DE112017005103T5

DE112017005103T5 - Wärmedämmschicht, turbinenelement, und wärmedämmschichtverfahren

Info

Publication number: DE112017005103T5
Application number: DE112017005103.7T
Authority: DE
Inventors: Taiji Torigoe; Yoshifumi Okajima; Daisuke Kudo; Hiroyuki Mitsui; Masahiko Mega; Shuji TANIGAWA
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2019-08-01
Anticipated expiration: 2037-09-14
Also published as: KR102245879B1; US20190233929A1; US10947615B2; KR20190017897A; JP6607837B2; DE112017005103B4; JP2018059465A; CN109415978A; WO2018066330A1

Abstract

Es wird verhindert, dass sich eine Wärmedämmschicht in einer sulfathaltigen Umgebung abtrennt. Eine Wärmedämmschicht (40) umfasst: eine Haftüberzugsschicht (50), bei welcher es sich um eine auf einem Basismaterial (110) ausgebildete metallische Haftschicht handelt; eine Decküberzugsschicht (60), bei welcher es sich um eine auf der Haftüberzugsschicht (50) ausgebildete keramikhaltige Schicht handelt; und eine Schutzschicht (70), welche auf der Decküberzugsschicht (60) ausgebildet ist und hauptsächlich SrSOenthält.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmedämmschicht, ein Turbinenelement, sowie ein Wärmedämmschichtverfahren.
Hintergrund
Eine Gasturbine umfasst einen Verdichter, einen Brenner und eine Turbine. Ein mit der Turbine verbundener Stromerzeuger wird auf nachfolgende Art und Weise betrieben: Luft, welche von einer Luftansaugöffnung angesaugt worden ist, wird in komprimierte Luft mit hoher Temperatur und hohem Druck umgewandelt, indem sie von dem Verdichter verdichtet wird; diese komprimierte Luft wird anschließend zusammen mit Brennstoff, welcher in diese Luft eingebracht worden ist, in dem Brenner verbrannt, so dass ein Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgas (Arbeitsfluid) erhalten wird; und die Turbine wird von diesem Verbrennungsgas angetrieben. Um eine hohe Effizienz der Gasturbine zu erzielen, wird bei einer solchen Gasturbine die Verbrennungstemperatur in dem Brenner auf einen hohen Wert eingestellt, wobei die Laufschaufeln und Leitschaufeln der Turbine, welche einem Hochtemperaturverbrennungsgas (Abgas) ausgesetzt sind, auf ihren Oberflächen Wärmedämmschichten (TBC) aufweisen. Eine Wärmedämmschicht wird durch Ausbilden eines thermischen Spritzmaterials auf einer Oberfläche einer Turbinenlaufschaufel oder dergleichen durch thermisches Spritzen erhalten, wobei das thermische Spritzmaterial eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist (beispielsweise ein keramikbasiertes Material mit geringer thermischer Leitfähigkeit). Patentliteratur 1 offenbart ein Gasturbinenmotorenelement mit einer hierauf geschichtet aufgebrachten Wärmedämmschicht.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2013-60661
Zusammenfassung
Technisches Problem
Die vergangenen Jahre zeigen eine steigende Nachfrage nach Gasturbinen, welche mit Flüssigbrennstoff, wie beispielsweise Schweröl, anstelle von Gas betrieben werden können. Eine mit Öl betriebene Gasturbine, in welcher Flüssigbrennstoff wie beispielsweise Schweröl zur Anwendung gelangt, ist möglicherweise Sulfaten wie beispielsweise Natriumsulfat ausgesetzt, welche aus in dem Flüssigbrennstoff enthaltenen Elementen erzeugt werden. Dieses Sulfat kann in eine Wärmedämmschicht eindringen und zu einer Abtrennung der Wärmedämmschicht führen. Aufgrund der Abtrennung der Wärmedämmschicht ist das Basismaterial des Turbinenelements einer hohen Temperatur ausgesetzt, wodurch das Risiko einer Verkürzung der Lebensdauer des Turbinenelements besteht.
Aus diesem Grund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmedämmschicht, ein Turbinenelement, sowie ein Wärmedämmschichtverfahren bereitzustellen, welche(s) die Abtrennung in einer sulfathaltigen Umgebung verhindert.
Lösung des Problems
Um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen und die gestellte Aufgabe zu erfüllen, umfasst eine Wärmedämmschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Haftüberzugsschicht, bei welcher es sich um eine auf einem Basismaterial ausgebildete metallische Haftschicht handelt; eine Decküberzugsschicht, bei welcher es sich um eine auf der Haftüberzugsschicht ausgebildete keramikhaltige Schicht handelt; und eine Schutzschicht, welche auf der Decküberzugsschicht ausgebildet ist und hauptsächlich SrSO₄ enthält.
Das in einer Schutzschicht enthaltene SrSO₄ ermöglicht es der Wärmedämmschicht, das Eindringen von Sulfat wie beispielsweise Natriumsulfat in eine Decküberzugsschicht zu verhindern. Die Wärmedämmschicht kann sich somit selbst vor einer Abtrennung von einem Basismaterial in einer sulfathaltigen Umgebung schützen.
In der Wärmedämmschicht weist die Decküberzugsschicht vorzugsweise eine Vielzahl von Hohlräumen auf. Diese Wärmedämmschicht besitzt aufgrund von Hohlräumen in der Decküberzugsschicht nicht nur verbesserte Wärmedämmeigenschaften, sondern verhindert aufgrund der Schutzschicht in vorteilhafter Art und Weise auch das Eindringen von Sulfat aus den Hohlräumen in die Decküberzugsschicht.
In der Wärmedämmschicht handelt es sich bei der Decküberzugsschicht vorzugsweise um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht. Diese Wärmedämmschicht kann aufgrund der Schutzschicht nicht nur das Eindringen von Sulfat verhindern, sondern besitzt aufgrund der Decküberzugsschicht, bei welcher es sich um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht handelt, auch eine verbesserte Wärmezyklus-Haltbarkeit und eine verbesserte Erosionsbeständigkeit.
In der Wärmedämmschicht weist die Schutzschicht vorzugsweise eine Porosität von 0.1% bis 5% auf. In dieser Wärmedämmschicht wird die Schutzschicht mit geringer Porosität bereitgestellt, wodurch in noch geeigneterer Weise das Eindringen von Sulfat verhindert werden kann.
Um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen und die gestellte Aufgabe zu erfüllen, umfasst eine Wärmedämmschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Haftüberzugsschicht, bei welcher es sich um eine auf einem Basismaterial ausgebildete metallische Haftschicht handelt; und eine Decküberzugsschicht, bei welcher es sich um eine auf der Haftüberzugsschicht ausgebildete keramikhaltige Schicht handelt und welche eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist. Die Decküberzugsschicht weist eine Schutzsubstanz im Inneren der Hohlräume auf, wobei die Schutzsubstanz hauptsächlich SrSO₄ enthält.
Diese Wärmedämmschicht enthält eine Schutzsubstanz in den Hohlräumen, welche Wege darstellen, über welche Sulfat wie beispielsweise Natriumsulfat eindringt. Somit versetzt das in der Schutzsubstanz enthaltene SrSO₄ diese Wärmedämmschicht in die Lage, das Eindringen von Sulfat nach innen zu verhindern. Die Wärmedämmschicht kann somit das Eindringen von Sulfat in die Decküberzugsschicht verhindern, und kann dementsprechend sich selbst vor einer Abtrennung vom Basismaterial in einer sulfathaltigen Umgebung schützen.
In der Wärmedämmschicht ist es bevorzugt, dass es sich bei der Decküberzugsschicht um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht handelt, welche die Schutzsubstanz im Inneren von Rissen in der dichten, vertikal gerissenen Überzugsschicht aufweist. Indem eine Schutzsubstanz in Rissen, welche Wege darstellen, über welche Sulfat eindringt, angeordnet ist, verhindert diese Wärmedämmschicht das Eindringen von Sulfat in die Decküberzugsschicht. Diese Wärmedämmschicht kann aufgrund der Schutzsubstanz nicht nur das Eindringen von Sulfat verhindern, sondern zeigt aufgrund der Decküberzugsschicht, bei welcher es sich um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht handelt, auch eine verbesserte Wärmezyklus-Haltbarkeit und eine verbesserte Erosionsbeständigkeit.
Um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen und die gestellte Aufgabe zu erfüllen, umfasst ein Turbinenelement gemäß der vorliegenden Offenbarung die Wärmedämmschicht auf einer Oberfläche hiervon. Bei diesem Turbinenelement ist die Wärmedämmschicht auf einer Oberfläche hiervon angeordnet, wodurch das Eindringen von Sulfat in die Decküberzugsschicht verhindert werden kann, und dementsprechend eine Abtrennung der Wärmedämmschicht in einer sulfathaltigen Umgebung verhindert werden kann.
Um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen und die gestellte Aufgabe zu erfüllen, umfasst ein Wärmedämmschichtverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Haftüberzugsschicht-Ausbildungsschritt, welcher das Ausbilden einer Haftüberzugsschicht, bei der es sich um eine metallische Haftschicht handelt, auf einem Basismaterial vorsieht; einen Decküberzugsschicht-Ausbildungsschritt, welcher das Ausbilden einer Decküberzugsschicht, bei der es sich um eine keramikhaltige Schicht handelt, auf der Haftüberzugsschicht vorsieht; und einen Schutzschicht-Ausbildungsschritt, welcher das Ausbilden einer hauptsächlich SrSO₄ enthaltenden Schutzschicht auf der Decküberzugsschicht vorsieht. Dieses Wärmedämmschichtverfahren umfasst das Ausbilden der Schutzschicht, wodurch eine Abtrennung der Decküberzugsschicht in einer sulfathaltigen Umgebung verhindert werden kann.
Um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen und die gestellte Aufgabe zu erfüllen, umfasst ein Wärmedämmschichtverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Haftüberzugsschicht-Ausbildungsschritt, welcher das Ausbilden einer Haftüberzugsschicht, bei der es sich um eine metallische Haftschicht handelt, auf einem Basismaterial vorsieht; einen Decküberzugsschicht-Ausbildungsschritt, welcher das Ausbilden einer Decküberzugsschicht, bei der es sich um eine keramikhaltige Schicht handelt und die eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist, auf der Haftüberzugsschicht vorsieht; und einen Schutzsubstanz-Einbringungsschritt, welcher das Einbringen einer hauptsächlich SrSO₄ enthaltenden Schutzsubstanz in das Innere der Hohlräume der Decküberzugsschicht vorsieht. Dieses Wärmedämmschichtverfahren umfasst das Einbringen der Schutzsubstanz in die Decküberzugsschicht, wodurch eine Abtrennung der Decküberzugsschicht in einer sulfathaltigen Umgebung verhindert werden kann.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Abtrennung einer Wärmedämmschicht in einer sulfathaltigen Umgebung verhindert werden.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Gasturbine gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Wärmedämmschicht gemäß der ersten Ausführungsform.
3 ist ein Flussdiagramm, welches Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht gemäß der ersten Ausführungsform erläutert.
4 ist eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Beispiels der Wärmedämmschicht gemäß der ersten Ausführungsform.
5 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Wärmedämmschicht gemäß einer zweiten Ausführungsform.
6 ist ein Flussdiagramm, welches Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht gemäß der zweiten Ausführungsform erläutert.
7 ist eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Beispiels der Wärmedämmschicht gemäß der zweiten Ausführungsform.
8 ist eine Darstellung, welche einen Schnitt einer Probe in Beispiel 2 veranschaulicht.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Es ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen die vorliegende Erfindung in irgendeiner Art und Weise beschränken, wobei, wenn zwei oder mehr Ausführungsformen angegeben sind, eine Kombination von Beispielen eine Ausführungsform darstellen soll.
Erste Ausführungsform
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Gasturbine gemäß einer ersten Ausführungsform. Während als Beispiel der ersten Ausführungsform eine in 1 veranschaulichte, industrielle Gasturbine 10 beschrieben ist, umfassen geeignete Gasturbinen auch eine Gasturbine zur Anwendung in der Luftfahrt.
Wie in 1 veranschaulicht ist, umfasst die Gasturbine 10 einen Verdichter 1, Brenner 2 und eine Turbine 3. Die Gasturbine 10 umfasst eine als rotierende Welle fungierende Turbinenwelle 4, welche in Mittelbereichen des Verdichters 1, der Brenner 2 und der Turbine 3 angeordnet ist und diese jeweils durchdringt. Der Verdichter 1, die Brenner 2 und die Turbine 3 erstrecken sich entlang eines Wellenmittelpunkts R der Turbinenwelle 4, und sind in einer Reihe ausgehend von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite einer Luftströmung angeordnet. In der nachfolgenden Beschreibung bezeichnet eine Axialrichtung eine Richtung parallel zum Wellenmittelpunkt R, bezeichnet eine Umfangsrichtung eine am Wellenmittelpunkt R zentrierte Kreisrichtung, und bezeichnet eine Radialrichtung eine Richtung senkrecht zum Wellenmittelpunkt R.
Der Verdichter 1 ist derart ausgestaltet, dass er Luft verdichtet und hierbei komprimierte Luft erzeugt. Der Verdichter 1 umfasst Verdichterleitschaufeln 13 und Verdichterlaufschaufeln 14, welche in einem Verdichtergehäuse 12 mit einer Luftansaugöffnung 11, über die Luft angesaugt wird, angeordnet sind. Die mehreren Verdichterleitschaufeln 13 sind in Umfangsrichtung und in einer Reihe angeordnet, und sind am Verdichtergehäuse 12 befestigt. Die mehreren Verdichterlaufschaufeln 14 sind in Umfangsrichtung und in einer Reihe angeordnet, und sind an der Turbinenwelle 4 befestigt. Die Verdichterleitschaufeln 13 und die Verdichterlaufschaufeln 14 sind in Axialrichtung abwechselnd angeordnet.
Die Brenner 2 führen der komprimierten Luft, welche durch Verdichten von Luft im Verdichter 1 erhalten worden ist, Brennstoff zu, und erzeugen hierbei ein Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgas. Die Brenner 2 umfassen jeweils einen als Brennkammer fungierenden Innenzylinder 21, in welchem komprimierte Luft und Brennstoff miteinander vermischt und verbrannt werden; ein Übergangsstück 22, welches Verbrennungsgas aus dem Innenzylinder 21 zur Turbine 3 leitet; und einen Außenzylinder 23, welcher den äußeren Umfang des Innenzylinders 21 bedeckt und einen Luftkanal 25 ausbildet, der komprimierte Luft aus dem Verdichter 1 zum Innenzylinder 21 leitet. Die mehreren (beispielsweise 16) Brenner 2 sind hinsichtlich eines Brennergehäuses 24 in einer Reihe in Umfangsrichtung angeordnet. Bei dem den Brennern 2 zuzuführenden Brennstoff handelt es sich um Gas, oder um einen Flüssigbrennstoff wie beispielsweise Schweröl.
Die Turbine 3 erzeugt unter Einsatz des durch Verbrennung in den Brennern 2 erhaltenen Verbrennungsgases eine Drehkraft. Die Turbine 3 weist Turbinenleitschaufeln 32 und Turbinenlaufschaufeln 33 auf, welche in einem Turbinengehäuse 31 angeordnet sind. Die mehreren Turbinenleitschaufeln 32 sind in Umfangsrichtung und in einer Reihe angeordnet, und sind am Turbinengehäuse 31 befestigt. Die mehreren Turbinenlaufschaufeln 33 sind in Umfangsrichtung und in einer Reihe angeordnet, und sind an der Turbinenwelle 4 befestigt. Diese Turbinenleitschaufeln 32 und Turbinenlaufschaufeln 33 sind in Axialrichtung abwechselnd angeordnet. Im hinteren Bereich des Turbinengehäuses 31 ist zusätzlich eine Abgaskammer 34 angeordnet, welche in die Turbine 3 hineinreicht und einen Abgasdiffusor 34a umfasst.
Ein auf der Seite des Verdichters 1 befindliches Ende der Turbinenwelle 4 wird von einem Lagerteil 41 geträgert, und das andere, auf der Seite der Abgaskammer 34 befindliche Ende wird von einem Lagerteil 42 geträgert. Die Turbinenwelle 4 ist somit drehbar um den Wellenmittelpunkt R gelagert. Weiterhin ist eine nicht dargestellte Antriebswelle eines Generators mit dem auf der Seite des Verdichters 1 befindlichen Ende der Turbinenwelle 4 verbunden.
Die derart ausgestaltete Gasturbine 10 bedingt, dass sich Luft, welche über die Luftansaugöffnung 11 des Verdichters 1 angesaugt worden ist, in Hochtemperatur- und Hochdruckluft umwandelt, indem sie die Vielzahl von Verdichterleitschaufeln 13 und die Vielzahl von Verdichterlaufschaufeln 14 passiert und hierbei verdichtet wird. Diese komprimierte Luft wird zusammen mit darin eingemischtem Brennstoff in dem Brenner 2 verbrannt, so dass ein Hochtemperatur- und Hochdruckverbrennungsgas erzeugt wird. Dieses Verbrennungsgas passiert anschließend die Turbinenleitschaufeln 32 und die Turbinenlaufschaufeln 33 der Turbine 3, wobei die Turbinenwelle 4 in Drehung zu versetzt und angetrieben wird und dementsprechend eine Drehkraft auf den mit dieser Turbinenwelle 4 gekoppelten Stromerzeuger unter Erzeugung von Strom ausgeübt wird. Das beim Drehantreiben der Turbinenwelle 4 erzeugte Abgas wird über den Abgasdiffusor 34a der Abgaskammer 34 in die Atmosphäre abgeführt.
2 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Wärmedämmschicht gemäß der ersten Ausführungsform. Eine Wärmedämmschicht 40 gemäß der ersten Ausführungsform ist auf einer Oberfläche eines Turbinenelements 100 ausgebildet, welches ein Element der Gasturbine 10 darstellt. Bei dem Turbinenelement 100 handelt es sich um ein hohen Temperaturen ausgesetztes Element unter den Elementen der Gasturbine 10, und handelt es sich beispielhaft um eine Turbinenlaufschaufel und eine Turbinenleitschaufel. Wie in 2 veranschaulicht ist, wird die Wärmedämmschicht 40 insbesondere auf eine Oberfläche 112 eines Basismaterials 110 des Turbinenelements 100 aufgebracht.
Wie in 2 veranschaulicht ist, umfasst die Wärmedämmschicht 40 eine Haftüberzugsschicht 50, eine Decküberzugsschicht 60 und eine Schutzschicht 70.
Die Haftüberzugsschicht 50 wird auf dem Basismaterial 110, d.h. auf der Oberfläche 112 des Basismaterials 110, ausgebildet (aufgeschichtet). Bei der Haftüberzugsschicht 50 handelt es sich um eine metallische Überzugsschicht, welche aus einer MCrAlY-Legierung oder dergleichen gebildet wird. Hierin steht M für ein Metallelement wie beispielsweise Co, Ni, CoNi oder NiC. Die Haftüberzugsschicht 50 weist eine Dicke von beispielsweise 50 µm bis 300 µm auf. Allerdings ist die Dicke nicht hierauf beschränkt und kann je nach Bedarf eingestellt werden. Die Haftüberzugsschicht 50 ist als Schicht ausgebildet, um auf diese Weise eine Trennung zwischen dem Basismaterial 110 und der Decküberzugsschicht 60 zu verhindern, und um die Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit zu verbessern.
Die Haftüberzugsschicht 50 wird durch thermisches Spritzen, insbesondere Niederdruck-Plasmaspritzen (LPPS), mit Partikeln der als thermisches Spritzmaterial fungierenden MCrAlY-Legierung oder dergleichen als Film auf der Oberfläche 112 des Basismaterials 110 ausgebildet. Allerdings ist ein zur Ausbildung der Haftüberzugsschicht 50 als Film zu verwendendes Verfahren nicht auf LPPS beschränkt. So kann eine Ausbildung der Haftüberzugsschicht 50 als Film auf der Oberfläche 112 beispielsweise auch unter Einsatz eines anderen thermischen Spritzverfahrens, wie beispielsweise Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) oder atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), erfolgen. Alternativ kann die Ausbildung der Haftüberzugsschicht 50 als Film unter Einsatz eines Gasphasenabscheidungsverfahrens wie beispielsweise Elektronenstrahlverdampfung (EB-PVD) erfolgen.

Für die Haftüberzugsschicht 50 gelangt beispielsweise LPPS mit den in der nachfolgenden Tabelle 1 angegebenen thermischen Spritzbedingungen zur Anwendung. Allerdings sind die thermischen Spritzbedingungen nicht hierauf beschränkt und können je nach Bedarf eingestellt werden. Tabelle 1

Bedingungsobjekt	Kategorie	Reinigung	Vorerwärmung	thermisches Spritzen
Kammer	(mbar)	30 bis 40	45 bis 55	55 bis 65
Spritzabstand	(mm)	250 bis 275	290 bis 320	270 bis 280
Durchflussvolumen an Ar	(l/min)	50 bis 60	45 bis 55	40 bis 50
Durchflussvolumen an H₂	(l/min)	0	7 bis 9	8 bis 10
Strom	(Amp)	490 bis 510	590 bis 610	670 bis 700
Spannung	(V)	58 bis 62	60 bis 65	62 bis 67
Zufuhr an Pulver	(%)	-	-	12 bis 16
Übernahmestrom	(A)	45 bis 55	-	-
Durchflussvolumen an Trägergas	(l/min)	-	1.8 bis 2.0	1.8 bis 2.0

Die Decküberzugsschicht 60 wird auf der Haftüberzugsschicht 50, d.h. auf einer Oberfläche 52 der Haftüberzugsschicht 50, ausgebildet (aufgeschichtet). Bei der Oberfläche 52 handelt es sich um eine Oberfläche der Haftüberzugsschicht 50, welche dem Basismaterial 110 abgewandt ist. Die Decküberzugsschicht 60 ist eine Schicht, welche hauptsächlich Keramik enthält. Insbesondere wird die Decküberzugsschicht 60 aus einem teilweise stabilisierten Zirkoniumoxid-basierten Material gebildet. Als teilweise stabilisiertes Zirkoniumoxid-basiertes Material gelangt Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ), Ytterbiumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YbSZ), mit Erbiumoxid teilweise stabilisiertes Zirkoniumoxid (ErSZ), oder dergleichen zum Einsatz. Alternativ kann die Decküberzugsschicht 60 aus einem Pyrochlor-basierten Material wie beispielsweise SmZr₂O₇ oder SmYbZr₂O₇, welches eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist, ausgebildet werden. Die Decküberzugsschicht 60 ist vorzugsweise dicker als die Haftüberzugsschicht 50, und besitzt vorzugsweise eine Dicke von 50 µm bis 3000 µm. Allerdings ist die Dicke der Decküberzugsschicht 60 nicht hierauf beschränkt und kann je nach Bedarf eingestellt werden.
Die Decküberzugsschicht 60 weist in ihrem Inneren eine Vielzahl von Hohlräumen auf, bei welchen es sich um eine Vielzahl von Poren P handelt. Die Poren P umfassen offene Poren, welche mit Außenluft verbunden sind (mit Außenluft kommunizieren), sowie geschlossene Poren, welche nicht mit Außenluft kommunizieren. Das in 2 veranschaulichte Beispiel zeigt keinerlei miteinander kommunizierende Poren P; allerdings weist die Decküberzugsschicht 60 zumindest einige Poren P auf, welche miteinander kommunizieren. Die Porosität (Vol.-%) der Decküberzugsschicht 60 beträgt 1 Vol.-% bis 30 Vol.-%, und beträgt stärker bevorzugt 10 Vol.-% bis 15 Vol.-%. Allerdings ist die Porosität der Decküberzugsschicht 60 nicht hierauf beschränkt.
Die Decküberzugsschicht 60 wird durch thermisches Spritzen, insbesondere APS, mit Partikeln des als thermisches Spritzmaterial fungierenden, teilweise stabilisierten Zirkoniumoxid-basierten Materials als Film auf der Oberfläche 52 der Haftüberzugsschicht 50 ausgebildet. Allerdings ist das zur Ausbildung der Decküberzugsschicht 60 als Film verwendete Verfahren nicht hierauf beschränkt. So kann eine Ausbildung der Decküberzugsschicht 60 als Film beispielsweise auch unter Einsatz eines anderen thermischen Spritzverfahrens, wie beispielsweise LPPS oder HVOF, erfolgen. Alternativ kann die Ausbildung der Decküberzugsschicht 60 als Film unter Einsatz eines Gasphasenabscheidungsverfahrens wie beispielsweise EB-PVD erfolgen.
Als ein Beispiel der Filmausbildungsbedingung für die Decküberzugsschicht 60 gelangt LLPS beim thermischen Spritzen auf die Haftüberzugsschicht 60 mit einer Schichtdicke von 100 µm zum Einsatz (die massenprozentuale Zusammensetzung der in der Haftüberzugsschicht 50 enthaltenen Elemente lautet wie folgt: 32 Masse% an Ni, 21 Masse% an Cr, 8 Masse% an Al, 0.5 Masse% an Y, und einen Rest an Co). In diesem Beispiel wird eine thermische Spritzpistole (F4-Pistole), hergestellt von Sulzer Metco, für das thermische Spritzen verwendet. Die thermischen Spritzbedingungen in diesem Beispiel lauten wie folgt: Strom für thermisches Spritzen von 600 A; Spritzabstand von 150 mm; Pulverzufuhr von 60 g/min; Ar und H₂-Volumina von 35 und 7.4 l/min; und Schichtdicke von 0.5 mm. Allerdings sind die thermischen Spritzbedingungen (die Filmausbildungsbedingungen) nicht hierauf beschränkt und können je nach Bedarf eingestellt werden.
Die Schutzschicht 70 wird auf der Decküberzugsschicht 60, d.h. auf einer Oberfläche 62 der Decküberzugsschicht 60, ausgebildet (aufgeschichtet). Bei der Oberfläche 62 handelt es sich um eine Oberfläche der Decküberzugsschicht 60, welche der Haftüberzugsschicht 50 abgewandt ist. Die Schutzschicht 70 bedeckt die gesamte Fläche der Oberfläche 62 der Decküberzugsschicht 60. Eine Oberfläche 72 der Schutzschicht 70 ist der äußersten Oberfläche des Turbinenelements 100 ausgesetzt. Bei der Schutzschicht 70 handelt es sich um eine aus SrSO₄ (Strontiumsulfat) gebildete Schicht. Allerdings kann als Schutzschicht 70 jegliche Schicht, welche hauptsächlich SrSO₄ enthält, verwendet werden, und zwar ungeachtet dessen, ob die Schicht ein weiteres Element oder weitere Elemente enthält.
Die Schutzschicht 70 besitzt vorzugsweise eine geringere Dicke als die Decküberzugsschicht 60, und weist vorzugsweise eine Dicke von 0.05 µm bis 200 µm auf. Allerdings kann die Dicke der Schutzschicht 70 je nach Bedarf eingestellt werden. Weiterhin weist die Schutzschicht 70 eine Vielzahl von Poren auf, und besitzt vorzugsweise eine Porosität (Vol.-%) von 0.1 Vol.-% bis 15 Vol.-%. Genauer gesagt weist die Schutzschicht 70 vorzugsweise eine geringere Porosität als die Decküberzugsschicht 60 auf, und besitzt vorzugsweise eine Porosität von 0.1 Vol.-% bis 5 Vol.-%.
Die Schutzschicht 70 wird durch thermisches Spritzen, insbesondere APS, mit SrSO₄-Partikeln, welche als thermisches Spritzmaterial fungieren, als Film auf der Oberfläche 62 der Decküberzugsschicht 60 ausgebildet. Allerdings ist das zur Ausbildung der Schutzschicht 70 als Film verwendete Verfahren nicht hierauf beschränkt. So kann eine Ausbildung der Schutzschicht 70 als Film beispielsweise auch unter Einsatz eines anderen thermischen Spritzverfahrens, wie beispielsweise LPPS oder HVOF, erfolgen. Alternativ kann die Ausbildung der Schutzschicht 70 als Film unter Einsatz eines Gasphasenabscheidungsverfahrens wie beispielsweise EB-PVD erfolgen.
Für die Schutzschicht 70 lauten bevorzugte thermische Spritzbedingungen wie folgt: Strom für thermisches Spritzen von 650 A bis 700 A; Spritzabstand von 50 mm bis 100 mm; Zufuhr an SrSO₄-Pulver von 60 g/min; Durchflussvolumen an Ar von 35 l/min; und Durchflussvolumen an H₂ von 8 l/min bis 8.6 l/min. Der Spritzabstand ist hierbei der Abstand zwischen einer SrSO₄ zuführenden Düse und einem Subjekt, auf welches das thermische Spritzen angewendet wird. Allerdings sind die thermischen Spritzbedingungen nicht hierauf beschränkt und können je nach Bedarf eingestellt werden.
Die Wärmedämmschicht 40 weist, wie vorstehend beschrieben ist, eine Schichtstruktur auf. Als nächstes werden Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht 40 unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm beschrieben. 3 ist ein Flussdiagramm, welches die Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht gemäß der ersten Ausführungsform erläutert. Wie in 3 veranschaulicht ist, beginnen die Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht 40 mit der Ausbildung der Haftüberzugsschicht 50 auf dem Basismaterial 110 des Turbinenelements 100 (Schritt S10; Haftüberzugsschicht-Ausbildungsschritt). Im Rahmen des Haftüberzugsschicht-Ausbildungsschritts wird die Haftüberzugsschicht 50 wie vorstehend beschrieben beispielsweise mittels LPPS auf der Oberfläche 112 des Basismaterials 110 ausgebildet. Die Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht 40 umfassen sodann die Ausbildung der Decküberzugsschicht 60 auf der Haftüberzugsschicht 50 (Schritt S12; Decküberzugsschicht-Ausbildungsschritt). Im Rahmen des Decküberzugsschicht-Ausbildungsschritts wird die Decküberzugsschicht 60 wie vorstehend beschrieben beispielsweise mittels APS als Film auf der Oberfläche 52 der Haftüberzugsschicht 50 ausgebildet. Die Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht 40 umfassen sodann die Ausbildung der Schutzschicht 70 auf der Decküberzugsschicht 60 (Schritt S14; Schutzschicht-Ausbildungsschritt). Im Rahmen des Schutzschicht-Ausbildungsschritts wird die Schutzschicht 70 wie vorstehend beschrieben beispielsweise mittels APS und unter Einsatz von SrSO₄-Partikeln, welche als thermisches Spritzmaterial fungieren, auf der Decküberzugsschicht 60 ausgebildet. Dieser Schritt komplettiert die Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht 40, welche die Schutzschicht 70, bei der es sich um einen SrSO₄-Film handelt, in ihrer äußersten Oberfläche aufweist.
In einigen Fällen wird Flüssigbrennstoff, wie beispielsweise Schweröl, als Brennstoff zum Antreiben der Gasturbine 10, in welcher die Wärmedämmschicht 40 zur Anwendung gelangt, verwendet. Flüssigbrennstoff wie beispielsweise Schweröl enthält Natrium, eine Schwefelkomponente und dergleichen, und kann, wenn die Gasturbine 10 angetrieben wird, Natriumsulfat oder dergleichen enthaltendes Sulfat erzeugen. Dieses Sulfat verflüssigt sich während des Betriebs der Gasturbine 10 in einer Hochtemperaturumgebung. In Fällen, in welchen die Decküberzugsschicht 60 der äußersten Oberfläche des Turbinenelements 100 ausgesetzt ist, besteht das Risiko, dass das auf diese Weise verflüssigte Sulfat über die Poren P der Decküberzugsschicht 60 in die Decküberzugsschicht 60 eindringt. Sobald Sulfat in die Decküberzugsschicht 60 eingedrungen ist, beschleunigt sich die Entwicklung von Rissen hierin, wodurch eine erhöhte Wahrscheinlichkeit besteht, dass sich die Decküberzugsschicht 60 in einem frühen Stadium vom Basismaterial 110 abtrennt.
Im Hinblick auf ein derartiges Phänomen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass SrSO₄ die Wirkung besitzt, das Eindringen von Sulfat wie beispielsweise Natriumsulfat zu verhindern. Das heißt: die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass SrSO₄ ein geringes Benetzungsvermögen für geschmolzenes Sulfat wie beispielsweise Natriumsulfat besitzt. Die Wärmedämmschicht 40 gemäß der ersten Ausführungsform sieht eine Bedeckung einer Oberfläche der Decküberzugsschicht 60 mit der aus SrSO₄ gebildeten Schutzschicht 70 vor, wodurch ein Eindringen von Sulfat in die Schutzschicht 70 verhindert wird und somit ein Eindringen von Sulfat in die Decküberzugsschicht 60, welche weiter innen angeordnet ist als die Schutzschicht 70, verhindert werden kann. Dementsprechend kann die Wärmedämmschicht 40 gemäß der ersten Ausführungsform das Eindringen von Sulfat in die Decküberzugsschicht 60 verhindern, und kann sich selbst vor einer Abtrennung vom Basismaterial 110 in einer sulfathaltigen Umgebung schützen. Es wird hierin angenommen, dass SrSO₄ einen Schmelzpunkt von etwa 1600°C besitzt. Dies bedeutet, dass SrSO₄ einen höheren Schmelzpunkt aufweist als andere Sulfate wie beispielsweise Natriumsulfat (von welchem angenommen wird, dass es einen Schmelzpunkt von etwa 880°C besitzt). Aus diesem Grund behält die Schutzschicht 70 selbst unter hohen, eine Verflüssigung von Sulfat hervorrufenden Temperaturen ihren festen Zustand, und kann in geeigneter Weise das Eindringen von Sulfat verhindern.
4 ist eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Beispiels der Wärmedämmschicht gemäß der ersten Ausführungsform. Die Decküberzugsschicht 60 wurde vorstehend als poröser Film mit Hohlräumen in Form der Poren P beschrieben. Allerdings kann es sich bei der Decküberzugsschicht auch um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht handeln. Wie in 4 veranschaulicht ist, bedeutet dies, dass eine Wärmedämmschicht 40a auf dem Basismaterial 110 ausgebildet sein kann. Die Wärmedämmschicht 40a umfasst anstelle der porösen Decküberzugsschicht 60 eine Decküberzugsschicht 60a. Bei der Decküberzugsschicht 60a handelt es sich um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht. Die Decküberzugsschicht 60a weist eine Vielzahl von vertikalen Rissen C als Hohlräume auf. Bei den vertikalen Rissen C handelt es sich um dichte Risse, welche sich in Tiefenrichtung (Dickerichtung) der Decküberzugsschicht 60a erstrecken. Die Decküberzugsschicht 60a zeigt aufgrund der vertikalen Risse C eine Nachverfolgbarkeit der strukturellen Belastung (Verformung), wodurch sie eine hervorragende Wärmezyklus-Haltbarkeit besitzt. Zusätzlich weist die Decküberzugsschicht 60a eine dichte Struktur auf, wodurch sie eine hervorragende Erosionsbeständigkeit besitzt. Die Decküberzugsschicht 60a wird aus dem gleichen Material wie die Decküberzugsschicht 60 gebildet. In der Wärmedämmschicht 40a ist die Oberfläche der Decküberzugsschicht 60a mit der Schutzschicht 70 überzogen, wodurch sie ebenfalls das Eindringen von Sulfat wie beispielsweise Natriumsulfat verhindern kann.
Wie vorstehend beschrieben ist, umfasst die Wärmedämmschicht 40 gemäß der ersten Ausführungsform die Haftüberzugsschicht 50, die Decküberzugsschicht 60 und die Schutzschicht 70. Bei der Haftüberzugsschicht 50 handelt es sich um eine auf dem Basismaterial 110 ausgebildete metallische Haftschicht. Bei der Decküberzugsschicht 60 handelt es sich um eine auf der Haftüberzugsschicht 50 ausgebildete keramikhaltige Schicht. Bei der Schutzschicht 70 handelt es sich um eine Schicht, welche auf der Decküberzugsschicht 60 ausgebildet ist und hauptsächlich SrSO₄ enthält. In der Wärmedämmschicht 40 ist die hauptsächlich SrSO₄ enthaltende Schutzschicht 70 auf der Decküberzugsschicht 60 angeordnet. Das in der Schutzschicht 70 enthaltene SrSO₄ versetzt diese Wärmedämmschicht 40 in die Lage, das Eindringen von Sulfat wie beispielsweise Natriumsulfat in die Decküberzugsschicht 60 zu verhindern. Die Wärmedämmschicht 40 kann sich somit selbst vor einer Abtrennung vom Basismaterial 110 in einer sulfathaltigen Umgebung schützen.
Die Decküberzugsschicht 60 weist eine Vielzahl von Hohlräumen auf. Die Wärmedämmschicht 40 besitzt aufgrund der Hohlräume in der Decküberzugsschicht 60 nicht nur verbesserte Wärmedämmeigenschaften, sondern verhindert aufgrund der Schutzschicht 70 in vorteilhafter Art und Weise auch das Eindringen von Sulfat in die Hohlräume der Decküberzugsschicht 60.
Bei der in der Wärmedämmschicht 40a enthaltenen Decküberzugsschicht 60a kann es sich alternativ auch um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht handeln. Diese Wärmedämmschicht 40a kann aufgrund der Schutzschicht 70 nicht nur das Eindringen von Sulfat verhindern, sondern besitzt aufgrund der Decküberzugsschicht 60a, bei welcher es sich um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht handelt, auch eine verbesserte Wärmezyklus-Haltbarkeit und eine verbesserte Erosionsbeständigkeit.
Die Schutzschicht 70 weist vorzugsweise eine Porosität von 0.1 Vol.-% bis 5 Vol.-% auf. In der Wärmedämmschicht 40 gemäß der ersten Ausführungsform wird die Schutzschicht 70 mit geringer Porosität bereitgestellt, wodurch in noch geeigneterer Art und Weise das Eindringen von Sulfat verhindert werden kann.
Zweite Ausführungsform Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform beschrieben. Eine Wärmedämmschicht 40A gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass sie anstelle der Schutzschicht 70 eine Schutzsubstanz 70A in einer Decküberzugsschicht 60A umfasst, wobei die Schutzsubstanz 70A hauptsächlich SrSO₄ enthält. Im Rahmen der zweiten Ausführungsform wird von der Beschreibung von Teilen, welche auch in der ersten Ausführungsform enthalten sind, abgesehen.
5 ist eine schematische Schnittdarstellung der Wärmedämmschicht gemäß der zweiten Ausführungsform. Wie in 5 veranschaulicht ist, ist in einem Turbinenelement 100A gemäß der zweiten Ausführungsform die Wärmedämmschicht 40A auf dem Basismaterial 110 angeordnet. Die Wärmedämmschicht 40A umfasst die Haftüberzugsschicht 50 und die Decküberzugsschicht 60A.
Die Decküberzugsschicht 60A wird auf der Oberfläche 52 der Haftüberzugsschicht 50 unter Verwendung des gleichen Materials und des gleichen Verfahrens, welches bei der Ausbildung der Decküberzugsschicht 60 gemäß der ersten Ausführungsform zur Anwendung gelangt, ausgebildet. Im Gegensatz zur korrespondierenden Komponente in der ersten Ausführungsform ist allerdings die Decküberzugsschicht 60A der äußersten Oberfläche des Turbinenelements 100A ausgesetzt.
Die Schutzsubstanz 70A ist in Hohlräumen im Inneren der Decküberzugsschicht 60A, bei welchen es sich hierin um die Poren P handelt, angeordnet. Die Schutzsubstanz 70A ist SrSO₄; allerdings kann sie eine weitere Komponente oder weitere Komponenten enthalten, solange sie hauptsächlich SrSO₄ enthält. Die Schutzsubstanz 70A haftet filmartig an einem Innenumfang einer jeden Pore P. Allerdings muss die Schutzsubstanz 70A lediglich im Inneren der Poren P angeordnet sein, und sie ist nicht auf eine filmartige Anhaftung beschränkt.
Die Schutzsubstanz 70A wird in jede der Poren P (Hohlräume) der Decküberzugsschicht 60A eingebracht. Insbesondere wird ein Imprägnierverfahren durchgeführt, bei welchem die Poren P der Decküberzugsschicht 60A mit einer SrSO₄-Partikel enthaltenden Flüssigkeit imprägniert werden und eine Flüssigkeitskomponente aus der Flüssigkeit entfernt wird, wodurch festes SrSO₄ als Schutzsubstanz 70A im Inneren der Poren P zurückbleibt. In einem beispielhaften Imprägnierverfahren wird eine SrSO₄-Partikel mit einer Größe von 1 µm oder weniger enthaltende Suspension auf die Oberfläche 62 der Decküberzugsschicht 60A aufgespritzt. Alternativ kann das Turbinenelement 100 mit der hierauf als Film ausgebildeten Decküberzugsschicht 60A in diese Suspension eingetaucht werden. Das Verfahren bewirkt eine Imprägnierung der Poren P mit der Suspension. Anschließend wird in der Suspension enthaltenes Wasser beispielsweise durch Trocknen oder Erwärmen verdampft, so dass SrSO₄-Partikel im Inneren der Poren P als Schutzsubstanz 70A zurückbleiben und sich an den Innenumfang der Poren P haften. Dies komplettiert das Imprägnierverfahren. Es ist bevorzugt, dass eine Polycarbonsäure als Tensid für die Suspension verwendet wird. Bei der Herstellung dieser Suspension werden SrSO₄-Pulver, Wasser und ein Tensid beispielsweise derart gemischt, dass das Massenverhältnis der jeweiligen Inhaltsstoffe 2.5:2:0.02 beträgt, und werden mittels einer Kugelmühle miteinander vermengt.
Wie vorstehend beschrieben ist, verhindert SrSO₄ das Eindringen von Sulfat wie beispielsweise Natriumsulfat. Aus diesem Grund kann die im Inneren der Poren P der Decküberzugsschicht 60A angeordnete Schutzsubstanz 70A das tiefere Eindringen von Sulfat bis unter die Decküberzugsschicht 60A verhindern. Somit kann die Wärmedämmschicht 40A gemäß der zweiten Ausführungsform das Eindringen von Sulfat in die Decküberzugsschicht 60 verhindern, und kann dementsprechend sich selbst vor einer Abtrennung vom Basismaterial 110 in einer sulfathaltigen Umgebung schützen.
Die Wärmedämmschicht 40A weist, wie vorstehend beschrieben ist, eine Schichtstruktur auf. Als nächstes werden Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht 40A unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm beschrieben. 6 ist ein Flussdiagramm, welches die Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht gemäß der zweiten Ausführungsform erläutert. Wie in 6 veranschaulicht ist, beginnen die Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht 40A mit der Ausbildung der Haftüberzugsschicht 50 auf dem Basismaterial 110 des Turbinenelements 100A (Schritt S20; Haftüberzugsschicht-Ausbildungsschritt). Der Haftüberzugsschicht-Ausbildungsschritt ist der gleich wie jener der ersten Ausführungsform. Die Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht 40A umfassen sodann die Ausbildung der Decküberzugsschicht 60A auf der Haftüberzugsschicht 50 (Schritt S22; Decküberzugsschicht-Ausbildungsschritt). Der Decküberzugsschicht-Ausbildungsschritt ist der gleiche wie jener der ersten Ausführungsform. Die Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht 40A umfassen sodann die Einbringung der Schutzsubstanz 70A in das Innere der Hohlräume der Decküberzugsschicht 60A (Schritt S24; Schutzsubstanz-Einbringungsschritt). Ein Schutzsubstanz-Anhaftungsschritt, wie er vorstehend beschrieben ist, führt dazu, dass die SrSO₄-Feinpartikel enthaltende Suspension in das Innere der Poren P eindringt (eingebracht wird), und entfernt Feuchtigkeit aus der Suspension, wodurch die SrSO₄-Feinpartikel als Schutzsubstanz 70A im Inneren der Poren P zurückbleiben. Dieser Schritt komplettiert die Schritte zur Ausbildung der Wärmedämmschicht 40A.
7 ist eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Beispiels der Wärmedämmschicht gemäß der zweiten Ausführungsform. Die Decküberzugsschicht 60A wurde vorstehend als poröser Film mit Hohlräumen in Form der Poren P beschrieben. Allerdings kann es sich bei der Decküberzugsschicht auch um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht handeln. Wie in 7 veranschaulicht ist, bedeutet dies, dass eine Wärmedämmschicht 40Aa auf dem Basismaterial 110 ausgebildet sein kann. Die Wärmedämmschicht 40Aa umfasst anstelle der porösen Decküberzugsschicht 60A eine Decküberzugsschicht 60Aa. Bei der Decküberzugsschicht 60Aa handelt es sich wie bei der Decküberzugsschicht 60a (siehe 4) gemäß dem weiteren Beispiel der ersten Ausführungsform um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht. In der Decküberzugsschicht 60Aa ist die Schutzsubstanz 70A in den als Hohlräume dienenden vertikalen Rissen C angeordnet. Der Schutzsubstanz-Einbringungsschritt führt dazu, dass die SrSO₄-Feinpartikel enthaltende Suspension in das Innere der vertikalen Risse C eindringt (eingebracht wird), und entfernt Feuchtigkeit aus der Suspension, wodurch die SrSO₄-Feinpartikel als Schutzsubstanz 70A im Inneren der vertikalen Risse C zurückbleiben. In der Wärmedämmschicht 40Aa ist die Schutzsubstanz 70A im Inneren der als Hohlräume dienenden vertikalen Risse C angeordnet, wodurch sie das tiefere Eindringen von Sulfat bis über die vertikalen Risse C hinaus verhindern kann, und dementsprechend sich selbst vor einer Abtrennung vom Basismaterial 110 schützen kann.
Wie vorstehend beschrieben ist, umfasst die Wärmedämmschicht 40A gemäß der zweiten Ausführungsform die Haftüberzugsschicht 50 und die Decküberzugsschicht 60A. Bei der Haftüberzugsschicht 50 handelt es sich um eine auf dem Basismaterial 110 ausgebildete metallische Haftschicht. Bei der Decküberzugsschicht 60A handelt es sich um eine auf der Haftüberzugsschicht 50 ausgebildete keramikhaltige Schicht, welche eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist. Im Inneren der Hohlräume weist die Decküberzugsschicht 60A die hauptsächlich SrSO₄ enthaltende Schutzsubstanz 70A auf. In dieser Wärmedämmschicht 40A ist die Schutzsubstanz 70A in Hohlräumen, welche Wege darstellen, über welche Sulfat wie beispielsweise Natriumsulfat eindringt, angeordnet. Somit verhindert diese Wärmedämmschicht 40A das tiefere Eindringen von Sulfat bis über die Hohlräume hinaus. Somit kann die Wärmedämmschicht 40A gemäß der zweiten Ausführungsform das Eindringen von Sulfat in die Decküberzugsschicht 60 verhindern, und kann sich selbst vor einer Abtrennung vom Basismaterial 110 in einer sulfathaltigen Umgebung schützen.
Bei der in der Wärmedämmschicht 40Aa enthaltenen Decküberzugsschicht 60Aa handelt es sich um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht, wobei die Schutzsubstanz 70A im Inneren von Rissen (vertikalen Rissen C) der dichten, vertikal gerissenen Überzugsschicht angeordnet ist. Indem die Schutzsubstanz 70A in den Rissen, welche Wege darstellen, über welche Sulfat wie beispielsweise Natriumsulfat eindringt, angeordnet ist, verhindert diese Wärmedämmschicht 40Aa das Eindringen von Sulfat in die Decküberzugsschicht 60. Diese Wärmedämmschicht 40Aa kann aufgrund der Schutzsubstanz 70A nicht nur das Eindringen von Sulfat verhindern, sondern besitzt aufgrund der Decküberzugsschicht 60Aa, bei welcher es sich um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht handelt, auch eine verbesserte Wärmezyklus-Haltbarkeit und eine verbesserte Erosionsbeständigkeit.
Beispiel 1
Als nächstes wird Beispiel 1 beschrieben. In Beispiel 1 wurde als Beispiel für die Schutzschicht 70 und die Schutzsubstanz 70A durch Erzeugen eines Pulverpresslings aus SrSO₄ und Aufbringen von Natriumsulfatpulver auf die Oberfläche des SrSO₄-Pulverpresslings eine Probe hergestellt. Neben dieser SrSO₄-Probe wurde in Beispiel 1 eine Vielzahl von Vergleichsproben hergestellt, indem entsprechende Pulverpresslinge aus SiO₂, Platin, TiO₂, BaSO₄, Al₂O₃, Y₂O₃, Sc₂O₃, Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂), CaSO₄ und Ta₂O₅ erzeugt wurden und Natriumsulfatpulver auf die Oberflächen dieser Pulverpresslinge aufgebracht wurde. In Beispiel 1 wurden diese SrSO₄-Probe und die Vergleichsproben für eine Stunde auf eine Temperatur von 950°C erwärmt, und es wurde untersucht, ob Natriumsulfat in die Pulverpresslinge eingedrungen war.
In Beispiel 1 wurde das Eindringen von Natriumsulfatpulver in die Pulverpresslinge sämtlicher Vergleichsproben beobachtet. Gemäß Beispiel 1 verblieb in der SrSO₄-Probe das Natriumsulfatpulver nach Schmelzen und erneutem Verfestigen indessen auf dem SrSO₄-Pulverpressling, und ein Eindringen von Natriumsulfat in den SrSO₄-Pulverpressling wurde nicht beobachtet. Somit deutet Beispiel 1 darauf hin, dass SrSO₄ das Eindringen von Sulfat wie beispielsweise Natriumsulfat verhindert.
Beispiel 2
Als nächstes wird Beispiel 2 beschrieben. 8 ist eine Darstellung, welche einen Schnitt einer Probe in Beispiel 2 veranschaulicht. In Beispiel 2 wurde durch Beschichten einer durch thermisches Spritzen ausgebildeten Decküberzugsschicht 60B mit einer Schutzschicht 70B und Aufbringen von Natriumsulfatpulver S auf die Schutzschicht 70B eine Probe A hergestellt. Diese Decküberzugsschicht 60B ist identisch zur Decküberzugsschicht 60 der ersten Ausführungsform. Obgleich sie wie die Schutzschicht 70 der ersten Ausführungsform aus SrSO₄ bestand, erfolgte die Ausbildung der Schutzschicht 70B nicht durch thermisches Spritzen sondern unter Einsatz von Siliziumdioxid-Sol, um auf diese Weise als Überzug auf die Decküberzugsschicht 60B aufgebracht zu werden.
In Beispiel 2 wurde diese Probe A für eine Stunde auf eine Temperatur von 950°C erwärmt, und die Probe A wurde nach dem Erwärmen zwecks Betrachtung eines Abschnitts hiervon geschnitten. 8 zeigt eine Fotografie des Abschnitts. Wie in 8 veranschaulicht ist, wurde für die Probe A, nachdem das Natriumsulfatpulver S geschmolzen und danach erneut verfestigt worden war, kein Eindringen hiervon in die Schutzschicht 70B und die Decküberzugsschicht 60B beobachtet. Es traten Risse in der Schutzschicht 70B auf, deren Bildung vermutlich deshalb erfolgte, da das in dem Experiment verwendete geschmolzene Salz in derart großer Menge aufgebracht wurde, dass während der Verfestigung und Kontraktion des geschmolzenen Salzes eine hohe Kontraktionsbelastung in der Schutzschicht 70B erzeugt wurde. Selbst in diesem Fall zeigte die Wärmedämmschicht unterhalb der Schutzschicht 70B weder ein Eindringen von geschmolzenem Salz noch eine Bildung von Rissen, und SrSO₄ übte in vorteilhafter Art und Weise eine Schutzwirkung aus. Somit deutet Beispiel 2 darauf hin, dass die Schutzschicht 70B, d.h. SrSO₄, das Eindringen von Sulfat wie beispielsweise Natriumsulfat verhindert.
Obgleich die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben wurden, ist es nicht beabsichtigt, dass die Beschreibungen dieser Ausführungsformen die Ausführungsformen beschränken. Die vorstehend beschriebenen Bestandselemente können jene umfassen, welche sich dem Fachmann beim Nachdenken problemlos erschließen, können jene umfassen, welche im Wesentlichen identisch sind, und können jene umfassen, welche in den als Äquivalenzbereich bezeichneten Bereich fallen. Weiterhin können die vorstehend beschriebenen Bestandselemente in geeigneter Art und Weise kombiniert werden. Es können verschiedene Auslassungen, Ersetzungen oder Modifizierungen der Bestandselemente vorgenommen werden, ohne dabei vom Geist der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Brenner
3: Turbine
4: Turbinenwelle
10: Gasturbine
11: Luftansaugöffnung
12: Verdichtergehäuse
13: Verdichterleitschaufel
14: Verdichterlaufschaufel
21: Innenzylinder
22: Übergangsstück
23: Außenzylinder
24: Brennergehäuse
25: Luftkanal
31: Turbinengehäuse
32: Turbinenleitschaufel
33: Turbinenlaufschaufel
34a: Abgasdiffusor
34: Abgaskammer
40, 40a, 40A, 40Aa: Wärmedämmschicht
41: Lagerteil
42: Lagerteil
50: Haftüberzugsschicht
52, 62, 72, 112: Oberfläche
60, 60a, 60A, 60Aa, 60B: Decküberzugsschicht
70, 70B: Schutzschicht
70A: Schutzsubstanz
100, 100A: Turbinenelement
110: Basismaterial
A: Probe
C: vertikaler Riss
P: Pore
R: Wellenmittelpunkt
S: Natriumsulfatpulver

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013060661 [0003]

Claims

Wärmedämmschicht, umfassend: eine Haftüberzugsschicht, bei welcher es sich um eine auf einem Basismaterial ausgebildete metallische Haftschicht handelt; eine Decküberzugsschicht, bei welcher es sich um eine auf der Haftüberzugsschicht ausgebildete keramikhaltige Schicht handelt; und eine Schutzschicht, welche auf der Decküberzugsschicht ausgebildet ist und hauptsächlich SrSO₄ enthält.
Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, wobei die Decküberzugsschicht eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist.
Wärmedämmschicht nach Anspruch 2, wobei es sich bei der Decküberzugsschicht um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht handelt.
Wärmedämmschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schutzschicht eine Porosität von 0.1% bis 5% aufweist.
Wärmedämmschicht, umfassend: eine Haftüberzugsschicht, bei welcher es sich um eine auf einem Basismaterial ausgebildete metallische Haftschicht handelt; und eine Decküberzugsschicht, bei welcher es sich um eine auf der Haftüberzugsschicht ausgebildete keramikhaltige Schicht handelt und welche eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist, wobei die Decküberzugsschicht eine Schutzsubstanz im Inneren der Hohlräume aufweist und die Schutzsubstanz hauptsächlich SrSO₄ enthält.
Wärmedämmschicht nach Anspruch 5, wobei es sich bei der Decküberzugsschicht um eine dichte, vertikal gerissene Überzugsschicht handelt, welche die Schutzsubstanz im Inneren von Rissen in der dichten, vertikal gerissenen Überzugsschicht aufweist.
Turbinenelement, welches die Wärmedämmschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf einer Oberfläche hiervon umfasst.
Wärmedämmschichtverfahren, umfassend: einen Haftüberzugsschicht-Ausbildungsschritt, welcher das Ausbilden einer Haftüberzugsschicht, bei der es sich um eine metallische Haftschicht handelt, auf einem Basismaterial vorsieht; einen Decküberzugsschicht-Ausbildungsschritt, welcher das Ausbilden einer Decküberzugsschicht, bei der es sich um eine keramikhaltige Schicht handelt, auf der Haftüberzugsschicht vorsieht; und einen Schutzschicht-Ausbildungsschritt, welcher das Ausbilden einer hauptsächlich SrSO₄ enthaltenden Schutzschicht auf der Decküberzugsschicht vorsieht.
Wärmedämmschichtverfahren, umfassend: einen Haftüberzugsschicht-Ausbildungsschritt, welcher das Ausbilden einer Haftüberzugsschicht, bei der es sich um eine metallische Haftschicht handelt, auf einem Basismaterial vorsieht; einen Decküberzugsschicht-Ausbildungsschritt, welcher das Ausbilden einer Decküberzugsschicht, bei der es sich um eine keramikhaltige Schicht handelt und die eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist, auf der Haftüberzugsschicht vorsieht; und einen Schutzsubstanz-Einbringungsschritt, welcher das Einbringen einer hauptsächlich SrSO₄ enthaltenden Schutzsubstanz in das Innere der Hohlräume der Decküberzugsschicht vorsieht.