JPH11264082A - Heat resistant member and production of heat resistant member - Google Patents

Heat resistant member and production of heat resistant member

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JPH11264082A
JPH11264082A JP6707998A JP6707998A JPH11264082A JP H11264082 A JPH11264082 A JP H11264082A JP 6707998 A JP6707998 A JP 6707998A JP 6707998 A JP6707998 A JP 6707998A JP H11264082 A JPH11264082 A JP H11264082A
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JP
Japan
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ceramic layer
oxide
layer
resistant member
heat
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Withdrawn
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JP6707998A
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Japanese (ja)
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Kazuhiro Yasuda
一浩 安田
Seiichi Suenaga
誠一 末永
Kunihiko Wada
国彦 和田
Hirotaka Inagaki
浩貴 稲垣
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/321Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer
    • C23C28/3215Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer at least one MCrAlX layer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C28/345Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
    • C23C28/3455Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer with a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxide, ZrO2, rare earth oxides or a thermal barrier system comprising at least one refractory oxide layer

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress peeling of a ceramic layer for a long time and to contrive a long life of the heat resistant member by increasing a controlling property of a porosity in a ceramic layer in the heat resistant member having the ceramic layer as heat shielding coating, etc. SOLUTION: The heat resistant member is provided with a metallic base material consisting of an alloy consisting essentially of at least one kind selected among Ni, Co and Fe, and a M-Cr-Al-Y alloy layer (M is Ni, Co and Fe) and a ceramic layer coated on the metallic base material in order. In such a case, at least one kind oxide particles 6 selected among WO3 , B2 O3 , Nb2 O3 , Cr2 O3 and NiO are dispersed at an inside of the ceramic layer 3. The oxide particles 6 are removed by heat treating and high temp. environment at practical usage and pores are formed at these parts.

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、セラミックス被覆
層を有する耐熱部材とその製造方法に関する。
The present invention relates to a heat-resistant member having a ceramic coating layer and a method for manufacturing 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
性などが要求されている。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合金
(M:Ni,Coなど)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、ガスタービンの動・静
翼などにおいては必須の技術として既に広く適用されて
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 have become higher-level. Characteristics such as high-temperature strength, high-temperature corrosion resistance and oxidation resistance are required. For this reason, a technique of applying a corrosion-resistant and oxidation-resistant metal coating made of an M-Cr-Al-Y alloy (M: Ni, Co, etc.) to the surface of a high-strength Ni-based or Co-based superalloy has been developed. It has already been widely applied as an indispensable technology in turbine moving and stationary blades.

【0003】また、さらなる高温化の流れの中で、耐食
・耐酸化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、このために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も実用化され
つつある。セラミックス材料の種類としては、高温強
度、熱伝導率、熱膨張率などの特性から、Y2 3 安定
化ZrO2 が最も広く適用されている。
[0003] In the trend of higher temperatures, the corrosion-resistant and oxidation-resistant metal coating alone is already insufficient in material properties, so that a ceramic coating having low thermal conductivity is coated on the surface of the metal coating layer. Thermal barrier coating technology for applying and cooling the inside is also being put to practical use. The types of ceramic materials, high temperature strength, thermal conductivity, the properties such as thermal expansion coefficient, Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 is the most widely applied.

【0004】しかし、金属部材の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、セラミックス被覆層が剥
離しやすいという問題がある。セラミックス層に剥離が
生じると、耐熱部材を高温雰囲気下で連続して長時間使
用することができないため、遮熱コーティング部材の長
寿命化の観点から剥離に強いセラミックス層が望まれて
いる。
[0004] However, when a member in which a thermal barrier coating is applied to the surface of a metal member is used in a high temperature atmosphere, thermal stress is generated due to a difference in thermal expansion coefficient between the metal member and the thermal barrier coating layer (ceramic layer). There is a problem that the ceramic coating layer is easily peeled off. If the ceramic layer is peeled, the heat-resistant member cannot be used continuously for a long time in a high-temperature atmosphere. Therefore, a ceramic layer that is resistant to peeling is desired from the viewpoint of extending the life of the thermal barrier coating member.

【0005】そこで、セラミックス層の剥離を抑制する
ために、セラミックス層内の気孔率を増加させることで
熱応力を緩和する構造が採用されている。気孔率の増加
は熱応力の緩和には効果的であるものの、その反面セラ
ミックス層の強度低下を招いてしまう。このため、セラ
ミックス層の強度の低下を極力抑え、熱応力の緩和性に
富んだ被覆層の作製が望まれている。
[0005] Therefore, in order to suppress the separation of the ceramic layer, a structure is adopted in which the porosity in the ceramic layer is increased to reduce the thermal stress. Although an increase in porosity is effective in relieving thermal stress, it causes a decrease in strength of the ceramic layer. For this reason, it is desired to produce a coating layer that suppresses a decrease in the strength of the ceramic layer as much as possible and has a high thermal stress relaxation property.

【0006】例えば、溶射法でセラミックス層を形成す
る場合、溶射原料粉末の粒径や溶射条件を制御するなど
して、セラミックス層内の気孔率を調整することが試み
られている。しかしながら、現実的には溶射条件の制御
などでは、気孔率を的確に制御することは非常に困難で
ある。このため、最適な気孔率を有するセラミックス層
を再現性よく作製することができず、耐熱部材を長時間
使用するとセラミックス層が剥離してしまうという問題
が生じる。
For example, when a ceramic layer is formed by a thermal spraying method, attempts have been made to adjust the porosity in the ceramic layer by controlling the particle size of the thermal spray raw material powder and the thermal spraying conditions. However, in reality, it is very difficult to precisely control the porosity by controlling the thermal spraying conditions. For this reason, a ceramic layer having an optimal porosity cannot be produced with good reproducibility, and there is a problem that the ceramic layer is peeled off when a heat-resistant member is used for a long time.

【0007】また、安定化ZrO2 層などからなるセラ
ミックス層を溶射法で形成する際に、溶射原料粉末に低
融点のNaClを混合し、溶射法でセラミックス層を形
成した後にNaClを溶融させることによって、セラミ
ックス層内に気孔を形成することが検討されている。し
かしながら、この方法ではZrO2 とNaClとが反応
してセラミックス層の特性劣化要因となったり、またセ
ラミックス層内に残留したNaが金属基材に対して悪影
響を及ぼすなどの問題があり、加えて気孔の制御性につ
いても不十分であることから、現実的な気孔形成方法と
は言えない。
Further, when forming a ceramic layer comprising a stabilized ZrO 2 layer or the like by a thermal spraying method, a low melting point NaCl is mixed with the thermal spraying raw material powder, and the NaCl is melted after the ceramic layer is formed by the thermal spraying method. Thus, formation of pores in a ceramic layer has been studied. However, this method has a problem that ZrO 2 and NaCl react with each other to cause deterioration of characteristics of the ceramic layer, and that Na remaining in the ceramic layer adversely affects the metal base material. Since the controllability of the pores is also insufficient, it cannot be said that this is a realistic method of forming pores.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のセラミックス層を有する耐熱部材では、熱応力による
セラミックス層の剥離を抑制するために、セラミックス
層内の気孔率を増加させる試みがなされているが、例え
ば単に溶射条件の調整だけでは気孔率を的確に制御する
ことは非常に困難である。また、溶射原料にNaClな
どを配合することも検討されているが、このような方法
ではセラミックス層や金属基材に悪影響を及ぼすという
問題が生じる。
As described above, in a conventional heat-resistant member having a ceramic layer, attempts have been made to increase the porosity in the ceramic layer in order to suppress the separation of the ceramic layer due to thermal stress. However, it is very difficult to precisely control the porosity by simply adjusting the thermal spraying conditions, for example. In addition, it has been considered to mix NaCl or the like into the thermal spraying raw material. However, such a method has a problem that the ceramic layer and the metal base material are adversely affected.

【0009】このように、従来の耐熱部材およびその製
造方法においては、最適な気孔率を有するセラミックス
層を再現性よく得ることができず、このため長時間使用
するとセラミックス層が剥離してしまうという問題があ
った。そこで、セラミックス層内の気孔率の制御性を高
め、遮熱コーティングとしてのセラミックス層の耐剥離
性を再現性よく向上させることが強く望まれている。
As described above, in the conventional heat-resistant member and the method of manufacturing the same, a ceramic layer having an optimum porosity cannot be obtained with good reproducibility. There was a problem. Therefore, it is strongly desired to improve the controllability of the porosity in the ceramic layer and to improve the releasability of the ceramic layer as a thermal barrier coating with good reproducibility.

【0010】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、セラミックス層内の気孔率の制御性を
高めることによって、長時間にわたってセラミックス層
の剥離を抑制することを可能にし、これにより長寿命化
を達成した耐熱部材および耐熱部材の製造方法を提供す
ることを目的としている。
The present invention has been made to address such a problem, and it has been made possible to suppress the peeling of the ceramic layer for a long time by improving the controllability of the porosity in the ceramic layer. It is an object of the present invention to provide a heat-resistant member having a longer life and a method of manufacturing the heat-resistant member.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の耐熱部材は、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種の元素を主成分とする合金からな
る金属基材と、前記金属基材上に被覆形成されたM−C
r−Al−Y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)と、前記
M−Cr−Al−Y合金層上に設けられたセラミックス
層とを具備する耐熱部材において、前記セラミックス層
の内部に、酸化タングステン、酸化硼素、酸化ニオブ、
酸化クロムおよび酸化ニッケルから選ばれる少なくとも
1種の酸化物粒子が分散していることを特徴としてい
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a heat-resistant member comprising a metal substrate made of an alloy containing at least one element selected from Ni, Co and Fe as a main component. , MC coated on the metal substrate
r-Al-Y alloy layer (where M is Ni, Co and F
e), and a ceramic layer provided on the M-Cr-Al-Y alloy layer, wherein a tungsten oxide, an oxide, Boron, niobium oxide,
At least one selected from chromium oxide and nickel oxide
It is characterized in that one kind of oxide particles is dispersed.

【0012】また、本発明の耐熱部材の製造方法は、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種の元素を主成分とする合金からな
る金属基材と、前記金属基材上に被覆形成されたM−C
r−Al−Y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)と、前記
M−Cr−Al−Y合金層上に被覆形成されたセラミッ
クス層とを具備する耐熱部材を製造するにあたり、前記
セラミックス層を主として構成するマトリックス材料
と、酸化タングステン、酸化硼素、酸化ニオブ、酸化ク
ロムおよび酸化ニッケルから選ばれる少なくとも 1種の
酸化物とを含有する原料を用いて、前記M−Cr−Al
−Y合金層上に前記セラミックス層を被覆形成する工程
と、前記酸化物が昇華する温度で前記セラミックス層に
熱処理を施し、前記セラミックス層の内部に気孔を形成
する工程とを有することを特徴としている。
Further, according to a second aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a heat-resistant member, comprising: a metal base comprising an alloy mainly containing at least one element selected from Ni, Co and Fe; MC coated on the metal substrate
r-Al-Y alloy layer (where M is Ni, Co and F
e) and a ceramic layer coated on the M-Cr-Al-Y alloy layer to produce a heat-resistant member comprising the ceramic layer. The above-described M-Cr-Al is obtained by using a raw material containing a matrix material and at least one oxide selected from tungsten oxide, boron oxide, niobium oxide, chromium oxide and nickel oxide.
A step of forming the ceramic layer on the -Y alloy layer, and a step of performing a heat treatment on the ceramic layer at a temperature at which the oxide sublimates to form pores inside the ceramic layer. I have.

【0013】本発明の耐熱部材においては、高温で昇華
性の高い酸化物、すなわちW、B、Nb、CrおよびN
iから選ばれる少なくとも 1種の元素を含む酸化物をセ
ラミックス層内に分散させている。このようなセラミッ
クス層に対して、本発明の耐熱部材の製造方法で示す熱
処理工程を施したり、あるいは実使用時の高温環境に晒
すなどによって、昇華性が高い酸化物を除去して、セラ
ミックス層内部に気孔を形成することができる。このよ
うな気孔はセラミックス層内に分散させる酸化物粒子の
形状、大きさ、量などにより制御することができる。従
って、セラミックス層内部の任意の場所に、所望形状お
よび所望量の気孔を再現性よく分散させることが可能と
なる。さらに、気孔を形成する酸化物は昇華により除去
させるため、セラミックス層や金属基材に対して悪影響
を及ぼすこともない。
In the heat-resistant member of the present invention, oxides having high sublimability at high temperatures, ie, W, B, Nb, Cr and N
An oxide containing at least one element selected from i is dispersed in the ceramic layer. Such a ceramic layer is subjected to a heat treatment step shown in the method for manufacturing a heat-resistant member of the present invention, or is exposed to a high-temperature environment during actual use, thereby removing oxides having a high sublimation property and removing the ceramic layer. Pores can be formed inside. Such pores can be controlled by the shape, size, amount, etc. of the oxide particles dispersed in the ceramic layer. Therefore, a desired shape and a desired amount of pores can be dispersed with good reproducibility at an arbitrary position inside the ceramic layer. Further, since the oxide forming the pores is removed by sublimation, there is no adverse effect on the ceramic layer and the metal substrate.

【0014】[0014]

【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.

【0015】図1は、本発明の耐熱部材の一実施形態の
概略構造を示す断面図である。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、Co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、IN7
38、IN738LC、IN939、Mar−M24
7、RENE80、CM−247、CMSX−2、CM
SX−4などのNi基超合金や、FSX−414、Ma
r−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 showing a schematic structure of one embodiment of the heat-resistant member of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a metal substrate, and the metal substrate 1 includes an alloy mainly containing at least one selected from Ni, Co and Fe. An alloy can be appropriately selected and used. Practically, IN7
38, IN738LC, IN939, Mar-M24
7, RENE80, CM-247, CMSX-2, CM
Ni-based superalloys such as SX-4, FSX-414, Ma
It is effective to use a Co-based superalloy such as r-M509.

【0016】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.

【0017】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.

【0018】上述したM−Cr−Al−Y合金層2上に
は、例えば遮熱コーティングとしてセラミックス層3が
被覆形成されており、これらによって高温機器の構成材
料などとして使用される耐熱部材4が構成されている。
セラミックス層3は耐熱部材4の使用用途によっても異
なるが、膜厚として50〜 500μm 程度被覆することが好
ましい。また、セラミックス層3はプラズマ溶射法、H
VOF法などの溶射法、PVD法、CVD法、スピンコ
ーティング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、実用的にはプラズマ溶射法が最も有効であ
る。
A ceramic layer 3 is formed on the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 as a thermal barrier coating, for example, so that a heat-resistant member 4 used as a constituent material of high-temperature equipment is formed. It is configured.
The thickness of the ceramic layer 3 is preferably about 50 to 500 μm, although it depends on the intended use of the heat-resistant member 4. The ceramic layer 3 is formed by plasma spraying, H
Although it can be formed by various film forming methods such as a thermal spraying method such as a VOF method, a PVD method, a CVD method, and a spin coating method, a plasma spraying method is most effective for practical use.

【0019】セラミックス層3の構成材料としては、金
属基材1との熱膨張率差により生じる熱応力を緩和する
ために、熱膨張率の大きい酸化ジルコニウム、酸化ハフ
ニウム、酸化チタンなどの4A族金属の酸化物や酸化セ
リウム(CeO2 )のような希土類酸化物を用いること
が望ましい。特に、ZrO2 に代表される4A族金属の
酸化物を主成分とし、これに酸化イットリウム、酸化セ
リウムなどの希土類酸化物やアルカリ土類酸化物を添加
したものが好ましく用いられる。
The constituent material of the ceramic layer 3 is a group 4A metal such as zirconium oxide, hafnium oxide, or titanium oxide having a large coefficient of thermal expansion in order to reduce thermal stress caused by a difference in coefficient of thermal expansion from the metal substrate 1. It is preferable to use a rare earth oxide such as an oxide of cerium or cerium oxide (CeO 2 ). In particular, an oxide containing a group 4A metal oxide represented by ZrO 2 as a main component and a rare earth oxide such as yttrium oxide or cerium oxide or an alkaline earth oxide added thereto is preferably used.

【0020】酸化ジルコニウム(ZrO2 )において
は、熱履歴によって生じる相転移を抑制するために、希
土類酸化物やアルカリ土類酸化物などの安定化剤を添加
して、主として正方晶または立方晶で構成された部分安
定化ジルコニアや安定化ジルコニアを用いることが好ま
しい。また一方で、 1〜 30%程度の単斜晶ジルコニアが
セラミックス層3内部に分布していると、微小クラック
を層内に形成することができるため、熱応力緩和の観点
からは好ましいということができる。さらに、この単斜
晶ジルコニアは安定化剤が固溶している方が、耐化学的
安定性の面から好ましい。
In zirconium oxide (ZrO 2 ), a stabilizer such as a rare earth oxide or an alkaline earth oxide is added in order to suppress a phase transition caused by a thermal history. It is preferable to use the configured partially stabilized zirconia or stabilized zirconia. On the other hand, if about 1 to 30% of monoclinic zirconia is distributed inside the ceramic layer 3, fine cracks can be formed in the layer, which is preferable from the viewpoint of thermal stress relaxation. it can. Further, it is preferable that the monoclinic zirconia have a stabilizer in solid solution from the viewpoint of chemical stability.

【0021】そして、上述したセラミックス層3は図2
に示すように、セラミックス層3を構成するマトリック
ス粒子5の粒子内や粒子間に分散配置された、酸化タン
グステン(WO3 )、酸化硼素(B2 3 )、酸化ニオ
ブ(Nb2 3 )、酸化クロム(Cr2 3 )および酸
化ニッケル(NiO)から選ばれる少なくとも 1種の酸
化物粒子6を有している。ここで、図2は溶射法で形成
したセラミックス層3を示しており、マトリックス粒子
5は溶射凝固粒子(溶融凝固粒子)である。
The above ceramic layer 3 is shown in FIG.
As shown in FIG. 5, tungsten oxide (WO 3 ), boron oxide (B 2 O 3 ), and niobium oxide (Nb 2 O 3 ) are dispersed and arranged in the matrix particles 5 constituting the ceramic layer 3 and between the particles. And at least one oxide particle 6 selected from chromium oxide (Cr 2 O 3 ) and nickel oxide (NiO). Here, FIG. 2 shows the ceramic layer 3 formed by the thermal spraying method, and the matrix particles 5 are thermal spray solidified particles (melt solidified particles).

【0022】このような溶射凝固粒子5の粒子内や粒子
間に、高温で昇華性の高い酸化物粒子としてWO3 、B
2 3 、Nb2 3 、Cr2 3 およびNiOから選ば
れる少なくとも 1種の酸化物粒子6が分散配置されてい
る。図2は実使用前の状態もしくは後述する熱処理前の
状態を示している。このようなセラミックス層3に対し
て実使用前に熱処理を施したり、あるいはセラミックス
層3が実使用時に高温環境に晒されることによって、昇
華性の高い酸化物粒子6は除去され、図3に示すよう
に、酸化物粒子6が存在していた位置に気孔7が形成さ
れる。ここで、図3はセラミックス層3に対して実使用
前に熱処理を施した状態、あるいは耐熱部材4が実使用
に供された後の状態を示している。
WO 3 and B are used as oxide particles having high sublimability at high temperature within or between the particles of the spray-solidified particles 5.
At least one kind of oxide particles 6 selected from 2 O 3 , Nb 2 O 3 , Cr 2 O 3 and NiO is dispersed. FIG. 2 shows a state before actual use or a state before heat treatment to be described later. By subjecting such a ceramic layer 3 to heat treatment before actual use, or by exposing the ceramic layer 3 to a high-temperature environment during actual use, oxide particles 6 having a high sublimation property are removed, and as shown in FIG. Thus, pores 7 are formed at positions where oxide particles 6 existed. Here, FIG. 3 shows a state in which a heat treatment is performed on the ceramic layer 3 before actual use, or a state after the heat-resistant member 4 is actually used.

【0023】上述したように、セラミックス層3内に昇
華性の高い酸化物粒子6を分散配置し、実使用前の熱処
理もしくは実使用時に晒される高温環境により酸化物粒
子6を除去することによって、酸化物粒子6の形状、分
散位置、分散量などに基づいた気孔7が得られる。この
ように、本発明ではセラミックス層3内に存在させる気
孔7の形状、量、分布の制御手段として、高温で昇華す
る酸化物粒子6を使用している。従って、セラミックス
層3内に配置する酸化物粒子6の形状、分散位置、分散
量などを制御することによって、所望量および所望形状
の気孔7を所望の位置に分散させることができ、最適な
気孔率を有するセラミックス層3を再現性よく得ること
が可能となる。すなわち、セラミックス層3の熱応力に
基づく剥離を安定して抑制することができる。さらに、
気孔7を形成する酸化物粒子6は昇華させて除去するた
め、セラミックス層3や金属基材1に対して悪影響を及
ぼすこともない。
As described above, the oxide particles 6 having high sublimability are dispersed and arranged in the ceramics layer 3 and the oxide particles 6 are removed by heat treatment before actual use or by a high-temperature environment exposed during actual use. Pores 7 are obtained based on the shape, dispersion position, dispersion amount and the like of the oxide particles 6. As described above, in the present invention, the oxide particles 6 that sublime at a high temperature are used as means for controlling the shape, amount, and distribution of the pores 7 existing in the ceramic layer 3. Therefore, by controlling the shape, the dispersing position, the dispersing amount, etc. of the oxide particles 6 arranged in the ceramic layer 3, the pores 7 having a desired amount and a desired shape can be dispersed at a desired position, and the optimal pores can be dispersed. It is possible to obtain the ceramic layer 3 having a good reproducibility. That is, peeling of the ceramic layer 3 due to thermal stress can be suppressed stably. further,
Since the oxide particles 6 that form the pores 7 are sublimated and removed, the oxide particles 6 do not adversely affect the ceramic layer 3 and the metal substrate 1.

【0024】気孔7の形成位置は、昇華性の高い酸化物
粒子6の分散位置に依存する。このような酸化物粒子6
の分散位置は、マトリックス粒子(溶射凝固粒子など)
5の粒子内であってもよいし、また粒子間であってもよ
いが、例えば溶射法で形成したセラミックス層3の場
合、より良好な熱応力緩和効果を得るために、溶射凝固
粒子5に見られるラメラ組織と呼ばれる扁平粒子の粒子
間に存在させることが好ましい。言い換えると、溶射凝
固粒子5の粒子間に気孔7を存在させることによって、
より良好な熱応力緩和効果が得られる。
The formation position of the pores 7 depends on the dispersion position of the oxide particles 6 having high sublimability. Such oxide particles 6
The dispersion position of the matrix particles (spray solidified particles, etc.)
For example, in the case of the ceramic layer 3 formed by a thermal spraying method, in order to obtain a better thermal stress relaxation effect, the thermal spray solidified particles 5 It is preferred to be present between particles of flat particles called lamellar structures that can be seen. In other words, by having the pores 7 between the particles of the spray-solidified particles 5,
A better thermal stress relaxation effect is obtained.

【0025】このような酸化物粒子6の分散位置は、例
えばセラミックス層3を溶射法で形成する場合、溶射原
料の形態に応じて制御することができる。例えば、セラ
ミックス層3を構成するマトリックス粉末と昇華性の高
い酸化物粉末との混合粉末を溶射原料粉末として用いる
ことによって、溶射凝固粒子5の粒子間に酸化物粒子
6、さらには気孔7を存在させることができる。また、
昇華性の高い酸化物を予めマトリックス粒子内部に存在
させた粉末を溶射原料粉末として用いることによって、
溶射凝固粒子5の粒子内に酸化物粒子6、さらには気孔
7を形成することができる。
The dispersion position of the oxide particles 6 can be controlled according to the form of the thermal spray raw material when the ceramics layer 3 is formed by thermal spraying, for example. For example, by using a mixed powder of a matrix powder constituting the ceramic layer 3 and an oxide powder having a high sublimability as a spraying raw material powder, the oxide particles 6 and the pores 7 are present between the particles of the spray-solidified particles 5. Can be done. Also,
By using a powder in which a highly sublimable oxide was previously present inside the matrix particles as a spraying raw material powder,
The oxide particles 6 and further the pores 7 can be formed in the particles of the thermal spray solidified particles 5.

【0026】また、気孔7の大きさは、昇華性の高い酸
化物粒子6の粒子径に依存する。このような酸化物粒子
6の粒子径は 0.1〜 200μm の範囲とすることが好まし
い。酸化物粒子6の粒子径が 0.1μm 未満であると、セ
ラミックス層3の被覆形成時にその内部に酸化物粒子6
を良好に分散させることができないおそれがある。一
方、酸化物粒子6の粒子径が 200μm を超えると、熱処
理後もしくは実使用後に形成される気孔7の大きさが大
きくなりすぎ、セラミックス層3の機械的強度の低下を
招いたり、気孔7そのものが剥離亀裂の起点になるおそ
れがある。酸化物粒子6の粒子径は 0.1〜 150μm の範
囲とすることがさらに好ましい。
The size of the pores 7 depends on the particle diameter of the oxide particles 6 having high sublimability. The particle diameter of such oxide particles 6 is preferably in the range of 0.1 to 200 μm. If the particle size of the oxide particles 6 is less than 0.1 μm, the oxide particles 6
May not be satisfactorily dispersed. On the other hand, if the particle diameter of the oxide particles 6 exceeds 200 μm, the size of the pores 7 formed after the heat treatment or after actual use becomes too large, causing a decrease in the mechanical strength of the ceramic layer 3 or the pores 7 themselves. May be a starting point of a peeling crack. More preferably, the particle diameter of the oxide particles 6 is in the range of 0.1 to 150 μm.

【0027】さらに、気孔7の量はほぼ昇華性の高い酸
化物粒子6の分散量に依存し、酸化物粒子6の分散量に
応じて任意に制御することができ、さらに気孔7の分布
に関しても酸化物粒子6の当初の分布に応じて任意に制
御することがでる。このような酸化物粒子6の分散量
は、セラミックス層3全体として体積比で10〜 50%の範
囲とすることが好ましく、また耐熱部材4をガスタービ
ンなどに使用する場合の分散量は10〜 30%の範囲とする
ことが望ましい。
Further, the amount of the pores 7 substantially depends on the amount of dispersion of the oxide particles 6 having high sublimability, and can be arbitrarily controlled according to the amount of dispersion of the oxide particles 6. Can also be arbitrarily controlled according to the initial distribution of the oxide particles 6. The dispersion amount of such oxide particles 6 is preferably in the range of 10 to 50% in volume ratio as a whole of the ceramic layer 3, and the dispersion amount when the heat-resistant member 4 is used for a gas turbine or the like is 10 to 50%. It is desirable to set the range to 30%.

【0028】酸化物粒子6の量がセラミックス層3に対
して10体積% 未満であると、結果的に気孔7の量が不十
分となり、セラミックス層3に熱応力緩和効果を十分に
付与することができないおそれがある。一方、酸化物粒
子6の量がセラミックス層3に対して50体積% を超える
と、セラミックス層3の強度低下などを招くおそれがあ
る。このような量の酸化物粒子6を有するセラミックス
層3によれば、熱処理もしくは実使用時の高温環境によ
り、体積比で10〜 50%(より好ましくは10〜30%)の範囲
の気孔7が得られる。
When the amount of the oxide particles 6 is less than 10% by volume with respect to the ceramic layer 3, the amount of the pores 7 becomes insufficient, and the ceramic layer 3 is sufficiently provided with a thermal stress relaxation effect. May not be possible. On the other hand, if the amount of the oxide particles 6 exceeds 50% by volume with respect to the ceramic layer 3, the strength of the ceramic layer 3 may be reduced. According to the ceramic layer 3 having such an amount of the oxide particles 6, the pores 7 having a volume ratio in the range of 10 to 50% (more preferably 10 to 30%) are formed due to the heat treatment or the high temperature environment during actual use. can get.

【0029】ここで、セラミックス層3内の気孔7の適
切な分布は、例えば耐剥離寿命および耐エロージョン特
性のいずれを主眼とするかによって異なる。例えば、セ
ラミックス層3の剥離を抑制するためには、 (A)セラミ
ックス層3全体の気孔率を十分に大きくして熱応力の緩
和性を高めた構造、 (B)熱応力が集中する金属部材との
界面近傍部分を強化し、残部を熱応力の緩和性が高い構
造などとすることが好ましい。すなわち、前者(A) では
セラミックス層3内に気孔を適性量均一に分布させるこ
とで、また後者(B) では金属部材との界面から表面に向
かって、セラミックス層3内部の気孔が増加するような
構造とすることで、耐剥離性に優れたセラミックス層3
が得られる。
Here, an appropriate distribution of the pores 7 in the ceramic layer 3 differs depending on, for example, which one of the principal is the peeling resistance and the erosion resistance. For example, in order to suppress the peeling of the ceramic layer 3, (A) a structure in which the porosity of the entire ceramic layer 3 is sufficiently increased to enhance thermal stress relaxation, and (B) a metal member where the thermal stress is concentrated. It is preferable to strengthen the portion near the interface with, and make the remaining portion a structure having high thermal stress relaxation. That is, in the former (A), pores are uniformly distributed in the ceramic layer 3 in an appropriate amount, and in the latter (B), pores inside the ceramic layer 3 increase from the interface with the metal member toward the surface. Ceramic layer 3 with excellent peeling resistance
Is obtained.

【0030】上記した (A)の構造のように、例えば単一
の溶射条件でセラミックス層3を被覆形成する場合、セ
ラミックス層3の硬度はビッカース硬度で 650Hv(荷重
200gf 、30秒)以下とすることが好ましく、このような
場合に特に熱応力緩和性に優れたセラミックス層3が得
られる。
For example, when the ceramic layer 3 is formed under a single thermal spraying condition as in the structure (A), the ceramic layer 3 has a Vickers hardness of 650 Hv (load
(200 gf, 30 seconds) or less. In such a case, the ceramic layer 3 having particularly excellent thermal stress relaxation properties can be obtained.

【0031】また、上記した (B)の構造のように、セラ
ミックス層3の応力が集中する部分を強化する目的で、
金属部材近傍のセラミックス層3の気孔率を小さくし、
表面近傍部分の気孔率を多くする場合には、M−Cr−
Al−Y合金層2との界面から 200μm 程度の範囲を、
ビッカース硬度で 650Hv(荷重200gf 、30秒)以上とす
ることが好ましく、これにより亀裂の発生自体を抑える
ことができる。セラミックス層3の膜厚を 200μm 以上
とする場合には、残部をビッカース硬度が 650Hv(荷重
200gf 、30秒)未満で、かつ気孔率の高い熱応力緩和性
に優れた層とすることが好ましい。このような多層化構
造によれば、亀裂の発生および亀裂の進展をそれぞれ抑
制することができ、セラミックス層3の耐剥離性を向上
させることが可能となる。
In order to reinforce the portion of the ceramic layer 3 where the stress is concentrated, as in the structure (B) described above,
The porosity of the ceramic layer 3 near the metal member is reduced,
To increase the porosity near the surface, use M-Cr-
The range of about 200 μm from the interface with the Al—Y alloy layer 2 is
The Vickers hardness is preferably 650 Hv (load: 200 gf, 30 seconds) or more, which can suppress the occurrence of cracks. When the thickness of the ceramic layer 3 is 200 μm or more, the remaining portion has a Vickers hardness of 650 Hv (load
(200 gf, 30 seconds) or less, and a layer having high porosity and excellent thermal stress relaxation. According to such a multilayer structure, generation of a crack and propagation of the crack can be suppressed, and the peeling resistance of the ceramic layer 3 can be improved.

【0032】また一方で、耐エロージョン特性を向上さ
せる目的で、セラミックス層3の表面から50μm 程度の
範囲を気孔率が小さい構造とすることもできる。
On the other hand, for the purpose of improving the erosion resistance, a structure having a small porosity can be formed in a range of about 50 μm from the surface of the ceramic layer 3.

【0033】次に、上述したセラミックス層3の形成方
法について説明する。なお、ここでは溶射法でセラミッ
クス層3の形成する場合について主として述べるが、セ
ラミックス層3は溶射法以外にも、EB−PVD法、C
VD法などの他の成膜法によっても形成することがで
き、この場合には選択した成膜方法に応じて各種条件を
設定するものとする。
Next, a method for forming the above-mentioned ceramic layer 3 will be described. Here, the case where the ceramics layer 3 is formed by the thermal spraying method will be mainly described, but the ceramics layer 3 may be formed by the EB-PVD method or the C
It can also be formed by another film formation method such as a VD method, and in this case, various conditions are set according to the selected film formation method.

【0034】まず、セラミックス層3のマトリックス材
料と、高温で昇華性の高い酸化物としてWO3 、B2
3 、Nb2 3 、Cr2 3 およびNiOから選ばれる
少なくとも 1種の酸化物とを含む溶射原料粉末を調整す
る。この際、セラミックス層3のマトリックス材料と高
温で昇華性の高い酸化物とは、 (1)これらの各粉末を混
合する、 (2)高温で昇華性の高い酸化物を、マトリック
スを構成するセラミックス粒子内部に分散させる、など
により混合することができる。
First, the matrix material of the ceramic layer 3 and WO 3 , B 2 O
3 , a thermal spray raw material powder containing at least one oxide selected from Nb 2 O 3 , Cr 2 O 3 and NiO is prepared. At this time, the matrix material of the ceramic layer 3 and the oxide having high sublimability at high temperature include (1) mixing these powders, and (2) the oxide having high sublimability at high temperature is mixed with the ceramic constituting the matrix. It can be mixed by dispersing inside the particles.

【0035】前述したように、上記した (1)の粉末によ
れば溶射凝固粒子5の粒子間に酸化物粒子6、さらには
気孔7を存在させることでき、 (2)の粉末によれば溶射
凝固粒子5の粒子内に酸化物粒子6、さらには気孔7を
存在させることできる。
As described above, according to the powder (1), the oxide particles 6 and the pores 7 can be present between the particles of the spray-solidified particles 5. According to the powder (2), the thermal spray The oxide particles 6 and further the pores 7 can be present in the solidified particles 5.

【0036】次に、上述したような溶射原料粉末を用い
て、金属基材1上に形成されたM−Cr−Al−Y合金
層2上に、例えばプラズマ溶射法によりセラミックス層
3を形成する。なお、複数の溶射ガンを用いて、それぞ
れの溶射ガンから各原料粉末(マトリックス粒子と酸化
物粒子の各原料粉末)を溶射してセラミックス層3を形
成することも可能である。
Next, the ceramic layer 3 is formed on the M-Cr-Al-Y alloy layer 2 formed on the metal substrate 1 by using, for example, the plasma spraying method by using the above-mentioned spraying raw material powder. . In addition, it is also possible to form the ceramic layer 3 by spraying each raw material powder (each raw material powder of matrix particles and oxide particles) from each of the plurality of thermal spray guns.

【0037】このようにして形成したセラミックス層3
は、図2に示したように、溶射凝固粒子5の粒子間や粒
子内に分散配置された酸化物粒子6を有する。酸化物粒
子6の形状、大きさ、分散位置、分散量などは、前述し
たように、目的とする気孔7に応じて適宜設定するもの
とする。
The ceramic layer 3 thus formed
Has oxide particles 6 dispersed and arranged between the particles of the spray-solidified particles 5 and in the particles, as shown in FIG. As described above, the shape, size, dispersion position, dispersion amount, and the like of the oxide particles 6 are appropriately set according to the target pores 7.

【0038】セラミックス層3内部に予め気孔7を予め
形成しておく場合には、上記したようなセラミックス層
3に対して以下に示すような熱処理を施す。また、本発
明の耐熱部材4は、セラミックス層3内部に酸化物粒子
6が分散配置された状態で実使用に供することもでき
る。この場合には、耐熱部材4の実使用時の高温環境に
より酸化物粒子6が昇華して、所望の気孔7が形成され
る。
When the pores 7 are previously formed in the ceramic layer 3, the above-mentioned ceramic layer 3 is subjected to the following heat treatment. Further, the heat-resistant member 4 of the present invention can be used for practical use in a state where the oxide particles 6 are dispersed and arranged inside the ceramic layer 3. In this case, the oxide particles 6 are sublimated by the high-temperature environment during actual use of the heat-resistant member 4, and desired pores 7 are formed.

【0039】セラミックス層3に対して予め施す熱処理
は、酸化物粒子6が昇華する温度、例えば 500〜1400℃
の範囲の温度で実施する。熱処理時の雰囲気は大気中で
もよいが、金属基材1などの劣化を考慮して不活性雰囲
気中、もしくは真空雰囲気中で行ってもよい。なお、こ
のような熱処理温度であれば、Ni基超合金やCo基超
合金などからなる金属基材1に悪影響を及ぼすこともな
い。熱処理温度は酸化物粒子6の種類応じて設定するこ
とが好ましい。
The heat treatment applied to the ceramic layer 3 in advance is performed at a temperature at which the oxide particles 6 sublime, for example, 500 to 1400 ° C.
It is carried out at a temperature in the range of The heat treatment may be performed in the atmosphere, but may be performed in an inert atmosphere or a vacuum atmosphere in consideration of the deterioration of the metal substrate 1 and the like. At such a heat treatment temperature, there is no adverse effect on the metal substrate 1 made of a Ni-based superalloy, a Co-based superalloy, or the like. The heat treatment temperature is preferably set according to the type of the oxide particles 6.

【0040】上記したような熱処理をセラミックス層3
に対して施すと、セラミックス層3の内部に分散してい
る酸化物粒子6は昇華して除去され、図3に示したよう
に、酸化物粒子6が存在していた位置に形成された気孔
7を有するセラミックス層3が得られる。このようにし
て得られる気孔7は、酸化物粒子6の形状、大きさ、分
散位置、分散量などにより制御することができるため、
所望量の気孔7を所望位置に所望の大きさで再現性よく
形成することが可能となる。従って、熱応力緩和性に優
れたセラミックス層3を再現性よく得ることができ、耐
熱部材4の長寿命化を達成することが可能となる。
The heat treatment as described above is applied to the ceramic layer 3.
In this case, the oxide particles 6 dispersed in the ceramic layer 3 are removed by sublimation, and the pores formed at the positions where the oxide particles 6 were present as shown in FIG. 7 is obtained. The pores 7 thus obtained can be controlled by the shape, size, dispersion position, dispersion amount, and the like of the oxide particles 6.
A desired amount of pores 7 can be formed at a desired position in a desired size with a good reproducibility. Therefore, the ceramic layer 3 having excellent thermal stress relaxation can be obtained with good reproducibility, and the life of the heat-resistant member 4 can be extended.

【0041】[0041]

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例およびその評
価結果について説明する。
EXAMPLES Next, specific examples of the present invention and evaluation results thereof will be described.

【0042】実施例1 Ni基超耐熱合金CM−247からなる丸棒の表面に、
プラズマ溶射法により厚さ約 150μm のNiCoCrA
lY層を形成した後、さらに 8重量% Y2 3安定化Z
rO2 粉末(溶融粉砕粉末、粒度:10〜44μm)に20重量
% のWO3 粉末(粒度: 1〜80μm)を混合した粉末を溶
射原料粉末として用いて、厚さ 250μmのセラミックス
層を被覆形成した。得られたセラミックス層のSEM観
察および反射電子像観察を実施したところ、セラミック
ス層の内部にWO3 粒子が分散していることが確認され
た。
Example 1 On the surface of a round bar made of a Ni-base super heat-resistant alloy CM-247,
NiCoCrA about 150μm thick by plasma spraying
After forming the 1Y layer, an additional 8% by weight of Y 2 O 3 stabilized Z
20 weight per rO 2 powder (melt pulverized powder, particle size: 10-44 μm)
% Of WO 3 powder (particle size: 1 to 80 μm) was mixed as a raw material powder for thermal spraying to form a ceramic layer having a thickness of 250 μm. When an SEM observation and a backscattered electron image observation of the obtained ceramics layer were performed, it was confirmed that WO 3 particles were dispersed inside the ceramics layer.

【0043】次に、上記セラミックス層を形成した試料
を 800℃で 2時間、引き続いて1000℃で16時間の条件で
熱処理した。熱処理後のセラミックス層をSEMで組織
観察したところ、セラミックス層の内部にWO3 粒子は
認められず、溶射凝固粒子間に気孔が形成されているこ
とが確認された。気孔の体積比は約 25%であった。この
ようにして得た試料を後述する特性評価に供した。
Next, the sample on which the ceramic layer was formed was heat-treated at 800 ° C. for 2 hours and subsequently at 1000 ° C. for 16 hours. When the structure of the ceramic layer after the heat treatment was observed by SEM, no WO 3 particles were found inside the ceramic layer, and it was confirmed that pores were formed between the spray-solidified particles. The pore volume ratio was about 25%. The sample thus obtained was subjected to the characteristic evaluation described later.

【0044】実施例2 Ni基超耐熱合金CMSX−2からなる丸棒の表面に、
プラズマ溶射法により厚さ約 140μm のNiCoCrA
lY層を形成した後、さらに 8重量% Y2 3安定化Z
rO2 粉末(溶融粉砕粉末、粒度:10〜44μm)に30重量
% のNiO粉末(粒度: 1〜40μm)を混合した粉末を溶
射原料粉末として用いて、厚さ 250μmのセラミックス
層を被覆形成した。得られたセラミックス層のSEM観
察を実施したところ、セラミックス層の内部にNiO粒
子が分散していることが確認された。
Example 2 The surface of a round bar made of a Ni-base superalloy CMSX-2 was
NiCoCrA about 140μm thick by plasma spraying
After forming the 1Y layer, an additional 8% by weight of Y 2 O 3 stabilized Z
30 weight to rO 2 powder (melt pulverized powder, particle size: 10-44 μm)
% Of NiO powder (particle size: 1 to 40 μm) was mixed and used as a thermal spraying raw material powder to form a ceramic layer having a thickness of 250 μm. SEM observation of the obtained ceramics layer confirmed that NiO particles were dispersed inside the ceramics layer.

【0045】次に、上記セラミックス層を形成した試料
を 800℃で 3時間、引き続いて1000℃で16時間の条件で
熱処理した。熱処理後のセラミックス層をSEMで組織
観察したところ、セラミックス層の内部にNiO粒子は
認められず、溶射凝固粒子間に気孔が形成されているこ
とが確認された。気孔の体積比は約 20%であった。この
ようにして得た試料を後述する特性評価に供した。
Next, the sample on which the ceramic layer was formed was heat-treated at 800 ° C. for 3 hours and subsequently at 1000 ° C. for 16 hours. When the structure of the ceramic layer after the heat treatment was observed with a SEM, no NiO particles were observed inside the ceramic layer, and it was confirmed that pores were formed between the spray-solidified particles. The pore volume ratio was about 20%. The sample thus obtained was subjected to the characteristic evaluation described later.

【0046】実施例3 Ni基超耐熱合金CMSX−2からなる丸棒の表面に、
プラズマ溶射法により厚さ約 140μm のNiCoCrA
lY層を形成した後、まず 8重量% Y2 3 安定化Zr
2 粉末(溶融粉砕粉末、粒度:10〜44μm)を溶射原料
粉末として用いて、セラミックス層を 150μm の厚さで
被覆形成した。さらに、同組成のY2 3 安定化ZrO
2 粉末に20重量% のWO3 粉末(粒度: 1〜 100μm)を
混合した粉末を溶射原料粉末として、セラミックス層を
100μm の厚さで被覆形成した。得られたセラミックス
層のSEM観察を実施したところ、セラミックス層の表
面側にはWO3 粒子が分散していることが確認された。
Example 3 A round bar made of a Ni-base superalloy CMSX-2 was
NiCoCrA about 140μm thick by plasma spraying
After forming the 1Y layer, first, 8 wt% Y 2 O 3 stabilized Zr
O 2 powder (fused and crushed powder, particle size: 10~44μm) the use as a thermal spraying material powder was formed by coating a ceramic layer with a thickness of 150 [mu] m. Further, the same composition of Y 2 O 3 stabilized ZrO
2 A powder obtained by mixing 20% by weight of WO 3 powder (particle size: 1 to 100 μm) with
A coating was formed with a thickness of 100 μm. SEM observation of the obtained ceramics layer confirmed that WO 3 particles were dispersed on the surface side of the ceramics layer.

【0047】次に、上記 2層構造のセラミックス層を形
成した試料を 800℃で 3時間、引き続いて1000℃で16時
間の条件で熱処理した。熱処理後のセラミックス層をS
EMで組織観察したところ、セラミックス層の内部にW
3 粒子は認められず、溶射凝固粒子間に気孔が形成さ
れていることが確認された。気孔の体積比は全体で約20
%であった。このようにして得た試料を後述する特性評
価に供した。
Next, the sample on which the ceramic layer having the two-layer structure was formed was heat-treated at 800 ° C. for 3 hours and subsequently at 1000 ° C. for 16 hours. The ceramic layer after heat treatment
When the structure was observed by EM, W was found inside the ceramic layer.
No O 3 particles were observed, confirming that pores were formed between the spray-solidified particles. The total volume ratio of pores is about 20
%Met. The sample thus obtained was subjected to the characteristic evaluation described later.

【0048】実施例4 Ni基超耐熱合金CM−247からなる丸棒の表面に、
プラズマ溶射法により厚さ約 150μm のNiCoCrA
lY層を形成した後、さらに 8重量% Y2 3安定化Z
rO2 粉末(溶融粉砕粉末、粒度:10〜44μm)に、 0重
量% 、 5重量%、10重量% 、15重量% 、20重量% のWO
3 粉末(粒度: 1〜50μm)を混合した粉末をそれぞれ溶
射原料粉末として用いて、NiCoCrAlY層の直上
から表面部に向かってWO3 量が増加するようなセラミ
ックス層を被覆形成した。セラミックス層の全厚は 250
μm とした。得られたセラミックス層のSEM観察を実
施したところ、セラミックス層の内部にWO3 粒子が表
面部に向けて増加するように分散していることが確認さ
れた。
Example 4 The surface of a round bar made of a Ni-base superalloy CM-247 was
NiCoCrA about 150μm thick by plasma spraying
After forming the 1Y layer, an additional 8% by weight of Y 2 O 3 stabilized Z
0% by weight, 5% by weight, 10% by weight, 15% by weight, and 20% by weight of WO to rO 2 powder (melt ground powder, particle size: 10 to 44 μm)
Using a mixed powder of the three powders (particle size: 1 to 50 μm) as a thermal spraying raw material powder, a ceramic layer was formed so as to increase the amount of WO 3 from directly above the NiCoCrAlY layer toward the surface. The total thickness of the ceramic layer is 250
μm. SEM observation of the obtained ceramic layer confirmed that WO 3 particles were dispersed inside the ceramic layer so as to increase toward the surface.

【0049】次に、上記セラミックス層を形成した試料
を 800℃で 2時間、引き続いて1000℃で16時間の条件で
熱処理した。熱処理後のセラミックス層をSEMで組織
観察したところ、セラミックス層の内部にWO3 粒子は
認められず、溶射凝固粒子間に気孔が形成されているこ
とが確認された。気孔の体積比(セラミックス層全体と
しての平均値)は約 25%であった。このようにして得た
試料を後述する特性評価に供した。
Next, the sample on which the ceramic layer was formed was heat-treated at 800 ° C. for 2 hours and subsequently at 1000 ° C. for 16 hours. When the structure of the ceramic layer after the heat treatment was observed by SEM, no WO 3 particles were found inside the ceramic layer, and it was confirmed that pores were formed between the spray-solidified particles. The volume ratio of pores (average value of the entire ceramic layer) was about 25%. The sample thus obtained was subjected to the characteristic evaluation described later.

【0050】比較例1 Ni基超耐熱合金CMSX−2からなる丸棒の表面に、
プラズマ溶射法により厚さ約 140μm のNiCoCrA
lY層を形成した後、 8重量% Y2 3 安定化ZrO2
粉末(溶融粉砕粉末、粒度:10〜44μm)を溶射原料粉末
として用いて、厚さ 250μm のセラミックス層を被覆形
成した。
Comparative Example 1 On the surface of a round bar made of a Ni-base super heat-resistant alloy CMSX-2,
NiCoCrA about 140μm thick by plasma spraying
After forming the Y layer, 8% by weight Y 2 O 3 stabilized ZrO 2
Using a powder (melt pulverized powder, particle size: 10 to 44 μm) as a thermal spraying raw material powder, a ceramic layer having a thickness of 250 μm was formed by coating.

【0051】次に、上記セラミックス層を形成した試料
を 800℃で 2時間、引き続いて1000℃で16時間の条件で
熱処理した。熱処理後のセラミックス層をSEMで組織
観察したところ、溶射凝固粒子間に気孔はあまり認めら
れなかった。このようにして得た試料を後述する特性評
価に供した。
Next, the sample on which the ceramic layer was formed was heat-treated at 800 ° C. for 2 hours and subsequently at 1000 ° C. for 16 hours. When the structure of the ceramic layer after the heat treatment was observed with a SEM, few pores were observed between the spray-solidified particles. The sample thus obtained was subjected to the characteristic evaluation described later.

【0052】上記した実施例1〜4の各試料および比較
例1の試料に対して、それぞれガスタービン運転時に部
材が晒される雰囲気を模擬した 850℃の大気中で、250M
Paの応力を加えて、12時間サイクルで室温との繰り返し
加熱試験を実施した。その結果、実施例1〜4の各試料
では1000サイクルを超えてもセラミックス層の剥離は起
こらなかった。試験後に試料の断面を観察したところ、
Y安定化ZrO2 層内部に亀裂はほとんど認められなか
った。一方、比較例1の試料では50サイクルでジルコニ
ア層の剥離がはじまり、 100サイクルで完全に剥離して
しまった。
The samples of Examples 1 to 4 and the sample of Comparative Example 1 were each subjected to 250 M
A stress test of Pa was applied, and a repeated heating test with room temperature was performed in a 12-hour cycle. As a result, in each of the samples of Examples 1 to 4, peeling of the ceramics layer did not occur even when the number of cycles exceeded 1,000. After observing the cross section of the sample after the test,
Almost no cracks were found inside the Y-stabilized ZrO 2 layer. On the other hand, in the sample of Comparative Example 1, peeling of the zirconia layer started in 50 cycles, and completely peeled in 100 cycles.

【0053】実施例5 Ni基超耐熱合金CM−247からなる丸棒の表面に、
プラズマ溶射法により厚さ約 150μm のNiCoCrA
lY層を形成した後、さらに 8重量% Y2 3安定化Z
rO2 粉末(溶融粉砕粉末、粒度:10〜44μm)に20重量
% のWO3 粉末(粒度: 1〜 100μm)を混合した粉末を
溶射原料粉末として用いて、厚さ 250μm のセラミック
ス層を被覆形成した。得られたセラミックス層のSEM
観察を実施したところ、セラミックス層の内部にWO3
粒子が分散していることが確認された。
Example 5 The surface of a round bar made of a Ni-base super heat-resistant alloy CM-247 was
NiCoCrA about 150μm thick by plasma spraying
After forming the 1Y layer, an additional 8% by weight of Y 2 O 3 stabilized Z
20 weight per rO 2 powder (melt pulverized powder, particle size: 10-44 μm)
% Of WO 3 powder (particle size: 1 to 100 μm) was used as a material for thermal spraying to form a ceramic layer having a thickness of 250 μm. SEM of the obtained ceramic layer
As a result of observation, WO 3 was found inside the ceramic layer.
It was confirmed that the particles were dispersed.

【0054】このようにして得た試料をガスタービン運
転時の環境を模擬した 900℃の大気中に50時間放置し
た。その後、 850℃の大気中で250MPaの応力を加えて、
12時間サイクルで室温との繰り返し加熱試験を実施し
た。その結果、実施例5の試料では 200サイクルを超え
てもセラミックス層の剥離は起こらなかった。試験後に
試料の断面を観察したところ、セラミックス層を構成し
ているジルコニア粒子間に気孔が存在していることが確
認された。
The sample thus obtained was left for 50 hours in an atmosphere of 900 ° C. simulating the environment during operation of a gas turbine. Then, apply a stress of 250MPa in the atmosphere of 850 ℃,
A repeated heating test with room temperature was performed in a 12-hour cycle. As a result, in the sample of Example 5, peeling of the ceramics layer did not occur even after more than 200 cycles. When the cross section of the sample was observed after the test, it was confirmed that pores were present between the zirconia particles constituting the ceramic layer.

【0055】[0055]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
セラミックス層内部に所望量、所望形状、所望の大き
さ、所望の分布で気孔を再現性よく得ることができる。
従って、長時間にわたってセラミックス層の剥離を抑制
することができ、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 present invention,
Pores can be obtained in the ceramic layer with a desired amount, a desired shape, a desired size, and a desired distribution with good reproducibility.
Therefore, the peeling of the ceramic layer can be suppressed for a long time, and 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】 本発明の耐熱部材の一実施形態の要部構造を
示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main structure of an embodiment of a heat-resistant member of the present invention.

【図2】 図1に示す耐熱部材のセラミックス層の構造
を拡大して示す模式図である。
FIG. 2 is an enlarged schematic view showing a structure of a ceramic layer of the heat-resistant member shown in FIG.

【図3】 図2に示すセラミックス層の熱処理後もしく
は実使用時に高温環境に晒した後の状態を示す模式図で
ある。
FIG. 3 is a schematic view showing a state after heat treatment of the ceramic layer shown in FIG. 2 or after exposure to a high-temperature environment during actual use.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1……金属基材 2……M−Cr−Al−Y合金層 3……セラミックス層 4……耐熱部材 5……マトリックス粒子 6……酸化物粒子 7……気孔 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Metal base material 2 ... M-Cr-Al-Y alloy layer 3 ... Ceramics layer 4 ... Heat resistant member 5 ... Matrix particles 6 ... Oxide particles 7 ... Pores

───────────────────────────────────────────────────── 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 Tokoba Toshiba-cho, Komukai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Inside the R & D center of Toshiba Corporation

Claims (2)

【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種の元素を主成分とする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合金層上に設けられたセラミックス層とを具備
する耐熱部材において、 前記セラミックス層の内部に、酸化タングステン、酸化
硼素、酸化ニオブ、酸化クロムおよび酸化ニッケルから
選ばれる少なくとも 1種の酸化物粒子が分散しているこ
とを特徴とする耐熱部材。
1. A metal base made of an alloy containing at least one element selected from Ni, Co and Fe as a main component, and an M-Cr-Al- coating formed on the metal base.
A Y alloy layer (where M represents at least one element selected from Ni, Co and Fe) and the M-Cr-
A heat-resistant member comprising a ceramic layer provided on an Al-Y alloy layer, wherein at least one oxide selected from tungsten oxide, boron oxide, niobium oxide, chromium oxide, and nickel oxide is provided inside the ceramic layer. A heat-resistant member having particles dispersed therein.
【請求項2】 Ni、CoおよびFeから選ばれる少な
くとも 1種の元素を主成分とする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合金層上に被覆形成されたセラミックス層とを
具備する耐熱部材を製造するにあたり、 前記セラミックス層を主として構成するマトリックス材
料と、酸化タングステン、酸化硼素、酸化ニオブ、酸化
クロムおよび酸化ニッケルから選ばれる少なくとも 1種
の酸化物とを含有する原料を用いて、前記M−Cr−A
l−Y合金層上に前記セラミックス層を被覆形成する工
程と、 前記酸化物が昇華する温度で前記セラミックス層に熱処
理を施し、前記セラミックス層の内部に気孔を形成する
工程とを有することを特徴とする耐熱部材の製造方法。
2. A metal base made of an alloy containing at least one element selected from Ni, Co and Fe as a main component, and an M-Cr-Al-coated on the metal base.
A Y alloy layer (where M represents at least one element selected from Ni, Co and Fe) and the M-Cr-
In manufacturing a heat-resistant member including a ceramic layer coated on an Al-Y alloy layer, a matrix material mainly constituting the ceramic layer, and tungsten oxide, boron oxide, niobium oxide, chromium oxide, and nickel oxide Using a material containing at least one selected oxide, the M-Cr-A
a step of coating the ceramic layer on the l-Y alloy layer, and a step of subjecting the ceramic layer to a heat treatment at a temperature at which the oxide sublimates to form pores in the ceramic layer. A method for manufacturing a heat-resistant member.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005061400A (en) * 2003-08-14 2005-03-10 General Electric Co <Ge> Thermal barrier coating for reduced sintering and increased impact resistance, and process of making same
JP2005097727A (en) * 2003-08-07 2005-04-14 Snecma Moteurs Thermal barrier composition, superalloy mechanical part coated with the thermal barrier composition, ceramic coating, and method of making the coating
JP2014019876A (en) * 2012-07-12 2014-02-03 Yoshino:Kk Thermal barrier material and manufacturing method of the same, and thermal barrier coating film and formation method of the same

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