JPH0436453A - 溶射被覆用材料及び溶射被覆耐熱部材 - Google Patents

溶射被覆用材料及び溶射被覆耐熱部材

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JPH0436453A
JPH0436453A JP2139604A JP13960490A JPH0436453A JP H0436453 A JPH0436453 A JP H0436453A JP 2139604 A JP2139604 A JP 2139604A JP 13960490 A JP13960490 A JP 13960490A JP H0436453 A JPH0436453 A JP H0436453A
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寛 今若
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三船 法行
Hiroshi Hagiwara
萩原 宏
Hiroshi Yamane
山根 洋
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ 本発明はセラミックスや金属等の表面改善のための溶射
被覆用として用いられる、耐熱性が付与された断熱性に
優れる溶射被覆用材料、および、耐熱性部品の高温耐久
性向上技術のうちで、特にカスタービン等の部品としで
、これらの溶射被覆用材料を最適なプラズマ溶射法によ
り被覆した耐熱部材に関する。
[従来の技術] 耐熱、耐熱衝撃部材に要求される高温特性は、年々苛酷
さを増している。なかでもガスタービンは、高温で稼動
されるほと高い効率を発揮するので、その稼動温度の上
昇を絶えず要求されている。そのため、それに対応でき
る耐熱性と耐熱衝撃性を兼ねている材料としてSiC、
Si、N4等のファインセラミックスが検討されている
が、現時点ては衝撃強度的に問題かあるためガスタービ
ン部品は金属材料を基本に製造されている。
しかし、Ni基、CO基なとの耐熱金属材料は、その使
用を1000℃以下に限定される。それ故それらがガス
タービン部品に適用されるにあたっては、冷却あるいは
熱遮蔽する方法が種々検討されてきた。熱遮蔽とはガス
タービン等の高温耐熱部品の金属(以下母材と称する)
の表面にセラミック層を形成し母材温度を下げることで
あり、以前から熱伝導率が低くかつ耐熱衝撃性および輻
射率か高いセラミック粉末か被覆用材料として用いられ
ている。
これまで上記用途に使用している材料として例えばY2
O3等の希土類酸化物を安定化剤として添加したZrO
□等があげられる。しかしながら、現在最良とされてい
るこの溶射材料を使用して得られる溶射被覆でも急冷、
急熱の激しい熱サイクルを加えられるガスタービンでは
被覆層は母材から剥離しその機能を失う。また、これら
の材料は高価な希土類酸化物を使用しているため、製造
された溶射材料も非常に高価なものとなり、工業用等の
構造材料部材に多量に使用することはコスト的にかなり
問題かある。
般に急熱、急冷の激しい熱サイクル下て溶射被覆部材を
使用すると母材と被膜との間に熱的歪か生じ、母材の熱
膨張に追随できず亀裂や剥離か生し、十分な耐用性を得
ることかできない。これ故に、単に熱伝導率か低いだけ
てなく、膨張係数も母材のそれに近い値を有する溶射材
料の開発か種々行わわている。また、剥離の主因である
金属とセラミック層との中間に両者を混合ないしは複合
してなる層を設け(例えば特開昭55−113880等
)だ部品、或いはセラミック層に、高温、長時間の熱処
理によって微細な割れを形成させ(例えば特開昭56−
54905等)だ部品や、セラミック層形成後急冷する
ことで層内に微細な割れを形成させ(例えば特開昭58
−87273等)だ部品等、種々の提案もなされている
[発明が解決しようとする課題] しかしなから、上記の従来の手段でそれぞれ改善はされ
てはいるものの、熱サイクル試験等の成績からその効果
は限定されていた。本発明は、こうした現況を考慮し、
ZrO□−Y2O3等に比べ非常に安価て製品収率がよ
く経済的で、かつ延長された寿命を有する耐熱、耐熱衝
撃を有する溶射被覆用材料、及びこれを施されたガスタ
ービン部品の如き溶射被覆耐熱部材を提供することを目
的としている。
[課題を解決するための手段] 発明者らは耐熱性および耐熱衝撃性を具備するような材
料を見出すべく、鋭意研究を重ねてきた。その結果、天
然資源としても存在する珪酸カルシウム系を出発原料と
することで希土類酸化物を使用しない安価な全く新しい
耐熱性、耐熱衝撃性を有する溶射材料となることを見出
した。
すなわち、本発明は、 1、2 Cab・5in2− CaO−4ZrO2系酸
化物で、組成は重量%表示で60≦2Ca(lsi02
≦95.5≦CaO−4zrO□≦40、かツ2CaO
・SiO□+CaO・4zr02=100から成ること
を特徴とする溶射被覆用材料。
2、耐熱金属材料で構成された部品においで、該部品は
その表面に設けられた前記耐熱金属材料と同等もしくは
より高温耐食性に富む金属被覆層を有し、更に該金属被
覆層上に上記第1項記載の溶射被覆用材料を溶射したこ
とを特徴とする溶射被覆耐熱部材。
3 上記第1項記載の各系酸化物材料か化合物、複合物
、または混合物の粒子であることを特徴とする溶射被覆
用材料。
4、上記第1項記載の酸化物材料の粒径か5〜500μ
mに調整され、特に平均粒子径か10〜1009mであ
ることを特徴とする溶射被覆用材料。
5、上記第2項記載の溶射被覆用材料が、上記第3項記
載の溶射被覆用材料であることを特徴とする溶射被覆耐
熱部材。
である。
以下に本発明について具体的に説明する。
高温安定性であり耐熱効果か高く比較的熱膨張率か大き
く、かつ安価で製造することができるセラミック材料、
即ち珪酸カルシウム系を出発原料とし溶射材料の開発を
試みた。珪酸カルシウムには、r CaO−5j02J
  r 2 CaO−5iO2」r 3 CaO−Si
O2」r 3 CaO・25iOzJ等が知られている
。これら珪酸カルシウム溶射材料について種々検討を行
った結果、2 CaO・SiO□が優れることを見出し
た。CaO・Sin。、3 CaO−25j02は含有
5in2量か高く溶射により被膜中にガラス相を生成し
、熱衝撃性が著しく低下する。3 C:aO・5j02
は溶射によりCaOか被膜中に生成し吸湿作用によりダ
スティング現象を引き起こす。また、被膜の断熱、断熱
衝撃性の相乗効果の向上をねらっで、CaO−Zr02
系の中での検討の結果、Ca0・4ZrLを選び出し、
本発明溶射被覆用材料はこれらを複数で用いた。これら
耐熱、断熱効果を有する材料を複数で用いることは従来
の断熱材料と比較してより優れた耐熱、断熱性を発現し
、信頼性の高い被覆層形成が期待できるからである。
2 Cab−5in2は種々の結晶形があり、いずれも
使用に差し支えないか特に耐スレ−キング性等を考慮し
てγ型2 Cab−5iftが好ましい。2 CaO・
5j02、CaO・42r02は化合物、複合物および
混合物を用いることかてきるか、化合物もしくはスプレ
ードライヤーで噴霧造粒した複合物が好ましい。本発明
材料は粒径5〜500μmに調整されたもの、特に平均
粒径が10〜100μmに調整されたものが好ましい。
また本発明溶射材料の組成範囲を上記のように限定した
ものは以下の理由による。2 CaO・SiO2が95
重量%より多い場合は高温安定作用の低下か起こり、好
ましくない。CaO・4ZrO□が40重量%より多い
場合は熱膨張率か小さく母材の熱膨張に追随できず亀裂
、剥離を生ずる。本発明材料の粒子径が5μmより小さ
い場合は溶射カンへ供給される粉の流れ性が悪く良好な
被膜にならないばかりでなく、溶射歩留りも低下する。
一方、500μmより大きい場合は未溶融粒子か被膜を
形成し溶射膜の付着力および機能の低下を招く。
本発明の溶射材料は2種類の材料を種々の割合で化合、
複合、もしくは混合することに特徴がある。こねにより
耐用性か図られる。即ちこれを溶射した被膜は優れた耐
熱性、断熱性を有するばかりでなく、母材と類似の熱間
膨張挙動を示すため、被膜の剥離損傷を大幅に抑制でき
る。これらの特徴を持つ本溶射材料及び溶射部材の工業
的意義は大きい。
以下に本発明の種々の実施例について説明する。
寿命低下の主因であるセラミック層の剥離は、金属とセ
ラミックの膨張係数の相違に基づく熱応力に起因するた
め、これを緩和するために比較的熱膨張係数の大きなセ
ラミックを種々選択して熱衝撃試験を実施した。基材は
50X 50X 5 mmのNi基合金(lN939:
N1−Co−Cr−W系合金)を用い、アルミナ粉末で
ブラスト処理した後、まず高温耐食性に富む金属として
NlCrAIY合金を100μff1g圧プラズマ溶射
し、更にその上に第1表に示す各種セラミックスをスプ
レードライヤーで噴霧造粒し、平均粒子径的30μmに
調整した溶射材料をプラズマ溶射した。得られた試験片
を1200℃で15分間加熱、室温で15分間冷却を1
サイクルとする熱衝撃試験に供し、亀裂発生まての熱サ
イクル回数を調査した。結果を第1表に示す。
本試験結果より、No、5の2 Cab・Sin□−5
wt亀CaO・4 ZrO2〜No、]0の2 CaO
・5iO2−40wt%i Ca0・4Z「02が耐熱
衝撃10回以上の耐用性を示し良好な耐熱衝撃性を有す
る事が判明した。
尚、2 Cab−5in2− CaO・4 ZrO2系
原料に関し、ては、複合物、混合物が最も良好で、次い
で、化合物の順て耐熱衝撃性に優れていることが本試験
で判明した。良好な耐熱衝撃性を示したNo、9の2C
aO−SiO2−25wt% Ca0・47.r02を
代表例として被膜の断面観察を行った。結果を第1図に
示す。被膜内に微細な垂直亀裂か多数存在しているのが
確認てきた。この垂直亀裂により耐熱衝撃性が向上した
ものと推定される。
[実施例] 実施例1 灯油を使用している発電用ガスタービン1段、2段静翼
にN1CrAIYを0.]mm減圧溶射し更に、その上
に平均粒径約30μ0に調整された本発明溶射被覆用材
料、2 CaO・5iOz −10wt!6(:aO−
42rO□(複合原料) 、  2 (:aO−SiO
2−25wt* CaO・4 Zr02(複合原料)を
それぞれ0.2mm溶射し、タービン入口ガス温度11
00℃で約1年間使用したが、本発明被覆の亀裂、剥離
などなく良好に推移している。
実施例2 実施例1の発電用ガスタービンの燃焼器内面に下盛層と
してN1CrAIYを0.15mm減圧溶射し、その上
に第1表で示す試験片N082、No、3及びNo、7
と同様の材料を大気中で各々0.3mmプラズマ溶射し
た燃焼器内筒を燃焼室温度1150〜1300℃で1年
間使用したが本発明のNo、7の被膜はいずれも健全で
あり良好に推移している。尚、本実施例で比較材料とし
たNO12、No、3の被膜はいずれも3〜6力月以内
で亀甲状亀裂や剥離をおこし耐用性は見られなかった。
[発明の効果] 上記の結果から明らかな如く、本発明溶射被覆用材料は
耐熱性、耐熱衝撃性に対する抵抗性が大きく機械的強度
にも優れている。本発明品の被覆溶射層を用いれば、優
れた熱遮蔽効果と耐熱性を有するとともに信頼性の高い
高効率なタービン翼を得ることかでき、かつ希土類酸化
物を全く使用しないことからコスト低減に大きく貢献出
来るなどの効果を奏Tる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、2 Cab−5in2−25wt!t Ca
O−42r02(複合原料)溶射被膜の結晶の構造を示
す断面写真である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.2CaO・SiO_2−CaO・4 ZrO_2系
    酸化物で、組成は重量%表示で60≦2CaO・SiO
    _2≦95、5≦CaO・4ZrO_2≦40、かつ2
    CaO・SiO_2+CaO・4 ZrO_2:100
    から成ることを特徴とする溶射被覆用材料。
  2. 2.耐熱金属材料で構成された部品において、該部品は
    その表面に設けられた前記耐熱金属材料と同等もしくは
    より高温耐食性に富む金属被覆層を有し、更に該金属被
    覆層上に請求項第1項記載の溶射被覆用材料を溶射した
    ことを特徴とする溶射被覆耐熱部材。
  3. 3.請求項第1項記載の各系酸化物材料が化合物、複合
    物、または混合物の粒子であることを特徴とする溶射被
    覆用材料。
  4. 4.請求項第1項記載の酸化物材料の粒径が5〜500
    μmに調整され、特に平均粒子径が10〜100μmで
    あることを特徴とする溶射被覆用材料。
  5. 5.請求項第2項記載の溶射被覆用材料が、請求項第3
    項記載の溶射被覆用材料であることを特徴とする溶射被
    覆耐熱部材。
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