(57)【要約】【課題】優れた耐酸化性を有することにより耐熱性が向上された遮熱コーティング部材を提供する。【解決手段】金属基材４上に遮熱コーティング層６を備える、遮熱コーティング部材であって、遮熱コーティング層６は、表層側から順に、セラミックス遮熱層８及び金属窒化物層１０を備える。金属窒化物層１０は、金属窒化物は、それ自体酸素を発生せず遮熱コーティング層６において酸素発生源とならず、また、自ら酸化されることにより、酸素の浸透を抑制することにより耐酸化性向上に寄与する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材上に遮熱コーティング層を備える、遮熱コーティング部材であって、
遮熱コーティング層は、表層側から順に以下の層；
（ａ）セラミックス遮熱層及び、
（ｂ）金属窒化物層
を備える、部材。
【請求項２】
さらに、金属窒化物層下に、
（ｃ）金属結合層、
を備える、請求項１記載の部材。
【請求項３】
前記金属窒化物層は、ＡｌＮ、ＴｉＮ及びＧａＮからなる群から選択される１種あるいは２種以上の金属窒化物を主成分とする、請求項１又は２記載のコーティング部材。
【請求項４】
前記金属窒化物層は、ＡｌＮを主成分とする、請求項３記載のコーティング部材。
【請求項５】
前記金属基材はニッケル合金であり、前記遮熱層はＺｒＯ２を主成分とする請求項１〜４のいずれかに記載のコーティング部材。
【請求項６】
金属基材上に遮熱コーティング層を備える遮熱コーティング部材の製造方法であって、
金属基材上に金属結合層を形成する工程と、
金属結合層上に金属窒化物層を形成する工程と、
金属窒化物層上にセラミックス遮熱層を形成する工程、
とを備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンやジェットエンジンなどの高温機器部品に適用される遮熱コーティング部材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球温暖化や省資源といった観点から、ガスタービンやジェットエンジンなどの原動機においては熱効率のさらなる向上が求められており、精力的な研究開発が進められている。高効率化を達成するためには、エネルギーロスを低減させるとともに、高温の燃焼ガスにさらされる動翼、静翼、または燃焼器などの高温機器に用いられる部材の耐用温度を高めることが必要となる。
【０００３】
そこで、この改善策として、遮熱コーティング（ＴＢＣ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ）を用いた技術が開発された。この遮熱コーティングは、金属基材表面に低熱伝導率の酸化物系セラミックス層を形成することで熱を遮断し、金属基材の温度上昇を防止するものである。
図２に典型的な遮熱コーティング層を示す。この遮熱コーティング層２６は、、金属基材２４上に形成される耐食、耐酸化性に優れたＭＣｒＡｌＹ（Ｍ：Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅの少なくとも１種）合金からなる金属結合層２８と、この金属結合層２８上に形成される安定化ジルコニアを主成分とするからなるセラミックス遮熱層３０二層構造をとるのが一般的である。
さらに、金属結合層２８と遮熱層３０との間に金属結合層２８の酸化を防止するために、処理層を形成する技術が知られている（特許文献１）。この処理層は、金属酸化物や金属間化合物で形成されている。
また、金属結合層２８の酸化を防止するためには、遮熱層３０の表面にさらに金属酸化物からなるシールコート層を形成する技術もある（特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２４６９０１号公報
【特許文献２】
特開平８−２０８７８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの手法によっても金属結合層の酸化を十分に抑制するのは困難であり、耐熱性向上のニーズは際限がなく、常に更なる性能が求められる。
そこで、本発明の課題は、優れた耐酸化性を有することにより耐熱性が向上された遮熱コーティング部材を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、金属結合層の酸化防止のために使用されてきたコーティング層が酸化物層を主体とし、コーティング材料自身が酸素を含んでいることに着目した。すなわち、金属基材もしくは金属結合層に用いられる金属の劣化は一般に、大気中の熱処理によって酸素と結合して酸化されることによって引き起こされる。しかしながら、遮熱層やその他の層自身が酸素を有している以上、この酸素が金属含有部位の劣化を進めるきっかけになりかねないという点に着目した。
そこで、本発明者らは、窒化物を基材や金属結合層の表層側に設けて、酸素との接触を遮断することにより、酸素との結合に始まる劣化を本質的に克服できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明によれば、以下の手段が提供される。
【０００７】
（１）金属基材上に遮熱コーティング層を備える、遮熱コーティング部材であって、
遮熱コーティング層は、表層側から順に以下の層；
（ａ）セラミックス遮熱層及び、
（ｂ）金属窒化物層
を備える、部材。
（２）さらに、金属窒化物層下に、
（ｃ）金属結合層、
を備える、請求項１記載の部材。
（３）前記金属窒化物層は、ＡｌＮ、ＴｉＮ及びＧａＮからなる群から選択される１種あるいは２種以上の金属窒化物を主成分とする、請求項１又は２記載のコーティング部材。
（４）前記金属窒化物層は、ＡｌＮを主成分とする、請求項３記載のコーティング部材。
（５）前記金属基材はニッケル合金であり、前記遮熱層はＺｒＯ２を主成分とする請求項１〜４のいずれかに記載のコーティング部材。
（６）金属基材上に遮熱コーティング層を備える遮熱コーティング部材の製造方法であって、
金属基材上に金属結合層を形成する工程と、
金属結合層上に金属窒化物層を形成する工程と、
金属窒化物層上にセラミックス遮熱層を形成する工程、
とを備える、方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明は、金属基材上に形成される遮熱コーティング層として、セラミックス遮熱層と金属窒化物層とを備えることを特徴とする遮熱コーティング部材である。あるいは、金属窒化物層下に更に金属結合層を備えることもできる。
図１には、本発明の遮熱コーティング部材の好ましい一形態を示す。以下、図１を参照しながら、説明するが、図１に示す形態は一例であって本発明を限定するものではない。
【０００９】
図１には、遮熱コーティング部材２が示されている。この遮熱コーティング部材２は、金属基材４上に、上からセラミックス遮熱層８と金属窒化物層１０と金属結合層１２とを備える遮熱コーティング層６を備えている。
セラミックス遮熱層８としては、従来当該遮熱コーティング技術分野で使用されている各種の低熱伝導性セラミックス層を採用することができる。一般的には、安定化もしくは部分安定化ジルコニアが用いられるが、特に、安定化材として、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、及びＣｅＯ２からなる群から選択される１種あるいは２種以上を組み合わせて用いた安定化あるいは部分安定化ジルコニアを使用することが好ましい。セラミックス遮熱層８は、大気プラズマ溶射等の溶射または電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ）等によって厚さ１００〜５００μｍに形成することができる。
【００１０】
金属窒化物層１０は、金属窒化物を有し、好ましくは、金属窒化物を主体とし、さらに好ましくは、金属窒化物のみから形成される。金属窒化物としては、ＡｌＮ、ＴｉＮ及びＧａＮ等を好ましく使用することができる。より好ましくは、ＡｌＮを使用する。なお、金属窒化物は１種あるいは２種以上を組み合わせて使用することができる。
なお、金属窒化物層１０の層厚は、約０．５μｍ以上であることが好ましい。０．５μｍ未満であると、酸素遮断効果が小さくなりすぎるためである。金属窒化物層１０は厚ければその効果は大きいが、好ましくは２００μｍ以下である。２００μｍを超える膜厚は、例えばスパッタ装置を用いて成膜する場合において現実的な作業時間を超える場合があるからである。この金属窒化物層１０によれば、１μｍ以上１０μｍ以下の厚みで従来と同等あるいはそれ以上の酸化防止効果を実現できる。
【００１１】
金属窒化物層１０は、金属窒化物が遮熱コーティング層６において、表層側からの酸素の侵入を阻止するとともに酸素発生源とならないことにより、優れた耐酸化性を発揮する。また、金属窒化物自体、大気中の加熱によって徐々に当該金属の酸化物に変化していくが、窒化物層１０以下の層の酸化は、当該窒化物が完全に酸化物に変化した後に初めて生じる。したがって、金属窒化物層１０を備えることは、酸素を層内で発生しにくいばかりか、自らが酸化されることによって酸化進行を遅延化するという機能も有しているといえる。
また、本金属窒化物層１０は、本質的に遮熱効果を有している。
以上のことから、金属窒化物層１０は、酸素遮断性（耐酸化性）を始めとして遮熱コーティング層６において複数の課題を一挙に解決する有用な中間層であるといえる。
【００１２】
金属窒化物層１０は、従来公知の各種成膜方法によって形成することができる。例えば、溶射、スパッタリング、化学蒸着法（ＣＶＤ）、ＰＶＤ（物理蒸着法）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の各種方法を用いることができる。酸素あるいは水分など酸素原子が混入しない方法を用いることが好ましい。したがって、例えば、スパッタリング等不活性雰囲気下での成膜方法を採用することが好ましい。
【００１３】
本遮熱コーティング層６には、セラミックス遮熱層８と金属窒化物層１０とで構成されていてもよいが、図１に示すように金属結合層１２を備えることもできる。金属結合層１２は、金属基材４の表面を被覆するように備えられている。金属結合層１２を備える場合には、金属窒化物層１０は、金属結合層１２上に備えられ、そうでない場合には、金属基材４の表面に直接備えられることになる。金属結合層１２を備えることが、密着性が高く剥離しにくい遮熱コーティング層６が得られる点において好ましい。
【００１４】
金属結合層１２としては、従来当該遮熱コーティング技術分野で使用されている各種合金層を採用することができる。例えば、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｎｉ、Ｃｏ及びＦｅからなる群から選択される１種あるいは２種以上からなる合金）、白金アルミナイドコーティングなどを使用することができる。金属結合層１２の厚さは特に限定しないが、一般的には、５０〜１００μｍである。
金属結合層１２は、通常は、これらの合金粒子を減圧プラズマ溶射等の溶射により、金属基材４表面に付与することにより、あるいは物理蒸着（ＰＶＤ）等により金属基材４表面に形成することができる。
【００１５】
このような遮熱コーティング層６は、通常、金属基材４上に金属結合層１２を形成し、あるいは形成することなく、金属窒化物層１０を形成し、窒化物層１０上にセラミックス遮熱層８を形成することにより製造することができる。
【００１６】
以上説明した構造を有する本遮熱コーティング層６は、実使用環境下においては、それ自体酸素の発生源にならないことの他、大気中の酸素や遮熱層６に由来する酸素によって酸化されることにより、金属結合層１２以下への酸素の侵入と酸化とを防止することができる。
本発明のセラミックス遮熱コーティングをガスタービンやジェットエンジンなどの高温用部材に適用する場合は、これらの部材の長寿命化による性能向上が図れる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することができるものである。
（実施例）
Ｎｉ基超合金を基材とし、金属結合層としてＣｏＮｉＣｒＡｌＹを用い、セラミックス遮熱層をＹＳＺ（イットリウム添加ジルコニア）とし、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を金属窒化物層として備える遮熱コーティング部材を作製した。
Ｎｉ基耐熱合金はＡｌｌｏｙ７３８（通称インコネル７３８：Ｃｒ（１６％）−Ｃｏ（８％）−Ｍｏ（１．６％）−Ｗ（２．６％）−Ｔａ（１．７％）−Ｎｂ（０．８％）−Ａｌ（３．４％）−Ｔｉ（３．４％）−Ｎｉ（残り）））を用いた。この基材に、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ（（Ｎｉ（３２％）−Ｃｒ（２１％）−Ａｌ（８％）−Ｙ（０．５％）−Ｃｏ（残り）））の粉末を原料として溶射法によって厚み１００μｍをコーティングし、金属結合層を形成した。
【００１８】
次いで、金属結合層のコーティング面を平滑にするために研磨処理し、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を２μｍの厚さに成膜した。成膜装置にはＤＣスパッター装置を用いた。すなわち、金属Ａｌターゲットを原料に用い、成膜条件はＡｒ（アルゴン）＋Ｎ２（窒素）の混合ガス２０〜３０ｍｔｏｒｒの減圧雰囲気中、ＤＣパワーは２００Ｗとした。成膜中、基材の加熱は行わなかった。この方法では、原料であるＡｌがプラズマ状に励起されたＮ（窒素）と反応して基材（金属結合層を含んだ基材）上にＡｌＮとして成膜される。なお、当該層がＡｌＮであることはＸ線回折等の測定手段によって確認できた。
【００１９】
引き続きセラミックス遮熱層として、ＹＳＺ（８ｗｔ％のＹ２Ｏ３で安定化したＺｒＯ２）をＥＢＰＶＤ（電子ビームによる物理的な蒸着）を使用して２００μｍの厚さに成膜した。ＥＢＰＶＤの成膜原料にはＹＳＺ焼結体を用いた。蒸着中のチャンバー内は１０Ｅ−５ｔｏｒｒ台の真空中であって、基材を一旦１０００℃に予熱した後、引き続き成膜を行った。
以上により、本発明に係る遮熱コーティング部材を作製した。比較例として、金属窒化物層を形成する以外は本実施例と同様に操作して得られたコーティング部材を作製した。
これらの部材につき、同一の加熱炉で耐熱性の比較試験を行った。条件は大気雰囲気中、１０００℃、１００Ｈｒで行ったところ、比較例の部材では、コーティングの表面が荒れてスケールが発生した。しかし、本実施例の部材では、スケールの発生が抑えられて、平滑な光沢面が維持され、耐熱性を向上する効果が確認できた。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた耐酸化性を有することにより耐熱性が向上された遮熱コーティング部材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の遮熱コーティング部材の一例を示す断面図である。
【図２】従来の遮熱コーティング部材の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
２  遮熱コーティング部材
４  金属基材
６  遮熱コーティング層
８  セラミックス遮熱層
１０  金属窒化物層
１２  金属結合層
【図１】
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【図２】
2004256855.tif 000004