JP5610698B2 - Thermal barrier coating material, thermal barrier coating, turbine component and gas turbine - Google Patents
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Description
本発明は、耐久性に優れる遮熱コーティング用材料に係り、特に遮熱コーティングのトップコートとして用いられるセラミックス層に関する。 The present invention relates to a thermal barrier coating material having excellent durability, and more particularly to a ceramic layer used as a top coat of the thermal barrier coating.
近年、省エネルギー対策の一つとして、火力発電の熱効率を高めることが検討されている。発電用ガスタービンの発電効率を向上させるためには、ガス入口温度を上昇させることが有効であり、その温度は１５００℃程度とされる場合もある。そして、このように発電装置の高温化を実現するためには、ガスタービンを構成する静翼や動翼、あるいは燃焼器の壁材などを耐熱部材で構成する必要がある。しかし、タービン翼の材料は耐熱金属であるが、それでもこのような高温には耐えられないために、この耐熱金属の基材上に金属結合層を介して溶射等の成膜方法によって酸化物セラミックスからなるセラミックス層を積層した遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ，ＴＢＣ）を形成して、耐熱金属基材を高温から保護することが行われている。セラミックス層としてはＺｒＯ２系の材料、特にＹ２Ｏ３で部分安定化又は完全安定化したＺｒＯ２であるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）が、セラミックス材料の中では比較的低い熱伝導率と比較的高い熱膨張率を有しているためによく用いられている。 In recent years, increasing the thermal efficiency of thermal power generation has been studied as one of the energy saving measures. In order to improve the power generation efficiency of the power generation gas turbine, it is effective to raise the gas inlet temperature, and the temperature may be about 1500 ° C. in some cases. And in order to implement | achieve high temperature of an electric power generating apparatus in this way, it is necessary to comprise the stationary blade and moving blade which comprise a gas turbine, or the wall material of a combustor with a heat-resistant member. However, although the material of the turbine blade is a refractory metal, it still cannot withstand such a high temperature. Therefore, the oxide ceramics is formed on the base material of the refractory metal by a film forming method such as thermal spraying through a metal bonding layer. Thermal barrier coating (Thermal Barrier Coating, TBC) formed by laminating ceramic layers made of is used to protect a refractory metal substrate from high temperatures. Comparison material ZrO 2 system as the ceramic layer, in particular Y 2 O 3 in partially stabilized or fully stabilized a ZrO 2 YSZ (yttria-stabilized zirconia) is a relatively low thermal conductivity in the ceramic material It is often used because of its high coefficient of thermal expansion.
ガスタービンの種類によっては、タービンの入口温度が１５００℃を越える温度に上昇することが考えられている。また、近年環境対策の関係から、より熱効率の高いガスタービンの開発が進められており、タービンの入口温度が１７００℃にも達すると考えられ、タービン翼の表面温度は１３００℃もの高温になることが予想される。上記ＹＳＺからなるセラミックス層を備えた遮熱コーティング材によりガスタービンの動翼や静翼などを被覆した場合、１５００℃を超える過酷な運転条件の下ではガスタービンの運転中に上記セラミックス層の一部が剥離し、耐熱性が損なわれるおそれがあった。また、ＹＳＺは１２００℃を超える温度で脱安定化現象が生じ、耐久性が大幅に低減してしまう。 Depending on the type of gas turbine, it is considered that the inlet temperature of the turbine rises to a temperature exceeding 1500 ° C. In recent years, gas turbines with higher thermal efficiency have been developed due to environmental measures, and it is considered that the inlet temperature of the turbine will reach 1700 ° C, and the surface temperature of the turbine blades will be as high as 1300 ° C. Is expected. In the case where a moving blade or a stationary blade of a gas turbine is coated with a thermal barrier coating material provided with the ceramic layer made of YSZ, the ceramic layer is one of the ceramic layers during the operation of the gas turbine under severe operating conditions exceeding 1500 ° C. There was a possibility that the part peeled off and the heat resistance was impaired. Further, YSZ undergoes a destabilization phenomenon at a temperature exceeding 1200 ° C., and the durability is greatly reduced.
高温環境下での結晶安定性に優れ、高い熱耐久性を有する遮熱コーティングとして、例えば、Ｙｂ２Ｏ３添加ＺｒＯ２（特許文献１）、Ｄｙ２Ｏ３添加ＺｒＯ２（特許文献２）、Ｅｒ２Ｏ３添加ＺｒＯ２（特許文献３）、ＳｍＹｂＺｒＯ７（特許文献４）が開発されている。また、耐熱性を向上させるために、ＨｆＯ２添加ＺｒＯ２（特許文献５）が開発されている。 As a thermal barrier coating having excellent crystal stability under high temperature environment and high thermal durability, for example, Yb 2 O 3 added ZrO 2 (Patent Document 1), Dy 2 O 3 added ZrO 2 (Patent Document 2), Er 2 O 3 -added ZrO 2 (Patent Document 3) and SmYbZrO 7 (Patent Document 4) have been developed. In order to improve heat resistance, HfO 2 -added ZrO 2 (Patent Document 5) has been developed.
本発明は、ＹＳＺよりも高温安定性に優れ高靭性を有する遮熱コーティング用材料を提供することを目的とする。また、該遮熱コーティング用材料を用いて形成されたセラミックス層を有する熱サイクル耐久性に優れた遮熱コーティング、並びに、該遮熱コーティングを備えるタービン用部材及びガスタービンを提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a thermal barrier coating material having excellent high temperature stability and high toughness than YSZ. Another object of the present invention is to provide a thermal barrier coating having a ceramic layer formed using the thermal barrier coating material and having excellent thermal cycle durability, and a turbine member and a gas turbine provided with the thermal barrier coating. To do.
本発明の遮熱コーティング用材料は、安定化剤としてＴａ２Ｏ５及びＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２を主とし、前記Ｙ２Ｏ３の含有量が、１０質量％以上３０質量％以下とされることを特徴とする。
上記発明において、前記Ｔａ２Ｏ５の含有量が、２０質量％以上３０質量％以下とされることが好ましい。
The thermal barrier coating material of the present invention is mainly composed of ZrO 2 containing Ta 2 O 5 and Y 2 O 3 as stabilizers, and the content of Y 2 O 3 is 10% by mass or more and 30% by mass or less. It is said that it is said.
In the above invention, the content of the Ta 2 O 5 is preferably set to more than 20 wt% 30 wt% or less.
上記組成の遮熱コーティング用材料は、Ｔａを所定量以上添加することにより、１４００℃を超える高温でも、単斜晶が析出せず靭性が高い正方晶が安定となる。すなわち、高温での結晶安定性に優れる。このため、高い熱サイクル耐久性を有する遮熱コーティングを得ることができる。また、本発明の遮熱コーティング用材料は、従来のＹＳＺ（Ｙ２Ｏ３：８質量％）よりもＹ２Ｏ３添加量が多く、Ｔａ２Ｏ５も添加されているために、熱伝導率が低下する。 In the thermal barrier coating material having the above composition, when a predetermined amount or more of Ta is added, even at a high temperature exceeding 1400 ° C., a monoclinic crystal does not precipitate and a tetragonal crystal having high toughness becomes stable. That is, the crystal stability at high temperature is excellent. For this reason, a thermal barrier coating having high thermal cycle durability can be obtained. In addition, the thermal barrier coating material of the present invention has a larger amount of Y 2 O 3 added than conventional YSZ (Y 2 O 3 : 8 mass%), and Ta 2 O 5 is also added. The rate drops.
Ｙ２Ｏ３添加量が１０質量％未満の場合、靭性が低い斜方晶である化合物相（ＹＴａＯ４）が析出する。そのため、遮熱コーティングの熱サイクル耐久性が大幅に低下する。また、Ｙ２Ｏ３が１５質量％を超えると、正方晶の他に靭性の低い立方晶が安定となるため、遮熱コーティングの熱サイクル耐久性が低下する。Ｙ２Ｏ３が１５質量％を超える組成で正方晶を得るためにはＴａ２Ｏ５添加量を相対的に増加させる必要があるが、Ｔａ２Ｏ５の過剰添加により正方晶以外の化合物相（ＹＴａＯ４）が生じるために、遮熱コーティングの熱サイクル耐久性が低下する。
Ｔａ２Ｏ５添加量が２０質量％未満の場合、立方晶が析出して、遮熱コーティングの熱サイクル耐久性が低下する。また、Ｔａ２Ｏ５添加量が３０質量％を超えると、化合物相が析出するために、遮熱コーティングの耐久性が低下する。
When the amount of Y 2 O 3 added is less than 10% by mass, a compound phase (YTaO 4 ) that is orthorhombic with low toughness is precipitated. Therefore, the thermal cycle durability of the thermal barrier coating is greatly reduced. On the other hand, when Y 2 O 3 exceeds 15% by mass, cubic crystals having low toughness in addition to tetragonal crystals become stable, so that the thermal cycle durability of the thermal barrier coating is lowered. In order to obtain tetragonal crystals with a composition in which Y 2 O 3 exceeds 15% by mass, it is necessary to relatively increase the amount of Ta 2 O 5 added, but compound phases other than tetragonal crystals can be obtained by excessive addition of Ta 2 O 5. Since (YTaO 4 ) is generated, the thermal cycle durability of the thermal barrier coating is lowered.
When the amount of Ta 2 O 5 added is less than 20% by mass, cubic crystals are precipitated and the thermal cycle durability of the thermal barrier coating is lowered. On the other hand, if the amount of Ta 2 O 5 added exceeds 30% by mass, the compound phase is precipitated, and the durability of the thermal barrier coating is lowered.
上記発明において、ＨｆＯ２を０．１質量％以上３質量％以下の割合で更に含有することが好ましい。
ＨｆはＺｒと同族元素であるため、ＨｆＯ２とＺｒＯ２とは性質が類似するが、融点はＨｆＯ２の方が高い。ＨｆＯ２を０．１質量％以上含有することにより、遮熱コーティング用材料の融点を上昇させることができる。これにより、遮熱コーティングを高温で長時間保持することに伴う焼結現象を抑制することができ、熱遮蔽性及び熱サイクル耐久性の低下を防止することができる。しかし、ＨｆＯ２は高価であるために、製造コストを考慮すると多量添加は不適切である。そのため、含有量の上限は３質量％とされる。
In the above invention, preferably further contains a HfO 2 at a ratio of less than 3 wt% 0.1 wt%.
Since Hf is a similar element to Zr, HfO 2 and ZrO 2 have similar properties, but HfO 2 has a higher melting point. By containing 0.1% by mass or more of HfO 2 , the melting point of the thermal barrier coating material can be increased. Thereby, the sintering phenomenon accompanying holding a thermal barrier coating for a long time at high temperature can be suppressed, and the fall of heat shielding property and thermal cycle durability can be prevented. However, since HfO 2 is expensive, it is inappropriate to add a large amount in consideration of the manufacturing cost. Therefore, the upper limit of the content is 3% by mass.
本発明の遮熱コーティングは、耐熱合金基材上に、金属結合層と、該金属結合層上に形成され、上記の遮熱コーティング用材料からなるセラミックス層とを備えることを特徴とする。 The thermal barrier coating of the present invention comprises a metal bond layer on a heat resistant alloy substrate and a ceramic layer formed on the metal bond layer and made of the above-described thermal barrier coating material.
上記遮熱コーティング用材料からなるセラミックス層は、高温結晶安定性に優れ高い靭性を有する。そのため、熱サイクル耐久性に優れる遮熱コーティングとなる。 The ceramic layer made of the thermal barrier coating material has excellent high temperature crystal stability and high toughness. Therefore, it becomes a thermal barrier coating excellent in thermal cycle durability.
また、本発明は、上記遮熱コーティングを備えるタービン部材、及び、該タービン部材を備えたガスタービンを提供する。係る構成のタービン部材は、優れた高温安定性及び耐久性を有する。 Moreover, this invention provides the turbine member provided with the said thermal barrier coating, and the gas turbine provided with this turbine member. The turbine member having such a configuration has excellent high-temperature stability and durability.
上記組成の遮熱コーティング用材料は、高温での結晶安定性に優れ高い靭性を有するために、熱サイクル耐久性に優れる遮熱コーティングとすることができる。また、ＨｆＯ２を含有することにより、遮熱コーティングを高温で長時間保持することによる焼結現象を抑制して、熱遮蔽性及び熱サイクル耐久性の低下を防止することができる。この結果、タービン部材の高温安定性及び耐久性を向上させることができる。 Since the thermal barrier coating material having the above composition has excellent crystal stability at high temperatures and high toughness, it can be used as a thermal barrier coating having excellent thermal cycle durability. Further, by containing HfO 2 , it is possible to suppress a sintering phenomenon caused by holding the thermal barrier coating at a high temperature for a long time, and to prevent a decrease in thermal shielding properties and thermal cycle durability. As a result, the high temperature stability and durability of the turbine member can be improved.
以下、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態に係る遮熱コーティング用材料を適用したタービン部材の断面の模式図である。タービン動翼などの耐熱合金基材１１上に、遮熱コーティングとして金属結合層１２及びセラミックス層１３が順に形成される。
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a schematic view of a cross section of a turbine member to which a thermal barrier coating material according to this embodiment is applied. A
金属結合層１２は、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等の金属元素またはこれらのうち２種類以上の組合せを示す）などとされる。
The
本実施形態に係るセラミックス層を構成する遮熱コーティング用材料は、安定化剤としてＴａ２Ｏ５及びＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２を主として含む。Ｙ２Ｏ３の含有量は、１０質量％以上３０質量％以下とされる。Ｔａ２Ｏ５の含有量は、好ましくは２０質量％以上３０質量％以下とされる。
本実施形態の遮熱コーティング用材料は、１５００℃程度まで高靭性の正方晶が安定に存在する。そのため、熱サイクル耐久性に優れる遮熱コーティングとすることができる。また、熱伝導率の低いセラミックス層とすることができる。
The thermal barrier coating material constituting the ceramic layer according to the present embodiment mainly contains ZrO 2 containing Ta 2 O 5 and Y 2 O 3 as stabilizers. The content of Y 2 O 3 is 10% by mass or more and 30% by mass or less. The content of Ta 2 O 5 is preferably 20% by mass or more and 30% by mass or less.
In the thermal barrier coating material of this embodiment, tetragonal crystals with high toughness are stably present up to about 1500 ° C. Therefore, it can be set as the thermal barrier coating excellent in thermal cycle durability. Moreover, it can be set as the ceramic layer with low heat conductivity.
本実施形態の遮熱コーティング用材料は、ＨｆＯ２を０．１質量％以上３質量％以下の割合で含有しても良い。ＨｆＯ２の融点はＺｒＯ２の融点よりも高いため、ＨｆＯ２を０．１質量％以上含有すると、遮熱コーティング用材料の融点が上昇する。セラミックス層は、熱遮蔽性を高めるとともに、ヤング率を低下させて遮熱コーティングの熱サイクル耐久性を向上させることを目的として、通常１０％程度の気孔が導入される。融点が低い遮熱コーティング用材料で形成したセラミックス層は、高温で長時間保持すると、焼結により気孔が減少するために、熱遮蔽性及び熱サイクル耐久性が低下する。セラミックス層を融点の高い遮熱コーティング用材料とすることにより、焼結による気孔率低下を抑制することができる。 The thermal barrier coating material of this embodiment may contain HfO 2 at a ratio of 0.1% by mass to 3% by mass. Since the melting point of HfO 2 is higher than that of ZrO 2 , when HfO 2 is contained in an amount of 0.1% by mass or more, the melting point of the thermal barrier coating material increases. The ceramic layer usually has about 10% of pores introduced for the purpose of improving the heat shielding property and reducing the Young's modulus to improve the thermal cycle durability of the thermal barrier coating. When a ceramic layer formed of a thermal barrier coating material having a low melting point is held at a high temperature for a long time, the pores are reduced by sintering, so that the thermal shielding and thermal cycle durability are lowered. By using the ceramic layer as a thermal barrier coating material having a high melting point, a decrease in porosity due to sintering can be suppressed.
上記セラミックス層１３は、大気圧プラズマ溶射、電子ビーム物理蒸着などによって製膜される。大気圧プラズマ溶射を適用する場合、本実施形態の遮熱コーティング用材料は、スプレードライ法などにより溶射粉末とされる。
The
以下、実施例により本実施形態の遮熱コーティング用材料及び遮熱コーティング材を詳細に説明する。
（実施例）
表１に示す各組成の焼結体を、常圧焼結法にて焼結温度１５００℃、焼結時間４時間として作製した。原料粉末にはＴａ２Ｏ５、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２を用いた。
各組成の焼結体の破壊靭性値を、ＪＩＳ Ｒ １６０７に基づいて測定した。
Hereinafter, the thermal barrier coating material and thermal barrier coating material of the present embodiment will be described in detail by way of examples.
(Example)
Sintered bodies of the respective compositions shown in Table 1 were produced by a normal pressure sintering method with a sintering temperature of 1500 ° C. and a sintering time of 4 hours. Ta 2 O 5 , Y 2 O 3 , ZrO 2 , and HfO 2 were used as the raw material powder.
The fracture toughness value of the sintered body of each composition was measured based on JIS R 1607.
スプレードライ法を用いて、特許第３８２５２３１号と同様の工程にて、粒径１０〜１２５μｍの表１に示す各組成の溶射粉末を製造した。上記溶射粉末を用いて、以下の方法により遮熱コーティングを形成した試験片を作製した。 Using the spray drying method, sprayed powders having the respective compositions shown in Table 1 having a particle size of 10 to 125 μm were manufactured in the same process as in Japanese Patent No. 3825231. A test piece on which a thermal barrier coating was formed by the following method was prepared using the sprayed powder.
厚さ５ｍｍの合金金属基材（商標名：ＩＮ−７３８ＬＣ、化学組成：Ｎｉ−１６Ｃｒ−８．５Ｃｏ−１．７５Ｍｏ−２．６Ｗ−１．７５Ｔａ−０．９Ｎｂ−３．４Ｔｉ−３．４Ａｌ（質量％））上に、低圧プラズマ溶射法にて膜厚１００μｍの金属結合層を形成した。金属結合層の組成は、Ｎｉ：３２質量％、Ｃｒ：２１質量％、Ａｌ：８質量％、Ｙ：０．５質量％、Ｃｏ：残部、とした。 5 mm thick alloy metal substrate (trade name: IN-738LC, chemical composition: Ni-16Cr-8.5Co-1.75Mo-2.6W-1.75Ta-0.9Nb-3.4Ti-3.4Al (Mass%)) A metal bonding layer having a thickness of 100 μm was formed by low-pressure plasma spraying. The composition of the metal bonding layer was Ni: 32% by mass, Cr: 21% by mass, Al: 8% by mass, Y: 0.5% by mass, and Co: the balance.
大気圧プラズマ溶射により上記溶射粉末を金属結合層上に溶射製膜し、膜厚０．５ｍｍの溶射皮膜（セラミックス層）を形成した。溶射には、スルザーメテコ社製溶射ガン（Ｆ４ガン）を使用した。溶射条件は、溶射電流：６００（Ａ）、溶射距離：１５０（ｍｍ）、粉末供給量：６０（ｇ／ｍｉｎ）、Ａｒ／Ｈ２量：３５／７．４（ｌ／ｍｉｎ）とした。溶射皮膜の気孔率は、１０％であった。なお、気孔率は、精密に研磨された遮熱コーティング断面を、光学顕微鏡（倍率１００倍）を用いて任意の５視野（観察長さ約３ｍｍ）を撮影した顕微鏡写真から、画像処理法を用いて皮膜中に占める気孔の割合として算出した。 The above-mentioned sprayed powder was sprayed onto the metal bonding layer by atmospheric pressure plasma spraying to form a sprayed coating (ceramic layer) having a thickness of 0.5 mm. For spraying, a spray gun (F4 gun) manufactured by Sulzer Metco was used. The spraying conditions were as follows: spraying current: 600 (A), spraying distance: 150 (mm), powder supply amount: 60 (g / min), Ar / H 2 amount: 35 / 7.4 (l / min). The porosity of the sprayed coating was 10%. The porosity is determined by using an image processing method from a micrograph obtained by photographing an arbitrary five fields of view (observation length of about 3 mm) using an optical microscope (100 times magnification) with a precisely polished thermal barrier coating cross section. And calculated as a ratio of pores in the film.
上記工程にて作製した試験片について、溶射皮膜の熱伝導率を、ＪＩＳ Ｒ １６１１で規定されるレーザフラッシュ法により測定した。
試験片の熱サイクル耐久性を、特許第４０３１６３１号公報に記載のレーザ熱サイクル試験により測定した。試験条件は、遮熱コーティングの最高表面加熱温度：１４００℃、最高界面温度：９５０℃、加熱時間３分、冷却時間３分とし、セラミックス層剥離までの熱サイクル数を計測した。
１３００℃、１０００時間の加熱処理前後それぞれの溶射皮膜の構成相を、粉末Ｘ線回折により同定した。また、１３００℃、１０００時間の加熱処理後の溶射皮膜気孔率を、上述の方法により測定した。
About the test piece produced at the said process, the thermal conductivity of the sprayed coating was measured by the laser flash method prescribed | regulated by JISR1611.
The thermal cycle durability of the test piece was measured by a laser thermal cycle test described in Japanese Patent No. 4031631. The test conditions were the maximum surface heating temperature of the thermal barrier coating: 1400 ° C., maximum interface temperature: 950 ° C., heating time 3 minutes, cooling time 3 minutes, and the number of thermal cycles until the ceramic layer was peeled was measured.
The constituent phases of each thermal spray coating before and after heat treatment at 1300 ° C. for 1000 hours were identified by powder X-ray diffraction. Moreover, the thermal spray coating porosity after 1300 degreeC and 1000-hour heat processing was measured by the above-mentioned method.
（比較例）
Ｙ２Ｏ３：８質量％を添加したＺｒＯ２を用い、常圧焼結法にて焼結温度１５００℃、焼結時間 4 時間の条件で焼結体を作製した。また、実施例と同様にして、比較例の組成の遮熱コーティング用材料を溶射製膜し、試験片を作製した。
実施例と同様にして、焼結体の破壊靭性値、溶射皮膜の熱伝導率、構成相、加熱処理後の気孔率、試験片の熱サイクル耐久性を測定した。
(Comparative example)
Using ZrO 2 added with Y 2 O 3 : 8% by mass, a sintered body was produced by a normal pressure sintering method under a sintering temperature of 1500 ° C. and a sintering time of 4 hours. Further, in the same manner as in the example, a thermal barrier coating material having the composition of the comparative example was formed by thermal spraying to produce a test piece.
In the same manner as in the examples, the fracture toughness value of the sintered body, the thermal conductivity of the thermal spray coating, the constituent phase, the porosity after the heat treatment, and the thermal cycle durability of the test piece were measured.
表１に、実施例及び比較例の組成と、焼結体及び溶射皮膜の特性を示す。
比較例の組成では、溶射皮膜の構成相が準安定正方晶であり、焼結体は比較的高い破壊靭性値を示した。しかし、加熱処理後の溶射皮膜の構成相は、立方晶と単斜晶との混合相に変化した。このため、試験片の熱サイクル耐久性は低かった。また、加熱処理により、溶射皮膜の気孔率が１０％から７％まで減少した。 In the composition of the comparative example, the constituent phase of the sprayed coating was metastable tetragonal, and the sintered body exhibited a relatively high fracture toughness value. However, the constituent phase of the thermal spray coating after the heat treatment changed to a mixed phase of cubic and monoclinic. For this reason, the thermal cycle durability of the test piece was low. Moreover, the porosity of the thermal spray coating decreased from 10% to 7% by the heat treatment.
試料番号２〜４（Ｙ２Ｏ３：１０〜１５質量％）では、焼結体で高い破壊靭性が得られた。加熱処理前後での溶射皮膜の構成相は、いずれも正方晶であった。このため、試料番号２〜４の試験片では、比較例の試験片よりも高い熱サイクル耐久性が得られた。また、試料番号２〜４の溶射皮膜の熱伝導率は、比較例の溶射皮膜より低下した。
一方、Ｙ２Ｏ３量が少ない試料番号１では、正方晶と斜方晶（ＹＴａＯ４）とが混在した相となった。Ｙ２Ｏ３量が多い試料番号５では、正方晶と立方晶とが混在した相となった。このため、試料番号１及び５の試験片は、低い熱サイクル耐久性を示した。
In sample numbers 2 to 4 (Y 2 O 3 : 10 to 15% by mass), high fracture toughness was obtained in the sintered body. The constituent phases of the thermal spray coating before and after the heat treatment were all tetragonal. For this reason, in the test pieces of sample numbers 2 to 4, higher thermal cycle durability was obtained than the test pieces of the comparative examples. Moreover, the thermal conductivity of the thermal spray coating of the sample numbers 2-4 fell from the thermal spray coating of the comparative example.
On the other hand, Sample No. 1 with a small amount of Y 2 O 3 was a phase in which tetragonal crystals and orthorhombic crystals (YTaO 4 ) were mixed. Sample No. 5 with a large amount of Y 2 O 3 was a phase in which tetragonal crystals and cubic crystals were mixed. For this reason, the test pieces of sample numbers 1 and 5 showed low thermal cycle durability.
試料番号３，７，８（Ｔａ２Ｏ５：２０〜３０質量％）では、焼結体で高い破壊靭性が得られた。加熱処理前後での溶射皮膜の構成相は、いずれも正方晶であった。このため、試料番号３，７，８の試験片では、比較例の試験片よりも高い熱サイクル耐久性が得られた。また、試料番号３，７，８の溶射皮膜の熱伝導率は、比較例の溶射皮膜より低下した。
一方、Ｔａ２Ｏ５量が少ない（相対的にＹ２Ｏ３が多い）試料番号６では正方晶と立方晶とが混在した相となり、Ｔａ２Ｏ５量が多い（相対的にＹ２Ｏ３が少ない）試料番号９では正方晶と斜方晶（ＹＴａＯ４）とが混在した相となった。このため、試料番号６及び９の試験片は、低い熱サイクル耐久性となった。
In sample numbers 3, 7, and 8 (Ta 2 O 5 : 20 to 30% by mass), high fracture toughness was obtained in the sintered body. The constituent phases of the thermal spray coating before and after the heat treatment were all tetragonal. For this reason, in the test pieces of sample numbers 3, 7, and 8, higher thermal cycle durability was obtained than the test piece of the comparative example. Moreover, the thermal conductivity of the thermal spray coating of sample numbers 3, 7, and 8 was lower than that of the thermal spray coating of the comparative example.
On the other hand, Sample No. 6 having a small amount of Ta 2 O 5 (relatively large amount of Y 2 O 3 ) has a phase in which tetragonal crystals and cubic crystals are mixed, and has a large amount of Ta 2 O 5 (relatively Y 2 O). 3 is small) tetragonal and orthorhombic crystals sample No. 9 (YTaO 4) and became mixed phase. For this reason, the test pieces of sample numbers 6 and 9 had low thermal cycle durability.
ＨｆＯ２含有量が少ない試料番号１０では、加熱処理により、気孔率が１０％から８％に低下した。ＨｆＯ２含有量が１質量％以上の試験片では、加熱処理後の気孔率が９．７〜９．８％であった。また、試料番号１０の試験片は、ＨｆＯ２含有量が１質量％以上の試験片よりも、熱サイクル耐久性が低かった。この結果は、試料番号１０の試験片ではＨｆＯ２添加量が少ないために、遮熱コーティング用材料の融点が十分に上昇しなかったことを示している。 In sample number 10 having a low HfO 2 content, the porosity decreased from 10% to 8% by the heat treatment. In the test piece having a HfO 2 content of 1% by mass or more, the porosity after the heat treatment was 9.7 to 9.8%. Moreover, the test piece of sample number 10 had lower thermal cycle durability than the test piece having an HfO 2 content of 1% by mass or more. This result shows that the melting point of the thermal barrier coating material did not rise sufficiently due to the small amount of HfO 2 added to the test piece of sample number 10.
表１に示すように、特にＹ２Ｏ３：Ｔａ２Ｏ５＝１：２となる試料番号３，１１〜１３では、熱サイクル数が１０００回を超え、非常に高い熱サイクル耐久性が得られた。 As shown in Table 1, the sample numbers 3 , 11 to 13 in which Y 2 O 3 : Ta 2 O 5 = 1: 2 in particular has a thermal cycle number exceeding 1000 times and a very high thermal cycle durability is obtained. It was.
１１ 耐熱合金基材
１２ 金属結合層
１３ セラミックス層
11 Heat-resistant
Claims (5)
前記Ｙ２Ｏ３の含有量が、１０質量％以上１５質量％以下であり、
前記Ｔａ ２ Ｏ ５ の含有量が、２０質量％以上３０質量％以下であることを特徴とする遮熱コーティング用材料。 Mainly ZrO 2 containing Ta 2 O 5 and Y 2 O 3 as a stabilizer,
The content of Y 2 O 3 is 10% by mass to 15 % by mass ,
The Ta 2 content of O 5 is, material for thermal barrier coating, characterized in that at most 20% by weight to 30% by weight.
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