DE102016203248A1

DE102016203248A1 - Beschichtung mit Temperatursensor sowie damit beschichtetes Bauteil

Info

Publication number: DE102016203248A1
Application number: DE102016203248.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Rossner; Niels Van der Laag
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-08-31
Also published as: WO2017148726A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für ein mit heißen Gasen konfrontiertes Bauteil wie beispielsweise einen Boiler, eine Brennstoffzelle, einen Schmelzofen, einen Motor, ein Triebwerk, ein Gasturbinenblatt und/oder eine Gasturbinenschaufel. Die Beschichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Temperatursensor in Form einer lichtemittierenden Beschichtung hat, deren Lichtemission direkt von den Temperaturen, denen die Beschichtung ausgesetzt ist oder war, abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für ein mit heißen Gasen konfrontiertes Bauteil wie beispielsweise ein Boiler, eine Brennstoffzelle, ein Schmelzofen, ein Motor, ein Triebwerk, ein Gasturbinenblatt und/oder eine Gasturbinenschaufel.
Es sind Methoden bekannt, über die die Oberflächentemperatur thermisch extrem belasteter Bauteile wie einer Gasturbinenschaufel und/oder einem Gasturbinenblatt während des Betriebs messbar ist.
Allerdings haben diese oberflächlichen Methoden oder Sensoren in der Regel den Nachteil, dass sie während des Betriebs nicht ablesbar sind.
Bekannt ist aus der US 8,746,969 B2 eine Methode zur Bestimmung der Temperaturhistorie von derartigen Bauteilen. Bei dieser Methode wird der Übergang amorpher Ausgangsmaterialien in bestimmte Kristallisationsstufen genutzt, um die Temperaturen festzustellen, denen diese Ausgangsmaterialien ausgesetzt waren. Allerdings bleiben die Temperaturbereiche, die gemessen werden können unterhalb einer Grenze von ungefähr 1000°C und zudem sind die Messwerte ungenau, weil die Kristallisation ein vielstufiger kinetischer Prozess ist, der nicht in einer einfachen linearen Abhängigkeit der Verbindungsmodifikation zur Temperatur darstellbar ist. Damit wird auch eine präzise Aussage über die Temperatur erschwert, insbesondere in den Temperaturbereichen, in denen eine Modifikationsänderung stattfindet.
Daher besteht nach wie vor der Bedarf, ein Material zur Beschichtung thermisch extrem belasteter Bauteile zur Verfügung zu stellen, durch das die Temperaturhistorie des Bauteils – im günstigsten Fall während des Betriebs – nachvollziehbar wird.
Ein derartiges Material erfüllt ein anspruchsvolles Eigenschaftsprofil, insbesondere was Stabilität bei hoher thermischer Belastung, Kompatibilität mit üblichen TBC-Thermal Barrier-Beschichtungen und die Einfachheit des Zusammenhangs zwischen Temperatur und erkenn- und/oder messbarer Materialbeschaffenheit betrifft.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Material zur Verfügung zu stellen, das das oben geforderte Eigenschaftsprofil erfüllt und insbesondere eines, das sich in bestehende oder herzustellende Thermal Barrier Coatings (TBC)-Beschichtungen von Bauteilen wie Boiler, Brennstoffzelle, Schmelzofen, Motor, Triebwerk, Gasturbinenblatt und/oder Gasturbinenschaufel einarbeiten lässt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in den Ansprüchen und der Beschreibung offenbart wird, gelöst.
Entsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine thermisch belastbare Beschichtung aus einem keramischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass sie Partikel umfasst, die in einer keramischen Matrix eine Konzentration an lumineszierenden Lanthanoiden 3+-Ionen enthalten, wobei die Umwandlung dieser Lanthanoiden 3+-Ionen in eine nicht-lumineszierende Spezies mit Lanthanoiden 4+-Ionen in einer kinetisch einstufigen Reaktion erfolgt, so dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Lumineszenz, also der Konzentration an Lanthanoiden 3+-Ionen in der Matrix und der Temperaturhistorie eines mit der Beschichtung ausgestatteten Bauteils herstellbar und beispielsweise graphisch darstellbar ist.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegen die Lanthanoiden 3+-Ionen in einem Kristallgitter als „Dotierung“ auf Kationen-Gitterplätzen des keramischen Matrixmaterials der Partikel vor.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Partikel mit den Lanthanoiden 3+-Ionen in einer Menge von mehr als einem Molprozent in der keramischen Beschichtung vor.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform lassen sich die lumineszierenden Partikel gut in die keramische Beschichtung einarbeiten, weil das Matrixmaterial mit dem Material der Beschichtung kompatibel und/oder kristallographisch ähnlich oder sogar teilweise identisch ist.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Matrix eine so genannte TBC-Thermal Barrier Coating- Keramik, insbesondere eine aus einem Yttrium-Aluminium-Oxid, beispielsweise einem Y₂Al₅O₁₂ oder einem anderen oxidischkeramischen Material. Geeignete TBC-Beschichtungsmaterialien sind beispielsweise aus den US 8685545 , der EP1915639 und/oder aus der WO2007/020170 bekannt.
Es lassen sich insbesondere Lanthanoide 3+ in eine keramische Matrix einarbeiten, da sie vom Ionenradius her in verschiedenen keramischen Gitterstrukturen Kationenplätze besetzen können, ohne dadurch eine Auflösung der Gitterstruktur zu bewirken.
Als bevorzugte Elemente werden daher Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium als lumineszierende „Fehlbesetzungen“ in einem Kristallgitter einer keramischen Beschichtung eingesetzt.
Die 3-fach positiv geladenen Kationen von einigen der oben genannten Lanthanoide sind in der Regel stark lumineszierend auch als Fehlstelle im Gitter einer keramischen Matrix oder in einer TBC-Beschichtung.
Beispielsweise wurden Ce³⁺, Pr³⁺ und/oder Tb³⁺ in einer Yttrium-Oxid-, beispielsweise in einer Yttrium-Aluminium-Oxidmatrix bereits erfolgreich ausgetestet. Dazu wurde als Matrix eine Yttrium-oxidhaltige keramische Beschichtung mit – beispielsweise – einem Schmelzpunkt über 1300°C, einer polyedrischen Morphologie und/oder einer Korngröße im Bereich von 2 bis 50µm eingesetzt.
Beispielsweise wird das in nicht-oxidierter Form lumineszierende Pulver mit den Lanthanoiden 3+-Ionen, mit überwiegend sphärischen Partikeln und/oder einer durchschnittlichen Größe im Bereich von 2 µm bis 50µm eingesetzt.
Insbesondere bei der Anwendung in einer Gastrubinen-Schaufel oder Gasturbinenblatt-Beschichtung wird durch den heißen und Sauerstoff-haltigen Dampf die Oxidation der La³⁺-Ionen, die lumineszieren, in die La⁴⁺ Ionen, die nicht emittieren, begünstigt.
Nach der Erfindung hängt die Zerfallszeit der lumineszierenden Spezies von nur einer einzigen Reaktion ab, durch die das betreffende lumineszierende Kation in seine nichtlumineszierende Spezies überführt wird. Beispielsweise handelt es sich dabei um eine einfache Oxidation, die das La³⁺ in das La⁴⁺ bei ansonsten gleicher chemischen Umgebung und gleicher Gitterstruktur überführt. Damit entfällt das Leuchten und die Temperatur ist problemlos nachweisbar.
Insbesondere kann die Temperatur über eine spektroskopische Methode und/oder über eine Referenztabelle nachverfolgt werden, so dass direkt aus der Konzentration der lumineszierenden Spezies auf die Temperaturhistorie geschlossen werden kann.
Die Einarbeitung der Lanthanoide 3+-Ionen enthaltenden Partikel in die Beschichtung kann bei der Herstellung und/oder auch als Nachrüstung, beispielsweise durch Aufsprühen, Beschichten, Lackieren etc. in einem geeigneten Bindersystem erfolgen.
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für ein mit heißen Gasen konfrontiertes Bauteil wie beispielsweise einen Boiler, eine Brennstoffzelle, einen Schmelzofen, einen Motor, ein Triebwerk, ein Gasturbinenblatt und/oder eine Gasturbinenschaufel. Die Beschichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Temperatursensor in Form einer lichtemittierenden Beschichtung hat, deren Lichtemission von den Temperaturen, denen die Beschichtung ausgesetzt ist oder war, abhängt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8746969 B2 [0004]
US 8685545 [0013]
EP 1915639 [0013]
WO 2007/020170 [0013]

Claims

Thermisch belastbare Beschichtung aus einem keramischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass sie Partikel umfasst, die in einer keramischen Matrix eine Konzentration an lumineszierenden Lanthanoiden 3+-Ionen enthalten, wobei die Umwandlung dieser Lanthanoiden 3+-Ionen in eine nicht-lumineszierende Spezies mit Lanthanoiden 4+-Ionen in einer kinetisch einstufigen Reaktion erfolgt, so dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Lumineszenz, also der Konzentration an Lanthanoiden 3+-Ionen in der Matrix und der Temperaturhistorie eines mit der Beschichtung ausgestatteten Bauteils herstellbar und beispielsweise graphisch darstellbar ist.
Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die Lanthanoiden 3+-Ionen zumindest zum Teil in einem Kristallgitter als Fehlbesetzung auf einem Kationen-Gitterplatz vorliegen.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Partikel mit den Lanthanoiden 3+-Ionen in einer Menge von mehr als einem Molprozent in der keramischen Beschichtung vorliegen.
Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial der Partikel mit einer so genannte TBC-Thermal Barrier Coating- Beschichtung kompatibel ist.
Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial der Partikel aus einem Yttrium-Oxid, beispielsweise einem Y₂Al₅O₁₂ und/oder einem anderen oxidischkeramischen Material ist.
Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Lanthanoid 3+-Ion ein Element, ausgewählt aus der Gruppe Ce³⁺, Pr³⁺ und/oder Tb³⁺ umfassend, vorliegt.
Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Matrix ein Yttrium-Aluminium-Granat-Oxid vorliegt.
Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schmelzpunkt der Partikel über 1000°C liegt.
Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die lumineszierenden Partikel zumindest teilweise in Form sphärischer Partikel vorliegen.
Bauteil eines Boilers, einer Brennstoffzelle, eines Schmelzofens, eines Motors, eines Triebwerks, einer Gastrubine wie ein Gasturbinenblatt und/oder eine Gasturbinenschaufel mit einer Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.