JPWO2009116596A1 - コーティング構造及び表面処理方法 - Google Patents

コーティング構造及び表面処理方法 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2009116596A1
JPWO2009116596A1 JP2010503913A JP2010503913A JPWO2009116596A1 JP WO2009116596 A1 JPWO2009116596 A1 JP WO2009116596A1 JP 2010503913 A JP2010503913 A JP 2010503913A JP 2010503913 A JP2010503913 A JP 2010503913A JP WO2009116596 A1 JPWO2009116596 A1 JP WO2009116596A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
intermediate layer
coating
thermal expansion
oxide
expansion coefficient
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010503913A
Other languages
English (en)
Inventor
康智 田中
康智 田中
村田　裕茂
裕茂 村田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IHI Corp filed Critical IHI Corp
Publication of JPWO2009116596A1 publication Critical patent/JPWO2009116596A1/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/52—Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/89—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C28/00—Coating 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
    • C23C28/04—Coating 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 only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/042—Coating 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 only coatings of inorganic non-metallic material including a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxides, ZrO2, rare earth oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C23C4/11—Oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M5/00—Casings; Linings; Walls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining

Abstract

高温部品２の一部の表面にはガラスを含む酸化物セラミックスからなる中間層３が溶射によって形成され、中間層３の表面には耐熱性・耐水蒸気減肉性を有するコーティング材料からなる耐環境被膜４が形成される。この酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化しても同じ体積を保つ複数種の酸化物セラミックスであって、当該複数種の酸化物セラミックスは、高温部品２を構成するＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と耐環境被膜４を構成するコーティング材料の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有している。

Description

本発明は、ガスタービン部品等の高温部品の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するためのコーティング構造及び表面処理方法に関する。
近年、水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されるガスタービン部品等の高温部品の素材として、ニッケル合金等の耐熱合金よりも耐熱性に優れかつ比重の小さいＳｉＣ系セラミックス基複合材料（ＣＭＣ）が注目されている。一方、高温ガス中の水蒸気はＳｉ含有材料の減肉反応を引き起こすことが知られており、高温部品の素材としてＳｉＣ系セラミックス基複合材料を選択する場合には、高温部品の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保する必要がある。そして、耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するため、通常、高温部品の一部には次のようなコーティング構造が施工されている。
即ち、高温部品の一部の表面には、ガラスを含む酸化物セラミックスからなる中間層が形成されている。そして、中間層の表面には、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有するコーティング材料からなる耐環境被膜が形成されている。換言すれば、高温部品の一部の表面には、耐環境被膜が中間層を介して形成されている。ここで、中間層を構成する酸化物セラミックスは、高温部品を構成するＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と耐環境被膜を構成するコーティング材料の熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有している。
これにより、中間層によって高温部品と耐環境被膜の熱膨張差による耐環境被膜の残留応力を段階的に緩和することができ、耐環境被膜のクラック・剥離を抑えて、高温部品に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を長期に亘って確保することができる。
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。
特開２００４−３４６４２８号公報 特開２００５−２００２２６号公報
ところで、酸化物セラミックスからなる中間層を形成する際には、コーティング構造の施工の容易性・確実性から溶射法が用いられる。一方、溶射によって形成された中間層内のセラミックス粒子（溶射粒子）は不安定な状態にあり、９００℃以上の高温ガス環境下に一旦熱暴露されると、中間層内のセラミックス粒子は焼結して安定な状態に移行して、中間層が体積収縮することになる。そのため、高温部品が９００℃以上の高温ガス環境下で使用される場合には、中間層のクラック・剥離が生じ易く、高温部品に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を長期に亘って確保することが困難になる。つまり、コーティング構造の施工、換言すれば表面処理の施工の容易性・確実性を便を図った上で、９００℃以上の高温ガス環境下で使用される高温部品に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を長期に亘って確保すること困難であるという課題がある。
そこで、本発明は、前述の課題を解決することができる、新規な構成のコーティング構造及び表面処理方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の第一の側面によれば、水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されかつＳｉＣ系セラミックス基複合材料からなる高温部品の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するためのコーティング構造において、前記高温部品の一部の表面に溶射によって形成され、ガラスを含む酸化物セラミックスからなる中間層と、前記中間層の表面に形成され、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有するコーティング材料からなる耐環境被膜と、を備え、前記中間層を構成する前記酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化したとしても同じ体積を保つ複数種の酸化物セラミックスであって、前記複数種の酸化物セラミックスは、前記高温部品を構成する前記ＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と前記耐環境被膜を構成する前記コーティング材料の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有していることを特徴とするコーティング構造が提供される。
本発明の第二の側面によれば、水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されかつＳｉＣ系セラミックス基複合材料からなる高温部品の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するための表面処理方法において、ガラスを含む酸化物セラミックスの粉末を溶射材料として用い、溶射によって半溶融状態の前記酸化物セラミックスの粉末を前記高温部品の一部の表面に堆積させて中間層を形成する中間層形成工程と、前記中間層形成工程の終了後に、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有するコーティング材料の粉末を溶射材料として用い、溶射によって半溶融状態の前記コーティング材料の粉末を前記中間層の表面に堆積させて耐環境被膜を形成する耐環境被膜形成工程と、を備え、前記中間層形成工程に用いる前記酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化したとしても同じ体積を保つ複数種の酸化物セラミックスであって、前記複数種の酸化物セラミックスは、前記高温部品を構成する前記ＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と前記耐環境被膜を構成する前記コーティング材料の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有していることを特徴とする表面処理方法が提供される。
図１は、本発明の一実施形態に係るコーティング構造及び表面処理方法を説明する図である。 図２は、中間層を模擬した２つの試験片についての熱膨張試験の結果を示す図であり、図２（ａ）は、一比較例としての試験片Ａについての熱膨張試験の結果を示す図であり、図２（ｂ）は、一実施例としての試験片Ｂについての熱膨張試験の結果を示す図である。 図３は、図２の２つの試験片におけるセラミックス粒子の状態を示す図であり、図３（ａ）は、試験片Ａにおけるセラミックス粒子の状態を示す図であり、図３（ｂ）は、試験片Ｂにおけるセラミックス粒子の状態を示す図である。 図４は、熱暴露前の高温部品のコーティング構造を示す図であり、図４（ａ）は、一比較例のコーティング構造の断面図であり、図４（ｂ）は、一実施例のコーティング構造の断面図である。 図５は、図４に示す比較例と実施例のコーディング構造の１３００℃で大気暴露試験を行った前後における外観を比較した図である。 図６は、図５に示す大気暴露試験後の実施例のコーティング構造の断面図である。
本発明の実施形態について図１から図６を参照して説明する。
［１］まず、本発明の一実施形態に係るコーティング構造及び表面処理方法の前提となる新規な知見について、図２を用いて説明する。
図２に、中間層を模擬した試験片Ａ（一比較例：図示省略）及び試験片Ｂ（一実施例：図示省略）についてそれぞれ熱膨張試験を行った結果を示した。
具体的には、一比較例として、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2−Ｍｕｌｌｉｔｅの粉末を溶射材料として用い、真空溶射によって中間層を模擬した試験片Ａを製作した。また、一実施例として、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2−Ｍｕｌｌｉｔｅの粉末とＹｂ2ＳｉＯ5の粉末の混合粉末（溶射皮膜形成後の体積比が１：１となるように混合比を調整した粉末）を溶射材料として用い、真空溶射によって中間層を模擬した試験片Ｂを製作した。更に、環境温度を変化させて（室温〜１２００℃まで上昇させて、１２００〜１００℃まで下降させて）、試験片Ａ及び試験片Ｂについてそれぞれ熱膨張試験を行い、試験片Ａ及び試験片Ｂのそれぞれの熱膨張率を測定した。そして、図２（ａ）は、試験片Ａについて熱膨張試験の結果をまとめたものであり、図２（ｂ）は、試験片Ｂについて熱膨張試験の結果をまとめたものである。
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、環境温度が上昇して９００℃を越えると、試験片Ａの熱膨張率は大きく低下して、試験片Ａに大きな体積収縮が生じるのに対して、試験片Ｂの熱膨張率は、試験片Ａと比較した場合、その低下が抑制されており、その結果、試験片Ｂの体積収縮は低減された。これは、９００℃以上の高温ガス環境下に一旦熱暴露されることにより、試験片Ａの場合には、図３（ａ）に示すように、試験片Ａ内のセラミックス粒子（溶射粒子）Ｃが焼結して安定な状態に移行するのに対して、試験片Ｂの場合には、図３（ｂ）に示すように、試験片Ｂ内のセラミックス粒子（溶射粒子）Ｃ，ＣＤの焼結が抑制されたことによるものである。
更に、Ｙｂ2ＳｉＯ5の粉末に代えてＹｂ2Ｓｉ2Ｏ7の粉末を用いて製作した試験片Ｃ（図示省略）についても熱膨張試験をした結果、試験片Ｂについての熱膨張試験の結果と同様の結果を得ることができた。
ここで、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2、Ｙｂ2ＳｉＯ5、及びＹｂ2Ｓｉ2Ｏ7は、それぞれ室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しない酸化物セラミックである。なお、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しない酸化物セラミックの代わりに、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化したとしても同じ体積を保つ酸化物セラミックスを用いても、前述の熱膨張試験の結果と同様の結果が得られるものと推測される。
これらの熱膨張試験の結果から、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化したとしても同じ体積を保つ複数種の酸化物セラミックスにより中間層が構成されている場合には、中間層が溶射によって形成されてあっても、９００℃以上の高温ガス環境下に一旦熱暴露される際に生じる中間層内のセラミックス粒子（溶射粒子）の焼結を抑制して、中間層の体積収縮を低減することができるという、新規な知見を得ることができた。
［２］続いて、本発明の実施形態に係るコーティング構造について、図１を用いて説明する。
図１（ｃ）に示すように、本発明の一実施形態に係るコーティング構造１は、水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されるガスタービン部品２（高温部品の一例）の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するための構造であって、具体的な構成は、次のようになる。なお、ガスタービン部品２は、例えばタービン翼であって、ＳｉＣ系セラミックス基複合材料からなっている。
ガスタービン部品２の一部の表面には、ガラスを含む酸化物セラミックスからなる中間層３が真空溶射によって形成されている。なお、中間層３が真空溶射によって形成される代わりに、大気溶射によって形成されるようにしても構わない。
中間層３の表面には、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有する酸化物セラミックス（コーティング材料の一例）からなる耐環境被膜４が大気溶射によって形成されている。換言すれば、ガスタービン部品２の一部の表面には、耐環境被膜４が中間層３を介して形成されている。ここで、耐環境被膜４を構成する酸化物セラミックスは、希土類酸化物、希土類シリケート、ストロンチウムアルミノシリケート、又はIVＡ族金属酸化物である。なお、耐環境被膜４を大気溶射によって形成する代わりに、真空溶射によって形成するようにしても構わない。
そして、本発明の実施形態に係るコーティング構造１において、中間層３を構成する酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化したとしても同じ体積を保つ２種類の酸化物セラミックスからなる。具体的には、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2とＹｂ2ＳｉＯ5の場合と、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2とＹｂ2Ｓｉ2Ｏ7の場合とがある。また、中間層３を構成する２種類の酸化物セラミックスは、ガスタービン部品２を構成するＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数（ここでは、３×１０-6／℃）と耐環境被膜４を構成する酸化物セラミックスの熱膨張係数（ここでは、５〜１０×１０-6／℃）の中間の熱膨張係数を有している。ここで、中間層３を構成する２種類の酸化物セラミックスの熱膨張係数は、２種類の酸化物セラミックスの混合体積比等によって決定される。ここでは、２種類の酸化物セラミックスの混合体積比は、例えば１：１である。ここで、混合体積比とは、前述したように溶射皮膜形成後の体積比（混合比）のことである。
［３］続いて、本発明の一実施形態に係る表面処理方法について、図１を用いて説明する。
本発明の一実施形態に係る表面処理方法は、水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されるガスタービン部品２（図１（ａ）参照）の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するための方法であって、次のような中間層形成工程と耐環境被膜形成工程を備えている。
＜中間層形成工程＞
ガラスを含む酸化物セラミックスの粉末を溶射材料として用い、真空溶射によって半溶融状態の酸化物セラミックスの粉末をガスタービン部品２の一部の表面に堆積させる。これにより、図１（ｂ）に示すように、ガスタービン部品２の一部に中間層３を形成することができる。なお、中間層３を真空溶射によって形成する代わりに、大気溶射によって形成するようにしても構わない。
＜耐環境被膜形成工程＞
中間層形成工程の終了後に、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有する酸化物セラミックス（コーティング材料の一例）粉末を溶射材料として用い、大気溶射によって半溶融状態の酸化物セラミックスの粉末を中間層３の表面に堆積させる。これにより、図１（ｃ）に示すように、中間層３の表面に耐環境被膜４を形成することができる。換言すれば、ガスタービン部品２の一部に耐環境被膜４を中間層３を介して形成することができる。ここで、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有する酸化物セラミックスとは、希土類酸化物、希土類シリケート、ストロンチウムアルミノシリケート、又はIVＡ族金属酸化物である。なお、耐環境被膜４を大気溶射によって形成する代わりに、真空溶射によって形成するようにしても構わない。
本発明の一実施形態に係る表面処理方法において、中間層形成工程に用いる酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化したとしても同じ体積を保つ２種類の酸化物セラミックスであって、ここでは、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2とＹｂ2ＳｉＯ5の場合と、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2とＹｂ2Ｓｉ2Ｏ7の場合とがある。また、中間層形成工程に用いる２種類の酸化物セラミックスは、ガスタービン部品２を構成するＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数（ここでは、３×１０-6／℃）と耐環境被膜４を構成する酸化物セラミックスの熱膨張係数（ここでは、５〜１０×１０-6／℃）の中間の熱膨張係数を有している。
［４］最後に、本発明の実施形態の作用及び効果について、図４及び図５を用いて説明する。
中間層３を構成する２種類の酸化物セラミックス（中間層形成工程に用いる２種類の酸化物セラミックス）は、ガスタービン部品２を構成するＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と耐環境被膜４を構成する酸化物セラミックスの熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有しているため、中間層３によってガスタービン部品２と耐環境被膜４の熱膨張差による耐環境被膜４の残留応力を段階的に緩和することができる。
また、中間層３を構成する２種類の酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化したとしても同じ体積を保つようになっているため、前述の新規な知見を考慮すると、中間層３が溶射によって形成されてあっても、９００℃以上の高温ガス環境下に一旦熱暴露される際に生じる中間層３内のセラミックス粒子Ｃ，ＣＤの焼結を抑制して、中間層３の体積収縮を低減することができる。
更に、中間層３が真空溶射によって形成されている場合には（換言すれば、中間層形成工程において中間層３を真空溶射によって形成する場合には）、中間層３を密な組織にして、水蒸気を含む高温ガスが中間層３を透過することを十分に抑えることができる。
従って、本発明の一実施形態によれば、中間層３が溶射によって形成したとしても、９００℃以上の高温ガス環境下に一旦熱暴露される際に生じる中間層３内のセラミックス粒子Ｃ，ＣＤの焼結を抑制して、中間層３の体積収縮を低減することができる。従って、コーティング構造１の施工（換言すれば、表面処理の施工）の容易性・確実性の便を図った上で、中間層３のクラック・剥離の発生を抑えて、９００℃以上の高温ガス環境下で使用されるガスタービン部品２に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を長期に亘って確保することができる。
図４は、熱暴露前の高温部品のコーティング構造を示す図であり、図４（ａ）は、一比較例のコーティング構造を示す断面図であり、図４（ｂ）は、一実施例のコーティング構造の断面図である。一比較例は、耐環境被膜としてＨｆＯ２、中間層として３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2−Ｍｕｌｌｉｔｅの粉末を溶射材料として用い、溶射によって高温部品をコーティングした場合のコーティング構造である。また、一実施例は、耐環境被膜としてＨｆＯ２、中間層として３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2−Ｍｕｌｌｉｔｅの粉末とＹｂ2ＳｉＯ5の粉末の混合粉末（溶射皮膜形成後の体積比が１：１となるように混合比を調整した粉末）を溶射材料として用い、溶射によって高温部品をコーティングした場合のコーティング構造である。
図５は、図４に示した比較例と実施例のコーティング構造の１３００℃で大気暴露試験を行った前後における外観を比較した図である。大気暴露試験後の比較例と実施例との外観を見比べてみればわかるように、比較例のコーティングには剥離が認められる一方で、実施例のコーティングには剥離が認められない。
図６は、図５に示した大気暴露試験後の実施例のコーティング構造の断面図である。図５の右上の図に示したように、比較例においては大気暴露試験後にコーティングが剥離してしまったが、一方、図６の断面図から明らかなように、実施例においては大気暴露試験後にコーティングが剥離しなかったことがわかる。
また、中間層３が真空溶射によって形成されている場合には、水蒸気を含む高温ガスが中間層３を透過することを十分に抑えることができるため、ガスタービン部品２の耐水蒸気減肉性をより向上させることができる。
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。
本発明によれば、前記中間層が溶射によって形成されてあっても、９００℃以上の高温ガス環境下に一旦熱暴露される際に生じる前記中間層内のセラミックス粒子の焼結を抑制して、前記中間層の体積収縮を低減することができるため、前記コーティング構造の施工、換言すれば、表面処理の施工の容易性・確実性を便を図った上で、前記中間層のクラック・剥離の発生を抑えて、９００℃以上の高温ガス環境下で使用される前記高温部品に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を長期に亘って確保することができる。

Claims (7)

  1. 水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されかつＳｉＣ系セラミックス基複合材料からなる高温部品の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するためのコーティング構造において、
    前記高温部品の一部の表面に溶射によって形成され、ガラスを含む酸化物セラミックスからなる中間層と、
    前記中間層の表面に形成され、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有するコーティング材料からなる耐環境被膜と、
    を備え、
    前記中間層を構成する前記酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化しても同じ体積を保つ複数種の酸化物セラミックスであって、前記複数種の酸化物セラミックスは、前記高温部品を構成する前記ＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と前記耐環境被膜を構成する前記コーティング材料の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有していることを特徴とするコーティング構造。
  2. 前記中間層を構成する前記複数種の酸化物セラミックスは、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2とＹｂ2ＳｉＯ5であることを特徴とする請求項１に記載のコーティング構造。
  3. 前記中間層は、真空溶射によって形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコーティング構造。
  4. 前記耐環境被膜を構成する前記コーティング材料は、希土類酸化物、希土類シリケート、ストロンチウムアルミノシリケート、又はIVＡ族金属酸化物であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のコーティング構造。
  5. 水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されかつＳｉＣ系セラミックス基複合材料からなる高温部品の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するための表面処理方法において、
    ガラスを含む酸化物セラミックスの粉末を溶射材料として用い、溶射によって半溶融状態の前記酸化物セラミックスの粉末を前記高温部品の一部の表面に堆積させて中間層を形成する中間層形成工程と、
    前記中間層形成工程の終了後に、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有するコーティング材料の粉末を溶射材料として用い、溶射によって半溶融状態の前記コーティング材料の粉末を前記中間層の表面に堆積させて耐環境被膜を形成する耐環境被膜形成工程と、
    を備え、
    前記中間層形成工程に用いる前記酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化しても同じ体積を保つ複数種の酸化物セラミックスであって、前記複数種の酸化物セラミックスは、前記高温部品を構成する前記ＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と前記耐環境被膜を構成する前記コーティング材料の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有していることを特徴とする表面処理方法。
  6. 前記中間層を構成する前記複数種の酸化物セラミックスの粉末は、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2とＹｂ2ＳｉＯ5の粉末であることを特徴とする請求項５に記載の表面処理方法。
  7. 前記中間層形成工程は、真空溶射によって前記中間層を形成することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の表面処理方法。
JP2010503913A 2008-03-21 2009-03-18 コーティング構造及び表面処理方法 Pending JPWO2009116596A1 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008074603 2008-03-21
JP2008074603 2008-03-21
PCT/JP2009/055345 WO2009116596A1 (ja) 2008-03-21 2009-03-18 コーティング構造及び表面処理方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPWO2009116596A1 true JPWO2009116596A1 (ja) 2011-07-21

Family

ID=41090995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010503913A Pending JPWO2009116596A1 (ja) 2008-03-21 2009-03-18 コーティング構造及び表面処理方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20110020655A1 (ja)
EP (1) EP2264208A4 (ja)
JP (1) JPWO2009116596A1 (ja)
CN (1) CN102137950A (ja)
WO (1) WO2009116596A1 (ja)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5870652B2 (ja) * 2011-11-28 2016-03-01 株式会社Ihi 被膜付きセラミックス基複合材料およびその製造方法
JP5953947B2 (ja) * 2012-06-04 2016-07-20 株式会社Ihi 耐環境被覆されたセラミックス基複合材料部品及びその製造方法
US9938839B2 (en) * 2014-03-14 2018-04-10 General Electric Company Articles having reduced expansion and hermetic environmental barrier coatings and methods for their manufacture
CN104860717B (zh) * 2015-04-15 2016-11-23 哈尔滨工业大学 一种刚性陶瓷隔热瓦表面涂层的制备方法
US20170101347A1 (en) * 2015-10-08 2017-04-13 General Electric Company Method for coating removal
CN110396004A (zh) * 2018-04-25 2019-11-01 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种抗热震与抗高温水蒸气腐蚀的硅酸镱复合涂层及其制备方法和应用
JP6948466B2 (ja) * 2019-02-14 2021-10-13 日本碍子株式会社 焼成治具
CN114126859B (zh) * 2019-07-25 2023-10-20 Ａｇｃ株式会社 层叠构件
CN112250476B (zh) * 2020-10-29 2022-02-01 昆明理工大学 具有高温陶瓷涂层YSZ-RETaO4的SiC基复合材料及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6733908B1 (en) * 2002-07-08 2004-05-11 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Multilayer article having stabilized zirconia outer layer and chemical barrier layer
JP2005200226A (ja) * 2004-01-13 2005-07-28 Central Res Inst Of Electric Power Ind 耐環境性皮膜材料及びそれを利用した皮膜構造体並びにセラミック構造物
JP2006200037A (ja) * 2005-01-21 2006-08-03 General Electric Co <Ge> ケイ素含有材料用の、遷移層を有する熱／環境バリヤーコーティング
JP2006199575A (ja) * 2005-01-21 2006-08-03 General Electric Co <Ge> ケイ素含有材料用の熱／環境バリヤーコーティング
JP2008308374A (ja) * 2007-06-15 2008-12-25 Kawasaki Heavy Ind Ltd 炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の耐環境コーティング

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1088368A (ja) * 1996-09-19 1998-04-07 Toshiba Corp 遮熱コーティング部材およびその作製方法
US6485848B1 (en) * 1998-04-27 2002-11-26 General Electric Company Coated article and method of making
US6410148B1 (en) * 1999-04-15 2002-06-25 General Electric Co. Silicon based substrate with environmental/ thermal barrier layer
US6787195B2 (en) * 2003-02-03 2004-09-07 General Electric Company Method of depositing a coating on Si-based ceramic composites
US20040234782A1 (en) 2003-05-22 2004-11-25 Sun Ellen Y. Environmental barrier coating for silicon based substrates
US7740960B1 (en) * 2005-08-26 2010-06-22 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Multifunctionally graded environmental barrier coatings for silicon-base ceramic components
EP1996341B1 (en) * 2006-02-20 2018-09-26 Kang N. Lee Article including enviromental barrier coating system
US7968217B2 (en) * 2007-06-26 2011-06-28 General Electric Company Articles for high temperature service and methods for their manufacture
US20090184280A1 (en) * 2008-01-18 2009-07-23 Rolls-Royce Corp. Low Thermal Conductivity, CMAS-Resistant Thermal Barrier Coatings
US20090186237A1 (en) * 2008-01-18 2009-07-23 Rolls-Royce Corp. CMAS-Resistant Thermal Barrier Coatings
US10717678B2 (en) * 2008-09-30 2020-07-21 Rolls-Royce Corporation Coating including a rare earth silicate-based layer including a second phase

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6733908B1 (en) * 2002-07-08 2004-05-11 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Multilayer article having stabilized zirconia outer layer and chemical barrier layer
JP2005200226A (ja) * 2004-01-13 2005-07-28 Central Res Inst Of Electric Power Ind 耐環境性皮膜材料及びそれを利用した皮膜構造体並びにセラミック構造物
JP2006200037A (ja) * 2005-01-21 2006-08-03 General Electric Co <Ge> ケイ素含有材料用の、遷移層を有する熱／環境バリヤーコーティング
JP2006199575A (ja) * 2005-01-21 2006-08-03 General Electric Co <Ge> ケイ素含有材料用の熱／環境バリヤーコーティング
JP2008308374A (ja) * 2007-06-15 2008-12-25 Kawasaki Heavy Ind Ltd 炭化ケイ素系繊維強化セラミックス複合材料の耐環境コーティング

Also Published As

Publication number Publication date
CN102137950A (zh) 2011-07-27
EP2264208A4 (en) 2015-03-25
EP2264208A1 (en) 2010-12-22
WO2009116596A1 (ja) 2009-09-24
US20110020655A1 (en) 2011-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2009116596A1 (ja) コーティング構造及び表面処理方法
JP6689572B2 (ja) 低膨張性及び気密性耐環境皮膜を有する物品並びにそれらの製造方法
JP6462011B2 (ja) コーティング部材及びコーティング部材の製造方法
JP3866002B2 (ja) シリコンを含有する基板とイットリウムを含有するバリア層とを有する物品及びその製造方法
JP6616282B2 (ja) 耐減肉性セラミックマトリックス複合材及び耐環境皮膜
US8168259B2 (en) Articles for high temperature service and methods for their manufacture
JP3723719B2 (ja) シリコンを含有する基板とバリア層とを有する物品及びその製造方法
CN104379345B (zh) 进行了耐环境包覆的陶瓷基复合材料构件及其制造方法
TW467875B (en) Coated article and method of making
US7374818B2 (en) Coating system for silicon based substrates
EP2287138A2 (en) Techniques for depositing coating on ceramic substrate
JP2006028015A (ja) 環境障壁被覆膜系を含む物品、及びその製造方法
US20090155554A1 (en) Environmental barrier coating and related articles and methods
US20110052925A1 (en) Articles for high temperature service and methods for their manufacture
CN108689725B (zh) 复合涂层及其制造方法
CN1935746A (zh) 具有含铪阻隔层的硅基基材
JP2017528408A (ja) 高温供用物品
JP2010513205A (ja) 腐食から保護されたシリコン含有セラミックマトリクスを有する複合材料部分
CN108947588A (zh) 一种C/SiC复合材料和用于该材料的抗氧化涂层及其制备方法
JP2011502091A (ja) セラミック製の層状複合材及び、該セラミック製の層状複合材を製造するための方法
US7538045B2 (en) Coating process to enable electrophoretic deposition
CN103782102B (zh) 用于燃烧室衬里特别是燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖及其制造方法
JP2003252694A (ja) ＳｉＣ繊維複合化ＳｉＣ複合材料
CN105671619A (zh) 使用电泳沉积形成制品的方法及相关的制品
CN112657815A (zh) 一种316L不锈钢管内壁Al2O3/SiO2复合阻氚涂层的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130305

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130424

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130806

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20140128