JP3040747B2 - セラミックス遮熱コーティング - Google Patents

セラミックス遮熱コーティング

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンの動
静翼(動翼、静翼)、燃焼器などの金属製部材を燃焼ガ
スによる高温環境から保護するためのセラミックス遮熱
コーティング(皮膜)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から、ガスタービンの動静翼、燃焼
器などの金属製部材を燃焼ガスによる高温環境から保護
するための遮熱コーティング(thermal bar
rier coating、TBC)は、図に示すよ
うに、金属基材10上に施工される100ミクロン程度
の金属ボンド層(金属接合層)12(MCrAlY、M
=Ni、Co)、及び燃焼ガスに曝される面に施工され
る安定化ジルコニアに代表される低熱伝導性のセラミッ
クスからなる200ミクロン程度のセラミックス遮熱層
14から構成される2層構造が一般的である。通常、金
属ボンド層は低圧溶射で施工され、セラミックス遮熱層
は大気プラズマ溶射で施工される。プラズマ溶射で施工
されたジルコニアセラミックス遮熱層は、気孔あるいは
微小クラックを多く含むため、セラミックス遮熱層を酸
素あるいは燃焼ガス中の腐食成分が透過し、金属ボンド
層を酸化あるいは腐食させ、これがセラミックス遮熱層
の剥離を誘発する。そこで、従来は、金属ボンド層の酸
化あるいは腐食を防ぐために、ジルコニアセラミックス
遮熱層表面に緻密なセラミックス層を設置する、あるい
はガラスにより封孔処理を行う方法が提案されている。
【0003】例えば、米国特許公報第5,080,97
7号の明細書及び図面には、金属ボンド層を被覆するよ
うにジルコニア遮熱層を設け、このジルコニア遮熱層を
被覆するようにガラス含有ジルコニア層を設けるか、又
は、金属ボンド層を被覆するようにガラス含有ジルコニ
ア層を設け、このガラス含有ジルコニア層を被覆するよ
うにジルコニア遮熱層を設け、さらにこのジルコニア遮
熱層を被覆するようにガラス含有ジルコニア層を設けて
形成した複合遮熱コーティングが記載されている。な
お、特開平9−268366号公報には、チタン−アル
ミニウム系合金の遮熱コーティングにおいて、皮膜のT
iAl合金への密着性をよくするために、金属ボンド層
を構成する合金成分にPtを含む材料を用いることが記
載されている。このように、Ptの高い密着性に着目し
て、金属ボンド層を構成する合金成分にPtを含む材料
(例えば、MCrAlYPt)を用い、遮熱コーティン
グの特性向上を図るという技術は既に存在する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】セラミックス遮熱層の
最表面部分に緻密なセラミックス層を設置して酸素ある
いは腐食成分の浸透を防止する従来方法は、緻密質セラ
ミックスが熱衝撃に弱いことから亀裂が発生しやすく、
また、何らかの原因で亀裂が発生した場合に、そこから
酸素あるいは腐食成分が浸透する可能性がある。また、
ガラス成分により封孔処理を実施するか、あるいはガラ
ス成分を含む複合セラミックスにより酸素等の浸透を防
止する方法は、ガラス成分をなるべく多く含有させた方
がより効果的であるが、その量によってはコーティング
の特性を劣化させ、皮膜の寿命を短くする可能性があ
る。例えば、米国特許第5,080,977号の明細書
及び図面においては、ガラス層の割合は10vol %とさ
れている。
【0005】本発明は上記の諸点に鑑みなされたもの
で、本発明の目的は、セラミックス遮熱コーティング
(皮膜)を構成するセラミックス遮熱層と金属下地層
(金属ボンド層)との中間に、白金等の酸素や腐食成分
の透過を抑制する材料からなる層を酸素バリアとして設
置することにより、金属下地層(金属ボンド層)の酸化
及び腐食を抑制して、セラミックス遮熱層の剥離を防止
し、皮膜の長寿命化を図ることができるセラミックス遮
熱コーティングを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のセラミックス遮熱コーティング(皮膜)
は、金属基材を被覆する第1層がNiを主成分とするM
CrAlY(NiCoCrAlY)からなる金属ボンド
層であり、この第1層を被覆する第2層がPt、Ir及
びAuの少なくともいずれかから構成される金属ボンド
層の酸化及び腐食を抑制するための厚さが3〜20μm
の範囲である金属中間層であり、この第2層を被覆する
第3層が安定化剤としてYb 2 3 及びCeOのいずれか
を使用した部分安定化ジルコニアからなるセラミックス
遮熱層であることを特徴としている(図1参照)。
【0007】また、本発明のセラミックス遮熱コーティ
ングは、金属基材を被覆する第1層がNiを主成分とす
るMCrAlY(NiCoCrAlY)からなる金属ボ
ンド層であり、この第1層を被覆する第2層がPt、I
r及びAuの少なくともいずれかを主成分とする合金か
らなる金属ボンド層の酸化及び腐食を抑制するための厚
さが3〜20μmの範囲である金属中間層であり、この
第2層を被覆する第3層が安定化剤としてYb 2 3 及び
CeOのいずれかを使用した部分安定化ジルコニアから
なるセラミックス遮熱層であることを特徴としている
(図1参照)。
【0008】これらの本発明のセラミックス遮熱コーテ
ィングにおいて、第2層である金属中間層の厚さは、3
〜20μmの範囲とする。なお、より好ましい金属中間
層の厚さは、上限値が10μmである。金属中間層の厚
さが好ましい範囲より薄い場合は、酸素又は腐食成分の
透過抑制効果が小さくなり、一方、金属中間層の厚さが
好ましい範囲より厚い場合は、金属中間層の表面粗度が
低下し(表面が平滑になり)、セラミックス遮熱層の密
着性が低下することになる
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定さ
れるものではなく、適宜変更して実施することができる
ものである。図1は、本発明の実施の形態によるセラミ
ックス遮熱コーティング(皮膜)を概念図として示して
いる。本実施の形態は、金属基材10の表面に、第1層
として金属ボンド層(金属接合層)12、第1層につい
で施工される第2層として金属ボンド層の酸化及び腐食
を抑制するための金属中間層16、さらに、第3層とし
て部分安定化ジルコニアを施工したセラミックス遮熱層
14からなる遮熱コーティングシステムである。
【0010】第1層である金属ボンド層12としては、
MCrAlY(M=Ni、Co)が一般的に用いられ、
その厚さは50〜150μmである。金属ボンド層12
は、例えば、減圧プラズマ溶射等の溶射又は物理蒸着
(PVD)等にて、金属基材10の表面に施工される。
また、第3層であるセラミックス遮熱層14は、安定化
剤としてY23及びCeOのいずれかを使用した部分
安定化ジルコニアを用いる。セラミックス遮熱層14
は、例えば、大気プラズマ溶射等の溶射又は物理蒸着
(PVD)等にて、厚さ100〜500μmに施工され
る。
【0011】金属ボンド層12とセラミックス遮熱層1
4との中間に施工される第2層である金属中間層16
は、Pt、Ir及びAuの少なくともいずれか、あるい
はこれらの金属の少なくともいずれかを主成分とする合
金からなる材料で構成される。第2層である金属中間層
16は、第1層の金属ボンド層12に対する酸素あるい
は腐食成分の浸透を抑制し、その結果、金属ボンド層1
2の酸化及び腐食が抑制されて、第3層であるセラミッ
クス遮熱層14の剥離が防止され、セラミックス遮熱コ
ーティング(皮膜)の寿命が延長される。金属中間層1
6は、例えば、スパッタリング等の物理蒸着(PVD)
又はメッキ等にて、厚さ3〜20μm、望ましくは、3
〜10μmに施工される。
【0012】つぎに、本発明の実施の形態によるセラミ
ックス遮熱コーティングにおいて、図1を参照しなが
ら、コーティングの施工方法の一例を説明する。超合金
等からなる金属基材10上に、第1層として、減圧プラ
ズマ溶射等の溶射又は物理蒸着(PVD)等にて、Ni
CoCrAlY合金からなる金属ボンド層12を50〜
150μmの厚さで施工した後、その上に第2層とし
て、スパッタリング等の物理蒸着(PVD)又はメッキ
等にて、Pt、Ir及びAuの少なくともいずれか、あ
るいはこれらの金属の少なくともいずれかを主成分とす
る合金からなる材料で構成される金属中間層16を、3
〜20μm、望ましくは、3〜10μmの厚さで施工し、
さらに第3層として、大気プラズマ溶射等の溶射又は物
理蒸着(PVD)等にて、Y23及びCeOのいずれ
かの安定化剤を使用した部分安定化ジルコニアからなる
セラミックス遮熱層14を、100〜500μmの厚さ
で施工する。これにより、本発明の実施の形態によるセ
ラミックス遮熱コーティングが得られる。
【0013】なお、本発明のセラミックス遮熱コーティ
ングを、ガスタービン部品等の高温環境で使用される金
属製部材に対して適用する場合は、施工コストを考慮
し、タービン部品等に施される遮熱コーティング全体に
本発明を適用する必要はなく、特に使用条件の厳しい部
位(例えば、タービン翼におけるリーディングエッジ
部)にのみ本発明の遮熱コーティングを採用し、その他
の部位は従来コーティングで対応することも可能であ
【0014】
【発明の効果】本発明は上記のように構成されているの
で、つぎのような効果を奏する。(1) セラミックス
遮熱コーティング(皮膜)を構成する安定化剤としてY
2 3 及びCeOのいずれかを使用した部分安定化ジル
コニアからなるセラミックス遮熱層とNiを主成分とす
るMCrAlY(NiCoCrAlY)からなる金属ボ
ンド層(金属接合層)との中間に、Pt、Ir及びAu
の少なくともいずれか、あるいはこれらの金属の少なく
ともいずれかを主成分とする合金からなる材料で構成さ
れる金属中間層を厚さ3〜20μmで設置しているの
で、燃焼ガス等による高温環境下においても金属ボンド
層への酸素や腐食成分の透過が抑制され、その結果、金
属ボンド層の酸化や腐食によるセラミックス遮熱層の剥
離が防止されて、セラミックス遮熱コーティング(皮
膜)の長寿命化を図ることができる。(2) 本発明の
セラミックス遮熱コーティングを、ガスタービンの動静
翼(動翼、静翼)、燃焼器などの金属製部材に適用する
場合は、これらの部材の長寿命化による性能向上が図れ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態によるセラミックス遮熱コ
ーティングの概念断面図である
【図2】従来のセラミックス遮熱コーティングの概念断
面図である。
【符号の説明】
10 金属基材 12 金属ボンド層(金属接合層) 14 セラミックス遮熱層 16 金属中間層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡崎 章三 兵庫県明石市川崎町1番1号 川崎重工 業株式会社 明石工場内 (56)参考文献 特開 平6−306640(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B32B 15/04 B32B 18/00 C22C 19/03 C22C 28/00 F01D 5/28

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属基材を被覆する第1層がNiを主成
    分とするMCrAlYからなる金属ボンド層であり、こ
    の第1層を被覆する第2層がPt、Ir及びAuの少な
    くともいずれかから構成される金属ボンド層の酸化及び
    腐食を抑制するための厚さが3〜20μmの範囲である
    金属中間層であり、この第2層を被覆する第3層が安定
    化剤としてYb 2 3 及びCeOのいずれかを使用した部
    分安定化ジルコニアからなるセラミックス遮熱層である
    ことを特徴とするセラミックス遮熱コーティング。
  2. 【請求項2】 金属基材を被覆する第1層がNiを主成
    分とするMCrAlYからなる金属ボンド層であり、こ
    の第1層を被覆する第2層がPt、Ir及びAuの少な
    くともいずれかを主成分とする合金からなる金属ボンド
    層の酸化及び腐食を抑制するための厚さが3〜20μm
    の範囲である金属中間層であり、この第2層を被覆する
    第3層が安定化剤としてYb 2 3 及びCeOのいずれか
    を使用した部分安定化ジルコニアからなるセラミックス
    遮熱層であることを特徴とするセラミックス遮熱コーテ
    ィング
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