JPH0754603A - ガスタービン翼、ガスタービン用高温材料、およびその製造方法 - Google Patents
ガスタービン翼、ガスタービン用高温材料、およびその製造方法Info
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- JPH0754603A JPH0754603A JP19965893A JP19965893A JPH0754603A JP H0754603 A JPH0754603 A JP H0754603A JP 19965893 A JP19965893 A JP 19965893A JP 19965893 A JP19965893 A JP 19965893A JP H0754603 A JPH0754603 A JP H0754603A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高温の使用条件の下で基材上に設けられたセ
ラミックス層の剥離を確実に防止することができるガス
タービン用高温材料およびその製造方法を提供する。 【構成】 ＮｉあるいはＣｏのいずれかを主成分とする
基材１上に、ＮｉあるいはＣｏのいずれかあるいはその
両方を主成分とし、更にＣｒとＡｌを含みむボンド層２
を成形する。ボンド層２上にＡｌを拡散させ、その後拡
散されたＡｌを拡散を酸化処理して、予めＡｌ酸化物層
３を形成する。このＡｌ酸化物層３上に、セラミックス
層４を形成する。
ラミックス層の剥離を確実に防止することができるガス
タービン用高温材料およびその製造方法を提供する。 【構成】 ＮｉあるいはＣｏのいずれかを主成分とする
基材１上に、ＮｉあるいはＣｏのいずれかあるいはその
両方を主成分とし、更にＣｒとＡｌを含みむボンド層２
を成形する。ボンド層２上にＡｌを拡散させ、その後拡
散されたＡｌを拡散を酸化処理して、予めＡｌ酸化物層
３を形成する。このＡｌ酸化物層３上に、セラミックス
層４を形成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高温腐食環境下で用い
られるガスタービン翼、ガスタービン用高温材料、およ
びその製造方法に関する。
られるガスタービン翼、ガスタービン用高温材料、およ
びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に発電用ガスタービンプラントの発
電効率を向上させるためには、ガスタービンの作動ガス
の高温化、すなわちプラントの高温化技術が不可欠とな
る。これらの技術的観点から高温部材、特にガスタービ
ンの動翼及び静翼を構成する材料の耐熱温度を高める努
力が従来から行われている。耐熱温度を高める方法とし
て、高温材料すなわち高温用耐熱合金の開発が継続的に
なされている。しかしながら高温材料の耐熱温度は８５
０℃程度が限界であり、特に発電用ガスタービンプラン
トにおける高温酸化や高温腐食を考慮すると、高温用耐
熱合金における寿命は十分ではない。
電効率を向上させるためには、ガスタービンの作動ガス
の高温化、すなわちプラントの高温化技術が不可欠とな
る。これらの技術的観点から高温部材、特にガスタービ
ンの動翼及び静翼を構成する材料の耐熱温度を高める努
力が従来から行われている。耐熱温度を高める方法とし
て、高温材料すなわち高温用耐熱合金の開発が継続的に
なされている。しかしながら高温材料の耐熱温度は８５
０℃程度が限界であり、特に発電用ガスタービンプラン
トにおける高温酸化や高温腐食を考慮すると、高温用耐
熱合金における寿命は十分ではない。
【０００３】また、さらに高温耐久性を向上させる目的
から、高温材料としてセラミックスが検討され、種々の
研究成果をあげている。しかしながら、高温回転体であ
るガスタービンの動翼、および飛来する粒子に対する対
称撃性が要求される静翼では、耐力性に問題があり、本
格的に実用化されていない。
から、高温材料としてセラミックスが検討され、種々の
研究成果をあげている。しかしながら、高温回転体であ
るガスタービンの動翼、および飛来する粒子に対する対
称撃性が要求される静翼では、耐力性に問題があり、本
格的に実用化されていない。
【０００４】そこで、高温化対応の別の方策として、高
温材料表面を被覆する方法が注目された。特に高温材料
表面に熱伝導等の小さいセラミックス層をコーティング
する熱遮蔽コーティング（Thermal Barrier Coating 、
以下ＴＢＣと称す）は、合金系材料の実質温度を抑制で
き、かつガスタービンの高温化に対応できるので、多く
の研究がなされている。セラミックス層の熱遮蔽効果
は、５０〜１００℃程度という研究報告がなされてい
る。しかしながら、ＴＢＣはガスタービンプラントの燃
焼器において主に用いられているが、研究の数の割りに
は実例が限られている。特にガスタービンの動翼では、
殆ど適用の例が認められない。このことはＴＢＣの技術
な課題に基づく事象が原因である、といわれている。す
なわち、遮熱特性を有するセラミックス層、（一般にＺ
ｒＯ2 （ジルコニア）を主成分とし、ＭｇＯ、Ｙ
2 Ｏ3 、Ｃｅ2 Ｏ3 等を適宜添付したセラミックス層）
は、基材を構成する耐熱合金（一般にＮｉ基あるいはＣ
ｏ基のもので、材料の特性要求からＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔ
ｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ等が適宜添加されている）
との物性値が異なるので、セラミックス層のコーティン
グを信頼性高く形成することが難しい。そこで従来の研
究者は、セラミックス層と耐熱合金からなる基材との間
に、金属材料からなるボンド層を設けることを見出だし
た。
温材料表面を被覆する方法が注目された。特に高温材料
表面に熱伝導等の小さいセラミックス層をコーティング
する熱遮蔽コーティング（Thermal Barrier Coating 、
以下ＴＢＣと称す）は、合金系材料の実質温度を抑制で
き、かつガスタービンの高温化に対応できるので、多く
の研究がなされている。セラミックス層の熱遮蔽効果
は、５０〜１００℃程度という研究報告がなされてい
る。しかしながら、ＴＢＣはガスタービンプラントの燃
焼器において主に用いられているが、研究の数の割りに
は実例が限られている。特にガスタービンの動翼では、
殆ど適用の例が認められない。このことはＴＢＣの技術
な課題に基づく事象が原因である、といわれている。す
なわち、遮熱特性を有するセラミックス層、（一般にＺ
ｒＯ2 （ジルコニア）を主成分とし、ＭｇＯ、Ｙ
2 Ｏ3 、Ｃｅ2 Ｏ3 等を適宜添付したセラミックス層）
は、基材を構成する耐熱合金（一般にＮｉ基あるいはＣ
ｏ基のもので、材料の特性要求からＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔ
ｉ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ等が適宜添加されている）
との物性値が異なるので、セラミックス層のコーティン
グを信頼性高く形成することが難しい。そこで従来の研
究者は、セラミックス層と耐熱合金からなる基材との間
に、金属材料からなるボンド層を設けることを見出だし
た。
【０００５】ボンド層は基材合金とセラミックス層との
物性差を緩和するものとしてＮｉ又はＣｏを主成分と
し、Ｃｒ、Ａｌ、さらに添加元素として、Ｙ、Ｈｆ、Ｔ
ａ、Ｓｉ等を適宜添加した、いわゆるＭＣｒＡｌＹ系合
金（Ｍ： Ｎｉ ｏｒ Ｃｏｏｒ Ｎｉ／Ｃｏ）が選定
されている。
物性差を緩和するものとしてＮｉ又はＣｏを主成分と
し、Ｃｒ、Ａｌ、さらに添加元素として、Ｙ、Ｈｆ、Ｔ
ａ、Ｓｉ等を適宜添加した、いわゆるＭＣｒＡｌＹ系合
金（Ｍ： Ｎｉ ｏｒ Ｃｏｏｒ Ｎｉ／Ｃｏ）が選定
されている。
【０００６】一般にＴＢＣを構成するセラミックス層
は、プラズマ溶接法によって形成される。これは、セラ
ミックス層の遮熱効果を得るためには、溶射被膜の多孔
質な構造が適していること、さらに多孔質のため使用中
のきびしい熱サイクルに対し空孔やマイクロクラックが
熱応力緩和効果を発揮するためである。なお、D,J,Wort
man 他：Thermal Barrier Coating for Gas Turbine US
A,Materials Science and Engineeriy,A121(1989)433-4
40の研究成果からセラミックス層のポロシティは１０〜
１５％程度が適していると言われている。このセラミッ
クス層をＭＣｒＡｌＹ系合金からなるボンド層上に形成
することによりＴＢＣが完成する。
は、プラズマ溶接法によって形成される。これは、セラ
ミックス層の遮熱効果を得るためには、溶射被膜の多孔
質な構造が適していること、さらに多孔質のため使用中
のきびしい熱サイクルに対し空孔やマイクロクラックが
熱応力緩和効果を発揮するためである。なお、D,J,Wort
man 他：Thermal Barrier Coating for Gas Turbine US
A,Materials Science and Engineeriy,A121(1989)433-4
40の研究成果からセラミックス層のポロシティは１０〜
１５％程度が適していると言われている。このセラミッ
クス層をＭＣｒＡｌＹ系合金からなるボンド層上に形成
することによりＴＢＣが完成する。
【０００７】またＭＣｒＡｌＹ系合金からなるボンド層
も、セラミックス層と同様、一般に溶射法によって形成
される。特にＴＢＣ開発の初期において、ボンド層は大
気中でセラミックス層と同様に成膜された。しかしなが
ら、その後の、溶接冶金シンポジウム「厚膜形成による
硬度試料機能化」1990-12-19（社）溶接学会 溶接冶金
研究委員会 ｐ51の研究において、大気中でＭＣｒＡｌ
Ｙ系ボンド層を形成するとボンド層中のＡｌ元素が成膜
中に酸化され、消耗してしまうことが判明した。また、
その後の使用環境下で、セラミックス層が供給する酸素
によってボンド層表面に厚膜のＣｒ2 Ｏ3 系酸化物が生
成し、これが新たな熱応力発生源となってＴＢＣの新規
寿命を短くしてしまうことも明らかとなった。
も、セラミックス層と同様、一般に溶射法によって形成
される。特にＴＢＣ開発の初期において、ボンド層は大
気中でセラミックス層と同様に成膜された。しかしなが
ら、その後の、溶接冶金シンポジウム「厚膜形成による
硬度試料機能化」1990-12-19（社）溶接学会 溶接冶金
研究委員会 ｐ51の研究において、大気中でＭＣｒＡｌ
Ｙ系ボンド層を形成するとボンド層中のＡｌ元素が成膜
中に酸化され、消耗してしまうことが判明した。また、
その後の使用環境下で、セラミックス層が供給する酸素
によってボンド層表面に厚膜のＣｒ2 Ｏ3 系酸化物が生
成し、これが新たな熱応力発生源となってＴＢＣの新規
寿命を短くしてしまうことも明らかとなった。
【０００８】これらのことを背景として、ＴＢＣのボン
ド層としては、ＭＣｒＡｌＹ系合金からなるボンド層を
成膜する際にＡｌが損耗されずに保存されるよう、不活
性ガス雰囲気下でプラズマ溶付あるいは真空蒸着法によ
ってボンド層を成膜することが一般的となっている（D,
J,Wortman 他：Thermal Barrier Coating for Gas Turb
ine USA,Materials Science and Engineeriy,A121(198
9)433-440）。また、セラミックス層の成膜の際も溶射
法による多孔質被膜の代りに、真空蒸着法によって粗大
な柱状晶を形成させて、柱状晶間の応力緩和を利用する
方法も提案されている（S,Manning Meier 他：The Evol
ution of Thermal Bsrrier Cotings in Gas Turbine Ap
plcations,92-GT-206,ASME）。
ド層としては、ＭＣｒＡｌＹ系合金からなるボンド層を
成膜する際にＡｌが損耗されずに保存されるよう、不活
性ガス雰囲気下でプラズマ溶付あるいは真空蒸着法によ
ってボンド層を成膜することが一般的となっている（D,
J,Wortman 他：Thermal Barrier Coating for Gas Turb
ine USA,Materials Science and Engineeriy,A121(198
9)433-440）。また、セラミックス層の成膜の際も溶射
法による多孔質被膜の代りに、真空蒸着法によって粗大
な柱状晶を形成させて、柱状晶間の応力緩和を利用する
方法も提案されている（S,Manning Meier 他：The Evol
ution of Thermal Bsrrier Cotings in Gas Turbine Ap
plcations,92-GT-206,ASME）。
【０００９】これらの最近のＴＢＣ技術を総括すると、
セラミックス層は熱遮蔽性及び耐熱衝撃性を考慮した成
膜法により形成され、ボンド層はＡｌの損耗を起さない
よう不活性ガス中、あるいは真空中での成膜法により形
成される。しかしながら、このようにして形成されたＴ
ＢＣでも、満足した剥離寿命が得られないことがある。
例えば、ＺｒＯ2 に８％Ｙ2 Ｏ3 を添加したセラミック
ス層（大気溶射によって成膜）とＣｏに２９％Ｃｒ、６
％Ａｌ、１％Ｙを添加したボンド層（不活性ガス雰囲気
中でプラズマ溶射）からなるＴＢＣをガスタービンの動
翼に成膜して実環境で回転試検を行なったところ、所定
の１００サイクル合計５００時間の耐久試検で剥離が多
発した。
セラミックス層は熱遮蔽性及び耐熱衝撃性を考慮した成
膜法により形成され、ボンド層はＡｌの損耗を起さない
よう不活性ガス中、あるいは真空中での成膜法により形
成される。しかしながら、このようにして形成されたＴ
ＢＣでも、満足した剥離寿命が得られないことがある。
例えば、ＺｒＯ2 に８％Ｙ2 Ｏ3 を添加したセラミック
ス層（大気溶射によって成膜）とＣｏに２９％Ｃｒ、６
％Ａｌ、１％Ｙを添加したボンド層（不活性ガス雰囲気
中でプラズマ溶射）からなるＴＢＣをガスタービンの動
翼に成膜して実環境で回転試検を行なったところ、所定
の１００サイクル合計５００時間の耐久試検で剥離が多
発した。
【００１０】これに対し、ＴＢＣの剥離寿命を改善する
ための方法として、大きくわけて２つの技術開発の流れ
がある。一つの方法は、熱サイクル負荷時に発生する熱
応力を緩和するため、セラミックス層とボンド層の中間
に混合層を設けたり、あるいは組成がセラミックス層か
らボンド層に向って傾斜するように配慮した中間層をセ
ラミックス層とボンド層の間に設ける方法である。これ
らについても、D,S,Duvall他：Ceramic ThermalBarrier
Coatings for Turbine Engine Components,82-GT-322,
ASMEの研究報告や特許出願（特開平3-20451 1989-6-1
6 出願）等が出されているが必ずしも効果を発揮してい
ない。すなわち単に混合層を設けても混合層の直下には
セラミックス層から供給された酸素が容易に運ばれるた
め、ボンド層表面の酸化を促進する結果となり、セラミ
ックス層が剥離することがある。また、混合層あるいは
傾斜組成の中間層とセラミックス層の中間に、さらに酸
素供給を避けるためＭＣｒＡｌＹ等かなる合金層を設け
る方法（特開平3-20451 1989-6-16 出願）もあるが、こ
の場合はＴＢＣ形成が非常に複雑化し、実用上困難とな
る。またこのＭＣｒＡｌＹ等からなる合金層を設ける方
法では、セラミックス層直下に新たに設けたＭＣｒＡｌ
Ｙからなる中間層へ酸素が容易に供給されるため、この
部分で著しい酸化が生じこれに起因する熱応力のため、
ＴＢＣの剥離寿命の改善は難しい。
ための方法として、大きくわけて２つの技術開発の流れ
がある。一つの方法は、熱サイクル負荷時に発生する熱
応力を緩和するため、セラミックス層とボンド層の中間
に混合層を設けたり、あるいは組成がセラミックス層か
らボンド層に向って傾斜するように配慮した中間層をセ
ラミックス層とボンド層の間に設ける方法である。これ
らについても、D,S,Duvall他：Ceramic ThermalBarrier
Coatings for Turbine Engine Components,82-GT-322,
ASMEの研究報告や特許出願（特開平3-20451 1989-6-1
6 出願）等が出されているが必ずしも効果を発揮してい
ない。すなわち単に混合層を設けても混合層の直下には
セラミックス層から供給された酸素が容易に運ばれるた
め、ボンド層表面の酸化を促進する結果となり、セラミ
ックス層が剥離することがある。また、混合層あるいは
傾斜組成の中間層とセラミックス層の中間に、さらに酸
素供給を避けるためＭＣｒＡｌＹ等かなる合金層を設け
る方法（特開平3-20451 1989-6-16 出願）もあるが、こ
の場合はＴＢＣ形成が非常に複雑化し、実用上困難とな
る。またこのＭＣｒＡｌＹ等からなる合金層を設ける方
法では、セラミックス層直下に新たに設けたＭＣｒＡｌ
Ｙからなる中間層へ酸素が容易に供給されるため、この
部分で著しい酸化が生じこれに起因する熱応力のため、
ＴＢＣの剥離寿命の改善は難しい。
【００１１】他方、ＴＢＣの剥離寿命を改善するため
に、内部応力発生上問題となるセラミックス層とボンド
層の中間に生ずる酸化層を制御する方法が検討されてい
る。その第１の方法はPreoxidation（以下、予備酸化）
と呼ばれる方法である。この方法はセラミックス層とボ
ンド層とからなるＴＢＣを形成したのちに、大気中にお
いて７００〜１２００℃の温度範囲で１〜５０時間保持
するものであり、この酸化熱処理によりボンド層表面に
酸化膜を形成させセラミックス層とボンド層の密着力を
単にボンド層に対する機械的結合力のみならず酸化膜と
の化学的結合力からも得ようとするものである（特開昭
62-210327 1986-3-12 出願）。
に、内部応力発生上問題となるセラミックス層とボンド
層の中間に生ずる酸化層を制御する方法が検討されてい
る。その第１の方法はPreoxidation（以下、予備酸化）
と呼ばれる方法である。この方法はセラミックス層とボ
ンド層とからなるＴＢＣを形成したのちに、大気中にお
いて７００〜１２００℃の温度範囲で１〜５０時間保持
するものであり、この酸化熱処理によりボンド層表面に
酸化膜を形成させセラミックス層とボンド層の密着力を
単にボンド層に対する機械的結合力のみならず酸化膜と
の化学的結合力からも得ようとするものである（特開昭
62-210327 1986-3-12 出願）。
【００１２】その後の綿密な研究によれば、ＭＣｒＡｌ
Ｙからなるボンド層を単に予備酸化しても得られる中間
の酸化層は単にＡｌ酸化物からなるものではなく、ＭＣ
ｒＡｌＹ中に多量に含まれるＣｒ酸化物との混合体とな
ることが判明した（W,Lihs：Eftects of Band Coat Pre
oxidation on the Properties of ＺｒＯ2 −８wt％Ｙ
2 Ｏ3 ／Ｎｉ−２２Ｃｒ−１０Ａｌ−Ｙ Thermal-Bsrr
ier Cotings,Oxidation of Metals,Vol.36,Nos,3 4,199
1 ）。したがって、ボンド層を不活性ガス雰囲気中でプ
ラズマ溶射して成膜した予備酸化のないＴＢＣに対して
は、あまり著しい効果が得られないことが明らかとなっ
ている。この結果は前述の予備酸化を用いた（特許出願
特開昭62-210327 1986-3-12 出願）の明細書中の実施
例とも一致する。大気溶射を用いたボンド層からなるＴ
ＢＣに対する効果は明らかであるが不活性ガス中のプラ
ズマ溶射を用いたボンド層からなるＴＢＣに対しては、
予備酸化は明瞭な効果を発揮できない。
Ｙからなるボンド層を単に予備酸化しても得られる中間
の酸化層は単にＡｌ酸化物からなるものではなく、ＭＣ
ｒＡｌＹ中に多量に含まれるＣｒ酸化物との混合体とな
ることが判明した（W,Lihs：Eftects of Band Coat Pre
oxidation on the Properties of ＺｒＯ2 −８wt％Ｙ
2 Ｏ3 ／Ｎｉ−２２Ｃｒ−１０Ａｌ−Ｙ Thermal-Bsrr
ier Cotings,Oxidation of Metals,Vol.36,Nos,3 4,199
1 ）。したがって、ボンド層を不活性ガス雰囲気中でプ
ラズマ溶射して成膜した予備酸化のないＴＢＣに対して
は、あまり著しい効果が得られないことが明らかとなっ
ている。この結果は前述の予備酸化を用いた（特許出願
特開昭62-210327 1986-3-12 出願）の明細書中の実施
例とも一致する。大気溶射を用いたボンド層からなるＴ
ＢＣに対する効果は明らかであるが不活性ガス中のプラ
ズマ溶射を用いたボンド層からなるＴＢＣに対しては、
予備酸化は明瞭な効果を発揮できない。
【００１３】さらに予備酸化の効果を明瞭にするため
に、ボンド層の表面にＡｌ元素を拡散浸透法等で投入
し、その後同様に予備酸化する方法が提案された（S,F,
Changs：ＺｒＯ2 ／Pack-aluminixes Ｃｏ−２９Ｃｒ−
６Ａｌ−１Ｙ Thermal Barriercoatings,J,Vac,Sci,Te
chnol,A9(4)Jul ／Ang,1991）。しかし、ここにおいて
も予備酸化の効果は１０７５℃以上の高温て確認された
が、１０００℃〜１０５０℃領域ではあまり明瞭とは言
えない程度のものであった。
に、ボンド層の表面にＡｌ元素を拡散浸透法等で投入
し、その後同様に予備酸化する方法が提案された（S,F,
Changs：ＺｒＯ2 ／Pack-aluminixes Ｃｏ−２９Ｃｒ−
６Ａｌ−１Ｙ Thermal Barriercoatings,J,Vac,Sci,Te
chnol,A9(4)Jul ／Ang,1991）。しかし、ここにおいて
も予備酸化の効果は１０７５℃以上の高温て確認された
が、１０００℃〜１０５０℃領域ではあまり明瞭とは言
えない程度のものであった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】以上のようにＴＢＣの
剥離寿命を改善するため多くの研究開発が行われている
が、現在のところ有効な成果は得られていないのが実状
である。このため、ＴＢＣの剥離寿命は現在のところ十
分なものではなく、特にガスタービン動翼および静翼の
ように高い信頼性が求められる材料へのＴＢＣの適用は
むずかしい。特にＴＢＣ技術において、セラミックス層
が酸素を供給するので、ボンド層とセラミックス層との
間に酸素層が形成されることは避けられず、供給酸素が
存在することを前提にガスタービン用高温材料の剥離寿
命の改善等を検討しなければならない。
剥離寿命を改善するため多くの研究開発が行われている
が、現在のところ有効な成果は得られていないのが実状
である。このため、ＴＢＣの剥離寿命は現在のところ十
分なものではなく、特にガスタービン動翼および静翼の
ように高い信頼性が求められる材料へのＴＢＣの適用は
むずかしい。特にＴＢＣ技術において、セラミックス層
が酸素を供給するので、ボンド層とセラミックス層との
間に酸素層が形成されることは避けられず、供給酸素が
存在することを前提にガスタービン用高温材料の剥離寿
命の改善等を検討しなければならない。
【００１５】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、セラミックス層から供給される酸素によっ
てセラミックス層とボンド層との間に生じる酸化物層に
よる熱応力の増大を抑制することができるガスタービン
翼、ガスタービン用高温材料、およびその製造方法を提
供することを目的とする。
ものであり、セラミックス層から供給される酸素によっ
てセラミックス層とボンド層との間に生じる酸化物層に
よる熱応力の増大を抑制することができるガスタービン
翼、ガスタービン用高温材料、およびその製造方法を提
供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
ＮｉあるいはＣｏのいずれかを主成分とする基材と、こ
の基材上に設けられたＮｉあるいはＣｏのいずれかある
いはその両方を主成分とするとともに更にＣｒとＡｌを
含み、前記基材より耐熱性および耐酸化性に優れたボン
ド層と、このボンド層上に設けられたセラミックス層と
を備え、前記ボンド層と前記セラミックス層との間に、
酸化熱処理により形成されたＡｌ酸化物を主成分とする
酸化物層を介在させたことを特徴とするガスタービン翼
である。
ＮｉあるいはＣｏのいずれかを主成分とする基材と、こ
の基材上に設けられたＮｉあるいはＣｏのいずれかある
いはその両方を主成分とするとともに更にＣｒとＡｌを
含み、前記基材より耐熱性および耐酸化性に優れたボン
ド層と、このボンド層上に設けられたセラミックス層と
を備え、前記ボンド層と前記セラミックス層との間に、
酸化熱処理により形成されたＡｌ酸化物を主成分とする
酸化物層を介在させたことを特徴とするガスタービン翼
である。
【００１７】請求項２記載の発明は、ＮｉあるいはＣｏ
のいずれかを主成分とする基材と、この基材上に設けら
れたＮｉあるいはＣｏのいずれかあるいはその両方を主
成分とするとともに更にＣｒとＡｌを含み、前記基材よ
り耐熱性および耐酸化性に優れたボンド層と、このボン
ド層上に設けられたセラミックス層とを備え、前記ボン
ド層と前記セラミックス層との間に、酸化熱処理により
形成されたＡｌ酸化物を主成分とする酸化物層を介在さ
せたことを特徴とするガスタービン用高温材料である。
のいずれかを主成分とする基材と、この基材上に設けら
れたＮｉあるいはＣｏのいずれかあるいはその両方を主
成分とするとともに更にＣｒとＡｌを含み、前記基材よ
り耐熱性および耐酸化性に優れたボンド層と、このボン
ド層上に設けられたセラミックス層とを備え、前記ボン
ド層と前記セラミックス層との間に、酸化熱処理により
形成されたＡｌ酸化物を主成分とする酸化物層を介在さ
せたことを特徴とするガスタービン用高温材料である。
【００１８】請求項３記載の発明は、ＮｉあるいはＣｏ
のいずれかを主成分とする基材を準備する工程と、この
基材の表面にＮｉあるいはＣｏのいずれかあるいはその
両方を主成分とするとともに更にＣｒとＡｌを含み、前
記基材より耐熱性および耐酸化性に優れたボンド層を形
成する工程と、このボンド層上にＡｌを拡散させる工程
と、拡散されたＡｌを酸化熱処理してＡｌ酸化物を主成
分とする酸化物層を形成する工程と、この酸化物層上に
セラミックス層を形成する工程と、を備えたことを特徴
とするガスタービン用高温材料の製造方法である。
のいずれかを主成分とする基材を準備する工程と、この
基材の表面にＮｉあるいはＣｏのいずれかあるいはその
両方を主成分とするとともに更にＣｒとＡｌを含み、前
記基材より耐熱性および耐酸化性に優れたボンド層を形
成する工程と、このボンド層上にＡｌを拡散させる工程
と、拡散されたＡｌを酸化熱処理してＡｌ酸化物を主成
分とする酸化物層を形成する工程と、この酸化物層上に
セラミックス層を形成する工程と、を備えたことを特徴
とするガスタービン用高温材料の製造方法である。
【００１９】
【作用】請求項１および２記載の発明によれば、Ｎｉあ
るいはＣｏいずれかを主成分とする基材上に設けられ、
ＮｉあるいはＣｏいずれかあるいはその両方を主成分と
し更にＣｒとＡｌを含むボンド層上に、Ａｌ酸化物を主
成分とする酸化物層を予め形成したことにより、高温酸
化および熱衝撃環境において高温材料を使用した場合、
この酸化物層に新たな酸化物が形成されることはなく、
このため酸化物層上に形成されたセラミックス層の剥離
を確実に防止することができる。
るいはＣｏいずれかを主成分とする基材上に設けられ、
ＮｉあるいはＣｏいずれかあるいはその両方を主成分と
し更にＣｒとＡｌを含むボンド層上に、Ａｌ酸化物を主
成分とする酸化物層を予め形成したことにより、高温酸
化および熱衝撃環境において高温材料を使用した場合、
この酸化物層に新たな酸化物が形成されることはなく、
このため酸化物層上に形成されたセラミックス層の剥離
を確実に防止することができる。
【００２０】請求項３記載の発明によれば、Ｎｉあるい
はＣｏのいずれかを主成分とする基材上に、Ｎｉあるい
はＣｏのいずれかあるいはその両方を主成分とし更にＣ
ｒとＡｌを含むボンド層を形成し、このボンド層上にＡ
ｌを拡散させ、拡散されたＡｌを酸化熱処理してＡｌ酸
化物を主成分とする酸化物層を形成し、その後この酸化
物層上にセラミックス層を形成することにより、高温酸
化および熱衝撃環境において高温材料を使用した場合セ
ラミックス層のボンド層からの剥離を確実に防止するこ
とができる。
はＣｏのいずれかを主成分とする基材上に、Ｎｉあるい
はＣｏのいずれかあるいはその両方を主成分とし更にＣ
ｒとＡｌを含むボンド層を形成し、このボンド層上にＡ
ｌを拡散させ、拡散されたＡｌを酸化熱処理してＡｌ酸
化物を主成分とする酸化物層を形成し、その後この酸化
物層上にセラミックス層を形成することにより、高温酸
化および熱衝撃環境において高温材料を使用した場合セ
ラミックス層のボンド層からの剥離を確実に防止するこ
とができる。
【００２１】一般的に実際の使用環境下におかれたガス
タービンの動翼等の高温材料は、高温材料の基材の耐熱
温度を考慮して、基材の表面温度が最高８００℃〜９５
０℃となるように設計されている。すなわちガスタービ
ンの高効率化のために動作ガス温度を従来の１１００℃
から１３００℃〜１５００℃へと高温化する場合であっ
ても、高温材料の基材合金の設計強度に対する制約から
基材表面温度は８００℃〜９５０℃の範囲を越えること
ができない。したがって、ガスタービンの高温化のため
に動作ガス温度を上昇させる場合には、高温材料の基材
側の冷却効率を向上させると共に、ＴＢＣによる遮熱効
果を有効活用するのが一般的である。
タービンの動翼等の高温材料は、高温材料の基材の耐熱
温度を考慮して、基材の表面温度が最高８００℃〜９５
０℃となるように設計されている。すなわちガスタービ
ンの高効率化のために動作ガス温度を従来の１１００℃
から１３００℃〜１５００℃へと高温化する場合であっ
ても、高温材料の基材合金の設計強度に対する制約から
基材表面温度は８００℃〜９５０℃の範囲を越えること
ができない。したがって、ガスタービンの高温化のため
に動作ガス温度を上昇させる場合には、高温材料の基材
側の冷却効率を向上させると共に、ＴＢＣによる遮熱効
果を有効活用するのが一般的である。
【００２２】高温材料の基材側の冷却効率を向上させる
方法として、たとえばガスタービンの動翼では動翼内部
を空気冷却するリターンフロー方式と呼ばれる手法が用
いられ、動翼全体が有効に冷却されるように考慮されて
いる。また内部の冷却空気がフィルム状に表面を包み込
み動作ガスからの伝熱を抑制するよう、動翼表面にフィ
ルム冷却孔が設けられる場合がある。このように、より
高温化したガスタービン用の高温材料では、冷却効率が
良好な冷却方式を用いて局部的な過熱を防止し、ＴＢＣ
を併用して基材の合金表面温度が最大で８００℃〜９５
０℃になるよう設計されている。
方法として、たとえばガスタービンの動翼では動翼内部
を空気冷却するリターンフロー方式と呼ばれる手法が用
いられ、動翼全体が有効に冷却されるように考慮されて
いる。また内部の冷却空気がフィルム状に表面を包み込
み動作ガスからの伝熱を抑制するよう、動翼表面にフィ
ルム冷却孔が設けられる場合がある。このように、より
高温化したガスタービン用の高温材料では、冷却効率が
良好な冷却方式を用いて局部的な過熱を防止し、ＴＢＣ
を併用して基材の合金表面温度が最大で８００℃〜９５
０℃になるよう設計されている。
【００２３】一方、従来のＴＢＣの耐剥離性についての
研究では、剥離特性評価試験は１０００℃〜１２００℃
の範囲で行なわれている。これは特性評価のための高温
酸化試験や熱サイクル試験の効率化を図るため、試験条
件を加速化して短時間で評価結果を得ようとするためで
ある。この場合、大気プラズマ溶接によって形成された
ボンド層の上に大気プラズマ溶射によってセラミックス
層を設けたＴＢＣに対し、不活性ガス雰囲気中でプラズ
マ溶射したボンド層を有するＴＢＣの効果は明瞭に把握
することができる。しかしながら、不活性ガス中でプラ
ズマ溶射により形成されたボンド層有するとともに、予
備酸化を併用した従来のＴＢＣやＡｌの拡散浸透をボン
ド層に施した従来のＴＢＣは１０００℃〜１０５０℃で
は明瞭な効果を示さず１０５０℃を越える極端な条件で
剥離寿命が何割か増加する程度の有効性を示すだけであ
る。
研究では、剥離特性評価試験は１０００℃〜１２００℃
の範囲で行なわれている。これは特性評価のための高温
酸化試験や熱サイクル試験の効率化を図るため、試験条
件を加速化して短時間で評価結果を得ようとするためで
ある。この場合、大気プラズマ溶接によって形成された
ボンド層の上に大気プラズマ溶射によってセラミックス
層を設けたＴＢＣに対し、不活性ガス雰囲気中でプラズ
マ溶射したボンド層を有するＴＢＣの効果は明瞭に把握
することができる。しかしながら、不活性ガス中でプラ
ズマ溶射により形成されたボンド層有するとともに、予
備酸化を併用した従来のＴＢＣやＡｌの拡散浸透をボン
ド層に施した従来のＴＢＣは１０００℃〜１０５０℃で
は明瞭な効果を示さず１０５０℃を越える極端な条件で
剥離寿命が何割か増加する程度の有効性を示すだけであ
る。
【００２４】これに対し本件発明者は、ガスタービンの
動翼表面温度、特にＴＢＣ中のボンド層表面温度に着目
し、ＴＢＣの厳密な評価を行なった。従来からよく知ら
れているように、高温化により酸化物の生成速度が著し
く上昇する。特に１０００℃以上になると、Ｃｒ酸化物
が容易に分解するためボンド層表面では酸化物の生成と
分解が同時に生ずる。この結果、ＴＢＣの剥離寿命が低
下すると考えられる。
動翼表面温度、特にＴＢＣ中のボンド層表面温度に着目
し、ＴＢＣの厳密な評価を行なった。従来からよく知ら
れているように、高温化により酸化物の生成速度が著し
く上昇する。特に１０００℃以上になると、Ｃｒ酸化物
が容易に分解するためボンド層表面では酸化物の生成と
分解が同時に生ずる。この結果、ＴＢＣの剥離寿命が低
下すると考えられる。
【００２５】そこで本件発明者は１０００℃を越える高
温化による加速評価試験によって評価を見誤らないよう
にするため、８００℃〜９８０℃の実用温度範囲でＴＢ
Ｃの寿命評価を行なった。この結果、８００℃〜９８０
℃の温度範囲では、ボンド層のＭＣｒＡｌＹ表面にＡｌ
酸化物の他にＣｒ酸化物が多量に生成され、これらの酸
化物の厚さは５００Ｈ（時間）、１０００Ｈ、２０００
Ｈと高温熱処理時間が長くなるにつれて単調に増加する
ことが判明した。
温化による加速評価試験によって評価を見誤らないよう
にするため、８００℃〜９８０℃の実用温度範囲でＴＢ
Ｃの寿命評価を行なった。この結果、８００℃〜９８０
℃の温度範囲では、ボンド層のＭＣｒＡｌＹ表面にＡｌ
酸化物の他にＣｒ酸化物が多量に生成され、これらの酸
化物の厚さは５００Ｈ（時間）、１０００Ｈ、２０００
Ｈと高温熱処理時間が長くなるにつれて単調に増加する
ことが判明した。
【００２６】これらの結果から酸化が放物線則に従うと
仮定する。
仮定する。
【００２７】
【数１】 ただし ｘ：酸化膜厚さ ｔ：時間 （斉藤他：金属の高温酸化、内田老鶴圃，１９８６） （１）式から Paraboric Rate Constant K を求めると
（０．５〜３）×１０-12 の範囲であった。また、分析
の結果、酸化物はＣｒとＡｌの混合酸化物であった。
（０．５〜３）×１０-12 の範囲であった。また、分析
の結果、酸化物はＣｒとＡｌの混合酸化物であった。
【００２８】これらの結果から単に予備酸化を行なって
も、セラミックス層とボンド層の中間に生ずる酸化物は
ＭＣｒＡｌＹ中のＡｌとＣｒの両方の酸化物であり、こ
のためＡｌ酸化物単体を形成することができないことが
判明した。このような酸化膜は単調に増加するだけであ
り、予備酸化の効果はなくＴＢＣの剥離原因となる。
も、セラミックス層とボンド層の中間に生ずる酸化物は
ＭＣｒＡｌＹ中のＡｌとＣｒの両方の酸化物であり、こ
のためＡｌ酸化物単体を形成することができないことが
判明した。このような酸化膜は単調に増加するだけであ
り、予備酸化の効果はなくＴＢＣの剥離原因となる。
【００２９】次に本件発明者はＡｌの拡散浸透処理をボ
ンド層に施した後に、酸化熱処理を施した場合の評価を
行なった。酸化物の重量はほぼ２００Ｈまでに飽和し、
その後の増加は微量であった。酸化物を分析した結果、
酸化物はほぼＡｌ単体からなる酸化物であった。Parabo
ric Rate Constant を求めると（３〜５）×１０-13の
範囲であった。
ンド層に施した後に、酸化熱処理を施した場合の評価を
行なった。酸化物の重量はほぼ２００Ｈまでに飽和し、
その後の増加は微量であった。酸化物を分析した結果、
酸化物はほぼＡｌ単体からなる酸化物であった。Parabo
ric Rate Constant を求めると（３〜５）×１０-13の
範囲であった。
【００３０】これらの結果から、Ａｌの拡散浸透処理を
ボンド層に施し、その後、酸化熱処理するとボンド層表
面温度が１０００℃以下の場合、Ａｌの拡散浸透層に生
成される酸化物層がほぼＡｌ酸化物単体となった。また
Ａｌ酸化物の増加速度はきわめて遅く、このためＴＢＣ
の剥離寿命を飛躍的に改善することができた。
ボンド層に施し、その後、酸化熱処理するとボンド層表
面温度が１０００℃以下の場合、Ａｌの拡散浸透層に生
成される酸化物層がほぼＡｌ酸化物単体となった。また
Ａｌ酸化物の増加速度はきわめて遅く、このためＴＢＣ
の剥離寿命を飛躍的に改善することができた。
【００３１】本発明によれば、高温酸化および熱衝撃環
境において、Ａｌ酸化物を主成分とする酸化物層に新た
な酸化物が形成されることはない。このため、酸化物上
に形成されたセラミックス層の剥離を確実に防止するこ
とができる。また酸化物層に新たな酸化物が形成するこ
とはないので、使用中における内部応力の発生が防止で
き、この点からもセラミックス層の寿命を長くすること
ができる。
境において、Ａｌ酸化物を主成分とする酸化物層に新た
な酸化物が形成されることはない。このため、酸化物上
に形成されたセラミックス層の剥離を確実に防止するこ
とができる。また酸化物層に新たな酸化物が形成するこ
とはないので、使用中における内部応力の発生が防止で
き、この点からもセラミックス層の寿命を長くすること
ができる。
【００３２】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図１および図２は本発明の第一の実施例を
示す図である。
て説明する。図１および図２は本発明の第一の実施例を
示す図である。
【００３３】図１において、ガスタービン用高温材料
は、Ｎｉ基耐熱合金からなる基材１と、基材１上に設け
られたＮｉＣｏＡｌＹ系の合金製ボンド層２と、ボンド
層２上に設けられた略Ａｌ単体の酸化物層３と、Ａｌ酸
化物層上に設けられＺｒＯ2 −７％Ｙ2 Ｏ3 からなるセ
ラミックス層４とからなっている。
は、Ｎｉ基耐熱合金からなる基材１と、基材１上に設け
られたＮｉＣｏＡｌＹ系の合金製ボンド層２と、ボンド
層２上に設けられた略Ａｌ単体の酸化物層３と、Ａｌ酸
化物層上に設けられＺｒＯ2 −７％Ｙ2 Ｏ3 からなるセ
ラミックス層４とからなっている。
【００３４】このうちボンド層２の厚さは１５０μｍと
なっており、酸化物層３の厚さは４μｍとなっており、
またセラミックス層４の厚さは２５０μｍとなってい
る。
なっており、酸化物層３の厚さは４μｍとなっており、
またセラミックス層４の厚さは２５０μｍとなってい
る。
【００３５】次に、ガスタービン用高温材料の製造方法
について説明する。
について説明する。
【００３６】まず、上述のＮｉ基耐熱合金からなる基材
１上に、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ系合金ボンド層（Ｎｉ−２
３％Ｃｏ−１７％Ｃｒ−１２．５％Ａｌ−０．５％Ｙ）
２を、不活性ガス雰囲気中でかつ５０Ｔｏｒｒの減圧条
件でプラズマ溶射して形成する。
１上に、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ系合金ボンド層（Ｎｉ−２
３％Ｃｏ−１７％Ｃｒ−１２．５％Ａｌ−０．５％Ｙ）
２を、不活性ガス雰囲気中でかつ５０Ｔｏｒｒの減圧条
件でプラズマ溶射して形成する。
【００３７】その後、ボンド層２に対してＡｌの拡散浸
透処理が施される。具体的にはＡｌ2 Ｏ3 粉７０ｗｔ
％、Ａｌ−Ｃｒ合金粉３０ｅｔ％および活性剤としてＮ
Ｈ3 Ｆ、ＨＦを微量添加したものを十分に混合し、この
粉末中に基材１を埋め、これらをレトルト中に納めてＡ
ｒ雰囲気中で９８０℃、４時間保持する。このようにし
て、ボンド層２に対してＡｌの拡散浸透処理が施され
る。
透処理が施される。具体的にはＡｌ2 Ｏ3 粉７０ｗｔ
％、Ａｌ−Ｃｒ合金粉３０ｅｔ％および活性剤としてＮ
Ｈ3 Ｆ、ＨＦを微量添加したものを十分に混合し、この
粉末中に基材１を埋め、これらをレトルト中に納めてＡ
ｒ雰囲気中で９８０℃、４時間保持する。このようにし
て、ボンド層２に対してＡｌの拡散浸透処理が施され
る。
【００３８】その後、基材１を大気中で９５０℃、８０
時間、過熱する（酸化熱処理する）ことにより、Ａｌの
拡散浸透層にＡｌ2 Ｏ3 層が形成される。
時間、過熱する（酸化熱処理する）ことにより、Ａｌの
拡散浸透層にＡｌ2 Ｏ3 層が形成される。
【００３９】次にＡｌ2 Ｏ3 層上に、ＺｒＯ2 −７％Ｙ
2 Ｏ3 からなるセラミックス層を大気中でプラズマ溶射
により形成する。その後、再び全体を過熱してボンド層
２の拡散熱処理を施す。
2 Ｏ3 からなるセラミックス層を大気中でプラズマ溶射
により形成する。その後、再び全体を過熱してボンド層
２の拡散熱処理を施す。
【００４０】このようにして、図１に示すようなガスタ
ービン用高温材料が得られる。このガスタービン用高温
材料は、ガスタービン用の動翼または静翼等の翼として
用いられる。
ービン用高温材料が得られる。このガスタービン用高温
材料は、ガスタービン用の動翼または静翼等の翼として
用いられる。
【００４１】次にこのような高温材料からなる翼に対し
て、セラミックス層４の剥離実験を行なった。この実験
は次のように行われた。
て、セラミックス層４の剥離実験を行なった。この実験
は次のように行われた。
【００４２】まず、過熱源により高温材料のセラミック
ス層４表面を過熱し、基材１側を空気冷却した。過熱条
件を種々変化させ、ボンド層２表面の温度を熱電対によ
って計測した値を過熱温度とした。セラミックス層４表
面の過熱保持時間を４０分とし、その後過熱を中断して
空冷し、１６０℃まで冷却した。これを１サイクルとし
て、セラミックス層４が剥離するまでのサイクル数を求
めた。
ス層４表面を過熱し、基材１側を空気冷却した。過熱条
件を種々変化させ、ボンド層２表面の温度を熱電対によ
って計測した値を過熱温度とした。セラミックス層４表
面の過熱保持時間を４０分とし、その後過熱を中断して
空冷し、１６０℃まで冷却した。これを１サイクルとし
て、セラミックス層４が剥離するまでのサイクル数を求
めた。
【００４３】これらの過熱温度、冷却温度、および剥離
までのサイクル数を図２に示す。
までのサイクル数を図２に示す。
【００４４】図２において、試料No. １１〜１４が本発
明による高温材料である。比較のため、図２に比較例１
（試料No. １〜５）および比較例２（試料No. ６〜１
０）のセラミックス層の剥離までのサイクル数を示す。
明による高温材料である。比較のため、図２に比較例１
（試料No. １〜５）および比較例２（試料No. ６〜１
０）のセラミックス層の剥離までのサイクル数を示す。
【００４５】比較例１および比較例２は、次のようにし
て製造される。比較例１は従来のものと同様であり、Ｎ
ｉＣｏＣｒＡｌＹ系合金ボンド層（Ｎｉ−２３％Ｃｏ−
１７％Ｃｒ−１２．５％Ａｌ−０．５％Ｙ）を、Ｎｉ基
の耐熱合金からなる基材１に大気中のプラズマ溶射にて
形成し、この上にＺｒＯ2 −７％Ｙ2 Ｏ3 からなるセラ
ミックス層を同じく大気中プラズマ溶射にて形成するこ
とにより得られる。
て製造される。比較例１は従来のものと同様であり、Ｎ
ｉＣｏＣｒＡｌＹ系合金ボンド層（Ｎｉ−２３％Ｃｏ−
１７％Ｃｒ−１２．５％Ａｌ−０．５％Ｙ）を、Ｎｉ基
の耐熱合金からなる基材１に大気中のプラズマ溶射にて
形成し、この上にＺｒＯ2 −７％Ｙ2 Ｏ3 からなるセラ
ミックス層を同じく大気中プラズマ溶射にて形成するこ
とにより得られる。
【００４６】比較例２も従来のものと同様であり、Ｎｉ
ＣｏＣｒＡｌＹ系ボンド層（Ｎｉ−２３％Ｃｏ−１７％
Ｃｒ−１２．５％Ａｌ−０．５％Ｙ）を不活性ガス雰囲
気中のプラズマ溶射（ここでは均一被覆のため５０Ｔｏ
ｒｒに減圧）によりＮｉ基耐熱合金からなる基材１上に
形成し、その後大気プラズマ溶射によりＺｒＯ2 −７％
Ｙ2 Ｏ3 からなるセラミックス層を形成し、更に、１１
００℃、３時間過熱してボンド層と基材との間の拡散熱
処理を行なうことにより得られる。
ＣｏＣｒＡｌＹ系ボンド層（Ｎｉ−２３％Ｃｏ−１７％
Ｃｒ−１２．５％Ａｌ−０．５％Ｙ）を不活性ガス雰囲
気中のプラズマ溶射（ここでは均一被覆のため５０Ｔｏ
ｒｒに減圧）によりＮｉ基耐熱合金からなる基材１上に
形成し、その後大気プラズマ溶射によりＺｒＯ2 −７％
Ｙ2 Ｏ3 からなるセラミックス層を形成し、更に、１１
００℃、３時間過熱してボンド層と基材との間の拡散熱
処理を行なうことにより得られる。
【００４７】図２に示すように、ボンド層２を形成する
ために大気中のプラズマ溶射を用いた比較例１（試料N
o. １〜５）は、きわめて短いサイクルでセラミックス
層の剥離が生じた。比較例１の剥離組織を調査したとこ
ろ試料No. １，２，３，４では主にＣｒ酸化物からなる
酸化層が中間に厚く形成されていた。他方、試料No. ５
はＣｒ酸化物とＡｌ酸化物が共に認められた。
ために大気中のプラズマ溶射を用いた比較例１（試料N
o. １〜５）は、きわめて短いサイクルでセラミックス
層の剥離が生じた。比較例１の剥離組織を調査したとこ
ろ試料No. １，２，３，４では主にＣｒ酸化物からなる
酸化層が中間に厚く形成されていた。他方、試料No. ５
はＣｒ酸化物とＡｌ酸化物が共に認められた。
【００４８】比較例２（試料No. ６〜１０）は、比較例
１に比べて改善が認められるが、耐剥離性はさほど大き
くない。比較例２の剥離組織調査では、試料No. ６〜９
においてＣｒ酸化物の多い酸化物層が認められ、試料N
o. １０においてはＡｌ酸化物とＣｒ酸化物が共に認め
られた。
１に比べて改善が認められるが、耐剥離性はさほど大き
くない。比較例２の剥離組織調査では、試料No. ６〜９
においてＣｒ酸化物の多い酸化物層が認められ、試料N
o. １０においてはＡｌ酸化物とＣｒ酸化物が共に認め
られた。
【００４９】また本発明（試料No. １１〜１４）は、比
較例２に比べて２〜３倍の剥離寿命を示した。しかしな
がら、過熱温度が１１００℃の試料No. １４は過熱温度
１０９０℃の試料No. １０に比して改善はさほど大きく
ない。本発明（試料No. １１〜１４）の剥離組織調査で
は、セラミックス層４とボンド層２との間にＡｌ酸化物
を主とする酸化物が薄く金域に生成しているのか認めら
れた。
較例２に比べて２〜３倍の剥離寿命を示した。しかしな
がら、過熱温度が１１００℃の試料No. １４は過熱温度
１０９０℃の試料No. １０に比して改善はさほど大きく
ない。本発明（試料No. １１〜１４）の剥離組織調査で
は、セラミックス層４とボンド層２との間にＡｌ酸化物
を主とする酸化物が薄く金域に生成しているのか認めら
れた。
【００５０】次に本発明、比較例１および２の各々の高
温材料に対して、別途酸化試験を行なった。いずれも過
熱温度は図２と同様とし、過熱保持時間は２００時間と
した。
温材料に対して、別途酸化試験を行なった。いずれも過
熱温度は図２と同様とし、過熱保持時間は２００時間と
した。
【００５１】酸化試験の結果、比較例１の場合はセラミ
ックス層４に剥離が認められた。一方、比較例２および
本発明の場合、セラミックス層４の剥離は生じなかっ
た。しかしながら酸化試験の各試料を切断し酸化物層の
観察を行なったところ、酸化物の種類および形態は熱サ
イクル試験の結果と一致した。
ックス層４に剥離が認められた。一方、比較例２および
本発明の場合、セラミックス層４の剥離は生じなかっ
た。しかしながら酸化試験の各試料を切断し酸化物層の
観察を行なったところ、酸化物の種類および形態は熱サ
イクル試験の結果と一致した。
【００５２】以上説明したように、本実施例によれば、
ボンド層２上に予め薄く均一なＡｌ酸化物層３を形成し
たことにより、高温酸化および熱衝撃環境において使用
した場合Ａｌ酸化物層３に新たな酸化物が形成されるこ
とはない。このため、新たな酸化物形成によるセラミッ
クス層の剥離が防止でき、また酸化形成によって内部応
力が生じることはない。
ボンド層２上に予め薄く均一なＡｌ酸化物層３を形成し
たことにより、高温酸化および熱衝撃環境において使用
した場合Ａｌ酸化物層３に新たな酸化物が形成されるこ
とはない。このため、新たな酸化物形成によるセラミッ
クス層の剥離が防止でき、また酸化形成によって内部応
力が生じることはない。
【００５３】次に本発明の第２の実施例について説明す
る。
る。
【００５４】上述の実施例と同様の試料を準備し、電子
ビーム蒸着法を用いてボンド層２を形成し、その表面に
Ａｌ拡散温度処理および酸化熱処理によりＡｌ酸化物層
を形成し、その後セラミックス層４を同じく電子ビーム
等を用いた真空蒸着法にて形成した。この場合も上述の
実施例と同様の効果を得ることができる。
ビーム蒸着法を用いてボンド層２を形成し、その表面に
Ａｌ拡散温度処理および酸化熱処理によりＡｌ酸化物層
を形成し、その後セラミックス層４を同じく電子ビーム
等を用いた真空蒸着法にて形成した。この場合も上述の
実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５５】なお、Ａｌ拡散浸透処理において、前述の
気相拡散法の他に真空化学蒸着、いわゆるＣＶＤ法を用
いてもよい。また、基材として、Ｎｉ基耐熱合金によら
ず、同様の目的で一般に用いられるＣｏ基耐熱合金を用
いてもよい。また、ボンド層２に用いる合金はＭＣｒＡ
ｌＹと称されるＮｉ、ＣｏあるいはＮｉＣｏ、ＣｏＮｉ
をベースとし、Ｃｒ、Ａｌを４〜３０％加え、Ｙ、Ｈ
ｆ、Ｔａ、Ｓｉを０〜５％加えたものが望ましい。また
高温材料の各層の厚さは、ボンド層２が４０〜８００μ
ｍ、酸化物層３が０．５〜１５μｍ、セラミックス層４
が８０〜１０００μｍとなっていることが望ましい。
気相拡散法の他に真空化学蒸着、いわゆるＣＶＤ法を用
いてもよい。また、基材として、Ｎｉ基耐熱合金によら
ず、同様の目的で一般に用いられるＣｏ基耐熱合金を用
いてもよい。また、ボンド層２に用いる合金はＭＣｒＡ
ｌＹと称されるＮｉ、ＣｏあるいはＮｉＣｏ、ＣｏＮｉ
をベースとし、Ｃｒ、Ａｌを４〜３０％加え、Ｙ、Ｈ
ｆ、Ｔａ、Ｓｉを０〜５％加えたものが望ましい。また
高温材料の各層の厚さは、ボンド層２が４０〜８００μ
ｍ、酸化物層３が０．５〜１５μｍ、セラミックス層４
が８０〜１０００μｍとなっていることが望ましい。
【００５６】またＡｌの拡散浸透層に対する酸化処理条
件として、１０００℃を越えるとＡｌ酸化物の成長速度
が速すぎて薄いＡｌ酸化層を均一に形成することが困難
となる。また局部的にＡｌが欠乏した位置ではＣｒ酸化
物が形成され、この点からも薄い均一なＡｌ酸化層の形
成が難しい。また８００℃未満ではＡｌ酸化層の形成が
きわめて遅い。このようにＡｌ酸化層の形成に長時間を
要するため、実用的でなく、また均質なＡｌ酸化膜の形
成が妨げられる。またＡｌ拡散浸透層に対する酸化処理
時間は、１０〜２０時間程度が膜厚の観点から望まし
い。
件として、１０００℃を越えるとＡｌ酸化物の成長速度
が速すぎて薄いＡｌ酸化層を均一に形成することが困難
となる。また局部的にＡｌが欠乏した位置ではＣｒ酸化
物が形成され、この点からも薄い均一なＡｌ酸化層の形
成が難しい。また８００℃未満ではＡｌ酸化層の形成が
きわめて遅い。このようにＡｌ酸化層の形成に長時間を
要するため、実用的でなく、また均質なＡｌ酸化膜の形
成が妨げられる。またＡｌ拡散浸透層に対する酸化処理
時間は、１０〜２０時間程度が膜厚の観点から望まし
い。
【００５７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高温酸化および熱衝撃環境において、Ａｌ酸化物を主成
分とする酸化物層に新たな酸化物が形成されることはな
い。このため、酸化物上に形成されたセラミックス層の
剥離を確実に防止することができる。また酸化物層に新
たな酸化物が形成することはないので、使用中における
内部応力の発生が防止でき、この点からもセラミックス
層の寿命を長くすることができる。
高温酸化および熱衝撃環境において、Ａｌ酸化物を主成
分とする酸化物層に新たな酸化物が形成されることはな
い。このため、酸化物上に形成されたセラミックス層の
剥離を確実に防止することができる。また酸化物層に新
たな酸化物が形成することはないので、使用中における
内部応力の発生が防止でき、この点からもセラミックス
層の寿命を長くすることができる。
【図１】本発明によるガスタービン用高温材料の一実施
例を示す断面図。
例を示す断面図。
【図２】本発明によるガスタービン用高温材料に対する
剥離実験の実験結果を示す図。
剥離実験の実験結果を示す図。
１ 基材 ２ ボンド層 ３ Ａｌ酸化物層 ４ セラミックス層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石 井 潤 治 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
Claims (6)
- 【請求項１】ＮｉあるいはＣｏのいずれかを主成分とす
る基材と、 この基材上に設けられＮｉあるいはＣｏのいずれかある
いはその両方を主成分とするとともに更にＣｒとＡｌを
含み、前記基材より耐熱性および耐酸化性に優れたボン
ド層と、 このボンド層上に設けられたセラミックス層とを備え、 前記ボンド層と前記セラミックス層との間に、酸化熱処
理により形成されたＡｌ酸化物を主成分とする酸化物層
を予め介在させたことを特徴とするガスタービン翼。 - 【請求項２】ＮｉあるいはＣｏのいずれかを主成分とす
る基材と、 この基材上に設けられＮｉあるいはＣｏのいずれかある
いはその両方を主成分とするとともに更にＣｒとＡｌを
含み、前記基材より耐熱性および耐酸化性に優れたボン
ド層と、 このボンド層上に設けられたセラミックス層とを備え、 前記ボンド層と前記セラミックス層との間に、酸化熱処
理により形成されたＡｌ酸化物を主成分とする酸化物層
を予め介在させたことを特徴とするガスタービン用高温
材料。 - 【請求項３】ＮｉあるいはＣｏのいずれかを主成分とす
る基材を準備する工程と、 この基材の表面にＮｉあるいはＣｏのいずれかあるいは
その両方を主成分とするとともに更にＣｒとＡｌを含
み、前記基材より耐熱性および耐酸化性に優れたボンド
層を形成する工程と、 このボンド層上にＡｌを拡散させる工程と、 拡散されたＡｌを酸化熱処理してＡｌ酸化物を主成分と
する酸化物層を形成する工程と、 この酸化物層上にセラミックス層を形成する工程と、 を備えたことを特徴とするガスタービン用高温材料の製
造方法。 - 【請求項４】約８００℃以上でかつ約１０００℃以下の
条件で酸化熱処理して酸化物層を形成することを特徴と
する請求項３記載のガスタービン用高温材料の製造方
法。 - 【請求項５】気相拡散法によりボンド層上にＡｌを拡散
させることを特徴とする請求項３記載のガスタービン用
高温材料の製造方法。 - 【請求項６】真空蒸着法によりボンド層上にＡｌを拡散
させることを特徴とする請求項３記載のガスタービン用
高温材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19965893A JPH0754603A (ja) | 1993-08-11 | 1993-08-11 | ガスタービン翼、ガスタービン用高温材料、およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19965893A JPH0754603A (ja) | 1993-08-11 | 1993-08-11 | ガスタービン翼、ガスタービン用高温材料、およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0754603A true JPH0754603A (ja) | 1995-02-28 |
Family
ID=16411493
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19965893A Pending JPH0754603A (ja) | 1993-08-11 | 1993-08-11 | ガスタービン翼、ガスタービン用高温材料、およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0754603A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009511752A (ja) * | 2005-10-20 | 2009-03-19 | フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | 多層断熱層系及びその製造方法 |
-
1993
- 1993-08-11 JP JP19965893A patent/JPH0754603A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009511752A (ja) * | 2005-10-20 | 2009-03-19 | フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | 多層断熱層系及びその製造方法 |
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