JP2009293058A - Ceramic laminate, and structure for thermal barrier coating - Google Patents
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Abstract
【課題】遮熱性、耐熱衝撃性、及び酸素バリア性が良好であり、層間の界面剥離が抑制された新規なセラミックス積層体を提供する。
【解決手段】セラミックス積層体2は、相対密度が95%以下である第1のセラミックス膜13上に、相対密度が95%以上であり、かつ、第1のセラミックス膜13の相対密度より高い相対密度を有する第2のセラミックス膜15が積層されたものである。第2のセラミックス膜15は、エアロゾルデポジション法により成膜されたものであることが好ましい。本発明によれば、第2のセラミックス膜15の少なくとも一部が、第1のセラミックス膜13の表面上に存在している構造のセラミックス積層体2を提供できる。
【選択図】図1The present invention provides a novel ceramic laminate that has good heat shielding properties, thermal shock resistance, and oxygen barrier properties, and that suppresses interfacial delamination between layers.
A ceramic laminate 2 has a relative density of 95% or more on a first ceramic film 13 having a relative density of 95% or less and a relative density higher than the relative density of the first ceramic film 13. A second ceramic film 15 having a density is laminated. The second ceramic film 15 is preferably formed by an aerosol deposition method. According to the present invention, the ceramic laminate 2 having a structure in which at least a part of the second ceramic film 15 exists on the surface of the first ceramic film 13 can be provided.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、セラミックス積層体、及び基材を熱から保護するための遮熱コーティング構造に関するものである。 The present invention relates to a ceramic laminate and a thermal barrier coating structure for protecting a substrate from heat.
航空機用のジェットエンジンや発電用のガスタービン等においては、熱効率や出力を向上させるために、燃焼ガス温度の高温化が進められている。それに伴い、高温環境、さらには高温高腐食環境において使用される部材を冷却する冷却技術と共に、該部材を熱から保護する遮熱コーティング(thermal barrier coating:TBC)技術が重要になってくる。 In aircraft jet engines, power generation gas turbines, and the like, the combustion gas temperature is being increased in order to improve thermal efficiency and output. Accordingly, along with a cooling technique for cooling a member used in a high-temperature environment and further a high-temperature and high-corrosion environment, a thermal barrier coating (TBC) technique for protecting the member from heat becomes important.
遮熱コーティングはガスタービンの燃焼器や動翼等の部材からなる金属基材上に施されており、一般的にその構造は、耐環境性に優れた金属接合層(ボンドコート層)と、低熱伝導性のセラミックス遮熱層(トップコート層)との積層構造を有している。熱伝導率の低いセラミックス遮熱層を燃焼ガス流路側に設けることにより、金属基材を高温に曝すことなく長寿命化を図ることができる。従来、遮熱性及び耐熱衝撃性が良好なことから、セラミックス遮熱層としては多孔質セラミックス膜が用いられている。 The thermal barrier coating is applied on a metal base material composed of members such as a gas turbine combustor and a moving blade. Generally, its structure is a metal bonding layer (bond coat layer) excellent in environmental resistance, It has a laminated structure with a low thermal conductive ceramic thermal barrier layer (topcoat layer). By providing a ceramic heat shield layer with low thermal conductivity on the combustion gas flow path side, it is possible to extend the life without exposing the metal substrate to a high temperature. Conventionally, a porous ceramic film has been used as the ceramic heat shield layer because of its good heat shield and thermal shock resistance.
特許文献1等に記載されているように、従来、セラミックス遮熱層としてはプラズマ溶射皮膜が広く用いられている。図7に、特許文献1の図2に記載の遮熱コーティング構造の断面写真を示す。この遮熱コーティング構造101は、金属基材111上に形成された金属接合層112と溶射皮膜からなるセラミックス遮熱層114との積層構造を有している。 As described in Patent Document 1 and the like, conventionally, a plasma sprayed coating has been widely used as a ceramic thermal barrier layer. FIG. 7 shows a cross-sectional photograph of the thermal barrier coating structure described in FIG. The thermal barrier coating structure 101 has a laminated structure of a metal bonding layer 112 formed on a metal substrate 111 and a ceramic thermal barrier layer 114 made of a sprayed coating.
一方、非特許文献1等に記載されているように、近年、ジェットエンジンのタービンブレード用等のセラミックス遮熱層として、EB-PVD(電子ビーム蒸着)皮膜が用いられている。図8に、非特許文献1に記載の遮熱コーティング構造の断面写真を示す。この遮熱コーティング構造102は、金属基材121上に形成された金属接合層123とEB-PVD皮膜からなるセラミックス遮熱層124との積層構造を有している。この遮熱コーティング構造102では、金属基材121と金属接合層123との間に拡散層122が形成されている。
特許文献1に記載の溶射皮膜では、その内部に多数の気孔が存在しており、これによって遮熱性及び耐熱衝撃性が発現する。しかしながら、溶射皮膜では多くの気孔が互いに連通していることが多く、実質的に遮熱層の表面から下地である金属接合層の表面まで遮熱層を貫通する貫通孔が形成されてしまうことも少なくない。 In the thermal spray coating described in Patent Document 1, a large number of pores exist in the coating, thereby exhibiting heat shielding properties and thermal shock resistance. However, many pores are often communicated with each other in the thermal spray coating, and a through-hole penetrating the thermal barrier layer is formed from the surface of the thermal barrier layer to the surface of the metal bonding layer as a base. Not a few.
図7では一見、溶射皮膜に形成された多くの気孔が互いに独立しているようにも見えるが、実際には緻密に見える部分にも多数の微細な気孔が形成されている。実際、金属基材/金属接合層/溶射皮膜からなる積層構造体を水中に浸漬させた状態で放置すると、金属接合層の表面に錆びが生じることなどから、多くの気孔が互いに連通した貫通孔が形成されていることが確認されている。 In FIG. 7, at first glance, it seems that many pores formed in the sprayed coating are independent from each other, but in reality, many fine pores are also formed in the portion that looks fine. In fact, if a laminated structure consisting of a metal substrate / metal bonding layer / sprayed coating is left immersed in water, rust will form on the surface of the metal bonding layer. Has been confirmed to be formed.
実質的に遮熱層を貫通する貫通孔が形成された構造では、この貫通孔を介して金属接合層が外気に接触するため、その分遮熱効果が低減してしまう。また、貫通孔を介して外気中の酸素ガスが金属接合層の表面に到達するため、金属接合層の表面に金属酸化物(TGO)が生成され、このTGOが成長することで、遮熱層と金属接合層との間に界面剥離が生じる恐れもある。 In a structure in which a through hole that substantially penetrates the heat shield layer is formed, the metal bonding layer comes into contact with the outside air through the through hole, so that the heat shield effect is reduced accordingly. Further, since oxygen gas in the outside air reaches the surface of the metal bonding layer through the through hole, a metal oxide (TGO) is generated on the surface of the metal bonding layer, and this TGO grows, whereby the heat shielding layer. There is also a possibility that interfacial peeling occurs between the metal and the metal bonding layer.
上記課題を解消するために、特許文献1では、金属接合層とセラミックス遮熱層との間に、湿式法であるゾルゲル法又はスラリー法等によって、緻密なAl2O3膜等からなる酸素バリア層(図7の符号113)を設けることが提案されている。酸素バリア層を通常の気相成膜法により成膜することも考えられる。しかしながら、一般に、湿式法であるゾルゲル法又はスラリー法等、あるいは通常の気相成膜法によって成膜される酸素バリア層は、下地との密着性が良くなく、度重なる熱衝撃に耐えることができず界面剥離が生じてしまう恐れがある。 In order to solve the above problem, in Patent Document 1, an oxygen barrier made of a dense Al 2 O 3 film or the like is formed between a metal bonding layer and a ceramic heat shield layer by a sol-gel method or a slurry method that is a wet method. It has been proposed to provide a layer (reference numeral 113 in FIG. 7). It is also conceivable to form the oxygen barrier layer by a normal vapor deposition method. However, in general, an oxygen barrier layer formed by a wet method such as a sol-gel method or a slurry method, or a normal vapor phase film formation method does not have good adhesion to the base, and can withstand repeated thermal shocks. There is a risk that interfacial peeling may occur.
図8に示すように、非特許文献1に記載のEB-PVD皮膜は、基材面に対して略垂直方向に延びる多数の柱状結晶からなる柱状構造を有している。かかる構造では、互いに隣接する柱状結晶の間に空隙が存在しており、これによって遮熱性及び耐熱衝撃性が発現する。しかしながら、この空隙は、遮熱層の表面から下地である金属接合層の表面まで遮熱層を貫通する貫通孔であり、溶射皮膜と事情は変わらない。 As shown in FIG. 8, the EB-PVD film described in Non-Patent Document 1 has a columnar structure composed of a large number of columnar crystals extending in a direction substantially perpendicular to the substrate surface. In such a structure, there are voids between the columnar crystals adjacent to each other, thereby exhibiting heat shielding properties and thermal shock resistance. However, this void is a through-hole penetrating the heat shield layer from the surface of the heat shield layer to the surface of the metal bonding layer as the base, and the situation is not different from that of the thermal spray coating.
用途及び目的が異なるが、従来、溶射膜に対して封孔処理を行うことはなされている。溶射膜に対する封孔処理としては、溶射膜に対して適正に粘度調整された封孔用塗料を刷毛塗りあるいはスプレー塗布する処理、同封孔用塗料に溶射膜を浸漬させる処理、溶射膜に対してパウダー状封孔用塗料を塗装する処理等が挙げられる。かかる封孔処理は溶射膜の耐食性向上等の目的のためになされている。 Although the use and purpose differ, conventionally, sealing treatment has been performed on the sprayed film. As a sealing treatment for the sprayed film, a process of brushing or spraying a sealing paint whose viscosity is appropriately adjusted to the sprayed film, a process of immersing the sprayed film in the sealing paint, For example, a treatment for applying a powdery sealing paint. Such sealing treatment is performed for the purpose of improving the corrosion resistance of the sprayed film.
セラミックス遮熱層の酸素バリア性を向上させるために、上記封孔処理を遮熱コーティング構造の用途に適用することが考えられる。しかしながら、上記封孔用塗料の耐熱性は低く、遮熱コーティング構造の用途では使用できない。しかも、図9に示すように、上記封孔用塗料は溶射膜の内部に入り込んで気孔を埋めてしまうため、セラミックス遮熱層の遮熱性及び耐熱衝撃性も損なわれてしまう。
図9は、溶射膜114に対して従来の封孔処理を施した場合のイメージ断面図である。図9において、左図が封孔処理前、右図が封孔処理後を示している。図中、符号114pが溶射膜114の気孔を示し、符号115が封孔用塗料を示している。
In order to improve the oxygen barrier property of the ceramic thermal barrier layer, it is conceivable to apply the above-described sealing treatment to a thermal barrier coating structure. However, the sealing paint has a low heat resistance and cannot be used in a thermal barrier coating structure. In addition, as shown in FIG. 9, the sealing paint enters the inside of the sprayed film and fills the pores, so that the thermal insulation and thermal shock resistance of the ceramic thermal insulation layer are also impaired.
FIG. 9 is an image cross-sectional view when the conventional sealing process is performed on the sprayed film 114. In FIG. 9, the left figure shows before the sealing process, and the right figure shows after the sealing process. In the figure, reference numeral 114p indicates pores of the sprayed film 114, and reference numeral 115 indicates sealing paint.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、遮熱性、耐熱衝撃性、及び酸素バリア性が良好であり、層間の界面剥離が抑制された新規なセラミックス積層体を提供することを目的とするものである。
本発明はまた、遮熱性、耐熱衝撃性、及び酸素バリア性が良好であり、層間の界面剥離が抑制された新規な遮熱コーティング構造を提供することを目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a novel ceramic laminate that has good heat shielding properties, thermal shock resistance, and oxygen barrier properties, and that suppresses interfacial delamination between layers. To do.
It is another object of the present invention to provide a novel thermal barrier coating structure that has good thermal barrier properties, thermal shock resistance, and oxygen barrier properties and that suppresses interfacial delamination between layers.
本発明のセラミックス積層体は、
相対密度が95%以下である第1のセラミックス膜上に、
相対密度が95%以上であり、かつ、前記第1のセラミックス膜の相対密度より高い相対密度を有する第2のセラミックス膜が積層されていることを特徴とするものである。
The ceramic laminate of the present invention is
On the first ceramic film having a relative density of 95% or less,
A second ceramic film having a relative density of 95% or higher and a relative density higher than that of the first ceramic film is laminated.
「相対密度」とは、理論密度に対する実測密度の割合を表すものであり、次式で表される。
相対密度=(実測密度/理論密度)×100(%)
実測密度はアルキメデス法によって測定することが可能であり、測定装置としては例えば、AlfaMirage社のSD200Lを用いることができる。
“Relative density” represents the ratio of the actually measured density to the theoretical density, and is expressed by the following equation.
Relative density = (actual density / theoretical density) × 100 (%)
The actually measured density can be measured by the Archimedes method. As a measuring device, for example, SD200L manufactured by AlfaMirage can be used.
本発明では、前記第2のセラミックス膜の少なくとも一部が、前記第1のセラミックス膜の表面上に存在している構造のセラミックス積層体を提供することができる。
前記第2のセラミックス膜は、エアロゾルデポジション法により成膜されたものであることが好ましい。
前記第1のセラミックス膜としては、プラズマ溶射法又は電子ビーム蒸着法により成膜されたものが挙げられる。
The present invention can provide a ceramic laminate having a structure in which at least a part of the second ceramic film is present on the surface of the first ceramic film.
The second ceramic film is preferably formed by an aerosol deposition method.
Examples of the first ceramic film include those formed by plasma spraying or electron beam evaporation.
遮熱コーティング構造等の用途に用いる場合、本発明のセラミックス積層体において、前記第1のセラミックス膜は、Al2O3、HfO2、CeO2、及びZrO2の群から選択される少なくとも1種の酸化物セラミックスを含み、
前記第2のセラミックス膜は、Al2O3、HfO2、CeO2、及びZrO2の群から選択される少なくとも1種の酸化物セラミックスを含むことが好ましい。
When used for applications such as a thermal barrier coating structure, in the ceramic laminate of the present invention, the first ceramic film is at least one selected from the group of Al 2 O 3 , HfO 2 , CeO 2 , and ZrO 2. Including oxide ceramics
The second ceramic film preferably contains at least one oxide ceramic selected from the group consisting of Al 2 O 3 , HfO 2 , CeO 2 , and ZrO 2 .
本発明の遮熱コーティング構造は、
金属基材を熱から保護するための遮熱コーティング構造において、
前記金属基材側から金属接合層とセラミックス遮熱層と封孔層とが順次積層された構造を有するものであり、
前記セラミックス遮熱層と前記封孔層との積層体が上記本発明のセラミックス積層体からなることを特徴とするものである。
The thermal barrier coating structure of the present invention is
In a thermal barrier coating structure for protecting a metal substrate from heat,
The metal base layer side has a structure in which a metal bonding layer, a ceramic heat shield layer, and a sealing layer are sequentially laminated,
The laminate of the ceramic heat shield layer and the sealing layer is formed of the ceramic laminate of the present invention.
本発明の遮熱コーティング構造において、
前記金属基材が、Co、Ni、及びFeからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素を含む合金を主成分とし、
前記金属接合層が、一般式MCrAlY(式中、MはNi及び/又はCo、Crはクロム、Alはアルミニウム、Yはイットリウムをそれぞれ示す。)で表される少なくとも1種の合金を主成分とすることが好ましい。
本明細書において、「主成分」とは30質量%以上の成分と定義する。
In the thermal barrier coating structure of the present invention,
The metal base material is mainly composed of an alloy containing at least one metal element selected from the group consisting of Co, Ni, and Fe,
The metal bonding layer is mainly composed of at least one alloy represented by the general formula MCrAlY (wherein M represents Ni and / or Co, Cr represents chromium, Al represents aluminum, and Y represents yttrium). It is preferable to do.
In this specification, the “main component” is defined as a component of 30% by mass or more.
本発明によれば、遮熱性、耐熱衝撃性、及び酸素バリア性が良好であり、層間の界面剥離が抑制された、遮熱コーティング構造等として好適な新規なセラミックス積層体を提供することができる。
本発明はまた、遮熱性、耐熱衝撃性、及び酸素バリア性が良好であり、層間の界面剥離が抑制された新規な遮熱コーティング構造を提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a novel ceramic laminate suitable for a thermal barrier coating structure or the like, which has good thermal barrier properties, thermal shock resistance, and oxygen barrier properties, and has suppressed interfacial peeling between layers. .
The present invention can also provide a novel thermal barrier coating structure that has good thermal barrier properties, thermal shock resistance, and oxygen barrier properties and that suppresses interfacial delamination between layers.
「第一実施形態」
図面を参照して、本発明に係る第一実施形態のセラミック積層体及びこれを備えた遮熱コーティング構造について説明する。遮熱コーティング構造は、例えば航空機用のジェットエンジンや発電用のガスタービン等において金属基材を熱から保護するために使用されるものである。
"First embodiment"
With reference to drawings, the ceramic laminated body of 1st embodiment which concerns on this invention, and the thermal-insulation coating structure provided with the same are demonstrated. The thermal barrier coating structure is used for protecting a metal base material from heat in, for example, an aircraft jet engine or a power generation gas turbine.
図1は金属基材及びその上に形成された遮熱コーティング構造の断面図である。図2は図1に対応する断面図であり、左図は封孔層15成膜前の状態、右図は封孔層15成膜後の状態を示している。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。特に、セラミックス遮熱層13の気孔13p及びセラミックス遮熱層13の表面凹凸を誇張して大きく模式的に図示してある。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a metal substrate and a thermal barrier coating structure formed thereon. FIG. 2 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 1, the left figure shows the state before the sealing layer 15 is formed, and the right figure shows the state after the sealing layer 15 is formed. In order to facilitate visual recognition, the scale of the constituent elements is appropriately changed from the actual one. In particular, the pores 13p of the ceramic heat shield layer 13 and the surface irregularities of the ceramic heat shield layer 13 are exaggerated and schematically illustrated.
図1に示すように、遮熱コーティング構造1は、金属基材11上に形成された金属接合層(ボンドコート)12とセラミックス遮熱層(トップコート)13と封孔層15との積層構造を有している。熱伝導率の低いセラミックス遮熱層13を燃焼ガス流路側に形成することにより、金属基材11を高温に曝すことなく長寿命化を図ることができる。 As shown in FIG. 1, the thermal barrier coating structure 1 has a laminated structure of a metal bonding layer (bond coat) 12, a ceramic thermal barrier layer (top coat) 13, and a sealing layer 15 formed on a metal substrate 11. have. By forming the ceramic heat shield layer 13 having a low thermal conductivity on the combustion gas flow path side, it is possible to extend the life without exposing the metal substrate 11 to a high temperature.
金属基材11の組成は特に制限されず、上記用途においては例えば、Co、Ni、及びFeからなる群より選択される少なくとも1種の金属元素を含む合金(好ましくはいわゆる「超耐熱合金」)を主成分とするものが好ましい。 The composition of the metal substrate 11 is not particularly limited, and in the above application, for example, an alloy containing at least one metal element selected from the group consisting of Co, Ni, and Fe (preferably a so-called “super heat-resistant alloy”). The main component is preferred.
「超耐熱合金」とは、1000〜2000℃の高温領域において、大きな応力や酸化・腐食等の厳しい環境の下で使用することのできる一群の先進材料のことを言う。具体的には、超耐熱合金として、コバルト、アルミニウム、及びタングステンの3元系金属間化合物(Co3(Al,W));ニッケル、銅、及び鉄を主成分とする合金(Ni:66.5%/Cu:31.5%/Fe:1.2%)等が挙げられる。 “Super heat resistant alloy” refers to a group of advanced materials that can be used in a high temperature region of 1000 to 2000 ° C. under severe environments such as large stress, oxidation and corrosion. Specifically, as a super heat-resistant alloy, a ternary intermetallic compound of cobalt, aluminum, and tungsten (Co 3 (Al, W)); an alloy mainly composed of nickel, copper, and iron (Ni: 66. 5% / Cu: 31.5% / Fe: 1.2%) and the like.
金属接合層12は金属基材11の耐酸化等を目的とした金属コーティング層である。金属接合層12の膜厚は特に制限されず、例えば50〜100μmが好ましい。 The metal bonding layer 12 is a metal coating layer for the purpose of oxidation resistance of the metal substrate 11. The film thickness of the metal bonding layer 12 is not particularly limited, and is preferably 50 to 100 μm, for example.
金属接合層12の組成は特に制限されない。上記用途において、金属接合層12はAlを含むことが好ましく、Al及びPtを含むことがより好ましい。
より高い耐腐食性及び耐酸化性が得られることから、上記用途において、金属接合層12は一般式MCrAlY(式中、MはNi及び/又はCo、Crはクロム、Alはアルミニウム、Yはイットリウムをそれぞれ示す。)で表される合金を含むことがより好ましく、かかる合金を主成分とすることが特に好ましい。
The composition of the metal bonding layer 12 is not particularly limited. In the above application, the metal bonding layer 12 preferably contains Al, and more preferably contains Al and Pt.
Since higher corrosion resistance and oxidation resistance can be obtained, in the above application, the metal bonding layer 12 has a general formula MCrAlY (wherein M is Ni and / or Co, Cr is chromium, Al is aluminum, and Y is yttrium. It is more preferable to include an alloy represented by:
金属接合層12は、非特許文献1等に記載の公知方法により形成できる。
Alを含む金属接合層12の形成方法としては例えば、Al拡散コーティング法が挙げられる。例えば、Niを含む金属基材11(Ni基超耐熱合金等)の表面に対してAlCl3等のハロゲン化アルミニウムを接触させて、基材11表面で化学反応を起こすことで、b−NiAl等を含む金属接合層12を形成することができる。この工程は、アルミナイズ工程と呼ばれる。
The metal bonding layer 12 can be formed by a known method described in Non-Patent Document 1 or the like.
Examples of the method for forming the metal bonding layer 12 containing Al include an Al diffusion coating method. For example, b-NiAl or the like is caused by causing a chemical reaction on the surface of the base material 11 by bringing an aluminum halide such as AlCl 3 into contact with the surface of the metal base material 11 (Ni-based super heat-resistant alloy or the like) containing Ni. The metal bonding layer 12 containing can be formed. This process is called an aluminizing process.
上記アルミナイズ工程の前に、金属基材11表面に例えば5〜10μm程度の厚みのPt膜を形成し、さらに金属基材11の表層内にPtを拡散させておくことで、Al及びPtを含む金属接合層12を形成することができる。金属接合層12にPtを含有させることで、アルミナイズ層の耐酸化性と寿命が向上することが知られている。このコーティング法はPt−Alコーティング法と呼ばれ、航空用タービン翼のボンドコートとして現在最も一般的な方法である。 Prior to the aluminizing step, a Pt film having a thickness of, for example, about 5 to 10 μm is formed on the surface of the metal substrate 11, and Pt is diffused in the surface layer of the metal substrate 11, so that Al and Pt are dispersed. A metal bonding layer 12 can be formed. It is known that the oxidation resistance and life of the aluminized layer are improved by including Pt in the metal bonding layer 12. This coating method is called a Pt—Al coating method and is the most common method as a bond coat for an aircraft turbine blade.
上記一般式MCrAlYで表される合金を含む金属接合層12は、減圧プラズマ溶射 (Low-Pressure(Vacuum) Plasma Spray:LPPS(VPS))法、あるいは高速ガス炎溶射(High Velocity Oxy-Fuel:HVOF)法等の方法によって成膜できる。これらの方法では、一度に大量のコーティング処理が可能なAl拡散コーティング法より製造コストが高くなると言われているが、コーティング組成の設計自由度が大きいメリットがある。 The metal bonding layer 12 including the alloy represented by the above general formula MCrAlY is formed by a low-pressure plasma spray (LPPS (VPS)) method or a high velocity gas flame spray (High Velocity Oxy-Fuel: HVOF). ) Method or the like. These methods are said to be higher in production cost than the Al diffusion coating method capable of performing a large amount of coating treatment at a time, but have an advantage that the degree of freedom in designing the coating composition is great.
遮熱コーティング構造1は、セラミックス遮熱層(第1のセラミックス膜)13と封孔層(第2のセラミックス膜)15とのセラミックス積層体2を備えている。本実施形態において、これら2つのセラミックス膜は異なる成膜法により成膜され、異なる膜構造を有している。 The thermal barrier coating structure 1 includes a ceramic laminate 2 of a ceramic thermal barrier layer (first ceramic film) 13 and a sealing layer (second ceramic film) 15. In the present embodiment, these two ceramic films are formed by different film forming methods and have different film structures.
セラミックス遮熱層13の組成は特に制限されず、上記用途においては例えば、Al2O3、HfO2、CeO2、及びZrO2の群から選択される少なくとも1種の酸化物セラミックスを含むものが好ましく、かかる成分を主成分として含むものが特に好ましい。
セラミックス遮熱層13がZrO2を含む場合、ZrO2に、Y2O3、CaO、及びMgO等の群から選択される少なくとも1種の安定化剤が添加されて部分的に安定化された部分安定化ジルコニアの形態で、ZrO2を含むことがより好ましい。
セラミックス遮熱層13の膜厚は特に制限されず、例えば10〜300μmが好ましい。
The composition of the ceramic thermal barrier layer 13 is not particularly limited, and in the above application, for example, the ceramic thermal barrier layer 13 includes at least one oxide ceramic selected from the group consisting of Al 2 O 3 , HfO 2 , CeO 2 , and ZrO 2. Those containing such a component as a main component are particularly preferable.
If the ceramic thermal barrier layer 13 comprises ZrO 2, the ZrO 2, Y 2 O 3, CaO, and at least one stabilizing agent is partially stabilized been added is selected from the group of MgO, etc. More preferably, ZrO 2 is included in the form of partially stabilized zirconia.
The film thickness of the ceramic heat shield layer 13 is not particularly limited, and is preferably 10 to 300 μm, for example.
本実施形態において、セラミックス遮熱層13はプラズマ溶射法により成膜された膜である。セラミックス遮熱層13はその内部に多数の気孔13pを有する多孔質膜であり(「背景技術」の項において挙げた図7の断面写真を参照)、これら気孔13pによって遮熱性及び耐熱衝撃性が発現する。遮熱性及び耐熱衝撃性が良好なことから、セラミックス遮熱層13の相対密度は50〜95%とされている。 In the present embodiment, the ceramic heat shield layer 13 is a film formed by a plasma spraying method. The ceramic heat-insulating layer 13 is a porous film having a large number of pores 13p therein (see the cross-sectional photograph of FIG. 7 given in the section of “Background Art”), and these pores 13p provide thermal insulation and thermal shock resistance. To express. Since the thermal insulation and thermal shock resistance are good, the relative density of the ceramic thermal insulation layer 13 is set to 50 to 95%.
セラミックス遮熱層13の気孔径はSEM断面観察により測定することができる。セラミックス遮熱層13の気孔径は特に制限されず、例えば3〜100μm程度が好ましい。 The pore diameter of the ceramic thermal barrier layer 13 can be measured by SEM cross-sectional observation. The pore diameter of the ceramic heat shield layer 13 is not particularly limited, and is preferably about 3 to 100 μm, for example.
「発明が解決しようとする課題」の項で述べたように、溶射皮膜では多くの気孔13pが互いに連通していることが多く、実質的に遮熱層13の表面から下地である金属接合層12の表面まで遮熱層13を貫通する貫通孔が形成されてしまうことも少なくない。図1では一見、溶射皮膜に形成された多くの気孔13pが互いに独立しているようにも見えるが、実際には緻密に見える部分にも多数の微細な気孔13pが形成されている。 As described in the section “Problems to be Solved by the Invention”, in the sprayed coating, many pores 13p are often communicated with each other, and the metal bonding layer that is substantially the base from the surface of the thermal barrier layer 13 is used. In many cases, a through-hole penetrating the heat shield layer 13 up to the surface of 12 is formed. In FIG. 1, at first glance, it seems that many pores 13p formed in the sprayed coating are independent from each other, but in reality, a large number of fine pores 13p are also formed in a portion that looks dense.
セラミックス遮熱層13に対して特段の処理を実施しない場合、実質的に遮熱層13を貫通する貫通孔が形成された構造では、この貫通孔を介して金属接合層12が外気に接触するため、その分遮熱効果が低減してしまう。また、貫通孔を介して外気中の酸素ガスが金属接合層12の表面に到達するため、金属接合層12の表面に金属酸化物(TGO)が生成され、このTGOが成長することで、遮熱層13と金属接合層12との間に界面剥離が生じる恐れもある。かかる問題を解消するために、本実施形態では、セラミックス遮熱層13上に、実質的に遮熱層13を貫通する上記貫通孔を封止する封孔層15が設けられている。 When a special treatment is not performed on the ceramic heat shield layer 13, in a structure in which a through hole that substantially penetrates the heat shield layer 13 is formed, the metal bonding layer 12 comes into contact with the outside air through the through hole. Therefore, the heat shielding effect is reduced accordingly. Further, since oxygen gas in the outside air reaches the surface of the metal bonding layer 12 through the through hole, a metal oxide (TGO) is generated on the surface of the metal bonding layer 12, and this TGO grows, thereby blocking the barrier. There is also a possibility that interface peeling occurs between the thermal layer 13 and the metal bonding layer 12. In order to solve such a problem, in this embodiment, a sealing layer 15 that seals the through hole that substantially penetrates the thermal barrier layer 13 is provided on the ceramic thermal barrier layer 13.
封孔層15の組成は特に制限されず、上記用途においては例えば、Al2O3、HfO2、CeO2、及びZrO2の群から選択される少なくとも1種の酸化物セラミックスを含むものが好ましく、かかる成分を主成分として含むものが特に好ましい。
封孔層15がZrO2を含む場合、ZrO2に、Y2O3、CaO、及びMgO等の群から選択される少なくとも1種の安定化剤が添加されて部分的に安定化された部分安定化ジルコニアの形態で、ZrO2を含むことがより好ましい。
The composition of the sealing layer 15 is not particularly limited, and in the above application, for example, a material containing at least one oxide ceramic selected from the group of Al 2 O 3 , HfO 2 , CeO 2 , and ZrO 2 is preferable. Particularly preferred are those containing such a component as a main component.
If Fuanaso 15 comprises ZrO 2, the ZrO 2, Y 2 O 3, CaO, and at least one added stabilizing agent partially stabilized moiety selected from the group such as MgO More preferably, ZrO 2 is included in the form of stabilized zirconia.
封孔層15は実質的に遮熱層13を貫通する上記貫通孔を封止することを目的して設けられた緻密膜である。具体的には、封孔層15は、相対密度が95%以上であり、かつ、セラミックス遮熱層13の相対密度より高い相対密度を有する膜である。 The sealing layer 15 is a dense film provided for the purpose of sealing the through hole substantially penetrating the heat shield layer 13. Specifically, the sealing layer 15 is a film having a relative density of 95% or higher and a relative density higher than that of the ceramic heat shield layer 13.
封孔層15の膜厚は特に制限されず、セラミックス遮熱層13の表面を充分に覆うことができれば封孔層15として充分機能する。封孔層15の膜厚が厚くなる程、成膜時間及び成膜コストがかかる。したがって、封孔層15の膜厚は例えば1〜10μmが好ましい。 The film thickness of the sealing layer 15 is not particularly limited, and functions sufficiently as the sealing layer 15 if the surface of the ceramic heat shield layer 13 can be sufficiently covered. The thicker the sealing layer 15, the longer the film formation time and film formation cost. Therefore, the thickness of the sealing layer 15 is preferably 1 to 10 μm, for example.
本実施形態において、封孔層15はエアロゾルデポジション(AD)法により成膜された膜である。AD法は、成膜基材上にエアロゾル化されたセラミックス原料粉を衝突させて原料粉中の一次粒子を破砕せしめ、原料粉の破砕物を成膜基材上に堆積させて成膜する方法である。「エアロゾル」とは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことを言う。AD法は焼結プロセスが必須ではなく、比較的低温でセラミックス等の膜を成膜できる方法として知られている。AD法は、噴射堆積法又はガスデポジション法とも呼ばれる。 In the present embodiment, the sealing layer 15 is a film formed by an aerosol deposition (AD) method. The AD method is a method in which an aerosolized ceramic raw material powder is collided on a film forming substrate to crush primary particles in the raw material powder, and a crushed material powder is deposited on the film forming substrate to form a film. It is. “Aerosol” refers to solid or liquid particles suspended in a gas. The AD method is known as a method capable of forming a film of ceramics or the like at a relatively low temperature without requiring a sintering process. The AD method is also called a jet deposition method or a gas deposition method.
以下、封孔層15の成膜方法について詳しく説明する。封孔層15の成膜では、金属接合層12及びセラミックス遮熱層13が形成された金属基材11が成膜基材である。 Hereinafter, a method for forming the sealing layer 15 will be described in detail. In forming the sealing layer 15, the metal substrate 11 on which the metal bonding layer 12 and the ceramic heat shield layer 13 are formed is the film forming substrate.
はじめに、セラミックス原料粉を用意する。AD法では、原料粉の成膜基材に対する衝突エネルギーにより、原料粉中の一次粒子が破砕される。エアロゾルの噴射速度等の他のAD条件が同一であれば、原料粉の一次粒子径が大きい程、その運動エネルギーが大きくなるので、成膜基材に対する衝突エネルギーが大きくなる傾向にある。原料粉の平均一次粒子径は特に制限されず、例えば0.1〜1.0μmが好ましい。 First, ceramic raw material powder is prepared. In the AD method, primary particles in the raw material powder are crushed by the collision energy of the raw material powder against the film-forming substrate. If the other AD conditions such as the aerosol injection speed are the same, the larger the primary particle diameter of the raw material powder, the larger the kinetic energy, so the collision energy against the film-forming substrate tends to increase. The average primary particle diameter of the raw material powder is not particularly limited, and is preferably 0.1 to 1.0 μm, for example.
次に、上記原料粉をエアロゾル化させ、これを成膜基材上に衝突させて原料粉中の一次粒子を破砕せしめ、原料粉の破砕物を成膜基材上に堆積させて成膜を行う(堆積工程)。AD法では、原料粉を含むエアロゾルが成膜基材に対して大きな運動エネルギーで衝突する。この際、多くの一次粒子が破砕されて、より細かい粒子径の破砕物となって、成膜基材上に堆積する。AD法では、これら微細な破砕物の堆積によって、非常に緻密な膜を形成することができる。プラズマ溶射法で成膜されたセラミックス遮熱層13は、その表面平滑性があまり良くないが、AD法では、下地の表面平滑レベルに関係なく、緻密な膜を密着性良く形成することができる。具体的には、相対密度が95%以上であり、かつ、セラミックス遮熱層13の相対密度より高い相対密度を有する緻密膜を密着性良く形成することができる。 Next, the raw material powder is aerosolized and collided with the film forming substrate to crush primary particles in the raw material powder, and the crushed material powder is deposited on the film forming substrate to form a film. Perform (deposition step). In the AD method, the aerosol containing the raw material powder collides with the film forming substrate with a large kinetic energy. At this time, many primary particles are crushed to become crushed material having a finer particle diameter and deposited on the film forming substrate. In the AD method, a very dense film can be formed by depositing these fine crushed materials. The ceramic thermal barrier layer 13 formed by the plasma spraying method is not so good in surface smoothness, but the AD method can form a dense film with good adhesion irrespective of the surface smoothness level of the base. . Specifically, a dense film having a relative density of 95% or more and a relative density higher than the relative density of the ceramic heat shield layer 13 can be formed with good adhesion.
上記堆積工程後に熱処理を行うことは必須ではないが、上記堆積工程後に熱処理工程を実施しても構わない。上記堆積工程後に成膜された膜に対して熱処理、好ましくは焼結温度以上の熱処理(例えば、アルミナ膜あるいはYSZ(イットリア安定化ジルコニア)膜の場合、好ましくは1500℃以上の熱処理))を実施すると、破砕物は粒成長して、より大きな粒子径の結晶粒が生成され、より緻密な膜が得られる。 It is not essential to perform the heat treatment after the deposition step, but the heat treatment step may be performed after the deposition step. Perform heat treatment on the film formed after the deposition step, preferably heat treatment at a temperature higher than the sintering temperature (for example, heat treatment at 1500 ° C. or higher in the case of an alumina film or a YSZ (yttria stabilized zirconia) film)). Then, the crushed material grows and crystal grains having a larger particle diameter are generated, and a denser film is obtained.
本実施形態の遮熱コーティング構造1は、プラズマ溶射法により成膜された相対密度50〜95%のセラミックス遮熱層13と、AD法により成膜された相対密度95%以上の緻密な封孔層15とのセラミックス積層体2を備えている。本実施形態では、セラミックス遮熱層13上に緻密な封孔層15が形成されているので、セラミックス遮熱層13の気孔13p内に外気が入り込むことが抑制され、封孔層15がない構成よりも高い遮熱性が発現する。 The thermal barrier coating structure 1 of this embodiment includes a ceramic thermal barrier layer 13 having a relative density of 50 to 95% formed by a plasma spraying method and a dense hole having a relative density of 95% or more formed by an AD method. The ceramic laminate 2 with the layer 15 is provided. In the present embodiment, since the dense sealing layer 15 is formed on the ceramic heat shielding layer 13, it is possible to prevent outside air from entering into the pores 13 p of the ceramic heat shielding layer 13, and there is no sealing layer 15. Higher heat shielding properties are exhibited.
本実施形態では、封孔層15の存在によって、セラミックス遮熱層13の気孔13pを介して外気中の酸素ガスが金属接合層12の表面に到達することが抑制されるので、酸素バリア性も良好である。そのため、本実施形態では、金属接合層12の表面における金属酸化物(TGO)の生成、及びこれによるセラミックス遮熱層13と金属接合層12との間の界面剥離が抑制される。 In the present embodiment, the presence of the sealing layer 15 suppresses oxygen gas in the outside air from reaching the surface of the metal bonding layer 12 through the pores 13p of the ceramic heat shield layer 13, so that the oxygen barrier property is also improved. It is good. Therefore, in the present embodiment, generation of metal oxide (TGO) on the surface of the metal bonding layer 12 and interface peeling between the ceramic heat shield layer 13 and the metal bonding layer 12 due to this are suppressed.
本実施形態では、特許文献1のように、金属接合層とセラミックス遮熱層との間に酸素バリア層を設ける必要がない。一般に、湿式法であるゾルゲル法又はスラリー法等、あるいは通常の気相成膜法によって成膜される酸素バリア層は、下地との密着性が良くなく、度重なる熱衝撃に耐えることができず界面剥離が生じてしまう恐れがある。本実施形態では、金属接合層とセラミックス遮熱層との間に酸素バリア層を設ける必要がないので、かかる酸素バリア層による問題も生じない。 In this embodiment, unlike Patent Document 1, it is not necessary to provide an oxygen barrier layer between the metal bonding layer and the ceramic heat shield layer. Generally, an oxygen barrier layer formed by a wet method such as a sol-gel method or a slurry method, or a normal vapor phase film formation method does not have good adhesion to the base and cannot withstand repeated thermal shocks. There is a risk of interfacial delamination. In this embodiment, since it is not necessary to provide an oxygen barrier layer between the metal bonding layer and the ceramic heat shield layer, there is no problem with the oxygen barrier layer.
「発明が解決しようとする課題」の項において述べたように、封孔用塗料を用いた従来の溶射膜に対する封孔処理では、封孔用塗料は溶射膜の表面上にはほとんど残らず、溶射膜の内部に入り込んで気孔を埋めてしまう(図9を参照)。 As described in the section “Problems to be Solved by the Invention”, in the sealing treatment for the conventional sprayed coating using the sealing coating, the sealing coating hardly remains on the surface of the sprayed coating, It enters the inside of the sprayed film and fills the pores (see FIG. 9).
これに対して、AD法による成膜では、キャリアガスの乱流等の要因によって、原料粉あるいはその破砕物はセラミックス遮熱層13の内部にほとんど入り込まず、セラミックス遮熱層13の表面上に堆積する。原料粉あるいはその破砕物がセラミックス遮熱層13の内部に入り込む量というのは具体的には、溶射膜の表面凹凸の窪みに入り込んだり、アンカーリング効果によって表層に食い込む程度である。 On the other hand, in the film formation by the AD method, due to factors such as turbulent flow of the carrier gas, the raw material powder or its crushed material hardly enters the inside of the ceramic heat shield layer 13 and on the surface of the ceramic heat shield layer 13. accumulate. Specifically, the amount of the raw material powder or its crushed material entering the inside of the ceramic heat shield layer 13 is such that it enters into the recesses of the surface irregularities of the sprayed film or bites into the surface layer due to the anchoring effect.
したがって、本実施形態では、封孔層15が、セラミックス遮熱層13の内部にほとんど入り込むことなく、セラミックス遮熱層13の表面上に存在した構造が得られる。かかる構造では、セラミックス遮熱層13の気孔13pが閉塞されず、その多孔質構造が維持されるので、封孔層15の形成によって、セラミックス遮熱層13の遮熱性及び耐熱衝撃性が損なわれてしまうこともない。 Therefore, in the present embodiment, a structure in which the sealing layer 15 exists on the surface of the ceramic heat shield layer 13 is obtained without almost entering the ceramic heat shield layer 13. In such a structure, the pores 13p of the ceramic heat shield layer 13 are not blocked, and the porous structure is maintained. Therefore, the formation of the sealing layer 15 impairs the thermal insulation and thermal shock resistance of the ceramic heat shield layer 13. There is no end to it.
このように本実施形態では、封孔層15が、セラミックス遮熱層13の内部にほとんど入り込むことなく、セラミックス遮熱層13の表面上に存在した構造が得られるが、遮熱性及び耐熱衝撃性が遮熱コーティング構造1の用途として問題のないレベルであれば、封孔層15の一部がセラミックス遮熱層13の内部に入り込んでも差し支えない。 As described above, in the present embodiment, the sealing layer 15 hardly enters the ceramic heat shield layer 13 and a structure existing on the surface of the ceramic heat shield layer 13 is obtained. However, the heat shield property and the thermal shock resistance are obtained. If there is no problem for use of the thermal barrier coating structure 1, a part of the sealing layer 15 may enter the ceramic thermal barrier layer 13.
以上のように、本実施形態によれば、遮熱性、耐熱衝撃性、及び酸素バリア性が良好であり、層間の界面剥離が抑制された遮熱コーティング構造1を提供することができる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to provide a thermal barrier coating structure 1 that has good thermal barrier properties, thermal shock resistance, and oxygen barrier properties and that suppresses interfacial delamination between layers.
本実施形態の遮熱コーティング構造1では、セラミックス遮熱層13及び封孔層15の積層構造によって、良好な遮熱性/耐熱衝撃性/酸素バリア性が得られるので、金属接合層12/セラミックス遮熱層13/封孔層15以外の層を設ける必要がない。ただし、必要に応じて、他の層を設けることは差し支えない。 In the thermal barrier coating structure 1 of this embodiment, the laminated structure of the ceramic thermal barrier layer 13 and the sealing layer 15 provides good thermal barrier properties / thermal shock resistance / oxygen barrier properties. There is no need to provide a layer other than the thermal layer 13 / sealing layer 15. However, other layers may be provided as necessary.
相対密度が95%以下である第1のセラミックス膜上に、相対密度が95%以上であり、かつ、第1のセラミックス膜の相対密度より高い相対密度を有する第2のセラミックス膜が積層された構造のセラミックス積層体自体が新規である。本発明によれば、遮熱性、耐熱衝撃性、及び酸素バリア性が良好であり、層間の界面剥離が抑制された、遮熱コーティング構造等として好適な新規なセラミックス積層体を提供することができる。 A second ceramic film having a relative density of 95% or more and a relative density higher than that of the first ceramic film was laminated on the first ceramic film having a relative density of 95% or less. The structure ceramic laminate itself is novel. According to the present invention, it is possible to provide a novel ceramic laminate suitable for a thermal barrier coating structure or the like, which has good thermal barrier properties, thermal shock resistance, and oxygen barrier properties, and has suppressed interfacial peeling between layers. .
「第二実施形態」
図面を参照して、本発明に係る第二実施形態のセラミック積層体及びこれを備えた遮熱コーティング構造について説明する。
図3及び図4は、第一実施形態の図1及び図2に対応する断面図である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。特に、セラミックス遮熱層14をなす柱状結晶14cと貫通孔14p、及びセラミックス遮熱層14の表面凹凸を誇張して大きく模式的に図示してある。第一実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明は省略する。
"Second embodiment"
With reference to drawings, the ceramic laminated body of 2nd embodiment which concerns on this invention, and the thermal-insulation coating structure provided with the same are demonstrated.
3 and 4 are cross-sectional views corresponding to FIGS. 1 and 2 of the first embodiment. In order to facilitate visual recognition, the scale of the constituent elements is appropriately changed from the actual one. In particular, the columnar crystals 14c and the through holes 14p forming the ceramic heat shield layer 14 and the surface irregularities of the ceramic heat shield layer 14 are exaggerated and schematically illustrated. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図3に示すように、本実施形態の遮熱コーティング構造3は、金属基材11上に形成された金属接合層(ボンドコート)12とセラミックス遮熱層(トップコート)14と封孔層15との積層構造を有している。 As shown in FIG. 3, the thermal barrier coating structure 3 of the present embodiment includes a metal bonding layer (bond coat) 12, a ceramic thermal barrier layer (top coat) 14, and a sealing layer 15 formed on a metal substrate 11. And a laminated structure.
遮熱コーティング構造3は、EB-PVD(電子ビーム蒸着)法により成膜されたセラミックス遮熱層(第1のセラミックス膜)14とAD法により成膜された封孔層(第2のセラミックス膜)15との積層体4を備えている。遮熱コーティング構造3の基本構成は第一実施形態と同様であり、プラズマ溶射法により成膜されたセラミックス遮熱層13の代わりに、EB-PVD法により成膜されたセラミックス遮熱層14を備えたものである。 The thermal barrier coating structure 3 includes a ceramic thermal barrier layer (first ceramic film) 14 formed by an EB-PVD (electron beam evaporation) method and a sealing layer (second ceramic film) formed by an AD method. ) 15 and the laminate 4. The basic configuration of the thermal barrier coating structure 3 is the same as that of the first embodiment. Instead of the ceramic thermal barrier layer 13 formed by plasma spraying, a ceramic thermal barrier layer 14 formed by EB-PVD method is used. It is provided.
セラミックス遮熱層14の組成は特に制限されず、第一実施形態と同様、例えばAl2O3、HfO2、CeO2、及びZrO2の群から選択される少なくとも1種の酸化物セラミックスを含むものが好ましく、かかる成分を主成分として含むものが特に好ましい。
セラミックス遮熱層14がZrO2を含む場合、ZrO2に、Y2O3、CaO、及びMgO等の群から選択される少なくとも1種の安定化剤が添加されて部分的に安定化された部分安定化ジルコニアの形態で、ZrO2を含むことがより好ましい。
セラミックス遮熱層14の膜厚は特に制限されず、例えば10〜300μmが好ましい。
The composition of the ceramic thermal barrier layer 14 is not particularly limited, and includes at least one oxide ceramic selected from the group of, for example, Al 2 O 3 , HfO 2 , CeO 2 , and ZrO 2 as in the first embodiment. Those containing such components as the main component are particularly preferred.
If the ceramic thermal barrier layer 14 comprises ZrO 2, the ZrO 2, Y 2 O 3, CaO, and at least one stabilizing agent is partially stabilized been added is selected from the group of MgO, etc. More preferably, ZrO 2 is included in the form of partially stabilized zirconia.
The film thickness of the ceramic heat shield layer 14 is not particularly limited, and is preferably 10 to 300 μm, for example.
EB-PVD法により成膜されたセラミックス遮熱層14は、基材面に対して非平行方向、例えば略垂直方向に延びる多数の柱状結晶14cからなる柱状構造を有している。かかる構造では、互いに隣接する柱状結晶14cの間に、遮熱層14の表面から下地である金属接合層12の表面まで遮熱層14を貫通する貫通孔14pが形成されている。すなわち、セラミックス遮熱層14はその内部に多数の貫通孔14pを有する多孔質膜であり(「背景技術」の項において挙げた図8の断面写真を参照)、これら貫通孔14pによって遮熱性及び耐熱衝撃性が発現する。遮熱性及び耐熱衝撃性が良好なことから、セラミックス遮熱層14の相対密度は50〜95%とされている。
セラミックス遮熱層14の貫通孔径はSEM断面観察により測定することができる。セラミックス遮熱層14の貫通孔径は特に制限されず、例えば10nm〜10μm程度が好ましい。
The ceramic heat shield layer 14 formed by the EB-PVD method has a columnar structure composed of a large number of columnar crystals 14c extending in a non-parallel direction, for example, a substantially vertical direction with respect to the substrate surface. In such a structure, a through-hole 14p that penetrates the heat shield layer 14 is formed between the columnar crystals 14c adjacent to each other from the surface of the heat shield layer 14 to the surface of the metal bonding layer 12 that is the base. That is, the ceramic heat shield layer 14 is a porous film having a large number of through-holes 14p therein (see the cross-sectional photograph of FIG. 8 given in the section of “Background Art”). Thermal shock resistance is manifested. Since the thermal insulation and thermal shock resistance are good, the relative density of the ceramic thermal insulation layer 14 is 50 to 95%.
The diameter of the through hole of the ceramic heat shield layer 14 can be measured by SEM cross-sectional observation. The through-hole diameter of the ceramic heat shield layer 14 is not particularly limited and is preferably about 10 nm to 10 μm, for example.
本実施形態では、セラミックス遮熱層14上に、遮熱層14を貫通する貫通孔14pを封止する封孔層15が設けられている。封孔層15の成膜法や膜構造は第一実施形態と同様である。
EB-PVD法により成膜されたセラミックス遮熱層14上にも、第一実施形態と同様に、AD法により相対密度95%以上の緻密な封孔層15を密着性良く形成することができる。
In the present embodiment, a sealing layer 15 is provided on the ceramic heat shield layer 14 to seal the through hole 14p that penetrates the heat shield layer 14. The film forming method and film structure of the sealing layer 15 are the same as those in the first embodiment.
Similarly to the first embodiment, a dense sealing layer 15 having a relative density of 95% or more can be formed with good adhesion on the ceramic heat shield layer 14 formed by the EB-PVD method by the AD method. .
第一実施形態と同様、原料粉あるいはその破砕物はEB-PVD膜の表面凹凸の窪みに入り込んだり、アンカーリング効果によって表層に食い込むことはある。また、EB-PVD膜の互いに隣接する柱状結晶間に形成された貫通孔の径と、原料粉あるいはその破砕物の径との関係によっては、原料粉あるいはその破砕物がEB-PVD膜の貫通孔内に多少入り込むことはある。 As in the first embodiment, the raw material powder or the crushed material thereof may enter the depressions on the surface unevenness of the EB-PVD film or may bite into the surface layer due to the anchoring effect. Depending on the relationship between the diameter of the through-hole formed between the columnar crystals adjacent to each other in the EB-PVD film and the diameter of the raw material powder or its crushed material, the raw material powder or its crushed material may penetrate the EB-PVD film. It may get into the hole somewhat.
しかしながら、AD法による成膜では、キャリアガスの乱流等の要因によって、原料粉あるいはその破砕物はセラミックス遮熱層14の内部に積極的には入っていかない。したがって、本実施形態においても、封孔層15が、セラミックス遮熱層14の内部にほとんど入り込むことなく、セラミックス遮熱層14の表面上に存在した構造のセラミックス積層体4が得られる。かかる構造では、セラミックス遮熱層14の貫通孔14pが閉塞されず、その多孔質構造が維持されるので、封孔層15の形成によって、セラミックス遮熱層14の遮熱性及び耐熱衝撃性が損なわれてしまうこともない。 However, in film formation by the AD method, the raw material powder or the crushed material thereof does not actively enter the ceramic heat shield layer 14 due to factors such as turbulent flow of the carrier gas. Accordingly, also in the present embodiment, the ceramic laminate 4 having a structure in which the sealing layer 15 exists on the surface of the ceramic heat shield layer 14 is obtained without almost entering the ceramic heat shield layer 14. In such a structure, the through hole 14p of the ceramic heat shield layer 14 is not closed, and the porous structure is maintained. Therefore, the formation of the sealing layer 15 impairs the heat shield property and thermal shock resistance of the ceramic heat shield layer 14. It won't get lost.
このように本実施形態では、封孔層15が、セラミックス遮熱層14の内部にほとんど入り込むことなく、セラミックス遮熱層14の表面上に存在した構造が得られるが、遮熱性及び耐熱衝撃性が遮熱コーティング構造3の用途として問題のないレベルであれば、封孔層15の一部がセラミックス遮熱層14の内部に入り込んでも差し支えない。 As described above, in this embodiment, a structure in which the sealing layer 15 is present on the surface of the ceramic heat shield layer 14 is obtained without almost entering the inside of the ceramic heat shield layer 14, but the heat shield property and the thermal shock resistance are obtained. If there is no problem for the use of the thermal barrier coating structure 3, a part of the sealing layer 15 may enter the ceramic thermal barrier layer 14.
本実施形態においても、第一実施形態と同様、遮熱性、耐熱衝撃性、及び酸素バリア性が良好であり、層間の界面剥離が抑制されたセラミックス積層体4及び遮熱コーティング構造3を提供することができる。 Also in the present embodiment, similar to the first embodiment, the ceramic laminate 4 and the thermal barrier coating structure 3 that have good thermal barrier properties, thermal shock resistance, and oxygen barrier properties and that suppress interfacial delamination between layers are provided. be able to.
「成膜装置」
図5を参照して、封孔層15の成膜に用いて好適なAD成膜装置の構成例について説明する。図5に示すAD成膜装置5は、エアロゾルの生成が行われるエアロゾル生成部20と、成膜部40と、両者を接続しているエアロゾル搬送管30と、各部の動作を制御する制御部50とを備えている。
"Deposition system"
With reference to FIG. 5, a configuration example of an AD film forming apparatus suitable for use in forming the sealing layer 15 will be described. An AD film forming apparatus 5 shown in FIG. 5 includes an aerosol generating unit 20 that generates aerosol, a film forming unit 40, an aerosol transport pipe 30 that connects the two, and a control unit 50 that controls the operation of each unit. And.
エアロゾル生成部20は、エアロゾル生成容器21と、振動台22と、巻き上げガスノズル23と、圧力調整ガスノズル24とを備えている。エアロゾル生成容器21内に原料粉61が仕込まれ、ここでエアロゾルの生成が行われる。エアロゾル生成容器21は、原料粉61を攪拌して効率的にエアロゾルを生成するために、所定の周波数で振動する振動台22の上に設置されている。 The aerosol generation unit 20 includes an aerosol generation container 21, a vibration table 22, a hoisting gas nozzle 23, and a pressure adjusting gas nozzle 24. The raw material powder 61 is charged into the aerosol generation container 21, and generation of the aerosol is performed here. The aerosol generation container 21 is installed on a vibration table 22 that vibrates at a predetermined frequency in order to stir the raw material powder 61 and efficiently generate an aerosol.
巻き上げガスノズル23は、外部のガスボンベから供給されるキャリアガスをエアロゾル生成容器21内に導入することにより、サイクロン流を生成するものである。それにより、エアロゾル生成容器21内の原料粉61が巻き上げられて分散し、エアロゾルが生成される。圧力調整ガスノズル24は、外部のガスボンベから供給されるキャリアガスをエアロゾル生成容器21内に導入することにより、エアロゾル生成容器21内のガス圧を調整するものである。それにより、エアロゾル生成容器21内の圧力と成膜室41内の圧力との差が調整される。 The hoisting gas nozzle 23 generates a cyclone flow by introducing a carrier gas supplied from an external gas cylinder into the aerosol generating container 21. Thereby, the raw material powder 61 in the aerosol generation container 21 is rolled up and dispersed, and an aerosol is generated. The pressure adjusting gas nozzle 24 adjusts the gas pressure in the aerosol generating container 21 by introducing a carrier gas supplied from an external gas cylinder into the aerosol generating container 21. Thereby, the difference between the pressure in the aerosol generation container 21 and the pressure in the film forming chamber 41 is adjusted.
巻き上げガスノズル23及び圧力調整ガスノズル24によって導入されるガスの流量は、流量調整部23a,24aによって調節される。ガスノズル23,24によって供給されるキャリアガスとしては、He、O2、N2、Ar、又はこれらの混合ガス、又は乾燥空気等が用いられる。 The flow rate of the gas introduced by the hoisting gas nozzle 23 and the pressure adjusting gas nozzle 24 is adjusted by the flow rate adjusting units 23a and 24a. As the carrier gas supplied by the gas nozzles 23 and 24, He, O 2 , N 2 , Ar, a mixed gas thereof, dry air, or the like is used.
エアロゾル生成部20で生成されたエアロゾルは、エアロゾル搬送管30を介して成膜部40に搬送される。成膜室41において、エアロゾル搬送管30はエアロゾルを噴射する噴射ノズル42に接続されている。 The aerosol generated by the aerosol generating unit 20 is transported to the film forming unit 40 via the aerosol transport pipe 30. In the film forming chamber 41, the aerosol transport pipe 30 is connected to an injection nozzle 42 for injecting the aerosol.
成膜部40は、成膜室41と噴射ノズル42とステージ48と排気管49とを備えている。成膜室41の内部は、排気管49に接続されている排気ポンプによって排気可能とされている。成膜時には、成膜室41の内部は所定の減圧状態、好ましくは100Pa以下の減圧状態に保たれる。噴射ノズル42は、所定の形状及び大きさの開口を有しており、エアロゾル生成容器21からエアロゾル搬送管30を介して供給される原料粉のエアロゾルを、成膜基材60に向けて噴射する。噴射ノズル42から噴射されるエアロゾルの速度は、エアロゾル生成容器21と成膜室41との間の圧力差によって決定される。 The film forming unit 40 includes a film forming chamber 41, an injection nozzle 42, a stage 48, and an exhaust pipe 49. The inside of the film forming chamber 41 can be evacuated by an exhaust pump connected to an exhaust pipe 49. During film formation, the inside of the film formation chamber 41 is maintained at a predetermined reduced pressure, preferably 100 Pa or less. The injection nozzle 42 has an opening having a predetermined shape and size, and injects the aerosol of the raw material powder supplied from the aerosol generation container 21 via the aerosol transport pipe 30 toward the film forming substrate 60. . The velocity of the aerosol ejected from the ejection nozzle 42 is determined by the pressure difference between the aerosol generation container 21 and the film forming chamber 41.
成膜基材60が固定されるステージ48は、成膜基材60と噴射ノズル42との相対位置及び相対速度を制御するための3次元的に移動可能なステージである。この相対速度を調節することにより、1往復あたりに形成される膜の厚さが制御される。本実施形態においては、ステージ48側を移動させることにより、噴射ノズル42と成膜基材60との相対位置を変化させているが、成膜基材60の位置を固定して噴射ノズル42側を移動させるようにしてもよい。 The stage 48 to which the film forming substrate 60 is fixed is a stage that can be moved three-dimensionally to control the relative position and relative speed between the film forming substrate 60 and the injection nozzle 42. By adjusting this relative speed, the thickness of the film formed per reciprocation is controlled. In the present embodiment, the relative position between the injection nozzle 42 and the film forming substrate 60 is changed by moving the stage 48 side. However, the position of the film forming substrate 60 is fixed and the injection nozzle 42 side is fixed. May be moved.
成膜に際しては、原料粉61がエアロゾル生成容器21内に配置されると共に、成膜基材60がステージ48上に配置される。成膜装置5を駆動すると、エアロゾル生成容器21において生成されたエアロゾルがエアロゾル搬送管30を通って成膜室41に導入され、噴射ノズル42から噴射されて成膜基材60に吹き付けられる。このエアロゾル中の原料粉61が成膜基材60に衝突して破砕され、この破砕物が成膜基材60に堆積する。その際に、制御部50の制御の下で、ステージ48を所定の速度で移動させることにより、ステージ48の移動速度(噴射ノズル42と成膜基材60との相対速度)に応じたレートで、原料粉61と同じ組成を有するセラミックス膜62が成膜される。 During film formation, the raw material powder 61 is disposed in the aerosol generation container 21 and the film formation substrate 60 is disposed on the stage 48. When the film forming apparatus 5 is driven, the aerosol generated in the aerosol generating container 21 is introduced into the film forming chamber 41 through the aerosol transport pipe 30, sprayed from the spray nozzle 42, and sprayed onto the film forming substrate 60. The raw material powder 61 in the aerosol collides with the film forming substrate 60 and is crushed, and the crushed material is deposited on the film forming substrate 60. At this time, the stage 48 is moved at a predetermined speed under the control of the control unit 50, so that the stage 48 is moved at a rate corresponding to the moving speed of the stage 48 (relative speed between the spray nozzle 42 and the film forming substrate 60). A ceramic film 62 having the same composition as the raw material powder 61 is formed.
エアロゾル生成部20の替わりに、図6に示すエアロゾル生成装置6を用いてもよい。図6Aはエアロゾル生成装置の構成を示す断面図であり、図6Bはエアロゾル生成装置の内部を示す平面図である。 Instead of the aerosol generation unit 20, an aerosol generation device 6 shown in FIG. 6 may be used. FIG. 6A is a cross-sectional view showing the configuration of the aerosol generating device, and FIG. 6B is a plan view showing the inside of the aerosol generating device.
図6A及び図6Bに示すエアロゾル生成装置6は、粉体収納室70及びエアロゾル生成部80を備えている。粉体収納室70は粉体を収納するチャンバであり、その上底部には粉体供給口70aが設けられており、下底部には開口71が形成されている。この開口71を介して、粉体収納室70とエアロゾル生成部80とが連結されている。 The aerosol generation device 6 shown in FIGS. 6A and 6B includes a powder storage chamber 70 and an aerosol generation unit 80. The powder storage chamber 70 is a chamber for storing powder, and a powder supply port 70a is provided at the upper bottom thereof, and an opening 71 is formed at the lower bottom thereof. The powder storage chamber 70 and the aerosol generation unit 80 are connected via the opening 71.
粉体収納室70には、モータによって駆動されることにより回転する攪拌羽72が備えられている。この攪拌羽72の回転軸73にはO−リング73aがはめ込まれており、それによって粉体収納室70内の気密が確保される。そのような粉体収納室70に粉体を収納し、攪拌羽72によって粉体を攪拌する。それにより、粉体が開口71から落下し、エアロゾル生成部80に導出される。また、粉体収納室70には、粉体が開口71から導出されるのを補助又は促進するために、アシストガス導入部74が設けられている。アシストガス導入部74は、配管及びバルブを含んでおり、配管の先には、例えばガスボンベが接続されている。 The powder storage chamber 70 is provided with a stirring blade 72 that rotates when driven by a motor. An O-ring 73 a is fitted on the rotating shaft 73 of the stirring blade 72, thereby ensuring airtightness in the powder storage chamber 70. The powder is stored in such a powder storage chamber 70, and the powder is stirred by the stirring blade 72. Thereby, the powder falls from the opening 71 and is led out to the aerosol generating unit 80. In addition, an assist gas introduction unit 74 is provided in the powder storage chamber 70 in order to assist or promote the powder being led out from the opening 71. The assist gas introduction unit 74 includes a pipe and a valve, and a gas cylinder, for example, is connected to the tip of the pipe.
エアロゾル生成部80には、モータによって駆動されることにより回転する回転盤81が備えられている。回転盤81の回転軸82にはO−リング82aがはめ込まれており、それによってエアロゾル生成部80内の気密が確保される。回転盤81には、所定の幅及び深さを有する溝83が円周に沿って形成されている。回転盤81は、溝83が粉体収納室70の開口71に対向するように配置されている。このような回転盤81は、開口71から落下した粉体を溝83によって受けながら回転することにより、粉体を一定の割合で搬送する。 The aerosol generating unit 80 includes a rotating disk 81 that rotates when driven by a motor. An O-ring 82 a is fitted on the rotation shaft 82 of the turntable 81, thereby ensuring airtightness in the aerosol generating unit 80. A groove 83 having a predetermined width and depth is formed in the turntable 81 along the circumference. The turntable 81 is arranged so that the groove 83 faces the opening 71 of the powder storage chamber 70. Such a rotating plate 81 conveys the powder at a certain ratio by rotating while receiving the powder dropped from the opening 71 through the groove 83.
さらに、エアロゾル生成部80には、分散ガス導入部84及びエアロゾル供給管85が設けられている。分散ガス導入部84は配管及びバルブを含んでおり、配管の先には、例えばガスボンベが接続されている。アシストガス及び分散ガスとしては、N2、O2、He、Ar、又はこれらの混合ガス、あるいは乾燥空気等が用いられる。 Further, the aerosol generation unit 80 is provided with a dispersed gas introduction unit 84 and an aerosol supply pipe 85. The dispersed gas introduction part 84 includes a pipe and a valve, and a gas cylinder, for example, is connected to the end of the pipe. As the assist gas and the dispersion gas, N 2 , O 2 , He, Ar, a mixed gas thereof, dry air, or the like is used.
図6Aに示すように、分散ガス導入部84によってエアロゾル生成部80内に導入される分散ガスの吹き出し口は、回転盤81の溝83に対向するように設けられている。エアロゾル供給管85は、先端の開口部が溝83に対向するように配置された管であり、その他端は、例えばフレキシブルな材料によって形成された配管を介して、図5に示すエアロゾル搬送管30に接続される。 As shown in FIG. 6A, the outlet of the dispersed gas introduced into the aerosol generating unit 80 by the dispersed gas introducing unit 84 is provided so as to face the groove 83 of the turntable 81. The aerosol supply pipe 85 is a pipe disposed so that the opening at the front end faces the groove 83, and the other end is connected to the aerosol carrying pipe 30 shown in FIG. 5 via a pipe formed of, for example, a flexible material. Connected to.
このようなエアロゾル生成装置6において、粉体収納室70に所望の粉体を収納して攪拌羽72を駆動すると共に、エアロゾル生成部80において回転盤81を回転させ、回転盤81の溝83に対して分散ガスを吹き付ける。粉体収納室70に収納された粉体は、攪拌羽72によって攪拌されながら、開口71を通って溝83に落下する。その際に、粉体収納室70にアシストガスを導入することにより、開口71内に気流を形成する。この気流が、粉体の導出を補助又は促進する駆動力として作用する。それにより、粉体は、よりスムーズに開口71から溝83に落下する。溝83に落下した粉体は、回転盤82の回転速度に応じて堆積して搬送される。アシストガスの導入は、連続的でも間欠的でもよい。 In such an aerosol generating device 6, desired powder is stored in the powder storage chamber 70 and the stirring blade 72 is driven, and the rotating plate 81 is rotated in the aerosol generating unit 80, and the groove 83 of the rotating plate 81 is formed. A dispersion gas is sprayed on the surface. The powder stored in the powder storage chamber 70 falls into the groove 83 through the opening 71 while being stirred by the stirring blade 72. At that time, an air flow is formed in the opening 71 by introducing an assist gas into the powder storage chamber 70. This airflow acts as a driving force that assists or accelerates the derivation of the powder. Thereby, the powder falls from the opening 71 into the groove 83 more smoothly. The powder that has fallen into the groove 83 is deposited and conveyed in accordance with the rotational speed of the turntable 82. The introduction of the assist gas may be continuous or intermittent.
一方、回転盤82の溝83においては、そこに吹き付けられた分散ガスが溝83に沿って流れることにより気流が形成されている。この分散ガスは、エアロゾル供給管85の先端部の開口からその内部に流れ込む。その際に、エアロゾル供給管85の周囲には、エアロゾル供給管85の内部に向かう吸引力が発生する。この吸引力により、溝83に堆積していた粉体が分散ガスと共にエアロゾル供給管85に流れ込む。このようにして生成されたエアロゾルは、エアロゾル供給管85からエアロゾル搬送管30(図5)に供給され、エアロゾル搬送管30を介して成膜部40に導入される。 On the other hand, in the groove 83 of the turntable 82, the dispersed gas blown there flows along the groove 83 to form an air flow. This dispersed gas flows into the aerosol supply pipe 85 from the opening at the tip thereof. At that time, a suction force toward the inside of the aerosol supply pipe 85 is generated around the aerosol supply pipe 85. Due to this suction force, the powder accumulated in the groove 83 flows into the aerosol supply pipe 85 together with the dispersion gas. The aerosol thus generated is supplied from the aerosol supply pipe 85 to the aerosol transport pipe 30 (FIG. 5), and is introduced into the film forming unit 40 through the aerosol transport pipe 30.
本発明のセラミックス積層体は、高温環境において使用される部材を熱から保護するための遮熱コーティング構造等に好ましく利用することができる。 The ceramic laminate of the present invention can be preferably used for a thermal barrier coating structure for protecting a member used in a high temperature environment from heat.
1、3 遮熱コーティング構造
2、4 セラミックス積層体
11 金属基材
12 金属接合層
13、14 セラミックス遮熱層(第1のセラミックス膜)
15 封孔層(第2のセラミックス膜)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 3 Thermal-insulation coating structure 2, 4 Ceramic laminated body 11 Metal base material 12 Metal joining layer 13, 14 Ceramic thermal-insulation layer (1st ceramic film)
15 Sealing layer (second ceramic film)
Claims (7)
相対密度が95%以上であり、かつ、前記第1のセラミックス膜の相対密度より高い相対密度を有する第2のセラミックス膜が積層されていることを特徴とするセラミックス積層体。 On the first ceramic film having a relative density of 95% or less,
A ceramic laminate, wherein a second ceramic film having a relative density of 95% or more and a relative density higher than that of the first ceramic film is laminated.
前記第2のセラミックス膜は、Al2O3、HfO2、CeO2、及びZrO2の群から選択される少なくとも1種の酸化物セラミックスを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のセラミックス積層体。 The first ceramic film includes at least one oxide ceramic selected from the group consisting of Al 2 O 3 , HfO 2 , CeO 2 , and ZrO 2 ;
Said second ceramic film, Al 2 O 3, HfO 2 , CeO 2, and any one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least one oxide ceramic which is selected from the group of ZrO 2 The ceramic laminate according to 1.
前記金属基材側から金属接合層とセラミックス遮熱層と封孔層とが順次積層された構造を有するものであり、
前記セラミックス遮熱層と前記封孔層との積層体が請求項1〜5のいずれかに記載のセラミックス積層体からなることを特徴とする遮熱コーティング構造。 In a thermal barrier coating structure for protecting a metal substrate from heat,
The metal base layer side has a structure in which a metal bonding layer, a ceramic heat shield layer, and a sealing layer are sequentially laminated,
A thermal barrier coating structure, wherein the laminate of the ceramic thermal barrier layer and the sealing layer comprises the ceramic laminate according to any one of claims 1 to 5.
前記金属接合層が、一般式MCrAlY(式中、MはNi及び/又はCo、Crはクロム、Alはアルミニウム、Yはイットリウムをそれぞれ示す。)で表される少なくとも1種の合金を主成分とすることを特徴とする請求項6に記載の遮熱コーティング構造。 The metal base material is mainly composed of an alloy containing at least one metal element selected from the group consisting of Co, Ni, and Fe,
The metal bonding layer is mainly composed of at least one alloy represented by the general formula MCrAlY (wherein M represents Ni and / or Co, Cr represents chromium, Al represents aluminum, and Y represents yttrium). The thermal barrier coating structure according to claim 6.
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