JP7372866B2 - セラミックスコーティング、タービン部材及びガスタービン - Google Patents

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Description

本開示は、セラミックスコーティング、タービン部材及びガスタービンに関する。
ガスタービンでは、その効率を向上させるために、使用するガスの温度を高く設定している。このような高温のガスに晒される動翼や静翼のようなタービン部材には、その表面に遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ：ＴＢＣ）が施されている。遮熱コーティングとは、被溶射物であるタービン部材の表面に、溶射により熱伝導率の小さい溶射材（例えば、熱伝導率の小さいセラミックス系材料）を被覆したものである。遮熱コーティングが表面に形成されることで、高温及び高圧の環境下に曝される高温部材の温度が下がり耐久性が向上する（特許文献１参照）。
特許第５６０２１５６号公報
ガスタービンは、一般に起動・停止が比較的多く繰り返されるため、遮熱コーティング（セラミックスコーティング）には、遮熱性等の他、熱サイクル耐久性が求められる。
本開示の少なくとも一実施形態は、上述の事情に鑑みて、遮熱コーティングにおける熱サイクル耐久性を向上することを目的とする。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係るセラミックスコーティングは、
基材上に形成されるボンドコート層と、
前記ボンドコート層上に形成されるセラミックス層と、
を備え、
前記セラミックス層は、前記ボンドコート層との界面と接する第１領域と、前記第１領域よりも前記界面から遠い第２領域とを有し、
前記セラミックス層の厚さ方向に沿った断面において、前記セラミックス層内の２以上の亀裂が交差する亀裂交差点の単位面積当たりの数は、前記第２領域よりも前記第１領域の方が多い。
（２）本開示の少なくとも一実施形態に係るタービン部材は、上記（１）の構成のセラミックスコーティングを有する。
（３）本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービンは、上記（２）の構成のタービン部材を有する。
本開示の少なくとも一実施形態によれば、セラミックスコーティングにおける熱サイクル耐久性を向上できる。
一実施形態に係るセラミックスコーティングを備えるタービン部材の断面の模式図である。 他の実施形態に係るセラミックスコーティングを備えるタービン部材の断面の模式図である。 タービン部材における界面近傍の断面を模式的に示した図である。 亀裂交差点の単位面積当たりの数が１５，０００個／ｍｍ２以上３５，０００個／ｍｍ２以下である場合のセラミックス層の断面を示す図の一例である。 亀裂交差点の単位面積当たりの数が１５，０００個／ｍｍ２未満である場合のセラミックス層の断面を示す図の一例である。 試験片の熱サイクル耐久性の例を示す棒グラフである。 さらに他の実施形態に係るセラミックスコーティングを備えるタービン部材の断面の模式図である。 ガスタービン動翼の斜視図である。 ガスタービン静翼の斜視図である。 分割環の斜視図である。 一実施形態係るガスタービンの部分断面構造を模式的に示す図である。
以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
（セラミックスコーティング１０）
図１は、一実施形態に係るセラミックスコーティング１０を備えるタービン部材３の断面の模式図である。図２は、他の実施形態に係るセラミックスコーティング１０を備えるタービン部材３の断面の模式図である。図７は、さらに他の実施形態に係るセラミックスコーティング１０を備えるタービン部材３の断面の模式図である。
以下で説明する幾つかの実施形態では、セラミックスコーティング１０の一例として、タービン部材３の遮熱のための遮熱コーティングについて説明する。
図１、図２及び図７に示すように、幾つかの実施形態では、後述するガスタービン６の動翼４や静翼５等のタービン部材３の耐熱基材（母材）１１上に、金属結合層（ボンドコート層）１２と、遮熱コーティングとしてのセラミックス層１５が順に形成される。即ち、図１及び図２に示すように、幾つかの実施形態では、セラミックスコーティング１０は、遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ ： ＴＢＣ）層であり、セラミックス層１５を含んでいる。
ボンドコート層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）などで構成される。
幾つかの実施形態におけるセラミックス層１５は、ＺｒＯ２系の材料、例えば、Ｙ２Ｏ３で部分安定化または完全安定化したＺｒＯ２であるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）で構成されているとよい。
（亀裂交差点３３の多寡と剥離亀裂の進展抑止効果との関係について）
図１及び図２に示すように、幾つかの実施形態では、セラミックス層１５は、ボンドコート層１２との界面１７と接する第１領域１５１と、第１領域１５１よりも界面１７から遠い第２領域１５２とを有する。
図２に示した他の実施形態に係るセラミックスコーティング１０では、セラミックス層１５は、第２領域１５２よりも界面１７から遠い第３領域１５３を有する。
幾つかの実施形態では、セラミックス層１５の厚さ方向に沿った断面において、セラミックス層１５内の２以上の亀裂が交差する亀裂交差点３３（図３参照）の単位面積当たりの数は、第２領域１５２よりも第１領域１５１の方が多い。これは、以下で詳述するように、セラミックス層１５における剥離亀裂の進展を抑制するためである。
図３は、図１及び図２に示すタービン部材３における界面１７近傍の断面を模式的に示した図である。なお、図３では、後述するスプラット３０の形状を楕円形で模して表している。そのため、隣り合う楕円同士の間に隙間が存在しているが、実際には、この隙間はほとんど存在しないようにすることもできる。
耐熱基材１１とセラミックス層１５とでは線膨張係数が異なるため、温度の変化によって耐熱基材１１及びセラミックス層１５には熱応力が作用する。そのため、耐熱基材１１及びセラミックス層１５の加熱と冷却が繰り返されると、主にセラミックス層１５における界面１７近傍において、界面１７に沿う方向に亀裂が延在する横割れ（剥離亀裂）３７が生じるおそれがある。すなわち、第２領域１５２よりも第１領域１５１において剥離亀裂３７が生じ易い。この剥離亀裂３７の長さが長くなると、セラミックス層１５が耐熱基材１１から剥離して脱落するおそれがある。なお、図３では、剥離亀裂３７を太い実線で模式的に示している。
例えばセラミックス層１５を溶射によって形成する場合、溶射材料がボンドコート層１２上に衝突して偏平化し固化することが繰り返されることで偏平化した粒子（スプラット）３０が積層されて溶射被膜、すなわちセラミックス層１５が生成される。
また、一般的に、セラミックス層１５には、微小な亀裂３１が複数存在する。この微小な亀裂３１は、溶射材料がボンドコート層１２上に衝突して偏平化し固化する過程でスプラット３０に生じた亀裂や、隣接するスプラット３０同士の境界が残留したもの等を含んでいる。これら微小な亀裂３１の２つ以上が交差するように存在することもあり、以下の説明では、これら微小な亀裂３１の２つ以上が交差する交差点を亀裂交差点３３と称する。
なお、上述した微小な亀裂３１の長さは、おおよそ５μｍから１００μｍ程度である。
上述したように亀裂交差点３３では２以上の亀裂３１が交差するので、亀裂交差点３３を中心として亀裂３１は３方向以上に延在することとなる。すなわち、単位体積当たりの亀裂交差点３３の数が比較的多い領域では、比較的小さな亀裂３１が網目状に存在する傾向にある。なお、単位体積当たりの亀裂交差点３３の数が多いほど、例えばセラミックスコーティング１０の厚さ方向に沿った断面に表れる亀裂交差点３３の単位面積当たりの数が多くなる傾向にある。
熱応力の影響を受けて上述した剥離亀裂３７が生じ、剥離亀裂３７による亀裂が亀裂交差点３３や亀裂交差点３３に連なる亀裂３１に到達すると、亀裂交差点３３で交差している複数の亀裂３１に沿って剥離亀裂３７による亀裂を進展させるエネルギーが伝わって分散される。これにより、剥離亀裂３７による亀裂の進展が抑制されることとなる。
したがって、図１及び図２に示す幾つかの実施形態によれば、亀裂交差点３３の単位面積当たりの数が第２領域１５２よりも第１領域１５１の方が多いので、第１領域１５１では、第２領域１５２よりも剥離亀裂３７による亀裂の進展が抑制される。そのため、第２領域１５２よりも剥離亀裂３７が生じ易い第１領域１５１において、剥離亀裂３７による亀裂の進展を効果的に抑制でき、セラミックスコーティング１０における熱サイクル耐久性を向上できる。
（亀裂交差点３３の数について）
図１及び図２に示す幾つかの実施形態では、第１領域１５１における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数は、１５，０００個／ｍｍ２以上３５，０００個／ｍｍ２以下であるとよい。
発明者らが鋭意検討した結果、第１領域１５１における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数が１５，０００個／ｍｍ２未満であると、セラミックスコーティング１０の熱サイクル耐久性を向上する効果がほとんど得られないことが判明した。また、亀裂交差点３３の単位面積当たりの数が３５，０００個／ｍｍ２を超えると、第１領域１５１の強度が低下するおそれがあることが判明した。
したがって、第１領域１５１における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数を上記の範囲内とすることで、セラミックス層１５の強度低下を抑制しつつ、剥離亀裂３７の進展を抑制できる。
図４は、亀裂交差点３３の単位面積当たりの数が１５，０００個／ｍｍ２以上３５，０００個／ｍｍ２以下である場合のセラミックス層１５の断面を示す図の一例である。
図５は、亀裂交差点３３の単位面積当たりの数が１５，０００個／ｍｍ２未満である場合のセラミックス層１５の断面を示す図の一例である。
図４及び図５では、ボンドコート層１２の一部と、セラミックス層１５における第１領域１５１の一部とが図示されている。
図４及び図５において、破線で囲んだ矩形の領域１４１内に存在する亀裂交差点３３の位置に黒丸を付している。また、図４及び図５において、実線で囲まれた白抜きの領域は、気孔１４３である。
図４に示す例では、亀裂交差点３３の単位面積当たりの数は、約２６，３００個／ｍｍ２である。また、図５に示す例では、亀裂交差点３３の単位面積当たりの数は、約１１，１００個／ｍｍ２である。
なお、亀裂交差点３３の単位面積当たりの数は、次のようにして求める。
例えば、セラミックス層１５の断面を研磨して電子顕微鏡で観察される像を撮影する。本明細書では、亀裂交差点３３の単位面積当たりの数を求めるにあたり、観察倍率を１０００倍とし、異なる３箇所の像を撮影する。そして、撮影によって得られた異なる３箇所の組織の写真（例えば図４）のそれぞれにおいて、図４に示すような亀裂交差点３３の数を計測する領域１４１を設定し、例えば目視によって各領域１４１内の亀裂交差点３３の数を計測する。そして、異なる３箇所の組織の写真における領域１４１内の亀裂交差点３３の数を領域１４１の面積で除すことで、異なる３箇所の組織の写真のそれぞれについての亀裂交差点３３の単位面積当たりの数を求める。このようにして求めた３箇所の亀裂交差点３３の単位面積当たりの数の平均値を、その組織における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数とする。
図６は、試験片の熱サイクル耐久性の例を示す棒グラフである。図６において、縦軸は、ボンドコート層上に形成されたセラミックス層に剥離が生じるまでのサイクル数を表す。試験に用いられた試験片Ａ乃至試験片Ｃは、それぞれ、ボンドコート層上に、ボンドコート層と、セラミックス層が順に形成された試験片である。
試験片Ａは、図５示した断面図における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数と同等（約１１，０００個／ｍｍ２）の組織を有するセラミックス層が形成された試験片である。
試験片Ａでは、セラミックス層に剥離が生じるまでのサイクル数が実質的に剥離が生じないと判定される回数を超過している。
試験片Ｂは、試験片Ａと同様に、図５示した断面図における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数と同等（約１１，０００個／ｍｍ２）の組織を有するセラミックス層が形成された試験片である。試験片Ｂでは、遮熱性の向上を図るべく、試験片Ａよりもセラミックス層の厚さが厚く、その厚さは試験片Ａの１．２～２倍程度である。
試験片Ｂでは、セラミックス層が早期に剥離した。
すなわち、遮熱性の向上を図るべくセラミックス層の厚さを単に厚くするだけでは、セラミックス層の熱サイクル耐久性が低下する。
試験片Ｃは、図４示した断面図における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数と同等（約２５，０００個／ｍｍ２）の組織を有するセラミックス層が形成された試験片である。試験片Ｃでは、遮熱性の向上を図るべく、試験片Ａよりもセラミックス層の厚さが厚く、その厚さは試験片Ａの１．２～２倍程度である。
試験片Ｃでは、セラミックス層に剥離が生じるまでのサイクル数が実質的に剥離が生じないと判定される回数を超過している。
すなわち、遮熱性の向上を図るべくセラミックス層の厚さを厚くしても、セラミックス層における亀裂交差点３３の数を増やすことで、セラミックス層の熱サイクル耐久性を改善できる。
図１及び図２に示す幾つかの実施形態では、第１領域１５１における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数は、第２領域１５２における亀裂交差点の単位面積当たりの数の１．２倍以上３倍以下であるとよい。
発明者らが鋭意検討した結果、第１領域１５１における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数が第２領域１５２における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数の１．２倍未満であると、セラミックスコーティング１０の熱サイクル耐久性を向上する効果が薄れるおそれがあることが判明した。また、第１領域１５１における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数が第２領域１５２における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数の３倍を超えると、第１領域１５１の強度が低下するおそれがあることが判明した。
したがって、図１及び図２に示す幾つかの実施形態によれば、セラミックス層１５の強度低下を抑制しつつ、剥離亀裂３７の進展を抑制できる。
（第１領域１５１の厚さについて）
図１及び図２に示す幾つかの実施形態では、第１領域の厚さｔ１は、２０μｍ以上であるとよい。
発明者らが鋭意検討した結果、第１領域１５１の厚さが２０μｍ未満であると、第２領域１５２にも剥離亀裂３７が生じて、熱サイクル耐久性が低下するおそれがある。
したがって、図１及び図２に示す幾つかの実施形態によれば、セラミックスコーティング１０の熱サイクル耐久性を向上できる。
図１及び図２に示す幾つかの実施形態では、第１領域１５１の厚さは、第１領域１５１と第２領域１５２の厚さの和の３％以上であるとよい。
発明者らが鋭意検討した結果、第１領域１５１の厚さｔ１が第１領域１５１の厚さｔ１と第２領域１５２の厚さｔ２との和（ｔ１＋ｔ２）の３％未満であると、セラミックスコーティング１０の熱サイクル耐久性を向上する効果がほとんど得られないことが判明した。
したがって、図１及び図２に示す幾つかの実施形態によれば、遮熱性を確保しつつ、剥離亀裂３７の進展を抑制できる。
なお、セラミックス層１５の厚さは、特に限定されないが、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下などとされる。
（気孔率について）
図１及び図２に示す幾つかの実施形態では、第１領域１５１の気孔率は、第２領域１５２の気孔率よりも小さいとよい。
剥離亀裂３７が気孔１４３に到達すると、気孔１４３の大きさの分だけ剥離亀裂３７が進展したことと同じことになる。また、剥離亀裂３７が気孔１４３に到達しても、該気孔１４３に剥離亀裂３７以外の亀裂３１が複数接続されていなければ、剥離亀裂３７を進展させるエネルギーを分散できない。
したがって、図１及び図２に示す幾つかの実施形態によれば、第１領域１５１の気孔率が第２領域１５２の気孔率よりも小さいので、第１領域１５１では、第２領域１５２よりも剥離亀裂３７の進展が抑制される。
なお、気孔率は、セラミックス層１５の断面における気孔１４３の面積の割合として定義され、気孔１４３の面積を断面の面積で除した値を百分率で表した値である。具体的には、次のようにして気孔率を求める。例えば、セラミックス層１５の断面を研磨して光学顕微鏡や電子顕微鏡で観察される像を撮影する。本明細書では、気孔率を求めるにあたり、観察倍率を１００倍とし、異なる３箇所の像を撮影する。観察視野１箇所あたりの面積は約０．５平方ミリメートルである。そして、撮影によって得られた異なる３箇所の組織の写真（例えば図４）のそれぞれに対して二値化処理を行うことで、気孔部（空隙部）と被膜部とを別々に抽出可能とする。そして、異なる３箇所の像を二値化した画像のそれぞれから気孔部の面積と被膜部の面積を算出し、気孔部の面積を気孔部と被膜部の面積の和、すなわち断面の面積で除して気孔率をそれぞれ算出する。または、二値化した画像のそれぞれから気孔部の面積と断面の面積を算出し、気孔部の面積を断面の面積で除して気孔率をそれぞれ算出する。このようにして求めた３箇所の気孔率の平均値を、その組織の気孔率とする。
図１及び図２に示す幾つかの実施形態では、第１領域１５１の気孔率は、３％以上４０％以下であるとよい。
発明者らが鋭意検討した結果、第１領域１５１の気孔率を３％未満にするためには、例えば化学蒸着法によるコーティングのように、チャンバを備える大掛かりな装置が必要となる。また、第１領域１５１の気孔率を１０％を超えると、セラミックス層１５とボンドコート層１２との密着性が不十分となるおそれがある。
したがって、図１及び図２に示す幾つかの実施形態によれば、耐久性の高いセラミックスコーティング１０が比較的容易に得られる。
（第３領域１５３について）
図２に示した他の実施形態に係るセラミックスコーティング１０では、上述したように、セラミックス層１５は、第２領域１５２よりも界面１７から遠い第３領域１５３を有する。図２に示した他の実施形態に係るセラミックスコーティング１０では、第３領域１５３の気孔率は、第２領域１５２の気孔率よりも小さいとよい。
図２に示した他の実施形態によれば、第２領域１５２によってセラミックスコーティングの遮熱性を確保しつつ、第２領域１５２の気孔率よりも小さく緻密な組織を有する第３領域１５３によって例えば燃焼ガスに含まれる腐食性物質の浸透を抑制できる。これにより、セラミックスコーティング１０の劣化を抑止してセラミックスコーティング１０の耐久性を向上できる。
（さらに他の実施形態について）
上述したように、図７に示すさらに他の実施形態に係るセラミックスコーティング１０は、ボンドコート層１２上に形成されるセラミックス層１５を備える。図７に示すさらに他の実施形態では、セラミックス層１５の厚さ方向に沿った断面において、ボンドコート層１２との界面１７から少なくとも１００μｍ以内の領域（基材側領域）１５４において２以上の亀裂３１が交差する亀裂交差点３３の単位面積当たりの数は、１５，０００個／ｍｍ２以上３５，０００個／ｍｍ２以下であるとよい。
上述した図１及び図２に示す幾つかの実施形態と同様に、基材側領域１５４における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数が１５，０００個／ｍｍ２未満であると、セラミックスコーティング１０の熱サイクル耐久性を向上する効果がほとんど得られない。また、亀裂交差点３３の単位面積当たりの数が３５，０００個／ｍｍ２を超えると、基材側領域１５４の強度が低下するおそれがある。
したがって、基材側領域１５４における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数を１５，０００個／ｍｍ２以上３５，０００個／ｍｍ２以下とすることで、セラミックス層１５の強度低下を抑制しつつ、剥離亀裂３７の進展を抑制できる。
図７に示すさらに他の実施形態では、基材側領域１５４における気孔率は、３％以上４０％以下であるとよい。
上述したように、基材側領域１５４の気孔率を３％未満にするためには、例えば化学蒸着法によるコーティングのように、チャンバを備える大掛かりな装置が必要となる。また、基材側領域１５４の気孔率を４０％を超えると、セラミックス層１５とボンドコート層１２との密着性が不十分となるおそれがある。
したがって、図７に示すさらに他の実施形態によれば、耐久性の高いセラミックスコーティング１０が比較的容易に得られる。
（タービン部材及びガスタービン）
上述した幾つかの実施形態に係るセラミックスコーティング１０は、産業用ガスタービンの動翼や静翼、あるいは燃焼器の内筒や尾筒、分割環などの高温部品に適用して有用である。また、産業用ガスタービンに限らず、自動車やジェット機などのエンジンの高温部品の遮熱コーティング膜にも適用することができる。これらの部材に上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを設けることで、耐食性及び熱サイクル耐久性に優れるガスタービン翼や高温部品を構成することができる。
図８乃至１０は、上述した幾つかの実施形態に係るセラミックスコーティング１０を適用可能なタービン部材３の構成例を示す斜視図である。図１１は、一実施形態係るガスタービン６の部分断面構造を模式的に示す図である。上述した幾つかの実施形態に係るセラミックスコーティング１０を適用可能なタービン部材の構成例として、図８に示すガスタービン動翼４や、図９に示すガスタービン静翼５、図１０に示す分割環７、及び図１１に示すガスタービン６の燃焼器８を挙げることができる。図８に示すガスタービン動翼４は、ディスク側に固定されるタブテイル４１、プラットフォーム４２、翼部４３等を備えて構成されている。また、図９に示すガスタービン静翼５は、内シュラウド５１、外シュラウド５２、翼部５３等を備えて構成されており、翼部５３にはシールフィン冷却孔５４、スリット５５等が形成されている。
図１０に示す分割環７は、環状の部材を周方向に分割した部材であり、ガスタービン動翼４の外側に複数配置され、タービン６２のケーシングに保持される。図１０に示す分割環７には冷却孔７１が形成されている。図１１に示すガスタービン６が備える燃焼器８は、ライナとして内筒８１と尾筒８２とを有する。
次に、上述したタービン部材３を適用可能なガスタービン６について図１１を参照して以下に説明する。図１１は、一実施形態係るガスタービン６の部分断面構造を模式的に示す図である。このガスタービン６は、互いに直結された圧縮機６１とタービン６２とを備える。圧縮機６１は、例えば軸流圧縮機として構成されており、大気又は所定のガスを吸込口から作動流体として吸い込んで昇圧させる。この圧縮機６１の吐出口には、燃焼器８が接続されており、圧縮機６１から吐出された作動流体は、燃焼器８によって所定のタービン入口温度まで加熱される。そして所定温度まで昇温された作動流体がタービン６２に供給されるようになっている。図１１に示すように、タービン６２のケーシング内部には、上述したガスタービン静翼５が、複数段設けられている。また、上述したガスタービン動翼４が、各静翼５と一組の段を形成するように主軸６４に取り付けられている。主軸６４の一端は、圧縮機６１の回転軸６５に接続されており、その他端には、図示しない発電機の回転軸が接続されている。
このような構成により、燃焼器８からタービン６２のケーシング内に高温高圧の作動流体を供給すれば、ケーシング内で作動流体が膨張することにより、主軸６４が回転し、このガスタービン６と接続された図示しない発電機が駆動される。即ち、ケーシングに固定された各静翼５によって圧力降下させられ、これにより発生した運動エネルギーは、主軸６４に取り付けられた各動翼４を介して回転トルクに変換される。そして、発生した回転トルクは、主軸６４に伝達され、発電機が駆動される。
一般に、ガスタービン動翼に用いられる材料は、耐熱合金（例えばＩＮ７３８ＬＣ＝インコ社の市販の合金材料）であり、ガスタービン静翼に用いられる材料は、同様に耐熱合金（例えばＩＮ９３９＝インコ社の市販の合金材料）である。即ち、タービン翼を構成する材料は、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングにおいて耐熱基材１１として採用可能な耐熱合金が使用されている。従って、上述した幾つかの実施形態に係るセラミックスコーティング１０を、これらのタービン翼に適用すれば、遮熱効果と、耐食性及び耐久性に優れたタービン翼を得ることができるので、より高い温度環境で使用することができ、長寿命のタービン翼を実現することができる。また、より高い温度環境において適用可能であることは、作動流体の温度を高められることを意味し、これによりガスタービン効率を向上させることも可能となる。
このように、幾つかの実施形態に係るタービン部材３は、上述した幾つかの実施形態に係るセラミックスコーティング１０を有するので、セラミックスコーティング１０における熱サイクル耐久性を向上でき、タービン部材３の耐久性を向上できる。
また、幾つかの実施形態に係るガスタービン６は、上記タービン部材３を有するので、ガスタービン６におけるタービン部材３の耐久性を向上できる。
本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係るセラミックスコーティング１０は、基材（耐熱基材１１）上に形成されるボンドコート層１２と、ボンドコート層１２上に形成されるセラミックス層１５とを備える。セラミックス層１５は、ボンドコート層１２との界面１７と接する第１領域１５１と、第１領域１５１よりも界面１７から遠い第２領域１５２とを有する。セラミックス層１５の厚さ方向に沿った断面において、セラミックス層１５内の２以上の亀裂３１が交差する亀裂交差点３３の単位面積当たりの数は、第２領域１５２よりも第１領域１５１の方が多い。
上記（１）の構成によれば、亀裂交差点３３の単位面積当たりの数が第２領域１５２よりも第１領域１５１の方が多いので、上述したように、第１領域１５１では、第２領域１５２よりも剥離亀裂３７の進展が抑制される。そのため、第２領域１５２よりも剥離亀裂３７が生じ易い第１領域１５１において、剥離亀裂３７の進展を効果的に抑制でき、セラミックスコーティング１０における熱サイクル耐久性を向上できる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、第１領域１５１における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数は、１５，０００個／ｍｍ２以上３５，０００個／ｍｍ２以下である。
上記（２）の構成によれば、セラミックス層１５の強度低下を抑制しつつ、剥離亀裂３７の進展を抑制できる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、第１領域１５１の厚さは、３０μｍ以上である。
上記（３）の構成によれば、熱サイクル耐久性を向上できる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、第１領域１５１における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数は、第２領域１５２における亀裂交差点３３の単位面積当たりの数の１．２倍以上３倍以下である。
上記（４）の構成によれば、セラミックス層の強度低下を抑制しつつ、剥離亀裂３７の進展を抑制できる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、第１領域１５１の気孔率は、第２領域１５２の気孔率よりも小さい。
上記（５）の構成によれば、第１領域１５１の気孔率が第２領域１５２の気孔率よりも小さいので、第１領域１５１では、第２領域１５２よりも剥離亀裂３７の進展が抑制される。
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、第１領域１５１の気孔率は、３％以上４０％以下である。
上記（６）の構成によれば、耐久性の高いセラミックスコーティング１０が比較的容易に得られる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（５）又は（６）の構成において、第１領域１５１の厚さｔ１は、第１領域１５１と第２領域１５２の厚さの和（ｔ１＋ｔ２）の３％以上である。
上記（７）の構成によれば、遮熱性を確保しつつ、剥離亀裂３７の進展を抑制できる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（５）乃至（７）の何れかの構成において、セラミックス層１５は、第２領域１５２よりも界面１７から遠い第３領域１５３を有する。第３領域１５３の気孔率は、第２領域１５２の気孔率よりも小さい。
上記（８）の構成によれば、第２領域１５２によってセラミックスコーティング１０の遮熱性を確保しつつ、第３領域１５３によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
（９）本開示の少なくとも一実施形態に係るセラミックスコーティング１０は、基材上に形成されるボンドコート層１２と、ボンドコート層１２上に形成されるセラミックス層１５とを備える。セラミックス層１５の厚さ方向に沿った断面において、ボンドコート層１２との界面１７から少なくとも１００μｍ以内の領域（基材側領域）１５４において２以上の亀裂３１が交差する亀裂交差点３３の単位面積当たりの数は、１５，０００個／ｍｍ２以上３５，０００個／ｍｍ２以下である。
上記（９）の構成によれば、セラミックス層１５の強度低下を抑制しつつ、剥離亀裂３７の進展を抑制できる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、上記領域（基材側領域）１５４における気孔率は、３％以上４０％以下である。
上記（１０）の構成によれば、耐久性の高いセラミックスコーティング１０が比較的容易に得られる。
（１１）本開示の少なくとも一実施形態に係るタービン部材３は、上記（１）乃至（１０）の何れかの構成のセラミックスコーティング１０を有する。
上記（１１）の構成によれば、セラミックスコーティング１０における熱サイクル耐久性を向上でき、タービン部材３の耐久性を向上できる。
（１２）本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービン６は、上記（１１）の構成のタービン部材３を有する。
上記（１２）の構成によれば、ガスタービン６におけるタービン部材３の耐久性を向上できる。
３ タービン部材
６ ガスタービン
１０ セラミックスコーティング
１１ 耐熱基材（母材）
１２ 金属結合層（ボンドコート層）
１５ セラミックス層
１７ 界面
３１ 亀裂
３３ 亀裂交差点
３７ 横割れ（剥離亀裂）
１５１ 第１領域
１５２ 第２領域
１５３ 第３領域

Claims (10)

  1. 基材上に形成されるボンドコート層と、
    前記ボンドコート層上に形成されるセラミックス層と、
    を備え、
    前記セラミックス層は、前記ボンドコート層との界面と接する第１領域と、前記第１領域よりも前記界面から遠い第２領域とを有し、
    前記セラミックス層の厚さ方向に沿った断面において、前記セラミックス層内の２以上の亀裂が交差する亀裂交差点の単位面積当たりの数は、前記第２領域よりも前記第１領域の方が多い
    セラミックスコーティング。
  2. 前記第１領域における前記亀裂交差点の単位面積当たりの数は、１５，０００個／ｍｍ２以上３５，０００個／ｍｍ２以下である
    請求項１に記載のセラミックスコーティング。
  3. 前記第１領域の厚さは、２０μｍ以上である
    請求項２に記載のセラミックスコーティング。
  4. 前記第１領域における前記亀裂交差点の単位面積当たりの数は、前記第２領域における前記亀裂交差点の単位面積当たりの数の１．２倍以上３倍以下である
    請求項１乃至３の何れか一項に記載のセラミックスコーティング。
  5. 前記第１領域の気孔率は、前記第２領域の気孔率よりも小さい
    請求項１乃至４の何れか一項に記載のセラミックスコーティング。
  6. 前記第１領域の気孔率は、３％以上４０％以下である
    請求項５に記載のセラミックスコーティング。
  7. 前記第１領域の厚さは、前記第１領域と前記第２領域の厚さの和の３％以上である
    請求項５又は６に記載のセラミックスコーティング。
  8. 前記セラミックス層は、前記第２領域よりも前記界面から遠い第３領域を有し、
    前記第３領域の気孔率は、前記第２領域の気孔率よりも小さい
    請求項５乃至７の何れか一項に記載のセラミックスコーティング。
  9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載のセラミックスコーティングを有するタービン部材。
  10. 請求項９に記載のタービン部材を有するガスタービン。
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