大型ガスタービンと遮熱コーティングの研究進展と開発動向（3）

2.1 熱障壁コーティングの準備

ある一定の程度まで、熱バリアコーティングの微細構造は、コーティングの断熱性、酸化耐性その他の特性に影響を与えるだけでなく、コーティングの寿命を決定します。熱バリアコーティングの微細構造は使用される材料に依存するだけでなく、その製備プロセスにも依存します。したがって、異なる製備要件に応じて適切な製備プロセスを選択することも重要です。熱バリアコーティングの製備方法は多く存在しますが、主に2つのカテゴリに分かれています：一つは熱スプレー法、もう一つは物理気相成長法です。その中で、熱スプレー法には主に超音速スプレー法、プラズマスプレー法、爆発スプレー法などがあります。熱スプレーによって作られたコーティングは板状です。物理気相成長法は主に電子ビーム物理気相成長（EB-PVD）であり、作られるコーティングは柱状です。熱バリアコーティングのセラミック層はしばしば電子ビーム物理気相成長、大気圧プラズマスプレーなどの方法で用いられます。金属結合層は主に大気圧プラズマスプレー（APS）、低圧プラズマスプレー（LPPS）、超音速炎スプレー（HVOF）などの熱スプレー技術を採用しています[40]。現在までに、APSとEB-PVDはガスタービン熱バリアコーティングの製備における主要な方法となっています。

2.1.1 大気中プラズマスプレー

APSは、スプレーガンによって生成される直流アークの一種で、Ar、He、N2などのガスをプラズマジェットに変換し、キャリアガスによって運ばれるセラミック粉末や金属粉末を急速に加熱して溶融または半溶融状態の粒子にします。この技術は、大きな運動エネルギー（80～300 m/s）を持つ粒子を電場の作用下で衝突させることで、超合金基体の表面にコーティングを形成します[42]。APS技術によって作製された熱障壁コーティングは、多くの粒子が重なり合った構造で、基体は主に層状微細構造に対して機械的に結合しており、合金基体に平行な多くの欠陥、例えば孔隙や微小クラックを含んでいます（図2参照）。その形成理由は以下の通りです：高温条件下では、セラミックや金属が溶融して溶融粒子となり、一部の環境ガスを含むことがありますが、コーティングの冷却速度が非常に速いため、堆積過程で溶融粒子に溶解したガスが十分に析出せず、孔隙が形成されます。同時に、溶融粒子同士の結合が不十分であることも、コーティング内の孔隙やクラックの形成につながります。したがって、APSを使用して熱障壁コーティングを作製する場合、その気孔率は高く、優れた断熱性能を持っていますが、欠点としてひずみ耐性が不足しており、熱ショックに対する耐性が低い[43]ため、比較的良い作業環境にある部品に主に使用されます。さらに、APSは作製コストが安いため、より大型の部品にも適用できます。

2.1.2 電子ビーム物理気相蒸着

EB-PVDは、高エネルギー密度の電子ビームを使用して真空チャンバー内のコーティング粉末を加熱し、粉末表面に溶融プールを形成してセラミック粉末を蒸発させ、原子状態で基板表面に堆積させて熱障壁コーティングを形成する技術です[45]。図3に示すように、EB-PVDコーティングの構造は、合金マトリックスに対して垂直な柱状結晶構造であり、コーティングとマトリックスは主に冶金結合によって接合されています。表面は滑らかだけでなく、密度が良好であるため、高い接着強度、ひずみ耐性、および熱ショック抵抗を持っています。これは主に作業環境が厳しい部品、例えばガスタービンのローターブレードなどに適用されます。しかし、EB-PVDコーティングの製造コストは高く、薄いコーティングしか作成できず、部品の構造サイズにも一定の要件があるため、ガスタービンでの使用は稀です。

前述の2つの準備工程は非常に成熟していますが、それぞれ独自の問題があります。表2に示されています。近年、関連する研究者は不断地にこれらの方法を改善し、新しい熱障害コーティングの準備方法を作り出しています。現在、一般的に使用されている新しい熱障害コーティングの準備方法の中で、特に注目されているのはプラズマスプレー物理気相沉积技術（PS-PVD）であり、これは最も有望で効果的な熱障害コーティングの準備方法の一つとされています。

2.1.3 プラズマスプレー物理気相沉积

PS-PVD技術は、低圧プラズマスプレーに基づいて開発されました。この方法で作製されるコーティング構造は羽根と柱であり、コーティング内の孔が多く、隙間が大きいことが図4に示されています。したがって、PS-PVD技術はEB-PVDコーティングの断熱不足とAPSコーティングの熱衝撃耐性の問題を改善し、PS-PVD技術で作製された熱バリアコーティングは高い接着力、優れた断熱性能、および良好な熱衝撃耐性を持っていますが、CMASに対する腐食抵抗性和酸化抵抗性は低いです。この基礎の上、ZHANGら[41]はAl2O3によるPS-PVD 7YSZ熱バリアコーティングの改質法を提案しました。実験結果は、アルミニゼーション改質により、PS-PVD技術で作製された7YSZ熱バリアコーティングの酸化抵抗性和CMAS腐食抵抗性が向上することを示しています。