JPH0978257A - Thermal insulation coating material - Google Patents

Thermal insulation coating material

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JPH0978257A
JPH0978257A JP23253895A JP23253895A JPH0978257A JP H0978257 A JPH0978257 A JP H0978257A JP 23253895 A JP23253895 A JP 23253895A JP 23253895 A JP23253895 A JP 23253895A JP H0978257 A JPH0978257 A JP H0978257A
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layer
thermal barrier
metal
zirconia
metal bonding
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JP23253895A
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Japanese (ja)
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Seiichi Suenaga
誠一 末永
Kunihiko Wada
国彦 和田
Kazuhiro Yasuda
一浩 安田
Hiroshi Tateishi
浩史 立石
Masako Nakabashi
昌子 中橋
Kazuhide Matsumoto
一秀 松本
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Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form a ceramic thermal insulation layer having excellent strength and characteristics for heat resistance cycles and excellent adhesion property to a metal base body or a metal bonding layer. SOLUTION: This material coated with a heat-insulation film is produced by forming a metal bonding layer 2 on a metal base body 1 and forming a ceramic heat-insulating layer 3 thereon. In this material, an intermediate layer 4 essentially comprising at least one compd. selected from active metals and oxides of active metals and containing <=1wt.% rare earth oxide is formed between the metal bonding layer 2 and the ceramic heat-insulation layer 3, or, the ceramic heat-insulation layer is formed to have a structure comprising an inner layer by thermal spraying method and an outer layer by EB-PVD method, or, the ceramic heat-insulation layer consists of a stabilized zirconia layer having the orientation in at least one plane direction selected from (100) and (001) planes to the surface of the metal bonding layer.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばガスタービ
ンの動・静翼の構成材料のように、高温かつ高応力化で
長時間の高温強度、遮熱性、耐酸化および耐食性が要求
される材料に好適な遮熱被覆材料およびその製造方法に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a material, such as a constituent material of a moving / static vane of a gas turbine, which is required to have high temperature and high stress for a long time high temperature strength, heat shielding property, oxidation resistance and corrosion resistance. And a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】発電用やエンジン用のガスタービンに代
表される高温機器の高効率化を目指した機器使用温度の
高温化に伴って、機器構成部品に使用される材料には、
一層高レベルの特性、例えば高温強度、高温耐食・耐酸
化性等が要求されている。このため、高強度のNi基やCo
基の超合金の表面に、 M-Cr-Al-Y(M=Ni,Co等)合金等か
らなる耐食・耐酸化金属コーティングを施す技術が開発
され、発電用ガスタービンや航空機用ジェットエンジン
等の分野では、既に不可欠な技術として広く認識されて
いる。
2. Description of the Related Art As the operating temperature of equipment increases with the aim of increasing the efficiency of high-temperature equipment such as gas turbines for power generation and engines, materials used for equipment components include:
Even higher levels of properties, such as high temperature strength, high temperature corrosion and oxidation resistance, are required. Therefore, high-strength Ni-based and Co-based
A technology has been developed to apply a corrosion-resistant and oxidation-resistant metal coating made of M-Cr-Al-Y (M = Ni, Co, etc.) alloys to the surface of base superalloys, such as gas turbines for power generation and jet engines for aircraft. In the field of, it is already widely recognized as an indispensable technology.

【0003】しかし、さらなる高温化の流れの中では、
金属コーティングのみでは既に材料特性として不十分な
状況にあり、このため金属コーティング層の表面に熱伝
導率の低いセラミックスコーティングを施し、内部を冷
却する遮熱コーティング技術が次世代の技術として開発
され、航空機用ジェットエンジンの静翼等で実用化が進
められている。セラミックス材料の種類としては、高温
強度、熱伝導率、熱膨張率等の特性から Y2 O 3 安定化
ZrO2 が最も広く適用されている。なお、M-Cr-Al-Y(M=
Ni,Co等)合金等からなる金属コーティング層は、金属
基材とセラミックス層との熱膨張差等を緩和する結合層
としても機能するものである。
However, in the trend of higher temperatures,
Metal coating alone is already insufficient as a material property, so a thermal barrier coating technology that cools the inside by applying a ceramic coating with low thermal conductivity to the surface of the metal coating layer was developed as a next-generation technology, It is being put to practical use as a stationary blade for jet engines for aircraft. As a type of ceramic material, Y 2 O 3 stabilization is considered due to its characteristics such as high temperature strength, thermal conductivity, and thermal expansion coefficient.
ZrO 2 is the most widely applied. In addition, M-Cr-Al-Y (M =
The metal coating layer made of an alloy such as Ni, Co, etc. also functions as a bonding layer that alleviates a difference in thermal expansion between the metal base material and the ceramic layer.

【0004】上述した金属コーティングや遮熱コーティ
ング(セラミックスコーティング)には、各種のコーテ
ィング技術が適用されているが、なかでもプラズマ溶射
法はコーティング材料を幅広く選択することができ、ま
た成膜速度が速く、厚膜の形成が可能である等の利点に
基いて、高温機器における M-Cr-Al-Y合金やセラミック
ス材料のコーティングに広く利用されている。しかし、
プラズマ溶射法によるセラミックス層は、溶射層特有の
組織や内在する多数の欠陥によって、熱サイクル下での
耐剥離性、特にセラミックス層内部から剥離が生じやす
い、すなわち強度および耐熱サイクル性に劣ることが指
摘されている。
Various coating techniques have been applied to the above-mentioned metal coating and thermal barrier coating (ceramics coating). Among them, the plasma spraying method allows a wide selection of coating materials and has a high film-forming rate. It is widely used for coating M-Cr-Al-Y alloys and ceramic materials in high-temperature equipment based on its advantages such as rapid and thick film formation. But,
The ceramic layer formed by the plasma spraying method may be inferior in peeling resistance under thermal cycling, particularly peeling easily from the inside of the ceramic layer, that is, strength and heat cycle resistance, due to the structure peculiar to the thermal spraying layer and numerous internal defects. It has been pointed out.

【0005】一方、電子ビームPVD法(EB−PVD
法)に代表される物理的・化学的蒸着法によるセラミッ
クス層は、溶射法と比較して成膜速度が低く、コストが
高いものの、EB−PVD法特有の界面に対して垂直方
向に成長する柱状組織を有し、この組織が耐熱サイクル
特性に対して極めて有効に作用することが知られてい
る。しかし、金属結合層とセラミックス層との密着性に
関しては、現状のEB−PVD法では化学的結合力に頼
らざるを得ないため、金属結合層とセラミックス層との
界面で剥離が生じやすいという問題を有している。
On the other hand, the electron beam PVD method (EB-PVD
The ceramic layer formed by the physical / chemical vapor deposition method represented by the method (2) has a lower film formation rate and a higher cost than the thermal spraying method, but grows in the direction perpendicular to the interface peculiar to the EB-PVD method. It has a columnar structure, and it is known that this structure acts extremely effectively on the thermal cycle resistance. However, regarding the adhesiveness between the metal bonding layer and the ceramics layer, the current EB-PVD method has no choice but to rely on the chemical bonding force, so that peeling easily occurs at the interface between the metal bonding layer and the ceramics layer. have.

【0006】また、ガスタービン等の実使用環境におい
ては、粗大粒子等の衝突による部材の摩耗や損傷が問題
となるが、特にプラズマ溶射法によるセラミックス層は
表面の凹凸が大きいことや、層内の ZrO2 粒子同士の結
合力が低いことから、衝突時のダメージが大きく、セラ
ミックス層表面の摩耗や損傷が生じやすいという問題を
有している。
Further, in an actual use environment of a gas turbine or the like, there is a problem of wear and damage of members due to collision of coarse particles and the like. Particularly, a ceramic layer formed by the plasma spraying method has a large unevenness on the surface and the inside of the layer. Since the ZrO 2 particles have a low bonding force with each other, there is a problem that the damage at the time of collision is large and the ceramic layer surface is easily worn or damaged.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、遮熱
層として機能するセラミックス層の形成方法としては、
プラズマ溶射法とEB−PVD法の両者が有望視されて
いるが、それぞれに長所・短所があり、セラミックス層
の強度や耐熱サイクル特性、金属/セラミックス界面の
密着性等の全ての性能を同時に満足するセラミックス遮
熱層は得られていないのが現状である。
As described above, as a method of forming a ceramics layer that functions as a heat shield layer,
Both the plasma spraying method and the EB-PVD method are regarded as promising, but each has its advantages and disadvantages, and simultaneously satisfies all performances such as strength of ceramic layer, heat cycle characteristics, and adhesion between metal / ceramics interface. The current situation is that a ceramics thermal barrier layer has not been obtained.

【0008】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、耐熱サイクル特性や強度に優れると
共に、金属基材や金属結合層に対して優れた密着性を示
すセラミックス遮熱層を用いることによって、高温雰囲
気下で長時間の使用に耐え得る遮熱被覆材料を提供する
ことを目的としている。
The present invention has been made in order to solve such a problem, and is a ceramics heat shield layer having excellent heat resistance cycle characteristics and strength and excellent adhesion to a metal base material and a metal bonding layer. The purpose of the present invention is to provide a thermal barrier coating material that can withstand long-term use in a high temperature atmosphere.

【0009】また、本発明は耐摩耗性、飛来物体の衝突
による損傷への抵抗性(耐FOD性)等を向上させた遮
熱被覆材料を提供することを目的としている。
Another object of the present invention is to provide a thermal barrier coating material having improved wear resistance, resistance to damage due to collision of flying objects (FOD resistance) and the like.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明における第1の遮
熱被覆材料は、請求項1に記載したように、金属基材
と、前記金属基材上に被覆形成された金属結合層と、前
記金属結合層上に被覆形成されたセラミックス遮熱層と
を具備する遮熱被覆材料において、前記金属結合層とセ
ラミックス遮熱層との間に、活性金属および活性金属の
酸化物から選ばれる少なくとも 1種を主成分とし、かつ
希土類酸化物の含有量が 1重量% 以下である中間層が設
けられていることを特徴としている。
A first thermal barrier coating material according to the present invention is, as described in claim 1, a metal base material, and a metal bonding layer formed by coating on the metal base material. In a thermal barrier coating material comprising a ceramic thermal barrier layer formed on the metal bonding layer, at least an active metal and an oxide of an active metal are provided between the metal bonding layer and the ceramic thermal barrier layer. It is characterized in that an intermediate layer containing one kind as a main component and having a rare earth oxide content of 1% by weight or less is provided.

【0011】また、上記第1の遮熱被覆材料の製造方法
は、前記金属基材上に前記金属結合層を被覆形成する工
程と、前記金属結合層上に活性金属層を形成する工程
と、前記活性金属層上に直接、あるいは酸化処理を施し
た前記活性金属層上に、前記セラミックス遮熱層を被覆
形成する工程とを具備することを特徴としている。
Further, the first method for producing a thermal barrier coating material comprises the steps of forming the metal bonding layer on the metal base material by coating, and forming an active metal layer on the metal bonding layer. And a step of coating the ceramics heat shield layer directly on the active metal layer or on the active metal layer that has been subjected to an oxidation treatment.

【0012】本発明における第2の遮熱被覆材料は、請
求項2に記載したように、金属基材と、前記金属基材上
に被覆形成された金属結合層と、前記金属結合層上に被
覆形成されたセラミックス遮熱層とを具備する遮熱被覆
材料において、前記セラミックス遮熱層は溶射法による
内層と電子ビームPVD法(以下、EB−PVD法と記
す)による表面層とから構成されていることを特徴とし
ている。
The second thermal barrier coating material according to the present invention comprises, as described in claim 2, a metal base material, a metal bonding layer formed by coating on the metal base material, and the metal bonding layer. In a thermal barrier coating material having a ceramics thermal barrier layer formed as a coating, the ceramics thermal barrier layer is composed of an inner layer formed by a thermal spraying method and a surface layer formed by an electron beam PVD method (hereinafter referred to as EB-PVD method). It is characterized by

【0013】第3の遮熱被覆材料は、請求項3に記載し
たように、金属基材と、前記金属基材上に直接または金
属結合層を介して被覆形成された安定化ジルコニアから
なるセラミックス遮熱層とを具備する遮熱被覆材料にお
いて、前記セラミックス遮熱層は安定化ジルコニア層を
有し、前記安定化ジルコニア層表面のX線回折による回
折強度比{I(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(111)}が
0.9〜 1.0の範囲を満足することを特徴としている。こ
の第3の遮熱被覆材料は、請求項4に記載したように、
前記セラミックス遮熱層は、さらに前記金属基材表面ま
たは前記金属結合層表面に対して(111)面方向に配向性
を有する安定化ジルコニア層を有することを特徴として
いる。
The third thermal barrier coating material is, as described in claim 3, a ceramic comprising a metal substrate and stabilized zirconia coated on the metal substrate directly or through a metal bonding layer. In the thermal barrier coating material including a thermal barrier layer, the ceramic thermal barrier layer has a stabilized zirconia layer, and the diffraction intensity ratio of the stabilized zirconia layer surface by X-ray diffraction {I (200) + I (002 )} / {I (200) + I (002) + I (111)}
It is characterized by satisfying the range of 0.9 to 1.0. This third thermal barrier coating material, as described in claim 4,
The ceramics heat shield layer further comprises a stabilized zirconia layer having an orientation in the (111) plane direction with respect to the surface of the metal base material or the surface of the metal bonding layer.

【0014】第1の遮熱被覆材料においては、Ti、Zr、
Hf等の活性金属およびこれら活性金属の酸化物から選ば
れる少なくとも 1種を主成分とする中間層が金属結合層
とセラミックス遮熱層との間に設けられている。Ti、Z
r、Hf等の活性金属は、酸素や窒素等との親和力が強
く、セラミックス遮熱層の構成材料となる酸化物等を容
易に還元するため、金属結合層とセラミックス遮熱層と
の間の密着性を高めることができる。また、活性金属層
を予め酸化した場合には、最表面のセラミックス遮熱層
に対する濡れ性が向上するため、同様に金属結合層とセ
ラミックス遮熱層との間の密着性を高めることができ
る。
In the first thermal barrier coating material, Ti, Zr,
An intermediate layer containing, as a main component, at least one selected from active metals such as Hf and oxides of these active metals is provided between the metal bonding layer and the ceramics heat shield layer. Ti, Z
Active metals such as r and Hf have a strong affinity with oxygen and nitrogen and easily reduce oxides and the like which are constituent materials of the ceramics heat shield layer. Adhesion can be improved. Further, when the active metal layer is pre-oxidized, the wettability of the outermost surface of the ceramics heat shield layer is improved, so that the adhesion between the metal bonding layer and the ceramics heat shield layer can be similarly enhanced.

【0015】第2の遮熱被覆材料においては、セラミッ
クス遮熱層を溶射法により形成された内層とEB−PV
D法により形成された表面層とから構成しており、金属
結合層とセラミックス遮熱層とは良好な機械的結合が得
られる溶射法による内層により良好に密着させることが
できる。また、溶射法による内層上にEB−PVD法に
よる表面層を形成することによって、密着性を化学的な
結合力に頼っているEB−PVD法であっても、両層の
組成が極めて近いために、金属結合層上に直接形成した
場合と比較して高い結合力を得ることができる。そし
て、EB−PVD法によるセラミックス表面層は、特有
の柱状組織の成長によって熱応力の緩和効果が高いため
に、セラミックス遮熱層の耐熱サイクル性を向上させる
ことができる。また、EB−PVD法によるセラミック
ス層はプラズマ溶射法に比べて欠陥が少ないために硬度
が高く、表面の耐摩耗性や耐FOD性も同時に向上させ
ることができる。
In the second thermal barrier coating material, the ceramic thermal barrier layer and the inner layer formed by the thermal spraying method and EB-PV are used.
It is composed of the surface layer formed by the D method, and the metal bonding layer and the ceramics heat shield layer can be more closely adhered to the inner layer formed by the thermal spraying method, which provides good mechanical bonding. In addition, since the surface layer formed by the EB-PVD method is formed on the inner layer formed by the thermal spraying method, the composition of both layers is extremely close even in the case of the EB-PVD method that depends on the chemical bonding force for adhesion. In addition, a higher bonding strength can be obtained as compared with the case where it is directly formed on the metal bonding layer. Since the ceramic surface layer formed by the EB-PVD method has a high effect of relaxing thermal stress due to the growth of a specific columnar structure, it is possible to improve the thermal cycle resistance of the ceramic heat shield layer. Further, the ceramic layer formed by the EB-PVD method has less defects as compared with the plasma spraying method, and thus has a high hardness, and the abrasion resistance and FOD resistance of the surface can be improved at the same time.

【0016】第3の遮熱被覆材料においては、安定化ジ
ルコニア層表面のX線回折による回折強度比{I(200)+I
(002)}/{I(200)+I(002)+I(111)}を 0.9〜 1.0の範囲を
満足させている。ここで、上記安定化ジルコニア層は、
金属基材表面や金属結合層表面に対して (100)および
(001)から選ばれる少なくとも 1つの面方向に配向性を
有するものであるが、X線回折では (100)面、 (001)面
の回折ピークは得られないため、本発明では (200)面、
(002)面の回折ピークを用いて定義している。以下に示
す (200)面および (002)面はいずれも上記したことを意
味する。
In the third thermal barrier coating material, the diffraction intensity ratio of the stabilized zirconia layer surface by X-ray diffraction is {I (200) + I
(002)} / {I (200) + I (002) + I (111)} satisfies the range of 0.9 to 1.0. Here, the stabilized zirconia layer,
(100) and for metal substrate surface and metal bonding layer surface
It has orientation in at least one plane direction selected from (001), but since diffraction peaks of the (100) plane and the (001) plane cannot be obtained by X-ray diffraction, the (200) plane is used in the present invention. ,
It is defined using the diffraction peak of the (002) plane. Both the (200) plane and the (002) plane shown below mean the above.

【0017】安定化ジルコニア層の割れや剥離の原因と
なる層内平行方向への亀裂進展は、最も剥離しやすいへ
き開面である (111)面の存在に起因するが、この (111)
面との面角が一番大きい (100)面や (001)面に配向させ
ると共に、 (111)面が層内平行方向にほぼ配向していな
い安定化ジルコニア層では、 (111)面が亀裂進展方向に
対して高角度となるため、亀裂が水平方向に伝播しずら
くなり、その結果として安定化ジルコニア層の割れや剥
離による損傷を抑制することが可能となる。
The crack propagation in the in-layer parallel direction, which causes cracking and peeling of the stabilized zirconia layer, is caused by the existence of the (111) plane which is the cleavage plane that is most easily peeled.
In the stabilized zirconia layer, which is oriented in the (100) or (001) plane, which has the largest face angle with the plane, and the (111) plane is almost not oriented in the in-layer parallel direction, the (111) plane is cracked. Since the angle is high with respect to the propagation direction, it becomes difficult for the crack to propagate in the horizontal direction, and as a result, it is possible to suppress damage due to cracking or peeling of the stabilized zirconia layer.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Modes for carrying out the present invention will be described below.

【0019】図1は、本発明における第1の遮熱被覆材
料の一実施形態を示す図である。同図において、1は金
属基材であり、この金属基材1としてはFe、NiおよびCo
から選ばれる少なくとも 1種の元素を主成分とする耐熱
合金が挙げられ、使用用途等に応じて各種公知の耐熱合
金を適宜選択して使用することができる。実用上は、IN
738、 IN939、Mar-M247、RENE80等のNi基超合金や、FSX
414、Mar-M509等のCo基超合金を用いることが有効であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the first thermal barrier coating material of the present invention. In the figure, 1 is a metal base material, and the metal base material 1 is Fe, Ni and Co.
A heat-resistant alloy containing at least one element selected from the following as a main component is used, and various known heat-resistant alloys can be appropriately selected and used according to the intended use. In practice, IN
738, IN939, Mar-M247, RENE80 and other Ni-based superalloys, and FSX
It is effective to use a Co-based superalloy such as 414 or Mar-M509.

【0020】上述した金属基材1の表面には、耐食・耐
酸化性に優れると共に、金属基材1と後述するセラミッ
クス遮熱層3との中間の熱膨張係数を有する M-Cr-Al-Y
合金(M=Co,Ni)等からなる金属結合層2が被覆形成され
ている。 M-Cr-Al-Y合金からなる金属結合層2は、上記
したように金属基材1の耐食・耐酸化性を保証すると同
時に、金属基材1/セラミックス遮熱層3間の熱膨張係
数の違いによる熱応力の緩和を図ることを目的としてお
り、総合的にこれらの性能を考慮して、一般的には 0.1
〜20重量% のAl、10〜35重量% のCr、 0.1〜 5重量% の
Yを含み、残部がNiおよびCoから選ばれる少なくとも 1
種の M元素から実質的になる組成の合金か用いられる。
また、用途によっては M-Cr-Al-Y合金に、Ti、Nb、Hf、
Zr、Taおよび Wから選ばれる少なくとも 1種の添加元素
を 5重量% 以下の範囲で微量添加することも可能であ
る。
On the surface of the above-mentioned metal base material 1, M-Cr-Al- which has excellent corrosion resistance and oxidation resistance and a thermal expansion coefficient intermediate between that of the metal base material 1 and the ceramics heat shield layer 3 described later. Y
A metal bonding layer 2 made of an alloy (M = Co, Ni) or the like is formed by coating. The metal bonding layer 2 made of the M-Cr-Al-Y alloy ensures the corrosion resistance and the oxidation resistance of the metal substrate 1 as described above, and at the same time, the thermal expansion coefficient between the metal substrate 1 and the ceramics heat shield layer 3. The purpose is to reduce the thermal stress due to the difference in
~ 20 wt% Al, 10-35 wt% Cr, 0.1-5 wt%
At least 1 including Y and the balance Ni and Co
An alloy with a composition consisting essentially of the M element is used.
Depending on the application, M-Cr-Al-Y alloy with Ti, Nb, Hf,
It is also possible to add a trace amount of at least one additive element selected from Zr, Ta and W in a range of 5% by weight or less.

【0021】金属結合層2は、プラズマ溶射法、HVO
F法、PVD法、CVD法等の成膜方法によって形成す
ることができるが、実用上はプラズマ溶射法が最も有効
である。特にプラズマ溶射法の中でも、減圧雰囲気中で
溶射プロセスを行う減圧プラズマ溶射法(VPS法)が
好ましく、これにより成膜時の金属結合層2の酸化を抑
制して、優れた耐酸化性を付与することができる。ま
た、プラズマ溶射法を用いた場合には、後に詳述するよ
うに、その表面を機械的研磨等により平滑化し、その後
の成膜工程を実施することが好ましい。
The metal bonding layer 2 is formed by plasma spraying method, HVO.
It can be formed by a film forming method such as the F method, the PVD method, or the CVD method, but the plasma spraying method is most effective in practice. Particularly, among the plasma spraying methods, a low pressure plasma spraying method (VPS method) in which a spraying process is performed in a reduced pressure atmosphere is preferable, whereby oxidation of the metal bonding layer 2 during film formation is suppressed, and excellent oxidation resistance is imparted. can do. Further, when the plasma spraying method is used, it is preferable that the surface thereof is smoothed by mechanical polishing or the like and a subsequent film forming step is performed, as described later in detail.

【0022】金属結合層2の厚さは10〜 500μm 程度の
範囲から用途に応じて選択でき、例えばガスタービン翼
部では50〜 300μm 程度が酸化寿命や金属基材1とセラ
ミックス遮熱層3の応力緩和効果の観点から適当であ
る。
The thickness of the metal bonding layer 2 can be selected from the range of about 10 to 500 μm according to the application. For example, about 50 to 300 μm in the gas turbine blade portion, the oxidation life or the metal base material 1 and the ceramic heat shield layer 3 is reduced. It is suitable from the viewpoint of stress relaxation effect.

【0023】上述した金属結合層2と最表面のセラミッ
クス遮熱層3との間には、Ti、Zr、Hf等の活性金属およ
びこれら活性金属の酸化物から選ばれる少なくとも 1種
を主成分とする中間層4が設けられている。すなわち、
Ti、Zr、Hf等の活性金属は酸素や窒素等との親和力が強
く、後に詳述するセラミックス遮熱層3の構成材料とな
る安定化 ZrO2 等の酸化物を容易に還元するため、中間
層4として活性金属層を形成しておくことによって、金
属結合層2とセラミックス遮熱層3との間の密着性を高
めることができる。また、金属結合層2上に形成したT
i、Zr、Hf等の活性金属層に熱処理を施す等して予め酸
化し、これら酸化物を主成分とする中間層4とした場合
には、最表面のセラミックス遮熱層3に対する濡れ性が
向上するため、同様に金属結合層2とセラミックス遮熱
層3との間の密着性を高めることができる。
Between the above-mentioned metal bonding layer 2 and the outermost ceramic heat shield layer 3, at least one selected from active metals such as Ti, Zr and Hf and oxides of these active metals is a main component. The intermediate layer 4 is provided. That is,
Active metals such as Ti, Zr, and Hf have a strong affinity with oxygen and nitrogen, and easily reduce oxides such as stabilized ZrO 2 that is a constituent material of the ceramics heat shield layer 3 which will be described later. By forming an active metal layer as the layer 4, adhesion between the metal bonding layer 2 and the ceramics heat shield layer 3 can be enhanced. In addition, T formed on the metal bonding layer 2
When the active metal layer of i, Zr, Hf or the like is pre-oxidized by heat treatment or the like to form the intermediate layer 4 containing these oxides as the main components, the wettability with respect to the ceramics heat shield layer 3 on the outermost surface is Because of the improvement, the adhesiveness between the metal bonding layer 2 and the ceramics heat shield layer 3 can be similarly enhanced.

【0024】ここで、中間層4の主成分を酸化物とする
場合においても、この活性金属の酸化物は上述したよう
に熱酸化物や還元酸化物(セラミックス遮熱層3の構成
材料を還元することで生成された酸化物)等であり、酸
化物を成膜原料等として形成した酸化物層とは異なるも
のである。従って、セラミックス遮熱層3として用いる
安定化ジルコニア層のように、希土類酸化物のような安
定化剤を実質的に含まない、具体的には希土類酸化物の
含有量が 1重量% 以下の活性金属の酸化物を構成成分と
するものである。
Here, even when the main component of the intermediate layer 4 is an oxide, the oxide of this active metal reduces the thermal oxide or the reduction oxide (the constituent material of the ceramics heat shield layer 3) as described above. And the like), which is different from the oxide layer formed by using the oxide as a film-forming raw material. Therefore, like the stabilized zirconia layer used as the ceramics heat shield layer 3, it does not substantially contain a stabilizer such as a rare earth oxide, and more specifically, an activity with a rare earth oxide content of 1% by weight or less. It has a metal oxide as a constituent.

【0025】すなわち、第1の遮熱被覆材料において
は、図2に示すように、まず金属結合層2上に希土類酸
化物の含有量が 1重量% 以下の活性金属層4′を形成す
る(図2(a))。これによって、金属結合層2との良
好な密着性が得られる。次いで、この活性金属層4′上
にセラミックス遮熱層3を成膜し、セラミックス遮熱層
3との界面反応(還元反応)によって、例えば活性金属
の酸化物(還元酸化物)を主成分とする中間層4(主成
分は活性金属単体であってもよい)を形成したり、ある
いは活性金属層4′を熱酸化して生成した熱酸化物を主
成分とする中間層4上にセラミックス遮熱層3を形成す
ることによって(図2(b))、セラミックス遮熱層3
との良好な密着性が得られる。これに対して、金属結合
層2上に当初から酸化物層を形成した場合には、この酸
化物層と金属結合層2との密着性を十分に得ることがで
きない。
That is, in the first thermal barrier coating material, as shown in FIG. 2, first, an active metal layer 4'having a rare earth oxide content of 1% by weight or less is formed on the metal bonding layer 2 ( FIG. 2A). Thereby, good adhesion with the metal bonding layer 2 can be obtained. Next, the ceramics heat shield layer 3 is formed on the active metal layer 4 ', and an interface metal reaction (reduction reaction) with the ceramics heat shield layer 3 causes, for example, an active metal oxide (reduction oxide) as a main component. To form an intermediate layer 4 (main component may be a single active metal), or to shield the ceramics on the intermediate layer 4 whose main component is a thermal oxide generated by thermal oxidation of the active metal layer 4 '. By forming the heat layer 3 (FIG. 2B), the ceramic heat shield layer 3 is formed.
Good adhesion with is obtained. On the other hand, when the oxide layer is formed on the metal bonding layer 2 from the beginning, sufficient adhesion between the oxide layer and the metal bonding layer 2 cannot be obtained.

【0026】なお、特にZrの酸化物を中間層4として用
いる場合、その構造は特に規定されないが、単斜晶ジル
コニア等を挙げることができる。中間層4を構成するT
i、Zr、Hf等の酸化物としては、酸素が金属状態のTi、Z
r、Hf中に固溶しているものであってもよい。
When a Zr oxide is used as the intermediate layer 4, the structure thereof is not particularly limited, but monoclinic zirconia and the like can be mentioned. T constituting the middle layer 4
Oxides such as i, Zr and Hf include Ti and Z in which oxygen is in a metallic state.
It may be a solid solution in r or Hf.

【0027】活性金属層4′の形成方法は特に規定され
るものではないが、EB−PVD法、スパッタリング法
等の物理的・化学的蒸着法を適用することが好ましい。
これは、EB−PVD法等によれば平滑表面に直接成膜
が行え、表面粗さに起因する界面近傍の応力による剥離
を有効に抑制することが可能となるためである。
The method for forming the active metal layer 4'is not particularly limited, but it is preferable to apply a physical / chemical vapor deposition method such as an EB-PVD method or a sputtering method.
This is because, according to the EB-PVD method or the like, a film can be directly formed on a smooth surface, and peeling due to stress near the interface due to surface roughness can be effectively suppressed.

【0028】上述した中間層4として形成する活性金属
層は、Ti、ZrおよびHfから選ばれる少なくとも 1種を主
成分として含むものであればよく、上記活性金属元素の
少なくとも 1種を含有する合金を用いることも可能であ
る。また、活性金属層は単独層として形成してもよい
が、金属結合層2の表面近傍に合金元素として存在さ
せ、セラミックス遮熱層3の成膜中やその後の熱処理過
程において、セラミックス遮熱層3と反応させるように
してもよい。
The active metal layer formed as the above-mentioned intermediate layer 4 may be one containing at least one selected from Ti, Zr and Hf as a main component, and an alloy containing at least one of the above active metal elements. It is also possible to use. Although the active metal layer may be formed as a single layer, it may be present as an alloying element in the vicinity of the surface of the metal bonding layer 2 so that the ceramic heat shield layer 3 may be formed during the formation of the ceramic heat shield layer 3 or in the subsequent heat treatment process. You may make it react with 3.

【0029】中間層4の厚さは特に規定されるものでは
ないが、セラミックス遮熱層3の成膜中やその後の熱処
理過程において、ほぼ全てがセラミックス遮熱層3との
反応に使用されることが好ましい。また、予め活性金属
層4′を酸化し、酸化物を主成分とする中間層4とする
場合、その厚さは10μm 以下とすることが好ましい。酸
化物を主成分とする中間層4の厚さが10μm を超えると
剥離性が高くなる。
The thickness of the intermediate layer 4 is not particularly limited, but almost all is used for the reaction with the ceramics heat shield layer 3 during the formation of the ceramics heat shield layer 3 and in the subsequent heat treatment process. It is preferable. When the active metal layer 4'is previously oxidized to form the intermediate layer 4 containing an oxide as a main component, its thickness is preferably 10 μm or less. When the thickness of the intermediate layer 4 containing an oxide as a main component exceeds 10 μm, the peeling property becomes high.

【0030】セラミックス遮熱層3の構成材料として
は、 ZrO2 、Si3 N 4 、 SiC、Al2 O3 、 TiN、 AlN、
サイアロン等の種々のセラミックス材料を使用すること
が可能であるが、 ZrO2 が低い熱伝導率と大きな熱膨張
係数からセラミックス遮熱層3として好適である。ま
た、 ZrO2 の相変化を抑制するための安定化剤として
は、Y2 O 3 、 CaO、 MgO等が用いられているが、これ
らの中でも Y2 O 3 が最も好ましく、特に Y2 O 3 を 8
重量% 程度含む部分安定化ジルコニアが極めて優れた特
性を示す。このセラミックス遮熱層3全体の厚さは用途
に応じて50〜3000μm程度の範囲から適宜選択可能であ
り、例えばガスタービン翼では 100〜 300μm程度、燃
焼器内面では 500〜2000μm 程度とすることが好まし
い。
As the constituent material of the ceramics heat shield layer 3, ZrO 2 , Si 3 N 4 , SiC, Al 2 O 3 , TiN, AlN,
Although various ceramic materials such as sialon can be used, ZrO 2 is suitable as the ceramic heat shield layer 3 because of its low thermal conductivity and large thermal expansion coefficient. As the stabilizing agent for controlling a phase change ZrO 2, Y 2 O 3, CaO, although MgO or the like is used, and most preferably is Y 2 O 3 Among these, in particular Y 2 O 3 8
Partially stabilized zirconia containing about wt% shows extremely excellent characteristics. The total thickness of the ceramics heat shield layer 3 can be appropriately selected from the range of about 50 to 3000 μm according to the application, for example, about 100 to 300 μm for the gas turbine blade and about 500 to 2000 μm for the inner surface of the combustor. preferable.

【0031】セラミックス遮熱層3の形成方法は特に限
定されるものではないが、EB−PVD法やスパッタリ
ング法等に代表される物理的・化学的蒸着法を用いるこ
とが好ましい。なぜならば、例えばEB−PVD法によ
れば、界面に対して垂直方向に成長する特有の柱状組織
が得られ、耐熱サイクル特性に優れたセラミックス遮熱
層3、すなわちクラックの面方向への伝播を抑制するこ
とが可能なセラミックス遮熱層3が得られるためであ
る。また、EB−PVD法等によれば、プラズマ溶射法
に比べて欠陥が少なく、高硬度のセラミックス遮熱層3
が得られるため、セラミックス遮熱層3の耐摩耗性や耐
FOD性等をも同時に向上させることができる。
The method for forming the ceramics heat shield layer 3 is not particularly limited, but it is preferable to use a physical / chemical vapor deposition method typified by an EB-PVD method or a sputtering method. This is because, for example, according to the EB-PVD method, a peculiar columnar structure that grows in the direction perpendicular to the interface can be obtained, and the ceramic heat shield layer 3 having excellent heat cycle characteristics, that is, the propagation of cracks in the surface direction. This is because the ceramics heat shield layer 3 that can be suppressed is obtained. Further, according to the EB-PVD method or the like, the ceramics heat shield layer 3 having less defects and higher hardness than the plasma spraying method is used.
Therefore, the wear resistance and FOD resistance of the ceramic heat shield layer 3 can be improved at the same time.

【0032】さらに、EB−PVD法等によれば、容易
に平滑面上に成膜することが可能であるため、界面の凹
凸形状に基く応力に起因するセラミックス遮熱層3の剥
離を抑制することができる。すなわち、通常の金属結合
層上にプラズマ溶射法でセラミックス遮熱層を形成する
場合、これらの密着は金属結合層の表面粗さを利用し
た、いわゆるアンカー効果に基いているため、金属結合
層の表面形状に起因する応力が界面近傍のセラミックス
層内に発生し、ガスタービン等の運転環境に晒される
と、上記応力に基いてセラミックス層の剥離が生じやす
い。これに対して、平滑面上に容易に成膜することが可
能なEB−PVD法等を利用することによって、上記セ
ラミックス層の剥離を抑制することが可能になる。ただ
し、本発明においては、中間層4による化学的結合力を
積極的に利用しているため、プラズマ溶射法によっても
平滑面上にセラミック遮熱層を形成することができる。
Furthermore, according to the EB-PVD method or the like, since it is possible to easily form a film on a smooth surface, the peeling of the ceramics heat shield layer 3 due to the stress due to the uneven shape of the interface is suppressed. be able to. That is, when the ceramics thermal barrier layer is formed on the ordinary metal bonding layer by the plasma spraying method, these adhesions are based on the so-called anchor effect utilizing the surface roughness of the metal bonding layer, and therefore When stress due to the surface shape is generated in the ceramic layer near the interface and exposed to the operating environment of a gas turbine or the like, the ceramic layer is liable to peel off based on the stress. On the other hand, by using the EB-PVD method or the like, which can easily form a film on a smooth surface, it becomes possible to suppress the peeling of the ceramic layer. However, in the present invention, since the chemical bonding force of the intermediate layer 4 is positively utilized, the ceramic heat shield layer can be formed on the smooth surface by the plasma spraying method.

【0033】次に、本発明における第2の遮熱被覆材料
の実施形態について述べる。図3は第2の遮熱被覆材料
の一実施形態を示す図であり、1は前述した第1の実施
形態と同様な耐熱合金からなる金属基材であり、この金
属基材1上には第1の実施形態と同様に、 M-Cr-Al-Y合
金等からなる金属結合層2が被覆形成されている。金属
結合層2上には外部の熱を遮蔽して、部材内部の冷却効
果を高めて耐用温度を向上させると共に、部材の長寿命
化を達成するセラミックス遮熱層3が形成されている。
Next, an embodiment of the second thermal barrier coating material of the present invention will be described. FIG. 3 is a view showing an embodiment of the second thermal barrier coating material, and 1 is a metal base material made of the same heat-resistant alloy as in the above-described first embodiment. Similar to the first embodiment, the metal bonding layer 2 made of M-Cr-Al-Y alloy or the like is formed by coating. Formed on the metal bonding layer 2 is a ceramics heat shield layer 3 that shields external heat, enhances the cooling effect inside the member, improves the service temperature, and extends the life of the member.

【0034】上記セラミックス遮熱層3は、溶射法によ
るセラミックス内層5とEB−PVD法によるセラミッ
クス表面層6とから構成されている。溶射法によるセラ
ミックス内層5は、 M-Cr-Al-Y合金等からなる金属結合
層2との結合性を高めるために形成される層であり、金
属結合層2表面の凹凸とかみ合うことによって良好な機
械的結合を得ることができる。セラミックス内層5の形
成に適用する溶射法としては、実用上はプラズマ溶射法
が最も有効である。
The ceramic heat shield layer 3 comprises a ceramic inner layer 5 formed by a thermal spraying method and a ceramic surface layer 6 formed by an EB-PVD method. The ceramics inner layer 5 formed by the thermal spraying method is a layer formed to enhance the bondability with the metal bonding layer 2 made of an M-Cr-Al-Y alloy or the like, and is good by engaging with the irregularities on the surface of the metal bonding layer 2. A good mechanical connection can be obtained. As a thermal spraying method applied to the formation of the ceramic inner layer 5, the plasma thermal spraying method is most effective in practice.

【0035】また、上記セラミックス内層5上にEB−
PVD法によるセラミックス表面層6を形成すると、密
着性を化学的な結合力に頼っているEB−PVD法であ
っても、両層の組成が極めて近いために、金属結合層2
上に直接形成した場合と比較して高い結合力を得ること
ができる。EB−PVD法によるセラミックス表面層6
は、特有の柱状組織の成長によって熱応力の緩和効果が
高く、セラミックス遮熱層3の耐剥離性を向上させるこ
とができる。また、セラミックス表面層6はプラズマ溶
射法に比べて欠陥が少ないために硬度が高く、表面の耐
摩耗性や耐FOD性も同時に向上させることが可能であ
る。溶射法によるセラミックス内層5とEB−PVD法
によるセラミックス表面層6とを組合せることは、EB
−PVD法による高コストの問題解決策としても有効で
ある。
On the ceramic inner layer 5, EB-
When the ceramic surface layer 6 is formed by the PVD method, even if the EB-PVD method, which depends on the chemical bonding force for the adhesiveness, the composition of both layers is very close, and therefore the metal bonding layer 2
A higher binding force can be obtained as compared with the case of forming directly on top. Ceramic surface layer 6 by EB-PVD method
Has a high effect of alleviating thermal stress due to the growth of a peculiar columnar structure, and can improve the peeling resistance of the ceramics heat shield layer 3. Further, the ceramic surface layer 6 has less defects as compared with the plasma spraying method, and thus has high hardness, and it is possible to simultaneously improve the wear resistance and FOD resistance of the surface. Combining the ceramic inner layer 5 by the thermal spraying method and the ceramic surface layer 6 by the EB-PVD method is
-It is also effective as a solution to the problem of high cost by the PVD method.

【0036】セラミックス内層5とセラミックス表面層
6との厚さの比は1:99から99:1まで適宜選択することが
できる。さらに用途によっては、図4に示すようにEB
−PVD法によるセラミックス表面層6が溶射法による
セラミックス内層5の表面凹凸を埋めるだけでのもの
や、あるいは図5に示すように溶射法によるセラミック
ス内層5が金属結合層2の凹凸を埋めるだけの厚さを有
するもの等、種々の形態を採用することができる。
The thickness ratio between the ceramic inner layer 5 and the ceramic surface layer 6 can be appropriately selected from 1:99 to 99: 1. Further, depending on the application, as shown in FIG.
-The ceramic surface layer 6 formed by the PVD method only fills the surface irregularities of the ceramic inner layer 5 formed by the thermal spraying method, or the ceramic inner layer 5 formed by the thermal spraying method fills the unevenness of the metal bonding layer 2 as shown in FIG. Various forms such as one having a thickness can be adopted.

【0037】ただし、実用的には以下に示すような厚さ
比を選択することが好ましい。すなわち、例えば耐熱サ
イクル性が極めて要求される部位では、EB−PVD法
によるセラミックス表面層6の割合が高い、内層5:表
面層6=1:9〜 4:6程度の範囲とすることが好ましく、ま
た耐エロージョン性や耐FOD性の向上と低コストが要
求される部位では内層5:表面層6=4:1〜99:1程度の範
囲に制御することが好ましい。
However, in practice, it is preferable to select the following thickness ratio. That is, for example, in a region where heat cycle resistance is extremely required, the ratio of the ceramic surface layer 6 by the EB-PVD method is high, and the inner layer 5: surface layer 6 is preferably in the range of about 1: 9 to 4: 6. In addition, it is preferable to control the inner layer 5: surface layer 6 in the range of about 4: 1 to 99: 1 in a region where improvement in erosion resistance and FOD resistance and low cost are required.

【0038】また、溶射法によるセラミックス内層5と
EB−PVD法によるセラミックス表面層6とを組合せ
たセラミックス遮熱層3においては、金属結合層2と溶
射法によるセラミックス内層5との界面の凸部と凹部の
高さの差(平均値として)を5〜 200μm の範囲にする
と共に、溶射法によるセラミックス内層5とEB−PV
D法によるセラミックス表面層6との界面の凸部と凹部
の高さの差(平均値として)を0.01〜10μm の範囲とす
ることが好ましい。
Further, in the ceramic heat shield layer 3 in which the ceramics inner layer 5 formed by the thermal spraying method and the ceramics surface layer 6 formed by the EB-PVD method are combined, the convex portion at the interface between the metal bonding layer 2 and the ceramics inner layer 5 formed by the thermal spraying method. And the height difference between the recesses (as an average value) is set in the range of 5 to 200 μm, and the ceramic inner layer 5 and EB-PV by the thermal spraying method are used.
It is preferable that the height difference (as an average value) between the convex portion and the concave portion at the interface with the ceramic surface layer 6 by the D method is in the range of 0.01 to 10 μm.

【0039】金属結合層2/セラミックス内層5の界面
の粗さは、両層の密着強度に著しい影響を及ぼすことを
知られており、界面の粗さが大きい方が密着強度は高く
なる傾向にある。界面付近を走査型電子顕微鏡(SE
M)で 500〜1000倍の倍率で拡大して観察した時、凸部
と凹部の高さの差が 5ケ所の平均で 5〜 200μm の範囲
にあると、遮熱被覆材料は優れた耐熱サイクル性を示
す。実用上は界面粗さが 7〜20μm の範囲にあると、プ
ラズマ溶射による施工が容易であるためにさらに好まし
い。
It is known that the roughness of the interface between the metal bonding layer 2 and the ceramics inner layer 5 has a significant effect on the adhesion strength of both layers. The larger the roughness of the interface, the higher the adhesion strength. is there. Scanning electron microscope (SE
When magnified 500 to 1000 times with M) and the difference in height between the convex and concave portions is in the range of 5 to 200 μm on average at 5 places, the thermal barrier coating material has an excellent heat resistance cycle. Shows sex. Practically, the interface roughness in the range of 7 to 20 μm is more preferable because the plasma spraying facilitates the construction.

【0040】また、溶射層表面の粗さはRmax で65μm
程度、その後のサンドブラスト処理によってRmax 40μ
m 程度となり、サンドブラスト処理の有無にかかわら
ず、この表面上に直接EB−PVD法によるセラミック
ス表面層6を形成することも可能であるが、EB−PV
D法によるセラミックス表面層6の性状は下地の粗さが
大きな影響を及ぼすことが明らかになっており、研磨等
の平滑化処理を施して表面粗さを0.01〜10μm の範囲と
すれば、さらに良好な柱状組織を得ることができる。セ
ラミックス内層5/セラミックス表面層6の界面の粗さ
が上記範囲より大きいと、各組織の成長方向が乱れるた
めに、柱状組織を十分に成長させることができないおそ
れがある。なお、上記粗さ範囲より平滑にするには研磨
加工が困難となるために実用上好ましくない。
The surface roughness of the sprayed layer is 65 μm at R max .
Extent, R max 40 [mu Subsequent sandblasting
It is possible to directly form the ceramic surface layer 6 by the EB-PVD method on this surface regardless of the presence or absence of the sandblast treatment.
It has been clarified that the roughness of the base has a great influence on the properties of the ceramic surface layer 6 by the D method, and if the surface roughness is made 0.01 to 10 μm by performing a smoothing treatment such as polishing, A good columnar structure can be obtained. If the roughness of the interface between the ceramic inner layer 5 and the ceramic surface layer 6 is larger than the above range, the growth direction of each structure is disturbed, and thus the columnar structure may not be able to grow sufficiently. In addition, if it is made smoother than the above-mentioned roughness range, polishing processing becomes difficult, which is not preferable in practical use.

【0041】なお、溶射法によるセラミックス内層5と
EB−PVD法によるセラミックス表面層6間の結合強
度を高めるために、溶射粉末中またはEB−PVD法の
ターゲット中にCaを添加して、界面にCaとZr等とが共存
する酸化物層をさらに形成することも可能である。ま
た、セラミックス内層5およびセラミックス表面層6の
構成材料としては、前述した第1の実施形態で例示した
セラミックス材料と同様なものを使用することができ、
ZrO2 特に Y2 O 3 を 8重量% 程度含む部分安定化ジル
コニアが極めて優れた特性を示す。
In order to increase the bond strength between the ceramics inner layer 5 formed by the thermal spraying method and the ceramics surface layer 6 formed by the EB-PVD method, Ca is added to the thermal spraying powder or the target of the EB-PVD method to form an interface. It is also possible to further form an oxide layer in which Ca and Zr coexist. Further, as the constituent material of the ceramic inner layer 5 and the ceramic surface layer 6, the same material as the ceramic material exemplified in the above-mentioned first embodiment can be used,
Partially stabilized zirconia containing about 8% by weight of ZrO 2, particularly Y 2 O 3 , exhibits extremely excellent characteristics.

【0042】次に、本発明における第3の遮熱被覆材料
の実施形態について述べる。図6は第3の遮熱被覆材料
の一実施形態を示す図であり、1は前述した第1の実施
形態と同様な耐熱合金からなる金属基材であり、この金
属基材1上には第1の実施形態と同様に、 M-Cr-Al-Y合
金等からなる金属結合層2が被覆形成されている。な
お、金属結合層2は必ずしも形成しなければならないも
のではない。以下では金属結合層2を有するものとして
説明するが、金属結合層2を形成しない場合には金属基
材1の表面が基準となる。
Next, an embodiment of the third thermal barrier coating material of the present invention will be described. FIG. 6 is a view showing an embodiment of the third heat-shielding coating material, and 1 is a metal base material made of a heat-resistant alloy similar to that of the first embodiment described above. Similar to the first embodiment, the metal bonding layer 2 made of M-Cr-Al-Y alloy or the like is formed by coating. The metal bonding layer 2 does not necessarily have to be formed. In the following description, it is assumed that the metal bonding layer 2 is provided, but when the metal bonding layer 2 is not formed, the surface of the metal base 1 serves as a reference.

【0043】金属結合層2上には、安定化ジルコニアか
らなるセラミックス遮熱層(以下、ジルコニア遮熱層と
記す)7が形成されている。ジルコニア遮熱層7の厚さ
は50〜 500μm 程度とすることが好ましい。安定化ジル
コニアは、機械的強度や高靭性値が期待できる Y2 O 3
安定化ジルコニアが望ましい。なお、 1523K以上の高温
雰囲気や化学的に腐食性の強い環境下で長時間使用され
る場合には、 Yよりイオン半径の大きいNdやSmのような
希土類元素を添加したり、またはそれらで安定化させた
ジルコニアを用いた方が好ましい場合があり、それらに
よってジルコニア遮熱層7の強度低下を抑制することが
できる。
A ceramics heat shield layer (hereinafter, referred to as a zirconia heat shield layer) 7 made of stabilized zirconia is formed on the metal bonding layer 2. The thickness of the zirconia heat shield layer 7 is preferably about 50 to 500 μm. Stabilized zirconia, Y 2 O 3, the mechanical strength and high toughness can be expected
Stabilized zirconia is preferred. When used for a long time in a high-temperature atmosphere of 1523K or higher or in an environment that is chemically corrosive, add rare earth elements such as Nd and Sm, which have an ionic radius larger than Y, or stabilize them with them. In some cases, it is preferable to use zirconia that has been made to be a material, and it is possible to suppress the decrease in strength of the zirconia heat shield layer 7 due to them.

【0044】上述したジルコニア遮熱層7は、金属結合
層2の表面に対して (100)および(001)から選ばれる少
なくとも 1つの面方向に配向性を有する安定化ジルコニ
ア層8を有している。この安定化ジルコニア層8は、
(100)または (001)のどちらか一方向に配向していても
よいし、 2方向が混在した状態であってもよい。望まし
くは、亀裂伝播の経路が偏曲できることから、面内の 2
次元方向ではランダムになっている方がよく、さらに配
向性も (100)と (001)をランダムに配向させた方が優れ
た熱応力緩和性が得られ、耐熱応力性に優れた部材が得
られる。上述した配向面は共に整合性がよく、剥離しや
すい面が金属結合層2に対して平行に積層することがな
い。
The zirconia thermal barrier layer 7 described above has a stabilizing zirconia layer 8 having an orientation in at least one plane direction selected from (100) and (001) with respect to the surface of the metal bonding layer 2. There is. The stabilized zirconia layer 8 is
Either (100) or (001) may be oriented in one direction, or the two directions may be mixed. Desirably, because the crack propagation path can be deflected,
It is better to be random in the dimensional direction, and also with respect to the orientation, randomly orienting (100) and (001) gives better thermal stress relaxation, and a member with excellent heat stress resistance is obtained. To be Both of the above-mentioned orientation surfaces have good conformity, and the surfaces that are easily peeled off are not laminated in parallel with the metal bonding layer 2.

【0045】なお、ここで述べる配向性とは、X線回折
法で測定される各面の回折ピーク強度比が JCPDSカード
(17-923)に対して 2倍以上になっていることを意味す
る。また、X線回折強度比はいずれもジルコニア遮熱層
7に対して垂直方向からX線を照射した場合の回折結果
に基くものである。
The orientation described here means that the diffraction peak intensity ratio of each surface measured by the X-ray diffraction method is the JCPDS card.
This means that it is more than double that of (17-923). Further, the X-ray diffraction intensity ratios are all based on the diffraction result when X-rays are applied to the zirconia heat shield layer 7 in the vertical direction.

【0046】安定化ジルコニア層8の配向性を (100)や
(001)に規定する理由は、これらの配向性を有する安定
化ジルコニア層8内では安定化ジルコニアのへき開面に
相当する (111)面が金属結合層2表面に対して平行に積
層することがないためである。本来、安定化ジルコニア
層の割れや剥離は、安定化ジルコニア層内で亀裂が金属
結合層2に対して平行に伝播することによって起こる。
すなわち、この亀裂進展が容易に進行する、すなちわ最
も剥離しやすいへき開面である (111)面が、安定化ジル
コニア層内において金属結合層2表面に対して平行に集
合していると、安定化ジルコニア層の割れや剥離が容易
に起こる。
The orientation of the stabilized zirconia layer 8 is (100) or
The reason for defining in (001) is that in the stabilized zirconia layer 8 having these orientations, the (111) plane corresponding to the cleavage plane of the stabilized zirconia is laminated parallel to the surface of the metal bonding layer 2. Because there is no. Originally, cracking or peeling of the stabilized zirconia layer occurs due to the crack propagating in the stabilized zirconia layer parallel to the metal bonding layer 2.
That is, it is said that the (111) plane, which is the cleavage plane that is the most easily cleaved, in which the crack progresses easily, is gathered parallel to the surface of the metal bonding layer 2 in the stabilized zirconia layer. The cracking and peeling of the stabilized zirconia layer easily occur.

【0047】これに対して、 (111)面との面角が一番大
きい (100)面や (001)面に配向させた安定化ジルコニア
層8では、剥離を起こし易い (111)面が金属結合層2表
面に対して高角度となり、 (111)面が金属結合層2表面
に対して平行に集合することがなくなるため、亀裂が水
平方向に伝播しずらくなり、その結果として安定化ジル
コニア層8の割れや剥離による損傷を抑制することが可
能となる。
On the other hand, in the stabilized zirconia layer 8 oriented to the (100) plane or the (001) plane having the largest face angle with the (111) plane, the (111) plane, which is liable to peel, is a metal. Since the angle is high with respect to the surface of the bonding layer 2 and the (111) planes do not assemble parallel to the surface of the metal bonding layer 2, cracks do not easily propagate in the horizontal direction, and as a result, stabilized zirconia It is possible to suppress damage due to cracking or peeling of the layer 8.

【0048】このようなことから、耐熱応力・耐剥離特
性に優れた得るジルコニア遮熱層7を得る上で、安定化
ジルコニア層8の配向性はほぼ (111)面を含まない状態
が望まれ、具体的にはそのX線回折結果における回折強
度比{I(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(111)} を 0.9
〜 1.0の範囲を満足させる必要があり、さらには 1に限
りなく近いことが望ましい。すなわち、へき開面である
(111)面が金属結合層2表面に対して平行方向に存在し
ないようにする。このX線回折強度比が 0.9未満である
と、金属結合層2表面と平行に存在する (111)面によっ
て、亀裂の水平方向への伝播が起こる。その結果、割
れ、剥離に対して耐久性に優れたジルコニア被覆層7を
得ることができない。この剥離や割れが生じにくい構造
は、金属部分の耐熱性や耐酸化特性を低下させないこと
を意味する。
From the above, in order to obtain the obtained zirconia heat shield layer 7 which is excellent in heat stress / peeling resistance, it is desired that the orientation of the stabilized zirconia layer 8 does not substantially include the (111) plane. Specifically, the diffraction intensity ratio {I (200) + I (002)} / {I (200) + I (002) + I (111)} in the X-ray diffraction result is 0.9.
It is necessary to satisfy the range of ~ 1.0, and it is desirable to be as close as possible to 1. That is, the cleavage plane
The (111) plane does not exist in the direction parallel to the surface of the metal bonding layer 2. If the X-ray diffraction intensity ratio is less than 0.9, the cracks propagate in the horizontal direction due to the (111) plane existing in parallel with the surface of the metal bonding layer 2. As a result, it is impossible to obtain the zirconia coating layer 7 having excellent durability against cracking and peeling. This structure in which peeling or cracking does not easily occur does not impair the heat resistance and oxidation resistance of the metal part.

【0049】安定化ジルコニア層8は、さらに (100)面
および (001)面以外の結晶面が金属結合層2表面に対し
て平行に存在しないことが望ましい。具体的には、安定
化ジルコニア層8のX線回折結果における回折強度比{I
(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(HKL)}(ただし、 (HK
L)は (311)、 (113)、 (220)および (202)から選ばれる
少なくとも 1つの結晶面を表す)が 0.8〜 1の範囲であ
ることが望ましく、さらには 1に限りなく近いことがよ
り望ましい。
In the stabilized zirconia layer 8, it is desirable that crystal planes other than the (100) plane and the (001) plane do not exist parallel to the surface of the metal bonding layer 2. Specifically, in the X-ray diffraction result of the stabilized zirconia layer 8, the diffraction intensity ratio {I
(200) + I (002)} / {I (200) + I (002) + I (HKL)} (however, (HK
(L) represents at least one crystal plane selected from (311), (113), (220) and (202)) is preferably in the range of 0.8 to 1, and is even closer to 1 as much as possible. More desirable.

【0050】なお、上述したX線回折強度比は、被覆し
たジルコニア遮熱層7の表面から測定した値に基くもの
であり、熱応力の大きい金属基材1または金属結合層2
から1〜20μm 程度上の位置で上述した配向性を示す回
折強度比を満足させることが望ましい。
The above-mentioned X-ray diffraction intensity ratio is based on the value measured from the surface of the coated zirconia heat shield layer 7, and the metal base material 1 or the metal bonding layer 2 having a large thermal stress.
It is desirable to satisfy the above-mentioned diffraction intensity ratio exhibiting the orientation at a position about 1 to 20 μm above.

【0051】また、上述した実施形態では熱疲労特性に
優れた正方晶ジルコニアによるジルコニア被覆層7の配
向性を規定しているが、熱疲労特性よりも耐化学的安定
性が要求される部材については、立方晶ジルコニアが混
在していたり、立方晶のみで構成されていてもよい。よ
って、立方晶ジルコニアで構成されている場合には、I
(200)=I(200)+I(002)として考える。さらに、X線回折
法で得られる回折強度を用いて算出される単斜晶ジルコ
ニア量は望ましくはX線回折法で検出できないほど少な
い方が望ましく、これにより昇・降温時に体積変化を伴
う相転移を防止することができ、ジルコニア遮熱層7の
強度低下を抑制することが可能となる。
Further, in the above-mentioned embodiment, the orientation of the zirconia coating layer 7 made of tetragonal zirconia having excellent thermal fatigue properties is specified. However, for members that require chemical stability rather than thermal fatigue properties, May be mixed with cubic zirconia, or may be composed of only cubic crystals. Therefore, when it is composed of cubic zirconia, I
Consider (200) = I (200) + I (002). Furthermore, the amount of monoclinic zirconia calculated using the diffraction intensity obtained by the X-ray diffraction method is desirably so small that it cannot be detected by the X-ray diffraction method. Can be prevented, and the strength reduction of the zirconia heat shield layer 7 can be suppressed.

【0052】ところで、上述した遮熱被覆材料を用いた
ガスタービンや航空機用エンジンの実機使用環境におい
ては、微細な粉塵や粗粒子がジルコニア遮熱層7に衝突
して損傷を与えるという問題がある。特に、大気溶射法
で作製したジルコニア被覆層は表面の凹凸が大きく、飛
来物体が衝突したときのダメージが大きい。さらに長時
間使用すると小さい飛来物体との摩擦による消耗が大き
く問題となる。
By the way, in a practical use environment of a gas turbine or an aircraft engine using the above-mentioned thermal barrier coating material, there is a problem that fine dust or coarse particles collide with the zirconia thermal barrier layer 7 to cause damage. . In particular, the zirconia coating layer produced by the atmospheric spraying method has large irregularities on the surface, and the damage when the flying object collides is large. Further, if it is used for a long time, the wear due to friction with a small flying object becomes a serious problem.

【0053】一方で、EB−PVD法等で形成される柱
状組織を有するジルコニア遮熱層では、被膜の硬度が大
きいため、溶射法で形成したものと比較すると優れた特
性を有しているが、実機として高温雰囲気で長時間使用
すると、飛来物の衝突と摩耗により被膜内部に亀裂が伝
播して、ジルコニア遮熱層の一部が剥離したりするおそ
れがある。このようなジルコニア遮熱層の消耗は遮熱効
果を低下させるために、抑制する必要がある。
On the other hand, the zirconia heat shield layer having a columnar structure formed by the EB-PVD method or the like has excellent characteristics as compared with the zirconia heat shield layer formed by the thermal spraying method because of its large hardness. When used as an actual machine for a long time in a high temperature atmosphere, a crack may propagate inside the coating due to collision and wear of flying objects, and a part of the zirconia heat shield layer may be peeled off. Such consumption of the zirconia heat shield layer lowers the heat shield effect and must be suppressed.

【0054】上述したような飛来物の衝突と摩耗による
ジルコニア遮熱層の剥離を防止するためには、前述した
第3の実施形態による遮熱被覆材料に、さらに (111)面
方向に配向性を有する安定化ジルコニア層を追加するこ
とが有効である。このような構造の遮熱被覆材料につい
て、図7を参照して説明する。
In order to prevent the peeling of the zirconia thermal barrier layer due to the collision and abrasion of flying objects as described above, the thermal barrier coating material according to the third embodiment described above is further oriented in the (111) plane direction. It is effective to add a stabilized zirconia layer having The thermal barrier coating material having such a structure will be described with reference to FIG. 7.

【0055】図7に示す遮熱被覆材料においては、金属
結合層2上に (100)面および (001)面の少なくとも 1方
向に配向性を有する安定化ジルコニア層、すなわち前述
した実施形態と同様な配向性を有する安定化ジルコニア
層(以下、 (100)/(001)面配向のジルコニア層と記す)
8がまず被覆形成されており、その上に (100)/(001)配
向のジルコニア層8と (111)面方向に配向性を有する安
定化ジルコニア層(以下、 (111)面配向のジルコニア層
と記す)9とを積層したジルコニア多層積層膜10が設
けられており、これらによってジルコニア遮熱層7が構
成されている。ジルコニア多層積層膜10において、
(111)面配向のジルコニア層9の 1層分の厚さは 0.5〜
5μm の範囲とすることが好ましい。
In the thermal barrier coating material shown in FIG. 7, a stabilized zirconia layer having orientation in at least one direction of the (100) plane and the (001) plane on the metal bonding layer 2, that is, similar to the above-mentioned embodiment. Zirconia layer with various orientations (hereinafter referred to as (100) / (001) plane oriented zirconia layer)
8 is first formed as a coating, on which a (100) / (001) oriented zirconia layer 8 and a stabilized zirconia layer having an orientation in the (111) plane direction (hereinafter referred to as (111) plane oriented zirconia layer). Is provided), and a zirconia multilayer heat-insulating layer 7 is constituted by these. In the zirconia multilayer laminated film 10,
The thickness of one layer of the (111) plane-oriented zirconia layer 9 is 0.5 to
The range is preferably 5 μm.

【0056】(111)面配向のジルコニア層9を表面部側
の多層積層膜10に用いる理由は、ジルコニア遮熱層7
の損傷(割れ・剥離)の原因である飛来物体の衝突や摩
耗により生じる表面から層内部に広がる亀裂の伝播を、
(111)配向を有する配向面で停止させるためである。具
体的には、ジルコニア遮熱層7内部へと進展する亀裂の
伝播経路を (111)面配向のジルコニア層9により90度進
展方向を変更させることで、層内部に広がる亀裂の伝播
を抑制する。なお、 (111)面配向のジルコニア層9は亀
裂伝播を抑制するために剥離してもかまわない。 (111)
面配向のジルコニア層9の膜厚を規定した理由は、その
厚さが 0.5μm 未満では亀裂伝播を抑制する効果が十分
に得られず、また 5μm を超えるとジルコニア多層積層
膜10の強度が低下して、熱サイクルが生じる長時間の
運転には耐えることができなくなるおそれがある。
The reason why the (111) plane-oriented zirconia layer 9 is used for the multilayer film 10 on the surface side is that the zirconia heat shield layer 7 is used.
Of cracks that spread from the surface to the inside of the layer due to the collision and wear of flying objects that cause damage (cracking and peeling) of the
This is for stopping at the orientation plane having the (111) orientation. Specifically, the propagation path of the crack propagating into the zirconia thermal barrier layer 7 is changed by the (111) -oriented zirconia layer 9 by 90 degrees to suppress the propagation of the crack spreading inside the layer. . The (111) -oriented zirconia layer 9 may be peeled off in order to suppress crack propagation. (111)
The reason for defining the film thickness of the plane-oriented zirconia layer 9 is that if the thickness is less than 0.5 μm, the effect of suppressing crack propagation cannot be sufficiently obtained, and if it exceeds 5 μm, the strength of the zirconia multilayer laminated film 10 decreases. As a result, it may not be possible to endure long-term operation in which a heat cycle occurs.

【0057】また、ジルコニア遮熱層7内における多層
積層膜10部分の厚さは、使用環境によっても異なる
が、比較的耐摩耗性が要求されない部位では20μm 以下
でもよいし、非常にきびしい運転環境に晒される部位で
は、多層積層膜10の密着強度を考慮して20〜 200μm
程度とすることが好ましい。また、 (111)面配向のジル
コニア層9の (100)/(001)面配向のジルコニア層8に対
する膜厚比は0.01〜 1.0とすることが好ましい。積層数
は特に規定されるものではないが、 (111)面配向のジル
コニア層9を多数含むほど摩耗による剥離をより良好に
抑制できる。
The thickness of the multilayer laminated film 10 portion in the zirconia heat shield layer 7 may be 20 μm or less in a portion where relatively high wear resistance is not required although it varies depending on the use environment. Considering the adhesion strength of the multilayer laminated film 10, the area exposed to 20 to 200 μm
It is preferable to set the degree. The film thickness ratio of the (111) -oriented zirconia layer 9 to the (100) / (001) -oriented zirconia layer 8 is preferably 0.01 to 1.0. The number of layers is not particularly limited, but the more the zirconia layer 9 having the (111) plane orientation is included, the better the peeling due to wear can be suppressed.

【0058】さらに、 (111)面配向のジルコニア層9と
(100)/(001)面配向のジルコニア層8との界面強度が必
要な部位については、これらの層間にCaを含む化合物層
を0.5〜10μm 程度の厚さで付加することが好ましく、
これにより界面強度を保つことができる。Ca化合物を用
いた理由は、 1273K付近で各層8、9を構成する安定化
ジルコニアと固相反応を起こして界面を接合するためで
ある。このCa安定化ジルコニアは遮熱層7作製時に同時
に形成してもよいし、Caを含む化合物例えばCa(OH)2
を塗布後 (111)面配向のジルコニア層9を形成し、熱処
理(1123〜1473K程度)によってCa安定化ジルコニアを
形成してもよい。また望ましくはCa安定化ジルコニアで
あるが、 CaZrO3 のようなCaとZrの化合物や、さらに他
の希土類元素を包含する化合物であってもよい。さら
に、遮熱層7作製時に同時にCa化合物やCa安定化ジルコ
ニアを成膜する場合は、PVDやCVD法を適用するこ
とが膜厚制御が容易であることから好ましい。
Further, a zirconia layer 9 having a (111) plane orientation and
For the site where the interface strength with the (100) / (001) plane-oriented zirconia layer 8 is required, it is preferable to add a compound layer containing Ca with a thickness of about 0.5 to 10 μm between these layers.
Thereby, the interface strength can be maintained. The reason for using the Ca compound is to cause a solid-phase reaction with the stabilized zirconia constituting each layer 8 and 9 at around 1273K to bond the interface. This Ca-stabilized zirconia may be formed at the same time as the heat shield layer 7 is formed, or a compound containing Ca such as Ca (OH) 2 may be applied to form a (111) -oriented zirconia layer 9 and heat treatment (1123 ˜1473 K) to form Ca-stabilized zirconia. Further, it is preferably Ca-stabilized zirconia, but may be a compound of Ca and Zr such as CaZrO 3 or a compound including other rare earth elements. Furthermore, when a Ca compound or Ca-stabilized zirconia is formed at the same time when the heat shield layer 7 is formed, it is preferable to apply PVD or the CVD method because the film thickness can be easily controlled.

【0059】次に、上述した第3および第4の実施形態
による遮熱被覆材料の製造方法、特に (100)/(001)面配
向のジルコニア層8および (111)面配向のジルコニア層
9の形成方法について説明する。
Next, the method for producing the thermal barrier coating material according to the above-described third and fourth embodiments, particularly, the (100) / (001) plane-oriented zirconia layer 8 and the (111) plane-oriented zirconia layer 9 are formed. The forming method will be described.

【0060】ジルコニア遮熱層7は、金属基材1上また
はその上に形成した金属結合層2上に被覆形成する。こ
の際、金属基材1または金属結合層2の表面には鏡面研
磨処理を施すことが好ましく、これにより配向性に優れ
たジルコニア層8、9を形成性が向上する。
The zirconia heat shield layer 7 is formed by coating on the metal base material 1 or on the metal bonding layer 2 formed thereon. At this time, it is preferable that the surface of the metal base material 1 or the metal bonding layer 2 be subjected to mirror-polishing treatment, which improves the formability of the zirconia layers 8 and 9 having excellent orientation.

【0061】配向性を有するジルコニア層8、9は、P
VD法やCVD法によって形成する。PVD法を用いる
場合はジルコニアが高融点材料であるので、電子ビーム
で蒸着すると成膜効率が向上し、また膜特性も優れる。
すなわち、特にEB−PVD法を適用することが好まし
い。ジルコニア層の配向性は、金属部分の温度(基板温
度)、酸素分圧、電子ビームの入力エネルギー等によっ
て制御することができる。
The zirconia layers 8 and 9 having orientation are made of P
It is formed by the VD method or the CVD method. When the PVD method is used, since zirconia is a high melting point material, vapor deposition with an electron beam improves the film forming efficiency and also has excellent film characteristics.
That is, it is particularly preferable to apply the EB-PVD method. The orientation of the zirconia layer can be controlled by the temperature of the metal part (substrate temperature), the oxygen partial pressure, the input energy of the electron beam, and the like.

【0062】例えば、被覆する金属部分を973K以上に加
熱すると、 (100)/(001)面配向のジルコニア層8が得ら
れる。また、973K未満の場合には、ジルコニア層の配向
面が(111)方向となる。 (100)/(001)面配向のジルコニ
ア層8を形成する際に、成膜速度を向上させたり、また
配向性を上げるためには、金属部分を 1023K以上の高温
に加熱することが好ましい。また、金属基材1または金
属結合層2上に、第1の実施形態で説明した中間層4
や、第2の実施形態で説明した溶射法による内層5を形
成することによって、金属結合層2とジルコニア遮熱層
3との密着性を向上させることができ、より一層耐熱応
力性に優れた遮熱被覆材料が得られる。
For example, when the metal portion to be coated is heated to 973 K or more, the (100) / (001) plane oriented zirconia layer 8 is obtained. Further, in the case of less than 973K, the orientation plane of the zirconia layer is the (111) direction. When the zirconia layer 8 having the (100) / (001) plane orientation is formed, it is preferable to heat the metal portion to a high temperature of 1023 K or higher in order to improve the film formation rate and the orientation. In addition, the intermediate layer 4 described in the first embodiment is provided on the metal base material 1 or the metal bonding layer 2.
Alternatively, by forming the inner layer 5 by the thermal spraying method described in the second embodiment, the adhesion between the metal bonding layer 2 and the zirconia heat shield layer 3 can be improved, and the thermal stress resistance is further excellent. A thermal barrier coating material is obtained.

【0063】また、金属基材1または金属結合層2の表
面上に、Pt、Au、Pd、Ag等の少なくとも 1種類の貴金属
元素を含む化合物を存在させることにより、ジルコニア
遮熱層7と密接に接合した化合物を形成することができ
るため、より良好な熱疲労特性が得られ、割れ・剥離に
対して強いジルコニア遮熱層7が得られる。さらに、金
属部分を長時間加熱することが困難である場合には、イ
オンプレーティング法を併用したり、セラミックス部分
だけ集光加熱して金属部分を冷却するとよい。またさら
に、応力集中が大きい部分のみ加熱することによって、
部分的に (100)/(001)面配向のジルコニア層8を形成し
てもよい。
Further, the presence of a compound containing at least one kind of noble metal element such as Pt, Au, Pd, and Ag on the surface of the metal base material 1 or the metal bonding layer 2 allows the zirconia heat shield layer 7 to be closely contacted. Since it is possible to form a compound bonded to the zirconia, a better thermal fatigue property can be obtained, and a zirconia heat shield layer 7 that is strong against cracking and peeling can be obtained. Further, when it is difficult to heat the metal part for a long time, it is preferable to use an ion plating method together or cool only the ceramic part by condensing and heating the metal part. Furthermore, by heating only the part where the stress concentration is large,
The zirconia layer 8 having (100) / (001) plane orientation may be partially formed.

【0064】ジルコニア遮熱層の成膜中の酸素分圧は
1.0×103 Pa以下とすることが望ましく、割れ・剥離に
強いジルコニア遮熱層7を得る上で、被着時の酸化物を
コントロールするためには、さらに 1.0×10-1Pa以下に
することが望ましい。また、成膜中の酸素分圧は配向性
にも影響を与え、例えば (100)/(001)面配向のジルコニ
ア層8を形成する際には酸素分圧を 1.0×102 Pa以下と
することが好ましい。
The oxygen partial pressure during the formation of the zirconia thermal barrier layer is
1.0 × 10 3 Pa or less is desirable, and in order to control the oxide during deposition in obtaining the zirconia heat shield layer 7 that is resistant to cracking / peeling, it is 1.0 × 10 -1 Pa or less. Is desirable. The oxygen partial pressure during film formation also affects the orientation. For example, when forming the zirconia layer 8 having the (100) / (001) plane orientation, the oxygen partial pressure is 1.0 × 10 2 Pa or less. It is preferable.

【0065】(111)面配向のジルコニア層9と (100)/(0
01)面配向のジルコニア層8とを交互に積層する際に
は、例えば被覆部の基板温度を制御する。具体的には、
(100)/(001)面配向のジルコニア層8を形成した後、被
覆部温度を923K以下にして(111)面配向のジルコニア層
9を形成し、その後被覆部温度を 1023K以上にして同じ
ように (100)/(001)面配向のジルコニア層8を形成す
る。膜厚比は成膜時間により制御し、温度サイクルの制
御によって多層構造を制御する。
The (111) plane-oriented zirconia layer 9 and (100) / (0
When the (01) plane-oriented zirconia layers 8 are alternately laminated, for example, the substrate temperature of the coating portion is controlled. In particular,
After forming the zirconia layer 8 with (100) / (001) orientation, form the zirconia layer 9 with (111) orientation with the coating temperature of 923K or less, and then with the coating temperature of 1023K or more. Then, a zirconia layer 8 having a (100) / (001) plane orientation is formed. The film thickness ratio is controlled by the film formation time, and the multilayer structure is controlled by controlling the temperature cycle.

【0066】また、 (100)/(001)面配向のジルコニア層
8と (111)面配向のジルコニア層9との間にCa安定化ジ
ルコニア等を挿入する場合には、 (100)/(001)面配向の
ジルコニア層8を形成した後に、Ca安定化ジルコニアを
0.5〜10μm 程度被覆した後、 (111)配向のジルコニア
層9を形成する。
When Ca-stabilized zirconia or the like is inserted between the (100) / (001) -oriented zirconia layer 8 and the (111) -oriented zirconia layer 9, (100) / (001 ) After forming the plane-oriented zirconia layer 8, Ca-stabilized zirconia is added.
After coating about 0.5 to 10 μm, a (111) oriented zirconia layer 9 is formed.

【0067】[0067]

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について説明
する。
Next, specific examples of the present invention will be described.

【0068】まず、第1の遮熱被覆材料の具体的な実施
例について述べる。
First, concrete examples of the first thermal barrier coating material will be described.

【0069】実施例1 動翼形状の IN738合金の表面をブラスト処理し、減圧プ
ラズマ溶射法により厚さ 100μm の NiCoCrAlY合金層(N
i-23%Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y(重量%))を金属結合層とし
て成膜した。次いで、 NiCoCrAlY合金層の表面を鏡面研
磨した後、EB−PVD用のチャンバに試料を移し、金
属Zr層を厚さ 1μm で成膜した。この後、酸素ガスをア
シストガスとしながら 8wt%Y2 O 3 -ZrO2 層を室温で 2
00μm 成膜して遮熱層とした。
Example 1 A surface of a blade-shaped IN738 alloy was blasted, and a NiCoCrAlY alloy layer (N with a thickness of 100 μm was formed by a low pressure plasma spraying method.
i-23% Co-17% Cr-12% Al-0.5% Y (wt%)) was deposited as a metal bonding layer. Next, after the surface of the NiCoCrAlY alloy layer was mirror-polished, the sample was transferred to a chamber for EB-PVD, and a metal Zr layer was formed to a thickness of 1 μm. After that, the 8 wt% Y 2 O 3 -ZrO 2 layer was formed at room temperature using oxygen gas as an assist gas.
A film of 00 μm was formed as a heat shield layer.

【0070】このようにして得た遮熱被覆部材の成膜後
の断面構造を観察したところ、安定化ジルコニアからな
るセラミックス遮熱層と NiCoCrAlY合金からなる金属結
合層との界面に、金属Zr層が酸化したことにより生成し
た ZrO2 層が観察された。この ZrO2 層は実質的に希土
類酸化物を含まないものである。
Observation of the cross-sectional structure of the thus-obtained thermal barrier coating member after film formation revealed that a metal Zr layer was formed at the interface between the ceramic thermal barrier layer made of stabilized zirconia and the metal bonding layer made of NiCoCrAlY alloy. A ZrO 2 layer formed by the oxidation of Al was observed. This ZrO 2 layer is substantially free of rare earth oxides.

【0071】また、本発明との比較例として、金属Zr層
を介在させることなく、 NiCoCrAlY合金層と安定化ジル
コニア層の 2層のみを、上記実施例と同一条件で被覆形
成した遮熱被覆部材を作製した。この比較例の遮熱被覆
部材と実施例1による遮熱被覆部材とに対して、同時に
室温と1173K-3600秒の繰り返し熱疲労試験を行ったとこ
ろ、実施例の遮熱被覆部材は1000回以上の寿命を示した
のに対して、比較例の遮熱被覆部材では30回で遮熱層が
剥離した。
Further, as a comparative example with the present invention, a thermal barrier coating member was formed by coating only two layers of a NiCoCrAlY alloy layer and a stabilized zirconia layer without interposing a metal Zr layer under the same conditions as in the above-mentioned examples. Was produced. When the thermal barrier coating member of this comparative example and the thermal barrier coating member of Example 1 were subjected to a repeated thermal fatigue test at room temperature and 1173K-3600 seconds at the same time, the thermal barrier coating member of the example showed 1000 times or more. In contrast, the thermal barrier coating member of the comparative example peeled off the thermal barrier layer after 30 times.

【0072】実施例2 動翼形状の IN738合金の表面をブラスト処理し、減圧プ
ラズマ溶射法により厚さ 100μm の NiCoCrAlY合金層(N
i-23%Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y(重量%))を金属結合層とし
て成膜した。次いで、 NiCoCrAlY合金層の表面を鏡面研
磨した後、EB−PVD用のチャンバに試料を移して、
金属Zr層を厚さ 1μm で成膜した。金属Zr層は成膜後に
酸化させて ZrO2 層とした。この後、酸素ガスをアシス
トガスとしながら 8wt%Y2 O 3 -ZrO2 層を773Kの試料温
度で 200μm 成膜して遮熱層とした。
Example 2 A surface of a blade-shaped IN738 alloy was blasted, and a NiCoCrAlY alloy layer (N with a thickness of 100 μm was formed by a low pressure plasma spraying method.
i-23% Co-17% Cr-12% Al-0.5% Y (wt%)) was deposited as a metal bonding layer. Then, after mirror-polishing the surface of the NiCoCrAlY alloy layer, the sample is transferred to a chamber for EB-PVD,
A metal Zr layer was formed to a thickness of 1 μm. After forming the metal Zr layer, it was oxidized to form a ZrO 2 layer. After that, an 8 wt% Y 2 O 3 —ZrO 2 layer was formed to a thickness of 200 μm at a sample temperature of 773 K while using oxygen gas as an assist gas to form a heat shield layer.

【0073】このようにして得た遮熱被覆部材の成膜後
の断面構造を観察したところ、安定化ジルコニアからな
るセラミックス遮熱層と NiCoCrAlY合金からなる金属結
合層との界面に、金属Zr層を予め酸化して形成した ZrO
2 層が観察された。この ZrO2 層は実質的に希土類酸化
物を含まないものである。
Observation of the cross-sectional structure of the thus-obtained thermal barrier coating member after film formation revealed that a metallic Zr layer was formed at the interface between the ceramic thermal barrier layer made of stabilized zirconia and the metallic bonding layer made of NiCoCrAlY alloy. Pre-oxidized ZrO
Two layers were observed. This ZrO 2 layer is substantially free of rare earth oxides.

【0074】また、本発明との比較例として、金属Zr層
を介在させることなく、 NiCoCrAlY合金層と安定化ジル
コニア層の 2層のみを、上記実施例と同一条件で被覆形
成した遮熱被覆部材を作製した。この比較例の遮熱被覆
部材と実施例2による遮熱被覆部材とに対して、同時に
室温と1173K-3600秒の繰り返し熱疲労試験を行ったとこ
ろ、実施例の遮熱被覆部材は1000回以上の寿命を示した
のに対して、比較例の遮熱被覆部材では30回で遮熱層が
剥離した。
Further, as a comparative example with the present invention, a thermal barrier coating member was formed by coating only two layers of a NiCoCrAlY alloy layer and a stabilized zirconia layer without interposing a metal Zr layer under the same conditions as in the above-mentioned examples. Was produced. When the thermal barrier coating member of this comparative example and the thermal barrier coating member of Example 2 were simultaneously subjected to a repeated thermal fatigue test at room temperature and 1173K for 3600 seconds, the thermal barrier coating member of the example was 1000 times or more. In contrast, the thermal barrier coating member of the comparative example peeled off the thermal barrier layer after 30 times.

【0075】実施例3 動翼形状のCMSX-2合金の表面をブラスト処理し、減圧プ
ラズマ溶射法により厚さ 100μm の NiCoCrAlY合金層(N
i-23%Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y(重量%))を金属結合層とし
て成膜した。次いで、 NiCoCrAlY合金層の表面を鏡面研
磨した後、EB−PVD用のチャンバに試料を移し、金
属Ti層を厚さ 0.7μm で成膜した。この後、酸素ガスを
アシストガスとしながら 8wt%Y2 O 3 -ZrO2 層を773Kの
試料温度で 200μm 成膜して遮熱層とした。
Example 3 A surface of a blade-shaped CMSX-2 alloy was blasted, and a NiCoCrAlY alloy layer (N having a thickness of 100 μm was formed by a low pressure plasma spraying method.
i-23% Co-17% Cr-12% Al-0.5% Y (wt%)) was deposited as a metal bonding layer. Next, after the surface of the NiCoCrAlY alloy layer was mirror-polished, the sample was transferred to a chamber for EB-PVD, and a metal Ti layer was formed to a thickness of 0.7 μm. After that, an 8 wt% Y 2 O 3 —ZrO 2 layer was formed to a thickness of 200 μm at a sample temperature of 773 K while using oxygen gas as an assist gas to form a heat shield layer.

【0076】このようにして得た遮熱被覆部材の成膜後
の断面構造を観察したところ、安定化ジルコニアからな
るセラミックス遮熱層と NiCoCrAlY合金からなる金属結
合層との界面に、金属Ti層が酸化したことにより生成し
た TiO2 層が観察された。この TiO2 層は実質的に希土
類酸化物を含まないものである。
Observation of the cross-sectional structure of the thus-obtained thermal barrier coating member after film formation revealed that a metallic Ti layer was formed at the interface between the ceramic thermal barrier layer made of stabilized zirconia and the metallic bonding layer made of NiCoCrAlY alloy. A TiO 2 layer formed by the oxidation of TiO 2 was observed. This TiO 2 layer is substantially free of rare earth oxides.

【0077】また、本発明との比較例として、金属Ti層
を介在させることなく、 NiCoCrAlY合金層と安定化ジル
コニア層の 2層のみを、上記実施例と同一条件で被覆形
成した遮熱被覆部材を作製した。この比較例の遮熱被覆
部材と実施例3による遮熱被覆部材とに対して、同時に
室温と1173K-3600秒の繰り返し熱疲労試験を行ったとこ
ろ、実施例の遮熱被覆部材は1000回以上の寿命を示した
のに対して、比較例の遮熱被覆部材では 100回で遮熱層
が剥離した。
In addition, as a comparative example with the present invention, a thermal barrier coating member was formed by coating only two layers of a NiCoCrAlY alloy layer and a stabilized zirconia layer without interposing a metal Ti layer under the same conditions as in the above-mentioned examples. Was produced. The thermal barrier coating member of this comparative example and the thermal barrier coating member of Example 3 were simultaneously subjected to repeated thermal fatigue tests at room temperature and 1173K for 3600 seconds. In contrast, the thermal barrier coating member of the comparative example peeled off the thermal barrier layer 100 times.

【0078】実施例4 動翼形状のCMSX-2合金の表面をブラスト処理し、減圧プ
ラズマ溶射法により厚さ 100μm の NiCoCrAlY合金層(N
i-23%Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y(重量%))を金属結合層とし
て成膜した。次いで、 NiCoCrAlY合金層の表面を鏡面研
磨した後、EB−PVD用のチャンバに試料を移し、金
属Hf層を厚さ 0.5μm で成膜した。この後、酸素ガスを
アシストガスとしながら 8wt%Y2 O 3 -ZrO2 層を773Kの
試料温度で 200μm 成膜して遮熱層とした。
Example 4 The surface of a blade-shaped CMSX-2 alloy was blasted, and a NiCoCrAlY alloy layer (N
i-23% Co-17% Cr-12% Al-0.5% Y (wt%)) was deposited as a metal bonding layer. Then, after the surface of the NiCoCrAlY alloy layer was mirror-polished, the sample was transferred to a chamber for EB-PVD, and a metal Hf layer was formed to a thickness of 0.5 μm. After that, an 8 wt% Y 2 O 3 —ZrO 2 layer was formed to a thickness of 200 μm at a sample temperature of 773 K while using oxygen gas as an assist gas to form a heat shield layer.

【0079】このようにして得た遮熱被覆部材の成膜後
の断面構造を観察したところ、安定化ジルコニアからな
るセラミックス遮熱層と NiCoCrAlY合金からなる金属結
合層との界面に、金属Hf層が酸化したことにより生成し
た HfO2 層が観察された。この HfO2 層は実質的に希土
類酸化物を含まないものである。
Observation of the cross-sectional structure of the thus obtained thermal barrier coating member after film formation revealed that a metallic Hf layer was formed at the interface between the ceramic thermal barrier layer made of stabilized zirconia and the metallic bonding layer made of NiCoCrAlY alloy. The HfO 2 layer formed by the oxidation of the HfO 2 was observed. This HfO 2 layer is substantially free of rare earth oxides.

【0080】また、本発明との比較例として、金属Hf層
を介在させることなく、 NiCoCrAlY合金層と安定化ジル
コニア層の 2層のみを、上記実施例と同一条件で被覆形
成した遮熱被覆部材を作製した。この比較例の遮熱被覆
部材と実施例2による遮熱被覆部材とに対して、同時に
室温と1173K-3600秒の繰り返し熱疲労試験を行ったとこ
ろ、実施例の遮熱被覆部材は1000回以上の寿命を示した
のに対して、比較例の遮熱被覆部材では 100回で遮熱層
が剥離した。
Further, as a comparative example with the present invention, a thermal barrier coating member formed by coating only two layers of a NiCoCrAlY alloy layer and a stabilized zirconia layer without interposing a metal Hf layer under the same conditions as in the above-mentioned examples. Was produced. When the thermal barrier coating member of this comparative example and the thermal barrier coating member of Example 2 were simultaneously subjected to a repeated thermal fatigue test at room temperature and 1173K for 3600 seconds, the thermal barrier coating member of the example was 1000 times or more. In contrast, the thermal barrier coating member of the comparative example peeled off the thermal barrier layer 100 times.

【0081】次に、第2の遮熱被覆材料の具体的な実施
例について述べる。
Next, concrete examples of the second thermal barrier coating material will be described.

【0082】実施例5 基材としてNi基超合金 IN738LCを用意し、この合金基材
を20×20× 3mmの寸法に加工した。その表面上にNi-23%
Co-17%Cr-12%Al-0.5%Y合金層を減圧プラズマ溶射法によ
って被覆形成した。この後、セラミックス内層として大
気プラズマ溶射法(APS法)により 8wt%Y2 O 3 -ZrO
2 を20μm の厚さで形成し、その表面を#1000まで表面
研磨した後、同一組成のセラミックス表面層をEB−P
VD法によって 180μm の厚さで成膜した。
Example 5 A Ni-base superalloy IN738LC was prepared as a base material, and this alloy base material was processed into a size of 20 × 20 × 3 mm. Ni-23% on its surface
A Co-17% Cr-12% Al-0.5% Y alloy layer was formed by low pressure plasma spraying. After that, as a ceramic inner layer, 8 wt% Y 2 O 3 -ZrO was formed by an atmospheric plasma spraying method (APS method).
2 is formed to a thickness of 20 μm, the surface is polished to # 1000, and then a ceramic surface layer of the same composition is formed on EB-P.
A film having a thickness of 180 μm was formed by the VD method.

【0083】一方、本発明との比較例として、金属結合
層(NiCoCrAlY合金層)形成までを同一のプロセスで行っ
た後、実施例5と同一組成のセラミックスをAPS法で
200μm 形成した試料(比較例5-1)、ならびにEB−
PVD法で 200μm 形成した試料(比較例5-2)を作製
した。
On the other hand, as a comparative example with the present invention, after forming the metal bonding layer (NiCoCrAlY alloy layer) in the same process, a ceramic having the same composition as in Example 5 was formed by the APS method.
200 μm formed sample (Comparative Example 5-1) and EB-
A sample (Comparative Example 5-2) having a thickness of 200 μm formed by the PVD method was prepared.

【0084】上述した実施例5および比較例5-1、5-2
による各遮熱被覆部材を以下に示す試験に供した。ま
ず、これら各試料に対して室温×30min- 1273K×30min
の熱サイクル試験を実施し、巨視的なセラミックス層の
剥離が生じるまでのサイクル数を測定した。その結果、
比較例5-1では1300回、比較例5-2では2100回で剥離が
生じたのに対して、実施例5では5000回を超えても剥離
は生じなかった。
The above-mentioned Example 5 and Comparative Examples 5-1 and 5-2
Each of the thermal barrier coating members according to the above was subjected to the following tests. First, room temperature x 30min-1273K x 30min for each of these samples
The thermal cycle test was carried out to measure the number of cycles until macroscopic peeling of the ceramic layer occurred. as a result,
In Comparative Example 5-1, peeling occurred 1300 times and in Comparative Example 5-2 2100 times, whereas in Example 5, peeling did not occur even after 5000 times.

【0085】次に、各試料を 1073Kで粒径約 500μm の
Al2 O 3 粒を含む流量約100L/minの大気雰囲気中に暴露
して表面のエロージョン状態を観察した。その結果、比
較例5-1では時間の経過と共にセラミックス層がフレー
ク状に欠け落ちたのに対して、その上にEB−PVD法
によるセラミックス表面層を有する実施例5では表面性
状に大きな変化は観察されなかった。
Next, each sample was measured at 1073K with a particle size of about 500 μm.
The erosion state of the surface was observed by exposing to an air atmosphere containing Al 2 O 3 particles at a flow rate of about 100 L / min. As a result, in Comparative Example 5-1, the ceramic layer was chipped in the shape of flakes with the passage of time, whereas in Example 5 having the ceramic surface layer formed by the EB-PVD method, the surface texture was not significantly changed. Not observed.

【0086】実施例6 基材合金としてNi基超合金 IN738を用い、これを20×20
× 3mmの寸法に加工した。その表面に M-Cr-Al-Y合金を
表面の粗さが15μm になるような溶射条件を用いて、V
PS法によって被覆形成した。さらに、APS法によっ
て 8wt%Y2 O 3-ZrO2 を約20μm の厚さで溶射した後、
#1000まで表面研磨して粗さ(凹部と凸部の高さの差/
平均値)を 0.7μm とし、その後同一組成のセラミック
ス表面層をEB−PVD法で厚さ約 180μm となるよう
に成膜した。
Example 6 A Ni-base superalloy IN738 was used as a base alloy, and this was used as 20 × 20.
Processed to a size of × 3 mm. Apply M-Cr-Al-Y alloy on the surface under the conditions of thermal spraying so that the surface roughness becomes 15 μm.
The coating was formed by the PS method. Further, after spraying 8 wt% Y 2 O 3 -ZrO 2 to a thickness of about 20 μm by the APS method,
The surface is polished to # 1000 and the roughness (difference in height between concave and convex parts /
The average value) was 0.7 μm, and then a ceramic surface layer having the same composition was formed by the EB-PVD method so as to have a thickness of about 180 μm.

【0087】また比較例として、基材と各層の組成およ
び層構成は実施例6と同一で、M-Cr-Al-Y合金層/溶射
セラミックス層界面の粗さが 3μm となるような溶射条
件で合金層を形成した試料(比較例6-1)、および溶射
セラミックス層の研磨を省いてEB−PVD法によって
セラミックス層を形成した試料(比較例6-2)を作製し
た。
As a comparative example, the composition and layer constitution of the substrate and each layer were the same as in Example 6, and the thermal spraying conditions were such that the roughness of the M-Cr-Al-Y alloy layer / sprayed ceramics layer interface was 3 μm. A sample having an alloy layer formed thereon in Comparative Example 6-1 and a sample having a ceramic layer formed by the EB-PVD method without polishing the sprayed ceramics layer (Comparative Example 6-2) were prepared.

【0088】これらの試料を室温×30min- 1273K×30mi
n の熱サイクル試験に供して耐剥離性を評価した。その
結果、比較例6-1は1800回、比較例6-2は1300回でセラ
ミックス層の剥離を生じた。これに対して、実施例6で
は5000回を超えても剥離は観察されなかった。
These samples were tested at room temperature × 30 min-1273K × 30 mi.
It was subjected to a heat cycle test of n to evaluate the peel resistance. As a result, peeling of the ceramic layer occurred 1800 times in Comparative Example 6-1 and 1300 times in Comparative Example 6-2. On the other hand, in Example 6, peeling was not observed even after exceeding 5000 times.

【0089】次に、第3の遮熱被覆材料(第3および第
4の実施形態)の具体的な実施例について述べる。
Next, concrete examples of the third thermal barrier coating material (third and fourth embodiments) will be described.

【0090】実施例7 Niを主成分とする金属基材上に、 Ni-Co-Cr-Al-Y合金か
ら構成される金属結合層をプラズマ溶射法で形成し、さ
らにその上に Y元素濃度が 1.0〜22mol%の範囲で変化さ
せた安定化ジルコニア被覆層を、それぞれ基板温度を 1
073KにしてEB−PVD法で形成した。得られた各試料
を熱疲労試験(1273K× 1時間保持−423K× 1時間保持)
に供した。その結果を表1に示す。正方晶ジルコニアや
立方晶ジルコニアから構成されるジルコニア被覆層は熱
疲労特性に優れ、また Y濃度は2.0〜20.0mol%程度の範
囲で良好な結果を得た。
Example 7 A metal bonding layer composed of a Ni-Co-Cr-Al-Y alloy was formed on a metal base material containing Ni as a main component by a plasma spraying method, and a Y element concentration was further formed thereon. Of the stabilized zirconia coating layer with the change of 1.0 to 22 mol% at the substrate temperature of 1
It was formed by the EB-PVD method at 073K. Thermal fatigue test of each obtained sample (1273K × 1 hour hold −423K × 1 hour hold)
Was served. Table 1 shows the results. The zirconia coating layer composed of tetragonal zirconia and cubic zirconia has excellent thermal fatigue properties, and good results were obtained when the Y concentration was in the range of 2.0 to 20.0 mol%.

【0091】[0091]

【表1】 実施例8 Niを主成分とする金属基材上に、 Ni-Co-Cr-Al-Y合金か
らなる金属結合層をプラズマ溶射法で形成し、さらにそ
の上に Y元素濃度が8.5mol% の安定化ジルコニア層を、
基板温度を 673〜 1273Kの範囲で変化させてEB−PV
D法で形成した。なお、安定化ジルコニア層の形成時に
おいて、基板温度以外にターゲットと基板との成す角度
についても変化させた。得られた各試料を熱疲労試験(1
273K× 1時間保持−423K× 1時間保持)に供した。その
結果を表2に示す。なお、表2中の試料No24〜34は本発
明との比較例として掲げたものである。また、表2中の
配向度A,Bは、各試料についてX線回折を行い、その
X線回折強度比から下記の式に基いて算出した値であ
る。
[Table 1] Example 8 A metal bonding layer made of a Ni-Co-Cr-Al-Y alloy was formed on a metal base material containing Ni as a main component by a plasma spraying method, and a Y element concentration of 8.5 mol% was further formed thereon. A stabilized zirconia layer,
EB-PV by changing the substrate temperature in the range of 673 to 1273K
It was formed by the D method. During the formation of the stabilized zirconia layer, the angle between the target and the substrate was changed in addition to the substrate temperature. The thermal fatigue test (1
273K x 1 hour hold-423K x 1 hour hold). The results are shown in Table 2. Sample Nos. 24 to 34 in Table 2 are listed as comparative examples with the present invention. Further, the orientation degrees A and B in Table 2 are values calculated from the X-ray diffraction intensity ratio of each sample based on the following formula.

【0092】 配向度A={I(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(111)} 配向度B={I(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(311)}Orientation degree A = {I (200) + I (002)} / {I (200) + I (002) + I (111)} Orientation degree B = {I (200) + I (002)} / {I (200) + I (002) + I (311)}

【表2】 表2から明らかなように、基板温度を低温側とした場合
や、基板温度を高温側とすると共にターゲットと基板と
の成す角度を浅くした場合には、 (111)面や(311)面配
向のジルコニア層が形成され、一方基板温度を高温側と
すると共にターゲットと基板との成す角度を深くした場
合には、 (100)/(001)面配向のジルコニア層が得られる
ことが分かる。そして、 (100)/(001)面配向のジルコニ
ア層を有する試料は、 (111)面や (311)面の配向量が多
いジルコニア層を有する試料に比べて、熱疲労寿命に優
れることが確認された。
[Table 2] As is clear from Table 2, when the substrate temperature is on the low temperature side, or when the substrate temperature is on the high temperature side and the angle between the target and the substrate is shallow, the (111) plane or (311) plane orientation is obtained. It can be seen that the zirconia layer of (100) / (001) plane orientation is obtained when the zirconia layer is formed on the other hand and the substrate temperature is set to the high temperature side and the angle between the target and the substrate is increased. Then, it was confirmed that the sample having the zirconia layer with the (100) / (001) plane orientation has a better thermal fatigue life than the sample having the zirconia layer having a large amount of the (111) plane or the (311) plane orientation. Was done.

【0093】実施例9 Niを主成分とする金属基材(IN738LC)上に、 Ni-Co-Cr-
Al-Y合金からなる金属結合層をプラズマ溶射法で形成
し、さらにその上に Y元素濃度が 8.5mol%の安定化ジル
コニアを用いて、EB−PVD法で基板温度を 1073Kに
して (100)/(001)面配向のジルコニア層を厚さ 150μm
で形成した。続いて、その上に厚さ 5μmの (111)面配
向のジルコニア層と厚さ10μm の (100)/(001)面配向の
ジルコニア層とを順に積層してジルコニア多層積層膜を
形成した。
Example 9 Ni-Co-Cr- was formed on a metal substrate (IN738LC) containing Ni as a main component.
A metal bonding layer made of Al-Y alloy is formed by plasma spraying method, and stabilized zirconia with Y element concentration of 8.5mol% is used on it, and the substrate temperature is 1073K by EB-PVD method. / (001) -oriented zirconia layer with a thickness of 150 μm
Formed. Then, a zirconia layer having a (111) plane orientation having a thickness of 5 μm and a zirconia layer having a (100) / (001) plane orientation having a thickness of 10 μm were sequentially laminated thereon to form a zirconia multilayer laminated film.

【0094】一方、参考例として基板温度を 1073Kに保
持したままジルコニア層を 250μmの厚さで形成した試
料を作製した。
On the other hand, as a reference example, a sample in which a zirconia layer was formed to a thickness of 250 μm while maintaining the substrate temperature at 1073 K was prepared.

【0095】これら実施例および比較例による各試料の
ジルコニア遮熱層に、サンドブラスト法で SiC粉末を 5
分間吹き付けた後、熱疲労試験(1273K× 1時間保持−42
3K×1時間保持)に供し、この操作をジルコニア層が剥
離するまで繰り返した。なお、各試料共に熱疲労試験の
寿命は1000回以上であった。
SiC powder was applied to the zirconia heat shield layer of each sample according to these Examples and Comparative Examples by the sandblast method.
After spraying for 1 minute, thermal fatigue test (1273K x 1 hour hold −42
3K × 1 hour) and this operation was repeated until the zirconia layer was peeled off. The life of each sample was 1000 times or more in the thermal fatigue test.

【0096】実施例9による試料においては、摩耗損傷
が (111)面配向のジルコニア層で抑えられ、亀裂等がジ
ルコニア遮熱層の深部まで及ばず、1000回以上の上記試
験を繰り返してもジルコニア遮熱層は剥離しなかった。
これに対して参考例では 200回以内で、ジルコニア遮熱
層が金属結合層界面にできた酸化物内で剥離した。以上
のことから、異なった配向性を持つジルコニア多層被膜
構造を有するジルコニア遮熱層は、摩耗損傷によっても
熱疲労特性が低下しないことが判明した。
In the sample according to Example 9, wear damage was suppressed by the (111) plane oriented zirconia layer, cracks and the like did not extend to the deep portion of the zirconia heat shield layer, and the zirconia test was repeated 1000 times or more. The heat shield layer did not peel off.
On the other hand, in the reference example, the zirconia heat shield layer peeled off within the oxide formed at the interface of the metal bonding layer within 200 times. From the above, it was clarified that the thermal fatigue properties of the zirconia thermal barrier layer having a zirconia multilayer coating structure having different orientations are not deteriorated by abrasion damage.

【0097】[0097]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の遮熱被覆
材料は、密着性や膜特性等に優れたセラミックス遮熱層
を有しているため、優れた耐剥離性、耐熱サイクル性、
耐FOD性等が得られ、寿命ならびに耐用温度を格段に
向上させることができる。従って、例えばガスタービン
翼の使用環境のように、熱応力と酸化、さらには応力が
重畳して材料に作用するような環境下においても、優れ
た遮熱性、耐酸化性ならびに高温強度を長時間にわたっ
て維持できる遮熱被覆材料を提供することが可能とな
る。
As described above, since the thermal barrier coating material of the present invention has the ceramic thermal barrier layer excellent in adhesion and film characteristics, it has excellent peeling resistance, heat cycle resistance, and
FOD resistance and the like can be obtained, and life and service temperature can be remarkably improved. Therefore, even in an environment in which thermal stress and oxidation, and further stress acts on the material, such as the environment in which the gas turbine blade is used, excellent thermal insulation, oxidation resistance, and high temperature strength can be maintained for a long time. It is possible to provide a thermal barrier coating material that can be maintained over the entire length.

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

【図1】 本発明の第1の遮熱被覆材料の一実施形態を
示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a first thermal barrier coating material of the present invention.

【図2】 図1に示す遮熱被覆材料の要部製造工程を示
す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a main part manufacturing process of the thermal barrier coating material shown in FIG.

【図3】 本発明の第2の遮熱被覆材料の一実施形態を
示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an embodiment of a second thermal barrier coating material of the present invention.

【図4】 図3に示す遮熱被覆材料の変形例を示す断面
図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a modified example of the thermal barrier coating material shown in FIG.

【図5】 図3に示す遮熱被覆材料の他の変形例を示す
断面図である。
5 is a cross-sectional view showing another modified example of the thermal barrier coating material shown in FIG.

【図6】 本発明の第3の遮熱被覆材料の一実施形態を
示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an embodiment of a third thermal barrier coating material of the present invention.

【図7】 本発明の第3の遮熱被覆材料の他の実施形態
を示す断面図である。
FIG. 7 is a sectional view showing another embodiment of the third thermal barrier coating material of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1……金属基材 2……金属結合層 3……セラミックス遮熱層 4……中間層 5……溶射法によるセラミックス内層 6……EB−PVD法によるセラミックス表面層 7……安定化ジルコニア遮熱層 8…… (100)/(001)面配向の安定化ジルコニア層 9…… (111)面配向の安定化ジルコニア層 1 ... Metal substrate 2 ... Metal bonding layer 3 ... Ceramics heat shield layer 4 ... Intermediate layer 5 ... Ceramics inner layer by thermal spraying method 6 ... Ceramics surface layer by EB-PVD method 7 ... Stabilized zirconia shielding layer Thermal layer 8 …… (100) / (001) plane-stabilized zirconia layer 9 …… (111) plane-stabilized zirconia layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 立石 浩史 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 中橋 昌子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 松本 一秀 東京都府中市東芝町1番地 株式会社東芝 府中工場内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Hiroshi Tateishi, No. 1 Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture, Corporate Research & Development Center, Toshiba (72) Inventor Masako Nakahashi, Komukai-Toshiba, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Town No. 1 Incorporated company Toshiba Research and Development Center (72) Inventor Kazuhide Matsumoto No. 1 Toshiba-cho, Fuchu-shi, Tokyo Inside Toshiba Fuchu factory

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 金属基材と、前記金属基材上に被覆形成
された金属結合層と、前記金属結合層上に被覆形成され
たセラミックス遮熱層とを具備する遮熱被覆材料におい
て、 前記金属結合層とセラミックス遮熱層との間に、活性金
属および活性金属の酸化物から選ばれる少なくとも 1種
を主成分とし、かつ希土類酸化物の含有量が 1重量% 以
下である中間層が設けられていることを特徴とする遮熱
被覆材料。
1. A thermal barrier coating material comprising a metal base material, a metal bonding layer coated on the metal base material, and a ceramics thermal barrier layer coated on the metal bonding layer, wherein: An intermediate layer containing at least one selected from an active metal and an oxide of an active metal as a main component and a rare earth oxide content of 1% by weight or less is provided between the metal bonding layer and the ceramics heat shield layer. A thermal barrier coating material characterized in that
【請求項2】 金属基材と、前記金属基材上に被覆形成
された金属結合層と、前記金属結合層上に被覆形成され
たセラミックス遮熱層とを具備する遮熱被覆材料におい
て、 前記セラミックス遮熱層は、溶射法により形成された内
層と、電子ビームPVD法により形成された表面層とか
ら構成されていることを特徴とする遮熱被覆材料。
2. A thermal barrier coating material comprising: a metal base material; a metal bonding layer coated on the metal base material; and a ceramics thermal barrier layer coated on the metal bonding layer. The thermal barrier coating material is characterized in that the ceramic thermal barrier layer comprises an inner layer formed by a thermal spraying method and a surface layer formed by an electron beam PVD method.
【請求項3】 金属基材と、前記金属基材上に直接また
は金属結合層を介して被覆形成された安定化ジルコニア
からなるセラミックス遮熱層とを具備する遮熱被覆材料
において、 前記セラミックス遮熱層は安定化ジルコニア層を有し、
前記安定化ジルコニア層表面のX線回折による回折強度
比{I(200)+I(002)}/{I(200)+I(002)+I(111)}が0.9〜 1.
0の範囲を満足することを特徴とする遮熱被覆材料。
3. A thermal barrier coating material comprising a metal substrate and a ceramic thermal barrier layer made of stabilized zirconia coated on the metal substrate directly or via a metal bonding layer, wherein The thermal layer has a stabilized zirconia layer,
The diffraction intensity ratio {I (200) + I (002)} / {I (200) + I (002) + I (111)} of X-ray diffraction on the surface of the stabilized zirconia layer is 0.9 to 1.
A thermal barrier coating material characterized by satisfying a range of 0.
【請求項4】 請求項3記載の遮熱被覆材料において、 前記セラミックス遮熱層は、さらに前記金属基材表面ま
たは前記金属結合層表面に対して (111)面方向に配向性
を有する安定化ジルコニア層を有することを特徴とする
遮熱被覆材料。
4. The thermal barrier coating material according to claim 3, wherein the ceramic thermal barrier layer further has an orientation in the (111) plane direction with respect to the surface of the metal substrate or the surface of the metal bonding layer. A thermal barrier coating material having a zirconia layer.
【請求項5】 請求項1記載の遮熱被覆材料の製造方法
であって、 前記金属基材上に前記金属結合層を被覆形成する工程
と、 前記金属結合層上に活性金属層を形成する工程と、 前記活性金属層上に直接、あるいは酸化処理を施した前
記活性金属層上に、前記セラミックス遮熱層を被覆形成
する工程とを具備することを特徴とする遮熱被覆材料の
製造方法。
5. The method for producing a thermal barrier coating material according to claim 1, wherein the step of coating the metal bonding layer on the metal base material and the step of forming an active metal layer on the metal bonding layer. A method of manufacturing a thermal barrier coating material, comprising: a step; and a step of coating the ceramic thermal barrier layer directly on the active metal layer or on the active metal layer subjected to an oxidation treatment. .
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