JPH06306640A - 高温被曝材料 - Google Patents

高温被曝材料

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JPH06306640A
JPH06306640A JP9906193A JP9906193A JPH06306640A JP H06306640 A JPH06306640 A JP H06306640A JP 9906193 A JP9906193 A JP 9906193A JP 9906193 A JP9906193 A JP 9906193A JP H06306640 A JPH06306640 A JP H06306640A
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JP
Japan
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layer
film
thickness
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undercoat layer
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Withdrawn
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JP9906193A
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English (en)
Inventor
Toshiro Kobayashi
敏郎 小林
Takahito Kitai
敬人 北井
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 基材とトップコート皮膜との耐剥離性の優れ
た高温被曝材料を提供しようとするものである。 【構成】 Co基若しくはNi基の耐熱超合金基材又は
それらの表面にMCrAlY(M:Co及び又はNi)
の超合金層を備えた基材、該基材の上に形成されるR
h,Pt及びIrの群から選ばれた1種よりなる厚さ
0.05μm以上のアンダーコート層、並びに、該アン
ダーコート層の上に形成される厚さ50μm以上の安定
化ZrO2 のトップコート皮膜からなることを特徴とす
る高温被曝材料である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高温被曝材料に関し、
特に、ガスタービンの翼、ディーゼルエンジンピストン
ヘッド等に適用される耐熱性、耐高温腐食性コーティン
グ材料に関する。
【0002】
【従来の技術】ガスタービン翼等の高温被曝材料は、通
常、低い熱伝導性と高い輻射率を有し、かつ、耐酸化性
に優れているZrO2 系のセラミックスで被覆されてい
る。皮膜を大別すると、次の2種類である。 (1) YSZ(イットリア安定化ジルコニア)溶射皮膜:
Co基又はNi基の耐熱超合金に、ボンドコートと呼ば
れるMCrAlY(M:Co及び又はNi)合金層を介
してYSZ(例えば、ZrO2 ・8Y2 3 )を溶射し
た皮膜で、YSZは溶融状態で吹き付けるため、層状組
織をなしている。 (2) YSZのEB・PVD皮膜:Co基又はNi基の耐
熱超合金に、ボンドコートと呼ばれるMCrAlY
(M:Co及び又はNi)合金層を介してYSZを電子
ビーム加熱真空蒸着法(EB・PVD法)で成膜した皮
膜で、YSZは柱状組織をなしている。上記の高温被曝
材料の具体例を表1に、基材、中間層(ボンドコート
層)及び皮膜(トップコート層)の組成を表2に示し
た。
【0003】
【表1】
【0004】
【表2】
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記の高温被曝材料
は、基材と皮膜の熱膨張係数の差により割れが発生し易
く、剥離の原因となる。そこで、層間の熱応力を緩和す
るために、YSZ溶射皮膜の熱膨張係数を厚さ方向に徐
々に変化する傾斜組成法などの基礎研究がなされている
[日本金属学会誌、vol.56,No.4(1992),p.472 〜480]
が、未だ実用化されるに至っていない。
【0006】また、EB・PVD皮膜は、皮膜の成長方
向が基材に垂直な柱状のセル構造であるため、熱サイク
ルに強いとの評価 (Intermational Gas Turbine Aeroen
gineCongress and Exposition,Orland. ASME,91-GT-40)
と、大気溶射より少し劣るとの評価(川崎重工業技報,1
12号1992年 1月)に分かれている。そこで、本発明は、
上記の欠点を解消し、基材と皮膜との耐剥離性の優れた
高温被曝材料を提供しようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、(1) Co基若
しくはNi基の耐熱超合金基材又はそれらの表面にMC
rAlY(M:Co及び又はNi)の超合金層を備えた
基材、該基材の上に形成されるRh,Pt及びIrの群
から選ばれた1種よりなる厚さ0.05μm以上のアン
ダーコート層、並びに、該アンダーコート層の上に形成
される厚さ50μm以上の安定化ZrO2 のトップコー
ト皮膜からなることを特徴とする高温被曝材料、及び、
(2) アンダーコート層とトップコート皮膜との間に、酸
素の一部が化学量論的組成から欠損した安定化ZrO2
の厚さ0.5〜4μmの遷移層を設けたことを特徴とす
る上記(1) 記載の高温被曝材料である。
【0008】
【作用】本発明者等は、Co基耐熱超合金基材にYSZ
皮膜を直接形成するときの、剥離の原因を調べたとこ
ろ、YSZ皮膜に開気孔が存在するためか、YSZがイ
オン伝導性を有して酸素イオンが供給されるためか、明
確でなかったが、上記基材と皮膜との界面にAl2 3
等の厚い酸化物層が形成されることに起因するものと推
定された。
【0009】そこで、本発明では、Co基若しくはNi
基の耐熱超合金基材又はそれらの表面にMCrAlY
(M:Co及び又はNi)の超合金層を備えた基材と安
定化ZrO2 のトップコート皮膜との間に、Rh,Pt
及びIrの群から選ばれた1種よりなるアンダーコート
層を設けることにより、基材とトップコート皮膜との界
面に酸化物の析出を防止しようとするものである。アン
ダーコート層のRh,Pt、Ir等の金属は高温耐酸化
性に優れ、融点が高く、高温使用時に液相を形成するこ
ともないところから、上記の酸化物の析出を抑制するも
のと思われる。
【0010】アンダーコート層の厚さは、0.05μm
以上が必要であり、これを下回ると上記金属の数10原
子層以下になるため、基材全面を確実に被覆することが
できず、酸化物析出の抑制効果が十分でなくなる。な
お、上記の金属は高価な貴金属であるため、経済性を考
慮すると、その上限は3μm程度である。
【0011】トップコート皮膜として形成される安定化
ZrO2 は、Y2 3 、MgO、CaO等の安定化物質
を7〜10%程度固溶し、部分的若しくは完全に安定化
したZrO2 が使用される。トップコート皮膜の厚さ
は、一般的には50〜400μmの範囲であるが、実用
上は250〜300μmの範囲が適当である。
【0012】また、本発明は、アンダーコート層とトッ
プコート皮膜との間に、酸素の一部が化学量論的組成か
ら欠損した安定化ZrO2 からなる厚さ0.5〜5μm
の遷移層を設けることにより、YSZのトップコート皮
膜の厚膜化を可能にした。
【0013】
【実施例】表2のECY768基材の上に、表3〜5
(表5は表4の続き)に記載の製造条件にしたがって、
ボンドコート層(No.20,21は省略)、アンダー
コート層(No.1〜3は省略)、遷移層(No.1〜
14及びNo.20,21は省略)、及び、トップコー
ト層を形成し、耐酸化試験及び耐熱衝撃試験を行い、か
つ、その結果に基づいて総合評価を行って、表5に記載
した。また、厚膜化試験結果も併せて記載した。
【0014】
【表3】
【0015】
【表4】
【0016】
【表5】
【0017】耐酸化試験は、大気中で1000℃に保持
して皮膜の一部が剥離したり、浮き上がるまでの時間で
評価した。判定基準は5000時間を上回るものを○、
3000〜5000時間の間のものを△、3000時間
未満のものを×と表記した。
【0018】耐熱衝撃試験は、1000℃と500℃の
間の熱サイクルを付与し、割れ発生までの回数で評価し
た。500℃から1000℃への加熱時間は5分、10
00℃から500℃までの冷却時間は8分とし、窒素ガ
スを吹きつけて制御した。判定基準は1000回を上回
るものを○、200〜1000回のものを△、200回
未満のものを×と表記した。
【0019】総合判定の結果は○印のものが望ましいも
のであるが、△印でも使用条件によって十分に使用する
ことができる。なお、×印はガスタービンに使用するこ
とはできない。
【0020】トップコート皮膜の厚膜化試験は、アンダ
ーコート層のPtとトップコート皮膜のYSZの間の密
着力を調べる要素試験であり、遷移層の厚さを変化させ
てトップコート皮膜が剥離するときの限界厚さを調べ
た。
【0021】〔比較例(No.1〜3)〕No.1〜3
は、CoNiCrAlYボンドコート層を備えたECY
768基材の上に直接YSZトップコート層を形成した
ものであり、上記ボンドコート層並びにトップコート層
を溶射法で形成したNo.1は、耐酸化性及び耐熱衝撃
性がいずれも劣っているが、上記トップコート層をPV
D法で形成したNo.2,3は、耐熱衝撃性が優れてい
るが、耐酸化性は十分ではなかった。なお、上記ボンド
コート層の形成法については、溶射法とPVD法の間で
特別の差は認められなかった。
【0022】〔実施例(No.4〜6)〕No.4〜6
は、CoNiCrAlYボンドコート層を備えたECY
768基材の上にPtアンダーコート層を介してYSZ
トップコート層を形成したものである。上記トップコー
ト層を溶射法で形成したNo.4の耐熱衝撃性がやや低
いものの耐酸化性に優れていた。また、PVD法でトッ
プコート層を形成したNo.5〜6は耐酸化性及び耐熱
衝撃性ともに優れていた。なお、アンダーコート層の形
成法については、PVD法と無電解メッキ法との間で特
別な差は認められなかった。
【0023】〔実施例(No.7,8),比較例(N
o.9)〕No.7,8は、No.5において、アンダ
ーコート材料のPtの代わりにRh,Irを用いた例で
あり、Ptの場合と同様に耐酸化性及び耐熱衝撃性とも
に優れていた。Ptの代わりにAuを用いたNo.9
は、耐熱衝撃性が不良であり、耐酸化性も従来法よりも
僅かに優れている程度であった。
【0024】〔実施例(No.11〜14)、比較例
(No.10)〕No.10〜14は、No.5におい
て、アンダーコート層の厚さを0.03μmから5μm
の範囲で変化させたもので、0.03μmのNo.10
(比較例)は耐酸化性がやや劣るが、0.05μm以上
のNo.11〜14(実施例)は、耐酸化性及び耐熱衝
撃性ともに優れていた。
【0025】〔実施例(No.15〜19)〕No.1
5〜19は、No.5において、アンダーコート層とト
ップコート皮膜との間に、酸素の一部が化学量論的組成
から欠損した安定化ZrO2 からなる遷移層を設け、該
層の厚さを0.1〜5μmの範囲で変化させて、トップ
コート皮膜の厚膜化試験を行い、剥離する限界厚さを調
べた。その結果、遷移層の厚さが0.1μmのNo.1
5及び5.0μmのNo.19は、遷移層を設けていな
いNo.5と同じ、トップコート皮膜の厚さが0.8m
mしか形成することができず、遷移層を設けた効果が認
められなかったが、遷移層の厚さを0.5μm〜4.0
μmに調整したNo.16〜18は、トップコート皮膜
の厚さが1.0〜1.5mmと、遷移層付設にともなう
厚膜効果が認められた。なお、No.15〜19の耐酸
化性及び耐熱衝撃性はともに優れていた。
【0026】〔実施例(No.20〜21)〕No.2
0〜21は、ボンドコート層を省略した例であり、基材
としてCo基のECY768を用いたNo.20と、N
i基のINCO738LCを用いたNo.21との間に
耐酸化性及び耐熱衝撃性の有意差は認められず、両者は
ともに優れていることが分かった。
【0027】
【発明の効果】本発明は、上記の構成を採用することに
より、基材とトップコート皮膜の間に設けたアンダーコ
ート層の存在により、耐剥離性を大幅に改良することが
でき、さらに、遷移層を設けることにより、トップコー
ト皮膜の厚膜化を容易にした。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Co基若しくはNi基の耐熱超合金基材
    又はそれらの表面にMCrAlY(M:Co及び又はN
    i)の超合金層を備えた基材、該基材の上に形成される
    Rh,Pt及びIrの群から選ばれた1種よりなる厚さ
    0.05μm以上のアンダーコート層、並びに、該アン
    ダーコート層の上に形成される厚さ50μm以上の安定
    化ZrO2 のトップコート皮膜からなることを特徴とす
    る高温被曝材料。
  2. 【請求項2】 アンダーコート層とトップコート皮膜と
    の間に、酸素の一部が化学量論的組成から欠損した安定
    化ZrO2 の厚さ0.5〜4μmの遷移層を設けたこと
    を特徴とする請求項1記載の高温被曝材料。
JP9906193A 1993-04-26 1993-04-26 高温被曝材料 Withdrawn JPH06306640A (ja)

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