかし、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０を有するタービン部材のメンテナンスに際し、古い第２層１５を除去した後に新たな第２層１５を形成できる。
具体的には、例えば図９に示すように、基材１１上に積層されたボンドコート１２層と、ボンドコート層１２上に積層された第１層１４と、第１層１４上に積層された第２層１５Ｂとを有する既設遮熱コーティング層１０Ｂに対し、図１０に示す遮熱コーティングの製造工程において、古い第２層１５Ｂを除去して新たな第２層１５を形成できる。なお、図９は、既設遮熱コーティング層１０Ｂを備えるタービン部材の断面の模式図である。図１０は、既設遮熱コーティング層１０Ｂの古い第２層１５Ｂを除去して新たな第２層１５を形成する遮熱コーティングの製造工程についてのフローチャートである。
具体的には、例えば図９に示すように、基材１１上に積層されたボンドコート１２層と、ボンドコート層１２上に積層された第１層１４と、第１層１４上に積層された第２層１５Ｂとを有する既設遮熱コーティング層１０Ｂに対し、図１０に示す遮熱コーティングの製造工程において、古い第２層１５Ｂを除去して新たな第２層１５を形成できる。なお、図９は、既設遮熱コーティング層１０Ｂを備えるタービン部材の断面の模式図である。図１０は、既設遮熱コーティング層１０Ｂの古い第２層１５Ｂを除去して新たな第２層１５を形成する遮熱コーティングの製造工程についてのフローチャートである。
図１０に示す実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、第２層除去工程Ｓ５０と、第２層積層工程Ｓ３０とを含む。図１０に示す実施形態に係る第２層積層工程Ｓ３０は、上述した図２に示す幾つかの実施形態に係る第２層積層工程Ｓ３０と同じである。
図１０に示す実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、まず、第２層除去工程Ｓ５０において、図９に示す既設遮熱コーティング層１０Ｂの古い第２層１５Ｂを除去する。すなわち、第２層除去工程Ｓ５０では、第１セラミックスを含み基材１１側に設けられた第１層１４と、第１層１４を挟んで基材１１とは反対側に設けられ、第２セラミックスを含む第２層１５Ｂとを備える既設遮熱コーティング層１０Ｂに対し、第２層１５Ｂを除去する。第２層除去工程Ｓ５０では、例えばブラスト処理などによって、古い第２層１５Ｂを除去する。図１１は、第２層除去工程Ｓ５０において古い第２層１５Ｂを除去した後のタービン部材の断面の模式図である。
次いで、第２層積層工程Ｓ３０において、第２層除去工程Ｓ５０において古い第２層１５Ｂを除去した後の既設遮熱コーティング層１０Ｂに対し、第１層１４を挟んで基材１１とは反対側に第２セラミックスを含む第２層１５を積層させる。該第２層積層工程Ｓ３０では、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように第２層１５を積層させる。
これにより、既設遮熱コーティング層１０Ｂの第２層１５Ｂを除去して新たに０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となる第２層１５を形成できる。したがって、既設遮熱コーティング層１０Ｂにおける第２層１５Ｂが劣化した場合などに、第２層１５を新たに積層させることが可能となる。これにより、新たに積層させた第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。したがって、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても既設遮熱コーティング層１０Ｂの耐久性を向上できる。
４ ガスタービン動翼
５ ガスタービン静翼
６ ガスタービン
７ 分割環
８ 燃焼器
１０ 遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ ： ＴＢＣ）層
１１ 母材（基材）
１２ 金属結合層（ボンドコート層）
１３ セラミックス層
１４ 第１層
１５ 第２層
５ ガスタービン静翼
６ ガスタービン
７ 分割環
８ 燃焼器
１０ 遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ ： ＴＢＣ）層
１１ 母材（基材）
１２ 金属結合層（ボンドコート層）
１３ セラミックス層
１４ 第１層
１５ 第２層
Claims (11)
- 基材を熱から保護するための遮熱コーティングであって、
前記基材側に設けられ、セラミックスを含む第１層と、
前記第１層を挟んで前記基材とは反対側に設けられ、セラミックスを含む第２層とを備え、
前記第１層は、前記第２層よりも気孔率が高く、
前記第２層は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下である
遮熱コーティング。 - 前記第２層の厚さは、前記第１層の厚さと前記第２層の厚さとの厚さの合計値に対して０．１以上０．３以下の比率となる値を有する
請求項１に記載の遮熱コーティング。 - 前記第２層のセラミックスの材質は、前記第１層のセラミックスの材質と同じである
請求項１又は２に記載の遮熱コーティング。 - 前記第２層のセラミックスの材質は、イットリア安定化ジルコニア、又は、イッテルビア安定化ジルコニアである
請求項１乃至３の何れか一項に記載の遮熱コーティング。 - 前記第２層は、積算粒度１０％粒径が１μｍ以上１０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が５μｍ以上１５μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が１０μｍ以上３０μｍ以下とされる粒度分布を有するセラミックスの溶射粒子を溶射して形成されている
請求項１乃至４の何れか一項に記載の遮熱コーティング。 - 請求項１乃至５の何れか一項に記載の前記遮熱コーティングを有するタービン部材。
- 請求項６に記載の前記タービン部材を有するガスタービン。
- 基材を熱から保護するための遮熱コーティングの製造方法であって、
前記基材側にセラミックスを含む第１層を積層させる工程と、
前記第１層を挟んで前記基材とは反対側にセラミックスを含む第２層を積層させる工程と、
を備え、
前記第１層を積層させる工程は、前記第２層よりも気孔率が高くなるように前記第１層を積層させ、
前記第２層を積層させる工程は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように前記第２層を積層させる
遮熱コーティングの製造方法。 - 前記第２層を積層させる工程は、積算粒度１０％粒径が１μｍ以上１０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が５μｍ以上１５μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が１０μｍ以上３０μｍ以下とされる粒度分布を有するセラミックスの溶射粒子を溶射して前記第２層を積層させる
請求項８に記載の遮熱コーティングの製造方法。 - 基材を熱から保護するための遮熱コーティングの製造方法であって、
セラミックスを含み前記基材側に設けられた第１層を挟んで前記基材とは反対側にセラミックスを含む第２層を積層させる工程、
を備え、
前記第２層を積層させる工程は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように前記第２層を積層させる
遮熱コーティングの製造方法。 - セラミックスを含み基材側に設けられた第１層と、前記第１層を挟んで前記基材とは反対側に設けられ、セラミックスを含む第２層とを備える既設遮熱コーティング層に対し、前記第２層を除去する工程と、
前記第２層を除去した後の前記既設遮熱コーティング層に対し、前記第１層を挟んで前記基材とは反対側に前記セラミックスを含む第２層を積層させる工程と、
を備え、
前記第２層を積層させる工程は、０．１％以上５．０％以下の気孔率を有し、かつ、最大気孔径が２０μｍ以下となるように前記第２層を積層させる
遮熱コーティングの製造方法。
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|---|---|---|---|---|
| KR102469908B1 (ko) * | 2021-05-18 | 2022-11-23 | 국방과학연구소 | 대기 플라즈마 용사를 이용한 단계적 이트리아 안정화 지르코니아 열차폐 코팅 방법 및 이에 의해 증착된 열차폐 코팅 |
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| JP2017218635A (ja) * | 2016-06-08 | 2017-12-14 | 三菱重工業株式会社 | 遮熱コーティング、タービン部材およびガスタービン |
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