專利名稱：隔熱涂層用材料、隔熱涂層、渦輪部材及燃?xì)廨啓C(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐久性優(yōu)異的隔熱涂層用材料，尤其是涉及作為隔熱涂層的外涂層使用的陶瓷層。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，作為節(jié)能對(duì)策之一，正在研究提高火力發(fā)電的熱效率。為了使發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率提高，升高氣體入口溫度是有效的，該溫度有時(shí)也設(shè)為1500°C左右。為了實(shí)現(xiàn)這樣的發(fā)電裝置的高溫化，需要將構(gòu)成燃?xì)廨啓C(jī)的靜葉、動(dòng)葉、或者燃燒器的壁材等用耐熱部材構(gòu)成。但渦輪葉的材料是耐熱金屬，即便如此也不能耐受這樣的高溫。因此，形成隔熱涂層(Thermal Barrier Coating, TBC)保護(hù)耐熱金屬基材免受高溫?fù)p害。隔熱涂層通過(guò)金屬結(jié)合層在耐熱金屬的基材上，利用噴鍍等成膜方法層疊含有氧化物陶瓷的陶瓷層而形成。作為陶瓷層，使用系的材料。尤其是用IO3部分穩(wěn)定化或完全穩(wěn)定化的即YSZ(釔穩(wěn)定化氧化鋯)，在陶瓷材料中具有比較低的熱傳導(dǎo)率和比較高的熱膨脹率，所以被廣泛使用。
然而，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的種類(lèi)，可以考慮使渦輪的入口溫度升高到超過(guò)1500°C的溫度。另外，由于近年來(lái)環(huán)境對(duì)策的關(guān)系，開(kāi)發(fā)熱效率更高的燃?xì)廨啓C(jī)正在進(jìn)行，可考慮渦輪的入口溫度也達(dá)到1700°C，設(shè)想渦輪葉的表面溫度也達(dá)到1300°C的高溫。
在通過(guò)具備含有上述YSZ的陶瓷層的隔熱涂層材料包覆燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)葉、靜葉等時(shí)，在超過(guò)1500°C的嚴(yán)酷運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)中，有可能上述陶瓷層的一部分剝離，耐熱性受損。另外，在超過(guò)1200°C的溫度下產(chǎn)生脫穩(wěn)定化現(xiàn)象，耐久性會(huì)大幅降低。
作為在高溫環(huán)境下的結(jié)晶穩(wěn)定性優(yōu)異、具有高熱耐久性的隔熱涂層，例如，開(kāi)發(fā)了添加Yb2O3的ZrO2 (專利文獻(xiàn)1)、添加Dy2O3的ZrO2 (專利文獻(xiàn)2)、添加Er2O3的ZrO2 (專利文獻(xiàn)3)、SmYbZr2O7 (專利文獻(xiàn)4)。
專利文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)2003-160852號(hào)公報(bào)(權(quán)利要求1、段落 、 ) 專利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)2001-348655號(hào)公報(bào)(權(quán)利要求4及5、段落 、 、 ) 專利文獻(xiàn)3 日本特開(kāi)2003-129210號(hào)公報(bào)(權(quán)利要求1、段落 、 ) 專利文獻(xiàn)4 日本特開(kāi)2007-270245號(hào)公報(bào)(權(quán)利要求2、段落 、 )

發(fā)明內(nèi)容
對(duì)于渦輪葉的隔熱涂層，進(jìn)一步要求高的熱循環(huán)耐久性、高溫結(jié)晶穩(wěn)定性及高隔熱性。但是，兼顧這些是非常困難的。
本發(fā)明的目的在于，提供一種與YSZ相比高溫結(jié)晶穩(wěn)定性更優(yōu)異、具有高韌性且具有高隔熱效果的隔熱涂層用材料。另外，其目的還在于，提供一種具有使用該隔熱涂層用材料形成的陶瓷層的熱循環(huán)耐久性優(yōu)異的隔熱涂層、以及具備該隔熱涂層的渦輪用部材及燃?xì)廨啓C(jī)。
S卩，本發(fā)明的第1方案為一種隔熱涂層用材料，其以含有作為穩(wěn)定劑的％203和 Sm2O3的^O2為主，前述穩(wěn)定劑的含量為2mol %以上7mol %以下，前述Sm2O3的含量為 0. Imol % 以上 2. 5mol% 以下。
前述Sm2O3的含量更優(yōu)選1. Omol %以上2. Omol %以下。
由于％(鐿)與Y(釔)相比粒子半徑小，所以在高溫下具備優(yōu)異的結(jié)晶穩(wěn)定性。 含有Yb2O3作為穩(wěn)定劑的&02，與YSZ相比難以引起伴隨溫度變化的相變，也可以抑制相變引起的應(yīng)力的發(fā)生。
通過(guò)Zr (鋯)含有原子量不同的％和Sm(釤)，從而晶格失配被導(dǎo)入而使晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由此容易產(chǎn)生熱散射，實(shí)現(xiàn)降低熱傳導(dǎo)率的效果。
隔熱涂層用材料中的穩(wěn)定劑的含量(Yb2O3和Sm2O3總計(jì))不足2mol%時(shí)，容易發(fā)生向單斜晶相的相變，因此穩(wěn)定劑的含量?jī)?yōu)選2mol%以上。另一方面，穩(wěn)定劑的含量多于7mol%時(shí)，往往準(zhǔn)穩(wěn)定的正方晶相減少。因此，破壞韌性降低，所以穩(wěn)定劑的含量?jī)?yōu)選 ^iol %以下。
Sm2O3的含量少于0. Imol %時(shí)，無(wú)法得到所期望的熱傳導(dǎo)率，所以Sm2O3的含量?jī)?yōu)選 0. Imol %以上。另一方面，Sm2O3的含量多于2. 5mol %時(shí)，雖然熱傳導(dǎo)率降低，但無(wú)法得到高的破壞韌性值。因此，Sm2O3的含量?jī)?yōu)選2. 5mol %以下 第1方案所述的隔熱涂層用材料，由于以上述范圍的量含有Yb2O3和Sm2O3作為穩(wěn)定劑，所以不僅具有在高溫下的結(jié)晶穩(wěn)定性，而且可以兼顧高韌性和低熱傳導(dǎo)性。因此，可以制成熱循環(huán)耐久性優(yōu)異的隔熱涂層。
第2方案所述的隔熱涂層，優(yōu)選在耐熱合金基材上具備金屬結(jié)合層、和在該金屬結(jié)合層上形成的含有上述的隔熱涂層用材料的陶瓷層。
含有上述隔熱涂層用材料的陶瓷層，高溫結(jié)晶穩(wěn)定性優(yōu)異，具有高韌性。因此，成為熱循環(huán)耐久性優(yōu)異的隔熱涂層。
本發(fā)明的另外的方案為一種具備上述隔熱涂層的渦輪部材、及具備該渦輪部材的燃?xì)廨啓C(jī)。
根據(jù)所述構(gòu)成的渦輪部材，可以制成具備優(yōu)異的高溫結(jié)晶穩(wěn)定性和熱循環(huán)耐久性的渦輪部材。由此，還可構(gòu)成可靠性更優(yōu)異的燃?xì)廨啓C(jī)。
上述組成的隔熱涂層用材料，在高溫下的結(jié)晶穩(wěn)定性優(yōu)異，具有高的破壞韌性和低的熱傳導(dǎo)率。由此，可以制成熱循環(huán)耐久性優(yōu)異、具備高隔熱效果的隔熱涂層。


圖1是應(yīng)用了本實(shí)施方式涉及的隔熱涂層用材料的渦輪部材的剖面的示意圖。
圖2是表示實(shí)施例中的燒結(jié)體中的Sm2O3含量和破壞韌性值的關(guān)系的圖。
圖3是表示實(shí)施例中的燒結(jié)體中的Sm203含量和熱傳導(dǎo)率的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式以下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
圖1是應(yīng)用了本實(shí)施方式涉及的隔熱涂層用材料的渦輪部材的部分剖面示意圖。 在渦輪動(dòng)葉等的耐熱合金基材11上按順序形成金屬結(jié)合層12和陶瓷層13作為隔熱涂層。
金屬結(jié)合層12為MCrAIY合金(M表示Ni、CoJe等金屬元素或它們中的2種以上的組合)等。
本實(shí)施方式涉及的構(gòu)成陶瓷層13的隔熱涂層用材料，包含含有作為穩(wěn)定劑的 Yb2O3和Sm2O3的ZrO20穩(wěn)定劑的含量設(shè)為2mol %以上7mol %以下，且Sm2O3的含量設(shè)為 0. Imol %以上2. 5mol%以下。Sm2O3的含量更優(yōu)選1. Omol %以上2. Omol %以下。
本實(shí)施方式的隔熱涂層用材料，作為穩(wěn)定劑含有包含粒子半徑比Y小且高溫下的穩(wěn)定性高的％的％203。由此，得到高的破壞韌性值，成為熱循環(huán)耐久性優(yōu)異的隔熱涂層。
本實(shí)施方式的隔熱涂層用材料，通過(guò)含有與ττ相比原子量更大的％和Sm，晶格失配被導(dǎo)入而晶體結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。因此，容易產(chǎn)生熱散射，實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)率降低這樣的效果。其結(jié)果成為熱傳導(dǎo)率低的陶瓷層。
上述陶瓷層13，為了在提高隔熱性的同時(shí)，使楊氏模量降低且提高隔熱涂層的熱循環(huán)耐久性，通常導(dǎo)入10%左右的氣孔。
上述陶瓷層13通過(guò)大氣壓等離子體噴鍍、電子束物理蒸鍍等成膜。應(yīng)用大氣壓等離子體噴鍍時(shí)，本實(shí)施方式的隔熱涂層用材料利用噴霧干燥法等進(jìn)行噴鍍粉末。
[實(shí)施例] 以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本實(shí)施方式的隔熱涂層用材料及隔熱涂層進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
(實(shí)施例1) 將表1示出的各組成的燒結(jié)體用常壓燒結(jié)法在燒結(jié)溫度1600°C、燒結(jié)時(shí)間5小時(shí)的條件下制作。原料粉末使用Yb203、Sm2O3> &02。
各組成的燒結(jié)體的破壞韌性值基于JIS R 1607進(jìn)行測(cè)定。熱傳導(dǎo)率基于JIS R 1611規(guī)定的激光閃光法進(jìn)行測(cè)定。對(duì)1300°C、1000小時(shí)加熱處理前后的燒結(jié)體的構(gòu)造相用粉末X射線衍射進(jìn)行鑒定。
(比較例1) 使用添加了 IO3 :8mol %的，在與實(shí)施例1同樣的條件下制作燒結(jié)體。
與實(shí)施例1同樣，測(cè)定燒結(jié)體的破壞韌性、及熱傳導(dǎo)率。另外，與實(shí)施例1 一樣對(duì)加熱處理前后的構(gòu)造相進(jìn)行測(cè)定。
表1示出實(shí)施例1和比較例1的組成、各自的燒結(jié)體的特性。
成膜后的構(gòu)造相均是準(zhǔn)穩(wěn)定正方晶相。試料編號(hào)1 4(Yb2O3 4. 45 2. 3mol%、 Sm2O3 :0. 05 2. 2mol% )的燒結(jié)體在加熱處理后的構(gòu)造相中未確認(rèn)到變化。另一方面，比較例和試料編號(hào)5及6 (Yb2O3 0. 1及0. 05mol %、Sm2O3 :4. 4及4. 45mol % )的燒結(jié)體通過(guò)加熱處理產(chǎn)生相變，構(gòu)造相為立方晶相+單斜晶相。
[表 1]
權(quán)利要求
1.一種隔熱涂層用材料，以含有作為穩(wěn)定劑的％203和Sm2O3的^O2為主， 所述穩(wěn)定劑的含量為2mol %以上7mol %以下，所述Sm2O3的含量為0. Imol %以上2. 5mol %以下。
2.一種隔熱涂層，其在耐熱合金基材上具備金屬結(jié)合層、和在該金屬結(jié)合層上形成的含有權(quán)利要求1所述的隔熱涂層用材料的陶瓷層。
3.一種渦輪部材，其具備權(quán)利要求2所述的隔熱涂層
4.一種燃?xì)廨啓C(jī)，其具備權(quán)利要求3所述的渦輪部材。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種與YSZ相比高溫結(jié)晶穩(wěn)定性優(yōu)異、具有高韌性且具有高隔熱效果的隔熱涂層用材料。另外，提供一種具有使用該隔熱涂層用材料形成的陶瓷層的熱循環(huán)耐久性優(yōu)異的隔熱涂層、以及具備該隔熱涂層的渦輪用部材及燃?xì)廨啓C(jī)。隔熱涂層用材料以含有作為穩(wěn)定劑的Yb2O3和Sm2O3的ZrO2為主，所述穩(wěn)定劑的含量為2mol％以上7mol％以下，所述Sm2O3的含量為0.1mol％以上2.5mol％以下。
文檔編號(hào)C23C26/00GK102187013SQ200980141180
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者鳥(niǎo)越泰治, 永野一郎, 岡田郁生, 塚越敬三, 高橋孝二, 岡島芳史, 霞總司, 伊藤榮作, 森一剛 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社