(57)【要約】  高温部品２の一部の表面にはガラスを含む酸化物セラミックスからなる中間層３が溶射によって形成され、中間層３の表面には耐熱性・耐水蒸気減肉性を有するコーティング材料からなる耐環境被膜４が形成される。この酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化しても同じ体積を保つ複数種の酸化物セラミックスであって、当該複数種の酸化物セラミックスは、高温部品２を構成するＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と耐環境被膜４を構成するコーティング材料の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有している。
2009116596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されかつＳｉＣ系セラミックス基複合材料からなる高温部品の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するためのコーティング構造において、
前記高温部品の一部の表面に溶射によって形成され、ガラスを含む酸化物セラミックスからなる中間層と、
前記中間層の表面に形成され、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有するコーティング材料からなる耐環境被膜と、
を備え、
前記中間層を構成する前記酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化しても同じ体積を保つ複数種の酸化物セラミックスであって、前記複数種の酸化物セラミックスは、前記高温部品を構成する前記ＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と前記耐環境被膜を構成する前記コーティング材料の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有していることを特徴とするコーティング構造。
【請求項２】
前記中間層を構成する前記複数種の酸化物セラミックスは、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2とＹｂ2ＳｉＯ5であることを特徴とする請求項１に記載のコーティング構造。
【請求項３】
前記中間層は、真空溶射によって形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコーティング構造。
【請求項４】
前記耐環境被膜を構成する前記コーティング材料は、希土類酸化物、希土類シリケート、ストロンチウムアルミノシリケート、又はIVＡ族金属酸化物であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のコーティング構造。
【請求項５】
水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されかつＳｉＣ系セラミックス基複合材料からなる高温部品の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するための表面処理方法において、
ガラスを含む酸化物セラミックスの粉末を溶射材料として用い、溶射によって半溶融状態の前記酸化物セラミックスの粉末を前記高温部品の一部の表面に堆積させて中間層を形成する中間層形成工程と、
前記中間層形成工程の終了後に、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有するコーティング材料の粉末を溶射材料として用い、溶射によって半溶融状態の前記コーティング材料の粉末を前記中間層の表面に堆積させて耐環境被膜を形成する耐環境被膜形成工程と、
を備え、
前記中間層形成工程に用いる前記酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化しても同じ体積を保つ複数種の酸化物セラミックスであって、前記複数種の酸化物セラミックスは、前記高温部品を構成する前記ＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と前記耐環境被膜を構成する前記コーティング材料の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有していることを特徴とする表面処理方法。
【請求項６】
前記中間層を構成する前記複数種の酸化物セラミックスの粉末は、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2とＹｂ2ＳｉＯ5の粉末であることを特徴とする請求項５に記載の表面処理方法。
【請求項７】
前記中間層形成工程は、真空溶射によって前記中間層を形成することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン部品等の高温部品の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するためのコーティング構造及び表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されるガスタービン部品等の高温部品の素材として、ニッケル合金等の耐熱合金よりも耐熱性に優れかつ比重の小さいＳｉＣ系セラミックス基複合材料（ＣＭＣ）が注目されている。一方、高温ガス中の水蒸気はＳｉ含有材料の減肉反応を引き起こすことが知られており、高温部品の素材としてＳｉＣ系セラミックス基複合材料を選択する場合には、高温部品の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保する必要がある。そして、耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するため、通常、高温部品の一部には次のようなコーティング構造が施工されている。【０００３】
即ち、高温部品の一部の表面には、ガラスを含む酸化物セラミックスからなる中間層が形成されている。そして、中間層の表面には、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有するコーティング材料からなる耐環境被膜が形成されている。換言すれば、高温部品の一部の表面には、耐環境被膜が中間層を介して形成されている。ここで、中間層を構成する酸化物セラミックスは、高温部品を構成するＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と耐環境被膜を構成するコーティング材料の熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有している。【０００４】
これにより、中間層によって高温部品と耐環境被膜の熱膨張差による耐環境被膜の残留応力を段階的に緩和することができ、耐環境被膜のクラック・剥離を抑えて、高温部品に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を長期に亘って確保することができる。【０００５】
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。
【特許文献１】特開２００４−３４６４２８号公報
【特許文献２】特開２００５−２００２２６号公報
【発明の開示】
【０００６】
ところで、酸化物セラミックスからなる中間層を形成する際には、コーティング構造の施工の容易性・確実性から溶射法が用いられる。一方、溶射によって形成された中間層内のセラミックス粒子（溶射粒子）は不安定な状態にあり、９００℃以上の高温ガス環境下に一旦熱暴露されると、中間層内のセラミックス粒子は焼結して安定な状態に移行して、中間層が体積収縮することになる。そのため、高温部品が９００℃以上の高温ガス環境下で使用される場合には、中間層のクラック・剥離が生じ易く、高温部品に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を長期に亘って確保することが困難になる。つまり、コーティング構造の施工、換言すれば表面処理の施工の容易性・確実性を便を図った上で、９００℃以上の高温ガス環境下で使用される高温部品に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を長期に亘って確保すること困難であるという課題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、前述の課題を解決することができる、新規な構成のコーティング構造及び表面処理方法を提供することを目的とする。
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の第一の側面によれば、水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されかつＳｉＣ系セラミックス基複合材料からなる高温部品の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するためのコーティング構造において、前記高温部品の一部の表面に溶射によって形成され、ガラスを含む酸化物セラミックスからなる中間層と、前記中間層の表面に形成され、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有するコーティング材料からなる耐環境被膜と、を備え、前記中間層を構成する前記酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化したとしても同じ体積を保つ複数種の酸化物セラミックスであって、前記複数種の酸化物セラミックスは、前記高温部品を構成する前記ＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と前記耐環境被膜を構成する前記コーティング材料の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有していることを特徴とするコーティング構造が提供される。
【０００９】
本発明の第二の側面によれば、水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されかつＳｉＣ系セラミックス基複合材料からなる高温部品の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するための表面処理方法において、ガラスを含む酸化物セラミックスの粉末を溶射材料として用い、溶射によって半溶融状態の前記酸化物セラミックスの粉末を前記高温部品の一部の表面に堆積させて中間層を形成する中間層形成工程と、前記中間層形成工程の終了後に、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有するコーティング材料の粉末を溶射材料として用い、溶射によって半溶融状態の前記コーティング材料の粉末を前記中間層の表面に堆積させて耐環境被膜を形成する耐環境被膜形成工程と、を備え、前記中間層形成工程に用いる前記酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化したとしても同じ体積を保つ複数種の酸化物セラミックスであって、前記複数種の酸化物セラミックスは、前記高温部品を構成する前記ＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と前記耐環境被膜を構成する前記コーティング材料の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有していることを特徴とする表面処理方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るコーティング構造及び表面処理方法を説明する図である。
【図２】図２は、中間層を模擬した２つの試験片についての熱膨張試験の結果を示す図であり、図２（ａ）は、一比較例としての試験片Ａについての熱膨張試験の結果を示す図であり、図２（ｂ）は、一実施例としての試験片Ｂについての熱膨張試験の結果を示す図である。
【図３】図３は、図２の２つの試験片におけるセラミックス粒子の状態を示す図であり、図３（ａ）は、試験片Ａにおけるセラミックス粒子の状態を示す図であり、図３（ｂ）は、試験片Ｂにおけるセラミックス粒子の状態を示す図である。
【図４】図４は、熱暴露前の高温部品のコーティング構造を示す図であり、図４（ａ）は、一比較例のコーティング構造の断面図であり、図４（ｂ）は、一実施例のコーティング構造の断面図である。
【図５】図５は、図４に示す比較例と実施例のコーディング構造の１３００℃で大気暴露試験を行った前後における外観を比較した図である。
【図６】図６は、図５に示す大気暴露試験後の実施例のコーティング構造の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施形態について図１から図６を参照して説明する。【００１２】
［１］まず、本発明の一実施形態に係るコーティング構造及び表面処理方法の前提となる新規な知見について、図２を用いて説明する。【００１３】
図２に、中間層を模擬した試験片Ａ（一比較例：図示省略）及び試験片Ｂ（一実施例：図示省略）についてそれぞれ熱膨張試験を行った結果を示した。【００１４】
具体的には、一比較例として、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2−Ｍｕｌｌｉｔｅの粉末を溶射材料として用い、真空溶射によって中間層を模擬した試験片Ａを製作した。また、一実施例として、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2−Ｍｕｌｌｉｔｅの粉末とＹｂ2ＳｉＯ5の粉末の混合粉末（溶射皮膜形成後の体積比が１：１となるように混合比を調整した粉末）を溶射材料として用い、真空溶射によって中間層を模擬した試験片Ｂを製作した。更に、環境温度を変化させて（室温〜１２００℃まで上昇させて、１２００〜１００℃まで下降させて）、試験片Ａ及び試験片Ｂについてそれぞれ熱膨張試験を行い、試験片Ａ及び試験片Ｂのそれぞれの熱膨張率を測定した。そして、図２（ａ）は、試験片Ａについて熱膨張試験の結果をまとめたものであり、図２（ｂ）は、試験片Ｂについて熱膨張試験の結果をまとめたものである。【００１５】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、環境温度が上昇して９００℃を越えると、試験片Ａの熱膨張率は大きく低下して、試験片Ａに大きな体積収縮が生じるのに対して、試験片Ｂの熱膨張率は、試験片Ａと比較した場合、その低下が抑制されており、その結果、試験片Ｂの体積収縮は低減された。これは、９００℃以上の高温ガス環境下に一旦熱暴露されることにより、試験片Ａの場合には、図３（ａ）に示すように、試験片Ａ内のセラミックス粒子（溶射粒子）Ｃが焼結して安定な状態に移行するのに対して、試験片Ｂの場合には、図３（ｂ）に示すように、試験片Ｂ内のセラミックス粒子（溶射粒子）Ｃ，ＣＤの焼結が抑制されたことによるものである。【００１６】
更に、Ｙｂ2ＳｉＯ5の粉末に代えてＹｂ2Ｓｉ2Ｏ7の粉末を用いて製作した試験片Ｃ（図示省略）についても熱膨張試験をした結果、試験片Ｂについての熱膨張試験の結果と同様の結果を得ることができた。【００１７】
ここで、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2、Ｙｂ2ＳｉＯ5、及びＹｂ2Ｓｉ2Ｏ7は、それぞれ室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しない酸化物セラミックである。なお、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しない酸化物セラミックの代わりに、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化したとしても同じ体積を保つ酸化物セラミックスを用いても、前述の熱膨張試験の結果と同様の結果が得られるものと推測される。【００１８】
これらの熱膨張試験の結果から、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化したとしても同じ体積を保つ複数種の酸化物セラミックスにより中間層が構成されている場合には、中間層が溶射によって形成されてあっても、９００℃以上の高温ガス環境下に一旦熱暴露される際に生じる中間層内のセラミックス粒子（溶射粒子）の焼結を抑制して、中間層の体積収縮を低減することができるという、新規な知見を得ることができた。【００１９】
［２］続いて、本発明の実施形態に係るコーティング構造について、図１を用いて説明する。【００２０】
図１（ｃ）に示すように、本発明の一実施形態に係るコーティング構造１は、水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されるガスタービン部品２（高温部品の一例）の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するための構造であって、具体的な構成は、次のようになる。なお、ガスタービン部品２は、例えばタービン翼であって、ＳｉＣ系セラミックス基複合材料からなっている。【００２１】
ガスタービン部品２の一部の表面には、ガラスを含む酸化物セラミックスからなる中間層３が真空溶射によって形成されている。なお、中間層３が真空溶射によって形成される代わりに、大気溶射によって形成されるようにしても構わない。【００２２】
中間層３の表面には、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有する酸化物セラミックス（コーティング材料の一例）からなる耐環境被膜４が大気溶射によって形成されている。換言すれば、ガスタービン部品２の一部の表面には、耐環境被膜４が中間層３を介して形成されている。ここで、耐環境被膜４を構成する酸化物セラミックスは、希土類酸化物、希土類シリケート、ストロンチウムアルミノシリケート、又はIVＡ族金属酸化物である。なお、耐環境被膜４を大気溶射によって形成する代わりに、真空溶射によって形成するようにしても構わない。【００２３】
そして、本発明の実施形態に係るコーティング構造１において、中間層３を構成する酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化したとしても同じ体積を保つ２種類の酸化物セラミックスからなる。具体的には、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2とＹｂ2ＳｉＯ5の場合と、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2とＹｂ2Ｓｉ2Ｏ7の場合とがある。また、中間層３を構成する２種類の酸化物セラミックスは、ガスタービン部品２を構成するＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数（ここでは、３×１０-6／℃）と耐環境被膜４を構成する酸化物セラミックスの熱膨張係数（ここでは、５〜１０×１０-6／℃）の中間の熱膨張係数を有している。ここで、中間層３を構成する２種類の酸化物セラミックスの熱膨張係数は、２種類の酸化物セラミックスの混合体積比等によって決定される。ここでは、２種類の酸化物セラミックスの混合体積比は、例えば１：１である。ここで、混合体積比とは、前述したように溶射皮膜形成後の体積比（混合比）のことである。【００２４】
［３］続いて、本発明の一実施形態に係る表面処理方法について、図１を用いて説明する。【００２５】
本発明の一実施形態に係る表面処理方法は、水蒸気を含む高温ガス環境下で使用されるガスタービン部品２（図１（ａ）参照）の少なくとも一部に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を確保するための方法であって、次のような中間層形成工程と耐環境被膜形成工程を備えている。【００２６】
＜中間層形成工程＞
ガラスを含む酸化物セラミックスの粉末を溶射材料として用い、真空溶射によって半溶融状態の酸化物セラミックスの粉末をガスタービン部品２の一部の表面に堆積させる。これにより、図１（ｂ）に示すように、ガスタービン部品２の一部に中間層３を形成することができる。なお、中間層３を真空溶射によって形成する代わりに、大気溶射によって形成するようにしても構わない。【００２７】
＜耐環境被膜形成工程＞
中間層形成工程の終了後に、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有する酸化物セラミックス（コーティング材料の一例）粉末を溶射材料として用い、大気溶射によって半溶融状態の酸化物セラミックスの粉末を中間層３の表面に堆積させる。これにより、図１（ｃ）に示すように、中間層３の表面に耐環境被膜４を形成することができる。換言すれば、ガスタービン部品２の一部に耐環境被膜４を中間層３を介して形成することができる。ここで、耐熱性・耐水蒸気減肉性を有する酸化物セラミックスとは、希土類酸化物、希土類シリケート、ストロンチウムアルミノシリケート、又はIVＡ族金属酸化物である。なお、耐環境被膜４を大気溶射によって形成する代わりに、真空溶射によって形成するようにしても構わない。【００２８】
本発明の一実施形態に係る表面処理方法において、中間層形成工程に用いる酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化したとしても同じ体積を保つ２種類の酸化物セラミックスであって、ここでは、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2とＹｂ2ＳｉＯ5の場合と、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2とＹｂ2Ｓｉ2Ｏ7の場合とがある。また、中間層形成工程に用いる２種類の酸化物セラミックスは、ガスタービン部品２を構成するＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数（ここでは、３×１０-6／℃）と耐環境被膜４を構成する酸化物セラミックスの熱膨張係数（ここでは、５〜１０×１０-6／℃）の中間の熱膨張係数を有している。【００２９】
［４］最後に、本発明の実施形態の作用及び効果について、図４及び図５を用いて説明する。【００３０】
中間層３を構成する２種類の酸化物セラミックス（中間層形成工程に用いる２種類の酸化物セラミックス）は、ガスタービン部品２を構成するＳｉＣ系セラミックス基複合材料の熱膨張係数と耐環境被膜４を構成する酸化物セラミックスの熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有しているため、中間層３によってガスタービン部品２と耐環境被膜４の熱膨張差による耐環境被膜４の残留応力を段階的に緩和することができる。【００３１】
また、中間層３を構成する２種類の酸化物セラミックスは、室温〜１４００℃の範囲内で結晶相が変化しないか又は変化したとしても同じ体積を保つようになっているため、前述の新規な知見を考慮すると、中間層３が溶射によって形成されてあっても、９００℃以上の高温ガス環境下に一旦熱暴露される際に生じる中間層３内のセラミックス粒子Ｃ，ＣＤの焼結を抑制して、中間層３の体積収縮を低減することができる。【００３２】
更に、中間層３が真空溶射によって形成されている場合には（換言すれば、中間層形成工程において中間層３を真空溶射によって形成する場合には）、中間層３を密な組織にして、水蒸気を含む高温ガスが中間層３を透過することを十分に抑えることができる。【００３３】
従って、本発明の一実施形態によれば、中間層３が溶射によって形成したとしても、９００℃以上の高温ガス環境下に一旦熱暴露される際に生じる中間層３内のセラミックス粒子Ｃ，ＣＤの焼結を抑制して、中間層３の体積収縮を低減することができる。従って、コーティング構造１の施工（換言すれば、表面処理の施工）の容易性・確実性の便を図った上で、中間層３のクラック・剥離の発生を抑えて、９００℃以上の高温ガス環境下で使用されるガスタービン部品２に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を長期に亘って確保することができる。【００３４】
図４は、熱暴露前の高温部品のコーティング構造を示す図であり、図４（ａ）は、一比較例のコーティング構造を示す断面図であり、図４（ｂ）は、一実施例のコーティング構造の断面図である。一比較例は、耐環境被膜としてＨｆＯ２、中間層として３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2−Ｍｕｌｌｉｔｅの粉末を溶射材料として用い、溶射によって高温部品をコーティングした場合のコーティング構造である。また、一実施例は、耐環境被膜としてＨｆＯ２、中間層として３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2−Ｍｕｌｌｉｔｅの粉末とＹｂ2ＳｉＯ5の粉末の混合粉末（溶射皮膜形成後の体積比が１：１となるように混合比を調整した粉末）を溶射材料として用い、溶射によって高温部品をコーティングした場合のコーティング構造である。【００３５】
図５は、図４に示した比較例と実施例のコーティング構造の１３００℃で大気暴露試験を行った前後における外観を比較した図である。大気暴露試験後の比較例と実施例との外観を見比べてみればわかるように、比較例のコーティングには剥離が認められる一方で、実施例のコーティングには剥離が認められない。【００３６】
図６は、図５に示した大気暴露試験後の実施例のコーティング構造の断面図である。図５の右上の図に示したように、比較例においては大気暴露試験後にコーティングが剥離してしまったが、一方、図６の断面図から明らかなように、実施例においては大気暴露試験後にコーティングが剥離しなかったことがわかる。【００３７】
また、中間層３が真空溶射によって形成されている場合には、水蒸気を含む高温ガスが中間層３を透過することを十分に抑えることができるため、ガスタービン部品２の耐水蒸気減肉性をより向上させることができる。【００３８】
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によれば、前記中間層が溶射によって形成されてあっても、９００℃以上の高温ガス環境下に一旦熱暴露される際に生じる前記中間層内のセラミックス粒子の焼結を抑制して、前記中間層の体積収縮を低減することができるため、前記コーティング構造の施工、換言すれば、表面処理の施工の容易性・確実性を便を図った上で、前記中間層のクラック・剥離の発生を抑えて、９００℃以上の高温ガス環境下で使用される前記高温部品に対して耐熱性・耐水蒸気減肉性を長期に亘って確保することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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