耐高温部材及びガスタービン
【課題】ＣＭＡＳ耐性を長期間に亘って安定して維持する。
【解決手段】耐熱合金製の母材２１と、多数の気孔２３ａが形成され、母材２１を被覆する多孔質セラミックス層２３と、を備える耐高温部材１０であって、多孔質セラミックス層２３のうち少なくとも表面側には、複合酸化物２６が含浸した複合酸化物含浸部２５を具備していることを特徴とする。
【解決手段】耐熱合金製の母材２１と、多数の気孔２３ａが形成され、母材２１を被覆する多孔質セラミックス層２３と、を備える耐高温部材１０であって、多孔質セラミックス層２３のうち少なくとも表面側には、複合酸化物２６が含浸した複合酸化物含浸部２５を具備していることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐高温部材及びガスタービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの動翼、静翼、燃焼器等は、高温ガスに晒されるために、遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating : TBC）されていることが多い。例えば、下記特許文献１には、Ｎｉ基合金等の母材上に形成されたＴＢＣ層として、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ金属溶射粉の溶射で形成されるボンドコート層と、このボンドコート層上にＺｒＯ２系のセラミック溶射粉の溶射で形成されるセラミックス層とを有している（例えば、下記特許文献１）。
このようなＴＢＣ層のうちセラミックス層は、母材に加わる熱を遮熱する役目を主として担い、ボンドコート層は、セラミックス層の熱膨張量と母材の熱膨張量との差を緩和する役目を主として担っている。
【０００３】
ところで、ガスタービンにおいては、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素及びそれらの混合物の酸化物（Ｃａ−Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ）が外部から混入し、これらの酸化物が化合することによって溶融した状態の汚染物（以下「ＣＭＡＳ」という。）が生成されることがある。このＣＭＡＳは、ＴＢＣ層に浸透して母材に到達すると母材を腐食させ、また、ＴＢＣ層に浸透した後に冷却固化するとＴＢＣ内で応力を生じさせることにより亀裂の発生及び成長を引き起こしてＴＢＣ層の剥離や喪失を招く。
【０００４】
下記特許文献２では、希土類金属酸化物を含有するドーパメント組成物をＴＢＣ層の表面に塗工して、ドーパメント組成物の多重層を形成することで、ＣＭＡＳ耐性を強化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７０２４５号公報
【特許文献２】特開２００９−１０８８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の技術においては、ドーパメント組成物がＣＭＡＳと反応してしまうことから、時間の経過と共にドーパメント組成物の多重層が徐々に消失して、ＣＭＡＳ耐性が失われてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、ＣＭＡＳ耐性を長期間に亘って安定して維持することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る耐高温部材は、耐熱合金製の母材と、多数の気孔が形成され、前記母材を被覆する多孔質セラミックス層と、を備える耐高温部材であって、前記多孔質セラミックス層のうち少なくとも表面側には、前記複合酸化物が含浸した複合酸化物含浸部を具備していることを特徴とする。
この構成によれば、多孔質セラミックス層のうち少なくとも表面側には、複合酸化物が含浸した複合酸化物含浸部を具備しているので、複合酸化物含浸部における気孔が複合酸化物で塞がれる。これにより、多孔質セラミックス層の表面からＣＭＡＳが深さ方向に侵入することを阻害するので、ＣＭＡＳが多孔質セラミックス層に浸透し難くなる。従って、ＣＭＡＳの浸透による母材の腐食を抑止することができると共に、多孔質セラミックス層において亀裂及び亀裂の成長を生じさせず、多孔質セラミックス層の剥離や喪失を抑止することができる。
また、気孔を塞ぐ複合酸化物は、構造的に安定していることからＣＭＡＳと反応し難いので、ＣＭＡＳ耐性を長期間に亘って安定して維持することができる。
さらに、気孔を複合酸化物が塞ぐので、機械的強度が向上する。これにより、多孔質セラミックス層のエロージョン耐性を向上させることができる。
これに加えて、多孔質セラミックス層により優れた遮熱効果を得られる他、多孔質セラミックス層の表面における気孔を複合酸化物が塞ぐことで、流体流れの中に耐高温部材を設けたとしても気孔において渦が発生しない。これにより、耐高温部材の表面の流動抵抗を、多孔質セラミックス層を形成しない場合に比べて小さくすることができる。
【０００９】
また、前記複合酸化物は、Ａｌ２ＴｉＯ５であることを特徴とする。
この構成によれば、複合酸化物がＡｌ２ＴｉＯ５であるので、ＣＭＡＳと反応し難く、ＣＭＡＳ耐性を長期間に亘って安定して維持することができる。
【００１０】
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする。
この構成によれば、複合酸化物含浸部の厚さが１０μｍ以上に形成されているので、気孔を塞いでＣＭＡＳの浸透を十分に抑止することができる。また、複合酸化物含浸部が１７０μｍ以下に形成されているので、良好な遮熱性を維持することができる。
【００１１】
また、前記複合酸化物は、ＺｒＴｉＯ４であることを特徴とする。
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記複合酸化物は、ＣｅＡｌＯ３であることを特徴とする。
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２４０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
また、前記複合酸化物は、ＣａＺｒＯ３であることを特徴とする。
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
また、前記複合酸化物は、Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３であることを特徴とする。
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
また、前記複合酸化物は、Ｃｅ２ＳｉＯ５であることを特徴とする。
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２４０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１６】
また、前記複合酸化物は、Ｚｒ４ＡｌＯ９であることを特徴とする。
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、前記多孔質セラミックス層は、セラミックスに対する前記気孔の体積占有率である気孔率が２％以上２０％以下であることを特徴とする。
この構成によれば、気孔率が２％以上２０％以下であるので、気孔率が過小な場合に発生し易い亀裂を抑止する一方、気孔率が過大な場合に発生し易い多孔質セラミックス層の剥離やエロージョンを抑止することができる。
【００１８】
また、前記母材と前記多孔質セラミックス層との間に形成されたボンドコート層を備えることを特徴とする。
この構成によれば、ボンドコート層を備えるので、多孔質セラミックス層の熱膨張量と母材の熱膨張量との差を緩和させる。これにより、多孔質セラミックス層の剥離を抑止することができる。
【００１９】
また、本発明に係るガスタービンは、上記のうちいずれかに記載の耐高温部材を用いたことを特徴とする。
この構成によれば、上記いずれかの耐高温部材を備えるので、メンテナンス性を向上することができると共に、メンテナンスのためのガスタービンの稼動停止時間を短縮することができる。
また、耐高温部材の流動抵抗が低減するのでタービン効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ＣＭＡＳ耐性を長期間に亘って安定して維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態にガスタービン１の概略全体構成を示す図であって、ガスタービン１の半断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る動翼１０の概略構成斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る動翼１０の要部断面拡大図である。
【図４】本発明の実施例に係るサンプル１〜７についての融点とブラストエロージョン試験の結果（磨耗量の相対値）を示した対比表である。
【図５】本発明の実施例に係るサンプル１における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例に係るサンプル２における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例に係るサンプル３における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例に係るサンプル４における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例に係るサンプル５における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例に係るサンプル６における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例に係るサンプル７における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
「ガスタービン」
図１は、本発明の実施形態に係るガスタービン１の概略全体構成を示す図であって、ガスタービン１の半断面図である。
図１に示すように、ガスタービン１は、圧縮機２と複数の燃焼器３とタービン４とを備えている。
圧縮機２は、空気を空気取込口から作動流体として取り込んで圧縮空気を生成する。
複数の燃焼器３は、それぞれ圧縮機２に接続されており、圧縮機２から供給された圧縮空気に燃料を噴射して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。
タービン４は、燃焼器３から送り出された燃焼ガスの熱エネルギーをロータ６の回転エネルギーに変換して駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータ６に連結された発電機（不図示）に伝達されるようになっている。
【００２３】
「耐高温部材」
図２は、動翼１０の概略構成斜視図である。
本実施形態における耐高温部材は、図２に示すように、ガスタービン１の動翼１０である。この動翼１０は、タービン４のケーシング内部における燃焼ガス流路に配される翼本体１２と、この翼本体１２の基端に設けられたプラットホーム１３と、このプラットホーム１３から翼本体１２と反対側へ突出した翼根１４と、翼本体１２の先端に設けられたシュラウド１５と、を有している。
【００２４】
図３は、動翼１０の要部断面拡大図である。
図３に示すように、動翼１０は、Ｎｉ基合金又はＣｏ基合金等の耐熱合金製の母材２１と、この母材２１の表面に形成されたボンドコート層２２と、ボンドコート層２２の表面に形成された多孔質セラミックス層２３と、を有している。例えば、ボンドコート層２２の厚さは、１０μｍ〜５００μｍで、多孔質セラミックス層２３の厚さは、０．１ｍｍ〜１ｍｍである。図３に示すように、遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating : TBC）層２４は、これらボンドコート層２２と多孔質セラミックス層２３とで構成される。
【００２５】
ボンドコート層２２は、ＭＣｒＡｌＹ合金からなり、母材２１と多孔質セラミックス層２３との熱膨張係数差を小さくして熱応力を緩和する機能を有し、多孔質セラミックス層２３が母材２１から剥離するのを防止している。
ここで、上記ボンドコート層２２を構成するＭＣｒＡｌＹ合金の「Ｍ」は、金属元素を示し、例えばＮｉやＣｏ、Ｆｅ等の単独の金属元素又はこれらのうち二種以上の組み合わせを示している。
【００２６】
多孔質セラミックス層２３は、Ｅｒ２Ｏ３で部分安定化させたＺｒＯ２（以下、「ＥｒＳＺ」と称する。）からなり、ＥｒＳＺ中に多数の気孔２３ａが形成されたものである。この多孔質セラミックス層２３は、ＥｒＳＺに対する気孔２３ａの体積占有率である気孔率が１０％となっている。
【００２７】
「複合酸化物含浸部」
このような多孔質セラミックス層２３は、複合酸化物含浸部２５を具備している。
図３に示すように、複合酸化物含浸部２５は、多孔質セラミックス層２３のうちの表面側に形成されており、複合酸化物２６が含浸すると共に複合酸化物２６で気孔２３ａが塞がれている。ここで、複合酸化物２６で気孔２３ａを塞ぐとは、複合酸化物２６が気孔２３ａを完全に充足している状態に限らず、気孔２３ａの一部を充足している状態も含む。
複合酸化物２６は、二種以上の酸化金属元素からなる化合物であり、例えば、動翼１０の使用環境温度よりも融点が高いＡｌ２ＴｉＯ５，ＺｒＴｉＯ４，ＣｅＡｌＯ３，ＣａＺｒＯ３，Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３，Ｃｅ２ＳｉＯ５，Ｚｒ４ＡｌＯ９を好適に用いることができる。
【００２８】
「耐高温部材の製造方法」
次に、動翼１０の製造方法について説明する。
まず、母材２１を目的の形状（本実施形態においては動翼形状）に形成する。母材２１は、前述したように、Ｎｉ基合金又はＣｏ基合金で形成されている。
【００２９】
次に、ボンドコート層２２を形成するために、母材２１の表面に対して下地処理をする。
この下地処理としては、例えばブラスト処理によって行うことができる。このブラスト処理では、ブラスト装置にアルミナ粒を投入し、高エアー圧で、このアルミナ粒を母材２１表面に噴射する。この結果、母材２１の表面には、多数のアルミナ粒が高速で衝突し、この表面が粗化する。
【００３０】
次に、母材２１の表面にボンドコート層２２を形成する。
このボンドコート層２２の形成方法としては、例えば、ＭＣｒＡｌＹ合金の金属溶射粉を用いて、低圧プラズマ溶射法や電子ビーム物理溶着法により形成することができる。
【００３１】
次に、ボンドコート層２２上に多孔質セラミックス層２３を形成する。
この多孔質セラミックス層２３の形成方法としては、例えば、ＺｒＯ２−Ｅｒ２Ｏ３粉末を用いて、大気圧プラズマ溶射法若しくは電子ビーム物理蒸着法により形成することができる。
なお、ＺｒＯ２−Ｅｒ２Ｏ３粉末は、以下の手順により製造することができる。まず、ＺｒＯ２粉末と所定の添加割合のＥｒ２Ｏ３粉末を用意し、これらの粉末を適当なバインダーや分散剤とともにボールミル中で混合してスラリー状にする。次に、これをスプレードライヤーにより粒状にして乾燥させた後、拡散熱処理により固溶化させ、ＺｒＯ２−Ｅｒ２Ｏ３の複合粉末を得る。そして、この複合粉末をボンドコート層２２上に溶射することによりＥｒＳＺからなる多孔質セラミックス層２３を得ることができる。また、多孔質セラミックス層２３の成膜法として電子ビーム物理蒸着法を用いる場合には、所定の組成を有する原料を焼結又は電融固化して得られるインゴットを使用する。
【００３２】
次に、多孔質セラミックス層２３の表面側に複合酸化物含浸部２５を形成する。
まず、複合酸化物含浸部２５の形成方法としては、予め複数の酸化物を混合した混合ゾル溶液を用意し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面に塗工することで含浸させる。
多孔質セラミックス層２３の表面に塗工された混合ゾル溶液は、多孔質セラミックス層２３の気孔２３ａに連続的に浸透していく。この際、混合ゾル溶液のゾル濃度を増減させたり、水溶性プラスチック等の高分子を添加したりして、混合ゾル溶液の粘度を調整することによって、混合ゾル溶液が含浸する深さを制御することが可能である。
【００３３】
次に、多孔質セラミックス層２３の表面に含浸させた混合ゾル溶液を焼結処理する。
この焼結処理方法としては、例えば、減圧下において６００℃以上で焼結させることによって得ることができる。なお、この焼結処理は、母材２１の熱処理を兼ねて施してもよいし、混合ゾル溶液が塗工された動翼１０をガスタービン１に直接組み込んで燃焼ガスに晒すことで施してもよい。
このような焼結処理によって、複合酸化物２６が生成され、多孔質セラミックス層２３の気孔２３ａを複合酸化物２６が塞いだ状態となる。
【００３４】
以上で、母材２１の表面に、ボンドコート層２２及び多孔質セラミックス層２３が形成されると共に、多孔質セラミックス層２３に複合酸化物含浸部２５が形成された動翼１０が完成する。
【００３５】
以上説明したように、上記構成からなる動翼１０は、多孔質セラミックス層２３のうち表面側には、複合酸化物２６が含浸した複合酸化物含浸部２５を具備しているので、複合酸化物含浸部２５における気孔２３ａが複合酸化物２６で塞がれる。換言すれば、多孔質セラミックス層２３の表面側における気孔２３ａが複合酸化物２６で塞がれる。これにより、多孔質セラミックス層２３の表面からＣＭＡＳが深さ方向に侵入することを阻害するので、ＣＭＡＳが多孔質セラミックス層２３に浸透し難くなる。従って、ＣＭＡＳの浸透による母材２１の腐食を抑止することができると共に、多孔質セラミックス層２３において亀裂及び亀裂の成長を生じさせず、多孔質セラミックス層２３及びボンドコート層２２の剥離や喪失を抑止することができる。
また、気孔２３ａを塞ぐ複合酸化物２６は、構造的に安定していることからＣＭＡＳと反応し難いので、ＣＭＡＳ耐性を長期間に亘って安定して維持することができる。
さらに、気孔２３ａを複合酸化物２６が塞ぐので、機械的強度が向上する。これにより、多孔質セラミックス層２３のエロージョン耐性を向上させることができる。
これに加えて、多孔質セラミックス層２３により優れた遮熱効果を得られる他、多孔質セラミックス層２３の表面における気孔２３ａを複合酸化物２６が塞ぐことで、流体流れの中に動翼１０（特に翼本体１２）を設けたとしても気孔２３ａにおいて渦が発生しない。これにより、動翼１０の表面の流動抵抗を、多孔質セラミックス層２３を形成しない場合に比べて小さくすることができる。従って、動翼１０の流動抵抗が低減するので、ガスタービン１のタービン効率を向上させることができる。
【００３６】
また、上記構成からなるガスタービン１によれば、メンテナンス性を向上することができると共に、メンテナンスのためのガスタービン１の稼動停止時間を短縮することができる。
【００３７】
また、気孔率が１０％であるので、気孔率が過小な場合（２％以下）に発生し易い亀裂を抑止する一方、気孔率が過大な場合（２０％以上）に発生し易い多孔質セラミックス層２３の剥離やエロージョンを抑止することができる。
【００３８】
また、ボンドコート層２２を備えるので、多孔質セラミックス層２３の熱膨張量と母材２１の熱膨張量との差を緩和させる。これにより、多孔質セラミックス層２３の剥離を抑止することができる。
【００３９】
なお、上述した構成においては、多孔質セラミックス層２３の気孔率を１０％としたが、気孔率が２％以上２０％以下であれば、亀裂発生抑制効果と、剥離抑制効果及びエロージョン耐性向上との双方の効果を得ることが可能である。
【００４０】
また、上述した構成においては、動翼１０に本発明を適用した場合について説明をしたが、他の耐高温部材、例えば、ガスタービン１の静翼や燃焼器を構成するノズルや筒体等の部材に本発明を適用してもよいし、ガスタービン１以外において高温に晒される部材に本発明を適用してもよい。
【００４１】
また、上述した実施の形態では、ボンドコート層２２を備える動翼１０に本発明を適用したが、ボンドコート層２２を省略して母材２１の表面に直接多孔質セラミックス層２３を形成してもよい。
【００４２】
また、上述した実施の形態では、多孔質セラミックス層２３としてＥｒＳＺを用いたが、これに代えてＹＳＺやＹｂＳＺを用いてもよい。また、ボンドコート層２２は、ＭＣｒＡｌＹ合金を用いたが、他の合金を用いてもよい。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明の実施例について説明する。
本実施例は、エロージョン耐性向上の効果を確認するために、母材２１の表面上にＴＢＣ層２４を形成した試験体に、Ａｌ２ＴｉＯ５，ＺｒＴｉＯ４，ＣｅＡｌＯ３，ＣａＺｒＯ３，Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３，Ｃｅ２ＳｉＯ５，Ｚｒ４ＡｌＯ９を用いて複合酸化物含浸部２５をそれぞれ形成したサンプル１〜７を用意し、サンプル１〜７に対してブラストエロージョン試験を行って磨耗量を測定したものである。
ボンドコート層２２は、Ｃｏ基またはＮｉ基のＭＣｒＡｌＹコーティングで形成されると共に０．０２〜０．５ｍｍとなっており、多孔質セラミックス層２３は、ＹＳＺなどの安定化ジルコニアで形成されると共に０．１〜２ｍｍとなっている。
【００４４】
さらに、以下の実施例においては、各サンプル１〜７における複合酸化物含浸部２５の厚さ（多孔質セラミックス層２３の表面からの深さ。以下、「含浸厚さ」という。）ｄを変化させてＴＢＣ層２４の熱伝導率λの変化を測定した。なお、含浸厚さｄの測定は、電子顕微鏡によって測定箇所の断面画像を取得すると共に画像処理によって測定値を得ており、複数の測定箇所における各測定値の平均値を含浸厚さｄとしている。
【００４５】
それぞれ複合酸化物含浸部２５は、以下の要領で得た混合ゾル溶液をボンドコート層２２に塗工して、母材２１の熱処理と同時に焼成処理して得た。
混合ゾル溶液は、複合酸化物２６が第一酸化物と第二酸化物とで構成されている場合には、第一酸化物のゾル溶液と第二酸化物のゾル溶液とを、複合酸化物２６のモル比率となる重量割合で混合することで得ている。なお、第一／第二酸化物のゾル溶液は、それぞれ第一／第二酸化物と、真水と、有機質とから構成されている。また、第一／第二酸化物の粒子径は、０．０１〜５μｍのものを用いている。
【００４６】
サンプル１は、Ａｌ２ＴｉＯ５を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、アルミナゾル１０％溶液とチタニアゾル１０％溶液とを、アルミニウムとチタニウムとが２：１のモル比率になるように、アルミナゾル１０％溶液を５７重量％及びチタニアゾル１０％溶液を４３重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の容体化熱処理（１０００℃以上）を兼ねた焼成処理でＡｌ２ＴｉＯ５を生成させた。
【００４７】
サンプル２は、ＺｒＴｉＯ４を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、ジルコニアゾル１０％溶液とチタニアゾル１０％溶液とを、ジルコニウムとチタニウムとが１：１のモル比率になるように、ジルコニアゾル１０％溶液を６１重量％及びチタニアゾル１０％溶液を３９重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の熱処理を兼ねた焼成処理でＺｒＴｉＯ４を生成させた。
【００４８】
サンプル３は、ＣｅＡｌＯ３を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、セリアゾル１０％溶液とアルミナゾル１０％溶液とを、セリウムとアルミニウムとが１：１のモル比率になるように、セリアゾル１０％溶液を７６重量％及びアルミナゾル１０％溶液を２４重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の熱処理を兼ねた焼成処理でＣｅＡｌＯ３を生成させた。
【００４９】
サンプル４は、ＣａＺｒＯ３を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、カルシアゾル１０％溶液とジルコニアゾル１０％溶液とを、カルシウムとジルコニウムとが１：１のモル比率になるように、カルシアゾル１０％溶液を２９重量％及びジルコニアゾル１０％溶液を７１重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の熱処理を兼ねた焼成処理でＣａＺｒＯ３を生成させた。
【００５０】
サンプル５は、Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、アルミナゾル１０％溶液とシリカゾル１０％溶液とを、アルミニウムとシリコンとが６：２のモル比率になるように、アルミナゾル１０％溶液を８３重量％及びシリカゾル１０％溶液を１７重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の熱処理を兼ねた焼成処理でＡｌ６Ｓｉ２Ｏ１３を生成させた。
【００５１】
サンプル６は、Ｃｅ２ＳｉＯ５を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、セリアゾル１０％溶液とシリカゾル１０％溶液とを、セリウムとシリコンとが２：１のモル比率になるように、セリアゾル１０％溶液を８５重量％及びシリカゾル１０％溶液を１５重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の熱処理を兼ねた焼成処理でＣｅ２ＳｉＯ５を生成させた。
【００５２】
サンプル７は、Ｚｒ４ＡｌＯ９を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、ジルコニアゾル１０％溶液とアルミナゾル１０％溶液とを、ジルコニウムとアルミニウムとが２：１のモル比率になるように、ジルコニアゾル１０％溶液を９１重量％及びアルミナゾル１０％溶液を９重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の熱処理を兼ねた焼成処理でＺｒ４ＡｌＯ９を生成させた。
【００５３】
上記のようにして得たサンプル１〜７及び複合酸化物含浸部２５を備えない比較例のそれぞれに対してブラストエロージョン試験を行った。試験条件は、荒田式溶射皮膜評価試験機（製造メーカー：高橋エンジニアリング社製）を用い、基準噴射材：Ａｌ２Ｏ３・５４メッシュ、測定雰囲気：室温・大気中、試料サイズ：厚さ３．２ｍｍ×幅５０ｍｍ×長さ６０ｍｍ、ショット角度：３０°にて摩耗量を評価項目とした。
【００５４】
図４は、サンプル１〜７についての融点とブラストエロージョン試験の結果（磨耗量の相対値）を示した対比表である。
図４に示すように、サンプル１〜７は、いずれも高融点であり、また、複合酸化物含浸部２５を備えない比較例の磨耗量に対してサンプル１〜７の磨耗量が４０〜６０％程度減少した。
【００５５】
図５〜図１０は、サンプル１〜７における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。各グラフにおける熱伝導率λは、比較例の熱伝導率λを基準値１として相対値を示している。
【００５６】
図５〜図１０の各グラフが示すように、複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとは比例関係にあるので、含浸厚さｄに上限を設けることで優れた遮熱性を確保することができる。この熱伝導率λの上限は、耐高温部品の材質、使用用途等で適宜設定することができるが、例えば比較例に対して１．７以下に設定することで優れた遮熱性を確保することができる。
一方、複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄが小さ過ぎると、複合酸化物２６で気孔２３ａを十分に塞ぐことができず、ＣＭＡＳの浸透を十分に抑止することができなくなる。このため、各複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄが１０μｍ以上に形成されているので、複合酸化物２６で気孔２３ａを塞いでＣＭＡＳの浸透を十分に抑止することができる。
すなわち、図５に示すようにサンプル１は１０μｍ以上１７０μｍ以下、図６に示すようにサンプル２は１０μｍ以上２５０μｍ以下、図７に示すようにサンプル３は１０μｍ以上２４０μｍ以下、図８に示すようにサンプル４は１０μｍ以上２５０μｍ以下、図９に示すようにサンプル５は１０μｍ以上１７０μｍ以下、図１０に示すようにサンプル６は１０μｍ以上２４０μｍ以下、図１１に示すようにサンプル７は１０μｍ以上１７０μｍ以下、の含浸厚さｄで複合酸化物含浸部２５を形成することで、耐熱性とＣＭＡＳ浸透抑止効果とを両立させることができる。
【００５７】
なお、上述した実施の形態及び実施例において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１…ガスタービン
１０…動翼（耐高温部材）
２１…母材
２２…ボンドコート層
２３…多孔質セラミックス層
２３ａ…気孔
２５…複合酸化物含浸部
２６…複合酸化物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐高温部材及びガスタービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの動翼、静翼、燃焼器等は、高温ガスに晒されるために、遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating : TBC）されていることが多い。例えば、下記特許文献１には、Ｎｉ基合金等の母材上に形成されたＴＢＣ層として、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ金属溶射粉の溶射で形成されるボンドコート層と、このボンドコート層上にＺｒＯ２系のセラミック溶射粉の溶射で形成されるセラミックス層とを有している（例えば、下記特許文献１）。
このようなＴＢＣ層のうちセラミックス層は、母材に加わる熱を遮熱する役目を主として担い、ボンドコート層は、セラミックス層の熱膨張量と母材の熱膨張量との差を緩和する役目を主として担っている。
【０００３】
ところで、ガスタービンにおいては、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素及びそれらの混合物の酸化物（Ｃａ−Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ）が外部から混入し、これらの酸化物が化合することによって溶融した状態の汚染物（以下「ＣＭＡＳ」という。）が生成されることがある。このＣＭＡＳは、ＴＢＣ層に浸透して母材に到達すると母材を腐食させ、また、ＴＢＣ層に浸透した後に冷却固化するとＴＢＣ内で応力を生じさせることにより亀裂の発生及び成長を引き起こしてＴＢＣ層の剥離や喪失を招く。
【０００４】
下記特許文献２では、希土類金属酸化物を含有するドーパメント組成物をＴＢＣ層の表面に塗工して、ドーパメント組成物の多重層を形成することで、ＣＭＡＳ耐性を強化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７０２４５号公報
【特許文献２】特開２００９−１０８８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の技術においては、ドーパメント組成物がＣＭＡＳと反応してしまうことから、時間の経過と共にドーパメント組成物の多重層が徐々に消失して、ＣＭＡＳ耐性が失われてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、ＣＭＡＳ耐性を長期間に亘って安定して維持することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る耐高温部材は、耐熱合金製の母材と、多数の気孔が形成され、前記母材を被覆する多孔質セラミックス層と、を備える耐高温部材であって、前記多孔質セラミックス層のうち少なくとも表面側には、前記複合酸化物が含浸した複合酸化物含浸部を具備していることを特徴とする。
この構成によれば、多孔質セラミックス層のうち少なくとも表面側には、複合酸化物が含浸した複合酸化物含浸部を具備しているので、複合酸化物含浸部における気孔が複合酸化物で塞がれる。これにより、多孔質セラミックス層の表面からＣＭＡＳが深さ方向に侵入することを阻害するので、ＣＭＡＳが多孔質セラミックス層に浸透し難くなる。従って、ＣＭＡＳの浸透による母材の腐食を抑止することができると共に、多孔質セラミックス層において亀裂及び亀裂の成長を生じさせず、多孔質セラミックス層の剥離や喪失を抑止することができる。
また、気孔を塞ぐ複合酸化物は、構造的に安定していることからＣＭＡＳと反応し難いので、ＣＭＡＳ耐性を長期間に亘って安定して維持することができる。
さらに、気孔を複合酸化物が塞ぐので、機械的強度が向上する。これにより、多孔質セラミックス層のエロージョン耐性を向上させることができる。
これに加えて、多孔質セラミックス層により優れた遮熱効果を得られる他、多孔質セラミックス層の表面における気孔を複合酸化物が塞ぐことで、流体流れの中に耐高温部材を設けたとしても気孔において渦が発生しない。これにより、耐高温部材の表面の流動抵抗を、多孔質セラミックス層を形成しない場合に比べて小さくすることができる。
【０００９】
また、前記複合酸化物は、Ａｌ２ＴｉＯ５であることを特徴とする。
この構成によれば、複合酸化物がＡｌ２ＴｉＯ５であるので、ＣＭＡＳと反応し難く、ＣＭＡＳ耐性を長期間に亘って安定して維持することができる。
【００１０】
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする。
この構成によれば、複合酸化物含浸部の厚さが１０μｍ以上に形成されているので、気孔を塞いでＣＭＡＳの浸透を十分に抑止することができる。また、複合酸化物含浸部が１７０μｍ以下に形成されているので、良好な遮熱性を維持することができる。
【００１１】
また、前記複合酸化物は、ＺｒＴｉＯ４であることを特徴とする。
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記複合酸化物は、ＣｅＡｌＯ３であることを特徴とする。
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２４０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
また、前記複合酸化物は、ＣａＺｒＯ３であることを特徴とする。
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
また、前記複合酸化物は、Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３であることを特徴とする。
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
また、前記複合酸化物は、Ｃｅ２ＳｉＯ５であることを特徴とする。
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２４０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１６】
また、前記複合酸化物は、Ｚｒ４ＡｌＯ９であることを特徴とする。
また、前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、前記多孔質セラミックス層は、セラミックスに対する前記気孔の体積占有率である気孔率が２％以上２０％以下であることを特徴とする。
この構成によれば、気孔率が２％以上２０％以下であるので、気孔率が過小な場合に発生し易い亀裂を抑止する一方、気孔率が過大な場合に発生し易い多孔質セラミックス層の剥離やエロージョンを抑止することができる。
【００１８】
また、前記母材と前記多孔質セラミックス層との間に形成されたボンドコート層を備えることを特徴とする。
この構成によれば、ボンドコート層を備えるので、多孔質セラミックス層の熱膨張量と母材の熱膨張量との差を緩和させる。これにより、多孔質セラミックス層の剥離を抑止することができる。
【００１９】
また、本発明に係るガスタービンは、上記のうちいずれかに記載の耐高温部材を用いたことを特徴とする。
この構成によれば、上記いずれかの耐高温部材を備えるので、メンテナンス性を向上することができると共に、メンテナンスのためのガスタービンの稼動停止時間を短縮することができる。
また、耐高温部材の流動抵抗が低減するのでタービン効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ＣＭＡＳ耐性を長期間に亘って安定して維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態にガスタービン１の概略全体構成を示す図であって、ガスタービン１の半断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る動翼１０の概略構成斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る動翼１０の要部断面拡大図である。
【図４】本発明の実施例に係るサンプル１〜７についての融点とブラストエロージョン試験の結果（磨耗量の相対値）を示した対比表である。
【図５】本発明の実施例に係るサンプル１における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例に係るサンプル２における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例に係るサンプル３における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例に係るサンプル４における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例に係るサンプル５における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例に係るサンプル６における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例に係るサンプル７における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
「ガスタービン」
図１は、本発明の実施形態に係るガスタービン１の概略全体構成を示す図であって、ガスタービン１の半断面図である。
図１に示すように、ガスタービン１は、圧縮機２と複数の燃焼器３とタービン４とを備えている。
圧縮機２は、空気を空気取込口から作動流体として取り込んで圧縮空気を生成する。
複数の燃焼器３は、それぞれ圧縮機２に接続されており、圧縮機２から供給された圧縮空気に燃料を噴射して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。
タービン４は、燃焼器３から送り出された燃焼ガスの熱エネルギーをロータ６の回転エネルギーに変換して駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータ６に連結された発電機（不図示）に伝達されるようになっている。
【００２３】
「耐高温部材」
図２は、動翼１０の概略構成斜視図である。
本実施形態における耐高温部材は、図２に示すように、ガスタービン１の動翼１０である。この動翼１０は、タービン４のケーシング内部における燃焼ガス流路に配される翼本体１２と、この翼本体１２の基端に設けられたプラットホーム１３と、このプラットホーム１３から翼本体１２と反対側へ突出した翼根１４と、翼本体１２の先端に設けられたシュラウド１５と、を有している。
【００２４】
図３は、動翼１０の要部断面拡大図である。
図３に示すように、動翼１０は、Ｎｉ基合金又はＣｏ基合金等の耐熱合金製の母材２１と、この母材２１の表面に形成されたボンドコート層２２と、ボンドコート層２２の表面に形成された多孔質セラミックス層２３と、を有している。例えば、ボンドコート層２２の厚さは、１０μｍ〜５００μｍで、多孔質セラミックス層２３の厚さは、０．１ｍｍ〜１ｍｍである。図３に示すように、遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating : TBC）層２４は、これらボンドコート層２２と多孔質セラミックス層２３とで構成される。
【００２５】
ボンドコート層２２は、ＭＣｒＡｌＹ合金からなり、母材２１と多孔質セラミックス層２３との熱膨張係数差を小さくして熱応力を緩和する機能を有し、多孔質セラミックス層２３が母材２１から剥離するのを防止している。
ここで、上記ボンドコート層２２を構成するＭＣｒＡｌＹ合金の「Ｍ」は、金属元素を示し、例えばＮｉやＣｏ、Ｆｅ等の単独の金属元素又はこれらのうち二種以上の組み合わせを示している。
【００２６】
多孔質セラミックス層２３は、Ｅｒ２Ｏ３で部分安定化させたＺｒＯ２（以下、「ＥｒＳＺ」と称する。）からなり、ＥｒＳＺ中に多数の気孔２３ａが形成されたものである。この多孔質セラミックス層２３は、ＥｒＳＺに対する気孔２３ａの体積占有率である気孔率が１０％となっている。
【００２７】
「複合酸化物含浸部」
このような多孔質セラミックス層２３は、複合酸化物含浸部２５を具備している。
図３に示すように、複合酸化物含浸部２５は、多孔質セラミックス層２３のうちの表面側に形成されており、複合酸化物２６が含浸すると共に複合酸化物２６で気孔２３ａが塞がれている。ここで、複合酸化物２６で気孔２３ａを塞ぐとは、複合酸化物２６が気孔２３ａを完全に充足している状態に限らず、気孔２３ａの一部を充足している状態も含む。
複合酸化物２６は、二種以上の酸化金属元素からなる化合物であり、例えば、動翼１０の使用環境温度よりも融点が高いＡｌ２ＴｉＯ５，ＺｒＴｉＯ４，ＣｅＡｌＯ３，ＣａＺｒＯ３，Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３，Ｃｅ２ＳｉＯ５，Ｚｒ４ＡｌＯ９を好適に用いることができる。
【００２８】
「耐高温部材の製造方法」
次に、動翼１０の製造方法について説明する。
まず、母材２１を目的の形状（本実施形態においては動翼形状）に形成する。母材２１は、前述したように、Ｎｉ基合金又はＣｏ基合金で形成されている。
【００２９】
次に、ボンドコート層２２を形成するために、母材２１の表面に対して下地処理をする。
この下地処理としては、例えばブラスト処理によって行うことができる。このブラスト処理では、ブラスト装置にアルミナ粒を投入し、高エアー圧で、このアルミナ粒を母材２１表面に噴射する。この結果、母材２１の表面には、多数のアルミナ粒が高速で衝突し、この表面が粗化する。
【００３０】
次に、母材２１の表面にボンドコート層２２を形成する。
このボンドコート層２２の形成方法としては、例えば、ＭＣｒＡｌＹ合金の金属溶射粉を用いて、低圧プラズマ溶射法や電子ビーム物理溶着法により形成することができる。
【００３１】
次に、ボンドコート層２２上に多孔質セラミックス層２３を形成する。
この多孔質セラミックス層２３の形成方法としては、例えば、ＺｒＯ２−Ｅｒ２Ｏ３粉末を用いて、大気圧プラズマ溶射法若しくは電子ビーム物理蒸着法により形成することができる。
なお、ＺｒＯ２−Ｅｒ２Ｏ３粉末は、以下の手順により製造することができる。まず、ＺｒＯ２粉末と所定の添加割合のＥｒ２Ｏ３粉末を用意し、これらの粉末を適当なバインダーや分散剤とともにボールミル中で混合してスラリー状にする。次に、これをスプレードライヤーにより粒状にして乾燥させた後、拡散熱処理により固溶化させ、ＺｒＯ２−Ｅｒ２Ｏ３の複合粉末を得る。そして、この複合粉末をボンドコート層２２上に溶射することによりＥｒＳＺからなる多孔質セラミックス層２３を得ることができる。また、多孔質セラミックス層２３の成膜法として電子ビーム物理蒸着法を用いる場合には、所定の組成を有する原料を焼結又は電融固化して得られるインゴットを使用する。
【００３２】
次に、多孔質セラミックス層２３の表面側に複合酸化物含浸部２５を形成する。
まず、複合酸化物含浸部２５の形成方法としては、予め複数の酸化物を混合した混合ゾル溶液を用意し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面に塗工することで含浸させる。
多孔質セラミックス層２３の表面に塗工された混合ゾル溶液は、多孔質セラミックス層２３の気孔２３ａに連続的に浸透していく。この際、混合ゾル溶液のゾル濃度を増減させたり、水溶性プラスチック等の高分子を添加したりして、混合ゾル溶液の粘度を調整することによって、混合ゾル溶液が含浸する深さを制御することが可能である。
【００３３】
次に、多孔質セラミックス層２３の表面に含浸させた混合ゾル溶液を焼結処理する。
この焼結処理方法としては、例えば、減圧下において６００℃以上で焼結させることによって得ることができる。なお、この焼結処理は、母材２１の熱処理を兼ねて施してもよいし、混合ゾル溶液が塗工された動翼１０をガスタービン１に直接組み込んで燃焼ガスに晒すことで施してもよい。
このような焼結処理によって、複合酸化物２６が生成され、多孔質セラミックス層２３の気孔２３ａを複合酸化物２６が塞いだ状態となる。
【００３４】
以上で、母材２１の表面に、ボンドコート層２２及び多孔質セラミックス層２３が形成されると共に、多孔質セラミックス層２３に複合酸化物含浸部２５が形成された動翼１０が完成する。
【００３５】
以上説明したように、上記構成からなる動翼１０は、多孔質セラミックス層２３のうち表面側には、複合酸化物２６が含浸した複合酸化物含浸部２５を具備しているので、複合酸化物含浸部２５における気孔２３ａが複合酸化物２６で塞がれる。換言すれば、多孔質セラミックス層２３の表面側における気孔２３ａが複合酸化物２６で塞がれる。これにより、多孔質セラミックス層２３の表面からＣＭＡＳが深さ方向に侵入することを阻害するので、ＣＭＡＳが多孔質セラミックス層２３に浸透し難くなる。従って、ＣＭＡＳの浸透による母材２１の腐食を抑止することができると共に、多孔質セラミックス層２３において亀裂及び亀裂の成長を生じさせず、多孔質セラミックス層２３及びボンドコート層２２の剥離や喪失を抑止することができる。
また、気孔２３ａを塞ぐ複合酸化物２６は、構造的に安定していることからＣＭＡＳと反応し難いので、ＣＭＡＳ耐性を長期間に亘って安定して維持することができる。
さらに、気孔２３ａを複合酸化物２６が塞ぐので、機械的強度が向上する。これにより、多孔質セラミックス層２３のエロージョン耐性を向上させることができる。
これに加えて、多孔質セラミックス層２３により優れた遮熱効果を得られる他、多孔質セラミックス層２３の表面における気孔２３ａを複合酸化物２６が塞ぐことで、流体流れの中に動翼１０（特に翼本体１２）を設けたとしても気孔２３ａにおいて渦が発生しない。これにより、動翼１０の表面の流動抵抗を、多孔質セラミックス層２３を形成しない場合に比べて小さくすることができる。従って、動翼１０の流動抵抗が低減するので、ガスタービン１のタービン効率を向上させることができる。
【００３６】
また、上記構成からなるガスタービン１によれば、メンテナンス性を向上することができると共に、メンテナンスのためのガスタービン１の稼動停止時間を短縮することができる。
【００３７】
また、気孔率が１０％であるので、気孔率が過小な場合（２％以下）に発生し易い亀裂を抑止する一方、気孔率が過大な場合（２０％以上）に発生し易い多孔質セラミックス層２３の剥離やエロージョンを抑止することができる。
【００３８】
また、ボンドコート層２２を備えるので、多孔質セラミックス層２３の熱膨張量と母材２１の熱膨張量との差を緩和させる。これにより、多孔質セラミックス層２３の剥離を抑止することができる。
【００３９】
なお、上述した構成においては、多孔質セラミックス層２３の気孔率を１０％としたが、気孔率が２％以上２０％以下であれば、亀裂発生抑制効果と、剥離抑制効果及びエロージョン耐性向上との双方の効果を得ることが可能である。
【００４０】
また、上述した構成においては、動翼１０に本発明を適用した場合について説明をしたが、他の耐高温部材、例えば、ガスタービン１の静翼や燃焼器を構成するノズルや筒体等の部材に本発明を適用してもよいし、ガスタービン１以外において高温に晒される部材に本発明を適用してもよい。
【００４１】
また、上述した実施の形態では、ボンドコート層２２を備える動翼１０に本発明を適用したが、ボンドコート層２２を省略して母材２１の表面に直接多孔質セラミックス層２３を形成してもよい。
【００４２】
また、上述した実施の形態では、多孔質セラミックス層２３としてＥｒＳＺを用いたが、これに代えてＹＳＺやＹｂＳＺを用いてもよい。また、ボンドコート層２２は、ＭＣｒＡｌＹ合金を用いたが、他の合金を用いてもよい。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明の実施例について説明する。
本実施例は、エロージョン耐性向上の効果を確認するために、母材２１の表面上にＴＢＣ層２４を形成した試験体に、Ａｌ２ＴｉＯ５，ＺｒＴｉＯ４，ＣｅＡｌＯ３，ＣａＺｒＯ３，Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３，Ｃｅ２ＳｉＯ５，Ｚｒ４ＡｌＯ９を用いて複合酸化物含浸部２５をそれぞれ形成したサンプル１〜７を用意し、サンプル１〜７に対してブラストエロージョン試験を行って磨耗量を測定したものである。
ボンドコート層２２は、Ｃｏ基またはＮｉ基のＭＣｒＡｌＹコーティングで形成されると共に０．０２〜０．５ｍｍとなっており、多孔質セラミックス層２３は、ＹＳＺなどの安定化ジルコニアで形成されると共に０．１〜２ｍｍとなっている。
【００４４】
さらに、以下の実施例においては、各サンプル１〜７における複合酸化物含浸部２５の厚さ（多孔質セラミックス層２３の表面からの深さ。以下、「含浸厚さ」という。）ｄを変化させてＴＢＣ層２４の熱伝導率λの変化を測定した。なお、含浸厚さｄの測定は、電子顕微鏡によって測定箇所の断面画像を取得すると共に画像処理によって測定値を得ており、複数の測定箇所における各測定値の平均値を含浸厚さｄとしている。
【００４５】
それぞれ複合酸化物含浸部２５は、以下の要領で得た混合ゾル溶液をボンドコート層２２に塗工して、母材２１の熱処理と同時に焼成処理して得た。
混合ゾル溶液は、複合酸化物２６が第一酸化物と第二酸化物とで構成されている場合には、第一酸化物のゾル溶液と第二酸化物のゾル溶液とを、複合酸化物２６のモル比率となる重量割合で混合することで得ている。なお、第一／第二酸化物のゾル溶液は、それぞれ第一／第二酸化物と、真水と、有機質とから構成されている。また、第一／第二酸化物の粒子径は、０．０１〜５μｍのものを用いている。
【００４６】
サンプル１は、Ａｌ２ＴｉＯ５を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、アルミナゾル１０％溶液とチタニアゾル１０％溶液とを、アルミニウムとチタニウムとが２：１のモル比率になるように、アルミナゾル１０％溶液を５７重量％及びチタニアゾル１０％溶液を４３重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の容体化熱処理（１０００℃以上）を兼ねた焼成処理でＡｌ２ＴｉＯ５を生成させた。
【００４７】
サンプル２は、ＺｒＴｉＯ４を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、ジルコニアゾル１０％溶液とチタニアゾル１０％溶液とを、ジルコニウムとチタニウムとが１：１のモル比率になるように、ジルコニアゾル１０％溶液を６１重量％及びチタニアゾル１０％溶液を３９重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の熱処理を兼ねた焼成処理でＺｒＴｉＯ４を生成させた。
【００４８】
サンプル３は、ＣｅＡｌＯ３を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、セリアゾル１０％溶液とアルミナゾル１０％溶液とを、セリウムとアルミニウムとが１：１のモル比率になるように、セリアゾル１０％溶液を７６重量％及びアルミナゾル１０％溶液を２４重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の熱処理を兼ねた焼成処理でＣｅＡｌＯ３を生成させた。
【００４９】
サンプル４は、ＣａＺｒＯ３を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、カルシアゾル１０％溶液とジルコニアゾル１０％溶液とを、カルシウムとジルコニウムとが１：１のモル比率になるように、カルシアゾル１０％溶液を２９重量％及びジルコニアゾル１０％溶液を７１重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の熱処理を兼ねた焼成処理でＣａＺｒＯ３を生成させた。
【００５０】
サンプル５は、Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、アルミナゾル１０％溶液とシリカゾル１０％溶液とを、アルミニウムとシリコンとが６：２のモル比率になるように、アルミナゾル１０％溶液を８３重量％及びシリカゾル１０％溶液を１７重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の熱処理を兼ねた焼成処理でＡｌ６Ｓｉ２Ｏ１３を生成させた。
【００５１】
サンプル６は、Ｃｅ２ＳｉＯ５を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、セリアゾル１０％溶液とシリカゾル１０％溶液とを、セリウムとシリコンとが２：１のモル比率になるように、セリアゾル１０％溶液を８５重量％及びシリカゾル１０％溶液を１５重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の熱処理を兼ねた焼成処理でＣｅ２ＳｉＯ５を生成させた。
【００５２】
サンプル７は、Ｚｒ４ＡｌＯ９を用いて複合酸化物含浸部２５を形成している。この複合酸化物含浸部２５は、ジルコニアゾル１０％溶液とアルミナゾル１０％溶液とを、ジルコニウムとアルミニウムとが２：１のモル比率になるように、ジルコニアゾル１０％溶液を９１重量％及びアルミナゾル１０％溶液を９重量％の割合で混合し、この混合ゾル溶液を多孔質セラミックス層２３の表面側に含浸させ、母材２１の熱処理を兼ねた焼成処理でＺｒ４ＡｌＯ９を生成させた。
【００５３】
上記のようにして得たサンプル１〜７及び複合酸化物含浸部２５を備えない比較例のそれぞれに対してブラストエロージョン試験を行った。試験条件は、荒田式溶射皮膜評価試験機（製造メーカー：高橋エンジニアリング社製）を用い、基準噴射材：Ａｌ２Ｏ３・５４メッシュ、測定雰囲気：室温・大気中、試料サイズ：厚さ３．２ｍｍ×幅５０ｍｍ×長さ６０ｍｍ、ショット角度：３０°にて摩耗量を評価項目とした。
【００５４】
図４は、サンプル１〜７についての融点とブラストエロージョン試験の結果（磨耗量の相対値）を示した対比表である。
図４に示すように、サンプル１〜７は、いずれも高融点であり、また、複合酸化物含浸部２５を備えない比較例の磨耗量に対してサンプル１〜７の磨耗量が４０〜６０％程度減少した。
【００５５】
図５〜図１０は、サンプル１〜７における複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとの関係を示すグラフである。各グラフにおける熱伝導率λは、比較例の熱伝導率λを基準値１として相対値を示している。
【００５６】
図５〜図１０の各グラフが示すように、複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄと熱伝導率λとは比例関係にあるので、含浸厚さｄに上限を設けることで優れた遮熱性を確保することができる。この熱伝導率λの上限は、耐高温部品の材質、使用用途等で適宜設定することができるが、例えば比較例に対して１．７以下に設定することで優れた遮熱性を確保することができる。
一方、複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄが小さ過ぎると、複合酸化物２６で気孔２３ａを十分に塞ぐことができず、ＣＭＡＳの浸透を十分に抑止することができなくなる。このため、各複合酸化物含浸部２５の含浸厚さｄが１０μｍ以上に形成されているので、複合酸化物２６で気孔２３ａを塞いでＣＭＡＳの浸透を十分に抑止することができる。
すなわち、図５に示すようにサンプル１は１０μｍ以上１７０μｍ以下、図６に示すようにサンプル２は１０μｍ以上２５０μｍ以下、図７に示すようにサンプル３は１０μｍ以上２４０μｍ以下、図８に示すようにサンプル４は１０μｍ以上２５０μｍ以下、図９に示すようにサンプル５は１０μｍ以上１７０μｍ以下、図１０に示すようにサンプル６は１０μｍ以上２４０μｍ以下、図１１に示すようにサンプル７は１０μｍ以上１７０μｍ以下、の含浸厚さｄで複合酸化物含浸部２５を形成することで、耐熱性とＣＭＡＳ浸透抑止効果とを両立させることができる。
【００５７】
なお、上述した実施の形態及び実施例において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１…ガスタービン
１０…動翼（耐高温部材）
２１…母材
２２…ボンドコート層
２３…多孔質セラミックス層
２３ａ…気孔
２５…複合酸化物含浸部
２６…複合酸化物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱合金製の母材と、
多数の気孔が形成され、前記母材を被覆する多孔質セラミックス層と、を備える耐高温部材であって、
前記多孔質セラミックス層のうち少なくとも表面側には、前記複合酸化物が含浸した複合酸化物含浸部を具備していることを特徴とする耐高温部材。
【請求項２】
前記複合酸化物は、Ａｌ２ＴｉＯ５であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項３】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の耐高温部材。
【請求項４】
前記複合酸化物は、ＺｒＴｉＯ４であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項５】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の耐高温部材。
【請求項６】
前記複合酸化物は、ＣｅＡｌＯ３であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項７】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２４０μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の耐高温部材。
【請求項８】
前記複合酸化物は、ＣａＺｒＯ３であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項９】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の耐高温部材。
【請求項１０】
前記複合酸化物は、Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項１１】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の耐高温部材。
【請求項１２】
前記複合酸化物は、Ｃｅ２ＳｉＯ５であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項１３】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の耐高温部材。
【請求項１４】
前記多孔質セラミックス層は、セラミックスに対する前記気孔の体積占有率である気孔率が２％以上２０％以下であることを特徴とする請求項１から１３のうちいずれか一項に記載の耐高温部材。
【請求項１５】
前記母材と前記多孔質セラミックス層との間に形成されたボンドコート層を備えることを特徴とする請求項１から１４のうちいずれか一項に記載の耐高温部材。
【請求項１６】
前記複合酸化物は、Ｚｒ４ＡｌＯ９であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項１７】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする請求項１６に記載の耐高温部材。
【請求項１８】
請求項１から１７のうちいずれか一項に記載の耐高温部材を用いたことを特徴とするガスタービン。
【請求項１】
耐熱合金製の母材と、
多数の気孔が形成され、前記母材を被覆する多孔質セラミックス層と、を備える耐高温部材であって、
前記多孔質セラミックス層のうち少なくとも表面側には、前記複合酸化物が含浸した複合酸化物含浸部を具備していることを特徴とする耐高温部材。
【請求項２】
前記複合酸化物は、Ａｌ２ＴｉＯ５であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項３】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の耐高温部材。
【請求項４】
前記複合酸化物は、ＺｒＴｉＯ４であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項５】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の耐高温部材。
【請求項６】
前記複合酸化物は、ＣｅＡｌＯ３であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項７】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２４０μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の耐高温部材。
【請求項８】
前記複合酸化物は、ＣａＺｒＯ３であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項９】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の耐高温部材。
【請求項１０】
前記複合酸化物は、Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項１１】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の耐高温部材。
【請求項１２】
前記複合酸化物は、Ｃｅ２ＳｉＯ５であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項１３】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上２４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の耐高温部材。
【請求項１４】
前記多孔質セラミックス層は、セラミックスに対する前記気孔の体積占有率である気孔率が２％以上２０％以下であることを特徴とする請求項１から１３のうちいずれか一項に記載の耐高温部材。
【請求項１５】
前記母材と前記多孔質セラミックス層との間に形成されたボンドコート層を備えることを特徴とする請求項１から１４のうちいずれか一項に記載の耐高温部材。
【請求項１６】
前記複合酸化物は、Ｚｒ４ＡｌＯ９であることを特徴とする請求項１に記載の耐高温部材。
【請求項１７】
前記複合酸化物含浸部は、その厚さが１０μｍ以上１７０μｍ以下であることを特徴とする請求項１６に記載の耐高温部材。
【請求項１８】
請求項１から１７のうちいずれか一項に記載の耐高温部材を用いたことを特徴とするガスタービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−６２５１１（Ｐ２０１２−６２５１１Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０６６５１（Ｐ２０１０−２０６６５１）
【出願日】平成２２年９月１５日（２０１０．９．１５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１５日（２０１０．９．１５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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