JP3410955B2 - Heat resistant member and method of manufacturing the same - Google Patents

Heat resistant member and method of manufacturing the same

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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス被覆
層を有する耐熱部材とその製造方法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a heat-resistant member having a ceramic coating layer and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】発電用やエンジン用のガスタービンに代
表される高温機器の高効率化を目指した機器使用温度の
高温化に伴って、機器構成部品に使用される材料には一
層高レベルの特性、例えば高温強度、高温耐食・耐酸化
性などが要求されている。このため、高強度のNi基や
Co基の超合金の表面に、M−Cr−Al−Y(M=N
i,Coなど)合金からなる耐食・耐酸化金属コーティ
ングを施す技術が開発され、ガスタービンの動・静翼な
どにおいては必須の技術として既に広く適用されてい
る。
2. Description of the Related Art Along with the increase in the operating temperature of equipment aimed at improving the efficiency of high-temperature equipment represented by gas turbines for power generation and engines, the materials used in the equipment components have become higher in level. Properties such as high temperature strength, high temperature corrosion resistance and oxidation resistance are required. Therefore, M-Cr-Al-Y (M = N) is formed on the surface of the high-strength Ni-based or Co-based superalloy.
A technique for applying a corrosion-resistant / oxidation-resistant metal coating made of an alloy (i, Co, etc.) has been developed and has already been widely applied as an indispensable technique for the dynamic / static vanes of a gas turbine.

【0003】また、さらなる高温化の流れの中で、耐食
・耐酸化金属コーティングのみでは既に材料特性として
不十分な状況にあり、このため金属コーティング層の表
面に熱伝導率の低いセラミックスコーティングを施し、
内部を冷却する遮熱コーティング技術も実用化されつつ
ある。セラミックス層の構成材料としては、高温強度、
熱伝導率、熱膨張率などの特性から、Y2 3 安定化Z
rO2 が最も広く適用されている。
In addition, in the flow of higher temperature, corrosion-resistant and oxidation-resistant metal coating alone is already inadequate as a material property. Therefore, the surface of the metal coating layer is coated with a ceramic coating having a low thermal conductivity. ,
Thermal barrier coating technology for cooling the inside is also being put to practical use. As the constituent material of the ceramic layer, high temperature strength,
Due to characteristics such as thermal conductivity and thermal expansion coefficient, Y 2 O 3 stabilized Z
rO 2 is the most widely applied.

【0004】しかし、金属部材の表面に遮熱コーティン
グを施した部材を高温雰囲気下で使用すると、金属部材
と遮熱コーティング層(セラミックス層)との熱膨張係
数の違いから熱応力が発生し、セラミックス層が剥離し
やすいという問題がある。特に、金属部材とセラミック
ス層との界面近傍で亀裂の進展が起こり、セラミックス
層に剥離が生じる。セラミックス層の剥離が起こると、
高温雰囲気下で連続して長時間使用することができいた
め、遮熱コーティング部材の長寿命化の観点から剥離に
強いセラミックス被覆層が望まれている。
However, when a member having a thermal barrier coating on the surface of a metal member is used in a high temperature atmosphere, thermal stress occurs due to the difference in thermal expansion coefficient between the metallic member and the thermal barrier coating layer (ceramic layer), There is a problem that the ceramic layer is easily peeled off. In particular, cracks develop near the interface between the metal member and the ceramics layer, and the ceramics layer peels off. When the ceramic layer peels off,
Since it cannot be used continuously for a long time in a high temperature atmosphere, a ceramic coating layer that is resistant to peeling is desired from the viewpoint of extending the life of the thermal barrier coating member.

【0005】一方、一般的なセラミックス部材中の亀裂
進展を抑制する手段としては、セラミックス材料中に粒
子、ウイスカー、繊維などを分散させることで内部組織
を複合化し、破壊強度や破壊靭性を増大させる手法が知
られている。例えば、亀裂の進展抑制の目安である破壊
靭性値を高めた例として、SiCやSi3 4 などの非
酸化物系セラミックス材料中にSiC繊維や炭素繊維な
どを分散させた圧粉体を焼結させた部材(焼結体)や、
Si3 4 マトリックス中に針状組織を有するβ−Si
3 4 を焼成過程で析出させた部材などが報告されてい
る。
On the other hand, as a means for suppressing crack growth in a general ceramic member, particles, whiskers, fibers and the like are dispersed in a ceramic material to form a complex internal structure and increase fracture strength and fracture toughness. The method is known. For example, as an example of increasing the fracture toughness value, which is a measure for suppressing the progress of cracks, a green compact obtained by dispersing SiC fibers or carbon fibers in a non-oxide ceramic material such as SiC or Si 3 N 4 is fired. The joined parts (sintered body),
Β-Si having acicular structure in Si 3 N 4 matrix
It has been reported that a member and the like in which 3 N 4 is deposited in the firing process.

【0006】また、マトリックスとしてCe安定化ジル
コニアを用いた部材においても、焼成過程でLa−β−
アルミナからなる平板粒子を析出させることによって、
破壊靭性の向上効果(亀裂進展抑制効果)が得られたこ
とが報告されている(藤井、平野他、日本セラミックス
協会年会講演予稿集、 2C-02、1993年など)。
Further, even in a member using Ce-stabilized zirconia as a matrix, La-β-
By precipitating tabular grains made of alumina,
It has been reported that the effect of improving fracture toughness (effect of suppressing crack growth) was obtained (Fujii, Hirano et al., Proceedings of Annual Meeting of The Ceramic Society of Japan, 2C-02, 1993, etc.).

【0007】発電プラントや航空機ガスタービンの翼
材、燃焼器などの遮熱コーティングに使用されるセラミ
ックス層についても、剥離寿命を向上させるために同層
の内部組織を複合化することが検討されてきた。その一
つとして、上述した焼結体と同様に、遮熱コーティング
層の剥離寿命を向上させる目的で、同層内部に粒子(球
状、塊状、平板、繊維状粒子など)を分散させる試みが
なされてきた(例えば、Surf. and Coat. Tech., C.C.B
erndt and J.H.YI,37(1989) p89-110)。
Regarding ceramic layers used for thermal barrier coatings of power plants, aircraft gas turbine blades, combustors, etc., it has been considered to compound the internal structure of the layers in order to improve the peeling life. It was As one of them, similar to the above-mentioned sintered body, an attempt was made to disperse particles (spherical, lumpy, flat plate, fibrous particles, etc.) inside the thermal barrier coating layer for the purpose of improving the peeling life of the layer. (Eg Surf. And Coat. Tech., CCB
erndt and JHYI, 37 (1989) p89-110).

【0008】しかしながら、遮熱コーティングは主とし
て溶射法という焼成プロセスとは異なる独特の方法、す
なわち溶融粒子を高速で基板に衝突・凝固させることで
被覆層を形成する方法を用いて作製されているため、上
記したような強化繊維や強化粒子などを予め混合してお
く方法では溶射過程で強化物質も溶融してしまい、分散
強化したセラミックス層を得ることはできない。
However, the thermal barrier coating is mainly produced by a unique method different from the firing process called the thermal spraying method, that is, a method of forming a coating layer by colliding and solidifying molten particles at a high speed. In the method of previously mixing the reinforcing fibers and the reinforcing particles as described above, the reinforcing substance is also melted in the thermal spraying process, and it is not possible to obtain a dispersion-strengthened ceramic layer.

【0009】すなわち、溶射法では溶融粒子の衝突・凝
固による扁平粒子が積層して、 200〜 500μm の程度の
膜厚を有する被覆層が形成される。よって、繊維状、針
状、板状の粒子を分散させる目的で、これらの粒子をマ
トリックス構成粒子と混合した粉末を用いて溶射を実施
しても、プラズマ火炎中で溶融してしまうため、繊維状
粒子などの目的形状の粒子をセラミックス被覆層内に分
散させることはできない。このようなことから、溶射法
を用いて扁平粒子(溶射凝固粒子)以外の形状の繊維状
粒子(例えばアルミナ繊維)などを直接分散させること
が多数試みられてきたが、現在に至るまで成功していな
い。
That is, in the thermal spraying method, flat particles produced by collision and solidification of molten particles are laminated to form a coating layer having a film thickness of about 200 to 500 μm. Therefore, for the purpose of dispersing the fibrous, needle-shaped, and plate-shaped particles, even if thermal spraying is performed using a powder in which these particles are mixed with matrix-constituting particles, they are melted in the plasma flame. It is not possible to disperse particles having a desired shape, such as spherical particles, in the ceramic coating layer. For this reason, many attempts have been made to directly disperse fibrous particles (for example, alumina fibers) having a shape other than flat particles (spray-solidified particles) using the thermal spraying method, but until now, they have succeeded. Not not.

【0010】また、ジルコニア焼結体中にLa−β−ア
ルミナの平板粒子を分散させるように、間接的な手段
(熱処理)を用いて分散相を生成するにしても、この系
では部材を高温(1600℃以上)で熱処理する必要があ
る。金属部材との複合部材からなる耐熱部材では、この
ような熱処埋は金属部材に悪影響を及ぼすため、現実的
には実施することができない。このような制約があるた
め、遮熱層としてのセラミックス層に熱処理を施すこと
で内部組織を複合化した例はない。
Further, even if the dispersed phase is generated by an indirect means (heat treatment) so as to disperse the tabular grains of La-β-alumina in the zirconia sintered body, in this system, the member is heated at a high temperature. It is necessary to heat-treat (1600 ℃ or higher). In a heat-resistant member composed of a composite member with a metal member, such heat treatment has an adverse effect on the metal member and cannot be practically performed. Due to such restrictions, there is no example in which the internal structure is compounded by heat-treating the ceramic layer as the heat shield layer.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の金属部材上にセラミックス層を被覆形成した耐熱部材
においては、金属部材とセラミックス層との熱膨張差に
基づいてセラミックス層が剥離しやすく、金属層の保護
性を長時間にわたって十分に維持することができないと
いう問題があった。また、現状のコーティングプロセス
(溶射法など)や材料組成では、剥離寿命の向上を目的
とした分散粒子を含む遮熱コーティングを作製すること
は非常に困難である。
As described above, in the conventional heat-resistant member in which the ceramic layer is formed on the metal member by coating, the ceramic layer is easily peeled off due to the difference in thermal expansion between the metal member and the ceramic layer. However, there is a problem in that the protective property of the metal layer cannot be sufficiently maintained for a long time. In addition, it is very difficult to produce a thermal barrier coating containing dispersed particles for the purpose of improving the peeling life with the current coating process (spraying method etc.) and material composition.

【0012】本発明はこのような課題に対処するために
なされたもので、高温雰囲気下において長時間にわたっ
てセラミックス層の剥離を抑制し、長寿命化を達成した
耐熱部材およびその製造方法を提供することを目的とし
ている。
The present invention has been made in order to solve such a problem, and provides a heat-resistant member that suppresses peeling of a ceramic layer for a long time in a high temperature atmosphere and achieves a long life, and a method for manufacturing the same. Is intended.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の耐熱部材は、請
求項1に記載したように、Ni、CoおよびFeから選
ばれる少なくとも 1種の元素を主成分とする合金からな
る金属基材と、前記金属基材上に被覆形成されたM−C
r−Al−Y合金層(ただし、MはNi、CoおよびF
eから選ばれる少なくとも 1種の元素を示す)と、前記
M−Cr−Al−Y合金層上に設けられたセラミックス
層とを具備する耐熱部材において、前記セラミックス層
は、それを主として構成するマトリックス材料と、前記
マトリックス材料内に分散配置され、アルカリ土類元素
を含む複合酸化物粒子の凝集粒子とを有することを特徴
としている。
The heat resistant member of the present invention comprises, as described in claim 1, a metal base material made of an alloy containing at least one element selected from Ni, Co and Fe as a main component. , M-C coated on the metal substrate
r-Al-Y alloy layer (where M is Ni, Co and F
In a heat-resistant member comprising a ceramic layer provided on the M-Cr-Al-Y alloy layer, the ceramic layer is mainly a matrix. It is characterized by having a material and dispersed particles arranged in the matrix material and agglomerated particles of composite oxide particles containing an alkaline earth element.

【0014】本発明の耐熱部材において、前記凝集粒子
は例えば請求項2に記載したように、アルカリ土類元素
と、主としてW、Ti、Ta、MoおよびNbから選ば
れる少なくとも 1種の金属元素とを含む複合酸化物から
なると共に、前記複合酸化物の平板粒子および針状粒子
の少なくとも一方を凝集させた粒子であることが好まし
い。
In the heat-resistant member of the present invention, the aggregated particles include, for example, as described in claim 2, an alkaline earth element and at least one metal element mainly selected from W, Ti, Ta, Mo and Nb. It is preferable that the particles are composed of a composite oxide containing a compound and at least one of tabular grains and acicular particles of the complex oxide is aggregated.

【0015】本発明の耐熱部材の製造方法は、請求項3
に記載したように、Ni、CoおよびFeから選ばれる
少なくとも 1種の元素を主成分とする合金からなる金属
基材と、前記金属基材上に被覆形成されたM−Cr−A
l−Y合金層(ただし、MはNi、CoおよびFeから
選ばれる少なくとも 1種の元素を示す)と、前記M−C
r−Al−Y合金層上に被覆形成されたセラミックス層
とを具備する耐熱部材を製造するにあたり、前記セラミ
ックス層を主として構成するマトリックス材料と、アル
カリ土類元素と、W、Ti、Ta、MoおよびNbから
選ばれる少なくとも 1種の金属元素とを含有する原料粉
末を用いて、前記M−Cr−Al−Y合金層上に前記セ
ラミックス層を被覆形成する工程と、前記セラミックス
層に 500〜1400℃の範囲の温度で熱処理を施して、前記
アルカリ土類元素と前記金属元素とを含む複合酸化物粒
子を凝集させた凝集粒子を、前記セラミックス層中に分
散、析出させる工程とを有することを特徴としている。
The method for producing a heat-resistant member according to the present invention is defined in claim 3.
As described in 1., a metal base material made of an alloy containing at least one element selected from Ni, Co and Fe as a main component, and M-Cr-A coated on the metal base material.
1-Y alloy layer (where M represents at least one element selected from Ni, Co and Fe) and the above-mentioned MC
In manufacturing a heat-resistant member comprising a ceramic layer formed by coating on an r-Al-Y alloy layer, a matrix material mainly constituting the ceramic layer, an alkaline earth element, W, Ti, Ta, Mo And a step of forming the ceramics layer on the M-Cr-Al-Y alloy layer by using a raw material powder containing at least one metal element selected from Nb and Nb, and 500 to 1400 A heat treatment at a temperature in the range of ° C., agglomerated particles obtained by aggregating the composite oxide particles containing the alkaline earth element and the metal element, dispersed and precipitated in the ceramic layer, It has a feature.

【0016】本発明の耐熱部材においては、セラミック
ス層内にアルカリ土類元素を含む複合酸化物、例えば主
としてアルカリ土類元素とW、Ti、Ta、Moおよび
Nbから選ばれる少なくとも 1種の金属元素とを含む複
合酸化物からなる粒子を凝集させた凝集粒子を分散配置
している。この凝集粒子はセラミックス層の剥離寿命を
左右する亀裂の進展速度を抑制する効果を有するため、
高温雰囲気下で使用した際に生じる熱応力などに基づく
セラミックス層の剥離を安定して抑制することが可能と
なる。特に、複合酸化物粒子は個々にも亀裂の進展抑制
効果を有しており、このような複合酸化物粒子を凝集粒
として使用しているため、より大きな亀裂の進展抑制効
果を得ることができる。
In the heat resistant member of the present invention, a composite oxide containing an alkaline earth element in the ceramic layer, for example, an alkaline earth element and at least one metal element selected from W, Ti, Ta, Mo and Nb. Aggregated particles obtained by aggregating particles of a composite oxide containing and are dispersed and arranged. Since these agglomerated particles have the effect of suppressing the crack growth rate that affects the peeling life of the ceramic layer,
It is possible to stably suppress the peeling of the ceramic layer due to the thermal stress generated when the ceramic layer is used in a high temperature atmosphere. In particular, the composite oxide particles also have a crack growth suppressing effect individually, and since such composite oxide particles are used as agglomerated particles, a larger crack growth suppressing effect can be obtained. .

【0017】ここで、MgやCaなどのアルカリ土類元
素を含む化合物(例えば酸化物)と、主としてW、T
i、Ta、MoおよびNbから選ばれる少なくとも 1種
の金属元素を含む化合物(例えば酸化物)とを混合した
状態で熱処理すると、比較的低温(例えば 500〜1400
℃)で反応して、例えばMgWO4 、MgTiO3 、M
gTa2 6 、MgMoO4 、MgNb2 6 などの複
合酸化物や同様なCaを含む複合酸化物が生成する。こ
の際の熱処理条件を適宜選択すると共に、例えば複合酸
化物の原料粉末の粒径などを制御することによって、上
記したような複合酸化物からなる平板粒子や針状粒子が
析出すると同時に、これらを適度な大きさに凝集させた
凝集粒子が得られる。
Here, a compound (for example, an oxide) containing an alkaline earth element such as Mg or Ca, and mainly W or T
When heat-treated in a state of being mixed with a compound (eg, an oxide) containing at least one metal element selected from i, Ta, Mo and Nb, the temperature is relatively low (eg, 500 to 1400).
(Eg, MgWO 4 , MgTiO 3 , M
Complex oxides such as gTa 2 O 6 , MgMoO 4 , and MgNb 2 O 6 and similar complex oxides containing Ca are produced. By appropriately selecting the heat treatment conditions at this time and controlling the particle size of the raw material powder of the complex oxide, for example, tabular grains and needle-like grains made of the complex oxide as described above are precipitated and at the same time Aggregated particles obtained by aggregating to an appropriate size are obtained.

【0018】このように、分散粒子としての複合酸化物
の凝集粒子は、セラミックス層を形成した後に熱処理を
施すことで析出させることができるため、溶射法のよう
に当初の粒子形状(針状粒子や板状粒子)が失われてし
まうコーティング法を適用したセラミックス層の内部で
も、亀裂の進展抑制効果を有する粒子を再現性よく分散
させることができる。さらに、複合酸化物の凝集粒子
は、 500〜1400℃というような比較的低い温度で反応し
て析出するため、金属基材とセラミックス層との複合部
材からなる耐熱部材においても、金属基材に対して悪影
響を及ぼすことなく、分散粒子析出のための熱処理を施
すことができる。
As described above, the aggregated particles of the composite oxide as the dispersed particles can be precipitated by applying a heat treatment after forming the ceramics layer. Therefore, like the thermal spraying method, the initial particle shape (acicular particles) is obtained. Particles having a crack growth suppressing effect can be dispersed with good reproducibility even in the inside of a ceramic layer to which a coating method in which (or plate-like particles) are lost is applied. Further, since the aggregated particles of the composite oxide react and deposit at a relatively low temperature such as 500 to 1400 ° C., even in a heat-resistant member composed of a composite member of a metal base material and a ceramics layer, the metal base material is On the other hand, a heat treatment for precipitation of dispersed particles can be performed without adversely affecting.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Modes for carrying out the present invention will be described below.

【0020】図1は、本発明の一実施形態による耐熱部
材の要部構造を模式的に示す断面図である。同図におい
て、1は金属基材であり、この金属基材1としてはN
i、CoおよびFeから選ばれる少なくとも 1種の元素
を主成分とする合金が挙げられ、使用用途などに応じて
各種公知の耐熱合金を適宜選択して使用することができ
る。実用上は、 IN738、 IN738LC、 IN939、Mar-M247、
RENE80、CM-247、CMSX-2、CMSX-4などのNi基超合金
や、 FSX-414、Mar-M509などのCo基超合金を用いるこ
とが有効である。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing the structure of the main part of a heat resistant member according to one embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a metal base material, and the metal base material 1 is N
Examples thereof include alloys containing at least one element selected from i, Co and Fe as a main component, and various known heat-resistant alloys can be appropriately selected and used according to the intended use. In practice, IN738, IN738LC, IN939, Mar-M247,
It is effective to use Ni-based superalloys such as RENE80, CM-247, CMSX-2 and CMSX-4 and Co-based superalloys such as FSX-414 and Mar-M509.

【0021】上述した金属基材1の表面には、耐食・耐
酸化金属コーティング層としてM−Cr−Al−Y合金
(MはNi、CoおよびFeから選ばれる少なくとも 1
種の元素を示す)層2が被覆形成されている。M−Cr
−Al−Y合金層2は、金属基材1と後述するセラミッ
クス層3との中間の熱膨張係数を有するため、熱膨張差
の緩和効果も有している。
On the surface of the metal substrate 1 described above, an M-Cr-Al-Y alloy (M is at least 1 selected from Ni, Co and Fe as a corrosion-resistant and oxidation-resistant metal coating layer.
A layer 2 (which represents the seed element) is formed over the coating. M-Cr
Since the -Al-Y alloy layer 2 has a coefficient of thermal expansion intermediate between that of the metal substrate 1 and the ceramic layer 3 described later, it also has the effect of relaxing the difference in thermal expansion.

【0022】M−Cr−Al−Y合金層2は、このよう
な形成目的を総合的に判断して、一般的には 0.1〜20重
量% のAl、10〜35重量% のCr、 0.1〜 5重量% のY
を含み、残部がNiおよびCoから選ばれる少なくとも
1種の元素から実質的になる組成の合金が好ましく用い
られる。なお、AlおよびCrは少なくとも一方を含ん
でいればよく、またYに代えてHf、Zr、Tiなどの
他の活性金属を使用することもできる。また、用途によ
ってはNb、Ta、Wなどを 5重量% 以下程度の範囲で
含有していてもよい。ここでは、上記したような合金を
総称してM−Cr−Al−Y合金と呼ぶ。具体的にはN
iCoCrAlY、CoNiCrAlY、NiCrAl
Y、CoCrAlY、FeCrAlYなどが好ましい。
The M-Cr-Al-Y alloy layer 2 is generally 0.1-20 wt% Al, 10-35 wt% Cr, 0.1- 5% by weight Y
And the balance is at least selected from Ni and Co.
An alloy having a composition consisting essentially of one element is preferably used. Al and Cr need only contain at least one of them, and other active metals such as Hf, Zr, and Ti can be used instead of Y. Depending on the application, Nb, Ta, W, etc. may be contained in a range of about 5% by weight or less. Here, the above-mentioned alloys are generically called M-Cr-Al-Y alloys. Specifically N
iCoCrAlY, CoNiCrAlY, NiCrAl
Y, CoCrAlY, FeCrAlY and the like are preferable.

【0023】M−Cr−Al−Y合金層2は、溶射法、
PVD法、CVD法などの各種成膜方法によって形成す
ることができるが、実用上はプラズマ溶射法が最も有効
である。特にプラズマ溶射法の中でも、減圧雰囲気中で
溶射プロセスを行う減圧プラズマ溶射法が好ましく、こ
れにより成膜時のM−Cr−Al−Y合金層2の酸化を
抑制して、優れた耐酸化性を付与することができる。ま
た、M−Cr−Al−Y合金層2の厚さは10〜 500μm
程度の範囲から用途に応じて選択でき、例えばガスター
ビン翼部では50〜 300μm 程度が酸化寿命や金属基材1
とセラミックス層3の応力緩和効果の観点から適当であ
る。
The M-Cr-Al-Y alloy layer 2 is formed by the thermal spraying method,
It can be formed by various film forming methods such as the PVD method and the CVD method, but the plasma spraying method is most effective in practical use. Particularly, among the plasma spraying methods, a low pressure plasma spraying method in which a spraying process is performed in a reduced pressure atmosphere is preferable, which suppresses the oxidation of the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 at the time of film formation and has excellent oxidation resistance. Can be given. The thickness of the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 is 10 to 500 μm.
The range can be selected according to the application, for example, about 50 to 300 μm for gas turbine blades, oxidation life and metal base material 1
And is suitable from the viewpoint of the stress relaxation effect of the ceramic layer 3.

【0024】上述したようなM−Cr−Al−Y合金層
2上には、セラミックス層3が被覆形成されており、こ
れらによって例えば高温機器の構成材料として使用され
る耐熱部材4が構成されている。セラミックス層3は、
プラズマ溶射法、高速ガス炎溶射法(HVOF法)など
の溶射法、PVD法、CVD法、スピンコーティング法
などの各種成膜方法によって形成することができるが、
特に溶射法を用いてセラミックス層3を形成する場合
に、本発明は効果的である。なかでも、実用上はプラズ
マ溶射法が最も有効である。
On the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 as described above, a ceramic layer 3 is formed so as to cover the heat-resistant member 4 used as a constituent material of high-temperature equipment, for example. There is. The ceramic layer 3 is
It can be formed by various spraying methods such as plasma spraying method, high-speed gas flame spraying method (HVOF method), PVD method, CVD method, spin coating method, and the like.
The present invention is particularly effective when the ceramic layer 3 is formed by using the thermal spraying method. Among them, the plasma spraying method is most effective in practice.

【0025】そして、上述したセラミックス層3は、そ
れを主として構成するマトリックス材料5と、これらマ
トリックス材料5の粒子内や粒子間に分散配置された複
合酸化物粒子の凝集粒子6からなる分散粒子とを有して
いる。ここで、図1は溶射法により形成したセラミック
ス層3を示しており、マトリックス材料5は溶射凝固粒
子(溶融凝固粒子)である。
The above-mentioned ceramics layer 3 is composed of matrix material 5 which mainly constitutes the ceramics layer 3 and dispersed particles composed of aggregated particles 6 of composite oxide particles which are dispersed in and among the particles of the matrix material 5. have. Here, FIG. 1 shows the ceramics layer 3 formed by the thermal spraying method, and the matrix material 5 is thermal spray solidified particles (melt solidified particles).

【0026】このような溶射凝固粒子5の粒子内や粒子
間に、分散粒子として複合酸化物粒子の凝集粒子6が存
在している。この分散粒子としての凝集粒子6は、例え
ば主としてMg、Ca、Sr、Baなどのアルカリ土類
元素と、W、Ti、Ta、MoおよびNbから選ばれる
少なくとも 1種の金属元素とから構成される複合酸化物
からなるものであり、例えば図2に示すように、アルカ
リ土類元素と金属元素との反応生成粒子(複合酸化物粒
子)7を凝集、析出させた粒子である。
Aggregated particles 6 of composite oxide particles are present as dispersed particles in and between the particles of the spray-solidified particles 5. The agglomerated particles 6 as the dispersed particles are mainly composed of, for example, an alkaline earth element such as Mg, Ca, Sr, and Ba and at least one metal element selected from W, Ti, Ta, Mo, and Nb. For example, as shown in FIG. 2, the composite oxide is a particle obtained by aggregating and precipitating reaction product particles (composite oxide particles) 7 of an alkaline earth element and a metal element.

【0027】例えば、マトリックスを構成するセラミッ
クス材料中に、MgO、CaO、SrO、BaOなどの
アルカリ土類酸化物と、W、Ti、Ta、MoおよびN
bから選ばれる少なくとも 1種の金属元素を含む酸化物
とを混合したものを溶射原料粉末として用いて、溶射法
でセラミックス層3を被覆形成した後に熱処理を行う
と、金属基材1に対して悪影響を及ぼさない比較的低い
温度、例えば 500〜1400℃程度の温度で上記した化合物
同士が反応し、アルカリ土類元素と上記金属元素とを含
む複合酸化物粒子が生成する。さらに、熱処理条件や原
料粉末の粒径などを制御することによって、上記した複
合酸化物粒子間で焼結などが起こり、平板粒子や針状粒
子などに成長すると同時にこれら粒子が凝集し、平板状
や針状の複合酸化物粒子7の凝集粒子6が析出する。
For example, an alkaline earth oxide such as MgO, CaO, SrO or BaO and W, Ti, Ta, Mo and N are contained in the ceramic material constituting the matrix.
When a mixture of an oxide containing at least one metal element selected from b is used as the thermal spraying raw material powder and the ceramic layer 3 is formed by coating by thermal spraying and then heat treatment is performed, The above-mentioned compounds react with each other at a relatively low temperature that does not adversely affect, for example, a temperature of about 500 to 1400 ° C., and composite oxide particles containing an alkaline earth element and the above metal element are generated. Furthermore, by controlling the heat treatment conditions and the particle size of the raw material powder, sintering etc. occurs between the above-mentioned complex oxide particles, and at the same time these particles grow into tabular particles or acicular particles, and these particles agglomerate to form tabular particles. Aggregate particles 6 of needle-shaped composite oxide particles 7 are deposited.

【0028】このようにして、平板状や針状の複合酸化
物粒子7の凝集粒子6を、溶射凝固粒子5の粒子内や粒
子間に析出させることができる。この熱処理により析出
させた凝集粒子6は、マトリックス材料(溶射凝固粒
子)5からなるセラミックス層3の内部を進展する亀裂
の進展速度を抑制する。このような作用によって、セラ
ミックス層3の耐剥離寿命を向上させることが可能とな
る。このように、複合酸化物粒子7の凝集粒子6は分散
粒子として良好に機能する。
In this way, the agglomerated particles 6 of the flat or needle-shaped composite oxide particles 7 can be deposited within the particles of the spray-coagulated particles 5 or between the particles. The aggregated particles 6 deposited by this heat treatment suppress the growth rate of cracks that propagate inside the ceramic layer 3 made of the matrix material (spray-solidified particles) 5. By such an action, it becomes possible to improve the peeling resistance life of the ceramic layer 3. In this way, the aggregated particles 6 of the composite oxide particles 7 function well as dispersed particles.

【0029】特に、凝集粒子6を構成している複合酸化
物粒子7は個々にも亀裂の進展抑制効果を有しており、
このような複合酸化物粒子7を凝集粒として使用してい
るため、より大きな亀裂の進展抑制効果が得られる。す
なわち、亀裂が凝集粒子6を通過するときに、個々の複
合酸化物粒子7による亀裂の進展抑制効果に加えて、凝
集粒子6を破壊することで応力緩和が起こる。これらに
よって、より大きな亀裂の進展抑制効果を得ることがで
きる。
In particular, the composite oxide particles 7 constituting the agglomerated particles 6 also have an effect of suppressing crack propagation.
Since such complex oxide particles 7 are used as agglomerated particles, a larger effect of suppressing crack propagation can be obtained. That is, when the crack passes through the agglomerated particles 6, in addition to the effect of suppressing the progress of the crack by the individual composite oxide particles 7, stress relaxation is caused by breaking the agglomerated particles 6. By these, a larger crack growth suppressing effect can be obtained.

【0030】凝集粒子6の分散位置は、特に限定される
ものではないが、溶射凝固粒子5の粒子間に分散配置さ
れていると、セラミックス層3内部を伝播する亀裂の進
展抑制に対して効果的である。さらに、凝集粒子6は複
合酸化物粒子7間に気孔を含むため、熱応力の緩和性を
低下させることなく、亀裂の進展抑制効果を得ることが
できる。
The dispersal position of the agglomerated particles 6 is not particularly limited, but if they are dispersed and arranged between the particles of the spray-solidified particles 5, it is effective in suppressing the progress of cracks propagating inside the ceramic layer 3. Target. Furthermore, since the aggregated particles 6 include pores between the composite oxide particles 7, it is possible to obtain the effect of suppressing the progress of cracks without reducing the relaxation property of thermal stress.

【0031】凝集粒子6を構成する複合酸化物粒子7
は、Mg、Ca、Sr、Baなどから選ばれる少なくと
も 1種のアルカリ土類元素と、W、Ti、Ta、Moお
よびNbから選ばれる少なくとも 1種の金属元素とを主
として含んでいればよく、これら以外の他の元素をさら
に含んでいてもよい。生成する複合酸化物は、セラミッ
クス層3の形成時に添加した元素の種類とそれらの組成
によって異なる。
Composite oxide particles 7 constituting aggregated particles 6
Is required to mainly contain at least one kind of alkaline earth element selected from Mg, Ca, Sr, Ba and the like and at least one kind of metal element selected from W, Ti, Ta, Mo and Nb, It may further contain elements other than these. The produced complex oxide differs depending on the type of element added at the time of forming the ceramics layer 3 and their composition.

【0032】例えば、アルカリ土類金属としてMgを用
いた場合には、MgWO3 、MgTiO3 、MgTi2
5 、Mg2 TiO4 、MgTa2 6 、Mg4 Ta2
9、MgMoO4 、Mg2 Mo3 11、MgNb2
6 、Mg4 Nb2 9 などが、アルカリ土類金属として
Caを用いた場合には、CaWO4 、Ca3 WO6 、C
aTiO3 、Ca3 Ti2 7 、CaTa2 6 、Ca
Ta4 11、Ca2 Ta2 7 、CaMoO4 、CaN
2 6 、Ca4 Nb2 9 などが挙げられる。また、
アルカリ土類金属としてMgとCaとを併用した場合に
は、例えば上記したMgを含む複合酸化物とCaを含む
複合酸化物との混合物、MgとCaとを同時に含む複合
酸化物、あるいはこれらの混合物などとなる。
[0032] For example, in the case of using Mg as the alkaline earth metals, MgWO 3, MgTiO 3, MgTi 2
O 5 , Mg 2 TiO 4 , MgTa 2 O 6 , Mg 4 Ta 2
O 9 , MgMoO 4 , Mg 2 Mo 3 O 11 , MgNb 2 O
6 , Mg 4 Nb 2 O 9, etc., when Ca is used as the alkaline earth metal, CaWO 4 , Ca 3 WO 6 , C
aTiO 3 , Ca 3 Ti 2 O 7 , CaTa 2 O 6 , Ca
Ta 4 O 11 , Ca 2 Ta 2 O 7 , CaMoO 4 , CaN
etc. b 2 O 6, Ca 4 Nb 2 O 9 and the like. Also,
When Mg and Ca are used together as the alkaline earth metal, for example, a mixture of the above-mentioned composite oxide containing Mg and Ca, a composite oxide containing Mg and Ca at the same time, or a mixture thereof It becomes a mixture.

【0033】特に、高温雰囲気(例えば 850℃以上)で
長時間使用する耐熱部材4においては、MgWO3 、M
gMoO4 、Mg2 TiO4 、MgTiO3 、MgTi
2 5 、MgTa2 6 、Mg4 Ta2 9 、MgNb
2 6 、Mg4 Nb2 9 などや、同様なCaを含む複
合酸化物、あるいはこれらの混合物などからなる凝集粒
子6を適用することが好ましい。このような複合酸化物
粒子7は高温使用時の変化(変形、分解など)が小さい
ため、凝集粒子6による亀裂の進展抑制効果、さらには
それに基づくセラミックス層3の剥離抑制効果をより安
定して得ることが可能となる。
Particularly, in the heat resistant member 4 which is used for a long time in a high temperature atmosphere (eg, 850 ° C. or higher), MgWO 3 , M
gMoO 4 , Mg 2 TiO 4 , MgTiO 3 , MgTi
2 O 5 , MgTa 2 O 6 , Mg 4 Ta 2 O 9 , MgNb
Aggregated particles 6 made of 2 O 6 , Mg 4 Nb 2 O 9 or the like, a similar Ca-containing complex oxide, or a mixture thereof are preferably applied. Since such complex oxide particles 7 have a small change (deformation, decomposition, etc.) during high temperature use, the effect of suppressing the progress of cracks by the agglomerated particles 6 and the effect of suppressing the peeling of the ceramic layer 3 based on the effect are more stable. It becomes possible to obtain.

【0034】上述した複合酸化物のうち、特にCaを含
む複合酸化物粒子は、セラミックス層3を構成するマト
リックス材料5、例えば安定化ジルコニアと界面で反応
相を生成しやすいため、亀裂が進展した際にマトリック
ス材料5と凝集粒子6との界面での剥離を有効に抑制す
ることができる。これによって、亀裂の進展抑制効果を
高めることが可能となる。また、複合酸化物の一方の金
属元素としてTiやNbを用いた場合、複合酸化物粒子
7とマトリックス材料5との界面で反応物を同時に生成
し、より一層密着性が向上する。例えば、マトリックス
材料5がジルコニアの場合ZrTiO4 、ZrNb2
7 などが、またY安定ジルコニアの場合Y2 TiO5
3 NbO7 などが反応物として生成する。
Among the above-mentioned composite oxides, the composite oxide particles containing Ca in particular tend to generate a reaction phase at the interface with the matrix material 5 constituting the ceramics layer 3, for example, stabilized zirconia, so that cracks propagate. At this time, peeling at the interface between the matrix material 5 and the aggregated particles 6 can be effectively suppressed. This makes it possible to enhance the effect of suppressing the progress of cracks. Further, when Ti or Nb is used as one metal element of the complex oxide, a reaction product is simultaneously generated at the interface between the complex oxide particles 7 and the matrix material 5, and the adhesion is further improved. For example, when the matrix material 5 is zirconia, ZrTiO 4 , ZrNb 2 O
7 is also Y stable zirconia, Y 2 TiO 5 ,
Y 3 NbO 7 or the like is produced as a reaction product.

【0035】凝集粒子6を構成する複合酸化物粒子7の
析出形態としては、平板粒子もしくは針状組織であるこ
とが望ましく、このような形状の粒子を凝集させた凝集
粒子6をマトリックス材料(溶射凝固粒子など)5間に
析出させることで亀裂の進展が抑制される。ここで述べ
ている平板粒子とは、長径が 1〜40μm 程度で、かつ厚
さが 0.1〜 5μm 程度、アスペクト比が 0.1〜20程度の
ものであり、明らかに通常の溶射凝固粒子5に見られる
ようなラメラ組織と呼ばれる扁平粒子とは異なった形態
を有するものである。
The form of precipitation of the composite oxide particles 7 constituting the agglomerated particles 6 is preferably a tabular grain or a needle-like structure, and the agglomerated particles 6 obtained by aggregating particles having such a shape are used as a matrix material (spraying). The growth of cracks is suppressed by precipitating between (solidified particles, etc.) 5. The tabular grains described here have a major axis of about 1 to 40 μm, a thickness of about 0.1 to 5 μm, and an aspect ratio of about 0.1 to 20, and are clearly found in ordinary spray-coagulated grains 5. It has a morphology different from such flat particles called lamellar structure.

【0036】複合酸化物粒子7は平板粒子に限られるも
のでなく、例えばアスペクト比が大きく厚さの小さい粒
子、つまり針状粒子であってもよい。複合酸化物粒子7
は、平板粒子および針状粒子の双方を含んでいてもよ
い。凝集粒子6はこのような平板状や針状の複合酸化物
粒子7が互いに連結して絡み合った構造を有しているこ
とが好ましく、これによって亀裂の伝播をより有効に抑
制することができる。
The composite oxide particles 7 are not limited to tabular grains, and may be particles having a large aspect ratio and a small thickness, that is, needle-shaped particles. Complex oxide particles 7
May contain both tabular grains and acicular grains. The agglomerated particles 6 preferably have a structure in which such flat or needle-shaped composite oxide particles 7 are connected to each other and entangled with each other, whereby crack propagation can be suppressed more effectively.

【0037】複合酸化物粒子7の凝集径は特に限定され
るものではないが、セラミックス層3を構成するマトリ
ックス粒子(例えば溶射凝固粒子5)と同程度か、それ
よりも小さい径とすることが好ましい。具体的には、凝
集粒子6の径は10〜 100μmの範囲であることが好まし
く、このような凝集径のときに亀裂の進展抑制効果が効
率よく発揮される。
The agglomerate diameter of the composite oxide particles 7 is not particularly limited, but may be the same as or smaller than the matrix particles (for example, the spray-solidified particles 5) constituting the ceramics layer 3. preferable. Specifically, the diameter of the agglomerated particles 6 is preferably in the range of 10 to 100 μm, and at such an agglomerated diameter, the crack growth suppressing effect is efficiently exhibited.

【0038】凝集粒子6の径が10μm 未満であると、平
板状や針状の複合酸化物粒子7の凝集による亀裂抑制効
果を十分に得ることができないおそれがあり、一方 100
μmを超えるとセラミックス層3を主に構成するマトリ
ックス粒子5間の結合が小さくなるため、亀裂抑制効果
が十分発揮されないおそれがある。凝集粒子6の径はお
およそ複合酸化物粒子7の原料粉末を構成する個々の粒
子径に依存する。よって、目的とする凝集径に応じて原
料粉末の粒子径を設定する。
If the diameter of the agglomerated particles 6 is less than 10 μm, the effect of suppressing the cracking due to the agglomeration of the flat or acicular composite oxide particles 7 may not be sufficiently obtained.
If it exceeds μm, the bond between the matrix particles 5 mainly constituting the ceramics layer 3 becomes small, so that the crack suppressing effect may not be sufficiently exhibited. The diameter of the agglomerated particles 6 roughly depends on the individual particle diameters of the raw material powder of the composite oxide particles 7. Therefore, the particle diameter of the raw material powder is set according to the target aggregation diameter.

【0039】上記したような複合酸化物粒子7からなる
凝集粒子6は、マトリックス材料5に対して 1〜50%(重
量比)程度の範囲で分散配置することが好ましい。凝集
粒子6の量がマトリックス材料5に対して 1重量% 未満
であると、十分な亀裂の進展抑制効果を得ることができ
ないおそれがある。一方、凝集粒子6の量が50重量%を
超えるとマトリックス材料5の本来の特性を損ねるおそ
れがある。凝集粒子6の量はマトリックス材料5に対し
て 5〜40重量% の範囲とすることがさらに望ましい。
The aggregated particles 6 composed of the composite oxide particles 7 as described above are preferably dispersed and arranged in the range of about 1 to 50% (weight ratio) with respect to the matrix material 5. If the amount of the agglomerated particles 6 is less than 1% by weight with respect to the matrix material 5, it may not be possible to obtain a sufficient effect of suppressing the progress of cracks. On the other hand, if the amount of the aggregated particles 6 exceeds 50% by weight, the original characteristics of the matrix material 5 may be impaired. The amount of the agglomerated particles 6 is more preferably in the range of 5 to 40% by weight based on the matrix material 5.

【0040】凝集粒子6はセラミックス層3内部の亀裂
が進展する部位に分散させる。具体的には、熱応力によ
りM−Cr−Al−Y合金層2とセラミックス層3との
界面近傍に亀裂が進展しやすいため、この界面直上から
300μm 程度の範囲に特に凝集粒子6を存在させること
が好ましい。さらに望ましくは界面から 200μm 程度の
範囲である。また、セラミックス層3に縦亀裂を入れて
応力緩和を図る組織を有する場合、この縦亀裂の生成時
に剥離・脱落の原因となる横亀裂が発生することがあ
り、この横亀裂はセラミックス層3の不特定位置に発生
する可能性がある。このような場合には、分散粒子とし
ての凝集粒子6はセラミックス層3全体に存在させるこ
とが好ましい。
The agglomerated particles 6 are dispersed inside the ceramic layer 3 at the sites where cracks propagate. Specifically, cracks are likely to propagate near the interface between the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 and the ceramic layer 3 due to thermal stress.
In particular, it is preferable to allow the agglomerated particles 6 to exist in the range of about 300 μm. More preferably, the range is about 200 μm from the interface. In addition, when the ceramic layer 3 has a structure in which a vertical crack is formed to relax the stress, a lateral crack that causes peeling or falling may occur when the vertical crack is generated. It may occur at an unspecified position. In such a case, it is preferable that the agglomerated particles 6 as dispersed particles are present in the entire ceramic layer 3.

【0041】また一方で、遮熱コーティングとしてのセ
ラミックス層は、FODやエロージョン損傷による剥離
・脱落も起こるので、これらの劣化を防止する観点から
は表面近傍に凝集粒子6を分散させるとよい。さらに、
複合酸化物粒子7をセラミックス層3の外表面近傍に分
散させると、化学反応が起きるときの体積変化で微小亀
裂が発生し、セラミックス層3の応力緩和性を増大させ
ることができる。これらによって、エロージョン特性も
同時に改善することができる。特に表面およびその近傍
部分は、複合酸化物粒子7を生成するための熱処理温度
よりも高い温度に長時間晒されるおそれがある。このよ
うな場合、出発物質としてTiO2 を使用することによ
って、それがセラミックス層3を構成するジルコニアと
反応してZrTi2 7 粒子などが生成し、耐エロージ
ョン特性をさらに向上させることができる。
On the other hand, since the ceramic layer as the thermal barrier coating also peels off or falls off due to FOD or erosion damage, it is preferable to disperse the agglomerated particles 6 in the vicinity of the surface from the viewpoint of preventing these deteriorations. further,
When the composite oxide particles 7 are dispersed in the vicinity of the outer surface of the ceramic layer 3, microcracks are generated due to a volume change when a chemical reaction occurs, and the stress relaxation property of the ceramic layer 3 can be increased. By these, the erosion characteristics can be improved at the same time. In particular, the surface and the vicinity thereof may be exposed to a temperature higher than the heat treatment temperature for producing the composite oxide particles 7 for a long time. In such a case, by using TiO 2 as a starting material, it reacts with zirconia forming the ceramics layer 3 to generate ZrTi 2 O 7 particles and the like, so that the erosion resistance can be further improved.

【0042】この際、分散する複合酸化物の種類につい
ては特に限定されるものではなく、M−Cr−Al−Y
合金層2との界面近傍とセラミックス層3の外表面側に
分散させる粒子は、同一組成のものであってもよいし、
異なる組成のものであってもよい。特に、遮熱コーティ
ングのようにセラミックス層3に温度勾配が生じる場合
には、高温部の外表面近傍に高融点の複合酸化物粒子7
からなる凝集粒子6を分散させ、低温部の界面近傍に前
者よりも低融点の複合酸化物粒子7からなる凝集粒子6
を分散させるようにしてもよい。
At this time, the kind of the complex oxide to be dispersed is not particularly limited, and M-Cr-Al-Y is used.
The particles dispersed near the interface with the alloy layer 2 and on the outer surface side of the ceramic layer 3 may have the same composition,
It may be of different composition. In particular, when a temperature gradient is generated in the ceramics layer 3 as in the thermal barrier coating, the high melting point composite oxide particles 7 are formed in the vicinity of the outer surface of the high temperature portion.
Aggregated particles 6 made of composite oxide particles 7 having a lower melting point than the former are dispersed in the vicinity of the interface in the low temperature part.
May be dispersed.

【0043】セラミックス層3を構成するマトリックス
材料5としては、金属基材1との熱膨張率差により生じ
る熱応力を緩和するために、熱膨張率の大きい酸化ジル
コニウム、酸化ハフニウム、酸化チタンなどの4A族金
属の酸化物や酸化セリウム(CeO2 )のような希土類
酸化物を用いることが望ましい。特に、ZrO2 に代表
される4A族金属の酸化物を主成分とし、これに酸化イ
ットリウム、酸化セリウムなどの希土類酸化物やアルカ
リ土類酸化物を添加したものが好ましく用いられる。
The matrix material 5 constituting the ceramics layer 3 is made of zirconium oxide, hafnium oxide, titanium oxide or the like having a large coefficient of thermal expansion in order to relieve thermal stress caused by a difference in coefficient of thermal expansion with the metal base material 1. It is desirable to use a Group 4A metal oxide or a rare earth oxide such as cerium oxide (CeO 2 ). Particularly preferred is a compound containing a Group 4A metal oxide represented by ZrO 2 as a main component, to which a rare earth oxide such as yttrium oxide or cerium oxide or an alkaline earth oxide is added.

【0044】酸化ジルコニウム(ZrO2 )において
は、熱履歴によって生じる相転移を抑制するために、希
土類酸化物やアルカリ土類酸化物を添加して、主として
正方晶または立方晶で構成された部分安定化ジルコニア
や安定化ジルコニアを用いることが好ましい。また一方
で、 1〜 30%程度の単斜晶ジルコニアがセラミックス層
3内部に分布していると、微小クラックを層内に形成す
ることができるため、熱応力緩和の観点からは好ましい
ということができる。
In zirconium oxide (ZrO 2 ), in order to suppress the phase transition caused by thermal history, a rare earth oxide or an alkaline earth oxide is added to form a partially stable tetragonal or cubic crystal. It is preferable to use stabilized zirconia or stabilized zirconia. On the other hand, if 1 to 30% of monoclinic zirconia is distributed inside the ceramic layer 3, fine cracks can be formed in the layer, which is preferable from the viewpoint of thermal stress relaxation. it can.

【0045】セラミックス層3は耐熱部材4の使用用途
によっても異なるが、膜厚として50〜 500μm 程度被覆
することが好ましい。また、セラミックス層3の構造は
特に限定されるものではないが、例えば単一の溶射条件
(例えば原料粉末)で被覆する場合には、表面粗さが大
きくなるような条件で形成することが好ましい。被覆直
後の表面粗さはRz で50μm 以上とすることが好ましい
く、さらに望ましくは52μm 以上である。また、この場
合のセラミックス層3の硬度は、ビッカース硬度で650H
v(荷重200gf,30秒)以下であることが好ましい。これら
により、熱応力の緩和性に優れたセラミックス層3が得
られ、耐熱部材4の長寿命化に対して効果を発揮する。
Although the ceramic layer 3 varies depending on the intended use of the heat-resistant member 4, it is preferable to coat the ceramic layer 3 in a thickness of about 50 to 500 μm. The structure of the ceramics layer 3 is not particularly limited, but when the ceramics layer 3 is coated under a single thermal spraying condition (for example, raw material powder), it is preferably formed under the condition that the surface roughness becomes large. . The surface roughness Rz after coating is preferably 50 μm or more, more preferably 52 μm or more. The hardness of the ceramic layer 3 in this case is 650H in Vickers hardness.
It is preferably v (load 200 gf, 30 seconds) or less. By these, the ceramics layer 3 excellent in the relaxation of thermal stress is obtained, and it is effective in extending the life of the heat resistant member 4.

【0046】また、セラミックス層3を複数の溶射条件
で被覆形成する場合には、M−Cr−Al−Y合金層2
との界面から 200μm 程度までの範囲は、表面粗さが小
さい状態(例えばRz で50μm 以下、さらに望ましくは
48μm 以下)で被覆し、その後上記したような表面粗さ
が大きい状態(例えばRz で50μm 以上)で被覆するこ
とが好ましい。当初の被覆層の硬度は、ビッカース硬度
で650Hv(荷重200gf,30秒)以上であることが好ましい。
このようなセラミックス層3によれば、亀裂の発生を抑
制した上で、熱応力の緩和性を高めることができ、セラ
ミックス層3の剥離寿命を向上させることができる。特
に、セラミックス層3の厚さを 200μm以上とする場合
には、このような多層化構造のセラミックス層3を適用
することが望ましい。
When the ceramic layer 3 is formed by coating under a plurality of thermal spraying conditions, the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 is formed.
In the range from the interface with and about 200 μm, the surface roughness is small (for example, Rz is 50 μm or less, more preferably
It is preferable that the coating is carried out in a state where the surface roughness is large as described above (for example, Rz is 50 μm or more). The initial hardness of the coating layer is preferably 650 Hv (load 200 gf, 30 seconds) or more in Vickers hardness.
According to such a ceramics layer 3, the occurrence of cracks can be suppressed, the relaxation of thermal stress can be enhanced, and the peeling life of the ceramics layer 3 can be improved. In particular, when the thickness of the ceramic layer 3 is 200 μm or more, it is desirable to apply the ceramic layer 3 having such a multilayer structure.

【0047】次に、上述したセラミックス層3の形成方
法について説明する。なお、ここでは溶射法でセラミッ
クス層3の形成する場合について述べるが、他の成膜方
法を適用する場合には、選択した成膜方法に応じて各種
条件を設定するものとする。まず、セラミックス層3の
マトリックスを構成するセラミックス材料中に、Mgや
Caなどのアルカリ土類元素と、W、Ti、Ta、Mo
およびNbから選ばれる少なくとも 1種の金属元素とを
混合して、溶射原料粉末を調整する。アルカリ土類元素
および金属元素は、例えば酸化物や熱処理により酸化物
となる炭酸塩などが出発物質として用いられるが、これ
ら以外の化合物を用いることも可能である。ただし、ガ
スの離脱が起こるような炭酸塩などよりも、酸化物を添
加することで複合酸化物粒子7およびその凝集粒子6を
形成することが望ましい。
Next, a method of forming the above-mentioned ceramic layer 3 will be described. Although the case of forming the ceramics layer 3 by the thermal spraying method will be described here, when other film forming methods are applied, various conditions are set according to the selected film forming method. First, in the ceramic material forming the matrix of the ceramic layer 3, an alkaline earth element such as Mg or Ca and W, Ti, Ta or Mo.
And at least one metal element selected from Nb are mixed to prepare the thermal spray raw material powder. As the alkaline earth element and the metal element, for example, an oxide or a carbonate that becomes an oxide by heat treatment is used as a starting material, but a compound other than these can also be used. However, it is desirable to form the composite oxide particles 7 and the aggregated particles 6 thereof by adding an oxide, rather than a carbonate or the like that causes gas to be released.

【0048】複合酸化物粒子7の形成原料となるアルカ
リ土類元素と金属元素は、 (1)アルカリ土類元素を含む
化合物と上記金属元素を含む化合物、もしくはそれらの
混合物を、マトリックスを構成するセラミックス材料中
に混合する、 (2)アルカリ土類元素を含む化合物と上記
金属元素を含む化合物とを予め反応させて複合酸化物と
し、この複合酸化物粉末をセラミックス材料中に混合す
る、 (3)アルカリ土類元素を含む化合物と上記金属元素
を含む化合物のいずれか一方を、マトリックスを構成す
るセラミックス粒子内部に分散させた粉末と、他方の化
合物粉末とを混合する、などによりマトリックス材料と
混合することができる。
The alkaline earth element and the metal element, which are the raw materials for forming the composite oxide particles 7, include (1) a compound containing the alkaline earth element and a compound containing the above metal element, or a mixture thereof to form a matrix. (2) A compound containing an alkaline earth element and a compound containing the metal element are reacted in advance to form a composite oxide, and the composite oxide powder is mixed into the ceramic material. ) Mixing with a matrix material by, for example, mixing a powder in which one of a compound containing an alkaline earth element and a compound containing the above metal element is dispersed inside ceramic particles forming a matrix, and the other compound powder. can do.

【0049】上記した (2)の方法によれば、複合酸化物
粒子7およびその凝集粒子6の析出反応が促進されるた
め、セラミックス層3を被覆形成した後に行う熱処理を
比較的低温でかつ短時間で実施することができる。さら
に、 (3)の方法によれば (1)や (2)の方法に比べて凝集
粒子6をセラミックス層3内により均一に分散させるこ
とができる。
According to the above method (2), the precipitation reaction of the composite oxide particles 7 and the agglomerated particles 6 thereof is promoted, so that the heat treatment performed after the coating of the ceramic layer 3 is performed at a relatively low temperature and a short time. It can be done in time. Further, according to the method (3), the agglomerated particles 6 can be more uniformly dispersed in the ceramic layer 3 as compared with the methods (1) and (2).

【0050】さらに、セラミックス層3をジルコニアで
構成する場合、MgOやCaOなどのアルカリ土類酸化
物を添加する手段として、Mg安定化ジルコニア、Ca
安定化ジルコニア、MgもしくはCaとYなどの希土類
元素で結晶構造を安定化した安定化ジルコニア、MgO
やCaOとジルコニアとの複合酸化物などを使用するこ
ともできる。特に、MgやCaの供給源としてMg安定
化ジルコニアやCa安定化ジルコニアを用いると、熱処
理過程でMgやCaが分離するときに単斜晶ジルコニア
を生成するので、熱応力緩和の観点からは望ましい。
When the ceramic layer 3 is made of zirconia, Mg-stabilized zirconia and Ca are used as a means for adding an alkaline earth oxide such as MgO or CaO.
Stabilized zirconia, Mg or Ca and stabilized zirconia whose crystal structure is stabilized by rare earth elements such as Y, MgO
It is also possible to use a complex oxide of CaO and zirconia. In particular, when Mg-stabilized zirconia or Ca-stabilized zirconia is used as a source of Mg or Ca, monoclinic zirconia is generated when Mg or Ca separates during the heat treatment process, which is desirable from the viewpoint of thermal stress relaxation. .

【0051】上述したような溶射原料粉末の配合組成
は、セラミックス層3中に存在させる凝集粒子6の量、
目的とする複合酸化物粒子7の組成などに応じて適宜設
定する。典型的な配合組成としては、 0.1〜30重量% の
MgOおよび 0.1〜30重量% のCaOから選ばれる少な
くとも 1種(アルカリ土類酸化物の合計量は 1〜30重量
% )と、 0.1〜30重量% のWO3 、 0.1〜25重量% のT
iO2 、 0.1〜30重量%のTa2 5 、 0.1〜30重量%
のMoO3 および 0.1〜30重量% のNb2 5 から選ば
れる少なくとも 1種(金属酸化物の合計量は 1〜50重量
% )とを含み、残部が安定化ZrO2 からなる組成が挙
げられる。アルカリ土類酸化物はSrOやBaOであっ
てもよい。
The composition of the thermal spraying raw material powder as described above depends on the amount of the agglomerated particles 6 present in the ceramic layer 3,
It is appropriately set according to the intended composition of the composite oxide particles 7. A typical composition is at least one selected from 0.1 to 30% by weight of MgO and 0.1 to 30% by weight of CaO (the total amount of alkaline earth oxides is 1 to 30% by weight).
%), 0.1 to 30% by weight of WO 3 , 0.1 to 25% by weight of T
iO 2 , 0.1-30 wt% Ta 2 O 5 , 0.1-30 wt%
MoO 3 and 0.1 to 30% by weight of Nb 2 O 5 at least one kind (the total amount of metal oxide is 1 to 50% by weight).
%) And the balance is stabilized ZrO 2 . The alkaline earth oxide may be SrO or BaO.

【0052】被覆時に使用する原料粉末に関しては、例
えば溶射の付着効率を低下させないためにも、粒径は 1
〜 150μm の範囲であることが好ましく、さらには 1〜
125μm の範囲であることが望ましい。さらに、所定の
粉末を分級する前後に熱処理を行うと、被覆時にプラズ
マ炎を通過する際に粉末の飛散を抑制することができ
る。さらに、凝集粒子6の凝集径は、間接的に複合酸化
物粒子7の出発物質となるアルカリ土類酸化物を含む化
合物や金属元素を含む化合物の原料粉末を構成する個々
の粒子径に依存する。
Regarding the raw material powder used at the time of coating, for example, in order not to reduce the adhesion efficiency of thermal spraying, the particle size is 1
~ 150 μm is preferable, and further 1 ~
It is desirable to be in the range of 125 μm. Furthermore, if heat treatment is performed before and after classifying a predetermined powder, it is possible to suppress the scattering of the powder when passing through a plasma flame during coating. Furthermore, the aggregate diameter of the aggregated particles 6 depends on the individual particle diameters of the raw material powder of the compound containing the alkaline earth oxide or the compound containing the metal element, which indirectly serves as the starting material of the composite oxide particles 7. .

【0053】従って、上記した (1)の方法では、アルカ
リ土類元素を含む化合物粉末や金属元素を含む化合物粉
末、もしくはそれらの混合粉末の粒子径を、目的とする
凝集径に応じて適宜調整する。例えば、比較的大きい凝
集粒子6を分散させる場合には、例えば44μm 以上の粒
子径を有する粉末を用いることが好ましい。比較的小さ
い凝集粒子6を分散させる場合には、例えば 1〜44μm
程度の粒子径を有する粉末、もしくはこれらが緩やかに
凝集した粉末を用いることが好ましい。
Therefore, in the above method (1), the particle size of the compound powder containing the alkaline earth element, the compound powder containing the metal element, or the mixed powder thereof is appropriately adjusted according to the desired aggregate diameter. To do. For example, when dispersing relatively large agglomerated particles 6, it is preferable to use a powder having a particle size of, for example, 44 μm or more. When dispersing relatively small agglomerated particles 6, for example, 1 to 44 μm
It is preferable to use a powder having a particle size of a certain degree or a powder in which these are gently aggregated.

【0054】上記した (2)の方法では、予め反応させて
形成した複合酸化物粉末の粒子径を、目的とする凝集径
に応じて適宜調整する。具体的な粒子径は (1)の方法の
場合と同様である。また、 (3)の方法を適用する場合に
は、アルカリ土類元素を含む化合物と金属元素を含む化
合物のいずれか一方をセラミックス粒子内部に分散させ
た粉末に対して混合する、他方の化合物粉末の粒子径を
調整したり、あるいはセラミックス粒子内部の分散させ
る物質の大きさなどを適宜調整する。これらによって、
所望の凝集径を有する凝集粒子6が得られる。
In the above-mentioned method (2), the particle size of the complex oxide powder formed by the reaction in advance is appropriately adjusted according to the target aggregate size. The specific particle size is the same as in the case of the method (1). Further, when applying the method of (3), one of the compound containing an alkaline earth element and the compound containing a metal element is mixed with the powder dispersed inside the ceramic particles, the other compound powder The particle size of the particles is adjusted, or the size of the substance to be dispersed inside the ceramic particles is appropriately adjusted. By these,
Aggregated particles 6 having a desired aggregate diameter are obtained.

【0055】次に、上述したような溶射原料粉末を用い
て、金属基材1上に形成されたM−Cr−Al−Y合金
層2上に例えばプラズマ溶射法によりセラミックス層3
を形成する。なお、複数の溶射ガンを用いて、それぞれ
の溶射ガンから各原料粉末(マトリックス材料粉末と複
合酸化物粒子7の出発原料粉末、あるいはこれらの一部
を混合したもの)を溶射してセラミックス層3を形成し
てもよい。
Next, using the thermal spraying raw material powder as described above, the ceramic layer 3 is formed on the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 formed on the metal substrate 1 by, for example, the plasma spraying method.
To form. It should be noted that, using a plurality of thermal spraying guns, the respective raw material powders (matrix material powder and starting raw material powder of the complex oxide particles 7, or a mixture of a part thereof) are sprayed from the respective thermal spraying guns and the ceramic layer 3 is formed. May be formed.

【0056】得られたセラミックス層3に対して熱処理
を施すと、例えばセラミックス層3内に分散しているM
gOやCaOなどのアルカリ土類酸化物とW、Ti、T
a、MoおよびNbから選ばれる少なくとも 1種の金属
元素の酸化物とが反応して、前述したような複合酸化物
が生成する。さらに、このような複合酸化物粒子(もし
くは予め複合酸化物として添加した粒子)間で焼結など
が起こり、平板粒子や針状粒子として成長すると同時
に、これらが凝集して析出する。
When heat treatment is applied to the obtained ceramic layer 3, for example, M dispersed in the ceramic layer 3 is dispersed.
Alkaline earth oxides such as gO and CaO and W, Ti, T
By reacting with an oxide of at least one metal element selected from a, Mo and Nb, a complex oxide as described above is produced. Further, sintering or the like occurs between such composite oxide particles (or particles added in advance as a composite oxide) to grow as tabular particles or acicular particles, and at the same time, these agglomerate and precipitate.

【0057】このようにして、図2に示したような複合
酸化物粒子7の凝集粒子6を、溶射凝固粒子5の粒子内
や粒子間に分散配置したセラミックス層3を得ることが
できる。この際、複合酸化物粒子7およびその凝集粒子
6は、セラミックス層3を形成した後に熱処理を施すこ
とで析出させるため、溶射法のように当初の粒子形状が
失われてしまうコーティング法を適用したセラミックス
層3であっても、その内部に凝集粒子6を再現性よく分
散させることができる。
In this way, it is possible to obtain the ceramic layer 3 in which the aggregated particles 6 of the composite oxide particles 7 as shown in FIG. 2 are dispersed and arranged in the particles of the spray-coagulated particles 5 or between the particles. At this time, since the composite oxide particles 7 and the agglomerated particles 6 thereof are deposited by heat treatment after forming the ceramic layer 3, a coating method such as a thermal spraying method in which the initial particle shape is lost is applied. Even in the ceramic layer 3, the agglomerated particles 6 can be dispersed therein with good reproducibility.

【0058】複合酸化物粒子7からなる凝集粒子6は、
前述したように、 500〜1400℃程度の温度で反応および
析出させることができるため、熱処理時の温度条件は 5
00〜1400℃の範囲とする。このような熱処理温度であれ
ば、Ni基超合金やCo基超合金などからなる金属基材
1に悪影響を及ぼすこともない。また、熱処理温度は析
出させる複合酸化物の種類に応じて設定することが好ま
しい。すなわち、融点が高い複合酸化物を生成する場合
には、熱処理温度を高めに設定する。また、アルカリ土
類酸化物と反応させる化合物の蒸気圧が大きい場合に
は、複合酸化物を比較的低温で生成することができる。
熱処理は大気中で行ってもよいが、金属基材1の劣化を
考慮して不活性雰囲気中で実施してもよい。
The aggregated particles 6 composed of the composite oxide particles 7 are
As mentioned above, since the reaction and precipitation can be performed at a temperature of about 500 to 1400 ° C, the temperature condition during heat treatment is 5
It shall be in the range of 00 to 1400 ℃. Such a heat treatment temperature does not adversely affect the metal base material 1 made of a Ni-based superalloy, a Co-based superalloy, or the like. The heat treatment temperature is preferably set according to the type of complex oxide to be precipitated. That is, when producing a complex oxide having a high melting point, the heat treatment temperature is set to be high. Moreover, when the vapor pressure of the compound to be reacted with the alkaline earth oxide is high, the composite oxide can be produced at a relatively low temperature.
The heat treatment may be performed in the air, or may be performed in an inert atmosphere in consideration of deterioration of the metal substrate 1.

【0059】上述したような複合酸化物粒子7を凝集さ
せた凝集粒子6は、セラミックス層3内部の亀裂の進展
を抑制する効果を有し、また複合酸化物粒子7およびそ
の凝集粒子6の形態が高温環境下でも維持されるため、
セラミックス層3内での亀裂の進展を効果的に抑制する
ことができる。このような亀裂の進展抑制効果に基づい
て、耐熱部材4を高温雰囲気下で使用した際に生じる熱
応力によるセラミックス層3の剥離を安定して抑制する
ことができる。すなわち、セラミックス層3の耐剥離性
を大幅に向上させることが可能となる。
The aggregated particles 6 obtained by aggregating the composite oxide particles 7 as described above have the effect of suppressing the development of cracks inside the ceramic layer 3, and the forms of the composite oxide particles 7 and the aggregated particles 6 thereof. Is maintained even in a high temperature environment,
It is possible to effectively suppress the development of cracks in the ceramic layer 3. Based on such a crack growth suppressing effect, it is possible to stably suppress peeling of the ceramic layer 3 due to thermal stress generated when the heat resistant member 4 is used in a high temperature atmosphere. That is, the peeling resistance of the ceramic layer 3 can be significantly improved.

【0060】また、複合酸化物粒子7は、当初化合物粉
末などとしてセラミックス層3のマトリックス材料中に
混合され、セラミックス層3を形成した後の熱処理工程
で反応させて生成するため、溶射法のように当初の粒子
形状が失われてしまうコーティング法を適用したセラミ
ックス層3の内部においても、上記したような亀裂の進
展抑制効果を有する複合酸化物粒子7の凝集粒子6を再
現性よく分散させることができる。
Further, since the composite oxide particles 7 are initially mixed in the matrix material of the ceramic layer 3 as a compound powder or the like and reacted by the heat treatment step after the ceramic layer 3 is formed, they are produced by a thermal spraying method. In the inside of the ceramic layer 3 to which the coating method in which the initial particle shape is lost is applied, the aggregated particles 6 of the composite oxide particles 7 having the effect of suppressing the progress of cracks as described above should be dispersed with good reproducibility. You can

【0061】[0061]

【実施例】次に、本発明の具体的実施例について説明す
る。
EXAMPLES Next, specific examples of the present invention will be described.

【0062】実施例1 まず、Ni基超耐熱合金Mar-M247からなる丸棒の表面
に、プラズマ溶射法により厚さ約 150μm のNiCoC
rAlY層を形成した後、さらに (a) 8重量% Y2 3
安定化ZrO2 粉末(粒径分布:44〜80μm)と、 (b)M
gOとTiO2 とを重量比で 1:2.5の割合で混合した粉
末(粒径分布:20〜50μm)とを、重量比で8:2の割合で
混合した粉末を溶射原料粉末として用いて、厚さ 250μ
m のセラミックス層を被覆形成した。
Example 1 First, a NiCoC having a thickness of about 150 μm was formed by a plasma spraying method on the surface of a round bar made of a Ni-base super heat-resistant alloy Mar-M247.
After forming the rAlY layer, (a) 8 wt% Y 2 O 3
Stabilized ZrO 2 powder (particle size distribution: 44-80 μm), (b) M
Using a powder obtained by mixing gO and TiO 2 in a weight ratio of 1: 2.5 (particle size distribution: 20 to 50 μm) in a weight ratio of 8: 2 as a thermal spray raw material powder, Thickness 250μ
A ceramic layer of m 3 was formed by coating.

【0063】次に、上記セラミックス層を形成した試料
に対して、室温から1100℃まで 6時間かけて昇温した
後、その温度で 2時間保持し、引き続いて 800℃で16時
間保持することにより熱処理を施した。熱処理後のセラ
ミックス層の構成材料をX線回折法で調べたところ、主
としてY安定化ジルコニアとMgTi2 5 で構成され
ていることが分かった。さらに、SEM観察を実施した
ところ、セラミックス層を主として構成するジルコニア
溶射粒子間に、MgTi2 5 からなる平板粒子が凝集
して存在していることが確認された。これらの凝集径は
20〜60μm 程度であった。このようにして得た試料を後
述する特性評価に供した。
Next, the sample on which the above-mentioned ceramic layer was formed was heated from room temperature to 1100 ° C. over 6 hours, then kept at that temperature for 2 hours, and then kept at 800 ° C. for 16 hours. Heat treatment was applied. When the constituent materials of the ceramic layer after the heat treatment were examined by the X-ray diffraction method, it was found that the constituent materials were mainly composed of Y-stabilized zirconia and MgTi 2 O 5 . Further, when SEM observation was carried out, it was confirmed that tabular grains made of MgTi 2 O 5 were aggregated and present between the zirconia sprayed grains mainly constituting the ceramics layer. These aggregate diameters are
It was about 20-60 μm. The sample thus obtained was subjected to the characteristic evaluation described below.

【0064】実施例2 Ni基超耐熱合金CMSX-2からなる丸棒の表面に、プラズ
マ溶射法により厚さ約140μm のNiCoCrAlY層
を形成した後、 (a) 8重量% Y2 3 安定化ZrO2
予めMgOを 1.5重量% 添加して作製した溶融粉砕粉末
(粒径分布:10〜44μm)に、 (b)TiO2 粉末(粒径分
布: 2〜10μm)を 8.5重量% 混合した粉末を溶射原料粉
末として用いて、厚さ 150μm の第1のセラミックス層
を形成した。さらに、その上に (c) 8重量% Y2 3
定化ZrO2 の造粒焼成粉末(粒径分布:10〜44μm)を
溶射原料粉末として用いて、厚さ 100μm の第2のセラ
ミックス層を形成した。
Example 2 A NiCoCrAlY layer having a thickness of about 140 μm was formed on the surface of a round bar made of Ni-base super heat-resistant alloy CMSX-2 by plasma spraying, and then (a) 8 wt% Y 2 O 3 stabilization was performed. Powder obtained by mixing (b) TiO 2 powder (particle size distribution: 2 to 10 μm) with 8.5% by weight of melt-pulverized powder (particle size distribution: 10 to 44 μm) prepared by previously adding 1.5% by weight of MgO to ZrO 2. Was used as a thermal spraying raw material powder to form a first ceramics layer having a thickness of 150 μm. On top of that, (c) a granulated and fired powder of 8 wt% Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (particle size distribution: 10 to 44 μm) was used as a thermal spraying raw material powder, and a 100 μm thick second ceramic layer was formed. Was formed.

【0065】次に、上記 2層構造のセラミックス層を形
成した試料を1100℃で 3時間、引き続いて 800℃で16時
間の条件で熱処理した。熱処理後のセラミックス層のX
線回折およびSEM観察を実施したところ、NiCoC
rAlY層から 150μm の領域において、Y安定化ジル
コニア溶射粒子間にMgTi2 5 からなる平板粒子が
凝集して存在していることが確認された。これらの凝集
径は10〜30μm 程度であった。このようにして得た試料
を後述する特性評価に供した。
Next, the sample having the two-layered ceramic layer formed thereon was heat-treated at 1100 ° C. for 3 hours and then at 800 ° C. for 16 hours. X of the ceramic layer after heat treatment
When line diffraction and SEM observation were performed, NiCoC
It was confirmed that tabular grains of MgTi 2 O 5 were aggregated and present between the Y-stabilized zirconia sprayed grains in a region of 150 μm from the rAlY layer. Their aggregate diameter was about 10 to 30 μm. The sample thus obtained was subjected to the characteristic evaluation described below.

【0066】比較例1 Ni基超耐熱合金CMSX-2からなる丸棒の表面に、プラズ
マ溶射法により厚さ約140μm のNiCoCrAlY層
を形成した後、 8重量% Y2 3 安定化ZrO2 粉末
(粒径分布:10〜44μm)のみを溶射原料粉末として用い
て、厚さ 250μmのセラミックス層を形成した。この試
料に1100℃で 3時間、引き続いて 800℃で16時間熱処埋
を施したが、セラミックス層内部には析出相(針状また
は平板粒子)は認められなかった。この試料を以下に示
す特性評価に供した。
Comparative Example 1 A NiCoCrAlY layer having a thickness of about 140 μm was formed on the surface of a round bar made of Ni-base super heat-resistant alloy CMSX-2 by a plasma spraying method, and then 8 wt% Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 powder was prepared. A ceramic layer having a thickness of 250 μm was formed by using only (particle size distribution: 10 to 44 μm) as the thermal spraying raw material powder. When this sample was heat-treated at 1100 ° C for 3 hours and then at 800 ° C for 16 hours, no precipitation phase (acicular or tabular grains) was observed inside the ceramic layer. This sample was subjected to the characteristic evaluation shown below.

【0067】上記した実施例1〜2の各試料および比較
例1の試料に対して、それぞれガスタービン運転時に部
材が晒される雰囲気を模擬した 850℃の大気中で、250M
Paの応力を加えて、12時間サイクルで室温との繰り返し
加熱試験を実施した。その結果、実施例1〜2の各試料
では1000サイクルを超えてもセラミックス層の剥離は起
こらなかった。試験後に試料の断面を観察したところ、
Y安定化ZrO2 層内部に若干亀裂が成長している部位
も認められたが、亀裂の進展が平板粒子や針状粒子の凝
集粒子により抑えられていることが分かった。一方、比
較例1の試料では 700サイクルでジルコニア層の剥離が
はじまり、 800サイクルで完全に剥離してしまった。
For each of the samples of Examples 1 and 2 and the sample of Comparative Example 1 described above, 250 M in an atmosphere of 850 ° C. simulating the atmosphere to which the members are exposed during gas turbine operation.
A stress of Pa was applied and a repeated heating test with room temperature was carried out in a 12-hour cycle. As a result, in each of the samples of Examples 1 and 2, the peeling of the ceramic layer did not occur even after 1000 cycles. When the cross section of the sample was observed after the test,
Some cracks were found to grow inside the Y-stabilized ZrO 2 layer, but it was found that the progress of cracks was suppressed by tabular grains or aggregated particles of needle-shaped grains. On the other hand, in the sample of Comparative Example 1, the peeling of the zirconia layer started at 700 cycles, and the peeling completely occurred at 800 cycles.

【0068】実施例3 Ni基超耐熱合金CMSX-2からなる丸棒の表面に、プラズ
マ溶射法により厚さ約140μm のNiCoCrAlY層
を形成した後、 (a) 8重量% Y2 3 安定化ZrO2
末と 8重量% MgO安定化ZrO2 粉末とを重量比で1
0:2の割合で混合した粉末(粒径分布:20〜80μm)に、
(b)Nb2 5 粉末(粒径分布:10〜20μm)を25重量%
混合した粉末を溶射原料粉末として用いて、厚さ 250μ
m のセラミックス層を形成した。
Example 3 A NiCoCrAlY layer having a thickness of about 140 μm was formed on the surface of a round bar made of a Ni-base super heat-resistant alloy CMSX-2 by a plasma spraying method, and then (a) 8 wt% Y 2 O 3 stabilization was performed. ZrO 2 powder and 8 wt% MgO-stabilized ZrO 2 powder in a weight ratio of 1
Powder mixed at a ratio of 0: 2 (particle size distribution: 20-80 μm),
(b) 25% by weight of Nb 2 O 5 powder (particle size distribution: 10 to 20 μm)
The mixed powder is used as the thermal spray raw material powder, and the thickness is 250μ.
A ceramic layer of m 2 was formed.

【0069】次に、上記セラミックス層を形成した試料
を1200℃で 3時間、引き続いて 800℃で16時間の条件で
熱処理した。熱処理後のセラミックス層の構成材料をX
線回折法で調べたところ、主としてY安定化ジルコニ
ア、単斜晶ジルコニアおよびMgNb2 6 で構成され
ていることが分かった。さらに、SEM観察を実施した
ところ、セラミックス層を主として構成するY安定化ジ
ルコニア溶射粒子や単斜晶ジルコニア溶射粒子間に、M
gNb2 6 からなる平板粒子が凝集して存在している
ことが確認された。これらの凝集径は20〜30μm 程度で
あった。このようにして得た試料を後述する特性評価に
供した。
Next, the sample on which the ceramic layer was formed was heat-treated at 1200 ° C. for 3 hours and subsequently at 800 ° C. for 16 hours. X is used as the constituent material of the ceramic layer after the heat treatment.
A line diffraction analysis revealed that it was mainly composed of Y-stabilized zirconia, monoclinic zirconia and MgNb 2 O 6 . Furthermore, when SEM observation was performed, M was observed between the Y-stabilized zirconia sprayed particles and the monoclinic zirconia sprayed particles mainly constituting the ceramics layer.
It was confirmed that tabular grains composed of gNb 2 O 6 were present in an aggregated state. The aggregate diameter of these was about 20 to 30 μm. The sample thus obtained was subjected to the characteristic evaluation described below.

【0070】比較例2 Ni基超耐熱合金CMSX-2からなる丸棒の表面に、プラズ
マ溶射法により厚さ約140μm のNiCoCrAlY層
を形成した後、 8重量% Y2 3 安定化ZrO2 と 8重
量% MgO安定化ZrO2 とを重量比で10:2の割合で混
合した粉末を溶射原料粉末として用いて、厚さ 200μm
のセラミックス層を形成した。
Comparative Example 2 After a NiCoCrAlY layer having a thickness of about 140 μm was formed on the surface of a round bar made of Ni-base super heat-resistant alloy CMSX-2 by a plasma spraying method, 8 wt% Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 was added. A powder obtained by mixing 8% by weight of MgO-stabilized ZrO 2 at a weight ratio of 10: 2 was used as a thermal spray raw material powder, and the thickness was 200 μm.
The ceramic layer of was formed.

【0071】次に、上記セラミックス層を形成した試料
を1200℃で 3時間、引き続いて 800℃で16時間の条件で
熱処理した。熱処理後のセラミックス層の構成材料をX
線回折法で調べたところ、主としてY安定化ジルコニア
と単斜晶ジルコニアで構成されていることが分かった。
このセラミックス層のSEM観察を実施したが、内部に
析出相は認められなかった。このようにして得た試料を
後述する特性評価に供した。
Next, the sample on which the above-mentioned ceramic layer was formed was heat-treated at 1200 ° C. for 3 hours and subsequently at 800 ° C. for 16 hours. X is used as the constituent material of the ceramic layer after the heat treatment.
A line diffraction analysis revealed that it was mainly composed of Y-stabilized zirconia and monoclinic zirconia.
SEM observation of this ceramic layer was carried out, but no precipitation phase was found inside. The sample thus obtained was subjected to the characteristic evaluation described below.

【0072】上記した実施例3および比較例2の各試料
に対して、それぞれガスタービン運転時に部材が晒され
る雰囲気を模擬した 850℃の大気中で、250MPaの応力を
加えて、12時間サイクルで室温との繰り返し加熱試験を
実施した。その結果、実施例3の試料では1000サイクル
を超えてもセラミックス層の剥離は起こらなかった。試
験後に試料の断面を観察したところ、Y安定化ZrO2
層内部に若干亀裂が成長している部位も認められたが、
亀裂の進展が平板粒子や針状粒子の凝集粒子により抑え
られていることが分かった。一方、比較例2の試料は短
時間の熱サイクルでセラミックス層が剥離してしまっ
た。
For each of the samples of Example 3 and Comparative Example 2 described above, a stress of 250 MPa was applied in the atmosphere of 850 ° C. which simulates the atmosphere to which the members are exposed during the operation of the gas turbine, and a cycle of 12 hours was applied. A repeated heating test with room temperature was carried out. As a result, in the sample of Example 3, peeling of the ceramic layer did not occur even after 1000 cycles. When the cross section of the sample was observed after the test, Y-stabilized ZrO 2
Although some cracks were found inside the layer,
It was found that the growth of cracks was suppressed by tabular grains and agglomerated grains of acicular grains. On the other hand, in the sample of Comparative Example 2, the ceramic layer peeled off in a short thermal cycle.

【0073】[0073]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の耐熱部材
によれば、セラミックス層内部に平板粒子や針状粒子な
どが凝集した凝集粒子を安定して分散させることができ
るため、セラミックス層の剥離を再現性よく抑制するこ
とが可能となる。従って、信頼性と寿命を格段に向上さ
せた耐熱部材を提供することができる。
As described above, according to the heat-resistant member of the present invention, it is possible to stably disperse agglomerated particles obtained by aggregating tabular particles or acicular particles inside the ceramic layer. It is possible to suppress peeling with good reproducibility. Therefore, it is possible to provide a heat-resistant member having significantly improved reliability and life.

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

【図1】 本発明の一実施形態による耐熱部材の要部構
造を模式的に示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing a main part structure of a heat resistant member according to an embodiment of the present invention.

【図2】 図1に示す凝集粒子の構造を示す模式図であ
る。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of the aggregated particles shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1……金属基材 2……M−Cr−Al−Y合金層 3……セラミックス層 4……耐熱部材 5……マトリックス材料 6……凝集粒子 7……複合酸化物粒子 1 ... Metal base material 2 ... M-Cr-Al-Y alloy layer 3 ... Ceramics layer 4 ... Heat resistant material 5: Matrix material 6 ... Aggregated particles 7 ... Compound oxide particles

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 Ni、CoおよびFeから選ばれる少な
くとも 1種の元素を主成分とする合金からなる金属基材
と、前記金属基材上に被覆形成されたM−Cr−Al−
Y合金層(ただし、MはNi、CoおよびFeから選ば
れる少なくとも 1種の元素を示す)と、前記M−Cr−
Al−Y合金層上に設けられたセラミックス層とを具備
する耐熱部材において、 前記セラミックス層は、それを主として構成するマトリ
ックス材料と、前記マトリックス材料内に分散配置さ
れ、アルカリ土類元素を含む複合酸化物粒子の凝集粒子
とを有することを特徴とする耐熱部材。
1. A metal base material made of an alloy containing at least one element selected from Ni, Co and Fe as a main component, and M-Cr-Al- coated on the metal base material.
Y alloy layer (where M represents at least one element selected from Ni, Co and Fe), and M-Cr-
A heat-resistant member comprising a ceramics layer provided on an Al-Y alloy layer, wherein the ceramics layer is a matrix material that mainly constitutes it, and a composite material that is dispersedly arranged in the matrix material and contains an alkaline earth element. A heat-resistant member comprising: aggregated particles of oxide particles.
【請求項2】 請求項1記載の耐熱部材において、 前記凝集粒子は、アルカリ土類元素とW、Ti、Ta、
MoおよびNbから選ばれる少なくとも 1種の金属元素
とを含む複合酸化物からなると共に、前記複合酸化物の
平板粒子および針状粒子の少なくとも一方を凝集させた
粒子であることを特徴とする耐熱部材。
2. The heat-resistant member according to claim 1, wherein the aggregated particles are alkaline earth elements and W, Ti, Ta,
A heat-resistant member comprising a composite oxide containing at least one metal element selected from Mo and Nb, and being particles obtained by aggregating at least one of tabular grains and acicular grains of the composite oxide. .
【請求項3】 Ni、CoおよびFeから選ばれる少な
くとも 1種の元素を主成分とする合金からなる金属基材
と、前記金属基材上に被覆形成されたM−Cr−Al−
Y合金層(ただし、MはNi、CoおよびFeから選ば
れる少なくとも 1種の元素を示す)と、前記M−Cr−
Al−Y合金層上に被覆形成されたセラミックス層とを
具備する耐熱部材を製造するにあたり、 前記セラミックス層を主として構成するマトリックス材
料と、アルカリ土類元素と、W、Ti、Ta、Moおよ
びNbから選ばれる少なくとも 1種の金属元素とを含有
する原料粉末を用いて、前記M−Cr−Al−Y合金層
上に前記セラミックス層を被覆形成する工程と、 前記セラミックス層に 500〜1400℃の範囲の温度で熱処
理を施して、前記アルカリ土類元素と前記金属元素とを
含む複合酸化物粒子を凝集させた凝集粒子を、前記セラ
ミックス層中に分散、析出させる工程とを有することを
特徴とする耐熱部材の製造方法。
3. A metal base material made of an alloy containing at least one element selected from Ni, Co and Fe as a main component, and M-Cr-Al- coated on the metal base material.
Y alloy layer (where M represents at least one element selected from Ni, Co and Fe), and M-Cr-
In manufacturing a heat-resistant member including a ceramic layer formed by coating on an Al-Y alloy layer, a matrix material mainly constituting the ceramic layer, an alkaline earth element, W, Ti, Ta, Mo and Nb A step of forming the ceramic layer on the M-Cr-Al-Y alloy layer by coating with a raw material powder containing at least one metal element selected from A heat treatment at a temperature in the range, agglomerated particles obtained by aggregating the composite oxide particles containing the alkaline earth element and the metal element, dispersed in the ceramic layer, and a step of depositing, A method for manufacturing a heat resistant member.
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