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JP3290976B2 - Ceramic thermal barrier coating - Google Patents
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JP3290976B2 - Ceramic thermal barrier coating - Google Patents

Ceramic thermal barrier coating

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JP3290976B2
JP3290976B2 JP2000094145A JP2000094145A JP3290976B2 JP 3290976 B2 JP3290976 B2 JP 3290976B2 JP 2000094145 A JP2000094145 A JP 2000094145A JP 2000094145 A JP2000094145 A JP 2000094145A JP 3290976 B2 JP3290976 B2 JP 3290976B2
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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、ガスタービンの動
静翼(動翼、静翼)、燃焼器などの金属製部材を燃焼ガ
スによる高温環境から保護するためのセラミックス遮熱
コーティングに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic thermal barrier coating for protecting metal members such as moving and stationary blades (moving blades and stationary blades) and combustors of a gas turbine from a high-temperature environment caused by combustion gas. .

【0002】[0002]

【従来の技術】ガスタービンの動静翼、燃焼器などの金
属製部材を燃焼ガスによる高温環境から保護するための
遮熱コーティング(thermal barrier
coating、TBC)は、金属基材上に施工される
100ミクロン程度の金属接合層(MCrAlY:M=
Ni及び/又はCo)、及び燃焼ガスに曝される面に施
工される安定化ジルコニアに代表される低熱伝導性セラ
ミックスからなる200ミクロン程度のセラミックス遮
熱層から構成される2層構造が一般的である。この2層
構造の遮熱コーティングは、図5に示すように、金属基
材10上に金属接合層12(第1層)、セラミックス遮
熱層14(第2層)を施工したものである。通常、金属
接合層は低圧溶射(減圧プラズマ溶射等)で施工され、
セラミックス遮熱層は大気プラズマ溶射で施工される。
2. Description of the Related Art A thermal barrier coating for protecting metal members such as moving blades and combustors of a gas turbine from a high temperature environment caused by a combustion gas.
Coating (TBC) is a metal bonding layer (MCrAlY: M = 100 μm) applied on a metal substrate.
Ni and / or Co), and a two-layer structure composed of a ceramic heat shield layer of about 200 microns made of a low thermal conductive ceramic represented by stabilized zirconia applied to a surface exposed to a combustion gas is generally used. It is. As shown in FIG. 5, the thermal barrier coating having the two-layer structure is obtained by applying a metal bonding layer 12 (first layer) and a ceramic thermal barrier layer 14 (second layer) on a metal substrate 10. Usually, the metal bonding layer is applied by low pressure spraying (low pressure plasma spraying etc.)
The ceramic thermal barrier is applied by atmospheric plasma spraying.

【0003】上記の遮熱コーティングを施された金属部
材は、図7に示すように、遮熱効果が得られる反面、燃
焼ガスに曝される側の裏面は冷却されるため、結果とし
てセラミックス遮熱層内部の厚さ方向に温度勾配が生
じ、これに伴う熱応力により皮膜自体の損傷が誘発され
る。また、上述した2層構造の遮熱コーティングにおい
て、セラミックス層内部の熱応力を緩和する目的で、金
属接合層からセラミックス遮熱層に対して組成を変化さ
せた傾斜構造のコーティングが提案されている。この遮
熱コーティングは、図6に示すように、金属基材10上
に金属接合層12(第1層)、金属・セラミックス傾斜
組成層16(第2層)を施工したものである。
As shown in FIG. 7, the metal member coated with the above-mentioned heat-shielding coating has a heat-shielding effect, but the backside exposed to the combustion gas is cooled. A temperature gradient occurs in the thickness direction inside the thermal layer, and the thermal stress accompanying the thermal gradient induces damage to the film itself. In addition, in the above-described two-layer thermal barrier coating, for the purpose of relaxing thermal stress inside the ceramic layer, a coating having a gradient structure in which the composition is changed from the metal bonding layer to the ceramic thermal barrier layer has been proposed. . As shown in FIG. 6, the thermal barrier coating is obtained by applying a metal bonding layer 12 (first layer) and a metal / ceramic gradient composition layer 16 (second layer) on a metal substrate 10.

【0004】また、上述した2層構造の遮熱コーティン
グにおいて、セラミックス遮熱層の上に、さらに硬質セ
ラミックス層を付与して3層構造とし、コーティングの
耐摩耗性を向上させるという技術が知られている。ま
た、セラミックス遮熱層の上にさらに酸素を含む腐食成
分の浸透を防止するセラミックス層を付与し、コーティ
ングの寿命を向上させるという技術が知られている。例
えば、特開平6−88197号公報には、セラミックス
遮熱層の上に緻密なセラミックス層を付与する技術が開
示されている。また、特許第2575286号公報に
は、金属基材と接する層が金属層、最表層が複合セラミ
ックス層、金属層と複合セラミックス層との間が金属と
セラミックスの傾斜組成層である熱遮蔽材料が開示され
ている。
In the above-mentioned two-layer thermal barrier coating, there is also known a technique in which a hard ceramic layer is further provided on the ceramic thermal barrier layer to form a three-layer structure to improve the wear resistance of the coating. ing. Further, a technique is known in which a ceramic layer for preventing the penetration of corrosive components containing oxygen is further provided on the ceramic heat-insulating layer to improve the life of the coating. For example, JP-A-6-88197 discloses a technique for providing a dense ceramic layer on a ceramic heat shield layer. Japanese Patent No. 2575286 discloses a heat shielding material in which a layer in contact with a metal substrate is a metal layer, an outermost layer is a composite ceramic layer, and a gradient composition layer of metal and ceramic is provided between the metal layer and the composite ceramic layer. It has been disclosed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】セラミックス遮熱層内
部の温度勾配により生じる熱応力は、コーティングの損
傷を引き起こす要因の一つである。この熱応力を緩和す
るため、金属接合層からセラミックス遮熱層までの組成
を連続的に変化させた組成傾斜型コーティングは、その
特性により優れた熱衝撃特性を示す。しかし、セラミッ
クスと金属が混合された傾斜層では、この混合傾斜層に
分散した金属粒子が容易に酸化され、コーティングの損
傷を引き起こすことが問題となっている。また、セラミ
ックス遮熱層に対してさらに第3層を付与することでコ
ーティング特性を改善する技術は、耐摩耗性の向上、酸
素等の腐食あるいは酸化成分の浸透防止が目的であり、
皮膜内部熱応力による損傷は考慮していない。
The thermal stress generated by the temperature gradient inside the ceramic thermal barrier layer is one of the factors that cause damage to the coating. In order to alleviate the thermal stress, the composition gradient coating in which the composition from the metal bonding layer to the ceramic heat shield layer is continuously changed exhibits more excellent thermal shock characteristics due to its characteristics. However, in a gradient layer in which a ceramic and a metal are mixed, there is a problem that metal particles dispersed in the mixed gradient layer are easily oxidized, causing damage to the coating. In addition, the technique of improving the coating properties by adding a third layer to the ceramic heat shield layer is intended to improve abrasion resistance, prevent corrosion of oxygen or the like, or prevent penetration of oxidized components.
Damage due to thermal stress inside the coating is not considered.

【0006】本発明は上記の諸点に鑑みなされたもの
で、本発明の目的は、金属基材上に金属接合層(第1
層)、セラミックス遮熱層(第2層)、遮熱層を構成す
るセラミックスよりも低熱膨張性のセラミックスで構成
された最表面セラミックス層(第3層)からなる3層構
造の遮熱コーティングとすることにより、コーティング
の剥離や損傷を誘発する皮膜内部の温度勾配に起因する
熱応力を緩和し、皮膜特性(寿命及び耐熱衝撃性)の向
上を図ることができるセラミックス遮熱コーティングを
提供することにある。また、本発明の目的は、上記の遮
熱コーティングにおいて、第2層と第3層との間に、第
2層を構成するセラミックスと第3層を構成するセラミ
ックスとの混合層又は傾斜組成層を設置することによ
り、さらに皮膜内部熱応力を緩和して皮膜特性(寿命及
び耐熱衝撃性)の向上を図ることができるセラミックス
遮熱コーティングを提供することにある。
[0006] The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a metal bonding layer (first
Layer), a ceramic thermal barrier layer (second layer), and a thermal barrier coating having a three-layer structure comprising a ceramic surface layer (third layer) composed of ceramics having a lower thermal expansion than the ceramic constituting the thermal barrier layer. The present invention provides a ceramic thermal barrier coating capable of relieving thermal stress caused by a temperature gradient inside the film, which induces peeling and damage of the coating, thereby improving film characteristics (life and thermal shock resistance). It is in. Further, an object of the present invention is to provide, in the above-mentioned thermal barrier coating, a mixed layer or a gradient composition layer of a ceramic constituting the second layer and a ceramic constituting the third layer between the second layer and the third layer. It is another object of the present invention to provide a ceramic thermal barrier coating capable of improving the film characteristics (life and thermal shock resistance) by further reducing the internal thermal stress of the film by installing the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のセラミックス遮熱コーティングは、金属
基材を被覆する第1層がNi基合金、Co基合金、Ni
−Co基合金及びCo−Ni基合金のいずれかからなる
金属接合層であり、この第1層を被覆する第2層が低熱
伝導性のセラミックスからなるセラミックス遮熱層であ
り、この第2層を被覆する第3層が第2層を構成するセ
ラミックスよりも熱膨張係数の小さいセラミックスから
なる最表面セラミックス層であり、第2層であるセラミ
ックス遮熱層と第3層である最表面セラミックス層との
厚さの比が、遮熱コーティングが施された金属部材が曝
される温度条件に基づき、皮膜内部の温度勾配に応じて
熱膨張率を調節して皮膜内部応力が緩和できるような比
率であるように構成されている(図1参照)。例えば、
第2層であるセラミックス遮熱層の厚さが100〜50
0μmの範囲である場合に、第3層である最表面セラミ
ックス層の厚さは、本 発明のコーティングが施される
金属部材が曝される雰囲気温度条件(一例として、12
00〜1300℃)に応じて、5〜100μmの範囲、
望ましくは20〜 50μmの範囲とすることができる。
また、本発明のセラミックス遮熱コーティングは、金属
基材を被覆する第1層がNi基合金、Co基合金、Ni
−Co基合金及びCo−Ni基合金のいずれかからなる
金属接合層であり、この第1層を被覆する第2層が低熱
伝導性のセラミックスからなるセラミックス遮熱層であ
り、この第2層を被覆する第3層が第2層を構成するセ
ラミックスよりも熱膨張係数の小さいセラミックスから
なる最表面セラミックス層であり、第2層と第3層との
間に、第2層を構成するセラミックスと第3層を構成す
るセラミックスとを混合したセラミックス混合層を設け
たことを特徴としている(図2参照)。また、本発明の
セラミックス遮熱コーティングは、金属基材を被覆する
第1層がNi基合金、Co基合金、Ni−Co基合金及
びCo−Ni基合金のいずれかからなる金属接合層であ
り、この第1層を被覆する第2層が低熱伝導性のセラミ
ックスからなるセラミックス遮熱層であり、この第2層
を被覆する第3層が第2層を構成するセラミックスより
も熱膨張係数の小さいセラミックスからなる最表 面セラ
ミックス層であり、第2層と第3層との間に、第2層と
接する面に向かって第2層を構成するセラミックスの混
合比が多くなり、かつ、第3層と接する面に向かって第
3層を構成するセラミックスの混合比が多くなるよう
に、第2層を構成するセラミックスと第3層を構成する
セラミックスとの混合比を略連続的に変化させたセラミ
ックス傾斜組成層を設けたことを特徴としている(図3
参照)。
In order to achieve the above-mentioned object, a ceramic thermal barrier coating according to the present invention is characterized in that the first layer covering the metal substrate is made of a Ni-based alloy, a Co-based alloy, or a Ni-based alloy.
A metal bonding layer made of any one of a -Co-based alloy and a Co-Ni-based alloy, a second layer covering the first layer is a ceramic heat-shielding layer made of ceramics having low thermal conductivity, and the second layer outermost ceramic layer der third layer of coating is made of small ceramic coefficient of thermal expansion than the ceramic constituting the second layer is, a second layer ceramic
Between the heat shield layer and the outermost ceramic layer as the third layer
Thickness ratio may cause exposure of metal parts with thermal barrier coating.
The temperature gradient inside the film based on the temperature conditions
Ratio that can adjust the coefficient of thermal expansion to reduce the internal stress of the film
Is configured Ritsudea so that (see Fig. 1). For example,
The thickness of the ceramic heat shield layer as the second layer is 100 to 50.
When the thickness is within the range of 0 μm, the outermost surface ceramic which is the third layer
Thickness of the coating layer is applied with the coating of the present invention.
Atmospheric temperature conditions to which the metal member is exposed (for example, 12
00 to 1300 ° C.), a range of 5 to 100 μm,
Desirably, it can be in the range of 20 to 50 μm.
In addition, the ceramic thermal barrier coating of the present invention is made of metal
The first layer covering the substrate is made of Ni-based alloy, Co-based alloy, Ni
-Co-based alloy or Co-Ni-based alloy
The second layer covering the first layer is a metal bonding layer and has a low heat.
A ceramic thermal barrier made of conductive ceramics
The third layer covering the second layer constitutes the second layer.
From ceramics with a lower coefficient of thermal expansion than Lamix
An outermost ceramic layer, between the second layer and the third layer, the ceramic mixed layer obtained by mixing a ceramic constituting the ceramic and the third layer constituting the second layer is provided comprising
Is characterized by a (see FIG. 2). Further , the ceramic thermal barrier coating of the present invention covers a metal substrate.
The first layer is composed of a Ni-based alloy, a Co-based alloy, a Ni-Co-based alloy,
And a metal bonding layer made of any one of
The second layer covering the first layer is made of a ceramic having low thermal conductivity.
This is the ceramic heat shield layer made of
The third layer covering the metal is made of ceramics constituting the second layer
Outermost surface canceller also composed of small ceramic coefficient of thermal expansion
A mixed layer, between the second layer and the third layer, the mixing ratio of ceramics constituting the second layer increases toward the surface in contact with the second layer, and toward the surface in contact with the third layer; In order to increase the mixing ratio of the ceramics forming the third layer, a ceramic gradient composition layer in which the mixing ratio of the ceramics forming the second layer and the ceramics forming the third layer is changed substantially continuously is provided. It is characterized by a (FIG. 3
reference).

【0008】これらの本発明のセラミックス遮熱コーテ
ィングにおいて、第1層である金属接合層の厚さは50
〜200μmの範囲とすることが好ましい。なお、より
好ましい金属接合層の厚さは、下限値が75μmであ
り、上限値が150μmである。金属接合層の厚さが下
限値未満の場合は、酸素等の酸化又は腐食成分の透過抑
制効果が小さくなり、一方、金属接合層の厚さが上限値
を超える場合は、金属部材の冷却効率が低下する。ま
た、これらの本発明のセラミックス遮熱コーティングに
おいて、第2層であるセラミックス遮熱層の厚さは10
0〜500μmの範囲とすることが好ましい。なお、よ
り好ましいセラミックス遮熱層の厚さは、下限値が20
0μmであり、上限値が300μmである。セラミックス
遮熱層の厚さが下限値未満の場合は、遮熱効果が十分で
なく、一方、セラミックス遮熱層の厚さが上限値を超え
る場合は、熱応力が大きくなり剥離や損傷が起こりやす
くなる。また、これらの本発明のセラミックス遮熱コー
ティングにおいて、第2層であるセラミックス遮熱層と
第3層である最表面セラミックス層との厚さの比は、遮
熱コーティングが施された金属部材が曝される温度条件
に基づき、皮膜内部の温度勾配に応じて熱膨張率を調節
して皮膜内部応力が緩和できるような比率とすることが
好ましい。例えば、第2層であるセラミックス遮熱層の
厚さが100〜500μmの範囲である場合に、第3層
である最表面セラミックス層の厚さは、本発明のコーテ
ィングが施される金属部材が曝される雰囲気温度条件
(一例として、1200〜1300℃)に応じて、5〜
100μmの範囲、望ましくは20〜50μmの範囲とす
ることができる。
In these ceramic thermal barrier coatings of the present invention, the thickness of the first metal bonding layer is 50
It is preferable that the thickness be in the range of 200 μm. It is to be noted that a more preferable thickness of the metal bonding layer has a lower limit of 75 μm and an upper limit of 150 μm. If the thickness of the metal bonding layer is less than the lower limit, the effect of suppressing the permeation of oxidation or corrosion components such as oxygen decreases, while if the thickness of the metal bonding layer exceeds the upper limit, the cooling efficiency of the metal member is reduced. Decreases. In the ceramic thermal barrier coating of the present invention, the thickness of the ceramic thermal barrier layer as the second layer is 10
The thickness is preferably in the range of 0 to 500 μm. In addition, the more preferable thickness of the ceramic heat shielding layer is such that the lower limit is 20.
0 μm, and the upper limit is 300 μm. If the thickness of the ceramic heat-insulating layer is less than the lower limit, the heat-insulating effect is not sufficient.On the other hand, if the thickness of the ceramic heat-insulating layer exceeds the upper limit, thermal stress increases and peeling or damage occurs. It will be easier. In these ceramic thermal barrier coatings of the present invention, the ratio of the thickness of the ceramic thermal barrier layer as the second layer to the thickness of the outermost ceramic layer as the third layer depends on the thickness of the metal member to which the thermal barrier coating is applied. It is preferable to adjust the coefficient of thermal expansion in accordance with the temperature gradient inside the film based on the temperature conditions to which the film is exposed, and to set the ratio so that the internal stress of the film can be reduced. For example, when the thickness of the ceramic thermal barrier layer as the second layer is in the range of 100 to 500 μm, the thickness of the outermost ceramic layer as the third layer is determined by the thickness of the metal member to which the coating of the present invention is applied. Depending on the ambient temperature conditions to be exposed (for example, 1200 to 1300 ° C.)
It can be in the range of 100 μm, preferably in the range of 20 to 50 μm.

【0009】また、これらの本発明のセラミックス遮熱
コーティングにおいて、第2層を構成するセラミックス
は、安定化剤としてMgO、CaO、Y23、Yb23
及びCeOのいずれかを使用した安定化ジルコニア又は
部分安定化ジルコニアとすることが好ましい。また、こ
れらの本発明のセラミックス遮熱コーティングにおい
て、第3層を構成するセラミックスは、アルミナ、クロ
ミア、ムライト、コーディエライト等とすることが好ま
しい。
In these ceramic thermal barrier coatings of the present invention, the ceramic constituting the second layer may be MgO, CaO, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 as a stabilizer.
It is preferable to use stabilized zirconia or partially stabilized zirconia using any one of CeO and CeO. In the ceramic thermal barrier coating of the present invention, the ceramic constituting the third layer is preferably alumina, chromia, mullite, cordierite, or the like.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定さ
れるものではなく、適宜変更して実施することができる
ものである。図1は、本発明の実施の第1形態によるセ
ラミックス遮熱コーティングを概念図として示してい
る。本実施の形態は、金属基材10の表面に、第1層と
して金属接合層(金属ボンド層)12、第1層についで
施工される第2層として安定化ジルコニアあるいは部分
安定化ジルコニアからなるセラミックス遮熱層14、さ
らに最表面に第3層として第2層を構成するセラミック
スよりも熱膨張率の小さいセラミックスからなる最表面
セラミックス層18を配した遮熱コーティングシステム
である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following embodiments and can be implemented with appropriate modifications. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a ceramic thermal barrier coating according to a first embodiment of the present invention. In the present embodiment, a metal bonding layer (metal bond layer) 12 is formed as a first layer on the surface of a metal substrate 10, and a stabilized zirconia or a partially stabilized zirconia is formed as a second layer formed after the first layer. This is a thermal barrier coating system in which a ceramic thermal barrier layer 14 and an outermost ceramic layer 18 made of ceramic having a lower coefficient of thermal expansion than the ceramic constituting the second layer as the third layer on the outermost surface.

【0011】第1層である金属接合層(金属ボンド層)
12としては、MCrAlY(M=Ni及び/又はC
o)が一般的に用いられ、その厚さは50〜200μ
m、望ましくは75〜150μmである。金属接合層12
は、例えば、減圧プラズマ溶射等の溶射、化学蒸着(C
VD)又は物理蒸着(PVD)等にて施工される。ま
た、第2層であるセラミックス遮熱層14は、セラミッ
クスとして、通常、安定化ジルコニア又は部分安定化ジ
ルコニアが用いられるが、特に、安定化剤としてMg
O、CaO、Y23、Yb23及びCeOのいずれかを
使用した安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを
用いることが好ましい。セラミックス遮熱層14は、例
えば、大気プラズマ溶射等の溶射、化学蒸着(CVD)
又は物理蒸着(PVD)等にて、厚さ100〜500μ
m、望ましくは200〜300μmに施工される。なお、
セラミックス遮熱層を、金属とセラミックスの混合層又
は傾斜組成層とすることも可能である。
A metal bonding layer (metal bonding layer) as a first layer
As MCrAlY (M = Ni and / or C
o) is generally used, and its thickness is 50-200 μm.
m, desirably 75 to 150 μm. Metal bonding layer 12
Are, for example, thermal spraying such as reduced pressure plasma spraying, chemical vapor deposition (C
VD) or physical vapor deposition (PVD). For the ceramic heat shield layer 14 as the second layer, stabilized zirconia or partially stabilized zirconia is usually used as ceramics.
O, CaO, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 and it is preferred to use a stabilized zirconia or partially stabilized zirconia using either CeO. The ceramic thermal barrier layer 14 is formed, for example, by thermal spraying such as atmospheric plasma spraying, or chemical vapor deposition (CVD).
Or, by physical vapor deposition (PVD) or the like, a thickness of 100 to 500 μm
m, preferably 200 to 300 μm. In addition,
The ceramic heat shield layer can be a mixed layer of metal and ceramic or a graded composition layer.

【0012】また、第3層である最表面セラミックス層
18は、第2層を構成するジルコニア(10.5×10
-6/K)よりも熱膨張率が小さいセラミックスで構成さ
れており、第3層を構成するセラミックスとしては、使
用環境から考えて酸化物が望ましく、具体的には、アル
ミナ(8×10-6/K)、クロミア(8.7×10-6
K)、ムライト(4.5×10-6/K)、コーディエライ
ト(2.0×10-6/K)などが好ましい。最表面セラ
ミックス層18は、例えば、大気プラズマ溶射等の溶
射、化学蒸着(CVD)又は物理蒸着(PVD)等にて
施工される。また、第2層であるセラミックス遮熱層1
4と第3層である最表面セラミックス層18との厚さの
比は、本発明のコーティングが施される金属部材が曝さ
れる温度条件により決まる。すなわち、皮膜内部の温度
勾配に応じて熱膨張率を調節し、皮膜内部応力を緩和す
るようにする。例えば、セラミックス遮熱層14の厚さ
が100〜500μmである場合に、最表面セラミック
ス層18の厚さは、本発明のコーティングが施される金
属部材が曝される雰囲気温度条件(一例として、120
0〜1300℃)に応じて、5〜100μm、望ましく
は20〜50μmとすることができる。
Further, the outermost surface ceramic layer as the third layer
Reference numeral 18 denotes zirconia (10.5 × 10
-6/ K) made of ceramics with a lower coefficient of thermal expansion than
It is used as a ceramic for the third layer.
Oxides are desirable in view of the working environment.
Mina (8 × 10-6/ K), chromia (8.7 × 10-6 /
K), mullite (4.5 × 10-6/ K), Cordierai
(2.0 × 10-6/ K) is preferred. Top surface sera
The mix layer 18 is formed, for example, by spraying such as atmospheric plasma spraying.
Radiation, chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD)
Will be constructed. Also, the ceramic heat shield layer 1 as the second layer
4 and the thickness of the outermost ceramic layer 18 as the third layer.
The ratio is that the metal parts to which the coating of the invention is applied are exposed
Temperature conditions. That is, the temperature inside the film
Adjust the coefficient of thermal expansion according to the gradient to reduce the internal stress of the film
So that For example, the thickness of the ceramic heat shield layer 14
Is 100 to 500 μm, the outermost ceramic
The thickness of the metal layer 18 depends on the thickness of the gold on which the coating of the present invention is applied.
Atmospheric temperature conditions to which the metal member is exposed (for example, 120
0 to 1300 ° C.), preferably 5 to 100 μm,
Can be 20 to 50 μm.

【0013】図2は、本発明の実施の第2形態によるセ
ラミックス遮熱コーティングを概念図として示してい
る。本実施の形態は、金属基材10の表面に、第1層と
して金属接合層(金属ボンド層)12、第1層についで
施工される第2層としてセラミックス遮熱層14、最表
面層として第2層を構成するセラミックスよりも熱膨張
率の小さいセラミックスからなる最表面セラミックス層
18を配し、さらに、セラミックス遮熱層14と最表面
セラミックス層18との間に、安定化ジルコニア又は部
分安定化ジルコニアとジルコニアよりも熱膨張率の小さ
いセラミックスとを混合したセラミックス混合層20を
設けた遮熱コーティングシステムである。第2層と最表
面層との間を両者の混合層とすることにより、さらに熱
応力緩和特性を向上させることができる。セラミックス
混合層20は、例えば、大気プラズマ溶射等の溶射、化
学蒸着(CVD)又は物理蒸着(PVD)等にて、厚さ
10〜50μm、望ましくは20〜40μmに施工され
る。他の構成及び作用は、実施の第1形態の場合と同様
である。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a ceramic thermal barrier coating according to a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, a metal bonding layer (metal bond layer) 12 as a first layer, a ceramic heat-insulating layer 14 as a second layer to be constructed after the first layer, and a An outermost ceramic layer 18 made of a ceramic having a lower coefficient of thermal expansion than the ceramic constituting the second layer is provided, and furthermore, a stabilized zirconia or a partially stabilized zirconia is provided between the ceramic heat shield layer 14 and the outermost ceramic layer 18. This is a thermal barrier coating system provided with a ceramic mixed layer 20 in which zirconia fluoride and ceramic having a smaller coefficient of thermal expansion than zirconia are mixed. By forming a mixed layer between the second layer and the outermost layer, the thermal stress relaxation characteristics can be further improved. The ceramic mixed layer 20 is applied to a thickness of 10 to 50 μm, preferably 20 to 40 μm by, for example, thermal spraying such as atmospheric plasma spraying, chemical vapor deposition (CVD), or physical vapor deposition (PVD). Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.

【0014】図3は、本発明の実施の第3形態によるセ
ラミックス遮熱コーティングを概念図として示してい
る。本実施の形態は、金属基材10の表面に、第1層と
して金属接合層(金属ボンド層)12、第1層についで
施工される第2層としてセラミックス遮熱層14、最表
面層として第2層を構成するセラミックスよりも熱膨張
率の小さいセラミックスからなる最表面セラミックス層
18を配し、さらに、セラミックス遮熱層14と最表面
セラミックス層18との間に、安定化ジルコニア又は部
分安定化ジルコニアとジルコニアよりも熱膨張率の小さ
いセラミックスとの混合比を変化させたセラミックス傾
斜組成層22を設けた遮熱コーティングシステムであ
る。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a ceramic thermal barrier coating according to a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, a metal bonding layer (metal bond layer) 12 as a first layer, a ceramic heat-insulating layer 14 as a second layer to be constructed after the first layer, and a An outermost ceramic layer 18 made of a ceramic having a lower coefficient of thermal expansion than the ceramic constituting the second layer is provided, and furthermore, a stabilized zirconia or a partially stabilized zirconia is provided between the ceramic heat shield layer 14 and the outermost ceramic layer 18. This is a thermal barrier coating system provided with a ceramic gradient composition layer 22 in which the mixing ratio of zirconia fluoride and ceramics having a smaller coefficient of thermal expansion than zirconia is changed.

【0015】セラミックス傾斜組成層22は、セラミッ
クス遮熱層14と接する面に向かってセラミックス遮熱
層14を構成するセラミックス(安定化ジルコニア又は
部分安定化ジルコニア)の混合比が多くなり、かつ、最
表面セラミックス層18と接する面に向かって最表面セ
ラミックス層18を構成するセラミックス(ジルコニア
よりも熱膨張率の小さいセラミックス)の混合比が多く
なるように、両者の混合比を略連続的に変化させてい
る。第2層と最表面層との間を両者の傾斜組成層とする
ことにより、さらに熱応力緩和特性を向上させることが
できる。セラミックス傾斜組成層22の施工方法として
は、両者のセラミックス粉末の組成比を、例えば10vo
l%毎に変化させた混合粉末をボールミル等により準備
し、それを大気プラズマ溶射にて順次積層する方法、又
は2種類の粉末供給ポートを持つ溶射装置から連続的に
両者の供給割合を変化させて積層する方法等があり、そ
の厚さは10〜150μm、望ましくは50〜100μm
である。他の構成及び作用は、実施の第1形態の場合と
同様である。
The ceramic gradient composition layer 22 has a large mixing ratio of ceramics (stabilized zirconia or partially stabilized zirconia) forming the ceramic heat shield layer 14 toward the surface in contact with the ceramic heat shield layer 14, and The mixing ratio of the ceramics (ceramics having a smaller coefficient of thermal expansion than zirconia) constituting the outermost ceramics layer 18 is increased substantially continuously toward the surface in contact with the surface ceramics layer 18 so as to increase the mixing ratio. ing. By forming the two gradient composition layers between the second layer and the outermost surface layer, the thermal stress relaxation characteristics can be further improved. As a method of applying the ceramic gradient composition layer 22, the composition ratio of both ceramic powders is, for example, 10 vo.
A method of preparing mixed powders changed every l% by a ball mill or the like and sequentially laminating them by atmospheric plasma spraying, or changing the supply ratio of both continuously from a spraying apparatus having two kinds of powder supply ports. The thickness is 10 to 150 μm, preferably 50 to 100 μm
It is. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.

【0016】なお、本発明のセラミックス遮熱コーティ
ングを、ガスタービン部品等の高温環境で使用される金
属製部材に対して適用する場合は、施工コストを考慮
し、タービン部品等に施される遮熱コーティング全体に
本発明を適用する必要はなく、特に使用条件の厳しい部
位(例えば、タービン翼におけるリーディングエッジ
部)にのみ本発明の遮熱コーティングを採用し、その他
の部位は従来コーティングで対応することも可能であ
る。
When the ceramic thermal barrier coating of the present invention is applied to a metal member used in a high-temperature environment such as a gas turbine component, the thermal barrier coating applied to the turbine component and the like is taken into consideration in consideration of construction costs. It is not necessary to apply the present invention to the entire thermal coating. In particular, the thermal barrier coating of the present invention is applied only to a portion where the use condition is severe (for example, a leading edge portion of a turbine blade), and the other portions correspond to the conventional coating. It is also possible.

【0017】[0017]

【実施例】以下に実施例及び比較例を示し、本発明の特
徴とするところをより一層明確にする。 実施例1 図1を参照して説明すると、ガスタービン翼に用いられ
る超合金からなる丸棒基材上に、第1層として減圧プラ
ズマ溶射にてNiCoCrAlY合金を100μm施工
した後、その上に第2層として、安定化剤にY23を用
いた安定化ジルコニアを大気プラズマ溶射により200
μm施工し、さらにその上に第3層として、アルミナを
大気プラズマ溶射により50μm施工した。 実施例2 図2を参照して説明すると、実施例1において第2層で
あるY23安定化ジルコニアを施工した後、Y23安定
化ジルコニアとアルミナとの混合層を大気プラズマ溶射
により80μm施工し、さらにその上にアルミナを施工
した。すなわち、実施例1における第2層と第3層との
間に、両者の混合層を施工した。Y23 安定化ジルコニ
アとアルミナとの混合比は、1:1であった。
EXAMPLES Examples and comparative examples are shown below to show the features of the present invention.
Clarify the sign. First Embodiment Referring to FIG. 1, the first embodiment is used for a gas turbine blade.
Pressure layer as the first layer on a round bar base made of superalloy
100μm NiCoCrAlY alloy by Zuma spraying
After that, as a second layer thereon, Y is added to the stabilizer.TwoOThreeFor
Of stabilized zirconia by atmospheric plasma spraying
μm, and as a third layer, alumina
50 μm was applied by atmospheric plasma spraying. Embodiment 2 Referring to FIG. 2, in Embodiment 1, the second layer
Some YTwoOThreeAfter applying stabilized zirconia, YTwoOThreeStable
Plasma spraying of a mixed layer of zirconia and alumina
By 80μm, and then alumina on it
did. That is, the second layer and the third layer
In between, a mixed layer of both was constructed. YTwoOThree Stabilized zirconi
The mixing ratio of alumina and alumina was 1: 1.

【0018】比較例1 図5を参照して説明すると、ガスタービン翼に用いられ
る超合金からなる丸棒基材上に、第1層として減圧プラ
ズマ溶射にてNiCoCrAlY合金を100μm施工
した後、その上に第2層として、安定化剤にY23を用
いた安定化ジルコニアを大気プラズマ溶射により250
μm施工した。
Comparative Example 1 Referring to FIG. 5, a NiCoCrAlY alloy was applied as a first layer by vacuum plasma spraying to a thickness of 100 μm on a round bar base made of a superalloy used for gas turbine blades. As a second layer, stabilized zirconia using Y 2 O 3 as a stabilizing agent is sprayed by atmospheric plasma spraying for 250 minutes.
μm was constructed.

【0019】これらの3種類のサンプルについて熱サイ
クル試験を行い、その熱衝撃特性を評価した。熱サイク
ル試験は、1000℃で15分間加熱した後、室温で1
5分間冷却する工程を1サイクルとして実施した。その
結果、図4に示すように、比較例1のサンプルでは、1
600サイクル程度でセラミックス層に亀裂が生じたの
に対し、実施例1及び実施例2のサンプルでは、220
0サイクル以上でもセラミックス層に亀裂等は生じず、
高い耐久性を示した。
A thermal cycle test was performed on these three types of samples, and their thermal shock characteristics were evaluated. In the heat cycle test, after heating at 1000 ° C. for 15 minutes,
The step of cooling for 5 minutes was performed as one cycle. As a result, as shown in FIG.
While cracks occurred in the ceramic layer at about 600 cycles, the samples of Example 1 and Example 2
No cracks etc. occur in the ceramic layer even at 0 cycles or more,
It showed high durability.

【0020】[0020]

【発明の効果】本発明は上記のように構成されているの
で、つぎのような効果を奏する。 (1) セラミックス遮熱コーティングにおいて、セラ
ミックス遮熱層の加熱側最表面に、遮熱層を構成するセ
ラミックスよりも熱膨張率の小さいセラミックスからな
る最表面セラミックス層を設けることにより、コーティ
ングの剥離や損傷を誘発する皮膜内部の温度勾配に起因
する熱応力を緩和し、皮膜特性(寿命及び耐熱衝撃性)
の向上を図ることができる。 (2) 上記の遮熱コーティングにおいて、第2層と第
3層との間に、第2層を構成するセラミックスと第3層
を構成するセラミックスとの混合層又は傾斜組成層を設
置する場合は、さらに皮膜内部熱応力を緩和して皮膜特
性(寿命及び耐熱衝撃性)の向上を図ることができる。 (3) 本発明のセラミックス遮熱コーティングを、ガ
スタービンの動静翼(動翼、静翼)、燃焼器などの金属
製部材に適用する場合は、これらの部材の性能向上(長
寿命化、熱衝撃特性の向上)が図れる。
As described above, the present invention has the following advantages. (1) In the ceramic thermal barrier coating, the outermost ceramic layer having a lower coefficient of thermal expansion than the ceramic constituting the thermal barrier layer is provided on the outermost surface of the ceramic thermal barrier layer on the heating side, so that the coating can be peeled off. Relieves thermal stress caused by temperature gradient inside the film that induces damage, and characteristics of film (life and thermal shock resistance)
Can be improved. (2) In the above-mentioned thermal barrier coating, when a mixed layer of ceramics constituting the second layer and ceramics constituting the third layer or a gradient composition layer is provided between the second layer and the third layer. In addition, the thermal stress inside the film can be reduced to improve the film characteristics (lifetime and thermal shock resistance). (3) When the ceramic thermal barrier coating of the present invention is applied to metal members such as moving and stationary blades (moving blades and stationary blades) of gas turbines and combustors, the performance of these members is improved (longer life, higher thermal performance). Impact characteristics).

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

【図1】本発明の実施の第1形態によるセラミックス遮
熱コーティングの概念断面図である。
FIG. 1 is a conceptual sectional view of a ceramic thermal barrier coating according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の第2形態によるセラミックス遮
熱コーティングの概念断面図である。
FIG. 2 is a conceptual sectional view of a ceramic thermal barrier coating according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施の第3形態によるセラミックス遮
熱コーティングの概念断面図である。
FIG. 3 is a conceptual sectional view of a ceramic thermal barrier coating according to a third embodiment of the present invention.

【図4】実施例及び比較例の熱サイクル試験の結果を示
すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing the results of a heat cycle test of Examples and Comparative Examples.

【図5】従来のセラミックス遮熱コーティングの一例の
概念断面図である。
FIG. 5 is a conceptual sectional view of an example of a conventional ceramic thermal barrier coating.

【図6】従来のセラミックス遮熱コーティングの他の例
の概念断面図である。
FIG. 6 is a conceptual sectional view of another example of the conventional ceramic thermal barrier coating.

【図7】セラミックス遮熱コーティングを適用した場合
の作用効果を説明する概念図である。
FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating the function and effect when a ceramic thermal barrier coating is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 金属基材 12 金属接合層 14 セラミックス遮熱層 16 金属・セラミックス傾斜組成層 18 最表面セラミックス層 20 セラミックス混合層 22 セラミックス傾斜組成層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Metal base material 12 Metal bonding layer 14 Ceramic heat shield layer 16 Metal / ceramic gradient composition layer 18 Top surface ceramic layer 20 Ceramic mixed layer 22 Ceramic gradient composition layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 苧野 兵衛 兵庫県明石市川崎町1番1号 川崎重工 業株式会社 明石工場内 (56)参考文献 特開 平6−88197(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 28/04 B32B 15/01 B32B 18/00 C23C 26/00 F01D 5/28 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Hyoe Ramino 1-1, Kawasaki-cho, Akashi-shi, Hyogo Kawasaki Heavy Industries, Ltd. Inside the Akashi factory (56) References JP-A-6-88197 (JP, A) (58) ) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C23C 28/04 B32B 15/01 B32B 18/00 C23C 26/00 F01D 5/28

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 金属基材を被覆する第1層がNi基合
金、Co基合金、Ni−Co基合金及びCo−Ni基合
金のいずれかからなる金属接合層であり、この第1層を
被覆する第2層が低熱伝導性のセラミックスからなるセ
ラミックス遮熱層であり、この第2層を被覆する第3層
が第2層を構成するセラミックスよりも熱膨張係数の小
さいセラミックスからなる最表面セラミックス層であ
り、第2層であるセラミックス遮熱層と第3層である最
表面セラミックス層との厚さの比が、遮熱コーティング
が施された金属部材が曝される温度条件に基づき、皮膜
内部の温度勾配に応じて熱膨張率を調節して皮膜内部応
力が緩和できるような比率であることを特徴とするセラ
ミックス遮熱コーティング。
A first layer covering a metal substrate is a metal bonding layer made of any one of a Ni-based alloy, a Co-based alloy, a Ni-Co-based alloy, and a Co-Ni-based alloy. The second layer to be coated is a ceramic heat shield layer made of ceramics having low thermal conductivity, and the third layer covering this second layer is the outermost surface made of ceramics having a smaller coefficient of thermal expansion than the ceramics forming the second layer. Ceramic layer
The second layer, the ceramic heat shield layer, and the third layer, the
The ratio of the thickness to the surface ceramic layer is
Based on the temperature conditions to which the metal member subjected to
The coefficient of thermal expansion is adjusted according to the internal temperature gradient to
Ceramic thermal barrier coatings force is characterized ratio der Rukoto like can be eased.
【請求項2】 金属基材を被覆する第1層がNi基合
金、Co基合金、Ni−Co基合金及びCo−Ni基合
金のいずれかからなる金属接合層であり、この第1層を
被覆する第2層が低熱伝導性のセラミックスからなるセ
ラミックス遮熱層であり、この第2層を被覆する第3層
が第2層を構成するセラミックスよりも熱膨張係数の小
さいセラミックスからなる最表面セラミックス層であ
り、第2層と第3層との間に、第2層を構成するセラミ
ックスと第3層を構成するセラミックスとを混合したセ
ラミックス混合層を設けたことを特徴とするセラミック
ス遮熱コーティング。
2. The method according to claim 1, wherein the first layer covering the metal substrate is Ni-based.
Gold, Co-base alloy, Ni-Co base alloy and Co-Ni base
It is a metal bonding layer made of any of gold, and this first layer is
The second layer to be coated is made of a ceramic having low thermal conductivity.
A third layer which is a Lamix heat shielding layer and covers the second layer
Has a smaller coefficient of thermal expansion than the ceramic constituting the second layer.
The outermost ceramic layer made of ceramics
Ri, between the second and third layers, ceramic <br/> scan, characterized in that a ceramic mixed layer obtained by mixing a ceramic constituting the ceramic and the third layer constituting the second layer Thermal barrier coating.
【請求項3】 金属基材を被覆する第1層がNi基合
金、Co基合金、Ni−Co基合金及びCo−Ni基合
金のいずれかからなる金属接合層であり、この第1層を
被覆する第2層が低熱伝導性のセラミックスからなるセ
ラミックス遮熱層であり、この第2層を被覆する第3層
が第2層を構成するセラミックスよりも熱膨張係数の小
さいセラミックスからなる最表面セラミックス層であ
り、第2層と第3層との間に、第2層と接する面に向か
って第2層を構成するセラミックスの混合比が多くな
り、かつ、第3層と接する面に向かって第3層を構成す
るセラミックスの混合比が多くなるように、第2層を構
成するセラミックスと第3層を構成するセラミックスと
の混合比を略連続的に変化させたセラミックス傾斜組成
層を設けたことを特徴とするセラミックス遮熱コーティ
ング。
3. The method according to claim 1, wherein the first layer covering the metal substrate is Ni-based.
Gold, Co-base alloy, Ni-Co base alloy and Co-Ni base
It is a metal bonding layer made of any of gold, and this first layer is
The second layer to be coated is made of a ceramic having low thermal conductivity.
A third layer which is a Lamix heat shielding layer and covers the second layer
Has a smaller coefficient of thermal expansion than the ceramic constituting the second layer.
The outermost ceramic layer made of ceramics
Ri, between the second and third layers, becomes the mixing ratio of the ceramic are many constituting the second layer towards the surface in contact with the second layer and the third towards the surface in contact with the third layer as the mixing ratio of the ceramic constituting the layer is increased, in that a ceramic gradient composition layer substantially continuously changed mixing ratio of the ceramic constituting the ceramic and the third layer constituting the second layer Characteristic ceramic thermal barrier coating.
【請求項4】 第1層である金属接合層の厚さが50〜
200μmの範囲である請求項1、2又は3記載のセラ
ミックス遮熱コーティング。
4. The thickness of the first metal bonding layer is 50 to 50.
4. The ceramic thermal barrier coating according to claim 1, wherein the thickness is in the range of 200 [mu] m.
【請求項5】 第2層であるセラミックス遮熱層の厚さ
が100〜500μmの範囲である請求項1〜4のいず
れかに記載のセラミックス遮熱コーティング。
5. The ceramic thermal barrier coating according to claim 1, wherein the thickness of the ceramic thermal barrier layer as the second layer is in the range of 100 to 500 μm.
【請求項6】 第2層であるセラミックス遮熱層と第3
層である最表面セラミックス層との厚さの比が、遮熱コ
ーティングが施された金属部材が曝される温度条件に基
づき、皮膜内部の温度勾配に応じて熱膨張率を調節して
皮膜内部応力が緩和できるような比率である請求項
5のいずれかに記載のセラミックス遮熱コーティング。
6. A ceramic heat shield layer as a second layer and a third
The thermal expansion coefficient is adjusted according to the temperature gradient inside the coating based on the temperature condition to which the metal member coated with the thermal barrier coating is exposed. stress is the ratio that can be alleviated claims 2 to
6. The ceramic thermal barrier coating according to any one of the above items 5.
【請求項7】 第2層であるセラミックス遮熱層の厚さ
が100〜500μmの範囲であり、第3層である最表
面セラミックス層の厚さが5〜100μmの範囲である
請求項1又は6記載のセラミックス遮熱コーティング。
7. The thickness of the ceramic thermal barrier layer is a second layer in the range of 100 to 500 [mu] m, according to claim 1 or the thickness of the outermost ceramic layer a third layer is in the range of 5~100μm 6. The ceramic thermal barrier coating according to 6.
【請求項8】 第2層を構成するセラミックスが、安定
化剤としてMgO、CaO、Y23、Yb23及びCe
Oのいずれかを使用した安定化ジルコニア又は部分安定
化ジルコニアである請求項1〜7のいずれかに記載のセ
ラミックス遮熱コーティング。
8. The ceramic constituting the second layer is composed of MgO, CaO, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 and Ce as stabilizers.
The ceramic thermal barrier coating according to any one of claims 1 to 7, wherein the ceramic thermal barrier coating is a stabilized zirconia or a partially stabilized zirconia using any one of O.
【請求項9】 第3層を構成するセラミックスが、アル
ミナ、クロミア、ムライト及びコーディエライトの少な
くともいずれかである請求項1〜8のいずれかに記載の
セラミックス遮熱コーティング。
9. The ceramic thermal barrier coating according to claim 1, wherein the ceramic constituting the third layer is at least one of alumina, chromia, mullite and cordierite.
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