JP7457633B2 - Thermal barrier coatings and heat-resistant components - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、遮熱コーティングおよびこの遮熱コーティングを有する耐熱性部材に関する。特に、ガスタービン等の高温部品に好適な遮熱コーティングおよびこの遮熱コーティングを有する耐熱性部材に関する。 Embodiments of the present invention relate to thermal barrier coatings and heat resistant components having the thermal barrier coatings. In particular, the present invention relates to a thermal barrier coating suitable for high-temperature parts such as gas turbines and a heat-resistant member having this thermal barrier coating.

ガスタービン部品のうち、特に燃焼ガスにより高温にさらされる燃焼器ライナやトランジションピース、またタービンを構成する動静翼などは、金属性の基材を強度的、化学的に保護するため、遮熱コーティング(Thermal Barrier Coating)が施されることがある。 Among gas turbine parts, the combustor liner and transition piece, which are exposed to high temperatures due to combustion gas, as well as the moving and stationary blades that make up the turbine, are coated with thermal barrier coatings to provide strength and chemical protection for the metal base materials. (Thermal Barrier Coating) may be applied.

遮熱コーティング(以下、TBCと記すことがある)は、一般的に、基材よりも耐酸化性が高い金属により形成される結合層と、熱伝導率が低いセラミックス材料による層とから構成されており、基材をシュとして高温ガスから保護する機能を有する。機械部品の多くは、基材が金属からなることから、遮熱コーティングには金属材料基材に対する接合強度や遮熱性能ならびに耐久性が要求されることになる。 A thermal barrier coating (hereinafter sometimes referred to as TBC) is generally composed of a bonding layer made of a metal with higher oxidation resistance than the base material, and a layer made of a ceramic material with low thermal conductivity. It has the function of protecting the base material from high-temperature gases. Since the base material of many mechanical parts is made of metal, thermal barrier coatings are required to have bonding strength, heat shielding performance, and durability to the metal material base material.

特開2012-172610号公報JP 2012-172610 A 特開2011-140693号公報JP 2011-140693 A

近年、燃焼器のライナやトランジションピース等に代表される高温度部品は、より長時間の運転寿命を求められるようになっているが、長期間運転した高温部品の外面には機械的な減耗だけではなく、高温酸化による化学的な要因による減肉が発生する事が明らかとなった。高温酸化による減肉は高温部品の最終的な寿命を決定する要因になるため、このような酸化による減肉を抑制することが望まれる。遮熱コーティングを構成するセラミックス層を厚くして、コーティングの熱抵抗を上昇させれば、基材温度を低減して高温酸化も抑制することが可能であり、ライナやトランジションピースにおいてはセラミックス層の厚さが1mmを超えるTBCが使用されることがある。 In recent years, high-temperature parts, such as combustor liners and transition pieces, are required to have a longer operating life, but the outer surfaces of high-temperature parts that have been operated for a long period of time show only mechanical wear and tear. Instead, it became clear that thinning occurs due to chemical factors caused by high-temperature oxidation. Since thinning due to high-temperature oxidation is a factor that determines the final lifespan of high-temperature parts, it is desirable to suppress thinning due to such oxidation. By increasing the thickness of the ceramic layer that makes up the thermal barrier coating and increasing the thermal resistance of the coating, it is possible to lower the base material temperature and suppress high-temperature oxidation. TBCs with a thickness greater than 1 mm may be used.

TBCは、主に溶融粒子を施工対象物に吹き付ける溶射法により形成されるが、一般的にセラミックス層が厚くなると、セラミックス層が結合層との界面周辺で剥離しやすくなる。特にセラミックス層の厚さが1mmを超える場合、広い面積でセラミックス層の剥離が発生してしまうことがある。そのため、セラミックス層の剥離部において高温度部品の金属部分が高温ガスに曝されることにより、高温度部品が機械的ないし化学的に劣化してしまうという課題があった。 TBC is mainly formed by a thermal spraying method in which molten particles are sprayed onto a construction target, and generally, as the ceramic layer becomes thicker, the ceramic layer tends to peel off around the interface with the bonding layer. Particularly when the thickness of the ceramic layer exceeds 1 mm, peeling of the ceramic layer may occur over a wide area. Therefore, there has been a problem in that the metal portion of the high-temperature component is exposed to high-temperature gas at the peeled portion of the ceramic layer, resulting in mechanical or chemical deterioration of the high-temperature component.

上記課題を解決するため、本発明の実施形態は、高温度部品の長期使用を考慮して、厚く施工したTBCの耐剥離性を向上させ、基材の保護性を長期間良好に維持できる遮熱コーティングを提供するものである。 In order to solve the above problems, embodiments of the present invention are designed to improve the peeling resistance of a thickly applied TBC and maintain good protection of the base material for a long period of time, taking into consideration the long-term use of high-temperature components. It provides a thermal coating.

本発明によれば、厚く施工したTBCの耐剥離性を向上させ、基材の保護性を維持することができ、燃焼器を初めとしたガスタービン等の高温部品の遮熱コーティングが提供されて、高温度部品がより長期間使用可能になる。 According to the present invention, it is possible to improve the peeling resistance of a thickly applied TBC, maintain the protection of the base material, and provide a thermal barrier coating for high-temperature parts such as combustors and gas turbines. , high temperature components can be used for longer periods of time.

本発明によれば、点検期間が長期化し、より長い運転寿命が求められる高温部品において、セラミックス層が厚区形成されたTBCの耐剥離性を向上させることができ、剥離が発生した場合でも、広範囲で金属部分を高温ガス中に露出させず、部品の劣化を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to improve the peeling resistance of a TBC in which a thick ceramic layer is formed in high-temperature parts where the inspection period is prolonged and a longer operating life is required, and even when peeling occurs, it is possible to improve the peeling resistance of the TBC. Deterioration of parts can be suppressed without exposing metal parts to high-temperature gas over a wide range.

本発明の第一の実施形態による遮熱コーティングの概要を示す断面図。1 is a cross-sectional view showing an outline of a thermal barrier coating according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第二の実施形態による遮熱コーティングの概要を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a thermal barrier coating according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第三の実施形態による遮熱コーティングの概要を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a thermal barrier coating according to a third embodiment of the present invention.

本発明の実施形態による遮熱コーティングは、基材の表面に、結合層、およびこの結合層を介して形成されたセラミックス層からなる遮熱コーティングであって、
前記セラミックス層は、その厚さが1mmを超え、かつ前記結合層側界面の近傍部の気孔率が前記結合層の反対側表面の近傍部の気孔率よりも低いこと、を特徴とするものである。
The thermal barrier coating according to the embodiment of the present invention is a thermal barrier coating consisting of a bonding layer and a ceramic layer formed on the surface of a base material via the bonding layer,
The ceramic layer has a thickness of more than 1 mm, and has a porosity in the vicinity of the interface on the bonding layer side that is lower than that in the vicinity of the surface on the opposite side of the bonding layer. be.

そして、本発明の実施形態による耐熱性部材は、前記の遮熱コーティングを有すること、を特徴とするものである。
ここで、遮熱コーティングとは、燃焼ガスによって高温部材を構成する基材の温度上昇を抑制するために施すコーティングであって、耐熱性部材の少なくとも一部分を構成する基材の表面に施された結合層と、この結合層を被覆したセラミックス層とを含むものを言う。
A heat-resistant member according to an embodiment of the present invention is characterized by having the above-mentioned thermal barrier coating.
Here, the thermal barrier coating is a coating applied to suppress the temperature rise of the base material constituting the high-temperature member due to combustion gas, and is a coating applied to the surface of the base material constituting at least a part of the heat-resistant member. It includes a bonding layer and a ceramic layer covering the bonding layer.

<実施形態>
以下、本発明の実施形態による遮熱コーティングおよび耐熱性部材について添付図面を参照して説明する。
図1~図3は、本発明の実施形態による遮熱コーティングを示すものである。
各図に示される遮熱コーティング1は、基材2の表面に結合層3を介して、厚さが1mmを超えるセラミックス層4を有するものである。基材2の典型例は、金属材料であって、耐熱性部材を形成している金属材料が相当する。例えば、高温度部材、例えば蒸気タービン部品を構成している金属材料、好ましくはタービン運転時の高温度条件に耐えうるNi基やCo基の超合金などを例示することができる。
<Embodiment>
Hereinafter, thermal barrier coatings and heat-resistant members according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
1-3 illustrate thermal barrier coatings according to embodiments of the invention.
The thermal barrier coating 1 shown in each figure has a ceramic layer 4 with a thickness of more than 1 mm on the surface of a base material 2 with a bonding layer 3 interposed therebetween. A typical example of the base material 2 is a metal material, which corresponds to a metal material forming a heat-resistant member. For example, metal materials constituting high-temperature members such as steam turbine components, preferably Ni-based or Co-based superalloys that can withstand high temperature conditions during turbine operation, can be used.

結合層3は、基材2とセラミックス層4との間に介在して、基材2とセラミックス層4と基材2との密着性向上や、基材2の表面に高温腐食性や酸化性を改善する機能を有する。結合層3は、クロムまたはアルミニウムの濃度の高い金属材料からなるものが好ましく、特に好ましくは高温での耐食性および耐酸化性に優れるMCrAlY合金(ここで、Mは、NiおよびCoから選ばれる少なくとも一方の元素を示す)からなるものを用いることができる。結合層3の厚みは、特に限定されないが、基材2の温度や運転時に想定される基材温度やセラミックス層4の厚さによって適宜最適範囲を定めることができるが、好ましくは0.1~0.3mm程度の厚さであり、厚い場合でも0.5mm程度である。 The bonding layer 3 is interposed between the base material 2 and the ceramic layer 4 to improve the adhesion between the base material 2, the ceramic layer 4, and the base material 2, and to protect the surface of the base material 2 from high-temperature corrosion and oxidation. It has the ability to improve The bonding layer 3 is preferably made of a metal material with a high concentration of chromium or aluminum, particularly preferably an MCrAlY alloy having excellent corrosion resistance and oxidation resistance at high temperatures (here, M is at least one selected from Ni and Co). can be used. The thickness of the bonding layer 3 is not particularly limited, but can be appropriately determined in an optimal range depending on the temperature of the base material 2, the base material temperature expected during operation, and the thickness of the ceramic layer 4, but is preferably 0.1 to 1. The thickness is about 0.3 mm, and even if it is thick, it is about 0.5 mm.

結合層3は、溶射法、電子ビーム蒸着法等によって、例えば、上記のMCrAlY合金等の粒子、クラスター、または分子を一様な被膜状に被着させて形成することができる。 The bonding layer 3 can be formed by, for example, depositing particles, clusters, or molecules of the above-mentioned MCrAlY alloy into a uniform film by a thermal spraying method, an electron beam evaporation method, or the like.

この結合層3には、厚さ1mm以上のセラミックス層4が形成されている。従来のTBCでは、セラミックス層4の厚さは0.5~0.6mm程度であるのが普通であったが、本発明の実施形態におけるセラミック層4は、1.0mm以上、好ましくは1.1mm~1.5mmの膜厚のセラミックス層4である。セラミックス層の厚さが厚いことによって、本発明の実施形態ではセラミック層による遮熱特性が向上している。 A ceramic layer 4 having a thickness of 1 mm or more is formed on this bonding layer 3. In conventional TBCs, the thickness of the ceramic layer 4 is usually about 0.5 to 0.6 mm, but the thickness of the ceramic layer 4 in the embodiment of the present invention is 1.0 mm or more, preferably 1.0 mm or more. The ceramic layer 4 has a thickness of 1 mm to 1.5 mm. The thicker ceramic layer improves the heat shielding properties of the ceramic layer in embodiments of the present invention.

そして、セラミックス層4は、結合層側界面の近傍部4aの気孔率が、結合層の反対側表面の近傍部4bの気孔率よりも低くなっている。ここで、「結合層側界面の近傍部部4a」とは、結合層3側界面(即ち、結合層3とセラミックス層4との間の界面)から、セラミックス層4の厚さ方向へ0.3mmまでのセラミックス層4内部の領域を言う。また、「結合層の反対側表面の近傍部4b」とは、反対側表面(即ち、セラミックス層4の、結合層3とは反対側の表面)から、セラミックス層4の厚さ方向へ0.3mmまでのセラミックス層4内部の領域を言う。「結合層側界面の近傍部4a」の気孔率とは、この近傍部4a中に存在する気孔についての気孔率であり、「結合層の反対側表面の近傍部4b」の気孔率とは、この近傍部4b中に存在する気孔についての気孔率である。 The ceramic layer 4 has a lower porosity in the vicinity 4a of the bonding layer side interface than in the vicinity 4b of the opposite surface of the bonding layer. Here, the "vicinity 4a of the bonding layer side interface" refers to the region inside the ceramic layer 4 from the bonding layer 3 side interface (i.e., the interface between the bonding layer 3 and the ceramic layer 4) to 0.3 mm in the thickness direction of the ceramic layer 4. The "vicinity 4b of the opposite surface of the bonding layer" refers to the region inside the ceramic layer 4 from the opposite surface (i.e., the surface of the ceramic layer 4 opposite to the bonding layer 3) to 0.3 mm in the thickness direction of the ceramic layer 4. The porosity of the "vicinity 4a of the bonding layer side interface" refers to the porosity of the pores present in this vicinity 4a, and the porosity of the "vicinity 4b of the opposite surface of the bonding layer" refers to the porosity of the pores present in this vicinity 4b.

本発明の実施形態におけるセラミック層4において、「結合層側界面の近傍部4a」の気孔率は、好ましくは12~20%である。気孔率が高くなりすぎると、結合層との密着力が低下して剥離しやすくなる。一方、気孔率が低くて緻密になりすぎると、靭性が低下して、熱応力が強く働く「結合層側界面の近傍部」で亀裂が進展しやすく、セラミック層が剥離しやすくなり、剥離が広範囲におよびがちになる。 In the ceramic layer 4 according to the embodiment of the present invention, the porosity of the "portion 4a near the interface on the bonding layer side" is preferably 12 to 20%. If the porosity becomes too high, the adhesion to the bonding layer will decrease and peeling will occur easily. On the other hand, if the porosity is too low and the porosity becomes too dense, the toughness decreases and cracks tend to propagate near the interface on the bonding layer side, where thermal stress is strong, making it easier for the ceramic layer to peel off. tends to be widespread.

また、セラミック層4において、「反対側表面の近傍部4b」の気孔率は、好ましくは13~30%である。気孔率が低すぎると、セラミック層4全体の弾性率を低減させることができず、一方、気孔率が高すぎるとセラミック層表面の強度が低下する場合があって、運転時に働く機械的な振動や高温ガス流に対する信頼性が不足することがある。なお、同一のセラミック層4においては、結合層側界面の近傍部4aの気孔率は、結合層の反対側表面の近傍部4bの気孔率よりも低くなっている。 Further, in the ceramic layer 4, the porosity of the "near part 4b of the opposite surface" is preferably 13 to 30%. If the porosity is too low, the elastic modulus of the entire ceramic layer 4 cannot be reduced. On the other hand, if the porosity is too high, the strength of the ceramic layer surface may decrease, and the mechanical vibrations that occur during operation may decrease. may be unreliable for high-temperature gas flows. In addition, in the same ceramic layer 4, the porosity of the vicinity part 4a of the bonding layer side interface is lower than the porosity of the vicinity part 4b of the surface on the opposite side of the bonding layer.

一般的に、TBCを有する耐熱性部品は、運転時に、基材およびセラミックス層が高温に曝されるため、高温での機械的物性が大きく異なるセラミックス層と結合層との界面に大きな熱応力が発生する。特に、長期間の運転では、熱物性の差に起因する熱応力によって、亀裂がセラミックス層の結合層の近傍部を進展することが剥離の要因のひとつとなっていた。 Generally, in heat-resistant parts with TBC, the base material and ceramic layer are exposed to high temperatures during operation, so large thermal stress is generated at the interface between the ceramic layer and the bonding layer, which have significantly different mechanical properties at high temperatures. Occur. In particular, during long-term operation, one of the causes of delamination is the propagation of cracks in the vicinity of the bonding layer of the ceramic layer due to thermal stress caused by differences in thermophysical properties.

しかしながら、本発明の実施形態による遮熱コーティング1は、上記の通り、その厚さが1mmを超えるセラミックス層4を有していて、このセラミックス層4が、結合層側界面の近傍部4aの気孔率が結合層の反対側表面の近傍部4bの気孔率よりも低いことによって、結合層2との密着力が高いことで、耐剥離性を向上させることが出来る。 However, as described above, the thermal barrier coating 1 according to the embodiment of the present invention has the ceramic layer 4 with a thickness exceeding 1 mm, and this ceramic layer 4 has pores in the vicinity portion 4a of the bonding layer side interface. Since the porosity is lower than the porosity of the adjacent portion 4b on the opposite surface of the bonding layer, the adhesive strength with the bonding layer 2 is high, and peeling resistance can be improved.

セラミックス層4の気孔率は、高温ガスと接する表面側(近傍部4b側)の気孔率が大きくなる様に形成されている。気孔率の高いセラミックス層は密着力の点で劣るが、比較的疎な組織形態を有するため、緻密な層よりも弾性率が低くなる。そのため、結合層2の近傍部以外の気孔率を下げることで、セラミックス層4の全体に働く熱応力を低減させることができ、皮膜の耐剥離性を向上させることが出来る。 The ceramic layer 4 is formed such that the porosity of the ceramic layer 4 is greater on the surface side (nearby portion 4b side) in contact with the high-temperature gas. A ceramic layer with high porosity is inferior in terms of adhesion, but since it has a relatively sparse structure, its elastic modulus is lower than that of a dense layer. Therefore, by lowering the porosity in areas other than the vicinity of the bonding layer 2, the thermal stress acting on the entire ceramic layer 4 can be reduced, and the peeling resistance of the film can be improved.

セラミックス層4の形成材料としては、好ましくはアルミナ、マグネシア、ジルコニアなどを選択できる。一般的なNi基超合金の室温での熱伝導率が10W/(m/K)以下であることから、室温での熱伝導率が5W/(m/K)以下であることが好ましく、ジルコニアのセラミックス層であれば、通常0.5~1.2W/(m/K)程度の熱伝導率の低いセラミックス層が形成できるため、より好適である。 As the material for forming the ceramic layer 4, alumina, magnesia, zirconia, etc. can be preferably selected. Since the thermal conductivity of general Ni-based superalloys at room temperature is 10 W/(m/K) or less, it is preferable that the thermal conductivity at room temperature is 5 W/(m/K) or less, and zirconia A ceramic layer having a low thermal conductivity of usually about 0.5 to 1.2 W/(m/K) can be formed, so it is more suitable.

例えば、蒸気タービンのような高温下で運転する機器では、ジルコニアにマグネシア、カルシア、イットリアなどの安定化材を含有させることで、純粋なジルコニウムが有する、高温での結晶相変態に伴う膨張を抑制して皮膜の信頼性を向上させる事ができる。セラミックス層4を形成するジルコニアは、ハフニア、セリア、ジスプロシア、ガドリニアなどの希土類元素から成る酸化物を含有していてもよく、これらの酸化物を含有したジルコニアは、より熱伝導率が低下するため、望ましい特性を発揮する。 For example, in equipment that operates at high temperatures, such as steam turbines, zirconia contains stabilizing materials such as magnesia, calcia, and yttria to suppress the expansion associated with crystal phase transformation at high temperatures, which pure zirconium has. The reliability of the film can be improved. Zirconia forming the ceramic layer 4 may contain oxides made of rare earth elements such as hafnia, ceria, dysprosia, and gadolinia, and zirconia containing these oxides has lower thermal conductivity. , exhibiting desirable properties.

上記のセラミックス層の形成材料から、上記の所定の厚さおよび所定の気孔率を有するセラミックス層4を形成する方法としては、例えば、溶射法、電子ビーム蒸着法等によって、セラミックス材料の粒子、クラスター、または分子等を投入して一様な被膜状に被着させることで形成することができる。セラミックス層4の気孔率は、溶射法、電子ビーム蒸着法等の形成方法の種類を適宜選択することで調整することができる。例えば溶射法では、溶射温度、溶射速度、溶射に使用する粉末の粒径等を適宜選択することにより調整できる。また、厚さは、溶射法、電子ビーム蒸着法等による形成時間によって適宜調整することができる。 As a method for forming the ceramic layer 4 having the predetermined thickness and the predetermined porosity from the above-mentioned ceramic layer forming material, for example, a thermal spraying method, an electron beam evaporation method, etc. may be used to form ceramic material particles, clusters, etc. Alternatively, it can be formed by introducing molecules or the like and depositing them in a uniform film form. The porosity of the ceramic layer 4 can be adjusted by appropriately selecting the type of formation method such as thermal spraying or electron beam evaporation. For example, in the thermal spraying method, the temperature can be adjusted by appropriately selecting the thermal spraying temperature, the thermal spraying speed, the particle size of the powder used for thermal spraying, and the like. Further, the thickness can be adjusted as appropriate by changing the formation time by thermal spraying, electron beam evaporation, or the like.

セラミックス層4の表面側(近傍部4b側)の材料は、高温ガスにさらされるため、燃焼ガスが高温化する近年、多孔質組織の焼結による熱伝導率の低下や剥離の影響が大きくなる。そのため、セラミックス層4の主要な成分に対して低融点のシリカやアルミナなどの不純物を低減した高純度な材料を用いことで、信頼性を向上させることができる。このような材料は、高温加熱下の焼結による皮膜組織の劣化を抑制することができる。 The material on the surface side (nearby portion 4b side) of the ceramic layer 4 is exposed to high-temperature gas, and as combustion gas temperatures have risen in recent years, the effects of reduced thermal conductivity and peeling due to sintering of the porous structure have become more pronounced. For this reason, reliability can be improved by using high-purity materials with reduced impurities such as low-melting-point silica and alumina as the main components of the ceramic layer 4. Such materials can suppress deterioration of the coating structure due to sintering under high-temperature heating.

上述した本発明の遮熱コーティングは、下記の<<第一の実施形態>>~<<第三の実施形態>>を、好ましい実施形態として包含する。 The thermal barrier coating of the present invention described above includes the following <<first embodiment>> to <<third embodiment>> as preferred embodiments.

<<第一の実施形態>>
図1は、本発明の第一の実施形態を示している。
図1に示される本発明の第一の実施形態による遮熱コーティングは、
基材2の表面に、結合層3、およびこの結合層3を介して形成されたセラミックス層4からなる遮熱コーティングであって、
前記セラミックス層4は、その厚さが1mmを超え、かつ前記結合層3側界面の近傍部4aの気孔率が前記結合層の反対側表面の近傍部4bの気孔率よりも低いものであって、前記セラミックス層4は、厚さ方向に向けて、気孔率が順次連続的に変化するセラミックス層4からなるものである。
<<First embodiment>>
FIG. 1 shows a first embodiment of the invention.
The thermal barrier coating according to the first embodiment of the invention shown in FIG.
A thermal barrier coating consisting of a bonding layer 3 and a ceramic layer 4 formed on the surface of a base material 2 via the bonding layer 3,
The ceramic layer 4 has a thickness of more than 1 mm, and a porosity of a portion 4a near the interface on the side of the bonding layer 3 is lower than a porosity of a portion 4b near the surface opposite to the bonding layer. , the ceramic layer 4 is composed of a ceramic layer 4 whose porosity sequentially and continuously changes in the thickness direction.

結合層3にセラミックス層4を溶射法によって形成する場合、結合層3にセラミックス層の形成材料を溶射によって付着させ累積させる際に、例えば溶射温度、溶射速度、溶射に使用する粉末の粒径等の条件の一つあるいは二以上を連続的に変化させることによって、上記の気孔率が順次連続的に変化する所定のセラミックス層を形成することができる。 When forming the ceramic layer 4 on the bonding layer 3 by thermal spraying, when depositing and accumulating the material for forming the ceramic layer on the bonding layer 3 by thermal spraying, for example, the thermal spraying temperature, thermal spraying speed, particle size of the powder used for thermal spraying, etc. By continuously changing one or more of these conditions, it is possible to form a predetermined ceramic layer whose porosity changes sequentially and continuously.

<<第二の実施形態>>
図2は、本発明の第二の実施形態を示している。
図2に示される本発明の第二の実施形態による遮熱コーティングは、
基材2の表面に、結合層3、およびこの結合層3を介して形成されたセラミックス層4からなる遮熱コーティングであって、
前記セラミックス層4は、その厚さが1mmを超え、かつ前記結合層3側界面の近傍部4aの気孔率が前記結合層の反対側表面の近傍部4bの気孔率よりも低いものであって、前記セラミックス層4が、厚さ方向に向けて、気孔率が段階的に異なる複数のセラミックス層からなるものである。
<<Second embodiment>>
FIG. 2 shows a second embodiment of the invention.
The thermal barrier coating according to the second embodiment of the invention shown in FIG.
A thermal barrier coating consisting of a bonding layer 3 and a ceramic layer 4 formed on the surface of a base material 2 via the bonding layer 3,
The ceramic layer 4 has a thickness of more than 1 mm, and a porosity of a portion 4a near the interface on the side of the bonding layer 3 is lower than a porosity of a portion 4b near the surface opposite to the bonding layer. , the ceramic layer 4 is composed of a plurality of ceramic layers whose porosity differs stepwise in the thickness direction.

図2に示される遮熱コーティングのセラミックス層4は、結合層側が気孔率12~20%のセラミックス層41からなり、反対側が気孔率13~30%のセラミックス層42からなるものである。 The ceramic layer 4 of the thermal barrier coating shown in FIG. 2 consists of a ceramic layer 41 with a porosity of 12 to 20% on the bonding layer side, and a ceramic layer 42 with a porosity of 13 to 30% on the opposite side.

なお、図2に具体的に記載されたセラミックス層4は、セラミックス層41およびセラミックス層42の二層のセラミックス層からなるものであるが、これらのセラミックス層41とセラミックス層42と間には、気孔率がセラミックス層41よりも高くかつセラミックス層42よりも低い他のセラミックス層(図示せず)を設けることができる。 Note that the ceramic layer 4 specifically shown in FIG. 2 is composed of two ceramic layers, a ceramic layer 41 and a ceramic layer 42, but between these ceramic layers 41 and 42, there are Another ceramic layer (not shown) having a porosity higher than ceramic layer 41 and lower than ceramic layer 42 may be provided.

結合層3にセラミックス層4を溶射法によって形成する場合、結合層3にセラミックス層の形成材料を溶射によって付着させ累積させる際に、所定の溶射条件を維持しながらセラミックス層41を先ず形成し、その後、溶射温度、溶射速度、溶射に使用する粉末の粒径等の条件の一つあるいは二以上を段階的に変化させることによって、上記の気孔率が段階的に異なる複数のセラミックス層を形成することができる。 When forming the ceramic layer 4 on the bonding layer 3 by thermal spraying, the ceramic layer 41 is first formed while maintaining predetermined thermal spraying conditions when depositing and accumulating the material for forming the ceramic layer on the bonding layer 3 by thermal spraying, Thereafter, by stepwise changing one or more of the conditions such as thermal spraying temperature, thermal spraying speed, and particle size of the powder used for thermal spraying, a plurality of ceramic layers having the above-mentioned porosity different in a stepwise manner are formed. be able to.

<<第三の実施形態>>
図3は、本発明の第三の実施形態を示している。
図3に示される本発明の第三の実施形態による遮熱コーティングは、
基材2の表面に、結合層3、およびこの結合層3を介して形成されたセラミックス層4からなる遮熱コーティングであって、
前記セラミックス層4は、その厚さが1mmを超え、かつ前記結合層3側界面の近傍部4aの気孔率が前記結合層の反対側表面の近傍部4bの気孔率よりも低いものであって、前記セラミックス層4が、厚さ方向の中間部に、厚さ方向に隣接するセラミックス材料43、45よりも気孔率がより高い中間セラミックス層44を有するものである。
<<Third embodiment>>
FIG. 3 shows a third embodiment of the invention.
The thermal barrier coating according to the third embodiment of the invention shown in FIG.
A thermal barrier coating consisting of a bonding layer 3 and a ceramic layer 4 formed on the surface of a base material 2 via the bonding layer 3,
The ceramic layer 4 has a thickness of more than 1 mm, and a porosity of a portion 4a near the interface on the side of the bonding layer 3 is lower than a porosity of a portion 4b near the surface opposite to the bonding layer. , the ceramic layer 4 has an intermediate ceramic layer 44 having a higher porosity than the ceramic materials 43 and 45 adjacent in the thickness direction in the intermediate portion in the thickness direction.

従来のTBCでは、運転時に基材とセラミックス層との間に働く熱応力によって、セラミックス層の結合層近傍部で生じた亀裂がセラミック層の表面まで進展し、その結果、セラミック層が剥落して基材が露出する場合があった。しかし、本発明の第三の実施形態による遮熱コーティングは、セラミックス層4の厚さ方向の中間部に、厚さ方向に隣接するセラミックス材料43、45よりも気孔率がより高い中間セラミックス層44を有するものであって、この中間セラミックス層44が亀裂の進展抑止層として機能する。したがって、本発明の第三の実施形態による遮熱コーティングでは、セラミックス材料43の結合層3近傍部で亀裂が生じて、その亀裂が進展したとしても、その亀裂は中間セラミック層44中に進展することがあったとしても、セラミックス材料45の内部やその表面まで進展することが遮断ないし抑止されている。 In conventional TBCs, cracks that occur near the bonding layer of the ceramic layer due to thermal stress acting between the substrate and the ceramic layer during operation may progress to the surface of the ceramic layer, resulting in the ceramic layer peeling off and exposing the substrate. However, the thermal barrier coating according to the third embodiment of the present invention has an intermediate ceramic layer 44 in the middle of the ceramic layer 4 in the thickness direction, which has a higher porosity than the ceramic materials 43 and 45 adjacent in the thickness direction, and this intermediate ceramic layer 44 functions as a crack propagation suppression layer. Therefore, in the thermal barrier coating according to the third embodiment of the present invention, even if a crack occurs near the bonding layer 3 of the ceramic material 43 and the crack propagates, the crack is prevented or suppressed from propagating into the interior or surface of the ceramic material 45, even if it propagates into the intermediate ceramic layer 44.

中間セラミックス層44は、第一の実施例におけるセラミックス層4を構成する皮膜と同様の材料を使用可能であるが、セラミックス層43と同様の材料を用いることが望ましい。中間セラミックス層44の気孔率は、15~30%程度が好ましい。低すぎる場合、亀裂が中間セラミックス層44中を進展し難くなり、亀裂がセラミック材料45側にも亀裂が進展が進展し、セラミックス層4全体が剥離するような損傷形態となることがある。中間セラミックス層44の気孔率が高すぎる場合、機械的強度が低くなりすぎるため、剥離が発生しやすくなる。 For the intermediate ceramic layer 44, the same material as the film forming the ceramic layer 4 in the first embodiment can be used, but it is preferable to use the same material as the ceramic layer 43. The porosity of the intermediate ceramic layer 44 is preferably about 15 to 30%. If it is too low, it becomes difficult for cracks to propagate in the intermediate ceramic layer 44, and the cracks also propagate to the ceramic material 45 side, resulting in a damage form in which the entire ceramic layer 4 peels off. If the porosity of the intermediate ceramic layer 44 is too high, the mechanical strength will be too low and peeling will easily occur.

中間セラミックス層44を形成する位置は、運転時にTBCに働く熱応力により適宜調整可能であるが、結合層3から0.05~0.5mm程度、より好ましくは、0.1から0.4mm程度である。中間セラミックス層44が結合層3に近すぎると、セラミックス層4全体が剥離しやすくなり、結合層3から遠すぎると、亀裂が中間セラミックス層44中を進展しなくなり、所望の効果が得られなくなる。 The position at which the intermediate ceramic layer 44 is formed can be adjusted as appropriate depending on the thermal stress acting on the TBC during operation, but is approximately 0.05 to 0.5 mm from the bonding layer 3, more preferably approximately 0.1 to 0.4 mm. It is. If the intermediate ceramic layer 44 is too close to the bonding layer 3, the entire ceramic layer 4 is likely to peel off, and if it is too far from the bonding layer 3, cracks will not propagate through the intermediate ceramic layer 44, making it impossible to obtain the desired effect. .

中間セラミックス層44の気孔率は、形成時の条件により調整することができ、溶射法であれば、当該層の部分で、溶射温度、溶射速度、溶射に使用する粉末の粒径等を適宜選択することで調整できる。 The porosity of the intermediate ceramic layer 44 can be adjusted by the conditions at the time of formation, and in the case of thermal spraying, the thermal spraying temperature, thermal spraying speed, particle size of the powder used for thermal spraying, etc. can be selected appropriately for the layer concerned. You can adjust it by doing this.

中間セラミックス層44の気孔率は、図3のように、膜厚方向に連続的に変化してもよく、図2のように気孔率がそれぞれ異なる3層のセラミックス層で形成するように、段階的に変化させることができる。 The porosity of the intermediate ceramic layer 44 may change continuously in the film thickness direction as shown in FIG. 3, or it may change in stages so that it is formed of three ceramic layers each with a different porosity as shown in FIG. 2.

<<耐熱性部材>>
本発明の実施形態による耐熱性部材は、前述した遮熱コーティングを有すること、を特徴とする。
本発明の実施形態による耐熱性部材は、例えば、ガスタービンなどの高温部品、具体的には、好ましくは、燃焼器ライナやトランジションピース、動静翼やシュラウドセグメントなど、運転中高温ガスに曝される部品の表面に施工される。
<<Heat-resistant member>>
A heat-resistant member according to an embodiment of the present invention is characterized by having the above-described thermal barrier coating.
Heat-resistant members according to embodiments of the present invention are suitable for use in high-temperature components such as, for example, gas turbines, and in particular, preferably, those exposed to high-temperature gases during operation, such as combustor liners and transition pieces, moving and stationary blades, and shroud segments. Applied to the surface of the part.

これらの部品は、運転寿命を延伸させる目的でより、近年より長期間使用される傾向にあり、基材温度をより低減可能な、熱抵抗の高い遮熱コーティングが求められている。本発明における1mmを超えるセラミックス層を有する遮熱コーティングは、従来よりも熱抵抗が高く信頼性が高いため、より部品寿命を延伸することが可能となる。また、万一剥離が発生した場合でも、セラミックス層全体を剥離させず、一定の熱抵抗を維持した遮熱コーティングにより、部品の劣化を抑制することができる。 In recent years, these parts have tended to be used for longer periods of time in order to extend their operational life, and there is a need for thermal barrier coatings with high thermal resistance that can further reduce the substrate temperature. The thermal barrier coating according to the present invention having a ceramic layer exceeding 1 mm has higher thermal resistance and reliability than conventional coatings, and therefore can further extend the life of the component. Moreover, even if peeling occurs, the deterioration of the component can be suppressed by the thermal barrier coating that maintains a constant thermal resistance without causing the entire ceramic layer to peel off.

1:遮熱コーティング、2:基材、3:結合層、4:セラミックス層、41、43:セラミックス層(気孔率小)、42、45:セラミックス層(気孔率大)、44:中間セラミックス層、4a:結合層側近傍部(気孔率小)、4b:表面側近傍部(気孔率大) 1: Thermal barrier coating, 2: Base material, 3: Bonding layer, 4: Ceramic layer, 41, 43: Ceramic layer (low porosity), 42, 45: Ceramic layer (high porosity), 44: Intermediate ceramic layer , 4a: Near the bonding layer side (low porosity), 4b: Near the surface side (high porosity)

Claims (3)

基材の表面に、結合層、およびこの結合層を介して形成されたセラミックス層からなる遮熱コーティングであって、
前記セラミックス層は、その厚さが1mmを超え、かつ前記結合層側界面の近傍部の気孔率が前記結合層の反対側表面の近傍部の気孔率よりも低く、
前記セラミックス層は、厚さ方向の中間部に、厚さ方向に隣接するセラミックス材料よりも気孔率がより高い中間セラミックス層を有し、
前記セラミックス層は、前記結合層側界面の近傍部の気孔率が12~20%であり、前記結合層の反対側表面の近傍部の気孔率が13~30%であり、
前記中間セラミックス層は、気孔率が15~30%であることを特徴とする、遮熱コーティング。
A thermal barrier coating consisting of a bonding layer and a ceramic layer formed on the surface of a base material via the bonding layer,
The ceramic layer has a thickness of more than 1 mm, and has a porosity in the vicinity of the interface on the bonding layer side that is lower than that in the vicinity of the opposite surface of the bonding layer,
The ceramic layer has an intermediate ceramic layer having a higher porosity than the ceramic material adjacent in the thickness direction at an intermediate portion in the thickness direction,
The ceramic layer has a porosity of 12 to 20% in the vicinity of the interface on the bonding layer side, and a porosity of 13 to 30% in the vicinity of the surface on the opposite side of the bonding layer,
A thermal barrier coating , wherein the intermediate ceramic layer has a porosity of 15 to 30% .
前記セラミックス層は、安定化材を含有する二酸化ジルコニウムから構成される、請求項に記載の遮熱コーティング。 The thermal barrier coating of claim 1 , wherein the ceramic layer is comprised of zirconium dioxide containing a stabilizing material. 請求項1または2に記載の遮熱コーティングを有することを特徴とする、耐熱性部材。 A heat-resistant member comprising the thermal barrier coating according to claim 1 or 2 .
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002538302A (en) 1999-03-03 2002-11-12 シーメンス ウエスチングハウス パワー コーポレイション High temperature erosion resistant and wear resistant composite thermal barrier coating
JP2010229026A (en) 2009-03-27 2010-10-14 Alstom Technology Ltd Multilayer thermal protection system and method for forming the same
JP2011140693A (en) 2010-01-07 2011-07-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Heat shielding coating, and turbine member and gas turbine equipped with the same
JP2012172610A (en) 2011-02-22 2012-09-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Method for manufacturing thermal shield coating, turbine member provided with the thermal shield coating, and gas turbine
JP2016108582A (en) 2014-12-03 2016-06-20 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Method for forming thermal spray coating, turbine hot component, turbine, masking pin for forming thermal spray coating, and masking member
WO2016147282A1 (en) 2015-03-16 2016-09-22 株式会社 東芝 Thermal barrier coating and power generation system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002538302A (en) 1999-03-03 2002-11-12 シーメンス ウエスチングハウス パワー コーポレイション High temperature erosion resistant and wear resistant composite thermal barrier coating
JP2010229026A (en) 2009-03-27 2010-10-14 Alstom Technology Ltd Multilayer thermal protection system and method for forming the same
JP2011140693A (en) 2010-01-07 2011-07-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Heat shielding coating, and turbine member and gas turbine equipped with the same
JP2012172610A (en) 2011-02-22 2012-09-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Method for manufacturing thermal shield coating, turbine member provided with the thermal shield coating, and gas turbine
JP2016108582A (en) 2014-12-03 2016-06-20 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Method for forming thermal spray coating, turbine hot component, turbine, masking pin for forming thermal spray coating, and masking member
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