CN110546296A - 隔热涂层形成方法、隔热涂层以及高温构件 - Google Patents

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Abstract

隔热涂层具备形成在耐热合金基材上且包含陶瓷的陶瓷层(120)。陶瓷层(120)具有：第一致密层(121)；中间气孔层(122)，其层叠在第一致密层(121)上，密度比第一致密层(121)大，且形成有多个气孔；以及第二致密层(123)，其层叠在中间气孔层(122)上，密度比中间气孔层(122)小。

Description

隔热涂层形成方法、隔热涂层以及高温构件
技术领域
本发明涉及隔热涂层形成方法、隔热涂层以及高温构件。
本申请基于2017年4月26日向日本申请的日本特愿2017-087472号以及日本特愿2017-087471号而主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
在燃气轮机中，为了提高其效率而将使用的气体的温度设定得较高。对于暴露于这种高温的气体中的动叶、静叶这样的涡轮构件，在其表面上实施有隔热涂层(ThermalBarrier Coating：TBC)。隔热涂层是指，在作为被喷镀物的涡轮构件的表面上通过喷镀而覆盖有热传导率较小的喷镀材料(例如，热传导率较小的陶瓷系材料)。通过在表面形成有隔热涂层，暴露于高温以及高压的环境下的高温构件的温度降低且耐久性提高。
在专利文献1中，作为在燃气轮机发动机的金属部件形成隔热涂层的方法而记载了一种使用悬浮液等离子喷镀(Suspension Plasma Spray)的方法。悬浮液等离子喷镀使用在水或醇系的载体中分散有微粒子的悬浮液进行等离子喷镀。悬浮液等离子喷镀使通过等离子射流而被蒸发或燃烧从而被熔融的微粒子堆积在接触面。其结果是，由熔融的微粒子在基材表面形成均质的陶瓷层。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-166479号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，作为隔热涂层中的致密的陶瓷层，有时会形成具有纵向裂纹的DVC(DenseVerticaly Crack)涂层。DVC涂层通过成为具有纵向裂纹结构的致密的组织而提高耐侵蚀性。然而，已知由于DVC涂层的组织致密，因此气孔率会变小，隔热性有可能会降低。即，在隔热涂层中，在为了提高耐侵蚀性而使气孔率降低时，热传导率上升而隔热性能降低。
本发明的目的在于，提供能够在抑制耐侵蚀性的降低的同时提高隔热效果的隔热涂层形成方法、隔热涂层以及高温构件。
用于解决课题的方案
本发明的第一方案的隔热涂层具备形成在耐热合金基材上且包含陶瓷的陶瓷层，所述陶瓷层具有：第一致密层；中间气孔层，其层叠在所述第一致密层上，密度比所述第一致密层大，且形成有多个气孔；以及第二致密层，其层叠在所述中间气孔层上，密度比所述中间气孔层小。
根据这样的结构，在第一致密层与第二致密层之间形成有中间气孔层，从而通过中间气孔层来阻碍沿厚度方向向陶瓷层的热量输入。其结果是，能够降低作为陶瓷层的热传导率。并且，在陶瓷层中，在耐热合金基材侧形成有第一致密层，从而能够确保相对于耐热合金基材的密接性。并且，在陶瓷层中，在表面侧形成有第二致密层，从而能够确保耐侵蚀性。
另外，在本发明的第二方案的隔热涂层中，在第一方案的基础上，可以为，在第一边界部以及第二边界部处，气孔率连续地变化，所述第一边界部是所述中间气孔层与所述第一致密层的边界部，所述第二边界部是所述中间气孔层与所述第二致密层的边界部。
另外，在本发明的第三方案的隔热涂层中，在第一方案或第二方案的基础上，可以为，所述中间气孔层的气孔率为10％以上且20％以下。
通过采用这样的结构，在面方向上的宽广的区域内阻碍沿厚度方向向陶瓷层的热量输入的效果增大。其结果是，能够以不会大幅度降低中间气孔层中的耐侵蚀性的方式，大幅度降低外涂层中的热传导率。
另外，在本发明的第四方案的隔热涂层中，在第一方案至第三方案中任一方案的基础上，可以为，所述第一致密层以及所述第二致密层的气孔率为10％以下且5％以上。
另外，在本发明的第五方案的隔热涂层中，在第一方案至第四方案中任一方案的基础上，可以为，在所述第一致密层中，在面方向上分散有沿厚度方向延伸的第一纵向裂纹，在所述第二致密层中，在面方向上分散有沿厚度方向延伸的第二纵向裂纹。
另外，在本发明的第六方案的隔热涂层中，在第五方案的基础上，可以为，所述第一纵向裂纹以及所述第二纵向裂纹相对于所述陶瓷层的表面倾斜地延伸。
通过采用这样的结构，通过倾斜地延伸的第一纵向裂纹以及第二纵向裂纹来阻碍陶瓷层中的沿厚度方向的热量输入。因此，能够通过第一纵向裂纹以及第二纵向裂纹来使陶瓷层中的热传导率降低。另一方面，越形成有第一纵向裂纹以及第二纵向裂纹，陶瓷层就形成得越致密，从而能够抑制耐侵蚀性的降低。
另外，在本发明的第七方案的隔热涂层中，在第五方案或第六方案的基础上，可以为，所述第一纵向裂纹的相对于所述陶瓷层的表面的倾斜角度与所述第二纵向裂纹的相对于所述陶瓷层的表面的倾斜角度不同。
另外，本发明的第八方案的隔热涂层形成方法包括在耐热合金基材的表面上形成包含陶瓷的陶瓷层的陶瓷层形成工序，所述陶瓷层形成工序具有：第一致密层形成工序，在该第一致密层形成工序中，形成第一致密层；所述第一致密层形成工序之后实施的气孔层形成工序，在该气孔层形成工序中，在所述第一致密层上形成密度比所述第一致密层大且形成有多个气孔的中间气孔层；以及所述气孔层形成工序之后实施的第二致密层形成工序，在该第二致密层形成工序中，在所述中间气孔层上形成密度比所述中间气孔层小的第二致密层。
通过采用这样的结构，在第一致密层与第二致密层之间形成有中间气孔层，从而通过中间气孔层来阻碍沿厚度方向向陶瓷层的热量输入。其结果是，能够降低作为陶瓷层的热传导率。并且，在陶瓷层中，在耐热合金基材侧形成有第一致密层，从而能够确保相对于耐热合金基材的密接性。并且，在陶瓷层中，在表面侧形成有第二致密层，从而能够确保耐侵蚀性。
另外，在本发明的第九方案的隔热涂层形成方法中，在第八方案的基础上，可以为，在所述陶瓷层形成工序中使用喷镀法，与在所述气孔层形成工序中相比，在所述第一致密层形成工序以及所述第二致密层形成工序中，喷镀枪的喷射孔与喷镀对象的表面之间的距离更短。
另外，在本发明的第十方案的隔热涂层形成方法中，在第八方案或第九方案的基础上，可以为，在所述第一致密层形成工序中，以在面方向上分散有沿厚度方向延伸的第一纵向裂纹的方式形成所述第一致密层，在所述第二致密层形成工序中，以在面方向上分散有沿厚度方向延伸的第二纵向裂纹的方式形成所述第二致密层。
另外，在本发明的第十一方案的隔热涂层形成方法中，在第八方案至第十方案中任一方案的基础上，可以为，喷镀粒子的粒径为0.1μm以上且1.0μm以下。
另外，在本发明的第十二方案的隔热涂层形成方法中，在第八方案至第十一方案中任一方案的基础上，可以为，在所述陶瓷层形成工序的至少一部分中，使用悬浮液等离子喷镀。
另外，本发明的第十三方案的高温构件具备：耐热合金基材；以及陶瓷层，其形成在所述耐热合金基材上，且包含陶瓷，所述陶瓷层具有：第一致密层；中间气孔层，其层叠在所述第一致密层上，密度比所述第一致密层大，且形成有多个气孔；以及第二致密层，其层叠在所述中间气孔层上，密度比所述中间气孔层小。
在本发明的第十四方案的隔热涂层中，在第一方案的基础上，可以为，在所述陶瓷层中，在面方向上分散有沿厚度方向延伸的纵向裂纹，所述纵向裂纹相对于所述陶瓷层的表面倾斜地延伸。
根据这样的结构，通过倾斜地延伸的纵向裂纹来阻碍陶瓷层中的沿厚度方向的热量输入。因此，能够通过纵向裂纹来使陶瓷层中的热传导率降低。另一方面，越形成有纵向裂纹，陶瓷层就形成得越致密，从而能够抑制耐侵蚀性的降低。
在本发明的第十五方案的隔热涂层中，在第十四方案的基础上，可以为，在所述陶瓷层的表面侧与在所述陶瓷层的耐热合金基材侧，所述纵向裂纹的倾斜角度不同。
在本发明的第十六方案的隔热涂层中，在第十四方案或第十五方案的基础上，可以为，所述纵向裂纹的每1mm的分布率为6根/mm以上且12根/mm以下。
在本发明的第十七方案的隔热涂层中，在第十四方案至第十六方案中任一方案的基础上，可以为，所述纵向裂纹断续地延伸。
在本发明的第十八方案的隔热涂层中，在第十四方案至第十七方案中任一方案的基础上，可以为，多个所述纵向裂纹中的全部随着朝向所述陶瓷层的表面而朝向所述面方向的一侧倾斜。
通过采用这样的结构，在陶瓷层的面方向上的宽广的区域内，阻碍沿厚度方向的热量输入。其结果是，能够在宽广的范围内使陶瓷层中的热传导率降低。
在本发明的第十九方案的隔热涂层中，在第十四方案至第十八方案中任一方案的基础上，可以为，所述纵向裂纹的倾斜角度相对于所述陶瓷层的表面为45°以上且80°以下的角度。
通过采用这样的结构，倾斜角度变小，从而增大纵向裂纹带来的阻碍沿厚度方向的热量输入的效果。其结果是，能够大幅度地降低陶瓷层的热传导率。另外，将纵向裂纹的倾斜角度设为45度以上，从而能够抑制在形成陶瓷层时喷镀粒子难以附着在表面的情况。因此，能够抑制陶瓷层的制造效率的降低。
对于本发明的第二十方案的隔热涂层形成方法，在第八方案的基础上，可以为，使喷镀枪相对于耐热合金基材的表面倾斜预先设定的倾斜角度，并使用分散有喷镀粒子的悬浮液进行喷镀，从而在所述耐热合金基材上形成在面方向上分散有沿厚度方向延伸且以倾斜所述倾斜角度的方式延伸的纵向裂纹的包含陶瓷的陶瓷层。
通过采用这样的结构，通过倾斜地延伸的纵向裂纹来阻碍陶瓷层中的沿厚度方向的热量输入。因此，能够通过纵向裂纹来使陶瓷层中的热传导率降低。另一方面，越形成有纵向裂纹，陶瓷层就形成得越致密，从而能够抑制耐侵蚀性的降低。另外，由于通过悬浮液等离子喷镀形成陶瓷层，因此形成陶瓷层的喷镀粒子的粒径变小。其结果是，能够使陶瓷层成为非常细密的结构。由此，也能够提高形成后的陶瓷层的密接性。
在本发明的第二十一方案的隔热涂层形成方法中，在第二十方案的基础上，可以为，所述喷镀是悬浮液等离子喷镀。
对于本发明的第二十二方案的隔热涂层形成方法，在第二十方案或第二十一方案的基础上，可以为，所述喷镀粒子的粒径为0.1μm以上且1.0μm以下。
对于本发明的第二十三方案的高温构件，在第十三方案上，可以为，所述高温构件具备：耐热合金基材；以及陶瓷层，其形成在所述耐热合金基材上，且包含在面方向上分散有沿厚度方向延伸的纵向裂纹的陶瓷，所述纵向裂纹相对于所述陶瓷层的表面倾斜地延伸。
发明效果
根据上述隔热涂层形成方法、隔热涂层以及高温构件，能够在抑制耐侵蚀性的降低的同时提高隔热效果。
附图说明
图1是本发明的实施方式的燃气轮机的简要结构图。
图2是本发明的实施方式的动叶的简要结构立体图。
图3是对本发明的实施方式的隔热涂层进行说明的动叶的主要部分放大剖视图。
图4是对本发明的第一实施方式中的隔热涂层形成方法的工序进行说明的工序图。
图5是通过模拟求出的本发明的实施方式中的外涂层的热传导率与气孔率的关系的图。
图6是通过模拟求出的本发明的实施方式中的形成有纵向裂纹的外涂层的热传导率与纵向裂纹的倾斜角度的关系的图。
图7是对本发明的变形例的隔热涂层进行说明的动叶的主要部分放大剖视图。
图8是对本发明的变形例的隔热涂层进行说明的动叶的主要部分放大剖视图。
具体实施方式
以下，参照图1至图7对本发明的实施方式进行说明。
如图1所示，本实施方式的燃气轮机1具备压缩机2、燃烧器3、涡轮主体4、以及转子5。压缩机2将大量空气取入到内部并进行压缩。燃烧器3向由压缩机2压缩过的压缩空气A混合燃料并使它们燃烧。
涡轮主体4将从燃烧器3导入的燃烧气体G的热能转换为旋转能量。该涡轮主体4通过向设置于转子5的动叶7吹送燃烧气体G而将燃烧气体G的热能转换为机械的旋转能量从而产生动力。在涡轮主体4中，除了设置有转子5侧的多个动叶7以外，还在涡轮主体4的外壳6设置有多个静叶8。在涡轮主体4中，这些动叶7与静叶8沿着转子5的轴向交替地排列。转子5将涡轮主体4的旋转的动力的一部分传递至压缩机2而使压缩机2旋转。
以下，在该实施方式中，将涡轮主体4的动叶7作为本发明的高温构件的一例进行说明。
如图2所示，动叶7具有动叶主体70和隔热涂层100。动叶主体70例如是由Ni基合金等公知的耐热合金材料形成的耐热合金基材。本实施方式的动叶主体70具备叶片主体部71、平台部72、叶根部73、以及护罩部74。
叶片主体部71的剖面呈翼形状。叶片主体部71配置在涡轮主体4的外壳6内的燃烧气体G的流路内。平台部72设置在叶片主体部71的基端。该平台部72在叶片主体部71的基端侧划分出燃烧气体G的流路。叶根部73形成为从平台部72朝向与叶片主体部71相反的一侧突出。护罩部74设置在叶片主体部71的前端。该护罩部74在叶片主体部71的前端侧划分出燃烧气体G的流路。
如图3所示，隔热涂层100形成在作为耐热合金基材的动叶主体70的表面上。隔热涂层100以分别覆盖动叶主体70的表面中的、叶片主体部71的表面、平台部72的与叶片主体部71连接的一侧的表面、以及护罩部74的与叶片主体部71连接的一侧的表面的方式形成。本实施方式的隔热涂层100通过后述的悬浮液等离子喷镀而形成。本实施方式的隔热涂层100具备粘结涂层110和外涂层(陶瓷层)120。
粘结涂层110直接形成在动叶主体70的表面。粘结涂层110抑制外涂层120从动叶主体70剥离的情况。该粘结涂层110是耐腐蚀性以及耐氧化性优异的金属结合层。粘结涂层110例如以向动叶主体70的表面喷镀作为喷镀材料的MCrAlY合金的金属喷镀粉末的方式形成。在此，构成粘结涂层110的MCrAlY合金的“M”表示金属元素。该金属元素“M”例如由Ni、Co等单独的金属元素、或这些中的两种以上的组合构成。
外涂层120隔着粘结涂层110形成在动叶主体70上。外涂层120具有包含陶瓷的层，在该包含陶瓷的层中，在面方向上分散有沿厚度方向延伸的纵向裂纹C。在此，面方向是指沿着外涂层120的表面的方向。本实施方式的外涂层120以0.3mm以上且1.5mm以下的厚度形成。外涂层120具有第一致密层121、中间气孔层122、以及第二致密层123。
第一致密层121直接层叠在粘结涂层110上。在第一致密层121中，作为纵向裂纹C而在表面的延展的面方向上分散有第一纵向裂纹C1。因此，在第一致密层121中，在面方向上分离地形成有多个第一纵向裂纹C1。本实施方式的第一致密层121例如是在面方向上分散有第一纵向裂纹C1的致密的DVC(Dense Vertical Crack)涂层。第一致密层121形成在外涂层120中最靠耐热合金基材侧的位置。形成第一致密层12时所使用的喷镀材例如使用氧化钇稳定化氧化锆(YSZ)、由氧化镱(Yb2O3)局部稳定化的氧化锆(ZrO2)即镱稳定化氧化锆(YbSZ)。
第一纵向裂纹C1相对于外涂层120的表面以倾斜规定的倾斜角度α的方式延伸。具体而言，第一纵向裂纹C1以将厚度方向上的耐热合金基材的表面侧即基端、以及外涂层120的表面侧即前端连结的假想直线的延伸方向为延伸方向。第一纵向裂纹C1的延伸方向相对于外涂层120的表面延展的面方向倾斜。因此，第一纵向裂纹C1随着从基端朝向外涂层120的表面而相对于基端朝向面方向的一侧延伸。本实施方式中的倾斜角度α是延伸方向相对于面方向的角度。在本实施方式中，多个第一纵向裂纹C1全部朝向相同的方向倾斜。即，多个第一纵向裂纹C1全部随着朝向外涂层120的表面而朝向面方向的一侧倾斜。另外，对于第一纵向裂纹C1，并非仅在其基端侧、前端侧的一部分倾斜，而是在厚度方向的整个区域范围内倾斜。
优选本实施方式中的倾斜角度α相对于外涂层120的表面为45°以上且80°以下的角度。更优选倾斜角度α相对于外涂层120的表面为50°以上且70°以下的角度。特别优选倾斜角度α相对于外涂层120的表面为55°以上且65°以下的角度。
优选在第一致密层121中，每1mm的第一纵向裂纹C1的分布率为6根/mm以上且12根/mm以下。更优选在第一致密层121中，每1mm的第一纵向裂纹C1的分布率为8根/mm以上且10根/mm以下。
优选第一致密层121的气孔率处于10％以下且5％以上的范围。需要说明的是，本实施方式中的气孔率不是仅指每单位体积的气孔P的占有率，而是指将纵向裂纹C以及气孔P合计后的占有率。
中间气孔层122层叠在第一致密层121上。中间气孔层122的密度比第一致密层121大，且形成有多个气孔P。因此，中间气孔层122是以比第一致密层121大的气孔率形成的多孔膜，其在内部几乎不具有纵向裂纹C。本实施方式的中间气孔层122以与第一致密层121相同的厚度形成。本实施方式的中间气孔层122以与第一致密层121相同的喷镀材料形成。
优选本实施方式的中间气孔层122的气孔率为10％以上且20％以下。更优选中间气孔层122的气孔率为12％以上且18％以下。特别优选中间气孔层122的气孔率为14％以上且16％以下。
在中间气孔层122与第一致密层121的边界部即第一边界部处，气孔率连续地发生变化。因此，气孔率形成为从第一致密层121的厚度方向的中央附近朝向中间气孔层122的厚度方向的中央附近而逐渐升高。
第二致密层123直接层叠在中间气孔层122上。在第二致密层123中，作为纵向裂纹C而在面方向上分散有第二纵向裂纹C2。因此，在第二致密层123中，在面方向上分离地形成有多个第二纵向裂纹C2。第二致密层123的密度大于中间气孔层122。第二致密层123形成在外涂层120中最靠表面侧的位置。因此，第二致密层123的表面为外涂层120的表面。本实施方式的第二致密层123例如是在面方向上分散有第二纵向裂纹C2的致密的DVC涂层。本实施方式的第二致密层123是具有与第一致密层121相同的结构的膜。因此，形成第二致密层123时所使用的喷镀材是与第一致密层121相同的喷镀材料。
第二纵向裂纹C2与第一纵向裂纹C1同样地相对于外涂层120的表面以倾斜倾斜角度α的方式延伸。具体而言，第二纵向裂纹C2以将厚度方向上的耐热合金基材的表面侧即基端、以及外涂层120的表面侧即前端连结的假想直线的延伸方向为延伸方向。第二纵向裂纹C2的延伸方向相对于外涂层120的表面延展的面方向而倾斜。因此，第二纵向裂纹C2与第一纵向裂纹C1同样地随着从基端朝向外涂层120的表面而相对于基端朝向面方向的一侧延伸。本实施方式的第二纵向裂纹C2以朝向与第一纵向裂纹C1相同的方向且呈与第一纵向裂纹C1相同的角度的方式倾斜。多个第二纵向裂纹C2中的全部朝向相同的方向倾斜。即，多个第二纵向裂纹C2中的全部随着朝向外涂层120的表面而朝向面方向的一侧倾斜。另外，对于第二纵向裂纹C2，并非仅在其基端侧、前端侧的一部分倾斜，而是在厚度方向的整个区域范围内倾斜。
优选在第二致密层123中，每1mm的第二纵向裂纹C2的分布率为6根/mm以上且12根/mm以下。更优选在第二致密层123中，每1mm的第二纵向裂纹C2的分布率为8根/mm以上且10根/mm以下。优选第二致密层123的气孔率处于10％以下且5％以上的范围。优选在第二致密层123中的每1mm的第二纵向裂纹C2的分布率与第一致密层121的第一纵向裂纹C1的分布率相同。优选第二致密层123的气孔率与第一致密层121的气孔率相同。
在中间气孔层122与第二致密层123的边界部即第二边界部，气孔率连续地发生变化。因此，气孔率形成为从中间气孔层122的厚度方向的中央附近朝向第二致密层123的厚度方向的中央附近而逐渐降低。
接下来对高温构件的制造方法S1进行说明。本实施方式的高温构件的制造方法S1是将上述的动叶7作为高温构件进行制造的动叶7的制造方法。如图4所示，本实施方式的高温构件的制造方法S1包括动叶主体准备工序S10和隔热涂层形成工序S20。
在动叶主体准备工序S10中，事先准备耐热合金基材作为动叶主体70。在本实施方式的动叶主体准备工序S10中，以使材料形成为目标高温构件(例如，在本实施方式中为动叶主体70)的形状的方式进行准备。
在隔热涂层形成工序S20中，通过隔热涂层形成方法S100，在动叶主体准备工序S10中所准备的动叶主体70的表面形成隔热涂层100。在本实施方式的隔热涂层形成工序S20中，在动叶主体70的表面形成有粘结涂层110以及外涂层120。本实施方式的隔热涂层形成工序S20通过以下的隔热涂层形成方法S100实施。
在隔热涂层形成方法S100中，在动叶主体70形成隔热涂层100。本实施方式的隔热涂层形成方法S100包括粘结涂层形成工序S110、外涂层形成工序(陶瓷层形成工序)S120、以及调整工序S130。
在粘结涂层形成工序S110中，在动叶主体70的表面形成粘结涂层110。粘结涂层形成工序S110在动叶主体准备工序S10之后实施。在粘结涂层形成工序S110中，例如使用喷镀枪将MCrAlY合金的喷镀粒子喷镀在动叶主体70的表面。在粘结涂层形成工序S110中，喷镀枪以使喷镀粒子的喷射孔垂直地朝向动叶主体70的表面的方式移动。在本实施方式的粘结涂层形成工序S110中，通过使用喷镀枪实施高速火焰喷镀(HVOF：High Velocity OxygenFuel)、减压等离子喷镀(LPPS：Low Pressure Plasma Spraying)来形成粘结涂层110。
在外涂层形成工序S120中，在动叶主体70的表面上形成包含陶瓷的外涂层120。外涂层形成工序S120在粘结涂层形成工序S110之后实施。在外涂层形成工序S120中，在粘结涂层形成工序S110中所形成的粘结涂层110上层叠外涂层120。外涂层形成工序S120使用喷镀法。因此，在本实施方式的外涂层形成工序S120中，以向形成在动叶主体70的粘结涂层110的表面上喷镀喷镀粒子的方式形成外涂层120。外涂层形成工序S120具有第一致密层形成工序S121、气孔层形成工序S122、以及第二致密层形成工序S123。
第一致密层形成工序S121在粘结涂层形成工序S110之后实施。在第一致密层形成工序S121中，在粘结涂层110上形成第一致密层121。第一致密层形成工序S121实施悬浮液等离子喷镀从而形成第一致密层121。在第一致密层形成工序S121中，使喷镀枪相对于动叶主体70的表面倾斜规定的倾斜角度α来实施悬浮液等离子喷镀。悬浮液等离子喷镀是将分散有微细的喷镀粒子的悬浮液供给至等离子射流中从而形成覆膜的喷镀方法。需要说明的是，与在气孔层形成工序S122中相比，在第一致密层形成工序S121中，喷镀枪的喷射孔与作为喷镀对象的动叶主体70的表面之间的距离更短。
优选微细的喷镀粒子是粒径为0.1μm以上且1.0μm以下。在悬浮液中使用的载体例如可以举出水、乙醇。对于悬浮液等离子喷镀，既可以使用向等离子射流供给悬浮液的供给方式为轴流内部供给方式的喷镀枪，也可以使用向等离子射流供给悬浮液的供给方式为外部供给方式的喷镀枪。
气孔层形成工序S122在第一致密层形成工序S121之后实施。在气孔层形成工序S122中，在第一致密层121上形成中间气孔层122。气孔层形成工序S122实施悬浮液等离子喷镀从而形成中间气孔层122。与在第一致密层形成工序S121中相比，在气孔层形成工序S122中，使喷镀枪更远离动叶主体70来喷镀喷镀粒子。在气孔层形成工序S122中，首先，以从第一致密层形成工序S121中的喷镀距离起逐渐远离动叶主体70的方式移动喷镀枪来实施喷镀。随后，在中间气孔层122形成到中间气孔层122的所希望的膜厚的一半左右的时间点，使喷镀距离逐渐接近第二致密层形成工序S123中的喷镀距离。最终，在形成所希望的膜厚的中间气孔层122的时间点，以使喷镀距离与第二致密层形成工序S123中的喷镀距离一致的方式移动喷镀枪。
第二致密层形成工序S123在气孔层形成工序S122之后实施。在第二致密层形成工序S123中，在中间气孔层122上形成第二致密层123。第二致密层形成工序S123实施悬浮液等离子喷镀从而形成第二致密层123。与在气孔层形成工序S122中相比，在第二致密层形成工序S123中，使喷镀枪更接近动叶主体70来喷镀喷镀粒子。本实施方式的第二致密层形成工序S123以与第一致密层形成工序S121相同的条件实施。因此，在第二致密层形成工序S123中，使喷镀枪相对于动叶主体70的表面倾斜预先设定的倾斜角度α并使用悬浮液等离子喷镀进行喷镀。需要说明的是，与在气孔层形成工序S122中相比，在第二致密层形成工序S123中，喷镀枪的喷射孔与作为喷镀对象的动叶主体70的表面之间的距离更短。
调整工序S130在第二致密层形成工序S123之后实施。在调整工序S130中，对隔热涂层100的表面的状态进行调整。具体而言，在调整工序S130中，略微切削外涂层120的表面以对隔热涂层100的膜厚进行调整、或使表面更光滑。通过该调整工序S130，例如，能够使向动叶7的热传导率降低。在该实施方式的调整工序S130中，通过将第二致密层123的表面切削数μm，能够使外涂层120的表面光滑并且调整膜厚。
根据上述那样的隔热涂层100、隔热涂层形成方法S100以及动叶7，在第一致密层121与第二致密层123之间形成有中间气孔层122，从而通过中间气孔层122来阻碍沿厚度方向向外涂层120的热量输入。其结果是，能够进一步降低作为外涂层120的热传导率。在外涂层120中，在与动叶主体70侧即粘结涂层110密接的一侧形成有第一致密层121，从而能够确保相对于粘结涂层110的密接性。并且，在外涂层120中，在表面侧形成有第二致密层123，从而能够确保耐侵蚀性。由此，能够在抑制隔热涂层100中的耐侵蚀性的降低的同时提高隔热效果。
具体而言，使用图5对热传导率由于具有中间气孔层12而降低这一点进行说明。图5是通过模拟求出的外涂层120中的热传导率与气孔率的关系的图。如图5所示，在外涂层120中，气孔率越大，则外涂层120中的热传导率越小。更具体而言，气孔率从0％上升至15％的话，热传导率降低10％左右。由此，可知通过在第一致密层121与第二致密层123之间形成气孔率较高的中间气孔层122，能够使外涂层120中的热传导率降低。
另外，通过将中间气孔层122中的气孔率设为10％以上且20％以下，从而第一纵向裂纹C1以及第二纵向裂纹C2带来的阻碍沿厚度方向的热量输入的效果提高。其结果是，能够在不会大幅度降低中间气孔层122中的耐侵蚀性的情况下，大幅度降低外涂层120中的热传导率。
另外，如第一纵向裂纹C1、第二纵向裂纹C2这样，在外涂层120内形成有倾斜地形成的纵向裂纹C。因此，通过倾斜地延伸的第一纵向裂纹C1来阻碍第一致密层121内的沿厚度方向的热量输入。同样地，通过倾斜地延伸的第二纵向裂纹C2来阻碍第二致密层123内的沿厚度方向的热量输入。因此，能够通过第一纵向裂纹C1以及第二纵向裂纹C2来使外涂层120中的热传导率降低。另一方面，在外涂层120中的表面侧形成有第二致密层123。越形成有纵向裂纹C，第二致密层123就形成得越致密，从而能够抑制耐侵蚀性的降低。由此，能够在抑制隔热涂层100的表面侧的耐侵蚀性降低的同时提高隔热效果。
具体而言，使用图6对热传导率由于使纵向裂纹C倾斜而降低这一点进行说明。图6是通过模拟求出的形成有纵向裂纹C的外涂层120中的热传导率与纵向裂纹C的倾斜角度α的关系的图。如图6所示，在外涂层120中，纵向裂纹C的倾斜角度α越小，则外涂层120中的热传导率越小。更具体而言，与纵向裂纹C不倾斜的状态(倾斜角度α为90°的情况)相比，在将纵向裂纹C的倾斜角度α设为60°的情况下，热传导率降低25％以上。由此，可知能够通过将纵向裂纹C设为倾斜来使外涂层120中的热传导率降低。
另外，由于通过悬浮液等离子喷镀形成外涂层120，从而与大气等离子喷镀(APS：atmospheric plasma spraying)相比，形成外涂层120的喷镀粒子的粒径变小。其结果是，能够使第一致密层121、第二致密层123成为非常细密的结构。由此，能够提高第一致密层121的相对于粘结涂层110的密接性、外涂层120中的各层之间的密接性。
另外，第一纵向裂纹C1以及第二纵向裂纹C2全部朝向相同的方向倾斜，从而能够在第一致密层121以及第二致密层123的面方向上的宽广的区域内，阻碍沿厚度方向的热量输入。其结果是，能够在宽广的范围内使外涂层120中的热传导率降低。
另外，将第一纵向裂纹C1以及第二纵向裂纹C2的倾斜角度α设为45°以上且80°以下。通过减小倾斜角度α，从而增大第一纵向裂纹C1以及第二纵向裂纹C2带来的阻碍沿厚度方向的热量输入的效果。其结果是，能够大幅度地降低外涂层120中的热传导率。另外，将第一纵向裂纹C1以及第二纵向裂纹C2的倾斜角度α设为45度以上，从而能够抑制在第一致密层121以及第二致密层123的形成时喷镀粒子难以附着在表面的情况。因此，能够进一步抑制外涂层120的制造效率的降低。
(实施方式的其他变形例)
以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但各实施方式中的各结构及它们的组合等是一例，能够在不脱离本发明的宗旨的范围内，进行结构的附加、省略、置换以及其他的变更。另外，本发明不通过实施方式来限定，仅通过技术方案进行限定。
需要说明的是，在上述实施方式中，第一纵向裂纹C1以及第二纵向裂纹C2成为倾斜的结构，但外涂层120并不限定于这样的结构。例如，如图7所示，也可以形成具有相对于面方向垂直地延伸的纵向裂纹C(不倾斜的纵向裂纹)的结构的隔热涂层100A的外涂层120A。因此，第一致密层121A的第一纵向裂纹C1以及第二致密层123A的第二纵向裂纹C2相对于外涂层120A的表面而沿垂直的方向延伸。
在上述实施方式中，外涂层120成为在第一致密层121与第二致密层123之间形成有中间气孔层122的多层结构。然而，外涂层120并限定于这样的结构。例如，如图8所示，隔热涂层100A的外涂层120A也可以形成为具有倾斜的纵向裂纹C的单层结构。
另外，在本实施方式的隔热涂层形成方法S100中，也可以不实施粘结涂层形成工序S110。例如，在其他方法中，可以形成粘结涂层110，也可以不形成粘结涂层110本身。在不形成粘结涂层110的情况下，可以将陶瓷层直接形成在动叶主体70的表面。
另外，高温构件并不限定于动叶7，只要是暴露于高温中的构件即可。对于高温构件，也可以将本发明应用于例如燃气轮机1的静叶8、构成燃烧器3的喷嘴、简体等构件。另外，高温构件也可以是在燃气轮机1以外的、暴露于高温中的构件。例如，高温构件可以是在燃气发动机中暴露在高温的环境下的构件。
另外，中间气孔层122并不限定于完全不形成纵向裂纹C而仅形成有气孔P的结构。对于中间气孔层122，只要其气孔率足够大，则也可以稍微形成有纵向裂纹C。同样地，对于第一致密层121、第二致密层123，只要形成有纵向裂纹C，则也可以稍微形成有气孔P。
另外，第一纵向裂纹C1以及第二纵向裂纹C2这样的纵向裂纹的延伸方向并不限定于如上述方式那样、采用将基端与前端连结的假想直线的延伸方向。纵向裂纹的延伸方向也可以根据复杂地弯折的纵向裂纹而通过图像解析等取得近似直线，并采用将该近似直线的延伸方向。
另外，第一纵向裂纹C1以及第二纵向裂纹C2只要倾斜即可，并不限定于在整个区域范围内朝向相同的方向倾斜。对于纵向裂纹C的倾斜角度α，可以在陶瓷层的表面侧与在动叶主体70侧不同。即，对于纵向裂纹，例如只要朝向相同的方向倾斜，则可以在延伸方向的中途以不同的角度倾斜。因此，对于第一纵向裂纹C1以及第二纵向裂纹C2，例如，靠近外涂层120的表面的一侧的区域中的倾斜角度α与靠近动叶主体70的表面的一侧的区域中的倾斜角度α相比，可以形成得较小。
另外，在本实施方式中，采用第一致密层121的第一纵向裂纹C1以及第二致密层123的第二纵向裂纹C2的倾斜角度α一致的结构，但第一致密层121以及第二致密层123并不限定于这样的结构。因此，第一纵向裂纹C1的相对于外涂层120的表面的倾斜角度α与第二纵向裂纹C2的相对于外涂层120的表面的倾斜角度α可以不同。此时，优选第一纵向裂纹C1的倾斜角度α小于第二纵向裂纹C2的倾斜角度α。
另外，在本实施方式中，将第一致密层121以及第二致密层123的每1mm的纵向裂纹C的分布率设为相同，但第一致密层121以及第二致密层123并不限定于这样的结构。例如，第二致密层123的每1mm的纵向裂纹C的分布率可以大于第一致密层121的每1mm的纵向裂纹C的分布率，也可以小于第一致密层121的每1mm的纵向裂纹C的分布率。
另外，在本实施方式中，将第一致密层121以及第二致密层123的气孔率设为相同，但第一致密层121以及第二致密层123并不限定于这样的结构。例如，第一致密层121以及第二致密层123的气孔率只要低于中间气孔层122的气孔率，则也可以互不相同。
另外，关于本实施方式的纵向裂纹C，如第一纵向裂纹C1和第二纵向裂纹C2那样，在一个外涂层120中，以在厚度方向的中间附近利用中间气孔层122设置间隔的方式形成。这样，纵向裂纹C并不限定于从陶瓷层的朝向动叶主体70侧起连续至表面的结构。因此，纵向裂纹C可以在一个陶瓷层内沿厚度方向断续地延伸。因此，第一纵向裂纹C1以及第二纵向裂纹C2也并不限定于本实施方式所示那样连续地延伸的结构。例如，第一纵向裂纹C1可以在第一致密层121内沿厚度方向以隔开间隔的方式形成。同样地，第二纵向裂纹C2可以在第二致密层123内沿厚度方向以隔开间隔的方式形成。
另外，在本实施方式的气孔层形成工序S122中，以使喷镀距离逐渐发生变化(渐变)的方式移动喷镀枪，但并不限定于像这样移动喷镀枪。例如，在气孔层形成工序S122中，也可以以从第一致密层形成工序S121中的喷镀距离起急剧地变化至气孔层形成工序S122中的设为目标的喷镀距离的方式移动喷镀枪。
另外，在各工序中举出的喷镀条件为一例，并不限定于此。喷镀条件根据使用的装置、作为对象的喷镀粒子种类等进行适当设定即可。
工业实用性
本发明能够应用于隔热涂层形成方法、隔热涂层以及高温构件，能够在抑制耐侵蚀性的降低的同时提高隔热效果。
附图标记说明：
1…燃气轮机；2…压缩机；3…燃烧器；4…涡轮主体；5…转子；6…外壳；7…动叶；70…动叶主体；71…叶片主体部；72…平台部；73…叶根部；74…护罩部；8…静叶；A…压缩空气；G…燃烧气体；100…隔热涂层；110…粘结涂层；120…外涂层；121…第一致密层；C1…第一纵向裂纹；α…倾斜角度；122…中间气孔层；P…气孔；123…第二致密层；C2…第二纵向裂纹；S1…高温构件的制造方法；S10…动叶主体准备工序；S20…隔热涂层形成工序；S100…隔热涂层形成方法；S110…粘结涂层形成工序；S120…外涂层形成工序；S121…第一致密层形成工序；S122…气孔层形成工序；S123…第二致密层形成工序；S130…调整工序；C…纵向裂纹。

Claims (23)

1.一种隔热涂层，其中，
所述隔热涂层具备形成在耐热合金基材上且包含陶瓷的陶瓷层，
所述陶瓷层具有：
第一致密层；
中间气孔层，其层叠在所述第一致密层上，密度比所述第一致密层大，且形成有多个气孔；以及
第二致密层，其层叠在所述中间气孔层上，密度比所述中间气孔层小。
2.根据权利要求1所述的隔热涂层，其中，
在第一边界部以及第二边界部处，气孔率连续地变化，所述第一边界部是所述中间气孔层与所述第一致密层的边界部，所述第二边界部是所述中间气孔层与所述第二致密层的边界部。
3.根据权利要求1或2所述的隔热涂层，其中，
所述中间气孔层的气孔率为10％以上且20％以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的隔热涂层，其中，
所述第一致密层以及所述第二致密层的气孔率为10％以下且5％以上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的隔热涂层，其中，
在所述第一致密层中，在面方向上分散有沿厚度方向延伸的第一纵向裂纹，
在所述第二致密层中，在面方向上分散有沿厚度方向延伸的第二纵向裂纹。
6.根据权利要求5所述的隔热涂层，其中，
所述第一纵向裂纹以及所述第二纵向裂纹相对于所述陶瓷层的表面倾斜地延伸。
7.根据权利要求5或6所述的隔热涂层，其中，
所述第一纵向裂纹的相对于所述陶瓷层的表面的倾斜角度与所述第二纵向裂纹的相对于所述陶瓷层的表面的倾斜角度不同。
8.一种隔热涂层形成方法，其中，
所述隔热涂层形成方法包括在耐热合金基材的表面上形成包含陶瓷的陶瓷层的陶瓷层形成工序，
所述陶瓷层形成工序具有：
第一致密层形成工序，在该第一致密层形成工序中，形成第一致密层；
所述第一致密层形成工序之后实施的气孔层形成工序，在该气孔层形成工序中，在所述第一致密层上形成密度比所述第一致密层大且形成有多个气孔的中间气孔层；以及
所述气孔层形成工序之后实施的第二致密层形成工序，在该第二致密层形成工序中，在所述中间气孔层上形成密度比所述中间气孔层小的第二致密层。
9.根据权利要求8所述的隔热涂层形成方法，其中，
在所述陶瓷层形成工序中使用喷镀法，
与在所述气孔层形成工序中相比，在所述第一致密层形成工序以及所述第二致密层形成工序中，喷镀枪的喷射孔与喷镀对象的表面之间的距离更短。
10.根据权利要求8或9所述的隔热涂层形成方法，其中，
在所述第一致密层形成工序中，以在面方向上分散有沿厚度方向延伸的第一纵向裂纹的方式形成所述第一致密层，
在所述第二致密层形成工序中，以在面方向上分散有沿厚度方向延伸的第二纵向裂纹的方式形成所述第二致密层。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的隔热涂层形成方法，其中，
喷镀粒子的粒径为0.1μm以上且1.0μm以下。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的隔热涂层形成方法，其中，
在所述陶瓷层形成工序的至少一部分中，使用悬浮液等离子喷镀。
13.一种高温构件，其中，
所述高温构件具备：
耐热合金基材；以及
陶瓷层，其形成在所述耐热合金基材上，且包含陶瓷，
所述陶瓷层具有：
第一致密层；
中间气孔层，其层叠在所述第一致密层上，密度比所述第一致密层大，且形成有多个气孔；以及
第二致密层，其层叠在所述中间气孔层上，密度比所述中间气孔层小。
14.根据权利要求1所述的隔热涂层，其中，
在所述陶瓷层中，在面方向上分散有沿厚度方向延伸的纵向裂纹，
所述纵向裂纹相对于所述陶瓷层的表面倾斜地延伸。
15.根据权利要求14所述的隔热涂层，其中，
在所述陶瓷层的表面侧与在所述陶瓷层的耐热合金基材侧，所述纵向裂纹的倾斜角度不同。
16.根据权利要求14或15所述的隔热涂层，其中，
所述纵向裂纹的每1mm的分布率为6根/mm以上且12根/mm以下。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的隔热涂层，其中，
所述纵向裂纹断续地延伸。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的隔热涂层，其中，
多个所述纵向裂纹中的全部随着朝向所述陶瓷层的表面而朝向所述面方向的一侧倾斜。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的隔热涂层，其中，
所述纵向裂纹的倾斜角度相对于所述陶瓷层的表面为45°以上且80°以下的角度。
20.根据权利要求8所述的隔热涂层形成方法，其中，
使喷镀枪相对于耐热合金基材的表面倾斜预先设定的倾斜角度，并使用分散有喷镀粒子的悬浮液进行喷镀，从而在所述耐热合金基材上形成在面方向上分散有沿厚度方向延伸且以倾斜所述倾斜角度的方式延伸的纵向裂纹的包含陶瓷的陶瓷层。
21.根据权利要求20所述的隔热涂层形成方法，其中，
所述喷镀是悬浮液等离子喷镀。
22.根据权利要求20或21所述的隔热涂层形成方法，其中，
所述喷镀粒子的粒径为0.1μm以上且1.0μm以下。
23.根据权利要求13所述的高温构件，其中，
所述高温构件具备：
耐热合金基材；以及
陶瓷层，其形成在所述耐热合金基材上，且包含在面方向上分散有沿厚度方向延伸的纵向裂纹的陶瓷，
所述纵向裂纹相对于所述陶瓷层的表面倾斜地延伸。
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