報告書番号

Q08005

タイトル（和文）

セラミック遮熱コーティングの非弾性変形の評価（第1報:溶射条件･高温曝露条件が応力－ひずみ関係に及ぼす影響）

タイトル（英文）

Evaluation of Inelastic Deformation of Thermal Barrier Coatings(PartI: Influence of spray condition and exposure condition on stress-strain curve)

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

セラミック遮熱コーティング（TBC）は、ガスタービン高温部品を過酷な環境から保護するための重要な材料技術である。一般的に、TBCはプラズマ溶射技術によって施工される。この成膜プロセスは、プラズマによって溶融した原料粉末をターゲット表面に衝突させ、連続的に溶融粉末を堆積させる方法である。このため、TBCにおけるセラミック層の機械的特性のひとつである応力－ひずみ関係は溶射条件の影響を強く受ける。

本報告では、大気圧プラズマ溶射により成膜したセラミック層の応力－ひずみ関係を明らかにすることを目的とする。このために、二つの異なるコーティング厚さ、三種類の粒子速度条件のもとでセラミック層を成膜し、これらのパラメータがセラミック層の同関係に及ぼす影響を調べた。また、高温曝露されたセラミック層の応力－ひずみ関係についても調べ、曝露温度条件が同関係に及ぼす影響についても検討した。最後に、電子顕微鏡による微視的組織観察を通じて、セラミック層の変形メカニズムについて考察した。得られた結果を要約するとつぎのようになる。As-spray材は、セラミック材であるにもかかわらず強い非線形挙動を伴いながら変形することがわかった。粒子速度条件が高くなるにつれて、応力－ひずみ関係は線形挙動へ近づく。コーティング厚さは応力－ひずみ関係にほとんど影響を及ぼさなかった。高温曝露材においては、曝露試験によってAs-spray材の弾性係数に比べて低下する。曝露温度条件に伴って弾性係数は増加することがわかった。また、曝露温度が高くなるにつれて、応力―ひずみ関係は線形挙動へ近づいた。セラミック層のこのような非線形変形の発現メカニズムは、微視的組織に含まれるマイクロクラック数が変化したことや、スプラットがすべることによることが明らかとなった。

概要 （英文）

Ceramic thermal barrier coatings (TBC) are an important technology for protecting hot parts of land-based gas turbine from an aggressive environment. TBCs are fabricated with the plasma-spray process. This deposition technology is known as the mechanical process impacting and depositing continuously the particles molten with the plasma high temperature flow onto the target. Thus, a stress-strain curve as one of the mechanical properties of the ceramic coating in TBC system is strongly affected by the spray parameter.
In this report, the stress-strain response of the freestanding ceramic coating detached electrochemically from the substrate is revealed. For this purpose, the bending test is performed with the small material testing device which was developed by us. Influence of spray parameters such as the coating thickness and the in-flight particle velocity on the response is examined. Thus, influence of the exposure temperature condition is also examined by conducting the isothermal exposure tests. Finally, through the detailed observation by scanning electron microscope, the deformation mechanism for the freestanding ceramic coating is discussed. The obtained results are following. It was found through several kinds of bending tests that the as-spray ceramic coating deformed with a nonlinear behavior. Higher in-flight particle velocity brought almost linear stress-strain curve. Influence of the coating thickness on the response was very few. In the isothermal exposure test, the elastic modulus was reduced with the exposure treatment in comparison of that observed in the as-spray coating. Higher exposure temperature condition led to increase the elastic modulus, and close to linear response in the stress-strain curve. SEM observation revealed that the deformation mechanism seen in the freestanding ceramic coating was caused by a microcrack initiation formed at splat boundary and a splat sliding along the splat boundary.

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