塗層構造及表面處理方法

2023-10-10 11:26:54

專利名稱：塗層構造及表面處理方法
技術領域：
本發明涉及一種用於確保燃氣渦輪部件等的高溫部件的至少一部分的耐熱 性-耐水蒸氣腐蝕性的塗層構造及表面處理方法。
背景技術：
近年來，作為在包含水蒸氣的高溫氣體環境下使用的燃氣渦輪部件等的高溫部件 的材料，值得關注的是使用了與鎳合金等相比具有更優秀的耐熱性且比重小的SiC系列陶 瓷基複合材料(CMC)。另一方面，發現在高溫氣體中的水蒸氣會引起含Si的材料的腐蝕反 應，在作為高溫部件的材料使用SiC系列陶瓷基複合材料的情形下，需要對高溫部件的至 少一部分確保耐熱性-耐水蒸氣腐蝕性。並且，為了確保耐熱性-耐水蒸氣腐蝕性(water vapor wall-thirmingresistance)，通常對高溫部件的一部分進行以下塗層構造的施工。S卩，在高溫部件的一部分的表面，形成有由包含玻璃的氧化物陶瓷所構成的中間 層。並且，在中間層表面形成有由具有耐熱性_耐水蒸氣腐蝕性的塗層材料所構成的耐環 境覆膜。換言之，在高溫部件的一部分的表面，介由中間層形成耐環境覆膜。在這裡，構成 中間層的氧化物陶瓷的熱膨脹係數，是在構成高溫部件的SiC系列陶瓷基複合材料的熱膨 脹係數和構成耐環境覆膜的塗層材料的熱膨脹係數之間。由此，通過中間層可階段性緩和高溫部件和耐環境覆膜的熱膨脹之差所引起的耐 環境覆膜的殘留應力，抑制耐環境覆膜的破裂、剝離，可長期確保高溫部件的耐熱性_耐水 蒸氣腐蝕性。並且，作為與本發明有關的現有技術，有專利文獻1及專利文獻2中所示的內容。專利文獻1 日本特開第2004-346428號公報專利文獻2 日本特開第2005-200226號公報然而，在形成由氧化物陶瓷所構成的中間層的情形下，從塗層構造施工的容易、確 實性的角度考慮而使用噴塗法。另一方面，通過噴塗法所構成的中間層的陶瓷粒子(噴塗 粒子)處於不穩定的狀態，一旦暴露於900°C以上高溫氣體環境時，中間層內的陶瓷粒子燒 結而過渡到穩定的狀態，使中間層體積收縮。從而高溫部件在900°C以上的高溫氣體環境下 使用時，導致中間層容易發生破裂、剝離，難以長期確保高溫部件的耐熱性_耐水蒸氣腐蝕 性。即，在提高塗層構造的施工，換言之，在提高表面處理的施工的容易、確實性的基礎上， 存在難以長期確保900°C以上的高溫氣體環境下所使用的高溫部件的耐熱性_耐水蒸氣腐 蝕性的問題。

發明內容
基於上述問題的不足，本發明的目的在於提供一種可解決上述問題的、具有新的 構成的塗層構造及表面處理方法。本發明是以如下方式實現的。本發明第一側面的塗層構造，是在包含水蒸氣的高 溫氣體環境下使用，且確保由SiC系列陶瓷基複合材料所構成的高溫部件的至少一部分的耐熱性_耐水蒸氣腐蝕性的塗層構造，其中包括在所述高溫部件的一部分的表面通過噴塗所形成，且由包含玻璃的氧化物陶瓷所 構成的中間層；在所述中間層的表面形成，且由具有耐熱性_耐水蒸氣腐蝕性的塗層材料所構成 的耐環境覆膜，其中，構成所述中間層的所述氧化物陶瓷，是在室溫至1400°C範圍內結晶相不變 化或雖然結晶相變化但保持相同體積的多種氧化物陶瓷，所述多種氧化物陶瓷的熱膨脹系 數，是在構成所述高溫部件的所述SiC系列陶瓷基複合材料的熱膨脹係數和構成所述耐環 境覆膜的所述塗層材料的熱膨脹係數之間。根據本發明第二側面的表面處理方法，是在包含水蒸氣的高溫氣體環境下使用， 且確保由SiC系列陶瓷基複合材料所構成的高溫部件的至少一部分的耐熱性-耐水蒸氣腐 蝕性的表面處理方法，包括如下工序將包含玻璃的氧化物陶瓷的粉末作為噴塗材料而使用，通過噴塗來將半熔融狀態 的所述氧化物陶瓷的粉末堆積到所述高溫部件的一部分的表面，從而形成中間層的中間層 形成工序；在所述中間層形成工序結束後，將具有耐熱性_耐水蒸氣腐蝕性的塗層材料作為 噴塗材料而使用，通過噴塗來將半熔融狀態的所述塗層材料的粉末堆積到所述中間層的表 面，從而形成耐環境覆膜的耐環境覆膜形成工序，其中，用於所述中間層形成工序的所述氧化物陶瓷，是在室溫至1400°C範圍內結 晶相不變化或雖然結晶相變化但保持相同體積的多種氧化物陶瓷，所述多種氧化物陶瓷的 熱膨脹係數，是在構成所述高溫部件的所述SiC系列陶瓷基複合材料的熱膨脹係數和構成 所述耐環境覆膜的所述塗層材料的熱膨脹係數之間。


圖1是表示說明根據本發明的一個實施形態的塗層構造及表面處理方法的示意 圖。圖2是表示對模擬了中間層的2個試驗片進行的熱膨脹試驗的結果的示意圖，圖 2(a)是表示作為一個比較例的試驗片A進行熱膨脹試驗的結果的示意圖，圖2(b)是表示作 為一個實施例的試驗片B進行熱膨脹試驗的結果的示意圖。圖3是表示圖2的2個試驗片的陶瓷粒子的狀態的示意圖，圖3 (a)是表示試驗片 A的陶瓷粒子的狀態的示意圖，圖3(b)是表示試驗片B的陶瓷粒子的狀態的示意圖。
圖4是表示熱暴露前高溫部件的塗層構造的示意圖，圖4 (a)是表示一個比較例的 塗層構造的剖視圖、圖4(b)是表示一個實施例的塗層構造的剖視圖。圖5是表示圖4所表示的比較例和實施例的塗層構造在1300°C進行大氣暴露試驗 前後的外觀的比較示意圖。圖6是表示圖5所示的大氣暴露試驗後的實施例的塗層構造的剖視圖。
具體實施例方式參照圖1 圖6對本發明的實施形態進行詳細說明。
1首先，參照圖2就作為根據本發明的一個實施形態的塗層構造及表面處理方 法的前提的新的見解進行說明。在圖2中表示了對模擬了中間層的試驗片A (—個比較例未圖示)及試驗片B ( — 個實施例未圖示)分別進行了熱膨脹試驗的結果。具體說明是，作為一個比較例，將莫來石(3A1203 · 2Si02, mullite)粉末作為噴塗 材料，且通過真空噴塗的方式製作了模擬了中間層的試驗片A。並且，作為一個實施例，將莫 來石(3A1203 CSi(^mullite)粉末和Yb2SiO5粉末的混合粉末(通過調整混合比來使得形 成噴塗薄膜後的體積比變成1 1的粉末)作為噴塗材料，且通過真空噴塗的方式製作了 模擬了中間層的試驗片B。並且，通過使得環境溫度變化(從室溫上升到1200°C，從1200°C 下降到10(TC )的方式分別對試驗片A及試驗片B進行熱膨脹試驗，分別測定了試驗片A及 試驗片B的熱膨脹率。並且，圖2 (a)是表示對試驗片A進行熱膨脹試驗的結果的示意圖， 圖2(b)是表示對試驗片B進行熱膨脹試驗的結果的示意圖。如圖2(a)及圖2(b)所示，如環境溫度上升而超過900°C的情形下，使得試驗片A 的熱膨脹率大大降低，從而導致在試驗片A發生大的體積收縮，與此相對地，試驗片B的熱 膨脹率在與試驗片A相比較的情形下，其降低被抑制，其結果降低了試驗片B的體積收縮。 這是因為，通過一旦暴露在900°C以上的高溫氣體環境，在試驗片A的情形下，如圖3(a)所 示地，在試驗片A內的陶瓷粒子(噴塗粒子)C燒結而過渡到穩定的狀態，與此相對地，在試 驗片B的情形下，如圖3(b)所示地，試驗片B內的陶瓷粒子(噴塗粒子)C、CD的燒結被抑 制。並且，對以Yb2Si2O7的粉末代替Yb2SiO5的粉末來製作的試驗片C(省略圖示)進 行熱膨脹試驗，獲得的結果與試驗片B的熱膨脹試驗結果相同。在此，3A1203 · 2Si02、Yb2SiO5, Yb2Si2O7是分別在室溫至1400°C範圍內結晶相不變 化的氧化物陶瓷。並且，即使使用在室溫至1400°C範圍內雖然結晶變化但保持相同體積的 氧化物陶瓷，來代替在室溫至1400°C範圍內結晶相不變化的氧化物陶瓷，也認為可以獲得 與前述的熱膨脹試驗的結果相同的結果。通過這些熱膨脹試驗的結果可獲得如下新的見解，即，通過在室溫至1400°C範圍 內結晶相不變化或雖然結晶相變化但保持相同體積的多種氧化物陶瓷構成中間層的情形 下，即使通過噴塗形成中間層的情形下也可抑制發生在一旦暴露於900°C以上的高溫氣體 環境時的中間層內陶瓷粒子(噴塗粒子)的燒結，可降低中間層的體積收縮。2接著，參照圖1對根據本發明實施形態的塗層構造進行說明。如圖1(c)所示，根據本發明的一個實施形態的塗層構造1，是用於確保在包含 水蒸氣的高溫環境下所使用的燃氣渦輪部件2 (高溫部件的一例)的至少一部分的耐熱 性-耐水蒸氣腐蝕性的結構，以下對其具體結構進行說明。並且，燃氣渦輪部件2，例如為渦 輪翼，由SiC系列陶瓷基複合材料所構成。在燃氣渦輪部件2的一部分的表面，通過真空噴塗形成有以包含玻璃的氧化物陶 瓷所構成的中間層3。並且，也可通過大氣噴塗形成所述中間層3，來代替通過真空噴塗形 成中間層3的方式。在中間層3的表面，通過大氣噴塗形成以具有耐熱性_耐水蒸氣腐蝕性的氧化物 陶瓷(塗層材料的一例)所構成的耐環境覆膜4。換言之，在燃氣渦輪部件2的一部分的表面，介由中間層3形成耐環境覆膜4。在此，構成耐環境覆膜4的氧化物陶瓷，是稀土類 氧化物、稀土類矽酸鹽、矽鋁酸鍶(strontiumaluminosilicate)、或IVA族金屬氧化物。並 且，也可通過真空噴塗形成耐環境覆膜4，來代替通過大氣噴塗形成耐環境覆膜4的方式。並且，在根據本發明實施形態的塗層構造1，構成中間層3的氧化物陶瓷，是通過 在室溫至1400°C範圍內結晶相不變化或雖然結晶變化但保持相同體積的2種氧化物陶瓷 所構成。具體來講，有3A1203 · 2Si02和Yb2SiO5的情形、和3A1203 · 2Si02和Yb2Si2O7的情 形。並且，構成中間層3的2種氧化物陶瓷的熱膨脹係數，是在構成燃氣渦輪部件2的SiC 系列陶瓷基複合材料的熱膨脹係數(在此為3X 10_6/°C )和構成耐環境覆膜4的氧化物陶 瓷的熱膨脹係數(在此為5 10X10_6/°C)之間。在此，構成中間層3的2種的氧化物陶 瓷的熱膨脹係數，是由2種氧化物陶瓷的混合體積比等來決定。在此，2種氧化物陶瓷的混 合體積比例如為1 1。這裡所說的混合體積比，是指如上所述地形成噴塗薄膜後的體積比 (混合比)。3接著，參照圖1對根據本發明的一個實施形態的表面處理方法進行說明。在根據本發明的一個實施形態的表面處理方法中，是為了對包含水蒸氣的高溫氣 體環境下所使用的燃氣渦輪部件2 (參照圖1(a))的至少一部分確保耐熱性-耐水蒸氣腐 蝕性的方法，具有如下的中間層形成工序或耐環境覆膜形成工序。〈中間層形成工序〉將包含玻璃的氧化物陶瓷的粉末作為噴塗材料而使用，通過真空噴塗來將半熔融 狀態的氧化物陶瓷的粉末堆積到燃氣渦輪部件2的一部分的表面。由此，如圖1(b)所示， 在燃氣渦輪部件2的一部分形成中間層3。並且，也可通過大氣噴塗來形成中間層3，來代 替通過真空噴塗形成中間層3的方式。 在中間層形成工序結束後，將具有耐熱性_耐水蒸氣腐蝕性的氧化物陶瓷(塗層 材料的一例)粉末作為噴塗材料而使用，且通過大氣噴塗將半熔融狀態的氧化物陶瓷的粉 末堆積在中間層3的表面。由此，如圖1(c)所示，可在中間層3的表面形成耐環境覆膜4。 換言之，可在燃氣渦輪部件2的一部分介由中間層3形成耐環境覆膜4。在此，具有耐熱 性_耐水蒸氣腐蝕性的氧化物陶瓷，是指稀土類氧化物、稀土類矽酸鹽、矽鋁酸鍶或IVA族 金屬氧化物。並且，也可以通過真空噴塗來形成耐環境覆膜4，來代替通過大氣噴塗形成耐 環境覆膜4的方式。在根據本發明的一個實施形態的表面處理方法，在中間層形成工序中所使用的氧 化物陶瓷，是在室溫至1400°C範圍內結晶相不變化或雖然結晶變化但保持相同體積的2種 氧化物陶瓷，這裡有3A1203 · 2Si02和Yb2SiO5的情形、和3A1203 · 2Si02和Yb2Si2O7的情形。 並且，用於中間層形成工序的2種氧化物陶瓷的熱膨脹係數，是在構成燃氣渦輪部件2的 SiC系列陶瓷基複合材料的熱膨脹係數(在此為3X 10_6/°C )和構成耐環境覆膜4的氧化 物陶瓷的熱膨脹係數(在此為5 IOX 10_6/°C )之間。4最後，參照圖4及圖5對根據本發明實施形態的作用及效果進行說明。因為構成中間層3的2種氧化物陶瓷(用於中間層形成工序的2種氧化物陶瓷) 的熱膨脹係數是在構成燃氣渦輪部件2的SiC系列陶瓷基複合材料的熱膨脹係數和構成耐 環境覆膜4的氧化物陶瓷的熱膨脹係數之間，所以可通過中間層3階段性地緩解因燃氣渦輪部件2和耐環境覆膜4的熱膨脹係數之差所引起的殘留應力。並且，構成中間層3的2種氧化物陶瓷，因設置成在室溫至1400°C範圍內結晶相不 變化或雖然結晶相變化但保持相同體積，考慮前述的新的見解的情形下，即使中間層3是 通過噴塗所形成，也可抑制發生在一旦暴露在900°C以上的高溫氣體環境時的中間層3內 陶瓷粒子C、CD的燒結，從而可降低中間層3的體積收縮。並且，在中間層3通過真空噴塗所構成的情形下(換言之，在中間層形成工序中通 過真空噴塗形成中間層3的情形下)，以緊密組織形成中間層3，以便充分抑制包含水蒸氣 的高溫氣體透過中間層3。從而，根據本發明的一個實施形態，即使中間層3是通過噴塗所形成，也可抑制發 生在一旦暴露在900°C以上的高溫氣體環境時的中間層3內的陶瓷粒子C、⑶的燒結，從而 可降低中間層3的體積收縮。從而，在實現塗層構造1的施工(換言之，表面處理的施工) 的容易、確實性的基礎上，抑制中間層3的破裂、剝離的發生，可對900°C以上的高溫氣體環 境下所使用的燃氣渦輪部件2長期確保耐熱性_耐水蒸氣腐蝕性。圖4是表示熱暴露前的高溫部件的塗層結構的示意圖，圖4(a)是表示一個比較例 的塗層結構的剖視圖。圖4(b)是表示一個實施例的塗層結構的剖視圖。在一個比較例中， 作為耐環境覆膜使用HfO2、作為中間層將莫來石(3A1203 CSi(^mullite)粉末作為噴塗材 料而使用、通過噴塗將高溫部件塗層的情形下的塗層構造。並且，在一個實施例中，作為耐 環境覆膜使用HfO2、作為中間層將莫來石(3A1203 · 2Si02, mullite)粉末和Yb2SiO5粉末的 混合粉末(通過調整混合比來使得形成噴塗薄膜後的體積比變成11的粉末)作為噴塗 材料而使用、通過噴塗將高溫部件塗層的情形下的塗層構造。圖5是表示對圖4中所示的比較例和實施例的塗層構造在1300°C進行大氣暴露試 驗前後的外觀進行比較的示意圖。通過目視比較大氣暴露試驗前後的比較例和實施例的外 觀可知，雖然認定了比較例的塗層的剝離，但不認定實施例的塗層的剝離。圖6是表示圖5所示的大氣暴露試驗後的實施例的塗層構造的剖視圖。如圖5中 的右上部分所示，在比較例中在大氣暴露試驗後塗層被剝離，而在圖6中的剖視圖所示，在 實施例中在大氣暴露試驗後塗層未被剝離。並且，通過真空噴塗形成中間層3的情形下，因充分抑制了包含水蒸氣的高溫氣 體透過中間層3，進一步提高了燃氣渦輪部件2的耐水蒸氣腐蝕性。並且，本發明並不限於前述的實施形態的說明，也可以進行其他多種實施。並且， 本發明中所包含的權利要求的範圍，並不限定於這些實施形態。工業實用性根據本發明，即使通過噴塗形成所述中間層，也可抑制發生在一旦暴露於900°C以 上的高溫氣體環境時的所述中間層內的陶瓷粒子的燒結，可降低所述中間層的體積收縮， 因此，可在前述塗層構造的施工，換言之，在提高表面處理施工的容易、確實性的基礎上，抑 制所述中間層的破裂、剝離的發生，可長期確保在900°C以上的高溫氣體環境下所使用的前 述燃氣渦輪部件的耐熱性_耐水蒸氣腐蝕性。
權利要求
1.一種塗層構造，是在包含水蒸氣的高溫氣體環境下使用且確保由SiC系列陶瓷基 複合材料所構成的高溫部件的至少一部分的耐熱性-耐水蒸氣腐蝕性的塗層構造，其中包 括在所述高溫部件的一部分的表面通過噴塗所形成，且由包含玻璃的氧化物陶瓷所構成 的中間層；在所述中間層的表面形成，且由具有耐熱性-耐水蒸氣腐蝕性的塗層材料所構成的耐 環境覆膜，其中，構成所述中間層的所述氧化物陶瓷，是在室溫至1400°C範圍內結晶相不變化或 雖然結晶相變化但保持相同體積的多種氧化物陶瓷，所述多種氧化物陶瓷的熱膨脹係數， 是在構成所述高溫部件的所述SiC系列陶瓷基複合材料的熱膨脹係數和構成所述耐環境 覆膜的所述塗層材料的熱膨脹係數之間。
2.根據權利要求1所述的塗層構造，其中，構成所述中間層的所述多種氧化物陶瓷，是 3A1203 · 2Si02 和 Yb2Si05。
3.根據權利要求1或2所述的塗層構造，其中，所述中間層是通過真空噴塗所形成。
4.根據權利要求1 3中的任一項所述的塗層構造，其中，構成所述耐環境覆膜的所述 塗層材料是稀土類氧化物、稀土類矽酸鹽、矽鋁酸鍶、或IVA族金屬氧化物。
5.一種表面處理方法，是在包含水蒸氣的高溫氣體環境下使用且確保由SiC系列陶瓷 基複合材料所構成的高溫部件的至少一部分的耐熱性-耐水蒸氣腐蝕性的表面處理方法， 包括如下工序將包含玻璃的氧化物陶瓷的粉末作為噴塗材料而使用，通過噴塗來將半熔融狀態的所 述氧化物陶瓷的粉末堆積到所述高溫部件的一部分的表面，從而形成中間層的中間層形成工序；在所述中間層形成工序結束後，將具有耐熱性-耐水蒸氣腐蝕性的塗層材料的粉末作 為噴塗材料而使用，通過噴塗來將半熔融狀態的所述塗層材料的粉末堆積到所述中間層的 表面，從而形成耐環境覆膜的耐環境覆膜形成工序，其中，用於所述中間層形成工序的所述氧化物陶瓷，是在室溫至1400°C範圍內結晶相 不變化或雖然結晶相變化但保持相同體積的多種氧化物陶瓷，所述多種氧化物陶瓷的熱膨 脹係數，是在構成所述高溫部件的所述SiC系列陶瓷基複合材料的熱膨脹係數和構成所述 耐環境覆膜的所述塗層材料的熱膨脹係數之間。
6.根據權利要求5所述的表面處理方法，其中，構成所述中間層的所述多種氧化物陶 瓷的粉末，是3A1203 · 2Si02和Yb2SiO5的粉末。
7.根據權利要求5或6所述的表面處理方法，其中，所述中間層形成工序是通過真空噴 塗形成所述中間層。
全文摘要
一種塗層構造，在高溫部件2的一部分的表面，通過噴塗形成由包含玻璃的氧化物陶瓷所構成的中間層3，在中間層3的表面形成由具有耐熱性-耐水蒸氣腐蝕性的塗層材料所構成的耐環境覆膜4。該氧化物陶瓷，是在室溫至1400℃範圍內結晶相不變化或雖然結晶相變化但保持相同體積的多種氧化物陶瓷，所述多種氧化物陶瓷的熱膨脹係數，是在構成所述高溫部件2的SiC系列陶瓷基複合材料的熱膨脹係數和構成耐環境覆膜4的所述塗層材料的熱膨脹係數之間。
文檔編號F02C7/00GK102137950SQ20098011014
公開日2011年7月27日 申請日期2009年3月18日 優先權日2008年3月21日
發明者村田裕茂, 田中康智 申請人:株式會社Ihi