Microstructure and Thermal Conductivity of Thermal Barrier Coatings

Abstract

microstructures. Topcoat specimens with different microstructure were made by the plasma spraying. Some specimens were subjected to the thermal aging in air. Pores and microcracks in the topcoat were evaluated quantitatively using an image analysis. The thermal conductivity in air at room temperature was determined according to the thermal diffusivity, the specific heat capacity and the bulk density. It was found that the thermal conductivity of the topcoat depends strongly on the shape and the size of the individual pores in addition to their total porosity. The microcracks between splats almost perpendicular to the heat flow are effective to decrease the thermal conductivity. However, the thermal aging promotes the local sintering and the crystallization in the topcoat , and increases its thermal conductivity. [Keywords: thermal barrier coatings, thermal conductivity, microstructure, porosity, plasma spray] ｌ．緒 言 地球環境保全やエネルギー安定供給の観点から，火力発電 用ガスタービンの高温運転による高効率化と省エネルギー 化が積極的に進められており，高温部材には遮熱コーティン グ（以下 TBC）の適用が必要不可欠となっている．TBC は， 金属基材上に耐酸化金属コーティングをボンドコートとし， この表面にトップコートとして遮熱性に優れるセラミック コーティングを被覆した２層コーティングから構成される． TBC の遮熱性能はセラミックトップコートの熱伝導率に強 く依存するので，TBC の設計・開発には信頼性の高い熱伝導 率データが必要である．このため，国内においても実用的な * 首都大学東京 大学院理工学研究科機械工学専攻, 〒192-0397 八王子市南大沢 1-1. 熱伝導率測定方法が研究・開発され[1]，この測定方法の ISO 化が現在進められている[2]． トップコートの代表的成膜方法である溶射法では，加熱源 によって溶融または半溶融された溶射材料粒子が基材表面 上に衝突・扁平化して円盤状の粒子（スプラット）となり， これらが無数に堆積して皮膜を形成する．このため，トップ コート中には気孔，スプラット間き裂，割れなどが存在する ので，これら組織学的要因と関連付けた熱伝導率評価も多数 報告されている[3, 4]．トップコートの組織評価は通常，断面 組織に基づいて行われるが，試料の切断・機械的研磨による 一般的な観察断面作製方法では，トップコートの局所的な脱 落が生じ[5]， 研磨条件に依存して気孔率が変化することも指 摘されている[6]．このため，トップコートの熱伝導率に及ぼ す組織の影響については，未だ不明な点がある． 本研究では，溶射プロセス条件を変化させた数種類のトッ プコートを作製し，コーティングへのダメージが少ないイオ ンビーム加工によって仕上げた断面の組織情報と熱伝導率 とを関連付けて評価した．さらに高温部材の使用環境を考慮 し，熱時効処理を施した試験片の熱伝導率測定も実施した． − 13 − Netsu Bussei 29〔1〕 （2015） 13/18