JP2948066B2 - Thermal stress relaxation type ceramic coated heat resistant member and method of manufacturing the same - Google Patents

Thermal stress relaxation type ceramic coated heat resistant member and method of manufacturing the same

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JP2948066B2
JP2948066B2 JP5224203A JP22420393A JP2948066B2 JP 2948066 B2 JP2948066 B2 JP 2948066B2 JP 5224203 A JP5224203 A JP 5224203A JP 22420393 A JP22420393 A JP 22420393A JP 2948066 B2 JP2948066 B2 JP 2948066B2
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heat
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、被覆層を設けた耐熱部
材に係り、特に熱応力緩和型のセラミックス被覆耐熱部
材及びその製造法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat-resistant member provided with a coating layer, and more particularly to a heat-relaxed ceramic-coated heat-resistant member and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】発電用のガスタービンで代表される耐熱
部品は効率向上を目的として運転温度が高くなってきて
おり、その結果、耐熱部品であるタービン静翼・動翼の
高温耐久性の向上が強く要望されている。このような背
景のもとで、高温強度が高く信頼性に優れた耐熱合金の
開発が進んでいるが、その耐熱温度に限界がある。高温
条件下で使用される部品の基板のメタル温度を低減する
方法として、熱伝導率の小さいセラミックス(例えばZ
rO2 系)を被覆する熱遮へいコーティング(Thermal
Barrier Coating :TBCと略す)がある。TBCでは
部品の基材メタル温度を50〜100℃低減できる。
2. Description of the Related Art The operating temperature of heat-resistant components, such as gas turbines for power generation, has been increasing for the purpose of improving efficiency. Is strongly desired. Against this background, heat-resistant alloys having high strength at high temperatures and excellent reliability have been developed, but their heat-resistant temperatures are limited. As a method of reducing the metal temperature of the substrate of a component used under high temperature conditions, ceramics having a low thermal conductivity (for example, Z
rO 2 ) thermal barrier coating (Thermal
Barrier Coating: Abbreviated as TBC). TBC can reduce the base metal temperature of a part by 50 to 100 ° C.

【0003】しかし、過酷な熱負荷条件で用いられるT
BCはセラミックス層等の被覆層のはく離等の損傷が生
じ易くなる。特に、効率向上を目的とした運転温度の高
いガスタービン等では熱負荷条件が非常に過酷になり、
より損傷が生じ易くなる。
[0003] However, T used under severe heat load conditions
BC tends to cause damage such as peeling of a coating layer such as a ceramic layer. In particular, heat load conditions are extremely severe in gas turbines with high operating temperatures for the purpose of improving efficiency,
Damage is more likely to occur.

【0004】そこで、各種の熱応力緩和型のセラミック
ス被覆を有した耐熱部品の公知例がある(例えばUS PAT
4,503,130、4,095,003、4,321,311)。これらの技術で
は多孔質なセラミックス層と緻密なセラミックス層を積
層した構造のセラミックス被覆層、或いは、柱状晶セラ
ミックスからなる被覆層が提案されている。
Therefore, there are known examples of heat-resistant parts having various types of thermal stress-relieving ceramic coatings (for example, US Pat.
4,503,130, 4,095,003, 4,321,311). In these techniques, a ceramic coating layer having a structure in which a porous ceramic layer and a dense ceramic layer are laminated, or a coating layer made of columnar crystal ceramics has been proposed.

【0005】しかし、積層構造のセラミックス被覆層で
は、成膜時の基材の温度制御とセラミックス粉末とポリ
エステルとの混合物の溶射による多孔質セラミックス層
の形成により、積層セラミックス被覆層内の残留歪の制
御をしたものであり、非常に過酷な熱負荷条件ではセラ
ミックス被覆層内に損傷が生じてしまう。一方、柱状晶
セラミックスからなる被覆層では熱応力緩和作用によ
り、耐久性の向上が認められるが、やはり非常に過酷な
熱負荷条件ではセラミックス被覆層とその下部層との境
界部からはく離してしまう。
However, in the case of a ceramic coating layer having a multilayer structure, the residual strain in the multilayer ceramic coating layer is reduced by controlling the temperature of the base material during film formation and forming the porous ceramic layer by spraying a mixture of ceramic powder and polyester. This is a control, and damage occurs in the ceramic coating layer under extremely severe thermal load conditions. On the other hand, the durability of the coating layer made of columnar crystal ceramics is improved due to the thermal stress relaxation action, but the coating layer is separated from the boundary between the ceramic coating layer and the lower layer under extremely severe heat load conditions. .

【0006】このように従来の熱応力緩和型のセラミッ
クス被覆層を設けた耐熱部品では、運転温度の高い厳し
い熱負荷条件下でセラミックス被覆層の損傷が生じ、本
来の目的である遮熱効果を十分に発揮しなくなってしま
う。
As described above, in the heat-resistant component provided with the conventional thermal stress-relieving type ceramic coating layer, the ceramic coating layer is damaged under severe thermal load conditions where the operating temperature is high, and the heat shielding effect, which is the original purpose, is not obtained. It will not fully demonstrate.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上記の公知の技術では
熱応力緩和機能を有したセラミックス被覆層が提案され
ているが、いずれの場合も運転温度が高い熱負荷条件の
厳しい部品に用いた際に、必ずしも十分な耐熱性を示さ
ないことが判明した。
In the above-mentioned known technology, a ceramic coating layer having a thermal stress relieving function has been proposed. In addition, it was found that they did not always show sufficient heat resistance.

【0008】熱応力緩和機能について検討した結果、熱
膨張の大きい耐熱合金製基材の表面に設けた熱膨張の小
さいZrO2 系セラミックス被覆層では運転温度が高い
過酷な熱負荷条件では、熱応力解析でセラミックス層中
に引張り応力が生じる。この引張り応力はセラミックス
被覆層とその下部層(例えば合金被覆層)との境界部近
傍のセラミックス被覆層中で最大となる分布を示す。こ
の最大応力値が、セラミックス被覆層の強度を越えた場
合、セラミックス層の破壊を招く。
[0008] As a result of examining the thermal stress relaxation function, it was found that the ZrO 2 -based ceramic coating layer having a small thermal expansion provided on the surface of the heat-resistant alloy base material having a large thermal expansion has a high thermal stress under severe thermal load conditions where the operating temperature is high. Analysis reveals tensile stress in the ceramic layer. This tensile stress shows a distribution which is maximum in the ceramic coating layer near the boundary between the ceramic coating layer and the lower layer (for example, the alloy coating layer). When the maximum stress value exceeds the strength of the ceramic coating layer, the ceramic layer is broken.

【0009】セラミックス被覆層は焼結セラミックスと
異なり、その組織は種々な構造を有する。このような組
織の相違はセラミックス層の破壊形態に大きな差を生じ
ることになる。すなわち、粒子間の結合力が弱い多孔質
な粒子積層組織では粒子の脱落現象によるセラミックス
被覆層の損耗損失となる。このような組織は例えば公知
技術であるZrO2 系セラミックス粒子とポリエステル
系粉末の混合物を溶射することによって作製できる。
[0009] The ceramic coating layer has a variety of structures, unlike sintered ceramics. Such a difference in the structure causes a large difference in the fracture mode of the ceramic layer. In other words, in a porous layered structure having a weak bonding force between particles, the ceramic coating layer is worn and lost due to the phenomenon of particles falling off. Such a structure can be produced, for example, by spraying a known technique of a mixture of ZrO 2 ceramic particles and polyester powder.

【0010】次に、粒子間の結合力が比較的強く空孔等
の内部欠陥を有する粒子積層組織では、被覆層の縦方向
に破壊が生じクラックが生じる。これはこの組織構造で
はセラミックス被覆層の強度が数kg/mm2 と小さいた
め、破壊が生じる。また、このような粒子積層組織では
被覆層の横方向に粒子の積層欠陥が多数存在するので、
せん断力が生じる応力状態(例えば温度分布があり局部
加熱になった場合)では横方向にも破壊によるクラック
が生じ、被覆層ははく離することになる。このような積
層組織はZrO2 系粒子を溶射することによって作製で
きる。
Next, in a layered structure having relatively strong bonding force between particles and having internal defects such as voids, the coating layer is broken in the longitudinal direction and cracks occur. This is because, in this structure, the strength of the ceramic coating layer is as small as several kg / mm 2 , so that the ceramic coating layer is broken. Also, in such a particle stacking structure, there are many stacking faults of the particles in the lateral direction of the coating layer,
In a stress state in which a shearing force is generated (for example, when there is a temperature distribution and local heating is performed), cracks occur due to destruction in the lateral direction, and the coating layer is separated. Such a laminated structure can be produced by spraying ZrO 2 -based particles.

【0011】次に、内部欠陥のほとんど無い緻密な組織
の被覆層ではその強度が焼結材と同等もしくはそれ以上
になるため、引張り応力以上の強度以上の被覆層は、被
覆層内での縦方向、あるいは横方向の破壊によるクラッ
クは生じない。むしろ、このセラミックス被覆層とその
下部の被覆層(例えば合金被覆層)との密着力の方が小
さいため、せん断応力により境界部からのはく離を招
く。このような組織の被覆層はZrO2 系材料を電子ビ
ームで蒸着し、かつ、その場合の基材(部品に相当)温
度が500℃以下の条件で作製できる。一方、緻密なセ
ラミックスで構成され、かつその緻密なセラミックスが
柱状組織の場合ではそのセラミックス被覆層の強度はそ
れぞれの柱状組織体の境界部(粒界)が小さくなってい
る。従って、引張応力によりそれらの粒界に沿って被覆
層の縦方向に破壊が生じ非常に多数のマイクロクラック
が生じる。このような組織は、ZrO2 材料を電子ビー
ムで蒸着し、かつ、その場合の基材温度を500℃以
上、望ましくは700℃以上の条件で作製できることが
公知である。
Next, since the strength of the coating layer having a dense structure with almost no internal defects becomes equal to or higher than that of the sintered material, the coating layer having the strength equal to or higher than the tensile stress is formed vertically in the coating layer. No cracks occur due to directional or lateral fracture. Rather, since the adhesion between the ceramic coating layer and the coating layer thereunder (for example, an alloy coating layer) is smaller, peeling from the boundary is caused by shear stress. The coating layer having such a structure can be prepared by evaporating a ZrO 2 -based material by an electron beam and setting the substrate (corresponding to a part) temperature in this case to 500 ° C. or less. On the other hand, when the dense ceramic is composed of a dense ceramic and the dense ceramic has a columnar structure, the strength of the ceramic coating layer is small at the boundaries (grain boundaries) of the respective columnar structures. Therefore, tensile stress causes fractures in the longitudinal direction of the coating layer along those grain boundaries, resulting in a very large number of microcracks. It is known that such a structure can be produced by evaporating a ZrO 2 material with an electron beam and setting the substrate temperature in that case to 500 ° C. or more, preferably 700 ° C. or more.

【0012】以上のようにTBC用のZrO2 系セラミ
ックス被覆層はその組織によって特有の破壊形態を示
す。このような各種の破壊形態を比べた場合、TBC用
のセラミックス被覆層としては柱状型の組織が最も有利
である。この場合では、セラミックス被覆層のマイクロ
クラックによりセラミックス被覆層に発生する熱応力が
緩和されてしまうため、損耗,はく離が生じ難くなり、
TBCの遮熱効果が長時間維持できると予想される。こ
のような事実はASME meeting 資料('91−GT−
40)で公開されている。
As described above, the ZrO 2 -based ceramic coating layer for TBC exhibits a specific fracture mode depending on its structure. When these various types of fracture are compared, a columnar type structure is most advantageous as the ceramic coating layer for TBC. In this case, thermal stress generated in the ceramic coating layer due to micro cracks in the ceramic coating layer is reduced, so that wear and peeling are less likely to occur,
It is expected that the heat shielding effect of TBC can be maintained for a long time. Such a fact can be found in the ASME meeting document ('91 -GT-
40).

【0013】しかるに運転温度の非常に高いガスタービ
ン、或いは航空機エンジンの耐熱部品を対象としたTB
Cとして上記の柱状組織セラミックス被覆層を検討した
結果、本発明者らはこの柱状組織セラミックス被覆層が
必ずしも十分な耐熱性を有したものでないことを明らか
にした。すなわち、熱負荷条件の厳しい条件である熱流
束が2〜4MW/m2 の加熱条件では上記柱状組織セラ
ミックス被覆層を設けたTBCは、ZrO2 系柱状組織
セラミックス層の下部に設けた厚さ数μmのAl23
とその下部の合金被覆層との境界部近傍のAl23層か
らはく離した。このような破壊現象は上記の公開資
料('91−GT−40)の損傷形態と一致する。そし
て、本発明者らの高熱流束加熱条件でははく離に至るま
でのくり返し加熱,冷却数は数十回であった。このよう
に、非常に過酷な加熱条件下では、熱応力緩和作用を有
していると予想された柱状組織セラミックス被覆層は必
ずしも十分なものではなかった。
[0013] However, a TB for a gas turbine having a very high operating temperature or a heat-resistant part of an aircraft engine
As a result of examining the columnar ceramic coating layer described above as C, the present inventors have clarified that the columnar ceramic coating layer does not always have sufficient heat resistance. That is, the TBC provided with the columnar-structured ceramic coating layer under the heating condition of a heat flux of 2 to 4 MW / m 2 , which is a severe condition of the heat load condition, has a thickness equal to the thickness provided below the ZrO 2 -based columnar-structured ceramic layer. It was separated from the Al 2 O 3 layer near the boundary between the μm Al 2 O 3 layer and the alloy coating layer thereunder. Such a destructive phenomenon is consistent with the damage form of the above-mentioned published material ('91 -GT-40). Under the high heat flux heating conditions of the present inventors, the number of repeated heating and cooling up to separation was several tens of times. As described above, under extremely severe heating conditions, the columnar-structured ceramic coating layer expected to have a thermal stress relaxing action was not always sufficient.

【0014】このうよな予想に反する結果に対する本発
明者らの検討結果を以下に説明する。柱状組織セラミッ
クス被覆層では1回の加熱により、柱状組織の各粒界に
沿って縦方向のミクロクラックが均一に生じていた。従
って、耐熱部品のTBCとして用いる場合、このような
ミクロクラックを通じての高温腐食,酸化を防止するた
め環境遮断のバリヤー層として緻密なAl23層を設け
ることが必須となる。Al23とZrO2 とは若干の固
溶限を有するため高温加熱状態で相互拡散し、ZrO2
系セラミックス被覆層とAl23層とは強度に密着す
る。しかし、Al23とその下部の合金層とでは、固溶
限はなく、それらの密着力は弱い。
The results of a study by the present inventors on such a result contrary to expectations will be described below. In the columnar structure ceramic coating layer, a single heating caused longitudinal microcracks to occur uniformly along each grain boundary of the columnar structure. Therefore, when used as a TBC for heat-resistant components, it is essential to provide a dense Al 2 O 3 layer as a barrier layer for environmental protection in order to prevent high-temperature corrosion and oxidation through such micro cracks. Since Al 2 O 3 and ZrO 2 have a slight solid solubility limit, they mutually diffuse in a high-temperature heating state, and ZrO 2
The ceramic-based coating layer and the Al 2 O 3 layer are in close contact with each other. However, there is no solid solubility limit between Al 2 O 3 and the alloy layer thereunder, and their adhesion is weak.

【0015】従って、ZrO2 系セラミックスからなる
厚膜の柱状組織被覆層とAl23からなる非常に薄い環
境遮断層とは熱応力を考えるときに一体化したものとみ
なすことができる。このような被覆層では柱状組織の境
界にミクロクラックが存在し熱応力緩和型セラミックス
被覆層となっているにもかかわらず、熱負荷が大きい場
合、損傷した理由として以下のように考えられる。熱負
荷によって生じた熱応力はセラミックス被覆層の破壊の
駆動力となるが、損傷を支配するのは破壊現象であり、
熱応力による破壊のメカニズムが大きな要因となる。従
って、破壊のメカニズムを考える上で破壊起点がどこに
あるかが重要になる。柱状組織型のZrO2系セラミックス
被覆層では、柱状組織の境界に沿ったミクロクラックは
ZrO2系被覆層とAl23層との境界まで達してい
る。
Therefore, the thick-film columnar-structure coating layer made of ZrO 2 -based ceramics and the very thin environmental barrier layer made of Al 2 O 3 can be regarded as integrated when considering thermal stress. In the case of such a coating layer, despite the presence of microcracks at the boundary of the columnar structure and the thermal stress relaxation type ceramic coating layer, when the thermal load is large, the damage may be considered as follows. The thermal stress generated by the thermal load is the driving force for the destruction of the ceramic coating layer, but it is the destruction phenomenon that governs the damage.
A major factor is the mechanism of destruction due to thermal stress. Therefore, it is important to consider where the fracture origin is when considering the fracture mechanism. In the columnar structure type ZrO 2 -based ceramic coating layer, the microcracks along the boundary of the columnar structure reach the boundary between the ZrO 2 -based coating layer and the Al 2 O 3 layer.

【0016】このような構造の被覆層では熱応力解析の
結果、熱応力はZrO2 系被覆層とAl23層との境界
部近傍部で引張応力が最大値となる。また、その最大値
は熱負荷条件が厳しくなるにつれて大きくなる。一方、
破壊メカニズムを考えた場合、このような構造の被覆層
ではミクロクラックの先端部、すなわちAl23層との
境界部でのセグメント化されたZrO2 系被覆層の個々
の柱状体の端部が破壊起点となる。そしてこの破壊起点
部周辺での熱応力が最も大きくなっている。その結果、
熱負荷が厳しい条件の場合、破壊起点での熱応力が材料
強度を超えて破壊現象が生じ損傷に至ったと考えられ
る。そして、この構造の被覆層ではミクロクラックによ
り熱応力の緩和作用があるにもかかわらず、熱負荷が厳
しい条件で損傷した原因として、破壊起点周辺の材料構
成に問題があったと推察される。すなわち、破壊起点の
下部に熱衝撃に弱いAl23層が存在すること、また、
Al23層は数μmと薄くAl23層にクラックが生じ
た場合、強度的に最も弱いAl23層と合金被覆層との
境界部があることがあげられる。
As a result of the thermal stress analysis of the coating layer having such a structure, the thermal stress has a maximum tensile stress near the boundary between the ZrO 2 -based coating layer and the Al 2 O 3 layer. Further, the maximum value increases as the thermal load condition becomes severe. on the other hand,
Considering the fracture mechanism, the coating layer having such a structure has a tip of a microcrack, that is, an end of each columnar body of the segmented ZrO 2 -based coating layer at the boundary with the Al 2 O 3 layer. Is the starting point of destruction. The thermal stress around the fracture starting point is the largest. as a result,
It is considered that when the thermal load is severe, the thermal stress at the fracture starting point exceeds the material strength, and a fracture phenomenon occurs, leading to damage. In spite of the fact that the coating layer having this structure has the effect of relaxing thermal stress due to microcracks, it is presumed that there was a problem in the material configuration around the fracture starting point as a cause of damage under severe conditions of thermal load. That is, there is an Al 2 O 3 layer that is vulnerable to thermal shock below the fracture origin,
If the Al 2 O 3 layer is the number μm and thin cracks the Al 2 O 3 layer has occurred, it can be mentioned that there is a boundary between the intensity weakest the Al 2 O 3 layer and the alloy coating layer.

【0017】ZrO2系被覆層はZrO2にY23,Mg
O,CaO等の相変態防止の為の安定化剤が加えられ耐
熱衝撃性に優れたセラミックスであるが、Al23の場
合、α⇔γの相変態により耐熱衝撃性は非常に悪い。従
って、熱負荷のON/OFF等に対してAl23層は破
壊し易い材料である。この構造の被覆層では熱応力の緩
和という点でその有効性が認められるが、破壊メカニズ
ムからは破壊起点にAl23層があること、及びそのA
23層の直下に合金被覆層との境界部があることが、
熱負荷の大きい過酷な条件下で十分な耐久性を示さない
理由である。なお、Al23層は前述したように耐食性
を得る上で必須なバリヤー層であり、Al23層を省略
することは柱状組織型ZrO2 系セラミックス被覆層で
は不可能なものである。
The ZrO 2 -based coating layer is formed by adding Y 2 O 3 , Mg to ZrO 2.
The ceramics are excellent in thermal shock resistance by adding a stabilizer such as O and CaO for preventing phase transformation. However, in the case of Al 2 O 3 , the thermal shock resistance is very poor due to α⇔γ phase transformation. Therefore, the Al 2 O 3 layer is a material that is easily broken when the thermal load is turned on / off. Although the effectiveness of the coating layer having this structure is recognized in terms of relaxation of thermal stress, the fact that the Al 2 O 3 layer is present at the starting point of the fracture and its A
that there is a boundary with the alloy coating layer immediately below the l 2 O 3 layer,
This is a reason why sufficient durability is not shown under severe conditions with a large heat load. The Al 2 O 3 layer is a barrier layer essential for obtaining corrosion resistance as described above, and omitting the Al 2 O 3 layer is impossible with a columnar texture type ZrO 2 ceramic coating layer. .

【0018】上記のような本発明者らの検討結果から、
熱応力を駆動力とした被覆層の破壊を支配する破壊起点
というものに注目し、本発明を得るに至った。すなわ
ち、熱応力を緩和し、その最大引張応力を低減化する上
で柱状組織型ZrO2 系セラミックス被覆層で柱状組織
の境界に沿ってミクロクラックを生じせしめるのは非常
に有効である。しかるに、破壊メカニズムを考えた場
合、そのミクロクラック先端部の材料及びその周辺の材
料構成が非常に重要になる。
From the results of the study by the present inventors as described above,
The inventors have paid attention to a fracture starting point that controls the fracture of the coating layer using the thermal stress as a driving force, and have arrived at the present invention. In other words, it is very effective to cause microcracks along the columnar structure boundary in the columnar structure type ZrO 2 -based ceramics coating layer in order to alleviate the thermal stress and reduce the maximum tensile stress. However, when considering the fracture mechanism, the material at the tip of the microcrack and the material configuration around it become very important.

【0019】また、ミクロクラックを有した柱状組織型
ZrO2 系セラミックス被覆層の形成法として、基材の
温度を538〜816℃に維持した状態でZrO2 系セ
ラミックス材料を電子ビーム蒸着する方法が明らかにさ
れている(US AT 4095003)。また、同様に538℃以下
では緻密な組織のZrO2 系セラミックス被覆層が得ら
れる。従って、数μmの厚さのAl23層を最表面に有
した合金被覆層の上に、まず538℃以下の基材予熱温
度でZrO2 系材料を蒸着させ、しかる後、基材温度を
538〜816℃に予熱した状態でZrO2 系材料を蒸
発させて、緻密な組織と柱状組織とからなる異なった組
成からなるZrO2 系被覆層を形成することができる。
しかるに、この場合、緻密組織からなる下部ZrO2
覆層を形成後、基材温度を高くして上部の柱状組織のZ
rO2 被覆層を形成する際、基材の高温予熱の際の加熱
で、緻密な組織からなる下部ZrO2 被覆層に熱応力
(引張り)が発生し、下部ZrO2 被覆層に縦方向のク
ラックが発生してしまう。そして、その上に柱状組織か
らなる上部ZrO2 被覆層を形成することになる。
As a method for forming a columnar structure type ZrO 2 -based ceramic coating layer having microcracks, there is a method in which a ZrO 2 -based ceramic material is electron-beam evaporated while the temperature of the substrate is maintained at 538 to 816 ° C. It has been revealed (US AT 4095003). Similarly, at 538 ° C. or lower, a ZrO 2 ceramic coating layer having a dense structure can be obtained. Therefore, first, a ZrO 2 -based material is vapor-deposited at a substrate preheating temperature of 538 ° C. or less on the alloy coating layer having an Al 2 O 3 layer having a thickness of several μm on the outermost surface. Is preheated to 538 to 816 ° C., and the ZrO 2 -based material is evaporated to form a ZrO 2 -based coating layer having a different composition including a dense structure and a columnar structure.
However, in this case, after the lower ZrO 2 coating layer composed of a dense structure is formed, the substrate temperature is increased to increase the Zr of the upper columnar structure.
When the rO 2 coating layer is formed, the lower ZrO 2 coating layer composed of a dense structure generates thermal stress (tensile) due to heating during the preheating of the base material at a high temperature, and the lower ZrO 2 coating layer has a vertical crack. Will occur. Then, an upper ZrO 2 coating layer composed of a columnar structure is formed thereon.

【0020】従って、このような状態の二層構造のZr
2 系被覆層を有したTBCでは、後処理としての加熱
あるいはタービン部品として使用時に、柱状組織のZr
2被覆層の柱状境界に沿って縦方向クラックが生じる
が、その下部の緻密なZrO2系被覆層中にも縦方向クラ
ックがあり、本発明の二層構造のZrO2 系被覆層とし
ては十分なものではない。すなわち数μm厚さのAl2
3層及びその下部の合金被覆層との境界部近傍までク
ラックの先端が生じており、熱応力による破壊の起点が
ZrO2 系被覆層の損傷(はく離等)が発生し易い部分
にある。
Therefore, the Zr having a two-layer structure in such a state is
In the case of a TBC having an O 2 -based coating layer, a Zr having a columnar structure is formed during heating as a post-treatment or when used as a turbine component.
Although vertical cracks occur along the columnar boundaries of the O 2 coating layer, there are also vertical cracks in the dense ZrO 2 -based coating layer under the O 2 coating layer, and the two-layer ZrO 2 -based coating layer of the present invention has Not enough. That is, Al 2 having a thickness of several μm
A crack tip is formed near the boundary between the O 3 layer and the alloy coating layer below the O 3 layer, and the starting point of fracture due to thermal stress is in a portion where damage (peeling, etc.) of the ZrO 2 -based coating layer is likely to occur.

【0021】本発明の目的は、上記の公知技術の検討結
果に基づき、運転温度が高い熱負荷の厳しい条件下での
十分な耐久性を有する熱応力緩和型セラミックス被覆耐
熱部材及びその製造法とセラミックス被覆ガスタービン
動翼及び静翼を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a heat-relaxing ceramic-coated heat-resistant member having sufficient durability under severe conditions of high operating temperature and high thermal load, a method of manufacturing the same, and An object of the present invention is to provide a ceramic-coated gas turbine moving blade and a stationary blade.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、Ni,Coを主成分とする耐熱合金基
材の表面に耐熱被覆層を設けた耐熱部材において、該耐
熱被覆層の構成が前記基材の上に、前記基材に比べ高温
耐食耐酸化性に優れた合金からなるメタル層を設け、そ
の上に順次、Al23系セラミックス薄膜層,緻密な組
織からなるZrO2系セラミックス被覆層及び柱状組織のZ
rO2 系セラミックス被覆層を設け、かつ、前記柱状組
織のZrO2 系セラミックス層内にのみ柱状組織の境界
に沿って膜厚方向にクラックが生じているセラミックス
被覆耐熱部材としたものである。前記セラミックス被覆
耐熱部材において基材とメタル層との間に、基材に比べ
高温耐食耐酸化性に優れたメタルとZrO2 系セラミッ
クスの混合層を設けるか、又は基材側のメタルからメタ
ル層側のZrO2 系セラミックスへとその混合比が連続
的に変化した混合層を設けるのがよく、また、前記基材
と混合層との間に、さらにメタル層を設けるのがよい。
In order to achieve the above object, the present invention provides a heat-resistant member having a heat-resistant coating layer provided on a surface of a heat-resistant alloy base material containing Ni and Co as a main component. Is provided on the base material, a metal layer made of an alloy having better high-temperature corrosion resistance and oxidation resistance than the base material, and an Al 2 O 3 ceramic thin film layer and a dense structure sequentially formed thereon. ZrO 2 ceramic coating layer and Z of columnar structure
An rO 2 -based ceramic coating layer is provided, and a ceramic-coated heat-resistant member in which cracks occur in the thickness direction along the boundary of the columnar structure only in the ZrO 2 -based ceramic layer having the columnar structure. In the ceramic-coated heat-resistant member, a mixed layer of a metal and a ZrO 2 -based ceramic having better high-temperature corrosion resistance and oxidation resistance than the substrate is provided between the substrate and the metal layer, or a metal layer is formed from the metal on the substrate side. It is preferable to provide a mixed layer in which the mixing ratio is continuously changed on the ZrO 2 -based ceramic on the side, and it is preferable to further provide a metal layer between the base material and the mixed layer.

【0023】前記メタル層は、Co及び/又はNiを主
成分とし、Cr,Al,Yから選ばれた1種以上を含有
する合金とするのがよく、前記ZrO2 系セラミックス
は、ZrO2 を主成分とし、Y23,MgO,CaOか
ら選ばれた1種以上を含むのがよい。
[0023] The metal layer is mainly composed of Co and / or Ni, Cr, Al, well that an alloy containing one or more selected from Y, the ZrO 2 based ceramics, a ZrO 2 As a main component, it is preferable to include at least one selected from Y 2 O 3 , MgO, and CaO.

【0024】前記緻密なZrO2 系セラミックス層は、
厚さが10〜60μmの範囲で、かつ、(柱状組織のZ
rO2 系セラミックス層の厚さ)/(緻密なZrO2
セラミックス層の厚さ)の値が1.5以上15以下の関
係を満し、更に緻密なZrO2系と柱状組織のZrO2
系セラミックス層の総和が400μm以下の範囲内がよ
く、また、前記柱状組織のZrO2 系セラミックス被覆
層内に生じているクラックは、開孔幅が5〜20μmの
範囲であり、かつ、柱状組織を構成する柱状の個々の大
きさが20〜200μmの範囲内がよい。
The dense ZrO 2 -based ceramic layer comprises:
The thickness is in the range of 10 to 60 μm and (Z of columnar structure
The value of (thickness of rO 2 -based ceramic layer) / (thickness of dense ZrO 2 -based ceramic layer) satisfies the relationship of 1.5 to 15 and more dense ZrO 2 -based and columnar ZrO 2.
It is preferable that the total sum of the base ceramic layers is in a range of 400 μm or less, and the cracks formed in the ZrO 2 -based ceramic coating layer having the columnar structure have an opening width of 5 to 20 μm and a columnar structure. It is preferable that the size of each of the pillars constituting the above is within the range of 20 to 200 μm.

【0025】また、本発明は、Ni,Coを主成分とす
る耐熱合金基材の表面に耐熱被覆層を設けた前記耐熱部
材の製造法において、該基材の表面に前記基材に比べ高
温耐食耐酸化性に優れた合金からなるメタル層をプラズ
マ溶射で形成する工程と、その上に順次、Al23系セ
ラミックス薄膜層を形成する工程と、緻密な組織のZr
2 系セラミックス層を電子ビーム蒸着法で形成する工
程と、柱状組織ZrO2系セラミックス層を電子ビーム蒸着
とイオンビーム照射とを同時に行なう方法で形成する工
程とを行なった後、加熱により柱状組織ZrO2 系セラ
ミックス層内に柱状組織の境界に沿って膜厚方向にクラ
ックを形成することとしたものである。
The present invention also relates to a method for manufacturing a heat-resistant member comprising a heat-resistant coating layer provided on the surface of a heat-resistant alloy base material containing Ni and Co as a main component. A step of forming a metal layer made of an alloy having excellent corrosion resistance and oxidation resistance by plasma spraying, a step of sequentially forming an Al 2 O 3 -based ceramic thin film layer thereon,
After performing a step of forming an O 2 -based ceramics layer by an electron beam evaporation method and a step of forming a ZrO 2 -based ceramics layer by a method of simultaneously performing electron beam evaporation and ion beam irradiation, a columnar structure is formed by heating. A crack is formed in the ZrO 2 -based ceramic layer in the thickness direction along the boundary of the columnar structure.

【0026】そして、前記製造法において、イオンビー
ムは、加速電圧が1〜50kVの範囲内であり、イオン
ビームを構成する主たる元素が酸素であるのがよい。
In the above-mentioned manufacturing method, the ion beam preferably has an acceleration voltage in the range of 1 to 50 kV, and the main element constituting the ion beam is preferably oxygen.

【0027】また、上記他の目的を達成するために、本
発明では、Ni,Coを主成分とする耐熱合金からなる
ガスタービン動翼及び静翼部品において、燃焼ガスに曝
される部分の全面或いはその一部に、前記耐熱合金に比
べ高温耐食耐酸化性に優れた合金からなるメタル層を設
け、その上に順次、Al23系のセラミックス薄膜層,
緻密な組織からなるZrO2 系セラミックス被覆層、及
び柱状組織のZrO2系セラミックス層を設け、かつ、
該柱状組織ZrO2 系セラミックス層内にのみ柱状組織
の境界に沿って膜厚方向にクラックが生じているセラミ
ックス被覆ガスタービン動翼及び静翼としたものであ
る。
In order to achieve the above and other objects, the present invention provides a gas turbine rotor blade and stationary blade component made of a heat-resistant alloy containing Ni and Co as a main component, and the entire surface of a portion exposed to combustion gas. Alternatively, a metal layer made of an alloy having better high-temperature corrosion resistance and oxidation resistance than the heat-resistant alloy is provided on a part thereof, and an Al 2 O 3 -based ceramic thin film layer is sequentially formed thereon.
Providing a ZrO 2 -based ceramics coating layer having a dense structure, and a ZrO 2 -based ceramics layer having a columnar structure, and
A ceramic-coated gas turbine rotor blade and a stationary blade in which cracks occur in the thickness direction along the boundary of the columnar structure only in the columnar structure ZrO 2 -based ceramic layer.

【0028】また、上記において、ガスタービン動翼及
び静翼の燃焼ガスに曝される部分の一部は翼前縁部であ
り、そして、その他の燃焼ガスに曝される部分に、耐熱
合金に比べ高温耐食耐酸化性に優れた合金からなるメタ
ル層を設け、該メタル層の上にZrO2 系セラミックス
層を設けることができ、また、ガスタービン動翼及び静
翼を構成する基材メタルが、多結晶材,一方向凝固材、
又は単結晶材とするのがよい。
In the above description, a part of the gas turbine rotor blade and the stationary blade exposed to the combustion gas is a leading edge of the blade, and another part exposed to the combustion gas is a heat-resistant alloy. A metal layer made of an alloy having better high temperature corrosion resistance and oxidation resistance can be provided, and a ZrO 2 ceramic layer can be provided on the metal layer. , Polycrystalline material, unidirectional solidified material,
Alternatively, a single crystal material is preferable.

【0029】更に、本発明では、Ni,Coを主成分と
する耐熱合金基材の表面に耐熱被覆層を設けた耐熱部材
において、最外層となるZrO2 系セラミックス被覆層
がZrO2 セラミックスの柱状組織(一次柱状組織と呼
ぶ)の集合体からなる柱状組織(二次柱状組織と呼ぶ)
が一つ或いは複数個集合した柱状組織(三次柱状組織と
呼ぶ)で構成されたハイブリッド化柱状組織の熱応力緩
和型耐熱被覆部材を得るに至った。ZrO2 系セラミッ
クスとしてはZrO2 を主成分とし、CdO,MgO,
23から選ばれた1種以上を含むものがよい。
Further, according to the present invention, in a heat-resistant member having a heat-resistant coating layer provided on the surface of a heat-resistant alloy base material containing Ni and Co as a main component, the outermost ZrO 2 -based ceramic coating layer is formed of a ZrO 2 ceramic column. Columnar structure (called secondary columnar structure) consisting of an aggregate of structures (called primary columnar structure)
Has obtained a heat-relaxation-type heat-resistant covering member having a hybrid columnar structure composed of one or more columnar structures (referred to as a tertiary columnar structure). ZrO 2 -based ceramics mainly contain ZrO 2 , CdO, MgO,
Those containing at least one selected from Y 2 O 3 are preferable.

【0030】一次柱状組織は1〜10μmの幅の微細組
織であり、これらが集合して20〜200μmの幅の柱
状体となっているのが二次柱状組織であり、更に二次柱
状組織が一つ、或いは複数個集合したものが微小空隙
(ミクロクラック:幅5〜20μm)で分離したものが
三次柱状組織である。三次柱状の幅は20〜600μm
である。いずれの柱状組織も被覆層の厚さ方向にほぼ平
行な方向になっている。このような構造のセラミックス
被覆層では、被覆層の厚さ方向の垂直方向に発生するセ
ラミックス被覆層と基材との熱膨張差による熱応力を著
しく緩和するものとなる。その理由として、一次から三
次までのそれぞれの柱状組織の役割は一次では多数の結
晶の成長方向が一方向にほぼそろっているので、成長方
向の強度が大きくなっており、成長方向に垂直な方向で
は強度が小さい。いわゆる繊維強化構造になっており、
熱応力等による外力が加わった際、強度の弱い方向に微
小な損傷を生じ、その結果、外力(熱応力)の緩和効果
を生じる。二次柱状組織は、一次柱状組織の集合体であ
り、このような集合体は組織の成長方向や一方向にそろ
っており、それぞれの二次柱状組織の境界の結合力は成
長方向の強度に比べ小さい。従って、外力(熱応力)が
加わった際、結合力の小さい二次柱状組織の境界に微小
に空隙(ミクロクラック)を生じ、外力の緩和効果を発
揮する。三次柱状組織は、一つ、或いは複数個の二次柱
状組織の集合体で、その境界には微小な空隙(ミクロク
ラック)があり、形状的には三次柱状組織はそれぞれ独
立したものであるため、被覆層が三次柱状組織の大きさ
に微小分割されたことによる寸法効果により、熱応力を
低減(熱応力の緩和)することになる。以上のように、
本発明のセラミックス被覆層を設けた耐熱部材では、運
転温度の高い熱負荷条件の厳しい耐熱部品に用いても、
第一次,第二次,第三次のそれぞれの柱状組織がハイブ
リッド化した熱応力緩和効果により、公知の種々のセラ
ミックス被覆層が損傷する条件でも使用可能になる。図
1はこのような本発明のハイブリッド化柱状組織セラミ
ックス被覆層を設けた熱遮へいコーティングの断面模式
図を示す。セラミックス被覆層の下部の層構成について
は特に制約はないが、図1に示すように本発明のセラミ
ックス被覆層の下部にはAl23層,Al23層の下部
にはMCrAlY(MはCo又はNiのいずれか一方、
もしくは組合わせ)層があるのが望ましい。Al2
3層、及びMCrAlY層はミクロクラックを通じての
外部からの酸化,高温腐食を防止する作用がある。
The primary columnar structure is a fine structure having a width of 1 to 10 μm, and these are aggregated into a columnar body having a width of 20 to 200 μm to form a secondary columnar structure. A tertiary columnar structure in which one or a plurality of aggregates are separated by minute voids (microcracks: width 5 to 20 μm). Tertiary column width is 20-600 μm
It is. Each columnar structure has a direction substantially parallel to the thickness direction of the coating layer. In the ceramic coating layer having such a structure, thermal stress caused by a difference in thermal expansion between the ceramic coating layer and the substrate, which is generated in a direction perpendicular to the thickness direction of the coating layer, is remarkably reduced. The reason for this is that the primary to tertiary roles of the columnar structures are such that the growth direction of many crystals is almost aligned in one direction in the first order, so that the strength in the growth direction is high and the direction perpendicular to the growth direction is high. Then the strength is small. It has a so-called fiber reinforced structure,
When an external force due to thermal stress or the like is applied, minute damage is caused in a direction of weak strength, and as a result, an effect of relaxing the external force (thermal stress) is generated. The secondary columnar structure is an aggregate of the primary columnar structure, and such an aggregate is aligned in the growth direction and in one direction of the tissue, and the bonding force at the boundary of each secondary columnar structure has a strength in the growth direction. Smaller than. Therefore, when an external force (thermal stress) is applied, a minute gap (microcrack) is generated at the boundary between the secondary columnar structures having a small bonding force, and the effect of reducing the external force is exerted. The tertiary columnar structure is an aggregate of one or a plurality of secondary columnar structures, and there are minute voids (microcracks) at the boundaries thereof. Further, the thermal stress is reduced (the thermal stress is reduced) by the dimensional effect due to the minute division of the coating layer into the size of the tertiary columnar structure. As mentioned above,
In the heat-resistant member provided with the ceramic coating layer of the present invention, even when used for a heat-resistant component having a high operating temperature and a high heat load condition,
Due to the thermal stress relaxation effect in which the primary, secondary and tertiary columnar structures are hybridized, it can be used even under conditions where various known ceramic coating layers are damaged. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a heat shield coating provided with such a hybrid columnar structure ceramic coating layer of the present invention. There is no particular restriction on the layer structure of the lower portion of the ceramic coating layer, the Al 2 O 3 layer at the bottom of the ceramic coating layer of the present invention as shown in FIG. 1, the lower portion of the Al 2 O 3 layer MCrAlY (M Is either Co or Ni,
Or a combination) layer. Al 2 O
The three layers and the MCrAlY layer have an effect of preventing external oxidation and high-temperature corrosion through microcracks.

【0031】図14に示したような本発明の被覆層を得
る上で重要なことは、以下に示すように成膜中のセラミ
ックス層にエネルギーを付与しながら成膜すること、及
び、セラミックス層とその下部層との密着力を強固にす
ることがあげられる。このような手段を用いない場合、
本発明のセラミックス被覆層を得ることができない。先
ず、成膜中にセラミックス層にエネルギーを付与する方
法として一般的なものとして、基材の加熱による熱エネ
ルギーがあげられる。ZrO2 系セラミックスを電子ビ
ーム等で溶融し、ZrO2 系セラミックスの蒸発粒子を
基材表面に付着させ成膜を行なう物理的成膜法(Physic
al Vapor Deposition:PVD)では蒸発粒子の持つエネ
ルギーの他に付着基材の温度を高くすることにより、基
材に付着した粒子を結晶成長させ、その成長方法を制御
する方法がある。この場合、基材温度が低い場合、成膜
したセラミックス層は蒸発粒子の付着後の結晶成長が進
み難いため、その組織は微細な結晶粒からなるものとな
る。本発明者らも同様の検討を行なった結果、セラミッ
クス被覆層の透過型電子顕微鏡による電子線回折実験
で、結晶成長を示す特定の回折点を示さず、ほぼリング
状の回折線が得られ、結晶粒が微細なものであることが
判った。すなわち柱状組織が得られない。一方、700
℃以上の基材温度条件で成膜した場合、蒸発粒子の付着
後の結晶成長のため、セラミックス被覆層は数μmの柱
状組織からなるものが得られた。しかし、この場合、セ
ラミックス被覆層はほぼ均一な大きさ(数μm)の柱状
組織のみであった。更に、基材温度を高くし(1000
℃)成膜した場合、700℃成膜に比べ柱状組織の大き
さが若干大きくなるだけであった。また、1000℃の
成膜では、成膜後の冷却の際にセラミックス被覆層の表
面が数mmオーダーの大きさに分割されるクラックが生
じ、一部ではセラミックス被覆層のはく離が認められ
た。このように、PVDによるZrO2 系セラミックス
の成膜のエネルギー付与手法として用いられる基材の加
熱では、数μmの柱状セラミックス組織が得られるにす
ぎない。また、成膜後の加熱処理では、セラミックス被
覆層が数μmの幅の柱状からなる均一な組織のため、ク
ラックの幅が大きく(0.1〜0.5mm)、かつ、クラッ
クで分割される大きさも大きくなる。
The important points in obtaining the coating layer of the present invention as shown in FIG. 14 are that the film is formed while applying energy to the ceramic layer during film formation as described below, To strengthen the adhesion between the layer and its lower layer. Without such means,
The ceramic coating layer of the present invention cannot be obtained. First, as a general method for applying energy to a ceramic layer during film formation, there is thermal energy by heating a substrate. The ZrO 2 based ceramic was melted by an electron beam or the like, a physical deposition method to form a film by adhering vaporized particles of ZrO 2 based ceramic on the substrate surface (Physic
In al Vapor Deposition (PVD), there is a method in which, in addition to the energy of the evaporated particles, the temperature of the adhered substrate is increased so that the particles adhered to the substrate are crystal-grown and the growth method is controlled. In this case, when the temperature of the base material is low, the crystal growth of the formed ceramic layer after adhesion of the evaporating particles is difficult to progress, so that the structure is composed of fine crystal grains. As a result of conducting the same study by the present inventors, an electron diffraction experiment using a transmission electron microscope of the ceramic coating layer did not show a specific diffraction point indicating crystal growth, and a substantially ring-shaped diffraction line was obtained. It was found that the crystal grains were fine. That is, a columnar structure cannot be obtained. On the other hand, 700
When the film was formed at a substrate temperature condition of not less than ° C., a ceramic coating layer having a columnar structure of several μm was obtained due to crystal growth after the attachment of the evaporated particles. However, in this case, the ceramic coating layer had only a columnar structure having a substantially uniform size (several μm). Further, the substrate temperature is increased (1000
C) When the film was formed, the size of the columnar structure was only slightly larger than that at 700C. Further, in the film formation at 1000 ° C., cracks were generated in which the surface of the ceramic coating layer was divided into a size of several millimeters during cooling after the film formation, and peeling of the ceramic coating layer was observed in some parts. As described above, heating the substrate used as an energy imparting method for forming a ZrO 2 ceramic by PVD only provides a columnar ceramic structure of several μm. In the heat treatment after the film formation, the width of the cracks is large (0.1 to 0.5 mm) and divided by cracks because the ceramic coating layer has a uniform structure composed of columns having a width of several μm. The size also increases.

【0032】一方、本発明者らは、第一次から第三次ま
でのハイブリッド柱状組織セラミックス被覆層を得る方
法として注目したのは、成膜中のセラミックス被覆層に
エネルギーを付与する手段としてイオンビームエネルギ
ーである。イオンビームエネルギーはその加速電圧によ
って、イオンビームの注入深さが決まってくる。本発明
者らが注目した加速電圧は1〜50kVであり、このよ
うな加速電圧では数百Åの注入効果が期待でき得る。ま
た、蒸発とイオンビーム照射とを同時に行なうことによ
り、数十Å/sec の蒸発速度で成膜する場合、成膜表面
から下部に数百Å範囲の深さまでイオンビームのエネル
ギーを与えることができる。注入されたイオンビームの
エネルギーの大部分は熱エネルギーに変化することか
ら、成膜表面から数百Åの範囲の深さまでが加熱された
状態となる。なお、ここで重要な点は、本発明者らが対
象としたZrO2 系セラミックスは熱伝導率が小さいた
め、注入イオンビームの熱エネルギーが、成膜表面近傍
のみに集中し易いことがあげられる。従って、ZrO2
系セラミックスの成膜において、蒸着とイオンビーム照
射とを同時に行なうPVDでは、成膜面近傍に大きな熱
エネルギーを付与することができる。
On the other hand, the present inventors have paid attention to a method of obtaining a first to third hybrid columnar structure ceramic coating layer because the method for applying energy to the ceramic coating layer during film formation is an ion-imprinting method. Beam energy. The ion beam energy determines the ion beam implantation depth depending on the acceleration voltage. The acceleration voltage noted by the present inventors is 1 to 50 kV, and an injection effect of several hundreds of square meters can be expected with such an acceleration voltage. Further, by simultaneously performing evaporation and ion beam irradiation, when forming a film at an evaporation rate of several tens of Å / sec, the energy of the ion beam can be given from the surface of the film to a depth of several hundred Å below. . Most of the energy of the implanted ion beam is changed to thermal energy, so that the ion beam is heated to a depth of several hundred square meters from the film formation surface. It should be noted that the important point here is that the thermal energy of the implanted ion beam is easily concentrated only in the vicinity of the film formation surface because the ZrO 2 -based ceramics targeted by the present inventors have low thermal conductivity. . Therefore, ZrO 2
In PVD in which vapor deposition and ion beam irradiation are performed simultaneously in film formation of a system ceramic, large thermal energy can be applied to the vicinity of the film formation surface.

【0033】次にセラミックス被覆層とその下部層との
密着力の向上においてもイオンビームは特異な作用を有
する。すなわち、イオンビームによるスパッタリング作
用により、下部層と成膜セラミックス層との混合層が境
界に形成される。イオンビームを用いた場合の混合層の
形成は密着力の強化となる。イオンビームを構成する主
たる元素が酸素であるのが望ましい。その理由として、
ZrO2 系セラミックスの蒸着に際しての酸素欠損をお
ぎない化学量論セラミックスを得ることができる。
Next, the ion beam also has a unique action in improving the adhesion between the ceramic coating layer and the lower layer. That is, the mixed layer of the lower layer and the formed ceramic layer is formed at the boundary by the sputtering action using the ion beam. The formation of the mixed layer using an ion beam enhances the adhesion. It is desirable that the main element constituting the ion beam is oxygen. As a reason,
It is possible to obtain a stoichiometric ceramic which does not prevent oxygen deficiency during the deposition of the ZrO 2 -based ceramic.

【0034】このような特徴を有したプロセスを用い、
かつ、セラミックス被覆層の下地層のあらさをあらくす
る(表面あらさRmax.50〜80μm)ことにより、下
記のようにして本発明のハイブリッド化柱状セラミック
ス被覆層が得られる。蒸着のみによるPVD法では基材
の温度を高くすることにより(600〜800℃)、数
μmオーダーの柱状組織からなる均一組織が得られる。
しかし、数μmオーダーの柱状組織(一次柱状)の集合
体からなる20〜200μmオーダーの柱状組織(二次
柱状)を得ることが困難である。その理由として、二次
柱状を得るために、セラミックス被覆層の下部層の表面
あらさをあらくした場合、セラミックス被覆層がはく離
し易くなる。また、はく離しなかった場合でも、その組
織は数μmの柱状がほとんどで、数μmの柱状(一次柱
状)の集合体である20〜200μmの柱状(二次柱
状)はほとんど形成されない。また、基材温度を100
0℃と更に高くした場合においても明確な二次柱状が生
じ難く、前述のように成膜後の冷却において、セラミッ
クス被覆層のはく離が生じてしまう。
Using a process having such characteristics,
Further, by roughening the roughness of the underlayer of the ceramic coating layer (surface roughness Rmax. 50 to 80 μm), the hybrid columnar ceramic coating layer of the present invention is obtained as follows. In the PVD method using only evaporation, a uniform structure composed of columnar structures on the order of several μm can be obtained by increasing the temperature of the substrate (600 to 800 ° C.).
However, it is difficult to obtain a columnar structure (secondary columnar shape) on the order of 20 to 200 μm composed of an aggregate of columnar structures (primary columnar shape) on the order of several μm. The reason is that when the surface roughness of the lower layer of the ceramic coating layer is reduced in order to obtain a secondary columnar shape, the ceramic coating layer is easily peeled off. Further, even when the structure is not peeled, the structure is almost columnar with a size of several μm, and a columnar shape (primary columnar shape) of 20 μm to 200 μm (secondary columnar shape), which is an aggregate of a columnar shape (primary columnar shape) of several μm, is hardly formed. Further, when the substrate temperature is 100
Even when the temperature is further increased to 0 ° C., a clear secondary columnar shape is unlikely to occur, and as described above, the ceramic coating layer peels off during cooling after film formation.

【0035】このように本発明のハイブリッド化柱状組
織を構成する二次柱状組織は、従来の蒸着のみによるP
VDでは、被覆層の欠陥と見なされ、むしろ、このよう
な組織を形成しないように配慮されていた。そして、数
μmオーダーの柱状(本発明者らが第一次柱状と呼ぶ)
のみからなる均一なセラミックス被覆層を形成し、その
熱応力緩和作用のみによって信頼性の高い熱遮へいコー
ティングを得ていた(US PAT 4321310)。このような背
景としては、成膜時の付与エネルギー、及び下部層との
密着力がいずれも小さいプロセスを用いていたからであ
る。本発明者らは、従来の成膜方法では形成できなかっ
た。或いは形成を試みても得られる被覆層が逆に欠陥と
なってしまうことに対し、イオンビームと蒸着とを組み
合わせ、かつ、下部層のあらさをあらくすることによ
り、従来形成できなかった数μmの一次柱状とそれらの
集合体である20〜200μmの二次柱状からなる熱応
力緩和特性に優れたハイブリッド化柱状組織セラミック
ス被覆層を得る方法を見い出した。
As described above, the secondary columnar structure constituting the hybridized columnar structure of the present invention is a P-type column formed only by the conventional vapor deposition.
In VD, it was regarded as a defect of the coating layer, and rather, care was taken not to form such a structure. And a columnar shape of the order of several μm (the present inventors call it a primary columnar shape).
A highly reliable thermal shielding coating was obtained only by forming a uniform ceramic coating layer consisting of only the thermal stress relaxing action (US Pat. No. 4321310). This is because the applied energy at the time of film formation and the adhesion to the lower layer are all small. The present inventors could not form by the conventional film forming method. Alternatively, even if an attempt is made to form a coating layer, on the contrary, it becomes a defect, but by combining ion beam and vapor deposition, and by roughening the lower layer, several μm, which cannot be formed conventionally, can be obtained. A method for obtaining a hybrid columnar structure ceramic coating layer having a primary columnar shape and a secondary columnar shape of 20 to 200 μm as an aggregate thereof and having excellent thermal stress relaxation characteristics has been found.

【0036】更に、得られたハイブリッド化柱状組織セ
ラミックス被覆層を有した部材を均一加熱処理を行なう
ことにより、基材とセラミックス被覆層との熱膨張差に
よる熱応力で、二次柱状の境界の一部にミクロクラック
を形成させ、一ケ或いは複数の二次柱状の集合体からな
る三次柱状組織を得ることができる。この場合において
も、本発明者らの方法では、一次柱状組織間に比べ、二
次柱状組織間の方が強度が弱いので、熱応力による破壊
は二次柱状の境界の一部に沿って発生する。このように
して形成した三次柱状組織間のミクロクラックの幅は5
〜20μmであり、このミクロクラックも熱応力緩和の
作用を有する。また、ミクロクラックによって分割され
る三次柱状は1ケあるいは複数個の二次柱状で構成され
その大きさは20〜600μmである。なお、このよう
な本発明の方法において、加熱温度としては熱応力によ
るミクロクラックの発生を行なう上で850〜1200
℃が望ましい。このような温度範囲での均一加熱で、基
材とセラミックス被覆層の熱膨張差による熱応力によ
り、三次柱状組織が得られる。また、加熱温度は、基材
として用いる超合金の熱処理温度に合わすのが望まし
い。
Further, the member having the obtained hybridized columnar-structured ceramic coating layer is subjected to a uniform heating treatment, so that the thermal stress caused by the difference in thermal expansion between the base material and the ceramic coating layer causes the boundary between the secondary columnar boundaries to be formed. A microcrack is formed in part, and a tertiary columnar structure composed of one or a plurality of secondary columnar aggregates can be obtained. Even in this case, in the method of the present inventors, since the strength between the secondary columnar structures is lower than that between the primary columnar structures, fracture due to thermal stress occurs along a part of the boundary of the secondary columnar structure. I do. The width of the microcracks between the tertiary columnar structures thus formed is 5
ミ ク ロ 20 μm, and the microcracks also have an effect of relaxing thermal stress. The tertiary pillars divided by microcracks are composed of one or a plurality of secondary pillars, each having a size of 20 to 600 μm. In the method of the present invention, the heating temperature is set at 850 to 1200 in order to generate microcracks due to thermal stress.
C is desirable. By uniform heating in such a temperature range, a tertiary columnar structure can be obtained by thermal stress due to a difference in thermal expansion between the base material and the ceramic coating layer. The heating temperature is desirably set to the heat treatment temperature of the superalloy used as the base material.

【0037】一方、本発明者らは、蒸着のみのPVDで
形成した、一次柱状組織からなるセラミックス被覆層を
有した部材を均一加熱処理を行なった。その結果、熱応
力によるセラミックス被覆層の破壊によりクラックの発
生が認められたが、一次柱状組織のみからなる場合、セ
ラミックス被覆層内の強度もほぼ均一であるため、ミク
ロクラックによって分割される大きさは数百μm〜数mm
と大きくなり、かつ、ミクロクラックの幅も0.1〜0.
5μmと大きくなった。このように大きな単位に分割さ
れたセラミックス被覆層は若干の熱応力緩和の期待もあ
るが、その効果は本発明のハイブリッド化柱状セラミッ
クス被覆層に比べて小さい。
On the other hand, the present inventors uniformly heat-treated a member having a ceramic coating layer composed of a primary columnar structure and formed by PVD only for vapor deposition. As a result, cracks were observed due to the destruction of the ceramics coating layer due to thermal stress. Is several hundred μm to several mm
And the width of the microcracks is 0.1 to 0.1.
It was as large as 5 μm. Although the ceramic coating layer divided into such large units is expected to relieve some thermal stress, its effect is smaller than that of the hybrid columnar ceramic coating layer of the present invention.

【0038】また、本発明で用いるイオンビームを構成
する元素としては特に制限がないが、蒸着の際のZrO
2 系セラミックスの酸素欠損をおぎない化学量論組成の
ZrO2を得る上で酸素が望ましい。なお、N2 ,Ar等の
イオンビームを用いても特に支障はない。
The elements constituting the ion beam used in the present invention are not particularly limited.
The stoichiometric composition of oxygen-deficient ceramics
Oxygen is desirable in obtaining the ZrO 2. It should be noted that there is no particular problem even if an ion beam such as N 2 or Ar is used.

【0039】以上のような本発明の方法において、第一
次〜第三次の柱状組織からなる本発明のハイブリッド化
柱状セラミックス被覆層が得られる。また、本発明の被
覆層を設けた部材は熱応力緩和特性が優れるため、燃焼
ガス温度の高いガスタービンの高温部品の熱遮へいコー
ティングとして用いた場合、ガスタービンの起動・停止
のくり返し、或いは長時間の使用においてもセラミック
ス被覆層のはく離等の損傷が生じ難く、熱遮へいコーテ
ィングの目的である基材の温度低減の効果を維持するこ
とができる。
According to the method of the present invention as described above, a hybrid columnar ceramic coating layer of the present invention comprising primary to tertiary columnar structures is obtained. Further, since the member provided with the coating layer of the present invention has excellent thermal stress relaxation characteristics, when used as a heat shielding coating for a high-temperature component of a gas turbine having a high combustion gas temperature, the gas turbine is repeatedly started and stopped or has a long duration. Even when used for a long time, damage such as peeling of the ceramic coating layer hardly occurs, and the effect of reducing the temperature of the base material, which is the purpose of the thermal shielding coating, can be maintained.

【0040】本発明は、翼部と、該翼部に連なる平坦部
を有するプラットフォームと、該プラットフォームに連
なるシャンク部と、該シャンク部の両側に設けられた突
起からなるフィンと、前記シャンク部に連なるダブティ
ルとを有するガスタービン用動翼において、前記翼部表
面に耐熱被覆層を設けられ、該耐熱被覆層の構成が前記
基材の上に、前記基材に比べ高温耐食耐酸化性に優れた
合金からなるメタル層を設け、その上に順次、Al23
系セラミックス薄膜層,緻密な粒状組織からなるZrO
2 系セラミックス被覆層及び柱状組織のZrO2 系セラ
ミックス被覆層を設け、かつ、前記柱状組織のZrO2
系セラミックス層内にのみ柱状組織の境界に沿って膜厚
方向にクラックが生じていることを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a platform having a wing portion, a flat portion connected to the wing portion, a shank portion connected to the platform, fins formed on both sides of the shank portion, and fins formed on both sides of the shank portion. In a moving blade for gas turbine having a continuous dovetil, a heat-resistant coating layer is provided on the blade surface, and the configuration of the heat-resistant coating layer is superior to the base material in high-temperature corrosion resistance and oxidation resistance. A metal layer made of an alloy is provided, and Al 2 O 3
-Based ceramics thin film layer, ZrO composed of dense granular structure
2 ceramic coating layer and the ZrO 2 based ceramic coating layer of the columnar texture is provided, and the columnar texture ZrO 2
It is characterized in that cracks occur in the thickness direction along the boundaries of the columnar structure only in the system ceramic layer.

【0041】更に、前述の翼部表面に耐熱被覆層を設け
られ、該耐熱被覆層を構成するZrO2系セラミックス層が
ZrO2 系セラミックスの柱状組織(一次柱状組織)の
多数の集合体からなる柱状組織(二次柱状組織)の一つ
以上が集合した柱状組織(三次柱状組織)で形成された
ものから成り、三次柱状組織が微細なクラックによって
分割されていることを特徴とする。
Further, a heat-resistant coating layer is provided on the wing surface, and the ZrO 2 -based ceramic layer constituting the heat-resistant coating layer is composed of a large number of columnar structures (primary columnar structures) of ZrO 2 -based ceramics. One or more of the columnar structures (secondary columnar structures) is formed of an aggregated columnar structure (tertiary columnar structure), and the tertiary columnar structure is divided by fine cracks.

【0042】本発明はコンプレッサによって圧縮された
燃料ガスを静翼を通してディスクに植設された動翼に衝
突させて該動翼を回転させるガスタービンにおいて、前
記動翼及び静翼は3段以上有し、該動翼の少なくとも初
段が翼部と、該翼部に連なる平坦部を有するプラットフ
ォームと、該プラットフォームに連なるシャンクと、該
シャンクの両側に設けられた突起からなるフィンと、前
記シャンクに連なるダブティルとを有し、前記動翼及び
静翼の少なくとも一方の翼部表面に前述の耐熱被覆層を
有することを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a gas turbine in which fuel gas compressed by a compressor impinges on a moving blade provided on a disk through a stationary blade to rotate the moving blade. The moving blade and the stationary blade have three or more stages. At least the first stage of the rotor blade has a wing portion, a platform having a flat portion connected to the wing portion, a shank connected to the platform, fins including protrusions provided on both sides of the shank, and connected to the shank. A dovetail, and the heat-resistant coating layer described above is provided on at least one of the blade surfaces of the moving blade and the stationary blade.

【0043】本発明は、コンプレッサによって圧縮され
た燃焼ガスを静翼を通してディスクに植設された動翼に
衝突させて該動翼を回転させるガスタービンにおいて、
前記燃焼ガス温度が1500℃以上であり、前記動翼を
3段以上有し、該動翼の初段入口での前記燃焼ガス温度
が1300℃以上であり、前記動翼の初段は全長が20
0mm以上で、前記動翼の初段は翼部と、該翼部に連なる
平坦部を有するプラットフォームと、該プラットフォー
ムに連なるシャンク部と、該シャンク部の両側に設けら
れた突起からなるフィンと、前記シャンク部に連なるダ
ブティルとを有するガスタービン用動翼及び静翼の少な
くとも一方の翼部表面に前述の耐熱被覆層を有すること
を特徴とする。
According to the present invention, there is provided a gas turbine in which combustion gas compressed by a compressor is caused to collide with a moving blade implanted on a disk through a stationary blade to rotate the moving blade.
The combustion gas temperature is 1500 ° C. or higher, the blades have three or more stages, the combustion gas temperature at the first stage inlet of the blades is 1300 ° C. or more, and the first stage of the blades has a total length of 20 ° C.
0 mm or more, the first stage of the moving blade is a wing, a platform having a flat portion connected to the wing, a shank portion connected to the platform, a fin comprising projections provided on both sides of the shank portion, The heat-resistant coating layer described above is provided on at least one blade surface of a moving blade and a stationary blade for a gas turbine having a dovetil connected to a shank portion.

【0044】本発明は、高速で流れる燃焼ガスによって
駆動するガスタービンと、該ガスタービンの燃焼排ガス
によって水蒸気を得る排熱回収ボイラと、前記水蒸気に
よって駆動する蒸気タービンと、前記ガスタービン及び
蒸気タービンによって駆動する発電機とを備えた複合発
電プラントシステムにおいて、前記ガスタービンは動翼
を3段以上有し、前記燃焼ガスの前記動翼初段入口温度
が1300℃以上で、タービン出口の燃焼排ガス温度が
560℃以上であり、前記排熱回収ボイラによって53
0℃以上の水蒸気を得、前記蒸気タービンは高低圧一体
型であり、該蒸気タービン動翼の初段への前記蒸気温度
が530℃以上であり、前記ガスタービンの発電容量が
5万KW以上及び蒸気タービンの発電容量が3万kW以
上であり、総合熱効率が45%以上であり、前記動翼の
初段は全長が200mm以上であり、前記動翼の初段は翼
部と、該翼部に連なる平坦部を有するプラットフォーム
と、該プラットフォームに連なるシャンク部と、該シャ
ンク部の両側に設けられた突起からなるフィンと、前記
シャンク部に連なるダブティルとを有し、前記動翼及び
静翼の少なくとも一方の翼部表面に前述の耐熱被覆層を
有することを特徴とする。
The present invention provides a gas turbine driven by combustion gas flowing at high speed, an exhaust heat recovery boiler for obtaining steam from combustion exhaust gas of the gas turbine, a steam turbine driven by the steam, the gas turbine and the steam turbine. And a generator driven by the gas turbine, wherein the gas turbine has three or more moving blades, the temperature of the first stage of the moving blade of the combustion gas is 1300 ° C. or more, and the temperature of the combustion exhaust gas at the turbine outlet is Is 560 ° C. or higher, and 53
The steam turbine is a high-low pressure integrated type, the steam temperature to the first stage of the steam turbine blade is 530 ° C. or more, and the power generation capacity of the gas turbine is 50,000 KW or more. The power generation capacity of the steam turbine is 30,000 kW or more, the total thermal efficiency is 45% or more, the first stage of the moving blade has a total length of 200 mm or more, and the first stage of the moving blade is connected to the wing and the wing. A platform having a flat portion, a shank portion connected to the platform, fins formed of protrusions provided on both sides of the shank portion, and a dovetail connected to the shank portion; and at least one of the moving blade and the stationary blade Characterized by having the above-mentioned heat-resistant coating layer on the wing surface.

【0045】[0045]

【作用】本発明では、種々の構造のセラミックス(Zr
2 系)被覆層について、運転温度が高い過酷な熱負荷
条件を模擬した高温熱負荷試験を行ない、種々の目的及
び作用を有した熱応力緩和型セラミックス被覆層である
ZrO2 系セラミックス被覆層を柱状組織と緻密な組織
の二層体化した耐熱部品を見い出した。このような二層
体化したZrO2 系セラミックス被覆層では、同一厚さ
の場合、ミクロクラックを有した柱状組織型単一層のも
のに比べ、ZrO2 系セラミックス層に生じる熱応力は
大きくなる。しかるに、熱応力が駆動力となって生じる
破壊の起点周辺の強度を大きくすることにより、破壊が
生じ難くすることができ、セラミックス被覆層の損傷を
防止することが可能になる。
According to the present invention, ceramics having various structures (Zr
For O 2 system) coating layer performs a high-temperature heat load test simulating the operating temperature is higher severe thermal load conditions, ZrO 2 based ceramic coating layer is a thermal stress relaxation type ceramic coating layer having a variety of purposes and effects A heat-resistant part having a two-layer structure of a columnar structure and a dense structure was found. With such a two-layered ZrO 2 -based ceramic coating layer, when the thickness is the same, the thermal stress generated in the ZrO 2 -based ceramic layer is larger than that of a columnar structure-type single layer having microcracks. However, by increasing the strength around the starting point of the destruction caused by the thermal stress as the driving force, the destruction can be made difficult to occur, and the ceramic coating layer can be prevented from being damaged.

【0046】すなわち、本発明ではミクロクラックを有
した柱状組織型ZrO2 系セラミックス被覆層の下部に
緻密な組織のZrO2 系被覆層を設けた構成にすること
により、破壊の起点となる部分をZrO2 系被覆層の内
部にした。このような本発明の構成の被覆層では、熱応
力による破壊起点がAl23に比べ耐熱衝撃性に優れた
ZrO2 系セラミックスであり、かつ、緻密な組織であ
るためその強度も大きい。更に数μmの薄いAl23
の場合と異なり、密着力が弱い合金被覆層との境界部も
ミクロクラック先端部周辺にはない構成となる。従って
本発明の被覆層ではZrO2 系被覆層がミクロクラック
を有した柱状組織構造の単一層からなるものに比べ、よ
り大きな熱負荷に耐えうることが可能になる。
[0046] That is, by the structure in which a ZrO 2 based coating layer of dense tissue in the lower part of the columnar texture type ZrO 2 based ceramic coating layer having a micro-crack in the present invention, a portion to be a starting point of fracture Inside the ZrO 2 -based coating layer. Such a coating layer having the structure of the present invention is a ZrO 2 -based ceramic having a thermal shock resistance superior to Al 2 O 3 at a fracture origin due to thermal stress, and has a high strength because of its dense structure. Further, unlike the case of a thin Al 2 O 3 layer having a thickness of several μm, the boundary with the alloy coating layer having weak adhesion is not provided around the tip of the micro crack. Therefore, in the coating layer of the present invention, it is possible for the ZrO 2 -based coating layer to withstand a larger heat load as compared with a single layer having a columnar structure having microcracks.

【0047】また、本発明の二層構造のZrO2 系セラ
ミックス被覆層を形成する方法も重要になる。すなわ
ち、ZrO2 系被覆層の成膜時での被覆層の組織制御法
として、基材の温度に代り、成膜と同時にその部分にエ
ネルギーを与える方法に着目した。そのエネルギー源と
して蒸着プロセスとの整合性について種々検討した結
果、イオンビームが最も適していることを見い出した。
ZrO2 系材料の蒸着自体は公知の方法である電子ビー
ム蒸着を用い、基材にイオンビームを照射する方法であ
る。イオンビームは高密度エネルギー源であるが、その
エネルギーは照射した材料の最表面部にのみ与えるもの
である。従って、イオンビーム照射と蒸着を同時に行な
うことにより、基材温度が低い状態で成膜しても、イオ
ンビームのエネルギーが十分大きい場合、成膜される被
覆層は柱状組織になる。
Further, a method of forming the ZrO 2 -based ceramic coating layer having a two-layer structure of the present invention is also important. That is, as a method of controlling the structure of the coating layer during the formation of the ZrO 2 -based coating layer, attention was paid to a method of applying energy to the portion at the same time as the film formation instead of the substrate temperature. As a result of various studies on the compatibility with the deposition process as an energy source, it was found that an ion beam was most suitable.
The deposition of the ZrO 2 -based material itself is a method of irradiating a base material with an ion beam using electron beam deposition, which is a known method. The ion beam is a high-density energy source, and the energy is applied only to the outermost surface of the irradiated material. Therefore, by simultaneously performing ion beam irradiation and vapor deposition, even if the film is formed at a low substrate temperature, if the energy of the ion beam is sufficiently large, the coating layer formed has a columnar structure.

【0048】これは、イオンビームの照射によるエネル
ギーが、蒸着のみの場合の基材余熱と同じ効果を有する
ことに寄因している。更に、本法ではイオンビームの照
射による注入効果により、ZrO2 被覆層とその下部被
覆層との間にそれぞれの被覆層の成分が混合したミキシ
ング層も形成でき、非常に優れた密着力が得られる。従
って、本発明の製造法として、数μmのAl23層を最
表面に有した合金被覆層の上に、先ず、イオンビーム照
射とZrO2 系材料の蒸着を同時に行ない、上記のミキ
シング層を形成する。しかる後、イオンビームのエネル
ギーを小さくする、もしくはエネルギーをゼロにしてZ
rO2 系材料の蒸着を行ない、基材温度が低い状態で緻
密な組織のZrO2 系被覆層を形成する。
This is attributable to the fact that the energy due to the irradiation of the ion beam has the same effect as the residual heat of the substrate in the case of only the vapor deposition. Furthermore, in the present method, a mixing layer in which the components of the respective coating layers are mixed can be formed between the ZrO 2 coating layer and the lower coating layer by the injection effect of the ion beam irradiation, and an extremely excellent adhesion can be obtained. Can be Therefore, as a production method of the present invention, first, ion beam irradiation and deposition of a ZrO 2 -based material are simultaneously performed on the alloy coating layer having an Al 2 O 3 layer of several μm on the outermost surface. To form Thereafter, the energy of the ion beam is reduced, or the energy is reduced to zero and Z
An rO 2 -based material is deposited to form a dense ZrO 2 -based coating layer at a low substrate temperature.

【0049】しかる後、イオンビームのエネルギーを大
きくし、ZrO2 系材料の蒸着と併用することにより、
成膜している被覆層の下部近傍のみにエネルギーを与
え、基材自体の温度が500℃以下の状態で、柱状組織
のZrO2 系被覆層を形成する。このような本発明の製
造法により、緻密なZrO2 系被覆層及び柱状組織のい
ずれの被覆層の成膜時においても基材温度が低いため、
特に、下部層となる緻密なZrO2 系被覆層にクラック
が生じない。そしてこれらの組織の異なる二層構造の被
覆層を最表面に有したTBCを後処理として加熱処理す
ることにより、上部被覆層にのみ柱状組織の境界に沿っ
て縦方向のクラックを生じせしめることができる。
Thereafter, by increasing the energy of the ion beam and using it together with the deposition of a ZrO 2 -based material,
Energy is applied only to the vicinity of the lower portion of the coating layer being formed, and a ZrO 2 -based coating layer having a columnar structure is formed while the temperature of the base material itself is 500 ° C. or less. According to such a production method of the present invention, since the substrate temperature is low even when forming a dense ZrO 2 -based coating layer and any coating layer having a columnar structure,
In particular, cracks do not occur in the dense ZrO 2 -based coating layer serving as the lower layer. By subjecting the TBC having a coating layer having a two-layer structure having a different structure on the outermost surface to heat treatment as a post-treatment, cracks in the longitudinal direction can be generated only in the upper coating layer along the boundary of the columnar structure. it can.

【0050】このような本発明の製造法にて作製したT
BCは、ZrO2 系被覆層は熱応力の緩和作用ととも
に、熱応力によって生じる破壊の起点の周辺の材料の信
頼性が高く、破壊によるはく離が生じ難いものとなる。
なお、上記の本発明の製造法において、イオンビームと
して酸素イオンを用いるのが望ましい。その理由とし
て、ZrO2系材料の蒸着の場合、ZrO2-xとなり易
く、化学量論値に近いZrO2を得る上で酸素イオンビー
ムが望ましい。なお、N2 あるいはAr等のイオンビー
ムを用いても特に支障はない。更に、イオンビームを用
いる理由として、ZrO2系被覆層の組織制御を行なう上
で、イオンビームの照射によるエネルギーの応答性の速
さがあげられる。すなわち、イオンビームをONにする
と直ちにそのエネルギーが成膜状態に反映し、一方、O
FFあるいは小さくするとそのエネルギーは直ちに消滅
してしまう。このような応答性の速さは例えば翼のよう
な大型形状品の真空中加熱によって実現するのは非常に
難しい。
The T produced by the production method of the present invention as described above.
In the case of BC, the ZrO 2 -based coating layer has a function of relieving the thermal stress, has a high reliability of the material around the starting point of the destruction caused by the thermal stress, and is hardly peeled off by the destruction.
In the above-described manufacturing method of the present invention, it is preferable to use oxygen ions as the ion beam. The reason is that in the case of deposition of a ZrO 2 -based material, an oxygen ion beam is desirable in order to obtain ZrO 2, which tends to be ZrO 2 -x and close to the stoichiometric value. It should be noted that there is no particular problem even if an ion beam such as N 2 or Ar is used. Further, the reason why the ion beam is used is that, in controlling the structure of the ZrO 2 -based coating layer, the speed of energy response due to the irradiation of the ion beam is raised. That is, as soon as the ion beam is turned on, its energy is reflected in the film formation state,
If it is FF or small, its energy will immediately disappear. Such a high response speed is very difficult to achieve by heating a large-sized product such as a wing in a vacuum.

【0051】[0051]

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。
The present invention will be described below in more detail with reference to examples.

【0052】実施例1 本発明の実施例として以下に示すようにして、二層構造
のZrO2 系被覆層を最表面に有したTBCを作製し、
その耐熱特性について調べた。試験片基材としてNi基
超合金(Rene′−80:Ni−14%Cr−4%Mo−
4%W−3%Al−5%Ti−9.5%Co )を用い、
その表面にMCrAlY合金(Co−32%Ni−21
%Cr−8%Al−0.5%Y )粉末を用いて減圧雰囲
気中プラズマ溶射にて結合層を形成した。その条件はA
r−7%H2 混合ガスを用いて形成したプラズマジェッ
ト(50kW)中に前記の合金粉末を投入し、溶射する
もので、溶射中の雰囲気圧力は約50Torrである。な
お、この前処理として試験片基材の脱脂洗浄さらにAl
23製グリットによるブラステングを行なっている。形
成した結合層の厚さは100μmである。
Example 1 As an example of the present invention, a TBC having a two -layered ZrO 2 -based coating layer on the outermost surface was prepared as follows.
The heat resistance was examined. Ni-base superalloy (Rene'-80: Ni-14% Cr-4% Mo-
4% W-3% Al-5% Ti-9.5% Co)
An MCrAlY alloy (Co-32% Ni-21)
% Cr-8% Al-0.5% Y 2) powder was used to form a bonding layer by plasma spraying in a reduced pressure atmosphere. The condition is A
The alloy powder is injected into a plasma jet (50 kW) formed by using an r-7% H 2 mixed gas and sprayed, and the atmospheric pressure during the spraying is about 50 Torr. In addition, as a pretreatment, degreasing and cleaning of the test piece base material and Al
Blasting with 2 O 3 grit is performed. The thickness of the formed bonding layer is 100 μm.

【0053】しかる後、結合層を設けた試験片基材の表
面に、蒸着源とイオンビーム源を有した成膜装置を用い
て本発明の二層構造のZrO2 系被覆層を作製した。蒸
着源の材料としてZrO2 −6%Y23を用い、イオン
ビームとして酸素イオンを用いた。成膜方法としては、
先ず、結合層の表面に酸素イオンビーム(加速電圧10
keV)を照射し、酸素イオンによる結合層表面のスパ
ッタークリーニングと結合層表面の酸素イオン注入によ
る表面酸化を行なった。この場合、成膜チェンバーの圧
力は10-5Torrで、基材温度は約50℃である。その結
果、結合層表面は清浄化されるとともに、約0.1μm
程のAl23が形成された。
Thereafter, a two-layered ZrO 2 -based coating layer of the present invention was formed on the surface of the test piece substrate provided with the bonding layer using a film forming apparatus having an evaporation source and an ion beam source. ZrO 2 -6% Y 2 O 3 was used as the material of the evaporation source, and oxygen ions were used as the ion beam. As the film formation method,
First, an oxygen ion beam (acceleration voltage 10
keV), sputter cleaning of the bonding layer surface with oxygen ions and surface oxidation of the bonding layer surface with oxygen ion implantation were performed. In this case, the pressure of the film forming chamber is 10 −5 Torr, and the substrate temperature is about 50 ° C. As a result, the surface of the bonding layer is cleaned, and
Al 2 O 3 was formed.

【0054】しかる後、酸素イオン照射を行なったまま
ZrO2 −6%Y23の蒸着を行なった。蒸着源の出力
は10kWであり、膜厚モニターで測定し約0.5μm
の厚さまでイオン照射を行なったままで蒸着を行なっ
た。この場合、成膜チェンバーの圧力は5×10-5Torr
で、基材温度は約50℃である。その結果、結合層の表
面のAl23と蒸着材料のZrO2−6%Y23の混合
した層(ミキシング層)が形成された。この層の厚さは
分析結果、約0.1μm であり、その上に約0.4μm
のZrO2 −6%Y23被覆層が形成されていた。
Thereafter, ZrO 2 -6% Y 2 O 3 was vapor-deposited while irradiating with oxygen ions. The output of the evaporation source was 10 kW, and was measured with
Vapor deposition was performed while ion irradiation was performed to a thickness of. In this case, the pressure of the film forming chamber is 5 × 10 −5 Torr.
And the substrate temperature is about 50 ° C. As a result, a mixed layer of Al 2 O 3 on the surface of the bonding layer and ZrO 2 -6% Y 2 O 3 as a deposition material was formed. The thickness of this layer was analyzed to be about 0.1 μm, and about 0.4 μm
ZrO 2 -6% Y 2 O 3 coating layer was formed.

【0055】しかる後、酸素イオンの照射を止め、Zr
2 −6%Y23の蒸着のみを実施した。
Thereafter, the irradiation of oxygen ions is stopped, and Zr
Of O 2 -6% Y 2 O 3 deposited only was performed.

【0056】この場合、成膜チェンバーの圧力は5×1
-5Torrであり、基材温度は約100℃である。その結
果、ZrO2 −6%Y23からなる緻密な被覆層が形成
され、その厚さは膜厚モニターで制御し、20μmとし
た。しかる後、ZrO2 −6%Y23の蒸着を継続し、
さらに酸素イオンビーム(加速電圧10keV)の照射
を行ない、蒸着と照射を同時に行なった。この場合の成
膜チェンバーの圧力は7×10-5Torrであり、基材温度
は約150℃である。この状態で成膜を続け前記の緻密
なZrO2 −6%Y23被覆層の上に約130μmの被
覆層を形成した。この場合、ZrO2 −6%Y23被覆
層は柱状組織になっており、柱状組織を構成する個々の
柱状の大きさは20〜200μmである。
In this case, the pressure of the film forming chamber is 5 × 1
0 -5 Torr and the substrate temperature is about 100 ° C. As a result, a dense coating layer made of ZrO 2 -6% Y 2 O 3 was formed, and its thickness was controlled to 20 μm by a film thickness monitor. Thereafter, the deposition of ZrO 2 -6% Y 2 O 3 is continued,
Further, irradiation with an oxygen ion beam (acceleration voltage: 10 keV) was performed, and vapor deposition and irradiation were performed simultaneously. In this case, the pressure of the film forming chamber is 7 × 10 −5 Torr, and the substrate temperature is about 150 ° C. In this state, film formation was continued to form a coating layer of about 130 μm on the dense ZrO 2 -6% Y 2 O 3 coating layer. In this case, the ZrO 2 -6% Y 2 O 3 coating layer has a columnar structure, and the size of each column constituting the columnar structure is 20 to 200 μm.

【0057】このように柱状組織の形成される理由とし
て、イオン照射があげられ、照射イオンビームのエネル
ギーにより、高融点材料であるZrO2 −6%Y23
おいても、エピタキシャル成長により柱状組織が得られ
る。前述のような各成膜プロセスにより形成した被覆層
を有したTBCについて、次の工程として加熱処理を行
ない、熱応力を与えることにより、セラミックス被覆層
に熱応力緩和を目的としたミクロクラックを発生させ
た。加熱処理は大気中加熱で、1000℃,1hであ
る。
The reason why the columnar structure is formed as described above is ion irradiation. The columnar structure is formed by epitaxial growth even in the high melting point material ZrO 2 -6% Y 2 O 3 due to the energy of the irradiated ion beam. can get. The TBC having the coating layer formed by each of the above-described film forming processes is subjected to a heat treatment as a next step to give a thermal stress, thereby generating a micro crack in the ceramic coating layer for the purpose of relaxing thermal stress. I let it. The heat treatment is heating in the air at 1000 ° C. for 1 hour.

【0058】その結果、柱状組織からなる最表面部側の
ZrO2 −6%Y23被覆層の柱状組織の境界に沿って
5〜20μm幅のクラックが生じ柱状組織は個々の柱状
に分断されたものとなった。また、このミクロクラック
は柱状組織の下部の緻密なZrO2 −6%Y23被覆層
中には生じておらず、柱状組織と緻密な組織との境界部
で止まっていた。このようなミクロクラックの状態は、
本発明の二層構造のセラミックス被覆層では、それぞれ
の組織の被覆層の強度が大きく異なるためである。
As a result, a crack having a width of 5 to 20 μm is generated along the boundary of the columnar structure of the ZrO 2 -6% Y 2 O 3 coating layer on the outermost surface side composed of the columnar structure, and the columnar structure is divided into individual columns. It was done. The microcracks did not occur in the dense ZrO 2 -6% Y 2 O 3 coating layer under the columnar structure, but stopped at the boundary between the columnar structure and the dense structure. The state of such micro cracks is
This is because, in the ceramic coating layer having the two-layer structure of the present invention, the strengths of the coating layers of the respective structures are significantly different.

【0059】このようにして作製した二層構造のZrO
2 系被覆層を最表面に有したTBCの断面模式図を図1
に示す。また、その表面のSEM観察を行なった。本発
明の製作したTBCでは、ZrO2 系セラミックス被覆
層は二層構造であり、最表面層は柱状組織で20〜20
0μmの柱状組織の境界に5〜20μmの幅の開孔クラ
ックを有しており、その下部層であるZrO2 系被覆層
は緻密な組織でクラック等はない。また、この緻密なZ
rO2 系被覆層の下部にはAl23層があり、その下部
にはCoNiCrAlY合金被覆層があり、合金被覆層
の下部はNi基耐熱合金となっている。
The thus-prepared ZrO having a two-layer structure
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a TBC having a 2- system coating layer on the outermost surface.
Shown in The surface was observed by SEM. In the TBC manufactured according to the present invention, the ZrO 2 -based ceramic coating layer has a two-layer structure, and the outermost surface layer has a columnar structure of 20 to 20.
There is an open crack having a width of 5 to 20 μm at the boundary of the columnar structure of 0 μm, and the ZrO 2 -based coating layer as a lower layer thereof has a dense structure without cracks or the like. In addition, this precise Z
Below the rO 2 -based coating layer is an Al 2 O 3 layer, below it is a CoNiCrAlY alloy coating layer, and below the alloy coating layer is a Ni-based heat-resistant alloy.

【0060】図2〜図5は本発明の製造法で二層構造の
ZrO2 −6%Y23セラミックス被覆層を作製した、
本発明のTBCの断面模式図である。図2の本発明のT
BCでは、Ni基耐熱合金(Rene′80)の前処理を行な
った後、前記と同様の条件で減圧雰囲気中溶射によりC
o−32%Ni−21%Cr−8%Al−0.5%Yと
ZrO2 −6%Y23の混合粉末(混合比1/1)を溶
射し、100μm厚さの被覆層を形成し、しかる後、前
記と同様の条件で減圧雰囲気中溶射によりCo−32%
Ni−21%Cr−8%Al−0.5%Y を溶射し、5
0μm厚さの被覆層を形成した。しかる後、前記と同様
の方法,条件で、Al23層、その上に緻密な組織のZ
rO2 −6%Y23被覆層を20μm、その上に、柱状
組織のZrO2−6%Y23被覆層を130μm形成
し、しかる後、前記と同様の方法,条件で加熱処理を行
なった。その結果、最表面の柱状組織のZrO2−6%Y
23被覆層は、20〜200μmの大きさの柱状組織と
なり、その柱状境界に5〜20μmの開孔クラックが生
じたものが形成された。
FIGS. 2 to 5 show a ZrO 2 -6% Y 2 O 3 ceramic coating layer having a two-layer structure produced by the production method of the present invention.
It is a cross section of a TBC of the present invention. The T of the present invention of FIG.
In BC, after pretreatment of a Ni-base heat-resistant alloy (Rene '80), C was sprayed under reduced pressure atmosphere under the same conditions as above.
o-32% Ni-21% Cr-8% Al-0.5% Y and mixed powder of ZrO 2 -6% Y 2 O 3 (mixed ratio: 1/1) was sprayed, the coating layer of 100μm thickness Thereafter, Co-32% is sprayed under reduced pressure atmosphere under the same conditions as above.
Ni-21% Cr-8% Al-0.5% Y 2
A coating layer having a thickness of 0 μm was formed. Thereafter, in the same manner and under the same conditions as above, an Al 2 O 3 layer and a dense Z
An rO 2 -6% Y 2 O 3 coating layer is formed to a thickness of 20 μm, and a ZrO 2 -6% Y 2 O 3 coating layer having a columnar structure is formed thereon to a thickness of 130 μm. Was performed. As a result, ZrO 2 -6% Y of the columnar structure on the outermost surface
The 2 O 3 coating layer had a columnar structure having a size of 20 to 200 μm, and an opening crack of 5 to 20 μm was formed at the columnar boundary.

【0061】図3の本発明のTBCでは図3のTBCの
作製法において、Ni基耐熱合金の上の被覆層の形成の
際、最初はCo−32%Ni−21%Cr−8%Al−
0.5%Y合金粉末のみを溶射し、しかる後ZrO2 −6
%Y23粉末の量を徐々に増加させ最終的には合金とセ
ラミックスの混合比を1/1とした。しかる後、図3の
本発明と同様にして本発明のTBCを作製した。図4の
本発明のTBCでは、Ni基耐熱合金の表面に前記と同
様の減圧雰囲気中溶射によりCo−32%Ni−21%C
r−8%Al−0.5%Y 合金粉末を溶射し、50μm
厚さの被覆層を形成した後、その上に図2のTBCと同
様に各被覆層を作製したものである。図5の本発明のT
BCではNi基耐熱合金の表面に前記と同様の減圧雰囲
気中溶射によりCo−32%Ni−21%Cr−8%A
l−0.5%Y 合金粉末を溶射し、50μm厚さの被覆
層を形成した後、その上に図4のTBCと同様に各被覆
層を作製したものである。
In the TBC of the present invention shown in FIG. 3, in the method of manufacturing the TBC shown in FIG. 3, when forming the coating layer on the Ni-base heat-resistant alloy, first, Co-32% Ni-21% Cr-8% Al-
Spray only 0.5% Y alloy powder and then ZrO 2 -6
% Y 2 O 3 powder was gradually increased, and finally the mixing ratio between the alloy and the ceramic was set to 1/1. Thereafter, the TBC of the present invention was produced in the same manner as in the present invention shown in FIG. In the TBC of the present invention shown in FIG. 4, Co-32% Ni-21% C
r-8% Al-0.5% Y alloy powder is sprayed, 50μm
After forming a coating layer having a thickness, each coating layer was formed thereon similarly to the TBC of FIG. The T of the present invention shown in FIG.
In BC, Co-32% Ni-21% Cr-8% A is sprayed on the surface of the Ni-base heat-resistant alloy in the same reduced pressure atmosphere as above.
After spraying l-0.5% Y alloy powder to form a coating layer having a thickness of 50 μm, each coating layer was formed thereon in the same manner as the TBC of FIG.

【0062】図3〜図5の本発明のいずれのTBCも、
その最表面に柱状組織のZrO2 系セラミックス被覆層
を有したもので、20〜200μmの大きさの柱状組織
で、その柱状境界に5〜20μmの開孔クラックが生じ
ている。またその下部のZrO2系被覆層は緻密な組織でク
ラックはない。以上の、図1〜図5に示した本発明のT
BCを設けた試験片を表1に示す。試験片No.1〜9は
図1に示す本発明のTBCで、柱状組織と緻密な組織の
それぞれのZrO2 系被覆層の厚さを種々変えたもので
ある。試験片No.10〜16は図2〜図5に示す本発明
のTBCを示す。
Each of the TBCs of the present invention shown in FIGS.
It has a ZrO 2 -based ceramic coating layer with a columnar structure on its outermost surface. The columnar structure has a size of 20 to 200 μm, and an opening crack of 5 to 20 μm has occurred at the columnar boundary. The ZrO 2 -based coating layer thereunder has a dense structure with no cracks. The T of the present invention shown in FIGS.
Table 1 shows the test pieces provided with BC. Test pieces Nos. 1 to 9 are the TBCs of the present invention shown in FIG. 1 in which the thickness of the ZrO 2 -based coating layer of the columnar structure and the dense structure is variously changed. Test pieces Nos. 10 to 16 show the TBC of the present invention shown in FIGS.

【0063】なお、比較の為、以下に示すTBCも作製
した。図6は結合層と柱状組織のZrO2 系セラミック
ス被覆層とから成り、その境界に約2μmのAl23
を有したTBCである。このTBCは、Ni基耐熱合金
の表面に減圧雰囲気中溶射によりCo−32%Ni−2
1%Cr−8%Al−0.5%Y 合金を溶射し、100
μmの結合層を形成し、しかる後、その上にZrO2
6%Y23を蒸着し、150μmの被覆層を形成したも
のである。その蒸着条件は、成膜チェンバーの圧力は5
×10-5Torrで、基材温度を700℃に加熱した状態
で、10kWのE.Bにより蒸着した。この場合、得ら
れた柱状組織は50〜200μmの大きさの柱状であ
り、蒸着成膜後、1000℃,1hの大気中加熱処理に
より、柱状境界に1〜5μmの開孔クラックが生じ、そ
のクラックはセラミックス被覆層を貫通して、結合層と
の境界部まで達していた。また、セラミックス被覆層と
結合層との境界部の結合層表面に2μm厚さのAl23
層が形成されていた。
For comparison, the following TBC was also prepared. FIG. 6 shows a TBC comprising a bonding layer and a ZrO 2 -based ceramic coating layer having a columnar structure, and having an Al 2 O 3 layer of about 2 μm at the boundary. The TBC is formed by spraying Co-32% Ni-2 on the surface of the Ni-base heat-resistant alloy by spraying in a reduced pressure atmosphere.
1% Cr-8% Al-0.5% Y
A bonding layer of μm is formed, and then ZrO 2
6% Y 2 O 3 was deposited to form a coating layer of 150 μm. The deposition conditions are as follows: the pressure of the deposition chamber is 5
At 10 × 10 −5 Torr, a 10 kW E.C. B deposited. In this case, the obtained columnar structure has a columnar shape with a size of 50 to 200 μm. After the deposition and deposition, a heat treatment in the air at 1000 ° C. for 1 hour causes an opening crack of 1 to 5 μm at the columnar boundary. The crack penetrated the ceramic coating layer and reached the boundary with the bonding layer. Further, a 2 μm thick Al 2 O 3 layer is formed on the surface of the bonding layer at the boundary between the ceramic coating layer and the bonding layer.
A layer had been formed.

【0064】試験片No.17はこのようにして作製した
TBCであり、試験片No.18,19は図6に示す比較
のTBCにおいて、柱状組織のZrO2 系セラミックス
被覆層の厚さを変えたものである。図8のTBCも比較
のために作製したTBCであり、Ni基耐熱合金の上に
減圧雰囲気中溶射によりCo−32%Ni−21%Cr−8
%Al−0.5%Y 合金粉末を溶射し、100μm厚さ
の被覆層を形成した後、蒸着により二層構造のZrO2
系セラミックス被覆層を形成し、しかる後、加熱処理を
行なったものである。蒸着はZrO2 −6%Y23を原
料とし、成膜チェンバー内の圧力が5×10-5Torrで、
基材温度50℃で、E.B.出力10kWで20μmの
被覆層を形成した後、基材温度を700℃とし、引き続
き蒸着を行ない更に130μmの被覆層を形成した。
[0064] Test piece No.17 is a TBC produced as this, test pieces No.18,19 in TBC comparison shown in FIG. 6, changing the thickness of the ZrO 2 based ceramic coating layer of the columnar texture It is a thing. The TBC in FIG. 8 is also a TBC prepared for comparison, and is formed by spraying Co-32% Ni-21% Cr-8 on a Ni-base heat-resistant alloy by spraying in a reduced-pressure atmosphere.
% Thermally spraying Al-0.5% Y alloy powder, after forming a coating layer of 100μm thick, ZrO 2 having a two-layer structure by vapor deposition
A system ceramic coating layer was formed, followed by a heat treatment. The deposition was performed using ZrO 2 -6% Y 2 O 3 as the raw material, the pressure in the film forming chamber was 5 × 10 −5 Torr,
At a substrate temperature of 50 ° C., B. After forming a 20 μm coating layer at an output of 10 kW, the substrate temperature was set to 700 ° C., and vapor deposition was further performed to form a further 130 μm coating layer.

【0065】この場合、結合層の上の20μmのZrO
2 系被覆層は緻密な組織であり、その上の130μmの
ZrO2 系被覆層は柱状組織からなる。1000℃,1
hの加熱処理後、50〜200μmの大きさの柱状組織
の境界に沿って5〜10μmの幅の開孔クラックが生じ
ており、そのクラックは緻密な組織のZrO2 系被覆層
をも貫通し、結合層との境界部にまで達していた。な
お、この場合でも、加熱処理により、ZrO2 系被覆層
と結合層との境界部には2μmのAl23層が形成され
ていた。試験片No.20はこのようにして作製したTB
Cである。
In this case, a 20 μm ZrO on the tie layer
The two -layer coating layer has a dense structure, and the 130 μm ZrO 2 -based layer thereon has a columnar structure. 1000 ° C, 1
After the heat treatment of h, open cracks having a width of 5 to 10 μm are formed along the boundaries of the columnar structures having a size of 50 to 200 μm, and the cracks penetrate the ZrO 2 -based coating layer having a dense structure. , And reached the boundary with the bonding layer. In this case, a 2 μm Al 2 O 3 layer was formed at the boundary between the ZrO 2 -based coating layer and the bonding layer by the heat treatment. Test piece No. 20 was made of TB
C.

【0066】[0066]

【表1】 [Table 1]

【0067】以上のようにして作製した本発明及び比較
のTBCのそれぞれについて、高熱負荷条件での使用を
想定した熱負荷試験を実施した。図8は試験方法の概略
図を示す。本試験では高周波誘導熱プラズマを加熱源と
してTBCを設けた試験片表面を加熱するとともに、試
験片裏面を冷却するものであり、試験片(Ni基耐熱合
金)の板厚方向に2ケ所熱電対を埋め込むことにより熱
負荷のパラメーターである熱流束を算出した。またTB
Cの表面のZrO2 系セラミックス被覆層の温度を放射
温度計で測定した。
For each of the present invention and the comparative TBC manufactured as described above, a heat load test was performed assuming use under a high heat load condition. FIG. 8 shows a schematic diagram of the test method. In this test, high-frequency induction thermal plasma is used as a heating source to heat the surface of a test piece provided with a TBC and to cool the back face of the test piece. The heat flux, which is a parameter of the heat load, was calculated by embedding. Also TB
The temperature of the ZrO 2 ceramic coating layer on the surface of C was measured with a radiation thermometer.

【0068】このような状態で図8中に示す開閉シャッ
ターを作動させ加熱,加熱保持,冷却を繰り返した。熱
流束は加熱保持状態で求めた。また、高周波誘導熱プラ
ズマの出力は10kWで、プラズマガスとしては空気を
用いた。加熱時の容器内圧力は100Torrである。試験
片基材の寸法はφ20×3mmでその表面に表1に示した
各種のTBCを設けた。試験は繰り返しサイクルを加え
た際のTBCの損傷状況で判定した。表2はその結果を
示す。
In this state, the open / close shutter shown in FIG. 8 was operated to repeat heating, heating and holding, and cooling. The heat flux was determined in the state of heating and holding. The output of the high-frequency induction thermal plasma was 10 kW, and air was used as the plasma gas. The pressure inside the container during heating is 100 Torr. The dimensions of the test piece substrate were φ20 × 3 mm, and various TBCs shown in Table 1 were provided on the surface thereof. The test was determined based on the damage status of the TBC when the cycle was repeated. Table 2 shows the results.

【0069】[0069]

【表2】 [Table 2]

【0070】試験では熱流束をパラメーターとした繰り
返しサイクル試験を行ない、200回の繰り返しで損傷
の無い場合、耐熱性に優れていると判断した(表2で〇
で示す)。表2で示したように、本発明の二層構造のZ
rO2 系セラミックス被覆層を有したTBCで、特に下
部層である緻密なZrO2 系セラミックス被覆層の厚さ
が10μm以上60μm以下の範囲では3.0〜4.5M
W/m2 の過酷な熱負荷環境下でもTBCの損傷は認め
られなかった。緻密なセラミックス被覆層の厚さが10
μm以下の場合、柱状組織セラミックス被覆層の柱状境
界に生じているクラックの先端を起点とする破壊のメカ
ニズムが従来例の場合と変らなかったものと考えられ
る。
In the test, a repetitive cycle test was conducted using the heat flux as a parameter. If there was no damage after 200 repetitions, it was judged that the heat resistance was excellent (indicated by 〇 in Table 2). As shown in Table 2, the two-layer Z of the present invention
TBC having an rO 2 -based ceramic coating layer, especially when the thickness of the dense ZrO 2 -based ceramic coating layer as the lower layer is in the range of 10 μm to 60 μm, is 3.0 to 4.5M.
No TBC damage was observed even under a severe thermal load environment of W / m 2 . The thickness of the dense ceramic coating layer is 10
In the case of μm or less, it is considered that the fracture mechanism starting from the tip of a crack generated at the columnar boundary of the columnar ceramic coating layer was not different from that of the conventional example.

【0071】その結果、ZrO2 系セラミックス被覆層
と結合層(メタル層)との境界に沿って損傷が進行し、
はく離に至ったものと推察される。一方、その厚さが6
0μm以上の場合、緻密な組織のZrO2 系被覆層自体
での熱応力が大きくなり、高い熱負荷条件ではその被覆
層が損傷してはく離に至ったと考えられる。このよう
に、本発明の二層構造のZrO2 系セラミックス被覆層
では下部層である緻密な組織のZrO2 系セラミックス
被覆層の厚さは10μm以上60μm以下の範囲が望ま
しい。更に上記範囲の緻密な組織のZrO2 系セラミッ
クス被覆層を有した本発明の被覆層で、(柱状組織)/
(緻密な組織)の厚さの比も重要であり、その比が1.
5 以上,15以下が望ましく、かつ、柱状組織と緻密
な組織の厚さの総和が400μm以下が望ましい。
As a result, damage progresses along the boundary between the ZrO 2 ceramic coating layer and the bonding layer (metal layer),
It is presumed that it came off. On the other hand, if the thickness is 6
When the thickness is 0 μm or more, it is considered that the thermal stress in the ZrO 2 -based coating layer having a dense structure itself is increased, and the coating layer is damaged and peeled under a high heat load condition. Thus, the thickness of the dense tissue ZrO 2 based ceramic coating layer of a lower layer in the ZrO 2 based ceramic coating layer having a two-layer structure of the present invention is preferably 60μm or less of the range of 10 [mu] m. Further, the coating layer of the present invention having a ZrO 2 -based ceramic coating layer having a dense structure in the above range, (columnar structure) /
The thickness ratio of (dense tissue) is also important, and the ratio is 1.
It is desirable that the total thickness of the columnar structure and the dense structure be 400 μm or less.

【0072】また、図2〜図5に示した本発明のTBC
においても、いずれの場合とも、3MW/m2 の大きい
熱流束条件下でもTBCの損傷は認められず、優れた耐
熱性を有することが判った。一方、比較のために作製し
たTBCでは0.8〜1.0MW/m2 以上の熱流束条件
下で100回以下の繰り返しサイクル数でTBCの損傷
が生じ、その耐熱性は良くないことが判った。
The TBC of the present invention shown in FIGS.
In any case, no TBC damage was observed even under a large heat flux condition of 3 MW / m 2 , and it was found to have excellent heat resistance. On the other hand, it was found that the TBC prepared for comparison causes damage to the TBC under a heat flux condition of 0.8 to 1.0 MW / m 2 or more at a repetition cycle of 100 times or less, and has poor heat resistance. Was.

【0073】以上の本発明のTBCにおいて、柱状組織
のZrO2 系セラミックス被覆層の厚さに特に制約はな
いが、セラミックス被覆層の厚さは遮熱効果と関連して
おり、厚い程遮熱効果が大きくなり、また熱流束が大き
い程遮熱効果も大きくなる。1〜4.5MW/m2という
大きい熱流束条件下では柱状組織と緻密な組織のZrO2
セラミックス被覆層の厚さの合計が約300μmで、9
0〜200℃の遮熱効果が得られる。従って、本発明の
TBCにおいて、表面層となる柱状組織のZrO系セ
ラミックス被覆層の厚さは最大300μm程度が望まし
い。
In the above TBC of the present invention, the thickness of the ZrO 2 -based ceramic coating layer having a columnar structure is not particularly limited, but the thickness of the ceramic coating layer is related to the heat shielding effect. The greater the effect, the greater the heat flux, the greater the thermal barrier effect. Under a large heat flux condition of 1 to 4.5 MW / m 2, the total thickness of the columnar structure and the dense structure of the ZrO 2 ceramic coating layer is about 300 μm,
A heat shielding effect of 0 to 200 ° C. is obtained. Therefore, in the TBC of the present invention, the thickness of the ZrO 2 -based ceramic coating layer having a columnar structure serving as a surface layer is desirably about 300 μm at the maximum.

【0074】実施例2 耐熱合金としてCo基合金(FSX−414,Co−3
0%Cr−10%Ni−7%W−1%Mn−1%Si−
0.2%C)を用いて実施例1の表1中の試験片No.2
の試験片を同様の方法,条件で作製し、図8に示す熱負
荷試験を実施した。その結果、熱流束が4.5MW/m2
の熱負荷条件でも本発明のTBCは200回の繰り返し
サイクル試験後も何ら損傷なく健全であり、実施例1中
の従来のTBCに比べ優れた耐熱性を示すことが判っ
た。
Example 2 Co-based alloys (FSX-414, Co-3
0% Cr-10% Ni-7% W-1% Mn-1% Si-
Test piece No. 2 in Table 1 of Example 1 using 0.2% C).
Were prepared by the same method and under the same conditions, and the heat load test shown in FIG. 8 was performed. As a result, the heat flux is 4.5 MW / m 2
It was found that the TBC of the present invention was sound without any damage even after the 200 repetitive cycle tests even under the heat load condition of, and showed excellent heat resistance as compared with the conventional TBC in Example 1.

【0075】実施例3 耐熱合金としてNi基の一方向凝固材(DS材,Mar
−M247,Ni−16%Cr−1.8%Mo−2.6%
W−3.4%Al−3.4%Ti−1.7%Ta−8.5%
Co−0.1%C)を用いて実施例1の表1中の試験片
No.1の試験片を同様の方法,条件で作製し、図8に示
す熱負荷試験を実施した。その結果、熱流束が4.5M
W/m2の熱負荷条件でも本発明のTBCは200回の
繰り返しサイクル試験後も何ら損傷なく健全であり、実
施例1中の従来のTBCに比べ優れた耐熱性を示すこと
が判った。
Example 3 A Ni-based unidirectionally solidified material (DS material, Mar
-M247, Ni-16% Cr-1.8% Mo-2.6%
W-3.4% Al-3.4% Ti-1.7% Ta-8.5%
(Co-0.1% C), a test piece No. 1 in Table 1 of Example 1 was prepared in the same manner and under the same conditions, and a heat load test shown in FIG. 8 was performed. As a result, the heat flux is 4.5M
Even under a heat load condition of W / m 2 , it was found that the TBC of the present invention was sound without any damage even after 200 repetitive cycle tests, and showed excellent heat resistance as compared with the conventional TBC in Example 1.

【0076】実施例4 耐熱合金としてNi基の単結晶材(SC材,CMSX−
4,Ni−6.6%Cr−0.6%Mo−6.4%W−3.
0%Re−5.6%Al−1.0%Ti−6.5%Ta−
9.6%Co)を用いて実施例1と同様の方法,条件で作
製した。なお、この場合、結合層合金としてNi−20
%Cr−8%Al−1%Y合金を用い、セラミックス被
覆層としてZrO2 −8%Y23を用いた。TBCの各
層の厚さは表1中の試験片No.5と同様である。図8に
示す熱負荷試験の結果では、本発明のTBCは4.5M
W/m2の熱流束の熱負荷条件でも200回の繰り返し
サイクル試験後も何ら損傷なく健全であり、実施例1中
の従来のTBCに比べ優れた耐熱性を示すことが判っ
た。
Example 4 A Ni-based single crystal material (SC material, CMSX-
4, Ni-6.6% Cr-0.6% Mo-6.4% W-3.
0% Re-5.6% Al-1.0% Ti-6.5% Ta-
Using 9.6% Co), the same method and conditions as in Example 1 were used. In this case, Ni-20 is used as the bonding layer alloy.
% Using a Cr-8% Al-1% Y alloy was used ZrO 2 -8% Y 2 O 3 as the ceramic coating layer. The thickness of each layer of TBC is the same as that of the test piece No. 5 in Table 1. According to the results of the heat load test shown in FIG. 8, the TBC of the present invention was 4.5M.
Even under the heat load condition of a heat flux of W / m 2 , it was found that the sample was sound without any damage even after the repetition cycle test of 200 times, and showed excellent heat resistance as compared with the conventional TBC in Example 1.

【0077】実施例5 図9に示すタービン動翼(材質,SC材,CMSX−
4)の燃焼ガスに曝される部分である翼面及びプラット
フォーム部に本発明のTBCを施した本発明のTBC動
翼を作製した。その方法は実施例1と同様で、結合層と
して先ずNi−20%Cr−8%Al−1%Y合金を1
00μmの厚さ設け、しかる後、緻密な組織のZrO2
系セラミックス被覆層を30μm、更に、柱状組織のZ
rO2 系セラミックス被覆層を150μm設けた。それ
らの材質はZrO2 −8%Y23である。その後、加熱
処理として1100℃,4hの加熱を実施し、柱状組織
の被覆層に実施例1と同様の大きさのクラックを形成す
るとともにZrO2 系セラミックス被覆層と結合層との
境界に3μm厚さのAl23層を形成した。
Embodiment 5 A turbine blade (material, SC material, CMSX-) shown in FIG.
The TBC rotor blade of the present invention in which the TBC of the present invention was applied to the blade surface and the platform portion, which is the portion exposed to the combustion gas, of 4) was produced. The method is the same as that of the first embodiment. First, Ni-20% Cr-8% Al-1% Y alloy is used as a bonding layer.
A thickness of 00 μm, and then ZrO 2 having a dense structure
30 μm thick ceramic coating layer and Z of columnar structure
An rO 2 ceramic coating layer was provided at 150 μm. Their material is ZrO 2 -8% Y 2 O 3 . Thereafter, heating was performed at 1100 ° C. for 4 hours as a heat treatment to form cracks having the same size as in Example 1 in the coating layer of the columnar structure, and a thickness of 3 μm at the boundary between the ZrO 2 ceramic coating layer and the bonding layer. An Al 2 O 3 layer was formed.

【0078】このようにして作製した本発明のタービン
翼を用いて、図10に示す実機模擬加熱試験で熱負荷試
験を実施した。試験条件は燃焼ガス温度が最大1500
℃で、冷却空気温度が170℃、圧力は8気圧である。
この試験では予め翼前縁部に熱電対を埋め込んだ動翼で
加熱保持状態での翼基材温度を測定し、熱流束を求めた
結果最大3.2MW/m2であった。また、比較の為、実
施例1の表1中の試験片No.17と同様の方法,条件
で、柱状組織のZrO2 系セラミックス被覆層(180
μm)と結合層(100μm)を設けた動翼も作製し
た。被覆層の材質はNi−20%Cr−8%Al−1%
YとZrO2 −8%Y23である。
Using the turbine blade of the present invention thus manufactured, a heat load test was carried out in a simulated heating test of an actual machine shown in FIG. The test condition is that the combustion gas temperature is up to 1500
C., the cooling air temperature is 170 C. and the pressure is 8 atm.
In this test, the blade base temperature in a heating and holding state was measured with a moving blade in which a thermocouple was embedded in the leading edge of the blade in advance, and the heat flux was obtained. As a result, the maximum was 3.2 MW / m 2 . For comparison, a ZrO 2 -based ceramic coating layer (180) having a columnar structure was prepared in the same manner and under the same conditions as for the test piece No. 17 in Table 1 of Example 1.
μm) and a moving blade provided with a bonding layer (100 μm). The material of the coating layer is Ni-20% Cr-8% Al-1%
Y and ZrO 2 -8% Y 2 O 3 .

【0079】燃焼ガス温度が1000℃の場合(熱流束
0.8MW/m2)、本発明のタービン翼及び比較のター
ビン翼ともいずれも10回の起動,定常保持,停止の繰
り返しサイクルでもTBCに何ら損傷が認められなかっ
た。しかし、燃焼ガス温度が1300℃の場合(熱流束
1.5MW/m2)、10回の繰り返しサイクル後本発明
のタービン翼は健全であったが、比較のタービン翼では
翼前縁部でセラミックス被覆層のはく離損傷を生じてい
た。更に、燃焼ガス温度が1500℃の場合(熱流束
3.2MW/m2)、10回の繰り返し後、本発明のター
ビン翼は全く健全であった。比較のタービン翼では13
00℃加熱に比べ前縁部の損傷範囲が更に大きくなって
いた。
When the combustion gas temperature is 1000 ° C. (heat flux: 0.8 MW / m 2 ), the TBC of both the turbine blade of the present invention and the comparative turbine blade is reduced to TBC even in a cycle of 10 times of starting, steady holding, and stopping. No damage was observed. However, when the combustion gas temperature was 1300 ° C. (heat flux: 1.5 MW / m 2 ), the turbine blade of the present invention was sound after 10 repetition cycles. Delamination damage of the coating layer occurred. Furthermore, when the combustion gas temperature was 1500 ° C. (heat flux 3.2 MW / m 2 ), the turbine blade of the present invention was quite sound after 10 repetitions. 13 for the comparative turbine blade
The damage range of the leading edge was larger than that at the time of heating at 00 ° C.

【0080】実施例6 図11に示すタービン動翼(材質,DS材,Mar−M
−247)の燃焼ガスに曝される部分である翼前縁部
(図11中a−aで示す範囲)に本発明のTBCを設け
た本発明のTBC動翼を作製した。その方法は実施例5
と同様で、翼面全面及びプラットフォーム部に結合層と
して先ずNi−30%Co−20%Cr−8%Al−
0.5%Y 合金を50μmの厚さ設け、しかる後、翼前
縁部のみに緻密な組織のZrO2 系セラミックス被覆層
を20μm、更に翼面全面及びプラットフォーム部に柱
状組織のZrO2 系セラミックス被覆層を130μm設
けた。それらのZrO2 系セラミックスの材質はZrO
2 −6%Y23である。本発明のTBC動翼では熱負荷
の最も厳しい翼前縁部にセラミックス被覆層が二層構造
で、その他の熱負荷の緩やかな部分は柱状組織のセラミ
ックス被覆層のみとなる。
Embodiment 6 A turbine blade (material, DS material, Mar-M) shown in FIG.
-247) A TBC rotor blade of the present invention was provided in which the TBC of the present invention was provided at the blade leading edge portion (the range indicated by aa in FIG. 11) which was exposed to the combustion gas. The method is described in Example 5.
In the same manner as above, Ni-30% Co-20% Cr-8% Al-
A 0.5% Y alloy is provided in a thickness of 50 μm, and thereafter, a ZrO 2 -based ceramic coating layer having a dense structure is provided only on the leading edge of the wing, and a ZrO 2 -based ceramic having a columnar structure is provided on the entire wing surface and the platform portion. The coating layer was provided at 130 μm. The material of these ZrO 2 -based ceramics is ZrO
A 2 -6% Y 2 O 3. In the TBC rotor blade of the present invention, the ceramic coating layer has a two-layer structure at the leading edge of the blade where the thermal load is the severest, and the other portion where the thermal load is gentle is only the ceramic coating layer having a columnar structure.

【0081】この場合、翼前縁部のセラミックス被覆層
の厚さが150μmで、翼腹側,翼背側,プラットフォ
ーム部では130μmとなり、それらの厚さの異なる部
分は図12に示すように厚さが連続的に変化している。
なお、本発明のTBC動翼では前縁部のみの緻密な被覆
層の形成の際は酸素イオン照射がなく、柱状組織の被覆
層の形成の際のみ酸素イオン照射を加えた。その照射条
件は実施例1と同様である。なお全面にセラミックス被
覆層を設けた後、実施例5と同様の加熱処理を行なっ
た。このようにして作製した本発明のTBC動翼を用い
て実施例5と同様の実機模擬加熱試験を行なった結果、
燃焼ガス温度が1500℃の場合(熱流束3.2MW/
2)、本発明のTBC動翼ではセラミックス被覆層の
はく離等の損傷は無く健全であった。
In this case, the thickness of the ceramic coating layer at the leading edge of the blade is 150 μm, and the thickness of the ceramic coating layer is 130 μm on the abdomen side, the back side of the blade, and the platform portion. Is continuously changing.
In the TBC rotor blade of the present invention, oxygen ion irradiation was not performed when forming a dense coating layer only on the leading edge portion, and oxygen ion irradiation was applied only when forming a coating layer having a columnar structure. The irradiation conditions are the same as in the first embodiment. After the ceramic coating layer was provided on the entire surface, the same heat treatment as in Example 5 was performed. As a result of performing a simulated heating test on an actual machine in the same manner as in Example 5 using the TBC rotor blade of the present invention thus manufactured,
When the combustion gas temperature is 1500 ° C (heat flux 3.2 MW /
m 2 ), the TBC blade of the present invention was sound without damage such as peeling of the ceramic coating layer.

【0082】実施例7 図13に示すタービン静翼(材質:Ni基耐熱合金IN
−939、Ni−23%Cr−2%W−2%Al−3.
7%Ti−1.4%Ta−19%Co−0.15%C)の
燃焼ガスに曝される部分である翼前縁部(図13中a−
aで示す範囲)に本発明のTBCを設けたTBC静翼を
作製した。その方法は実施例5と同様で翼全面及び上下
のガスパス部に結合層として先ずNi−25%Cr−1
0%Al−1.2%Y 合金を50μmの厚さを設け、
しかる後、翼前縁部にのみ実施例5と同様にして30μ
m厚さの緻密なセラミックス被覆層、更に150μm厚
さの柱状組織のセラミックス被覆層を設けた。しかる
後、本発明のTBC静翼ではセラミックス被覆層を設け
た前縁部及びフィルム冷却孔の部分にSUS製のマスキ
ング治具を装着し、翼腹側,翼背側及びプラットフォー
ム部にプラズマ溶射法によりZrO2 系セラミックス被
覆層を180μm形成した。
Embodiment 7 A turbine vane shown in FIG. 13 (material: Ni-base heat-resistant alloy IN)
-939, Ni-23% Cr-2% W-2% Al-3.
The leading edge of the blade, which is a portion exposed to a combustion gas of 7% Ti-1.4% Ta-19% Co-0.15% C) (a-
A TBC stationary blade provided with the TBC of the present invention in the range indicated by a) was manufactured. The method is the same as that of the fifth embodiment. First, Ni-25% Cr-1 is used as a bonding layer on the entire surface of the blade and the upper and lower gas paths.
0% Al-1.2% Y alloy is provided with a thickness of 50 μm,
After that, 30 μm was applied only to the leading edge of the blade in the same manner as in Example 5.
A dense ceramic coating layer having a thickness of m and a ceramic coating layer having a columnar structure having a thickness of 150 μm were further provided. Thereafter, in the TBC vane of the present invention, a SUS masking jig is attached to the leading edge portion provided with the ceramic coating layer and the portion of the film cooling hole, and the plasma spraying method is applied to the blade ventral side, the blade back side and the platform part. As a result, a ZrO 2 ceramic coating layer was formed to a thickness of 180 μm.

【0083】この場合、プラズマ形成ガスはAr−10
%H2 の混合ガスで、混合ガスの流量は45リットル/
min.プラズマ出力は50kWである。原料は10〜44
μmのZrO2 系セラミックス粉末であり、プラズマジ
ェット中に55g/min.の量を投入し、溶射距離75〜
85mmで被覆層を形成した。このようにして、翼前縁
部,翼腹側,翼背側及びプラットフォーム部にTBCを
設けた後、実施例5と同様の加熱処理を行なった。な
お、本発明のTBC動翼でのセラミックス被覆材はZr
2−8%Y23 である。本発明のTBC静翼を用い
て、実施例5と同様の実機模擬加熱試験を行なった結
果、燃焼ガス温度が1500℃の場合(熱流束3.2M
W/m2)、本発明のTBC静翼ではセラミックス被覆
層のはく離等の損傷がなく健全であった。
In this case, the plasma forming gas is Ar-10
% H 2 mixed gas, the flow rate of the mixed gas is 45 liter /
min. Plasma power is 50 kW. Raw material is 10-44
μm ZrO 2 -based ceramic powder, 55 g / min.
A coating layer was formed at 85 mm. After the TBCs were provided on the leading edge of the blade, on the side of the blade, on the side of the blade, and on the platform in this manner, the same heat treatment as in Example 5 was performed. The ceramic coating material of the TBC blade of the present invention is Zr.
O 2 -8% Y 2 O 3 . Using the TBC vane of the present invention, a simulated actual heating test was performed in the same manner as in Example 5, and as a result, the combustion gas temperature was 1500 ° C. (heat flux of 3.2 M).
W / m 2 ), the TBC vane of the present invention was sound without damage such as peeling of the ceramic coating layer.

【0084】実施例8 ハイブリッド化柱状セラミックス系被覆層を最表面に有
したTBCを作製し、その耐熱特性について調べた。試
験片基材としてNi基超合金(Rene′−80:Ni−1
4%Cr−4%Mo−4%W−3%Al−5%Ti−
9.5%Co )を用い、その表面にMCrAlY合金
(Co−32%Ni−21%Cr−8%Al−0.5%
Y )粉末を用いて減圧雰囲気中プラズマ溶射にて結合
層を形成した。その条件はAr−7%H2 混合ガスを用
いて形成したプラズマジェット(50kW)中に前記の
合金粉末を投入し、溶射するもので、溶射中の雰囲気圧
力は約50Torrである。なお、この前処理として試験片
基材の脱脂洗浄さらにAl23製グリットによるブラス
テングを行なっている。形成した結合層の厚さは100
μmである。また、結合層の表面あらさはRmax.65μ
mである。
Example 8 A TBC having a hybridized columnar ceramic-based coating layer on the outermost surface was manufactured and its heat resistance was examined. Ni-base superalloy (Rene'-80: Ni-1)
4% Cr-4% Mo-4% W-3% Al-5% Ti-
9.5% Co 2, and the surface thereof is made of MCrAlY alloy (Co-32% Ni-21% Cr-8% Al-0.5%
Y) A bonding layer was formed from the powder by plasma spraying in a reduced pressure atmosphere. The conditions are such that the above alloy powder is injected into a plasma jet (50 kW) formed using an Ar-7% H 2 mixed gas and sprayed, and the atmospheric pressure during the spraying is about 50 Torr. As this pretreatment, the test piece base material is degreased and washed, and blasting is performed with Al 2 O 3 grit. The thickness of the formed tie layer is 100
μm. The surface roughness of the bonding layer is Rmax.
m.

【0085】しかる後、結合層を設けた試験片基材の表
面に、蒸着源とイオンビーム源を有した成膜装置を用い
て本発明のハイブリッド化柱状セラミックス被覆層を作
製した。蒸着源の材料としてZrO2 −6%Y23を用
い、イオンビームとして酸素イオンを用いた。成膜方法
としては、先ず、結合層の表面に酸素イオンビーム(加
速電圧10keV)を照射し、酸素イオンによる結合層
表面のスパッタークリーニングと結合層表面の酸素イオ
ン注入による表面酸化を行なった。この場合、成膜チェ
ンバーの圧力は10-5Torrで、基材温度は約50℃であ
る。なお、基材温度の測定は基材裏面に熱電対を設けて
行なった。その結果、結合層表面は清浄化されるととも
に、約0.1μm 程のAl23が形成された。
Thereafter, a hybrid columnar ceramic coating layer of the present invention was formed on the surface of the test piece substrate provided with the bonding layer by using a film forming apparatus having an evaporation source and an ion beam source. ZrO 2 -6% Y 2 O 3 was used as the material of the evaporation source, and oxygen ions were used as the ion beam. First, the surface of the bonding layer was irradiated with an oxygen ion beam (acceleration voltage: 10 keV) to perform sputter cleaning of the surface of the bonding layer with oxygen ions and oxidation of the surface of the bonding layer by oxygen ion implantation. In this case, the pressure of the film forming chamber is 10 −5 Torr, and the substrate temperature is about 50 ° C. The measurement of the substrate temperature was performed by providing a thermocouple on the back surface of the substrate. As a result, the surface of the bonding layer was cleaned and Al 2 O 3 of about 0.1 μm was formed.

【0086】しかる後、酸素イオン照射を行なったまま
ZrO2 −6%Y23の蒸着を行なった。蒸着源の出力
は10kWであり、膜厚モニターで測定し約0.5μm
の厚さまでイオン照射を行なったままで蒸着を行なっ
た。この場合、成膜チェンバーの圧力は5×10-5Torr
で、基材温度は約50℃である。その結果、結合層の表
面のAl23と蒸着材料のZrO2 −6%Y23の混合
した層(ミキシング層)が形成された。この層の厚さは
分析結果、約0.1μmであり、その上に約0.4μmの
ZrO2 −6%Y23被覆層が形成されていた。
Thereafter, ZrO 2 -6% Y 2 O 3 was vapor-deposited while performing oxygen ion irradiation. The output of the evaporation source was 10 kW, and was measured with
Vapor deposition was performed while ion irradiation was performed to a thickness of. In this case, the pressure of the film forming chamber is 5 × 10 −5 Torr.
And the substrate temperature is about 50 ° C. As a result, a mixed layer of Al 2 O 3 on the surface of the bonding layer and ZrO 2 -6% Y 2 O 3 as the deposition material was formed. As a result of analysis, the thickness of this layer was about 0.1 μm, and a ZrO 2 -6% Y 2 O 3 coating layer of about 0.4 μm was formed thereon.

【0087】しかる後、ZrO2 −6%Y23の蒸着を
継続しながら酸素イオンビーム(加速電圧10keV)
の照射を行ない、蒸着と照射を同時に行なった。この場
合の成膜チェンバーの圧力は7×10-5Torrであり、基
材温度は約150℃である。この状態で成膜を続け前記
の緻密なZrO2 −6%Y23被覆層の上に約150μ
mの被覆層を形成した。この場合、ZrO2 −6%Y2
3被覆層は一次と二次の柱状組織になっており、一次
柱状組織を構成する個々の柱状の幅が2〜5μmで、一
次柱状組織からなる二次柱状組織の幅は50〜100μ
mである。
Then, while continuing the deposition of ZrO 2 -6% Y 2 O 3, an oxygen ion beam (acceleration voltage 10 keV)
, And vapor deposition and irradiation were performed simultaneously. In this case, the pressure of the film forming chamber is 7 × 10 −5 Torr, and the substrate temperature is about 150 ° C. About 150μ on the dense ZrO 2 -6% Y 2 O 3 coating layer of the continued deposition in this state
m of coating layers were formed. In this case, ZrO 2 -6% Y 2
The O 3 coating layer has a primary and secondary columnar structure, and the width of each column constituting the primary columnar structure is 2 to 5 μm, and the width of the secondary columnar structure composed of the primary columnar structure is 50 to 100 μm.
m.

【0088】このように一次と二次の柱状組織の形成さ
れる理由として、イオン照射があげられ、照射イオンビ
ームのエネルギーにより、高融点材料であるZrO2
6%Y23においても、エピタキシャル成長により柱状
組織が得られる。前述のような各成膜プロセスにより形
成した被覆層を有したTBCについて、次の工程として
加熱処理を行ない、熱応力を与えることにより、セラミ
ックス被覆層に三次柱状組織を形成した。加熱処理は大
気中加熱で、1050℃,4hである。
The primary and secondary columnar structures are formed by ion irradiation. The energy of the irradiated ion beam causes the high melting point material ZrO 2
Even with 6% Y 2 O 3 , a columnar structure can be obtained by epitaxial growth. The TBC having the coating layer formed by each of the above-described film forming processes was subjected to a heat treatment as a next step to give a thermal stress, thereby forming a tertiary columnar structure in the ceramic coating layer. The heat treatment is heating in the air at 1050 ° C. for 4 hours.

【0089】その結果、一次と二次の柱状組織からなる
ZrO2 −6%Y23被覆層の二次柱状組織の境界に沿
って5〜20μm幅のクラックが生じ柱状組織は個々の
柱状に分断されたものとなった。
As a result, cracks having a width of 5 to 20 μm are generated along the boundary of the secondary columnar structure of the ZrO 2 -6% Y 2 O 3 coating layer composed of the primary and secondary columnar structures, and the columnar structures are formed into individual columnar structures. It was divided into.

【0090】このようにして作製したハイブリッド化柱
状セラミックス被覆層を最表面に有したTBCの断面模
式図を図14に示す。また、その表面及び破断面のSE
M観察を行なった。本発明の製作したTBCでは、Zr
2 系セラミックス被覆層は一次〜三次までの柱状組織
で構成されるもので、2〜5μm幅の一次柱状組織の集
合体で構成される50〜100μm幅の二次柱状組織と
1ケあるいは複数の二次柱状の集合体で構成される三次
柱状組織で、三次柱状の境界のクラックの幅は5〜20
μmである。
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a TBC having the hybridized columnar ceramic coating layer formed as described above on the outermost surface. In addition, the SE of the surface and the fracture surface
M observation was performed. In the TBC manufactured according to the present invention, Zr
The O 2 -based ceramic coating layer is composed of a primary to tertiary columnar structure. Is a tertiary columnar structure composed of secondary columnar aggregates, and the width of the crack at the tertiary columnar boundary is 5 to 20
μm.

【0091】図15〜図18は本発明の製造法でハイブ
リッド化柱状セラミックス被覆層を作製した、本発明の
TBCの断面模式図である。図15の本発明のTBCで
は、Ni基耐熱合金(Rene′80)の前処理を行なった
後、前記と同様の条件で減圧雰囲気中溶射によりCo−
32%Ni−21%Cr−8%Al−0.5%Y とZr
2−6%Y23 の混合粉末(混合比1/1)を溶射
し、100μm厚さの被覆層を形成し、しかる後、前記
と同様の条件で減圧雰囲気中溶射によりCo−32%N
i−21%Cr−8%Al−0.5%Y を溶射し、50
μm厚さの被覆層を形成した。しかる後、前記と同様の
方法,条件でハイブリッド化柱状セラミックス被覆層を
作製した。セラミックスはZrO2 −6%Y23でその
厚さも前記と同様である。得られたハイブリッド化柱状
セラミックス被覆層の組織も前記と同様である。
FIGS. 15 to 18 are schematic cross-sectional views of a TBC of the present invention in which a hybrid columnar ceramic coating layer is produced by the production method of the present invention. In the TBC of the present invention shown in FIG. 15, after pretreatment of a Ni-base heat-resistant alloy (Rene '80), Co-spraying is performed under reduced pressure atmosphere under the same conditions as above.
32% Ni-21% Cr-8% Al-0.5% Y and Zr
A mixed powder of O 2 -6% Y 2 O 3 (mixing ratio 1/1) is sprayed to form a coating layer having a thickness of 100 μm. Thereafter, Co-32 is sprayed under reduced pressure atmosphere under the same conditions as above. % N
i-21% Cr-8% Al-0.5% Y 2
A coating layer having a thickness of μm was formed. Thereafter, a hybridized columnar ceramic coating layer was prepared under the same method and conditions as described above. The ceramic is ZrO 2 -6% Y 2 O 3 and its thickness is the same as above. The structure of the obtained hybridized columnar ceramic coating layer is the same as described above.

【0092】図16の本発明のTBCでは図3のTBC
の作製法において、Ni基耐熱合金の上の被覆層の形成
の際、最初はCo−32%Ni−21%Cr−8%Al
−0.5%Y 合金粉末のみを溶射し、しかる後ZrO2
−6%Y23粉末の量を徐々に増加させ最終的には合金
とセラミックスの混合比を1/1とした。しかる後、図
15の本発明と同様にして本発明のTBCを作製した。
図17の本発明のTBCでは、Ni基耐熱合金の表面に
前記と同様の減圧雰囲気中溶射によりCo−32%Ni
−21%Cr−8%Al−0.5%Y 合金粉末を溶射
し、50μm厚さの被覆層を形成した後、その上に図3
のTBCと同様に各被覆層を作製したものである。図1
8の本発明のTBCではNi基耐熱合金の表面に前記と
同様の減圧雰囲気中溶射によりCo−32%Ni−21
%Cr−8%Al−0.5%Y合金粉末を溶射し、50
μm厚さの被覆層を形成した後、その上に図16のTBC
と同様に各被覆層を作製したものである。
In the TBC of the present invention shown in FIG. 16, the TBC shown in FIG.
In forming the coating layer on the Ni-based heat-resistant alloy, first, Co-32% Ni-21% Cr-8% Al
-Spray only 0.5% Y alloy powder and then ZrO 2
The -6% Y 2 O 3 finally gradually increasing the amount of powder was 1/1 the mixing ratio of the alloy and the ceramic. Thereafter, the TBC of the present invention was manufactured in the same manner as in the present invention shown in FIG.
In the TBC of the present invention shown in FIG. 17, a Co-32% Ni
After spraying -21% Cr-8% Al-0.5% Y alloy powder to form a 50 μm thick coating layer, FIG.
Each coating layer was produced in the same manner as in TBC. FIG.
In the TBC 8 of the present invention, Co-32% Ni-21 was sprayed on the surface of the Ni-base heat-resistant alloy in the same reduced pressure atmosphere as above.
% Cr-8% Al-0.5% Y alloy powder,
After forming a coating layer having a thickness of μm, the TBC of FIG.
Each coating layer was produced in the same manner as in the above.

【0093】以上の、図14〜図18に示した本発明の
TBCを設けた試験片を表3に示す。
Table 3 shows the test pieces provided with the TBC of the present invention shown in FIGS.

【0094】[0094]

【表3】 [Table 3]

【0095】試験片No.21〜25は図14に示す本発
明のTBCで、柱状組織と緻密な組織のそれぞれのZr
2 系被覆層の厚さを種々変えたものである。試験片N
o.26〜29は図15〜図18に示す本発明のTBCを
示す。
Specimens Nos. 21 to 25 are the TBCs of the present invention shown in FIG.
The thickness of the O 2 -based coating layer was changed variously. Test piece N
o.26 to 29 show the TBC of the present invention shown in FIGS.

【0096】なお、比較の為、以下に示すTBCも作製
した。図19は結合層と柱状組織のZrO2 系セラミッ
クス被覆層とから成り、その境界に約2μmのAl23
層を有したTBCである。このTBCは、Ni基耐熱合
金の表面に減圧雰囲気中溶射によりCo−32%Ni−
21%Cr−8%Al−0.5%Y 合金を溶射し、10
0μmの結合層を形成し、しかる後、その表面を研摩し
Rmax.10μmのあらさにした。その後その上にZrO
2 −6%Y23を蒸着し、150μmの被覆層を形成し
たものである。その蒸着条件は、成膜チェンバーの圧力
は5×10-5Torrで、基材温度を700℃に加熱した状
態で、10kWのE.Bにより蒸着した。この場合、得
られた柱状組織は3〜6μmの大きさの柱状(一次柱
状)であり、蒸着成膜後、1050℃,4hの大気中加
熱処理により、0.1〜0.5μmの開孔クラックが生
じ、セラミックス被覆層はクラックにより0.5 〜1μ
mの大きさに分割されていた。
For comparison, a TBC shown below was also prepared. Figure 19 is composed of a coupling layer and the ZrO 2 based ceramic coating layer of columnar structure, Al 2 O 3 of about 2μm to the boundary
TBC with layers. This TBC is formed by spraying Co-32% Ni-
Spray 21% Cr-8% Al-0.5% Y alloy
A 0 μm tie layer was formed, after which the surface was polished to a Rmax.10 μm roughness. After that ZrO
The 2 -6% Y 2 O 3 was deposited, is obtained by forming a 150μm coating layer. The deposition conditions are as follows: a pressure of a film forming chamber is 5 × 10 −5 Torr; B deposited. In this case, the obtained columnar structure has a columnar shape (primary columnar shape) having a size of 3 to 6 μm. Cracks are formed, and the ceramic coating layer is 0.5 to 1 μm due to the cracks.
m.

【0097】試験片No.30はこのようにして作製した
TBCであり、試験片No.31,32は図19に示す比
較のTBCにおいて、ZrO2 系セラミックス被覆層の
厚さを変えたものである。
Test piece No. 30 is a TBC manufactured in this way, and test pieces Nos. 31 and 32 were obtained by changing the thickness of the ZrO 2 ceramic coating layer in the comparative TBC shown in FIG. is there.

【0098】以上のようにして作製した本発明及び比較
のTBCのそれぞれについて、高熱負荷条件での使用を
想定した熱負荷試験を図8と同様に実施した。表4はそ
の結果を示す。
A heat load test assuming use under a high heat load condition was carried out for each of the present invention and the comparative TBC manufactured as described above, as in FIG. Table 4 shows the results.

【0099】[0099]

【表4】 [Table 4]

【0100】試験では熱流束をパラメーターとした繰り
返しサイクル試験を行ない、300回の繰り返しで損傷
の無い場合、耐熱性に優れていると判断した(表4で○
で示す)。表4で示したように、本発明のハイブリッド
化柱状セラミックス被覆層を有したTBCでは3.0〜
4.5MW/m2 の過酷な熱負荷環境下でもTBCの損
傷が認められなかった。
In the test, a repetitive cycle test was performed using the heat flux as a parameter, and when there was no damage after 300 repetitions, it was judged that the heat resistance was excellent (in Table 4, ○).
). As shown in Table 4, in the TBC having the hybridized columnar ceramic coating layer of the present invention, 3.0 to 3.0 was obtained.
No TBC damage was observed even under a severe thermal load environment of 4.5 MW / m 2 .

【0101】また、図15〜図18に示した本発明のT
BCにおいても、いずれの場合とも、3MW/m2 の大
きい熱流束条件下でもTBCの損傷は認められず、優れ
た耐熱性を有することが判った。一方、比較のために作
製したTBCでは0.8〜1.0MW/m2 以上の熱流束条
件下で100回以下の繰り返しサイクル数でTBCの損
傷が生じ、その耐熱性は良くないことが判った。
The T of the present invention shown in FIGS.
In any case, even in the case of the BC, the TBC was not damaged even under the condition of a large heat flux of 3 MW / m 2 , indicating that the BC had excellent heat resistance. On the other hand, it was found that the TBC produced for comparison suffered damage of the TBC at a repetition cycle of 100 or less under a heat flux condition of 0.8 to 1.0 MW / m 2 or more, and its heat resistance was not good. .

【0102】以上の本発明のTBCにおいて、柱状組織
のZrO2 系セラミックス被覆層の厚さに特に制約はな
いが、セラミックス被覆層の厚さは遮熱効果と関連して
おり、厚い程遮熱効果が大きくなり、また熱流束が大き
い程遮熱効果も大きくなる。1〜4.5MW/m2という
大きな熱流束条件下ではハイブリッド化セラミックス被
覆層の厚さが約300μmで、90〜200℃の遮熱効
果が得られる。従って、本発明のTBCにおいて、ハイ
ブリッド化柱状組織のZrO2 系セラミックス被覆層の
厚さは最大300μm程度が望ましい。
In the above TBC of the present invention, the thickness of the ZrO 2 -based ceramic coating layer having a columnar structure is not particularly limited, but the thickness of the ceramic coating layer is related to the heat shielding effect. The greater the effect, the greater the heat flux, the greater the thermal barrier effect. Under a large heat flux condition of 1 to 4.5 MW / m 2, the thickness of the hybridized ceramic coating layer is about 300 μm, and a heat shielding effect of 90 to 200 ° C. can be obtained. Therefore, in the TBC of the present invention, the thickness of the ZrO 2 -based ceramic coating layer having a hybridized columnar structure is desirably about 300 μm at the maximum.

【0103】実施例9 耐熱合金としてCo基合金(FSX−414,Co−3
0%Cr−10%Ni−7%W−1%Mn−1%Si−
0.2%C)を用いて実施例8の表3中の試験片No.21
の試験片を同様の方法,条件で作製し、図8に示す熱負
荷試験を実施した。その結果、熱流束が4.5MW/m2
の熱負荷条件でも本発明のTBCは300回の繰り返しサ
イクル試験後も何ら損傷なく健全であり、実施例8中の
従来のTBCに比べ優れた耐熱性を示すことが判った。
Example 9 As a heat-resistant alloy, a Co-based alloy (FSX-414, Co-3
0% Cr-10% Ni-7% W-1% Mn-1% Si-
Test piece No. 21 in Table 3 of Example 8 using 0.2% C).
Were prepared by the same method and under the same conditions, and the heat load test shown in FIG. 8 was performed. As a result, the heat flux is 4.5 MW / m 2
It was found that the TBC of the present invention was sound without any damage even after the 300 repetitive cycle test even under the heat load conditions described above, and exhibited excellent heat resistance as compared with the conventional TBC in Example 8.

【0104】実施例10 耐熱合金としてNi基の一方向凝固材(DS材,Mar
−M247,Ni−16%Cr−1.8%Mo−2.6%
W−3.4%Al−3.4%Ti−1.7%Ta−8.5%
Co−0.1%C)を用いて実施例1の表1中の試験片
No.1の試験片を同様の方法,条件で作製し、図8に示
す熱負荷試験を実施した。その結果、熱流束が4.5M
W/m2の熱負荷条件でも本発明のTBCは300回の
繰り返しサイクル試験後も何ら損傷なく健全であり、実
施例8中の従来のTBCに比べ優れた耐熱性を示すこと
が判った。
Example 10 As a heat-resistant alloy, a Ni-based unidirectionally solidified material (DS material, Mar
-M247, Ni-16% Cr-1.8% Mo-2.6%
W-3.4% Al-3.4% Ti-1.7% Ta-8.5%
(Co-0.1% C), a test piece No. 1 in Table 1 of Example 1 was prepared in the same manner and under the same conditions, and a heat load test shown in FIG. 8 was performed. As a result, the heat flux is 4.5M
Even under a heat load condition of W / m 2 , it was found that the TBC of the present invention was sound without any damage even after 300 repeated cycle tests, and showed excellent heat resistance as compared with the conventional TBC in Example 8.

【0105】実施例11 耐熱合金としてNi基の単結晶材(SC材,CMSX−
4,Ni−6.6%Cr−0.6%Mo−6.4%W−3.
0%Re−5.6%Al−1.0%Ti−6.5%Ta−
9.6%Co)を用いて実施例1と同様の方法,条件で作
製した。なお、この場合、結合層合金としてNi−20
%Cr−8%Al−1%Y合金を用い、セラミックス被
覆層としてZrO2 −8%Y23を用いた。TBCの各
層の厚さは表1中の試験片No.21と同様である。図8
に示す熱負荷試験の結果では、本発明のTBCは4.5
MW/m2の熱流束の熱負荷条件でも300回の繰り返
しサイクル試験後も何ら損傷なく健全であり、実施例8
中の従来のTBCに比べ優れた耐熱性を示すことが判っ
た。
Example 11 A Ni-based single crystal material (SC material, CMSX-
4, Ni-6.6% Cr-0.6% Mo-6.4% W-3.
0% Re-5.6% Al-1.0% Ti-6.5% Ta-
Using 9.6% Co), the same method and conditions as in Example 1 were used. In this case, Ni-20 is used as the bonding layer alloy.
% Using a Cr-8% Al-1% Y alloy was used ZrO 2 -8% Y 2 O 3 as the ceramic coating layer. The thickness of each layer of TBC is the same as that of the test piece No. 21 in Table 1. FIG.
According to the results of the heat load test shown in FIG.
Example 8 Even under a heat load condition of a heat flux of MW / m 2 , it was sound without any damage even after 300 repeated cycle tests.
It was found that the material exhibited excellent heat resistance as compared with the conventional TBC.

【0106】実施例12 図9に示すタービン動翼(材質,SC材,CMSX−
4)の燃焼ガスに曝される部分である翼面及びプラット
フォーム部に本発明のTBCを施した本発明のTBC動
翼を作製した。その方法は実施例1と同様で、結合層と
して先ずNi−20%Cr−8%Al−1%Y合金を1
00μmの厚さ設け、しかる後、一次柱状と二次柱状の
ハイブリッド化柱状組織のZrO2 系セラミックス被覆
層を150μm設けた。その材質はZrO2 −8%Y23
である。その後、加熱処理として1100℃,4hの加
熱を実施し、1ケの二次柱状及び複数の二次柱状で構成
される三次柱状組織の被覆層を形成した。
Embodiment 12 A turbine blade shown in FIG. 9 (material, SC material, CMSX-
The TBC rotor blade of the present invention in which the TBC of the present invention was applied to the blade surface and the platform portion, which is the portion exposed to the combustion gas, of 4) was produced. The method is the same as that of the first embodiment. First, Ni-20% Cr-8% Al-1% Y alloy is used as a bonding layer.
A thickness of 00 μm was provided, and thereafter, a ZrO 2 -based ceramic coating layer having a primary columnar and secondary columnar hybrid columnar structure was provided at 150 μm. The material is ZrO 2 -8% Y 2 O 3
It is. Thereafter, heating was performed at 1100 ° C. for 4 hours as a heat treatment to form a coating layer of a tertiary columnar structure composed of one secondary column and a plurality of secondary columns.

【0107】このようにして作製した本発明のタービン
翼を用いて、図10に示す実機模擬加熱試験で熱負荷試
験を実施した。試験条件は燃焼ガス温度が最大1500
℃で、冷却空気温度が170℃,圧力は8気圧である。
この試験では予め翼前縁部に熱電対を埋め込んだ動翼で
加熱保持状態での翼基材温度を測定し、熱流束を求めた
結果最大3.2MW/m2であった。また、比較の為、実
施例8の表3中の試験片No.30と同様の方法,条件
で、3〜6μm幅の柱状組織のZrO2 系セラミックス
被覆層(150μm)と結合層(100μm)を設けた
動翼も作製した。被覆層の材質はNi−20%Cr−8
%Al−1%YとZrO2 −8%Y23である。
Using the turbine blade of the present invention thus manufactured, a heat load test was carried out by a simulated heating test of an actual machine shown in FIG. The test condition is that the combustion gas temperature is up to 1500
° C, the cooling air temperature is 170 ° C, and the pressure is 8 atm.
In this test, the blade base temperature in a heating and holding state was measured with a moving blade in which a thermocouple was embedded in the leading edge of the blade in advance, and the heat flux was obtained. As a result, the maximum was 3.2 MW / m 2 . For comparison, a ZrO 2 -based ceramic coating layer (150 μm) and a bonding layer (100 μm) having a columnar structure with a width of 3 to 6 μm were prepared under the same method and conditions as the test piece No. 30 in Table 3 of Example 8. A rotor blade provided with was also manufactured. The material of the coating layer is Ni-20% Cr-8
% Is Al-1% Y and ZrO 2 -8% Y 2 O 3 .

【0108】燃焼ガス温度が1000℃の場合(熱流束
0.8MW/m2)、本発明のタービン翼及び比較のター
ビン翼ともいずれも10回の起動,定常保持,停止の繰
り返しサイクルでもTBCに何ら損傷が認められなかっ
た。しかし、燃焼ガス温度が1300℃の場合(熱流束
1.5MW/m2)、10回の繰り返しサイクル後本発明
のタービン翼は健全であったが、比較のタービン翼では
翼前縁部でセラミックス被覆層のはく離損傷を生じてい
た。更に、燃焼ガス温度が1500℃の場合(熱流束
3.2MW/m2)、10回の繰り返し後、本発明のター
ビン翼は全く健全であった。比較のタービン翼では13
00℃加熱に比べ前縁部の損傷範囲が更に大きくなって
いた。
When the temperature of the combustion gas is 1000 ° C. (heat flux: 0.8 MW / m 2 ), both the turbine blades of the present invention and the comparative turbine blades show the TBC even in the cycle of starting, steady holding, and stopping 10 times. No damage was observed. However, when the combustion gas temperature was 1300 ° C. (heat flux: 1.5 MW / m 2 ), the turbine blade of the present invention was sound after 10 repetition cycles. Delamination damage of the coating layer occurred. Furthermore, when the combustion gas temperature was 1500 ° C. (heat flux 3.2 MW / m 2 ), the turbine blade of the present invention was quite sound after 10 repetitions. 13 for the comparative turbine blade
The damage range of the leading edge was larger than that at the time of heating at 00 ° C.

【0109】実施例13 図11に示すタービン動翼(材質,DS材,Mar−M
−247)の燃焼ガスに曝される部分である翼前縁部
(図11中a−aで示す範囲)に本発明のTBCを設け
た本発明のTBC動翼を作製した。その方法は実施例5
と同様で、翼面全面及びプラットフォーム部に結合層と
して先ずNi−30%Co−20%Cr−8%Al−
0.5%Y 合金を50μmの厚さ設け、しかる後、翼前
縁部のみにハイブリッド化柱状組織のZrO2 系セラミ
ックス被覆層を200μm設けた。その他の前縁部以外
の翼面及びプラットフォーム部にはプラズマ溶射法によ
りZrO2−8%Y23を溶射し、200μmの被覆層を形
成した。
Embodiment 13 A turbine blade (material, DS material, Mar-M) shown in FIG.
-247) A TBC rotor blade of the present invention was provided in which the TBC of the present invention was provided at the blade leading edge portion (the range indicated by aa in FIG. 11) which was exposed to the combustion gas. The method is described in Example 5.
In the same manner as above, Ni-30% Co-20% Cr-8% Al-
A 0.5% Y alloy was provided in a thickness of 50 μm, and thereafter, a ZrO 2 -based ceramic coating layer having a hybridized columnar structure was provided in a thickness of 200 μm only on the leading edge of the blade. ZrO 2 -8% Y 2 O 3 was sprayed on the other wing surfaces and platform portions other than the leading edge by a plasma spraying method to form a coating layer of 200 μm.

【0110】この場合、プラズマ形成ガスはAr−10
%H2 の混合ガスで、混合ガスの流量は45リットル/
min 、プラズマ出力は50kWである。原料は10〜4
4μmのZrO2 系セラミックス粉末であり、プラズマ
ジェット中に55g/minの量を投入し、溶射距離75
〜85mmで被覆量を形成した。
In this case, the plasma forming gas is Ar-10
% H 2 mixed gas, the flow rate of the mixed gas is 45 liter /
min, the plasma power is 50 kW. Raw material is 10-4
4 μm ZrO 2 ceramic powder, 55 g / min is injected into the plasma jet and the spraying distance is 75
Coverage was formed at ~ 85 mm.

【0111】なお全面にセラミックス被覆層を設けた
後、実施例12と同様の加熱処理を行なった。このよう
にして作製した本発明のTBC動翼を用いて実施例12
と同様の実機模擬加熱試験を行なった結果、燃焼ガス温
度が1500℃の場合(熱流束3.2MW/m2)、本発
明のTBC動翼ではセラミックス被覆層のはく離等の損
傷は無く健全であった。
After the ceramic coating layer was provided on the entire surface, the same heat treatment as in Example 12 was performed. Example 12 Using the TBC Blade of the Present Invention Produced in this Way,
When the combustion gas temperature was 1500 ° C. (heat flux of 3.2 MW / m 2 ), the TBC rotor blade of the present invention was sound without damage such as peeling of the ceramic coating layer. there were.

【0112】実施例14 図13に示すタービン静翼(材質:Ni基耐熱合金IN
−939,Ni−23%Cr−2%W−2%Al−3.
7%Ti−1.4%Ta−19%Co−0.15%C)の
燃焼ガスに曝される部分である翼前縁部(図13中a−
aで示す範囲)に本発明のTBCを設けたTBC静翼を
作製した。その方法は実施例5と同様で翼全面及び上下
のガスバス部に結合層として先ずNi−25%Cr−1
0%Al−1.2 %Y合金を50μmの厚さを設け、し
かる後、翼前縁部にのみ実施例5と同様にして150μ
m厚さのハイブリッド化柱状組織のセラミックス被覆層
を設けた。しかる後、本発明のTBC静翼ではセラミッ
クス被覆層を設けた前縁部及びフィルム冷却孔の部分に
SUS製のマスキング治具を装着し、翼腹側,翼背側及
びプラットフォーム部にプラズマ溶射法によりZrO2
系セラミックス被覆層を180μm形成した。
Embodiment 14 A turbine vane shown in FIG. 13 (material: Ni-base heat-resistant alloy IN)
-939, Ni-23% Cr-2% W-2% Al-3.
The leading edge of the blade, which is a portion exposed to a combustion gas of 7% Ti-1.4% Ta-19% Co-0.15% C) (a-
A TBC stationary blade provided with the TBC of the present invention in the range indicated by a) was manufactured. The method is the same as that of the fifth embodiment. First, Ni-25% Cr-1 is used as a bonding layer on the entire surface of the blade and the upper and lower gas baths.
0% Al-1.2% Y alloy is provided in a thickness of 50 μm, and then only 150 μm is formed on the leading edge of the blade in the same manner as in Example 5.
A m-thick hybridized columnar structure ceramic coating layer was provided. Thereafter, in the TBC vane of the present invention, a SUS masking jig is attached to the leading edge portion provided with the ceramic coating layer and the portion of the film cooling hole, and the plasma spraying method is applied to the blade ventral side, the blade back side and the platform part. ZrO 2
A 180-μm thick ceramic coating layer was formed.

【0113】この場合、プラズマ形成ガスはAr−10
%H2 の混合ガスで、混合ガスの流量は45リットル/
min 、プラズマ出力は50kWである。原料は10〜4
4μmのZrO2 系セラミックス粉末であり、プラズマ
ジェット中に55g/minの量を投入し、溶射距離75
〜85mmで被覆層を形成した。このようにして、翼前縁
部,翼腹側,翼背側及びプラットフォーム部にTBCを
設けた後、実施例12と同様の加熱処理を行なった。な
お、本発明のTBC動翼でのセラミックス被覆材はZr
2 −8%Y23である。本発明のTBC静翼を用い
て、実施例12と同様の実機模擬加熱試験を行なった結
果、燃焼ガス温度が1500℃の場合(熱流束3.2M
W/m2)、本発明のTBC静翼ではセラミックス被覆
層のはく離等の損傷がなく健全であった。
In this case, the plasma forming gas is Ar-10
% H 2 mixed gas, the flow rate of the mixed gas is 45 liter /
min, the plasma power is 50 kW. Raw material is 10-4
4 μm ZrO 2 ceramic powder, 55 g / min is injected into the plasma jet and the spraying distance is 75
A coating layer was formed at 8585 mm. After the TBCs were provided on the blade leading edge, the blade ventral side, the blade back side, and the platform in this way, the same heat treatment as in Example 12 was performed. The ceramic coating material of the TBC blade of the present invention is Zr.
O 2 -8% Y 2 O 3 . Using the TBC vane of the present invention, a simulated actual heating test was performed in the same manner as in Example 12, and as a result, when the combustion gas temperature was 1500 ° C. (heat flux 3.2 M
W / m 2 ), the TBC vane of the present invention was sound without damage such as peeling of the ceramic coating layer.

【0114】実施例15 図20は実施例8の方法によって耐熱被覆層を形成した
ガスタービン動翼及び静翼を有するガスタービンの回転
部分の断面図である。図21は具体的な動翼の構造及び
図22は静翼の構造を示すものである。動翼は実施例8
及び静翼は実施例14に記載の合金を用いた。
Embodiment 15 FIG. 20 is a sectional view of a rotating portion of a gas turbine having gas turbine blades and stationary blades on which a heat-resistant coating layer is formed by the method of Embodiment 8. FIG. 21 shows a specific structure of a moving blade, and FIG. 22 shows a structure of a stationary blade. Example 8 of the rotor blade
The alloy described in Example 14 was used as the stationary blade.

【0115】図21の動翼はディスクへの植込みに対応
するダブティル40,翼部51,シャンク59,プラッ
トフォーム55,シールフィン54を有し、53はトレ
ーリング部、57は凹部を示すものである。
The rotor blade shown in FIG. 21 has a dovetail 40, a wing portion 51, a shank 59, a platform 55, and a seal fin 54 corresponding to implantation into a disk, 53 indicates a trailing portion, and 57 indicates a recess. .

【0116】静翼は翼部52,サイドウォールの内周側
56及び外周側58を有する。ガスタービン用ノズル及
びブレードは図に示す形状のワックス模型をメチルエチ
ルケトンにアクリル樹脂を溶解した液に浸漬し、通風乾
燥した後、スラリー(ジルコンフラワー+コロイダルシ
リカ+アルコール)に浸漬してスタック(初層ジルコン
サンド,2層以降シャモットサンド)を吹き付け、これ
を何回か繰返して鋳型を形成した。鋳型は脱ろうした後
に900℃で焼成した。次に、この鋳型を真空炉に設け
るとともに、真空溶解によって合金を溶解し、真空中で
鋳型に鋳込んだ。このノズルはサイドウォール間の翼部
の幅が約74mm、長さ110mm、最も厚い部分で25m
m、肉厚が3〜4mmでシールフィン冷却孔59,先端で
約0.7mmの空気通路のスリット60が設けられている
鋳物である。
The stationary blade has a wing portion 52, an inner peripheral side 56 and an outer peripheral side 58 of the sidewall. Gas turbine nozzles and blades are immersed in a solution of acrylic resin in methyl ethyl ketone, immersed in a wax model of the shape shown in the figure, air-dried, and immersed in slurry (zircon flower + colloidal silica + alcohol) to form a stack (first layer). Zircon sand, two or more layers of chamotte sand) were sprayed, and this was repeated several times to form a mold. The mold was fired at 900 ° C. after dewaxing. Next, the mold was provided in a vacuum furnace, the alloy was melted by vacuum melting, and cast into a mold in a vacuum. This nozzle has a wing part width between sidewalls of about 74 mm, length 110 mm, and 25 m at the thickest part.
It is a casting having a thickness of 3 to 4 mm, a seal fin cooling hole 59, and a slit 60 for an air passage of about 0.7 mm at the end.

【0117】ブレードは翼部長さ100mm、プラットフ
ォーム以降の長さを120mmのものとした。本実施例に
おけるブレードは内部から冷却できるように冷却媒体、
特に空気又は水蒸気が通るように冷却孔がダブティル部
から翼部を通して設けられている。また、トレーリング
エッジ部では冷媒の排出口がスリット状に設けられてい
る。
The blade had a wing length of 100 mm and a length after the platform of 120 mm. The blade in this embodiment is a cooling medium so that it can be cooled from the inside,
In particular, cooling holes are provided from the dovetail portion through the wing portion so that air or water vapor can pass. In the trailing edge portion, the outlet of the refrigerant is provided in a slit shape.

【0118】静翼は翼部にピンフィン冷却,インピジメ
ント冷却及びフィルム冷却用の穴が設けられている。先
端のスリット部の肉厚は約1mmである。ノズルは溶体化
処理を時効処理が非酸化性雰囲気中で行なわれる。
The stationary blade is provided with holes for pin fin cooling, impingement cooling, and film cooling on the blade portion. The thickness of the slit at the tip is about 1 mm. In the nozzle, solution treatment is performed by aging treatment in a non-oxidizing atmosphere.

【0119】本実施例のブレード,ノズルは1段に最も
適しているが、2段目,3段目にも設けることができ、
特にノズルでは2段及び3段目にはCo基合金からなる
一つの翼部からなるノズルが設けられる。1段ノズルは
両端が拘束されるが、2段,3段目は片側拘束である。
2段目,3段目は1段のものより翼部幅が大きくなる。
The blades and nozzles of this embodiment are most suitable for the first stage, but can also be provided for the second and third stages.
Particularly, in the second and third stages of the nozzle, a nozzle having one wing portion made of a Co-based alloy is provided. The first-stage nozzle is constrained at both ends, while the second and third stages are single-sided.
The second and third stages have a larger wing width than the first stage.

【0120】インピジメント冷却孔を有するSUS304ステ
ンレス管は本体に全周にわたってTIG溶接され、その
部分より冷却空気が流入され、溶接部からの空気もれの
ないようにする。燃焼ガス出口側の内側にも冷却空気が
出る穴が設けられている。1段ノズルはサイドウォール
両端で拘束される構造を有するが、2段目以降はサイド
ウォール外周側の片側で拘束される構造を有する。
The SUS304 stainless steel tube having an impingement cooling hole is TIG-welded to the main body over the entire circumference, and cooling air flows in from that portion to prevent air leakage from the welded portion. A hole through which the cooling air exits is also provided inside the combustion gas outlet side. The first-stage nozzle has a structure that is constrained at both ends of the sidewall, but the second and subsequent stages have a structure that is constrained on one side on the outer peripheral side of the sidewall.

【0121】本実施例におけるNi基合金からなるノズ
ルはγ相マトリックスにγ′相が析出している。
In the nozzle made of the Ni-based alloy in this embodiment, the γ ′ phase is precipitated in the γ phase matrix.

【0122】30はタービンスタブシャフト、33はタ
ービン動翼、43はタービンスタッキングボルト、38
はタービンスペーサ、49はディスタントピース、40
はノズル、36はコンプレッサディスク、37はコンプ
レッサブレード、38はコンプレッサスタッキングボル
ト、39はコンプレッサスタブシャフト、34はタービ
ンディスク、41は穴である。本発明はガスタービンは
コンプレッサディスク36が17段あり、又タービン動
翼33が3段のものである。タービン動翼33は4段の
場合もあり、いずれにも本発明が適用できる。
30 is a turbine stub shaft, 33 is a turbine rotor blade, 43 is a turbine stacking bolt, 38
Is a turbine spacer, 49 is a distant piece, 40
Is a nozzle, 36 is a compressor disk, 37 is a compressor blade, 38 is a compressor stacking bolt, 39 is a compressor stub shaft, 34 is a turbine disk, and 41 is a hole. In the present invention, the gas turbine has 17 stages of compressor disks 36 and 3 stages of turbine blades 33. The turbine blade 33 may have four stages, and the present invention can be applied to any of the stages.

【0123】本実施例におけるガスタービンは、主な形
式がヘビーテューティ形,一軸形,水平分割ケーシン
グ,スタッキング式ロータからなり、圧縮機が17段軸
流形,タービンが3段インパルス形,1,2段空気冷却
による静動翼,燃焼器がバースフロー形,16缶,スロ
ットクール方式を有するものである。
The gas turbine of the present embodiment is mainly composed of a heavy-tuty type, a single-shaft type, a horizontally split casing, and a stacking type rotor. The compressor is a 17-stage axial flow type, the turbine is a 3-stage impulse type, and , A two-stage air-cooled stationary blade and a combustor having a berth flow type, 16 cans, and a slot cool system.

【0124】ディスタントピース39,タービンディス
ク34,スペーサ38,コンプレッサスタッキングボル
ト35を重量で、C0.06〜0.15%,Si1%以
下,Mn1.5% 以下,Cr9.5〜12.5%,Ni
1.5〜2.5%,Mo1.5 〜3.0% ,V0.1〜0.
3%,Nb0.03〜0.15%,N0.04〜0.15
%,残部Feからなる全焼戻しマルテンサイト鋼が用い
られる。本実施例における特性として、引張強さが90
〜120kg/mm2,0.2%耐力70〜90kg/mm2,伸び
率10〜25%,絞り率50〜70%,Vノッチ衝撃値
5〜9.5kg−m/cm2,450℃105hクリープ破断
強度45〜55kg/mm2であった。
The distant piece 39, the turbine disk 34, the spacer 38, and the compressor stacking bolt 35 are expressed by weight in the range of C 0.06 to 0.15%, Si 1% or less, Mn 1.5% or less, Cr 9.5 to 12.5%. , Ni
1.5-2.5%, Mo 1.5-3.0%, V0.1-0.1.
3%, Nb 0.03 to 0.15%, N 0.04 to 0.15
%, The whole tempered martensitic steel consisting of the balance Fe is used. As a characteristic in this embodiment, the tensile strength is 90%.
120120 kg / mm 2 , 0.2% proof stress 70-90 kg / mm 2 , elongation 10-25%, draw ratio 50-70%, V notch impact value 5-9.5 kg-m / cm 2 , 450 ° C. 10 The 5 h creep rupture strength was 45 to 55 kg / mm 2 .

【0125】タービン動翼33は3段有し、初段に実施
例8で製造したものを用い、圧縮機の圧縮圧を14.7
,温度400℃,初段動翼入口温度を1,300℃ ,
燃焼器による燃焼ガス温度を1450℃級とした。ま
た、タービン動翼33の2段目には同じ合金組成からな
る翼長280mm(翼部160mm,プラットフォーム部以
降長さ120mm)及び、第3段目を同じく同等の合金組
成を用い、翼長350mm(翼部230mm,他120mm)
の中実翼を製造した。製法は従来のロストワックス法に
よる精密鋳造法によった。
The turbine blade 33 has three stages, the first stage being the one manufactured in Example 8 and having a compressor pressure of 14.7.
, Temperature 400 ℃, first stage rotor blade inlet temperature 1,300 ℃,
The temperature of the combustion gas from the combustor was set at 1450 ° C. The second stage of the turbine rotor blade 33 has a blade length of 280 mm (wing portion: 160 mm, length after the platform portion: 120 mm) made of the same alloy composition, and the third stage has the same alloy composition, and has a blade length of 350 mm. (Wing part 230mm, other 120mm)
Manufactured solid wings. The manufacturing method was a precision casting method using a conventional lost wax method.

【0126】タービンノズルの初段には前述のNi基合
金及び2,3段に既知のCo基合金が用いられ、初段か
ら3段までを真空精密鋳造によって翼部1ケからなるも
のを形成されたものを用いる。翼部の長さは動翼の長さ
に相当する長さを有し、ピンフィン冷却,インピンジメ
ント冷却及びフィルム冷却構造を有する。1段ノズルは
サイドウォール両側で拘束されるが、2段目及び3段目
はサイドウォール外周側の片側で拘束される。ガスター
ビンにはインタークーラーが設けられる。
The above-described Ni-based alloy was used in the first stage of the turbine nozzle and a known Co-based alloy was used in the second and third stages. Use something. The wing has a length corresponding to the length of the moving blade, and has a pin fin cooling, impingement cooling and film cooling structure. The first stage nozzle is constrained on both sides of the sidewall, while the second and third stages are constrained on one side on the outer peripheral side of the sidewall. The gas turbine is provided with an intercooler.

【0127】本実施例によって得られる発電出力は50
MWが得られ、その熱効率は33%以上の高いものが得
られる。
The power output obtained by this embodiment is 50
MW is obtained, and the thermal efficiency is as high as 33% or more.

【0128】図23は実施例15のガスタービンを用
い、蒸気タービンと併用した一軸型コンバインドサイク
ル発電システムを示す概略図である。
FIG. 23 is a schematic diagram showing a single-shaft combined cycle power generation system using the gas turbine of the fifteenth embodiment together with a steam turbine.

【0129】ガスタービンを利用して発電を行なう場
合、近年では液化天然ガス(LNG)を燃料としてガス
タービンを駆動するとともにガスタービンの排ガスエネ
ルギーを回収して得た水蒸気で蒸気タービンを駆動し、
この蒸気タービンをガスタービンとで発電機を駆動する
ようにした、いわゆる複合発電方式を採用する傾向にあ
る。この複合発電方式において以下のシステム構成によ
って従来の蒸気タービン単独の場合の熱効率40%に比
べ約45%以上の高熱効率が可能となる。このような複
合発電プラントにおいて、最近ではさらに、液化天然ガ
ス(LNG)専焼から液化石油ガス(LPG)との両用
を図ったり、LNG,LPGの混焼の実現によって、プ
ラント運用の円滑化,経済性の向上を図ろうとするもの
である。
In the case of power generation using a gas turbine, in recent years, a gas turbine is driven by using liquefied natural gas (LNG) as a fuel, and a steam turbine is driven by steam obtained by recovering exhaust gas energy of the gas turbine.
There is a tendency to employ a so-called combined power generation system in which a generator is driven by the steam turbine and a gas turbine. In this combined power generation system, the following system configuration enables high thermal efficiency of about 45% or more as compared with the thermal efficiency of 40% in the case of the conventional steam turbine alone. In such a combined cycle power plant, recently, it has been further promoted to use both liquefied natural gas (LNG) and liquefied petroleum gas (LPG), and to realize co-firing of LNG and LPG, thereby facilitating plant operation and economy. The goal is to improve

【0130】まず空気は吸気フィルタと吸気サイレンを
通ってガスタービンの空気圧縮機に入り空気圧縮機は、
空気を圧縮し圧縮空気を低NOx燃焼器へ送る。そし
て、燃焼器では、この圧縮空気の中に燃料が噴射され燃
焼して1400℃以上の高温ガスを作りこの高温ガス
は、タービンで仕事をし動力が発生する。
First, air enters the gas turbine air compressor through the intake filter and the intake siren.
Compress air and send compressed air to low NOx combustor. In the combustor, fuel is injected into the compressed air and burned to produce a high-temperature gas of 1400 ° C. or higher, and the high-temperature gas works in a turbine to generate power.

【0131】タービンから排出された530℃以上の排
気は、排気消音装置を通って排熱回収ボイラへ送られ、
ガスタービン排気中の熱エネルギーを回収して530℃
以上の高圧水蒸気を発生する。このボイラには乾式アン
モニア接触還元による脱硝装置が設けられている。排ガ
スは3脚集合型の数百mもある煙突から外部に排出され
る。発生した高圧および低圧の蒸気は高低圧一体ロータ
からなる蒸気タービンに送られる。
Exhaust gas of 530 ° C. or higher discharged from the turbine is sent to an exhaust heat recovery boiler through an exhaust silencer,
530 ° C by recovering thermal energy in gas turbine exhaust
The above high-pressure steam is generated. This boiler is provided with a denitration device by dry ammonia catalytic reduction. Exhaust gas is discharged outside from a three-legged chimney with a length of several hundred meters. The generated high-pressure and low-pressure steam is sent to a steam turbine comprising a high-low pressure integrated rotor.

【0132】また、蒸気タービンを出た蒸気は、復水器
に流入し、真空脱気されて復水になり、復水は、復水ポ
ンプで昇圧され給水となってボイラへ送られる。そし
て、ガスタービンと蒸気タービンは夫々、発電機をその
両軸端から駆動して、発電が行なわれる。このような複
合発電に用いられるガスタービン翼の冷却には、冷却媒
体として空気の他に蒸気タービンで利用される蒸気を用
いることもある。一般には翼の冷却媒体としては空気が
用いられているが、蒸気は空気と比較して比熱が格段に
大きく、また重量が軽いため冷却効果は大きい。
The steam that has exited the steam turbine flows into the condenser, is degassed in a vacuum, and becomes condensed water. The condensed water is pressurized by a condensate pump and supplied as water to the boiler. Then, the gas turbine and the steam turbine each drive a generator from both shaft ends to generate power. For cooling the gas turbine blades used in such combined power generation, steam used in a steam turbine may be used as a cooling medium in addition to air. Generally, air is used as a cooling medium for the blades. However, steam has a much higher specific heat than air, and has a large cooling effect because of its light weight.

【0133】このコンバインド発電システムによりガス
タービンが5万kW,蒸気タービンにより3万kWのト
ータルで8万kWの発電を得ることができ、本実施例に
おける蒸気タービンはコンパクトとなるので、大型蒸気
タービンに比べ同じ発電容量に対し経済的に製造可能と
なり、発電量の変動に対して経済的に運転できる大きな
メリットが得られる。
With this combined power generation system, a total of 80,000 kW of power can be obtained from a gas turbine of 50,000 kW and a steam turbine of 30,000 kW. The steam turbine in this embodiment is compact, and It is possible to manufacture economically with the same power generation capacity as compared with the above, and there is obtained a great merit that it can be operated economically with respect to fluctuations in the amount of power generation.

【0134】本発明に係る蒸気タービンには高低圧一体
型蒸気タービンとし、この高低圧一体型蒸気タービンの
主蒸気入口部の蒸気圧力100atg ,温度538℃で上
昇させることによりタービンの単機出力の増大を図るこ
とができる。単機出力の増加は、最終段動翼の翼長を3
0インチ以上に増大し、蒸気流量を増す必要がある。本
発明に係る蒸気タービンは高低圧一体型ロータシャフト
に植設されたブレードが13段以上備えており、蒸気は
蒸気コントロールバルブを通って蒸気入口より前述の如
く538℃,88atg の高温高圧で流入する。蒸気は入
口より一方向に流れ、蒸気温度33℃,722mmHgと
なって最終段のブレードの出口より排出される。本発明
に係る高低圧一体型ロータシャフトはNi−Cr−Mo
−V低合金鋼の鍛鋼が用いられる。ロータシャフトのブ
レードの植込み部はディスク状になっており、ロータシ
ャフトより一体に切削されて製造される。ディスク部の
長さはブレードの長さが短いほど長くなり、振動を少な
くするようになっている。
The steam turbine according to the present invention is a high-low pressure integrated steam turbine, and the single-unit output of the turbine is increased by increasing the steam pressure at the main steam inlet of the high-low pressure integrated steam turbine at 100 atg and at a temperature of 538 ° C. Can be achieved. Increasing the output of a single unit increases the blade length of the last stage rotor blade by three.
It needs to be increased to 0 inches or more, and the steam flow rate needs to be increased. The steam turbine according to the present invention has 13 or more stages of blades implanted on a high-low pressure integrated rotor shaft, and steam flows through the steam control valve at a high temperature and high pressure of 538 ° C. and 88 atg from the steam inlet as described above. I do. The steam flows in one direction from the inlet, reaches a steam temperature of 33 ° C. and 722 mmHg, and is discharged from the outlet of the blade at the final stage. The high-low pressure integrated rotor shaft according to the present invention is Ni-Cr-Mo.
Forged steel of -V low alloy steel is used. The implanted portion of the blade of the rotor shaft has a disk shape, and is manufactured by being integrally cut from the rotor shaft. The length of the disk portion increases as the length of the blade decreases, so that vibration is reduced.

【0135】本実施例に係る高低圧一体型ロータシャフ
トはC0.18〜0.30%,Si0.1%以下,Mn0.
3%以下,Ni1.0〜2.0%,Cr1.0〜1.7%,
Mo1.0〜2.0%,V0.20〜0.3%,残部Feより
なり、900〜1050℃で水噴霧冷却によって焼入れ
後、650〜680℃で焼戻しが施される。
The high / low pressure integrated rotor shaft according to this embodiment has a C of 0.18 to 0.30%, a Si of 0.1% or less, and a Mn of 0.1%.
3% or less, Ni 1.0 to 2.0%, Cr 1.0 to 1.7%,
Mo is 1.0 to 2.0%, V is 0.20 to 0.3%, and the balance is Fe. After quenching at 900 to 1050 ° C by water spray cooling, it is tempered at 650 to 680 ° C.

【0136】プラントの構成は、ガスタービン,排熱回
収ボイラ,蒸気タービン,発電機各1基からなる1組の
発電システムを6組組み合わせた1軸型に配列するもの
のほか、ガスタービン1基に対し発電機1基組み合わ
せ、これらを6組組み合わせた後の排ガスによって蒸気
を得、1台の蒸気タービンと1台の発電機とする多軸型
とすることができる。
The plant has a single-shaft type in which six sets of a power generation system including a gas turbine, an exhaust heat recovery boiler, a steam turbine, and a generator are combined. On the other hand, steam can be obtained by exhaust gas after combining one generator and combining these six sets, so that a multi-shaft type having one steam turbine and one generator can be obtained.

【0137】複合発電は、起動停止が短時間で容易なガ
スタービンと小型で単純な蒸気タービンの組み合わせで
成立っており、このため、出力調整が容易に出来、需要
の変化に即応した中間負荷火力として最適である。
The combined power generation is realized by a combination of a gas turbine that can be easily started and stopped in a short time and a small and simple steam turbine. Therefore, the output can be easily adjusted, and the intermediate load that can respond to a change in demand can be easily adjusted. Ideal for thermal power.

【0138】ガスタービンの信頼性は、最近の技術の発
展により飛躍的に増大しており、また、複合発電プラン
トは、小容量機の組み合わせでシステムを構成している
ので、万一故障が発生してもその影響を局部にとどめる
ことが出来、信頼性の高い電源である。
[0138] The reliability of gas turbines has been dramatically increased due to the recent development of technology. In addition, in the case of a combined cycle power plant, since a system is composed of a combination of small-capacity machines, a failure should occur. Even so, the effects can be localized, and the power supply is highly reliable.

【0139】[0139]

【発明の効果】本発明のセラミックス被覆層において
は、熱応力緩和作用を有した柱状組織セラミックス層と
熱応力による破壊の起点となるクラックを有さない緻密
な組織のセラミッスク層との二層構造体であるがゆえ
に、セラミックス被覆層内に大きな温度勾配が生じる場
合、すなわち熱流束が大きい熱条件下、例えばタービン
部品では燃焼ガス温度が高い場合の高性能冷却翼等に用
いた結果、その優れた耐久性によってセラミックス被覆
層のはく離等の損傷が生じ難く、セラミックス被覆層の
本来の目的である遮熱効果を十分維持することができ、
部品を構成する基材メタル温度の低減により部品の信頼
性が向上し、その寿命を長くすることが可能になる。ま
た、遮熱効果が安定して得られるため、ガスタービン翼
では翼冷却用の空気量を少くすることができ、タービン
の発電効率を高くすることが可能になる。
The ceramic coating layer according to the present invention has a two-layer structure consisting of a columnar ceramic layer having a thermal stress relieving action and a ceramic layer having a crack-free dense structure which is a starting point of fracture due to thermal stress. In the case where a large temperature gradient is generated in the ceramic coating layer because of its body, that is, as a result of being used for high-performance cooling blades or the like where the heat flux is high under thermal conditions, for example, when the combustion gas temperature is high in turbine parts, its excellent performance is obtained. The durability of the ceramic coating layer makes it difficult for damage such as peeling to occur due to the durability, and it is possible to sufficiently maintain the heat shielding effect, which is the original purpose of the ceramic coating layer,
By reducing the temperature of the base metal constituting the component, the reliability of the component is improved, and the life of the component can be extended. Further, since the heat shielding effect can be stably obtained, the amount of air for cooling the blades of the gas turbine blade can be reduced, and the power generation efficiency of the turbine can be increased.

【0140】更に、本発明のハイブリッド化セラミック
ス被覆層においては、一次から三次までのそれぞれの大
きさの異なる柱状組織のセラミックスで構成されたもの
であるがゆえ、熱遮へいコーティングとして用いた場
合、セラミックス被覆層と基材との熱膨張差によって生
じる熱応力を緩和する能力が大きく、セラミックス被覆
層内に大きな温度勾配が生じる場合、すなわち熱流束が
大きい熱件条下、例えばタービン部品では燃焼ガス温度
が高い動・静翼等に用いた結果、その優れた耐久性によ
ってセラミックス被覆層のはく離等の損傷が生じ難く、
セラミックス被覆層の本来の目的である遮蔽効果を十分
維持することができ、部品を構成する基材メタル温度の
低減により部品の信頼性が向上し、その寿命を長くする
ことが可能になる。また、遮熱効果が安定して得られる
ため、ガスタービン翼では翼冷却用の空気量を少なくす
ることができ、タービンの発電効率を高くすることがで
きる。
Furthermore, since the hybridized ceramic coating layer of the present invention is composed of ceramics having columnar structures of different sizes from primary to tertiary, when used as a thermal shielding coating, The ability to relieve thermal stress caused by the difference in thermal expansion between the coating layer and the base material is large, and a large temperature gradient occurs in the ceramic coating layer, that is, under heat conditions where the heat flux is large, for example, the combustion gas temperature in turbine parts As a result, the ceramic coating layer is not easily damaged due to its excellent durability.
The shielding effect, which is the original purpose of the ceramic coating layer, can be sufficiently maintained, and the reliability of the component is improved by lowering the temperature of the base metal constituting the component, and the life of the component can be extended. Further, since the heat shielding effect can be stably obtained, the amount of air for cooling the gas turbine blades can be reduced, and the power generation efficiency of the turbine can be increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 1 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図2】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 2 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図3】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 3 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図4】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 4 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図5】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 5 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図6】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 6 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図7】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 7 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図8】高熱負荷加熱試験装置の構造図。FIG. 8 is a structural view of a high heat load heating test apparatus.

【図9】セラミックス被覆タービン動翼の斜視図。FIG. 9 is a perspective view of a ceramic-coated turbine blade.

【図10】実機模擬加熱試験装置の構造図。FIG. 10 is a structural view of an actual machine simulated heating test apparatus.

【図11】セラミックス被覆タービン動翼の断面図。FIG. 11 is a sectional view of a ceramic-coated turbine blade.

【図12】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 12 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図13】セラミックス被覆タービン静翼の断面図。FIG. 13 is a sectional view of a ceramic-coated turbine vane.

【図14】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 14 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図15】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 15 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図16】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 16 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図17】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 17 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図18】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 18 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図19】セラミックス被覆層の断面模式図。FIG. 19 is a schematic sectional view of a ceramic coating layer.

【図20】本実施例に係るガスタービンの全体構成図。FIG. 20 is an overall configuration diagram of a gas turbine according to the present embodiment.

【図21】本実施例に係るガスタービン動翼の斜視図。FIG. 21 is a perspective view of a gas turbine bucket according to the embodiment.

【図22】本実施例に係るガスタービン静翼の斜視図。FIG. 22 is a perspective view of a gas turbine stationary blade according to the embodiment.

【図23】本実施例に係る複合発電プラントの全体シス
テム図である。
FIG. 23 is an overall system diagram of the combined cycle power plant according to the present embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…クラック、2…柱状組織ZrO2 系セラミックス
層、3…緻密な組織ZrO2系セラミックス層、4…Al2
3層、5…メタル層、6…基材、7…セラミックスと
メタルの混合層、8…メタルからセラミックスへ組成が
変化する層、11…高周波コイル、12…高周波電源、
13…ガス源、14…反応容器、15…高周波誘導熱プ
ラズマ、16…試験片、17…水冷試験片ホルダー、1
8…開閉シャッター、21…燃焼ノズル、22…燃焼
筒、23…試験翼、24…翼保持台、25…排熱ダク
ト、26…燃焼炎、31…一次柱状組織、32…二次柱
状組織、33…三次柱状組織、34…ハイブリッド化柱
状セラミックス層、35…ミクロクラック、36…Al
23層、37…メタル層、38…基材、39…メタルと
セラミックスの混合層、40…メタルからセラミックス
へ組成が変化する層、41…柱状セラミックス層、43
…タービンスタッキングボルト、49…ディスタントピ
ース、50…タブティル、51,52…翼部、53…ト
レーリングエッヂ、54…シールフィン、55…プラッ
トフォーム、56,58…サイドウォール、59…シャ
ンク、130…タービンスタブシャフト、133…動
翼、134…タービンディスク、135…コンプレッサ
スタッキングボルト、136…コンプレッサディスク、
137…コンプレッサブレード、138…スペーサ、1
40…静翼。
1 ... crack, 2 ... columnar texture ZrO 2 based ceramic layer, 3 ... dense tissue ZrO 2 based ceramic layer, 4 ... Al 2
O 3 layer, 5: metal layer, 6: base material, 7: mixed layer of ceramic and metal, 8: layer whose composition changes from metal to ceramic, 11: high frequency coil, 12: high frequency power supply,
13 gas source, 14 reaction vessel, 15 high-frequency induction thermal plasma, 16 test piece, 17 water-cooled test piece holder, 1
8 Opening / closing shutter, 21 Combustion nozzle, 22 Combustion cylinder, 23 Test blade, 24 Blade holding stand, 25 Heat exhaust duct, 26 Combustion flame, 31 Primary columnar structure, 32 Secondary columnar structure, 33: Tertiary columnar structure, 34: Hybridized columnar ceramic layer, 35: Micro crack, 36: Al
2 O 3 layer, 37: metal layer, 38: base material, 39: mixed layer of metal and ceramic, 40: layer whose composition changes from metal to ceramic, 41: columnar ceramic layer, 43
... Turbine stacking bolt, 49 ... Distant piece, 50 ... Tab till, 51, 52 ... Wing, 53 ... Trailing edge, 54 ... Seal fin, 55 ... Platform, 56, 58 ... Side wall, 59 ... Shank, 130 ... Turbine stub shaft, 133 ... rotor blade, 134 ... turbine disk, 135 ... compressor stacking bolt, 136 ... compressor disk,
137: compressor blade, 138: spacer, 1
40 ... Static wing.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 目幡 輝 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 笹田 哲男 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 鳥谷 初 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 28/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Akira Mehata 4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Within Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Tetsuo Sasada 3-1-1 Sachimachi, Hitachi City, Ibaraki Stock Hitachi, Ltd. Hitachi Factory (72) Inventor Hajime Toriya 3-1-1, Sachimachi, Hitachi, Ibaraki Pref. Hitachi, Ltd. Hitachi Factory (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C23C 28 / 00

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】Ni又はCoを主成分とする耐熱合金基材
の表面に耐熱被覆層を設けた耐熱部材において、該耐熱
被覆層の構成が前記基材の上に、前記基材に比べ高温耐
食耐酸化性に優れた合金からなるメタル層を設け、その
上に順次、Al23系セラミックス薄膜層,緻密な粒状
組織からなるZrO2 系セラミックス被覆層及び柱状組
織のZrO2 系セラミックス被覆層を設け、かつ、前記
柱状組織のZrO2 系セラミックス層内膜厚方向にク
ラックが生じていることを特徴とするセラミックス被覆
耐熱部材。
1. A heat-resistant member having a heat-resistant coating layer provided on the surface of a heat-resistant alloy base material containing Ni or Co as a main component, wherein the structure of the heat-resistant coating layer is higher than that of the base material. a metal layer made of corrosion oxidation resistance superior alloy provided sequentially thereon, Al 2 O 3 ceramic thin film layer, dense ZrO 2 based ceramic coating layer made of granular tissue and ZrO 2 based ceramic coating of columnar texture A ceramic-coated heat-resistant member provided with a layer and having cracks in a thickness direction in the ZrO 2 -based ceramic layer having the columnar structure.
【請求項2】Ni又はCoを主成分とする耐熱合金基材
の表面に耐熱被覆層を設けた耐熱部材の製造法におい
て、該基材の表面に前記基材に比べ高温耐食耐酸化性に
優れた合金からなるメタル層をプラズマ溶射で形成する
工程と、その上に順次、Al 2 O 3 系セラミックス薄膜層を
形成する工程と、緻密な組織のZrO 2 系セラミックス
層を電子ビーム蒸着法で形成する工程と、柱状組織Zr
2 系セラミックス層を電子ビーム蒸着とイオンビーム
照射とを同時に行なう方法で形成する工程とを行なった
後、加熱により柱状組織ZrO 2 系セラミックス層の膜
厚方向にクラックを形成することを特徴とするセラミッ
クス被覆耐熱部材の製造法
2. A heat-resistant alloy base material containing Ni or Co as a main component.
Of heat-resistant members with heat-resistant coating layer on the surface
Therefore, the surface of the substrate has a higher temperature corrosion resistance and oxidation resistance than the substrate.
Forming a metal layer made of an excellent alloy by plasma spraying
Process, and an Al 2 O 3 ceramic thin film layer
Forming process and ZrO 2 ceramics with dense structure
Forming a layer by an electron beam evaporation method; and a columnar structure Zr.
Electron beam deposition and ion beam deposition of O 2 ceramics layer
And a step of forming by irradiation simultaneously.
Then, by heating, a film of a columnar structure ZrO 2 -based ceramic layer is formed.
A method for producing a ceramic-coated heat-resistant member , wherein a crack is formed in a thickness direction .
【請求項3】Ni又はCoを主成分とする耐熱合金から
なるガスタービン動翼において、燃焼ガスに曝される部
分の全面或いはその一部に、前記耐熱合金に比べ高温耐
食耐酸化性に優れた合金からなるメタル層を設け、その
上に順次、Al 2 3 系のセラミックス薄膜層,緻密な組
織からなるZrO 2 系セラミックス被覆層、及び柱状組
織のZrO 2 系セラミックス層を設け、かつ、該柱状組
織ZrO 2 系セラミックス層の膜厚方向にクラックが生
じていることを特徴とするセラミックス被覆ガスタービ
ン動翼。
3. A heat-resistant alloy containing Ni or Co as a main component.
Of gas turbine blades exposed to combustion gas
On the entire surface or a part of the heat-resistant alloy,
A metal layer made of an alloy with excellent corrosion resistance is provided.
In order, Al 2 O 3 ceramic thin film layer, dense set
Woven ZrO 2 -based ceramic coating layer and columnar set
Providing a woven ZrO 2 -based ceramic layer, and
Cracks develop in the thickness direction of the woven ZrO 2 ceramic layer
Ceramics-coated gas turbine
Rotor blade.
【請求項4】Ni又はCoを主成分とする耐熱合金から
なるガスタービン静翼において、燃焼ガスに曝される部
分の全面或いはその一部に、前記耐熱合金に比べ高温耐
食耐 酸化性に優れた合金からなるメタル層を設け、その
上に順次、Al 2 3 系のセラミックス薄膜層,緻密な組
織からなるZrO 2 系セラミックス被覆層、及び柱状組
織のZrO 2 系セラミックス層を設け、かつ、該柱状組
織ZrO 2 系セラミックス層の膜厚方向にクラックが生
じていることを特徴とするセラミックス被覆ガスタービ
ン静翼。
4. A heat-resistant alloy containing Ni or Co as a main component.
Of gas turbine vanes exposed to combustion gas
On the entire surface or a part of the heat-resistant alloy,
The metal layer is provided consisting of Shoku耐 oxidizing excellent alloy thereof
In order, Al 2 O 3 ceramic thin film layer, dense set
Woven ZrO 2 -based ceramic coating layer and columnar set
Providing a woven ZrO 2 -based ceramic layer, and
Cracks develop in the thickness direction of the woven ZrO 2 ceramic layer
Ceramics-coated gas turbine
N wings.
【請求項5】Ni又はCoを主成分とする耐熱合金基材
の表面に耐熱被覆層を設けた耐熱部材において、該耐熱
被覆層を構成するZrO 2 系セラミックス層がZrO 2
系セラミックスの最小柱状組織(一次柱状組織)の多数
の集合体からなる柱状組織(二次柱状組織)の一つ又は
複数個が集合し膜厚方向に生じたクラックによって分割
された柱状組織(三次柱状組織)を有することを特徴と
する熱応力緩和型セラミックス被覆部材。
5. A heat-resistant alloy base material containing Ni or Co as a main component.
In a heat-resistant member provided with a heat-resistant coating layer on the surface of
The ZrO 2 ceramic layer constituting the coating layer is made of ZrO 2
Of the smallest columnar structure (primary columnar structure) of ceramics
One of the columnar structures (secondary columnar structures) consisting of an aggregate of
Divided by cracks formed in the direction of film thickness
Characterized by having a columnar structure (tertiary columnar structure)
Thermal stress-relieving ceramic coatings.
【請求項6】Ni又はCoを主成分とする耐熱合金基材
の表面に耐熱被覆層を設けた耐熱部材の製造法におい
て、該基材の表面に前記基材に比べ高温耐食耐酸化性に
優れた合金からなるメタル層をプラズマ溶射で形成する
工程と、その上に順次、イオンビーム照射でAl 2 3
セラミックス薄膜層を形成する工程と、1〜10μmの
幅の一次柱状組織とその集合体からなる20〜200μ
mの間の二次柱状組織のZrO 2 系セラミックス層を電
子ビーム蒸着とイオンビーム照射とを同時に行なう方法
で形成する工程とを行なった後、加熱によりZrO 2
セラミックス層内に二次柱状組織の膜厚方向にクラック
を形成し、クラックで分割された三次柱状組織を形成す
ることを特徴とする熱応力緩和型セラミックス被覆耐熱
部材の製造法。
6. A heat-resistant alloy base material containing Ni or Co as a main component.
Of heat-resistant members with heat-resistant coating layer on the surface
Therefore, the surface of the substrate has a higher temperature corrosion resistance and oxidation resistance than the substrate.
Forming a metal layer made of an excellent alloy by plasma spraying
Process and, on top of that, Al 2 O 3 system by ion beam irradiation
Forming a ceramic thin film layer;
20-200μ consisting of primary columnar structure and its aggregate of width
The ZrO 2 -based ceramic layer with a secondary columnar structure
Method for simultaneous electron beam deposition and ion beam irradiation
And then heating the ZrO 2 -based
Cracks in the thickness direction of the secondary columnar structure in the ceramic layer
To form a tertiary columnar structure divided by cracks
Thermal stress relaxation type ceramic coating heat resistant
Method of manufacturing components.
【請求項7】Ni又はCoを主成分とする耐熱合金から
なるガスタービン動翼において、燃焼ガスに曝される部
分の全面或いはその一部に、前記耐熱合金に比べ高温耐
食耐酸化性に優れた合金からなるメタル層を設け、その
上に順次、Al 2 3 系セラミックス薄膜層、一次,二次
及び三次の柱状組織のZrO 2 系セラミックス層を有
し、前記一次柱状組織は最小の柱状組織を有し、前記二
次柱状組織は前記一次柱 状組織の複数個の集合体であ
り、前記三次柱状組織は前記二次柱状組織の膜厚方向に
生じたクラックによって分割された柱状組織からなるこ
とを特徴とする熱応力緩和型セラミックス被覆ガスター
ビン動翼。
7. A heat-resistant alloy containing Ni or Co as a main component.
Of gas turbine blades exposed to combustion gas
On the entire surface or a part of the heat-resistant alloy,
A metal layer made of an alloy with excellent corrosion resistance is provided.
Sequentially above, Al 2 O 3 ceramic thin film layer, primary, secondary
And a ZrO 2 ceramic layer with a tertiary columnar structure
The primary columnar structure has a minimum columnar structure,
A plurality of collection der follows columnar organization the primary pillar-shaped structure
The tertiary columnar structure is in the thickness direction of the secondary columnar structure.
It consists of a columnar structure divided by the resulting cracks.
Thermal stress relaxation type ceramic coating gaster characterized by the following:
Bin bucket.
【請求項8】Ni又はCoを主成分とする耐熱合金から
なるガスタービン静翼において、燃焼ガスに曝される部
分の全面或いはその一部に、前記耐熱合金に比べ高温耐
食耐酸化性に優れた合金からなるメタル層を設け、その
上に順次、Al 2 3 系セラミックス薄膜層、一次,二次
及び三次の柱状組織ZrO 2 系セラミックス層を有し、
前記一次柱状組織は最小の柱状組織を有し、前記二次柱
状組織は前記一次柱状組織の複数個の集合体であり、前
記三次柱状組織は前記二次柱状組織の膜厚方向に生じた
クラックによって分割された柱状組織からなることを特
徴とする熱応力緩和型セラミックス被覆ガスタービン静
翼。
8. A heat-resistant alloy containing Ni or Co as a main component.
Of gas turbine vanes exposed to combustion gas
On the entire surface or a part of the heat-resistant alloy,
A metal layer made of an alloy with excellent corrosion resistance is provided.
Sequentially above, Al 2 O 3 ceramic thin film layer, primary, secondary
And a tertiary columnar structure ZrO 2 -based ceramic layer,
The primary columnar structure has a minimum columnar structure and the secondary columnar structure
Is a plurality of aggregates of the primary columnar structure,
The tertiary columnar structure was generated in the thickness direction of the secondary columnar structure.
It consists of a columnar structure divided by cracks.
Thermal Stress Relaxation Type Ceramic Coated Gas Turbine Static
Wings.
【請求項9】翼部と、該翼部に連なる平坦部を有するプ
ラットフォームと、該プラットフォームに連なるシャン
ク部と、該シャンク部の両側に設けられた突起からなる
フィンと、前記シャンク部に連なるダブティルとを有す
るガスタービン用動翼において、前記翼部表面に耐熱被
覆層が設けられ、該耐熱被覆層の構成が前記基材の上
に、前記基材に比べ高温耐食耐酸化性に優れた合金から
なるメタル層を設け、その上に順次、Al 2 3 系セラミ
ックス薄膜層,緻密な粒状組織からなるZrO 2 系セラ
ミックス被覆層及び柱状組織のZrO 2 系セラミックス
被覆層を設け、かつ、前記柱状組織のZrO 2 系セラミ
ックス層内にのみ柱状組織の境界に沿って膜厚方向にク
ラックが生じていることを特徴とするガスタービン用動
翼。
9. A projection having a wing portion and a flat portion connected to the wing portion.
Platform and shan connected to the platform
And a projection provided on both sides of the shank.
Has fins and dovetails connected to the shank
In a moving blade for a gas turbine, a heat-resistant coating
A cover layer is provided, and the configuration of the heat-resistant cover layer is
In addition, from the alloy excellent in high temperature corrosion resistance and oxidation resistance compared to the base material
A metal layer is formed, and an Al 2 O 3 ceramic
Thin film layer, ZrO 2 -based ceramic with dense granular structure
ZrO 2 ceramics with mixed coating layer and columnar structure
Providing a coating layer, and a ZrO 2 -based ceramic having the columnar structure.
In the thickness direction along the boundary of the columnar structure only in the
Gas turbine operation characterized by the formation of racks
Wings.
【請求項10】翼部と、該翼部に連なる平坦部を有する
プラットフォームと、該プラットフォームに連なるシャ
ンク部と、該シャンク部の両側に設けられた突起からな
るフィンと、前記シャンク部に連なるダブティルとを有
するガスタービン用動翼の前記翼部の表面に耐熱被覆層
が設けられ、該耐熱被覆層を構成するZrO 2 系セラミ
ックス層がZrO 2 系セラミックスの最小柱状組織(一
次柱状組織)の多数の集合体からなる柱状組織(二次柱
状組織)の一つ以上が集合し膜厚方向に、微細な クラッ
クによって分割された柱状組織(三次柱状組織)で形成
されたものからなることを特徴とするガスタービン動
翼。
10. A wing portion and a flat portion connected to the wing portion.
A platform and a chassis connected to the platform
And a projection provided on both sides of the shank.
Fins and a dovetail connected to the shank.
Heat-resistant coating layer on the surface of
ZrO 2 -based ceramic constituting the heat-resistant coating layer
Layer is the smallest columnar structure of ZrO 2 ceramics (one
Columnar structure (secondary column)
The one or more aggregate thickness direction of Jo tissue), fine cladding
Formed by columnar structure (tertiary columnar structure) divided by
Gas turbine operation characterized in that it is made of
Wings.
【請求項11】コンプレッサによって圧縮された燃料ガ
スを静翼を通してディスクに植設された動翼に衝突させ
て該動翼を回転させるガスタービンにおいて、前記静翼
及び動翼は3段以上有し、該動翼の少なくとも初段が翼
部と、該翼部に連なる平坦部を有するプラットフォーム
と、該プラットフォームに連なるシャンクと、該シャン
クの両側に設けられた突起からなるフィンと、前記シャ
ンクに連なるダブティルとを有し、動翼及び静翼の少な
くとも一方の翼部表面に耐熱被覆層が設けられ、該耐熱
被覆層の構成が前記基材の上に、前記基材に比べ高温耐
食耐酸化性に優れた合金からなるメタル層を設け、その
上に順次、Al 2 3 系セラミックス薄膜層,緻密な粒状
組織からなるZrO 2 系セラミックス被覆層及び柱状組
織のZrO 2 系セラミックス被覆層を設け、かつ、前記
柱状組織のZrO 2 系セラミックス層の膜厚方向にクラ
ックが生じていることを特徴とするガスタービン。
11. A fuel gas compressed by a compressor.
The blades through the stationary blades and impinge on the blades
A gas turbine for rotating the moving blades,
And three or more moving blades, and at least the first stage of the moving blade
Platform having a flat part connected to the wing part
A shank connected to the platform,
Fins consisting of protrusions provided on both sides of the
With a dovetail connected to the
At least one wing surface is provided with a heat-resistant coating layer,
The configuration of the coating layer is higher on the base material than in the base material.
A metal layer made of an alloy with excellent corrosion resistance is provided.
Al 2 O 3 ceramic thin film layer, dense granular
ZrO 2 -based ceramic coating layer and columnar set
Providing a woven ZrO 2 -based ceramic coating layer, and
The ZrO 2 -based ceramic layer having a columnar structure
A gas turbine characterized by having a lock.
【請求項12】コンプレッサによって圧縮された燃焼ガ
スを静翼を通してディスクに植設された動翼に衝突させ
て該動翼を回転させるガスタービンにおいて、前記燃焼
ガス温度が1500℃以上であり、前記動翼を3段以上
有し、該動翼の初段入口での前記燃焼ガス温度が130
0℃以上であり、前記動翼の初段は全長が200mm以上
で、前記動翼の初段は翼部と、該翼部に連なる平坦部を
有するプラットフォームと、該プラットフォームに連な
るシャンク部と、該シャンク部の両側に設けられた突起
からなるフィンと、前記シャンク部に連なるダブティル
とを有するガスタービン用動翼及び静翼の少なくとも一
方の翼部表面に耐熱被覆層が設けられ、該耐熱被覆層を
構成するZrO 2 系セラミックス層がZrO 2 系セラミ
ックスの最小柱状組織(一次柱状組織)の多数の集合体
からなる柱状組織(二次柱状組織)の一つ以上が集合し
膜厚方向にクラックによって分割された柱状組織(三次
柱状組織)で形成されたものからなることを特徴とする
ガスタービン。
12. A combustion gas compressed by a compressor.
The blades through the stationary blades and impinge on the blades
In the gas turbine for rotating the rotor blade by the
The gas temperature is 1500 ° C. or more, and the moving blade is three stages or more.
The combustion gas temperature at the first stage inlet of the rotor blade is 130
0 ° C or higher, and the first stage of the rotor blade has a total length of 200 mm or more
In the first stage of the moving blade, a wing portion and a flat portion connected to the wing portion
Platform that has
Shank portion and projections provided on both sides of the shank portion
And a dovetil connected to the shank
At least one of a moving blade and a stationary blade for a gas turbine having
A heat-resistant coating layer is provided on one of the wing surfaces, and the heat-resistant coating layer is
Configured to ZrO 2 based ceramic layer is ZrO 2 based ceramic
Many aggregates of the minimum columnar structure (primary columnar structure)
One or more of the columnar structures (secondary columnar structures)
Columnar structure divided by cracks in the film thickness direction (tertiary
Columnar structure)
gas turbine.
【請求項13】高速で流れる燃焼ガスによって駆動する
ガスタービンと、該ガスタービンの燃 焼排ガスによって
水蒸気を得る排熱回収ボイラと、前記水蒸気によって駆
動する蒸気タービンと、前記ガスタービン及び蒸気ター
ビンによって駆動する発電機とを備えた複合発電プラン
トシステムにおいて、前記ガスタービンは動翼及び静翼
を3段以上有し、前記燃焼ガスの前記動翼初段入口温度
が1300℃以上で、タービン出口の燃焼排ガス温度が
560℃以上であり、前記排熱回収ボイラによって53
0℃以上の水蒸気を得、前記蒸気タービンは高低圧一体
型であり、該蒸気タービン動翼の初段への前記蒸気温度
が530℃以上であり、前記ガスタービンの発電容量が
5万KW以上及び蒸気タービンの発電容量が3万KW以
上であり、総合熱効率が45%以上であり、前記動翼の
初段は全長が200mm以上であり、前記動翼の初段は翼
部と、該翼部に連なる平坦を有するプラットフォーム
と、該プラットフォームに連なるシャンク部と、該シャ
ンク部の両側に設けられた突起からなるフィンと、前記
シャンク部に連なるダブティルとを有し、前記動翼及び
静翼の少なくとも一方の翼部表面に耐熱被覆層が設けら
れ、該耐熱被覆層を構成するZrO2 系セラミックス層
がZrO2 系セラミックスの最小柱状組織(一次柱状組
織)の多数の集合体からなる柱状組織(二次柱状組織)
の一つ以上が集合し膜厚方向にクラックによって分割さ
れた柱状組織(三次柱状組織)で形成されたものからな
ることを特徴とする複合発電プラントシステム。
13. Driving by combustion gas flowing at high speed
A gas turbine, the combustion exhaust gas of the gas turbine
An exhaust heat recovery boiler for obtaining steam;
Operating steam turbine, and the gas turbine and steam turbine
Combined power generation plan with bin driven generator
In the gas turbine system, the gas turbine includes a moving blade and a stationary blade.
At least three stages, and the inlet temperature of the first stage of the bucket of the combustion gas
Is above 1300 ° C and the temperature of the exhaust gas at the turbine outlet is
560 ° C. or higher, and 53
Obtain steam of 0 ° C or higher, and the steam turbine is integrated with high and low pressure
The steam temperature to the first stage of the steam turbine blade.
Is 530 ° C. or higher, and the power generation capacity of the gas turbine is
50,000 kW or more and steam turbine power generation capacity of 30,000 kW or more
Above, the total thermal efficiency is 45% or more,
The first stage has a total length of 200 mm or more.
Platform having a flat portion and a flat portion connected to the wing portion
A shank portion connected to the platform;
A fin comprising protrusions provided on both sides of the shank portion, and a dovetail connected to the shank portion, wherein a heat-resistant coating layer is provided on at least one of the blade surfaces of the moving blade and the stationary blade, and the heat-resistant coating layer is provided. The ZrO 2 -based ceramic layer that constitutes is composed of a large number of aggregates of the minimum columnar structure (primary columnar structure) of the ZrO 2 -based ceramic (secondary columnar structure).
Characterized by a columnar structure (a tertiary columnar structure) divided by cracks in the film thickness direction.
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