JP6649115B2 - Laminated structure - Google Patents

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Description

本発明は、耐熱性に優れる積層構造に関し、更に詳しくは、航空機のエンジン等に配設され、高温の酸素、水蒸気等を含む雰囲気下で用いられる高温部品を与える積層構造に関する。   The present invention relates to a laminated structure having excellent heat resistance, and more particularly to a laminated structure provided in an engine of an aircraft or the like to provide a high-temperature component used in an atmosphere containing high-temperature oxygen, water vapor, and the like.

航空産業において、エンジンの燃費を改善したり、二酸化炭素の排出量を削減したりするために、高圧タービン部材等の高温部品の耐熱性を向上させる検討、又は、軽量化する検討が進められている。この高温部品は、一般に、耐熱性材料からなる基部と、その表面に配設された保護膜とを備える構造を有する。
従来、高温部品における基部(基材)の構成材料として、ニッケル基系超合金や、それよりも軽量であり且つ耐熱性に優れ、更には、高い温度範囲において比強度の大きい炭化珪素繊維強化炭化珪素複合材料(以下、「CMC(ceramic matrix composite)」という。)が注目されている。CMCは、高温の酸化雰囲気下においてSiO層を形成し、このSiO層は、CMCの更なる酸化に対する保護膜として作用する。しかし、高圧タービン等の1100℃以上の水蒸気環境下においては、SiO層が水蒸気と反応し揮発性の水酸化物を形成するため、保護膜の減肉・消失に伴う下地材の激しい酸化・劣化が問題となる。そのため、このCMCの表面に耐環境性コーティング(以下、「EBC(Environmental Barrier Coating)」という。)を形成して部材の酸化劣化、減肉化等を抑制し、耐久性を向上させる試みがなされており、例えば、下記の技術が知られている。
In the aviation industry, studies are being conducted to improve the heat resistance of high-temperature components such as high-pressure turbine members or to reduce the weight in order to improve fuel efficiency of engines and reduce carbon dioxide emissions. I have. This high-temperature component generally has a structure including a base made of a heat-resistant material and a protective film disposed on the surface thereof.
Conventionally, as a constituent material of a base (substrate) in a high-temperature component, a nickel-based superalloy or a silicon carbide fiber reinforced carbon steel having a lighter weight and excellent heat resistance and a large specific strength in a high temperature range has been used. Attention has been focused on silicon composite materials (hereinafter, referred to as “CMC (ceramic matrix composite)”). CMC is an SiO 2 layer was formed in a high-temperature oxidizing atmosphere, the SiO 2 layer acts as a protective film against further oxidation of the CMC. However, in a steam environment of 1100 ° C. or higher, such as a high-pressure turbine, the SiO 2 layer reacts with the steam to form a volatile hydroxide. Deterioration becomes a problem. Therefore, an attempt has been made to form an environment-resistant coating (hereinafter, referred to as “EBC (Environmental Barrier Coating)”) on the surface of the CMC to suppress the oxidative deterioration and the thickness reduction of the member and to improve the durability. For example, the following techniques are known.

特許文献1には、炭化珪素を含有する第1層と、一般式RESi(RE:Y,Yb,Er,Dy)で表される希土類硅酸塩化合物を含有する第2層と、酸化珪素を含有し第1層及び第2層を接合する第3層とを有する積層セラミックスが開示されている。
特許文献2には、焼結SiC繊維結合体の表面が希土類酸化物を主成分とする層で覆われており、空気中1700℃で100時間熱処理後の強度保持率が70%以上であるセラミックス複合材料が開示されている。
また、特許文献3には、炭化珪素系繊維強化セラミックス複合材料を基材とし、該基材表面にアルミノシリケート系結晶化ガラスと希土類珪酸塩の混合体からなる中間層を備え、該中間層の上にトップコートとして希土類珪酸塩層が設けられた積層材料が開示されている。
Patent Document 1 discloses a first layer containing silicon carbide and a second layer containing a rare earth silicate compound represented by the general formula RE 2 Si 2 O 7 (RE: Y, Yb, Er, Dy). And a third ceramic layer containing silicon oxide and joining a first layer and a second layer.
Patent Document 2 discloses a ceramic in which the surface of a sintered SiC fiber composite is covered with a layer mainly composed of a rare earth oxide, and has a strength retention of 70% or more after heat treatment at 1700 ° C. for 100 hours in air. A composite material is disclosed.
Further, Patent Document 3 discloses that an intermediate layer made of a mixture of aluminosilicate-based crystallized glass and a rare earth silicate is provided on the surface of the base material based on a silicon carbide fiber-reinforced ceramic composite material. A laminated material in which a rare earth silicate layer is provided as a top coat is disclosed.

特開平11−12050号公報JP-A-11-12050 特開2002−104892号公報JP-A-2002-104892 特開2008−308374号公報JP 2008-308374 A

一方、本発明者らは、CMCからなる基部の表面に、耐クリープ性に優れ、その熱膨張係数がこの複合材料(CMC)に比較的近いムライトを酸素遮蔽のためのEBCとして備える積層構造について、検討してきた。そして、実用環境においては、EBCの表面層側と、基材側とで酸素の化学ポテンシャル(それと平衡する酸素分圧)が異なることから、酸素分子は、酸素分圧の高い側のムライト表面に吸着・解離後、酸素イオンとして、ムライト中を酸素分圧の低い側に粒界拡散する。それと同時に、ムライトを構成するアルミニウムイオンは、酸素分圧の低い側から高い側に粒界拡散する。すなわち、酸素分子は、このムライトの粒界を介して、酸素イオンとアルミニウムイオンが相互に粒界拡散することにより透過する。また、酸素分圧の高い側にアルミニウムイオンが移動して、酸素分圧の低い側においてムライト分解物(シリカ等)が偏在する。
また、ムライトの分解により形成したSiO層は、高温において、SiO結晶相の1つであるクリストバライト(Cristobalite)を生成する。クリストバライトは約270℃においてβ→α転移(高温→低温)に伴う著しい体積変化(高温→低温:3.9vol%収縮)を伴うため、ガラス溶融被覆後の冷却過程において、クリストバライト結晶粒子の周りに亀裂が生成し、その結果としてEBCとの密着性が大きく低下し、結果として耐酸化性を維持できないことが問題となっていた。
本発明は、耐熱性基材からなる基部の表面にムライト層を備える積層構造において、耐熱性に優れ、ムライト層を含む全体の層構造が安定な積層構造を提供することを目的とする。
On the other hand, the present inventors have described a laminated structure in which mullite having excellent creep resistance and a thermal expansion coefficient relatively close to that of the composite material (CMC) is provided as an EBC for oxygen shielding on the surface of a base made of CMC. , Has been considered. In a practical environment, the chemical potential of oxygen (oxygen partial pressure equilibrating therewith) differs between the surface layer side of the EBC and the base material side, so that oxygen molecules are deposited on the mullite surface on the higher oxygen partial pressure side. After adsorption and dissociation, it diffuses as ionic ions in mullite to the side with a low oxygen partial pressure at the grain boundary. At the same time, the aluminum ions constituting the mullite diffuse from the low oxygen partial pressure side to the high oxygen partial pressure side. That is, oxygen molecules are transmitted through the grain boundaries of the mullite as oxygen ions and aluminum ions diffuse at the grain boundaries. In addition, aluminum ions move to the side where the oxygen partial pressure is high, and mullite decomposition products (such as silica) are unevenly distributed on the side where the oxygen partial pressure is low.
In addition, the SiO 2 layer formed by the decomposition of mullite generates cristobalite, which is one of the SiO 2 crystal phases, at a high temperature. Cristobalite undergoes a significant volume change (high to low temperature: 3.9 vol% shrinkage) accompanying the β → α transition (high to low temperature) at about 270 ° C., so that during the cooling process after the glass melt coating, around the cristobalite crystal particles Cracks were formed, and as a result, the adhesion to EBC was greatly reduced, and as a result, there was a problem that oxidation resistance could not be maintained.
An object of the present invention is to provide a laminated structure having a mullite layer on the surface of a base made of a heat-resistant base material and having excellent heat resistance and a stable overall layer structure including the mullite layer.

本発明は、以下に示される。
1.無機化合物を含む基部の表面に形成される積層構造であって、ムライトを含む層(A)及びアルミナを含む層(B)を、順次、備えることを特徴とする積層構造。
2.上記無機化合物が、炭化珪素、窒化珪素及びサイアロンから選ばれた少なくとも1種のセラミックスを含む上記1に記載の積層構造。
3.上記基部が、上記セラミックスからなる母相の中に炭化珪素繊維が分散されてなる炭化珪素繊維強化セラミックス複合材料からなる上記2に記載の積層構造。
The present invention is described below.
1. A laminated structure formed on a surface of a base containing an inorganic compound, wherein the laminated structure comprises a layer (A) containing mullite and a layer (B) containing alumina sequentially.
2. 2. The laminated structure according to the above 1, wherein the inorganic compound contains at least one ceramic selected from silicon carbide, silicon nitride, and sialon.
3. 3. The laminated structure according to the above 2, wherein the base is made of a silicon carbide fiber reinforced ceramic composite material in which silicon carbide fibers are dispersed in a matrix made of the ceramic.

本発明の積層構造は、耐熱性に優れ、具体的には、1100℃以上、好ましくは1300℃以上の高い温度(上限は、1600℃程度)において、全体の層構造が安定である。そして、無機化合物を含む基部の表面に、層(A)及び層(B)が順次、積層された材料又は高温部品が上記のような高い温度であり且つ酸素、水蒸気等を含む雰囲気下で用いられる場合に、酸素分圧の低い側に位置する層(A)に含まれるムライトの分解及びそれに基づくアルミニウムイオンの層(B)側への拡散又はSiO結晶の生成を抑制することができるので、耐久性に優れる。従って、本発明の積層構造は、航空機のエンジン等に配設される高温部品(タービン部品等)の構成要素として好適である。また、高圧タービン入口温度の更なる高温化と部材冷却ガス削減による燃費の向上が可能となる。 The laminated structure of the present invention has excellent heat resistance, and specifically, has a stable overall layer structure at a high temperature of 1100 ° C. or higher, preferably 1300 ° C. or higher (upper limit is about 1600 ° C.). Then, a material or a high-temperature component in which the layer (A) and the layer (B) are sequentially laminated on the surface of the base containing the inorganic compound is used in an atmosphere containing the above high temperature and containing oxygen, water vapor, and the like. In this case, the decomposition of mullite contained in the layer (A) located on the lower side of the oxygen partial pressure and the diffusion of aluminum ions toward the layer (B) or the formation of SiO 2 crystals based on the mullite can be suppressed. Excellent in durability. Therefore, the laminated structure of the present invention is suitable as a component of a high-temperature component (such as a turbine component) disposed in an aircraft engine or the like. Further, it is possible to further improve the fuel efficiency by further increasing the high-pressure turbine inlet temperature and reducing the member cooling gas.

本発明の積層構造を備える積層材料の部分断面を示す概略図である。It is the schematic which shows the partial cross section of the laminated material provided with the laminated structure of this invention. 〔実施例〕で用いた熱処理装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the heat processing apparatus used by [Example]. 比較例1で熱処理を行った後の単層構造体を示す断面画像である。6 is a cross-sectional image showing a single-layer structure after heat treatment in Comparative Example 1. 比較例1で熱処理を行った後の単層構造体における低酸素分圧側の表面部を示す断面拡大画像である。6 is an enlarged cross-sectional image showing a surface portion on a low oxygen partial pressure side in a single-layer structure after heat treatment in Comparative Example 1. 実施例1で熱処理を行った後の積層構造体を示す断面画像である。5 is a cross-sectional image showing a laminated structure after heat treatment in Example 1. 実施例1で熱処理を行った後の積層構造体におけるムライト層(低酸素分圧側)の表面部を示す断面拡大画像である。4 is an enlarged cross-sectional image showing a surface portion of a mullite layer (low oxygen partial pressure side) in a laminated structure after heat treatment in Example 1.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の積層構造は、無機化合物を含む基部11の表面に形成され、図1に示す積層材料1を与える積層構造であって、ムライトを含む層(A)13及びアルミナを含む層(B)15を、順次、備える。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The laminated structure of the present invention is a laminated structure formed on the surface of the base 11 containing an inorganic compound to give the laminated material 1 shown in FIG. 15 sequentially.

上記基部を構成する材料は、無機化合物である。無機化合物は、好ましくは、窒化物、炭化物、ホウ化物等であり、これらは、単独で用いてよいし、2種以上の組み合わせで用いてもよい。
窒化物としては、窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化タンタル等を用いることができる。
炭化物としては、炭化硅素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化タンタル等を用いることができる。
ホウ化物としては、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、ホウ化タンタル等を用いることができる。
これらのうち、上記基部を構成する材料は、炭化珪素、窒化珪素又はサイアロンを含むことが好ましい。
The material constituting the base is an inorganic compound. The inorganic compound is preferably a nitride, a carbide, a boride or the like, and these may be used alone or in combination of two or more.
As the nitride, silicon nitride, sialon, aluminum nitride, titanium nitride, zirconium nitride, tantalum nitride, or the like can be used.
As the carbide, silicon carbide, titanium carbide, zirconium carbide, tantalum carbide, or the like can be used.
As the boride, titanium boride, zirconium boride, tantalum boride, or the like can be used.
Among these, the material forming the base preferably includes silicon carbide, silicon nitride, or sialon.

上記基部が複数の材料からなる場合、炭素繊維又はセラミックス繊維が、上記の酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物等を含む母相の中に分散された繊維強化セラミックスを用いることができる。セラミックス繊維としては、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、炭窒化チタン繊維、炭化ホウ素繊維等が挙げられる。母相に含まれる炭素繊維又はセラミックス繊維の含有割合は、特に限定されないが、機械的強度、破壊靱性等の観点から、繊維強化セラミックスの全体に対して、好ましくは10〜50体積%、より好ましくは20〜45体積%である。
上記繊維強化セラミックスとしては、炭化珪素を含む母相の中に炭化珪素繊維が分散されてなる炭化珪素繊維強化セラミックスが好ましい。
When the base is made of a plurality of materials, a fiber reinforced ceramic in which carbon fibers or ceramic fibers are dispersed in a matrix containing the above oxide, nitride, carbide, boride and the like can be used. Examples of the ceramic fibers include alumina fibers, silicon carbide fibers, titanium carbonitride fibers, and boron carbide fibers. The content ratio of the carbon fibers or ceramic fibers contained in the matrix is not particularly limited, but from the viewpoint of mechanical strength, fracture toughness, etc., preferably 10 to 50% by volume, more preferably Is from 20 to 45% by volume.
As the fiber reinforced ceramic, a silicon carbide fiber reinforced ceramic in which silicon carbide fibers are dispersed in a matrix containing silicon carbide is preferable.

上記基部の形状は、特に限定されず、板状、筒状、棒状、各種複雑三次元形状等の定形又はこれらを変形させた不定形とすることができる。また、層(A)、層(B)等を形成する部分における基部の形状は、平面及び曲面のいずれでもよい。   The shape of the base is not particularly limited, and may be a fixed shape such as a plate shape, a tubular shape, a rod shape, various complicated three-dimensional shapes, or an irregular shape obtained by deforming them. Further, the shape of the base in the portion where the layer (A), the layer (B), and the like are formed may be either a flat surface or a curved surface.

上記層(A)は、ムライトを含む層である。ムライトは、好ましくは、Al4+2xSi2−2x10−x(0.20≦x≦0.39)で表される化合物であり、0.20≦x≦0.39の範囲における複数の化合物を用いてもよい。本発明においては、積層構造を含む物品(高温部品)を、1100℃以上の高い温度(上限は、1600℃程度)、且つ、酸素、水蒸気等を含む雰囲気下で用いた場合に、アルミニウムイオンの、酸素分圧の低い側に位置する層(B)の表面側(基部側)への移動の抑制効果に優れることから、好ましくはAl4+2xSi2−2x10−x(0.20≦x≦0.34)で表される化合物、より好ましくはAl4+2xSi2−2x10−x(0.23≦x≦0.30)で表される化合物である。尚、層(A)は、化学組成が限定されたムライトのみを含んでよいし、化学組成の異なるムライトどうし(2種以上)を含んでもよい。後者の場合、複数のムライトは、混合状態であってよいし、特定の化学組成を有するムライトの分布を、層の一端側から他端側に向かって傾斜させてもよい。化学組成の異なるムライトを傾斜配置する場合には、層(B)の構成材料(後述)との熱膨張係数差がより小さくなり、また、上記基部の表面における耐水蒸気揮散性を高められることから、上記基部側から層(A)の表面側に向かって、Al/Si比を大きくすることが好ましい。 The layer (A) is a layer containing mullite. Mullite is preferably a compound represented by Al4 + 2xSi2-2xO10 -x ( 0.20≤x≤0.39 ), and a plurality of compounds in the range of 0.20≤x≤0.39 . May be used. In the present invention, when an article (high-temperature component) having a laminated structure is used at a high temperature of 1100 ° C. or higher (upper limit is about 1600 ° C.) and in an atmosphere containing oxygen, water vapor, or the like, Al 4 + 2x Si 2-2x O 10-x (0.20 ≦ x), since the layer (B) located on the side with a low oxygen partial pressure has an excellent effect of suppressing the movement to the surface side (base side). ≦ 0.34), more preferably a compound represented by Al 4 + 2x Si 2-2x O 10-x (0.23 ≦ x ≦ 0.30). The layer (A) may include only mullite having a limited chemical composition, or may include two or more mullites having different chemical compositions. In the latter case, the plurality of mullites may be in a mixed state, or the distribution of the mullite having a specific chemical composition may be inclined from one end of the layer toward the other end. When mullite having a different chemical composition is inclined, the difference in thermal expansion coefficient between the mullite and the constituent material of the layer (B) (described later) becomes smaller, and the vaporization resistance on the surface of the base can be increased. It is preferable to increase the Al / Si ratio from the base side to the surface side of the layer (A).

上記層(A)は、ムライトのみからなる層であることが好ましいが、本発明の効果を損なわない範囲において、ムライトと他の化合物とからなる層であってもよい。他の化合物としては、アルミナ等が挙げられる。上記層(A)が他の化合物を含む場合、その含有割合の上限は、ムライト及び他の化合物の合計を100体積%とした場合に、好ましくは30体積%、より好ましくは20体積%、更に好ましくは10体積%である。   The layer (A) is preferably a layer composed of mullite alone, but may be a layer composed of mullite and another compound as long as the effects of the present invention are not impaired. Other compounds include alumina and the like. When the layer (A) contains another compound, the upper limit of the content ratio is preferably 30% by volume, more preferably 20% by volume, when the total of mullite and other compounds is 100% by volume. Preferably, it is 10% by volume.

上記層(A)の厚さは、本発明の効果が確実に得られることから、好ましくは5〜800μm、より好ましくは10〜600μmである。   The thickness of the layer (A) is preferably from 5 to 800 μm, more preferably from 10 to 600 μm, since the effects of the present invention can be reliably obtained.

上記層(B)は、アルミナを含む層である。アルミナとしては、α−アルミナ、ρ−アルミナ、χ−アルミナ、κ−アルミナ、η−アルミナ、擬γ−アルミナ、γ−アルミナ、δ−アルミナ、θ−アルミナ等が挙げられる。層(B)に含まれるアルミナは、これらのうちの1種のみであってよいし、2種以上であってもよい。層(B)は、結晶構造が限定されたアルミナのみを含んでよいし、結晶構造の異なるアルミナどうし(2種以上)を含んでもよい。後者の場合、複数のアルミナは、混合状態であってよいし、特定のアルミナの分布を、層の一端側から他端側に向かって傾斜させてもよい。   The layer (B) is a layer containing alumina. Examples of the alumina include α-alumina, ρ-alumina, χ-alumina, κ-alumina, η-alumina, pseudo-γ-alumina, γ-alumina, δ-alumina, θ-alumina and the like. The alumina contained in the layer (B) may be only one kind of these, or may be two or more kinds. The layer (B) may contain only alumina having a limited crystal structure, or may contain two or more aluminas having different crystal structures. In the latter case, the plurality of aluminas may be in a mixed state, or the distribution of the specific alumina may be inclined from one end side to the other end side of the layer.

上記層(B)は、アルミナのみからなる層であることが好ましいが、本発明の効果を損なわない範囲において、アルミナと他の化合物とからなる層であってもよい。上記層(B)が他の化合物を含む場合、その含有割合の上限は、アルミナ及び他の化合物の合計を100体積%とした場合に、好ましくは30体積%、より好ましくは20体積%、更に好ましくは10体積%である。   The layer (B) is preferably a layer composed of only alumina, but may be a layer composed of alumina and another compound as long as the effects of the present invention are not impaired. When the layer (B) contains another compound, the upper limit of the content ratio is preferably 30% by volume, more preferably 20% by volume, when the total of alumina and other compounds is 100% by volume. Preferably, it is 10% by volume.

上記層(B)の厚さは、好ましくは3〜500μm、より好ましくは4〜400μmである。尚、本発明の効果をより確実に得るために、上記層(B)の厚さは、上記層(A)の厚さに対して、0.005倍〜3.0倍であり、好ましくは0.008倍〜3.0倍である。   The thickness of the layer (B) is preferably from 3 to 500 μm, more preferably from 4 to 400 μm. In order to more reliably obtain the effect of the present invention, the thickness of the layer (B) is 0.005 to 3.0 times the thickness of the layer (A), and is preferably. It is 0.008 times to 3.0 times.

本発明の積層構造は、上記のように、層(A)と、層(B)とを、この順に備えるものであるが、必要に応じて、層(B)の表面に他の層を備えてもよい。   As described above, the layered structure of the present invention includes the layer (A) and the layer (B) in this order. However, if necessary, another layer is provided on the surface of the layer (B). You may.

本発明の積層構造の製造方法は、特に限定されない。通常、基部を構成する物体(以下、「基材」という)の表面に、層(A)及び層(B)を、順次、形成することにより、製造することができる。
層(A)及び層(B)を形成する場合には、隣接する層どうしの変質を抑制するために、20℃〜1500℃程度の温度で膜(層)形成を行うことが好ましい。そして、緻密な膜(層)を形成できることから、エアロゾルデポジション、電子ビーム物理蒸着、レーザー化学蒸着等の製膜法を適用することが好ましい。
The method for producing the laminated structure of the present invention is not particularly limited. Usually, it can be manufactured by sequentially forming a layer (A) and a layer (B) on the surface of an object (hereinafter, referred to as “base material”) constituting a base.
In the case of forming the layer (A) and the layer (B), it is preferable to form a film (layer) at a temperature of about 20 ° C to 1500 ° C in order to suppress deterioration of adjacent layers. Since a dense film (layer) can be formed, it is preferable to apply a film forming method such as aerosol deposition, electron beam physical vapor deposition, or laser chemical vapor deposition.

層(B)を形成した後、必要に応じて、層(B)の表面の平滑化処理、積層物の熱処理等を行うことができる。また、他の層を備える積層構造を製造する場合には、層(A)及び層(B)の構成成分を変質させない方法で形成することが好ましい。   After the formation of the layer (B), the surface of the layer (B) may be subjected to a smoothing treatment, a heat treatment of the laminate, or the like, if necessary. In the case of manufacturing a laminated structure including another layer, it is preferable to form the layer (A) and the layer (B) by a method that does not alter the components.

本発明の積層構造は、1100℃以上の高い温度であって、例えば、酸素、水蒸気等を含む雰囲気下において、層(A)に含まれるムライトの分解及びそれに基づくアルミニウムイオンの層(B)側への拡散又はSiO結晶の生成を抑制することができるので、1100℃以上、好ましくは1300℃以上の高い温度(上限は、1600℃程度)において耐熱性(耐酸化性、耐水蒸気性、耐剥離性等)が求められる用途に好適である。
例えば、航空機エンジン等に配設されるタービン部品等の高温部品は、水蒸気を含む高温ガス環境下(例えば、燃焼ガス中の水蒸気分圧が101.3kPa)において、高温(例えば、部品表面温度が700℃〜1400℃)と、低温(例えば、部品表面温度が50℃以下)とを繰り返す熱サイクルに曝される。本発明の積層構造を利用して高温部品を形成した場合には、特に、層(A)若しくは層(B)の剥離又は積層構造の薄肉化がないだけでなく、層(A)を含む全体の層構造が安定である。
The laminated structure of the present invention has a high temperature of 1100 ° C. or more, for example, in an atmosphere containing oxygen, water vapor, and the like, the decomposition of mullite contained in the layer (A) and the aluminum ion layer (B) side based thereon. it is possible to diffuse or suppress the formation of SiO 2 crystals to the, 1100 ° C. or higher, preferably higher temperature above 1300 ° C. (upper limit is about 1600 ° C.) heat resistance in the (oxidation resistance, steam resistance, resistance to It is suitable for applications where peelability is required.
For example, a high-temperature component such as a turbine component disposed in an aircraft engine or the like has a high temperature (for example, a component surface temperature is low) in a high-temperature gas environment containing steam (for example, a partial pressure of steam in a combustion gas is 101.3 kPa). (700 ° C. to 1400 ° C.) and a low temperature (for example, the component surface temperature is 50 ° C. or less). When a high-temperature component is formed using the laminated structure of the present invention, not only does the layer (A) or the layer (B) not peel off or the laminated structure becomes thinner, but also includes the entire layer (A). Is stable.

本発明の効果である耐熱性は、基部を備えない、層(A)及び層(B)からなる積層構造物を用いて確認することができ、例えば、ムライト薄肉板の上に、エアロゾルデポジション等によりアルミナ層を形成し、得られた積層構造物の断面方向の酸素透過試験を行うことにより確認することができる。   The heat resistance, which is an effect of the present invention, can be confirmed using a laminated structure having a base and having a layer (A) and a layer (B). For example, aerosol deposition is performed on a mullite thin plate. It can be confirmed by forming an alumina layer by the method described above and performing an oxygen permeation test in a cross-sectional direction of the obtained laminated structure.

以下、実施例を挙げて、本発明の実施の形態を更に具体的に説明する。但し、本発明は、これらの実施例に何ら制約されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these embodiments.

比較例1
AlSi13からなるムライト粉末(共立マテリアル社製商品名「KM−101」)を、プレス成形(圧力:20MPa)した後、CIP成形(圧力:250MPa)を行い、板状物を得た。次に、大気雰囲気中、1750℃で5時間の熱処理を行った。そして、得られた焼成物を切削加工し、直径11.5mm、厚さ0.5mmのムライト薄肉板を得た。尚、両面を鏡面仕上げとした。
次に、このムライト薄肉板(円板状試験片)を用いて、以下に示す、高温・酸素分圧差の条件下における熱処理を行い、耐熱性を評価した。
Comparative Example 1
After mullite powder (trade name “KM-101” manufactured by Kyoritsu Materials Co., Ltd.) made of Al 6 Si 2 O 13 is subjected to press molding (pressure: 20 MPa), CIP molding (pressure: 250 MPa) is performed to obtain a plate-like material. Was. Next, heat treatment was performed at 1750 ° C. for 5 hours in an air atmosphere. Then, the obtained fired product was cut to obtain a mullite thin plate having a diameter of 11.5 mm and a thickness of 0.5 mm. In addition, both surfaces were mirror-finished.
Next, using this mullite thin plate (disc-shaped test piece), a heat treatment was performed under the following conditions of high temperature and oxygen partial pressure difference, and heat resistance was evaluated.

図2に示す熱処理装置を用いて、ムライト薄肉板(円板状試験片)の1面側と他面側とで異なる酸素分圧条件下における熱処理を行った。
具体的には、2本のアルミナ保護管の間に、Pt製シールリングを介してムライト薄肉板(円板状試験片)を配置し、上側のアルミナ保護管に対して錘にて一定荷重を加え、ムライト薄肉板とPt製シールリングとの間に面圧を付加した。その後、図2の下側に「Ar−1%H」と表記されているところ、及び、上側に「O」と表記されているところから、ムライト薄肉板の両面に、ドライアイスが投入されたエタノール浴中を通過させて−72℃に冷却した高純度Ar−1%Hガスを、毎分50mlの流速で供給した。
次いで、ムライト薄肉板の上側チャンバー及び下側チャンバーの酸素分圧を、それぞれ、酸素センサ(ジルコニアセンサ)により計測しながら、電気炉を駆動して1620℃まで昇温させてPt製シールリングによるシールを完成させた。そして、1300℃まで降温させ、上側チャンバーのみにOガスを供給し続けて、下面側で、PO2(lo)=10−10Pa、上面側で、PO2(hi)=10Paの各酸素分圧差として、1300℃で200時間の熱処理を行った。
熱処理後、円板状試験片を、その中央付近で断面方向に切断し、イオンミリングによる平滑面を走査型電子顕微鏡で観察した。その結果を図3及び図4に示す。図4は、ムライト薄肉板(円板状試験片)の下面側断面の拡大画像であり、ムライト層が約12μmの深さにおいて分解していることが分かる。
Using the heat treatment apparatus shown in FIG. 2, heat treatment was performed under different oxygen partial pressure conditions on one side and the other side of the mullite thin plate (disc-shaped test piece).
Specifically, a mullite thin plate (disc-shaped test piece) is arranged between two alumina protective tubes via a Pt seal ring, and a constant load is applied to the upper alumina protective tube by a weight. In addition, a surface pressure was applied between the mullite thin plate and the Pt seal ring. Subsequently, when it is labeled "Ar-1% H 2" on the lower side of FIG. 2, and, from where it is labeled "O 2" on the upper side, on both sides of the mullite thin plate, dry ice turned has been highly purified Ar-1% H 2 gas and cooled to -72 ° C. by passing ethanol bath, was fed at a flow rate per minute 50 ml.
Next, while measuring the oxygen partial pressures of the upper chamber and the lower chamber of the mullite thin plate with an oxygen sensor (zirconia sensor), respectively, the electric furnace was driven to raise the temperature to 1620 ° C., and sealing was performed using a Pt seal ring. Was completed. Then, the temperature was lowered to 1300 ° C., and the O 2 gas was continuously supplied only to the upper chamber, where P O2 (lo) = 10 −10 Pa on the lower surface side and P O2 (hi) = 10 5 Pa on the upper surface side. Heat treatment was performed at 1300 ° C. for 200 hours as each oxygen partial pressure difference.
After the heat treatment, the disc-shaped test piece was cut in a cross-sectional direction near its center, and a smooth surface by ion milling was observed with a scanning electron microscope. The results are shown in FIGS. FIG. 4 is an enlarged image of the cross section on the lower surface side of the mullite thin plate (disc-shaped test piece), and it can be seen that the mullite layer is decomposed at a depth of about 12 μm.

実施例1
AlSi13からなるムライト粉末(共立マテリアル社製商品名「KM−101」)を、プレス成形(圧力:20MPa)した後、CIP成形(圧力:250MPa)を行い、板状物を得た。次に、大気雰囲気中、1750℃で5時間の熱処理を行った。そして、得られた焼成物を切削加工し、直径11.5mm、厚さ0.5mmのムライト薄肉板を得た。尚、両面を鏡面仕上げとした。
次に、エアロゾルデポジションにより、上記ムライト薄肉板の1面側に、アルミナ粉末(大明化学工業社製商品名「TM−DAR」)を連続的に衝突させて、厚さ4μmのアルミナ層を形成し、円板状の積層構造物を得た。この積層構造物を用いて、以下に示す、高温・酸素分圧差の条件下における熱処理を行い、積層構造物における耐熱性を評価した。
Example 1
After mullite powder (trade name “KM-101” manufactured by Kyoritsu Materials Co., Ltd.) made of Al 6 Si 2 O 13 is subjected to press molding (pressure: 20 MPa), CIP molding (pressure: 250 MPa) is performed to obtain a plate-like material. Was. Next, heat treatment was performed at 1750 ° C. for 5 hours in an air atmosphere. Then, the obtained fired product was cut to obtain a mullite thin plate having a diameter of 11.5 mm and a thickness of 0.5 mm. In addition, both surfaces were mirror-finished.
Next, alumina powder (trade name “TM-DAR” manufactured by Daimei Chemical Co., Ltd.) was continuously impinged on one side of the mullite thin plate by aerosol deposition to form an alumina layer having a thickness of 4 μm. Thus, a disk-shaped laminated structure was obtained. Using this laminated structure, a heat treatment was performed under the following conditions of high temperature and oxygen partial pressure difference, and the heat resistance of the laminated structure was evaluated.

その後、比較例1と同様にして、図2に示す熱処理装置を用いて、積層構造物(円板状試験片)におけるムライト層において、アルミニウムと酸素とが相互拡散するような酸素分圧差の条件として、PO2(lo)=10−10Pa、PO2(hi)=10Paを選択し、積層構造物(円板状試験片)の熱処理を行った。尚、積層構造物(円板状試験片)は、アルミナ層が上面側となるように配置した。
熱処理後、円板状試験片を、その中央付近で断面方向に切断し、イオンミリングによる平滑面を走査型電子顕微鏡で観察した。その結果を図5及び図6に示す。図6は、ムライト層側の拡大画像であり、ムライト層の分解が抑制されていることが分かる。
Then, in the same manner as in Comparative Example 1, using the heat treatment apparatus shown in FIG. Were selected as P O2 (lo) = 10 −10 Pa and P O2 (hi) = 10 5 Pa, and heat treatment was performed on the laminated structure (disc-shaped test piece). The laminated structure (disc-shaped test piece) was arranged such that the alumina layer was on the upper surface side.
After the heat treatment, the disc-shaped test piece was cut in a cross-sectional direction near its center, and a smooth surface by ion milling was observed with a scanning electron microscope. The results are shown in FIGS. FIG. 6 is an enlarged image of the mullite layer side, and it can be seen that decomposition of the mullite layer is suppressed.

本発明の積層構造は、水蒸気を含む高温ガス環境下で使用される航空機エンジンや発電用タービンにおける高圧タービン部の動翼部品、静翼部品又はシュラウド部品、更には、ロケットエンジンのスラスターや燃焼ガスチューブ等の高温部品の形成に好適である。   The laminated structure of the present invention can be used for a moving blade component, a stationary blade component, or a shroud component of a high-pressure turbine portion in an aircraft engine or a power generation turbine used in a high-temperature gas environment containing steam, and further, a thruster and a combustion gas of a rocket engine. It is suitable for forming high temperature parts such as tubes.

1:積層材料、11:基部、13:層(A)、15:層(B)   1: laminated material, 11: base, 13: layer (A), 15: layer (B)

Claims (3)

無機化合物を含む基部の表面に形成される積層構造であって、ムライトを含む層(A)及びアルミナを含む層(B)を、順次、備え
前記ムライトはAl 4+2x Si 2−2x 10−x (0.23≦x≦0.30)で表される化合物であり、
前記層(A)における前記ムライトの含有量は90体積%以上であり、
前記層(B)における前記アルミナの含有量は90体積%以上であることを特徴とする積層構造。
A layered structure formed on the surface of the base containing an inorganic compound, comprising a layer (A) containing mullite and a layer (B) containing alumina sequentially ,
The mullite is a compound represented by Al 4 + 2x Si 2-2x O 10-x (0.23 ≦ x ≦ 0.30),
The content of the mullite in the layer (A) is 90% by volume or more;
Layered structure, characterized in der Rukoto content above 90% by volume of the alumina in the layer (B).
前記無機化合物が、炭化珪素、窒化珪素及びサイアロンから選ばれた少なくとも1種のセラミックスを含む請求項1に記載の積層構造。   The laminated structure according to claim 1, wherein the inorganic compound includes at least one type of ceramic selected from silicon carbide, silicon nitride, and sialon. 前記基部が、前記セラミックスからなる母相の中に炭化珪素繊維が分散されてなる炭化珪素繊維強化セラミックス複合材料からなる請求項2に記載の積層構造。   The laminated structure according to claim 2, wherein the base is made of a silicon carbide fiber reinforced ceramic composite material in which silicon carbide fibers are dispersed in a matrix made of the ceramic.
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