JPS62210329A - Ceramic coated heat-resistant material and manufacture thereof - Google Patents

Ceramic coated heat-resistant material and manufacture thereof

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JPS62210329A
JPS62210329A JP61052490A JP5249086A JPS62210329A JP S62210329 A JPS62210329 A JP S62210329A JP 61052490 A JP61052490 A JP 61052490A JP 5249086 A JP5249086 A JP 5249086A JP S62210329 A JPS62210329 A JP S62210329A
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JP
Japan
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tbc
bonding layer
ceramic
layer
coating layer
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Application number
JP61052490A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuyuki Iizuka
飯塚 信之
Fumiyuki Hirose
文之 広瀬
Naotatsu Asahi
朝日 直達
Yoshiyuki Kojima
慶享 児島
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain heat shielding coating, high in reliability, by a method wherein the bonding layer of alloy, containing principal constituent of one of Ni and Co containing Cr and Al and excellent in resistances to high temperature oxidization and high temperature corrosion, is provided on a base material, which consists of a metallic material and the coating layer of ceramics, which contains the principal constituent of ZrO2, is formed on the bonding layer while an oxide layer, which contains the principal constituent of Al, is formed previously on a boundary between both layers. CONSTITUTION:Hastelloy-X (22wt%Cr-1.5wt%Co-9wt%Mo-19wt%Fe-0.1wt%C-balance Ni) or the alloy of Ni group is employed for a base material and the surfaces thereof are degreased and washed, thereafter, is blasted on a grid made of steel, then, the coating layer of metallic material, which consists of 10wt%Ni-25wt%Cr-7wt%Al-0.6wt%Y-5wt%Ta-balance Co, is formed by plasma spray coating so as to have the thickness of 0.01mm, thus, the bonding layer for a heat shielding coating is obtained. The coating layer of ZrO2-8wt%Y2O3 is formed immediately on the bonding layer so as to have the thickness of 0.3mm, then, the ceramics is applied so that the end of the bonding layer is exposed. The layers are heat- treated for 10hr in vacuum at the temperature of 1,060 deg.C to effect the diffusion treatment of the bonding layer and the base material.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高温あるいは高温腐蝕環境下で用いられる耐熱
部材及びその製造方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a heat-resistant member used in high-temperature or high-temperature corrosive environments, and a method for manufacturing the same.

〔従来の技術〕 発電用ガスタービンプラントの発電効率を向上すること
を目的として、ガスタービンの高温化技術が検討されて
いる。このような高温化に伴なって、ガスタービン部材
の耐熱温度の向上が望まれている。Ni基あるいはco
基等の合金材料の開発により、これら耐熱合金の耐熱温
度が向上してきているが、現状では850℃程度で飽和
している。一方、セラミック材料は耐熱性の点では金属
材料に比べで優れているが、構造材として用いるには靭
性等の問題がある。従って、このような部材の高温化に
対処するために、部材が高温にならないような方法の検
討が盛んに行なわれている。
[Background Art] With the aim of improving the power generation efficiency of gas turbine plants for power generation, techniques for increasing the temperature of gas turbines are being studied. With such rising temperatures, it is desired to improve the heat resistance temperature of gas turbine members. Ni group or co
With the development of alloy materials such as base metals, the heat resistance temperature of these heat-resistant alloys has improved, but currently it is saturated at about 850°C. On the other hand, although ceramic materials are superior to metal materials in terms of heat resistance, they have problems such as toughness when used as structural materials. Therefore, in order to cope with such an increase in the temperature of the members, studies are actively being conducted on methods to prevent the members from reaching high temperatures.

このような方法として1部材の冷却方法が各種検討され
ている。又、もう一つの方法として熱伝導率の小さいセ
ラミックを、金属部材の表面にコーティングする方法が
ある。このようなコーティングは熱遮蔽コーティング(
Thermal Barrier(1:oating以
下TBCと略す)と呼ばれる。TBCは各種の冷却方法
と組み合わせて用いることにより、その効果は大きくな
る。−例として、基材である金属部材の温度をTBCを
施さないものに比べで50〜100℃低減できるという
報告もある、このような方法を用いることによって、高
温ガスタービン等の構成部材の信頼性を向上させること
ができる。ところで、TBCの技術的課題としては、T
BCは基材を構成する耐熱合金と物性値が異なるセラミ
ック被覆層を組み合せたものであるため、基材とセラミ
ック被覆層との密着機構及びその信頼性の問題がある。
Various methods for cooling one member have been studied as such methods. Another method is to coat the surface of a metal member with a ceramic having low thermal conductivity. Such coatings are called thermal barrier coatings (
It is called Thermal Barrier (1: oating, hereinafter abbreviated as TBC). When TBC is used in combination with various cooling methods, its effects become greater. - For example, there is a report that the temperature of the base metal member can be reduced by 50 to 100 degrees Celsius compared to one without TBC. By using such a method, the reliability of components such as high-temperature gas turbines can be improved. can improve sex. By the way, as a technical issue of TBC, T
Since BC is a combination of a heat-resistant alloy constituting the base material and a ceramic coating layer having different physical properties, there are problems with the adhesion mechanism between the base material and the ceramic coating layer and its reliability.

特に、ガスタービン等では起動停止等の熱サイクルによ
り、セラミック被覆層の剥離、脱落等の損傷が生じる。
In particular, in gas turbines and the like, damage such as peeling and falling off of the ceramic coating layer occurs due to thermal cycles such as starting and stopping.

そこで。Therefore.

このような点を解決する方法として各種の手段が用いら
れている。主な方法としては、例えば、特開昭55−1
12804号公報に見られる如くセラミック被覆層と基
材との間に、金属材料からなる結合層を設けるものがあ
る。その結合層は基材とセラミック被覆層の物性値の相
異を緩和することを目的としている。この場合、セラミ
ック被覆層と結合層との密着機構は機械的な結合にすぎ
ずその強度は2〜5 kg / wm ”である。更に
、結合層の他に。
Various means have been used to solve these problems. The main methods include, for example, JP-A-55-1
As seen in Japanese Patent No. 12804, there is a method in which a bonding layer made of a metal material is provided between the ceramic coating layer and the base material. The purpose of the bonding layer is to alleviate the difference in physical properties between the base material and the ceramic coating layer. In this case, the adhesion mechanism between the ceramic coating layer and the bonding layer is merely a mechanical bond, and its strength is 2 to 5 kg/wm''.Furthermore, in addition to the bonding layer.

結合層とセラミック被覆層の間に、結合層を構成する合
金材とセラミック被覆層を構成する材料との混合物から
なる層を形成したものがある。この方法はセラミック被
覆層と結合層との物性値の相異を緩和することを目的と
したものであるが、この場合も、セラミックと合金材料
との結合状態は機械的な結合にすぎない、従って、熱サ
イクル等により、TBCに大きな熱応力が生じた場合、
結合力の弱い部分から剥離、脱落等の損傷が生じること
になる。
Some devices have a layer formed between the bonding layer and the ceramic coating layer, which is made of a mixture of an alloy material constituting the bonding layer and a material constituting the ceramic coating layer. This method is aimed at alleviating the difference in physical properties between the ceramic coating layer and the bonding layer, but in this case as well, the bonding state between the ceramic and the alloy material is only a mechanical bond. Therefore, if large thermal stress occurs in the TBC due to thermal cycles, etc.,
Damage such as peeling and falling will occur from areas where the bonding strength is weak.

更に、このようなTBCに用いるセラミック被覆層、結
合層及び中間層は、主にプラズマ溶射法で形成される。
Furthermore, the ceramic coating layer, bonding layer, and intermediate layer used in such TBCs are mainly formed by plasma spraying.

その理由は被覆層形成速度が速く経済性に優れているこ
との他に、セラミック被覆層に適用した場合に溶射被膜
の多孔質な構造を利用することにある。すなわち、空孔
や微細なりラックを形成することにより、空孔やクラッ
クを、熱応力の緩和作用に利用している。このようにプ
ラズマ溶射で形成したセラミック溶射被膜は、スパッタ
リング等の方法で形成した緻密なセラミック被覆層に比
べ熱サイクル等の作用による熱tfJf ’!!性に優
れている。しかし、TBCは高温度で、燃料中の不純物
等による高温腐蝕条件下で用いられるため、プラズマ溶
射により多孔質構造のセラミック被覆層を形成したTB
Cでは、結合層あるいは中間層を形成する合金材料の高
温酸化、高温腐食の問題がある。合金材料は高温耐酸化
、耐食性に優れた成分であるが、それらの合金被覆層の
形成方法により、必ずしも、本来の合金材料で予想され
る高温耐酸化性、耐食性を発揮するものではないと考え
られる0本発明者らの検討によればTBCを高温酸化或
いは高温腐食環境下にさらした後、熱サイクル試験を行
なった結果、その耐久性は著しく低下することが判明し
た。この場合、セラミック材料と合金材料との結合が本
来機械的な結合でその強度が弱いことに加え、更に、そ
の境界部分の合金材料の表面が酸化あるいは腐蝕されそ
の密着力が更に低下したためと考えられる。
The reason for this is that in addition to the fast coating layer formation rate and excellent economic efficiency, it also utilizes the porous structure of the sprayed coating when applied to a ceramic coating layer. That is, by forming pores and fine racks, the pores and cracks are used to alleviate thermal stress. As described above, the ceramic sprayed coating formed by plasma spraying has a higher temperature than the dense ceramic coating layer formed by sputtering or other methods due to the heat tfJf'! ! Excellent in sex. However, since TBC is used at high temperatures and under high-temperature corrosion conditions due to impurities in the fuel, TBC has a porous ceramic coating layer formed by plasma spraying.
C has the problem of high-temperature oxidation and high-temperature corrosion of the alloy material forming the bonding layer or intermediate layer. Although alloy materials have excellent high-temperature oxidation and corrosion resistance, we believe that due to the method of forming the alloy coating layer, they do not necessarily exhibit the high-temperature oxidation and corrosion resistance expected of original alloy materials. According to studies conducted by the present inventors, when TBC was subjected to a thermal cycle test after being exposed to a high-temperature oxidation or high-temperature corrosive environment, it was found that its durability was significantly reduced. In this case, it is thought that in addition to the fact that the bond between the ceramic material and the alloy material is originally a mechanical bond and its strength is weak, the surface of the alloy material at the boundary was oxidized or corroded, further reducing the adhesion. It will be done.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

従来のTBCでは、セラミックと合金材料の結合力が低
いということ、更に、高温酸化、高温腐蝕等により合金
材の表面が変化しセラミック合金材料の結合力が更に低
下すると考えられる。このような問題点はTBCの信頼
性を大巾に低下させるものである。プラズマ溶射法にお
いても、大気中で溶射を行なう方法の他に、プラズマア
ークの周囲の雰囲気を制御し更にその雰囲気圧力をも制
御する減圧雰囲気中溶射が行なわれている。このような
減圧雰囲気中溶射によれば、溶射中の溶射粒子が酸素等
によ初で汚染されないので、非常に良好な金属合金結合
層が形成できる。このような金属合金結合層は高温ガス
タービン部材の高温酸化、高温腐食を防止する被覆層と
して利用されている。そこで1本発明者らは以上の点に
かんがみて、TBCの信頼性を向上させることを目的と
して、セラミックと合金材料の結合機構の強化という点
に注目し各種の検討を行なった。
In conventional TBCs, it is believed that the bonding strength between the ceramic and the alloy material is low, and that the surface of the alloy material changes due to high-temperature oxidation, high-temperature corrosion, etc., which further reduces the bonding strength of the ceramic alloy material. These problems greatly reduce the reliability of the TBC. In the plasma spraying method, in addition to the method of spraying in the atmosphere, there is also a method of spraying in a reduced pressure atmosphere in which the atmosphere around the plasma arc is controlled and the pressure of the atmosphere is also controlled. According to such thermal spraying in a reduced pressure atmosphere, the sprayed particles during thermal spraying are not contaminated by oxygen or the like, so that a very good metal alloy bonding layer can be formed. Such a metal alloy bonding layer is used as a coating layer to prevent high-temperature oxidation and high-temperature corrosion of high-temperature gas turbine components. In view of the above points, the present inventors conducted various studies focusing on strengthening the bonding mechanism between ceramic and alloy materials, with the aim of improving the reliability of TBC.

本発明者らは、従来用いられている各種の材料によるT
BCについて検討した。例えば、Zr0z系セラミック
被覆層と金属合金材料からなる結合層とから成るTBC
を用い、TBCの高温酸化試験を実施した。この試験は
高温条件下で使用されるガスタービン部品あるいは局部
的に高温になるガスタービン部品へのTBCの施工を考
慮したものである。その結果、従来のTBCはZrOx
系被覆層と結合層の界面の酸化が著しく進行することが
判った。そして、試験前後のTBCの密着力を判定した
結果、1000℃、500時間の酸化試験で、Zr0z
系被覆層と結合層との界面の密着力は172〜1/4に
低下することがわかった。
The present inventors have discovered that T
We considered BC. For example, a TBC consisting of a Zr0z ceramic coating layer and a bonding layer made of a metal alloy material
A high temperature oxidation test of TBC was carried out using the following. This test takes into account the construction of TBCs on gas turbine parts that are used under high-temperature conditions or that become locally hot. As a result, conventional TBC
It was found that oxidation at the interface between the system coating layer and the bonding layer progressed significantly. As a result of judging the adhesion of TBC before and after the test, Zr0z
It was found that the adhesion force at the interface between the system coating layer and the bonding layer was reduced by 172 to 1/4.

このような密着力の低下は、Zr0z系被覆層の厚さ、
気孔率、更にZr0zへの添加剤の種類及び量によって
若干の相異が認められるが、いずれもその低下は著しい
、又、結合層の合金材料の成分に関しても若干の相異が
あるが、いずれも低下していた。このような界面の密着
力の低下は酸化試験の温度が高くなるほど或いは試験時
間の増加とともに著しくなる。そして、1100℃、1
00時間の試験では一部、界面からの剥離損傷が認めら
れるものがあった。一方、金属合金材料とZrOx系材
料との混合物を中間層として用いたTBCでは、酸化試
験による密着力の低下は更に著しいものであった。この
ような結果は、本発明者らが実施した高温熱サイクル試
験の結果とも対応している。すなわち、970℃、10
20℃。
This decrease in adhesion is caused by the thickness of the Zr0z coating layer,
Although there are some differences in porosity and the type and amount of additives added to Zr0z, the decrease in both cases is remarkable.Also, there are some differences in the composition of the alloy material of the bonding layer, but both was also decreasing. Such a decrease in interfacial adhesion becomes more significant as the temperature of the oxidation test becomes higher or as the test time increases. And 1100℃, 1
In the 00 hour test, peeling damage from the interface was observed in some cases. On the other hand, in a TBC using a mixture of a metal alloy material and a ZrOx-based material as an intermediate layer, the decrease in adhesion in the oxidation test was even more remarkable. These results also correspond to the results of high-temperature thermal cycle tests conducted by the present inventors. That is, 970℃, 10
20℃.

1070℃、1120℃のそれぞれの温度で30分間保
持、空冷により150℃までの冷却を繰り返す試験にお
いても試験温度が高くなるに従って、TBCの損傷が生
じるまでの繰り返し数は著しく低下していた。このよう
な従来のTBCの問題は、ガスタービンの高温化に対処
した信頼性の優れたTBCを得る上で重大な障害となる
。すなわち、ガスタービン部品の基材温度が高くなるの
を防止し、その温度を低減化することを目的としてTB
Cを実施するに際して、従来のTBCを施した部品では
TBCの高温耐久性が低いので、部品の基材温度の低減
を十分発揮することは困難である。
Even in a test in which the test was held at each temperature of 1070°C and 1120°C for 30 minutes and repeatedly cooled to 150°C by air cooling, the number of repetitions until TBC damage occurred decreased significantly as the test temperature increased. Such problems with conventional TBCs become a serious obstacle in obtaining a highly reliable TBC that can cope with the high temperatures of gas turbines. In other words, TB is used for the purpose of preventing the base material temperature of gas turbine components from increasing and reducing the temperature.
When performing C, it is difficult to sufficiently reduce the base material temperature of parts with conventional TBC because the TBC has low high-temperature durability.

そこで、本発明者らは従来のTBCを施工したガスター
ビン部品に代り、高温稼動条件下でもガスタービン部品
の基材温度の低減化を十分発揮しうる高温耐久性に優れ
たTBCを施工したガスタ−ビン部品について検討した
Therefore, the present inventors have developed a gas turbine component using a TBC with excellent high-temperature durability, which can sufficiently reduce the base material temperature of gas turbine components even under high-temperature operating conditions, in place of a gas turbine component with a conventional TBC. - Examined bottle parts.

すなわち、本発明者らは以上のような点を考慮して、ガ
スタービンの高温化を達成しうるに十分なTBCを得る
ことを目的として各種の検討を行ない、耐久性に優れた
TBCを有するガスタービン部品を発明するに至った。
That is, in consideration of the above points, the present inventors conducted various studies with the aim of obtaining a TBC sufficient to raise the temperature of the gas turbine, and the inventors have developed a TBC with excellent durability. This led to the invention of gas turbine parts.

本発明の目的は、TBCの信頼性を向上させることにあ
る。すなわち、セラミック材料と基材との結合力が長期
間にわたって安定しており、クラックや剥離の起りにく
いTBCを提供することにある。
An object of the present invention is to improve the reliability of TBC. That is, the object is to provide a TBC in which the bonding force between the ceramic material and the base material is stable over a long period of time, and is less prone to cracking or peeling.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は、金属材料より成る基材上に、NiとCoの一
方を主成分としCrとAlを含み前記基材よりも高温耐
酸化、高温耐蝕性に優れた合金の結合層を形成し、前記
結合層上にZrO2を主成分とするセラミック被覆層を
形成した耐熱部材において、前記結合層と前記セラミッ
ク被覆層との境界に予めAlを主成分とする酸化物層を
形成し且つ前記結合層の端部を露出させたことを特徴と
する。
The present invention forms, on a base material made of a metal material, a bonding layer of an alloy mainly composed of one of Ni or Co, containing Cr and Al, and having better high-temperature oxidation resistance and high-temperature corrosion resistance than the base material, In the heat-resistant member in which a ceramic coating layer containing ZrO2 as a main component is formed on the bonding layer, an oxide layer containing Al as a main component is formed in advance at the boundary between the bonding layer and the ceramic coating layer, and the bonding layer It is characterized by the exposed end.

基材は、Niを35〜61重量%、coを1〜3重量%
、Feを14〜27重量%含むNi基合金が望ましい。
The base material contains 35-61% by weight of Ni and 1-3% by weight of Co.
, a Ni-based alloy containing 14 to 27% by weight of Fe is desirable.

結合層は、Ni又はcoを主成分とし、Crを10〜3
0重量%及びAlを5〜30重量%含む合金が望ましい
。これに更にHf、Ta、Y。
The bonding layer has Ni or co as the main component, and 10 to 3 Cr.
Alloys containing 0% by weight and 5-30% by weight Al are preferred. In addition to this, Hf, Ta, and Y.

Si、Zrの1つ以上を0.1〜5重量%含むと更に望
ましい。
It is more desirable to contain 0.1 to 5% by weight of one or more of Si and Zr.

セラミック層は、ZrOxを主成分とし、CaOとMg
OとY2O3の1つを含むものが望ましい。
The ceramic layer mainly contains ZrOx, CaO and Mg.
Preferably, it contains one of O and Y2O3.

CaOの量は4〜10重量%、MgOの量は8〜24重
量%、YzOsの量は4〜20重量%が望ましい、Ct
sOとMgOとY2O3の2つ以上を複合添加すること
も可能である。
Desirably, the amount of CaO is 4 to 10% by weight, the amount of MgO is 8 to 24% by weight, and the amount of YzOs is 4 to 20% by weight.
It is also possible to add two or more of sO, MgO, and Y2O3 in combination.

〔作用〕[Effect]

本発明によれば、Alを主成分とする酸化物層が、高温
雰囲気中でも安定であり、これにより合金結合層の酸化
の進行を防止し、しかもセラミック被覆層との結合強度
も強いため、長期間の使用に対してもセラミック被覆層
のクラックの発生、剥離を防止できる。
According to the present invention, the oxide layer containing Al as a main component is stable even in high-temperature atmospheres, prevents the progress of oxidation of the alloy bonding layer, and has strong bonding strength with the ceramic coating layer, so it can last for a long time. Even when used for a period of time, cracking and peeling of the ceramic coating layer can be prevented.

更に結合層の端面にセラミック被覆層に覆われない露出
部が存在することにより、より確実にAfl酸化物層が
形成されるようになる。このようなTBCの端面構造は
、ガスタービン燃焼器ライナのように孔あき部材に対し
て適用すると非常に有効である。
Furthermore, the presence of an exposed portion not covered by the ceramic coating layer on the end face of the bonding layer allows the Afl oxide layer to be formed more reliably. Such a TBC end face structure is very effective when applied to a perforated member such as a gas turbine combustor liner.

〔実施例〕〔Example〕

以下1本発明の詳細について説明する。先ず、従来のT
BCの問題点について詳細に検討し、その原因について
調べた。各種の酸化試験を実施したTBCについて、そ
の断面組織のs’を察を行なった。その結果の一例を第
5図及び第6図に示す。
The details of the present invention will be explained below. First, the conventional T
We examined the problems of BC in detail and investigated their causes. The s' of the cross-sectional structure of TBC subjected to various oxidation tests was examined. An example of the results is shown in FIGS. 5 and 6.

これらの組織写真は、結合層部分の断面を100倍の倍
率で示すものであり、第5図ではZr0z系被ffWと
結合層との界面部分に欠陥が生じている。第6図は結合
層とZr0z系被覆層との間に合金材料とZr0z系材
料との混合層を形成したTBCの結果である。この場合
、中間層の合金材料は著しく酸化している。これらの現
象は高温熱サイクル試験でも認められる。すなわち、T
BCでは、熱応力を緩和する多孔質あるいは微細クラッ
クを有した構造のZr0z系被覆層を通じて結合層或い
は中間層の酸化という問題が生じる。このような酸化は
、界面の密着力を著しく低下させ。
These microstructure photographs show the cross section of the bonding layer portion at a magnification of 100 times, and in FIG. 5, defects have occurred at the interface between the Zr0z-based ffW and the bonding layer. FIG. 6 shows the results of a TBC in which a mixed layer of an alloy material and a Zr0z-based material was formed between the bonding layer and the Zr0z-based coating layer. In this case, the alloy material of the intermediate layer is significantly oxidized. These phenomena are also observed in high temperature thermal cycle tests. That is, T
In BC, a problem arises in that the bonding layer or intermediate layer is oxidized through the Zr0z-based coating layer having a porous or micro-cracked structure to alleviate thermal stress. Such oxidation significantly reduces the adhesion of the interface.

熱応力等によってその界面部からTBCに剥離損傷が生
じることになる。このような界面の酸化の原因としては
、高温状態でZr0z系材料が半導体となり、酸素の移
動を容易にし、境界面部の酸素分圧の増加を生じること
も一つの重要な要因であると考えられる。このような酸
化は例えば中間層を形成した場合、界面の面積の増加を
招くのでより促進すると考えられる。従来のTBCにつ
いて界面の状態を分析した結果、界面にはCrを主成分
とする酸化物が形成されていた。このようなCr系酸化
物は高温で不安定であるため、その酸化物を生じた部分
から損傷が生じていた。従って、高温ガスタービン用T
BCにおいては、界面での酸化というものを十分考慮す
ることが必要である。
Thermal stress or the like will cause peeling damage to the TBC from the interface. One of the important causes of such oxidation at the interface is thought to be that the Zr0z-based material becomes a semiconductor at high temperatures, facilitating the movement of oxygen and causing an increase in the oxygen partial pressure at the interface. . Such oxidation is considered to be more accelerated when an intermediate layer is formed, for example, because the area of the interface increases. As a result of analyzing the state of the interface of a conventional TBC, it was found that an oxide containing Cr as a main component was formed at the interface. Since such Cr-based oxides are unstable at high temperatures, damage occurs from the portion where the oxides are formed. Therefore, T for high temperature gas turbines
In BC, it is necessary to fully consider oxidation at the interface.

本発明者らは、このような観点から、各種の方法につい
て検討した結果、界面部にAlを主成分とするm密な構
造の酸化物薄膜を形成することが有望であることを見い
出した。Al系酸化物を高温で安定であり、かつ、Zr
0z系材料のように高温で半導体にもならない。従って
、Afl系酸化物の薄膜は内部酸化を防止するバリヤー
として有効なものである。一方、このようなAl系酸化
物層の厚さは、厚い場合Afi系酸化物の物性値を反映
した新たな中間層となる。その結果、熱応力等によりA
l系酸化物層から損傷を生じることになる。
From this viewpoint, the present inventors investigated various methods and found that it is promising to form an oxide thin film with an m-dense structure containing Al as a main component at the interface. Al-based oxides are stable at high temperatures and Zr
Unlike 0z-based materials, it does not become a semiconductor at high temperatures. Therefore, a thin film of Afl-based oxide is effective as a barrier to prevent internal oxidation. On the other hand, when such an Al-based oxide layer is thick, it becomes a new intermediate layer that reflects the physical properties of the Afi-based oxide. As a result, due to thermal stress etc.
This will cause damage to the l-based oxide layer.

一方、薄すぎる゛場合は、内部酸化防止作用を十分満足
するバリヤーとなり得ない。従って、その厚さは0.1
μm以上、20μm以下であることが望ましい。このよ
うな範囲のAl系酸化物層は結合層の内部酸化を防止す
るバリヤ一層として十分なものになる。一方、このよう
なAl系酸化物の薄層他の重要な作用として、Zr0z
系セラミツクと結合層との密着力を向上させることを見
い出した。すなわち、従来のTBCがZrOx系セラミ
ックと結合層を構成する金属合金とが機械的に結合して
いたのに比べ1本発明者らが見い出したAl系酸化物の
薄膜を介してのZr0z系セラミツクと結合層との密着
は、Al系酸化物とZr0z系セラミツクという酸化物
どうしの界面と、結合層を構成する金属合金中のAl酸
成分ら生じるAl系酸化物というものになり、その密着
機構は非常に強固なものになる。−例として、このよう
なAl系酸化物の薄膜を有するTBCの1000℃。
On the other hand, if it is too thin, it cannot serve as a barrier that satisfies the internal oxidation prevention effect. Therefore, its thickness is 0.1
It is desirable that the thickness is not less than μm and not more than 20 μm. The Al-based oxide layer in this range is sufficient as a barrier layer to prevent internal oxidation of the bonding layer. On the other hand, as an important effect in addition to the thin layer of Al-based oxide, Zr0z
It has been found that the adhesion between the ceramic and the bonding layer can be improved. That is, in contrast to the conventional TBC in which the ZrOx ceramic and the metal alloy constituting the bonding layer are mechanically bonded, the ZrOz ceramic is The adhesion between the bonding layer and the bonding layer is due to the interface between the oxides, Al-based oxide and Zr0z-based ceramic, and the Al-based oxide generated from the Al acid component in the metal alloy constituting the bonding layer. becomes very strong. - As an example, 1000° C. for a TBC with a thin film of such an Al-based oxide.

500時間の酸化試験において、結合層とZr0z系セ
ラミック被覆層の密着力はほとんで低下せず7kg/m
m”以上である。第1図は高温酸化試験後のTBCの断
面組織の一例であり、倍率は100倍である。第1図で
はZr0z系セラミック被覆層と結合層との界面部には
何ら欠陥が生じていない、又、1100℃、100時間
の酸化試験でも同様で密着力の低下、あるいは、界面部
での欠陥の発生は全く認められない、更に、1030℃
In a 500-hour oxidation test, the adhesion between the bonding layer and the Zr0z ceramic coating layer was 7 kg/m with almost no decrease.
m'' or more. Figure 1 shows an example of the cross-sectional structure of TBC after a high-temperature oxidation test, and the magnification is 100 times. No defects occurred, and the same was true in the oxidation test at 1100℃ for 100 hours, and no decrease in adhesion or generation of defects at the interface was observed.Furthermore, at 1030℃
.

1070℃、1120℃、1170℃ノソれぞれの温度
で30分間保持、空冷による150℃までの冷却を繰り
返す試験の結果は表1のようである。
Table 1 shows the results of a test in which the sample was held at each temperature of 1070°C, 1120°C, and 1170°C for 30 minutes, and was repeatedly cooled to 150°C by air cooling.

表   1 熱サイクル試験結果 表1中試料Nα201〜204は従来のTBC1Nα2
05〜208はAl系酸化物の薄膜を有するTBCの結
果である。その結果、へΩ系酸化物の薄膜を有するTB
Cは従来のTBCに比べTBCが損傷にいたるまでの繰
り返し数は約3〜7倍であった。又、試験温度が高くな
るに従って、その効果は顕著になる。このように、本発
明者らが見い出した、A Q系酸化物の薄膜を有するT
BCは、高温条件下で特に効果が顕著なものである。こ
のようなTBCを施したガスタービン部品は高温条件下
でも安定なものとなりつる。更に、Al系酸化物の薄膜
を介して接合した7、 r O,z系被覆層を有するT
BCでは、Zr0z系被覆層の密着力が7kg/me”
以上である。この密着力は従来のTBCのZrOx系被
覆層の密着力が3〜5kg/m”程度であったのに比べ
非常に大きい、従って、燃焼器部品等で生じる燃焼振動
によりTBCの損傷を防止することが可能である。そこ
で、このようにTBCを施したことによる効果について
検討した。
Table 1 Heat cycle test results Samples Nα201 to 204 in Table 1 are conventional TBC1Nα2
05 to 208 are the results of TBC having a thin film of Al-based oxide. As a result, TB with a thin film of hemium-based oxide
In case of C, the number of repetitions required for TBC to become damaged was about 3 to 7 times that of conventional TBC. Moreover, as the test temperature becomes higher, the effect becomes more pronounced. In this way, the present inventors have discovered that T with a thin film of AQ-based oxide
BC is particularly effective under high temperature conditions. Gas turbine components treated with such TBC remain stable even under high temperature conditions. Furthermore, T
In BC, the adhesion of the Zr0z coating layer is 7kg/me”
That's all. This adhesion force is much greater than the adhesion force of the ZrOx coating layer of conventional TBCs, which was about 3 to 5 kg/m''. Therefore, it prevents damage to the TBC due to combustion vibrations generated in combustor parts, etc. Therefore, the effects of applying TBC in this manner were investigated.

ガスタービン部品において燃焼器のように基材温度が高
くなる部品においては、高温の燃焼ガスにさらされる部
分に上記のような高温耐久性に優れたTBCを施工する
ことにより、基材の温度低減を安定して得ることが可能
になる。−例として。
In gas turbine parts where the base material temperature is high, such as the combustor, the temperature of the base material can be reduced by applying TBC, which has excellent high-temperature durability, to the parts exposed to high-temperature combustion gas. It becomes possible to obtain stably. -As an example.

円筒形状の燃焼器ライナに対して、高温ガスにさらされ
る円筒の内面に上記のようなAl系酸化物の薄膜を有す
るTBCを施したものは、従来のTBCを施した部品に
比べ、TBCが損傷に至るまでの稼動時間は約3倍にな
っていた。これは、Al系酸化物の薄膜を有するTBC
が耐久性特に高温条件下での耐久性に優れているためで
ある。
For cylindrical combustor liners, the inner surface of the cylinder exposed to high-temperature gas is coated with TBC, which has a thin film of Al-based oxide as described above, compared to parts coated with conventional TBC. The operating time before damage occurred was approximately three times as long. This is a TBC with a thin film of Al-based oxide.
This is because it has excellent durability, especially under high temperature conditions.

従って、TBCを施すことによって得られる燃焼器の基
材温度の低減効果は安定して維持される。
Therefore, the effect of reducing the combustor base material temperature obtained by applying TBC is stably maintained.

一方、従来のTBCを施した燃焼器部品では、短時間で
TBCが損傷し、特に基材温度の高い部分のTBCの損
傷が著しくなってしまう、その結果、TBCによる基材
の温度低減の効果は消失し、基材の温度が高くなり、部
品の損傷に至ってしまう。
On the other hand, in combustor parts with conventional TBC, the TBC is damaged in a short period of time, and the damage to the TBC is particularly severe in areas where the base material temperature is high.As a result, the effect of reducing the temperature of the base material by TBC is disappears, and the temperature of the base material increases, leading to damage to the parts.

更に、燃焼器において、基材の強度、あるいは燃焼器の
固定等の構造上から圧縮空気等による冷却が十分に行な
えない部分は、特に基材の温度上昇が生じ易くなってい
る。このような部分ではTBCの役割は特に重要で、T
BCの熱遮蔽効果による基材の温度低減の他に、熱伝導
率の小さいセラミック被覆層を有するTBCは1局部的
な基材の温度上昇を防止し、基材の温度を均一化させる
作用も有している。その結果、TBCは、構造上或いは
燃焼条件等のため部品の局部的な温度上昇を防止し、基
材の局部的な温度上昇による部品の変形成いは損傷を防
止する上で非常に重要なものになる。従来のTBCは、
特に高温での耐久性に問題があり、このような基材の温
度が局部的に高くなる部品においては、その部分のTB
Cは短時間で損傷し易い、燃焼器では燃焼振動により基
材が振動するので高温条件下でセラミック被覆層の密着
力の低下したTBCは更に損傷を生じ易くなる。
Further, in the combustor, the temperature of the base material is particularly likely to rise in parts where cooling with compressed air or the like cannot be performed sufficiently due to the strength of the base material or the structure such as fixation of the combustor. The role of TBC is particularly important in such areas.
In addition to reducing the temperature of the base material due to the heat shielding effect of BC, TBC, which has a ceramic coating layer with low thermal conductivity, also has the effect of preventing a local temperature rise of the base material and making the temperature of the base material uniform. have. As a result, TBC is extremely important in preventing local temperature increases in parts due to structural or combustion conditions, and in preventing deformation or damage to parts due to local temperature increases in the base material. Become something. The conventional TBC is
In particular, in parts where durability at high temperatures is a problem, and where the temperature of the base material locally increases, the TB of that part
C is easily damaged in a short period of time. In a combustor, the base material vibrates due to combustion vibrations, so TBCs with reduced adhesion of the ceramic coating layer are more likely to be damaged under high-temperature conditions.

そのため、最もTBCの効果が必要である部分に対して
、十分な効果を発揮することができなくなる。そして、
TBCの損傷した部分では他のTBCが健全である部分
に比べ基材の温度はむしろ高くなる可能性もあろうる0
例えば燃焼器のように火炎に接している部品ではTBC
はセラミック被覆層のふく射の効果により火炎から基材
への入熱量を低減する作用もある。従って、TBCの損
傷した部分の基材温度は、TBCを施工しない場合に比
べて高くなってしまうこともありうる。その結果、従来
のTBCを施工した燃焼器部品等のガスタービン部品で
は、TBCの効果は十分に発揮しうろことは困難であり
、むしろ、基材の温度が高い部分に対しては、従来のT
BCを施工した部品では、信頼性を損なうこともありう
る。一方、Al系酸化物の薄膜を有するTBCを施工し
た本発明のガスタービン部品では、基材の温度が局部的
に高くなる部品であっても、TBCは耐久性、′特に高
温での耐久性に優れたものであるため、基材の温度が高
くなる部分でのTBCの損傷は生じ難い、従って、予め
AΩ系酸化物の薄膜を形成した本発明のガスタービン部
品は、基材の温度が局部的に高くなっても、TBCによ
る熱遮蔽効果が十分維持され、かつ、TBCによる局部
的な温度上昇を緩和する作用も発揮される。その結果、
本発明のガスタービン部品は信頼性の高いものになる。
Therefore, it becomes impossible to exert a sufficient effect on the part where the effect of TBC is most needed. and,
There is a possibility that the temperature of the base material may be higher in the damaged part of the TBC than in other parts where the TBC is healthy.
For example, in parts that are in contact with flame, such as a combustor, TBC
Also has the effect of reducing the amount of heat input from the flame to the base material due to the radiation effect of the ceramic coating layer. Therefore, the temperature of the base material in the damaged portion of the TBC may be higher than in the case where the TBC is not installed. As a result, it is difficult to fully demonstrate the effect of TBC in gas turbine parts such as combustor parts that have been applied with conventional TBC. T
Reliability may be impaired in parts that have been coated with BC. On the other hand, in the gas turbine parts of the present invention in which a TBC having a thin film of Al-based oxide is applied, even if the temperature of the base material is locally high, the TBC has excellent durability, especially at high temperatures. Therefore, the gas turbine parts of the present invention, in which a thin film of AΩ-based oxide is formed in advance, are difficult to damage the TBC in areas where the temperature of the base material increases. Even if the temperature rises locally, the heat shielding effect of the TBC is sufficiently maintained, and the effect of mitigating the local temperature rise caused by the TBC is also exerted. the result,
The gas turbine components of the present invention will be highly reliable.

また、基材の温度が局部的に高くなる部品においては、
その部分にAa系酸化物を有するTBCを施工すること
も有効である。すなわち、TBCの熱遮蔽効果により、
局部的な温度上昇を防止することができるからである。
In addition, for parts where the temperature of the base material becomes locally high,
It is also effective to apply a TBC containing Aa-based oxide to that part. In other words, due to the heat shielding effect of TBC,
This is because local temperature increases can be prevented.

更に、他の部分にTBCが無い場合、TBCセラミック
被覆層のふく射の効果により、TBCを施工した部分の
基材への入熱量を低くすることができ、他のTBCの無
い部分との入熱量のバランスをとり、基材の局部的な温
度上昇を防止することも期待できうる。
Furthermore, if there is no TBC in other areas, the radiation effect of the TBC ceramic coating layer can reduce the amount of heat input to the base material in the area where the TBC is applied, reducing the amount of heat input from other areas without TBC. It can also be expected to maintain a balance between the two and prevent local temperature increases in the base material.

このように、Al系酸化物の薄膜を有するTBCはガス
タービン部品の高温にさらされる部分の全面あるいは一
部分に施工されることによって、いずれの場合もその効
果を十分発揮しうるものである。このような基材の温度
の局部的な温度上昇は。
In this way, the TBC having a thin film of Al-based oxide can fully exhibit its effects in either case by being applied to the entire surface or a portion of the part of the gas turbine component that is exposed to high temperatures. Such a local temperature increase in the temperature of the base material.

ガスタービンが高温化するに伴なって、大きくなる傾向
がある6従って、Aa系酸化物の薄膜を有するTBCを
形成したガスタービン部品は信頼性の高いものとなり、
ガスタービンの高温化を可能にするものになりうる。以
下、本発明について実施例により詳細に説明する。
As the temperature of the gas turbine increases, it tends to increase in size. 6 Therefore, gas turbine parts formed with a TBC having a thin film of Aa-based oxide are highly reliable.
This could enable gas turbines to reach higher temperatures. Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to Examples.

実施例1 基材としてNi基合金であるハステロイ−X(22重量
%Cr−1,5重量%C0−9重量%M o −19重
量%Fe−0,1重量%C−残部Ni)を用い、その表
面を脱脂洗浄後、スチール製のグリッドを用いてプラス
チングし、しかる後、プラズマ溶射を行い、10重量%
Ni−25重量%Cr77重量%Al−0,6重量%Y
−5重量%Ta−残部Coからなる合金材料の被覆層を
形成した。プラズマ溶射は200Torrの圧力のAr
中で行なった。この場合プラズマ溶射を行う雰囲気中の
酸素分圧は、酸素センサーで測定した結果10−δ気圧
以下であった。プラズマの出力は40kWである。この
ような条件で厚さ0.01+w+のCo、Ni、Cr、
AM、Y合金被覆層を形成し、TBCの結合層とした。
Example 1 Hastelloy-X, a Ni-based alloy (22 wt% Cr-1,5 wt% CO-9 wt% Mo-19 wt% Fe-0,1 wt% C-balance Ni) was used as a base material. After degreasing and cleaning the surface, it was plasted using a steel grid, and then plasma sprayed to give a coating of 10% by weight.
Ni-25% by weight Cr77% by weight Al-0.6% by weight Y
A coating layer of an alloy material consisting of -5% by weight of Ta and the balance of Co was formed. Plasma spraying uses Ar at a pressure of 200 Torr.
I did it inside. In this case, the oxygen partial pressure in the atmosphere in which plasma spraying was performed was 10-δ atmospheres or less as measured by an oxygen sensor. The plasma output is 40kW. Under these conditions, Co, Ni, Cr, with a thickness of 0.01+w+
An AM, Y alloy coating layer was formed to serve as a bonding layer for the TBC.

しかる後、直ちに前述の結合層の上にZr0z  8重
量%Y x Oa被覆層を形成した。溶射条件はプラズ
マ出力50kWで、大気中溶射である。Zr0z −8
%Y z Oa被覆層の厚さは0.3onである。結合
層の端部が露出するようにセラミックを被覆した。その
後、1060℃10時間の真空中加熱処理を行い結合層
と基材との拡散処理を行った。なお、比較のため、従来
法によって本発明のTBCと同じ材料を用いて、同じ厚
さの被覆層からなるTBCを作成した。従来法として前
述の合金材料を大気中でArガスを使用して溶射し、次
いで前述と同様にZrOx  8%Y2O3を被覆した
。次に、本発明のTBCの効果を確認するため、以下に
述べる各種の試験を実施した。先ず、各種の温度で酸化
試験を行ない。
Thereafter, a ZrOz 8% by weight Y x Oa coating layer was immediately formed on the above-described bonding layer. The thermal spraying conditions were a plasma output of 50 kW and thermal spraying in the atmosphere. Zr0z -8
The thickness of the %Y z Oa coating layer is 0.3 on. The ceramic was coated so that the edges of the bonding layer were exposed. Thereafter, a heat treatment was performed in vacuum at 1060° C. for 10 hours to perform a diffusion treatment between the bonding layer and the base material. For comparison, a TBC made of the same material as the TBC of the present invention and having a coating layer of the same thickness was prepared by a conventional method. As a conventional method, the aforementioned alloy material was thermally sprayed using Ar gas in the atmosphere, and then coated with ZrOx 8% Y2O3 in the same manner as described above. Next, in order to confirm the effects of the TBC of the present invention, various tests described below were conducted. First, oxidation tests were conducted at various temperatures.

試験後の外観観察及び断面組織観察更に密着力試験を実
施した0表2は外観観察及び密着力試験の結果である。
Appearance observation and cross-sectional structure observation after the test, and an adhesion test were conducted. Table 2 shows the results of the appearance observation and adhesion test.

表2中Na 1〜& 6は従来のTBCの結果、)h7
〜翫11は本実施例で作成した本発明のTBCの結果で
ある。すなわち、従来のTBCでは1070℃以上の温
度(100時間保持)で、Zr0z−8%Y z Oa
被覆層が剥離しTBCは損傷した。一方、本発明の&7
〜&11のTBCは外観的に何ら損傷は認められない。
In Table 2, Na 1 to & 6 are the results of conventional TBC, )h7
-11 are the results of the TBC of the present invention created in this example. That is, in the conventional TBC, at a temperature of 1070°C or higher (held for 100 hours), Zr0z-8%Y z Oa
The coating layer peeled off and the TBC was damaged. On the other hand, &7 of the present invention
- &11 TBC has no external damage.

一方、酸化試験後のTBCの密着力試験の結果も、TB
Cが損傷していないNα1〜Na6の従来のTBCは、
その密着力は2〜5kg/−二で、酸化試験温度の増加
とともに密着力は低下している。又、密着力試験での破
断部分は結合層とZr0z −8%Y2O3被覆層との
境界部である。一方、翫7〜N[Lllに示した本発明
のTBCではいずれの酸化試験条件下でもTBCの密着
力の低下は認められず、接着剤(接着剤の密着強度7k
g/m”)を用いた密着力試験法の限界値である7kg
/mu”以上の値であった。従って、試験後の破断部は
いずれも接着剤の部分である。
On the other hand, the results of the TBC adhesion test after the oxidation test also showed that TBC
The conventional TBC of Nα1-Na6 with undamaged C is
The adhesion was 2 to 5 kg/-2, and the adhesion decreased as the oxidation test temperature increased. Furthermore, the fractured portion in the adhesion test was the boundary between the bonding layer and the Zr0z -8% Y2O3 coating layer. On the other hand, in the TBC of the present invention shown in 翫7~N[Lll, no decrease in the adhesion of the TBC was observed under any oxidation test conditions,
7kg, which is the limit value of the adhesion test method using
/mu'' or more. Therefore, all the broken parts after the test were adhesive parts.

次に、上記酸化試験後の試験片を用いて熱サイクル試験
を実施した。試験条件は750℃、15分間保持、20
〜25℃水中、15秒間保持の繰り返しである。表3は
その結果である。
Next, a thermal cycle test was conducted using the test piece after the above oxidation test. Test conditions were 750°C, 15 minutes hold, 20
- Repeated holding in water at ~25°C for 15 seconds. Table 3 shows the results.

表   3 熱サイクル試験結果 表3中の試料はそれぞれの酸化試験を実施した後の試料
である。表3中Nα1〜&3の従来のTBCは200〜
500回の熱サイクル試験でZr0z−8%Y2O3被
覆層が剥離しTBCが損傷した。
Table 3 Thermal Cycle Test Results The samples in Table 3 are samples after each oxidation test was conducted. The conventional TBC of Nα1~&3 in Table 3 is 200~
After 500 thermal cycle tests, the Zr0z-8% Y2O3 coating layer peeled off and the TBC was damaged.

一方、表3中Na 7〜Nα11の本発明のTBCは、
1400〜17oO回の熱サイクルの繰り返し後も損傷
が無く、最高1700回の熱サイクル試験でTBCの損
傷が認められた。このように本発明のTBCは従来のT
BCに比べ高温耐酸化性、あるいは耐熱衝撃性に優れた
耐久性に富むTBCである。
On the other hand, the TBC of the present invention with Na 7 to Na 11 in Table 3 is
There was no damage even after repeated thermal cycles of 1400 to 17oO times, and damage to the TBC was observed after a maximum of 1700 thermal cycles. In this way, the TBC of the present invention is similar to the conventional TBC.
It is a highly durable TBC with superior high-temperature oxidation resistance and thermal shock resistance compared to BC.

実施例2 実施例1と同様の材料を用い、実施例1と同様の溶射条
件でTBCを作成して、しかる後、1060℃、3時間
の真空中加熱を行ない、Co。
Example 2 A TBC was prepared using the same materials as in Example 1 and under the same thermal spraying conditions as in Example 1, and then heated in vacuum at 1060° C. for 3 hours to form Co.

Ni、Cr、Al、Y被覆層から成る結合層と基材との
拡散処理を行なった。更に、その後。
A bonding layer consisting of Ni, Cr, Al, and Y coating layers and a base material were subjected to a diffusion treatment. Furthermore, after that.

1000℃、15時間の大気中加熱処理を行なった。こ
のようにして作製した本発明のTBCはZr0z−8%
Y2O3被覆層とCo、Ni、Cr。
Heat treatment was performed in the air at 1000° C. for 15 hours. The TBC of the present invention produced in this way contains Zr0z-8%
Y2O3 coating layer and Co, Ni, Cr.

、+ll、Y被覆層との界面部に約5μmの厚さの境界
層がほぼ均一に形成されていた。その境界層はEPNA
分析或いはX線回折の結果、Afl系酸化物を主成分と
するものであることが判った。なお、比較のため、本発
明のTBCと同じ材料を用いて。
, +ll, a boundary layer approximately 5 μm thick was formed almost uniformly at the interface with the Y coating layer. The boundary layer is EPNA
As a result of analysis or X-ray diffraction, it was found that the main component was Afl-based oxide. For comparison, the same material as the TBC of the present invention was used.

従来方法でTBCを作成し、更に、そのTBCを本発明
のTBCと同じ真空中拡散処理及び大気中加熱処理を行
なった1表3中&101及び&102はこのようにして
作成した本発明のTBC及び比較のための従来のTBC
を用いて、実施例1と同様の熱サイクル試験を行なった
結果である。表3中N11101の従来のTBCは約5
00回の繰り返しでZr0z−8%YtOa被覆層が剥
離した。一方、表3中Nα102の本発明のTBCは約
1500回の繰り返しで損傷が生じた。このように、本
発明のTBCは、従来のTBCに比べ約3倍の耐久性が
ある。
A TBC was prepared by the conventional method, and the TBC was subjected to the same vacuum diffusion treatment and atmospheric heat treatment as the TBC of the present invention. 1 In Table 3, &101 and &102 indicate the TBC of the present invention and the TBC of the present invention prepared in this way. Conventional TBC for comparison
These are the results of a heat cycle test similar to that in Example 1 using the following. The conventional TBC of N11101 in Table 3 is approximately 5
After 00 repetitions, the Zr0z-8% YtOa coating layer was peeled off. On the other hand, the TBC of the present invention with Nα102 in Table 3 was damaged after about 1500 repetitions. Thus, the TBC of the present invention has approximately three times the durability compared to conventional TBCs.

次に、ガスタービン燃焼器ライナに適用した例を第2図
に示した。
Next, FIG. 2 shows an example in which the present invention is applied to a gas turbine combustor liner.

TBCの施工部分は第2図の燃焼器ライナ1の円筒状の
部品の内面である。この燃焼器ライナ1は、冷却空気開
孔部(以下ルーバ2と称す)があるがメタル温度が非常
に高くなるため第2図のAで示した部分にTBCを施工
するようにした。燃焼器ライナ1の基材の材質はハステ
ロイ−X(22%Cr−1,5%C0−9%M o−1
9%Fe−0,1%C−残Ni)であるLp、n系酸化
物を有するTBCの形成はプラズマ溶射を用いて行なっ
た。その詳細は以下のようである。先ず、ライナを脱脂
洗浄し、その後、AnaOa製グリッドグリッドプラス
チングした。このような基材表面に直ちに10%Ni−
25%Cr−7%Al2−0.6  %Y−5%Ta−
残部Coから成る合金材料をプラズマ溶射し結合層を形
成した。このような結合層の形成条件としてはプラズマ
出力は高出力であることが望ましく、かつ、溶融中のプ
ラズマジェット周辺の雰囲気を制御することが望ましい
。特に、雰囲気制御の要素としては酸素分圧を少くする
、望ましくは10−8気圧以下にすることが好ましい、
又、雰囲気制御の他の要素として減圧雰囲気で実施する
のが望ましい。このような雰囲気制御を行うことによっ
て本発明を得る上で好ましい結合層を形成することが可
能になる6本実流側では、酸素分圧を10−3気圧以下
にしたAr雰囲気中で、かつ、その雰囲気圧力を200
Torrに制御した雰囲気中で行なった。又、溶射中の
基材温度は500〜1000℃に維持して行うのが、本
発明を得る上で好ましい。本実施例では600〜700
℃の範囲内で行なった。このような条件下で、厚さ約0
.1ms+厚さの結合層を形成した。しかる後、この結
合層の上にZr0z −6%Y2O3から成るセラミッ
ク材の被覆層を形成した。被覆層はプラズマ溶射で形成
した。溶射条件は、高出力プラズマ溶射法を用い、55
kWの出力で実施した。被覆層の厚さは約0.3mであ
る。
The construction part of the TBC is the inner surface of the cylindrical part of the combustor liner 1 shown in FIG. This combustor liner 1 has cooling air openings (hereinafter referred to as louvers 2), but since the metal temperature becomes very high, a TBC was installed in the part shown by A in FIG. 2. The material of the base material of the combustor liner 1 is Hastelloy-X (22%Cr-1, 5%C0-9%Mo-1
A TBC having an Lp, n-based oxide (9% Fe-0, 1% C-remaining Ni) was formed using plasma spraying. The details are as follows. First, the liner was degreased and cleaned, and then grid plasted with AnaOa. Immediately apply 10% Ni- to the surface of such a base material.
25%Cr-7%Al2-0.6%Y-5%Ta-
An alloy material with the balance being Co was plasma sprayed to form a bonding layer. As conditions for forming such a bonding layer, it is desirable that the plasma output be high and that the atmosphere around the plasma jet during melting be controlled. In particular, as an element of atmosphere control, it is preferable to reduce the oxygen partial pressure, preferably to 10-8 atmospheres or less.
Further, as another element of atmosphere control, it is desirable to carry out the process in a reduced pressure atmosphere. By controlling the atmosphere in this manner, it is possible to form a bonding layer that is preferable for obtaining the present invention.On the actual flow side of the 6 tubes, the oxygen partial pressure is set to 10-3 atmospheres or less in an Ar atmosphere, and , the atmospheric pressure is 200
The test was carried out in an atmosphere controlled to Torr. Further, in order to obtain the present invention, it is preferable to maintain the substrate temperature during thermal spraying at 500 to 1000°C. In this example, 600 to 700
It was carried out within the range of °C. Under these conditions, the thickness of approximately 0
.. A bonding layer of 1 ms+thickness was formed. Thereafter, a coating layer of a ceramic material consisting of Zr0z -6% Y2O3 was formed on this bonding layer. The coating layer was formed by plasma spraying. Thermal spraying conditions used high-power plasma spraying, and
It was carried out with an output of kW. The thickness of the covering layer is approximately 0.3 m.

このようにして、TBCを形成した後1部品を真空中で
加熱し、結合層と基材との拡散処理を実施した。拡散処
理は、約10−IITorrの真空中で1060℃、5
時間保持する条件である。しかる後、大気中で900℃
、20時間の熱処理を実施した。拡散処理或いは熱処理
の条件については、特に制限は無いが拡散処理は基材の
溶射温度以下。
After forming the TBC in this way, one part was heated in a vacuum to perform a diffusion treatment between the bonding layer and the base material. The diffusion process was carried out at 1060°C in a vacuum of about 10-II Torr at 5°C.
This is a condition for holding time. After that, it was heated to 900℃ in the atmosphere.
, heat treatment was performed for 20 hours. There are no particular restrictions on the conditions for the diffusion treatment or heat treatment, but the diffusion treatment should be at or below the thermal spraying temperature of the base material.

800℃以上の範囲で、3時間以上100時間以下の範
囲で行うのが望ましく、一方、熱処理は6oO℃以上1
2oO℃以下の範囲で1時間以上、200時間以下の範
囲で行うのが望ましい。このようにして、Al系薄膜を
有するTBCを被覆した本発明の燃焼器ライナを作製し
た。なお、燃焼器ライナ1は第3図に示したような冷却
用のルーバ2を有する構造である。ルーバ2は冷却効果
を十分に発揮させるために、その寸法を所定の範−内に
入れる必要がある。ルーバ一部でTBCの厚1、ノ さが極度に厚くなった場合、その部分の冷却効果が著し
く低下し基材の温度上昇を招く、更に。
It is preferable to conduct the heat treatment at a temperature of 800°C or higher for 3 hours or more and 100 hours or less, while heat treatment is performed at a temperature of 60°C or higher and 100°C or higher.
It is preferable to conduct the heating at a temperature of 200° C. or lower for 1 hour or more and 200 hours or less. In this way, a combustor liner of the present invention coated with TBC having an Al-based thin film was produced. The combustor liner 1 has a structure including cooling louvers 2 as shown in FIG. In order for the louver 2 to exhibit its cooling effect sufficiently, its dimensions must fall within a predetermined range. If the thickness of the TBC becomes extremely thick in a part of the louver, the cooling effect of that part will be significantly reduced, leading to an increase in the temperature of the base material.

TBCの厚さが局部的に厚くなった場合、その部分のT
BCの耐久性は著しく低下する。
When the thickness of TBC locally increases, the T of that area increases.
The durability of BC is significantly reduced.

第3図に示す如く、まず結合層5の溶射においては、冷
却空気孔2aの空気流入面積を減じることなく火炎にさ
らされる可能性のある内面3の火炎側のルーバー角部2
b及び空気側のルーバー角部2cまで溶射するように溶
射方向Bは、燃焼器の上流1bあるいは下流側1aを向
きながら施工される0次にセラミック層6の溶射におい
ては、結合層5の端部5a、5bよりセラミック層6の
端部6a、6bがずれておりかつ、結合層5の上にセラ
ミック層6の端部6a、6bがあるように溶射方向は、
軸芯に対し燃焼器下流側1aを向くようにして施工され
る。このことにより、結合層5とセラミック被覆層6の
境界部に必ずAα系酸化物からなる境界層が存在するこ
とになり、耐久性に優れたTBCとなりうる。尚、前述
した溶射施工方法は、冷却空気孔の廻りのみならず、T
BCが施工される部分と施工されない部分との境界部あ
るいは、燃焼器の燃焼用空気穴廻り等にも適用うるちの
である。
As shown in FIG. 3, in the thermal spraying of the bonding layer 5, first, the louver corners 2 on the flame side of the inner surface 3, which may be exposed to flame, without reducing the air inflow area of the cooling air holes 2a.
When spraying the zero-order ceramic layer 6 while facing the upstream side 1b or downstream side 1a of the combustor, the spraying direction B is applied to the end of the bonding layer 5 so as to spray up to the louver corner 2c on the air side. The spraying direction is such that the ends 6a, 6b of the ceramic layer 6 are offset from the parts 5a, 5b, and the ends 6a, 6b of the ceramic layer 6 are on the bonding layer 5.
It is constructed so as to face the combustor downstream side 1a with respect to the axis. As a result, a boundary layer made of Aα-based oxide is always present at the boundary between the bonding layer 5 and the ceramic coating layer 6, and a TBC with excellent durability can be obtained. The above-mentioned thermal spraying method is applicable not only around the cooling air holes but also around the T.
It can also be applied to the boundary between the part where BC is applied and the part where it is not, or around the combustion air hole of the combustor.

このような条件下で、結合層或いはZrO2−6%Y2
.06被覆層を形成することによって、ルーバ一部でT
BCの厚さが厚くないTBCが得られた。このようにし
て形成した燃焼器ライナのTBCは、その断面組織は第
1図とほぼ同様で、結合層とZr0z  6%Y x 
Oa被覆層との界面部に約3μm厚さのAl系酸化物か
ら成る境界層が形成されていた。この燃焼器ライナを用
いて、1000℃、30分間保持と20〜25℃の水中
5分間保持を繰り返す熱サイクル試験を実施した。又、
比較のため、Al系酸化物の薄膜を有しないTBCを本
発明の燃焼器ライナと同様に形成したものを用いて、同
様の熱サイクル試験を実施した。その結果1本発明の燃
焼器ライナは50回の繰り返しでもTBCに何ら損傷は
生じなかったが、従来のTBCを施した燃焼器ライナで
は約90回でTBCの損傷が生じた。
Under these conditions, the bonding layer or ZrO2-6%Y2
.. By forming the 06 coating layer, T
A TBC without a thick BC was obtained. The TBC of the combustor liner formed in this way has a cross-sectional structure almost similar to that shown in Fig. 1, and has a bonding layer and Zr0z 6%Y x
A boundary layer made of Al-based oxide and having a thickness of about 3 μm was formed at the interface with the Oa coating layer. Using this combustor liner, a thermal cycle test was conducted in which the liner was held at 1000°C for 30 minutes and held in water at 20 to 25°C for 5 minutes. or,
For comparison, a similar thermal cycle test was conducted using a TBC that did not have an Al-based oxide thin film formed in the same manner as the combustor liner of the present invention. As a result, 1 the combustor liner of the present invention did not cause any damage to the TBC even after 50 repetitions, whereas the combustor liner with the conventional TBC suffered damage to the TBC after approximately 90 repetitions.

上記のようにして作製した本発明の燃焼器ライナと比較
のため作製した従来の燃焼器ライナとを用いてそれぞれ
同一の条件下で燃焼試験を実施した。その結果、約15
00時間の試験で、従来のTBCでは第2図のAの範囲
で示した。冷却用ルーバーの無い部分でTBCの損傷が
生じていた。一方、本発明の燃焼器ライナは全ての部分
においても、TBCの損傷は認められなかった9次に、
第2図のAの範囲の部分について、試験後の燃焼器ライ
ナを切断しTBCの状態を観察した。その結果、断面組
織の[%で、TBCの各部において何ら損傷は生じてい
なかった。
A combustion test was conducted under the same conditions using the combustor liner of the present invention produced as described above and a conventional combustor liner produced for comparison. As a result, about 15
In the 00 hour test, the conventional TBC showed a range of A in FIG. Damage to the TBC occurred in areas without cooling louvers. On the other hand, in the combustor liner of the present invention, no damage to the TBC was observed in all parts.
After the test, the combustor liner was cut in the area A in FIG. 2, and the state of the TBC was observed. As a result, [%] of the cross-sectional tissue showed that no damage had occurred in any part of the TBC.

又、このような本発明の燃焼器ライナでは第2図のAの
範囲の部分のライナ径の寸法変化は約3%以下であった
。一方、TBCが損傷した従来の燃焼器ではその寸法変
化はライナ径の約5%と大きくなっていた1以上のよう
に、本発明の燃焼器ライナはTBCの効果が長時間にわ
たって維持される結果、燃焼器ライナの変形等の問題を
防止する上で十分な効果がある。
Further, in the combustor liner of the present invention, the dimensional change in the liner diameter in the area A in FIG. 2 was about 3% or less. On the other hand, in a conventional combustor with a damaged TBC, the dimensional change was as large as about 5% of the liner diameter.1 The combustor liner of the present invention maintains the effect of the TBC over a long period of time. This is sufficiently effective in preventing problems such as deformation of the combustor liner.

第4図に示した構造の燃焼器ライナ4に対して本発明を
適用した。この構造の燃焼器ライナは第4図のCで示し
た範囲の基材の温度上昇が著しい。
The present invention was applied to a combustor liner 4 having the structure shown in FIG. In the combustor liner having this structure, the temperature of the base material increases significantly in the range shown by C in FIG.

そこで、第2図の場合と同様の被覆層材料を用いて同様
の条件で第4図のCの部分の内面側の燃焼ガスにさらさ
れる部分にTBCを施し、本発明の燃焼器ライナを作製
した。比較のため、第4図のCの部分に、Aa系酸化物
の薄膜を有しない従来のTBCを施した燃焼器ライナを
作製した。それぞれの燃焼器ライナを用いて、同一の燃
焼条件下で試験を実施した。その結果、本発明の燃焼槽
ライナでは約2000時間の試験後においてもTBCの
損傷は認められず、ライナ径の変化等の燃焼器ライナの
変形も生じなかった。一方、従来のTBCを施した燃焼
器ライナは約2000時間の試験後、TBCは著しく損
傷していた。又、その部分のライナ径の変化も大きく、
燃焼器ライナの変形が生じていた。このように、基材の
温度が高くなる部分に対してのみTBCを施した本発明
の燃焼器ライナは耐久性或いは信頼性に十分価れたもの
である。なお、第4図に示した燃焼器ライナに対して、
第2図の例と同様にライナの内面全面にTBCを施した
もにおいても、本実施例と同じ効果が得られる。
Therefore, the combustor liner of the present invention was fabricated by applying TBC to the inner surface of portion C in FIG. 4, which is exposed to combustion gas, using the same coating layer material as in FIG. 2 and under the same conditions. did. For comparison, a combustor liner was prepared in which a conventional TBC without an Aa-based oxide thin film was applied to the portion C in FIG. 4. Tests were conducted under identical combustion conditions using each combustor liner. As a result, in the combustion tank liner of the present invention, no damage to the TBC was observed even after about 2000 hours of testing, and no deformation of the combustor liner such as a change in liner diameter occurred. On the other hand, in a combustor liner with a conventional TBC, the TBC was significantly damaged after about 2000 hours of testing. Also, the change in liner diameter in that area is large,
Deformation of the combustor liner had occurred. As described above, the combustor liner of the present invention, in which TBC is applied only to the portions of the base material where the temperature becomes high, has sufficient durability and reliability. Furthermore, for the combustor liner shown in Fig. 4,
Similar to the example shown in FIG. 2, the same effects as in this embodiment can be obtained even when TBC is applied to the entire inner surface of the liner.

第7図は他の実施例であり、第3図と同様、燃焼器の冷
却空気流入孔2aを示している。第7図は前述したルー
バー型とは異なり、内面3にさらに冷却空気が内面に沿
って流れるようにリング7が取付いている場合を示して
いる。本図においても、前述したと同様結合層5、セラ
ミック層6により形成され結合層の端部5a、5b、セ
ラミック層の端部6a、6bは、セラミック層の端部6
a、6bが結合層5の上に位置しておりかつ。
FIG. 7 shows another embodiment, and similarly to FIG. 3, it shows the cooling air inflow hole 2a of the combustor. FIG. 7 shows a case in which, unlike the louver type described above, a ring 7 is attached to the inner surface 3 so that cooling air flows along the inner surface. In this figure as well, the bonding layer 5 and the ceramic layer 6 are formed as described above, and the bonding layer ends 5a, 5b and the ceramic layer ends 6a, 6b are the ceramic layer end 6.
a, 6b are located on the bonding layer 5, and.

結合層の端部5a、5bとはずれて施工されている。よ
って、溶射方向Bは、結合層溶射の場合は軸芯に対し、
上流側1bあいろいは下流側1aを向きながら施工され
るが、セラミック層溶射時で −は、軸芯に対し下流側
1aを向くようにして施工される。この構造においても
本発明によればTBCの耐久性が倹しく改善される。
It is constructed apart from the ends 5a and 5b of the bonding layer. Therefore, in the case of bonded layer spraying, the spraying direction B is relative to the axis,
The upstream side 1b color is applied facing the downstream side 1a, but when ceramic layer is thermally sprayed, - is applied so as to face the downstream side 1a with respect to the axis. Even in this structure, the durability of the TBC can be improved in a economical manner according to the present invention.

本発明は、高温条件下にさらされる他のガスタービン燃
焼器に対して有効なものである。更に、TBCを構成す
る結合層材料−は、合金中にAlが5%以以上3菌 又、セラミック被覆層を構成する材料は、ZrO2を主
成分とし、安定化剤として、Cab,MgO。
The present invention is useful for other gas turbine combustors that are exposed to high temperature conditions. Furthermore, the bonding layer material constituting the TBC has an alloy containing 5% or more of Al, and the material constituting the ceramic coating layer has ZrO2 as a main component, and Cab and MgO are used as stabilizers.

Y x O a等のいずれか一つを含むものが好ましい
Those containing any one of Y x O a and the like are preferred.

それぞれの被覆層の厚さに関しては.TBCの遮熱効果
と耐久性の点を考慮した場合、結合層は0 、 0 3
 m以上0.5mm以下、Zr0z系被覆層は0、05
m以上0.8m以下が好ましい。
Regarding the thickness of each coating layer. Considering the heat shielding effect and durability of TBC, the bonding layer is 0.03
m or more and 0.5 mm or less, Zr0z-based coating layer is 0.05
The length is preferably 0.8 m or more.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明によれば、結合層の酸化腐蝕
の進行を防止できるので、セラミック被覆層の結合強度
を長期間にわたり、安定的に維持することができる。
As explained above, according to the present invention, progress of oxidative corrosion of the bonding layer can be prevented, so that the bonding strength of the ceramic coating layer can be stably maintained over a long period of time.

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

第1図は、本発明を実施したTBCの断面の金属組織を
示す顕微鏡写真、第2図は、TBCを施すガスタービン
燃焼器ライナの外観図,第3図は第2図のライナのルー
バ近傍の断面図、第4図は、)rBcを施した別のタイ
プの燃焼器ライナの外観図、第5図、及び第6図は、従
来のTBCの高温酸化後の断面の金属組織を示す顕微鏡
写真、第7図は燃焼器ライナの別のタイプの断面図であ
る。 1・・・燃焼器ライナ、2・・・ルーバ、5・・・結合
層、6・・・セラミック層。
Figure 1 is a micrograph showing the metal structure of a cross section of a TBC according to the present invention, Figure 2 is an external view of a gas turbine combustor liner to which TBC is applied, and Figure 3 is the vicinity of the louver of the liner in Figure 2. Figure 4 is an external view of another type of combustor liner treated with rBc, Figures 5 and 6 are micrographs showing the metallographic structure of a cross section of conventional TBC after high temperature oxidation. The photograph, FIG. 7, is a cross-sectional view of another type of combustor liner. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Combustor liner, 2... Louver, 5... Bonding layer, 6... Ceramic layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、Ni、Co、Feの少くとも1種を主成分とする基
材上に、NiとCoの一方を主成分としCrとAlを含
み前記基材よりも高温耐酸化、高温耐蝕性に優れた合金
の結合層を有し、前記結合層上にZrO_2を主成分と
するセラミックから成る被覆層を有する耐熱部材におい
て、前記結合層と前記セラミック被覆層の端面に前記結
合層の露出部を有し、且つ前記結合層と前記セラミック
被覆層の境界にAlを主成分とする酸化物層を予め有す
ることを特徴とするセラミック被覆耐熱部材。 2、特許請求の範囲第1項において、前記セラミック被
覆層を構成する材料が、ZrO_2を主成分とし、Ca
O、MgO、Y_2O_3の1つ以上を含むものである
ことを特徴とするセラミック被覆耐熱部材。 3、特許請求の範囲第1項において、前記合金の結合層
を構成する材料が、CoあるいはNiのいずれか1つを
主成分とし、Crを10〜30重量%及びAlを5〜3
0重量%含み、更にHf、Ta、Y、Si、Zrの1つ
以上を0.1〜5重量%含む合金よりなることを特徴と
するセラミック被覆耐熱部材。 4、特許請求の範囲第1項において、前記酸化物層の厚
さが0.1μm〜20μmであることを特徴とするセラ
ミック被覆耐熱部材。 5、特許請求の範囲第1項において、前記合金の結合層
の厚さが0.03mm〜0.5mm、前記セラミック被
覆層の厚さが0.05mm〜0.8mmであることを特
徴とするセラミック被覆耐熱部材。 6、Ni、Co、Feの少くとも1つを主成分として構
成された基材の表面に、Ni、Coの一方を主成分とし
Cr及びAlを含み前記基材よりも高温耐酸化性、高温
耐食性に優れた合金の結合層を形成する工程と前記結合
層の表面にZrO_2を主成分とするセラミックからな
る被覆層を形成し且つその際前記結合層の端部を露出さ
せて被覆する工程と、前記結合層と前記セラミック被覆
層の境界にAlを主成分とする酸化物層を形成する熱処
理工程とを含むことを特徴とするセラミック被覆耐熱部
材の製造方法。 7、特許請求の範囲第6項において、前記結合層を、酸
素分圧10−^3気圧以下の雰囲気中でプラズマ溶射に
て形成することを特徴とするセラミック被覆耐熱部材の
製造方法。 8、特許請求の範囲第6項において、前記酸化物層を形
成する工程は、600℃〜1200℃の温度範囲で1時
間〜200時間、大気中で加熱処理する工程を含むこと
を特徴とするセラミック被覆耐熱部材の製造方法。
[Scope of Claims] 1. On a base material containing at least one of Ni, Co, and Fe as a main component, containing one of Ni or Co as a main component and containing Cr and Al, which has higher temperature oxidation resistance than the base material. , in a heat-resistant member having a bonding layer made of an alloy with excellent high-temperature corrosion resistance, and having a coating layer made of ceramic containing ZrO_2 as a main component on the bonding layer, the bonding layer is formed on the end face of the bonding layer and the ceramic coating layer. A ceramic-coated heat-resistant member, characterized in that the layer has an exposed portion, and an oxide layer containing Al as a main component is previously provided at the boundary between the bonding layer and the ceramic coating layer. 2. In claim 1, the material constituting the ceramic coating layer contains ZrO_2 as a main component and Ca
A ceramic-coated heat-resistant member characterized by containing one or more of O, MgO, and Y_2O_3. 3. In claim 1, the material constituting the bonding layer of the alloy contains either Co or Ni as a main component, 10 to 30% by weight of Cr, and 5 to 3% by weight of Al.
1. A ceramic-coated heat-resistant member comprising an alloy containing 0% by weight and further containing 0.1 to 5% by weight of one or more of Hf, Ta, Y, Si, and Zr. 4. A ceramic-coated heat-resistant member according to claim 1, wherein the oxide layer has a thickness of 0.1 μm to 20 μm. 5. Claim 1, characterized in that the alloy bonding layer has a thickness of 0.03 mm to 0.5 mm, and the ceramic coating layer has a thickness of 0.05 mm to 0.8 mm. Ceramic coated heat resistant parts. 6. The surface of a base material composed of at least one of Ni, Co, and Fe as a main component contains one of Ni or Co as a main component and contains Cr and Al, and has higher temperature oxidation resistance and higher temperature than the base material. a step of forming a bonding layer of an alloy with excellent corrosion resistance; and a step of forming a coating layer made of ceramic containing ZrO_2 as a main component on the surface of the bonding layer, and exposing and covering the edges of the bonding layer at this time. A method for manufacturing a ceramic-coated heat-resistant member, comprising: a heat treatment step of forming an oxide layer containing Al as a main component at the boundary between the bonding layer and the ceramic coating layer. 7. A method for manufacturing a ceramic-coated heat-resistant member according to claim 6, characterized in that the bonding layer is formed by plasma spraying in an atmosphere with an oxygen partial pressure of 10-3 atmospheres or less. 8. In claim 6, the step of forming the oxide layer includes a step of heat treatment in the air at a temperature range of 600° C. to 1200° C. for 1 hour to 200 hours. A method for manufacturing a ceramic-coated heat-resistant member.
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