JPH09202962A - Zirconia coated member, its production, device therefor and turbine member - Google Patents
Zirconia coated member, its production, device therefor and turbine memberInfo
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- JPH09202962A JPH09202962A JP8001396A JP8001396A JPH09202962A JP H09202962 A JPH09202962 A JP H09202962A JP 8001396 A JP8001396 A JP 8001396A JP 8001396 A JP8001396 A JP 8001396A JP H09202962 A JPH09202962 A JP H09202962A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、高温または高温腐
食環境下で好適に用いられるジルコニア被覆部材および
その製造方法とその製造装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a zirconia coated member suitable for use in a high temperature or high temperature corrosive environment, a method for producing the same, and an apparatus for producing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般に、発電用ガスタービンプラント等
においては、発電効率を向上させるために、ガスタービ
ンの高温化が志向されている。この高温化に伴ってガス
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、それらの部材の材質として、Ni基あるいは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。しかしながら、その耐熱温度は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, in order to improve power generation efficiency, the temperature of the gas turbine is increased. Along with this increase in temperature, it is desired to improve the heat resistant temperature and high temperature oxidation resistance of gas turbine members. Ni-based or Co-based high temperature heat resistant alloys have been developed as materials for these members, and the heat resistant temperatures have also been improved. . However, the heat resistant 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
適用されるまでには至っていない。従って、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
ような手段の検討も盛んに行われている。For this reason, ceramic materials have been investigated for the purpose of further improving durability at high temperatures, but they have not been applied in earnest since they have problems in toughness and the like compared with metal materials when used as structural materials. . Therefore, in order to cope with such a high temperature of the member, a means for 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。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.
【0005】このようなコーティングは遮熱コーティン
グ(Thermal Barrier Coating) と呼ばれ、遮熱コーティ
ングを施さないものに比べ金属基材の実質温度を50℃
〜100℃抑制できる。そして、この遮熱コーティング
を構成するセラミックとしてはジルコニアがある。この
ジルコニアは優れた機械的な性質に加え、熱電導率が低
いという利点をもっている。Such a coating is called a thermal barrier coating and has a substantial temperature of a metal substrate of 50 ° C. as compared with a coating without the thermal barrier coating.
It can be suppressed up to 100 ° C. Zirconia is a ceramic that constitutes the thermal barrier coating. This zirconia has not only excellent mechanical properties but also low thermal conductivity.
【0006】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
O2)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、Y2O3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。By the way, zirconia has three crystal structures of a monoclinic system, a tetragonal system and a cubic system, and the tetragonal system is the most excellent 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, so that zirconia self-destructs in combination with reduced mechanical properties. I am afraid. In order to eliminate the phase transition in this cooling process, it is usual to carry out tetragonal and cubic crystals having excellent mechanical properties 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.
【0007】また遮熱コーティングは金属基材を構成す
る耐熱合金と物性値が異なるセラミックによって被覆す
るものであるため、金属基材とジルコニア被覆層との密
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、停止を繰り返すことにより生ずる熱
サイクルにより、金属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
しジルコニア被覆層の剥離、脱落等の損傷が生じる。Further, since the thermal barrier coating is a coating made of a ceramic having different physical properties from the heat-resistant alloy constituting the metal base material, there is a problem in the adhesion strength between the metal base material and the zirconia coating layer and its reliability. . In particular, in a gas turbine, etc., the thermal cycle caused by repeated start and stop causes high-temperature oxidation and high-temperature corrosion on the surface of the metal base material, which lowers mechanical strength and chemical resistance at high temperatures, resulting in peeling of the zirconia coating layer. , And damage such as falling off occurs.
【0008】そこで、このような問題点を解決する方法
として、金属基材とジルコニア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。この結合層は、
耐高温酸化や高温腐食に優れた性質を有するNiあるい
はCoを主成分としCr、Al、Y等を添加した、いわ
ゆるMCrAlY系合金がよく使用されている。そしてこのよ
うな結合層や遮熱コーティングに用いるジルコニア被覆
層は、主に大気プラズマ溶射法で形成される。この場
合、ジルコニア被覆層と結合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。このように、結合層や遮熱コーティングに用い
るジルコニア被覆層が、主に大気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。Therefore, as a method of solving such a problem, there is a method of providing a bonding layer composed of a metal alloy layer between the metal base material and the zirconia coating layer. This tie layer is
A so-called MCrAlY-based alloy containing Ni or Co as a main component and having Cr, Al, Y, etc. added thereto, which is excellent in high temperature oxidation resistance and high temperature corrosion resistance, is often used. The bonding layer and the zirconia 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 zirconia coating layer and the bonding layer is merely mechanical bonding, and its strength is said to be 2 to 5 kg / mm 2 . The reason why the zirconia coating layer used for the bonding layer or the thermal barrier coating is mainly formed by the atmospheric plasma spraying method is that the coating formation rate is high and the economy is excellent.
【0009】しかしながら、大気プラズマ溶射法により
形成された結合層やジルコニア被覆層は気孔が多い。こ
れらは、燃料中の腐食性不純物等も含まれる高温腐食環
境下で用いられるため、気孔の多い多孔質構造の結合層
やジルコニア被覆層では、結合層の高温酸化、高温腐食
の問題がある。結合層は耐酸化性、耐食性に優れた成分
であるが、それらの形成方法によっては、必ずしも本来
の合金材料で予想される耐酸化性、耐食性を発揮するも
のではない。However, the bonding layer and the zirconia coating layer formed by the atmospheric plasma spraying method have many pores. Since these are used in a high temperature corrosive environment containing corrosive impurities in the fuel, there is a problem of high temperature oxidation and high temperature corrosion of the bonding layer or the zirconia coating layer having a porous structure with many pores. The bonding layer is a component having excellent oxidation resistance and corrosion resistance, but it does not necessarily exhibit the oxidation resistance and corrosion resistance expected of the original alloy material depending on the forming method thereof.
【0010】このような、大気プラズマ溶射で形成した
結合層やジルコニア被覆層で構成した遮熱コーティング
を高温酸化、あるいは高温腐食環境下で熱サイクル試験
を行った結果によると、その耐久性は著しく低く、ジル
コニア被覆層が剥離することがわかっている。これは、
結合層とジルコニア被覆層との結合が、本来機械的な結
合でその強度が弱いことに加え、その境界部分の結合層
の表面が酸化あるいは腐食され、その密着力が更に低下
するためと考えられる。またジルコニア被覆層の剥離
は、結合層との境界面のみだけでなく、ジルコニア被覆
層内でも多数発生している。According to the results of the thermal cycle test of the thermal barrier coating composed of the bonding layer and the zirconia coating layer formed by atmospheric plasma spraying in a high temperature oxidizing or high temperature corrosive environment, its durability is remarkably high. Low, it is known that the zirconia coating layer peels off. this is,
It is considered that the bond between the bonding layer and the zirconia coating layer is mechanically weak in nature, and the surface of the bonding layer at the boundary is oxidized or corroded to further reduce the adhesion. . Further, peeling of the zirconia coating layer occurs not only on the boundary surface with the bonding layer but also in the zirconia coating layer.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】このような点に鑑み、
本発明の目的は、機械的な強度を確保した上で、高温酸
化、高温腐食環境下の熱サイクルが繰り返されても、ジ
ルコニア被覆層内に割れや剥離が長期間起こりにくいジ
ルコニア被覆部材及びその製造方法と製造装置を提供す
ることである。In view of such a point,
The object of the present invention is to secure mechanical strength, high temperature oxidation, even if the thermal cycle under a high temperature corrosive environment is repeated, cracks and peeling in the zirconia coating layer are unlikely to occur for a long period of time and the zirconia coating member. It is to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するために、ジルコニア被覆層の結晶構造と皮膜
組織について研究を重ねた結果、ジルコニア被覆層の持
つ優れた機械的性質を確保し、かつ高温雰囲気中での剥
離寿命を長くするためには、結晶構造と柱状結晶のミク
ロ組織を制御することが重要であることを見いだした。Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present inventors have conducted extensive research on the crystal structure and film structure of the zirconia coating layer, and as a result, have shown that the excellent mechanical properties of the zirconia coating layer are obtained. It was found that it is important to control the crystal structure and the microstructure of columnar crystals in order to secure the length and prolong the peeling life in a high temperature atmosphere.
【0013】ここに本発明は、金属基材と、前記金属基
材上に被覆形成された結合層と、前記結合層上に被覆形
成されたZrO2を主成分とするジルコニア被覆層を具
備してなるジルコニア被覆部材であって、前記ジルコニ
ア被覆層を構成する結晶が柱状晶からなる正方晶を90
%以上含んでなることを特徴とする、ジルコニア被覆部
材である。The present invention comprises a metal base material, a bonding layer coated on the metal base material, and a zirconia coating layer containing ZrO 2 as a main component coated on the bonding layer. A zirconia-coated member having the following structure, wherein the crystals forming the zirconia coating layer are tetragonal crystals each having a columnar crystal structure.
% Or more of the zirconia-coated member.
【0014】本発明は好ましくは、ミラー指数(20
0)および/または(002)の方位に配向性を有する
結晶が、前記ジルコニア被覆層表面における面積比で8
0%以上であり、前記金属基材が、Ni、Cr、Coの
少なくとも1種を含有してなり、前記結合層が、M−C
r−Al−Y層(ここで、Mは、Ni、Co、Feの少
なくとも1種を示す)からなるものであって、前記ジル
コニア被覆層の柱状晶からなる各結晶粒が1個の結晶体
となって成長してなるものである。The present invention preferably uses the Miller index (20
The crystal having an orientation in the (0) and / or (002) orientation has an area ratio of 8 on the surface of the zirconia coating layer.
0% or more, the metal base material contains at least one of Ni, Cr, Co, and the bonding layer is M-C.
A crystal body consisting of an r-Al-Y layer (where M represents at least one of Ni, Co, and Fe), wherein each crystal grain consisting of columnar crystals of the zirconia coating layer has one crystal grain. It grows up.
【0015】また、本発明は、前記ジルコニア被覆部材
を具備してなるタービン部材である。The present invention is also a turbine member comprising the zirconia coating member.
【0016】本発明のジルコニア被覆部材の製造方法
は、前記金属基材上に前記結合層を形成し、さらに前記
結合層上に前記ジルコニア被覆層を物理蒸着法によって
形成し、好ましくは、前記結合層を減圧プラズマ溶射ま
たは物理蒸着法によって形成する。In the method for producing a zirconia-coated member of the present invention, the bonding layer is formed on the metal substrate, and the zirconia coating layer is further formed on the bonding layer by a physical vapor deposition method. The layer is formed by reduced pressure plasma spraying or physical vapor deposition.
【0017】また、本発明のジルコニア被覆部材の製造
方法は、好ましくは、前記ジルコニア被覆層の形成に際
し、ZrO2を主成分としCaO、MgO、Y2O3、
CeO2のいずれか1種以上を含んでなるジルコニアタ
ーゲット材に、電子ビームを照射して前記ターゲット材
を蒸発させ、前記ターゲット材を前記結合層に成膜し、
かつ、前記成膜の間、前記金属基材を加熱し続ける、好
ましくは金属基材温度が、700℃以上であり、かつ、
前記金属基材の溶体化処理温度以下に保持され、前記金
属基材のみを局部加熱する。Further, in the method for producing a zirconia-coated member according to the present invention, preferably, ZrO 2 is a main component in the formation of the zirconia-coated layer, and CaO, MgO, Y 2 O 3 ,
A zirconia target material containing any one or more of CeO 2 is irradiated with an electron beam to evaporate the target material and form the target material on the bonding layer.
And, during the film formation, the metal base material is continuously heated, preferably the metal base material temperature is 700 ° C. or higher, and
The temperature is kept below the solution heat treatment temperature of the metal base material, and only the metal base material is locally heated.
【0018】本発明のジルコニア被覆部材の製造装置
は、前記ジルコニア被覆層の成膜時の前記金属基材のみ
を局部加熱するための金属基材加熱装置を、前記金属基
材の周囲に配置してなり、好ましくは、金属基材加熱装
置からの輻射熱が集束する位置に、前記金属基材の配設
器具が配設されてなり、前記金属基材の温度を測定する
熱センサーを前記金属基材の近傍に配設し、前記熱セン
サーからの信号を前記金属基材加熱装置にフィードバッ
クさせるようにしてなるものである。The apparatus for producing a zirconia-coated member according to the present invention has a metal-base-material heating device for locally heating only the metal base material at the time of forming the zirconia coating layer, arranged around the metal base material. Preferably, the metal base arranging device is arranged at a position where the radiant heat from the metal base heating device is focused, and the heat sensor for measuring the temperature of the metal base is the metal base. It is arranged in the vicinity of the material, and the signal from the heat sensor is fed back to the metal base material heating device.
【0019】好ましくは本発明のジルコニア被覆部材の
製造装置は、前記金属基材加熱装置を前記金属基材の周
囲に独立に複数配置してなり、扉が設けられてなるバッ
チ型装置、例えば扉を開閉させて前記金属基材を取り付
けるバッチ型炉であり、1以上の前記金属基材加熱装置
を前記扉に配置してなる。また、好ましくは前記金属加
熱装置に、グラファイトからなるヒータエレメントが設
けられてなり、前記金属加熱装置の前記金属基材に面し
た部分は、ヒータエレメントが露出しており、前記金属
加熱装置の他の部分は防熱板によって囲まれてなるもの
である。また、さらに好ましくは前記熱センサーを複数
個配設し、前記熱センサーからの信号を各々別の前記複
数個の金属基材加熱装置にフィードバックさせ、複数個
の前記金属基材加熱装置を独立に制御させてなる、ジル
コニア被覆部材の製造装置である。Preferably, the apparatus for producing a zirconia-coated member according to the present invention is a batch type apparatus in which a plurality of the metal base material heating devices are independently arranged around the metal base material and a door is provided, for example, a door. Is a batch type furnace that opens and closes to attach the metal base material, and one or more metal base material heating devices are arranged on the door. Further, preferably, the metal heating device is provided with a heater element made of graphite, and the heater element is exposed at a portion of the metal heating device facing the metal base material. The part of is surrounded by a heat insulating plate. Further, more preferably, a plurality of the heat sensors are provided, and signals from the heat sensors are fed back to the plurality of different metal base material heating devices, respectively, and the plurality of metal base material heating devices are independently provided. This is a controlled device for manufacturing a zirconia coated member.
【0020】[0020]
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。まずジルコニア被覆部材について説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be specifically described below. First, the zirconia coating member will be described.
【0021】図1は、本発明のジルコニア被覆部材の具
体例を示す断面図であり、金属基材1の上に被覆形成し
た結合層2上に、柱状晶からなる正方晶をX線回折によ
る測定値によって90%以上含んでなるジルコニア被覆
層3が形成されている。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a specific example of the zirconia-coated member of the present invention, in which a tetragonal crystal composed of columnar crystals is formed by X-ray diffraction on a bonding layer 2 formed by coating on a metal substrate 1. A zirconia coating layer 3 containing 90% or more of the measured value is formed.
【0022】金属基材の材質は、耐熱性ある金属材料か
らその目的に応じて適宜選択できるが、好ましくはN
i、Cr、Coの少なくとも1種を含むものであり、よ
り好ましくは、Ni、Cr、Coの少なくとも1種を主
成分とする耐熱金属を用いる。The material of the metal base material can be appropriately selected from heat-resistant metal materials according to the purpose, but is preferably N.
A heat-resistant metal containing at least one of i, Cr, and Co, and more preferably a heat-resistant metal containing at least one of Ni, Cr, and Co as a main component is used.
【0023】結合層は、耐熱性のある材料であり、金属
材料とジルコニア被覆層に密着するものであれば特に限
定されないが、耐高温酸化や高温腐食に優れた性質を有
するNiあるいはCoを主成分としCr、Al、Y等を
添加した、いわゆるMCrAlY系合金が好ましい。好ましく
は気孔の少ない緻密な層とする。なお、本明細書におい
ては、金属基材の上に結合層を設けたものも単に金属基
材ということがある。The bonding layer is a material having heat resistance and is not particularly limited as long as it adheres to the metal material and the zirconia coating layer, but mainly Ni or Co having excellent properties of high temperature oxidation and high temperature corrosion resistance is mainly used. A so-called MCrAlY-based alloy containing Cr, Al, Y, etc. as a component is preferable. It is preferably a dense layer with few pores. In addition, in the present specification, a metal substrate on which a bonding layer is provided may be simply referred to as a metal substrate.
【0024】本発明におけるジルコニア被覆層の材質
は、ZrO2を主成分とし、Y2O3やCaO、MgO
等を添加した、高温相を安定化させたジルコニアであ
り、好ましくは、ZrO2を85〜95平均重量%およ
びY2O3を5〜15平均重量%含有するものである。The material of the zirconia coating layer in the present invention is mainly composed of ZrO 2 , Y 2 O 3 , CaO and MgO.
Zirconia whose high temperature phase is stabilized by adding, etc., and preferably contains 85 to 95% by weight of ZrO 2 and 5 to 15% by weight of Y 2 O 3 .
【0025】本発明の好適態様において、特にジルコニ
ア被覆層の配向性を規定するのは次の理由による。In the preferred embodiment of the present invention, the orientation of the zirconia coating layer is particularly defined for the following reason.
【0026】ジルコニア被覆層の割れ・剥離は、結合層
に対して平行に亀裂が伝幡することによって起こる。本
発明者らは、この亀裂進展が容易に進行する場合は、皮
膜結晶構造において最も剥離しやすいへき開面、すなわ
ちミラー指数(111)面が結合層に対し平行に積層
し、その結晶の比率が多くなったときであることを見い
だした。すなわち、ジルコニア被覆層の(111)面が
結合層に対して平行にならない結晶構造とすることで、
機械的強度に優れ、長時間での熱サイクル運転において
も皮膜の割れや剥離が起こりにくいジルコニア被覆層を
提供できる。The cracking / peeling of the zirconia coating layer occurs when the crack propagates parallel to the bonding layer. When the cracks propagate easily, the inventors of the present invention have a cleavage plane that is most likely to peel off in the film crystal structure, that is, a Miller index (111) plane is laminated in parallel to the bonding layer, and the ratio of the crystal is I found out that it was when there were many. That is, by making the (111) plane of the zirconia coating layer not parallel to the bonding layer,
It is possible to provide a zirconia coating layer which has excellent mechanical strength and is unlikely to cause cracking or peeling of the coating even in a thermal cycle operation for a long time.
【0027】したがって、本発明においては、前記結晶
のうちミラー指数(111)の方位に配向性を有する結
晶が前記ジルコニア被覆表面における面積比で70%以
下好ましくは50%以下、より好ましくは20%以下と
する。Therefore, in the present invention, the crystal having an orientation in the orientation of the Miller index (111) among the above crystals is 70% or less, preferably 50% or less, more preferably 20% in terms of the area ratio on the zirconia-coated surface. Below.
【0028】また本発明においては、好ましくはジルコ
ニア被覆層の結晶を(200)および(002)の方向
に配向させることにより、剥離を起こしやすい(11
1)面が結合層に対して平行にならず、かつ機械的強度
の強い皮膜が提供できる。In the present invention, preferably, the crystals of the zirconia coating layer are oriented in the (200) and (002) directions so that peeling easily occurs (11
1) A film whose surface is not parallel to the bonding layer and which has high mechanical strength can be provided.
【0029】そして、本発明の好適態様においては、ジ
ルコニア被覆層の配向性が(200)と(002)面の
いずれかまたはこれらの混在した配向面の存在する割合
を、ジルコニア被覆層表面における面積比で好ましくは
80%以上、より好ましくは95%以上とすることによ
り、特に機械的強度に優れ、長時間での熱サイクル運転
においても皮膜の割れや剥離が起こらないジルコニア被
覆層を提供できる。In a preferred embodiment of the present invention, the orientation of the zirconia coating layer is either the (200) plane or the (002) plane, or the proportion of the orientation planes in which these are mixed is the area on the surface of the zirconia coating layer. When the ratio is preferably 80% or more, more preferably 95% or more, it is possible to provide a zirconia coating layer which is particularly excellent in mechanical strength and does not cause cracking or peeling of the coating even in a thermal cycle operation for a long time.
【0030】なお、(200)および(002)以外の
結晶面{HKL}=(311)、(113)、(22
0)、(202)が存在していても、その優劣性は変わ
らない。Crystal planes other than (200) and (002) {HKL} = (311), (113), (22)
Even if 0) and (202) are present, their superiority or inferiority does not change.
【0031】さらに、結晶の配向性を制御することとあ
わせ、柱状晶1個1個のミクロ組織を、積層していく微
細結晶粒が互いに融合一体化した組織とすることによ
り、機械的強度や剥離寿命の優れた皮膜構造とすること
ができる。Further, in addition to controlling the crystal orientation, the microstructure of each columnar crystal is made into a structure in which fine crystal grains to be laminated are fused and integrated with each other, whereby mechanical strength and A film structure having an excellent peeling life can be obtained.
【0032】これは、例えば剥離しやすい(111)面
が少なくなり、かつ結晶構造も望ましい配向面となって
いくからである。This is because, for example, the number of (111) planes that easily peel off decreases, and the crystal structure also becomes a desirable orientation plane.
【0033】本発明にかかるジルコニア被覆層は、好ま
しくは気孔の少ない緻密な層とする。The zirconia coating layer according to the present invention is preferably a dense layer with few pores.
【0034】本発明のジルコニア被覆部材は、タービン
部材に好適に用いられる他、各種エンジン、ボイラなど
に好適に用いられる。The zirconia-coated member of the present invention is preferably used not only for turbine members, but also for various engines and boilers.
【0035】次に、本発明の製造方法および装置をその
具体例を示して説明する。本発明のジルコニア被覆部材
を製造するにあたっては、常法により製造された金属基
材の上に、好ましくは、減圧プラズマ溶射または物理蒸
着法によって結合層を形成し、さらに結合層上に物理蒸
着法によってジルコニア被覆層を形成する。Next, the manufacturing method and apparatus of the present invention will be described with reference to specific examples. In producing the zirconia-coated member of the present invention, a bonding layer is formed on a metal substrate manufactured by a conventional method, preferably by low pressure plasma spraying or a physical vapor deposition method, and a physical vapor deposition method is further formed on the bonding layer. To form a zirconia coating layer.
【0036】ジルコニア被覆層の形成に際して、例え
ば、ジルコニアターゲット材を電子ビームの照射・加熱
により蒸発させて金属基材に被覆すると、蒸発した分子
による皮膜形成が行われるため、皮膜の組織は柱状晶か
らなる結晶となり、かつ結晶の配向性とミクロ組織を制
御することができる。In forming the zirconia coating layer, for example, when the zirconia target material is evaporated by irradiation with an electron beam and heated to cover the metal base material, a film is formed by the evaporated molecules, so that the structure of the film is columnar crystals. And can control the crystal orientation and the microstructure.
【0037】具体的には例えば以下のように製造する。Specifically, for example, it is manufactured as follows.
【0038】耐熱金属基材、例えばNi、Cr、Coの
少なくとも1つを主成分として構成された金属基材の表
面を、脱脂およびアルミナ粒子等を用いたブラスト処理
で粗面化する。次にこの金属基材を真空チャンバー内に
装着し、所定の真空度になるまで真空引きした後、A
r、He、H2、N2のいずれか一つまたはそれらを組
み合わせた雰囲気で数10Torrの圧力にする。The surface of a heat-resistant metal base material, for example, a metal base material composed mainly of at least one of Ni, Cr, and Co is roughened by degreasing and blasting using alumina particles. Next, this metal base material is mounted in a vacuum chamber, vacuumed until a predetermined vacuum degree is reached, and then A
The pressure is set to several tens Torr in an atmosphere of any one of r, He, H 2 , and N 2 or a combination thereof.
【0039】次に、プラズマを発生させ金属基材を数1
00℃まで加熱した後、Ni、Co、Feのいずれか、
もしくはそれらの組み合わせにCr、Alを含み、さら
にHf、Ta、Y、Si、Zrのいずれか一つもしくは
それらの組み合わせとからなる溶射粉末をプラズマに混
入して金属基材表面に被覆する。Next, plasma is generated and the number of metal base materials is set to 1
After heating to 00 ° C., one of Ni, Co, and Fe,
Alternatively, a sprayed powder containing Cr and Al in a combination thereof and further containing any one of Hf, Ta, Y, Si and Zr or a combination thereof is mixed with plasma to coat the surface of the metal base material.
【0040】しかして、このように減圧プラズマ溶射で
形成された結合層は、大気プラズマ溶射による結合層に
比べ、皮膜内に酸化物や気孔がほとんどない非常に緻密
な皮膜になり、耐高温酸化、高温耐食が大幅に向上す
る。However, the bonding layer thus formed by low pressure plasma spraying becomes a very dense film with almost no oxides or pores in the film, as compared with the bonding layer by atmospheric plasma spraying, and high temperature oxidation resistance. , High temperature corrosion resistance is greatly improved.
【0041】またこの結合層は、ジルコニアの被覆を行
う物理蒸着法でも形成することができる。これによれ
ば、結合層内に酸化物や気孔がほとんどない非常に緻密
な結合層を形成することができると共に、結合層表面を
滑らかにすることができジルコニア被覆層の表面が非常
に滑らかとなるとともに結晶配向性の制御がしやすくな
る。The bonding layer can also be formed by a physical vapor deposition method in which zirconia is coated. According to this, it is possible to form a very dense bonding layer having few oxides and pores in the bonding layer, and to make the bonding layer surface smooth and to make the surface of the zirconia coating layer very smooth. In addition, it becomes easier to control the crystal orientation.
【0042】このようにして形成した結合層上には、セ
ラミック(ジルコニア)被覆装置によってジルコニアの
被覆を行う。このジルコニア被覆装置には、物理蒸着に
よりセラミック被膜が形成できる一般的なセラミック被
覆装置を用いることができる。The bonding layer thus formed is coated with zirconia by a ceramic (zirconia) coating device. As the zirconia coating apparatus, a general ceramic coating apparatus capable of forming a ceramic coating by physical vapor deposition can be used.
【0043】図2に、本発明のジルコニア被覆装置の好
適例を示す。このジルコニア被覆装置は、真空チャンバ
ー4、図示しない真空排気装置、および図示しない制御
装置と電源装置から構成されている。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、
金属基材加熱、金属基材駆動等を制御する手段が設けら
れている。FIG. 2 shows a preferred example of the zirconia coating apparatus of the present invention. This zirconia coating device is composed of a vacuum chamber 4, a vacuum exhaust device (not shown), and a control device and a power supply device (not shown). The controller (not shown) includes vacuum exhaust, electron beam current, electron beam scanning,
Means for controlling heating of the metal substrate, driving of the metal substrate, etc. are provided.
【0044】真空チャンバー4には、その下部にルツボ
5が配設されており、ルツボ5にはジルコニアターゲッ
ト材6が装着されている。A crucible 5 is arranged in the lower portion of the vacuum chamber 4, and a zirconia target material 6 is attached to the crucible 5.
【0045】一方、真空チャンバー4内上部には、図示
しないモータによって回転駆動される金属基材駆動装置
7が設けられており、その金属基材駆動装置7に金属基
材1が装着されている。そして、上記金属基材駆動装置
7に挿着された金属基材1の周辺部には、その金属基材
1を局部的に加熱する金属基材加熱装置8が配設されて
いる。On the other hand, in the upper part of the vacuum chamber 4, there is provided a metal base material driving device 7 which is rotationally driven by a motor (not shown), and the metal base material 1 is mounted on the metal base material driving device 7. . A metal base material heating device 8 for locally heating the metal base material 1 is provided in the peripheral portion of the metal base material 1 inserted into the metal base material driving device 7.
【0046】しかして、前記結合層を被覆した金属基材
1にジルコニアを被覆する場合には、まず、ジルコニア
ターゲット材6を真空チャンバー4内のルツボ5に装着
し、金属基材1を金属基材駆動装置7に装着して真空排
気装置によって真空チャンバー4内を10-2〜10-4P
aの真空度になるまで真空引きする。When the metal base material 1 coated with the bonding layer is coated with zirconia, first, the zirconia target material 6 is attached to the crucible 5 in the vacuum chamber 4, and the metal base material 1 is attached to the metal base material. It is attached to the material driving device 7 and the inside of the vacuum chamber 4 is set to 10 -2 to 10 -4 P by the vacuum exhaust device.
Evacuate until the degree of vacuum in a is reached.
【0047】次に、図示しない電子ビーム発生装置によ
ってジルコニアターゲット材6に電子ビームを照射しジ
ルコニアターゲット材表面を溶融させる。このとき表面
が常に溶けた状態で、所定の蒸発速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。Next, the zirconia target material 6 is irradiated with an electron beam by an electron beam generator (not shown) to melt the surface of the zirconia target material. At this time, the electron beam current is controlled so that a predetermined evaporation rate is maintained while the surface is always melted, and the electron beam is scanned.
【0048】そして金属基材1にジルコニアを被覆する
間、金属基材1は金属基材駆動装置7によって回動させ
られており、金属基材加熱装置8により700℃以上に
加熱されている。金属基材加熱装置8は金属基材1のみ
を局部的に加熱する構造となっている。While the metal base material 1 is coated with zirconia, the metal base material 1 is rotated by the metal base material driving device 7 and is heated to 700 ° C. or higher by the metal base material heating device 8. The metal base material heating device 8 has a structure for locally heating only the metal base material 1.
【0049】本発明においては、この皮膜の結晶制御つ
まり配向性とミクロ組織の制御を行う場合、成膜開始か
ら成膜が終了するまで金属基材を加熱し続けること、特
に700℃以上、好ましくは750℃以上、より好まし
くは800℃以上に保持し続けること、および金属基材
全体が所定温度で均一に加熱されるように加熱温度を精
度よく制御することが好ましい。In the present invention, when controlling the crystallinity of the film, that is, controlling the orientation and the microstructure, the metal substrate is continuously heated from the start of film formation to the end of film formation, particularly at 700 ° C. or higher, preferably Is preferably maintained at 750 ° C. or higher, more preferably 800 ° C. or higher, and the heating temperature is preferably accurately controlled so that the entire metal base material is uniformly heated at a predetermined temperature.
【0050】金属基材の加熱温度が700℃以下の場
合、ジルコニア被覆層の結晶配向面は(111)方向と
なりやすい。これは、結晶の成長エネルギーが小さいた
め、蒸発したジルコニア原子が容易に積層しやすい最充
填密度面、すなわち(111)面を形成するからであ
る。When the heating temperature of the metal substrate is 700 ° C. or lower, the crystal orientation plane of the zirconia coating layer tends to be the (111) direction. This is because the crystal growth energy is small, and thus the evaporated zirconia atoms form the highest packing density plane, that is, the (111) plane, which is easy to stack.
【0051】これに対し、金属基材の加熱温度を700
℃以上とすることにより、結晶配向面を(111)以外
の面にすることができ、温度をあげていくほど(20
0)および(002)の割合を多くすることができ好ま
しい。On the other hand, the heating temperature of the metal substrate is 700
By setting the temperature to be at least ℃, the crystal orientation plane can be made a plane other than (111), and as the temperature increases (20
It is preferable because the ratio of 0) and (002) can be increased.
【0052】また、加熱温度を700℃以上とし、加熱
を成膜が終了するまで続けることにより、積層していく
微細結晶粒の融合一体化も進む。さらに、温度をあげて
いくほどこの融合一体化が促進され、各柱状晶が1個の
結晶体となる。この1個の結晶体となった柱状晶は、熱
応力に対して非常に強い皮膜組織となっており、耐熱応
力、耐剥離性に優れていることも判明した。Further, the heating temperature is set to 700 ° C. or higher, and the heating is continued until the film formation is completed, whereby the fusion and integration of the fine crystal grains to be laminated also progresses. Further, as the temperature is raised, this fusion and integration is promoted, and each columnar crystal becomes one crystal body. It was also found that the columnar crystals, which became one crystal, had a coating structure that was extremely strong against thermal stress and were excellent in heat stress and peel resistance.
【0053】加熱温度の上限は、金属基材の機械的性質
の低下を防ぐため、好ましくは金属基材の溶体化処理温
度とする。The upper limit of the heating temperature is preferably the solution heat treatment temperature of the metal substrate in order to prevent deterioration of the mechanical properties of the metal substrate.
【0054】また、金属基材のみの局部加熱とすること
は、真空チャンバー全体の高温化を防ぎ、真空装置構成
に多大な設備費用を必要としないため好ましい。Local heating of only the metal base material is preferable because it prevents the temperature of the entire vacuum chamber from rising and does not require a large equipment cost for the construction of the vacuum apparatus.
【0055】図3は、本発明にかかるジルコニア被覆部
材の製造装置の一部である金属基材加熱装置の概略構成
図である。図3−(a)に金属基材1が金属基材加熱装
置8に配設された図、およびA方向から見た図を図3−
(b)および別の例を図3−(c)に示す。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a metal base material heating apparatus which is a part of the apparatus for producing a zirconia coated member according to the present invention. FIG. 3- (a) shows a view in which the metal base material 1 is arranged in the metal base material heating device 8 and a view seen from the direction A.
FIG. 3- (c) shows (b) and another example.
【0056】金属基材加熱装置8は、図示しないヒータ
発熱体とその周囲に配設された防熱板等から構成されて
いる。The metal base material heating device 8 is composed of a heater heating element (not shown) and a heat insulating plate disposed around the heater heating element.
【0057】図3−(b)に示す例では、金属基材1が
半円筒型をした金属基材加熱装置8内に配設されてお
り、金属基材加熱装置8およびジルコニアターゲット材
6は、金属基材1を中心とした同心円上に配設するよう
構成されている。このようにすることにより、ジルコニ
アターゲット材6および金属基材加熱装置8からの輻射
熱が均等に金属基材1に照射され、金属基材1全体が均
一に加熱される。図3−(c)は同様な効果をもたせる
他の例で、金属基材1から等間隔に配設されたコの字型
金属基材加熱装置8から構成されている。In the example shown in FIG. 3- (b), the metal base material 1 is arranged in the semi-cylindrical metal base material heating device 8, and the metal base material heating device 8 and the zirconia target material 6 are , Are arranged on concentric circles centered on the metal substrate 1. By doing so, the radiant heat from the zirconia target material 6 and the metal base material heating device 8 is evenly applied to the metal base material 1, and the entire metal base material 1 is uniformly heated. FIG. 3- (c) is another example that has the same effect, and is composed of a U-shaped metal base material heating device 8 arranged at equal intervals from the metal base material 1.
【0058】図4に本発明のジルコニア被覆装置のより
好ましい例を示す。真空チャンバー4の内部には、各々
独立した複数の金属基材加熱装置8が配設されている。
金属基材加熱装置8は、材質がグラファイトからなるヒ
ータエレメント9とその周囲に配設された防熱板10と
から構成されている。ヒータエレメント9は、金属基材
1に面している部分を露出させ、その他の部分を防熱板
10によって覆うことで、熱効率を向上させることがで
きる。なお、ルツボ5上のジルコニアターゲット材6か
ら蒸発したジルコニアは、金属基材加熱装置8全体にも
付着するが、グラファイトからなるヒータエレメントに
付着したジルコニアは簡単に削り落とすことができ、熱
効率の低下を防止することができる。FIG. 4 shows a more preferable example of the zirconia coating apparatus of the present invention. Inside the vacuum chamber 4, a plurality of independent metal base material heating devices 8 are provided.
The metal base material heating device 8 is composed of a heater element 9 made of graphite and a heat insulating plate 10 arranged around the heater element 9. The heater element 9 can improve the thermal efficiency by exposing the portion facing the metal base material 1 and covering the other portion with the heat insulating plate 10. Although the zirconia evaporated from the zirconia target material 6 on the crucible 5 adheres to the entire metal substrate heating device 8, the zirconia adhered to the heater element made of graphite can be easily scraped off, resulting in a decrease in thermal efficiency. Can be prevented.
【0059】加熱装置8のうち一基は真空チャンバー4
の上部に加熱装置支え11で固定され、加熱装置8の別
の一基は真空チャンバー4の後方側面に固定されてい
る。一方、加熱装置8のさらに別の一基は真空チャンバ
ー4の扉12に固定されている。One of the heating devices 8 is a vacuum chamber 4.
Is fixed to the upper part of the heating device by a heating device support 11, and another unit of the heating device 8 is fixed to the rear side surface of the vacuum chamber 4. On the other hand, yet another unit of the heating device 8 is fixed to the door 12 of the vacuum chamber 4.
【0060】扉12が閉じられているときは、図4に示
すように金属基材1は複数個の加熱装置8によって囲ま
れている。このようにすることにより、ジルコニアター
ゲット材6および金属基材加熱装置8からの輻射熱が均
等に金属基材1に照射され、金属基材1全体が均一に加
熱される。When the door 12 is closed, the metal substrate 1 is surrounded by a plurality of heating devices 8 as shown in FIG. By doing so, the radiant heat from the zirconia target material 6 and the metal base material heating device 8 is evenly applied to the metal base material 1, and the entire metal base material 1 is uniformly heated.
【0061】金属基材1を真空チャンバー4の所定位置
に脱着する際は、加熱装置8と扉12とを一体で開ける
ことにより、扉12側から金属基材1を容易に脱着でき
る。ところで、金属基材1の金属基材駆動装置7側に位
置する部分は、金属基材駆動装置7を通って逃げる熱が
多くなるため、また金属基材1は通常複雑な3次元形状
をしているため、金属基材1の温度分布が不均一となり
やすい。When the metal base material 1 is attached and detached to a predetermined position of the vacuum chamber 4, the metal base material 1 can be easily attached and detached from the door 12 side by opening the heating device 8 and the door 12 integrally. By the way, in the portion of the metal substrate 1 located on the metal substrate driving device 7 side, a large amount of heat escapes through the metal substrate driving device 7. Therefore, the metal substrate 1 usually has a complicated three-dimensional shape. Therefore, the temperature distribution of the metal substrate 1 tends to be non-uniform.
【0062】本発明においては、特に金属基材1全体の
温度分布に均一性をもたせ、かつ所定温度に精度よく制
御する必要がある。そのため、好ましくは金属基材加熱
装置8は複数個の加熱装置からなり、かつ各々独立に温
度制御ができるように構成されている。また、温度制御
をするための熱センサーである熱電対を金属基材駆動装
置7の駆動軸内に複数個挿入し、金属基材1に最も近い
部分に配設している。In the present invention, in particular, it is necessary to make the temperature distribution of the entire metal substrate 1 uniform and to accurately control the temperature to a predetermined temperature. Therefore, preferably, the metal base material heating device 8 is composed of a plurality of heating devices, and is configured to be able to independently control the temperature. Further, a plurality of thermocouples, which are heat sensors for controlling the temperature, are inserted into the drive shaft of the metal base material drive device 7 and arranged at the portion closest to the metal base material 1.
【0063】この熱電対からの信号を基材加熱装置8の
制御信号とすることにより、所定温度において精度のよ
い温度制御を行うことができる。By using the signal from this thermocouple as the control signal for the substrate heating device 8, it is possible to perform accurate temperature control at a predetermined temperature.
【0064】このように、金属基材1の周囲に加熱装置
を複数個配置し、更に金属基材1の近傍に熱センサーを
配設することにより、成膜時に均一な加熱ができ、ジル
コニア被覆層の結晶構造とミクロ組織をより精密に制御
することができる。As described above, by disposing a plurality of heating devices around the metal base material 1 and further disposing the thermal sensor in the vicinity of the metal base material 1, uniform heating can be performed at the time of film formation, and the zirconia coating can be performed. The crystal structure and microstructure of the layer can be controlled more precisely.
【0065】また、この加熱方式は金属基材近傍の局部
加熱となるので真空チャンバー全体の高温化を防ぎ、真
空装置構成に多大な設備費用を必要としない。Further, since this heating method is a local heating in the vicinity of the metal base material, the temperature of the entire vacuum chamber is prevented from rising, and a large equipment cost is not required for the construction of the vacuum apparatus.
【0066】このように本発明の製造方法の好適態様に
よれば、成膜が終了するまで金属基材を700℃以上の
温度で均一に加熱し、ジルコニア被覆層の結晶構造に
(200)(002)主体の配向性をもたせ、さらに各
柱状晶が一個の結晶体となるので、機械的強度に優れ、
高温での長期間使用や熱サイクル特性に優れたジルコニ
ア被覆層を形成することができる。As described above, according to the preferred embodiment of the production method of the present invention, the metal base material is uniformly heated at a temperature of 700 ° C. or higher until the film formation is completed, and the crystal structure of the zirconia coating layer becomes (200) ( 002) Since it has a main orientation, and each columnar crystal becomes one crystal, it has excellent mechanical strength,
It is possible to form a zirconia coating layer which is excellent in heat cycle characteristics and long-term use at high temperature.
【0067】[0067]
【実施例】以下、本発明を実施例に基いて説明する。本
発明による実施例においては、ジルコニア被覆層を形成
するときに金属基材の加熱温度を400℃から900℃
の範囲で複数変化させた。また金属基材温度が700℃
の場合は、金属基材1上での温度分布を均一にしたもの
と不均一にしたものを対比して形成した。The present invention will be described below with reference to examples. In the embodiment according to the present invention, the heating temperature of the metal substrate is 400 ° C. to 900 ° C. when forming the zirconia coating layer.
Multiple changes were made within the range. Also, the metal base material temperature is 700 ° C.
In the case of, the temperature distribution on the metal substrate 1 was made uniform and the temperature distribution on the metal substrate 1 was made non-uniform.
【0068】まずCo基のFSX414基材(石川島精
密鋳造(株)製)を脱脂・洗浄後、アルミナグリッドを
用いてブラスト処理を行い、Co,Ni,Cr,Al,
Yからなる合金粉末を、20TorrのAr雰囲気でA
r−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
度であった。First, a Co-based FSX414 base material (manufactured by Ishikawajima Precision Casting Co., Ltd.) was degreased and washed, and then blasted using an alumina grid to obtain Co, Ni, Cr, Al,
A alloy powder of Y was added in an Ar atmosphere of 20 Torr
Thermal spraying was performed using r-He plasma to obtain a coating excellent in high temperature oxidation and high temperature corrosion. The thickness of the film was uniform and was about 150 μm.
【0069】次に、上記CoNiCrAlY層に8%Y
2 O3 −ZrO2 ジルコニア被覆層を形成した。この形
成に際しては、前記した図2に示す装置を用いた。まず
真空チャンバー4内において、金属基材駆動装置7にF
SX414基材からなる金属基材1を装着するととも
に、ルツボ5にジルコニアターゲット材6を装着した。Next, 8% Y is added to the CoNiCrAlY layer.
To form the 2 O 3 -ZrO 2 zirconia coating layer. At the time of this formation, the device shown in FIG. 2 was used. First, in the vacuum chamber 4, the F
The metal base material 1 made of the SX414 base material was mounted, and the crucible 5 was mounted with the zirconia target material 6.
【0070】その後真空チャンバー4内を10-4Pa台
まで真空引きした後、金属基材1をそれぞれの温度で加
熱しつつ回転させ、電子ビームでジルコニアターゲット
材6を蒸発させ、金属基材上に成膜させた。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。得られた膜厚は150μm程度であった。After that, the inside of the vacuum chamber 4 was evacuated to the level of 10 -4 Pa, and then the metal base material 1 was rotated while being heated at each temperature, and the zirconia target material 6 was evaporated by the electron beam, so that the metal base material 1 was evaporated. Was formed into a film. At this time, scanning of the electron beam was controlled in order to keep the film formation rate almost constant. The film thickness obtained was about 150 μm.
【0071】従来品は、上記実施例と同じ材料からなる
金属基材、結合層およびジルコニア被覆層を用い、結合
層およびジルコニア被覆ともに大気プラズマ溶射で製作
したものであり、上記実施例と同じ厚みとした。この従
来品のジルコニア被覆部材の断面図を図5に示す。この
従来品も図1と同様に、金属基材1に結合層13が被覆
され、その上にジルコニア層14が形成されている。た
だし、従来品には結合層およびジルコニア被覆層内に多
数の気孔が存在している。The conventional product was manufactured by using atmospheric pressure plasma spraying for both the bonding layer and the zirconia coating, using a metal base material made of the same material as that of the above-mentioned embodiment, the bonding layer and the zirconia coating layer, and having the same thickness as that of the above-mentioned embodiment. And A cross-sectional view of this conventional zirconia-coated member is shown in FIG. In this conventional product, as in FIG. 1, the metal base material 1 is covered with the bonding layer 13, and the zirconia layer 14 is formed thereon. However, many pores are present in the bonding layer and the zirconia coating layer in the conventional product.
【0072】これらの従来品および実施例について、金
属基材温度分布を制御し、X線回析(結晶構造)および
熱サイクル試験を行った。熱サイクル試験は、大気雰囲
気中で1000℃×30分加熱保持し、その後20〜2
5℃の水中に保持することを1サイクルとしてジルコニ
ア被覆層が剥離するまでの熱サイクル数を求めることで
行った。表1にその結果を示す。 表1(従来品と実施例の比較)試験片 基材温度(℃) 結晶構造 皮膜剥離までの熱サイクル数 従来品1 − 正方晶と単斜晶が混在 92 従来品2 − 同 上 79 従来品3 − 同 上 105 実施例1 400* 90%以上正方晶 260 実施例2 600* 同 上 330 実施例3 700 同 上 1050 実施例4 700* 同 上 5750 実施例5 800* 同 上 8500 実施例6 900* 同 上 8650 (注)*印は金属基材の温度分布が均一になるように温度制御を行った。 図6に温度制御を精密にして金属基材の温度分布を均一
にした実施例4と、そうでない場合の実施例3の温度分
布の違いを示す。表1に示すように従来品のジルコニア
被覆層は、正方晶と単斜晶からなる結晶構造であった。
一方、本発明によるジルコニア被覆層は、90%以上正
方晶からなる結晶構造であった。また、従来のジルコニ
ア被覆部材は79〜105回の熱サイクルでジルコニア
被覆層の剥離が生じた。一方、本発明による実施例では
約3倍以上の熱サイクル数が得られているが、特に、基
材温度を700℃以上にして温度制御を精密に行い、金
属基材の温度分布を均一にすることにより格段の剥離寿
命の向上が得られている。With respect to these conventional products and examples, X-ray diffraction (crystal structure) and thermal cycle tests were conducted while controlling the temperature distribution of the metal substrate. The heat cycle test is performed by heating and holding at 1000 ° C. for 30 minutes in the air atmosphere, and then 20 to 2
It was carried out by determining the number of heat cycles until the zirconia coating layer was peeled off, while keeping it in water at 5 ° C as one cycle. The results are shown in Table 1. Table 1 (Comparison between conventional product and example) Base material temperature (° C) Crystal structure Number of heat cycles until film peeling Conventional product 1-Texagonal and monoclinic mixed 92 Conventional product 2-Same 79 Conventional product 3-Id 105 Example 1 400 * 90% or more tetragonal 260 Example 2 600 * Id 330 Example 3 700 Id 1050 Example 4 700 * Id 5750 Example 5 800 * Id 8500 Example 6 900 * Same as above 8650 (Note) * indicates temperature control so that the temperature distribution of the metal substrate is uniform. FIG. 6 shows the difference in temperature distribution between Example 4 in which the temperature control is made precise and the temperature distribution of the metal base material is made uniform, and Example 3 in which it is not so. As shown in Table 1, the conventional zirconia coating layer had a crystal structure composed of tetragonal crystals and monoclinic crystals.
On the other hand, the zirconia coating layer according to the present invention had a crystal structure of 90% or more tetragonal. Further, in the conventional zirconia coating member, peeling of the zirconia coating layer occurred after 79 to 105 thermal cycles. On the other hand, in the examples according to the present invention, the number of heat cycles is about three times or more, but in particular, the temperature of the base material is set to 700 ° C. or higher and the temperature is precisely controlled to make the temperature distribution of the metal base material uniform. By doing so, the peeling life is remarkably improved.
【0073】温度分布のばらつきの大きい実施例3の熱
サイクル試験結果では、ジルコニア被覆層が早く剥離し
はじめ、皮膜剥離までの熱サイクル数も温度分布のばら
つきが小さい実施例4と比較すると短かかった。In the heat cycle test result of Example 3 in which the temperature distribution has a large variation, the zirconia coating layer starts to peel off quickly, and the number of heat cycles until the film peeling is short as compared with Example 4 in which the temperature distribution has a small variation. It was
【0074】このように本発明によるジルコニア被覆部
材は、従来のジルコニア被覆部材に比べ機械的強度およ
び熱サイクル特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 zirconia-coated member according to the present invention is superior in mechanical strength and heat cycle characteristics to the conventional zirconia-coated member.
【0075】次に、これら従来品および実施例において
基材温度600〜900℃の間を50℃ずつ変化させて
X線回析による結晶方位の測定、電子顕微鏡によるジル
コニア被覆層表面の組織観察を行った。Next, in these conventional products and examples, the crystal orientation was measured by X-ray diffraction by changing the substrate temperature between 600 and 900 ° C. by 50 ° C., and the structure of the surface of the zirconia coating layer was observed by an electron microscope. went.
【0076】組織観察では、ジルコニア被覆層表面にお
ける(111)と(200)(002)の占める割合を
求めた。表2にその結果を示す。In the structure observation, the proportion of (111) and (200) (002) on the surface of the zirconia coating layer was determined. Table 2 shows the results.
【0077】 表2 (従来品と実施例の比較) 試験片 基材温度(℃) 表面に占める割合(%) (111) (200)/(002) 従来品4 − 種々の結晶面が混在 従来品5 − 同 上 従来品6 − 同 上 実施例7 200 100 0 実施例8 400 100 0 実施例9 600 90 10 実施例10 650 80 20 実施例11 700 20 80 実施例12 750 10 90 実施例13 800 0 100 実施例14 850 0 100 実施例15 900 0 100 Table 2 (Comparison between Conventional Product and Example) Test Piece Base Material Temperature (° C.) Surface Occupancy (%) (111) (200) / (002) Conventional Product 4-Various Crystal Faces Mixed Conventional Product 5-Same as Conventional Product 6-Same Example 7 200 100 0 Example 8 400 100 0 Example 9 600 90 10 Example 10 650 80 20 Example 11 700 20 80 Example 12 750 10 90 Example 13 800 0 100 Example 14 850 0 100 Example 15 900 0 100
【0078】金属基材温度を700℃以上としてジルコ
ニア被覆層の成膜を行うことにより(200)および
(002)の占める面積比が80%以上となり、格段の
剥離寿命の向上が得られた。また、このときの柱状晶は
大きく成長した一個の結晶粒となっていた。By forming the zirconia coating layer at a metal substrate temperature of 700 ° C. or higher, the area ratio occupied by (200) and (002) was 80% or more, and a marked improvement in the peeling life was obtained. In addition, the columnar crystal at this time was one large grown crystal grain.
【0079】[0079]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
機械的強度に優れた結晶構造の被覆層が得られ、高温雰
囲気中での長期間の使用や熱サイクル運転に対しても、
ジルコニア被覆層の割れや剥離の発生を防止することが
できる極めて優れたジルコニア被覆部材を提供すること
ができる。As described above, according to the present invention,
A coating layer with a crystalline structure with excellent mechanical strength is obtained, and even for long-term use in a high temperature atmosphere and thermal cycle operation,
It is possible to provide an extremely excellent zirconia-coated member that can prevent cracking or peeling of the zirconia coating layer.
【0080】またジルコニア被覆層の形成を好ましくは
金属基材を700℃以上の温度で均一に加熱しながら行
うことにより、結晶方位および柱状晶のミクロ組織を制
御することができる。さらに好ましくは結合層を減圧プ
ラズマ溶射あるいは物理蒸着法で形成することにより、
高温酸化特性にもより優れ、長時間にわたってより安定
した、割れや剥離のより起こりにくいジルコニア被覆部
材を提供することができる。By forming the zirconia coating layer preferably while uniformly heating the metal substrate at a temperature of 700 ° C. or higher, the crystal orientation and the microstructure of columnar crystals can be controlled. More preferably by forming the bonding layer by low pressure plasma spraying or physical vapor deposition method,
It is possible to provide a zirconia-coated member that is more excellent in high-temperature oxidation characteristics, is more stable over a long period of time, and is less susceptible to cracking or peeling.
【図1】本発明にかかるジルコニア被覆部材の断面図で
ある。FIG. 1 is a sectional view of a zirconia-coated member according to the present invention.
【図2】本発明にかかるジルコニア被覆部材の製造装置
の概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an apparatus for manufacturing a zirconia-coated member according to the present invention.
【図3】本発明にかかるジルコニア被覆部材の製造装置
の一部である金属基材加熱装置の概略構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a metal base material heating device which is a part of a zirconia coated member manufacturing apparatus according to the present invention.
【図4】本発明にかかるジルコニア被覆部材の製造装置
の好適態様の概略構成図である。FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a preferred embodiment of a zirconia-coated member manufacturing apparatus according to the present invention.
【図5】従来のジルコニア被覆部材の断面図である。FIG. 5 is a sectional view of a conventional zirconia-coated member.
【図6】実施例3および4におけるジルコニア被覆時の
温度分布を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a temperature distribution during zirconia coating in Examples 3 and 4.
1 金属基材 2 結合層 3 ジルコニア被覆層 4 真空チャンバー 5 ルツボ 6 ジルコニアターゲット材 7 金属基材駆動装置 8 金属基材加熱装置 9 ヒータエレメント 10 防熱板 11 加熱装置支え 12 扉 13 従来品の結合層 14 従来品のジルコニア被覆層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal substrate 2 Bonding layer 3 Zirconia coating layer 4 Vacuum chamber 5 Crucible 6 Zirconia target material 7 Metal substrate driving device 8 Metal substrate heating device 9 Heater element 10 Heat insulating plate 11 Heating device support 12 Door 13 Conventional bonding layer 14 Conventional zirconia coating layer
Claims (17)
れた結合層と、前記結合層上に被覆形成されたZrO2
を主成分とするジルコニア被覆層を具備してなるジルコ
ニア被覆部材であって、 前記ジルコニア被覆層を構成する結晶が柱状晶からなる
正方晶を90%以上含んでなることを特徴とする、ジル
コニア被覆部材。1. A metal base material, a bonding layer coated on the metal base material, and ZrO 2 coated on the bonding layer.
A zirconia coating member comprising a zirconia coating layer containing as a main component, wherein the crystal forming the zirconia coating layer contains 90% or more of tetragonal crystals composed of columnar crystals. Element.
02)の方位に配向性を有する結晶が、前記ジルコニア
被覆層表面における面積比で80%以上である、請求項
1に記載のジルコニア被覆部材。2. The Miller index (200) and / or (0
The zirconia-coated member according to claim 1, wherein the crystal having orientation in the (02) direction is 80% or more in terms of the area ratio on the surface of the zirconia coating layer.
くとも1種を含有してなり、前記結合層が、M−Cr−
Al−Y層(ここで、Mは、Ni、Co、Feの少なく
とも1種を示す)からなる、請求項1または2に記載の
ジルコニア被覆部材。3. The metal base material contains at least one of Ni, Cr and Co, and the bonding layer is M-Cr-.
The zirconia-coated member according to claim 1 or 2, comprising an Al-Y layer (where M represents at least one of Ni, Co, and Fe).
結晶粒が1個の結晶体となって成長してなる、請求項1
〜3のいずれか1項に記載のジルコニア被覆部材。4. The crystal grains of columnar crystals of the zirconia coating layer grow as one crystal body.
The zirconia coating member according to any one of 3 to 3.
コニア被覆部材を具備してなることを特徴とする、ター
ビン部材。5. A turbine member comprising the zirconia coating member according to any one of claims 1 to 4.
らに前記結合層上に前記ジルコニア被覆層を物理蒸着法
によって形成することを特徴とする、請求項1に記載の
ジルコニア被覆部材の製造方法。6. The zirconia-coated member according to claim 1, wherein the bonding layer is formed on the metal substrate, and the zirconia coating layer is formed on the bonding layer by a physical vapor deposition method. Manufacturing method.
蒸着法によって形成する、請求項6に記載のジルコニア
被覆部材の製造方法。7. The method for producing a zirconia-coated member according to claim 6, wherein the bonding layer is formed by low pressure plasma spraying or physical vapor deposition.
O2を主成分としCaO、MgO、Y2O3、CeO2
のいずれか1種以上を含んでなるジルコニアターゲット
材に、電子ビームを照射して前記ターゲット材を蒸発さ
せ、前記ターゲット材を前記結合層に成膜し、かつ、前
記成膜の間、前記金属基材を加熱し続ける、請求項6ま
たは7に記載のジルコニア被覆部材の製造方法。8. Zr during the formation of the zirconia coating layer
The O 2 mainly CaO, MgO, Y 2 O 3 , CeO 2
A zirconia target material containing any one or more of the above, to evaporate the target material by irradiating the target material with an electron beam, to form the target material on the bonding layer, and during the formation of the metal. The method for producing a zirconia-coated member according to claim 6, wherein the base material is continuously heated.
基材温度が、700℃以上であり、かつ、前記金属基材
の溶体化処理温度以下に保持されている、請求項6〜8
のいずれか1項に記載のジルコニア被覆部材の製造方
法。9. The temperature of the metal base material at the time of forming the zirconia coating layer is 700 ° C. or higher and is maintained at the solution treatment temperature of the metal base material or lower.
The method for manufacturing the zirconia-coated member according to any one of 1.
金属基材のみを局部加熱する、請求項6〜9のいずれか
1項に記載のジルコニア被覆部材の製造方法。10. The method for producing a zirconia coated member according to claim 6, wherein only the metal base material is locally heated when the zirconia coated layer is formed.
材の製造方法を実施する装置であって、前記ジルコニア
被覆層の成膜時の前記金属基材のみを局部加熱するため
の金属基材加熱装置を、前記金属基材の周囲に配置して
なることを特徴とする、ジルコニア被覆部材の製造装
置。11. An apparatus for carrying out the method for producing the zirconia coating member according to claim 6, wherein the metal base material is heated only for locally heating the metal base material when the zirconia coating layer is formed. An apparatus for manufacturing a zirconia-coated member, characterized in that the apparatus is arranged around the metal base material.
周囲に独立に複数配置してなる、請求項11に記載のジ
ルコニア被覆部材の製造装置。12. The apparatus for producing a zirconia-coated member according to claim 11, wherein a plurality of the metal base material heating devices are independently arranged around the metal base material.
って、金属基材加熱装置からの輻射熱が集束する位置
に、前記金属基材の配設器具が配設されてなる、請求項
11または12に記載のジルコニア被覆部材の製造装
置。13. The apparatus for manufacturing a zirconia-coated member, wherein the metal base material arranging device is arranged at a position where the radiant heat from the metal base material heating device is focused. An apparatus for manufacturing a zirconia coated member according to.
扉が設けられてなるバッチ型装置であり、1以上の前記
金属基材加熱装置を前記扉に配置してなる、請求項11
〜13のいずれか1項に記載のジルコニア被覆部材の製
造装置。14. An apparatus for producing the zirconia-coated member,
12. A batch type device provided with a door, wherein one or more of the metal base material heating devices are arranged on the door.
An apparatus for manufacturing a zirconia-coated member according to any one of claims 1 to 13.
なるヒータエレメントが設けられてなり、前記金属加熱
装置の前記金属基材に面した部分は、ヒータエレメント
が露出しており、前記金属加熱装置の他の部分は防熱板
によって囲まれてなるものである、請求項11〜14の
いずれか1項に記載のジルコニア被覆部材の製造装置。15. The metal heating device is provided with a heater element made of graphite, and the heater element is exposed at a portion of the metal heating device facing the metal base material. The zirconia-coated member manufacturing apparatus according to claim 11, wherein the other portion is surrounded by a heat insulating plate.
ーを前記金属基材の近傍に配設し、前記熱センサーから
の信号を前記金属基材加熱装置にフィードバックさせる
ようにしてなる、請求項11または12に記載のジルコ
ニア被覆部材の製造装置。16. A heat sensor for measuring the temperature of the metal base material is arranged in the vicinity of the metal base material, and a signal from the heat sensor is fed back to the metal base material heating device. Item 11. An apparatus for producing a zirconia-coated member according to Item 11 or 12.
センサーからの信号を各々別の前記複数個の金属基材加
熱装置にフィードバックさせ、複数個の前記金属基材加
熱装置を独立に制御させてなる、請求項16に記載のジ
ルコニア被覆部材の製造装置。17. A plurality of the heat sensors are provided, and signals from the heat sensors are fed back to the plurality of different metal base material heating devices, so that the plurality of metal base material heating devices are independently provided. The zirconia-coated member manufacturing apparatus according to claim 16, which is controlled.
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JPH11229109A (en) * | 1997-12-19 | 1999-08-24 | United Technol Corp <Utc> | Heat resistant top coat and coating system |
JP2012167330A (en) * | 2011-02-15 | 2012-09-06 | Toyota Central R&D Labs Inc | Deposition treatment device |
-
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