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JP5411460B2 - Barrier performance evaluation method and barrier performance evaluation apparatus - Google Patents

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JP5411460B2
JP5411460B2 JP2008165024A JP2008165024A JP5411460B2 JP 5411460 B2 JP5411460 B2 JP 5411460B2 JP 2008165024 A JP2008165024 A JP 2008165024A JP 2008165024 A JP2008165024 A JP 2008165024A JP 5411460 B2 JP5411460 B2 JP 5411460B2
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  • Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Description

本発明は、環境バリアコーティング膜[以下、「EBC膜」(Environmental Barrier Coating膜)ということもある。]のバリア性能評価方法及びバリア性能評価装置に関する。更に詳しくは、本発明は、腐食ガスの透過を抑えることができ、優れたバリア性能を有するEBC膜を形成することができるアルミナ薄膜形成用材料を用いてなるEBC膜のバリア性能の簡便な評価方法及びそれに用いる簡易な構造の評価装置に関する。   The present invention may also be referred to as an environmental barrier coating film [hereinafter referred to as “EBC film” (Environmental Barrier Coating film). ] Barrier performance evaluation method and barrier performance evaluation apparatus. More specifically, the present invention provides a simple evaluation of the barrier performance of an EBC film using an alumina thin film forming material capable of suppressing the permeation of corrosive gas and forming an EBC film having excellent barrier performance. The present invention relates to a method and a simple structure evaluation apparatus used therefor.

EBC膜は、優れた耐熱性を有する基材の表面に被覆されて用いられるため、この耐熱部材が使用される環境において、酸素及び水蒸気等の腐食ガスの急峻なポテンシャル勾配に曝される。このポテンシャル勾配下では、腐食種がEBC膜中を内/外方向に拡散することに加えて、膜の構成成分が分相及び偏析等を生じることがある。従って、EBC膜には、超高温の酸素及び水蒸気等に対する安定性はもとより、ポテンシャル勾配に起因する腐食種の透過及び膜内における分相、偏析等の抑制が要求される。このEBC膜としては、耐熱基材である炭素材料の表面に、ケイ素層を介して炭化ケイ素層を形成したうえ、二酸化ケイ素とムライトとを被覆してなる膜が知られている(例えば、非特許文献1参照。)。また、炭素材料の表面に、炭化ケイ素、YSix及びYSiOを、この順に被覆した膜も知られている(例えば、非特許文献2参照。)。 Since the EBC film is used by being coated on the surface of a substrate having excellent heat resistance, it is exposed to a steep potential gradient of a corrosive gas such as oxygen and water vapor in an environment where the heat-resistant member is used. Under this potential gradient, in addition to the diffusion of corrosive species in the EBC film inward / outward, the constituent components of the film may cause phase separation and segregation. Therefore, the EBC film is required to suppress permeation of corrosive species caused by the potential gradient, phase separation in the film, segregation, etc., as well as stability against ultra-high temperature oxygen and water vapor. As this EBC film, a film is known in which a silicon carbide layer is formed on a surface of a carbon material that is a heat-resistant substrate via a silicon layer, and silicon dioxide and mullite are covered (for example, non-coated). (See Patent Document 1). A film in which the surface of a carbon material is coated with silicon carbide, YSix, and Y 2 SiO 5 in this order is also known (see, for example, Non-Patent Document 2).

一方、ケイ素化合物ではない他のEBC膜も検討されている。例えば、Alは、優れた高温安定性及び耐食性等を有し、各種の耐熱基材の保護被膜として用いられており、十分な保護性能を有することが知られている。更に、1600℃以上の高温では、10−5atm付近を境として、高酸素分圧側ではp型半導体、低酸素分圧側ではn型半導体としての性質を有し、それぞれの酸素分圧領域でホール伝導性、電子伝導性を発現することが知られている。 On the other hand, other EBC films that are not silicon compounds have been studied. For example, Al 2 O 3 has excellent high-temperature stability, corrosion resistance, and the like, is used as a protective coating for various heat-resistant substrates, and is known to have sufficient protective performance. Furthermore, at a high temperature of 1600 ° C. or higher, the high oxygen partial pressure side has a p-type semiconductor and the low oxygen partial pressure side has an n-type semiconductor property at about 10 −5 atm, and holes are formed in each oxygen partial pressure region. It is known to exhibit conductivity and electron conductivity.

フリッツ他8名、「ジャーナルオブヨーロピアンセラミックソサエティ」(Journal of European Ceramic Society)(英国),1998,p.2351−2364Fritz et al., “Journal of European Ceramic Society” (UK), 1998, p. 2351-2364 近藤雅之他3名、日本金属学会誌,1999,63,p.851−858Masayuki Kondo and three others, Journal of the Japan Institute of Metals, 1999, 63, p. 851-858

しかし、非特許文献1、2に記載されたEBC膜は、いずれも多層被覆構造であるが、酸化物層が緻密でないため、十分な耐酸化性が発現されないことがある。また、EBC膜のおかれる環境は、腐食ガス側の表面の酸素分圧が1atm、EBC膜と基材との境界における酸素分圧が10−15atmレベルと、広範な酸素ポテンシャル勾配に曝される。そのため、Alを単独でEBC膜として用いた場合、複数の物質移動機構が同時に関与することとなり、酸素透過機構ばかりでなく、材料そのものの安定性にも影響を及ぼすことが有り得る。 However, although the EBC films described in Non-Patent Documents 1 and 2 have a multilayer coating structure, sufficient oxidation resistance may not be exhibited because the oxide layer is not dense. The environment where the EBC film is placed is exposed to a wide range of oxygen potential gradients, with the oxygen partial pressure on the surface on the corrosive gas side being 1 atm and the oxygen partial pressure at the boundary between the EBC film and the substrate being 10-15 atm level. The Therefore, when Al 2 O 3 is used alone as an EBC film, a plurality of mass transfer mechanisms are simultaneously involved, which may affect not only the oxygen permeation mechanism but also the stability of the material itself.

本発明は、上記の従来の状況に鑑みてなされたものであり、腐食ガスの透過を抑えることができ、優れたバリア性能を有するEBC膜を形成することができるアルミナ薄膜形成用材料を用いてなるEBC膜のバリア性能の簡便な評価方法及びそれに用いる簡易な構造の評価装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and uses an alumina thin film forming material capable of suppressing the permeation of corrosive gas and forming an EBC film having excellent barrier performance. An object of the present invention is to provide a simple evaluation method for the barrier performance of an EBC film and a simple structure evaluation apparatus used therefor.

本発明は以下のとおりである。
1.アルミナ粉末と、希土類化合物粉末とを含有し、環境バリアコーティング膜の形成に用いられるアルミナ薄膜形成用材料であって、上記希土類元素が、Sm、Eu、Tm及びLuのうちの少なくとも1種であるアルミナ薄膜形成用材料を用いた環境バリアコーティング膜の一面側と他面側に、分圧の異なる腐食ガスを供給したときの、該環境バリアコーティング膜の厚さ方向における該腐食ガスの透過量の計測において、該分圧を変化させた場合の、該変化に対する該透過量の依存性を評価し、各々の該分圧における該腐食ガスの透過係数を算出し、該分圧と該透過係数との相関を求め、該相関に基づいて、該環境バリアコーティング膜のバリア性能を評価することを特徴とするバリア性能評価方法。
2.上記アルミナ粉末と、酸化物換算した上記希土類化合物粉末との合計を100モル%とした場合に、該希土類化合物粉末は0.1〜0.5モル%である上記1.に記載のバリア性能評価方法。
3.アルミナ粉末と、希土類化合物粉末とを含有し、環境バリアコーティング膜の形成に用いられるアルミナ薄膜形成用材料であって、上記希土類元素が、Sm、Eu、Tm及びLuのうちの少なくとも1種であるアルミナ薄膜形成用材料を用いた環境バリアコーティング膜の一面側と他面側に、分圧の異なる腐食ガスを供給する腐食ガス供給手段と、該環境バリアコーティング膜の厚さ方向における該腐食ガスの透過量を計測する計測手段と、該分圧を変化させた場合の、各々の該分圧における該透過量に基づいて該腐食ガスの透過係数を求める係数算出手段と、該分圧と該透過係数との相関に基づいて、該環境バリアコーティング膜のバリア性能を評価する評価手段と、を備えることを特徴とするバリア性能評価装置。
4.上記アルミナ粉末と、酸化物換算した上記希土類化合物粉末との合計を100モル%とした場合に、該希土類化合物粉末は0.1〜0.5モル%である上記3.に記載のバリア性能評価装置。
The present invention is as follows.
1. An alumina thin film forming material containing an alumina powder and a rare earth compound powder and used for forming an environmental barrier coating film, wherein the rare earth element is at least one of Sm, Eu, Tm and Lu. The amount of permeation of the corrosive gas in the thickness direction of the environmental barrier coating film when supplying a corrosive gas having different partial pressures to one side and the other side of the environmental barrier coating film using the alumina thin film forming material. In measurement, when the partial pressure is changed, the dependency of the permeation amount on the change is evaluated, and the permeation coefficient of the corrosive gas at each partial pressure is calculated. And evaluating the barrier performance of the environmental barrier coating film based on the correlation.
2. When the total of the alumina powder and the oxide-converted rare earth compound powder is 100 mol%, the rare earth compound powder is 0.1 to 0.5 mol%. The barrier performance evaluation method described in 1.
3. An alumina thin film forming material containing an alumina powder and a rare earth compound powder and used for forming an environmental barrier coating film, wherein the rare earth element is at least one of Sm, Eu, Tm and Lu. Corrosion gas supply means for supplying a corrosive gas having a different partial pressure to one side and the other side of the environmental barrier coating film using the alumina thin film forming material, and the corrosive gas in the thickness direction of the environmental barrier coating film. Measuring means for measuring the permeation amount; coefficient calculating means for determining a permeation coefficient of the corrosive gas based on the permeation amount at each partial pressure when the partial pressure is changed; and the partial pressure and the permeation amount An evaluation unit that evaluates the barrier performance of the environmental barrier coating film based on the correlation with the coefficient.
4). 2. The above rare earth compound powder is 0.1 to 0.5 mol% when the total of the alumina powder and the oxide-converted rare earth compound powder is 100 mol%. The barrier performance evaluation apparatus according to 1.

本発明のバリア性能評価方法によれば、簡便な方法であるにもかかわらず、酸素を始めとする腐食種の内/外方向拡散挙動を定量的に評価することができる。また、腐食ガスの分圧と透過係数との相関を容易に求めることができ、この相関に基づいて、EBC膜のバリア挙動、及び腐食ガスの透過量等のバリア性能を正確に評価することができる。
本発明のバリア性能評価装置によれば、簡易な装置でありながら、腐食ガスの分圧と透過係数との相関を容易に求めることができ、上記と同様に、EBC膜のバリア性能を正確に評価することができる。
According to the barrier performance evaluation method of the present invention, although it is a simple method, it is possible to quantitatively evaluate the inward / outward diffusion behavior of corrosive species including oxygen. In addition, the correlation between the partial pressure of the corrosive gas and the permeation coefficient can be easily obtained. Based on this correlation, the barrier performance of the EBC film and the barrier performance such as the permeation amount of the corrosive gas can be accurately evaluated. it can.
According to the barrier performance evaluation apparatus of the present invention, although it is a simple apparatus, the correlation between the partial pressure of the corrosive gas and the permeability coefficient can be easily obtained, and the barrier performance of the EBC film can be accurately determined as described above. Can be evaluated.

以下、本発明を詳しく説明する。
[1]アルミナ薄膜形成用材料
参考発明のアルミナ薄膜形成用材料は、アルミナ粉末と、希土類化合物粉末とを含有し、環境バリアコーティング膜の形成に用いられる。
The present invention will be described in detail below.
[1] Alumina thin film forming material
The material for forming an alumina thin film of the reference invention contains an alumina powder and a rare earth compound powder, and is used for forming an environmental barrier coating film.

アルミナ薄膜形成用材料は、アルミナ粉末と、希土類元素化合物粉末とを含有する混合粉末である。アルミナ粉末の平均粒径等は特に限定されないが、例えば、EBC膜を焼成により形成する場合、平均粒径が小さいアルミナ粉末であれば、低温での焼成によって、より緻密な焼結体とすることができるため好ましい。但し、アルミナ粉末の平均粒径が過小であると、取り扱い難く、EBC膜形成時の作業性に劣ることがある。一方、平均粒径が過大であると、高温で焼成しないと緻密化することができない等の問題があり、好ましくない。   The material for forming an alumina thin film is a mixed powder containing alumina powder and rare earth element compound powder. The average particle size of the alumina powder is not particularly limited. For example, when the EBC film is formed by firing, if the alumina powder has a small average particle size, a denser sintered body is obtained by firing at a low temperature. Is preferable. However, if the average particle size of the alumina powder is too small, it is difficult to handle and the workability at the time of forming the EBC film may be inferior. On the other hand, if the average particle size is excessive, there is a problem that it cannot be densified unless it is fired at a high temperature, which is not preferable.

希土類化合物粉末は、希土類元素を有する化合物の粉末である。希土類元素は、Sm、Eu、Tm及びLuのうちの少なくとも1種であ、Luがより好ましい。希土類元素がLuである場合は、腐食種の拡散、透過、及び膜内における分相、偏析等が、より十分に抑えられるEBC膜とすることができる。希土類化合物粉末も特に限定されず、希土類元素の酸化物、炭酸塩、水酸化物などの粉末を用いることができ、酸化物粉末及び炭酸塩粉末として用いられることが多い。 The rare earth compound powder is a powder of a compound having a rare earth element. Rare earth elements, Sm, Eu, Ri least 1 Tanedea of Tm and Lu, Lu is preferable. When the rare earth element is Lu, an EBC film in which the diffusion and permeation of corrosive species, phase separation in the film, segregation, and the like can be more sufficiently suppressed can be obtained. The rare earth compound powder is not particularly limited, and powders of rare earth oxides, carbonates, hydroxides and the like can be used, and are often used as oxide powders and carbonate powders.

アルミナ粉末と希土類化合物粉末との含有割合は、これらの合計を100モル%とした場合に、希土類化合物粉末が0.05〜1.0モル%であることが好ましく、0.1〜0.5モル%であることがより好ましく、0.1〜0.3モル%であることが特に好ましい。希土類化合物粉末の含有割合が0.05〜1.0モル%、特に0.1〜0.5モル%であれば、腐食種の拡散、透過、及び膜内における分相、偏析等が、特に十分に抑えられるEBC膜とすることができる。また、この希土類化合物粉末は、EBC膜を焼成により形成する場合、焼結助剤として作用し、この範囲の含有割合であれば、焼成により十分に緻密化され、且つアルミナ焼結体が本来有する優れた強度及び耐熱性等が損なわれることがない。   The content ratio of the alumina powder and the rare earth compound powder is preferably 0.05 to 1.0 mol% of the rare earth compound powder when the total of these is 100 mol%, More preferably, it is mol%, and particularly preferably 0.1 to 0.3 mol%. If the content of the rare earth compound powder is 0.05 to 1.0 mol%, particularly 0.1 to 0.5 mol%, the diffusion and permeation of corrosive species, phase separation in the film, segregation, etc. The EBC film can be sufficiently suppressed. Further, this rare earth compound powder acts as a sintering aid when an EBC film is formed by firing, and if it is a content within this range, it is sufficiently densified by firing and the alumina sintered body originally has Excellent strength and heat resistance are not impaired.

更に、アルミナ薄膜形成用材料を100質量%とした場合に、アルミナ粉末と希土類化合物粉末との合計は90〜100質量%、特に95〜100質量%であることが好ましい。アルミナ粉末と希土類化合物粉末との合計が90質量%以上であれば、アルミナ焼結体が本来有する優れた強度及び耐熱性等が損なわれることがなく、より優れた強度及び耐熱性等を有するEBC膜を形成することができる。アルミナ薄膜形成用材料に含有されるアルミナ粉末及び希土類化合物粉末を除く他の成分は、EBC膜のバリア性能を損なうことがなければよく、特に限定されない。この他の成分としては、後記の焼結助剤の他、組織制御剤としても作用する酸化マグネシウム等の組織制御剤などの各種助剤が挙げられる。   Furthermore, when the alumina thin film forming material is 100% by mass, the total of the alumina powder and the rare earth compound powder is preferably 90 to 100% by mass, and particularly preferably 95 to 100% by mass. If the total of the alumina powder and the rare earth compound powder is 90% by mass or more, the excellent strength and heat resistance, etc. inherent in the sintered alumina body are not impaired, and the EBC has more excellent strength and heat resistance. A film can be formed. The other components other than the alumina powder and the rare earth compound powder contained in the material for forming an alumina thin film are not particularly limited as long as they do not impair the barrier performance of the EBC film. Examples of other components include various auxiliary agents such as a structure control agent such as magnesium oxide that also acts as a structure control agent in addition to the sintering auxiliary described later.

[2]耐熱部材
参考発明の耐熱部材は、耐熱基材と、参考発明のアルミナ薄膜形成用材料を用いて、耐熱基材の表面に設けられた環境バリアコーティング膜と、を備える。
[2] Heat resistant member
The heat-resistant member of the reference invention includes a heat-resistant substrate and an environmental barrier coating film provided on the surface of the heat-resistant substrate using the alumina thin film forming material of the reference invention.

耐熱基材は特に限定されず、高温で用いられるため、その表面にEBC膜の形成が必要とされる各種の基材が使用される。耐熱基材の材質としては、炭素/炭素複合材料(黒鉛材料を炭素繊維により強化した複合材料等)、及び耐熱金属を用いることができる。この耐熱金属としては、ステンレス鋼等のFe基合金、ニッケル基合金、クロム基合金等が挙げられる。ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。また、ニッケル基合金としては、インコネル600(登録商標)、インコネル718(登録商標)、インコロイ802(登録商標)等が挙げられる。更に、クロム基合金としては、Ducrlloy CRF(94Cr5Fe1Y)等が挙げられる。 The heat-resistant substrate is not particularly limited, and various substrates that require the formation of an EBC film on the surface thereof are used because they are used at a high temperature. As the material of the heat-resistant substrate, a carbon / carbon composite material (a composite material obtained by reinforcing a graphite material with carbon fibers) and a heat-resistant metal can be used. Examples of the heat-resistant metal include Fe-based alloys such as stainless steel, nickel-based alloys, and chromium-based alloys. Examples of the stainless steel include ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and austenitic stainless steel. Examples of the nickel-based alloy include Inconel 600 (registered trademark), Inconel 718 (registered trademark), Incoloy 802 (registered trademark), and the like. Further, examples of the chromium-based alloy include Ducrloy CRF (94Cr5Fe1Y 2 O 3 ).

耐熱基材を用いてなる製品も特に限定されず、(1)各種プラント関係、(2)輸送機器関係、(3)その他の施設、設備、機器等が挙げられる。(1)各種プラント関係としては、各種製品の製造、エネルギー供給プラント等で使用されている内燃機関、ボイラー(過熱器官、管寄せ・主蒸気管、高温高圧バルブ等)、蒸気タービン、ガスタービン(高温ロータ、内車室、蒸気弁、低圧ロータ等)、熱交換器、改質器、配管、遮熱材、断熱材、固定部品等の、800℃以上の高温にて使用される部位、部品などが挙げられる。また、(2)輸送機器関係としては、自動車及び鉄道車両等の各種車両、船舶、航空機、宇宙機器等で使用されている内燃機関、ボイラー(過熱器官、管寄せ・主蒸気管、高温高圧バルブ等)、蒸気タービン、ガスタービン(高温ロータ、内車室、蒸気弁、低圧ロータ等)、熱交換器、改質器、配管、遮熱材、断熱材、固定部品等の、800℃以上の高温にて使用される部位、部品などが挙げられる。更に、(3)その他の施設、設備、機器としては、上記(1)、(2)以外の分野の各種施設、設備、機器等で使用されている内燃機関、ボイラー(過熱器官、管寄せ・主蒸気管、高温高圧バルブ等)、蒸気タービン、ガスタービン(高温ロータ、内車室、蒸気弁、低圧ロータ等)、熱交換器、改質器、配管、遮熱材、断熱材、固定部品等の800℃以上の高温にて使用される部位、部品などが挙げられる。   The product using the heat-resistant substrate is not particularly limited, and examples thereof include (1) various plant relations, (2) transportation equipment relations, and (3) other facilities, equipment, and equipment. (1) Various plant relations include internal combustion engines, boilers (superheated organs, headers / main steam pipes, high-temperature high-pressure valves, etc.), steam turbines, gas turbines ( High temperature rotors, inner casings, steam valves, low pressure rotors, etc.), heat exchangers, reformers, piping, heat shields, heat insulating materials, fixed parts, etc. Etc. In addition, (2) Transportation equipment related to internal combustion engines, boilers (superheated organs, headers / main steam pipes, high-temperature and high-pressure valves) used in various vehicles such as automobiles and railway vehicles, ships, aircraft, space equipment, etc. Etc.), steam turbine, gas turbine (high temperature rotor, inner casing, steam valve, low pressure rotor, etc.), heat exchanger, reformer, piping, heat shield, heat insulating material, fixed parts, etc. Examples include parts and parts used at high temperatures. In addition, (3) Other facilities, equipment, and equipment include internal combustion engines and boilers (superheated organs, headers, etc.) used in various facilities, equipment, and equipment in fields other than (1) and (2) above. Main steam pipes, high-temperature high-pressure valves, etc.), steam turbines, gas turbines (high-temperature rotors, inner casings, steam valves, low-pressure rotors, etc.), heat exchangers, reformers, piping, heat shields, heat insulating materials, fixed parts Examples include parts and parts used at a high temperature of 800 ° C. or higher.

アルミナ薄膜形成用材料を用いて、耐熱基材の表面にEBC膜を設ける方法も特に限定されない。この方法としては、(1)熱蒸着、電子ビーム蒸着、イオンビーム蒸着、スパッタリング、反応性スパッタリング等の物理蒸着法、(2)熱化学蒸着、プラズマ化学蒸着、電子サイクロトロン共鳴源プラズマ化学蒸着等の化学蒸着法、(3)プラズマ溶射等の溶射法、(4)ゾルゲル法、ディップコート法、スプレーコート法等の、スラリー状のアルミナ薄膜形成用材料を用いる被膜形成法などが挙げられる。   A method for providing an EBC film on the surface of the heat-resistant substrate using the material for forming an alumina thin film is not particularly limited. This method includes (1) physical vapor deposition such as thermal vapor deposition, electron beam vapor deposition, ion beam vapor deposition, sputtering, reactive sputtering, and (2) thermal chemical vapor deposition, plasma chemical vapor deposition, electron cyclotron resonance source plasma chemical vapor deposition, etc. Examples thereof include chemical vapor deposition, (3) thermal spraying such as plasma spraying, and (4) film formation using a slurry-like alumina thin film forming material such as sol-gel, dip coating and spray coating.

上記の各種の方法のうち、物理蒸着法及び溶射法は、アルミナ薄膜形成用材料が耐熱基材に向けて直線的に放射される方法であるため、上記のような複雑な形状の各種部位、部品の表面に均一な厚さの均質なEBC膜を効率よく形成するのは容易ではない。また、化学蒸着法は、複雑な形状の各種部位、部品であっても、所定厚さを有し、且つ密度の高いEBC膜を形成することができるが、高コストであり、製膜速度も必ずしも大きいとはいえない。   Among the above-mentioned various methods, the physical vapor deposition method and the thermal spraying method are methods in which the alumina thin film forming material is linearly emitted toward the heat-resistant base material. It is not easy to efficiently form a uniform EBC film having a uniform thickness on the surface of a component. In addition, chemical vapor deposition can form an EBC film having a predetermined thickness and a high density even for various parts and parts having complicated shapes, but it is expensive and the film forming speed is also high. Not necessarily big.

更に、ゾルゲル法では、複雑な形状の各種部位、部品であっても、密度の高いEBC膜を、低コストで、且つ効率よく形成することができるが、十分な厚さを有する膜を形成するのは容易ではない。また、ディップコート法及びスプレーコート法では、複雑な形状の各種部品であっても、低コストで、且つ効率よくEBC膜を形成することができるが、耐熱基材との接着性が十分ではないことがある。更に、スラリー状のアルミナ薄膜形成用材料を用いた被膜形成法は、通常、操作、工程がやや煩雑である。
このように、各々の方法には、それぞれ特徴があるため、それらを勘案して、適宜選択することが好ましい。
Furthermore, the sol-gel method can form a high-density EBC film at a low cost and efficiently even for various parts and parts having complicated shapes, but a film having a sufficient thickness is formed. It's not easy. In addition, in the dip coating method and the spray coating method, an EBC film can be efficiently formed at low cost even for various parts having complicated shapes, but the adhesion to the heat resistant substrate is not sufficient. Sometimes. Furthermore, the film forming method using the slurry-like material for forming an alumina thin film usually has a somewhat complicated operation and process.
As described above, since each method has its own characteristics, it is preferable to select them appropriately in consideration of them.

スラリー状のアルミナ薄膜形成用材料を用いた被膜形成法は、複雑な形状の各種部品の表面に、低コストで、且つ効率よくEBC膜を形成することができる。この方法では、塗膜を乾燥させ、その後、焼成することによりEBC膜が形成される。以下、この方法について説明する。   The film forming method using the slurry-like material for forming an alumina thin film can efficiently form an EBC film on the surface of various parts having complicated shapes at low cost. In this method, the EBC film is formed by drying the coating film and then baking it. Hereinafter, this method will be described.

スラリー状のアルミナ薄膜形成用材料は、例えば、所定量のアルミナ粉末、希土類化合物粉末及び有機溶剤等を配合し、その後、ボールミル等により湿式混合し、次いで、有機バインダ、可塑剤及び有機溶媒等を配合し、その後、更に湿式混合して調製することができる。また、アルミナ粉末、希土類化合物粉末、有機バインダ、可塑剤及び有機溶剤等を配合し、その後、ボールミル等により湿式混合して調製することができる。   The slurry-like material for forming an alumina thin film is, for example, blended with a predetermined amount of alumina powder, rare earth compound powder, organic solvent, etc., and then wet-mixed with a ball mill or the like, and then an organic binder, plasticizer, organic solvent, etc. It can mix | blend and it can prepare by further wet-mixing after that. Further, it can be prepared by blending alumina powder, rare earth compound powder, organic binder, plasticizer, organic solvent and the like and then wet-mixing with a ball mill or the like.

有機バインダ、可塑剤及び有機溶剤としては、アルミナ粉末を主成分とするセラミックスラリーにおいて一般に使用されるものを特に限定されることなく用いることができる。有機バインダとしては、ブチラール樹脂、アクリル樹脂、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等のセルロース類などが挙げられる。可塑剤としては、ジブチルフタレート、ジブチルアジペート等のフタル酸エステルなどが挙げられる。有機溶剤としては、ブチルカルビトール、タ−ピネオール、イソプロピルアルコール等のアルコール類、メチルエチルケトン、アセトン等のケトン類、トルエン、キシレン等の芳香族溶剤などが挙げられ、トルエン、メチルエチルケトン等が用いられることが多い。有機バインダ、可塑剤、有機溶剤は各々1種のみ用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。   As an organic binder, a plasticizer, and an organic solvent, what is generally used in the ceramic slurry which has an alumina powder as a main component can be used without being specifically limited. Examples of the organic binder include butyral resins, acrylic resins, celluloses such as ethyl cellulose and hydroxyethyl cellulose. Examples of the plasticizer include phthalic acid esters such as dibutyl phthalate and dibutyl adipate. Examples of the organic solvent include alcohols such as butyl carbitol, terpineol and isopropyl alcohol; ketones such as methyl ethyl ketone and acetone; aromatic solvents such as toluene and xylene; and toluene and methyl ethyl ketone are used. Many. Only one organic binder, plasticizer, or organic solvent may be used, or two or more organic binders may be used in combination.

上記のようにして調製されたスラリー状のアルミナ薄膜形成用材料を、耐熱基材の表面に塗布して塗膜を形成し、その後、この塗膜を乾燥させ、有機溶剤を除去し、次いで、焼成することによりEBC膜を形成することができる。この焼成は、乾燥後の塗膜を所定温度で所要時間保持することによりなされる。焼成温度は、アルミナ粉末の平均粒径及び希土類化合物粉末の種類及び配合量等により設定することができる。この焼成は、通常、塗膜を焼成温度より低い所定温度で加熱し、有機バインダを除去する、所謂、脱脂をした後になされる。この場合、脱脂した後、そのまま降温させることなく、焼成温度まで昇温させて焼成してもよいし、脱脂の後、一旦降温させ、例えば、室温(25〜35℃)にまで降温させ、その後、焼成してもよい。   The slurry-like alumina thin film forming material prepared as described above is applied to the surface of the heat-resistant substrate to form a coating film, and then the coating film is dried to remove the organic solvent, An EBC film can be formed by firing. This firing is performed by holding the dried coating film at a predetermined temperature for a required time. The firing temperature can be set according to the average particle diameter of the alumina powder, the type and blending amount of the rare earth compound powder, and the like. This firing is usually performed after so-called degreasing, in which the coating film is heated at a predetermined temperature lower than the firing temperature to remove the organic binder. In this case, after degreasing, the temperature may be raised to the firing temperature without lowering the temperature as it is, or after degreasing, the temperature may be once lowered, for example, lowered to room temperature (25 to 35 ° C.), and then You may bake.

焼成雰囲気は特に限定されず、大気雰囲気等の酸化雰囲気、窒素ガス雰囲気及びアルゴンガス雰囲気等の不活性ガス雰囲気などの不活性雰囲気、並びに水素ガスを含有する還元雰囲気のいずれであってもよい。また、乾燥雰囲気であってもよく、加湿雰囲気であってもよい。焼成雰囲気は、加湿された還元雰囲気であることが好ましく、この焼成雰囲気であれば、有機バインダの分解に有利で、より低温で緻密化させることができる。更に、アルミナ焼結体は、大気雰囲気において焼成することができ、大気雰囲気であれば、製造コスト等の点において有利である。   The firing atmosphere is not particularly limited, and may be any of an oxidizing atmosphere such as an air atmosphere, an inert atmosphere such as an inert gas atmosphere such as a nitrogen gas atmosphere and an argon gas atmosphere, and a reducing atmosphere containing hydrogen gas. Further, it may be a dry atmosphere or a humidified atmosphere. The firing atmosphere is preferably a humidified reducing atmosphere, and this firing atmosphere is advantageous for the decomposition of the organic binder and can be densified at a lower temperature. Furthermore, the alumina sintered body can be fired in an air atmosphere, and the air atmosphere is advantageous in terms of production cost and the like.

アルミナ粉末を焼結させるためには、通常、焼結助剤粉末が配合される。参考発明のアルミナ薄膜形成用材料では、含有される希土類化合物粉末が焼結助剤として作用し、この希土類化合物粉末のみで十分に緻密化させることができる場合は、特に他の焼結助剤を必要としない。一方、希土類化合物粉末のみでは十分に緻密化することができないときは、EBC膜としてのバリア性能が損なわれない種類の焼結助剤を適量配合することもできる。この焼結助剤としては、アルミナ粉末の焼成に一般に使用される焼結助剤を特に限定されることなく用いることができる。 In order to sinter the alumina powder, a sintering aid powder is usually blended. In the material for forming an alumina thin film of the reference invention, when the rare earth compound powder contained acts as a sintering aid and can be sufficiently densified only with this rare earth compound powder, other sintering aids are used. do not need. On the other hand, when sufficient densification cannot be achieved with the rare earth compound powder alone, an appropriate amount of a sintering aid of a kind that does not impair the barrier performance as the EBC film can be blended. As the sintering aid, a sintering aid generally used for firing alumina powder can be used without any particular limitation.

焼結助剤としては、Si、Ti、Zr、並びにMg、Sr、Ca及びBa等の周期表における2族元素、の各々の酸化物、炭酸塩、水酸化物などの粉末を用いることができる。これらのうち、Si、Ti、Zrなどは、酸化物粉末として用いられることが多い。また、周期表における2族元素は、酸化物粉末及び炭酸塩粉末などとして用いられることが多い。これらの焼結助剤は1種のみ用いてもよく、2種以上を併用してもよい。2種以上を併用することにより、より低温で緻密化させることもできる。   As the sintering aid, powders of Si, Ti, Zr, and oxides, carbonates, hydroxides, etc. of Group 2 elements in the periodic table such as Mg, Sr, Ca and Ba can be used. . Of these, Si, Ti, Zr and the like are often used as oxide powders. In addition, group 2 elements in the periodic table are often used as oxide powders and carbonate powders. These sintering aids may be used alone or in combination of two or more. By using two or more kinds in combination, it can be densified at a lower temperature.

アルミナ粉末に希土類化合物粉末を除く他の焼結助剤粉末を配合する場合、他の焼結助剤粉末の含有割合は、アルミナ粉末、希土類化合物粉末及び焼結助剤粉末の合計を100モル%とした場合に、3モル%以下、特に1モル%以下であることが好ましい。この範囲の含有割合であれば、焼成により十分に緻密化され、且つアルミナ焼結体が本来有する優れた強度及び耐熱性等が損なわれることがなく、より優れた強度及び耐熱性等を有するEBC膜を形成することができる。   When the sintering powder other than the rare earth compound powder is mixed with the alumina powder, the content ratio of the other sintering auxiliary powder is 100 mol% of the total of the alumina powder, the rare earth compound powder and the sintering auxiliary powder. In this case, it is preferably 3 mol% or less, particularly preferably 1 mol% or less. If the content ratio is within this range, the EBC is sufficiently densified by firing and does not impair the excellent strength, heat resistance, etc. inherent in the alumina sintered body, and has more excellent strength, heat resistance, etc. A film can be formed.

EBC膜は、いずれの方法により形成した場合も、優れた強度及び耐熱性等を有するEBC膜とするためには、十分に緻密化されていることが好ましい。相対密度を緻密化の指標とした場合、この相対密度は95%以上、特に98%以上、更に99.5%以上であることが好ましい。この相対密度は、例えば、焼成によりEBC膜を形成する場合、アルミナ薄膜形成用材料に含有されるアルミナ粉末の平均粒径、希土類化合物粉末の種類及びその配合量、並びに焼成温度等によって、上記の好ましい範囲に調整することができる。
尚、相対密度は、純水を溶媒にしてアルキメデス法により測定した嵩密度を、理論密度で除して算出することができる。
Even when the EBC film is formed by any method, it is preferable that the EBC film is sufficiently densified in order to obtain an EBC film having excellent strength and heat resistance. When the relative density is used as an index for densification, the relative density is preferably 95% or more, particularly 98% or more, and more preferably 99.5% or more. For example, when an EBC film is formed by firing, the relative density depends on the average particle diameter of the alumina powder contained in the material for forming an alumina thin film, the kind and blending amount of the rare earth compound powder, the firing temperature, etc. It can be adjusted to a preferred range.
The relative density can be calculated by dividing the bulk density measured by the Archimedes method using pure water as a solvent by the theoretical density.

[3]バリア性能評価方法
本発明のバリア性能評価方法は、環境バリアコーティング膜の一面側と他面側に、分圧の異なる腐食ガスを供給したときの、環境バリアコーティング膜の厚さ方向における腐食ガスの透過量の計測において、分圧を変化させた場合の、変化に対する透過量の依存性を評価し、各々の分圧における腐食ガスの透過係数を算出し、分圧と透過係数との相関を求め、相関に基づいて、環境バリアコーティング膜のバリア性能を評価することを特徴とする。
[3] Barrier performance evaluation method The barrier performance evaluation method of the present invention is a method in the thickness direction of an environmental barrier coating film when corrosive gases having different partial pressures are supplied to one side and the other side of the environmental barrier coating film. In the measurement of the permeation amount of corrosive gas, the dependency of the permeation amount on the change when the partial pressure is changed is evaluated, and the permeation coefficient of the corrosive gas at each partial pressure is calculated. The correlation is obtained, and the barrier performance of the environmental barrier coating film is evaluated based on the correlation.

上記のバリア性能評価方法では、アルミナ薄膜形成用材料を用いて試験片を作製し、この試験片の一面側と他面側に、分圧の異なる腐食ガスを供給する。この腐食ガスは、耐熱部材が高温で用いられるときに、例えば、この部材を酸化させるガスであり、酸素ガス、水蒸気等が挙げられる。
尚、アルミナがn型半導体として挙動する低腐食ガス分圧領域では、高分圧側には、Arガス等の不活性ガスが供給され、低分圧側には不活性ガスと微量の水素ガスとの混合ガスを供給するが、不活性ガス及び混合ガスのいずれにも微量の腐食ガスが含有されているため、「分圧の異なる腐食ガスを供給する」と表現する。
In the barrier performance evaluation method described above, a test piece is prepared using an alumina thin film forming material, and corrosive gases having different partial pressures are supplied to one side and the other side of the test piece. This corrosive gas is, for example, a gas that oxidizes this member when the heat-resistant member is used at a high temperature, and examples thereof include oxygen gas and water vapor.
In the low corrosion gas partial pressure region where alumina behaves as an n-type semiconductor, an inert gas such as Ar gas is supplied to the high partial pressure side, and an inert gas and a small amount of hydrogen gas are supplied to the low partial pressure side. Although a mixed gas is supplied, since a trace amount of corrosive gas is contained in both the inert gas and the mixed gas, it is expressed as “supply corrosive gas having different partial pressures”.

そして、分圧が異なることにより、腐食ガスが高分圧側から低分圧側に透過するが、この透過量を、各々の腐食ガスに適したガスセンサ等により計測する。また、低分圧側で腐食ガスの分圧が平衡に達した時点の分圧に基づき、下記式(1)に従って透過係数を算出する。
PL(透過係数)=C・Q・L/Vst・S (1)
(C;透過した腐食ガスの濃度、Q;腐食ガスの流量、Vst;理想気体モル体積、S;試験片の面積、L;試験片の厚さ)
Then, due to the difference in partial pressure, the corrosive gas permeates from the high partial pressure side to the low partial pressure side, and this permeation amount is measured by a gas sensor or the like suitable for each corrosive gas. Further, based on the partial pressure at the time when the partial pressure of the corrosive gas reaches equilibrium on the low partial pressure side, the permeability coefficient is calculated according to the following formula (1).
PL (transmission coefficient) = C p · Q · L / V st · S (1)
(C p ; concentration of permeated corrosive gas, Q: flow rate of corrosive gas, V st ; ideal gas molar volume, S: area of specimen, L: thickness of specimen)

更に、ガス流量を変化させる等によって腐食ガスの分圧を変化させたときに、低分圧側で腐食ガスの分圧が平衡に達した時点の分圧に基づき、各々の平衡分圧において上記式(1)に従って、それぞれの透過係数を算出する。このようにして、平衡分圧と透過係数との相関を求め、平衡分圧を横軸、透過係数を縦軸とした両対数グラフを作成し、平衡分圧の変化に対する透過係数の依存性を評価し、得られる直線の傾きにより、腐食ガスの透過機構を推定し、且つ透過係数の絶対値によりEBC膜のバリア性能を評価する。   Further, when the partial pressure of the corrosive gas is changed by changing the gas flow rate or the like, the above formula is obtained for each equilibrium partial pressure based on the partial pressure at the time when the partial pressure of the corrosive gas reaches equilibrium on the low partial pressure side. Each transmission coefficient is calculated according to (1). In this way, the correlation between the equilibrium partial pressure and the permeation coefficient is obtained, and a log-log graph with the horizontal axis of the equilibrium partial pressure and the vertical axis of the permeation coefficient is created. Evaluation is made, the permeation mechanism of the corrosive gas is estimated by the slope of the obtained straight line, and the barrier performance of the EBC film is evaluated by the absolute value of the permeation coefficient.

[4]バリア性能評価装置
本発明のバリア性能評価装置は、環境バリアコーティング膜の一面側と他面側に、分圧の異なる腐食ガスを供給する腐食ガス供給手段と、環境バリアコーティング膜の厚さ方向における腐食ガスの透過量を計測する計測手段と、分圧を変化させた場合の、各々の分圧における透過量に基づいて腐食ガスの透過係数を求める係数算出手段と、分圧と透過係数との相関に基づいて、環境バリアコーティング膜のバリア性能を評価する評価手段と、を備える。
[4] Barrier performance evaluation apparatus The barrier performance evaluation apparatus of the present invention includes a corrosive gas supply means for supplying corrosive gases having different partial pressures to one side and the other side of the environmental barrier coating film, and the thickness of the environmental barrier coating film. Measuring means for measuring the permeation amount of the corrosive gas in the vertical direction, coefficient calculating means for obtaining a permeation coefficient of the corrosive gas based on the permeation amount at each partial pressure when the partial pressure is changed, and partial pressure and permeation Evaluation means for evaluating the barrier performance of the environmental barrier coating film based on the correlation with the coefficient.

上記のバリア性能評価装置は、前記のバリア性能評価方法において用いる評価装置の一例である。装置が備える腐食ガス供給手段は特に限定されず、腐食ガスを一定流量で供給することができればよく、例えば、各種の定流量ポンプを用いることができる。また、計測手段も特に限定されず、腐食ガスの種類により適宜の計測器を用いることができる。この計測器としては、例えば、腐食ガスが酸素ガスである場合、酸素導電性を有するジルコニア等の固体電解質体を用いた酸素センサ等の酸素ガスセンサが挙げられ、腐食ガスが水蒸気である場合、プロトン導電性を有する固体電解質体を用いた水蒸気センサ及び露点計が挙げられる。   The barrier performance evaluation apparatus is an example of an evaluation apparatus used in the barrier performance evaluation method. The corrosive gas supply means provided in the apparatus is not particularly limited as long as the corrosive gas can be supplied at a constant flow rate. For example, various constant flow pumps can be used. The measuring means is not particularly limited, and an appropriate measuring instrument can be used depending on the type of corrosive gas. Examples of the measuring instrument include an oxygen gas sensor such as an oxygen sensor using a solid electrolyte such as zirconia having oxygen conductivity when the corrosive gas is oxygen gas, and when the corrosive gas is water vapor, Examples include a water vapor sensor and a dew point meter using a solid electrolyte body having conductivity.

更に、係数算出手段としては、前記のように、透過した腐食ガスの濃度等に基づき、前記式(1)に従って透過係数を算出する手段が挙げられる。また、評価手段としては、前記のように、平衡分圧を横軸、透過係数を縦軸とした両対数グラフにおける直線の傾き等により評価する手段が挙げられる。   Further, as the coefficient calculating means, as described above, there is a means for calculating a permeation coefficient according to the equation (1) based on the concentration of the permeated corrosive gas. As the evaluation means, as described above, there is a means for evaluating by the slope of a straight line in a log-log graph with the equilibrium partial pressure as the horizontal axis and the transmission coefficient as the vertical axis.

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
Alを用いて作製した試験片と、Al/Luを用いて作製した試験片とを使用し、腐食ガスとして酸素ガスを用いて、希土類元素の作用効果を確認した。
[1]試験片の製作
Al粉末(大明化学工業社製、商品名「TMDAR、純度99.99%以上)を出発原料として、圧力20MPaでプレス成形し、その後、圧力600MPaでCIP成形し、次いで、温度1500℃で大気雰囲気下、焼成した。その後、切削加工して直径23.5mm、厚さ0.25mmの試験片を製作した。
Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples.
Using a test piece produced using Al 2 O 3 and a test piece produced using Al 2 O 3 / Lu 2 O 3 , the effect of rare earth elements was confirmed using oxygen gas as the corrosive gas. did.
[1] Manufacture of test specimens Using Al 2 O 3 powder (manufactured by Daimei Chemical Co., Ltd., trade name “TMDAR, purity 99.99% or more) as a starting material, press molding at a pressure of 20 MPa, then CIP molding at a pressure of 600 MPa Then, it was fired in an air atmosphere at a temperature of 1500 ° C. Thereafter, it was cut to produce a test piece having a diameter of 23.5 mm and a thickness of 0.25 mm.

また、Al−Lu系試験片については、Al粉末(大明化学工業社製、商品名「TMDAR、純度99.99%以上)に、硝酸ルテチウム水和物[Lu(NO)・xHO、シグマ−アルドリッチ社製、純度99.999%以上]を所定量(Al粉末と、Luに換算したLu化合物粉末との合計を100モル%とした場合に、Lu化合物粉末が0.05モル%及び0.20モル%となる配合量とした。)湿式混合し、その後、圧力20MPaでプレス成形し、次いで、圧力600MPaでCIP成形し、その後、温度1500℃で大気雰囲気下、焼成した。次いで、切削加工して直径23.5mm、厚さ0.25mmの試験片を製作した。尚、試験片の表面は、いずれの試験片の場合も、両面ともに鏡面仕上げとした。 As for the Al 2 O 3 -Lu 2 O 3 based test piece, Al 2 O 3 powder (manufactured by Taimei Chemicals Co., Ltd., trade name "TMDAR, purity 99.99%), nitrate lutetium hydrate [Lu (NO) 3 × H 2 O, manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99.999% or higher] is a predetermined amount (Al 2 O 3 powder and the total of the Lu compound powder converted to Lu 2 O 3 is 100 mol%. In this case, the compounding amounts were such that the Lu compound powder was 0.05 mol% and 0.20 mol%.) Wet mixing, then press molding at a pressure of 20 MPa, then CIP molding at a pressure of 600 MPa, Thereafter, it was baked in an air atmosphere at a temperature of 1500 ° C. Next, cutting was performed to produce a test piece having a diameter of 23.5 mm and a thickness of 0.25 mm. Well, both sides Both had a mirror finish.

[2]酸素透過特性の評価及び結果
Alがn型半導体としての性質を有する低酸素分圧下における酸素透過特性を評価した。即ち、酸素ガスの分圧が10−5atmより低い低腐食ガス分圧下で評価した。
ガス透過係数測定装置100(図1参照、各々のガスは矢印の方向に流れる。)を用いた。具体的には、2本のアルミナ保護管の間にPtシールリング21、22を介して試験片3を配置し,上側のアルミナ保護管11に対して錘にて一定荷重を加え、試験片3とPtシールリング21、22との間に面圧を付加した。その後、試験片3の両側に100cc/分の流速で高純度Arガスを供給した。ここで、Ptシールリング21、22と試験片3との間のガスリークの影響を防止するため、上下のアルミナ保護管11、12の外側に、更にアルミナ保護管(外側アルミナ保護管13)を配置し、外側と内側の保護管の間にも同一流速にて高純度Arガスを供給した。また、高純度Arガスは、Arガス供給配管4を、ドライアイスが投入されたエタノール浴(冷却浴槽5)中を通過させて−72℃まで冷却することにより、供給するArガス中に不純物として含まれる水蒸気量の低減を図った。
[2] Evaluation and results of oxygen permeation characteristics The oxygen permeation characteristics under low oxygen partial pressure, in which Al 2 O 3 has properties as an n-type semiconductor, were evaluated. That is, the evaluation was performed under a low corrosive gas partial pressure in which the partial pressure of oxygen gas was lower than 10 −5 atm.
A gas permeability coefficient measuring apparatus 100 (see FIG. 1, each gas flows in the direction of the arrow) was used. Specifically, the test piece 3 is disposed between the two alumina protective tubes via the Pt seal rings 21 and 22, a constant load is applied to the upper alumina protective tube 11 with a weight, and the test piece 3 A surface pressure was applied between the Pt seal rings 21 and 22. Thereafter, high purity Ar gas was supplied to both sides of the test piece 3 at a flow rate of 100 cc / min. Here, in order to prevent the influence of gas leakage between the Pt seal rings 21 and 22 and the test piece 3, an alumina protective tube (outer alumina protective tube 13) is further arranged outside the upper and lower alumina protective tubes 11 and 12. The high purity Ar gas was supplied between the outer and inner protective tubes at the same flow rate. Moreover, high purity Ar gas passes through the Ar gas supply pipe 4 through an ethanol bath (cooling bath 5) filled with dry ice and is cooled to −72 ° C., so that Ar gas to be supplied is an impurity in the supplied Ar gas. The amount of water vapor contained was reduced.

その後、上下のチャンバーの酸素分圧を、それぞれ酸素センサ(ジルコニアセンサ)61、62により計測しながら、電気炉8により1600〜1700℃まで昇温させてPtシールリング21、22によるシールを完成させ、次いで、計測温度まで降温させた。酸素分圧の計測は酸素センサ61、62を700℃に保持して実施した。その後、各々のセンサの出力が一定となった時点で、上下チャンバーの平衡酸素分圧を計測し、バックグラウンド値とした。   Thereafter, while the oxygen partial pressures in the upper and lower chambers are measured by oxygen sensors (zirconia sensors) 61 and 62, respectively, the temperature is raised to 1600 to 1700 ° C. by the electric furnace 8 to complete the seal by the Pt seal rings 21 and 22. Then, the temperature was lowered to the measured temperature. The oxygen partial pressure was measured with the oxygen sensors 61 and 62 held at 700 ° C. Thereafter, when the output of each sensor became constant, the equilibrium oxygen partial pressure in the upper and lower chambers was measured and used as a background value.

次いで、上側チャンバーの供給ガスを低酸素分圧ガス(0.01〜1体積%のHガスを含有するArガスであり、下側チャンバーに供給される高純度Arガスより更に酸素分圧が低い。尚、Hガス量はガスクロマトグラフィ7により測定する。)に切り替え、100cc/分の流速で供給し、上下チャンバーの酸素分圧の変化をモニターした。そして、それぞれのセンサの出力が一定となった時点で、上側チャンバーの平衡酸素分圧を計測し、バックグラウンド値との差分から、前記式(1)に基づいて酸素ガスに係る透過係数PLを算出した。 Next, the supply gas of the upper chamber is a low oxygen partial pressure gas (Ar gas containing 0.01 to 1% by volume of H 2 gas, and the oxygen partial pressure is higher than that of the high purity Ar gas supplied to the lower chamber. (The amount of H 2 gas is measured by gas chromatography 7.) The sample was supplied at a flow rate of 100 cc / min, and the change in oxygen partial pressure in the upper and lower chambers was monitored. And when the output of each sensor becomes constant, the equilibrium oxygen partial pressure of the upper chamber is measured, and from the difference from the background value, the permeation coefficient PL related to oxygen gas is calculated based on the equation (1). Calculated.

その後、上側チャンバーに供給する低酸素分圧ガスの流速を変化させ、各々の流速における上側チャンバーの平衡酸素分圧を計測し、バックグラウンド値との差から、前記式(1)に基づいて、それぞれの酸素分圧における透過係数PLを算出した。この平衡酸素分圧と、透過係数PLとの相関を表す図2の両対数グラフによれば、Alのみの場合、並びに0.05モル%及び0.20モル%のLuが含有される場合ともに、平衡酸素分圧と透過係数PLとは直線関係を有し、且つその傾きは−1/6で一定であることが分かる。 Thereafter, the flow rate of the low oxygen partial pressure gas supplied to the upper chamber is changed, the equilibrium oxygen partial pressure of the upper chamber at each flow rate is measured, and from the difference from the background value, based on the formula (1), The permeation coefficient PL at each oxygen partial pressure was calculated. According to the log-log graph of FIG. 2 showing the correlation between the equilibrium oxygen partial pressure and the permeation coefficient PL, in the case of Al 2 O 3 alone, 0.05 mol% and 0.20 mol% of Lu 2 O 3. In both cases, the equilibrium oxygen partial pressure and the permeability coefficient PL have a linear relationship, and the slope thereof is constant at -1/6.

上記のように、Alのみの場合と、これにLuが含有される場合とで、直線の傾きが同じであることから、Alのみのときと、これにLuが含有されるときとで、酸素ガスの透過機構が同一であると推定される。即ち、いずれの場合も、1600℃以上、且つ1×10−5atm以下の低酸素分圧下では、酸素欠損の状態となって、酸素空孔が形成され、酸素空孔を介する電子伝導性を有するものと推察される。また、Alのみの場合に比べて、0.05モル%のLuが含有されるときは、酸素透過係数に大差はなく、希土類酸化物を含有することによる大きな作用効果はみられない。一方、0.20モル%のLuが含有される場合は、酸素透過係数が大きく低下し、腐食ガスの透過が抑えられ、希土類酸化物を含有することによる十分な作用効果が発現されることが分かる。 As described above, since the slope of the straight line is the same between the case of Al 2 O 3 and the case of containing Lu 2 O 3, the case of only Al 2 O 3 and the case of Lu It is presumed that the oxygen gas permeation mechanism is the same when 2 O 3 is contained. That is, in any case, under a low oxygen partial pressure of 1600 ° C. or higher and 1 × 10 −5 atm or lower, oxygen deficiency occurs, oxygen vacancies are formed, and electron conductivity through the oxygen vacancies is reduced. Inferred to have. Further, when 0.05 mol% of Lu 2 O 3 is contained as compared with the case of only Al 2 O 3 , there is no great difference in the oxygen transmission coefficient, and the large effect by containing the rare earth oxide is I can't see it. On the other hand, when 0.20 mol% of Lu 2 O 3 is contained, the oxygen permeation coefficient is greatly reduced, the permeation of corrosive gas is suppressed, and sufficient effects are achieved by containing rare earth oxides. I understand that

また、Alのみの場合と、0.20モル%のLuが含有される場合の、各々の試験片について、上記のガス透過係数測定装置を使用し、下側チャンバーを高酸素分圧側(高純度Arガスを用いた、酸素分圧;2×10−5atm)、上側チャンバーを低酸素分圧側(Arガスと2体積%のHガスとの混合ガスを用いた、酸素分圧;6×10−13atm)として、170℃で加熱処理した場合の、それぞれの試験片の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した。 In addition, for each test piece when only Al 2 O 3 is contained and when 0.20 mol% of Lu 2 O 3 is contained, the above-described gas permeability coefficient measuring apparatus is used to raise the lower chamber. Oxygen partial pressure side (using high-purity Ar gas, oxygen partial pressure; 2 × 10 −5 atm), upper chamber using low oxygen partial pressure side (using mixed gas of Ar gas and 2% by volume of H 2 gas, (Oxygen partial pressure; 6 × 10 −13 atm), the surface of each test piece when heat-treated at 170 ° C. was observed with a scanning electron microscope (SEM).

その結果、Alのみの場合、及び0.20モル%のLuが含有される場合、のいずれの場合も、高酸素分圧側、低酸素分圧側ともに、一般に観察される粒界部のサーマルエッチングの様相を呈しており、粒界の隆起及び深い粒界溝等は観察されなかった。このように、低酸素分圧側では、酸素の脱着を生じるのみであり、Al成分の移動をともなわないため、処理後のサンプル表面に粒界の隆起及び深い粒界溝等は観察されず、通常の粒界部のサーマルエッチングの様相を呈しているものと推定される。更に、0.20モル%のLuが含有されるときは、Alのみのときと比べて、エッチングレベルが低く、粒界においてLu添加による物質移動抑制効果が現れているものと考えられ、Luが含有される場合は、より優れたEBC膜を形成することができると推察される。 As a result, in the case of only Al 2 O 3 and the case of containing 0.20 mol% of Lu 2 O 3 , grains generally observed on both the high oxygen partial pressure side and the low oxygen partial pressure side are observed. It showed the appearance of thermal etching at the boundary, and no grain boundary bulge or deep grain boundary groove was observed. In this way, on the low oxygen partial pressure side, only desorption of oxygen occurs, and no movement of the Al component occurs, so that no bulges of grain boundaries and deep grain boundary grooves are observed on the sample surface after processing. It is presumed that the grain boundary portion of the film is in the form of thermal etching. Further, when 0.20 mol% of Lu 2 O 3 is contained, the etching level is lower than when only Al 2 O 3 is used, and the effect of suppressing mass transfer due to the addition of Lu appears at the grain boundary. It is considered that when Lu 2 O 3 is contained, a more excellent EBC film can be formed.

以上、詳述したように、n型が発現する領域(酸素分圧<10−6atm)では、Alに所定量の希土類元素を含有させた場合、腐食種の拡散、透過を十分に抑えることができ、且つ膜内における分相、偏析等も抑制され、優れたバリア性能を有するEBC膜を形成することができ、このEBC膜を用いて、ガスによる腐食等が抑制される耐熱部材が得られる。 As described above, in the region where the n-type is expressed (oxygen partial pressure <10 −6 atm), when Al 2 O 3 contains a predetermined amount of rare earth element, the diffusion and permeation of corrosive species are sufficiently achieved. In addition, the phase separation and segregation in the film can be suppressed, and an EBC film having excellent barrier performance can be formed. A member is obtained.

本発明は、環境バリアコーティングを必要とする各種の耐熱部材において利用することができる。例えば、各種プラント関係、輸送機器関係、その他の施設、設備、機器等における内燃機関、ボイラー、蒸気タービン、ガスタービンなどの各種部位、部品の表面に、特に、これら部品が複雑な形状であっても、均一な厚さの均質なEBC膜を形成する際に利用することができる。   The present invention can be used in various heat-resistant members that require an environmental barrier coating. For example, various parts such as internal combustion engines, boilers, steam turbines, gas turbines, etc. in various plants, transportation equipment, other facilities, equipment, equipment, etc. Can also be used when forming a uniform EBC film having a uniform thickness.

酸素透過係数の計測に用いた装置の模式的な説明図である。It is typical explanatory drawing of the apparatus used for the measurement of an oxygen permeability coefficient. Al/Lu系の酸素透過係数の酸素分圧依存性に係るグラフである。It is a graph of the oxygen partial pressure dependence of Al 2 O 3 / Lu 2 O 3 based oxygen permeability coefficient. 酸素ポテンシャル勾配下に曝されたAl/Lu系焼結体の高酸素分圧側の表面の微細組織に係るSEM写真による説明図である。It is an explanatory view by SEM photographs of the surface of the fine structure of the high oxygen partial pressure side of the oxygen potential gradient under the exposed the Al 2 O 3 / Lu 2 O 3 sintered body. 酸素ポテンシャル勾配下に曝されたAl/Lu系焼結体の低酸素分圧側の表面の微細組織に係るSEM写真による説明図である。Is an explanatory view by SEM photographs of the surface of the microstructure of the low oxygen partial pressure side of the oxygen potential Al 2 O were exposed to a gradient 3 / Lu 2 O 3 sintered body. 酸素ポテンシャル勾配下に曝された多結晶Al焼結体の高酸素分圧側の表面の微細組織に係るSEM写真による説明図である。Is an explanatory diagram of a high oxygen partial pressure side of the surface of the exposed to an oxygen potential gradient polycrystalline Al 2 O 3 sintered body by SEM photograph of the microstructure. 酸素ポテンシャル勾配下に曝された多結晶Al焼結体の低酸素分圧側の表面の微細組織に係るSEM写真による説明図である。It is an explanatory view by SEM photographs of the surface of the microstructure of the low oxygen partial pressure side of the exposed to an oxygen potential gradient polycrystalline Al 2 O 3 sintered body.

符号の説明Explanation of symbols

100;ガス透過係数測定装置、11;上側アルミナ保護管、12;下側アルミナ保護管、13;外側アルミナ保護管、21、22;Ptシールリング、3;円板状試片、4;Arガス供給配管、5;冷却浴槽、61、62;酸素センサ、7;ガスクロマトグラフィ、8;電気炉、91;上部基体、92;下部基体。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100; Gas permeation coefficient measuring apparatus, 11: Upper alumina protective tube, 12: Lower alumina protective tube, 13: Outer alumina protective tube, 21, 22; Pt seal ring, 3; Disk-shaped specimen, 4; Ar gas Supply piping, 5; cooling bath, 61, 62; oxygen sensor, 7; gas chromatography, 8; electric furnace, 91; upper substrate, 92;

Claims (4)

アルミナ粉末と、希土類化合物粉末とを含有し、環境バリアコーティング膜の形成に用いられるアルミナ薄膜形成用材料であって、上記希土類元素が、Sm、Eu、Tm及びLuのうちの少なくとも1種であるアルミナ薄膜形成用材料を用いた環境バリアコーティング膜の一面側と他面側に、分圧の異なる腐食ガスを供給したときの、該環境バリアコーティング膜の厚さ方向における該腐食ガスの透過量の計測において、該分圧を変化させた場合の、該変化に対する該透過量の依存性を評価し、各々の該分圧における該腐食ガスの透過係数を算出し、該分圧と該透過係数との相関を求め、該相関に基づいて、該環境バリアコーティング膜のバリア性能を評価することを特徴とするバリア性能評価方法。 An alumina thin film forming material containing an alumina powder and a rare earth compound powder and used for forming an environmental barrier coating film, wherein the rare earth element is at least one of Sm, Eu, Tm and Lu. The amount of permeation of the corrosive gas in the thickness direction of the environmental barrier coating film when supplying a corrosive gas having different partial pressures to one side and the other side of the environmental barrier coating film using the alumina thin film forming material. In measurement, when the partial pressure is changed, the dependency of the permeation amount on the change is evaluated, and the permeation coefficient of the corrosive gas at each partial pressure is calculated. And evaluating the barrier performance of the environmental barrier coating film based on the correlation. 上記アルミナ粉末と、酸化物換算した上記希土類化合物粉末との合計を100モル%とした場合に、該希土類化合物粉末は0.1〜0.5モル%である請求項1に記載のバリア性能評価方法。The barrier performance evaluation according to claim 1, wherein the rare earth compound powder is 0.1 to 0.5 mol% when the total of the alumina powder and the rare earth compound powder converted to oxide is 100 mol%. Method. アルミナ粉末と、希土類化合物粉末とを含有し、環境バリアコーティング膜の形成に用いられるアルミナ薄膜形成用材料であって、上記希土類元素が、Sm、Eu、Tm及びLuのうちの少なくとも1種であるアルミナ薄膜形成用材料を用いた環境バリアコーティング膜の一面側と他面側に、分圧の異なる腐食ガスを供給する腐食ガス供給手段と、該環境バリアコーティング膜の厚さ方向における該腐食ガスの透過量を計測する計測手段と、該分圧を変化させた場合の、各々の該分圧における該透過量に基づいて該腐食ガスの透過係数を求める係数算出手段と、該分圧と該透過係数との相関に基づいて、該環境バリアコーティング膜のバリア性能を評価する評価手段と、を備えることを特徴とするバリア性能評価装置。 An alumina thin film forming material containing an alumina powder and a rare earth compound powder and used for forming an environmental barrier coating film, wherein the rare earth element is at least one of Sm, Eu, Tm and Lu. Corrosion gas supply means for supplying a corrosive gas having a different partial pressure to one side and the other side of the environmental barrier coating film using the alumina thin film forming material, and the corrosive gas in the thickness direction of the environmental barrier coating film. Measuring means for measuring the permeation amount; coefficient calculating means for determining a permeation coefficient of the corrosive gas based on the permeation amount at each partial pressure when the partial pressure is changed; and the partial pressure and the permeation amount An evaluation unit that evaluates the barrier performance of the environmental barrier coating film based on the correlation with the coefficient. 上記アルミナ粉末と、酸化物換算した上記希土類化合物粉末との合計を100モル%とした場合に、該希土類化合物粉末は0.1〜0.5モル%である請求項3に記載のバリア性能評価装置。The barrier performance evaluation according to claim 3, wherein the rare earth compound powder is 0.1 to 0.5 mol% when the total of the alumina powder and the oxide-converted rare earth compound powder is 100 mol%. apparatus.
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