JP5345419B2 - Method for forming high-temperature oxidation ceramic film and substrate with high-temperature oxidation ceramic film - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービン、原子力発電プラント等の材料として用いられる基材の耐高温酸化特性を向上させる技術として有用なセラミックス皮膜の形成方法、並びにその方法により形成されたセラミックス皮膜を備えるセラミックス皮膜付基材に関する。   The present invention relates to a method for forming a ceramic film useful as a technique for improving the high temperature oxidation resistance of a substrate used as a material for a gas turbine, a nuclear power plant, etc., and a ceramic film provided with the ceramic film formed by the method. It relates to a substrate.

ガスタービンや原子力発電プラントといった高温高圧の環境下で用いられる基材には、耐高温酸化特性(例えば1000℃以上における耐酸化特性)が要求されている。そして、このような要求に対応するために、基材上に耐高温酸化特性を付与することができるセラミックス等の皮膜の形成する方法が検討されている。そして、セラミックス等の皮膜を形成する方法としては、プラズマ溶射法やフレーム溶射法が一般的に採用されているが、これらの溶射法においては、融点又は軟化温度以上にまで加熱された皮膜材料が基材に吹き付けられるため、例えば炭化ケイ素粒子等の炭化物系セラミックス粒子を用いた場合には、これらのセラミックス粒子が熱により分解してしまい、セラミックスからなる皮膜を形成することができないという問題があった。さらに、物理蒸着法や化学蒸着法により炭化物系セラミックス粒子を成膜する場合には、これらのセラミックス粒子が分解することはないものの、成膜速度が遅く生産効率が悪いという点で問題があった。   Base materials used in high-temperature and high-pressure environments such as gas turbines and nuclear power plants are required to have high-temperature oxidation resistance (for example, oxidation resistance at 1000 ° C. or higher). And in order to respond | correspond to such a request | requirement, the method of forming films | membranes, such as ceramics which can provide a high temperature oxidation-resistant characteristic on a base material, is examined. As a method for forming a coating of ceramics or the like, plasma spraying or flame spraying is generally employed. In these spraying methods, a coating material heated to a melting point or a softening temperature or higher is used. For example, when carbide ceramic particles such as silicon carbide particles are used, the ceramic particles are decomposed by heat, and a film made of ceramics cannot be formed. It was. In addition, when carbide-based ceramic particles are formed by physical vapor deposition or chemical vapor deposition, these ceramic particles do not decompose, but there is a problem in that the film formation rate is slow and the production efficiency is poor. .

また、特開2004−307968号公報(特許文献1)には、Cr、Mo及びNiの合金並びにTiB、CrB、TiC、TiN、WC及びCrからなる群から選択される少なくとも一つのセラミックスからなるスプレー粉末を用いて、コールドスプレー法によりスプレー粉末を成膜する方法が開示されている。さらに、特開2008−231527号公報(特許文献2)には、炭化タングステン及び金属からなるサーメット粒子を含有するスプレー粉末を用いて、コールドスプレー法によりスプレー粉末を成膜する方法が開示されている。しかしながら、特許文献1及び2に記載のような皮膜の形成方法により形成される皮膜は、基材に対し十分な耐高温酸化特性を付与することができるものではなかった。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-307968 (Patent Document 1) discloses an alloy of Cr, Mo and Ni and at least one selected from the group consisting of TiB 2 , CrB 2 , TiC, TiN, WC and Cr 3 C 2. A method of forming a spray powder by a cold spray method using two ceramic spray powders is disclosed. Furthermore, JP 2008-231527 A (Patent Document 2) discloses a method of forming a spray powder by a cold spray method using a spray powder containing cermet particles made of tungsten carbide and metal. . However, the film formed by the method for forming a film as described in Patent Documents 1 and 2 cannot impart sufficient high-temperature oxidation resistance to the substrate.

特開2004−307968号公報JP 2004-307968 A 特開2008−231527号公報JP 2008-231527 A

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、基材に対し十分な耐高温酸化特性を付与することが可能なセラミックス皮膜の形成方法、並びにその方法により形成されたセラミックス皮膜を備えるセラミックス皮膜付基材を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and a method for forming a ceramic film capable of imparting sufficient high-temperature oxidation resistance to a substrate, and a ceramic formed by the method. It aims at providing the base material with a ceramic membrane | film | coat provided with a membrane | film | coat.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、セラミックスと金属とを含有している粒子ではなく、セラミックスの含有率が99質量%以上のセラミックス粒子を含有するスプレー粉末を用いて、コールドスプレー法により前記スプレー粉末を成膜させる場合においても、驚くべきことに、十分な靭性を有するセラミックス皮膜を形成することができ、しかも得られるセラミックス皮膜は基材に対し十分な耐高温酸化特性を付与することができることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have developed a spray powder containing ceramic particles having a ceramic content of 99% by mass or more, instead of particles containing ceramics and metal. Even when the spray powder is formed into a film by the cold spray method, it is surprisingly possible to form a ceramic film having sufficient toughness, and the obtained ceramic film has a sufficient resistance to the substrate. The present inventors have found that high temperature oxidation characteristics can be imparted and have completed the present invention.

すなわち、本発明の耐高温酸化セラミックス皮膜の形成方法は、セラミックスの含有率が99質量%以上であり、前記セラミックスが炭化ケイ素であり、かつ、平均粒子径(質量50%粒子径)が5〜30μmであるセラミックス粒子からなるスプレー粉末を用いて、コールドスプレー法により作動ガスの圧力が0.5〜1MPaの範囲となる条件で前記スプレー粉末を成膜させて、前記セラミックスの含有率が99質量%以上のセラミックス皮膜を形成することを特徴とする方法である。 That is, in the method for forming a high temperature oxidation-resistant ceramic film of the present invention, the ceramic content is 99% by mass or more , the ceramic is silicon carbide, and the average particle size (mass 50% particle size) is 5 to 5. Using the spray powder made of ceramic particles having a thickness of 30 μm, the spray powder is formed by a cold spray method under the condition that the working gas pressure is in the range of 0.5 to 1 MPa, and the ceramic content is 99 mass. % Or more ceramic film is formed.

また、本発明の耐高温酸化セラミックス皮膜の形成方法においては、前記セラミックス皮膜をモリブデンを含む基材上に形成することが好ましい。 Moreover, in the formation method of the high temperature oxidation-resistant ceramic film of this invention, it is preferable to form the said ceramic film on the base material containing molybdenum .

本発明の耐高温酸化セラミックス皮膜付基材は、基材と、前記本発明の耐高温酸化セラミックス皮膜の形成方法により前記基材上に形成された耐高温酸化セラミックス皮膜とを備えることを特徴とするものである。 High-temperature substrate with oxidation ceramic coating of the present invention, the comprising: a substrate and a high-temperature oxidation ceramic coating formed on the substrate by the method of forming the high-temperature oxidation ceramic coating of the present invention To do.

また、本発明の耐高温酸化セラミックス皮膜付基材においては、前記基材がモリブデンを含むことが好ましい。 Moreover, in the base material with a high temperature oxidation-resistant ceramic film of the present invention, the base material preferably contains molybdenum.

なお、本発明のセラミックス皮膜の形成方法によって、基材に対し十分な耐高温酸化特性を付与することが可能なセラミックス皮膜を形成することができる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、本発明のセラミックス皮膜の形成方法によって化学的に安定なセラミックス皮膜を緻密に形成させ、セラミックス皮膜表面からの酸素の供給を遮断させることにより基材に対して高温酸化特性を付与している。これに対し、従来の皮膜の形成方法においては、付着効率改善等の理由から金属粒子をバインダとして用いることが一般的であるが、このような場合、セラミックスに比べ化学的に不安定な金属が高温酸化の核となり、基材の高温酸化が金属粒子を介して進行するものと推察される。このように、本発明のセラミックス皮膜の形成方法においては、化学的に安定なセラミックスの含有率が極めて高く緻密なセラミックス皮膜を形成することができ、前記セラミックス皮膜中に高温酸化の核となる金属粒子がほとんど存在しないため、基材に対し十分な耐高温酸化特性を付与することができるものと本発明者らは推察する。   Although the reason why a ceramic film capable of imparting sufficient high-temperature oxidation resistance to a substrate can be formed by the method for forming a ceramic film of the present invention is not necessarily clear, the present inventors We infer as follows. In other words, a chemically stable ceramic film is densely formed by the method of forming a ceramic film of the present invention, and high-temperature oxidation characteristics are imparted to the substrate by blocking the supply of oxygen from the surface of the ceramic film. . On the other hand, in the conventional method for forming a film, it is common to use metal particles as a binder for reasons such as improving the adhesion efficiency. It is presumed that the high-temperature oxidation becomes a nucleus and the high-temperature oxidation of the substrate proceeds through the metal particles. Thus, in the method for forming a ceramic film according to the present invention, a dense ceramic film having an extremely high content of chemically stable ceramics can be formed, and a metal that becomes a nucleus of high-temperature oxidation in the ceramic film. The present inventors speculate that since there are almost no particles, sufficient high-temperature oxidation resistance can be imparted to the substrate.

本発明によれば、基材に対し十分な耐高温酸化特性を付与することが可能なセラミックス皮膜の形成方法、並びにその方法により形成されたセラミックス皮膜を備えるセラミックス皮膜付基材を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a method for forming a ceramic film capable of imparting sufficient high-temperature oxidation resistance to a substrate, and a substrate with a ceramic film provided with a ceramic film formed by the method. It becomes possible.

本発明のセラミックス皮膜の形成方法を好適に実施することができるコールドスプレー装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cold spray apparatus which can implement suitably the formation method of the ceramic membrane | film | coat of this invention. 実施例1で得られたセラミックス皮膜付基材の断面を示す電子顕微鏡写真である。2 is an electron micrograph showing a cross section of the ceramic film-coated substrate obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られたセラミックス皮膜付基材及び比較のための基材における高温酸化試験の時間と質量変化量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the time of the high temperature oxidation test in the base material with a ceramic membrane | film | coat obtained in Example 1, and the base material for a comparison, and mass variation | change_quantity. 高温酸化試験後における実施例1で得られたセラミックス皮膜付基材及び比較のための基材のX線回折スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray-diffraction spectrum of the base material with a ceramic membrane | film | coat obtained in Example 1 after a high temperature oxidation test, and the base material for a comparison. 高温酸化試験後における実施例1で得られたセラミックス皮膜付基材の基材表面からの深さと酸素、ケイ素、クロム、ニッケル及びモリブデンの元素量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the depth from the base-material surface of the base material with a ceramic membrane | film | coat obtained in Example 1 after a high temperature oxidation test, and the element amount of oxygen, silicon, chromium, nickel, and molybdenum. 高温酸化試験後における比較のための基材の基材表面からの深さと酸素、ケイ素、クロム、ニッケル及びモリブデンの元素量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the depth from the base-material surface of the base material for a comparison after a high temperature oxidation test, and the element amount of oxygen, silicon, chromium, nickel, and molybdenum.

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments thereof.

先ず、本発明のセラミックス皮膜の形成方法について説明する。すなわち、本発明のセラミックス皮膜の形成方法は、セラミックスの含有率が99質量%以上のセラミックス粒子を含有するスプレー粉末を用いて、コールドスプレー法により前記スプレー粉末を成膜させて、前記セラミックスの含有率が99質量%以上のセラミックス皮膜を形成することを特徴とする方法である。   First, a method for forming a ceramic film of the present invention will be described. That is, in the method for forming a ceramic film of the present invention, the spray powder containing ceramic particles having a ceramic content of 99% by mass or more is used to form the spray powder by a cold spray method, thereby containing the ceramic. It is a method characterized by forming a ceramic film having a rate of 99% by mass or more.

本発明に用いるセラミックス粒子は、セラミックスの含有率が99質量%以上の粒子である。セラミックスの含有率が99質量%未満では、得られるセラミックス皮膜における耐高温酸化特性が不十分となる。また、セラミックスの含有率は、得られるセラミックス皮膜における耐高温酸化特性という観点から、99.9質量%以上であることがより好ましく、100質量%であることが特に好ましい。セラミックスの含有率が前記下限未満では、不純物の存在が酸素イオンの伝達経路となり、基材金属の表面まで酸素イオンを伝達し、高温酸化を起こりやすくする傾向にある。   The ceramic particles used in the present invention are particles having a ceramic content of 99% by mass or more. When the content of the ceramic is less than 99% by mass, the high temperature oxidation resistance in the resulting ceramic film is insufficient. Further, the content of the ceramic is more preferably 99.9% by mass or more, and particularly preferably 100% by mass, from the viewpoint of high temperature oxidation resistance in the obtained ceramic film. When the ceramic content is less than the lower limit, the presence of impurities serves as a transmission path for oxygen ions, and oxygen ions are transmitted to the surface of the base metal, which tends to cause high-temperature oxidation.

また、前記セラミックス粒子の平均粒子径(質量50%粒子径:D50)は、5〜30μmであることが好ましく、10〜20μmであることがより好ましい。平均粒子径が前記下限未満では、スプレー時に加速された粒子が減速しやすくなるために、セラミックス皮膜の成膜速度が低下する傾向にあり、他方、前記上限を超えると、スプレー時に粒子を加速しにくくなるために、セラミックス皮膜の成膜速度が低下する傾向にある。 The average particle diameter (mass 50% particle diameter: D 50 ) of the ceramic particles is preferably 5 to 30 μm, and more preferably 10 to 20 μm. If the average particle size is less than the lower limit, the particles accelerated during spraying tend to decelerate, so the deposition rate of the ceramic film tends to decrease.On the other hand, if the upper limit is exceeded, the particles are accelerated during spraying. Since it becomes difficult, the deposition rate of the ceramic film tends to decrease.

本発明に用いるセラミックスとしては、炭化ケイ素(SiC)、炭化チタン(TiC)等の炭化物系セラミックス;窒化ケイ素(Si)、窒化アルミニウム(AlN)等の窒化物系セラミックス;酸化ケイ素(SiO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化クロム(Cr)等の酸化物系セラミックスが挙げられる。これらのセラミックスの中でも、得られるセラミックス皮膜における耐高温酸化特性という観点から、SiC、Si、SiO、AlN、Al、Crがより好ましく、SiC、SiOが特に好ましい。これらのセラミックスは、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。なお、本発明においては、熱により分解しやすいセラミックスであっても皮膜を形成することができるため、熱により分解しやすいセラミックスを用いることができ、例えば、SiC、TiC等の炭化物系セラミックス、SiC、Si、SiO等のケイ素含有セラミックスであっても好適に皮膜を形成することができる。 Ceramics used in the present invention include carbide ceramics such as silicon carbide (SiC) and titanium carbide (TiC); nitride ceramics such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) and aluminum nitride (AlN); silicon oxide (SiO 2 ), oxide ceramics such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and chromium oxide (Cr 2 O 3 ). Among these ceramics, SiC, Si 3 N 4 , SiO 2 , AlN, Al 2 O 3 , and Cr 2 O 3 are more preferable, and SiC and SiO 2 are particularly preferable from the viewpoint of high-temperature oxidation resistance in the obtained ceramic film. preferable. These ceramics can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. In the present invention, since a film can be formed even with ceramics that are easily decomposed by heat, ceramics that are easily decomposed by heat can be used. For example, carbide ceramics such as SiC and TiC, SiC it can be a Si 3 N 4, silicon-containing ceramics such as SiO 2 to form a suitably coating.

本発明においては、コールドスプレー法により前述のセラミックス粒子からなるスプレー粉末を成膜させる。コールドスプレー法とは、スプレー粉末の融点又は軟化温度よりも低い温度のガスを超音速流にして、前記超音速流のガス中に前記スプレー粉末の粒子を投入し、固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成する方法のことをいう。以下、図面を参照しながら、このようなコールドスプレー法についてより詳細に説明する。   In the present invention, the spray powder made of the ceramic particles is formed into a film by a cold spray method. The cold spray method refers to a supersonic flow of a gas having a temperature lower than the melting point or softening temperature of the spray powder, the particles of the spray powder are introduced into the supersonic flow gas, and the base material remains in a solid state. It refers to a method of forming a film by colliding with. Hereinafter, such a cold spray method will be described in more detail with reference to the drawings.

図1は、本発明のセラミックス皮膜の形成方法を好適に実施することができるコールドスプレー装置の一例を示す模式図である。図1に示すコールドスプレー装置は、ガス供給装置1と、ガス供給管2と、ガス加熱器3と、作動ガス供給管4と、スプレーノズル5と、スプレー粉末供給装置6と、スプレー粉末供給管7とを備えている。このようなコールドスプレー装置においては、ガス供給装置1から供給される高圧のガスは2つの経路に分岐されているガス供給管2を経て、一方の経路を経たガスはガス加熱器3に供給される。そして、ガス加熱器3において、室温以上で且つ前記セラミックス粒子の融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱された後、作動ガス供給管4を経てスプレーノズル5に供給される。また、他方の経路を経たガスはスプレー粉末供給装置6に供給され、キャリアガスとしてスプレー粉末と共に、スプレー粉末供給管7を経てスプレーノズル5に供給される。このようにスプレーノズル5に供給された作動ガス及びスプレー粉末は、スプレーノズル5において超音速流となり、スプレーノズル5の先端から噴出される。   FIG. 1 is a schematic view showing an example of a cold spray apparatus that can suitably carry out the method for forming a ceramic film of the present invention. The cold spray device shown in FIG. 1 includes a gas supply device 1, a gas supply tube 2, a gas heater 3, a working gas supply tube 4, a spray nozzle 5, a spray powder supply device 6, and a spray powder supply tube. 7. In such a cold spray apparatus, the high-pressure gas supplied from the gas supply apparatus 1 passes through the gas supply pipe 2 branched into two paths, and the gas that has passed through one path is supplied to the gas heater 3. The The gas heater 3 is heated to a temperature higher than room temperature and lower than the melting point or softening temperature of the ceramic particles, and then supplied to the spray nozzle 5 through the working gas supply pipe 4. The gas that has passed through the other path is supplied to the spray powder supply device 6, and is supplied to the spray nozzle 5 through the spray powder supply pipe 7 together with the spray powder as a carrier gas. The working gas and spray powder supplied to the spray nozzle 5 in this way become a supersonic flow in the spray nozzle 5 and are ejected from the tip of the spray nozzle 5.

ガス供給装置1から供給されるガスとしては、特に限定されないが、例えば、空気、窒素、ヘリウムを用いることができる。また、ガス供給装置1から供給されるガスの圧力は、スプレーノズル5に供給される作動ガスの圧力が0.3〜2MPaの範囲となるよう調整することが好ましく、0.5〜1MPaの範囲となるよう調整することがより好ましい。圧力が前記下限未満では、粒子の速度が不十分となる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、粒子は基材表面で跳ね返りセラミックス皮膜を形成しにくくなる傾向にある。また、ガス加熱器3におけるガスの温度は、使用するセラミックス粒子の種類により異なるため適宜設定することができるが、通常、100〜800℃の範囲であり、300℃以上の範囲であることが好ましい。さらに、スプレーノズル5の先端から前記基材までの距離は、10〜20mmの範囲であることが好ましい。また、セラミックス粒子供給装置6におけるセラミックス粒子の供給速度は、通常、5〜20g/分の範囲である。   Although it does not specifically limit as gas supplied from the gas supply apparatus 1, For example, air, nitrogen, and helium can be used. Moreover, it is preferable to adjust the pressure of the gas supplied from the gas supply apparatus 1 so that the pressure of the working gas supplied to the spray nozzle 5 may be in the range of 0.3 to 2 MPa, and the range of 0.5 to 1 MPa. It is more preferable to adjust so that. When the pressure is less than the lower limit, the speed of the particles tends to be insufficient. On the other hand, when the pressure exceeds the upper limit, the particles tend to rebound on the surface of the base material and hardly form a ceramic film. Moreover, since the temperature of the gas in the gas heater 3 varies depending on the type of ceramic particles to be used, it can be appropriately set, but is usually in the range of 100 to 800 ° C, preferably in the range of 300 ° C or higher. . Furthermore, it is preferable that the distance from the front-end | tip of the spray nozzle 5 to the said base material is the range of 10-20 mm. Moreover, the supply speed | rate of the ceramic particle in the ceramic particle supply apparatus 6 is the range of 5-20 g / min normally.

本発明においては、前記コールドスプレー法により前記セラミックス粒子からなるスプレー粉末を成膜させて、前記セラミックスの含有率が99質量%以上のセラミックス皮膜を形成する。このようにして形成されるセラミックス皮膜は、前記セラミックスの含有率が99質量%以上のものであり、高温高圧の条件下において酸化してしまう金属成分をほとんど含有していない。そのため、このようなセラミックス皮膜においては、高温高圧の条件下においても皮膜の酸化による劣化の影響が少ないため、基材に対し十分な耐高温酸化特性を付与することができる。   In the present invention, a spray powder composed of the ceramic particles is deposited by the cold spray method to form a ceramic film having a ceramic content of 99% by mass or more. The ceramic film thus formed has a ceramic content of 99% by mass or more, and contains almost no metal component that oxidizes under high temperature and high pressure conditions. Therefore, in such a ceramic film, since the influence of deterioration due to oxidation of the film is small even under high-temperature and high-pressure conditions, sufficient high-temperature oxidation resistance can be imparted to the substrate.

また、このようにして形成されるセラミックス皮膜の厚みは2〜10μmの範囲であることが好ましい。厚みが前記下限未満では、基材に対し十分な耐高温酸化特性を付与しにくくなる傾向にあり、他方、前記上限を超えると、皮膜が剥離してしまう可能性が高くなる傾向にある。なお、前記コールドスプレー法により前記セラミックス粒子からなるスプレー粉末を成膜させる際には、超音速流のガス中において前記セラミックス粒子同士が衝突することにより、平均粒子径が50〜500nmのナノ結晶粒子となる。そして、このようなナノ結晶粒子が基材上に堆積することにより前記セラミックス皮膜が形成されるものと推察される。   The thickness of the ceramic film formed in this way is preferably in the range of 2 to 10 μm. If the thickness is less than the lower limit, it tends to be difficult to impart sufficient high-temperature oxidation resistance to the substrate. On the other hand, if the thickness exceeds the upper limit, the possibility that the film peels tends to increase. In addition, when forming the spray powder made of the ceramic particles by the cold spray method, the ceramic particles collide with each other in a supersonic flow gas, so that nanocrystal particles having an average particle diameter of 50 to 500 nm It becomes. And it is guessed that the said ceramic membrane | film | coat is formed when such a nanocrystal particle deposits on a base material.

次に、本発明のセラミックス皮膜付基材について説明する。すなわち、本発明のセラミックス皮膜付基材は、基材と、前記本発明のセラミックス皮膜の形成方法により前記基材上に形成されたセラミックス皮膜とを備えることを特徴とするものである。そして、本発明のセラミックス皮膜付基材は、基材に対し十分な耐高温酸化特性を付与することができる前記本発明のセラミックス皮膜の形成方法により形成されたセラミックス皮膜を備えているため、十分な耐高温酸化特性を有するものとなる。   Next, the substrate with a ceramic film of the present invention will be described. That is, the base material with a ceramic film of the present invention comprises a base material and a ceramic film formed on the base material by the method for forming a ceramic film of the present invention. And since the base material with a ceramic film of this invention is equipped with the ceramic film formed by the formation method of the said ceramic film of this invention which can provide sufficient high temperature oxidation-resistant characteristic with respect to a base material, it is enough It has excellent high temperature oxidation resistance.

本発明に用いる基材の材質としては特に限定されず、金属であってもセラミックスであってもよい。これらの中でも、得られるセラミックス皮膜付基材における基材とセラミックス皮膜との密着性という観点からは、金属を用いることが好ましく、また、得られるセラミックス皮膜付基材の耐高温酸化特性の観点からは、セラミックスを用いることが好ましい。また、前記本発明のセラミックス皮膜の形成方法により形成されるセラミックス皮膜の材質がSiC又はSiOである場合には、得られるセラミックス皮膜付基材の耐高温酸化特性の更なる向上を図るという観点から、前記基材がモリブデンを含むことがより好ましい。 The material of the substrate used in the present invention is not particularly limited, and may be a metal or a ceramic. Among these, it is preferable to use a metal from the viewpoint of adhesion between the base material and the ceramic film in the obtained base material with a ceramic film, and from the viewpoint of high temperature oxidation resistance of the base material with the ceramic film obtained. Is preferably ceramics. Further, when the material of the ceramic film formed by the method for forming a ceramic film of the present invention is SiC or SiO 2 , the viewpoint of further improving the high temperature oxidation resistance of the obtained substrate with a ceramic film Therefore, it is more preferable that the base material contains molybdenum.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
図1に示すコールドスプレー装置を用いて、基材上に炭化ケイ素粒子からなる皮膜を形成した。すなわち、基材としては、ニッケル基超合金(スペシャルメタル社製、「Inconel625」、Ni含量:58質量%、Cr含量:20質量%、Fe含量:6質量%、Mo含量:8質量%、Nb含量:3.15質量%、Co含量:1質量%)からなる基材(大きさ:31mm×13mm×4mm)を用い、前記基材には、炭化ケイ素耐水紙(品番:#600)を用いて表面処理を施した。また、炭化ケイ素粒子としては、平均粒子径(D50)が16.9μmの粉末を用いた。そして、図1に示すコールドスプレー装置を用い、以下に示す条件にて、基材上に炭化ケイ素粒子からなる皮膜を形成してセラミックス皮膜付基材を得た。
スプレーノズルの先端から基材までの距離:15mm
作動ガス:空気
作動ガスの供給圧力:0.5MPa
作動ガスの供給温度:300℃
セラミックス粒子の供給速度:10g/分。
Example 1
Using the cold spray apparatus shown in FIG. 1, a film made of silicon carbide particles was formed on a substrate. That is, as a base material, a nickel base superalloy (made by Special Metal, “Inconel 625”, Ni content: 58 mass%, Cr content: 20 mass%, Fe content: 6 mass%, Mo content: 8 mass%, Nb Using a base material (size: 31 mm × 13 mm × 4 mm) composed of 3.15% by mass and Co content: 1% by mass, and using silicon carbide water-resistant paper (product number: # 600) for the base material Surface treatment. As the silicon carbide particles, powder having an average particle diameter (D 50 ) of 16.9 μm was used. And the film | membrane which consists of silicon carbide particles was formed on the base material on the conditions shown below using the cold spray apparatus shown in FIG. 1, and the base material with a ceramic membrane | film | coat was obtained.
Distance from tip of spray nozzle to substrate: 15mm
Working gas: Supply pressure of air working gas: 0.5 MPa
Working gas supply temperature: 300 ° C
Supply rate of ceramic particles: 10 g / min.

また、得られた皮膜の断面を走査型顕微鏡(SEM)にて観察した。得られた結果を図2に示す。なお、皮膜の断面の観察するにあたり、炭化ケイ素粒子からなる皮膜が剥離しないよう、皮膜の表面をさらに銅で覆った試料を用いた。図2に示した結果から明らかなように、ニッケル基超合金からなる基材の表面に炭化ケイ素粒子からなる皮膜が形成されていることが確認された。また、皮膜の平均厚みは3μmであった。さらに、得られた皮膜のX線回折(XRD)分析を行ったところ、炭化ケイ素粒子が分解されることなく皮膜を形成していることが確認された。   Moreover, the cross section of the obtained film was observed with a scanning microscope (SEM). The obtained results are shown in FIG. In observing the cross section of the film, a sample in which the surface of the film was further covered with copper was used so that the film made of silicon carbide particles was not peeled off. As is clear from the results shown in FIG. 2, it was confirmed that a film made of silicon carbide particles was formed on the surface of the base material made of nickel-base superalloy. The average thickness of the film was 3 μm. Furthermore, when X-ray diffraction (XRD) analysis of the obtained film was performed, it was confirmed that the film was formed without the silicon carbide particles being decomposed.

<高温酸化試験>
実施例1で得られたセラミックス皮膜付基材及び比較のためのニッケル基超合金からなる基材(参考例1、大きさ:31mm×13mm×4mm)を試料として、大気中、温度1000℃の条件下にて試料を酸化させるという高温酸化試験を行った。すなわち、先ず、初期質量を予め測定した試料を準備し、その試料に大気中、温度1000℃の条件下にて2時間の高温酸化試験を施した。次に、高温酸化試験後の試料の質量を測定し、得られた測定値から試料の初期質量に対する体積あたりの質量変化量(単位:mg/cm)を算出した。なお、高温酸化試験後の試料の質量については、測定前に室温(25℃)で2時間放置した後に質量を測定した。そして、累積時間で20時間、48時間、72時間、96時間、188時間の高温酸化試験を施した後の試料についても上記と同様の方法により、試料の初期質量に対する体積あたりの質量変化量を算出した。なお、それぞれ2つの試料について質量変化量を測定し、その平均値を算出した。また、高温酸化試験の試験温度を900℃とし、累積時間で48時間、84時間、132時間、196時間、312時間の高温酸化試験を施した後の試料についても上記と同様の方法により、試料の初期質量に対する体積あたりの質量変化量を算出した。得られた結果を図3に示す。図3に示した結果から明らかなように、本発明のセラミックス皮膜の形成方法を用いてセラミックス皮膜を形成した場合(実施例1)は、比較のための基材(参考例1)よりも質量変化量が小さく、ニッケル基超合金からなる基材に対して十分な耐高温酸化特性を付与できることが確認された。
<High temperature oxidation test>
The base material (Reference Example 1, size: 31 mm × 13 mm × 4 mm) made of the ceramic film-coated base material obtained in Example 1 and a nickel-base superalloy for comparison was used as a sample in the atmosphere at a temperature of 1000 ° C. A high temperature oxidation test was conducted in which the sample was oxidized under the conditions. That is, first, a sample whose initial mass was measured in advance was prepared, and the sample was subjected to a high-temperature oxidation test for 2 hours in the atmosphere at a temperature of 1000 ° C. Next, the mass of the sample after the high-temperature oxidation test was measured, and the amount of mass change per unit volume (unit: mg / cm 3 ) relative to the initial mass of the sample was calculated from the obtained measurement value. In addition, about the mass of the sample after a high temperature oxidation test, mass was measured after leaving to stand at room temperature (25 degreeC) for 2 hours before a measurement. For the sample after the high-temperature oxidation test of 20 hours, 48 hours, 72 hours, 96 hours, and 188 hours in cumulative time, the mass change amount per volume with respect to the initial mass of the sample was determined in the same manner as described above. Calculated. In addition, the amount of mass change was measured about each two samples, and the average value was computed. In addition, the sample after the high-temperature oxidation test was performed at 900 ° C. and the high-temperature oxidation test was performed for a cumulative time of 48 hours, 84 hours, 132 hours, 196 hours, and 312 hours. The amount of mass change per volume relative to the initial mass of was calculated. The obtained results are shown in FIG. As is apparent from the results shown in FIG. 3, when the ceramic film was formed using the method for forming a ceramic film of the present invention (Example 1), the mass was higher than the base material for comparison (Reference Example 1). It was confirmed that the amount of change was small and sufficient high-temperature oxidation resistance could be imparted to a substrate made of a nickel-base superalloy.

<高温酸化試験後のセラミックス皮膜付基材のX線回折による分析>
実施例1で得られたセラミックス皮膜付基材及び比較のためのニッケル基超合金からなる基材(参考例1)に大気中、温度1000℃の条件下にて65時間の高温酸化試験を施したものを試料として、X線回折による分析を行った。すなわち、先ず、X線回折装置(マックサイエンス社製)を用いて、試料のX線回折スペクトルを測定し、X線回折による化合物の同定を行った。得られた結果を図4に示す。図4に示す結果からも明らかなように、本発明のセラミックス皮膜付基材(実施例1)のX線回折スペクトルにおいては、比較のための基材(参考例1)のX線回折スペクトルには認められないMoSi及びSiOのピークが確認された。この結果から、モリブデンを含む基材上に炭化ケイ素粒子からなる皮膜を形成し、それに高温酸化試験が施された場合には、基材表面にMoSi及びSiOが形成され、これらが酸素拡散のバリアとして作用するものと推察される。
<Analysis by X-ray diffraction of the substrate with ceramic film after high temperature oxidation test>
A high-temperature oxidation test for 65 hours was performed on the base material made of the ceramic coating obtained in Example 1 and a base material made of a nickel-base superalloy for comparison (Reference Example 1) at 1000 ° C. in the atmosphere. The sample was analyzed using X-ray diffraction. That is, first, an X-ray diffraction spectrum of a sample was measured using an X-ray diffractometer (manufactured by Mac Science), and the compound was identified by X-ray diffraction. The obtained results are shown in FIG. As apparent from the results shown in FIG. 4, in the X-ray diffraction spectrum of the substrate with the ceramic coating of the present invention (Example 1), the X-ray diffraction spectrum of the substrate for comparison (Reference Example 1) No peaks of MoSi 2 and SiO 2 were observed. From this result, when a film made of silicon carbide particles is formed on a substrate containing molybdenum and subjected to a high temperature oxidation test, MoSi 2 and SiO 2 are formed on the surface of the substrate, and these are oxygen diffused. It is assumed that it acts as a barrier.

次に、エネルギー分散型X線分光器(EDX、EDAX社製)を用いて、試料の線分析を行い、試料表面からの深さ(位置)と酸素、ケイ素、クロム、ニッケル及びモリブデンの元素量(強度)との関係を示すグラフを作成した。実施例1で得られたセラミックス皮膜付基材について得られた結果を図5に示す。また、セラミックス皮膜を形成していない比較のための基材について得られた結果を図6に示す。図5及び図6に示す結果からも明らかなように、セラミックス皮膜を形成していない比較のための基材においては、基材と基材表面に形成された酸化物との界面近傍においてクロムが枯渇している領域が存在することが認められた。一方、本発明のセラミックス皮膜付基材(実施例1)においては、クロムが枯渇している領域は存在せずに、ケイ素及びモリブデンが富化した領域が存在することが認められた。この結果から、モリブデンを含む基材上に炭化ケイ素粒子からなる皮膜を形成し、それに高温酸化試験が施された場合には、基材表面にMoSi及びSiOが形成され、これらの存在により基材と基材表面に形成された酸化物との界面近傍におけるクロムの枯渇が抑制されるものと推察される。 Next, line analysis of the sample is performed using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX, manufactured by EDAX), and the depth (position) from the sample surface and the element amounts of oxygen, silicon, chromium, nickel and molybdenum A graph showing the relationship with (strength) was created. The result obtained about the base material with a ceramic film obtained in Example 1 is shown in FIG. Moreover, the result obtained about the base material for the comparison which has not formed the ceramic membrane | film | coat is shown in FIG. As is clear from the results shown in FIG. 5 and FIG. 6, in the base material for comparison in which the ceramic film was not formed, chromium was present in the vicinity of the interface between the base material and the oxide formed on the base material surface. It was found that there was a depleted area. On the other hand, in the base material with a ceramic film of the present invention (Example 1), it was recognized that there was no region depleted of chromium and there was a region enriched with silicon and molybdenum. From this result, when a film made of silicon carbide particles is formed on a substrate containing molybdenum and subjected to a high temperature oxidation test, MoSi 2 and SiO 2 are formed on the surface of the substrate. It is presumed that chromium depletion near the interface between the substrate and the oxide formed on the substrate surface is suppressed.

以上説明したように、本発明によれば、基材に対し十分な耐高温酸化特性を付与することが可能なセラミックス皮膜の形成方法を提供することが可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method for forming a ceramic film capable of imparting sufficient high-temperature oxidation resistance to a substrate.

したがって、本発明のセラミックス皮膜の形成方法は、ガスタービン、原子力発電プラント等の材料として用いられる基材の耐高温酸化特性を向上させる技術として有用である。   Therefore, the method for forming a ceramic film of the present invention is useful as a technique for improving the high temperature oxidation resistance of a base material used as a material for a gas turbine, a nuclear power plant or the like.

1…ガス供給装置、2…ガス供給管、3…ガス加熱器、4…作動ガス供給管、5…スプレーノズル、6…スプレー粉末供給装置、7…スプレー粉末供給管。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas supply apparatus, 2 ... Gas supply pipe, 3 ... Gas heater, 4 ... Working gas supply pipe, 5 ... Spray nozzle, 6 ... Spray powder supply apparatus, 7 ... Spray powder supply pipe.

Claims (4)

セラミックスの含有率が99質量%以上であり、前記セラミックスが炭化ケイ素であり、かつ、平均粒子径(質量50%粒子径)が5〜30μmであるセラミックス粒子からなるスプレー粉末を用いて、コールドスプレー法により作動ガスの圧力が0.5〜1MPaの範囲となる条件で前記スプレー粉末を成膜させて、前記セラミックスの含有率が99質量%以上のセラミックス皮膜を形成することを特徴とする耐高温酸化セラミックス皮膜の形成方法。 Using a spray powder comprising ceramic particles having a ceramic content of 99% by mass or more , the ceramics being silicon carbide, and an average particle size (mass 50% particle size) of 5 to 30 μm , cold spray is used. by depositing the spray powder under the condition that the pressure of working gas is in the range of 0.5~1MPa by law, high temperature the content of the ceramic is characterized by forming a 99% by mass or more of the ceramic coating A method for forming an oxide ceramic film. 前記セラミックス皮膜をモリブデンを含む基材上に形成することを特徴とする請求項1に記載の耐高温酸化セラミックス皮膜の形成方法。 The method for forming a high temperature oxidation-resistant ceramic film according to claim 1, wherein the ceramic film is formed on a substrate containing molybdenum . 基材と、請求項1又は2に記載の耐高温酸化セラミックス皮膜の形成方法により前記基材上に形成された耐高温酸化セラミックス皮膜とを備えることを特徴とする耐高温酸化セラミックス皮膜付基材。 A substrate, according to claim 1 or high-temperature oxidation ceramic coating with the base material, characterized in that it comprises a high-temperature oxidation ceramic coating formed on the substrate by the method of forming the high-temperature oxidation ceramic coating according to 2 . 前記基材がモリブデンを含むことを特徴とする請求項3に記載の耐高温酸化セラミックス皮膜付基材。 The said base material contains molybdenum, The base material with a high temperature oxidation-resistant ceramic membrane | film | coat of Claim 3 characterized by the above-mentioned.
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