JPH11264081A - Heat resistant member and production of heat resistant member - Google Patents

Heat resistant member and production of heat resistant member

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JPH11264081A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress oxidation and corrosion of a metal base material accompanied with a wear and damage of a MCrAlY alloy to contrive a long time in the case when the member is used for a long time in high temp. atmosphere. SOLUTION: The M-Cr-Al-Y alloy layer 2 (M is Ni, Co and Fe) is coated on the metal base material 1 consisting of an alloy consisting essentially of at least one kind selected among Ni, Co and Fe. A ceramic layer 3 having 1-50 μm average thickness is coated on the M-Cr-Al-Y alloy layer 2. The ceramic layer 3 is composed of the first ceramic layer 4 formed on the M-Cr-Al- Y alloy layer 2 and consisting essentially of alumina and chromia and the second ceramic layer 5 consisting of an oxide based ceramic (but, excluding alumina and chromia) becoming an oxygen supply source at the time of forming the first ceramic layer 4 and having oxygen dissociation function under a low oxygen atmosphere. The second ceramic layer 5 has >=650 Hv of Vickers hardness.

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、高温環境下で使用
される耐熱部材とその製造方法に係り、特に金属部材の
酸化による特性劣化を抑制した耐熱部材とその製造方法
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat-resistant member used in a high-temperature environment and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a heat-resistant member that suppresses deterioration of characteristics due to oxidation of a metal member and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】ガスタービン、航空機・自動車エンジン
などの熱機関を構成する金属部材には、高温強度、耐酸
化性、耐高温腐食性などを考慮して、NiやCoを主成
分とした超合金が基材として用いられている。特に、使
用環境温度が1000℃を超えるようなガスタービンや航空
機エンジン用の動・静翼においては、超合金からなる金
属基材の酸化による劣化、特に減肉や損耗による強度低
下を抑制するために、M−Cr−Al−Y(M:Ni,
Co,Feなど)合金からなる金属被覆層を金属基材上
に形成したり、さらにその上にAl富化層(Alリッチ
層)を被覆形成することが行われている。
2. Description of the Related Art In consideration of high-temperature strength, oxidation resistance, high-temperature corrosion resistance and the like, metal members constituting a heat engine such as a gas turbine, an aircraft or an automobile engine are made of a super-alloy containing Ni or Co as a main component. Alloys are used as substrates. In particular, in the case of moving and stationary blades for gas turbines and aircraft engines where the operating environment temperature exceeds 1000 ° C, in order to suppress deterioration due to oxidation of the metal base made of superalloy, especially strength reduction due to wall thinning and wear. M-Cr-Al-Y (M: Ni,
A metal coating layer made of an alloy (Co, Fe, etc.) is formed on a metal substrate, and an Al-rich layer (Al-rich layer) is further formed thereon by coating.

【0003】上述したように、金属基材の減肉による強
度低下や損耗を抑制する目的で、従来から金属基材の表
面をM−Cr−Al−Y合金層やさらにAl富化層で被
覆することが行われているが、従来のM−Cr−Al−
Y合金層やAl富化層で被覆した耐熱部材では、高温環
境下で長時間使用すると以下に示すような問題が生じて
いる。
[0003] As described above, the surface of a metal substrate is conventionally covered with an M-Cr-Al-Y alloy layer or an Al-enriched layer for the purpose of suppressing strength reduction and wear due to thinning of the metal substrate. The conventional M-Cr-Al-
A heat-resistant member covered with a Y alloy layer or an Al-enriched layer has the following problems when used in a high-temperature environment for a long time.

【0004】すなわち、高温雰囲気下で長時間使用する
とM−Cr−Al−Y合金層の表面が酸化し、アルミ
ナ、酸化ニッケル、酸化コバルトなどの遷移金属酸化
物、Alと遷移金属との複合酸化物(スピネル)などが
生成する。このような酸化膜は時間の経過と共に剥離
し、M−Cr−Al−Y合金層の減耗が起こる。このう
ち、酸化ニッケルや酸化コバルトを多く含有する酸化膜
が生成すると、酸化膜とM−Cr−Al−Y合金層との
界面にボイドが生成し、酸化膜の剥離が生じやすくな
る。
That is, when used in a high-temperature atmosphere for a long time, the surface of the M-Cr-Al-Y alloy layer is oxidized, and a transition metal oxide such as alumina, nickel oxide, and cobalt oxide, and a composite oxidation of Al and a transition metal are used. An object (spinel) is generated. Such an oxide film is peeled off with the passage of time, and the M-Cr-Al-Y alloy layer is worn. When an oxide film containing a large amount of nickel oxide or cobalt oxide is generated, voids are generated at the interface between the oxide film and the M-Cr-Al-Y alloy layer, and the oxide film is easily peeled.

【0005】そこで、長寿命の耐酸化コーティングの開
発のためには、NiやCoなどの遷移金属の酸化物の生
成を可能な限り抑制すると共に、高温雰囲気下で安定で
かつ緻密な被膜は耐酸化保護膜として使用し得るアルミ
ナから主としてなる酸化層を生成させることが望まれて
いる。しかし、M−Cr−Al−Y合金層を単に高温雰
囲気下で酸化すると、アルミナ以外にも遷移金属酸化物
や複合酸化物などの複数の酸化物が形成され、緻密で一
様なアルミナ層を生成することはできない。このため、
高温環境下で長時間使用した場合にM−Cr−Al−Y
合金層の酸化を十分に抑制することができず、たえず酸
化膜の生成、剥離、再生成を繰り返し、M−Cr−Al
−Y合金層の減耗が進行してしまう。
Therefore, in order to develop a long-life oxidation-resistant coating, the formation of oxides of transition metals such as Ni and Co is suppressed as much as possible, and a stable and dense coating under a high-temperature atmosphere is required to be an acid-resistant coating. It is desired to generate an oxide layer mainly composed of alumina that can be used as a protective oxide film. However, when the M-Cr-Al-Y alloy layer is simply oxidized in a high-temperature atmosphere, a plurality of oxides such as transition metal oxides and composite oxides are formed in addition to alumina, and a dense and uniform alumina layer is formed. Cannot be generated. For this reason,
M-Cr-Al-Y when used for a long time under high temperature environment
Since the oxidation of the alloy layer cannot be sufficiently suppressed, the generation, peeling, and regeneration of an oxide film are repeatedly performed, and M-Cr-Al
-The wear of the Y alloy layer proceeds.

【0006】また、ガスタービンやエンジンなどを構成
する金属部材は、酸化性雰囲気であると共に、SやVな
どを含む腐食性の大きい環境下で使用される場合があ
る。このような場合には、アルミナ主体の酸化膜に代え
て、クロミアを主体とする酸化膜をM−Cr−Al−Y
合金層上に形成することによって、SやVなどに対する
耐食性が向上することが知られている。しかし、現状で
はクロミアと同時にNiやCoなどの遷移金属酸化物も
形成されてしまうため、一様で緻密なクロミアを主体と
した酸化膜を生成することはできない。従って、長時間
高温腐食環境下で使用すると、SやVなどの腐食性物質
の侵入によりM−Cr−Al−Y合金層の劣化が起こ
り、金属基材の劣化を抑制することができないという問
題がある。
[0006] Metal members constituting gas turbines, engines, and the like are sometimes used in an oxidizing atmosphere and in a highly corrosive environment including S and V. In such a case, instead of the oxide film mainly composed of alumina, an oxide film mainly composed of chromia is replaced with M-Cr-Al-Y.
It is known that by forming on an alloy layer, corrosion resistance to S, V, and the like is improved. However, at present, transition metal oxides such as Ni and Co are also formed at the same time as chromia, so that it is not possible to generate a uniform and dense oxide film mainly composed of chromia. Therefore, when used in a high-temperature corrosive environment for a long time, the M-Cr-Al-Y alloy layer deteriorates due to the intrusion of corrosive substances such as S and V, and the deterioration of the metal base material cannot be suppressed. There is.

【0007】さらに、Al富化層をM−Cr−Al−Y
合金層の直上に形成することで、酸化物の生成、剥離が
起こった場合でも基材の減耗を防ぐような耐酸化構造も
提案されているが、基本的に酸化、剥離が繰り返して起
こるため、基材の酸化を抑制する効果は十分ではない。
また一方で、長時間使用するとAl富化層とM−Cr−
Al−Y合金層との間の組成の違いによる元素拡散が起
り、M−Cr−Al−Y合金層内に脆化相やボイドが生
成して剥離しやすくなったり、Alの内方拡散によって
外表面近傍でAl元素量が減少し、耐酸化性の維持が困
難になるなど不備な点も多く、必ずしも良好な結果は得
られていない。
Further, the Al-enriched layer is formed of M-Cr-Al-Y
Oxidation-resistant structures have been proposed to prevent the loss of the base material even when oxides are generated and peeled off by being formed directly on the alloy layer.However, since oxidation and peeling basically occur repeatedly, However, the effect of suppressing the oxidation of the substrate is not sufficient.
On the other hand, when used for a long time, the Al-enriched layer and M-Cr-
Element diffusion occurs due to a difference in composition between the Al-Y alloy layer and an embrittlement phase or void is generated in the M-Cr-Al-Y alloy layer, and the M-Cr-Al-Y alloy layer is easily peeled off. There are many disadvantages, such as a decrease in the amount of Al element in the vicinity of the outer surface, making it difficult to maintain oxidation resistance, and good results have not always been obtained.

【0008】NiやCoの超合金からなる金属基材とM
−Cr−Al−Y合金層との界面に関しても、長時間高
温雰囲気下で使用した際に、これらの組成の違いによる
成分元素の拡散が起こり、金属基材の強度強化相を消滅
させたり、また脆化相の生成が起こるなどの問題があ
る。金属基材の耐酸化性のみを考慮した場合には、金属
基材上に直接耐酸化性に優れたアルミナ層を形成するこ
とが望ましいが、そのようなアルミナ層の形成方法は確
立されていない。
A metal base made of a superalloy of Ni or Co and M
Regarding the interface with the -Cr-Al-Y alloy layer, when used in a high-temperature atmosphere for a long time, the diffusion of the component elements occurs due to the difference in these compositions, and the strength-enhancing phase of the metal substrate disappears, In addition, there is a problem that an embrittlement phase is generated. When considering only the oxidation resistance of the metal substrate, it is desirable to form an alumina layer having excellent oxidation resistance directly on the metal substrate, but a method for forming such an alumina layer has not been established. .

【0009】耐酸化性に優れたアルミナ層や耐食性に優
れたクロミア層などを、金属基材上やM−Cr−Al−
Y合金層上に形成する場合、ガスタービンなどの実使用
環境では粒子の衝突による摩耗や損傷、さらには腐食性
物質による特性劣化などが起こるため、耐エロージョン
性なども考慮しなければならない。
An alumina layer having excellent oxidation resistance, a chromia layer having excellent corrosion resistance, and the like are formed on a metal substrate or by using M-Cr-Al-
In the case of forming on the Y alloy layer, wear and damage due to collision of particles and deterioration of characteristics due to corrosive substances occur in an actual use environment such as a gas turbine. Therefore, erosion resistance and the like must be considered.

【0010】一方、さらなる高温化の流れの中で、金属
基材上に耐酸化・耐食コーティングとしてM−Cr−A
l−Y合金層を被覆形成した上に、さらに遮熱コーティ
ングとしてセラミックス層を 200〜 300μm 程度の厚さ
で被覆することも試みられている。しかし、表面に遮熱
コーティングを施した部材を高温雰囲気下で使用する
と、金属部材と遮熱コーティング層(セラミックス層)
との熱膨張係数の違いから熱応力が発生し、セラミック
ス層が剥離しやすいという問題がある。よって、金属結
合層と遮熱層との界面に耐酸化・耐食層を生成しても、
セラミックス層の剥離によって界面生成層が損傷し、十
分に機能しないという問題が生じていた。また、従来の
遮熱コーティング層ではM−Cr−Al−Y合金層との
界面における酸化を抑制することはできず、M−Cr−
Al−Y合金層による金属基材の耐酸化抑制効果が損わ
れてしまうという問題がある。
On the other hand, as the temperature rises further, M-Cr-A is used as an oxidation- and corrosion-resistant coating on a metal substrate.
Attempts have been made to coat a ceramic layer with a thickness of about 200 to 300 μm as a thermal barrier coating in addition to forming an l-Y alloy layer. However, when a member with a thermal barrier coating on its surface is used in a high-temperature atmosphere, the metallic member and the thermal barrier coating layer (ceramic layer)
There is a problem that thermal stress is generated due to a difference in thermal expansion coefficient between the ceramic layer and the ceramic layer, and the ceramic layer is easily peeled off. Therefore, even if an oxidation / corrosion resistant layer is formed at the interface between the metal bonding layer and the heat shield layer,
There has been a problem that the interface generation layer is damaged by the peeling of the ceramic layer and does not function sufficiently. Further, the conventional thermal barrier coating layer cannot suppress oxidation at the interface with the M-Cr-Al-Y alloy layer,
There is a problem that the effect of suppressing the oxidation resistance of the metal substrate by the Al-Y alloy layer is impaired.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のM−Cr−Al−Y合金層やさらにAl富化層で被覆
した耐熱部材では、高温環境下で長時間使用した場合
に、M−Cr−Al−Y合金層の表面でNiやCoなど
の遷移金属の酸化物を含む酸化膜の生成、剥離が繰り返
され、金属基材の酸化や強度低下を十分に抑制すること
ができないという問題がある。これが耐熱部材の寿命を
律速している。
As described above, in a conventional heat-resistant member coated with an M-Cr-Al-Y alloy layer or an Al-enriched layer, the M Generation and peeling of an oxide film containing an oxide of a transition metal such as Ni or Co are repeated on the surface of the -Cr-Al-Y alloy layer, and it is not possible to sufficiently suppress the oxidation and strength reduction of the metal base material. There's a problem. This limits the life of the heat-resistant member.

【0012】このようなことから、従来の耐熱部材にお
いては、M−Cr−Al−Y合金層のNiやCoなどの
酸化物の生成を伴う酸化を抑えることによって、M−C
r−Al−Y合金層の減耗や損傷、さらには金属基材の
酸化や強度低下などを長時間にわたって抑制することが
課題とされている。また、実使用環境を考慮して、エロ
ージョン特性を高めることが望まれている。
For this reason, in the conventional heat-resistant member, the oxidation of the M—Cr—Al—Y alloy layer accompanied by the formation of oxides such as Ni and Co is suppressed by the MC
It has been an issue to suppress the wear and damage of the r-Al-Y alloy layer, and the oxidation and strength reduction of the metal base material for a long time. Further, it is desired to enhance the erosion characteristics in consideration of the actual use environment.

【0013】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、長時間にわたってM−Cr−Al−Y
合金層の酸化、剥離を抑制すると共に、エロージョン特
性を向上させることによって、金属基材の特性を長時間
にわたって維持し長寿命化を図った耐熱部材を提供する
ことを目的としている。本発明の他の目的は、金属基材
とM−Cr−Al−Y合金層との界面での元素拡散に起
因する金属基材の特性劣化を本質的に防ぐと共に、金属
基材の耐酸化性を維持するために、金属基材上に直接M
−Cr−Al−Y合金層に代わる耐酸化層を形成し、金
属基材の特性を長時間にわたって維持し長寿命化を図っ
た耐熱部材を提供することにある。
The present invention has been made to address such a problem, and has been developed for a long time by using M-Cr-Al-Y.
It is an object of the present invention to provide a heat-resistant member that maintains the characteristics of a metal base material for a long time and prolongs its life by suppressing oxidation and peeling of an alloy layer and improving erosion characteristics. Another object of the present invention is to substantially prevent the deterioration of the properties of the metal substrate due to element diffusion at the interface between the metal substrate and the M-Cr-Al-Y alloy layer, and to prevent the oxidation of the metal substrate. In order to maintain the performance, M
An object of the present invention is to provide a heat-resistant member that forms an oxidation-resistant layer in place of a Cr-Al-Y alloy layer, maintains the characteristics of a metal substrate for a long time, and extends the life.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明における第1の耐
熱部材は、請求項1に記載したように、Ni、Coおよ
びFeから選ばれる少なくとも 1種を含む合金からなる
金属基材と、前記金属基材上に被覆形成されたM−Cr
−Al−Y合金層(ただし、MはNi、CoおよびFe
から選ばれる少なくとも 1種の元素を示す)と、前記M
−Cr−Al−Y合金層上に直接、もしくはAl富化層
を介して被覆形成された平均厚さ 1〜50μm のセラミッ
クス層とを具備し、前記セラミックス層は、前記M−C
r−Al−Y合金層上または前記Al富化層上に生成さ
れたアルミナおよびクロミアから選ばれる少なくとも 1
種から主としてなる第1のセラミックス層と、前記第1
のセラミックス層上に存在する酸素解離能を有する酸化
物系セラミックス(ただし、アルミナおよびクロミアを
除く)からなり、かつ硬度がビッカース硬度でHv 650以
上である第2のセラミックス層とを有することを特徴と
している。
According to the first aspect of the present invention, a first heat-resistant member comprises a metal base made of an alloy containing at least one selected from Ni, Co and Fe. M-Cr coated on metal substrate
-Al-Y alloy layer (where M is Ni, Co and Fe
At least one element selected from the group consisting of
A ceramic layer having an average thickness of 1 to 50 μm coated directly on the Cr—Al—Y alloy layer or via an Al-enriched layer;
At least one selected from alumina and chromia formed on the r-Al-Y alloy layer or on the Al-rich layer
A first ceramic layer mainly composed of a seed;
And a second ceramic layer made of an oxide ceramic having oxygen dissociation ability (excluding alumina and chromia) and having a Vickers hardness of Hv 650 or more, which is present on the ceramic layer. And

【0015】本発明の耐熱部材の製造方法は、請求項3
に記載したように、Ni、CoおよびFeから選ばれる
少なくとも 1種を含む合金からなる金属基材の表面に、
MCrAlY合金層(ただし、MはNi、CoおよびF
eから選ばれる少なくとも 1種の元素を示す)を形成す
る工程と、溶融粉砕法で作製した粉末を 50%以上含む溶
射原料粉末を用いて、前記M−Cr−Al−Y合金層上
に直接もしくはAl富化層を介して、溶射法により酸素
解離能を有する酸化物系セラミックス層(ただし、アル
ミナおよびクロミアを除く)を形成する工程と、前記酸
化物系セラミックス層が形成された金属基材に低酸素雰
囲気下で熱処理を施し、前記M−Cr−Al−Y合金層
またはAl富化層と前記酸化物系セラミックス層との間
に、アルミナおよびクロミアから選ばれる少なくとも 1
種から主としてなる酸化層を形成する工程とを有するこ
とを特徴としている。
The method for manufacturing a heat-resistant member according to the present invention is described in claim 3.
As described in the above, on the surface of a metal substrate made of an alloy containing at least one selected from Ni, Co and Fe,
MCrAlY alloy layer (where M is Ni, Co and F
e) at least one element selected from the group consisting of: e.) and directly using the sprayed raw material powder containing at least 50% of the powder produced by the melt-pulverization method on the M-Cr-Al-Y alloy layer. Alternatively, a step of forming an oxide-based ceramic layer having oxygen dissociating ability (excluding alumina and chromia) by a thermal spraying method via an Al-enriched layer, and a metal substrate on which the oxide-based ceramic layer is formed Is heat-treated in a low-oxygen atmosphere, and at least one member selected from alumina and chromia is interposed between the M-Cr-Al-Y alloy layer or the Al-enriched layer and the oxide-based ceramic layer.
Forming an oxide layer mainly composed of seeds.

【0016】また、本発明における第2の耐熱部材は、
請求項2に記載したように、Ni、CoおよびFeから
選ばれる少なくとも 1種を含む合金からなる金属基材
と、前記金属基材上に直接もしくはAl富化層を介して
被覆形成されたセラミックス層とを具備し、前記セラミ
ックス層は、前記金属基材上または前記Al富化層上に
生成されたアルミナおよびクロミアから選ばれる少なく
とも 1種から主としてなる第1のセラミックス層と、前
記第1のセラミックス層上に存在する酸素解離能を有す
る酸化物系セラミックス(ただし、アルミナおよびクロ
ミアを除く)からなり、かつ硬度がビッカース硬度でHv
650以上である第2のセラミックス層とを有することを
特徴としている。
Further, the second heat-resistant member of the present invention comprises:
As described in claim 2, a metal substrate made of an alloy containing at least one selected from Ni, Co and Fe, and a ceramic formed on the metal substrate directly or via an Al-enriched layer. A ceramic layer comprising: a first ceramic layer mainly composed of at least one selected from alumina and chromia formed on the metal base material or the Al-enriched layer; It is composed of oxide ceramics (excluding alumina and chromia) having oxygen dissociation ability present on the ceramics layer, and has a hardness of Vvs hardness of Hv
And a second ceramic layer having a thickness of 650 or more.

【0017】本発明の第1の耐熱部材においては、酸素
解離能を有する酸化物系セラミックスからなる第2のセ
ラミックス層を成膜しながら、もしくは成膜した後に熱
処理を施すことによって、M−Cr−Al−Y合金層と
第2のセラミックス層との界面に主としてアルミナおよ
びクロミアから選ばれる少なくとも 1種からなる第1の
セラミックス層(酸化層)を生成している。
In the first heat-resistant member of the present invention, a heat treatment is performed while forming the second ceramic layer made of an oxide-based ceramic having oxygen dissociation ability or after forming the second ceramic layer. -A first ceramic layer (oxide layer) mainly composed of at least one selected from alumina and chromia is formed at the interface between the Al-Y alloy layer and the second ceramic layer.

【0018】この酸化層の生成に用いられる酸素量は、
酸素解離能を有する酸化物系セラミックスから解離され
る酸素の量によって制御されているため、緻密な酸化層
を形成することができ、さらにはNiやCoなどの遷移
金属の酸化物、その複合酸化物などの生成を大幅に抑制
することができる。このような酸化層は良好な耐酸化性
や耐食性を有しているため、M−Cr−Al−Y層の酸
化、剥離による減耗や損傷、あるいは硫黄やバナジウム
による腐食などを抑制することができる。
The amount of oxygen used to form this oxide layer is
Controlled by the amount of oxygen dissociated from the oxide-based ceramics having oxygen dissociation ability, a dense oxide layer can be formed. Furthermore, oxides of transition metals such as Ni and Co, and their composite oxides Generation of an object or the like can be significantly suppressed. Since such an oxide layer has good oxidation resistance and corrosion resistance, wear and damage due to oxidation and peeling of the M-Cr-Al-Y layer, and corrosion due to sulfur and vanadium can be suppressed. .

【0019】さらに、セラミックス層の厚さを適正な範
囲としているために、セラミックス層の剥離を抑制する
ことができる。また、表層側に存在する第2のセラミッ
クス層はビッカース硬度でHv 650以上の硬度を有してい
るため、エロージョン特性を高めることができる。加え
て、第2のセラミックス層は主としてアルミナやクロミ
アからなる第1のセラミックス層(酸化層)の成長(膜
厚の増大など)に伴う剥離を抑制する機能も有してい
る。これらによって、M−Cr−Al−Y層の酸化や腐
食の進行を抑制することが可能となる。
Further, since the thickness of the ceramics layer is set in an appropriate range, peeling of the ceramics layer can be suppressed. Further, since the second ceramic layer existing on the surface layer has a Vickers hardness of Hv 650 or more, the erosion characteristics can be improved. In addition, the second ceramics layer also has a function of suppressing exfoliation accompanying the growth (such as an increase in film thickness) of the first ceramics layer (oxide layer) mainly composed of alumina or chromia. These make it possible to suppress the progress of oxidation and corrosion of the M-Cr-Al-Y layer.

【0020】このように、第1の耐熱部材においては、
M−Cr−Al−Y層の酸化や腐食の進行を抑制するこ
とができるため、金属基材の特性を長時間にわたって安
定して維持することが可能となる。
Thus, in the first heat-resistant member,
Since the oxidation and corrosion of the M-Cr-Al-Y layer can be suppressed, the characteristics of the metal substrate can be stably maintained for a long time.

【0021】本発明の第2の耐熱部材においては、金属
基材上に直接もしくはAl富化層を介して第2のセラミ
ックス層を形成し、この第2のセラミックス層と金属基
材またはAl富化層との界面に主としてアルミナやクロ
ミアからなる第1のセラミックス層(酸化層)を生成し
ている。この酸化層は、第1の耐熱部材の酸化層と同様
に良好な耐酸化性や耐食性を有し、さらに第2のセラミ
ックス層は良好なエロージョン特性や酸化層の成長に伴
う剥離抑制機能を有しているため、金属基材の酸化や腐
食による特性劣化を長時間にわたって抑制することが可
能となる。
In the second heat-resistant member of the present invention, a second ceramics layer is formed directly on a metal base or via an Al-enriched layer, and the second ceramics layer and the metal base or Al-rich A first ceramic layer (oxide layer) mainly composed of alumina or chromia is formed at the interface with the oxide layer. This oxidized layer has good oxidation resistance and corrosion resistance similarly to the oxidized layer of the first heat-resistant member, and the second ceramic layer has good erosion characteristics and a function of suppressing separation due to the growth of the oxidized layer. As a result, it is possible to suppress characteristic deterioration due to oxidation and corrosion of the metal base material for a long time.

【0022】さらに、第2の耐熱部材は金属基材上に直
接もしくはAl富化層を介して上記した酸化層を形成し
ているため、金属基材と金属被覆層との組成差に基づく
元素拡散を生じさせることがない。従って、元素拡散に
基づく脆化相やボイドの生成による金属基材の強度低下
などを防止することができる。これらによって、金属基
材の特性を長時間にわたって安定して維持することが可
能となる。
Further, since the second heat-resistant member has the oxidized layer formed directly on the metal substrate or via the Al-enriched layer, the element based on the composition difference between the metal substrate and the metal coating layer is formed. Does not cause diffusion. Therefore, it is possible to prevent a reduction in the strength of the metal base material due to the formation of an embrittlement phase or a void due to element diffusion. These make it possible to stably maintain the characteristics of the metal base material for a long time.

【0023】[0023]

【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。
Embodiments of the present invention will be described below.

【0024】図1は、本発明の耐熱部材の第1の実施形
態の構造を模式的に示す断面図である。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Ni、C
oおよびFeから選ばれる少なくとも 1種を主成分とす
る合金が挙げられ、使用用途など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、IN738、IN738LC、IN939、Mar
−M247、RENE80、CM−247、CMSX−
2、CMSX−4などのNi基超合金や、FSX−41
4、Mar−M509などのCo基超合金を用いること
が有効である。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing the structure of the first embodiment of the heat-resistant member of the present invention. In the figure,
Reference numeral 1 denotes a metal substrate, and as the metal substrate 1, Ni, C
An alloy containing at least one selected from the group consisting of o and Fe as a main component may be mentioned, and various known heat-resistant alloys may be appropriately selected and used depending on the intended use. Practically, IN738, IN738LC, IN939, Mar
-M247, RENE80, CM-247, CMSX-
2, Ni-based superalloys such as CMSX-4 and FSX-41
4. It is effective to use a Co-based superalloy such as Mar-M509.

【0025】上記した金属基材1上には、耐食・耐酸化
金属被覆としてM−Cr−Al−Y合金層(MはNi、
CoおよびFeから選ばれる少なくとも 1種の元素を示
す)2が被覆形成されている。このM−Cr−Al−Y
合金層2としては、耐食・耐酸化性金属被覆としての機
能を得る上で、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N
i、CoおよびFe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が用いられる。なお、A
lおよびCrは少なくとも一方を含んでいればよく、ま
たYに代えてHf、Zr、Tiなどの他の活性金属を使
用することもできる。また、用途によってはNb、T
a、Wなどを 5重量% 以下程度の範囲で含有していても
よい。ここでは、上記したような合金を総称してM−C
r−Al−Y合金と呼ぶ。具体的にはNiCoCrAl
Y合金、CoNiCrAlY合金、NiCrAlY合
金、CoCrAlY合金、FeCrAlY合金などが好
ましく用いられる。
On the above-mentioned metal substrate 1, an M-Cr-Al-Y alloy layer (M is Ni,
2 (indicating at least one element selected from Co and Fe). This M-Cr-Al-Y
In order to obtain a function as a corrosion-resistant and oxidation-resistant metal coating, the alloy layer 2 is generally 0.1 to 20% by weight of Al, 10 to 10% by weight.
35% by weight of Cr, 0.1 to 5% by weight of Y, the balance being N
An alloy having a composition substantially composed of at least one M element selected from i, Co and Fe is used. Note that A
It is sufficient that l and Cr contain at least one of them, and other active metals such as Hf, Zr, and Ti can be used instead of Y. In some applications, Nb, T
a, W, etc. may be contained in the range of about 5% by weight or less. Here, the above alloys are collectively referred to as MC
It is called r-Al-Y alloy. Specifically, NiCoCrAl
Y alloy, CoNiCrAlY alloy, NiCrAlY alloy, CoCrAlY alloy, FeCrAlY alloy and the like are preferably used.

【0026】M−Cr−Al−Y合金層2は、溶射法、
PVD法、CVD法などの各種成膜方法によって形成す
ることができるが、実用上は溶射法が最も有効である。
特に、大気溶射法よりも緻密な被覆層が得られる減圧溶
射法(低真空溶射法)や高速ガス炎溶射法(HOVF
法)を適用することが好ましく、これらにより被覆層形
成時の巻き込み酸素によるM−Cr−Al−Y合金層2
の内部酸化を抑制することができる。また、M−Cr−
Al−Y合金層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 程度が適当である。
The M-Cr-Al-Y alloy layer 2 is formed by a thermal spraying method.
Although it can be formed by various film forming methods such as a PVD method and a CVD method, a thermal spraying method is most effective in practical use.
In particular, a reduced pressure spraying method (low vacuum spraying method) or a high-speed gas flame spraying method (HOVF) that can obtain a denser coating layer than the atmospheric spraying method.
It is preferable to apply the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 by the entrained oxygen during the formation of the coating layer.
Internal oxidation can be suppressed. In addition, M-Cr-
The thickness of the Al—Y alloy layer 2 can be selected from the range of about 10 to 500 μm according to the application.
About 300 μm is appropriate.

【0027】さらに、上述したM−Cr−Al−Y合金
層2上には、平均厚さが 1〜50μmの範囲のセラミック
ス層3が被覆形成されている。セラミックス層3はM−
Cr−Al−Y合金層2上に形成された、主としてアル
ミナ(Al2 3 )およびクロミア(Cr2 3 )から
選ばれる少なくとも 1種からなる第1のセラミックス層
(酸化層)4と、この第1のセラミックス層4上に存在
する酸化物系セラミックス(アルミナおよびクロミアを
除く)からなる第2のセラミックス層5とを有してお
り、これらによって耐熱部材6が構成されている。
Further, on the M-Cr-Al-Y alloy layer 2, a ceramic layer 3 having an average thickness in the range of 1 to 50 μm is formed. The ceramic layer 3 is M-
A first ceramic layer (oxide layer) 4 formed on the Cr-Al-Y alloy layer 2 and mainly composed of at least one selected from alumina (Al 2 O 3 ) and chromia (Cr 2 O 3 ); A second ceramic layer 5 made of an oxide ceramic (excluding alumina and chromia) present on the first ceramic layer 4 is provided, and these constitute a heat-resistant member 6.

【0028】第1のセラミックス層4は、M−Cr−A
l−Y合金層2中の成分元素(AlやCrなどの金属元
素)と第2のセラミックス層5中の成分元素(主として
酸素)とからなり、その50重量% 以上がアルミナおよび
クロミアから選ばれる少なくとも 1種からなるセラミッ
クス層である。第1のセラミックス層4中のアルミナや
クロミア、もしくはこれらの混合物の量は75重量% 以上
であることが好ましく、より好ましくは95重量% 以上で
ある。
The first ceramic layer 4 is made of M-Cr-A
It is composed of component elements (metal elements such as Al and Cr) in the l-Y alloy layer 2 and component elements (mainly oxygen) in the second ceramics layer 5, of which at least 50% by weight is selected from alumina and chromia. It is a ceramic layer composed of at least one kind. The amount of alumina, chromia, or a mixture thereof in the first ceramics layer 4 is preferably at least 75% by weight, more preferably at least 95% by weight.

【0029】上記したセラミックス層3のうち、第2の
セラミックス層5は低酸素雰囲気(低酸素ポテンシャ
ル)下で酸素解離能を有する酸化物系セラミックス材料
からなり、この第2のセラミックス層5の成膜過程で、
もしくは第2のセラミックス層5を成膜した後に熱処理
を施すことで、主としてアルミナやクロミアからなる第
1のセラミックス層4がM−Cr−Al−Y合金層2と
第2のセラミックス層5との界面に形成される。
Of the above-mentioned ceramic layers 3, the second ceramic layer 5 is made of an oxide ceramic material having an oxygen dissociating ability under a low oxygen atmosphere (low oxygen potential). During the membrane process,
Alternatively, by performing a heat treatment after forming the second ceramic layer 5, the first ceramic layer 4 mainly composed of alumina or chromia is formed by the M-Cr—Al—Y alloy layer 2 and the second ceramic layer 5. Formed at the interface.

【0030】すなわち、第2のセラミックス層5として
低酸素雰囲気下で酸素解離能を有する酸化物系セラミッ
クス材料を用いると共に、後に詳述する条件下での成膜
もしくは熱処理を適用することによって、第2のセラミ
ックス層5から解離した酸素とM−Cr−Al−Y合金
層2の構成成分のうちAlやCrとの反応生成物層であ
る第1のセラミックス層4を、M−Cr−Al−Y合金
層2と第2のセラミックス層5との界面に選択的に形成
することができ、さらに得られる第1のセラミックス層
4を緻密化することができる。
That is, by using an oxide-based ceramic material having oxygen dissociation ability in a low oxygen atmosphere as the second ceramic layer 5 and applying a film formation or heat treatment under the conditions described later in detail, The first ceramics layer 4 which is a reaction product layer of Al and Cr among the constituents of the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 with oxygen dissociated from the ceramics layer 5 of the second ceramics layer 5 is formed of M-Cr-Al- It can be selectively formed at the interface between the Y alloy layer 2 and the second ceramic layer 5, and the resulting first ceramic layer 4 can be further densified.

【0031】この第1のセラミックス層4は、厚すぎる
とM−Cr−Al−Y合金層2との熱膨張率の違いによ
る剥離などが生じやすくなることから、M−Cr−Al
−Y合金層2の表面を一様に覆い得る範囲で薄い方がよ
い。具体的には、平均厚さで3.5μm 以下とすることが
好ましい。ただし、第1のセラミックス層4の平均厚さ
が0.01μm 未満となると、M−Cr−Al−Y合金層2
表面の一様な被覆性が低下するため、実用的には 0.1μ
m 以上とすることが好ましい。
If the first ceramic layer 4 is too thick, the first ceramic layer 4 is liable to peel off due to a difference in the coefficient of thermal expansion from the M-Cr-Al-Y alloy layer 2.
The thinner the better, the more uniformly the surface of the -Y alloy layer 2 can be covered. Specifically, the average thickness is preferably 3.5 μm or less. However, when the average thickness of the first ceramics layer 4 is less than 0.01 μm, the M—Cr—Al—Y alloy layer 2
Practically 0.1μ because the uniformity of the surface decreases.
m or more.

【0032】また、第1のセラミックス層4は、平均粒
子径が 0.2〜 1.0μm の範囲のアルミナ粒子やクロミア
粒子で構成されていることが好ましい。このようなセラ
ミックス層4によれば、金属部材(金属基材1およびM
−Cr−Al−Y合金層2)の成長速度を抑制すること
ができる。このような粒子を粗大化させたセラミックス
層4は、第2のセラミックス層5から解離した酸素を用
いると共に、酸化層としての第1のセラミックス層4を
薄膜化することにより得ることができる。第1のセラミ
ックス層4の薄膜化は、セラミックス層3の剥離抑制に
対しても効果を発揮する。
The first ceramics layer 4 is preferably made of alumina particles or chromia particles having an average particle diameter in the range of 0.2 to 1.0 μm. According to such a ceramics layer 4, the metal member (the metal substrate 1 and the metal
-The growth rate of the Cr-Al-Y alloy layer 2) can be suppressed. The ceramic layer 4 in which such particles are coarsened can be obtained by using oxygen dissociated from the second ceramic layer 5 and reducing the thickness of the first ceramic layer 4 as an oxide layer. The thinning of the first ceramics layer 4 is also effective for suppressing the peeling of the ceramics layer 3.

【0033】第1のセラミックス層4は、後に詳述する
ように、成膜時の基板温度条件や熱処理条件を適宜に設
定することによって、xAl2 3 ・yY2 3 で示さ
れるYAG、YAMなどのAlとYとの複合酸化物を含
有させることができる。このAlとYとの複合酸化物は
拡散抑制効果がより大きいことから、CoやNiなどの
遷移金属の酸化物もしくはそれらの複合酸化物の生成に
伴うM−Cr−Al−Y合金層2の減耗や損傷をより一
層効果的に抑制することが可能となる。
The first ceramic layer 4, as will be described later, by appropriately setting to the substrate temperature and the heat treatment conditions at the time of film formation, YAG represented by xAl 2 O 3 · yY 2 O 3, A composite oxide of Al and Y such as YAM can be contained. Since the composite oxide of Al and Y has a greater diffusion suppressing effect, the transition metal oxide such as Co or Ni or the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 accompanying the formation of the composite oxide thereof is formed. Wear and damage can be more effectively suppressed.

【0034】第2のセラミックス層5としての酸化物系
セラミックス材料は、低酸素ポテンシャル下で酸素を解
離しやすい酸化物材料である。特に、酸素が不定比組成
である物質、具体的にはジルコニア、安定化ジルコニ
ア、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化トリウム、希土
類金属酸化物、酸化モリブデン、酸化ニオブ、酸化タン
タル、アルカリ土類金属酸化物、これらの複合酸化物、
また蛍石構造から酸素を1/8だけ規則的に除いたバイク
ロア構造のセラミックスなどを用いることが好ましい。
これらの中でも安定化ジルコニアは金属部材に近い熱膨
張率を有し、かつ高融点材料であり、さらに高温安定性
に優れていることから、特に好ましい材料ということが
できる。
The oxide-based ceramic material as the second ceramic layer 5 is an oxide material that easily dissociates oxygen under a low oxygen potential. In particular, a substance in which oxygen has a nonstoichiometric composition, specifically, zirconia, stabilized zirconia, titanium oxide, hafnium oxide, thorium oxide, rare earth metal oxide, molybdenum oxide, niobium oxide, tantalum oxide, alkaline earth metal oxide , These composite oxides,
It is also preferable to use a ceramic having a bichlore structure in which oxygen is regularly removed from the fluorite structure by 1/8.
Among these, stabilized zirconia is a particularly preferable material because it has a thermal expansion coefficient close to that of a metal member, is a high melting point material, and has excellent high-temperature stability.

【0035】また、第2のセラミックス層5はビッカー
ス硬度(200gf荷重、30秒保持/セラミックス層の断面組
織に圧子を入れたとき)でHv 650以上の硬度を有してい
る。このように、最表面層としての第2のセラミックス
層5を高硬度層とすることによって、被覆層としてのセ
ラミックス層3のエロージョン特性を大幅に高めること
ができ、耐熱部材6の寿命向上に寄与する。このような
高硬度のセラミックス層5は、後述するようにセラミッ
クス層5を溶射法で形成する際に、溶融粉砕法で作製し
た粉末を 50%以上含む溶射原料粉末を用いることによ
り、再現性よく得ることができる。
The second ceramics layer 5 has a Vickers hardness (200 gf load, holding for 30 seconds / when an indenter is inserted into the sectional structure of the ceramics layer) and a hardness of Hv 650 or more. As described above, by forming the second ceramics layer 5 as the outermost layer as a high hardness layer, the erosion characteristics of the ceramics layer 3 as the coating layer can be greatly improved, and the life of the heat-resistant member 6 can be improved. I do. Such a high hardness ceramic layer 5 can be reproducibly formed by using a sprayed raw material powder containing 50% or more of a powder produced by a melt pulverization method when the ceramic layer 5 is formed by a thermal spraying method as described later. Obtainable.

【0036】第2のセラミックス層5は、上記したよう
にセラミックス層3のエロージョン特性の向上や、高温
雰囲気下で長時間使用した際の第1のセラミックス層4
の成長(膜厚の増大など)を抑制する機能などを有して
いるものの、基本的には主としてアルミナやクロミアか
らなる緻密な第1のセラミックス層4の生成に利用され
るものであり、従来の遮熱コーティングとしてのセラミ
ックス層とは異なるものである。よって、第2のセラミ
ックス層5の厚さは、第1のセラミックス層4の形成に
必要な酸素を供給し得る厚さを有していればよい。加え
て、第2のセラミックス層5を厚くしすぎると、第1の
セラミックス層4の生成が過剰となり、上述したような
不都合を招くことになる。従って、第2のセラミックス
層5の厚さは、第1のセラミックス層4を含むセラミッ
クス層3の平均厚さとして50μm以下とする。
As described above, the second ceramic layer 5 is used to improve the erosion characteristics of the ceramic layer 3 or to form the first ceramic layer 4 when used in a high-temperature atmosphere for a long time.
Although it has a function of suppressing the growth of (e.g., increase in film thickness), it is basically used for forming the dense first ceramic layer 4 mainly made of alumina or chromia. Is different from the ceramic layer as a thermal barrier coating. Therefore, the thickness of the second ceramics layer 5 only needs to be large enough to supply oxygen necessary for forming the first ceramics layer 4. In addition, if the thickness of the second ceramics layer 5 is too large, the generation of the first ceramics layer 4 becomes excessive, which causes the above-described inconvenience. Therefore, the thickness of the second ceramic layer 5 is set to 50 μm or less as the average thickness of the ceramic layer 3 including the first ceramic layer 4.

【0037】すなわち、セラミックス層3の平均厚さが
50μm を超えると、第2のセラミックス層5を成膜した
後に熱処理により第1のセラミックス層4を生成する場
合、供給される酸素量が過剰となって、第1のセラミッ
クス層4が厚くなりすぎる。また、第2のセラミックス
層5の成膜と同時に第1のセラミックス層4を生成する
場合、例えば基板加熱により第1のセラミックス層4を
生成するため、セラミックス層3の平均厚さが50μm を
超えると、言い換えると第2のセラミックス層5の成膜
時間が長くなりすぎると、それだけ成膜時の熱処理効果
が増大して第1のセラミックス層4が厚くなりすぎて、
上述したような不都合を招くことになる。ただし、セラ
ミックス層3の厚さがあまり薄すぎると、酸化層を緻密
な被膜として形成することが困難であるため、セラミッ
クス層3の平均厚さは 1μm 以上とする。
That is, the average thickness of the ceramic layer 3 is
If the thickness exceeds 50 μm, when the first ceramics layer 4 is formed by heat treatment after the formation of the second ceramics layer 5, the amount of supplied oxygen becomes excessive and the first ceramics layer 4 becomes too thick. . When the first ceramics layer 4 is formed simultaneously with the formation of the second ceramics layer 5, the first ceramics layer 4 is formed by heating the substrate, for example, so that the average thickness of the ceramics layer 3 exceeds 50 μm. In other words, if the film formation time of the second ceramics layer 5 is too long, the heat treatment effect at the time of film formation is increased and the first ceramics layer 4 becomes too thick,
This causes the above-described inconvenience. However, if the thickness of the ceramic layer 3 is too small, it is difficult to form an oxide layer as a dense coating, so the average thickness of the ceramic layer 3 is 1 μm or more.

【0038】セラミックス層3の平均厚さは、第1のセ
ラミックス層4の生成量制御に寄与するだけでなく、そ
れ自体の剥離や層内部での破壊などを防止する上におい
ても重要であり、この点からもセラミックス層3の平均
厚さは50μm 以下とする必要がある。すなわち、セラミ
ックス層3の平均厚さが50μm を超えると、M−Cr−
Al−Y合金層2との熱膨張率の差により発生する熱応
力、さらにはそれ自体の強度低下や破壊起点の増加など
によって、セラミックス層3すなわち第2のセラミック
ス層5の剥離、割れなどが生じやすくなる。第2のセラ
ミックス層5に剥離や割れなどが起こると、当然ながら
第1のセラミックス層4にも剥離などが生じやすくな
り、上述したCoやNiなどの遷移金属の酸化を抑制す
ることができなくなる。このような点から、セラミック
ス層3の平均厚さはより良好な剥離・割れ抑制効果が得
られる30μm 以下とすることが望ましい。
The average thickness of the ceramic layer 3 not only contributes to the control of the amount of the first ceramic layer 4 formed, but also is important in preventing peeling of the first ceramic layer 4 and destruction inside the layer. From this point as well, the average thickness of the ceramic layer 3 needs to be 50 μm or less. That is, when the average thickness of the ceramic layer 3 exceeds 50 μm, M-Cr-
Due to the thermal stress generated due to the difference in the coefficient of thermal expansion from the Al—Y alloy layer 2, furthermore, the peeling and cracking of the ceramic layer 3, that is, the second ceramic layer 5, due to a decrease in the strength of itself and an increase in the fracture starting point. It is easy to occur. If the second ceramic layer 5 is peeled or cracked, the first ceramic layer 4 naturally tends to be peeled or the like, and the above-described oxidation of the transition metal such as Co or Ni cannot be suppressed. . From such a point, it is desirable that the average thickness of the ceramics layer 3 be 30 μm or less, at which a more favorable peeling / cracking suppressing effect can be obtained.

【0039】本発明における第2のセラミックス層5
は、ビッカース硬度でHv 650以上という硬度を有してい
る点からも、従来の遮熱コーティングとしてのセラミッ
クス層とは明らかに異なるものである。すなわち、従来
の遮熱コーティング層の硬度を上記したような硬度と
し、かつ遮熱に必要とされる 250μm 以上の被覆層を形
成した場合には、熱応力により容易に剥離してしまう。
これに対して、本発明ではセラミックス層3の平均厚さ
を50μm 以下としているため、Hv 650以上というような
硬度であっても剥離を抑制することができる。本発明
は、主としてアルミナやクロミアからなる緻密な第1の
セラミックス層4の生成に利用する第2のセラミックス
層5を高硬度化することによって、付加的に耐エロージ
ョン特性の向上を図ったものである。
Second ceramic layer 5 in the present invention
Has a Vickers hardness of Hv 650 or more, which is clearly different from a ceramic layer as a conventional thermal barrier coating. That is, when the hardness of the conventional thermal barrier coating layer is set as described above and a coating layer of 250 μm or more required for thermal barrier is formed, the thermal barrier coating layer is easily peeled off.
On the other hand, in the present invention, since the average thickness of the ceramic layer 3 is 50 μm or less, peeling can be suppressed even if the hardness is Hv 650 or more. The present invention additionally improves the erosion resistance by increasing the hardness of the second ceramics layer 5 used for forming the dense first ceramics layer 4 mainly made of alumina or chromia. is there.

【0040】そして、M−Cr−Al−Y合金層2の表
面側に、主としてアルミナやクロミアからなる緻密な第
1のセラミックス層4を形成することによって、M−C
r−Al−Y合金層2からのCoやNiなどの遷移金属
の拡散を抑制することができる。すなわち、M−Cr−
Al−Y合金層2の剥離原因であるCoやNiなどの遷
移金属の酸化が抑制され、長時間使用した場合でもCo
やNiなどの遷移金属の酸化物もしくはそれらの複合酸
化物の生成に伴うM−Cr−Al−Y合金層2の減耗や
損傷を抑えることができる。
By forming a dense first ceramics layer 4 mainly made of alumina or chromia on the surface side of the M—Cr—Al—Y alloy layer 2,
Diffusion of transition metals such as Co and Ni from the r-Al-Y alloy layer 2 can be suppressed. That is, M-Cr-
Oxidation of a transition metal such as Co or Ni, which is a cause of exfoliation of the Al—Y alloy layer 2, is suppressed, and even when used for a long time,
It is possible to suppress the wear and damage of the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 due to the formation of an oxide of a transition metal such as Ni or Ni or a composite oxide thereof.

【0041】第1のセラミックス層4が主としてアルミ
ナからなる場合には、M−Cr−Al−Y合金層2のよ
り良好な耐酸化抑制効果を得ることができる。また、第
1のセラミックス層4が主としてクロミアからなる場合
には、SやVなどを含む腐食性雰囲気に対して良好な耐
食性を得ることができる。さらに、第1のセラミックス
層4は、主としてクロミアとアルミナとの混合酸化物、
もしくはクロミアとアルミナとの複合酸化物により構成
することもできる。
When the first ceramics layer 4 is mainly made of alumina, it is possible to obtain a better effect of suppressing the oxidation of the M—Cr—Al—Y alloy layer 2. When the first ceramics layer 4 is mainly made of chromia, good corrosion resistance to a corrosive atmosphere containing S and V can be obtained. Further, the first ceramics layer 4 is mainly composed of a mixed oxide of chromia and alumina,
Alternatively, it may be composed of a composite oxide of chromia and alumina.

【0042】金属基材1の耐酸化性のみを考慮した場
合、第1のセラミックス層4は主としてアルミナからな
る層とすることが好ましいが、SやVなどを含む腐食性
の大きい環境下で使用される場合には、主としてクロミ
アとアルミナとの混合酸化物、クロミアとアルミナとの
複合酸化物からなる層とすることが好ましい。これによ
って、耐食・耐酸化性に優れた耐熱部材が得られる。
When only the oxidation resistance of the metal substrate 1 is considered, the first ceramic layer 4 is preferably a layer mainly composed of alumina, but is used in a highly corrosive environment including S and V. In this case, it is preferable to form a layer mainly composed of a mixed oxide of chromia and alumina or a composite oxide of chromia and alumina. Thus, a heat-resistant member having excellent corrosion resistance and oxidation resistance can be obtained.

【0043】このように、M−Cr−Al−Y合金層2
の表面側に主としてアルミナやクロミアからなる緻密な
第1のセラミックス層4を形成することによって、M−
Cr−Al−Y合金層2の実使用雰囲気下での酸化、剥
離による減耗や損傷、あるいはM−Cr−Al−Y合金
層2のSやVなどによる腐食による特性劣化を抑制する
ことができる。従って、M−Cr−Al−Y合金層2に
期待される金属基材1の酸化などによる劣化抑制機能が
長時間維持され、金属基材1の特性を長時間にわたって
安定して維持することが可能となる。すなわち、耐熱部
材6の長寿命化を達成することができる。
As described above, the M—Cr—Al—Y alloy layer 2
By forming a dense first ceramics layer 4 mainly made of alumina or chromia on the surface side of
It is possible to suppress wear and tear due to oxidation and peeling of the Cr-Al-Y alloy layer 2 in an actual use atmosphere, or deterioration of characteristics of the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 due to corrosion due to S and V. . Therefore, the function of suppressing deterioration of the metal substrate 1 due to oxidation or the like expected from the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 is maintained for a long time, and the characteristics of the metal substrate 1 can be stably maintained for a long time. It becomes possible. That is, the service life of the heat-resistant member 6 can be extended.

【0044】また、特に酸化反応が激しく進行するよう
な、より厳しい高温環境下で使用する場合には、図2に
示すように、M−Cr−Al−Y合金層2上にさらにア
ルミパック法などでAl富化層7を形成し、このAl富
化層7上にセラミックス層3を形成することによって、
主としてアルミナからなる第1のセラミックス層4を生
成するようにしてもよい。
In particular, when the device is used in a severer high-temperature environment where the oxidation reaction progresses violently, as shown in FIG. 2, an aluminum pack method is further formed on the M-Cr-Al-Y alloy layer 2. By forming an Al-enriched layer 7 by using, for example, and forming the ceramics layer 3 on the Al-enriched layer 7,
The first ceramics layer 4 mainly made of alumina may be generated.

【0045】上述した実施形態の耐熱部材6におけるセ
ラミックス層3は、例えば以下のようにして形成するこ
とができる。まず、第2のセラミックス層5を形成後に
熱処理を施して第1のセラミックス層4形成する手法に
ついて述べる。
The ceramic layer 3 in the heat-resistant member 6 of the above embodiment can be formed, for example, as follows. First, a method of forming the first ceramics layer 4 by performing a heat treatment after the formation of the second ceramics layer 5 will be described.

【0046】この手法では、図3(a)に示すように、
M−Cr−Al−Y合金層2上に低酸素ポテンシャル下
で酸素解離能を有する酸化物系セラミックス材料からな
る第2のセラミックス層5を例えば溶射法で形成する。
溶射法で第2のセラミックス層5を形成する場合、基板
加熱は 700℃以下とすることが好ましい。溶射法として
はプラズマ溶射法が挙げられるが、酸素供給源となる第
2のセラミックス層5の酸素量を低減する目的で、減圧
雰囲気で溶射することにより酸素欠損を含むセラミック
ス層を形成してもよい。
In this method, as shown in FIG.
On the M-Cr-Al-Y alloy layer 2, a second ceramics layer 5 made of an oxide ceramic material having an oxygen dissociation ability under a low oxygen potential is formed by, for example, a thermal spraying method.
When the second ceramics layer 5 is formed by the thermal spraying method, the substrate is preferably heated to 700 ° C. or less. Examples of the thermal spraying method include a plasma spraying method. In order to reduce the amount of oxygen in the second ceramics layer 5 serving as an oxygen supply source, the thermal spraying may be performed in a reduced pressure atmosphere to form a ceramics layer containing oxygen vacancies. Good.

【0047】また、第2のセラミックス層5は、特に溶
融粉砕法で作製した粉末を 50%以上含む溶射原料粉末を
用いた溶射法で形成することが望ましい。溶融粉砕粉末
を用いて形成した溶射層は硬度を大きくすることがで
き、具体的にはビッカース硬度(200gf荷重、30秒保持)
でHv 650以上の硬度を有するセラミックス層5を再現性
よく得ることができる。また、高硬度のセラミックス層
5を作製するためには、細かい粒子を用いることが望ま
しい。
It is desirable that the second ceramic layer 5 is formed by a thermal spraying method using a thermal spraying raw material powder containing at least 50% of a powder produced by a melt pulverizing method. The sprayed layer formed using the melt-pulverized powder can increase the hardness, specifically Vickers hardness (200 gf load, hold for 30 seconds)
Thus, a ceramic layer 5 having a hardness of Hv 650 or more can be obtained with good reproducibility. In order to produce the ceramic layer 5 having high hardness, it is desirable to use fine particles.

【0048】このような第2セラミックス層5によれ
ば、耐エロージョン特性を向上させることができ、ひい
ては耐酸化性・耐エロージョン特性を左右する第1のセ
ラミックス層4の剥離や劣化を抑制することが可能とな
る。特に硬度を向上させる面から、溶融粉砕粉末の割合
が高ければ高いほどよく、特に溶融粉砕粉末のみで溶射
原料粉末を調製することが望ましい。溶融粉砕粉末の割
合が 50%未満であると、上記したような硬度を満足する
セラミックス層5を再現性よく得ることができない。特
に、平均粒子径が44μm 以下というような微粉末を用い
ると、さらに硬度を上昇させることができる。
According to such a second ceramics layer 5, the erosion resistance can be improved, and the peeling and deterioration of the first ceramics layer 4 which affects the oxidation resistance and the erosion resistance can be suppressed. Becomes possible. In particular, from the viewpoint of improving the hardness, the higher the proportion of the melt-pulverized powder, the better. Particularly, it is desirable to prepare the thermal spray raw material powder using only the melt-pulverized powder. If the proportion of the melt-pulverized powder is less than 50%, the ceramic layer 5 satisfying the above-described hardness cannot be obtained with good reproducibility. In particular, when a fine powder having an average particle diameter of 44 μm or less is used, the hardness can be further increased.

【0049】次に、第2のセラミックス層5に対して低
酸素雰囲気中にて熱処理を施して、図3(b)に示すよ
うに、M−Cr−Al−Y合金層2と第2のセラミック
ス層5との界面に、酸化層として第1のセラミックス層
4を形成する。このように、低酸素雰囲気中で第2のセ
ラミックス層5に熱処理を施し、酸素を第2のセラミッ
クス層5から供給して界面反応の生成物として第1のセ
ラミックス層4を形成することによって、選択的に緻密
なアルミナやクロミアを得ることができる。
Next, a heat treatment is performed on the second ceramics layer 5 in a low oxygen atmosphere, and as shown in FIG. 3B, the M—Cr—Al—Y alloy layer 2 and the second On the interface with the ceramic layer 5, the first ceramic layer 4 is formed as an oxide layer. As described above, the heat treatment is performed on the second ceramics layer 5 in a low oxygen atmosphere, and oxygen is supplied from the second ceramics layer 5 to form the first ceramics layer 4 as a product of the interfacial reaction. Dense alumina and chromia can be selectively obtained.

【0050】第1のセラミックス層4を生成する際の熱
処理雰囲気は、 1Pa以下の真空中とすることが好まし
い。熱処理時の雰囲気圧が 1Paを超えると、雰囲気から
の酸素によりM−Cr−Al−Y合金層2内で酸化が生
じるおそれがある。これによって、M−Cr−Al−Y
合金層2の剥離原因となるNiやCoなどの遷移金属の
酸化物などが生成するおそれがある。熱処理時の雰囲気
は、より緻密な第1のセラミックス層4を形成すること
ができると共に、M−Cr−Al−Y合金層2内の酸化
をより有効に抑制し得る 0.1〜10-4Pa台の低圧雰囲気と
することが望ましい。
The heat treatment atmosphere for forming the first ceramic layer 4 is preferably in a vacuum of 1 Pa or less. If the atmospheric pressure during the heat treatment exceeds 1 Pa, oxidation may occur in the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 due to oxygen from the atmosphere. Thereby, M-Cr-Al-Y
There is a possibility that an oxide of a transition metal such as Ni or Co, which causes peeling of the alloy layer 2, may be generated. The atmosphere during the heat treatment is in the range of 0.1 to 10 -4 Pa, which can form the denser first ceramics layer 4 and can more effectively suppress the oxidation in the M-Cr-Al-Y alloy layer 2. It is desirable to use a low pressure atmosphere.

【0051】また、熱処理温度は第1のセラミックス層
を構成する成分により選択され、主としてアルミナから
なる第1のセラミックス層4を形成する場合には、 800
℃以上とすることが好ましい。熱処理温度が 800℃未満
であると、アルミナ以外の酸化物の生成量が増大するお
それがある。この際、特に熱処理温度を1100℃以上とす
ることによって、前述したように第1のセラミックス層
4にAlとYとの複合酸化物を含有させることができ、
CoやNiなどの遷移金属の酸化物などの生成をより一
層効果的に抑制することが可能となる。熱処理時間は特
に限定されるものではないが、 1〜 100時間程度とする
ことが好ましい。なお、この熱処理は金属基材1の特性
維持のために行われる多段階熱処理(溶体化処理+時効
処理)の1工程として行ってもよい。
The heat treatment temperature is selected depending on the components constituting the first ceramics layer. When forming the first ceramics layer 4 mainly made of alumina, the heat treatment temperature is 800 ° C.
The temperature is preferably set to not less than ° C. If the heat treatment temperature is lower than 800 ° C., the generation amount of oxides other than alumina may increase. At this time, particularly by setting the heat treatment temperature to 1100 ° C. or higher, the first ceramics layer 4 can contain the composite oxide of Al and Y as described above,
Generation of transition metal oxides such as Co and Ni can be more effectively suppressed. The heat treatment time is not particularly limited, but is preferably about 1 to 100 hours. Note that this heat treatment may be performed as one step of a multi-step heat treatment (solution treatment + aging treatment) performed to maintain the characteristics of the metal substrate 1.

【0052】一方、主としてクロミアとアルミナとの混
合酸化物、クロミアとアルミナとの複合酸化物からなる
第1のセラミックス層4を形成する場合には、熱処理温
度は500〜 900℃の範囲とすることが好ましい。熱処理
温度が 500℃未満であると酸化物の生成量が不足し、一
方 900℃を超えるとアルミナの生成量が増大してクロミ
ア量が減少する。この際の熱処理温度の制御などによっ
て、第1のセラミックス層4を主としてクロミアからな
る層とすることもできる。なお、この熱処理温度は上述
した金属基材1の特性維持のために行われる多段階熱処
理温度より低いため、第1のセラミックス層4の形成の
ための熱処理を行う前に、上記した多段階熱処理を実施
する。熱処理時間は特に限定されるものではないが、 1
〜10時間程度とすることが好ましい。
On the other hand, when forming the first ceramic layer 4 mainly composed of a mixed oxide of chromia and alumina or a composite oxide of chromia and alumina, the heat treatment temperature should be in the range of 500 to 900 ° C. Is preferred. If the heat treatment temperature is lower than 500 ° C., the amount of generated oxide is insufficient, while if it exceeds 900 ° C., the amount of generated alumina increases and the amount of chromia decreases. By controlling the heat treatment temperature at this time, the first ceramics layer 4 can be a layer mainly composed of chromia. Since the heat treatment temperature is lower than the multi-step heat treatment temperature for maintaining the characteristics of the metal substrate 1, the heat treatment for forming the first ceramics layer 4 is performed before the multi-step heat treatment. Is carried out. Although the heat treatment time is not particularly limited, 1
It is preferably set to about 10 hours.

【0053】このような第2のセラミックス層5を形成
した後に熱処理を施して第1のセラミックス層4を形成
する方法によれば、第1のセラミックス層4の膜厚を制
御することが容易で、特に最小限度の緻密なアルミナや
クロミアから主としてなる酸化層4を形成する場合に有
効である。
According to the method of forming the first ceramic layer 4 by performing the heat treatment after the formation of the second ceramic layer 5, it is easy to control the thickness of the first ceramic layer 4. This is particularly effective when the oxide layer 4 mainly composed of a minimum of dense alumina or chromia is formed.

【0054】また、熱処理時に生成する酸化層4の膜厚
やそれを構成するアルミナやクロミアの粒子径は、酸素
解離能を有する第1のセラミックス層4の膜厚や被覆時
の酸素ポテンシャルなどに依存する。初期の酸化層4の
膜厚を小さくし、アルミナやクロミアの粒子径を大きく
すると、高温雰囲気に保持したときの酸化物の成長を抑
制することができる。特に、膜厚の小さいセラミックス
層4を被覆することで解離酸素量を低下させると、酸化
層4の膜厚を小さく抑えることができ、かつアルミナや
クロミアの粒子径を大きくすることができる。これらの
結果として、セラミックス層3の剥離や割れが起きにく
くなり、M−Cr−Al−Y合金層2の機能を長期間に
わたって維持することが可能となる。
The thickness of the oxide layer 4 formed during the heat treatment and the particle diameter of alumina and chromia constituting the oxide layer 4 depend on the thickness of the first ceramic layer 4 having oxygen dissociation ability and the oxygen potential at the time of coating. Dependent. By reducing the initial thickness of the oxide layer 4 and increasing the particle size of alumina or chromia, it is possible to suppress the growth of oxide when kept in a high-temperature atmosphere. In particular, when the amount of dissociated oxygen is reduced by coating the ceramic layer 4 having a small thickness, the thickness of the oxide layer 4 can be suppressed small, and the particle diameter of alumina or chromia can be increased. As a result, peeling and cracking of the ceramic layer 3 are less likely to occur, and the function of the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 can be maintained for a long period of time.

【0055】第2のセラミックス層5は第1のセラミッ
クス層4の成膜と同時に形成することも可能であるが、
溶射法を適用した場合には第2のセラミックス層5の成
膜と同時に形成される第1のセラミックス層4を制御す
ることが難しいため、上記した成膜後に熱処理を施す方
法を適用することが好ましい。
The second ceramics layer 5 can be formed simultaneously with the formation of the first ceramics layer 4.
When the thermal spraying method is applied, it is difficult to control the first ceramics layer 4 formed simultaneously with the formation of the second ceramics layer 5, so that the above-described method of performing heat treatment after the film formation is applied. preferable.

【0056】なお、本発明における第2のセラミックス
層5は、必ずしも溶射法で形成したものに限定されるも
のではなく、例えば上記した硬度を満足させることが可
能であれば、PVD法、スパッタ法、CVD法などを適
用してもよい。この場合、PVD法などで第2のセラミ
ックス層5を被覆しただけでは、第1のセラミックス層
4を形成することはできないため、金属基材1を加熱し
ながら第2のセラミックス層5を成膜する。加熱温度は
700℃以上とすることが好ましい。さらには、900℃以
上に加熱しながら被覆することが望ましく、これにより
M−Cr−Al−Y合金層2直上に粗大なアルミナ粒子
などからなる第1のセラミックス層4が形成され、酸素
の拡散を抑制することができる。
The second ceramics layer 5 in the present invention is not necessarily limited to the one formed by the thermal spraying method. For example, if the above hardness can be satisfied, the second ceramics layer 5 may be formed by the PVD method or the sputtering method. , A CVD method or the like may be applied. In this case, since the first ceramics layer 4 cannot be formed only by coating the second ceramics layer 5 by the PVD method or the like, the second ceramics layer 5 is formed while heating the metal substrate 1. I do. The heating temperature is
The temperature is preferably set to 700 ° C. or higher. Further, it is desirable to coat while heating to 900 ° C. or more, so that a first ceramics layer 4 made of coarse alumina particles or the like is formed directly on the M—Cr—Al—Y alloy layer 2 to diffuse oxygen. Can be suppressed.

【0057】上述した各実施形態においては、セラミッ
クス層3をM−Cr−Al−Y合金層2上に形成する場
合について説明したが、本発明によるセラミックス層
3、すなわちアルミナやクロミアを主体する緻密な第1
のセラミックス層4と酸素供給源である第2のセラミッ
クス層5とからなるセラミックス層3は、図4に示すよ
うに、金属基材1上に直接形成することもできる。
In each of the embodiments described above, the case where the ceramic layer 3 is formed on the M—Cr—Al—Y alloy layer 2 has been described, but the ceramic layer 3 according to the present invention, that is, the dense layer mainly composed of alumina or chromia, is used. First
The ceramic layer 3 composed of the ceramic layer 4 and the second ceramic layer 5 serving as an oxygen supply source can be directly formed on the metal substrate 1 as shown in FIG.

【0058】例えば、金属基材1としてCMSX−2、
CMSX−4などのような単結晶基材を用いる場合に、
組成が異なるM−Cr−Al−Y合金層を被覆形成して
高温雰囲気で長時間使用すると、元素の拡散によって金
属基材1の表面近傍組織が再結晶して基材強度が低下す
るおそれがある。このような場合には、主としてアルミ
ナやクロミアからなる緻密な第1のセラミックス層4と
酸素供給源である第2のセラミックス層5とからなるセ
ラミックス層3を、金属基材1上に直接形成するように
してもよい。
For example, CMSX-2,
When using a single crystal substrate such as CMSX-4,
When an M-Cr-Al-Y alloy layer having a different composition is coated and formed and used for a long time in a high-temperature atmosphere, the structure near the surface of the metal substrate 1 may be recrystallized due to diffusion of elements, and the substrate strength may be reduced. is there. In such a case, the ceramic layer 3 mainly composed of the dense first ceramic layer 4 mainly composed of alumina or chromia and the second ceramic layer 5 serving as an oxygen supply source is directly formed on the metal substrate 1. You may do so.

【0059】また、より厳しい高温環境下で使用する場
合には、図5に示すように、金属基材1上にさらにアル
ミパック法などでAl富化層7を形成し、このAl富化
層7上にセラミックス層3を形成することによって、主
としてアルミナからなる第1のセラミックス層4を生成
するようにしてもよい。
When used in a severer high temperature environment, as shown in FIG. 5, an Al-enriched layer 7 is further formed on the metal substrate 1 by an aluminum pack method or the like. By forming the ceramic layer 3 on the first ceramic layer 7, the first ceramic layer 4 mainly made of alumina may be generated.

【0060】図4に示したように、金属基材1上に直接
セラミックス層3を形成する場合には、金属基材1の構
成元素により第1のセラミックス層4が生成される。ま
た、図5に示したように、金属基材1上に設けたAl富
化層7を介してセラミックス層3を形成する場合には、
Al富化層7により主としてアルミナからなる第1のセ
ラミックス層4が生成される。各層の具体的な条件や作
製条件などはM−Cr−Al−Y合金層2上に形成する
場合と同様であるが、主としてアルミナやクロミアから
なる第1のセラミックス層4と金属基材1とが直接接す
る場合には、特に各層の厚さ制御などによって熱応力の
緩和を十分に考慮する必要がある。
As shown in FIG. 4, when the ceramic layer 3 is formed directly on the metal substrate 1, the first ceramic layer 4 is formed by the constituent elements of the metal substrate 1. Further, as shown in FIG. 5, when the ceramic layer 3 is formed via the Al-enriched layer 7 provided on the metal base 1,
The first ceramic layer 4 mainly made of alumina is generated by the Al-enriched layer 7. The specific conditions and production conditions of each layer are the same as in the case of forming on the M-Cr-Al-Y alloy layer 2, but the first ceramics layer 4 mainly made of alumina or chromia and the metal substrate 1 In the case of direct contact, it is necessary to sufficiently consider the relaxation of thermal stress by controlling the thickness of each layer.

【0061】[0061]

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

【0062】実施例1 Ni基超合金上に低真空溶射法で厚さ 150μm のNiC
oCrAlY合金層を形成した後、大気溶射法で厚さ40
μm の 8重量% Y2 3 安定化ジルコニア層を被覆形成
した。Y安定化ジルコニア層を被覆形成するにあたり、
造粒粉末(粒度:10〜44μm)と溶融粉砕粉末(粒度:10
〜44μm)を用いて、造粒粉末と溶融粉砕粉末の割合が0/
100(試料A)、10/90(試料B)、20/80(試料C)、30/7
0(試料D)、40/60(試料E)、50/50(試料F)、60/40
(試料G)、70/30(試料H)、80/20(試料I)、90/10
(試料J)、100/0(試料K)の混合粉末を用いて、それ
ぞれY安定化ジルコニア層を形成した。この後、各試料
に 0.001気圧の低酸素ポテンシャル雰囲気で1000℃× 5
時間の熱処理を施した。
Example 1 NiC having a thickness of 150 μm was formed on a Ni-based superalloy by a low vacuum spraying method.
After forming the oCrAlY alloy layer, the thickness of the
An 8% by weight Y 2 O 3 stabilized zirconia layer of μm was coated. In forming the Y-stabilized zirconia layer,
Granulated powder (particle size: 10 to 44 μm) and melt-pulverized powder (particle size: 10
~ 44μm), the ratio of granulated powder and melt-pulverized powder is 0 /
100 (sample A), 10/90 (sample B), 20/80 (sample C), 30/7
0 (sample D), 40/60 (sample E), 50/50 (sample F), 60/40
(Sample G), 70/30 (Sample H), 80/20 (Sample I), 90/10
Using a mixed powder of (Sample J) and 100/0 (Sample K), a Y-stabilized zirconia layer was formed, respectively. After this, each sample is placed in a low oxygen potential atmosphere at
Time heat treatment was applied.

【0063】得られた各試料の断面をSEM−EDXで
観察したところ、いずれの試料においてもNiCoCr
AlY層とY安定化ジルコニア層との界面に、主として
アルミナ(粒径 0.2〜 0.5μm)からなる酸化層が形成さ
れていた。また、各試料のY安定化ジルコニア層の硬度
を測定したところ、試料AはHv 780、試料BはHv 730、
試料CはHv 720、試料DはHv 710、試料EはHv 680、試
料FはHv 660、試料GはHv 620、試料HはHv 580、試料
IはHv 540、試料JはHv 510、試料KはHv 480であっ
た。
When a cross section of each of the obtained samples was observed by SEM-EDX, NiCoCr
At the interface between the AlY layer and the Y-stabilized zirconia layer, an oxide layer mainly composed of alumina (particle diameter: 0.2 to 0.5 μm) was formed. When the hardness of the Y-stabilized zirconia layer of each sample was measured, sample A was Hv 780, sample B was Hv 730,
Sample C is Hv 720, Sample D is Hv 710, Sample E is Hv 680, Sample F is Hv 660, Sample G is Hv 620, Sample H is Hv 580, Sample I is Hv 540, Sample J is Hv 510, Sample K. Was Hv 480.

【0064】上述した各試料に対して、アルミナ粉末を
25g/mmで送りながら、1000℃× 8時間+ 100℃× 1時間
を 1サイクルとした繰返し熱処理を伴う試験を実施し
た。その結果、溶融粉砕粉末の割合が多い試料A〜試料
Fでは、外観上の変化は全く見られず、損傷は起こらな
かった。また、NiCoCrAlY層の内部酸化も進行
しておらず、主としてアルミナからなる酸化層が耐酸化
抑制層として良好に機能していることが確認された。一
方、造粒焼成粉末の割合が多い試料G〜試料Kでは、Y
安定化ジルコニア層に剥離が起こり、NiCoCrAl
Y層の酸化、剥離が著しく起こっていた。
Alumina powder was added to each of the above samples.
While feeding at 25 g / mm, a test involving repeated heat treatment was performed with one cycle of 1000 ° C. × 8 hours + 100 ° C. × 1 hour. As a result, in Samples A to F in which the proportion of the melt-pulverized powder was large, no change in appearance was observed at all, and no damage occurred. In addition, the internal oxidation of the NiCoCrAlY layer did not progress, and it was confirmed that the oxide layer mainly composed of alumina functions well as the oxidation-resistant suppressing layer. On the other hand, in Samples G to K in which the proportion of the granulated and fired powder is large, Y
Peeling occurs in the stabilized zirconia layer and NiCoCrAl
Oxidation and peeling of the Y layer occurred remarkably.

【0065】実施例2 Ni基超合金の表面に低真空溶射法で厚さ約 150μm の
NiCoCrAlY合金層を形成した後、溶融粉砕粉末
(粒度:10〜44μm)を用いた大気溶射法によって 8重量
% Y2 3 安定化ジルコニア層を形成した。この際、Y
安定化ジルコニア層の厚さを40μm とした試料Aと、Y
安定化ジルコニア層の厚さを 200μm とした試料Bをそ
れぞれ作製した。この後、各試料に 0.001気圧の低酸素
ポテンシャル雰囲気で1000℃× 5時間の熱処理を施し
た。
Example 2 An NiCoCrAlY alloy layer having a thickness of about 150 μm was formed on the surface of a Ni-base superalloy by low-vacuum thermal spraying, and then 8 weight by an atmospheric thermal spraying method using a melt-pulverized powder (particle size: 10 to 44 μm).
% Y 2 O 3 stabilized zirconia layer was formed. At this time, Y
Sample A in which the thickness of the stabilized zirconia layer was 40 μm;
Samples B each having a stabilized zirconia layer thickness of 200 μm were prepared. Thereafter, each sample was subjected to a heat treatment at 1000 ° C. for 5 hours in a low oxygen potential atmosphere of 0.001 atm.

【0066】得られた各試料の断面をSEM−EDXで
観察したところ、いずれの試料においてもNiCoCr
AlY層とY安定化ジルコニア層との界面に、主として
アルミナからなる酸化層が形成されていたが、試料Aで
は酸化層の厚さは 0.8μm(粒径 0.4μm)で、試料Bでは
酸化層の厚さは 1.5μm(粒径 0.1μm)であった。また、
各試料のY安定化ジルコニア層の硬度を測定したとこ
ろ、試料AはHv 700、試料BはHv 760であった。
When the cross section of each of the obtained samples was observed by SEM-EDX, NiCoCr
At the interface between the AlY layer and the Y-stabilized zirconia layer, an oxide layer mainly composed of alumina was formed. In Sample A, the thickness of the oxide layer was 0.8 μm (particle diameter: 0.4 μm). Was 1.5 μm (particle size 0.1 μm). Also,
When the hardness of the Y-stabilized zirconia layer of each sample was measured, sample A was Hv 700 and sample B was Hv 760.

【0067】上述した各試料に対して、1000℃× 8時間
+ 100℃× 1時間を 1サイクルとした繰返し熱処理を伴
う試験を実施した。その結果、本発明の実施例に相当す
る試料Aでは、外観上の変化は全く見られず、損傷は起
こらなかった。またNiCoCrAlY層の内部酸化も
進行しておらず、主としてアルミナからなる酸化層が耐
酸化抑制層として良好に機能していることが確認され
た。一方、比較例としての試料Bでは、 200サイクルを
超えた時点でY安定化ジルコニア層の剥離が一部起こ
り、NiCoCrAlY層の酸化、剥離が著しく起こっ
ていた。
Each of the above-mentioned samples was subjected to a test involving repeated heat treatment in which one cycle was 1000 ° C. × 8 hours + 100 ° C. × 1 hour. As a result, in Sample A corresponding to the example of the present invention, no change in appearance was observed at all, and no damage occurred. In addition, the internal oxidation of the NiCoCrAlY layer did not progress, and it was confirmed that the oxide layer mainly composed of alumina functions well as the oxidation-resistant suppressing layer. On the other hand, in Sample B as a comparative example, the peeling of the Y-stabilized zirconia layer partially occurred after 200 cycles, and the oxidation and peeling of the NiCoCrAlY layer significantly occurred.

【0068】実施例3 上記した実施例2と同一条件で作製した試料Aと試料B
を、まず1000℃の大気雰囲気中で5000時間保持した。保
持後の酸化層の膜厚を調べたところ、試料Aでは酸化層
の厚さは 4μm 、試料Bでは酸化層の厚さは10μm であ
った。熱処理後の各試料に対して、1000℃× 8時間+ 1
00℃× 1時間を 1サイクルとした繰返し熱処理を伴う試
験を実施した。
Example 3 Samples A and B manufactured under the same conditions as in Example 2 described above
Was first kept in an air atmosphere at 1000 ° C. for 5000 hours. When the film thickness of the oxide layer after the holding was examined, the thickness of the oxide layer was 4 μm in Sample A and 10 μm in Sample B. 1000 ° C x 8 hours + 1 for each sample after heat treatment
A test involving repeated heat treatment with one cycle of 00 ° C. × 1 hour was performed.

【0069】その結果、本発明の実施例に相当する試料
Aでは、 200サイクルを超えても外観上の変化は全く見
られず、損傷は起こらなかった。一方、比較例としての
試料Bでは、50サイクルを超えた時点でY安定化ジルコ
ニア層の剥離が一部起こり、NiCoCrAlY層の酸
化、剥離が著しく起こっていた。
As a result, in the sample A corresponding to the example of the present invention, no change in appearance was observed even after more than 200 cycles, and no damage occurred. On the other hand, in Sample B as a comparative example, the peeling of the Y-stabilized zirconia layer partially occurred after more than 50 cycles, and the oxidation and peeling of the NiCoCrAlY layer significantly occurred.

【0070】実施例4 Ni基超合金の表面に厚さ約 150μm のNiCoCrA
lY合金層を形成し、さらにアルミパック処理を施して
平均厚さ20μm のAl富化層を形成した後、溶融粉砕粉
末(粒度:10〜44μm)を用いた大気溶射法によって 8重
量% Y2 3安定化ジルコニア層を形成した。この際、
Y安定化ジルコニア層の厚さは40μmとした。この後、
0.001気圧の低酸素ポテンシャル雰囲気で1000℃× 5時
間の熱処理を施した。
Example 4 NiCoCrA having a thickness of about 150 μm was formed on the surface of a Ni-base superalloy.
After forming an 1Y alloy layer and further performing an aluminum pack treatment to form an Al-enriched layer having an average thickness of 20 μm, 8 wt% Y 2 was formed by an air spray method using a melt-pulverized powder (particle size: 10 to 44 μm). An O 3 stabilized zirconia layer was formed. On this occasion,
The thickness of the Y-stabilized zirconia layer was 40 μm. After this,
Heat treatment was performed at 1000 ° C. for 5 hours in a low oxygen potential atmosphere of 0.001 atm.

【0071】得られた試料の断面をSEM−EDXで観
察したところ、Al富化層とY安定化ジルコニア層との
界面に、アルミナからなる酸化層が形成されていた。ま
た、Y安定化ジルコニア層の硬度はHv 720であった。こ
のような試料に対して、1000℃× 8時間+ 100℃× 1時
間を 1サイクルとした繰返し熱処理を伴う試験を実施し
た。その結果、外観上の変化は全く見られず、損傷は起
こらなかった。
When a cross section of the obtained sample was observed by SEM-EDX, an oxide layer made of alumina was formed at the interface between the Al-enriched layer and the Y-stabilized zirconia layer. The hardness of the Y-stabilized zirconia layer was Hv720. Such a sample was subjected to a test involving repeated heat treatment in which one cycle was 1000 ° C. × 8 hours + 100 ° C. × 1 hour. As a result, no change in appearance was observed, and no damage occurred.

【0072】実施例5 Ni基超合金の表面にアルミパック処理を施して平均厚
さ 5μm のAl富化層を形成した後、溶融粉砕粉末(粒
度:10〜44μm)を用いた大気溶射法によって8重量% Y
2 3 安定化ジルコニア層を形成した。この際、Y安定
化ジルコニア層の厚さを40μm とした試料Aと、Y安定
化ジルコニア層の厚さを 200μm とした試料Bをそれぞ
れ作製した。この後、各試料に 0.001気圧の低酸素ポテ
ンシャル雰囲気で1000℃× 5時間の熱処理を施した。
Example 5 An Al-enriched layer having an average thickness of 5 μm was formed by subjecting a surface of a Ni-base superalloy to aluminum pack treatment, and then subjected to an atmospheric spraying method using a melt-pulverized powder (particle size: 10 to 44 μm). 8% by weight Y
A 2 O 3 stabilized zirconia layer was formed. At this time, a sample A in which the thickness of the Y-stabilized zirconia layer was 40 μm and a sample B in which the thickness of the Y-stabilized zirconia layer was 200 μm were prepared. Thereafter, each sample was subjected to a heat treatment at 1000 ° C. for 5 hours in a low oxygen potential atmosphere of 0.001 atm.

【0073】得られた各試料の断面をSEM−EDXで
観察したところ、いずれの試料においてもNiCoCr
AlY層とY安定化ジルコニア層との界面に、主として
アルミナからなる酸化層が形成されていた。また、各試
料のY安定化ジルコニア層の硬度を測定したところ、試
料AはHv 730、試料BはHv 750であった。
When the cross section of each of the obtained samples was observed by SEM-EDX, NiCoCr
An oxide layer mainly composed of alumina was formed at the interface between the AlY layer and the Y-stabilized zirconia layer. When the hardness of the Y-stabilized zirconia layer of each sample was measured, the sample A was Hv 730 and the sample B was Hv 750.

【0074】上述した各試料に対して、1000℃× 8時間
+ 100℃× 1時間を 1サイクルとした繰返し熱処理を伴
う試験を実施した。その結果、本発明の実施例に相当す
る試料Aでは、外観上の変化は全く見られず、損傷は起
こらなかった。またNiCoCrAlY層の内部酸化も
進行しておらず、主としてアルミナからなる酸化層が耐
酸化抑制層として良好に機能していることが確認され
た。一方、比較例としての試料Bでは、40サイクルを超
えた時点でY安定化ジルコニア層の剥離が一部起こり、
Ni基超合金の酸化が起こっていた。
Each of the above-mentioned samples was subjected to a test involving repeated heat treatment in which one cycle consisted of 1000 ° C. × 8 hours + 100 ° C. × 1 hour. As a result, in Sample A corresponding to the example of the present invention, no change in appearance was observed at all, and no damage occurred. In addition, the internal oxidation of the NiCoCrAlY layer did not progress, and it was confirmed that the oxide layer mainly composed of alumina functions well as the oxidation-resistant suppressing layer. On the other hand, in the sample B as a comparative example, the peeling of the Y-stabilized zirconia layer partially occurred at the time exceeding 40 cycles,
Oxidation of the Ni-based superalloy had occurred.

【0075】[0075]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の耐熱部材
によれば、高温雰囲気下で長時間使用しても金属基材の
酸化や腐食などによる劣化を有効に抑制することができ
るため、耐熱部材の信頼性と寿命を格段に向上させるこ
とが可能となる。
As described above, according to the heat-resistant member of the present invention, even if the heat-resistant member is used for a long time in a high-temperature atmosphere, deterioration due to oxidation or corrosion of the metal substrate can be effectively suppressed. The reliability and life of the heat-resistant member can be significantly improved.

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

【図1】 本発明の第1の耐熱部材の一実施形態の構造
を模式的に示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a structure of an embodiment of a first heat-resistant member of the present invention.

【図2】 図1に示す耐熱部材の変形例を示す断面図で
ある。
FIG. 2 is a sectional view showing a modification of the heat-resistant member shown in FIG.

【図3】 図1に示す耐熱部材の製造工程の一例を示す
断面図である。
FIG. 3 is a sectional view showing an example of a manufacturing process of the heat-resistant member shown in FIG.

【図4】 本発明の第2の耐熱部材の一実施形態の構造
を模式的に示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically illustrating a structure of an embodiment of a second heat-resistant member of the present invention.

【図5】 図4に示す耐熱部材の変形例を示す断面図で
ある。
FIG. 5 is a sectional view showing a modification of the heat-resistant member shown in FIG.

【符号の説明】 1……金属基材 2……M−Cr−Al−Y合金層 3……セラミックス層 4……第1のセラミックス層 5……第2のセラミックス層 6……耐熱部材 7……Al富化層[Description of Signs] 1 ... Metal base material 2 ... M-Cr-Al-Y alloy layer 3 ... Ceramic layer 4 ... First ceramic layer 5 ... Second ceramic layer 6 ... Heat resistant member 7 ...... Al-rich layer

フロントページの続き (72)発明者 稲垣 浩貴 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Continued on the front page (72) Inventor Hiroki Inagaki 1 Toshiba-cho, Komukai-Toshiba-cho, Saisaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Inside the R & D Center of Toshiba Corporation

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Ni、CoおよびFeから選ばれる少な
くとも 1種を含む合金からなる金属基材と、 前記金属基材上に被覆形成されたM−Cr−Al−Y合
金層(ただし、MはNi、CoおよびFeから選ばれる
少なくとも 1種の元素を示す)と、 前記M−Cr−Al−Y合金層上に直接もしくはAl富
化層を介して被覆形成された平均厚さ 1〜50μm のセラ
ミックス層とを具備し、 前記セラミックス層は、前記M−Cr−Al−Y合金層
上または前記Al富化層上に生成されたアルミナおよび
クロミアから選ばれる少なくとも 1種から主としてなる
第1のセラミックス層と、前記第1のセラミックス層上
に存在する酸素解離能を有する酸化物系セラミックス
(ただし、アルミナおよびクロミアを除く)からなり、
かつ硬度がビッカース硬度でHv 650以上である第2のセ
ラミックス層とを有することを特徴とする耐熱部材。
1. A metal base made of an alloy containing at least one selected from Ni, Co and Fe, and an M-Cr-Al-Y alloy layer (M is a coating) formed on the metal base. And at least one element selected from the group consisting of Ni, Co and Fe), and an average thickness of 1 to 50 μm, which is formed directly or via an Al-enriched layer on the M-Cr-Al-Y alloy layer. A ceramic layer, wherein the ceramic layer is a first ceramic mainly composed of at least one selected from alumina and chromia formed on the M-Cr-Al-Y alloy layer or the Al-enriched layer. An oxide-based ceramic having oxygen dissociation ability (excluding alumina and chromia) present on the first ceramic layer,
And a second ceramics layer having a Vickers hardness of Hv 650 or more.
【請求項2】 Ni、CoおよびFeから選ばれる少な
くとも 1種を含む合金からなる金属基材と、 前記金属基材上に直接もしくはAl富化層を介して被覆
形成されたセラミックス層とを具備し、 前記セラミックス層は、前記金属基材上または前記Al
富化層上に生成されたアルミナおよびクロミアから選ば
れる少なくとも 1種から主としてなる第1のセラミック
ス層と、前記第1のセラミックス層上に存在する酸素解
離能を有する酸化物系セラミックス(ただし、アルミナ
およびクロミアを除く)からなり、かつ硬度がビッカー
ス硬度でHv 650以上である第2のセラミックス層とを有
することを特徴とする耐熱部材。
2. A metal base made of an alloy containing at least one selected from Ni, Co and Fe, and a ceramic layer formed on the metal base either directly or through an Al-enriched layer. The ceramic layer may be formed on the metal substrate or the Al.
A first ceramics layer mainly composed of at least one selected from alumina and chromia formed on the enriched layer, and an oxide-based ceramic having oxygen dissociation ability present on the first ceramics layer (excluding alumina And a second ceramic layer having a Vickers hardness of Hv 650 or more.
【請求項3】 Ni、CoおよびFeから選ばれる少な
くとも 1種を含む合金からなる金属基材の表面に、M−
Cr−Al−Y合金層(ただし、MはNi、Coおよび
Feから選ばれる少なくとも 1種の元素を示す)を形成
する工程と、 溶融粉砕法で作製した粉末を 50%以上含む溶射原料粉末
を用いて、前記M−Cr−Al−Y合金層上に直接もし
くはAl富化層を介して、溶射法により酸素解離能を有
する酸化物系セラミックス層(ただし、アルミナおよび
クロミアを除く)を形成する工程と、 前記酸化物系セラミックス層が形成された金属基材に低
酸素雰囲気下で熱処理を施し、前記M−Cr−Al−Y
合金層またはAl富化層と前記酸化物系セラミックス層
との間に、アルミナおよびクロミアから選ばれる少なく
とも 1種から主としてなる酸化層を生成する工程とを有
することを特徴とする耐熱部材の製造方法。
3. A metal substrate comprising an alloy containing at least one selected from Ni, Co and Fe,
A step of forming a Cr-Al-Y alloy layer (where M represents at least one element selected from Ni, Co and Fe); and a spraying raw material powder containing at least 50% of a powder produced by a melt-pulverization method. An oxide ceramic layer (excluding alumina and chromia) having oxygen dissociation ability is formed on the M-Cr-Al-Y alloy layer by thermal spraying directly or via an Al-enriched layer. Subjecting the metal substrate on which the oxide-based ceramics layer is formed to a heat treatment in a low oxygen atmosphere, wherein the M-Cr-Al-Y
Producing a oxidized layer mainly composed of at least one selected from alumina and chromia between the alloy layer or the Al-enriched layer and the oxide-based ceramic layer. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015513605A (en) * 2012-01-16 2015-05-14 フラウンホーファーゲゼルシャフトツール フォルデルング デル アンゲヴァンテン フォルシユング エー.フアー. Method for producing a ceramic layer on a surface formed from a Ni-based alloy
KR20170034252A (en) * 2015-09-18 2017-03-28 한국전력공사 Method for forming thermal barrier coating layer and thermal barrier coating layer formed by the same
JP2020536177A (en) * 2017-09-28 2020-12-10 マクステリアル インコーポレイテッド Articles containing surface coatings and methods for producing them
CN112602216A (en) * 2018-09-07 2021-04-02 日本碍子株式会社 Alloy member

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