JPH07305162A - Production of ceramic coating - Google Patents

Production of ceramic coating

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JPH07305162A
JPH07305162A JP7051407A JP5140795A JPH07305162A JP H07305162 A JPH07305162 A JP H07305162A JP 7051407 A JP7051407 A JP 7051407A JP 5140795 A JP5140795 A JP 5140795A JP H07305162 A JPH07305162 A JP H07305162A
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JP
Japan
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ceramic
coating
ceramic coating
electron beam
bonding layer
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Application number
JP7051407A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuhide Matsumoto
本 一 秀 松
Kazuhiro Yasuda
田 一 浩 安
Takanari Okamura
村 隆 成 岡
Michio Watanabe
辺 道 男 渡
Beniko Yoshikura
倉 紅 子 吉
Keizo Honda
多 啓 三 本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PURPOSE:To prepare a ceramic coating free from corrosion by steam and having stable adhesive strength by forming a bonding layer of an alloy of specified metals on the surface of a heat resistant alloy substrate and coating the bonding layer with an evaporated and ionized ceramic material. CONSTITUTION:A bonding layer of an alloy based on Ni or Co excellent in high temp. oxidation and corrosion resistances and contg. Cr, Al and one or more among Hf, Ta, Y, Si and Zr is formed by plasma spraying or other method on the surface of a substrate based on at least one among Ni, Co and Fe. Ceramics based on ZrO2 and contg. one or more among CaO, MgO and Y2O3 is evaporated and ionized and a ceramic coating is formed on the bonding layer. Film forming energy is synergistically increased and the objective ceramic coating excellent in adhesive strength is obtd.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、高温或は高温腐食環境
下で用いられる耐熱部材を製造するためのセラミック被
覆の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a ceramic coating for producing a heat resistant member used in a high temperature or high temperature corrosive environment.

【0002】[0002]

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】一般
に、発電用ガスタービンプラント等においては、発電効
率を向上せさるためにガスタービンの高温化が指向され
ている。したがって、この高温化に伴なってガスタービ
ン部材の耐熱温度や高温耐酸化性の向上が望まれ、Ni
基或はCo基高温用耐熱合金が開発され、耐熱温度も向
上してきているが、その温度は850℃程度が限界であ
る。
2. Description of the Related Art Generally, in a gas turbine plant for power generation and the like, there is a tendency to increase the temperature of a gas turbine in order to improve power generation efficiency. Therefore, along with this increase in temperature, it is desired to improve the heat resistant temperature and high temperature oxidation resistance of the gas turbine member.
Heat resistant alloys for base or Co base high temperature have been developed and the heat resistant temperature has been improved, but the temperature is limited to about 850 ° C.

【0003】そこで、さらに高温耐久性を高める目的か
らセラミック材料が検討されているが、構造材として用
いるには金属材料に比べ靭性等に問題があり、本格的に
適用するまでには至っていない。したがって、このよう
な部材の高温化に対処するために、部材が高温にならな
いような方法の検討も盛んに行なわれている。
Therefore, ceramic materials have been studied for the purpose of further improving high temperature durability, but they have not been applied in earnest since they have a problem in toughness and the like when used as a structural material as compared with metal materials. Therefore, in order to cope with such a high temperature of the member, a method of preventing the member from becoming a high temperature has been actively studied.

【0004】すなわち、このような方法の一つは部材を
冷却する方法であり、他の方法は部材の表面に熱伝導率
の小さいセラミックをコーティングする方法である。こ
のようなコーティングは熱遮蔽コーティング(Thermal
Barrier Coating )と呼ばれ、熱遮蔽コーティングを施
さないものに比べ基材の実質温度を50℃〜100℃抑
制できるとも報告されている。そして、この熱遮蔽コー
ティングを構成するセラミックとしては従来から用いら
れているジルコニア(ZrO)系材料がある。このジ
ルコニアは優れた機械的な性質に加え、熱伝導率が低い
という利点をもっている。
That is, one of such methods is a method of cooling a member, and the other method is a method of coating the surface of the member with a ceramic having a small thermal conductivity. Such coatings are thermal barrier coatings (Thermal
It is also known that the actual temperature of the substrate can be suppressed by 50 ° C to 100 ° C as compared with the case where the heat shield coating is not applied. Further, as a ceramic constituting the heat shield coating, there is a zirconia (ZrO 2 ) based material which has been conventionally used. This zirconia has the advantages of low thermal conductivity in addition to excellent mechanical properties.

【0005】ところで、ジルコニアには単斜晶、正方
晶、立方晶の3つの結晶構造があるが、機械的性質の観
点からは正方晶が最も優れている。純ジルコニア(Zr
)は、室温では単斜晶が安定相であるが、温度を上
げていくと、約1000℃付近で単斜晶から正方晶に、
約2300℃付近で正方晶から立方晶に可逆的に相転移
する。この相転移の発生とそれに伴う体積変化が純ジル
コニアの実用上の障害になっている。すなわち、ジルコ
ニアの焼結プロセスにおける冷却過程で、ジルコニアは
正方晶から機械的性質に劣る単斜晶に相転移し、そのと
きに大きな体積膨張が発生するため、低下した機械的性
質と相まって自壊する恐れが高い。この冷却過程での相
転移をなくすため、通常、機械的性質に優れる正方晶や
立方晶を室温まで持ち越すように、つまり高温相を安定
化するために、YやCaO,MgO等の化合物を
添加して用いている。これにより、冷却過程で生じる正
方晶から単斜晶への相転移を抑制し、室温から高温まで
機械的性質に優れる正方晶や立方晶とすることができ
る。
Incidentally, zirconia has three crystal structures of monoclinic crystal, tetragonal crystal and cubic crystal, and the tetragonal crystal is the best from the viewpoint of mechanical properties. Pure zirconia (Zr
O 2 ) is a stable phase of monoclinic crystals at room temperature, but when the temperature is increased, the monoclinic system changes to tetragonal at about 1000 ° C.
At about 2300 ° C., a tetragonal to cubic crystal reversibly undergoes a phase transition. The occurrence of this phase transition and the accompanying volume change are obstacles for the practical use of pure zirconia. That is, during the cooling process in the sintering process of zirconia, zirconia undergoes a phase transition from tetragonal to monoclinic, which is inferior in mechanical properties, and at that time, a large volume expansion occurs, which causes self-destruction in combination with reduced mechanical properties. I am afraid. In order to eliminate the phase transition in this cooling process, usually, tetragonal or cubic crystal having excellent mechanical properties is carried over to room temperature, that is, in order to stabilize the high temperature phase, Y 2 O 3 , CaO, MgO, etc. The compound is added and used. As a result, the tetragonal to monoclinic phase transition that occurs during the cooling process can be suppressed, and a tetragonal or cubic crystal having excellent mechanical properties from room temperature to high temperature can be obtained.

【0006】しかし、Yで安定化させた正方晶ジ
ルコニアも、水蒸気を含む80〜300℃の雰囲気下に
さらされると、熱履歴に伴う相転移とは異なる相転移を
発生する欠点が残る。例えば、ガスタービンのように水
蒸気を含む雰囲気下で使用される動翼や静翼への熱遮蔽
コーティング等に安定化ジルコニアを使用した場合、運
転温度である1100〜1400℃では問題はないもの
の、ガスタービンの起動、停止時に通過あるいは保持さ
れる80〜300℃の温度域で、安定化ジルコニアは正
方晶から単斜晶へ相転移してしまうという欠点(水蒸気
腐食)がある。この水蒸気腐食により、ジルコニア被覆
層は割れを発生して劣化し、耐久性が著しく低下してし
まう。
However, the tetragonal zirconia stabilized with Y 2 O 3 also has a drawback that when exposed to an atmosphere of 80 to 300 ° C. containing water vapor, a phase transition different from the phase transition due to thermal history occurs. Remain. For example, when a stabilized zirconia is used for a heat shield coating for a moving blade or a stationary blade used in an atmosphere containing water vapor like a gas turbine, there is no problem at an operating temperature of 1100 to 1400 ° C. In the temperature range of 80 to 300 ° C., which is passed or held at the time of starting and stopping the gas turbine, the stabilized zirconia has a drawback that it undergoes a phase transition from tetragonal to monoclinic (steam corrosion). Due to this steam corrosion, the zirconia coating layer is cracked and deteriorated, resulting in a marked decrease in durability.

【0007】また熱遮蔽コーティングは基材を構成する
耐熱合金と物性値が異なるセラミックを被覆するもので
あるため、基材とジルコニア皮膜との密着強度、および
その信頼性に問題がある。特に、ガスタービン等では起
動停止等の熱サイクルにより、基材表面が高温酸化や高
温腐食を生じて、高温における機械的強度や耐化学的特
性が低下しジルコニア皮膜の剥離、脱落等の損傷が生じ
る。
Further, since the heat-shielding coating covers ceramics having different physical properties from the heat-resistant alloy constituting the base material, there is a problem in adhesion strength between the base material and the zirconia coating and its reliability. Particularly in a gas turbine, etc., thermal cycle such as start-up and stop causes high temperature oxidation and high temperature corrosion on the surface of the base material, resulting in deterioration of mechanical strength and chemical resistance at high temperature, resulting in damage such as peeling and dropping of the zirconia film. Occurs.

【0008】そこで、このような点を解決する方法とし
て、基材とセラミック被覆層との間に金属合金層からな
る結合層を設けるものがある。この金属合金層は、耐高
温酸化や高温腐食に優れた性質を有するNi或はCoを
主成分とし、Cr,Al,Y等を添加したいわゆるMC
rAlY系合金が良く使用されている。そして、このよ
うな金属結合層や熱遮蔽コーティングに用いるセラミッ
ク被覆層は、主に大気プラズマ溶射法で形成される。こ
の場合、セラミック被覆層と金属合金層との密着機構は
機械的な結合にすぎず、その強度は2〜5kg/mm2
といわれている。
Therefore, as a method of solving such a point, there is a method of providing a bonding layer made of a metal alloy layer between the base material and the ceramic coating layer. This metal alloy layer is a so-called MC containing Ni or Co as a main component and having Cr, Al, Y, etc. added thereto, which has excellent properties of high temperature oxidation resistance and high temperature corrosion.
rAlY-based alloys are often used. The metal coating layer and the ceramic coating layer used for the thermal barrier coating are mainly formed by the atmospheric plasma spraying method. In this case, the adhesion mechanism between the ceramic coating layer and the metal alloy layer is merely mechanical connection, and the strength is 2 to 5 kg / mm 2.
It is said that.

【0009】一方、金属結合層や熱遮蔽コーティングに
用いるセラミック被覆層が、主にプラズマ溶射法で形成
される理由は、被覆形成速度が速く、経済性に優れてい
るためである。しかしながら、金属合金層やセラミック
被覆層は、高温度で燃料中の不純物等による高温腐食環
境下で用いられるため、気孔の多い多孔質構造の金属合
金層やセラミック被覆層では、金属合金層の高温酸化、
高温腐食の問題がある。金属合金層は高温耐酸化性、耐
食性に優れた成分であるが、それらの被覆層の形成方法
により、必ずしも本来の合金材料で予想される高温耐酸
化性、耐食性を発揮するものではない。
On the other hand, the reason why the ceramic coating layer used for the metal bonding layer and the heat shield coating is mainly formed by the plasma spraying method is that the coating forming rate is high and the economy is excellent. However, since the metal alloy layer and the ceramic coating layer are used in a high temperature corrosive environment due to impurities in the fuel at a high temperature, the metal alloy layer or the ceramic coating layer having a porous structure with many pores has a high temperature. Oxidation,
There is a problem of high temperature corrosion. The metal alloy layer is a component excellent in high temperature oxidation resistance and corrosion resistance, but it does not always exhibit the high temperature oxidation resistance and corrosion resistance expected of the original alloy material depending on the method of forming these coating layers.

【0010】ところが、大気プラズマ溶射で形成した金
属合金層やセラミックス被覆層で構成した熱遮蔽コーテ
ィングを高温酸化、或は高温腐食環境下で熱サイクル試
験を行なった結果、その耐久性は著しく低く、セラミッ
ク被覆層が剥離することがわかっている。これは、金属
合金層とセラミック被覆層との結合が、本来機械的な強
度でその強度が弱いことに加え、さらに、その境界部分
の金属合金層の表面が酸化或は腐食され、その密着力が
更に低下するためと考えられる。また、セラミック被覆
層の剥離は、金属合金層との境界面のみだけでなく、セ
ラミック層内でも多数発生している。
However, as a result of a heat cycle test of a heat shield coating composed of a metal alloy layer or a ceramic coating layer formed by atmospheric plasma spraying in a high temperature oxidizing or high temperature corrosive environment, its durability is remarkably low, It is known that the ceramic coating layer peels off. This is because the bond between the metal alloy layer and the ceramic coating layer is mechanically weak in nature, and in addition, the surface of the metal alloy layer at the boundary portion is oxidized or corroded, and its adhesion force is increased. Is considered to be further reduced. Further, the peeling of the ceramic coating layer occurs not only in the boundary surface with the metal alloy layer but also in the ceramic layer.

【0011】このように、従来の熱遮蔽コーティングで
は、水蒸気腐食によりセラミック被覆層に割れを発生
し、耐久性が著しく低下する。また、高温酸化、高温腐
食等により金属合金層の表面が変化し、セラミック被覆
層との結合力が更に低下すると考えられ、熱遮蔽コーテ
ィングの信頼性が大幅に低下している。
As described above, in the conventional heat-shielding coating, cracks are generated in the ceramic coating layer due to steam corrosion, and durability is remarkably reduced. Further, it is considered that the surface of the metal alloy layer is changed due to high temperature oxidation, high temperature corrosion, etc., and the bonding force with the ceramic coating layer is further lowered, and the reliability of the heat shield coating is significantly lowered.

【0012】本発明はこのような点に鑑み、機械的な強
度を有し、水蒸気腐食がなく、金属合金層とセラミック
被覆層界面或はセラミック被覆層内の密着力が長期間に
わたって安定しており、割れや剥離が起りにくいセラミ
ック被覆の製造方法を得ることを目的とする。
In view of the above points, the present invention has mechanical strength, is free from steam corrosion, and has a stable adhesive force between the metal alloy layer and the ceramic coating layer or in the ceramic coating layer for a long period of time. Therefore, it is an object of the present invention to obtain a method for manufacturing a ceramic coating that is resistant to cracking and peeling.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】第1の発明は、Ni,C
o,Feの少なくとも1つを主成分として構成された基
材の表面に、Ni,Coの少なくとも一方にCr,Al
を含み、さらにHf,Ta,Y,Si,Zrのいずれか
1つもしくはそれらの組合わせとからなる結合層を形成
する工程と、ZrOを主成分としCaO,MgO,Y
のいずれか1つもしくはそれらの組合わせからな
るセラミックを蒸発・イオン化して上記合金の結合層上
に被覆する工程とを有することを特徴とする。
The first invention is Ni, C
o, Fe on the surface of the base material composed of at least one of the main components, at least one of Ni, Co Cr, Al
A step of forming a bonding layer containing any one of Hf, Ta, Y, Si, and Zr or a combination thereof, and CaO, MgO, Y containing ZrO 2 as a main component.
And vaporizing and ionizing a ceramic made of any one of 2 O 3 or a combination thereof to coat it on the bonding layer of the above alloy.

【0014】また、第2の発明は、合金の結合層を形成
する工程が、Ar,He,H,Nのいずれか1つも
しくはそれらを組合わせた1気圧以下の雰囲気でプラズ
マ溶射する工程を有し、前記セラミックを被覆する工程
は、セラミックを蒸発する工程、熱電子発生装置と熱電
子加速装置によって蒸発したセラミック粒子をイオン化
する工程、反応ガスを導入する工程、基材を加熱する工
程、基材に電圧を印加する工程とを有することを特徴と
する。
In a second aspect of the invention, the step of forming the alloy bonding layer is performed by plasma spraying in any one atmosphere of Ar, He, H 2 and N 2 or a combination thereof in an atmosphere of 1 atm or less. And a step of coating the ceramic, the step of evaporating the ceramic, the step of ionizing the ceramic particles vaporized by the thermoelectron generator and the thermoelectron accelerator, the step of introducing a reaction gas, and heating the substrate. And a step of applying a voltage to the base material.

【0015】第3の発明は、セラミック被覆は物理蒸着
法で形成し、その被覆は正方晶を90%以上含み、被覆
中における安定化剤Yの平均濃度が5〜15wt
%の範囲であり、かつ微小領域における濃度が3〜18
wt%の間に分布するようにしたことを特徴とする。
In a third aspect of the present invention, the ceramic coating is formed by physical vapor deposition, the coating contains 90% or more of tetragonal crystals, and the average concentration of the stabilizer Y 2 O 3 in the coating is 5 to 15 wt.
%, And the concentration in the minute region is 3 to 18
It is characterized in that it is distributed between wt%.

【0016】[0016]

【作用】上記製造方法によれば、イオン化したセラミッ
ク材の基材への衝突、或は励起された反応ガス、基材へ
のマイナス電圧印加、基材の加熱により皮膜形成エネル
ギーが相乗的に大きくなり、密着強度に優れたものとな
り、高温雰囲気中での長期間の使用に対しても、セラミ
ック被覆層の割れ発生や剥離が防止され、また金属合金
層の酸化が防止できる。
According to the above manufacturing method, the film forming energy is increased synergistically by the collision of the ionized ceramic material with the base material, the excited reaction gas, the application of a negative voltage to the base material, and the heating of the base material. In addition, the adhesive strength is excellent, and even when used for a long period of time in a high temperature atmosphere, the ceramic coating layer can be prevented from cracking or peeling, and the metal alloy layer can be prevented from being oxidized.

【0017】[0017]

【実施例】Ni,Co,Feの少なくとも1つを主成分
として構成された耐熱合金部材の表面を脱脂及びアルミ
ナ粒子等を用いたブラスト処理で粗面化する。次に、こ
の耐熱合金部材を真空チャンバー内に挿着し、所定の真
空度になるまで真空引きした後、Ar,He,H,N
のいずれか一つまたはそれらを組合わせた雰囲気で1
0Torrの圧力にする。
Example A surface of a heat-resistant alloy member composed mainly of at least one of Ni, Co, and Fe is roughened by degreasing and blasting using alumina particles. Next, this heat-resistant alloy member is inserted into a vacuum chamber and evacuated to a predetermined vacuum degree, and then Ar, He, H 2 , N
1 in any one of 2 or in an atmosphere that combines them
Apply pressure of 0 Torr.

【0018】次に、プラズマを発生させ耐熱合金部材を
数100℃まで加熱した後、Ni,Coの少なくとも一
方にCr,Alを含んだものと、Hf,Ta,Yi,S
i,Zrのいずれか1つもしくはそれらの組合わせとか
らなる溶射粉末をプラズマに混入して耐熱合金部材表面
にコーティングする。
Next, after plasma is generated to heat the heat-resistant alloy member to several hundreds of degrees Celsius, at least one of Ni and Co contains Cr and Al, and Hf, Ta, Yi, and S.
A thermal spraying powder made of any one of i and Zr or a combination thereof is mixed into plasma to coat the surface of the heat resistant alloy member.

【0019】しかして、このようにして形成された皮膜
は、従来の大気プラズマ溶射による皮膜に比べ、皮膜内
に酸化物や気孔が殆どない非常に緻密な皮膜になり、高
温酸化、高温耐食が大幅に向上する。
Thus, the film thus formed becomes a very dense film having almost no oxides or pores in the film as compared with the conventional film formed by atmospheric plasma spraying, and has high temperature oxidation and high temperature corrosion resistance. Greatly improved.

【0020】このようにして形成されたMGrAlY層
には、下記のようなセラミック被覆装置によってセラミ
ック層の被覆を行なう。すなわち、セラミック被覆層
は、図1に示すように、セラミック被覆を行なう真空チ
ャンバ1、拡散ポンプDPと油回転ポンプRPからなる
真空排気層2、及び図示しない制御装置及び電源装置に
よって構成されている。
The MGrAlY layer thus formed is coated with a ceramic layer by the following ceramic coating device. That is, as shown in FIG. 1, the ceramic coating layer includes a vacuum chamber 1 for performing ceramic coating, a vacuum exhaust layer 2 including a diffusion pump DP and an oil rotary pump RP, and a control device and a power supply device (not shown). .

【0021】真空チャンバ1内には、その下部にセラミ
ック材を装着するルツボ3が配設されており、そのルツ
ボ3の下方にはセラミック材を溶解・蒸発させる電子ビ
ーム発生装置4が設けられ、さらにそのルツボ3の一側
には電子ビーム走査装置5が設けられている。また、上
記ルツボ3の上方一側部にはルツボ3で蒸発したセラミ
ック材をイオン化させる熱電子発生装置6および熱電子
加速装置7が設けられており、その熱電子発生装置6に
はイオン化電流検出装置8が接続され、そのイオン化電
流検出装置8が上記熱電子加速装置7に接続されてい
る。さらに、上記ルツボ3の上方には成膜レート検出装
置9が設けられている。
In the vacuum chamber 1, a crucible 3 for mounting a ceramic material is disposed below the vacuum chamber 1, and below the crucible 3 is provided an electron beam generator 4 for melting and evaporating the ceramic material. Further, an electron beam scanning device 5 is provided on one side of the crucible 3. Further, a thermoelectron generator 6 and a thermoelectron accelerator 7 for ionizing the ceramic material evaporated in the crucible 3 are provided on one upper side of the crucible 3, and the thermoelectron generator 6 detects an ionization current. The device 8 is connected, and the ionization current detection device 8 is connected to the thermionic accelerator 7. Further, a film forming rate detecting device 9 is provided above the crucible 3.

【0022】一方、真空チャンバ1内上部には、モータ
10によって回転駆動される基材駆動装置11が設けら
れており、その基材駆動装置11に耐熱合金部材12を
着脱可能に装着するようにしてある。そして、上記基材
駆動装置11に装着された耐熱合金部材12の近傍部に
は、その耐熱合金部材を加熱する基材抵抗加熱装置13
が配設され、さらに、上記基材駆動装置11には耐熱合
金部材にマイナス電圧を印加する電圧印加装置14が接
続されている。また、真空チャンバ1には酸素等の反応
ガス供給装置15が接続されており、その途中に反応ガ
スの導入及びガス流量を制御するガス流量制御装置16
が設けられている。
On the other hand, in the upper part of the vacuum chamber 1, there is provided a base material driving device 11 which is rotationally driven by a motor 10. The heat resistant alloy member 12 is detachably mounted on the base material driving device 11. There is. Then, in the vicinity of the heat resistant alloy member 12 mounted on the base material driving device 11, a base material resistance heating device 13 for heating the heat resistant alloy member 13 is provided.
Further, a voltage applying device 14 for applying a negative voltage to the heat resistant alloy member is connected to the base material driving device 11. Further, a reaction gas supply device 15 for oxygen or the like is connected to the vacuum chamber 1, and a gas flow rate control device 16 for controlling the introduction of the reaction gas and the gas flow rate in the middle thereof.
Is provided.

【0023】また、図示しない制御装置には、真空排
気、電子ビーム電流、電子ビーム走査、熱電子発生量、
ガス流量、基材加熱、基材電圧印加、基材駆動等を制御
する手段が設けられている。
The control device (not shown) includes vacuum exhaust, electron beam current, electron beam scanning, thermionic generation amount,
Means for controlling gas flow rate, substrate heating, substrate voltage application, substrate driving, etc. are provided.

【0024】しかして、前記MCrAlY層を被覆した
耐熱合金部材にセラミック層を被覆する場合には、ま
ず、セラミック材を真空チャンバ1内のルツボ3に装着
し、耐熱合金部材12を基材駆動装置11に装着して真
空排気装置2によって真空チャンバ1内を10-2〜10
-4Paの真空度になるまで真空引きする。次に、電子ビ
ーム発生装置4によってセラミック材に電子ビームを照
射しセラミック材表面を溶融させる。このとき表面が常
に解けた状態で所定の蒸発温度が保たれるように電子ビ
ーム電流を制御し、更に電子ビームを走査する。
When the heat-resistant alloy member coated with the MCrAlY layer is coated with the ceramic layer, first, the ceramic material is attached to the crucible 3 in the vacuum chamber 1 and the heat-resistant alloy member 12 is attached to the base material driving device. 11 and the inside of the vacuum chamber 1 is set to 10 −2 to 10 by the vacuum exhaust device 2.
-Evacuate until the degree of vacuum reaches -4 Pa. Next, the ceramic material is irradiated with an electron beam by the electron beam generator 4 to melt the surface of the ceramic material. At this time, the electron beam current is controlled so that a predetermined evaporation temperature is maintained with the surface always unraveled, and further the electron beam is scanned.

【0025】これは、図2に示すように、成膜レート検
出装置9、イオン化電流検出装置8のいずれか1つ又は
両装置からの信号を、電子ビーム発生装置4と電子ビー
ム走査装置5に入力して制御し、また、セラミック材の
蒸発は、図3に示すように、成膜検出装置9とイオン化
電流検出装置8のいずれか1つまたは両者からの信号を
ルツボ抵抗加熱装置17に入力してヒータ18の出力を
制御することにより行なわせることもできる。
As shown in FIG. 2, a signal from any one or both of the film formation rate detector 9 and the ionization current detector 8 is sent to the electron beam generator 4 and the electron beam scanner 5. As shown in FIG. 3, the evaporation of the ceramic material is controlled by inputting a signal from any one or both of the film formation detection device 9 and the ionization current detection device 8 to the crucible resistance heating device 17. Then, the output of the heater 18 can be controlled to control the output.

【0026】ところで、蒸発したセラミック材は、熱電
子発生装置6からの熱電子及びセラミック材自身から発
生した熱電子と衝突することによりイオン化される。す
なわち、熱電子はイオン化を促進するためプラス電圧が
印加された熱電子加速装置7によって加速され、この熱
電子加速装置に大きな運動エネルギーをもって引き寄せ
られる。この飛行の途中で蒸発したセラミック材と熱電
子が衝突する。上記熱電子の発生は高融点金属のタング
ステン・フィラメント等に電流を流すことにより実現で
き、熱電子の加速は金属板に電圧を印加することにより
実現できる。これらは、いずれも電流や電圧を可変とす
ることによって制御することができる。
The evaporated ceramic material is ionized by colliding with the thermoelectrons generated from the thermoelectron generator 6 and the thermoelectrons generated from the ceramic material itself. That is, the thermoelectrons are accelerated by the thermoelectron accelerator 7 to which a positive voltage is applied to promote ionization, and are attracted to the thermoelectron accelerator with a large kinetic energy. The thermoelectrons collide with the ceramic material evaporated during the flight. The generation of the thermoelectrons can be realized by passing a current through a tungsten filament of a refractory metal, etc., and the acceleration of the thermoelectrons can be realized by applying a voltage to the metal plate. All of these can be controlled by making the current and voltage variable.

【0027】蒸発したセラミック材と熱電子との衝突確
率を増大させるためには、熱電子発生装置6は電子ビー
ムに影響を与えない程度に蒸発装置の近くになるよう
に、また熱電子加速装置7は熱電子の飛行距離が長くか
つ電圧印加による運動エネルギーが大きくなるような位
置に設けられている。
In order to increase the probability of collision between the evaporated ceramic material and thermions, the thermionic generator 6 should be close to the evaporator so as not to affect the electron beam, and the thermionic accelerator should be used. 7 is provided at a position where the flight distance of thermoelectrons is long and the kinetic energy due to voltage application is large.

【0028】一方、上記セラミック材の蒸発・イオン化
と同時に、ガス流量制御装置16によってセラミック皮
膜が化学量論的組成になるように酸素等の反応ガスが真
空チャンバ1内に導入され、この反応ガスが前記熱電子
により励起されて活性化され、素材表面で反応が進行す
る。
On the other hand, simultaneously with the evaporation and ionization of the ceramic material, a reaction gas such as oxygen is introduced into the vacuum chamber 1 by the gas flow rate control device 16 so that the ceramic coating has a stoichiometric composition. Are excited and activated by the thermoelectrons, and the reaction proceeds on the surface of the material.

【0029】他方、耐熱合金部材12は基材駆動装置1
1によって回転させられており、基材抵抗加熱装置13
により数100℃程度に加熱され、また電圧印加装置1
4により数10Vから数100V程度のマイナス電圧が
印加されている。
On the other hand, the heat-resistant alloy member 12 is the base material driving device 1
The substrate resistance heating device 13 is rotated by 1
Is heated to about several hundred degrees Celsius by the voltage application device 1
4, a negative voltage of about several 10V to several 100V is applied.

【0030】したがって、イオン化したセラミック材が
マイナス電圧によって加速され、上記回転中の耐熱合金
部材12の表面に衝突してセラミック皮膜が形成され
る。
Therefore, the ionized ceramic material is accelerated by the negative voltage and collides with the surface of the rotating heat-resistant alloy member 12 to form a ceramic film.

【0031】ところで、基材の加熱は抵抗加熱の他に、
ランプ加熱、高周波加熱、電子ビーム加熱等この目的を
達成する手段であればいずれでもよいし、またはこれら
の組合わせでも可能である。図4はそれらの加熱手段の
実施例を示す図であり、(a)はランプ20による加熱
手段、(b)は高周波発生装置21からの高周波による
加熱手段、(c)は電子ビーム発生装置22からの電子
ビームによる加熱手段を採用した例である。
By the way, in addition to resistance heating, the heating of the substrate is
Any means such as lamp heating, high frequency heating, and electron beam heating may be used as long as it achieves this purpose, or a combination of these may be used. FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of these heating means, (a) is heating means by the lamp 20, (b) is heating means by high frequency from the high frequency generator 21, and (c) is electron beam generator 22. This is an example in which a heating means using an electron beam from is adopted.

【0032】このように本発明のセラミック被膜の製造
方法によれば、イオン化したセラミック材の基材への衝
突、励起された反応ガス、基材へのマイナス電圧印加、
および基材の加熱等によって皮膜形成エネルギーが相乗
的に大きくなり、密着強度に優れ、かつ化学量論的組成
をもったセラミック皮膜が形成される。
As described above, according to the method for producing a ceramic coating of the present invention, the ionized ceramic material collides with the base material, the excited reaction gas, and the negative voltage is applied to the base material.
Further, the film forming energy is synergistically increased by heating the base material and the like, and a ceramic film having excellent adhesion strength and a stoichiometric composition is formed.

【0033】ところで、セラミック皮膜中の安定化剤の
濃度および分布について研究を重ねた結果、セラミック
皮膜の持つ優れた機械的性質を確保し、かつ水蒸気腐食
を防ぐためには、元素が移動しにくいセラミック材料で
は避けられない元素の偏りを、規定および制御すること
が重要であることを見いだした。
By the way, as a result of repeated studies on the concentration and distribution of the stabilizer in the ceramic coating, in order to secure the excellent mechanical properties of the ceramic coating and prevent steam corrosion, it is difficult for the element to move. We have found that it is important to regulate and control the bias of elements that cannot be avoided in materials.

【0034】そこで本発明は、まず第一にセラミック皮
膜を機械的強度に優れた正方晶の結晶構造にするために
安定化剤の平均濃度を規定し、かつセラミック膜の水蒸
気腐食を防ぐために、安定化剤の濃度分布を規定するこ
とで、従来達成できなかった機械的な性質と水蒸気腐食
の完全防止の両立を達成した。
Therefore, the present invention firstly defines the average concentration of the stabilizer in order to make the ceramic coating have a tetragonal crystal structure excellent in mechanical strength, and to prevent steam corrosion of the ceramic coating, By defining the concentration distribution of the stabilizer, we achieved both mechanical properties that could not be achieved previously and complete prevention of steam corrosion.

【0035】水蒸気腐食は、Y量に極めて敏感な
ため、形成された焼結ターゲット材やコーティング膜中
での濃度分布に著しく影響を受ける。ジルコニアのよう
なセラミックスでは、安定化剤Yの濃度には分
布、すなわち偏りができることは避けられない。それに
もかかわらず、従来のセラミックターゲット材やセラミ
ック皮膜は平均濃度だけで管理がなされてきた。そのた
め、水蒸気腐食を完全に防止することはできなかった。
Since steam corrosion is extremely sensitive to the amount of Y 2 O 3 , it is significantly affected by the concentration distribution in the formed sintering target material and coating film. In the case of ceramics such as zirconia, it is inevitable that the concentration of the stabilizer Y 2 O 3 has a distribution, that is, a bias. Nevertheless, conventional ceramic target materials and ceramic coatings have been managed only by the average concentration. Therefore, it was not possible to completely prevent steam corrosion.

【0036】本発明のセラミック皮膜においては、必要
な機械的強度を確保するために、正方晶ZrOを90
%以上含むものとし、これを達成するためにY
平均濃度を5〜15wt%の範囲としている。Y
の平均濃度15wt%を越えると、立方晶ZrOの量
が増大して、十分な機械的強度を得ることが出来なくな
る。また、Yの平均濃度が5wt%未満である
と、水蒸気腐食による機械的強度の低下を抑制すること
ができなくなる。なお、正方晶以外の構成相は、単斜
晶、立方晶、およびこれらの混合物のいずれでもよい。
In the ceramic coating of the present invention, 90% tetragonal ZrO 2 is used in order to secure the required mechanical strength.
% Or more, and in order to achieve this, the average concentration of Y 2 O 3 is set in the range of 5 to 15 wt%. Y 2 O 3
When the average concentration exceeds 15 wt%, the amount of cubic ZrO 2 increases and it becomes impossible to obtain sufficient mechanical strength. Further, if the average concentration of Y 2 O 3 is less than 5 wt%, it becomes impossible to suppress the decrease in mechanical strength due to steam corrosion. The constituent phase other than tetragonal may be monoclinic, cubic, or a mixture thereof.

【0037】ここで、上記した平均濃度は、幅広い平均
値を規定したものであるため、単に平均濃度を規定した
だけのセラミック皮膜では、実際の安定化剤の濃度は、
上記温度範囲の下限値である5wt%を大幅に下回った
濃度を有する部分から、上限値である15wt%を大幅
に超えた濃度を有する部分までが存在することを許容し
てしまう。一方、水蒸気腐食を防ぐ観点からは、同じ正
方晶主体の結晶構造であっても、安定化剤の濃度分布を
適切な範囲にする必要があるのに、平均濃度で規定され
ただけのセラミック皮膜では、最適温度範囲から外れた
濃度を含んでしまう。
Since the above-mentioned average concentration defines a wide range of average values, the actual concentration of the stabilizer in a ceramic film in which the average concentration is merely defined is
It permits the existence of a portion having a concentration significantly lower than the lower limit value of 5 wt% of the temperature range to a portion having a concentration significantly higher than the upper limit value of 15 wt%. On the other hand, from the viewpoint of preventing steam corrosion, even if the crystal structure is mainly tetragonal, it is necessary to set the concentration distribution of the stabilizer within an appropriate range, but the ceramic film is only defined by the average concentration. Then, the concentration outside the optimum temperature range is included.

【0038】また一方で、機械的強度の大きいセラミッ
ク皮膜を得るためには、Yの濃度の高い立方晶Z
rO(平均濃度で15wt%以上)よりも、Y
の濃度がより低い正方晶ZrOが望ましい。
On the other hand, in order to obtain a ceramic film having high mechanical strength, cubic Z having a high Y 2 O 3 concentration is used.
Y 2 O 3 rather than rO 2 (15 wt% or more in average concentration)
A lower concentration of tetragonal ZrO 2 is desirable.

【0039】そこで、本発明のセラミック皮膜において
は、上記Yの平均濃度と共に、微小領域における
の濃度分布を3〜18wt%の範囲に規定して
いる。このYの濃度分布は、下限値については水
蒸気腐食による機械的強度の低下を抑制することを意図
したものである。したがって、機械的強度を確保した上
で水蒸気腐食を防ぐには、Yの微小領域における
温度分布を3〜18wt%の範囲とする必要がある。
Therefore, in the ceramic coating of the present invention, the concentration distribution of Y 2 O 3 in the minute region is defined in the range of 3 to 18 wt% together with the average concentration of Y 2 O 3 described above. Regarding the Y 2 O 3 concentration distribution, the lower limit value is intended to suppress a decrease in mechanical strength due to steam corrosion. Therefore, in order to secure the mechanical strength and prevent the water vapor corrosion, it is necessary to set the temperature distribution in the minute region of Y 2 O 3 in the range of 3 to 18 wt%.

【0040】すなわち、上記Yの微小領域におけ
る濃度分布の下限値を3wt%と規定した理由は、Y
の濃度に3wt%未満の偏りが生じると、例えば2
00℃における大気雰囲気に保持した場合に、3wt%
未満の部分に相転移が起こって単斜晶が増大する。その
結果として、機械的強度を確保する上で必要な正方晶の
量が得られなくなると共に、重要なことは水蒸気腐食を
起こす不安定な正方晶が急速に増えることである。ま
た、Yの濃度分布の上限値を18wt%とした理
由は、偏りが18wt%を超えると、水蒸気腐食を防ぐ
観点からは有利になるものの、立方晶が急速に増加して
機械的強度の確保に必要な正方晶の量が得られなくなっ
てしまう。
That is, the reason why the lower limit value of the concentration distribution in the minute region of Y 2 O 3 is defined as 3 wt% is Y 2
If the concentration of O 3 is less than 3 wt%, for example, 2
3 wt% when kept in the atmosphere at 00 ° C
The phase transition occurs in the lower portion and monoclinic crystals increase. As a result, the amount of tetragonal crystals necessary for ensuring mechanical strength cannot be obtained, and what is important is that the number of unstable tetragonal crystals causing steam corrosion rapidly increases. Further, the reason why the upper limit value of the concentration distribution of Y 2 O 3 is set to 18 wt% is that if the deviation exceeds 18 wt%, it is advantageous from the viewpoint of preventing steam corrosion, but cubic crystals increase rapidly and mechanical The amount of tetragonal crystals required to secure the strength cannot be obtained.

【0041】本発明のセラミック皮膜においては、Y
の微小領域における濃度分布が特に重要である。た
だし、一般的に行われている湿式の化学分析では、Y
の平均的な濃度は得ることができても、微小領域で
の濃度分布を知ることはできない。よって、本発明のセ
ラミック皮膜は、X線回析、EPMA、分子電子顕微鏡
等によりセラミック皮膜の微小領域の濃度分布測定を行
い、これら微小領域の濃度分布が上記範囲内であるもの
とする。ここで、測定する領域が微小になるほど分布濃
度の精度が上がることから、直径5μm以下の測定領域
で特定したときの濃度が、いずれも本発明で規定する分
布の範囲内に入っていることが好ましい。さらに望まし
くは、直径1μm以下の微小領域で得られた濃度が、い
ずれも規定する分布の範囲内に入っていることが望まし
い。
In the ceramic coating of the present invention, Y 2
The concentration distribution of O 3 in the minute region is particularly important. However, in the general wet chemical analysis, Y 2
Although the average concentration of O 3 can be obtained, the concentration distribution in the minute region cannot be known. Therefore, for the ceramic coating of the present invention, the concentration distribution in the minute areas of the ceramic coating is measured by X-ray diffraction, EPMA, molecular electron microscopy, etc., and the concentration distribution in these minute areas is within the above range. Here, since the accuracy of the distribution density increases as the area to be measured becomes smaller, the density when specified in the measurement area with a diameter of 5 μm or less is within the range of the distribution defined by the present invention. preferable. More preferably, it is desirable that the concentration obtained in a minute region having a diameter of 1 μm or less is within the range of the distribution specified.

【0042】本発明のセラミック皮膜は、溶射法や化学
的蒸着による皮膜にも適用することができるが、物理蒸
着法によって作成することが好ましい。例えば、セラミ
ックターゲット材を電子ビームの照射・加熱により蒸発
させて部材に被覆すると、蒸発したクラスターによる皮
膜形成が行われるため、皮膜の組織は微小な柱状晶から
なる結晶となり、かつ微小領域のY濃度分布が均
一となる。この場合、セラミック皮膜中のY
は、セラミックターゲット材中のYに比べ、10
数%減少した量となる。この関係性を調査した結果の一
部を図8に示す。すなわち、これらの結果からセラミッ
ク被覆層の微小領域における安定化剤濃度範囲3〜18
wt%を満たすセラミックターゲット材は、5〜20w
t%の安定化剤濃度範囲をもったものが適していること
がわかった。
The ceramic film of the present invention can be applied to a film formed by a thermal spraying method or chemical vapor deposition, but is preferably formed by a physical vapor deposition method. For example, when the ceramic target material is evaporated by irradiation with an electron beam and heated to cover the member, a film is formed by the evaporated clusters, so that the structure of the film becomes a crystal composed of minute columnar crystals and a Y region of a minute region is formed. 2 O 3 concentration distribution becomes uniform. In this case, the amount of Y 2 O 3 in the ceramic coating is 10% as compared with Y 2 O 3 in the ceramic target material.
The amount decreased by several percent. FIG. 8 shows a part of the result of investigating this relationship. That is, from these results, the stabilizer concentration range 3 to 18 in the minute region of the ceramic coating layer
Ceramic target material satisfying wt% is 5 to 20w
It has been found that those having a stabilizer concentration range of t% are suitable.

【0043】セラミックターゲット材は原料粉末を焼結
して成形するため、原料粉末の段階から安定化剤を均一
に含有させることが望ましい。原料粉末を焼結するとセ
ラミックターゲット材の結晶粒度はある分布をもつが、
本発明におけるセラミックターゲット材は、0.1〜2
μmの粒度分布をもち、かつ結晶粒内のYの濃度
分布を5〜20wt%としたものである。このようなタ
ーゲット材を用いることにより、物理蒸着法で形成した
セラミック皮膜は、Yの濃度の平均濃度を5〜1
5wt%の範囲とすることができる。また、セラミック
皮膜中の微小領域におけるYの濃度分布を3〜1
8wt%の範囲に収めることができる。
Since the ceramic target material is formed by sintering the raw material powder, it is desirable to uniformly contain the stabilizer from the stage of the raw material powder. When the raw material powder is sintered, the crystal grain size of the ceramic target material has a certain distribution,
The ceramic target material in the present invention is 0.1 to 2
It has a particle size distribution of μm and the concentration distribution of Y 2 O 3 in the crystal grains is 5 to 20 wt%. By using such a target material, the ceramic coating formed by the physical vapor deposition method has an average concentration of Y 2 O 3 of 5 to 1
It can be in the range of 5 wt%. In addition, the concentration distribution of Y 2 O 3 in the minute region in the ceramic coating is set to 3 to 1
It can be contained within the range of 8 wt%.

【0044】以下、本発明の第1の具体例について説明
する。
The first embodiment of the present invention will be described below.

【0045】基材としてはNi基のインコネル−738
を用い、図5に示すようなガスタービン翼に対して、翼
面23及びシュラウド24の翼面側とに熱遮蔽コーティ
ングを施した。
The base material is Ni-based Inconel-738.
The heat shield coating was applied to the blade surface 23 and the blade surface side of the shroud 24 for the gas turbine blade as shown in FIG.

【0046】図6は、本発明による被覆の縦断面を示す
図であり、翼基材25にはMCrAlYからなる結合層
26が被覆され、この上にセラミック層27が形成され
ている。
FIG. 6 is a view showing a vertical cross section of the coating according to the present invention. The blade base material 25 is coated with a bonding layer 26 made of MCrAlY, and a ceramic layer 27 is formed thereon.

【0047】この皮膜形成は、まず翼を脱脂・洗浄後、
アルミナグリッドを用いてブラストし、10%Ni−2
5%Cr−7%Al−0.6%Y、残部Coからなる合
金粉末を、20TorrのAr雰囲気でAr−Heプラ
ズマを用いて溶射し、高温酸化・高温腐食に優れた皮膜
を得た。皮膜の厚さは均一で150μm程度である。
This film is formed by first degreasing and cleaning the blade,
Blasted using alumina grid, 10% Ni-2
An alloy powder consisting of 5% Cr-7% Al-0.6% Y and the balance Co was sprayed using Ar-He plasma in an Ar atmosphere of 20 Torr to obtain a film excellent in high temperature oxidation and high temperature corrosion. The thickness of the film is uniform and is about 150 μm.

【0048】次に、上記CoNiCrAlY層の上に8
%Y−ZrOセラミック層を形成した。すなわ
ち、まず真空チャンバ1内において基材駆動装置11に
ガスタービン翼を装着するとともに、ルツボ3にセラミ
ック材として8%Y−ZrOの燃結材を装着し
た。その後真空チャンバ1内を10-4Pa台まで真空引
きした後、翼を数100℃に加熱しつつ回転及びチルト
させ、電子ビームで8%Y−ZrOセラミック
材を蒸発させた。このとき成膜レートをほぼ一定にする
ため、電子ビームの走査を制御した。また密着強度に優
れ、かつ化学量論的組成をもったセラミック皮膜を形成
するために、蒸発したセラミック材をイオン化し、反応
ガスとして酸素を導入し、さらに翼を数100℃に加熱
しつつマイナス電圧を印加して皮膜の形成を行った。得
られた膜厚は100μm程度であった。
Next, 8 is formed on the CoNiCrAlY layer.
% To form a Y 2 O 3 -ZrO 2 ceramic layer. That is, first, in the vacuum chamber 1, the gas turbine blade was mounted on the base material driving device 11, and the crucible 3 was mounted with the 8% Y 2 O 3 —ZrO 2 fuel binder. After that, the inside of the vacuum chamber 1 was evacuated to the order of 10 −4 Pa, and then the blade was rotated and tilted while being heated to several 100 ° C., and 8% Y 2 O 3 —ZrO 2 ceramic material was evaporated by an electron beam. At this time, scanning of the electron beam was controlled in order to keep the film formation rate almost constant. In addition, in order to form a ceramic film with excellent adhesion strength and stoichiometric composition, the evaporated ceramic material is ionized, oxygen is introduced as a reaction gas, and the blade is heated to several hundreds of degrees Celsius A voltage was applied to form a film. The obtained film thickness was about 100 μm.

【0049】このようにして製作した翼について、従来
品と比較するために酸化試験を行った。従来品は、上記
と同じ翼材及び被覆材を用い、両皮膜とも大気プラズマ
溶射で製作したものであり、皮膜の厚さも同じにした。
この従来品の被覆の断面図を図7に示す。この従来品も
図6と同様に、翼基材25にMCrAlYからなる結合
層26が被覆され、その上にセラミック層27が形成さ
れている。ただし、従来品には被覆層内に多数の気孔が
存在している。
The blade thus manufactured was subjected to an oxidation test for comparison with the conventional product. The conventional product uses the same blade material and coating material as described above, and both coatings are manufactured by atmospheric plasma spraying, and the coating thicknesses are also the same.
A cross-sectional view of this conventional coating is shown in FIG. In this conventional product, as in FIG. 6, the blade base material 25 is covered with the coupling layer 26 made of MCrAlY, and the ceramic layer 27 is formed thereon. However, many pores are present in the coating layer in the conventional product.

【0050】酸化試験は、900℃、1000℃、11
00℃の温度で120時間大気雰囲気に保持した後、セ
ラミック皮膜の割れや剥離状況を観察するものであり、
表1に酸化試験結果を示す。
The oxidation test was conducted at 900 ° C., 1000 ° C., 11
After maintaining in the air atmosphere at a temperature of 00 ° C for 120 hours, the state of cracking and peeling of the ceramic film is observed.
Table 1 shows the oxidation test results.

【0051】[0051]

【表1】 すなわち、従来の熱遮蔽コーティングは1000℃以上
(120時間保持)で8%Y−ZrOセラミッ
ク層が剥離した。一方、本発明による熱遮蔽コーティン
グは外観的に何らの損傷も認められなかった。
[Table 1] That is, in the conventional thermal barrier coating, the 8% Y 2 O 3 —ZrO 2 ceramic layer peeled off at 1000 ° C. or higher (holding for 120 hours). On the other hand, the thermal barrier coating according to the present invention did not show any damage in appearance.

【0052】次に、上記の同じように製作した試験片を
用いて熱サイクル試験を行なった。
Next, a thermal cycle test was conducted using a test piece manufactured in the same manner as above.

【0053】この試験は大気雰囲気中で1000℃×3
0分加熱保持し、その後20〜25℃の水中に5分保持
する。これを1サイクルとして熱遮蔽コーティング層が
剥離するまでの熱サイクル数を求めるものである。表2
にその結果を示す。
This test was conducted at 1000 ° C. × 3 in the air atmosphere.
It is held by heating for 0 minutes and then in water at 20 to 25 ° C. for 5 minutes. By setting this as one cycle, the number of heat cycles until the heat shield coating layer is peeled off is obtained. Table 2
The results are shown in.

【0054】[0054]

【表2】 表2に示すように従来の熱遮蔽コーティングは90〜1
00回の熱サイクルでセラミック層の剥離が生じた。一
方、本発明によるものは220〜310回で剥離が起
り、2倍〜3倍の熱サイクル数が得られた。
[Table 2] As shown in Table 2, the conventional thermal barrier coating has 90 to 1
Delamination of the ceramic layer occurred after 00 thermal cycles. On the other hand, in the case of the present invention, peeling occurred in 220 to 310 times, and the number of thermal cycles of 2 to 3 times was obtained.

【0055】このように本発明による熱遮蔽コーティン
グは、従来の熱遮蔽コーティングに比べ高温酸化性およ
び耐熱衝撃性に優れたものであることが確認できる。
As described above, it can be confirmed that the heat-shielding coating according to the present invention is excellent in high-temperature oxidation resistance and thermal shock resistance as compared with the conventional heat-shielding coating.

【0056】次に本発明の第2の具体例について説明す
る。
Next, a second specific example of the present invention will be described.

【0057】安定化剤濃度の影響を把握するため、本発
明による実施例と従来法による比較例について述べる。
本発明による実施例は、SUS304基材上に結合層と
して23%Co−21%Cr−9%Al−0.7%Y残
部Niからなる合金粉末を減圧プラズマ溶射し、この結
合相に安定化剤Yの組成を変えたセラミックター
ゲット材を用いて、物理蒸着法でセラミック被覆層を1
50μm程度形成した。このようにして得たセラミック
被覆層をX線回析で測定した結果、その結晶は正方晶Z
rOが90%以上からなるものであった。
In order to understand the influence of the stabilizer concentration, examples according to the present invention and comparative examples according to the conventional method will be described.
In the example according to the present invention, an alloy powder consisting of 23% Co-21% Cr-9% Al-0.7% Y balance Ni was used as a bonding layer on a SUS304 base material under reduced pressure plasma spraying to stabilize this bonding phase. Using a ceramic target material in which the composition of the agent Y 2 O 3 is changed, a ceramic coating layer is formed by physical vapor deposition.
The thickness is about 50 μm. As a result of measuring the ceramic coating layer thus obtained by X-ray diffraction, the crystal was found to be tetragonal Z
The rO 2 was 90% or more.

【0058】また比較例は、実施例と同一組成の結合層
を大気プラズマ溶射で形成し、さらにセラミック被覆層
を大気プラズマ溶射で150μm程度形成した。
In the comparative example, a bonding layer having the same composition as that of the example was formed by atmospheric plasma spraying, and a ceramic coating layer was formed by atmospheric plasma spraying to a thickness of about 150 μm.

【0059】このようにして得た実施例および比較例に
よる各セラミック被覆層の一部を取り、湿式分析で安定
化剤の平均濃度を調べ、さらに直径1μmの微小領域に
おける安定化剤の濃度をEPMAで50点測定し、その
濃度を調べた。
A part of each of the ceramic coating layers obtained in the above-described Examples and Comparative Examples was taken, the average concentration of the stabilizer was examined by wet analysis, and the concentration of the stabilizer in the micro area with a diameter of 1 μm was measured. The EPMA was measured at 50 points and the concentration was examined.

【0060】これらの結果を表3および表4に示す。The results are shown in Tables 3 and 4.

【0061】次に、実施例および比較例による各試料
を、200℃の大気雰囲気中(水蒸気分圧=0.02気
圧)および15気圧の水蒸気中で、それぞれ200時間
保持した後、セラミック被覆層の結晶構造をX線回析で
調べ、それぞれ相転移量を評価した。
Next, each of the samples according to the examples and comparative examples was held in an air atmosphere at 200 ° C. (steam partial pressure = 0.02 atm) and steam at 15 atm for 200 hours, respectively, and thereafter, the ceramic coating layer. The crystal structure of was investigated by X-ray diffraction, and the phase transition amount was evaluated for each.

【0062】これらの評価結果もあわせて表3および表
4に示す。
The results of these evaluations are also shown in Tables 3 and 4.

【0063】[0063]

【表3】 [Table 3]

【0064】[0064]

【表4】 表3および表4から明らかなように、実施例によるセラ
ミック被覆層は、いずれも平均濃度が5〜15wt%の
範囲内でああると共に、微小領域における濃度分布も3
〜18wt%の範囲内に入っている。これに対して、比
較例によるセラミック被覆層は、平均濃度については5
〜15wt%の範囲内にあるものの、微小領域における
濃度は、3wt%以下の領域が存在しており、濃度分布
のばらつきが大きいことが分かる。
[Table 4] As is clear from Tables 3 and 4, the ceramic coating layers according to the examples all have an average concentration in the range of 5 to 15 wt% and a concentration distribution in a minute region of 3%.
It falls within the range of ~ 18 wt%. On the other hand, the ceramic coating layer according to the comparative example has an average density of 5
Although it is within the range of ˜15 wt%, it can be seen that the concentration in the minute region has a region of 3 wt% or less, and the concentration distribution varies widely.

【0065】また実施例によるセラミック被覆層は、水
蒸気中による処理後においても、相転移が防止されてお
り、水蒸気腐食に対して優れた耐性を有していることが
わかる。比較例による各セラミック被覆層は、水蒸気中
による処理後において多量の相転移が発生しており、水
蒸気腐食により耐久性が大幅に低下してしまうことが分
かる。
Further, it can be seen that the ceramic coating layers according to the examples are prevented from undergoing phase transition even after the treatment in steam and have excellent resistance to steam corrosion. It can be seen that each ceramic coating layer according to the comparative example undergoes a large amount of phase transition after the treatment in water vapor, and the durability is significantly reduced due to water vapor corrosion.

【0066】これらの結果を踏まえて、基材としてNi
基のインコネル−738を用い、その表面に熱遮熱コー
ティングを施した。
Based on these results, Ni was used as the base material.
A base Inconel-738 was used and the surface was subjected to a thermal barrier coating.

【0067】この皮膜形成は、まず翼を脱脂・洗浄後、
アルミナグリッドを用いてブラストし、23%Co−2
1%Cr−9%Al−0.7%Y残部Niからなる合金
粉末を、20TorrのAr雰囲気手Ar−Heプラズ
マを用いて溶射し、高温酸化・高温腐食に優れた皮膜を
得た。皮膜の厚さは均一で150μm程度である。
This film is formed by first degreasing and cleaning the blade, and then
Blasted using alumina grid, 23% Co-2
An alloy powder consisting of 1% Cr-9% Al-0.7% Y balance Ni was sprayed using an Ar atmosphere hand Ar-He plasma of 20 Torr to obtain a film excellent in high temperature oxidation and high temperature corrosion. The thickness of the film is uniform and is about 150 μm.

【0068】次に、上記Ni Co Cr Al Y層
の上に8%Y−ZrOジルコニア被覆層を形成
した。この形成は、まず真空チャンバー1内において基
材駆動装置9にガスタービン翼を装着するとともに、ル
ツボ4にセラミックターゲット材3として、ジルコニア
被覆層が8%Y−ZrOとなるように9.5%
−ZrOターゲット材を装着した。
Next, an 8% Y 2 O 3 --ZrO 2 zirconia coating layer was formed on the Ni Co Cr Al Y layer. In this formation, first, a gas turbine blade is attached to the substrate driving device 9 in the vacuum chamber 1, and the zirconia coating layer is 8% Y 2 O 3 —ZrO 2 as the ceramic target material 3 in the crucible 4. 9.5%
The Y 2 O 3 -ZrO 2 target material is mounted.

【0069】その後真空チャンバー1内を10-4Pa台
まで真空引きした後、翼を数100℃に加熱しつつ回転
およびチルトさせ、電子ビームで9.5%Y−Z
rOターゲット材を蒸発させた。このとき成膜レート
ほぼ一定にするため、電子ビームの走査を制御した。密
着強度に優れ、かつ化学量論的組成もったセラミック皮
膜を形成するために、反応ガスとして酸素を導入し、さ
らに翼を数100℃に加熱して皮膜の形成を行った。得
られた膜厚は100μm程度であった。
After that, the inside of the vacuum chamber 1 was evacuated to the level of 10 −4 Pa, and then the blade was rotated and tilted while being heated to several 100 ° C., and was electron beam irradiated with 9.5% Y 2 O 3 —Z.
The rO 2 target material was evaporated. At this time, the scanning of the electron beam was controlled in order to keep the film formation rate almost constant. In order to form a ceramic film having excellent adhesion strength and stoichiometric composition, oxygen was introduced as a reaction gas, and the blade was heated to several 100 ° C. to form the film. The obtained film thickness was about 100 μm.

【0070】このようにして製作した翼について、従来
品と比較するために組成分析、X線回析および酸化試験
を行った。従来品は、上記と同じ翼材および被覆材を用
い、両皮膜とも大気プラズマ溶射で製作したものであ
り、皮膜の厚さも同じにした。
The blade thus manufactured was subjected to composition analysis, X-ray diffraction and oxidation test for comparison with the conventional product. The conventional product uses the same blade material and coating material as described above, and both coatings are manufactured by atmospheric plasma spraying, and the coating thicknesses are the same.

【0071】表5にミクロ分析結果、表6にX線回析結
果を示す。
Table 5 shows the results of micro analysis and Table 6 shows the results of X-ray diffraction.

【0072】[0072]

【表5】 [Table 5]

【0073】[0073]

【表6】 すなわち、従来の熱遮熱コーティングはミクロ的組成が
大きくばらついており、単斜晶ジルコニアも存在する。
一方、本発明による熱遮熱コーティングは、組成のばら
つきも小さく、結晶も正方晶のみである。
[Table 6] That is, the conventional thermal barrier coating has a large variation in microscopic composition, and monoclinic zirconia is also present.
On the other hand, the thermal barrier coating according to the present invention has a small variation in composition and has only tetragonal crystals.

【0074】次に酸化試験を行った。試験は900℃、
1000℃、1100℃の温度で120時間大気雰囲気
に保持した後、セラミック皮膜の割れや剥離状況を看察
するものであり、表7に酸化試験結果を示す。
Next, an oxidation test was conducted. The test is 900 ℃,
After being kept in the air atmosphere at a temperature of 1000 ° C. and 1100 ° C. for 120 hours, the state of cracking and peeling of the ceramic coating is observed, and Table 7 shows the oxidation test results.

【0075】[0075]

【表7】 すなわち、従来の熱遮熱コーティングはすべて1000
℃以上(120時間保持)でセラミック被覆層が剥離し
た。一方、本発明の熱遮熱コーティングは外観的になん
らの損傷も認められなかった。
[Table 7] That is, the conventional thermal barrier coatings are all 1000
The ceramic coating layer was peeled off at a temperature of not less than ° C (holding for 120 hours). On the other hand, the thermal barrier coating of the present invention did not show any damage in appearance.

【0076】次に、上記と同じように製作した試験片を
用いて、熱サイクル試験を行った。この試験は、大気雰
囲気中で1000℃×30分加熱保持し、その後20〜
25℃の水中に5分保持する。これを1サイクルとして
熱遮熱コーティング層が剥離するまでの熱サイクル数を
求めるものである。表8にその結果を示す。
Next, a thermal cycle test was conducted using a test piece manufactured as described above. This test is performed by heating and holding at 1000 ° C. for 30 minutes in the air atmosphere, and then 20-
Hold in water at 25 ° C for 5 minutes. This is set as one cycle, and the number of thermal cycles until the thermal barrier coating layer is peeled off is obtained. Table 8 shows the results.

【0077】[0077]

【表8】 表8に示すように従来の熱遮蔽コーティングは79〜1
05回の熱サイクルでセラミック層の剥離が生じた。
[Table 8] As shown in Table 8, the conventional heat-shielding coating is 79-1.
Delamination of the ceramic layer occurred after 05 thermal cycles.

【0078】一方、本発明品によるものは290〜33
5回で剥離が起こり約3倍の熱サイクル数が得られた。
On the other hand, according to the product of the present invention, 290 to 33
Peeling occurred at 5 times and the number of thermal cycles about 3 times was obtained.

【0079】このように本発明による熱遮蔽コーティン
グは、従来の熱遮蔽コーティングに比べ高温酸化性およ
び耐熱衝撃性に優れたものであることが確認できる。
As described above, it can be confirmed that the heat-shielding coating according to the present invention is excellent in high temperature oxidation resistance and thermal shock resistance as compared with the conventional heat-shielding coating.

【0080】[0080]

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、Ni,
Co,Feの少なくとも1つを主成分として構成された
基材の表面に、Ni,Coの少なくとも一方にCr,A
lを含んだものと、さらにHf,Ta,Y,Si,Zr
のいずれか1つもしくはそれらの組合わせとからなる結
合層を形成する工程と、ZrOの主成分としCaO,
MgO,Yのいずれか1つもしくはそれらの組合
わせからなるセラミックを蒸発・イオン化して上記合金
の結合層上に被覆する工程とを有するので、イオン化し
たセラミック材の基材への衝突等によって皮膜形成エネ
ルギーが大きくなり、強い方向性と緻密な組織をもち、
密着強度に優れ、化学量論的組成を有したセラミック皮
膜を形成することができ、長時間にわたって安定した、
割れや剥離の起りにくい熱遮蔽コーティングを得ること
ができる。
As described above, according to the present invention, Ni,
On the surface of a base material composed mainly of at least one of Co and Fe, and at least one of Cr and A of Ni and Co.
including l, Hf, Ta, Y, Si, Zr
A step of forming a bonding layer consisting of any one of them or a combination thereof, and CaO containing ZrO 2 as a main component.
And a step of evaporating and ionizing a ceramic made of any one of MgO and Y 2 O 3 or a combination thereof to coat the bonding layer of the above alloy with the ceramic. Etc., the film formation energy increases, and it has a strong directionality and a dense structure,
Excellent adhesion strength, capable of forming a ceramic coating with stoichiometric composition, stable for a long time,
It is possible to obtain a heat-shielding coating that is unlikely to crack or peel.

【0081】しかも、安定化剤濃度を平均濃度と共に、
微小領域における濃度分布で管理することにより、機械
的強度に優れ、かつ耐水蒸気腐食性に極めて優れたセラ
ミックコーティング膜を提供することができる。
Moreover, the stabilizer concentration together with the average concentration,
By controlling the concentration distribution in the minute region, it is possible to provide a ceramic coating film having excellent mechanical strength and extremely excellent steam corrosion resistance.

【0082】また、結晶粒度と安定化剤濃度分布を管理
したセラミックターゲット材を用いて、物理蒸着法でセ
ラミックコーティング膜を形成するので、セラミック被
覆層の安定化剤含有量がミクロ的に均一組成となり、よ
り安定化させることができる。
Further, since the ceramic coating film is formed by the physical vapor deposition method using the ceramic target material in which the crystal grain size and the stabilizer concentration distribution are controlled, the stabilizer content of the ceramic coating layer has a microscopically uniform composition. And can be more stabilized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の製造方法に係わるセラミック被覆装置
の概略構成図。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a ceramic coating device according to a manufacturing method of the present invention.

【図2】電子ビーム発生装置と電子ビーム走査装置の制
御系統図。
FIG. 2 is a control system diagram of an electron beam generator and an electron beam scanning device.

【図3】ルツボ加熱手段の一例を示す図。FIG. 3 is a diagram showing an example of crucible heating means.

【図4】(a),(b),(c)はそれぞれ基材加熱手
段の例を示す図。
4A, 4B, and 4C are views showing examples of a base material heating unit.

【図5】ガスタービン翼の外観図。FIG. 5 is an external view of a gas turbine blade.

【図6】本発明による熱遮蔽コーティングの断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of a thermal barrier coating according to the present invention.

【図7】従来の方法による熱遮蔽コーティングの断面
図。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional thermal barrier coating.

【図8】ジルコニアターゲット材のY量と被膜の
量との関係を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the Y 2 O 3 content of a zirconia target material and the Y 2 O 3 content of a coating film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 真空チャンバ 2 真空排気装置 3 ルツボ 4 電子ビーム発生装置 5 電子ビーム走査装置 6 熱電子発生装置 7 熱電子加速装置 8 イオン化電流検出装置 9 成膜レート検出装置 11 基材駆動装置 12 耐熱合金部材 16 ガス流量制御装置 17 ルツボ抵抗加熱装置 25 翼基材 26 結合層 27 セラミック層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 vacuum chamber 2 evacuation device 3 crucible 4 electron beam generator 5 electron beam scanning device 6 thermoelectron generator 7 thermoelectron accelerator 8 ionization current detector 9 film formation rate detector 11 substrate driving device 12 heat resistant alloy member 16 Gas flow rate control device 17 Crucible resistance heating device 25 Blade base material 26 Bonding layer 27 Ceramic layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C23C 14/32 Z 8414−4K A 8414−4K (72)発明者 渡 辺 道 男 東京都府中市東芝町1番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 吉 倉 紅 子 東京都府中市東芝町1番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 本 多 啓 三 神奈川県横浜市鶴見区末広町2丁目4番地 株式会社東芝京浜事業所内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Reference number within the agency FI Technical display location C23C 14/32 Z 8414-4K A 8414-4K (72) Inventor Michio Watanabe Tokyo Fuchu City Toshiba Town No. 1 at Fuchu Factory, Toshiba Co. (72) Inventor Akiko Yoshikura No. 1 at Toshiba Town, Fuchu City, Tokyo Inside Fuchu Factory, Toshiba Co., Ltd. (72) Keizo Honda Suehiro-cho, Tsurumi-ku, Yokohama 2-4, Toshiba Keihin Office

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】Ni,Co,Feの少なくとも1つを主成
分として構成された基材の表面に、Ni,Coの少なく
とも一方にCr,Alを含んだものと、さらにHf,T
a,Y,Si,Zrのいずれか1つもしくはそれらの組
合わせとからなる結合層を形成する工程と、ZrO
主成分としCaO,MgO,Yのいずれか1つも
しくはそれらの組合わせからなるセラミック材を蒸発・
イオン化して上記合金の結合層上に被覆する工程とを有
することを特徴とするセラミック被覆の製造方法。
1. A substrate containing at least one of Ni, Co and Fe containing Cr and Al on at least one of Ni, Co and Fe as a main component, and Hf and T.
a step of forming a bonding layer composed of any one of a, Y, Si and Zr or a combination thereof, and any one of CaO, MgO and Y 2 O 3 containing ZrO 2 as a main component or a combination thereof. Evaporate a combination of ceramic materials
Ionizing and coating on the bonding layer of the above alloy.
【請求項2】前記合金の結合層を形成する工程は、A
r,He,H,Nのいずれか1つもしくはそれらを
組合わせた1気圧以下の雰囲気でプラズマ溶射する工程
を有し、前記セラミックを被覆する工程は、セラミック
材を蒸発する工程、熱電子発生装置と熱電子加速装置に
よって蒸発したセラミック粒子をイオン化する工程、反
応ガスを導入する工程、前記基材を加熱する工程、前記
基材に電圧を印加する工程とを有することを特徴とす
る、請求項1記載のセラミック被覆の製造方法。
2. The step of forming a bonding layer of the alloy comprises:
r, the He, comprising the step of plasma spraying in either one or 1 atm following atmosphere let them combined in H 2, N 2, the step of coating the ceramic comprises the steps of evaporating a ceramic material, thermal It has a step of ionizing the ceramic particles evaporated by an electron generator and a thermoelectron accelerator, a step of introducing a reaction gas, a step of heating the base material, and a step of applying a voltage to the base material. A method for producing a ceramic coating according to claim 1.
【請求項3】成膜レート検出装置或はイオン化電流検出
装置の1つまたは両者からの信号により、電子ビーム発
生装置の電子ビーム電流及び電子ビーム走査、或はルツ
ボ抵抗加熱が制御されることを特徴とする、請求項1記
載のセラミック被覆の製造方法。
3. An electron beam current and an electron beam scan of an electron beam generator or a crucible resistance heating are controlled by a signal from one or both of a film forming rate detector and an ionization current detector. A method for producing a ceramic coating according to claim 1, characterized in that
【請求項4】基材は、基材抵抗加熱装置、ランプ加熱装
置、高周波加熱装置、電子ビーム加熱装置のいずれか1
つもしくはそれらの組合わせによって加熱されることを
特徴とする、請求項2記載のセラミック被覆の製造方
法。
4. The substrate is one of a substrate resistance heating device, a lamp heating device, a high frequency heating device, and an electron beam heating device.
The method for producing a ceramic coating according to claim 2, wherein the heating is performed by one or a combination thereof.
【請求項5】セラミック被覆は物理蒸着法で形成し、そ
の被覆は正方晶を90%以上含み、被覆中における安定
化剤Yの平均濃度が5〜15wt%の範囲であ
り、かつ微小領域における濃度が3〜18wt%の間に
分布するようにしたことを特徴とする、請求項1記載の
セラミック被覆の製造方法。
5. The ceramic coating is formed by physical vapor deposition, the coating contains 90% or more of tetragonal crystals, and the average concentration of the stabilizer Y 2 O 3 in the coating is in the range of 5 to 15 wt%, and The method for producing a ceramic coating according to claim 1, wherein the concentration in the minute region is distributed between 3 and 18 wt%.
【請求項6】セラミック粒子を蒸発させるセラミック材
は、安定化剤Yの平均濃度が5〜20wt%の範
囲であることを特徴とする、請求項1記載のセラミック
被覆の製造方法。
6. The method for producing a ceramic coating according to claim 1, wherein the ceramic material for evaporating the ceramic particles has an average concentration of the stabilizer Y 2 O 3 in the range of 5 to 20 wt%.
【請求項7】セラミック材は、その粒度が0.1〜2μ
mの粒度分布をもち、かつ結晶粒内のY含有量が
5〜20wt%であることを特徴とする、請求項1記載
のセラミック被覆の製造方法。
7. The ceramic material has a grain size of 0.1 to 2 .mu.m.
The method for producing a ceramic coating according to claim 1, wherein the method has a particle size distribution of m and the Y 2 O 3 content in the crystal grains is 5 to 20 wt%.
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