DE112016000738T5

DE112016000738T5 - Wärmedämmschicht, Turbinenelement, Gasturbine, und Herstellungsverfahren für Wärmedämmschicht

Info

Publication number: DE112016000738T5
Application number: DE112016000738.8T
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Inoue; Taiji Torigoe; Daisuke Kudo; Masamitsu Kuwabara; Kei Osawa; Yoshitaka Uemura; Naotoshi OKAYA
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2017-11-02
Also published as: US20180030584A1; KR20170102962A; WO2016129521A1; CN107208246A; JPWO2016129521A1

Abstract

Eine Wärmedämmschicht (100) umfasst ein wärmebeständiges, in einem Turbinenelement verwendetes Legierungssubstrat und eine auf dem wärmebeständigen Legierungssubstrat ausgebildete Keramikschicht (300), in welcher Vertikalrisse (C), die sich in Dickenrichtung erstrecken, entlang einer Oberflächenrichtung verteilt sind und in deren Innerem eine Vielzahl von Poren (P) enthalten ist. Es werden thermische Spritzpartikel, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, unter Wahrung eines thermischen Spritzabstands von 80 mm oder weniger thermisch aufgespritzt, wobei die Vertikalrisse (C) in einem Abstand von 0.5 Risse/mm bis 40 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt werden und die Keramikschicht (300) mit einer Porosität ausgebildet wird, welche bei gemeinsamer Berücksichtigung der Vertikalrisse (C) und der Poren (P) 4% bis 15% beträgt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmedämmschicht, ein Turbinenelement, eine Gasturbine, sowie ein Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht.
Es wird die Priorität der am 12. Februar 2015 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-025194 beansprucht, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme als eingeschlossen gilt.
Stand der Technik
In einer Gasturbine wird die Temperatur eines zu verwendenden Verbrennungsgases auf einen hohen Wert eingestellt, um die Effizienz der Gasturbine zu verbessern. Eine Wärmedämmschicht (TBC) wird auf Oberflächen von Turbinenschaufelelementen, wie beispielsweise von Laufschaufeln und Leitschaufeln, aufgebracht, welche dem auf hoher Temperatur befindlichen Verbrennungsgas ausgesetzt sind. Bei der Wärmedämmschicht handelt es sich um eine Schicht eines thermischen Spritzmaterials mit geringer Wärmeleitfähigkeit (beispielsweise eines auf Keramik basierenden Materials mit geringer Wärmeleitfähigkeit), welches durch thermisches Spritzen auf eine Oberfläche eines Turbinenelements, das ein thermisch zu bespritzendes Material darstellt, aufgebracht wird. Die Wärmeabschirmungseigenschaften sowie die Beständigkeit des Turbinenelements werden durch die Wärmedämmschicht verbessert.
Wie in PTL 1 beschrieben ist, beinhaltet eine Wärmedämmschicht beispielsweise eine als Unterschicht fungierende Metallbindungsschicht sowie eine auf der Metallbindungsschicht ausgebildete, als Deckschicht fungierende Keramikschicht auf einer Oberfläche eines als Basismaterial fungierenden wärmebeständigen Substrats. Die Keramikschicht wird durch thermisches Aufspritzen eines aus Keramikpulver und Harzpulver bestehenden Pulvergemischs auf die Unterschicht erzeugt. Die in PTL 1 beschriebene Keramikschicht ist derart konfiguriert, dass Vertikalrisse, bei welchen es sich um Risse handelt, die sich in Dickenrichtung erstrecken, und Poren entlang einer Oberflächenrichtung verteilt sind.
Literaturliste
Patentliteratur

[PTL 1] Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, erste Veröffentlichungsnr. 2013-181192

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Eine in PTL 1 beschriebene dichte Beschichtung mit Vertikalrissen wird als DVC(Dense Vertically Crack)-Beschichtung bezeichnet. Da es sich bei einer DVC-Beschichtung um eine dichte Struktur mit einer vertikalen Rissstruktur handelt, verbessert sich die Beständigkeit. Da die DVC-Beschichtung eine dichte Struktur aufweist, verringert sich indessen die Porosität, und verringern sich vermutlich die Wärmeabschirmungseigenschaften.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Wärmedämmschicht, in welcher die Wärmeabschirmungseigenschaften verbessert werden können während gleichzeitig eine ausreichende Beständigkeit gewährleistet wird, ein Turbinenelement, eine Gasturbine, sowie ein Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht bereit.
Lösung des Problems
Um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, schlägt die vorliegende Erfindung die folgenden Mittel vor.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Wärmedämmschicht bereitgestellt, welche ein wärmebeständiges, in einem Turbinenelement verwendetes Legierungssubstrat und eine auf dem wärmebeständigen Legierungssubstrat ausgebildete Keramikschicht umfasst, wobei Vertikalrisse, die sich in Dickenrichtung erstrecken, entlang einer Oberflächenrichtung verteilt sind und eine Vielzahl von Poren innerhalb der Keramikschicht enthalten ist, und wobei zur Ausbildung der Keramikschicht thermische Spritzpartikel, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, thermisch aufgespritzt werden.
Werden die thermischen Spritzpartikel zwecks Ausbildung der Keramikschicht thermisch auf das wärmebeständige Legierungssubstrat aufgespritzt, so werden gemäß dieser Konfiguration, da thermische Spritzpartikel zur Anwendung gelangen, die aus YbSZ bestehen und in denen der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, die Oberflächen der thermischen Spritzpartikel geschmolzen, während deren Kerne in einem ungeschmolzenen Zustand verbleiben. In der Keramikschicht bilden die verbliebenen Kerne der thermischen Spritzpartikel dementsprechend eine poröse Struktur aus, während die geschmolzenen Oberflächen der thermischen Spritzpartikel eine dichte Struktur ausbilden. Auf diese Weise ist es möglich, eine Keramikschicht mit poröser Struktur zu erhalten, welche Poren in einer zur Sicherstellung der Wärmeabschirmungseigenschaften erforderlichen Menge umfasst, und welche gleichzeitig eine zur Sicherstellung einer ausreichenden Beständigkeit erforderliche dichte, Vertikalrisse beinhaltende Struktur aufweist.
In der Keramikschicht der Wärmedämmschicht können die Vertikalrisse in einem Abstand von 0.5 Risse/mm bis 40 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sein, und kann die Porosität 4% bis 15% betragen.
In der Keramikschicht der Wärmedämmschicht können die Vertikalrisse in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 6 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sein, und kann die Porosität 9% bis 15% betragen.
In der Keramikschicht der Wärmedämmschicht können die Vertikalrisse in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 2 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sein, und kann die Porosität 9% bis 10% betragen.
Gemäß diesen Konfigurationen ist es möglich, mit hoher Präzision eine Keramikschicht mit verbesserten Wärmeabschirmungseigenschaften zu erhalten und gleichzeitig eine ausreichende Beständigkeit zu gewährleisten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Turbinenelement bereitgestellt, auf welchem die Wärmedämmschicht ausgebildet worden ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbine bereitgestellt, welche das Turbinenelement umfasst.
Gemäß diesen Konfigurationen ist es möglich, eine durch Langzeitexposition gegenüber hohen Temperaturen bedingte Schädigung des Turbinenelements zu vermeiden. Durch Ausdehnung der Zeitspanne zwischen einzelnen Wartungen ist es möglich, die Häufigkeit, mit welcher der Betrieb der Gasturbine unterbrochen werden muss, zu verringern.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht bereitgestellt, umfassend einen Keramikschicht-Fertigungsprozess, welcher das Ausbilden einer Keramikschicht auf einem wärmebeständigen, in einem Turbinenelement verwendeten Legierungssubstrat durch thermisches Aufspritzen von thermischen Spritzpartikeln, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, wobei in der Keramikschicht Vertikalrisse, die sich in Dickenrichtung erstrecken, entlang einer Oberflächenrichtung verteilt sind und eine Vielzahl von Poren innerhalb der Keramikschicht enthalten ist.
Werden die thermischen Spritzpartikel zwecks Ausbildung der Keramikschicht thermisch auf das wärmebeständige Legierungssubstrat aufgespritzt, so werden gemäß dieser Konfiguration, da thermische Spritzpartikel zur Anwendung gelangen, die aus YbSZ bestehen und in denen der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, die Oberflächen der thermischen Spritzpartikel geschmolzen, während deren Kerne in einem ungeschmolzenen Zustand verbleiben. In der Keramikschicht bilden die verbliebenen Kerne der thermischen Spritzpartikel dementsprechend eine poröse Struktur aus, während die geschmolzenen Oberflächen der thermischen Spritzpartikel eine dichte Struktur ausbilden. Auf diese Weise ist es möglich, eine Keramikschicht mit poröser Struktur zu erhalten, welche Poren in einer zur Sicherstellung der Wärmeabschirmungseigenschaften erforderlichen Menge umfasst, und welche gleichzeitig eine zur Sicherstellung einer ausreichenden Beständigkeit erforderliche dichte, Vertikalrisse beinhaltende Struktur aufweist.
In dem Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht kann die Keramikschicht im Rahmen des Keramikschicht-Fertigungsprozesses derart ausgebildet werden, dass die Vertikalrisse in einem Abstand von 0.5 Risse/mm bis 40 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind, und dass die Porosität 4% bis 15% beträgt.
In dem Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht kann die Keramikschicht im Rahmen des Keramikschicht-Fertigungsprozesses derart ausgebildet werden, dass die Vertikalrisse in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 6 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind, und dass die Porosität 9% bis 15% beträgt.
In dem Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht kann die Keramikschicht im Rahmen des Keramikschicht-Fertigungsprozesses derart ausgebildet werden, dass die Vertikalrisse in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 2 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind, und dass die Porosität 9% bis 10% beträgt.
Gemäß diesen Konfigurationen ist es möglich, mit hoher Präzision eine Keramikschicht mit verbesserten Wärmeabschirmungseigenschaften zu erhalten und gleichzeitig eine ausreichende Beständigkeit zu gewährleisten.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Da thermische Spritzpartikel verwendet werden, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Wärmeabschirmungseigenschaften zu verbessern und gleichzeitig eine ausreichende Beständigkeit zu gewährleisten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Strukturansicht einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Ansicht eines Aspekts, bei welchem im Rahmen der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Laufschaufel in einer Einspannvorrichtung fixiert worden ist.
3 ist eine Schnittansicht, welche eine schematische Anordnung einer Wärmedämmschicht in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem 50%-Partikeldurchmesser von thermischen Spritzpartikeln in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung und verschiedene Eigenschaften in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angibt.
4(a) ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung und der Anzahl an thermischen Spritzvorgängen angibt.
4(b) ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung und der Temperaturzyklusbeständigkeit angibt.
4(c) ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung und der Wärmeleitfähigkeit angibt.
5 ist ein Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens für ein thermisches Spritzpulver in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine vergrößerte Lichtbildaufnahme zur Erläuterung der Wärmedämmschicht in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 6 beschrieben.
Wie in 1 dargestellt ist, umfasst eine Gasturbine 1 dieser Ausführungsform einen Verdichter 2, eine Brennkammer 3, einen Turbinenkörper 4 und einen Rotor 5.
Der Verdichter 2 saugt eine große Menge an Luft an und verdichtet die Luft.
Die Brennkammer 3 vermischt die vom Verdichter 2 verdichtete Druckluft A mit einem Brennstoff und verbrennt das Gemisch.
Der Turbinenkörper 4 wandelt thermische Energie eines aus der Brennkammer 3 eingebrachten Verbrennungsgases G in Rotationsenergie um. In dem Turbinenkörper 4 wird die thermische Energie des Verbrennungsgases G durch Einblasen des Verbrennungsgases G in Laufschaufeln (Turbinenelemente) 7, welche in dem Rotor 5 bereitgestellt sind, in mechanische Rotationsenergie umgewandelt, und es wird Energie erzeugt. In dem Turbinenkörper 4 ist neben einer Vielzahl von Laufschaufeln 7 auf der Seite des Rotors 5 eine Vielzahl von Leitschaufeln (Turbinenelementen) 8 in einem Gehäuse 6 des Turbinenkörpers 4 bereitgestellt. In dem Turbinenkörper 4 sind die Laufschaufeln 7 und die Leitschaufeln 8 in axialer Richtung des Rotors 5 abwechselnd positioniert.
Der Rotor 5 überträgt einen Teil der Rotationsenergie des Turbinenkörpers 4 auf den Verdichter 2, um den Verdichter 2 in Rotation zu versetzen.
In dieser Ausführungsform wird nachfolgend die Laufschaufel 7 des Turbinenkörpers 4 als ein Beispiel des Turbinenelements der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie in 2 dargestellt ist, handelt es sich bei der Laufschaufel 7 beispielsweise um ein wärmebeständiges Legierungssubstrat, welches aus einer bekannten wärmebeständigen Legierung, wie etwa einer Ni-basierten Legierung, erzeugt worden ist. Die Laufschaufel 7 der vorliegenden Ausführungsform umfasst einen Schaufelkörperbereich 71, einen Standflächenbereich 72, und einen Schaufelfußbereich (nicht dargestellt). Der Schaufelkörperbereich 71 ist in einem Verbrennungsgas-Strömungskanal positioniert, durch welchen das auf hoher Temperatur befindliches Verbrennungsgas G im Inneren des Gehäuses 6 der Gasturbine 1 hindurchströmt. Der Standflächenbereich 72 ist an einem unteren Endbereich des Schaufelkörperbereichs 71 bereitgestellt und weist eine Oberfläche auf, welche eine Richtung kreuzt, in die sich der Schaufelkörperbereich 71 erstreckt. Der Schaufelfußbereich ragt in Richtung einer dem Schaufelkörperbereich 71 gegenüberliegenden Seite aus dem Standflächenbereich 72 hervor.
Wie in 3 dargestellt ist, wird eine Wärmedämmschicht 100 derart ausgebildet, dass sie die Oberfläche der als wärmebeständiges Legierungssubstrat fungierenden Laufschaufel 7 bedeckt. Was die Oberfläche der Laufschaufel 7 betrifft, so wird die Wärmedämmschicht 100 auf jeder der Oberflächen des Schaufelkörperbereichs 71 sowie auf der Oberfläche einer mit dem Schaufelkörperbereich 71 verbundenen Seite des Standflächenbereichs 72 ausgebildet. Die Wärmedämmschicht 100 der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine auf die Oberfläche der Laufschaufel 7 auflaminierte Metallbindungsschicht 200, sowie eine auf die Oberfläche der Metallbindungsschicht 200 auflaminierte Keramikschicht 300.
Die Metallbindungsschicht 200 verhindert ein Abblättern der Keramikschicht 300, und wird als verbindende Schicht mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit ausgebildet. Die Metallbindungsschicht 200 wird beispielsweise durch thermisches Aufspritzen eines metallischen, aus einer MCrAlY-Legierung bestehenden thermischen Spritzpulvers, bei welchem es sich um thermische Spritzpartikel handelt, auf die Oberfläche der Laufschaufel 7 erzeugt. Das ”M” in der die Metallbindungsschicht 200 bildenden MCrAlY-Legierung bezeichnet hierbei ein Metallelement, und bezeichnet beispielsweise ein einzelnes Metallelement wie NiCo, Ni oder Co, oder eine Kombination aus zwei oder mehreren hiervon. Die Metallbindungsschicht 200 der vorliegenden Ausführungsform ist ganzheitlich auflaminiert, um auf diese Weise jede der Oberflächen des Schaufelkörperbereichs 71 sowie die Oberfläche der mit dem Schaufelkörperbereich 71 verbundenen Seite des Standflächenbereichs 72 zu bedecken. Die Metallbindungsschicht 200 der vorliegenden Ausführungsform wird derart ausgebildet, dass sie eine Schichtdicke von etwa 0.05 mm bis 0.2 mm aufweist.
Bei der Keramikschicht 300 handelt es sich um eine Deckschicht, welche durch thermisches Aufspritzen der thermischen Spritzpartikel auf jene Oberfläche der Laufschaufel 7 erzeugt wird, auf der die Metallbindungsschicht 200 ausgebildet worden ist. Die Keramikschicht 300 stellt eine dichte DVC(Dense Vertically Crack)-Beschichtung dar, in welcher Vertikalrisse C, die sich in Dickenrichtung der Keramikschicht 300 erstrecken, entlang einer Oberflächenrichtung, in der sich die Oberfläche ausdehnt, verteilt sind und in welcher eine Vielzahl von Poren P innerhalb der Keramikschicht 300 enthalten ist. In der Keramikschicht 300 der vorliegenden Ausführungsform sind die Vertikalrisse C derart verteilt, dass die pro 1 mm vorliegenden Vertikalrisse C einen Abstand von 0.5 Risse/mm bis 40 Risse/mm aufweisen, wobei die Keramikschicht 300 derart ausgebildet wird, dass die Porosität von 4% bis 15% beträgt. Die Keramikschicht 300 wird derart ausgebildet, dass sie eine Schichtdicke von etwa 0.2 mm bis 1 mm aufweist.
In der Keramikschicht 300 sind die Vertikalrisse C bevorzugt derart verteilt, dass die pro 1 mm vorliegenden Vertikalrisse C einen Abstand von 1 Riss/mm bis 6 Risse/mm aufweisen, wobei die Keramikschicht 300 derart ausgebildet wird, dass die Porosität von 9% bis 15% beträgt. Stärker bevorzugt sind die Vertikalrisse C in der Keramikschicht 300 insbesondere derart verteilt, dass die pro 1 mm vorliegenden Vertikalrisse C einen Abstand von 1 Riss/mm bis 2 Risse/mm aufweisen, wobei die Keramikschicht 300 derart ausgebildet wird, dass die Porosität 9% bis 10% beträgt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Porosität nicht als Belegungsgrad pro Volumeneinheit definiert, welcher ausschließlich die Poren P berücksichtigt; vielmehr ist die Porosität als Belegungsgrad definiert, welcher die Vertikalrisse C und die Poren P gemeinsam berücksichtigt. Sofern der Porositätsbereich von 9% bis 10% der vorstehend beschriebenen Keramikschicht 300 als Belegungsgrad angegeben wird, welcher ausschließlich die Poren P pro Volumeneinheit berücksichtigt, so ist es dementsprechend bevorzugt, dass die Keramikschicht 300 der vorliegenden Ausführungsform derart ausgebildet wird, dass die Porosität der Keramikschicht 300 von 5% bis 7% beträgt.
Die die Keramikschicht 300 erzeugenden thermischen Spritzpartikel bestehen aus YbS (Ytterbium-stabilisiertes Zirkoniumoxid), bei welchem es sich um ZrO₂ handelt, das teilweise mit Yb₂O₃ stabilisiert worden ist. Die thermischen Spritzpartikel der vorliegenden Ausführungsform bestehen aus YbSZ und weisen eine Partikelgrößenverteilung auf, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt.
Wie in 4(a) dargestellt ist, liegt der Grund, warum der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung auf 100 μm oder weniger eingestellt wird, darin, dass sich in Fällen, in welchen die Partikeldurchmesser der thermischen Spritzpartikel zu groß sind und 100 μm übersteigen, beim thermischen Spritzen die Anzahl an thermischen Spritzvorgängen bis zur Beendigung der Schichtbildung signifikant erhöht, und sich rein praktisch die Herstellung verkompliziert. Wie in 4(b) dargestellt ist, liegt ein weiterer Grund darin, dass es in Fällen, in welchen die Partikeldurchmesser der thermischen Spritzpartikel einen 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung von 100 μm übersteigen, Schwierigkeiten bereitet, die Vertikalrisse C in der Keramikschicht 300 auszubilden, womit sich die Temperaturzyklusbeständigkeit verringert.
Der Grund, warum der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung auf 40 μm oder mehr eingestellt wird, liegt darin, dass in Fällen, in welchen die Partikeldurchmesser zu klein sind und der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung unterhalb von 40 μm liegt, die Keramikschicht 300 eine zu hohe Dichte aufweist und sich die Porosität verringert. Wie in 4(c) dargestellt ist, erhöht sich hierdurch die Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht 300, und verringern sich die Wärmeabschirmungseigenschaften.
Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform stellt die kumulative Partikelgrößenverteilung einen Wert dar, welcher die Größen von Partikeln als Pulver angibt, d. h. als Aggregat. Die kumulative Partikelgrößenverteilung repräsentiert eine Vielzahl von Messergebnissen in Form einer Häufigkeitsverteilung für jeden Partikeldurchmesser. Der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung wird auch als mittlerer Durchmesser bezeichnet. Der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung bezeichnet einen Partikeldurchmesser, bei welchem die Menge der Partikel mit größeren Durchmessern der Menge der Partikel mit kleineren Durchmessern entspricht, sofern das Pulver bei jenem Partikeldurchmesser in zwei Hälften geteilt wird.
Die Häufigkeitsverteilung für jeden Partikeldurchmesser der thermischen Spritzpartikel kann beispielsweise unter Einsatz einer Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung vom Laserbeugungstyp oder dergleichen gemessen werden.
Was den Anteil an zugegebenem Yb₂O₃ betrifft, so ergibt sich in der aus YbSZ erzeugten Keramikschicht 300 eine Verbesserung der Temperaturzyklusbeständigkeit, sofern die Zugabemenge an dem als Stabilisator fungierenden Yb₂O₃ auf 2 Gew.-% oder mehr erhöht wird. Dieser Effekt besteht, bis die zugegebene Menge 35 Gew.-% erreicht. Was die Temperaturzyklusbeständigkeit betrifft, so wird ein Temperaturzyklustest beispielsweise unter Einsatz der in den 7 oder 8 des japanischen Patents Nr. 4388466 dargestellten Vorrichtung durchgeführt. Unter dem Gesichtspunkt der Temperaturzyklusbeständigkeit beträgt eine wirksame Zugabemenge an Yb₂O₃ von 4 Gew.-% bis 30 Gew.-%. Sofern der Bereich der Zugabemenge an Yb₂O₃ auf 8 Gew.-% bis 27 Gew.-% eingestellt wird, so weist die Wärmedämmschicht 100 der vorliegenden Ausführungsform eine bessere Temperaturzyklusbeständigkeit auf. In Fällen, in welchen die Zugabemenge an Yb₂O₃ den oben erwähnten Bereich übersteigt, verringert sich die Temperaturzyklusbeständigkeit. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in Fällen, in welchen die Zugabemenge weniger als 8 Gew.-% beträgt, sich die Menge der in der Keramikschicht 300 verbliebenen monoklinen Phasen (m-Phasen) erhöht, wodurch sich die Beständigkeit verringert, und dass sich in Fällen, in welchen die Zugabemenge 25 Gew.-% übersteigt, die Keramikschicht 300 leicht in einen tetragonalen Kristall umwandelt und die Menge an t'-Phasen mit ausgezeichneter Beständigkeit abnimmt, wodurch sich die Beständigkeit der Keramikschicht 300 verringert.
Stärker bevorzugt beträgt die Zugabemenge an Yb₂O₃ von 10 Gew.-% bis 25 Gew.-%, und am stärksten bevorzugt beträgt die Zugabemenge an Yb₂O₃ von 12 Gew.-% bis 20 Gew.-%. Durch Einstellen der Zugabemenge auf diesen Bereich kann eine Wärmedämmschicht 100 mit verbesserter Temperaturzyklusbeständigkeit bereitgestellt werden.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht beschrieben, welches das Auflaminieren der Wärmedämmschicht 100 auf die Oberfläche der Laufschaufel 7 vorsieht.
Wie in 2 dargestellt ist, erfolgt die Durchführung des Herstellungsverfahrens für eine Wärmedämmschicht durch Fixieren der Laufschaufel 7 in einer Einspannvorrichtung 91, und thermisches Aufspritzen der thermischen Spritzpartikel auf die Oberfläche der Laufschaufel 7 unter Verwendung einer thermischen Spritzpistole 92. Das Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht der vorliegenden Ausführungsform umfasst einen Metallbindungsschicht-Fertigungsprozess, welcher das Ausbilden der Metallbindungsschicht 200 auf der Oberfläche der Laufschaufel 7 vorsieht, sowie einen Keramikschicht-Fertigungsprozess, welcher das Ausbilden der Keramikschicht 300 auf der Metallbindungsschicht 200 vorsieht.
Im Rahmen des Metallbindungsschicht-Fertigungsprozesses wird die Metallbindungsschicht 200 durch thermisches Aufspritzen eines metallischen, thermischen Spritzpulvers auf die Oberfläche der in der Einspannvorrichtung 91 fixierten Laufschaufel 7 erzeugt. Der Metallbindungsschicht-Fertigungsprozess der vorliegenden Ausführungsform wird auf der Oberfläche des Schaufelkörperbereichs 71 der Laufschaufel 7 sowie auf der Oberfläche der mit dem Schaufelkörperbereich 71 verbundenen Seite des Standflächenbereichs 72 durchgeführt. In dem Metallbindungsschicht-Fertigungsprozess wird die Metallbindungsschicht 200 beispielsweise durch thermisches Aufspritzen eines metallischen, aus einer MCrAlY-Legierung bestehenden thermischen Spritzpulvers auf die Oberfläche der Laufschaufel 7 unter Verwendung der thermischen Spritzpistole 92 und unter Einsatz eines atmosphärischen Plasmaspritzverfahrens erzeugt.
Im Rahmen des Keramikschicht-Fertigungsprozesses wird die Keramikschicht 300 durch thermisches Aufspritzen von thermischen, aus YbSZ bestehenden Spritzpartikeln von oberhalb der im Metallbindungsschicht-Fertigungsprozess erzeugten Metallbindungsschicht 200 in Richtung der Oberfläche der Laufschaufel 7 erzeugt. In dem Keramikschicht-Fertigungsprozess der vorliegenden Ausführungsform wird die Keramikschicht 300 durch thermisches Aufspritzen von thermischen Spritzpartikeln, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, auf die auf der Oberfläche der Laufschaufel 7 ausgebildete Metallbindungsschicht 200 unter Einsatz eines atmosphärischen Plasmaspritzverfahrens erzeugt. Bevorzugt wird der Keramikschicht-Fertigungsprozess beispielsweise derart durchgeführt, dass die Ausgangsleistung der thermischen Spritzpistole 92 auf eine Stromstärke von 500 A bis 800 A und eine Spannung auf 55 V bis 70 V eingestellt ist. Um die Keramikschicht 300 zu erhalten, welche eine poröse Struktur mit einer zur Sicherstellung der Wärmeabschirmungseigenschaften erforderlichen Menge an Poren P umfasst und gleichzeitig eine zur Sicherstellung einer ausreichenden Beständigkeit erforderliche dichte, Vertikalrissen C beinhaltende Struktur aufweist, wird der thermische Spritzabstand, bei welchem es sich um einen Abstand zwischen einem Auslass der thermischen Spritzpistole 92 und einer Oberfläche, auf welche die thermischen Spritzpartikel thermisch aufgespritzt werden, handelt, auf einen zwischen einem für thermisches Spritzen erforderlichen Mindestabstand und 80 mm oder weniger liegenden Bereich eingestellt, und wird stärker bevorzugt auf 70 mm oder weniger eingestellt. In dem Keramikschicht-Fertigungsprozess der vorliegenden Ausführungsform wird der thermische Spritzabstand beispielsweise auf 70 mm eingestellt.
Die in der vorliegenden Ausführungsform verwendeten thermischen, aus YbSZ bestehenden Spritzpartikel können mittels des nachfolgenden Verfahrens hergestellt werden.
Wie in 5 dargestellt ist, werden in dem Herstellungsverfahren für die thermischen, aus YbSZ bestehenden Spritzpartikel ZrO₂-Pulver und Yb₂O₃-Pulver in einem vorbestimmten Mengenverhältnis hergestellt (erste Prozesse S11 und S12). Die erzeugten Pulver sowie ein geeignetes Bindemittel und ein Dispergiermittel werden mittels einer Kugelmühle miteinander vermischt, um auf diese Weise eine Aufschlämmung zu erzeugen (zweiter Prozess S20). Als nächstes wird die erzeugte Aufschlämmung mittels eines Sprühtrockners granuliert und hierdurch getrocknet (dritter Prozess S30). Nachdem die Aufschlämmung getrocknet worden ist, wird die Aufschlämmung durch Diffusionswärmebehandlung, im Rahmen derer die Aufschlämmung auf einen Bereich von 1200°C bis 1600°C erwärmt wird, im festen Zustand gelöst (vierter Prozess S40). Dementsprechend werden thermische Spritzpartikel erhalten, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt.
In der vorstehend beschriebenen Wärmedämmschicht 100 oder dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht wird die Keramikschicht 300 aus thermischen Spritzpartikeln erzeugt, die aus YbSZ bestehen und in denen der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt. Werden die thermischen Spritzpartikel zwecks Ausbildung der Keramikschicht 300 thermisch auf die Laufschaufel 7 aufgespritzt, so werden die Oberflächen der thermischen Spritzpartikel geschmolzen, während deren Kerne in einem ungeschmolzenen Zustand verbleiben. In der Keramikschicht 300 bilden die verbliebenen Kerne der thermischen Spritzpartikel dementsprechend zum Teil poröse Strukturen aus, während die geschmolzenen Oberflächen der thermischen Spritzpartikel eine dichte Struktur ausbilden.
Wie in dem Beispiel der nachfolgenden Tabelle 1 oder der vergrößerten Lichtbildaufnahme von 6 dargestellt ist, ist es insbesondere möglich, eine Keramikschicht 300 zu erzeugen, in welcher die Vertikalrisse C in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 2 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind, und in welcher die Porosität, bei der es sich um einen Belegungsgrad pro Volumeneinheit handelt, welcher die Vertikalrisse C und die Poren P gemeinsam berücksichtigt, etwa 9% bis 10% beträgt.
In dem Vergleichsbeispiel 1 der Tabelle 1 sind in der durch thermisches Aufspritzen von thermischen Spritzpartikeln, die aus YbSZ bestehen und in denen der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung 30 μm beträgt, erzeugten Keramikschicht, selbst wenn es sich bei dem hierfür eingesetzten YbSZ um das gleiche wie im Beispiel handelt, die Vertikalrisse C in einem Abstand von 2 Risse/mm bis 40 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt, wobei die Porosität, bei der es sich um einen Belegungsgrad pro Volumeneinheit handelt, welcher die Vertikalrisse C und die Poren P gemeinsam berücksichtigt, etwa 8% beträgt. Dies bedeutet, dass es in Fällen, in welchen thermische Spritzpartikel verwendet werden, die aus YbSZ bestehen und in denen der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung 40 μm oder weniger beträgt, Schwierigkeiten bereitet, eine Keramikschicht 300 mit einer Struktur zu erhalten, in welcher die Vertikalrisse C in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 2 Risse/mm in Oberflächenbeschichtung verteilt sind, und in welcher die Porosität etwa 9% bis 10% beträgt.
Was die Charakteristika einer Keramikschicht 300 betrifft, welche aus thermischen Spritzpartikeln erzeugt worden ist, die aus YbSZ bestehen und in denen der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung 70 μm beträgt, so zeigt das Beispiel von Tabelle 1 einen Wärmeleitfähigkeitsquotienten (bezogen auf Vergleichsbeispiel 3) von 1.2 bis 1.5 sowie einen Temperaturzyklusbeständigkeitsquotienten (bezogen auf Vergleichsbeispiel 3) von etwa 1.5. Wie aus einem Vergleich zwischen dem Beispiel und dem Vergleichsbeispiel 1 von Tabelle 1 ersichtlich ist, sind die vorstehend beschriebenen Eigenschaften gegenüber den Eigenschaften einer Keramikschicht, welche aus thermischen Spritzpartikeln erzeugt worden ist, die aus YbSZ bestehen und in denen der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung 30 μm beträgt, verbessert. Somit ist ersichtlich, dass die Keramikschicht 300 des Beispiels eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1.6 bis 1.8 aufweist, was dem Wärmeleitfähigkeitsquotienten der Keramikschicht 300 des Vergleichsbeispiels 1 entspricht, womit die Wärmeabschirmungseigenschaften der Keramikschicht 300 des Beispiels besser sind. Es ist zudem ersichtlich, dass die Keramikschicht 300 des Vergleichsbeispiels 1 eine Temperaturzyklusbeständigkeit von 1.5 aufweist, was dem Temperaturzyklusbeständigkeitsquotienten der Keramikschicht 300 des Beispiels entspricht, womit die Keramikschicht 300 des Beispiels eine ausreichende Beständigkeit gewährleistet.
Durch Ausbilden der Keramikschicht 300 unter Einsatz von thermischen Spritzpartikeln, die aus YbSZ bestehen und in denen der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, ist es dementsprechend möglich, eine Keramikschicht 300 mit poröser Struktur zu erhalten, welche Poren P in einer zur Sicherstellung der Wärmeabschirmungseigenschaften erforderlichen Menge umfasst, und gleichzeitig eine zur Sicherstellung einer ausreichenden Beständigkeit erforderliche dichte, Vertikalrissen C beinhaltende Struktur aufweist. In der Wärmedämmschicht 100 der vorliegenden Ausführungsform ist es somit möglich, die Wärmeabschirmungseigenschaften zu verbessern und gleichzeitig eine ausreichende Beständigkeit zu gewährleisten.
Sofern die Keramikschicht 300 derart ausgebildet wird, dass die Vertikalrisse C in einem Abstand von 0.5 Risse/mm bis 40 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind und die Porosität etwa 4% bis 15% beträgt, ist es möglich, mit hoher Präzision eine Keramikschicht 300 mit verbesserten Wärmeabschirmungseigenschaften zu erhalten und gleichzeitig eine ausreichende Beständigkeit zu gewährleisten. Sofern die Keramikschicht 300 derart ausgebildet wird, dass die Vertikalrisse C in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 6 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind und die Porosität etwa 9% bis 15% beträgt, ist es möglich, ein verbessertes Betriebsverhalten zu erzielen. Sofern die Keramikschicht 300 derart ausgebildet wird, dass die Vertikalrisse C in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 2 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind und die Porosität etwa 9% bis 10% beträgt, ist es insbesondere möglich, mit höherer Präzision eine Keramikschicht 300 mit verbesserten Wärmeabschirmungseigenschaften zu erhalten und gleichzeitig eine ausreichende Beständigkeit zu gewährleisten. Insbesondere ist es möglich, eine Keramikschicht 300 mit verbessertem Betriebsverhalten zu erhalten, indem die Keramikschicht 300 mittels thermischen, aus YbSZ bestehenden Spritzpartikeln erzeugt wird.
Was das Vergleichsbeispiel 2 von Tabelle 1 betrifft, so ist es bei Verwendung von thermischen Spritzpartikeln, welche aus YSZ anstelle von YbSZ bestehen, selbst in Fällen, in welchen die Vertikalrisse C in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 2 Risse/mm in Oberflächenbeschichtung verteilt sind, nicht möglich, ausreichende Wärmeabschirmungseigenschaften zu erzielen. Somit ist beispielsweise ersichtlich, dass die Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht 300 des Beispiels geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht 300 des Vergleichsbeispiels 2, womit die Keramikschicht 300 des Vergleichsbeispiels 1 keine Wärmeabschirmungseigenschaften aufweisen kann, welche jenen der Keramikschicht 300 des Beispiels entsprechen.
Was das Vergleichsbeispiel 3 von Tabelle 1 betrifft, so ist ersichtlich, dass die Temperaturzyklusbeständigkeit von Vergleichsbeispiel 3, sofern die Temperaturzyklusbeständigkeit für die eine Porosität von etwa 10% realisierende und keinerlei Vertikalrisse C beinhaltende poröse Struktur auf 1 (Bezugsgröße) eingestellt wird, weniger als 1.3 beträgt, was dem Temperaturzyklusbeständigkeitsquotienten des ebenfalls YSZ als thermische Spritzpartikel nutzenden Vergleichsbeispiels 2 entspricht. Es ist zudem ersichtlich, dass die Temperaturzyklusbeständigkeit des Vergleichsbeispiels 3 weniger als 1.5 beträgt, was dem Temperaturzyklusbeständigkeitsquotienten des YbSZ als thermische Spritzpartikel nutzenden und Vertikalrisse C beinhaltenden Beispiels entspricht, und weniger als 1.5 beträgt, was dem Temperaturzyklusbeständigkeitsquotienten des YbSZ als thermische Spritzpartikel nutzenden und Vertikalrisse C beinhaltenden Vergleichsbeispiels 1 entspricht.
Im Vergleich zu einer Keramikschicht 300, welche aus thermischen Spritzpartikeln erzeugt wird, die aus YSZ bestehen und eine Struktur aufweisen, in welcher lediglich Vertikalrisse C in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 2 Risse/mm in Oberflächenbeschichtung verteilt sind und in welcher die Porosität etwa 10% beträgt, ist es mittels der Keramikschicht 300 der vorliegenden Ausführungsform möglich, ein besseres Betriebsverhalten zu erzielen.
Aus den Vergleichen zwischen dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 ist ersichtlich, dass die Hochtemperaturerosionseigenschaft, welche die Reibeigenschaften in einer Hochtemperaturumgebung bei einer TBC-Oberflächentemperatur von 1100°C angibt, ein gutes Betriebsverhalten zeigt. Dementsprechend ist es auch möglich, eine Beständigkeit gegenüber Erosion zu gewährleisten.
Es ist möglich, die Keramikschicht 300 aus thermischen Spritzpartikeln zu erzeugen, die ausschließlich aus YbSZ bestehen und kaum Verunreinigungen, wie beispielsweise Polyesterharz und Acrylsäureharz, beinhalten. Dementsprechend ist es möglich, die Poren P in einer zur Verbesserung der Wärmeabschirmungseigenschaften erforderlichen Menge in eine dichte, Vertikalrisse C beinhaltende Struktur einzubringen, ohne nach dem thermischen Spritzen eine Wärmebehandlung oder dergleichen durchzuführen. Aus diesem Grund ist es möglich, mittels einer geringen Anzahl an Prozessen eine Wärmedämmschicht 100 mit verbesserten Wärmeabschirmungseigenschaften zu erhalten, welche gleichzeitig eine ausreichende Beständigkeit gewährleistet.
In der Laufschaufel 7, bei welcher es sich um das Turbinenelement der vorstehend beschriebenen Ausführungsform handelt, ist es möglich, eine durch Langzeitexposition gegenüber hohen Temperaturen bedingte Schädigung der Laufschaufel 7 zu vermeiden. Durch Ausdehnung der Zeitspanne zwischen einzelnen Wartungen ist es möglich, die Häufigkeit, mit welcher der Betrieb der Gasturbine 1 unterbrochen werden muss, zu verringern.
Vorstehend wurde die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Allerdings stellen Konfigurationen und Kombinationen der Ausführungsform lediglich Beispiele dar, womit im Rahmen eines Bereichs, welcher vom Geist der vorliegenden Erfindung nicht abweicht, Ergänzungen, Auslassungen, Ersetzungen und andere Modifizierungen der Konfigurationen vorgenommen werden können. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsform beschränkt, sondern wird lediglich durch die Ansprüche beschränkt.
Darüber hinaus können die Metallbindungsschicht 200 oder die Keramikschicht 300 auch mittels eines Verfahrens erzeugt werden, welches sich von jenem der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet. Beispielsweise kann anstelle von atmosphärischem Plasmaspritzen auch Niederdruck-Plasmaspritzen, bei welchem es sich um ein thermoelektrisches Spritzverfahren handelt, zur Anwendung gelangen, oder es können Flammspritzen sowie Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, bei welchen es sich um thermische Spritzverfahren vom Gastyp handelt, zur Anwendung gelangen. Die Metallbindungsschicht 200 oder die Keramikschicht 300 können auch mittels eines Verfahrens erzeugt werden, welches kein thermisches Spritzverfahren beinhaltet, wobei beispielsweise ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren mittels Elektronenstrahl (Elektronenstrahl-PVD-Verfahren) zur Anwendung gelangen kann.
Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform werden die Metallbindungsschicht 200 und die Keramikschicht 300 jeweils derart ausgebildet, dass sie über den gesamten Bereich die gleiche Schichtdicke aufweist. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt, womit die Schichtdicke entsprechend den Bedingungen, unter welchen diese Schichten eingesetzt werden sollen, wie beispielsweise den Umgebungsbedingungen, in geeigneter Weise eingestellt werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform wird als ein Beispiel für das Turbinenelement die Laufschaufel 7 beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Bei dem Turbinenelement kann es sich beispielsweise auch um die Leitschaufel 8 handeln.
Im Rahmen des Keramikschicht-Fertigungsprozesses der vorliegenden Ausführungsform wird die Ausgangsleistung der thermischen Spritzpistole 92 auf eine Stromstärke von 500 A bis 800 A und eine Spannung auf 55 V bis 70 V eingestellt, und wird der thermische Spritzabstand auf 70 mm eingestellt. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Bedingungen beschränkt. In dem Keramikschicht-Fertigungsprozess können die Bedingungen, wie beispielsweise die Ausgangsleistung oder die thermische Spritzgeschwindigkeit, somit verändert werden, solange die Keramikschicht 300 derart ausgebildet wird, dass die Vertikalrisse C in einem Abstand von 0.5 Risse/mm bis 40 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind und die Porosität 9% bis 15% beträgt.
Industrielle Anwendbarkeit
Da thermische Spritzpartikel zur Anwendung gelangen, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in der kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, ist es gemäß der vorstehend beschriebenen Wärmedämmschicht 100 und dem Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht möglich, die Wärmeabschirmungseigenschaften zu verbessern und gleichzeitig eine ausreichende Beständigkeit zu gewährleisten.
Bezugszeichenliste

1: Gasturbine
2: Verdichter
3: Brennkammer
4: Turbinenkörper
5: Rotor
A: Druckluft
G: Verbrennungsgas
6: Gehäuse
7: Laufschaufel
71: Schaufelkörperbereich
72: Standflächenbereich
8: Leitschaufel
100: Wärmedämmschicht
200: Metallbindungsschicht
300: Keramikschicht
C: Vertikalriss
P: Pore
91: Einspannvorrichtung
92: Thermische Spritzpistole
S11, S12: erster Prozess
S20: zweiter Prozess
S30: dritter Prozess
S40: vierter Prozess

Claims

Wärmedämmschicht, umfassend: ein wärmebeständiges, in einem Turbinenelement verwendetes Legierungssubstrat; und eine auf dem wärmebeständigen Legierungssubstrat ausgebildete Keramikschicht, wobei Vertikalrisse, die sich in Dickenrichtung erstrecken, entlang einer Oberflächenrichtung verteilt sind und eine Vielzahl von Poren innerhalb der Keramikschicht enthalten ist, wobei thermische Spritzpartikel, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, unter Wahrung eines thermischen Spritzabstands von 80 mm oder weniger thermisch aufgespritzt worden sind, die Vertikalrisse in einem Abstand von 0.5 Risse/mm bis 40 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind, und die Keramikschicht eine Porosität aufweist, welche bei gemeinsamer Berücksichtigung der Vertikalrisse und der Poren 4% bis 15% beträgt.
Wärmedämmschicht, umfassend: ein wärmebeständiges, in einem Turbinenelement verwendetes Legierungssubstrat; und eine auf dem wärmebeständigen Legierungssubstrat ausgebildete Keramikschicht, wobei Vertikalrisse, die sich in Dickenrichtung erstrecken, entlang einer Oberflächenrichtung verteilt sind und eine Vielzahl von Poren innerhalb der Keramikschicht enthalten ist, wobei thermische Spritzpartikel, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, unter Wahrung eines thermischen Spritzabstands von 80 mm oder weniger thermisch aufgespritzt worden sind, die Vertikalrisse in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 6 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind, und die Keramikschicht eine Porosität aufweist, welche bei gemeinsamer Berücksichtigung der Vertikalrisse und der Poren 9% bis 15% beträgt.
Wärmedämmschicht, umfassend: ein wärmebeständiges, in einem Turbinenelement verwendetes Legierungssubstrat; und eine auf dem wärmebeständigen Legierungssubstrat ausgebildete Keramikschicht, wobei Vertikalrisse, die sich in Dickenrichtung erstrecken, entlang einer Oberflächenrichtung verteilt sind und eine Vielzahl von Poren innerhalb der Keramikschicht enthalten ist, wobei thermische Spritzpartikel, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, unter Wahrung eines thermischen Spritzabstands von 80 mm oder weniger thermisch aufgespritzt worden sind, die Vertikalrisse in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 2 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind, und die Keramikschicht eine Porosität aufweist, welche bei gemeinsamer Berücksichtigung der Vertikalrisse und der Poren 9% bis 10% beträgt.
Turbinenelement, umfassend die Wärmedämmschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Gasturbine, umfassend das Turbinenelement nach Anspruch 4.
Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht, umfassend: einen Keramikschicht-Fertigungsprozess, welcher das Ausbilden einer Keramikschicht auf einem wärmebeständigen, in einem Turbinenelement verwendeten Legierungssubstrat durch thermisches Aufspritzen von thermischen Spritzpartikeln, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, unter Wahrung eines thermischen Spritzabstands von 80 mm oder weniger vorsieht, wobei in der Keramikschicht Vertikalrisse, die sich in Dickenrichtung erstrecken, entlang einer Oberflächenrichtung verteilt sind und die Vertikalrisse in einem Abstand von 0.5 Risse/mm bis 40 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind, und wobei eine Vielzahl von Poren innerhalb der Keramikschicht enthalten ist und die Porosität der Keramikschicht bei gemeinsamer Berücksichtigung der Vertikalrisse und der Poren 4% bis 15% beträgt.
Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht, umfassend: einen Keramikschicht-Fertigungsprozess, welcher das Ausbilden einer Keramikschicht auf einem wärmebeständigen, in einem Turbinenelement verwendeten Legierungssubstrat durch thermisches Aufspritzen von thermischen Spritzpartikeln, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, unter Wahrung eines thermischen Spritzabstands von 80 mm oder weniger vorsieht, wobei in der Keramikschicht Vertikalrisse, die sich in Dickenrichtung erstrecken, entlang einer Oberflächenrichtung verteilt sind und die Vertikalrisse in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 6 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind, und wobei eine Vielzahl von Poren innerhalb der Keramikschicht enthalten ist und die Porosität der Keramikschicht bei gemeinsamer Berücksichtigung der Vertikalrisse und der Poren 9% bis 15% beträgt.
Herstellungsverfahren für eine Wärmedämmschicht, umfassend: einen Keramikschicht-Fertigungsprozess, welcher das Ausbilden einer Keramikschicht auf einem wärmebeständigen, in einem Turbinenelement verwendeten Legierungssubstrat durch thermisches Aufspritzen von thermischen Spritzpartikeln, die aus YbSZ bestehen und eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, in welcher der 50%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung von 40 μm bis 100 μm beträgt, unter Wahrung eines thermischen Spritzabstands von 80 mm oder weniger vorsieht, wobei in der Keramikschicht Vertikalrisse, die sich in Dickenrichtung erstrecken, entlang einer Oberflächenrichtung verteilt sind und die Vertikalrisse in einem Abstand von 1 Riss/mm bis 2 Risse/mm in Oberflächenrichtung verteilt sind, und wobei eine Vielzahl von Poren innerhalb der Keramikschicht enthalten ist und die Porosität der Keramikschicht bei gemeinsamer Berücksichtigung der Vertikalrisse und der Poren 9% bis 10% beträgt.