DE102019001482A1

DE102019001482A1 - Verfahren zum reparieren einer keramischen beschichtung, keramische beschichtung, turbinenelement und gasturbine

Info

Publication number: DE102019001482A1
Application number: DE102019001482.0A
Authority: DE
Inventors: Shuji TANIGAWA; Masahiko Mega; Taiji Torigoe; Yoshifumi Okajima; Daisuke Kudo; Shuho Tsubota
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2019-10-17
Also published as: US20190284942A1; JP2019157202A

Abstract

Ein Verfahren zur Reparatur einer keramischen Beschichtung gemäß einer Ausführungsform weist das Bilden einer zweiten keramischen Schicht durch thermisches Sprühen keramischer Spritzpartikel auf einen Reparaturbereich der keramischen Beschichtung, in dem eine erste keramische Schicht gebildet ist, und das Schmelzen eines Teils einer Grenzfläche auf einer Oberflächenseite der keramischen Beschichtung zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht durch Erwärmen des Teils auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reparieren einer keramischen Beschichtung, eine keramische Beschichtung, ein Turbinenelement und eine Gasturbine.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Eine Energieerzeugungsvorrichtung, wie z.B. eine Gasturbine, wird in einer Hochtemperaturumgebung benutzt. Deswegen werden Statorschaufeln und Rotorschaufeln, ein Wandmaterial einer Brennkammer und dergleichen einer Gasturbine aus wärmeresistenten Elementen gebildet. Weiterhin wird eine thermische Sperrbeschichtung (TBC) aus Basiselementen, hergestellt aus den wärmeresistenten Elementen gebildet, um die wärmeresistenten Elemente vor einer hohen Temperatur zu schützen.
Wie oben beschrieben, kann eine keramische Beschichtung auf den Basiselementen gebildet werden, um die Basiselemente zu schützen.
In einem Fall, in dem solch eine keramische Beschichtung teilweise beschädigt/zerstört ist, braucht es, wenn die gesamte keramische Beschichtung von den Basiselementen getrennt wird und eine neue keramische Beschichtung gebildet wird, viel Zeit und erzeugt hohe Kosten, um die keramische Beschichtung zu reparieren. Deswegen soll die keramische Beschichtung teilweise repariert werden.
Beispielsweise offenbart Patentdokument 1 ein Verfahren zur teilweisen Reparatur eines beschädigten Teils der TBC durch thermisches Sprühen von keramischen Partikeln auf das beschädigte Teil.
Zitierungsliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: JP5909274B
ZUSAMMENFASSUNG
Das Verfahren des teilweisen Reparierens der keramischen Beschichtung offenbart in Patentdokument 1 weist ein Einstrahlenlassen eines Lasers auf einen Reparaturabschnitt (Reparaturbeschichtung), gebildet durch thermisches Sprühen der keramischen Partikel auf dem beschädigten/zerstörten Teil der TBC und Bilden eines vertikalen Risses durch einen scharfen Temperaturunterschied, der im Reparaturabschnitt erzeugt wird, auf. Wie oben beschrieben, wird bei dem Verfahren des teilweisen Reparierens der keramischen Beschichtung, offenbart in Patentdokument 1, der vertikale Riss in der Reparaturbeschichtung erzeugt, um die Wärmewechselbeständigkeit der Reparaturbeschichtung zu verbessern und eine Anti-Trennungseigenschaft der Reparaturbeschichtung zu verbessern. Im Verfahren, offenbart in Patentdokument 1, könnte jedoch die Anhaftfähigkeit an der Grenzfläche zwischen der Reparaturbeschichtung und der gesunden keramischen Schicht um die Reparaturbeschichtung herum ungenügend sein.
Mit Blick auf das Obige ist es eine Aufgabe wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Haltbarkeit einer keramischen Beschichtung zu verbessern.
(1) Ein Verfahren zum Reparieren einer keramischen Beschichtung gemäß wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Bilden einer zweiten keramischen Schicht durch thermisches Sprühen keramischer Spritzpartikel auf einen Reparaturbereich der keramischen Beschichtung, in dem eine erste keramische Schicht gebildet ist, und Schmelzen eines Teils einer Grenzfläche auf einer Oberflächenseite der keramischen Beschichtung zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht durch Erwärmen des Teils, auf.
Als ein Ergebnis von intensiven Nachforschungen wurde durch die Erfinder herausgefunden, dass die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht unter Aufrechterhaltung der Wärmewechselbeständigkeit einer Wärmeleitfähigkeit und einer Verschleißfestigkeit der zweiten keramischen Schicht gleich zu der der ersten keramischen Schicht, durch Schmelzen des Teils der oben beschriebenen Grenzfläche auf der Oberflächenseite der keramischen Beschichtung durch Erwärmen des Teils verbessert werden kann.
Deswegen ist, weil gemäß bei dem obigen Verfahren (1) die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht unter Aufrechterhaltung der Wärmewechselbeständigkeit der Wärmeleitfähigkeit und der Verschleißfestigkeit der zweiten keramischen Schicht gleich zu der der ersten keramischen Schicht verbessert werden kann, die Haltbarkeit eines Reparaturabschnitts der keramischen Beschichtung verbessert, was es ermöglicht, die Haltbarkeit der keramischen Beschichtung zu verbessern.
(2) Bei einigen Ausführungsformen des obigen Verfahrens (1) wird beim Schmelzen des Abschnitts ein oberflächlicher Abschnitt der zweiten keramischen Schicht zusätzlich zum Teil der Grenzfläche erwärmt und geschmolzen.
Ein Abschnitt, der in der keramischen Beschichtung erwärmt, geschmolzen und dann erstarrt wird, hat eine Härte, die größer ist als diejenige eines nicht erwärmten und ungeschmolzenen Abschnitts. Diesbezüglich ist es gemäß dem obigen Verfahren (2), weil die Härte des oberflächlichen Abschnitts der zweiten keramischen Schicht, nachdem sie erwärmt und geschmolzen wurde, verglichen mit einem Fall, in dem der Abschnitt weder erwärmt noch geschmolzen wurde, hoch ist, möglich, die Verschleißfestigkeit der zweiten keramischen Schicht zu verbessern. Deswegen kann das das obige Verfahren (2) die Haltbarkeit der keramischen Beschichtung nach einer Reparatur verbessern, wenn der Reparaturbereich eine Reparatur aufgrund von Erosion (Verschleiß) benötigt.
(3) Bei einigen Ausführungsformen des obigen Verfahrens (1) oder (2) hat die zweite keramische Schicht eine höher Porositätsrate als die erste keramische Schicht.
Im Allgemeinen nimmt in der keramischen Beschichtung eine Wärmeleitfähigkeit mit einer steigenden Porositätsrate ab. Deswegen ist es gemäß dem obigen Verfahren (3) möglich, die Wärmeleitfähigkeit der zweiten keramischen Schicht niedriger zu machen als diejenige der ersten keramischen Schicht. Deswegen, beispielsweise wenn der Reparaturbereich eine Verbesserung der thermischen Abschirmungsleistung/des thermischen Abschirmungsvermögens aufgrund einer Reparatur benötigt, kann das obige Verfahren (3) die thermische Abschirmungsleistung/das thermische Abschirmungsvermögen verbessern.
(4) Bei einigen Ausführungsformen eines der obigen Verfahren (1) bis (3) wird bei der Bildung der zweiten keramischen Schicht die zweite keramische Schicht derart gebildet, dass sie eine Porositätsrate von 10% oder mehr und 30% oder weniger hat.
Beispielsweise, wenn die erste keramische Schicht durch thermisches Sprühen oder dergleichen gebildet ist, liegt ein allgemeiner unterer Grenzwert der Porositätsrate der ersten keramischen Schicht bei einigen %. Deswegen ist es, wenn die zweite keramische Schicht gebildet ist, derart, dass sie eine Porositätsrate von 10% oder mehr hat, möglich, zu erwarten, dass die Wärmeleitfähigkeit der zweiten keramischen Schicht niedriger wird als die der ersten keramischen Schicht. Deswegen ist es, beispielsweise wenn die Verbesserung der thermischen Abschirmungsleistung/des thermischen Abschirmungsvermögens verlangt wird, weil der Reparaturbereich in einer anspruchsvolleren Temperaturumgebung ist als ein anderer als der Reparaturbereich, möglich, zu erwarten, dass das obige Verfahren (4) die thermische Abschirmungsleistung/das thermische Abschirmungsvermögen der zweiten keramischen Schicht nach der Reparatur verbessert, verglichen mit der vor der Reparatur.
Auf der anderen Seite, wenn die Porositätsrate der zweiten keramischen Schicht ansteigt, neigt die Anhaftfähigkeit an der ersten keramischen Schicht dazu, abzunehmen. Deswegen, wenn die Porositätsrate der zweiten keramischen Schicht 30% übersteigt, kann die Anhaftfähigkeit an der ersten keramischen Schicht nicht ausreichend sein.
Diesbezüglich ist es gemäß dem obigen Verfahren (4) möglich, die thermische Abschirmungsleistung/das thermische Abschirmungsvermögen der zweiten keramischen Schicht sicherzustellen, während die Anhaftfähigkeit an der ersten keramischen Schicht sichergestellt wird.
(5) Bei einigen Ausführungsformen eines der obigen Verfahren (1) bis (4) wird beim Schmelzen des Teiles ein Laser, ein Elektronenstrahl oder ein Plasma zur Bestrahlung verwendet, um selektiv einen oberflächlichen Bereich der keramischen Beschichtung aufweisend den Teil der Grenzfläche zu erwärmen und zu schmelzen.
Gemäß dem obigen Verfahren (5) ist es möglich, den zu schmelzenden Bereich selektiv zu erwärmen und zu schmelzen, um eine thermische Beschädigung/Zerstörung an einem anderen Bereich zu vermeiden.
(6) Bei einigen Ausführungsformen eines der obigen Verfahren (1) bis (5) wird beim Bilden der zweiten keramischen Schicht die zweite keramische Schicht benachbart zur ersten keramischen Schicht in einer In-Ebenenrichtung zu der ersten keramischen Schicht gebildet.
Gemäß dem obigen Verfahren (6), weil die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht benachbart zur ersten keramischen Schicht in der In-Ebenenrichtung verbessert werden kann, während die Wärmewechselbeständigkeit, die Wärmeleitfähigkeit und die Verschleißbeständigkeit der zweiten keramischen Schicht gleich zu der der ersten keramischen Schicht aufrechterhalten werden kann, wird die Haltbarkeit des Reparaturabschnitts der keramischen Beschichtung verbessert, was es ermöglicht, die Haltbarkeit der keramischen Beschichtung zu verbessern.
(7) Bei einigen Ausführungsformen eines der obigen Verfahren (1) bis (6), wird beim Bilden der zweiten keramischen Schicht, die zweite keramische Schicht mit der Grenzfläche gebildet, die sich in einer Richtung geneigt in Bezug auf eine Dickenrichtung der ersten keramischen Schicht erstreckt.
Gemäß dem obigen Verfahren (7) kann sich die oben beschriebene Grenzfläche in einer Richtung geneigt in Bezug auf die Dickenrichtung der ersten keramischen Schicht erstrecken.
(8) Bei einigen Ausführungsformen eines der obigen Verfahren (1) bis (7) wird beim Bilden der zweiten keramischen Schicht die zweite keramische Schicht durch thermisches Sprühen der keramischen Spritzpartikel des gleichen Materials wie ein Material der ersten keramischen Schicht auf den Reparaturbereich gebildet.
Gemäß dem obigen Verfahren (8), weil die erste keramische Schicht und die zweite keramische Schicht aus dem gleichen Material gebildet sind, haben die erste keramische Schicht und die zweite keramische Schicht auch den gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten, was die Haltbarkeit gegenüber einer thermischen Historie verbessert.
(9) Bei einigen Ausführungsformen eines der obigen Verfahren (1) bis (8) wird die erste keramische Schicht durch thermisches Sprühen gebildet und beim Bilden der zweiten keramischen Schicht wird die zweite keramische Schicht durch thermisches Sprühen der keramischen Spritzpartikel auf den Reparaturbereich unter derselben Sprühbedingung wie eine Sprühbedingung der Bildung der ersten keramischen Schicht gebildet.
Gemäß dem obigen Verfahren (9) es ist möglich, die Porositätsrate, die Wärmeleitfähigkeit, die Verschleißbeständigkeit und dergleichen der ersten keramischen Schicht gleich zu der der zweite keramischen Schicht zu machen.
(10) Bei einigen Ausführungsformen eines der obigen Verfahren (1) bis (9) weist das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung weiter eine Behandlung der Oberfläche des Reparaturbereichs auf.
Gemäß dem obigen Verfahren (10) es ist möglich, die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht durch Oberflächenbehandlung des Reparaturbereichs sicherzustellen.
(11) Bei einigen Ausführungsformen eines der obigen Verfahren (1) bis (10) weist das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung weiterhin bei der Bildung der zweiten keramische Schicht das Entfernen eines Überfüllungsabschnitts der zweiten keramischen Schicht auf.
Gemäß dem obigen Verfahren (11) es ist möglich, ein schädigendes Schmelzen des Teiles auf der Oberflächenseite der keramischen Beschichtung durch Entfernen des Überfüllungsabschnitts vor dem Erwärmen und Schmelzen des Teils zu verhindern. Deswegen ist es möglich, die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht sicherzustellen.
(12) Bei einigen Ausführungsformen eines der obigen Verfahren (1) bis (11) weist das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung außerdem das Glätten einer Oberfläche eines geschmolzen und erstarrten Abschnitts, gebildet beim Schmelzen des Abschnitts, auf.
Gemäß dem obigen Verfahren (12) wird die Oberfläche der zweiten keramischen Schicht geglättet.
(13) Eine keramische Beschichtung gemäß wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine erste keramische Schicht auf, eine zweite keramische Schicht benachbart zu der ersten keramischen Schicht in einer In-Ebenenrichtung der ersten keramischen Schicht und einen geschmolzenen und erstarrten Abschnitt, erhalten durch Schmelzen und Erstarren wenigstens eines Teils einer Grenzfläche auf einer Oberflächenseite der ersten keramischen Schicht, zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht.
Als ein Ergebnis intensiver Nachforschungen durch die Erfinder wurde herausgefunden, dass die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht verbessert werden kann, unter Aufrechterhalten der Wärmewechselbeständigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Verschleißbeständigkeit der zweiten keramischen Schicht gleich zu der der ersten keramischen Schicht, durch Bilden eines geschmolzenen und erstarrten Abschnitts in dem Teil der oben beschrieben Grenzfläche auf der Oberflächenseite der ersten keramischen Schicht.
Deswegen kann gemäß obiger Anordnung (13), weil die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht unter Aufrechterhalten der Wärmewechselbeständigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Verschleißbeständigkeit der zweiten keramischen Schicht gleich zu der der ersten keramischen Schicht verbessert werden kann, die Haltbarkeit der keramischen Beschichtung verbessert werden.
(14) In einigen Ausführungsformen obiger Anordnung (13) hat der geschmolzene und erstarrte Abschnitt hat eine Tiefe von 5 Mikrometer oder mehr und 100 Mikrometer oder weniger.
Wenn die Tiefe des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts aufgrund einer Tiefenänderung nach der Bildung des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts geringer ist als 5 Mikrometer, kann die Tiefe in einem bestimmten Bereich außergewöhnlich flach werden, was einen Bereich erzeugt, wo die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht nicht ausreichend ist. Deswegen ist es wünschenswert, dass die Tiefe des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 5 Mikrometer oder mehr ist. Weiterhin kann, wenn die Tiefe des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 100 µm übersteigt, die Wärmewechselbeständigkeit des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts abnehmen. Deswegen ist es wünschenswert, dass die Tiefe des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 100 pm oder weniger ist.
Diesbezüglich ist es bei obiger Anordnung (14) möglich, weil die Tiefe des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 5 Mikrometer oder mehr und 100 Mikrometer oder weniger ist, die Wärmewechselbeständigkeit des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts aufrechtzuerhalten, während die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht sichergestellt wird.
(15) In einigen Ausführungsformen bei obiger Anordnung (13) oder (14) hat der geschmolzene und erstarrte Abschnitt hat eine Breite von 1 mm oder mehr.
Wenn die Breite des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts nach der Bildung des geschmolzenen und erstarrten Abschnittes aufgrund einer örtlichen Variation im erwärmten und geschmolzenen Teil weniger als 1 mm ist, kann ein unerwärmter und ungeschmolzener Ort in dem Teil der oben beschriebenen Grenzfläche auf der Oberflächenseite der ersten keramischen Schicht erzeugt werden. Insbesondere erstreckt sich die oben beschriebene Grenzfläche nicht immer in einer Richtung orthogonal zur Oberfläche der ersten keramischen Schicht, sondern kann sich diagonal in Bezug auf die Oberfläche der ersten keramischen Schicht erstrecken. Deswegen kann, wenn die Breite des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts geringer ist als 1 mm, ein Abschnitt, außer ein sehr flacher Abschnitt der Grenzfläche auf der Oberflächenseite der ersten keramischen Schicht, aus einem Erwärmungs- und Schmelzbereich nach der Bildung des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts herausfallen, was es ihm unmöglich macht, die Grenzfläche auf eine gewünschte Tiefe zu erwärmen und zu schmelzen.
Wie oben beschrieben, wenn die Breite des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts weniger als 1 mm ist, kann der Abschnitt, wo die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht ungenügend ist, erzeugt werden. Deswegen ist es wünschenswert, dass die Breite von des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 1 mm oder mehr beträgt.
Diesbezüglich ist es gemäß obiger Anordnung (15), weil die Breite des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 1 mm oder mehr ist, möglich, die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht sicherzustellen.
(16) In einigen Ausführungsformen befindet sich in obiger Anordnung (13) oder (14) der geschmolzene und erstarrte Abschnitt in einem Zustand, wo ein oberflächlicher Abschnitt der zweiten keramischen Schicht zusätzlich zum Teil der Grenzfläche geschmolzen und erstarrt wird.
Der geschmolzene und erstarrte Abschnitt hat eine Härte, die größer ist als die eines unerwärmten und ungeschmolzenen Abschnitts. Diesbezüglich ist es gemäß obiger Anordnung (16) möglich, weil die Härte des oberflächlichen Abschnitts der zweiten keramischen Schicht hoch ist verglichen mit einem Fall, in dem der oberflächliche Abschnitt weder erwärmt noch geschmolzen wurde, die Verschleißbeständigkeit der zweiten keramischen Schicht zu verbessern.
(17) In einigen Ausführungsformen in einer der obigen Anordnungen (13) bis (16) hat die zweite keramische Schicht eine Porositätsrate von 10% oder mehr und 30% oder weniger.
Durch ein Festlegen der Porositätsrate der zweiten keramischen Schicht auf 10% oder mehr, ist es möglich, wie oben beschrieben, dass die Wärmeleitfähigkeit der zweiten keramischen Schicht niedriger wird als die der ersten keramischen Schicht. Deswegen ist es bei obiger Anordnung (17) möglich, zu erwarten, dass sich die thermische Abschirmungsleistung/das thermische Abschirmungsvermögen der zweiten keramischen Schicht verbessert, verglichen mit der ersten keramischen Schicht.
Auf der anderen Seite, wenn die Porositätsrate der zweiten keramischen Schicht 30%, wie oben beschrieben, übersteigt, kann die Anhaftfähigkeit an der ersten keramischen Schicht ungenügend sein.
Diesbezüglich ist es gemäß obiger Anordnung (17) möglich, die thermische Abschirmungsleistung/das thermische Abschirmungsvermögen der zweiten keramischen Schicht sicherzustellen, während die Anhaftfähigkeit an der ersten keramischen Schicht sichergestellt wird.
(18) Ein Turbinenelement gemäß wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die keramische Beschichtung gemäß einer der obigen Anordnungen (13) bis (17) auf.
Gemäß obiger Anordnung (18) kann, weil die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht unter Aufrechterhalten der Wärmewechselbeständigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Verschleißbeständigkeit der zweiten keramischen Schicht gleich zu der der ersten keramischen Schicht, verbessert werden kann, die Haltbarkeit des Turbinenelements verbessert werden.
(19) Eine Gasturbine gemäß wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Turbinenelement gemäß obiger Anordnung (18) auf.
Gemäß obiger Anordnung (19) es ist möglich, die Haltbarkeit des Turbinenelements in der Gasturbine zu verbessern.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung es ist möglich, die Haltbarkeit der keramischen Beschichtung zu verbessern.
Figurenliste

1 ist eine schematische Schnittansicht eines Turbinenelements aufweisend eine keramische Beschichtung gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine Schnittansicht, die schematisch einen Zustand zeigt, in dem eine keramische Schicht teilweise beschädigt/zerstört ist.
3 ist ein Ablaufdiagramm, welches eine Vorgangsweise eines Verfahrens zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
4 ist eine schematische Schnittansicht der keramischen Beschichtung nachdem eine Oberfläche eines Reparaturbereich in einem Vorbearbeitungsschritt behandelt wurde.
5 ist eine schematische Schnittansicht einer keramischen Beschichtung, nachdem eine Reparaturschicht in einem Reparaturschicht-Bildungsschritt gebildet wurde.
6 ist eine schematische Schnittansicht der keramischen Beschichtung nachdem ein Überfüllungsabschnitt der Reparaturschicht in einem Überfüllungsabschnitt-Entfernungsschritt entfernt wurde.
7 ist eine schematische Schnittansicht der keramischen Beschichtung, die einen geschmolzenen und erstarrten Abschnitt aufweist, der durch Erwärmen, Schmelzen und anschließendem Erstarren eines Teils einer Grenzfläche auf einer Oberflächenseite der keramischen Beschichtung, zwischen der keramischen Schicht und der Reparaturschicht gebildet wurde.
8 ist eine schematische Schnittansicht der keramischen Beschichtung, welche einen geschmolzenen und erstarrten Abschnitt aufweist, der durch Erwärmen, Schmelzen und anschließendem Erstarren eines oberflächlicher Abschnitt der Reparaturschicht zusätzlich zum Teil der Grenzfläche auf der Oberflächenseite gebildet wurde.
9 ist eine perspektivische Ansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Gasturbinenrotorschaufel/- laufschaufel.
10 ist eine perspektivische Ansicht eines Konfigurationsbeispiels einer Gasturbinenstatorschaufel/Gasturbinenleitschaufel.
11 ist eine schematische Darstellung eines teilweisen Querschnittsaufbaus einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben werden. Es ist jedoch beabsichtigt, dass außer wenn es besonders erwähnt ist, Abmessungen, Materialien, Formen, relative Lagen zueinander und dergleichen von Komponenten, beschrieben in den Ausführungsformen, lediglich als beispielhaft interpretiert werden sollen und nicht dazu gedacht sind, den Bereich der vorliegenden Erfindung einzuschränken.
Beispielsweise soll ein Ausdruck von relativen oder absoluten Anordnungen, wie z.B. „in eine Richtung“, „entlang einer Richtung“, „parallel“, „orthogonal“, „mittig“, „konzentrisch“ und „koaxial“ nicht dahingehend interpretiert werden, dass nur die Anordnung in einem genauen wörtlichen Sinne gemeint ist, sondern auch ein Zustand, wo die Anordnung relativ abweichend um eine Toleranz ist oder um einen Winkel oder um einen Abstand ist, wobei es ist möglich ist, die gleiche Funktion zu erreichen.
Beispielsweise soll ein Ausdruck eines gleichen Zustands, wie z. B, „dasselbe“, „gleich“ und „einheitlich“ nicht dahingehend ausgelegt werden, dass nicht nur der Zustand, in dem das Merkmal genau gleich ist, gemeint ist, sondern auch ein Zustand umfasst ist, in dem eine Toleranz oder ein Unterschied vorliegt, der immer noch die gleiche Funktion erfüllen kann.
Weiterhin soll ein Ausdruck einer Raumform, wie z.B. eine rechteckige Raumform oder eine zylindrische Raumform nicht nur als die strenge geometrische Form ausgelegt werden, sondern auch eine Form mit Unebenheiten oder angefasten Ecken, innerhalb des Bereichs umfassen, in dem der gleiche Effekt erzielt werden kann.
Auf der anderen Seite ist ein Ausdruck, wie z.B. „umfassen“, „aufweisen“, „haben“, „enthalten“ und „bestehen aus“ nicht dazu gedacht, nicht andere Komponenten aufzuweisen.
(Keramische Beschichtung)
1 ist eine schematische Schnittansicht eines Turbinenelements aufweisend eine keramische Beschichtung gemäß einer Ausführungsform. In einigen unten beschriebenen Ausführungsformen wird als ein Beispiel der keramischen Beschichtung eine thermische Sperrbeschichtung zur thermischen Abgrenzung eines Turbinenelements beschrieben werden.
In einigen Ausführungsformen sind auf einem wärmebeständigen Basiselement (Basismaterial) 11, wie z.B. einer Rotorschaufel/Laufschaufel und einer Statorschaufel/Leitschaufel einer Turbine, eine metallische Verbindungsschicht (Verbindungsbeschichtungsschicht) 12 und eine keramische Schicht 13 in dieser Reihenfolge als thermische Sperrbeschichtung gebildet. Das bedeutet, wie gezeigt in 1, dass in einigen Ausführungsformen eine keramische Beschichtung 10 eine thermische Sperrbeschichtungsschicht (TBC) ist und eine Verbindungsbeschichtungsschicht 12 und die keramische Schicht 13 umfasst.
Die Verbindungsbeschichtungsschicht 12 ist aus einer MCrAlY-Legierung („M“ meint ein metallisches Element, wie z.B. Ni, Co und Fe oder eine Kombination von zwei oder mehr aus den obigen metallischen Elementen) gebildet.
Die keramische Schicht 13 ist in einigen Ausführungsformen aus irgendeinem YbSZ (Ytterbiumstabilisierten Zirkonium), YSZ (Yttrium-stabilisierten Zirkonium), SmYbZr₂O₇, DySZ (Dysprosium-stabilisierten Zirkonium), ErSZ (Erbium-stabilisierten Zirkonium) oder dergleichen gebildet.
In einigen Ausführungsformen wird die keramische Schicht 13 als eine poröse Struktur aufweisend Poren 14 ausgebildet, um die thermische Abschirmungsleistung/das thermische Abschirmungsvermögen sicherzustellen. Die Poren 14 in 1 und die entsprechenden Ansichten, die später beschrieben werden, zeigen schematisch die Poren 14 in der keramischen Schicht 13 und sind zur aktuellen Porengröße in der Größe, in der Form und der Dichte unterschiedlich. Eine Porositätsrate und eine Dicke der keramischen Schicht 13 sind in geeigneter Art und Weise, entsprechend einer notwendigen Wärmeleitfähigkeit gesetzt. In einigen Ausführungsformen ist die Porositätsrate der keramischen Schicht 13 beispielsweise 3% oder mehr und 20% oder weniger.
Wenn ein Element, wo die keramische Beschichtung 10 gemäß einigen Ausführungsformen gebildet ist, d. h. das Turbinenelement oder dergleichen benutzt wird, kann die keramische Schicht 13 aufgrund von Verschleiß, aufgrund einer Kollision mit fliegenden Objekten oder dergleichen teilweise beschädigt/zerstört werden. 2 ist eine Schnittansicht, die schematisch einen Zustand zeigt, in dem die keramische Schicht 13 teilweise zerstört/beschädigt ist.
In einem Fall, in dem, wie oben beschrieben, die keramische Beschichtung 10 teilweise beschädigt ist, wenn die gesamte keramische Beschichtung 10 vom Basismaterial 11 separiert ist und die neue keramische Beschichtung 10 gebildet wird, benötigt es eine lange Zeit und hohe Kosten, um die keramische Beschichtung 10 zu reparieren. Deswegen soll die keramische Beschichtung 10 teilweise repariert werden.
Beim teilweisen Reparieren der keramischen Beschichtung 10 ist es notwendig, die Anhaftfähigkeit zwischen einem unbeschädigten, gesunden Abschnitt der keramischen Beschichtung 10 und einem Abschnitt, der durch Reparatur neu gebildet wurde, sicherzustellen.
Um dies zu erreichen, wird in einigen unten beschriebenen Ausführungsformen die keramische Beschichtung repariert, um in der Lage zu sein, die Anhaftfähigkeit zwischen dem unbeschädigten, gesunden Abschnitt der keramischen Beschichtung 10 und dem Abschnitt, der neu durch Reparatur gebildet wurde, sicherzustellen.
3 ist ein Ablaufdiagramm, welches den Ablauf für ein Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
Das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß einigen Ausführungsformen weist einen Vorbearbeitungsschritt S10, einen Reparaturschicht-Bildungsschritt S20, einen Überfüllungsabschnitt-Entfernungsschritt S30, einen Erwärmungs- und Schmelzschritt S40 und einen Abschlussschritt S50 auf.
Der Vorbearbeitungsschritt S10 ist ein Schritt des Behandelns einer Oberfläche, die eine Reparaturschicht im Reparaturschicht-Bildungsschritt S20 bildet, der später mittels Durchführens eines Strahlens oder dergleichen auf einen Reparaturbereich 15, der ein beschädigter Teil der keramischen Beschichtung 10 ist, ausgeführt werden soll. 4 ist eine schematische Schnittansicht der keramischen Beschichtung 10, nachdem eine Oberfläche 15a des Reparaturbereichs 15 im Vorbearbeitungsschritt S10 behandelt wurde.
Der Reparaturschicht-Bildungsschritt S20 ist ein Schritt des Bildens einer Reparaturschicht 16 im Reparaturbereich 15 der keramischen Beschichtung 10. In einigen Ausführungsformen wird im Reparaturschicht-Bildungsschritt S20 die Reparaturschicht 16 durch beispielsweise thermisches Sprühen keramischer Spritzpartikel auf den Reparaturbereich 15 der keramischen Beschichtung 10 gebildet.
In einigen Ausführungsformen wird im Reparaturschicht-Bildungsschritt S20 die Reparaturschicht 16 durch thermisches Sprühen keramischer Spritzpartikel des gleichen Materials wie das der keramischen Schicht 13 auf den Reparaturbereich 15 der keramischen Beschichtung 10 gebildet. 5 ist eine schematische Schnittansicht der keramischen Beschichtung 10 nachdem die Reparaturschicht 16 im Reparaturschicht-Bildungsschritt S20 gebildet wurde.
In der unteren Beschreibung wird die keramische Schicht 13 auch als eine erste keramische Schicht 13A und die Reparaturschicht 16 auch als eine zweite keramische Schicht 16A bezeichnet. Das bedeutet, dass der Reparaturschicht-Bildungsschritt S20 ein Schritt des Bildens einer zweiten keramischen Schicht 16A durch thermisches Sprühen der keramischen Spritzpartikel auf den Reparaturbereich 15 der keramischen Beschichtung 10 ist, aus der die erste keramische Schicht 13A gebildet ist.
Wenn die keramische Schicht 13 durch thermisches Sprühen gebildet wird, kann eine Sprühbedingung, wie z.B. ein Sprühabstand nach Bildung der Reparaturschicht 16 gleich sein wie eine Sprühbedingung nach Bildung der keramischen Schicht 13. Eine keramische Schicht 13 und die Reparaturschicht 16 können eine gleiche Porositätsrate, Wärmeleitfähigkeit, Verschleißbeständigkeit und dergleichen haben, durch Einstellung der Sprühbedingung bei der Bildung der Reparaturschicht 16 auf die gleiche Art und Weise wie die Sprühbedingung bei der Bildung der keramischen Schicht 13 und Bilden der Reparaturschicht 16 mit den gleichen Sprühpartikeln wie die Sprühpartikel, die verwendet wurden, um die keramische Schicht 13 zu erzeugen.
Der Überfüllungsabschnitt-Entfernungsschritt S30 ist ein Schritt des Entfernens eines Überfüllungsabschnitts 17 der Reparaturschicht 16, gebildet im Reparaturschicht-Bildungsschritt S20. 6 ist eine schematische Schnittansicht der keramischen Beschichtung 10 nach dem Entfernen des Überfüllungsabschnitts 17 (siehe 5) der Reparaturschicht 16 im Überfüllungsabschnitt-Entfernungsschritt S30.
Der Erwärmungs- und Schmelzschritt S40 ist ein Schritt des Erwärmens und Schmelzens eines Teils einer Grenzfläche 18 auf einer Oberflächenseite der keramischen Beschichtung 10 zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16. Das bedeutet, der Erwärmungs- und Schmelzschritt S40 ist der Schritt des Erwärmens und Schmelzens eines Teils der Grenzfläche 18 auf der Oberflächenseite der keramischen Beschichtung 10 zwischen der ersten keramischen Schicht 13A und der zweiten keramischen Schicht 16A.
Wie oben beschrieben, ist es beim teilweisen Reparieren der keramischen Beschichtung 10 notwendig, die Anhaftfähigkeit zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 sicherzustellen.
Als ein Ergebnis von intensiven Nachforschungen durch die Erfinder wurde herausgefunden, dass die Anhaftfähigkeit zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 durch Erwärmen des Teils verbessert werden kann unter Aufrechterhalten der Wärmewechselbeständigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Verschleißbeständigkeit der Reparaturschicht 16 im gleichen Maß wie die keramische Schicht 13 durch Schmelzen des Teils der Grenzfläche 18 auf der Oberflächenseite der keramischen Beschichtung 10, zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16.
Deswegen ist es gemäß einigen Ausführungsformen möglich, die Anhaftfähigkeit zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 unter Aufrechterhalten der Wärmewechselbeständigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Verschleißbeständigkeit der Reparaturschicht 16 im gleichen Maß wie diejenigen der keramischen Schicht 13 zu verbessern. Deswegen ist die Haltbarkeit eines Reparaturabschnitt der keramischen Beschichtung 10 verbessert, was es ermöglicht, die Haltbarkeit der keramischen Beschichtung 10 zu verbessern.
7 ist eine schematische Schnittansicht der keramischen Beschichtung 10, welche einen geschmolzenen und erstarrten Abschnitt 21 aufweist, der durch Erwärmen, Schmelzen und Erstarren eines Teils der Grenzfläche 18 auf der Oberflächenseite der keramischen Beschichtung 10 zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 gebildet wurde. Der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 21 und die keramische Schicht 13 und die unerwärmte und ungeschmolzene Reparaturschicht 16 haben unterschiedliche Erscheinungsformen im Querschnitt, wie gezeigt in 7, was auf einen Unterschied in der Porositätsrate und einen Unterscheid im Herstellungsverfahren zurückzuführen ist. Deswegen ist es leicht, visuell den geschmolzenen und erstarrten Abschnitt 21 von einem Bereich, anders als der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 21 zu unterscheiden und zu bestimmen, dass der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 21 ein Bereich ist, der durch Erstarren nach einem Schmelzen entstanden ist. Aus ähnlichen Gründen, wenn die keramische Beschichtung 10 von der Oberflächenseite her betrachtet wird, ist es auch einfach, visuell den geschmolzenen und erstarrten Abschnitt 21 von dem Bereich, anders als der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 21 zu unterscheiden und zu bestimmen, dass der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 21 der Bereich ist, der durch Erstarren nach einem Schmelzen entstanden ist.
Der Abschlussschritt S50 ist ein Schritt des Glättens einer Oberfläche des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21, gebildet im Erwärmungs- und Schmelzschritt S40. Im Abschlussschritt S50 wird die Oberfläche des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21 beispielsweise mittels eines Schleifers geglättet.
Wie oben beschrieben, weist die keramische Beschichtung 10 gemäß einigen Ausführungsformen die erste keramische Schicht 13A und die zweite keramische Schicht 16A benachbart zur ersten keramischen Schicht 13A, in einer In-Ebenenrichtung der ersten keramischen Schicht 13A auf. Deswegen weist die keramische Beschichtung 10 gemäß einigen Ausführungsformen den geschmolzenen und erstarrten Abschnitt 21 auf und einen geschmolzenen und erstarrten Abschnitt 22 zwischen der ersten keramischen Schicht 13A und der zweiten keramischen Schicht 16A auf, auf der Oberflächenseite der ersten keramischen Schicht 13A.
Deswegen ist es in der keramischen Beschichtung 10 gemäß einigen Ausführungsformen, wie oben beschrieben, möglich, die Anhaftfähigkeit zwischen der ersten keramischen Schicht 13A und der zweiten keramischen Schicht 16A unter Aufrechterhaltung der Wärmewechselbeständigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Verschleißbeständigkeit der zweiten keramischen Schicht 16A gleich zu der der ersten keramischen Schicht 13 zu verbessern. Deswegen ist es möglich, die Haltbarkeit der keramischen Beschichtung zu verbessern.
(Über das Erwärmungsverfahren im Erwärmungs- und Schmelzschritt S40)
In einigen Ausführungsformen wird im Erwärmungs- und Schmelzschritt S40 ein Laser, ein Elektronenstrahl oder ein Plasma ausgestrahlt, um selektiv den Teil der Grenzfläche 18, auf der Oberflächenseite der keramischen Beschichtung 10, zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 zu erwärmen und zu schmelzen, wodurch der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 21 gebildet wird.
Deswegen es ist möglich, den Bereich der geschmolzen werden soll, selektiv zu erwärmen und zu schmelzen und eine thermische Beschädigung in einem anderen Bereich zu vermeiden.
Beispielsweise wird unten ein Beispiel von Laserausstrahlungsbedingungen in einem Fall, in dem das Erwärmen und Schmelzen mittels Laserausstrahlung durchgeführt wird, beschrieben. Beispielsweise ist eine Durchschnittsausgangsleistung 20 W, eine Emissionsgeschwindigkeit ist 2.4 m/min und ein Strahldurchmesser ist 0.3 mm. Ein Laserstrahl kann beispielsweise unter Verwendung eines Sechsachsenroboters oder durch Verwendung einer Galvanolinse gerastert werden.
(Über die Breite des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21)
In der Ausführungsform gezeigt in 7 hat der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 21 eine Breite von 1 mm oder mehr.
Wenn die Breite des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21 geringer als 1mm ist, kann ein unerwärmter und ungeschmolzener Ort im Teil der Grenzfläche 18 auf der Oberflächenseite der keramischen Schicht 13 aufgrund einer örtlichen Variation des Teils erwärmt und geschmolzen nach dem Bilden des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21 erzeugt werden, beispielsweise eine Variation in der Ausstrahlungsstelle des Laserstrahls oder dergleichen. Insbesondere die Grenzfläche 18 erstreckt sich nicht immer in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der keramischen Schicht 13, sondern kann sich diagonal in Bezug auf die Oberfläche der keramischen Schicht 13 erstrecken, d. h. in einer Richtung geneigt in Bezug auf eine Dickenrichtung der keramischen Schicht 13. Deswegen, wenn die Breite des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21 weniger als 1 mm beträgt, kann ein Abschnitt außer einem sehr flachen Abschnitt auf der Oberflächenseite der keramischen Schicht 13 der Grenzfläche 18 aus einem Erwärmen- und Schmelzbereich bei der Bildung des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21 herausfallen, was es unmöglich macht, die Grenzfläche 18 auf eine gewünschte Tiefe zu erwärmen und zu schmelzen.
Zudem, wenn die Breite des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21 aufgrund einer Breitenvariation nach der Bildung des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21 kleiner als 1 mm ist, kann die Breite des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21 in einem bestimmten Bereich extrem klein werden, was einen Abschnitt, wo die Anhaftfähigkeit zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 ungenügend ist, erzeugt.
Wie oben beschrieben, kann, wenn die Breite des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21 kleiner als 1 mm ist, der Abschnitt, wo die Anhaftfähigkeit zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 ungenügend ist, erzeugt werden. Deswegen ist es wünschenswert, dass die Breite des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21 1 mm oder mehr beträgt.
In dieser Beziehung ist es in einigen Ausführungsformen möglich, weil die Breite des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21 1 mm oder mehr beträgt, die Anhaftfähigkeit zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 sicherzustellen.
(Über das Erwärmen und Schmelzen des oberflächlichen Abschnitts der Reparaturschicht 16)
In der Ausführungsform gezeigt in 7 wird der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 21 durch Erwärmen und Schmelzen über einen Teil der Oberfläche der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 im Kontakt über die Grenzfläche 18 gebildet. Jedoch kann wie die Ausführungsform gezeigt in 8 im Erwärmungs- und Schmelzschritt S40, ein oberflächlicher Abschnitt der Reparaturschicht 16 zusätzlich zum Teil auf der Oberflächenseite der Grenzfläche 18 erwärmt und geschmolzen werden. Das bedeutet, in der Ausführungsform gezeigt in 8, im Erwärmungs- und Schmelzschritt S40, dass ein Laser, der Elektronenstrahl oder das Plasma ausgestrahlt wird, um selektiv einen oberflächlichen Bereich der keramischen Beschichtung 10 aufweisend den Teil der Grenzfläche 18 auf der Oberflächenseite der keramischen Beschichtung 10 zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 zu erwärmen und zu schmelzen, wobei hierdurch der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 22 gebildet wird.
8 ist eine schematische Schnittansicht einer keramischen Beschichtung 10, welche den geschmolzenen und erstarrten Abschnitt 22 gebildet durch Erwärmung, Schmelzen und Erstarren des oberflächlichen Abschnitts der Reparaturschicht 16 zusätzlich zum Teil der Grenzfläche 18 auf der Oberflächenseite gebildet aufweist. Wie oben beschrieben ist der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 22 gezeigt in 8 in einem Zustand, wo der oberflächliche Abschnitt der Reparaturschicht 16 zusätzlich zum Teil der Grenzfläche 18 auf der Oberflächenseite geschmolzen und erstarrt ist.
Ähnlich zum geschmolzenen und erstarrten Abschnitt 21 gezeigt in 7 ist es einfach, visuell den geschmolzenen und erstarrten Abschnitt 22 gezeigt in 8 von einem Bereich anders als der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 22 zu unterscheiden und zu bestimmen, dass der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 22 ein Bereich ist, der durch Erstarrung nach einem Schmelzen entstanden ist.
Ein Abschnitt, der in der keramischen Beschichtung 10 erhitzt, geschmolzen und dann erstarrt wird, hat eine Härte, die größer ist als diejenige eines unerwärmten und ungeschmolzenen Abschnitts. Diesbezüglich ist es in der Ausführungsform gezeigt in 8 möglich, weil die Härte des oberflächlichen Abschnitts der Reparaturschicht 16 hoch ist, nachdem sie erwärmt und geschmolzen wurde, verglichen mit einem Fall, in dem der Abschnitt weder erwärmt noch geschmolzen wurde, die Verschleißbeständigkeit der Reparaturschicht 16 zu verbessern. Deswegen wird, wenn der Reparaturbereich 15 aufgrund von Verschleiß eine Reparatur benötigt, der oberflächliche Abschnitt der Reparaturschicht 16 zusätzlich zum Teil der Grenzfläche 18 auf der Oberflächenseite erwärmt und geschmolzen, was es ermöglicht, die Verschleißbeständigkeit der Reparaturschicht 16 beim geschmolzenen und erstarrten Abschnitt 22, der auf der Oberflächenseite gebildet ist, zu verbessern und die Haltbarkeit der keramischen Beschichtung 10 nach der Reparatur zu verbessern.
(Über Tiefen der geschmolzenen und erstarrten Abschnitte 21 und 22)
In einigen Ausführungsformen haben die geschmolzenen und erstarrten Abschnitte 21 und 22 Tiefen von 5 Mikrometer oder mehr und 100 Mikrometer oder weniger.
Wenn die Tiefen der geschmolzenen und erstarrten Abschnitte 21 und 22 aufgrund einer Tiefenänderung nach der Bildung der geschmolzenen und erstarrten Abschnitte 21 und 22 weniger als 5 Mikrometer betragen, können die Tiefen in einem bestimmten Bereich sehr flach werden. Beispielsweise kann, wenn die Tiefen der geschmolzenen und erstarrten Abschnitte 21 und 22 extrem in dem bestimmten Bereich in der Nähe der Grenzfläche 18 flach werden, der Abschnitt, wo die Anhaftfähigkeit zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 ungenügend ist, erzeugt werden. Zudem kann beispielsweise in der Ausführungsform gezeigt in 8, wenn die Tiefe des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 22 in einem bestimmten Bereich extrem flach wird, die Verschleißbeständigkeit abnehmen. Deswegen ist es wünschenswert, dass die Tiefen der geschmolzenen und erstarrten Abschnitte 21 und 22 5 Mikrometer oder mehr sind. Weiterhin, kann wenn die Tiefen der geschmolzenen und erstarrten Abschnitte 21 und 22 100 pm überschreiten, die Wärmewechselbeständigkeit der geschmolzenen und erstarrten Abschnitte 21 und 22 abnehmen. Deswegen ist es wünschenswert, dass die Tiefen der geschmolzenen und erstarrten Abschnitte 21 und 22 100 µm oder weniger sind.
Diesbezüglich ist es in einigen Ausführungsformen, weil die Tiefen der geschmolzenen und erstarrten Abschnitte 21 und 22 5 Mikrometer oder mehr und 100 Mikrometer oder weniger sind, möglich, die Wärmewechselbeständigkeit des geschmolzenen und erstarrten Abschnitts 21 unter Sicherstellung der Anhaftfähigkeit zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 und der Verschleißbeständigkeit zu erhalten.
(Über die Porositätsrate der Reparaturschicht 16)
In einigen Ausführungsformen kann die Reparaturschicht 16 eine Porositätsrate höher als die der keramischen Schicht 13 haben.
Im Allgemeinen nimmt in der keramischen Beschichtung 10 die Wärmeleitfähigkeit mit steigender Porositätsrate ab. Deswegen ist es, wenn die Porositätsrate der Reparaturschicht 16 höher gemacht wird als die der keramischen Schicht 13, möglich, die Wärmeleitfähigkeit der Reparaturschicht 16 niedriger zu machen als die der keramischen Schicht 13. Deswegen ist es beispielsweise wenn der Reparaturbereich 15 eine Verbesserung der thermischen Abschirmungsleistung/des thermischen Abschirmungsvermögens nach der Reparatur benötigt, möglich, die thermische Abschirmungsleistung/das thermische Abschirmungsvermögen durch Erhöhen der Porositätsrate der Reparaturschicht 16 höher als diejenige der keramischen Schicht 13 zu verbessern.
Das Erhöhen der Porositätsrate der Reparaturschicht 16 höher als diejenige der keramischen Schicht 13 ist insbesondere in einem Fall nützlich, in dem der oberflächliche Abschnitt der Reparaturschicht 16 erwärmt und geschmolzen wird, wie bei der Ausführungsform gezeigt in 8. Das bedeutet, wenn der oberflächliche Abschnitt der Reparaturschicht 16 erwärmt und geschmolzen wird, wie in der Ausführungsform gezeigt in 8, verschwinden die Poren der Reparaturschicht 16 nach dem Schmelzen, was die Wärmeleitfähigkeit des oberflächlichen Abschnitts der Reparaturschicht 16 nach der Erstarrung erhöht, was der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 22 ist. Diesbezüglich ist es, wenn die Porositätsrate der Reparaturschicht 16 höher gemacht wird als die der keramischen Schicht 13, möglich, eine Wärmeleitfähigkeit in einem unerwärmten und ungeschmolzenen Teil der Reparaturschicht 16, der ein anderer ist als der geschmolzene und erstarrte Abschnitt 22, niedriger zu machen als die der keramischen Schicht 13. Dementsprechend ist es möglich, einen Anstieg in der Wärmeleitfähigkeit des Reparaturabschnitts der keramischen Beschichtung 10 zu verhindern.
Weiterhin kann in einigen Ausführungsformen im Reparaturschicht-Bildungsschritt S20 die keramische Schicht 16 so gebildet werden, dass sie eine Porositätsrate von 10% oder mehr und 30% oder weniger hat.
Beispielsweise ist, wenn die keramische Schicht 13 durch thermisches Sprühen oder dergleichen gebildet wird, ein allgemeiner unterer Grenzwert der Porositätsrate der keramischen Schicht 13 etwa mehrere %. Wenn die Reparaturschicht 16 derart gebildet wird, dass sie eine Porositätsrate von 10% oder mehr hat, ist es möglich, zu erwarten, dass die Wärmeleitfähigkeit der Reparaturschicht 16 niedriger wird als die der keramischen Schicht 13. Deswegen ist es, wenn beispielsweise die Verbesserung der thermischen Abschirmungsleistung/des thermischen Abschirmungsvermögens verlangt wird, weil sich der Reparaturbereich 15 in einer anspruchsvolleren Temperaturumgebung befindet als ein Bereich anders als der Reparaturbereich, möglich, zu erwarten, dass sich die thermische Abschirmungsleistung/das thermische Abschirmungsvermögen der Reparaturschicht 16 nach der Reparatur, im Vergleich mit vor der Reparatur durch Festlegen der Porositätsrate der Reparaturschicht 16 auf 10% oder mehr und 30% oder weniger verbessert. Wie oben beschrieben ist das Verbessern der thermischen Abschirmungsleistung/des thermischen Abschirmungsvermögens der Reparaturschicht 16 nach der Reparatur insbesondere in dem Fall nützlich, in dem der oberflächliche Abschnitt der Reparaturschicht 16 erwärmt und geschmolzen wird, wie die Ausführungsform gezeigt in 8.
Auf der anderen Seite, wenn die Porositätsrate der Reparaturschicht 16 ansteigt, tendiert die Anhaftfähigkeit an die keramische Schicht 13 dazu, abzunehmen. Deswegen kann, wenn die Porositätsrate der Reparaturschicht 16 30% überschreitet, die Anhaftfähigkeit an der ersten keramischen Schicht ungenügend sein.
Diesbezüglich ist es möglich, die thermische Abschirmungsleistung/das thermische Abschirmungsvermögen der Reparaturschicht 16, unter Sicherstellung der Anhaftfähigkeit an der keramischen Schicht 13 durch Festlegen der Porositätsrate der Reparaturschicht 16 auf 10% oder mehr und 30% oder weniger sicherzustellen.
(Turbinenelement und Gasturbine)
Die keramische Beschichtung 10 gemäß einigen der oben beschriebenen Ausführungsformen ist geeignet anwendbar auf Rotorschaufeln/Laufschaufeln und Statorschaufeln/Leitschaufeln einer industriellen Gasturbine oder Hochtemperaturkomponenten, wie z.B. Brennkammerkörbe und Brennkammerübergangsteile. Weiterhin kann die keramische Beschichtung 10 nicht nur auf industrielle Gasturbinen, sondern beispielsweise auch auf einen thermischen Sperrbeschichtungsfilm einer Hochtemperaturkomponente eines Motors, eines Automobils oder einer Düse angewandt werden. Es ist möglich, Gasturbinenschaufeln und Hochtemperaturkomponenten zu erhalten, die durch Vorsehen der obigen Elemente bei der keramischen Beschichtung 10 gemäß einigen der oben beschriebenen Ausführungsformen eine hohe Haltbarkeit haben.
9 und 10 sind perspektivische Ansichten, wobei jede ein Konfigurationsbeispiel einer Turbinenschaufel, die ein Turbinenelement ist, zeigt, an der die keramische Beschichtung 10 gemäß einigen der oben beschriebenen Ausführungsformen angewandt werden kann. Eine Gasturbinenrotorschaufel/Gasturbinenlaufschaufel 4, gezeigt in 9, weist einen Schwalbenschwanz 41, um an einer Scheibenseite befestigt zu werden, eine Plattform 42, einen Schaufelabschnitt 43 und dergleichen auf. Weiterhin weist eine Gasturbinenstatorschaufel/Gasturbinenleitschaufel 5, gezeigt in 10, einen inneren Kragen 51, einen äußeren Kragen 52, einen Schaufelabschnitt 53 und dergleichen auf. Ein Dichtungsfinnenkühlloch 54 und ein Schlitz 55 sind beispielsweise in dem Schaufelabschnitt 53 gebildet.
Als Nächstes wird eine Gasturbine, bei der die Turbinenschaufeln 4 und 5, gezeigt in den 9 und 10, angewandt werden können, unter Bezugnahme auf 11 unten beschrieben werden. 11 ist eine schematische Darstellung eines Teilquerschnittsaufbaus einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform. Eine Gasturbine 6 weist einen Verdichter 61 und eine Turbine 62 auf, die direkt miteinander gekoppelt sind. Der Verdichter 61 ist beispielsweise als ein Axialströmungsverdichter ausgebildet und saugt Atmosphäre oder ein vorbestimmtes Gas von einem Einlasskanal als ein Arbeitsfluid an und erhöht den Druck. Eine Brennkammer 63 ist mit einem Auslass des Verdichters 61 verbunden und ein Arbeitsfluid, entladen aus dem Verdichter 61, wird durch die Brennkammer 63 auf eine vorbestimmte Turbineneinlasstemperatur erhitzt. Weiterhin wird das Arbeitsfluid, welches. seine Temperatur auf eine vorbestimmte Temperatur erhöht bekommen hat, zur Turbine 62 geliefert. Wie in 11 gezeigt, sind innerhalb eines Gehäuses der Turbine 62 eine Vielzahl von Stufen von Gasturbinenstatorschaufel/Gasturbinenleitschaufel 5, wie oben beschrieben, vorgesehen. Weiterhin sind die oben beschriebenen Gasturbinenrotorschaufeln/Gasturbinenlaufschaufeln 4 auf eine Hauptwelle 64 montiert, um mit jeder der Statorschaufeln/Leitschaufeln 5 zu ein Paar von Stufen bilden. Ein Ende der Hauptwelle 64 ist mit einer Drehwelle 65 des Verdichters 61 verbunden und das andere Ende der Hauptwelle 64 ist mit einer Drehwelle eines Generators (nicht gezeigt) verbunden.
Bei obiger Anordnung, wenn ein Arbeitsfluid mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck in das Gehäuse der Turbine 62 aus der Brennkammer 63 geliefert wird, entspannt sich das Arbeitsfluid in dem Gehäuse und hierdurch rotiert die Hauptwelle 64 und ein nicht gezeigter Generator verbunden mit der Gasturbine 6 wird angetrieben. Das bedeutet, dass der Druck durch die Statorschaufeln/Leitschaufeln 5, befestigt am Gehäuse, reduziert wird und die kinetische Energie, die hierdurch erzeugt wird, wird in ein Drehmoment über Rotorschaufeln/Laufschaufeln 4, die an der Hauptwelle 64 befestigt sind, umgewandelt. Weiterhin wird das erzeugte Drehmoment zur Hauptwelle 64 übermittelt und der Generator wird angetrieben.
Im Allgemeinen wird als Material der Gasturbinenrotorschaufeln/Gasturbinenlaufschaufeln eine wärmebeständige Legierung (z.B. IN738LC; kommerzielles Legierungsmaterial angeboten durch Inco Limited) verwendet und in ähnlicher Art und Weise eine andere wärmebeständige Legierung (z.B. IN939; kommerzielles Legierungsmaterial durch angeboten Inco Limited) als ein Material der Gasturbinenstatorschaufel/Gasturbinenleitschaufel verwendet. Das bedeutet, dass als ein Material einer Turbinenschaufel eine wärmebeständige Legierung, die als das Basismaterial 11 in der keramischen Beschichtung 10 gemäß einigen der oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann, verwendet wird. Deswegen ist es möglich, eine Turbinenschaufel, die einen hohen thermischen Sperreffekt hat und eine Haltbarkeit hat, durch Anwenden der obigen keramischen Beschichtung 10 gemäß einigen oben beschriebenen Ausführungsformen auf die Turbinenschaufeln zu erhalten. Deswegen ist es möglich, die Turbinenschaufeln in einer Umgebung mit einer höheren Temperatur zu verwenden und Turbinenschaufeln mit langer Lebensdauer zu erhalten. Weiterhin, wenn die keramische Beschichtung 10 in einer Umgebung mit einer höheren Temperatur anwendbar ist, bedeutet dies, dass die Temperatur des Arbeitsfluids erhöht werden kann, und deswegen ist es auch möglich, die Gasturbineneffizienz zu erhöhen.
Wie oben beschrieben, weisen die Turbinenschaufeln 4 und 5, die die Turbinenelemente gemäß einigen Ausführungsformen sind, die keramische Beschichtung 10 gemäß einigen oben beschriebenen Ausführungsformen auf. Deswegen ist es möglich, die Anhaftfähigkeit zwischen der keramischen Schicht 13 und der Reparaturschicht 16 unter Aufrechterhaltung der Wärmewechselbeständigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Verschleißbeständigkeit der Reparaturschicht 16 gleich zu der der keramischen Schicht 13 zu verbessern, was es ermöglicht, die Haltbarkeit der Turbinenelemente zu verbessern.
Weiterhin weist die Gasturbine 6 gemäß einigen Ausführungsformen die Turbinenschaufeln 4, 5 auf, die die obigen Turbinenelemente sind, und deswegen ist es möglich, die Haltbarkeit der Turbinenelemente in der Gasturbine 6 zu verbessern.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden im Detail oben beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht hierauf begrenzt und verschiedene Änderungen und Abwandlungen können implementiert werden.
Beispielsweise ist in einigen oben beschriebenen Ausführungsformen die zweite keramische Schicht 16A die Reparaturschicht 16 und ist die Schicht, die gebildet wird, um die keramische Beschichtung 10 zu reparieren. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf begrenzt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung angewandt werden, wenn die keramische Beschichtung 10 auf dem Basismaterial 11 angewandt wird. In diesem Fall ist die zweite keramische Schicht 16A nicht die Reparaturschicht 16, die durch Reparaturen nachher gebildet wird, sondern eine Schicht, die von der Zeit der Bildung der keramischen Beschichtung 10 ab existiert.
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

JP 5909274 B [0006]

Claims

Ein Verfahren zum Reparieren einer keramischen Beschichtung umfassend: Bilden einer zweiten keramischen Schicht durch thermisches Sprühen keramischer Spritzpartikel auf einen Reparaturbereich der keramischen Beschichtung, in dem eine erste keramische Schicht gebildet ist, und Schmelzen eines Teils einer Grenzfläche auf einer Oberflächenseite der keramischen Beschichtung zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht durch Erwärmen des Teils.
Das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß Anspruch 1, wobei beim Schmelzen des Teiles ein oberflächlicher Abschnitt der zweiten keramischen Schicht zusätzlich zum Teil der Grenzfläche erwärmt und geschmolzen wird.
Das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite keramische Schicht eine höhere Porositätsrate hat als die erste keramische Schicht.
Das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei beim Bilden der zweiten keramischen Schicht die zweite keramische Schicht derart gebildet wird, dass sie eine Porositätsrate von 10% oder mehr und 30% oder weniger hat.
Das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei beim Schmelzen des Teils ein Laser, ein Elektronenstrahl oder ein Plasma aufgestrahlt wird, um selektiv einen oberflächlichen Bereich der keramischen Beschichtung aufweisend den Teil der Grenzfläche zu erwärmen und zu schmelzen.
Das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei beim Bilden der zweiten keramischen Schicht die zweite keramische Schicht benachbart zu der ersten keramischen Schicht in einer In-Ebenenrichtung der ersten keramischen Schicht gebildet wird.
Das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei beim Bilden der zweiten keramischen Schicht die zweite keramische Schicht mit der Grenzfläche derart gebildet wird, dass sie sich in einer Richtung in Bezug auf eine Dickenrichtung der ersten keramischen Schicht geneigt erstreckt.
Das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei beim Bilden der zweiten keramischen Schicht die zweite keramische Schicht durch thermisches Sprühen der keramischen Spritzpartikel vom gleichen Material wie ein Material der ersten keramischen Schicht auf den Reparaturbereich gebildet wird.
Das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste keramische Schicht durch thermisches Sprühen gebildet wird, und wobei beim Bilden der zweiten keramischen Schicht die zweite keramische Schicht durch thermisches Sprühen der keramischen Spritzpartikel auf den Reparaturbereich unter der gleichen Sprühbedingung wie eine Sprühbedingung zur Bildung der ersten keramischen Schicht gebildet wird.
Das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend das Behandeln einer Oberfläche des Reparaturbereichs.
Das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin umfassend das Entfernen eines Überfüllungsabschnitts der zweiten keramischen Schicht, der beim Bilden der zweiten keramischen Schicht gebildet wird.
Das Verfahren zum Reparieren der keramischen Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin umfassend ein Glätten einer Oberfläche eines geschmolzenen und erstarrten Abschnitts, der beim Schmelzen des Abschnitts gebildet wird.
Eine keramische Beschichtung umfassend: eine erste keramische Schicht, eine zweite keramische Schicht benachbart zu der ersten keramischen Schicht in einer In-Ebenenrichtung der ersten keramischen Schicht, und einen geschmolzen und erstarrten Abschnitt, erhalten durch Schmelzen und Erstarren wenigstens eines Teils einer Grenzfläche auf einer Oberflächenseite der ersten keramischen Schicht zwischen der ersten keramischen Schicht und der zweiten keramischen Schicht.
Die keramische Beschichtung gemäß Anspruch 13, wobei der geschmolzene und erstarrte Abschnitt eine Tiefe von 5 Mikrometer oder mehr und von 100 Mikrometer oder weniger hat.
Die keramische Beschichtung gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei der geschmolzene und erstarrte Abschnitt eine Breite von 1 mm oder mehr hat.
Die keramische Beschichtung gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei der geschmolzene und erstarrte Abschnitt in einem Zustand ist, wo ein oberflächlicher Abschnitt der zweiten keramischen Schicht zusätzlich zum Teil der Grenzfläche geschmolzen und erstarrt ist.
Die keramische Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die zweite keramische Schicht eine Porositätsrate von 10% oder mehr und 30% oder weniger hat.
Ein Turbinenelement umfassend die keramische Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17.
Eine Gasturbine umfassend das Turbinenelement gemäß Anspruch 18.