JPH07258816A

JPH07258816A - 金属基材へのセラミックコーティング構造およびその形成方法

Info

Publication number: JPH07258816A
Application number: JP5564894A
Authority: JP
Inventors: Masashi Takahashi; 雅士高橋; Yutaka Ishiwatari; 裕石渡; Yoshiyasu Ito; 義康伊藤; Takanari Okamura; 隆成岡村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-03-25
Filing date: 1994-03-25
Publication date: 1995-10-09

Abstract

(57)【要約】【目的】一つの層で熱応力緩和と耐酸化性とを兼備さ
せ、割れや剥離がなく耐久性に優れた金属基材へのセラ
ミックコーティング構造を提供するとともに、そのよう
なセラミックコーティング構造を効率的に形成する方法
を提供する。【構成】本発明のコーティング構造は、コーティング
層を構成する金属とセラミックとの組成比率を、セラミ
ックの比率が金属基材との界面から層表面に向って増大
するように、厚さ方向に連続的に変化させるとともに、
金属中に第２のセラミックの超微細な粒子を分散させて
なる。またこのような構造は、金属中に第２のセラミッ
ク粒子を超微細分散させた粉末材料とセラミック粉末と
を調製し、これらの粉末をセラミック粉末の比率が厚さ
方向に沿って増大するように混合比率を変えて混合し、
金属基材上に積層した後焼結することにより形成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属基材へのセラミッ
クコーティング構造とその形成方法に係わり、さらに詳
述すると、材料の物性（物理的性質）と要求される機能
とを別々の構成材料に担わせることにより、物性に依存
する熱応力緩和特性と、耐食性や耐磨耗性などの表面機
能とを両立させた金属基材へのセラミックコーティング
構造、およびそのようなコーティング構造を形成する方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、耐熱性、耐食性、耐磨耗性などの
機能向上のために、金属基材へのセラミックコーティン
グが盛んに行われており、その適用分野も多岐にわたっ
ている。ところが、セラミックをコーティングした場
合、製造時や使用時にセラミック被膜に割れや剥離が生
じやすく、これが最も大きな問題となっている。このよ
うな割れや剥離は、非常に脆いというセラミック材料が
本来有する性質と、金属とセラミックとで、熱膨脹係
数、熱伝導率、ヤング率、ポアソン比などの材料物性
（物理的性質）が大幅に異なるために発生する熱応力が
大きな原因であり、セラミックをコーティングした効果
を十分に生かしきれないばかりでなく、使用時のトラブ
ルの原因となる場合が多い。特に、金属基材にセラミッ
クをコーティングした材料を、高温酸化雰囲気などで用
いる場合には、以下の理由でセラミック被膜の割れや剥
離が起こりやすく、コーティング材にとって非常に過酷
な条件といえる。すなわち、高温酸化雰囲気において
は、金属基材とセラミック被膜との熱膨脹係数の差に起
因し熱応力が発生すると同時に、酸化物が発生するなど
金属基材やセラミック被膜に材質変化が生じ、これによ
る被膜の強度や密着力の低下が付加されるためである。

【０００３】従来から、セラミック被膜の割れや剥離を
防止し信頼性を向上させるために、金属とセラミックな
どの異種材料が接合されたコーティング構造において、
熱応力の緩和や耐酸化性の向上などの試みが種々なされ
ている。すなわち、まず熱膨脹係数の差による熱応力を
低減するための試みとして、特開平４−２１４８２６号
公報に記載された発明（複合化材料の製造方法および複
合化材料、受熱材料の製造方法および受熱材料）や、特
願平３−１１０５９５号公報に記載された発明（傾斜機
能材料の製造方法）などがある。これらはいずれも、二
つの材料の界面での組成を連続的に変化させることで、
熱膨脹係数やヤング率などの材料物性が急激に変化する
部位をなくし、熱応力を低減しようとしたものであり、
異種材料の界面での機能が連続的に変化した傾斜機能材
料の製造方法に関するものである。

【０００４】これらのうちで特開平４−２１４８２６号
公報に記載された発明は、気孔率が連続的に変化した高
融点金属を作製した後、その気孔中に低融点金属を溶浸
することにより、傾斜機能材料を製造するものである。
また、特願平３−１１０５９５号公報に記載された発明
は、傾斜組成化が比較的容易に行える焼結法や溶射法な
どの方法を用いて傾斜組成ブロックを作製した後、押出
し、引抜き、圧延などの塑性加工により任意の形状に仕
上げるもので、主として長尺寸法の傾斜機能材料を製造
する方法に関している。

【０００５】一方、酸化物の発生による金属基材とセラ
ミックコーティング被膜との密着力低下を低減するため
の試みとして、特開平３−２０４５１号公報（セラミッ
ク被覆ガスタービン動翼）に記載された発明がある。こ
れは、表面のセラミックコーティング被膜の下に耐酸化
のための合金層を設けることにより、酸化物の形成を抑
制しようとしたものである。そして、このような合金層
を構成する材料として、ＣｏあるいはＮｉのうちの少な
くとも一つと、ＣｒとＡｌ、さらにＨｆ、Ｔａ、Ｙ、Ｓ
ｉ、Ｚｒのうちの少なくとも一つの元素を含む耐酸化性
に優れた合金が規定されている。

【０００６】さらに、別の観点から金属基材へのセラミ
ックコーティング被膜の割れや剥離を低減し、耐久性を
向上させようとした試みもある。すなわち、特願平４−
２１４４２２号公報に記載された金属基材へのセラミッ
クコーティング方法は、金属からセラミックまで組成を
徐々に変化させながら形成したものに加熱処理を施し、
セラミック被膜に任意の圧縮残留応力を印加させ、セラ
ミック被膜の強化や基材との密着性向上を図ったもので
ある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、高温酸
化雰囲気など過酷な条件下で使用されるセラミックコー
ティング材料においては、セラミック被膜の割れや剥離
を防止するためにいろいろな試みがなされている。これ
らの試みをまとめると、構造的な改善と材質そのものの
改善との二つに大別できる。このうちで構造的な改善
は、傾斜組成化などにより熱応力の緩和をめざすものが
主体であり、材質的な改善は、耐酸化層の付加などの経
年的な劣化特性の向上を図ったものが多い。しかしなが
ら、従来からの改善策には、熱応力の緩和だけを目的と
したもの、耐酸化性向上だけを目的としたもの、あるい
は熱応力緩和と耐酸化性とをそれぞれ別の層に担わせた
ものなど種々のものがあるが、一つの層で熱応力緩和と
耐酸化性とを兼備させようとしたものは未だ知られてい
ないのが現状であった。

【０００８】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、熱応力発生の原因となる材料物性を制
御する材料と、これとは別の耐酸化性などの表面機能を
担った材料とを含有させることにより、一つの層で熱応
力緩和と耐酸化性とを兼備させ、割れや剥離がなく耐久
性に優れた金属基材へのセラミックコーティング構造を
提供するとともに、そのようなセラミックコーティング
構造を効率的に形成する方法を提供することを目的とし
ている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の金属基材へのセ
ラミックコーティング構造は、金属基材上にセラミック
を主体とするコーティング層を設けたセラミックコーテ
ィング構造において、前記コーティング層を構成する金
属とセラミックとの組成比率を、セラミックの比率が前
記金属基材との界面からコーティング層の表面に向って
増大するように、厚さ方向に連続的に変化させるととも
に、この傾斜組成領域の前記金属中に、第２のセラミッ
クの超微細な粒子を分散させてなることを特徴とする。

【００１０】本発明の金属基材へのセラミックコーティ
ング構造の形成方法は、金属基材上にセラミックを主体
とするコーティング層を形成する方法において、金属中
に第２のセラミックの超微細な粒子を分散させた粉末材
料と前記セラミックの粉末とをそれぞれ調製し、これら
の粉末を、前記セラミック粉末の比率が厚さ方向に沿っ
て増大するように、混合比率を変えて混合しながら前記
金属基材上に積層した後、焼結することを特徴とする。

【００１１】また、本発明のセラミックコーティング構
造の第２の形成方法は、金属基材上にセラミックを主体
とするコーティング層を形成する方法において、金属中
に第２のセラミックの超微細な粒子を分散させた粉末材
料と前記セラミックの粉末とをそれぞれ調製し、これら
の粉末を、前記セラミック粉末の比率が経時的に増大す
るように、供給比率を変えて高温のフレーム中にそれぞ
れ供給し、前記金属基材上にプラズマ溶射した後、加熱
処理を行うことを特徴とする。

【００１２】さらに、本発明のセラミックコーティング
構造の第３の形成方法は、金属基材上にセラミックを主
体とするコーティング層を形成する方法において、金属
中に第２のセラミックの超微細な粒子を分散させた粉末
材料と前記セラミックの粉末とをそれぞれ調製し、これ
らの粉末を混合比率を変えて混合し次いで焼結して、前
記金属とセラミックとの組成比率の異なる複数枚の薄板
を製造した後、これらの薄板を、前記セラミックの組成
比率の低い順に積層し、加圧下に加熱して一体に成形す
ることを特徴とする。

【００１３】本発明の金属基材へのセラミックコーティ
ング構造およびその形成方法において、第２のセラミッ
クとしては、Ａｌ₂Ｏ₃やＹ₂Ｏ₃のような、硬質で化
学的に安定な酸化物系セラミックを使用し、かつ粒径が
０．１μm 以下の超微細な粉末を使用することが望まし
い。また、このような第２のセラミックの含有率は、分
散されるマトリクス金属の０．５〜１０．０重量％とす
ることが望ましい。第２のセラミックの含有率が０．５
重量％未満では、セラミックコーティング層の耐酸化性
を向上させる効果が十分ではなく、また１０．０重量％
を越えた場合には、物性特に靭性が極端に低下して好ま
しくない。

【００１４】さらに、本発明の金属基材へのセラミック
コーティング構造の第１、第２および第３の形成方法に
おいて、金属中に前記した超微細な第２のセラミック粒
子を分散させるには、金属の粉末と第２のセラミックの
粉末とを強力な機械エネルギーにより粉砕しながら混合
する、いわゆるメカニカルアロイ法を採ることが望まし
い。

【００１５】

【作用】本発明の金属基材へのセラミックコーティング
構造においては、コーティング層を構成する金属とセラ
ミックとの組成比率が、厚さ方向に連続的に変えられ、
かつセラミックの組成比率が、金属基材との界面から表
面に向って徐々に増大するように形成されているので、
コーティング層の熱膨脹係数、ヤング率などの物性が厚
さ方向に連続的に変化し、物性の急激な変化がなくなっ
ている。そのため、熱膨脹の差に起因する熱応力が緩和
されている。また、このような傾斜組成領域において、
一方の構成成分である金属中に、第２のセラミックの超
微細粒子が分散されているので、材料物性を変えること
なく硬質で化学的に安定な第２のセラミック粒子による
機能が付加され、耐食性や耐磨耗性などの機能が向上さ
れる。

【００１６】本発明のセラミックコーティング構造の形
成方法においては、メカニカルアロイ法などにより、金
属中に第２のセラミックの粒子を超微細に分散させた粉
末材料と、第１のセラミックの粉末とを、混合比率を徐
々に変えて混合しながら金属基材上に積層した後焼結す
ることにより、金属と第１のセラミックとを傾斜組成化
させることができ、かつそのような傾斜組成領域で、金
属中に第２のセラミックが超微細分散したコーティング
層を形成することができる。

【００１７】また、本発明のセラミックコーティング構
造の第２の形成方法においては、前記方法と同様にして
第２のセラミック粒子を超微細分散させた金属粉末材料
と、第１のセラミックの粉末とを、相互の供給比率を経
時的に変えながら高温のフレーム中にそれぞれ供給し、
こうして溶融された材料を高流速で金属基材上に吹き付
けた（プラズマ溶射）後加熱処理を行うことにより、金
属と第１のセラミックとが傾斜組成化され、かつそのよ
うな傾斜組成領域で金属中に第２のセラミックが超微細
分散したコーティング層を形成することができる。

【００１８】さらに、本発明の第３の形成方法において
は、第２のセラミック粒子を超微細分散させた金属粉末
材料と第１のセラミックの粉末とを、混合比率を変えて
混合し焼結して得られた組成比率の異なる複数枚の薄板
を、順に積層し加圧・加熱して成形一体化することによ
り、金属と第１のセラミックとが傾斜組成化され、かつ
そのような傾斜組成領域で金属中に第２のセラミックが
超微細分散したコーティング層を形成することができ
る。

【００１９】またさらに、本発明のセラミックコーティ
ング構造の形成方法においては、前記した焼結法やプラ
ズマ溶射法により金属基材上にコーティング層を形成し
た後、真空中または加圧雰囲気中で熱処理を行うことに
より、あるいは圧延や押出しのような熱間での塑性加工
を行うことにより、コーティング層自体をさらに焼結す
ることができるうえに、コーティング層を構成する元素
と金属基材を構成する元素との相互拡散を生じさせるこ
とができる。したがって、このような熱処理や塑性加工
により、コーティング層自体の強度が向上されるうえ
に、金属基材とコーティング層との密着性が向上され
る。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。

【００２１】図１は、本発明に係わる金属基材へのセラ
ミックコーティング構造の一実施例を模式的に示す断面
図である。この図において、符号１は、例えばＮｉ、Ｃ
ｏまたはＦｅをベースとした耐熱合金（ＭＣｒＡｌＹ）
からなる基材を示し、その上に、耐熱合金のＭＣｒＡｌ
Ｙ２と低熱伝導性のセラミックであるＺｒＯ₂−８wt％
Ｙ₂Ｏ₃３、および第２のセラミックであるＡｌ₂Ｏ₃
４からなる以下に示すようなコーティング層５が設けら
れている。すなわち、このセラミックコーティング層５
は、耐熱合金の基材１上でＭＣｒＡｌＹ２の組成比率が
１００％になり、コーティング層５表面でＺｒＯ₂−８
wt％Ｙ₂Ｏ₃３の組成比率が１００％になるように、耐
熱合金基材１上からコーティング層５表面まで、ＭＣｒ
ＡｌＹ２とＺｒＯ₂−８wt％Ｙ₂Ｏ₃３の組成比率を厚
さ方向に連続的に変化させており、このようにすること
で、図２（ａ）に示すように、線膨脹係数やヤング率、
ポアソン比などの材料物性が急激に変わらないように制
御され、製造時や使用時の熱応力の緩和が図られてい
る。また、コーティング層５のＭＣｒＡｌＹ２とＺｒＯ
₂−８wt％Ｙ₂Ｏ₃３とが傾斜組成化された領域におい
ては、ＭＣｒＡｌＹ２のマトリクス中に第２のセラミッ
クであるＡｌ₂Ｏ₃４の超微細粒子が、０．５〜１０．
０重量％の割合で含有分散されており、このような分散
により、図２（ｂ）に示すように、耐酸化性や耐磨耗性
などの表面機能が顕著に付加されている。

【００２２】この実施例における作用を、図３〜図５を
用いて以下に詳細に説明する。

【００２３】実施例のセラミックコーティング層におい
ては、ＭＣｒＡｌＹとＺｒＯ₂−８wt％Ｙ₂Ｏ₃の組成
比率が厚さ方向に連続的に変化されており、かつこのよ
うなＭＣｒＡｌＹとＺｒＯ₂−８wt％Ｙ₂Ｏ₃がそれぞ
れ線膨脹係数やヤング率などの物性を制御する粒子とし
て用いられ、物性が急激に（不連続に）変化する部位が
解消されているため、製造時および使用時の熱応力が緩
和されている。また実施例においては、物性が連続的に
変化されているので、物性が不連続に変化した場合に端
部に生じる応力特異点（板厚方向の応力とせん断応力の
特異点）を消滅させることができる。

【００２４】図３は、実施例のセラミックコーティング
構造と従来のコーティング構造（ＭＣｒＡｌＹにＺｒＯ
₂−８wt％Ｙ₂Ｏ₃ １００％のコーティング層を直接
設けた２層体）について、加熱時の板厚に平行な方向の
熱応力の測定結果をそれぞれ示したものである。このグ
ラフから明らかなように、従来のコーティング構造が、
金属基材とセラミックコーティング層との界面で大きな
熱応力を持つのに対し、実施例のコーティング構造で
は、コーティング層表面や基材の裏面で熱応力が最大と
なっており、熱応力の分布形態が異なっている。また、
最大値で両者を比較すると、実施例のコーティング構造
の方が従来のものに比べて圧倒的にその絶対値が小さく
なっている。

【００２５】次に実施例の機能について考察すると、耐
熱合金であるＭＣｒＡｌＹマトリクス中に第２のセラミ
ックであるA1₂ 0₃の超微細な粒子が分散されており、
この微細分散されたＡｌ₂Ｏ₃粒子が、ＭＣｒＡｌＹ表
面でのＡｌ₂Ｏ₃やＣｒ₂Ｏ₃などの酸化皮膜の成長抑
制や安定化に有効に働くため、耐酸化性が大幅に向上す
る。図４は、耐酸化性を代表するパラメータとして酸化
増量を縦軸に取り、A1₂ 0₃の添加量（含有率）に対す
る酸化増量の変化を調べたものである。このグラフから
明らかなように、ＭＣｒＡｌＹ中へA1₂ 0₃粒子を超微
細分散させることにより、耐酸化性が大幅に向上する。
また図５は、ＭＣｒＡｌＹ中にＡｌ₂Ｏ₃を０．５〜１
０．０％の割合で超微細分散させた実施例のセラミック
コーティング層と、Ａｌ₂Ｏ₃を含まない従来のセラミ
ックコーティング層について、高温酸化雰囲気での酸化
増量の時間変化をそれぞれ示したものである。このグラ
フから、実施例のコーティング層においては、従来にも
のに比べて高温酸化雰囲気での酸化増量が大幅に減少し
ており、酸素イオン透過材料であるセラミックの最大の
問題点である耐酸化性が大幅に向上されていることがわ
かる。

【００２６】さらに、実施例のセラミックスコーティン
グ構造と従来からの種々のタイプのコーティング構造に
ついて、大気中で１１００−２００℃、２Ｈｒ保持の熱
サイクルを繰返し加えた（熱サイクル試験）結果を、図
６にそれぞれ示す。このグラフから明らかなように、実
施例のセラミックコーティング構造は、優れた熱サイク
ル特性を有しており、高温酸化雰囲気での繰り返し使用
において、割れや剥離が生じにくく優れた耐久性を示
す。

【００２７】次に、このような金属基材へのセラミック
コーティング構造を形成する方法について説明する。

【００２８】第１の方法（焼結法）においては、まず図
７ (a)に示すように、ＭＣｒＡｌＹ粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉
末を原料としてメカニカルアロイ法で粉砕・混合を行
い、ＭＣｒＡｌＹマトリクス６中にＡｌ₂Ｏ₃の超微細
な粒子７が分散された分散粉末（粉末Ａ）８を調製す
る。一方、電融粉砕法や化学析出法などにより、ＺｒＯ
₂−８wt％Ｙ₂Ｏ₃の粉末（粉末Ｂ）を調製する。次い
で図７ (b)に示すように、前記した粉末Ａ８とＺｒＯ₂
−８wt％Ｙ₂Ｏ₃粉末（粉末Ｂ）９とを、ボールミルな
どにより均一に混合する。このとき、粉末Ａ８と粉末Ｂ
９との混合比率が異なる数種類の混合粉末を調製する。
次いで、図７ (c)に示すように、ＭＣｒＡｌＹのような
金属基材１０上に、前記した混合粉末をＭＣｒＡｌＹの
比率が大きいものから順に用いて、混合粉末層１１を積
層した後、図７ (d)に示すように、このように積層され
た粉末層１１に対して、金型による一軸成形や常温等方
性加圧（ＣＩＰ）成形を行い、粉末の緻密化を図る。最
後に図７ (e)に示すように、成形された粉末層１１を電
気炉等の加熱炉１２により焼結し、コーティング層の強
度を向上させるとともに、コーティング層と金属基材１
０との間の元素の相互拡散により密着性の向上を図る。
こうして、前記実施例の金属基材へのセラミックコーテ
ィング構造を容易に形成することができる。なお、この
ような焼結法では、ＣＩＰ成形などによる粉末の緻密化
と焼結を、加圧しながら焼結するというように一つの工
程で同時に行うことも可能である。すなわち、ホットプ
レス焼結法や熱間等方性加圧法（ＨＩＰ）等により積層
粉末層１１を成形することも可能である。

【００２９】次に、実施例のセラミックコーティング構
造を形成するための他の方法について説明する。

【００３０】すなわち第２の方法においては、図８ (a)
に示すように、前記実施例と同様に、ＭＣｒＡｌＹ粉末
とＡｌ₂Ｏ₃粉末を原料としてメカニカルアロイングす
ることにより、ＭＣｒＡｌＹマトリクス６中にＡｌ₂Ｏ
₃の超微細粒子７が分散された分散粉末（粉末Ａ）８を
調製する一方、電融粉砕法や化学析出法などにより、Ｚ
ｒＯ₂−８wt％Ｙ₂Ｏ₃の粉末（粉末Ｂ）９を調製す
る。次いで、図８ (b)に示すように、ＭＣｒＡｌＹのよ
うな金属基材１０表面にＡｌ₂Ｏ₃粒子などの硬質粒子
１３を高速で噴射し、基材１０表面を粗面化（ブラスト
処理）する。次いで、金属基材１０の表面をクリーニン
グする。すなわち、図８ (c)に示すように、非酸化性雰
囲気中で基材１０を正極にしたトランスファードアーク
１４により、基材表面の酸化物の除去を行う。次に、図
８ (d)に示すように、プラズマ溶射法により粉末Ａと粉
末Ｂを溶融させた粒子を、プラズマジェット１５として
高速で金属基材１０表面に衝突させる。このとき、粉末
Ｂの供給比率が経時的に増大するように、粉末Ａと粉末
Ｂの比率を変えて高温のフレーム中に供給する。最後
に、図８ (e)に示すように、溶射形成されたコーティン
グ被膜１６に対して、緻密化並びに基材との密着性向上
のために、真空中または不活性ガス雰囲気で加熱処理を
行う。

【００３１】さらに、第３の方法においては、図９ (a)
に示すように、前記実施例と同様にメカニカルアロイ法
により、ＭＣｒＡｌＹマトリクス６中にＡｌ₂Ｏ₃の超
微細粒子７が分散された分散粉末（粉末Ａ）８を調製す
る一方、電融粉砕法や化学析出法などにより、ＺｒＯ₂
−８wt％Ｙ₂Ｏ₃の粉末（粉末Ｂ）９を調製した後、こ
れらの粉末を、図９ (b)に示すように、ボールミルなど
で均一に混合する。このとき、粉末Ａと粉末Ｂの混合比
率が異なる数種類の混合粉末を調製する。次いで、図９
(c)に示すように、これらの混合粉末を用い、焼結法な
どにより粉末Ａと粉末Ｂの組成比率の異なる数種類の薄
い板１７をそれぞれ作製する。次いで、図９ (d)に示す
ように、これらの薄板１７をＭＣｒＡｌＹの組成比率が
大きい順に積層した後、図９ (e)に示すように、容器１
８中にキャニングする。そして、このようにキャニング
した積層板１９に対し、高温加圧雰囲気での処理すなわ
ちＨＩＰ処理を行い一体化させる。最後に、キャニング
容器１８から一体化した積層板１９を取り出すと同時
に、所定の寸法に機械加工して仕上げる。

【００３２】以上説明した第１、第２および第３の方法
で形成された金属基材へのセラミックコーティング構造
においては、金属基材との界面からコーティング層の表
面まで、ＭＣｒＡｌＹとzr_O2-8wt%Y₂ 0₃の組成比率が
厚さ方向に沿って徐々に変えられており、線膨脹係数や
ヤング率などの物性が制御されているので、製造時や使
用時など加熱時に発生する熱応力が緩和される。

【００３３】また、このようにＭＣｒＡｌＹとＺｒＯ₂
−８wt％Ｙ₂Ｏ₃の組成比率が連続的に変えられたコー
ティング層の傾斜組成領域において、ＭＣｒＡｌＹのマ
トリクス中に超微細なＡｌ₂Ｏ₃粒子が分散されている
ので、線膨脹係数やヤング率などの物性がほとんど変化
することなく、耐酸化性が向上されているうえに、優れ
た熱サイクル特性を有しており、高温酸化雰囲気中での
耐久性に優れている。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の金属基材へのセラミックコーティング構造によれば、
熱応力発生の原因となる線膨脹係数やヤング率などの材
料物性の制御と耐酸化性などの機能を、別々の材料に持
たせることにより、一つのコーティング層に熱応力の緩
和と耐酸化性などの所望の機能を兼備させることができ
る。したがって、高温酸化雰囲気においても割れや剥離
が生じることがなく、耐久性に優れたセラミックコーテ
ィング層を得ることができる。

【００３５】また、本発明の方法によれば、このように
優れた物性と機能をあわせ持ち耐久性に優れたセラミッ
クコーティング層を、容易かつ安定的に形成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる金属基材へのセラミックコーテ
ィング構造の一実施例を模式的に示す断面図。

【図２】同実施例において、コーティング層の厚さ位置
と物性および機能との関係を概略的に示すグラフ。

【図３】同実施例のセラミックコーティング構造と従来
からのコーティング構造について、加熱時の板厚に平行
な熱応力の測定結果をそれぞれ示すグラフ。

【図４】ＭＣｒＡｌＹ中へのＡｌ₂Ｏ₃の添加量に対す
る酸化増量の変化を概略的に示すグラフ。

【図５】実施例のコーティング層とＡｌ₂Ｏ₃を含まな
い従来のセラミックコーティング層について、高温酸化
雰囲気での酸化増量の経時変化をそれぞれ示すグラフ。

【図６】実施例のコーティング構造と従来からの種々の
タイプのコーティング構造について、大気中で熱サイク
ル試験を行った結果を示すグラフ。

【図７】本発明のセラミックコーティング構造の形成方
法の一実施例（焼結法）において、各工程を模式的に示
す図。

【図８】本発明のセラミックコーティング構造の形成方
法の第２の実施例（プラズマ溶射法）において、各工程
を模式的に示す図。

【図９】本発明のセラミックコーティング構造の形成方
法の第３の実施例（薄板のＨＩＰによる一体化方法）に
おいて、各工程を模式的に示す図。

【符号の説明】

１………耐熱合金（ＭＣｒＡｌＹ）基材２………ＭＣｒＡｌＹ３………ＺｒＯ₂−８wt％Ｙ₂Ｏ₃ ４………Ａｌ₂Ｏ₃ ５………コーティング層８………分散粉末（粉末Ａ）９………ＺｒＯ₂−８wt％Ｙ₂Ｏ₃粉末（粉末Ｂ）１０………金属基材１１………混合粉末層１５………プラズマジェット１６………薄板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡村隆成神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４株式会社東芝京浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属基材上にセラミックを主体とするコ
ーティング層を設けたセラミックコーティング構造にお
いて、前記コーティング層を構成する金属とセラミックとの組
成比率を、セラミックの比率が前記金属基材との界面か
らコーティング層の表面に向って増大するように、厚さ
方向に連続的に変化させるとともに、この傾斜組成領域
の前記金属中に、第２のセラミックの超微細な粒子を分
散させてなることを特徴とする金属基材へのセラミック
コーティング構造。
【請求項２】第２のセラミックが、硬質で化学的に安
定な酸化物系セラミックであり、かつその粒径が０．１
μm 以下で、金属への含有率が０．５〜１０．０重量％
である請求項１記載の金属基材へのセラミックコーティ
ング構造。
【請求項３】金属基材上にセラミックを主体とするコ
ーティング層を形成する方法において、金属中に第２のセラミックの超微細な粒子を分散させた
粉末材料と前記セラミックの粉末とをそれぞれ調製し、
これらの粉末を、前記セラミック粉末の比率が厚さ方向
に沿って増大するように、混合比率を変えて混合しなが
ら前記金属基材上に積層した後、焼結することを特徴と
する金属基材へのセラミックコーティング構造の形成方
法。
【請求項４】金属基材上にセラミックを主体とするコ
ーティング層を形成する方法において、金属中に第２のセラミックの超微細な粒子を分散させた
粉末材料と前記セラミックの粉末とをそれぞれ調製し、
これらの粉末を、前記セラミック粉末の比率が経時的に
増大するように、供給比率を変えて高温のフレーム中に
それぞれ供給し、前記金属基材上にプラズマ溶射した
後、加熱処理を行うことを特徴とする金属基材へのセラ
ミックコーティング構造の形成方法。
【請求項５】金属基材上にセラミックを主体とするコ
ーティング層を形成する方法において、金属中に第２のセラミックの超微細な粒子を分散させた
粉末材料と前記セラミックの粉末とをそれぞれ調製し、
これらの粉末を混合比率を変えて混合し次いで焼結し
て、前記金属とセラミックとの組成比率の異なる複数枚
の薄板を製造した後、これらの薄板を、前記セラミック
の組成比率の低い順に積層し、加圧下に加熱して一体に
成形することを特徴とする金属基材へのセラミックコー
ティング構造の形成方法。
【請求項６】第２のセラミックが、硬質で化学的に安
定な酸化物系セラミックであり、かつその粒径が０．１
μm 以下で、金属への含有率が０．５〜１０．０重量％
である請求項３乃至５のいずれか１項記載の金属基材へ
のセラミックコーティング構造の形成方法。
【請求項７】金属中に第２のセラミックの超微細な粒
子を分散させた粉末材料が、前記金属の粉末と第２のセ
ラミックの粉末とを、メカニカルアロイ法によって調製
されたものである請求項３乃至６のいずれか１項記載の
金属基材へのセラミックコーティング構造の形成方法。