JP4090335B2 - Corrosion resistant ceramics - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は高温用部材として、特に、ガスタービンエンジン用部品などの熱機関用部品として好適に使用される耐食性セラミックスに関する。
【0002】
【従来技術】
従来、エンジニアリングセラミックスとして知られている窒化珪素、炭化珪素やサイアロンは、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性及び耐酸化性に優れることから、特にガスタービンやターボロータ等の熱機関用部品として応用が進められている。
このような珪素を含む非酸化物セラミックスは、一般には焼結助剤を添加することにより高密度で高強度の特性が得られている。例えば、窒化珪素粉末にY、AlあるいはMgOなどを焼結助剤として加え、焼成することによって高密度で高強度の窒化珪素質焼結体を得ることができる。
このようなセラミックスは、1000℃以上という金属材料では用いることのできない高い温度領域において使用することが可能であり、例えば40%以上という従来の金属材料で不可能であった熱効率を実現することも可能となっている。
【0003】
これらのセラミックスを内燃機関、特にガスタービン用部材に用いる場合、高強度のみならず、さらに他の特性も高温という厳しい環境下において優れていることが要求される。例えば、ガスタービンエンジン等の燃焼機関においては、高温燃焼ガス気流による腐食に強いことが要求され、或いは微小粒子の衝突に対する耐摩耗性や耐衝撃性を高めることが必要となる。
【0004】
ところが、珪素を含む非酸化物セラミックスは、ガスタービン燃焼ガス中に含まれる高温水蒸気と反応し、その結果高温水蒸気による腐食でセラミックスの消耗が激しく寿命が短いという問題が生じている。特に、ガスタービンに用いられる燃焼器ライナ、トランジションダクト及び静翼等の部品では、水蒸気を含む高温の燃焼ガスに曝され、表面のセラミックスの消耗が顕著であった。
【0005】
そこで、これまで焼結助剤及び粒界相の検討や焼成条件等を改善する等、各種の改良に加えて、酸化保護膜を作製することにより改善が進められてきた。例えば、窒化珪素またはサイアロンを主成分とする焼結体表面を、SiOを主体とするガラス層で被覆し、高温水蒸気に対する耐性を改善するという試みが行なわれている(例えば特許文献1参照)
また、窒化珪素質焼結体上に耐酸化性の良好なアルミナ、ムライト、ジルコニアなどをCVDや溶射の手法で保護膜をコーティングし、耐酸化性、耐エロージョン、コロージョン性を向上する試みがなされている。
【0006】
【特許文献1】
特開平9−183676号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1のように、表面にガラス層を形成する方法では、気流の伴わない静的な条件下での特性向上の効果はあるものの、実際のエンジン中で高温高圧高速ガスに曝されるとガラスの蒸発によって表面被覆層が急速に消耗し、寿命が短く保護膜の用をなさないという問題があった。
また、アルミナ、ムライト等は窒化珪素等に比べれば耐食性が高いものの、水蒸気分圧の高い雰囲気中では耐食性が低く、耐久性に劣るため、実用性が不十分であるという問題があった。さらに、ジルコニアは高温水蒸気に対する耐性が高いが基材の窒化珪素との熱膨張差から表面被覆層が剥離するという問題があった。
【0008】
従って、本発明の目的は、1000℃以上の高温域において、高温水蒸気に対する耐食性が高く、寿命の長い耐食性セラミックスを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、セラミック基体と、該セラミック基体の表面に設けられた耐食セラミック層と、該耐食セラミック層上に設けられた表面保護層とからなり、前記耐食セラミック層は、互いに異なる周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶から形成された複数のダイシリケート層から形成されており、
前記表面保護層は、周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウムからなり、
前記セラミック基体、耐食セラミック層を形成する複数のダイシリケート層及び表面保護層の各熱膨張係数は、セラミック基体から表面保護層に向かって、傾斜して並んでいることを特徴とする耐食性セラミックスが提供される。
【0010】
本発明は、セラミック基体表面に、耐食セラミック層を介して安定化ジルコニアからなる表面保護層を設けたものであるが、中間層である耐食セラミック層を異なるダイシリケート結晶により形成された複数のダイシリケート結晶層により形成し、各層の熱膨張係数が、セラミック基体から表面保護層に向かって傾斜して配列するように設定させたことが重要な特徴である。即ち、このように熱膨張係数が傾斜するように各層を配列することにより、表面保護層とセラミック基体との間の熱膨張差による熱応力が有効に緩和され、表面保護層の剥離が有効に防止され、この結果、各層の特性が安定して発揮され、高温水蒸気に対する耐性が改善され、特に高温で動作するガスタービンエンジン等の内燃機関を構成する部品として好適に用いることのできる耐食性セラミックスを実現したものである。
【0011】
本発明においては、表面保護層の厚みが5〜200μmであることが好ましい。表面保護層の厚みを、この範囲に設定しておくことにより、セラミック基体との熱膨張差による表面保護層の剥離を効果的に防止できる。
【0012】
また、前記表面保護層は、Al及びSiの含有量が合計で1質量%以下に抑制されていることが好ましい。高温水蒸気との反応によって消耗の激しいAl及びSiの含有量が少量(1質量%以下)に抑制された安定化ジルコニアは、高温水蒸気腐食に強く、窒化珪素等のセラミック基体表面を保護し、特にガスタービンエンジン用部品等に好適のセラミックスを提供することができる。
【0013】
更に、前記表面保護層が柱状結晶からなり、該柱状結晶の長軸がセラミック基体表面に略垂直であることが好ましい。即ち、耐食セラミック層との界面から表面方向に柱状に伸びた組織を有していると、熱応力により表面保護層にクラックが入ったとしても、このクラックは柱状結晶の界面に発生するため、表面保護層がセラミック基体から剥がれることなく、セラミック基体に付着したままの状態に保持されるからである。
【0014】
上述した表面保護層の気孔率は1〜30%であることが好ましい。これにより、セラミック基体と表面保護層との熱膨張差による応力が一層緩和され、表面保護層の剥がれ抑制効果が高められるからである。
【0015】
本発明において、前記耐食セラミック層を形成する各ダイシリケート結晶層の気孔率は5%以下であることが好ましい。これにより、表面保護層にクラックが入ったとしても、耐食セラミック層自体の耐食性が高く、セラミック基体の腐食を抑制できるからである。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1に示す通り、本発明の耐食性セラミックスは、セラミック基体1と、該セラミック基体1の表面に設けられた耐食セラミック層2と、該耐食セラミック層2上に設けられた表面保護層3とからなっている。
尚、本発明においては、以下に述べる耐食セラミック層2や表面保護層3の形成のために周期律表第3a族元素が使用され、また、セラミック基体1の作製のために必要により使用される焼結助剤として周期律表第3a族元素の化合物が使用されるが、かかる周期律表第3a族元素(以下、REで示すことがある)は、所謂希土類元素であり、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群より選択される元素である。
【0017】
(セラミック基体1)
セラミック基体1としては、種々のセラミック焼結体から形成されているものが使用されるが、本発明においては、金属の炭化物、窒化物、硼化物、珪化物等の非酸化物セラミック焼結体、就中、窒化ケイ素質焼結体、炭化ケイ素質焼結体及びサイアロン質焼結体が好適である。
【0018】
即ち、窒化ケイ素質焼結体、炭化ケイ素質焼結体及びサイアロン質焼結体は、何れも機械的強度等の特性に優れているものの、高温燃焼ガス雰囲気中での耐食性に劣っている。従って、これらの表面を後述する耐食セラミック層2及び表面保護層3で被覆することにより、耐食性を有効に改善することができ、高温構造部品としての寿命を向上させることができるからである。特に窒化ケイ素質焼結体は室温から高温での強度が高く、ガスタービン用部材として好適な耐食性セラミックスを実現するためには、最も有利である。
【0019】
尚、セラミック基体1中には、通常、焼結助剤として、周期律表第3a族元素の酸化物(もしくは焼成により酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩等)やSiOを、その機械的特性が損なわれない範囲の量で含有していてもよい。
【0020】
(表面保護層3)
本発明の耐食性セラミックスにおいて、最表面に位置する表面保護層3は、周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウム(安定化ジルコニア)から形成される。即ち、酸化ジルコニウムは温度変化が起こると相変態を起こし、その際に体積変化を生じてクラックを発生するため、安定化させることによってクラック発生を防止することができる。
このような安定化ジルコニアからなる表面保護層3は、前述したセラミック基体1に比して熱膨張係数が大きく、またSiO、Al、ムライト、コージェライト、YAGなどの保護膜に比べ、高温水蒸気を含む酸化雰囲気において非常に高い安定性を示し、この結果、優れた耐酸化性及び耐食性を発揮することが可能となる。さらに、融点が高いため、耐熱性に優れ、高温での寿命が長いという利点もある。
【0021】
酸化ジルコニウムの安定化のために使用される周期律表第3a族元素は、特に制限されるものではないが、Y、Er、Yb、及びLuの少なくとも1種であることが好ましい。これらの元素はイオン半径が小さく、これらの元素で安定化することにより、熱膨張係数が比較的小さくなり、熱応力による表面保護層3の剥離を効果的に抑制できるためである。
周期律表第3a族元素の含有量は、酸化ジルコニウムを安定化させ、水蒸気に対する耐食性に大きな影響を与えない範囲であればよく、特に、3〜15モル%、更には5〜12モル%であることが良い。
【0022】
本発明において、かかる表面保護層3の厚みは5〜200μm、特に10〜150μm、さらには30〜100μmであることが好ましい。これは、熱膨張差を低減して保護層3の剥がれを防ぎ、耐食性セラミックスの寿命を長くするためである。
【0023】
また、表面保護層3中におけるAl及びSi含量は、合計で1質量%以下、特に0.1質量%以下、更には0.01質量%以下に抑制されていることが好ましい。即ち、表面保護層3を形成する安定化ジルコニア中には、AlやSiが含まれることがあるが、これらの含有量が合計で1質量%を越えると、高温水蒸気中での腐食が大きくなる傾向があるためである。
【0024】
さらに、表面保護層3は、安定化ジルコニアの柱状結晶から形成されており、柱状結晶の長軸がセラミック基体表面に略垂直であることが望ましい。即ち、熱応力により表面保護層3にクラックが入っても、柱状結晶の界面においてクラックが発生するため、クラックが入った表面保護層3は、セラミック基体1から剥がれることなくセラミック基体1に付着したままになるためである。
【0025】
更には、上述した表面保護層3の気孔率が1〜30%、特に2〜15%であることが好ましい。これは、表面保護層3に微粒子が衝突してもクラックの発生及び進展を効果的に抑制し、欠けや剥離を抑制するためである。
【0026】
(耐食セラミック層2)
本発明において、セラミック基体1と表面保護層3との間の中間層として形成される耐食セラミック層2は、周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶からなる複数の層2a,2bから形成されており、この層2a,2bを形成するダイシリケートの周期律表3a族元素は互いに異なっている。
これらダイシリケート結晶は、REを周期律表第3a族元素として、下記式:
RESi
で表され、高温の水蒸気に対する耐食性が高く、高融点でもあり、たとえ表面保護層3にピンホールやクラックが存在しても、このようなダイシリケート結晶からなる耐食セラミック層2を設けることにより、セラミック基体1に対するその影響を小さくすることができる。
【0027】
しかも、本発明において、最も重要な特徴は、耐食セラミック層2が、これらのダイシリケート結晶が互いに異なる周期律表第3a族元素を含み、セラミック基体1から表面保護層3に向かって各層の熱膨張係数が傾斜して並ぶように配列されていることにある。即ち、セラミック基体1、ダイシリケート結晶層2a,2b及び表面保護層3の順に熱膨張係数が漸次大きくなっている。
このように熱膨張経緯数が傾斜的に変化していることにより、この耐食セラミック層2によって、セラミック基体1と表面保護層3との間の熱膨張差による生じる熱応力が有効に緩和され、表面保護層3の剥離を有効に防止することができ、高温下での寿命を長くすることが可能となるものである。
【0028】
図1に示す例において、耐食セラミック層2は2つのダイシリケート結晶層2a,2bで形成されているが、熱膨張係数が傾斜して配列される限りにおいて、3層以上のダイシリケート結晶層によって耐食セラミック層2が形成されていてもよいことは勿論である。
【0029】
本発明において、各ダイシリケート結晶層2a,2bのダイシリケートの種類(周期律表第3a族元素の種類)は、熱膨張係数が傾斜して配列される限りにおいて、特に制限されるものではないが、一般的には、高温下での耐水蒸気性等の点で、ダイシリケート結晶層2a,2bの少なくとも一層がErSi、YbSiまたはLuSiで形成されていることが好ましい。
【0030】
このような耐食セラミック層2を形成する各ダイシリケート結晶層2a,2bの厚みは、熱応力緩和、高信頼性及び長寿命のため、それぞれ、1〜100μm、特に10〜70μm、20〜50μmであるのが良く、複数のダイシリケート結晶層で形成される耐食セラミック層2の厚みは、2乃至500μmの範囲にあるのがよい。
【0031】
さらに、各ダイシリケート結晶層2a,2bの気孔率は5%以下、特に3%以下であることが好ましい。これは、たとえ表面層3にピンホールやクラックが存在しても、セラミック基体1に対するその影響を小さくすることができるためである。
【0032】
このように構成された本発明の耐食性セラミックスは、特に、耐酸化性及び水蒸気に対する耐食性に優れるており、タービンロータ、ノズル、コンバスタライナ、トランジションダクトなどのガスタービンエンジン用部品等の内燃機関部品に好適に用いられる。
【0033】
(耐食性セラミックスの製造)
上述した耐食性セラミックスは、例えば、以下の方法で製造することができる。
【0034】
まず、窒化珪素セラミック等からなるセラミック基体を準備する。セラミック基体は、コストの点で焼結体であるのがよく、また、既に述べたように、焼結助剤が含まれていても良く、例えば、周期律表第3a族酸化物等を0.5〜10モル%、二酸化珪素を1〜20モル%含む窒化珪素焼結体を用いることができる。
【0035】
このセラミック基体の表面に、周期律表第3a族元素を含むダイシリケート(RESi)結晶層を複数設けて耐食セラミック層を形成する。
例えば、RESiで表わされる粉体、あるいはRE粉末とSiO粉末とを所定の割合で混合した混合粉末を、所定の溶媒や分散剤に分散させてスラリーを調製し、このスラリーをセラミック基体表面に順次塗布し、1400℃以上の高温で熱処理することによって前述した複数のダイシリケート結晶層からなる耐食セラミック層を作製できる。塗布には、スラリーを吹き付けるスプレー法、スラリーの中に浸漬するディッピング法等を採用することができる。尚、スラリーをセラミック基体表面に均一に形成するため、スラリーの粘度を0.5〜3.0Pa・sにすることが好ましい。
【0036】
耐食セラミック層は、上述のように、スラリーをセラミック基体表面に順次塗布し、熱処理する塗布法を用いることによって安価に且つ密着良く形成できるが、その他にもプラズマ溶射法、CVD法、PVD法等の既存の成膜技術で形成することも可能である。
【0037】
次いで、上記の耐食セラミック層上に安定化ジルコニアからなる表面保護層を形成する。
表面保護層形成用の出発原料としては、高純度(99.9%以上)の酸化ジルコニウム粉末と周期律表第3a族元素酸化物(RE)粉末を用いる。また、既に周期律表第3a族元素酸化物で安定化された安定化ジルコニア粉末を用いても良い。いずれの場合においても、原料粉末中にAl及びSiの含有量が合計で1質量%以下であることが好ましい。
【0038】
これらの原料粉末を溶媒や分散剤を加えて混合し、スラリーを作製する。このスラリーを上記の耐食セラミック層を有するセラミック基体表面に塗布し、これを乾燥して被覆層を形成する。塗布には、耐食セラミック層の形成と同様、スプレー法、ディッピング法等を採用することができる。また、スラリーを耐食セラミック層表面に均一に形成するため、スラリーの粘度は0.5〜3.0Pa・sであることが好ましい。
【0039】
次いで熱処理を行って表面保護層を形成することができる。熱処理温度は、表面保護層を十分緻密化するために、1300℃〜1600℃、特に1350〜1550℃、さらには1400〜1500℃の温度であることが望ましい。
【0040】
表面保護層は、上述のように、スラリー塗布・熱処理により、安価に且つ密着良く形成できるが、その他にもプラズマ溶射法、CVD法、PVD法等の既存の成膜技術で表面保護層を形成することも可能である。
また、柱状結晶を作るためには、CVD法及びPVD法を用いることが好ましく、特に、EB−PVD(Electron Beam Phisical Vaper Deposition)法を用いるのが良い。
さらに、気孔率を1〜30%に制御するには、熱処理温度を制御すればよい。例えば、Y量が8質量%の安定化ジルコニア粉末を用いての塗布法により表面保護層を形成する場合、熱処理温度を1300〜1600℃の範囲で調整すればよい。また、安定化剤の含有量や熱処理時間を変えても気孔率を調整できる。
【0041】
このような製造方法により、Al及びSiの含有量が少なく、周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウムからなり、特に気孔率が5〜30%、厚みが5〜200μmの表面保護層を有する本発明の耐食性セラミックスを作製することができる。さらに、柱状結晶で、長軸がセラミック基体表面に略垂直な表面保護層を形成することもできる。
【0042】
【実施例】
実験例1
セラミック基体として、窒化珪素焼結体を準備した。窒化珪素焼結体は、酸化ルテチウムを3mol量%、二酸化珪素を6モル%焼結助剤として加えて焼成したものである。
これらのセラミック基体は、縦4mm、横40mm、厚み3mmの形状に加工した。
【0043】
このセラミック基体表面に、耐食セラミック層を形成した。即ち、熱膨張係数がセラミック基体に最も近く且つ小さい周期律表第3a族元素のダイシリケートの粉末からなるスラリーを、スプレーガンでセラミック基体表面に吹き付けて塗布し、乾燥後に温度1650℃で10分間の熱処理を行って第1の耐食セラミック層を形成した。
次に、第1の耐食セラミック層よりも低く、以下に形成する表面保護層よりも高い熱膨張率の中間の熱膨張率を持つ周期律表第3a族元素のダイシリケート粉末からなるスラリーをスプレーガンでセラミック基体表面に吹き付けて塗布し、乾燥後に温度1600℃で10分間の熱処理を行って第2の耐食セラミック層を形成した。また、所望により第3の耐食セラミック層を同様の方法で形成した。
【0044】
純度99.9%のZrO粉末、純度99.9%のY粉末、Lu粉末、Yb粉末、Er粉末、Sm粉末及びSc粉末を表1に示す組成となるよう秤量し、これに水、バインダー(PVA)を添加して酸化ジルコニウムボールを用いて24時間回転ミルで混合し、スラリーを作製した。
また、比較のために(試料No.16〜18)、純度99.9%のAl粉末、ムライト(MU)粉末及びコーディエライト(CJ)粉末を用いて同様の方法でスラリーを作製した。
得られたスラリーを、上記セラミック基体の表面にスプレーガンで吹き付けて塗布し、120℃の乾燥機中で乾燥した。得られた試料を大気中で表1の条件で熱処理して表面保護層を作製した。
【0045】
なお、試料No.12は、EB−PVD法によって安定化ジルコニアからなる表面層を形成した。
また、試料No.19は、比較のため、窒化珪素質焼結体からなるセラミック基体に、耐食セラミック層及び表面保護層を形成せずに評価した。
【0046】
評価は、熱衝撃性試験及び曝露試験を行った。また、熱衝撃性試験は、1300℃−300℃の条件で、熱サイクル試験を100サイクル行い、表面層にクラックがあるかどうか蛍光探傷液浸透法を用いて観察した。
また、曝露試験は、曝露試験装置に試料を載置し、メタンガスを燃焼させ、表2の流速で、試料に燃焼ガスを吹き付けた。
【0047】
【表1】

Figure 0004090335
【0048】
【表2】
Figure 0004090335
【0049】
本発明の試料No.1〜15は熱衝撃試験による被覆層の剥離も無く曝露試験による減肉量も2μm以下であり、耐熱衝撃性、耐食性に優れていることがわかる。
また、表面層に安定化ZrOを用いていない試料No.16〜18はいずれも熱衝撃試験で被覆層にクラックが生じ、さらに減肉量が100μm以上となった。
【0050】
【発明の効果】
本発明の耐食性セラミックスでは、1000℃以上、特に1000〜1500℃の燃焼ガス雰囲気中でも耐水蒸気腐食性が高く、寿命を改善して長時間使用が可能な耐食性セラミックスを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の耐食性セラミックスの断面構造の一例を示す図。
【符号の説明】
1:セラミック基体
2:耐食セラミック層
2a,2b:ダイシリケート結晶層
3:表面保護層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a corrosion-resistant ceramic that is suitably used as a high-temperature member, particularly as a heat engine component such as a gas turbine engine component.
[0002]
[Prior art]
Silicon nitride, silicon carbide, and sialon, which are conventionally known as engineering ceramics, are excellent in heat resistance, thermal shock resistance, wear resistance, and oxidation resistance, so that they are particularly suitable for heat engine parts such as gas turbines and turbo rotors. Application is underway.
Such non-oxide ceramics containing silicon generally have high density and high strength properties by adding a sintering aid. For example, Y 2 O 3 , Al 2 O 3, MgO, or the like is added to the silicon nitride powder as a sintering aid and fired to obtain a high-density and high-strength silicon nitride-based sintered body.
Such ceramics can be used in a high temperature range that cannot be used with a metal material of 1000 ° C. or higher. For example, it is possible to realize thermal efficiency that is impossible with a conventional metal material of 40% or higher. It is possible.
[0003]
When these ceramics are used in an internal combustion engine, particularly a gas turbine member, not only high strength but also other characteristics are required to be excellent in a severe environment of high temperature. For example, in a combustion engine such as a gas turbine engine, it is required to be resistant to corrosion by a high-temperature combustion gas stream, or it is necessary to improve wear resistance and impact resistance against collision of fine particles.
[0004]
However, non-oxide ceramics containing silicon react with high-temperature water vapor contained in the gas turbine combustion gas, and as a result, there is a problem that the ceramics are consumed by corrosion due to high-temperature water vapor and the life is short. In particular, parts such as combustor liners, transition ducts, and stationary blades used in gas turbines are exposed to high-temperature combustion gas containing water vapor, and the surface ceramics are significantly consumed.
[0005]
Thus, improvements have been made so far by making an oxidation protective film in addition to various improvements such as examination of sintering aids and grain boundary phases and improvement of firing conditions. For example, an attempt has been made to improve the resistance to high-temperature steam by coating the surface of a sintered body mainly composed of silicon nitride or sialon with a glass layer mainly composed of SiO 2 (see, for example, Patent Document 1).
Attempts have also been made to improve oxidation resistance, erosion resistance, and corrosion resistance by coating a protective film with CVD, thermal spraying, etc. on alumina, mullite, zirconia, etc. with good oxidation resistance on a silicon nitride-based sintered body. ing.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-9-183676 [0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, as in Patent Document 1, the method of forming a glass layer on the surface has the effect of improving characteristics under static conditions without airflow, but is exposed to high-temperature, high-pressure, high-speed gas in an actual engine. Then, there was a problem that the surface coating layer was rapidly consumed due to the evaporation of the glass, and the life was short and the protective film was not used.
Alumina, mullite and the like have higher corrosion resistance than silicon nitride and the like, but there is a problem that the practicality is insufficient because the corrosion resistance is low and the durability is poor in an atmosphere having a high water vapor partial pressure. Furthermore, although zirconia has high resistance to high-temperature steam, there has been a problem that the surface coating layer peels off due to a difference in thermal expansion from the silicon nitride of the base material.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a corrosion-resistant ceramic having high corrosion resistance against high-temperature steam and a long life in a high temperature range of 1000 ° C. or higher.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the ceramic substrate includes a ceramic substrate, a corrosion-resistant ceramic layer provided on the surface of the ceramic substrate, and a surface protective layer provided on the corrosion-resistant ceramic layer. Formed from a plurality of disilicate layers formed from disilicate crystals of Table 3a elements,
The surface protective layer is made of zirconium oxide stabilized with Group 3a element of the periodic table,
Corrosion-resistant ceramics characterized in that each of the thermal expansion coefficients of the ceramic base, the plurality of disilicate layers forming the corrosion-resistant ceramic layer, and the surface protective layer are arranged in an inclined manner from the ceramic base toward the surface protective layer. Provided.
[0010]
In the present invention, a surface protective layer made of stabilized zirconia is provided on the surface of a ceramic substrate via a corrosion-resistant ceramic layer, but a plurality of dies formed by different anti-corrosion ceramic layers formed of different disilicate crystals. It is an important feature that it is formed of a silicate crystal layer, and the thermal expansion coefficient of each layer is set so as to be inclined from the ceramic substrate toward the surface protective layer. That is, by arranging the layers so that the thermal expansion coefficient is inclined in this way, the thermal stress due to the thermal expansion difference between the surface protective layer and the ceramic substrate is effectively relieved, and the surface protective layer is effectively peeled off. As a result, corrosion resistant ceramics that can stably be used as a component that constitutes an internal combustion engine such as a gas turbine engine that operates at a high temperature, in which the characteristics of each layer are stably exhibited, the resistance to high-temperature steam is improved, and the resistance to high-temperature steam is improved. It has been realized.
[0011]
In the present invention, the thickness of the surface protective layer is preferably 5 to 200 μm. By setting the thickness of the surface protective layer within this range, peeling of the surface protective layer due to a difference in thermal expansion from the ceramic substrate can be effectively prevented.
[0012]
Moreover, it is preferable that content of Al and Si is suppressed to 1 mass% or less in the said surface protective layer in total. Stabilized zirconia, in which the content of Al and Si, which are highly consumed by reaction with high-temperature steam, is suppressed to a small amount (1% by mass or less) is resistant to high-temperature steam corrosion and protects the surface of a ceramic substrate such as silicon nitride. Ceramics suitable for gas turbine engine parts and the like can be provided.
[0013]
Furthermore, it is preferable that the surface protective layer is made of columnar crystals, and the major axis of the columnar crystals is substantially perpendicular to the surface of the ceramic substrate. That is, if it has a structure extending in a columnar shape in the surface direction from the interface with the corrosion-resistant ceramic layer, even if the surface protective layer cracks due to thermal stress, this crack occurs at the interface of the columnar crystals, This is because the surface protective layer is held in a state of being attached to the ceramic substrate without being peeled off from the ceramic substrate.
[0014]
The porosity of the surface protective layer described above is preferably 1 to 30%. This is because the stress due to the difference in thermal expansion between the ceramic substrate and the surface protective layer is further relaxed, and the effect of suppressing the peeling of the surface protective layer is enhanced.
[0015]
In the present invention, the porosity of each disilicate crystal layer forming the corrosion-resistant ceramic layer is preferably 5% or less. Thereby, even if the surface protective layer is cracked, the corrosion resistance of the corrosion resistant ceramic layer itself is high, and corrosion of the ceramic substrate can be suppressed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As shown in FIG. 1, the corrosion-resistant ceramic of the present invention comprises a ceramic substrate 1, a corrosion-resistant ceramic layer 2 provided on the surface of the ceramic substrate 1, and a surface protective layer 3 provided on the corrosion-resistant ceramic layer 2. It has become.
In the present invention, the group 3a element of the periodic table is used for forming the corrosion-resistant ceramic layer 2 and the surface protective layer 3 described below, and is used if necessary for producing the ceramic substrate 1. Although a compound of Group 3a element of the periodic table is used as a sintering aid, the Group 3a element of the periodic table (hereinafter sometimes referred to as RE) is a so-called rare earth element, Sc, Y, It is an element selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu.
[0017]
(Ceramic substrate 1)
As the ceramic substrate 1, those formed from various ceramic sintered bodies are used. In the present invention, non-oxide ceramic sintered bodies such as metal carbides, nitrides, borides and silicides are used. In particular, a silicon nitride sintered body, a silicon carbide sintered body and a sialon sintered body are suitable.
[0018]
That is, the silicon nitride sintered body, the silicon carbide sintered body, and the sialon sintered body are all excellent in properties such as mechanical strength, but are inferior in corrosion resistance in a high-temperature combustion gas atmosphere. Therefore, by covering these surfaces with a corrosion-resistant ceramic layer 2 and a surface protective layer 3 to be described later, the corrosion resistance can be effectively improved and the life as a high-temperature structural component can be improved. In particular, the silicon nitride sintered body has a high strength from room temperature to high temperature, and is most advantageous for realizing a corrosion-resistant ceramic suitable as a member for a gas turbine.
[0019]
In the ceramic substrate 1, an oxide of a group 3a element of the periodic table (or carbonate, nitrate, etc. capable of forming an oxide by firing) or SiO 2 is usually used as a sintering aid. You may contain in the quantity of the range which does not impair a characteristic.
[0020]
(Surface protective layer 3)
In the corrosion-resistant ceramic of the present invention, the surface protective layer 3 located on the outermost surface is formed from zirconium oxide (stabilized zirconia) stabilized with Group 3a element of the periodic table. In other words, zirconium oxide undergoes a phase transformation when a temperature change occurs, and at that time, a volume change occurs and a crack is generated. Therefore, stabilization can prevent the generation of a crack.
The surface protective layer 3 made of such stabilized zirconia has a larger coefficient of thermal expansion than the ceramic substrate 1 described above, and more than protective films such as SiO 2 , Al 2 O 3 , mullite, cordierite, and YAG. It exhibits very high stability in an oxidizing atmosphere containing high-temperature steam, and as a result, it is possible to exhibit excellent oxidation resistance and corrosion resistance. In addition, since the melting point is high, there are also advantages of excellent heat resistance and long life at high temperatures.
[0021]
The group 3a element in the periodic table used for stabilizing zirconium oxide is not particularly limited, but is preferably at least one of Y, Er, Yb, and Lu. This is because these elements have small ionic radii, and by stabilizing with these elements, the thermal expansion coefficient becomes relatively small, and peeling of the surface protective layer 3 due to thermal stress can be effectively suppressed.
The content of the Group 3a element in the periodic table may be within a range that stabilizes zirconium oxide and does not significantly affect the corrosion resistance against water vapor, and is particularly 3 to 15 mol%, more preferably 5 to 12 mol%. It is good to be.
[0022]
In the present invention, the thickness of the surface protective layer 3 is preferably 5 to 200 μm, particularly 10 to 150 μm, and more preferably 30 to 100 μm. This is for reducing the difference in thermal expansion to prevent the protective layer 3 from peeling off and prolonging the life of the corrosion-resistant ceramic.
[0023]
Further, the Al and Si contents in the surface protective layer 3 are preferably controlled to be 1% by mass or less, particularly 0.1% by mass or less, and more preferably 0.01% by mass or less. That is, the stabilized zirconia forming the surface protective layer 3 may contain Al or Si, but if the total content exceeds 1% by mass, corrosion in high-temperature steam increases. This is because there is a tendency.
[0024]
Furthermore, the surface protective layer 3 is preferably formed from a columnar crystal of stabilized zirconia, and the long axis of the columnar crystal is preferably substantially perpendicular to the surface of the ceramic substrate. That is, even if a crack occurs in the surface protective layer 3 due to thermal stress, cracks are generated at the interface of the columnar crystals, so that the cracked surface protective layer 3 adhered to the ceramic substrate 1 without peeling off from the ceramic substrate 1. Because it will remain.
[0025]
Furthermore, the porosity of the surface protective layer 3 described above is preferably 1 to 30%, particularly preferably 2 to 15%. This is because even if the fine particles collide with the surface protective layer 3, the generation and progress of cracks are effectively suppressed, and chipping and peeling are suppressed.
[0026]
(Corrosion resistant ceramic layer 2)
In the present invention, the corrosion-resistant ceramic layer 2 formed as an intermediate layer between the ceramic substrate 1 and the surface protective layer 3 is formed of a plurality of layers 2a and 2b made of a disilicate crystal of group 3a element of the periodic table. The elements 3a of the periodic table of the disilicate forming the layers 2a and 2b are different from each other.
These disilicate crystals have the following formula: RE as a group 3a element in the periodic table.
RE 2 Si 2 O 7
By providing a corrosion-resistant ceramic layer 2 made of such a disilicate crystal even if pinholes and cracks are present in the surface protective layer 3, the corrosion resistance against high-temperature water vapor is high and the melting point is high. The influence on the ceramic substrate 1 can be reduced.
[0027]
Moreover, in the present invention, the most important feature is that the corrosion-resistant ceramic layer 2 contains Group 3a elements of the periodic table whose disilicate crystals are different from each other, and heat from each layer toward the surface protective layer 3 from the ceramic substrate 1. The expansion coefficient is arranged so as to be inclined. That is, the thermal expansion coefficient gradually increases in the order of the ceramic substrate 1, the disilicate crystal layers 2a and 2b, and the surface protective layer 3.
Since the number of thermal expansions and slopes changes in an inclined manner as described above, the corrosion-resistant ceramic layer 2 effectively relieves the thermal stress caused by the thermal expansion difference between the ceramic base 1 and the surface protective layer 3. The peeling of the surface protective layer 3 can be effectively prevented, and the life at high temperatures can be extended.
[0028]
In the example shown in FIG. 1, the corrosion-resistant ceramic layer 2 is formed of two disilicate crystal layers 2a and 2b. However, as long as the thermal expansion coefficients are arranged in an inclined manner, three or more disilicate crystal layers are used. Of course, the corrosion-resistant ceramic layer 2 may be formed.
[0029]
In the present invention, the type of disilicate of each disilicate crystal layer 2a, 2b (type of group 3a element in the periodic table) is not particularly limited as long as the thermal expansion coefficient is arranged with an inclination. However, generally, at least one of the disilicate crystal layers 2a and 2b is Er 2 Si 2 O 7 , Yb 2 Si 2 O 7 or Lu 2 Si 2 O 7 in terms of water vapor resistance at high temperatures. It is preferable that it is formed.
[0030]
The thicknesses of the disilicate crystal layers 2a and 2b forming the corrosion-resistant ceramic layer 2 are 1 to 100 μm, particularly 10 to 70 μm, and 20 to 50 μm, respectively, for thermal stress relaxation, high reliability, and long life. The thickness of the corrosion-resistant ceramic layer 2 formed of a plurality of disilicate crystal layers is preferably in the range of 2 to 500 μm.
[0031]
Furthermore, the porosity of each disilicate crystal layer 2a, 2b is preferably 5% or less, particularly preferably 3% or less. This is because even if pinholes and cracks exist in the surface layer 3, the influence on the ceramic substrate 1 can be reduced.
[0032]
The corrosion-resistant ceramic of the present invention thus configured is particularly excellent in oxidation resistance and corrosion resistance against water vapor, and is suitable for internal combustion engine parts such as gas turbine engine parts such as turbine rotors, nozzles, combustor liners, and transition ducts. Preferably used.
[0033]
(Manufacture of corrosion-resistant ceramics)
The corrosion-resistant ceramics described above can be manufactured, for example, by the following method.
[0034]
First, a ceramic substrate made of silicon nitride ceramic or the like is prepared. The ceramic substrate is preferably a sintered body in terms of cost, and may contain a sintering aid as already described. A silicon nitride sintered body containing 5 to 10 mol% and 1 to 20 mol% of silicon dioxide can be used.
[0035]
A plurality of disilicate (RE 2 Si 2 O 7 ) crystal layers containing Group 3a elements of the periodic table are provided on the surface of the ceramic substrate to form a corrosion-resistant ceramic layer.
For example, a slurry is prepared by dispersing a powder represented by RE 2 Si 2 O 7 or a mixed powder obtained by mixing RE 2 O 3 powder and SiO 2 powder in a predetermined ratio in a predetermined solvent or dispersant. Then, the slurry is sequentially applied to the surface of the ceramic substrate and heat-treated at a high temperature of 1400 ° C. or higher, whereby the corrosion-resistant ceramic layer composed of the plurality of disilicate crystal layers described above can be produced. For the application, a spray method in which slurry is sprayed, a dipping method in which the slurry is immersed in the slurry, or the like can be employed. In order to form the slurry uniformly on the surface of the ceramic substrate, the viscosity of the slurry is preferably 0.5 to 3.0 Pa · s.
[0036]
As described above, the corrosion-resistant ceramic layer can be formed inexpensively and with good adhesion by using a coating method in which slurry is sequentially applied to the surface of the ceramic substrate and heat-treated, but other methods such as plasma spraying, CVD, PVD, etc. It is also possible to form with the existing film-forming technique.
[0037]
Next, a surface protective layer made of stabilized zirconia is formed on the corrosion-resistant ceramic layer.
As starting materials for forming the surface protective layer, zirconium oxide powder of high purity (99.9% or more) and Group 3a element oxide (RE 2 O 3 ) powder of the periodic table are used. Moreover, you may use the stabilized zirconia powder already stabilized with the periodic table group 3a element oxide. In any case, the total content of Al and Si in the raw material powder is preferably 1% by mass or less.
[0038]
These raw material powders are mixed with a solvent and a dispersant to prepare a slurry. This slurry is applied to the surface of the ceramic substrate having the corrosion-resistant ceramic layer and dried to form a coating layer. As with the formation of the corrosion-resistant ceramic layer, a spray method, a dipping method, or the like can be employed for application. Moreover, in order to form a slurry uniformly on the surface of a corrosion-resistant ceramic layer, the viscosity of the slurry is preferably 0.5 to 3.0 Pa · s.
[0039]
Next, heat treatment can be performed to form a surface protective layer. The heat treatment temperature is desirably 1300 ° C. to 1600 ° C., particularly 1350 to 1550 ° C., more preferably 1400 to 1500 ° C., in order to sufficiently densify the surface protective layer.
[0040]
As described above, the surface protective layer can be formed at low cost and with good adhesion by slurry coating and heat treatment. In addition, the surface protective layer is formed by existing film forming techniques such as plasma spraying, CVD, and PVD. It is also possible to do.
In order to form a columnar crystal, it is preferable to use a CVD method and a PVD method, and it is particularly preferable to use an EB-PVD (Electron Beam Phisical Vapor Deposition) method.
Furthermore, in order to control the porosity to 1 to 30%, the heat treatment temperature may be controlled. For example, when the surface protective layer is formed by a coating method using a stabilized zirconia powder having an amount of Y 2 O 3 of 8% by mass, the heat treatment temperature may be adjusted in the range of 1300 to 1600 ° C. In addition, the porosity can be adjusted by changing the stabilizer content and the heat treatment time.
[0041]
By such a manufacturing method, surface protection with a low content of Al and Si, zirconium oxide stabilized with Group 3a element of the periodic table, especially porosity of 5-30% and thickness of 5-200 μm The corrosion-resistant ceramic of the present invention having a layer can be produced. Furthermore, it is possible to form a surface protective layer having columnar crystals whose major axis is substantially perpendicular to the surface of the ceramic substrate.
[0042]
【Example】
Experimental example 1
A silicon nitride sintered body was prepared as a ceramic substrate. The silicon nitride sintered body is fired by adding 3 mol% of lutetium oxide and 6 mol% of silicon dioxide as a sintering aid.
These ceramic substrates were processed into a shape having a length of 4 mm, a width of 40 mm, and a thickness of 3 mm.
[0043]
A corrosion-resistant ceramic layer was formed on the surface of the ceramic substrate. That is, a slurry made of a disilicate powder of a group 3a element of the periodic table having the smallest thermal expansion coefficient closest to the ceramic substrate is applied by spraying to the surface of the ceramic substrate with a spray gun, and after drying at a temperature of 1650 ° C. for 10 minutes. The first corrosion-resistant ceramic layer was formed by performing the heat treatment.
Next, a slurry made of a disilicate powder of Group 3a element of the periodic table having a thermal expansion coefficient lower than that of the first corrosion-resistant ceramic layer and higher than that of the surface protective layer to be formed below is sprayed. The surface of the ceramic substrate was sprayed and applied with a gun, and after drying, heat treatment was performed at a temperature of 1600 ° C. for 10 minutes to form a second corrosion-resistant ceramic layer. Further, a third corrosion-resistant ceramic layer was formed by the same method as desired.
[0044]
ZrO 2 powder with a purity of 99.9%, Y 2 O 3 powder with a purity of 99.9%, Lu 2 O 3 powder, Yb 2 O 3 powder, Er 2 O 3 powder, Sm 2 O 3 powder and Sc 2 O 3 The powder was weighed so as to have the composition shown in Table 1, and water and a binder (PVA) were added thereto and mixed with a zirconium oxide ball for 24 hours by a rotary mill to prepare a slurry.
For comparison (Sample Nos. 16 to 18), a slurry was prepared in the same manner using 99.9% pure Al 2 O 3 powder, mullite (MU) powder, and cordierite (CJ) powder. did.
The obtained slurry was applied to the surface of the ceramic substrate by spraying with a spray gun and dried in a dryer at 120 ° C. The obtained sample was heat-treated in air under the conditions shown in Table 1 to prepare a surface protective layer.
[0045]
Sample No. No. 12 formed a surface layer made of stabilized zirconia by the EB-PVD method.
Sample No. For comparison, 19 was evaluated without forming a corrosion-resistant ceramic layer and a surface protective layer on a ceramic substrate made of a silicon nitride-based sintered body.
[0046]
The evaluation was conducted by a thermal shock test and an exposure test. In addition, the thermal shock test was carried out 100 cycles under the conditions of 1300 ° C. to 300 ° C., and the presence of cracks in the surface layer was observed using a fluorescent flaw detection liquid penetration method.
In the exposure test, a sample was placed on an exposure test apparatus, methane gas was combusted, and combustion gas was sprayed onto the sample at a flow rate shown in Table 2.
[0047]
[Table 1]
Figure 0004090335
[0048]
[Table 2]
Figure 0004090335
[0049]
Sample No. of the present invention. Nos. 1 to 15 show no exfoliation of the coating layer by the thermal shock test, and the amount of thinning by the exposure test is 2 μm or less, which indicates that the thermal shock resistance and corrosion resistance are excellent.
Sample No. which does not use stabilized ZrO 2 for the surface layer. In all of Nos. 16 to 18, cracks were generated in the coating layer in the thermal shock test, and the thickness reduction was 100 μm or more.
[0050]
【The invention's effect】
With the corrosion-resistant ceramic of the present invention, it is possible to realize a corrosion-resistant ceramic that has high steam corrosion resistance even in a combustion gas atmosphere of 1000 ° C. or higher, particularly 1000 to 1500 ° C., and that can be used for a long time with improved life.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure of a corrosion-resistant ceramic according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Ceramic substrate 2: Corrosion-resistant ceramic layers 2a, 2b: Disilicate crystal layer 3: Surface protective layer

Claims (9)

セラミック基体と、該セラミック基体の表面に設けられた耐食セラミック層と、該耐食セラミック層上に設けられた表面保護層とからなり、
前記耐食セラミック層は、互いに異なる周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶から形成された複数のダイシリケート層から形成されており、
前記表面保護層は、周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウムからなり、
前記セラミック基体、耐食セラミック層を形成する複数のダイシリケート層及び表面保護層の各熱膨張係数は、セラミック基体から表面保護層に向かって、傾斜して並んでいることを特徴とする耐食性セラミックス。
A ceramic base, a corrosion-resistant ceramic layer provided on the surface of the ceramic base, and a surface protective layer provided on the corrosion-resistant ceramic layer,
The corrosion-resistant ceramic layer is formed from a plurality of disilicate layers formed from disilicate crystals of Group 3a elements of the periodic table different from each other,
The surface protective layer is made of zirconium oxide stabilized with Group 3a element of the periodic table,
Corrosion-resistant ceramics characterized in that the thermal expansion coefficients of the ceramic substrate, the plurality of disilicate layers forming the corrosion-resistant ceramic layer, and the surface protective layer are arranged in an inclined manner from the ceramic substrate to the surface protective layer.
前記表面保護層は、5〜200μmの厚みを有している請求項1記載の耐食性セラミックス。The corrosion-resistant ceramic according to claim 1, wherein the surface protective layer has a thickness of 5 to 200 μm. 前記表面保護層は、Al及びSiの含有量が合計で1質量%以下に抑制されている請求項1又は2のいずれかに記載の耐食性セラミックス。The said surface protective layer is corrosion-resistant ceramics in any one of Claim 1 or 2 by which content of Al and Si is suppressed to 1 mass% or less in total. 前記表面保護層が柱状結晶からなり、該柱状結晶の長軸がセラミック基体表面に略垂直である請求項1乃至3のいずれかに記載の耐食性セラミックス。The corrosion-resistant ceramic according to any one of claims 1 to 3, wherein the surface protective layer is made of columnar crystals, and the major axis of the columnar crystals is substantially perpendicular to the surface of the ceramic substrate. 前記表面保護層の気孔率が1〜30%である請求項1乃至4のいずれかに記載の耐食性セラミックス。The corrosion-resistant ceramic according to any one of claims 1 to 4, wherein the surface protective layer has a porosity of 1 to 30%. 前記耐食セラミック層を形成するダイシリケート層の各々は、気孔率が5%以下である請求項1乃至5のいずれかに記載の耐食性セラミックス。The corrosion-resistant ceramic according to any one of claims 1 to 5, wherein each of the disilicate layers forming the corrosion-resistant ceramic layer has a porosity of 5% or less. 前記表面保護層の熱膨張係数が前記セラミック基体の熱膨張係数よりも大きい請求項1乃至6のいずれかに記載の耐食性セラミックス。The corrosion-resistant ceramic according to any one of claims 1 to 6, wherein a thermal expansion coefficient of the surface protective layer is larger than a thermal expansion coefficient of the ceramic substrate. 前記セラミック基体が窒化珪素焼結体である請求項1乃至7のいずれかに記載の耐食性セラミックス。The corrosion-resistant ceramic according to any one of claims 1 to 7, wherein the ceramic base is a silicon nitride sintered body. 前記ダイシリケート結晶がErSi、YbSiまたはLuSiである請求項1乃至8のいずれかに記載の耐食性セラミックス。The disilicate crystals Er 2 Si 2 O 7, Yb 2 Si 2 O 7 or Lu 2 Si 2 O 7 a corrosion resistant ceramic according to any one of claims 1 to 8.
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