JP3769065B2 - Zirconia-coated member, manufacturing method thereof, manufacturing apparatus thereof, and turbine member - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温または高温腐食環境下で好適に用いられるジルコニア被覆部材およびその製造方法とその製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、発電用ガスタービンプラント等においては、発電効率を向上させるために、ガスタービンの高温化が志向されている。この高温化に伴ってガスタービン部材の耐熱温度や高温耐酸化性の向上が望まれ、それらの部材の材質として、Ni基あるいはCo基高温用耐熱合金が開発され、耐熱温度も向上してきている。しかしながら、その耐熱温度は850℃程度が限界である。
【0003】
そこで、さらに高温耐久性を高める目的からセラミック材料が検討されているが、構造材として用いるには金属材料に比べ靭性等に問題があり、本格的に適用されるまでには至っていない。従って、このような部材の高温化に対処するために、部材が高温にならないような手段の検討も盛んに行われている。
【0004】
すなわち、このような方法の一つは部材を冷却する方法であり、他の方法は部材の表面に熱伝導率の小さいセラミックをコーティングする方法である。
【0005】
このようなコーティングは遮熱コーティング(Thermal Barrier Coating) と呼ばれ、遮熱コーティングを施さないものに比べ金属基材の実質温度を50℃〜100℃抑制できる。そして、この遮熱コーティングを構成するセラミックとしてはジルコニアがある。このジルコニアは優れた機械的な性質に加え、熱電導率が低いという利点をもっている。
【0006】
ところで、ジルコニアには単斜晶、正方晶、立方晶の3つの結晶構造があるが、機械的性質の観点からは正方晶が最も優れている。純ジルコニア(ZrO)は、室温では単斜晶が安定相であるが、温度を上げていくと、約1000℃付近で単斜晶から正方晶に、約2300℃付近で正方晶から立方晶に可逆的に相転移する。この相転移の発生とそれに伴う体積変化が純ジルコニアの実用上の障害になっている。すなわち、ジルコニアの焼結プロセスにおける冷却過程で、ジルコニアは正方晶から機械的性質に劣る単斜晶に相転移し、そのときに大きな体積膨張が発生するため、低下した機械的性質と相まって自壊する恐れが高い。この冷却過程での相転移をなくすため、通常、機械的性質に優れる正方晶や立方晶を室温まで持ち越すように、つまり高温相を安定化するために、YやCaO、MgO等の化合物を添加して用いている。これにより、冷却過程で生じる正方晶から単斜晶への相転移を抑制し、室温から高温まで機械的性質に優れる正方晶や立方晶とすることができる。
【0007】
また遮熱コーティングは金属基材を構成する耐熱合金と物性値が異なるセラミックによって被覆するものであるため、金属基材とジルコニア被覆層との密着強度、およびその信頼性に問題がある。特に、ガスタービン等では起動、停止を繰り返すことにより生ずる熱サイクルにより、金属基材表面が高温酸化や高温腐食を生じて、高温における機械的強度や耐化学的特性が低下しジルコニア被覆層の剥離、脱落等の損傷が生じる。
【0008】
そこで、このような問題点を解決する方法として、金属基材とジルコニア被覆層との間に金属合金層からなる結合層を設けるものがある。この結合層は、耐高温酸化や高温腐食に優れた性質を有するNiあるいはCoを主成分としCr、Al、Y等を添加した、いわゆるMCrAlY系合金がよく使用されている。そしてこのような結合層や遮熱コーティングに用いるジルコニア被覆層は、主に大気プラズマ溶射法で形成される。この場合、ジルコニア被覆層と結合層との密着機構は機械的な結合にすぎず、その強度は2〜5kg/mm2 といわれている。このように、結合層や遮熱コーティングに用いるジルコニア被覆層が、主に大気プラズマ溶射法で形成される理由は、被覆形成速度が速く、経済性に優れているためである。
【0009】
しかしながら、大気プラズマ溶射法により形成された結合層やジルコニア被覆層は気孔が多い。これらは、燃料中の腐食性不純物等も含まれる高温腐食環境下で用いられるため、気孔の多い多孔質構造の結合層やジルコニア被覆層では、結合層の高温酸化、高温腐食の問題がある。結合層は耐酸化性、耐食性に優れた成分であるが、それらの形成方法によっては、必ずしも本来の合金材料で予想される耐酸化性、耐食性を発揮するものではない。
【0010】
このような、大気プラズマ溶射で形成した結合層やジルコニア被覆層で構成した遮熱コーティングを高温酸化、あるいは高温腐食環境下で熱サイクル試験を行った結果によると、その耐久性は著しく低く、ジルコニア被覆層が剥離することがわかっている。これは、結合層とジルコニア被覆層との結合が、本来機械的な結合でその強度が弱いことに加え、その境界部分の結合層の表面が酸化あるいは腐食され、その密着力が更に低下するためと考えられる。またジルコニア被覆層の剥離は、結合層との境界面のみだけでなく、ジルコニア被覆層内でも多数発生している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
このような点に鑑み、本発明の目的は、機械的な強度を確保した上で、高温酸化、高温腐食環境下の熱サイクルが繰り返されても、ジルコニア被覆層内に割れや剥離が長期間起こりにくいジルコニア被覆部材及びその製造方法と製造装置を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するために、ジルコニア被覆層の結晶構造と皮膜組織について研究を重ねた結果、ジルコニア被覆層の持つ優れた機械的性質を確保し、かつ高温雰囲気中での剥離寿命を長くするためには、結晶構造と柱状結晶のミクロ組織を制御することが重要であることを見いだした。
【0013】
ここに本発明は、金属基材と、前記金属基材上に被覆形成された結合層と、前記結合層上に被覆形成されたZrOを主成分とするジルコニア被覆層を具備してなるジルコニア被覆部材であって、前記ジルコニア被覆層を構成する結晶が柱状晶からなる正方晶を90%以上含んでなることを特徴とする、ジルコニア被覆部材である。
【0014】
本発明は好ましくは、ミラー指数(200)および/または(002)の方位に配向性を有する結晶が、前記ジルコニア被覆層表面における面積比で80%以上であり、前記金属基材が、Ni、Cr、Coの少なくとも1種を含有してなり、前記結合層が、M−Cr−Al−Y層(ここで、Mは、Ni、Co、Feの少なくとも1種を示す)からなるものであって、前記ジルコニア被覆層の柱状晶からなる各結晶粒が1個の結晶体となって成長してなるものである。
【0015】
また、本発明は、前記ジルコニア被覆部材を具備してなるタービン部材である。
【0016】
本発明のジルコニア被覆部材の製造方法は、前記金属基材上に前記結合層を形成し、さらに前記結合層上に前記ジルコニア被覆層を物理蒸着法によって形成し、好ましくは、前記結合層を減圧プラズマ溶射または物理蒸着法によって形成する。
【0017】
また、本発明のジルコニア被覆部材の製造方法は、好ましくは、前記ジルコニア被覆層の形成に際し、ZrOを主成分としCaO、MgO、Y、CeOのいずれか1種以上を含んでなるジルコニアターゲット材に、電子ビームを照射して前記ターゲット材を蒸発させ、前記ターゲット材を前記結合層に成膜し、かつ、前記成膜の間、前記金属基材を加熱し続ける、好ましくは金属基材温度が、700℃以上であり、かつ、前記金属基材の溶体化処理温度以下に保持され、前記金属基材のみを局部加熱する。
【0018】
本発明のジルコニア被覆部材の製造装置は、前記ジルコニア被覆層の成膜時の前記金属基材のみを局部加熱するための金属基材加熱装置を、前記金属基材の周囲に配置してなり、好ましくは、金属基材加熱装置からの輻射熱が集束する位置に、前記金属基材の配設器具が配設されてなり、前記金属基材の温度を測定する熱センサーを前記金属基材の近傍に配設し、前記熱センサーからの信号を前記金属基材加熱装置にフィードバックさせるようにしてなるものである。
【0019】
好ましくは本発明のジルコニア被覆部材の製造装置は、前記金属基材加熱装置を前記金属基材の周囲に独立に複数配置してなり、扉が設けられてなるバッチ型装置、例えば扉を開閉させて前記金属基材を取り付けるバッチ型炉であり、1以上の前記金属基材加熱装置を前記扉に配置してなる。また、好ましくは前記金属加熱装置に、グラファイトからなるヒータエレメントが設けられてなり、前記金属加熱装置の前記金属基材に面した部分は、ヒータエレメントが露出しており、前記金属加熱装置の他の部分は防熱板によって囲まれてなるものである。また、さらに好ましくは前記熱センサーを複数個配設し、前記熱センサーからの信号を各々別の前記複数個の金属基材加熱装置にフィードバックさせ、複数個の前記金属基材加熱装置を独立に制御させてなる、ジルコニア被覆部材の製造装置である。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明する。
まずジルコニア被覆部材について説明する。
【0021】
図1は、本発明のジルコニア被覆部材の具体例を示す断面図であり、金属基材1の上に被覆形成した結合層2上に、柱状晶からなる正方晶をX線回折による測定値によって90%以上含んでなるジルコニア被覆層3が形成されている。
【0022】
金属基材の材質は、耐熱性ある金属材料からその目的に応じて適宜選択できるが、好ましくはNi、Cr、Coの少なくとも1種を含むものであり、より好ましくは、Ni、Cr、Coの少なくとも1種を主成分とする耐熱金属を用いる。
【0023】
結合層は、耐熱性のある材料であり、金属材料とジルコニア被覆層に密着するものであれば特に限定されないが、耐高温酸化や高温腐食に優れた性質を有するNiあるいはCoを主成分としCr、Al、Y等を添加した、いわゆるMCrAlY系合金が好ましい。好ましくは気孔の少ない緻密な層とする。なお、本明細書においては、金属基材の上に結合層を設けたものも単に金属基材ということがある。
【0024】
本発明におけるジルコニア被覆層の材質は、ZrOを主成分とし、YやCaO、MgO等を添加した、高温相を安定化させたジルコニアであり、好ましくは、ZrOを85〜95平均重量%およびYを5〜15平均重量%含有するものである。
【0025】
本発明の好適態様において、特にジルコニア被覆層の配向性を規定するのは次の理由による。
【0026】
ジルコニア被覆層の割れ・剥離は、結合層に対して平行に亀裂が伝幡することによって起こる。本発明者らは、この亀裂進展が容易に進行する場合は、皮膜結晶構造において最も剥離しやすいへき開面、すなわちミラー指数(111)面が結合層に対し平行に積層し、その結晶の比率が多くなったときであることを見いだした。すなわち、ジルコニア被覆層の(111)面が結合層に対して平行にならない結晶構造とすることで、機械的強度に優れ、長時間での熱サイクル運転においても皮膜の割れや剥離が起こりにくいジルコニア被覆層を提供できる。
【0027】
したがって、本発明においては、前記結晶のうちミラー指数(111)の方位に配向性を有する結晶が前記ジルコニア被覆表面における面積比で70%以下好ましくは50%以下、より好ましくは20%以下とする。
【0028】
また本発明においては、好ましくはジルコニア被覆層の結晶を(200)および(002)の方向に配向させることにより、剥離を起こしやすい(111)面が結合層に対して平行にならず、かつ機械的強度の強い皮膜が提供できる。
【0029】
そして、本発明の好適態様においては、ジルコニア被覆層の配向性が(200)と(002)面のいずれかまたはこれらの混在した配向面の存在する割合を、ジルコニア被覆層表面における面積比で好ましくは80%以上、より好ましくは95%以上とすることにより、特に機械的強度に優れ、長時間での熱サイクル運転においても皮膜の割れや剥離が起こらないジルコニア被覆層を提供できる。
【0030】
なお、(200)および(002)以外の結晶面{HKL}=(311)、(113)、(220)、(202)が存在していても、その優劣性は変わらない。
【0031】
さらに、結晶の配向性を制御することとあわせ、柱状晶1個1個のミクロ組織を、積層していく微細結晶粒が互いに融合一体化した組織とすることにより、機械的強度や剥離寿命の優れた皮膜構造とすることができる。
【0032】
これは、例えば剥離しやすい(111)面が少なくなり、かつ結晶構造も望ましい配向面となっていくからである。
【0033】
本発明にかかるジルコニア被覆層は、好ましくは気孔の少ない緻密な層とする。
【0034】
本発明のジルコニア被覆部材は、タービン部材に好適に用いられる他、各種エンジン、ボイラなどに好適に用いられる。
【0035】
次に、本発明の製造方法および装置をその具体例を示して説明する。
本発明のジルコニア被覆部材を製造するにあたっては、常法により製造された金属基材の上に、好ましくは、減圧プラズマ溶射または物理蒸着法によって結合層を形成し、さらに結合層上に物理蒸着法によってジルコニア被覆層を形成する。
【0036】
ジルコニア被覆層の形成に際して、例えば、ジルコニアターゲット材を電子ビームの照射・加熱により蒸発させて金属基材に被覆すると、蒸発した分子による皮膜形成が行われるため、皮膜の組織は柱状晶からなる結晶となり、かつ結晶の配向性とミクロ組織を制御することができる。
【0037】
具体的には例えば以下のように製造する。
【0038】
耐熱金属基材、例えばNi、Cr、Coの少なくとも1つを主成分として構成された金属基材の表面を、脱脂およびアルミナ粒子等を用いたブラスト処理で粗面化する。次にこの金属基材を真空チャンバー内に装着し、所定の真空度になるまで真空引きした後、Ar、He、H、Nのいずれか一つまたはそれらを組み合わせた雰囲気で数10Torrの圧力にする。
【0039】
次に、プラズマを発生させ金属基材を数100℃まで加熱した後、Ni、Co、Feのいずれか、もしくはそれらの組み合わせにCr、Alを含み、さらにHf、Ta、Y、Si、Zrのいずれか一つもしくはそれらの組み合わせとからなる溶射粉末をプラズマに混入して金属基材表面に被覆する。
【0040】
しかして、このように減圧プラズマ溶射で形成された結合層は、大気プラズマ溶射による結合層に比べ、皮膜内に酸化物や気孔がほとんどない非常に緻密な皮膜になり、耐高温酸化、高温耐食が大幅に向上する。
【0041】
またこの結合層は、ジルコニアの被覆を行う物理蒸着法でも形成することができる。これによれば、結合層内に酸化物や気孔がほとんどない非常に緻密な結合層を形成することができると共に、結合層表面を滑らかにすることができジルコニア被覆層の表面が非常に滑らかとなるとともに結晶配向性の制御がしやすくなる。
【0042】
このようにして形成した結合層上には、セラミック(ジルコニア)被覆装置によってジルコニアの被覆を行う。このジルコニア被覆装置には、物理蒸着によりセラミック被膜が形成できる一般的なセラミック被覆装置を用いることができる。
【0043】
図2に、本発明のジルコニア被覆装置の好適例を示す。このジルコニア被覆装置は、真空チャンバー4、図示しない真空排気装置、および図示しない制御装置と電源装置から構成されている。図示しない制御装置には、真空排気、電子ビーム電流、電子ビーム走査、金属基材加熱、金属基材駆動等を制御する手段が設けられている。
【0044】
真空チャンバー4には、その下部にルツボ5が配設されており、ルツボ5にはジルコニアターゲット材6が装着されている。
【0045】
一方、真空チャンバー4内上部には、図示しないモータによって回転駆動される金属基材駆動装置7が設けられており、その金属基材駆動装置7に金属基材1が装着されている。そして、上記金属基材駆動装置7に挿着された金属基材1の周辺部には、その金属基材1を局部的に加熱する金属基材加熱装置8が配設されている。
【0046】
しかして、前記結合層を被覆した金属基材1にジルコニアを被覆する場合には、まず、ジルコニアターゲット材6を真空チャンバー4内のルツボ5に装着し、金属基材1を金属基材駆動装置7に装着して真空排気装置によって真空チャンバー4内を10-2〜10-4Paの真空度になるまで真空引きする。
【0047】
次に、図示しない電子ビーム発生装置によってジルコニアターゲット材6に電子ビームを照射しジルコニアターゲット材表面を溶融させる。このとき表面が常に溶けた状態で、所定の蒸発速度が保たれるように電子ビーム電流を制御し、更に電子ビームを走査する。
【0048】
そして金属基材1にジルコニアを被覆する間、金属基材1は金属基材駆動装置7によって回動させられており、金属基材加熱装置8により700℃以上に加熱されている。金属基材加熱装置8は金属基材1のみを局部的に加熱する構造となっている。
【0049】
本発明においては、この皮膜の結晶制御つまり配向性とミクロ組織の制御を行う場合、成膜開始から成膜が終了するまで金属基材を加熱し続けること、特に700℃以上、好ましくは750℃以上、より好ましくは800℃以上に保持し続けること、および金属基材全体が所定温度で均一に加熱されるように加熱温度を精度よく制御することが好ましい。
【0050】
金属基材の加熱温度が700℃以下の場合、ジルコニア被覆層の結晶配向面は(111)方向となりやすい。これは、結晶の成長エネルギーが小さいため、蒸発したジルコニア原子が容易に積層しやすい最充填密度面、すなわち(111)面を形成するからである。
【0051】
これに対し、金属基材の加熱温度を700℃以上とすることにより、結晶配向面を(111)以外の面にすることができ、温度をあげていくほど(200)および(002)の割合を多くすることができ好ましい。
【0052】
また、加熱温度を700℃以上とし、加熱を成膜が終了するまで続けることにより、積層していく微細結晶粒の融合一体化も進む。さらに、温度をあげていくほどこの融合一体化が促進され、各柱状晶が1個の結晶体となる。この1個の結晶体となった柱状晶は、熱応力に対して非常に強い皮膜組織となっており、耐熱応力、耐剥離性に優れていることも判明した。
【0053】
加熱温度の上限は、金属基材の機械的性質の低下を防ぐため、好ましくは金属基材の溶体化処理温度とする。
【0054】
また、金属基材のみの局部加熱とすることは、真空チャンバー全体の高温化を防ぎ、真空装置構成に多大な設備費用を必要としないため好ましい。
【0055】
図3は、本発明にかかるジルコニア被覆部材の製造装置の一部である金属基材加熱装置の概略構成図である。図3−(a)に金属基材1が金属基材加熱装置8に配設された図、およびA方向から見た図を図3−(b)および別の例を図3−(c)に示す。
【0056】
金属基材加熱装置8は、図示しないヒータ発熱体とその周囲に配設された防熱板等から構成されている。
【0057】
図3−(b)に示す例では、金属基材1が半円筒型をした金属基材加熱装置8内に配設されており、金属基材加熱装置8およびジルコニアターゲット材6は、金属基材1を中心とした同心円上に配設するよう構成されている。このようにすることにより、ジルコニアターゲット材6および金属基材加熱装置8からの輻射熱が均等に金属基材1に照射され、金属基材1全体が均一に加熱される。図3−(c)は同様な効果をもたせる他の例で、金属基材1から等間隔に配設されたコの字型金属基材加熱装置8から構成されている。
【0058】
図4に本発明のジルコニア被覆装置のより好ましい例を示す。真空チャンバー4の内部には、各々独立した複数の金属基材加熱装置8が配設されている。金属基材加熱装置8は、材質がグラファイトからなるヒータエレメント9とその周囲に配設された防熱板10とから構成されている。ヒータエレメント9は、金属基材1に面している部分を露出させ、その他の部分を防熱板10によって覆うことで、熱効率を向上させることができる。なお、ルツボ5上のジルコニアターゲット材6から蒸発したジルコニアは、金属基材加熱装置8全体にも付着するが、グラファイトからなるヒータエレメントに付着したジルコニアは簡単に削り落とすことができ、熱効率の低下を防止することができる。
【0059】
加熱装置8のうち一基は真空チャンバー4の上部に加熱装置支え11で固定され、加熱装置8の別の一基は真空チャンバー4の後方側面に固定されている。一方、加熱装置8のさらに別の一基は真空チャンバー4の扉12に固定されている。
【0060】
扉12が閉じられているときは、図4に示すように金属基材1は複数個の加熱装置8によって囲まれている。このようにすることにより、ジルコニアターゲット材6および金属基材加熱装置8からの輻射熱が均等に金属基材1に照射され、金属基材1全体が均一に加熱される。
【0061】
金属基材1を真空チャンバー4の所定位置に脱着する際は、加熱装置8と扉12とを一体で開けることにより、扉12側から金属基材1を容易に脱着できる。ところで、金属基材1の金属基材駆動装置7側に位置する部分は、金属基材駆動装置7を通って逃げる熱が多くなるため、また金属基材1は通常複雑な3次元形状をしているため、金属基材1の温度分布が不均一となりやすい。
【0062】
本発明においては、特に金属基材1全体の温度分布に均一性をもたせ、かつ所定温度に精度よく制御する必要がある。そのため、好ましくは金属基材加熱装置8は複数個の加熱装置からなり、かつ各々独立に温度制御ができるように構成されている。また、温度制御をするための熱センサーである熱電対を金属基材駆動装置7の駆動軸内に複数個挿入し、金属基材1に最も近い部分に配設している。
【0063】
この熱電対からの信号を基材加熱装置8の制御信号とすることにより、所定温度において精度のよい温度制御を行うことができる。
【0064】
このように、金属基材1の周囲に加熱装置を複数個配置し、更に金属基材1の近傍に熱センサーを配設することにより、成膜時に均一な加熱ができ、ジルコニア被覆層の結晶構造とミクロ組織をより精密に制御することができる。
【0065】
また、この加熱方式は金属基材近傍の局部加熱となるので真空チャンバー全体の高温化を防ぎ、真空装置構成に多大な設備費用を必要としない。
【0066】
このように本発明の製造方法の好適態様によれば、成膜が終了するまで金属基材を700℃以上の温度で均一に加熱し、ジルコニア被覆層の結晶構造に(200)(002)主体の配向性をもたせ、さらに各柱状晶が一個の結晶体となるので、機械的強度に優れ、高温での長期間使用や熱サイクル特性に優れたジルコニア被覆層を形成することができる。
【0067】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基いて説明する。
本発明による実施例においては、ジルコニア被覆層を形成するときに金属基材の加熱温度を400℃から900℃の範囲で複数変化させた。また金属基材温度が700℃の場合は、金属基材1上での温度分布を均一にしたものと不均一にしたものを対比して形成した。
【0068】
まずCo基のFSX414基材(石川島精密鋳造(株)製)を脱脂・洗浄後、アルミナグリッドを用いてブラスト処理を行い、Co,Ni,Cr,Al,Yからなる合金粉末を、20TorrのAr雰囲気でAr−Heプラズマを用いて溶射し、高温酸化・高温腐食に優れた皮膜を得た。皮膜の厚さは均一で150μm程度であった。
【0069】
次に、上記CoNiCrAlY層に8%Y2 3 −ZrO2 ジルコニア被覆層を形成した。この形成に際しては、前記した図2に示す装置を用いた。まず真空チャンバー4内において、金属基材駆動装置7にFSX414基材からなる金属基材1を装着するとともに、ルツボ5にジルコニアターゲット材6を装着した。
【0070】
その後真空チャンバー4内を10-4Pa台まで真空引きした後、金属基材1をそれぞれの温度で加熱しつつ回転させ、電子ビームでジルコニアターゲット材6を蒸発させ、金属基材上に成膜させた。このとき成膜レートをほぼ一定にするため、電子ビームの走査を制御した。得られた膜厚は150μm程度であった。
【0071】
従来品は、上記実施例と同じ材料からなる金属基材、結合層およびジルコニア被覆層を用い、結合層およびジルコニア被覆ともに大気プラズマ溶射で製作したものであり、上記実施例と同じ厚みとした。この従来品のジルコニア被覆部材の断面図を図5に示す。この従来品も図1と同様に、金属基材1に結合層13が被覆され、その上にジルコニア層14が形成されている。ただし、従来品には結合層およびジルコニア被覆層内に多数の気孔が存在している。
【0072】
これらの従来品および実施例について、金属基材温度分布を制御し、X線回析(結晶構造)および熱サイクル試験を行った。
熱サイクル試験は、大気雰囲気中で1000℃×30分加熱保持し、その後20〜25℃の水中に保持することを1サイクルとしてジルコニア被覆層が剥離するまでの熱サイクル数を求めることで行った。表1にその結果を示す。
表1(従来品と実施例の比較)
試験片 基材温度(℃) 結晶構造 皮膜剥離までの熱サイクル数
従来品1 − 正方晶と単斜晶が混在 92
従来品2 − 同 上 79
従来品3 − 同 上 105
実施例1 400* 90%以上正方晶 260
実施例2 600* 同 上 330
実施例3 700 同 上 1050
実施例4 700* 同 上 5750
実施例5 800* 同 上 8500
実施例6 900* 同 上 8650

(注)*印は金属基材の温度分布が均一になるように温度制御を行った。
図6に温度制御を精密にして金属基材の温度分布を均一にした実施例4と、そうでない場合の実施例3の温度分布の違いを示す。
表1に示すように従来品のジルコニア被覆層は、正方晶と単斜晶からなる結晶構造であった。一方、本発明によるジルコニア被覆層は、90%以上正方晶からなる結晶構造であった。また、従来のジルコニア被覆部材は79〜105回の熱サイクルでジルコニア被覆層の剥離が生じた。一方、本発明による実施例では約3倍以上の熱サイクル数が得られているが、特に、基材温度を700℃以上にして温度制御を精密に行い、金属基材の温度分布を均一にすることにより格段の剥離寿命の向上が得られている。
【0073】
温度分布のばらつきの大きい実施例3の熱サイクル試験結果では、ジルコニア被覆層が早く剥離しはじめ、皮膜剥離までの熱サイクル数も温度分布のばらつきが小さい実施例4と比較すると短かかった。
【0074】
このように本発明によるジルコニア被覆部材は、従来のジルコニア被覆部材に比べ機械的強度および熱サイクル特性に優れたものであることが確認できる。
【0075】
次に、これら従来品および実施例において基材温度600〜900℃の間を50℃ずつ変化させてX線回析による結晶方位の測定、電子顕微鏡によるジルコニア被覆層表面の組織観察を行った。
【0076】
組織観察では、ジルコニア被覆層表面における(111)と(200)(002)の占める割合を求めた。表2にその結果を示す。
【0077】

Figure 0003769065
【0078】
金属基材温度を700℃以上としてジルコニア被覆層の成膜を行うことにより(200)および(002)の占める面積比が80%以上となり、格段の剥離寿命の向上が得られた。また、このときの柱状晶は大きく成長した一個の結晶粒となっていた。
【0079】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、機械的強度に優れた結晶構造の被覆層が得られ、高温雰囲気中での長期間の使用や熱サイクル運転に対しても、ジルコニア被覆層の割れや剥離の発生を防止することができる極めて優れたジルコニア被覆部材を提供することができる。
【0080】
またジルコニア被覆層の形成を好ましくは金属基材を700℃以上の温度で均一に加熱しながら行うことにより、結晶方位および柱状晶のミクロ組織を制御することができる。さらに好ましくは結合層を減圧プラズマ溶射あるいは物理蒸着法で形成することにより、高温酸化特性にもより優れ、長時間にわたってより安定した、割れや剥離のより起こりにくいジルコニア被覆部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるジルコニア被覆部材の断面図である。
【図2】本発明にかかるジルコニア被覆部材の製造装置の概略構成図である。
【図3】本発明にかかるジルコニア被覆部材の製造装置の一部である金属基材加熱装置の概略構成図である。
【図4】本発明にかかるジルコニア被覆部材の製造装置の好適態様の概略構成図である。
【図5】従来のジルコニア被覆部材の断面図である。
【図6】実施例3および4におけるジルコニア被覆時の温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
1 金属基材
2 結合層
3 ジルコニア被覆層
4 真空チャンバー
5 ルツボ
6 ジルコニアターゲット材
7 金属基材駆動装置
8 金属基材加熱装置
9 ヒータエレメント
10 防熱板
11 加熱装置支え
12 扉
13 従来品の結合層
14 従来品のジルコニア被覆層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a zirconia-coated member suitably used in a high-temperature or high-temperature corrosive environment, a manufacturing method thereof, and a manufacturing apparatus thereof.
[0002]
[Prior art]
In general, in a gas turbine plant for power generation and the like, in order to improve power generation efficiency, the temperature of the gas turbine is increased. With this increase in temperature, it is desired to improve the heat-resistant temperature and high-temperature oxidation resistance of gas turbine members. Ni-based or Co-based heat-resistant alloys have been developed as materials for these members, and the heat-resistant temperature has also been improved. . However, the heat resistant temperature is limited to about 850 ° C.
[0003]
Therefore, ceramic materials have been studied for the purpose of further increasing the durability at high temperatures. However, the use of the ceramic materials as a structural material has a problem in toughness and the like as compared with metal materials, and has not yet been fully applied. Therefore, in order to cope with the high temperature of such a member, means for preventing the member from becoming high temperature have been actively studied.
[0004]
That is, one of such methods is a method of cooling the member, and the other method is a method of coating the surface of the member with ceramic having a low thermal conductivity.
[0005]
Such a coating is called a thermal barrier coating, and can suppress the substantial temperature of the metal substrate by 50 ° C. to 100 ° C. as compared with a coating without a thermal barrier coating. And there exists zirconia as a ceramic which comprises this thermal barrier coating. In addition to excellent mechanical properties, zirconia has the advantage of low thermal conductivity.
[0006]
By the way, zirconia has three crystal structures of monoclinic, tetragonal, and cubic. Tetragonal is the most excellent from the viewpoint of mechanical properties. Pure zirconia (ZrO2) Is a stable phase of monoclinic crystals at room temperature, but reversibly changes from monoclinic to tetragonal at around 1000 ° C and from tetragonal to cubic at around 2300 ° C as the temperature is raised. Metastasize. The occurrence of this phase transition and the volume change associated therewith are impeding practical use of pure zirconia. That is, during the cooling process in the zirconia sintering process, zirconia undergoes a phase transition from tetragonal to monoclinic crystals that are inferior in mechanical properties, and at that time, large volume expansion occurs. Fear is high. In order to eliminate the phase transition during this cooling process, Y is usually used so that tetragonal crystals and cubic crystals having excellent mechanical properties are carried over to room temperature, that is, to stabilize the high-temperature phase.2O3And compounds such as CaO and MgO are added. Thereby, the phase transition from the tetragonal crystal to the monoclinic crystal generated in the cooling process can be suppressed, and a tetragonal crystal or cubic crystal having excellent mechanical properties from room temperature to high temperature can be obtained.
[0007]
Further, since the thermal barrier coating is coated with a ceramic having different physical property values from the heat-resistant alloy constituting the metal substrate, there is a problem in the adhesion strength between the metal substrate and the zirconia coating layer and its reliability. Especially in gas turbines, etc., the thermal cycle caused by repeated starting and stopping causes high-temperature oxidation and high-temperature corrosion of the metal substrate surface, resulting in a decrease in mechanical strength and chemical resistance at high temperatures, resulting in peeling of the zirconia coating layer. Damage such as dropping off occurs.
[0008]
Therefore, as a method for solving such problems, there is a method in which a bonding layer made of a metal alloy layer is provided between the metal substrate and the zirconia coating layer. As this bonding layer, a so-called MCrAlY-based alloy containing Ni or Co having a property excellent in high-temperature oxidation resistance and high-temperature corrosion as a main component and adding Cr, Al, Y, or the like is often used. And the zirconia coating layer used for such a bonding layer or thermal barrier coating is mainly formed by the atmospheric plasma spraying method. In this case, the adhesion mechanism between the zirconia coating layer and the bonding layer is merely mechanical bonding, and its strength is 2 to 5 kg / mm.2It is said that. Thus, the reason why the zirconia coating layer used for the bonding layer and the thermal barrier coating is mainly formed by the atmospheric plasma spraying method is that the coating formation speed is high and the economy is excellent.
[0009]
However, the bonding layer and the zirconia coating layer formed by the atmospheric plasma spraying method have many pores. Since these are used in a high temperature corrosive environment including corrosive impurities in the fuel, the bonding layer having a porous structure with many pores and the zirconia coating layer have problems of high temperature oxidation and high temperature corrosion of the bonding layer. The bonding layer is a component excellent in oxidation resistance and corrosion resistance, but depending on the formation method thereof, the bonding layer does not necessarily exhibit the oxidation resistance and corrosion resistance expected of the original alloy material.
[0010]
According to the result of thermal cycle test under the high temperature oxidation or high temperature corrosive environment, the durability of the thermal barrier coating composed of the bonding layer and the zirconia coating layer formed by atmospheric plasma spraying is extremely low. It has been found that the coating layer peels off. This is because the bond between the bonding layer and the zirconia coating layer is inherently mechanical and weak in strength, and the bonding layer surface at the boundary is oxidized or corroded, further reducing its adhesion. it is conceivable that. Further, many peelings of the zirconia coating layer occur not only in the interface with the bonding layer but also in the zirconia coating layer.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In view of such points, the object of the present invention is to ensure mechanical strength and to prevent cracking and peeling in the zirconia coating layer for a long period of time even if the thermal cycle in a high temperature oxidation and high temperature corrosive environment is repeated. It is an object to provide a zirconia-coated member which hardly occurs, a manufacturing method and a manufacturing apparatus for the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present inventors have conducted research on the crystal structure and the film structure of the zirconia coating layer, and as a result, ensured the excellent mechanical properties of the zirconia coating layer and in a high-temperature atmosphere. It has been found that it is important to control the crystal structure and the microstructure of the columnar crystals in order to increase the peeling life.
[0013]
Here, the present invention relates to a metal substrate, a bonding layer coated on the metal substrate, and ZrO coated on the bonding layer.2A zirconia-coated member comprising a zirconia-coated layer containing as a main component, wherein the crystal constituting the zirconia-coated layer comprises 90% or more of tetragonal crystals composed of columnar crystals. It is a member.
[0014]
In the present invention, preferably, the crystal having orientation in the Miller index (200) and / or (002) orientation is 80% or more in area ratio on the surface of the zirconia coating layer, and the metal base material is Ni, It contains at least one of Cr and Co, and the bonding layer is made of an M-Cr-Al-Y layer (where M represents at least one of Ni, Co, and Fe). Thus, each crystal grain composed of columnar crystals of the zirconia coating layer grows as one crystal.
[0015]
Moreover, this invention is a turbine member which comprises the said zirconia coating | coated member.
[0016]
In the method for producing a zirconia-coated member of the present invention, the bonding layer is formed on the metal substrate, and the zirconia coating layer is further formed on the bonding layer by a physical vapor deposition method. Preferably, the bonding layer is reduced in pressure. It is formed by plasma spraying or physical vapor deposition.
[0017]
In the method for producing a zirconia-coated member according to the present invention, preferably, in the formation of the zirconia-coated layer, ZrO2CaO, MgO, Y2O3, CeO2The target material is evaporated by irradiating an electron beam to a zirconia target material containing any one or more of the above, and forming the target material on the bonding layer, and during the film formation, the metal The base material is continuously heated. Preferably, the metal base material temperature is 700 ° C. or higher and is kept below the solution treatment temperature of the metal base material, and only the metal base material is locally heated.
[0018]
The apparatus for producing a zirconia-coated member of the present invention comprises a metal substrate heating device for locally heating only the metal substrate at the time of film formation of the zirconia coating layer, around the metal substrate, Preferably, the metal base material disposing device is disposed at a position where the radiant heat from the metal base material heating device is focused, and a heat sensor for measuring the temperature of the metal base material is provided in the vicinity of the metal base material. The signal from the heat sensor is fed back to the metal substrate heating device.
[0019]
Preferably, the apparatus for manufacturing a zirconia-coated member of the present invention is a batch type apparatus in which a plurality of the metal base material heating devices are independently arranged around the metal base material, and a door is provided, for example, the door is opened and closed. And a batch type furnace to which the metal substrate is attached, wherein one or more metal substrate heating devices are arranged on the door. Preferably, the metal heating device is provided with a heater element made of graphite, and the heater element is exposed at a portion of the metal heating device facing the metal substrate. This part is surrounded by a heat insulating plate. More preferably, a plurality of the heat sensors are arranged, and signals from the heat sensors are fed back to the plurality of metal substrate heating devices, respectively, so that the plurality of metal substrate heating devices are independently provided. It is the manufacturing apparatus of the zirconia coating | coated member made to control.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be specifically described.
First, the zirconia covering member will be described.
[0021]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a specific example of a zirconia-coated member of the present invention. On a bonding layer 2 formed by coating on a metal substrate 1, a tetragonal crystal composed of columnar crystals is measured by X-ray diffraction. A zirconia coating layer 3 containing 90% or more is formed.
[0022]
The material of the metal substrate can be appropriately selected from heat-resistant metal materials according to the purpose, but preferably contains at least one of Ni, Cr, Co, more preferably Ni, Cr, Co. A heat-resistant metal having at least one kind as a main component is used.
[0023]
The bonding layer is a heat-resistant material and is not particularly limited as long as it is in close contact with the metal material and the zirconia coating layer. However, the bonding layer is mainly composed of Ni or Co having excellent resistance to high-temperature oxidation and high-temperature corrosion. So-called MCrAlY-based alloys to which Al, Y, etc. are added are preferred. Preferably, it is a dense layer with few pores. In the present specification, a structure in which a bonding layer is provided on a metal substrate may be simply referred to as a metal substrate.
[0024]
The material of the zirconia coating layer in the present invention is ZrO.2As the main component, Y2O3Zirconia to which a high-temperature phase is stabilized, to which CaO, MgO or the like is added, preferably ZrO285-95 average weight percent and Y2O35 to 15% by weight average.
[0025]
In the preferred embodiment of the present invention, the orientation of the zirconia coating layer is particularly defined for the following reason.
[0026]
Cracking / peeling of the zirconia coating layer occurs when the crack propagates parallel to the bonding layer. When the crack progresses easily, the inventors of the present invention have a cleavage plane that is most easily peeled in the film crystal structure, that is, the Miller index (111) plane is laminated in parallel to the bonding layer, and the crystal ratio is I found out that it was time to increase. In other words, the zirconia coating layer has a crystal structure in which the (111) plane is not parallel to the bonding layer, so that the mechanical strength is excellent, and the zirconia is not easily cracked or peeled off even in a long-time thermal cycle operation. A coating layer can be provided.
[0027]
Therefore, in the present invention, the crystal having orientation in the Miller index (111) orientation among the crystals is 70% or less, preferably 50% or less, more preferably 20% or less in terms of the area ratio on the zirconia-coated surface. .
[0028]
In the present invention, preferably, the crystal of the zirconia coating layer is orientated in the directions of (200) and (002), so that the (111) plane that easily causes peeling does not become parallel to the bonding layer, and A coating with high mechanical strength can be provided.
[0029]
In the preferred embodiment of the present invention, the ratio of the orientation of the zirconia coating layer to the (200) or (002) plane or the presence of the mixed orientation plane is preferably an area ratio on the surface of the zirconia coating layer. 80% or more, more preferably 95% or more, it is possible to provide a zirconia coating layer that is particularly excellent in mechanical strength and that does not cause cracking or peeling of the film even in a long-time thermal cycle operation.
[0030]
In addition, even if crystal planes {HKL} = (311), (113), (220), and (202) other than (200) and (002) exist, the superiority or inferiority thereof does not change.
[0031]
Furthermore, in addition to controlling the crystal orientation, the microstructure of each columnar crystal is made into a structure in which the fine crystal grains to be laminated are integrated with each other, so that the mechanical strength and the peeling life are improved. An excellent film structure can be obtained.
[0032]
This is because, for example, the (111) plane that is easily peeled off decreases, and the crystal structure also becomes a desirable orientation plane.
[0033]
The zirconia coating layer according to the present invention is preferably a dense layer having few pores.
[0034]
The zirconia-coated member of the present invention is suitably used for various engines, boilers and the like in addition to being suitably used for turbine members.
[0035]
Next, the manufacturing method and apparatus of the present invention will be described with specific examples.
In producing the zirconia-coated member of the present invention, a bonding layer is preferably formed on a metal substrate produced by a conventional method, preferably by low pressure plasma spraying or physical vapor deposition, and further, physical vapor deposition is performed on the bonding layer. To form a zirconia coating layer.
[0036]
When forming a zirconia coating layer, for example, when a zirconia target material is evaporated by electron beam irradiation / heating and coated on a metal substrate, a film is formed by the evaporated molecules, so the structure of the film is a crystal composed of columnar crystals. And the crystal orientation and microstructure can be controlled.
[0037]
Specifically, for example, it is manufactured as follows.
[0038]
The surface of a heat-resistant metal substrate, for example, a metal substrate composed mainly of at least one of Ni, Cr, and Co is roughened by degreasing and blasting using alumina particles or the like. Next, this metal substrate is mounted in a vacuum chamber and evacuated to a predetermined degree of vacuum, and then Ar, He, H2, N2The pressure is set to several tens of Torr in an atmosphere of any one of these or a combination thereof.
[0039]
Next, after generating plasma and heating the metal substrate to several hundred degrees C., Cr, Al is contained in any one of Ni, Co, Fe, or a combination thereof, and Hf, Ta, Y, Si, Zr. Thermal spray powder composed of any one or a combination thereof is mixed with plasma to coat the surface of the metal substrate.
[0040]
Thus, the bonding layer formed by low-pressure plasma spraying in this way becomes a very dense film with almost no oxides or pores in the film, compared with the bonding layer formed by atmospheric plasma spraying. Is greatly improved.
[0041]
The tie layer can also be formed by physical vapor deposition with zirconia coating. According to this, it is possible to form a very dense bonding layer having almost no oxides or pores in the bonding layer, and to smooth the bonding layer surface and to make the surface of the zirconia coating layer very smooth. In addition, the crystal orientation can be easily controlled.
[0042]
On the bonding layer thus formed, zirconia is coated with a ceramic (zirconia) coating apparatus. As this zirconia coating apparatus, a general ceramic coating apparatus capable of forming a ceramic film by physical vapor deposition can be used.
[0043]
In FIG. 2, the suitable example of the zirconia coating apparatus of this invention is shown. The zirconia coating apparatus includes a vacuum chamber 4, a vacuum exhaust device (not shown), and a control device and a power supply device (not shown). A control device (not shown) is provided with means for controlling evacuation, electron beam current, electron beam scanning, metal substrate heating, metal substrate drive, and the like.
[0044]
A crucible 5 is disposed in the lower portion of the vacuum chamber 4, and a zirconia target material 6 is attached to the crucible 5.
[0045]
On the other hand, a metal base material driving device 7 that is rotationally driven by a motor (not shown) is provided in the upper part of the vacuum chamber 4, and the metal base material 1 is mounted on the metal base material driving device 7. A metal base material heating device 8 for locally heating the metal base material 1 is disposed around the metal base material 1 inserted into the metal base material driving device 7.
[0046]
Therefore, when the zirconia is coated on the metal substrate 1 coated with the bonding layer, first, the zirconia target material 6 is mounted on the crucible 5 in the vacuum chamber 4, and the metal substrate 1 is attached to the metal substrate driving device. 7 and the inside of the vacuum chamber 4 is 10-2-10-FourVacuum is drawn until the degree of vacuum is Pa.
[0047]
Next, the surface of the zirconia target material is melted by irradiating the zirconia target material 6 with an electron beam by an electron beam generator (not shown). At this time, the electron beam current is controlled so that a predetermined evaporation rate is maintained while the surface is always melted, and further the electron beam is scanned.
[0048]
While the metal substrate 1 is coated with zirconia, the metal substrate 1 is rotated by the metal substrate driving device 7 and heated to 700 ° C. or more by the metal substrate heating device 8. The metal substrate heating device 8 has a structure for locally heating only the metal substrate 1.
[0049]
In the present invention, when controlling the crystal of the film, that is, controlling the orientation and the microstructure, the heating of the metal substrate from the start of film formation until the film formation is completed, particularly 700 ° C. or higher, preferably 750 ° C. As described above, it is more preferable to keep the temperature at 800 ° C. or higher, and to control the heating temperature with high precision so that the entire metal base is uniformly heated at a predetermined temperature.
[0050]
When the heating temperature of the metal substrate is 700 ° C. or lower, the crystal orientation plane of the zirconia coating layer tends to be in the (111) direction. This is because the growth energy of the crystal is small, so that the evaporated zirconia atoms form the most packed density surface, that is, the (111) surface, which is easily stacked.
[0051]
On the other hand, by setting the heating temperature of the metal substrate to 700 ° C. or higher, the crystal orientation plane can be changed to a plane other than (111), and the ratio of (200) and (002) is increased as the temperature is increased. Can be increased.
[0052]
In addition, by bringing the heating temperature to 700 ° C. or higher and continuing the heating until the film formation is completed, the fusion and integration of the fine crystal grains to be laminated proceeds. Further, as the temperature is raised, this fusion integration is promoted, and each columnar crystal becomes one crystal. It was also found that the columnar crystals that became one crystal body had a very strong film structure against thermal stress, and were excellent in heat stress and peel resistance.
[0053]
The upper limit of the heating temperature is preferably the solution treatment temperature of the metal substrate in order to prevent the mechanical properties of the metal substrate from deteriorating.
[0054]
Moreover, it is preferable to use only the metal substrate for local heating because it prevents the entire vacuum chamber from being heated at a high temperature and does not require a large facility cost for the vacuum device configuration.
[0055]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a metal base material heating device which is a part of the zirconia-coated member manufacturing apparatus according to the present invention. FIG. 3- (a) shows a diagram in which the metal substrate 1 is disposed in the metal substrate heating apparatus 8, and a diagram viewed from the direction A, with FIG. 3- (b) and another example shown in FIG. 3- (c). Shown in
[0056]
The metal substrate heating device 8 includes a heater heating element (not shown) and a heat insulating plate disposed around the heater heating element.
[0057]
In the example shown in FIG. 3B, the metal substrate 1 is disposed in a semi-cylindrical metal substrate heating device 8, and the metal substrate heating device 8 and the zirconia target material 6 are made of a metal substrate. It is comprised so that it may arrange | position on the concentric circle centering on the material 1. FIG. By doing in this way, the radiant heat from the zirconia target material 6 and the metal base material heating apparatus 8 is uniformly irradiated to the metal base material 1, and the whole metal base material 1 is heated uniformly. FIG. 3C is another example having the same effect, and includes a U-shaped metal substrate heating device 8 disposed at equal intervals from the metal substrate 1.
[0058]
FIG. 4 shows a more preferred example of the zirconia coating apparatus of the present invention. Inside the vacuum chamber 4, a plurality of independent metal substrate heating devices 8 are arranged. The metal substrate heating device 8 includes a heater element 9 made of graphite and a heat insulating plate 10 disposed around the heater element 9. The heater element 9 can improve the thermal efficiency by exposing the part facing the metal substrate 1 and covering the other part with the heat insulating plate 10. The zirconia evaporated from the zirconia target material 6 on the crucible 5 also adheres to the entire metal substrate heating device 8, but the zirconia attached to the heater element made of graphite can be easily scraped off, resulting in a decrease in thermal efficiency. Can be prevented.
[0059]
One of the heating devices 8 is fixed to the upper portion of the vacuum chamber 4 by a heating device support 11, and another one of the heating devices 8 is fixed to the rear side surface of the vacuum chamber 4. On the other hand, another unit of the heating device 8 is fixed to the door 12 of the vacuum chamber 4.
[0060]
When the door 12 is closed, the metal substrate 1 is surrounded by a plurality of heating devices 8 as shown in FIG. By doing in this way, the radiant heat from the zirconia target material 6 and the metal base material heating apparatus 8 is uniformly irradiated to the metal base material 1, and the whole metal base material 1 is heated uniformly.
[0061]
When the metal substrate 1 is detached from the vacuum chamber 4 at a predetermined position, the metal substrate 1 can be easily detached from the door 12 side by opening the heating device 8 and the door 12 together. By the way, the part located on the metal substrate driving device 7 side of the metal substrate 1 has more heat escaping through the metal substrate driving device 7, and the metal substrate 1 usually has a complicated three-dimensional shape. Therefore, the temperature distribution of the metal substrate 1 tends to be non-uniform.
[0062]
In the present invention, it is particularly necessary to make the temperature distribution of the entire metal substrate 1 uniform and to control the temperature precisely to a predetermined temperature. For this reason, the metal base material heating device 8 is preferably composed of a plurality of heating devices and can be controlled independently of each other. In addition, a plurality of thermocouples, which are heat sensors for temperature control, are inserted into the drive shaft of the metal base material driving device 7 and arranged at the portion closest to the metal base material 1.
[0063]
By using the signal from the thermocouple as a control signal for the substrate heating device 8, accurate temperature control can be performed at a predetermined temperature.
[0064]
Thus, by arranging a plurality of heating devices around the metal substrate 1 and further arranging a heat sensor in the vicinity of the metal substrate 1, uniform heating can be performed at the time of film formation, and crystals of the zirconia coating layer can be obtained. The structure and microstructure can be controlled more precisely.
[0065]
In addition, since this heating method is local heating in the vicinity of the metal base material, the entire vacuum chamber is prevented from being heated at high temperature, and a large equipment cost is not required for the vacuum device configuration.
[0066]
Thus, according to the preferred embodiment of the production method of the present invention, the metal substrate is uniformly heated at a temperature of 700 ° C. or higher until the film formation is completed, and the crystal structure of the zirconia coating layer is (200) (002) mainly Further, each columnar crystal becomes a single crystal, and therefore, a zirconia coating layer having excellent mechanical strength, excellent long-term use at high temperatures and excellent heat cycle characteristics can be formed.
[0067]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on examples.
In the examples according to the present invention, when the zirconia coating layer was formed, the heating temperature of the metal base material was varied in a range from 400 ° C to 900 ° C. Further, when the metal substrate temperature was 700 ° C., it was formed by comparing the uniform temperature distribution on the metal substrate 1 with the non-uniform one.
[0068]
First, after degreasing and cleaning a Co-based FSX414 base material (made by Ishikawajima Precision Casting Co., Ltd.), blasting is performed using an alumina grid, and an alloy powder composed of Co, Ni, Cr, Al, and Y is added to 20 Torr Ar Thermal spraying was performed using Ar-He plasma in an atmosphere to obtain a film excellent in high temperature oxidation and high temperature corrosion. The thickness of the film was uniform and was about 150 μm.
[0069]
Next, 8% Y is added to the CoNiCrAlY layer.2OThree-ZrO2A zirconia coating layer was formed. For this formation, the apparatus shown in FIG. 2 was used. First, in the vacuum chamber 4, the metal substrate 1 made of the FSX414 substrate was mounted on the metal substrate driving device 7, and the zirconia target material 6 was mounted on the crucible 5.
[0070]
Then, the inside of the vacuum chamber 4 is 10-FourAfter evacuating to the Pa level, the metal substrate 1 was rotated while being heated at each temperature, and the zirconia target material 6 was evaporated with an electron beam to form a film on the metal substrate. At this time, the scanning of the electron beam was controlled in order to keep the film forming rate substantially constant. The film thickness obtained was about 150 μm.
[0071]
The conventional product was manufactured by atmospheric plasma spraying using a metal base material, a bonding layer and a zirconia coating layer made of the same material as in the above example, and had the same thickness as in the above example. A cross-sectional view of this conventional zirconia-coated member is shown in FIG. As in FIG. 1, this conventional product also has a bonding layer 13 coated on a metal substrate 1 and a zirconia layer 14 formed thereon. However, the conventional product has many pores in the bonding layer and the zirconia coating layer.
[0072]
For these conventional products and examples, metal substrate temperature distribution was controlled, and X-ray diffraction (crystal structure) and thermal cycle tests were conducted.
The heat cycle test was carried out by determining the number of heat cycles until the zirconia coating layer was peeled off, assuming that the heat cycle was held at 1000 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere and then held in water at 20 to 25 ° C. as one cycle. . Table 1 shows the results.
Table 1 (Comparison between conventional products and examples)
Specimen Base material temperature (° C) Crystal structure Thermal cycle number until film peeling
Conventional 1-Tetragonal and monoclinic mixed 92
Conventional product 2-Same as above 79
Conventional product 3-Same as above 105
Example 1 400 * 90% or more tetragonal crystal 260
Example 2 600 * Same as above 330
Example 3 700 Same as above 1050
Example 4 700 * same as above 5750
Example 5 800 * Same as above 8500
Example 6 900 * same as above 8650

(Note) * indicates temperature control so that the temperature distribution of the metal substrate is uniform.
FIG. 6 shows the difference in temperature distribution between Example 4 in which the temperature control is precise and the temperature distribution of the metal substrate is made uniform, and Example 3 in the case where it is not.
As shown in Table 1, the conventional zirconia coating layer had a crystal structure composed of tetragonal crystals and monoclinic crystals. On the other hand, the zirconia coating layer according to the present invention has a crystal structure composed of tetragonal crystals of 90% or more. Further, in the conventional zirconia coated member, peeling of the zirconia coating layer occurred in 79 to 105 thermal cycles. On the other hand, in the examples according to the present invention, the number of thermal cycles is about three times or more. In particular, the temperature of the base material is set to 700 ° C. or higher to precisely control the temperature distribution of the metal base material. By doing so, a remarkable improvement in the peeling life is obtained.
[0073]
In the thermal cycle test result of Example 3 having a large variation in temperature distribution, the zirconia coating layer began to peel quickly, and the number of thermal cycles until film peeling was shorter than that in Example 4 where the variation in temperature distribution was small.
[0074]
Thus, it can be confirmed that the zirconia-coated member according to the present invention is superior in mechanical strength and thermal cycle characteristics as compared with conventional zirconia-coated members.
[0075]
Next, in these conventional products and examples, the substrate temperature was changed from 600 to 900 ° C. by 50 ° C., the crystal orientation was measured by X-ray diffraction, and the structure of the zirconia coating layer surface was observed by an electron microscope.
[0076]
In the structure observation, the ratio of (111) and (200) (002) to the zirconia coating layer surface was determined. Table 2 shows the results.
[0077]
Figure 0003769065
[0078]
By forming the zirconia coating layer at a metal substrate temperature of 700 ° C. or higher, the area ratio occupied by (200) and (002) was 80% or higher, and a remarkable improvement in the peeling life was obtained. In addition, the columnar crystal at this time was one crystal grain which grew greatly.
[0079]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a coating layer having a crystal structure excellent in mechanical strength can be obtained, and cracking of the zirconia coating layer can be achieved even for long-term use in a high-temperature atmosphere and thermal cycle operation. And an extremely excellent zirconia-coated member that can prevent the occurrence of peeling.
[0080]
The formation of the zirconia coating layer is preferably carried out while uniformly heating the metal substrate at a temperature of 700 ° C. or higher, whereby the crystal orientation and the microstructure of the columnar crystals can be controlled. More preferably, by forming the bonding layer by low-pressure plasma spraying or physical vapor deposition, it is possible to provide a zirconia-coated member that is superior in high-temperature oxidation characteristics, is more stable over a long period of time, and is less susceptible to cracking and peeling. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a zirconia-coated member according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a zirconia-coated member manufacturing apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a metal base material heating device which is a part of a manufacturing apparatus for a zirconia-coated member according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a preferred embodiment of a manufacturing apparatus for a zirconia-coated member according to the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional zirconia-coated member.
6 is a graph showing a temperature distribution during zirconia coating in Examples 3 and 4. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Metal substrate
2 bonding layers
3 Zirconia coating layer
4 Vacuum chamber
5 crucible
6 Zirconia target material
7 Metal substrate drive device
8 Metal substrate heating device
9 Heater element
10 Heat insulation plate
11 Heating device support
12 doors
13 Conventional bonding layer
14 Conventional zirconia coating layer

Claims (10)

Ni、Cr、Coの少なくとも1種を含有してなる金属基材と、
前記金属基材上に被覆形成されM−Cr−Al−Y層(ここで、Mは、Ni、Co、Feの少なくとも1種を示す)からなる結合層と、
前記結合層上に被覆形成され、ZrO2を85〜95重量%、Y2O3を5〜15重量%からなるジルコニア被覆層を具備してなるジルコニア被覆部材であって、
前記ジルコニア被覆層を構成する結晶が柱状晶からなる正方晶を90%以上含むとともに前記柱状晶からなる各結晶粒が1個の結晶体となって成長してなることを特徴とする、ジルコニア被覆部材。
A metal substrate containing at least one of Ni, Cr and Co;
A bonding layer formed on the metal substrate and comprising an M-Cr-Al-Y layer (wherein M represents at least one of Ni, Co, and Fe);
The coated formed on the bond layer, ZrO2 and 85 to 95 wt%, a zirconia coating member formed comprises a zirconia coating layer formed of a Y2 O3 5 to 15% by weight,
The zirconia coating layer is characterized in that the crystal constituting the zirconia coating layer contains 90% or more of tetragonal crystals made of columnar crystals and each crystal grain made of the columnar crystals grows as one crystal. Element.
請求項1に記載のジルコニア被覆部材を具備してなることを特徴とする、タービン部材。  A turbine member comprising the zirconia-coated member according to claim 1. Ni、Cr、Coの少なくとも1種を含有してなる金属基材上に、
M−Cr−Al−Y層(ここで、Mは、Ni、Co、Feの少なくとも1種を示す)からなる結合層を不活性ガス雰囲気中における減圧プラズマ溶射または物理蒸着法によって形成し、
さらに前記結合層上にZrO2を85〜95重量%、Y2O3を5〜15重量%からなるジルコニア被覆層を形成するに際し、ZrO2を主成分とし、Y2O3を含んでなるジルコニアターゲット材に、電子ビームを照射して前記ターゲット材を蒸発させる物理蒸着法によって前記ターゲット材を前記結合層に成膜し、
かつ、前記成膜の間、前記金属基材の温度分布を均一に750℃以上900℃以下および溶体化処理温度以下に保持して加熱し続けることを特徴とする、ジルコニア被覆部材の製造方法。
On a metal substrate containing at least one of Ni, Cr and Co,
A bonding layer composed of an M-Cr-Al-Y layer (wherein M represents at least one of Ni, Co, and Fe) is formed by low pressure plasma spraying or physical vapor deposition in an inert gas atmosphere;
Further, the binding layer on the ZrO2 85 to 95 wt%, in forming a zirconia coating layer comprising the Y2 O3 5 to 15 wt%, the main component ZrO2, zirconia target material comprising a Y. 2O 3, The target material is deposited on the bonding layer by a physical vapor deposition method that evaporates the target material by irradiating an electron beam,
And during the said film-forming, the temperature distribution of the said metal base material is kept at 750 degreeC or more and 900 degrees C or less and solution treatment temperature below, and it continues heating, The manufacturing method of the zirconia coating | coated member characterized by the above-mentioned.
請求項3に記載の前記ジルコニア被覆部材の製造方法を実施する装置であって、
真空チャンバーと、
この真空チャンバーに接続される真空排気装置と、
前記真空チャンバー内部に収納される電子ビーム発生装置と、
前記真空チャンバー上部に収納され、前記金属基材の周囲に近接して配置されて前記ジルコニア被覆層の成膜時に前記金属基材のみを局部加熱する金属基材加熱装置と、
前記真空チャンバーの外部に設置され前記金属基材を回転駆動させる金属基材駆動装置と、
前記真空チャンバーの下部に収納されるルツボと、
このルツボの内部に配設されるジルコニアターゲット材と
からなることを特徴とする、ジルコニア被覆部材の製造装置。
An apparatus for performing the method for manufacturing the zirconia-coated member according to claim 3,
A vacuum chamber;
A vacuum exhaust device connected to the vacuum chamber;
An electron beam generator housed inside the vacuum chamber;
A metal substrate heating device that is housed in the upper part of the vacuum chamber and is disposed in the vicinity of the metal substrate to locally heat only the metal substrate during the formation of the zirconia coating layer;
A metal substrate driving device installed outside the vacuum chamber and rotating the metal substrate;
A crucible housed in the lower part of the vacuum chamber;
An apparatus for manufacturing a zirconia-covered member, comprising a zirconia target material disposed inside the crucible.
前記金属基材加熱装置を前記金属基材の周囲に独立に複数配置してなる、請求項4に記載のジルコニア被覆部材の製造装置。  The apparatus for producing a zirconia-coated member according to claim 4, wherein a plurality of the metal substrate heating devices are independently arranged around the metal substrate. 前記ジルコニア被覆部材の製造装置であって、金属基材加熱装置からの輻射熱が集束する位置に、前記金属基材の配設器具が配設されてなる、請求項4または5に記載のジルコニア被覆部材の製造装置。  The zirconia coating member manufacturing apparatus according to claim 4 or 5, wherein the zirconia coating member is an apparatus for disposing the metal base material at a position where radiant heat from the metal base material heating device is focused. Manufacturing equipment for members. 前記ジルコニア被覆部材の製造装置が、扉が設けられてなるバッチ型装置であり、1以上の前記金属基材加熱装置を前記扉に配置してなる、請求項4〜6のいずれか1項に記載のジルコニア被覆部材の製造装置。  The manufacturing apparatus of the said zirconia coating | coated member is a batch type apparatus by which a door is provided, and arrange | positions the 1 or more said metal base material heating apparatus in the said door in any one of Claims 4-6 The manufacturing apparatus of the zirconia coating | coated member of description. 前記金属加熱装置に、グラファイトからなるヒータエレメントが設けられてなり、前記金属加熱装置の前記金属基材に面した部分は、ヒータエレメントが露出しており、前記金属加熱装置の他の部分は防熱板によって囲まれてなるものである、請求項4〜7のいずれか1項に記載のジルコニア被覆部材の製造装置。  The metal heating device is provided with a heater element made of graphite, the heater element is exposed at the portion of the metal heating device facing the metal base, and the other part of the metal heating device is heat-proof. The apparatus for manufacturing a zirconia-coated member according to any one of claims 4 to 7, which is surrounded by a plate. 前記金属基材の温度を測定する熱センサーを前記金属基材の近傍に配設し、前記熱センサーからの信号を前記金属基材加熱装置にフィードバックさせるようにしてなる、請求項4または8に記載のジルコニア被覆部材の製造装置。  The heat sensor for measuring the temperature of the metal substrate is disposed in the vicinity of the metal substrate, and a signal from the heat sensor is fed back to the metal substrate heating device. The manufacturing apparatus of the zirconia coating | coated member of description. 前記熱センサーを複数個配設し、前記熱センサーからの信号を各々別の前記複数個の金属基材加熱装置にフィードバックさせ、複数個の前記金属基材加熱装置を独立に制御させてなる、請求項9に記載のジルコニア被覆部材の製造装置。  A plurality of the heat sensors are arranged, and signals from the heat sensors are fed back to the plurality of metal base material heating devices, and the plurality of metal base material heating devices are independently controlled. The manufacturing apparatus of the zirconia coating | coated member of Claim 9.
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