DE112018001695T5

DE112018001695T5 - Wärmedämmschicht und turbinenelement

Info

Publication number: DE112018001695T5
Application number: DE112018001695.1T
Authority: DE
Inventors: Daisuke Kudo; Taiji Torigoe; Masahiko Mega; Shigenari Horie; Shuji TANIGAWA; Yoshifumi Okajima
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-12-19
Also published as: WO2018181559A1; JPWO2018181559A1; CN110520599A; US20210123124A1

Abstract

Die Aufgabe besteht darin, eine Wärmedämmschicht (13) bereitzustellen, welche selbst in einer Gasturbine, die in einer salzschmelzehaltigen Umgebung, wie z.B. in einer mit Schweröl befeuerten Gasturbine, zum Einsatz gelangt, eine hohe Beständigkeit besitzt, und welche, ohne dass es komplizierter Prozesse bedarf, effizient und kostengünstig ausgebildet werden kann. Eine ein Turbinenelement ausbildende Wärmedämmschicht (13) umfasst ein Keramikmaterial, welches auf ein aus einer wärmebeständigen Legierung bestehendes Basismaterial (10) thermisch aufgespritzt und auf diesem ausgebildet worden ist, wobei Ytterbiumoxid-teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid als Keramikmaterial der Schicht (13) verwendet wird und die Porosität der Schicht (13) 5% oder mehr und weniger als 8% beträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmedämmschicht, und ein die Wärmedämmschicht nutzendes Turbinenelement.
Es wird die Priorität der am 28. März 2017 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-62063 beansprucht, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme als eingeschlossen gilt.
STAND DER TECHNIK
Was Hochtemperaturteile wie z.B. ein Gasturbinenelement betrifft, so wurde in der Vergangenheit beispielsweise eine Wärmedämmschicht (nachfolgend treten Fälle auf, in welchen diese als „TBC“ bezeichnet wird) auf die Oberfläche eines Basismaterials aufgebracht. Die Wärmedämmschicht bezeichnet einen Überzug aus einem thermischen Spritzmaterial mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise ein poröses keramikbasiertes Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, welches durch thermisches Spritzen auf die Oberfläche des Basismaterials aufgebracht worden ist, wodurch die Wärmeabschirmungseigenschaften und die Beständigkeit des Hochtemperaturteils verbessert werden können.
Andererseits variiert der in einer Gasturbine verwendete Brennstoff, und es steigt nicht nur der Bedarf an herkömmliches Gas nutzenden Gasturbinen, sondern es steigt auch der Bedarf an Gasturbinen, welche minderwertigen Brennstoff, wie beispielsweise einen als Schweröl vom Typ A bezeichneten Ölbrennstoff, als Brennstoff nutzen. In einer solchen mit Schweröl befeuerten Gasturbine ist die Wärmedämmschicht einer Natriumsulfat enthaltenden Salzschmelze ausgesetzt, welches aus in Schweröl enthaltenem Natrium, Schwefel, oder dergleichen erzeugt wird, wobei die Salzschmelze in das Innere der Wärmedämmschicht eindringt und somit Bedenken bestehen, dass die aus Keramik bestehende Wärmedämmschicht durch die eingedrungene Salzschmelze beschädigt werden könnte.
Als Technik, welche das Problem einer salzschmelzehaltigen Umgebung in der Wärmedämmschicht einer mit Schweröl befeuerten Gasturbine berücksichtigt, wurde bereits die Technik gemäß PTL 1 vorgeschlagen.
Im Rahmen des Vorschlags von PTL 1 besitzt eine Wärmedämmschicht, welche auf einem aus einer wärmebeständigen Legierung bestehenden Basismaterial ausgebildet worden ist, eine Konfiguration mit zweischichtiger Struktur, wobei die zweischichtige Struktur eine aus einer porösen Keramik bestehende Wärmedämmschicht (poröse Schicht) und eine dichte Umgebungsabschirmungsschicht (dichte Schicht), welche auf der porösen Schicht ausgebildet ist, Keramikfasern enthält und Siliziumdioxid als Hauptkomponente enthält, umfasst, und wobei jede Pore der porösen Schicht mit einem Teil des Siliziumdioxids der dichten Schicht imprägniert ist. In PTL 1 wird vorgeschlagen, dass es bevorzugt ist, stabilisiertes Zirkoniumdioxid als Keramikmaterial der porösen Schicht, bei welcher es sich um eine Wärmedämmschicht handelt, zu verwenden, wobei Zirkoniumdioxid, das teilweise mit Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiert worden ist (Yttriumoxidteilstabilisiertes Zirkoniumdioxid; nachfolgend treten Fälle auf, in welchen dieses als „YSZ“ bezeichnet wird) besonders geeignet ist.
In einer Wärmedämmschicht, wie sie in PTL 1 vorgeschlagen wird, verhindert die Siliziumdioxid als Hauptkomponente enthaltende dichte Schicht auf der äußersten Oberfläche bei einem Einsatz in einer salzschmelzehaltigen Umgebung, wie z.B. in einer mit Schweröl befeuerten Gasturbine, das Eindringen der Salzschmelze in die aus teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid oder dergleichen bestehende poröse Schicht (Wärmedämmschicht), wodurch ein Ablösen der Wärmedämmschicht verhindert und eine hohe Beständigkeit erzielt wird.
Andererseits wird in PTL 2 klargestellt, dass Zirkoniumdioxid, welches teilweise mit Ytterbiumoxid (Yb₂O₃) stabilisiert worden ist (Ytterbiumoxid-teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid; nachfolgend treten Fälle auf, in welchen dieses als „YbSZ“ bezeichnet wird), in der Umgebung einer mit normalem Gas befeuerten Gasturbine, d.h. in einer Umgebung, in welcher kein Sulfat vorhanden ist, aufgrund seiner hohen Kristallstabilität bei hohen Temperaturen eine hohe Temperaturzyklusbeständigkeit aufweist. Weiterhin wird ausgeführt, dass im Falle einer Befeuerung mit Gas durch Einstellen der Schichtporosität auf einen Bereich von 8 bis 15% eine hohe Temperaturzyklusbeständigkeit erzielt wird.
Weiterhin wird in PTL 3 dargelegt, dass in einer keramischen Wärmedämmschicht ein thermisches Spritzpulver, welches eine Partikelgrößenverteilung aufweist, in der die Größe der Pulverpartikel, und insbesondere der 10%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung 30 µm oder mehr und 100 µm oder weniger beträgt und der maximale Partikeldurchmesser 150 µm oder weniger beträgt, und welches Partikel mit einem Partikeldurchmesser von 30 µm in einem Anteil von 3% oder weniger und Partikel mit einem Partikeldurchmesser von 40 µm in einem Anteil von 8% oder weniger enthält, als thermisches Spritzpulver wie z.B. YbSZ verwendet wird, und dass Schichtdefekte aufgrund einer solchen Partikelgrößenverteilung enorm reduziert werden, wodurch sich eine hohe Temperaturzyklusbeständigkeit ergibt.
Literaturliste
Patentliteratur

[PTL 1] Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichungsnr. 2011-167994
[PTL 2] Japanisches Patent Nr. 4388466
[PTL 3] Japanisches Patent Nr. 5602156
[PTL 4] Japanisches Patent Nr. 4969094
[PTL 5] Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichungsnr. 2017-116272

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
In der in PTL 1 vorgeschlagenen Technik sollte im Rahmen der Ausbildung der Wärmedämmschicht nicht nur die Ausbildung der porösen Schicht (Wärmedämmschicht) durch thermisches Spritzen von teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid oder dergleichen durchgeführt werden, sondern sollte auch die Ausbildung der Siliziumdioxid als Hauptkomponente und Keramikfasern enthaltenden dichten Schicht und die Imprägnierung der porösen Schicht mit dem Siliziumdioxid der dichten Schicht vorgenommen werden, womit dahingehend Probleme entstehen, dass sich das Verfahren verkompliziert, sich die Anzahl der Prozesse erhöht, sich die Produktivität verschlechtert, und sich die Kosten erhöhen.
Weiterhin berücksichtigen die in PTL 2 und PTL 3 unterbreiteten Vorschläge lediglich den Fall einer Befeuerung mit Gas, und berücksichtigen keine Turbine, welche sich eines minderwertigen Brennstoffs bedient, wie z.B. eine mit Schweröl befeuerte Turbine. Im Falle eines minderwertigen Brennstoffs, wie z.B. im Rahmen einer Befeuerung mit Schweröl, tritt das Phänomen auf, dass eine Salzschmelze in die Schicht eindringt und die Keramikschicht hierdurch schwächt, weshalb vermutet wird, dass es mit den in PTL 2 und PTL 3 vorgeschlagenen Techniken Schwierigkeiten bereitet, die Beständigkeit verlässlich zu verbessern.
Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Wärmedämmschicht bereitzustellen, welche eine hohe Beständigkeit besitzt und effizient und kostengünstig ausgebildet werden kann.
Lösung des Problems
Um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung die nachfolgenden Aspekte (1) bis (6) vor.
(1) Eine Wärmedämmschicht, umfassend ein Keramikmaterial, welches auf ein Basismaterial, das aus einer wärmebeständigen, ein Turbinenelement in einem minderwertigen Brennstoff nutzenden Gasturbinenmotor konstituierenden Legierung besteht, thermisch aufgespritzt und auf diesem ausgebildet worden ist, wobei Ytterbiumoxid-teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid als Keramikmaterial der Schicht verwendet wird und die Porosität der Wärmedämmschicht 5% oder mehr und weniger als 8% beträgt.
(2) Die Wärmedämmschicht gemäß dem vorstehenden Aspekt (1), wobei die Porosität in einem Bereich von 5% bis 6% liegt.
(3) Die Wärmedämmschicht gemäß dem vorstehenden Aspekt (1) oder (2), in welcher ein thermisches Spritzpulver mit einer Partikelgrößenverteilung, in der der 10%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung 30 µm oder mehr und 100 µm oder weniger beträgt, als keramisches Spritzpulver für die Schichtbildung verwendet wird, das thermische Spritzpulver einen maximalen Partikeldurchmesser von 150 µm oder weniger aufweist, und das thermische Spritzpulver Partikel mit einem Partikeldurchmesser von 30 µm in einem Anteil von 3% oder weniger und Partikel mit einem Partikeldurchmesser von 40 µm in einem Anteil von 8% oder weniger enthält
(4) Turbinenelement, welches die auf einem Basismaterial ausgebildete Wärmedämmschicht gemäß einem der vorstehenden Aspekte (1) bis (3) umfasst.
(5) Das Turbinenelement gemäß dem vorstehenden Aspekt (4), wobei die Wärmedämmschicht auf einer Oberfläche des Basismaterials ausgebildet ist und dazwischen eine Haftschicht angeordnet ist.
(6) Das Turbinenelement gemäß einem der vorstehenden Aspekte (1) bis (3), wobei das Turbinenelement in einer mit Schweröl befeuerten Gasturbine verwendet wird.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die Wärmedämmschicht gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine ausgezeichnete Beständigkeit erzielen und kann kostengünstig ausgebildet werden.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Gasturbine in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Perspektivansicht, welche eine schematische Konfiguration einer Turbinenlaufschaufel in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Hauptteils der Turbinenlaufschaufel in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ausbildung einer Wärmedämmschicht in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine perspektivische Teilschnittansicht eines Teststücks, welches im Rahmen eines Salzschmelzeeindringtests in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
6 ist eine Teilschnittansicht, welche eine Konfiguration einer Salzschmelzeeindringtestvorrichtung zeigt, die in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Einsatz gelangt.
7 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Trägerteilhauptkörpers in der Salzschmelzeeindringtestvorrichtung.
8 ist ein erläuterndes Diagramm eines Beschleunigers und eines Salzzufuhrteils in der Salzschmelzeeindringtestvorrichtung.
9 ist ein Flussdiagramm eines Salzschmelzeeindringtestverfahrens.
10 ist eine Teilschnittansicht, welche eine Konfiguration einer Temperaturzyklustestvorrichtung zeigt, die in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Einsatz gelangt.
11 ist eine grafische Darstellung, welche schematisch eine Temperaturveränderung einer Probe zeigt, die mittels der in 10 dargestellten Vorrichtung einem Temperaturzyklustest zugeführt worden ist.
12 ist ein Diagramm, welches Temperaturmesspunkte der dem Temperaturzyklustest von 10 zugeführten Probe zeigt.
13 ist eine grafische Darstellung, welche eine Beziehung zwischen dem Spritzabstand in einem Versuchsbeispiel und der Beständigkeit im Temperaturzyklustest zeigt.
14 ist eine grafische Darstellung, welche eine Beziehung zwischen der Schichtporosität im Versuchsbeispiel und der Beständigkeit im Temperaturzyklustest zeigt.
15 ist eine Lichtbildaufnahme, welche ein Beispiel für ein Mikrolichtbild eines Schichtquerschnitts im Rahmen der Berechnung der Schichtporosität zeigt.
16 ist eine Lichtbildaufnahme, welche ein Beispiel für ein Bild zeigt, das durch Binarisieren des Mikrolichtbilds des Schichtquerschnitts im Rahmen der Berechnung der Schichtporosität erhalten worden ist.

BESTE VARIANTE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden eine Wärmedämmschicht und ein Turbinenelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf Grundlage der Zeichnungen beschrieben. In den in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten Zeichnungen treten Fälle auf, in welchen, um eine leichte Verständlichkeit der Merkmale zu gewährleisten, Abschnitte der Merkmale der Einfachheit halber vergrößert dargestellt sind, wobei das Maßverhältnis oder dergleichen eines jeden Bestandselements nicht zwingend dem tatsächlichen Maßverhältnis oder dergleichen entspricht. Weiterhin stellen die in der nachfolgenden Beschreibung beispielhaft angegebenen Materialien, Abmessungen und dergleichen lediglich Beispiele dar, womit die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt ist und innerhalb eines Bereichs, welcher den Kern der Erfindung nicht ändert, in geeigneter Art und Weise verändert und implementiert werden kann.
<Konfiguration der Turbine>
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Gasturbine in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 dargestellt ist, umfasst eine Gasturbine 1 dieser Ausführungsform einen Verdichter 2, einen Brenner 3, einen Turbinenhauptkörper 4 und einen Rotor 5.
Der Verdichter 2 nimmt eine große Menge an Luft in sein Inneres auf und verdichtet sie.
Der Brenner 3 mischt den Brennstoff mit verdichteter Luft A, welche in dem Verdichter 2 verdichtet worden ist, und verbrennt das Gemisch.
Der Turbinenhauptkörper 4 wandelt die Wärmeenergie eines aus dem Brenner 3 eingebrachten Verbrennungsgases G in Rotationsenergie um. Der Turbinenhauptkörper 4 bläst das Verbrennungsgas G in Richtung einer auf dem Rotor 5 bereitgestellten Turbinenlaufschaufel 7, um die Wärmeenergie des Verbrennungsgases G in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln und hierdurch Energie zu erzeugen. In dem Turbinenhauptkörper 4 sind neben einer Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln 7 an der Seitenfläche des Rotors 5 eine Vielzahl von Turbinenleitschaufeln 8 an einem Gehäuse 6 des Turbinenhauptkörpers 4 bereitgestellt. In dem Turbinenhauptkörper 4 sind die Turbinenlaufschaufeln 7 und die Turbinenleitschaufeln 8 in einer Axialrichtung des Rotors 5 abwechselnd angeordnet.
Der Rotor 5 überträgt einen Teil der Rotationsenergie des Turbinenhauptkörpers 4 auf den Verdichter 2, um den Verdichter 2 in Rotation zu versetzen.
Nachfolgend wird in dieser Ausführungsform die Turbinenlaufschaufel 7 des Turbinenhauptkörpers 4 als Beispiel für das Turbinenelement gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
<Turbinenlaufschaufel (Turbinenelement) und Überzugsschicht>
2 ist eine Perspektivansicht, welche eine schematische Konfiguration der Turbinenlaufschaufel in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 2 dargestellt ist, umfasst die Turbinenlaufschaufel 7 einen Turbinenlaufschaufelhauptkörper 71, eine Plattform 72, einen Schaufelfuß 73 und eine Abdeckung 74. Der Turbinenlaufschaufelhauptkörper 71 ist im Strömungsweg des Verbrennungsgases G in dem Gehäuse 6 des Turbinenhauptkörpers 4 angeordnet. Die Plattform 72 ist an einem Basisende des Turbinenlaufschaufelhauptkörpers 71 bereitgestellt. Die Plattform 72 definiert den Strömungsweg des Verbrennungsgases G auf der Basisendeseite des Turbinenlaufschaufelhauptkörpers 71. Der Schaufelfuß 73 ist derart ausgebildet, dass er aus der Plattform 72 in Richtung der dem Turbinenlaufschaufelhauptkörper 71 gegenüberliegenden Seite herausragt. Die Abdeckung 74 ist an der Spitze des Turbinenlaufschaufelhauptkörpers 71 bereitgestellt. Die Abdeckung 74 definiert den Strömungsweg des Verbrennungsgases G an der Spitze des Turbinenlaufschaufelhauptkörpers 71.
3 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Hauptteils der Turbinenlaufschaufel in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 3 dargestellt ist, besteht die Turbinenlaufschaufel 7 aus einem Basismaterial 10 und einer Überzugsschicht 11.
Das Basismaterial 10 besteht aus einer wärmebeständigen Legierung, wie z.B. einer Ni-basierten Legierung.
Die Überzugsschicht 11 ist derart ausgebildet, dass sie die Oberfläche des Basismaterials 10 bedeckt. Die Überzugsschicht 11 umfasst eine Haftschicht 12 und eine Wärmedämmschicht 13.
Die Haftschicht 12 dient dazu, eine Ablösung der Wärmedämmschicht 13 vom Basismaterial 10 zu verhindern, und besteht aus einem Metall, welches eine hohe Haftfestigkeit bezüglich des Basismaterials 10 und der Wärmedämmschicht 13 aufweist und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit besitzt. Das Material der Haftschicht 12 und ein Verfahren zur Ausbildung der Haftschicht 12 sind nicht in besonderer Art und Weise beschränkt. Im Allgemeinen ist es allerdings bevorzugt, dass die Haftschicht 12 beispielsweise durch thermisches Spritzen eines Metallspritzpulvers einer MCrAlY-Legierung als thermisches Spritzmaterial auf die Oberfläche des Basismaterials 10 ausgebildet wird. Hierbei bezeichnet „M“ in der vorstehenden, die Haftschicht 12 ausbildenden MCrAlY-Legierung ein Metallelement. Bei dem Metallelement „M“ handelt es sich beispielsweise um ein einzelnes Metallelement wie z.B. NiCo, Ni oder Co, oder um eine Kombination von zwei oder mehr Arten hiervon.
Die Wärmedämmschicht 13 wird auf die Oberfläche der Haftschicht 12 laminiert. Die Wärmedämmschicht 13 wird durch thermisches Spritzen eines keramikhaltigen thermischen Spritzmaterials auf die Oberfläche der Haftschicht 12 ausgebildet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird als Keramik allerdings insbesondere Ytterbiumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YbSZ), bei welchen es sich um Zirkoniumdioxid (ZrO₂) handelt, das teilweise mit Ytterbiumoxid (Yb₂O₃) stabilisiert worden ist, verwendet. Weiterhin wird die Wärmedämmschicht 13 derart ausgebildet, dass ihre Porosität (Porenbelegung pro Volumeneinheit; Vol%) 5% oder mehr und weniger als 8%, und stärker bevorzugt 5% oder mehr und weniger als 6%, beträgt.
Durch Verwendung von Ytterbiumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YbSZ) als Keramikmaterial der Wärmedämmschicht 13 sowie Einstellung ihrer Porosität auf einen spezifischen Bereich wurde es im Rahmen dieser Ausführungsform möglich, eine hohe Beständigkeit als Turbinenelement, welches minderwertigen Brennstoff nutzt, eines mit Schweröl befeuerten Verdampfers oder dergleichen zu erzielen. Dies ist auf die nachfolgenden neuen Erkenntnisse der Erfinder der vorliegenden Erfindung zurückzuführen.
In einer Gasturbine, welche minderwertigen Brennstoff wie z.B. Schweröl nutzt, ist eine Wärmedämmschicht einer Natriumsulfat enthaltenden Salzschmelze ausgesetzt, welches aus in dem Schweröl enthaltenden Natrium, Schwefel oder dergleichen erzeugt wird, wobei die Salzschmelze in die Wärmedämmschicht eindringt und somit Bedenken bestehen, dass die Wärmedämmschicht durch die eingedrungene Salzschmelze beschädigt werden könnte. Was die Beschädigung der Keramikschicht durch die Salzschmelze betrifft, so werden verschiedene Mechanismen in Betracht gezogen. Es werden zahlreiche Mechanismen in Betracht gezogen, wie z.B. eine Materialverschlechterung aufgrund einer chemischen Reaktion zwischen YSZ und einer Salzschmelze (Na₂SO₄ oder dergleichen) im Falle der Verwendung von herkömmlichem, allgemeinem YSZ als Überzugsmaterial, oder eine Erhöhung der Wärmespannung aufgrund einer durch die Verstopfung von Poren mittels der Salzschmelze bedingten Erhöhung des Elastizitätsmoduls der Schicht, sowie eine Schwächung eines Überzugs aufgrund von Kristallwachstum der Salzschmelze in den Poren. Allerdings sind die Mechanismen zum jetzigen Zeitpunkt nicht zwingend geklärt. Auf jeden Fall verringert sich durch das Eindringen der Salzschmelze in den Keramiküberzug die Beständigkeit der Schicht, weshalb es höchst wünschenswert ist, eine Wärmedämmschicht zu entwickeln, welche selbst dann eine hohe Beständigkeit aufweist, wenn sie in einer Umgebung zum Einsatz gelangt, in der eine Salzschmelze vorhanden ist, wie beispielsweise in einer Gasturbine, die einen minderwertigen Brennstoff wie z.B. Schweröl nutzt.
Andererseits haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Evaluierung der Beständigkeit einer Wärmedämmschicht in einer salzschmelzehaltigen Umgebung entwickelt, welche(s) eine Anwendungsumgebung in einer mit Schweröl befeuerten Gasturbine simuliert, und haben bereits eine Patentanmeldung eingereicht, welche, wie in PTL 5 beschrieben, „eine Salzschmelzeeindringtestvorrichtung und ein Salzschmelzeeindringtestverfahren“ betrifft.
Mittels dem vorstehend beschriebenen Salzschmelzeeindringtestverfahren gemäß PTL 5 ist es möglich, das Ausmaß der Eindringung der Salzschmelze in die Wärmedämmschicht in der salzschmelzehaltigen Umgebung zu bestimmen. Dementsprechend ist es möglich, das Eindringen der Salzschmelze in die Wärmedämmschicht auf der Oberfläche eines Turbinenelements, wie z.B. einer Turbinenlaufschaufel oder einer Turbinenleitschaufel, in einer mit Schweröl befeuerten Gasturbine während der Verwendung zu simulieren. Wird die Wärmedämmschicht, in welche die Salzschmelze eingedrungen ist, anschließend einem Temperaturzyklustest unterzogen, ist es mittels eines solchen Salzschmelzeeindringtestverfahrens möglich geworden, die Beständigkeit der Wärmedämmschicht während ihrer Verwendung in der mit Schweröl befeuerten Gasturbine zu evaluieren.
Anschließend haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Beziehung zwischen der Art des Keramikmaterials der Wärmedämmschicht und deren Porosität, und dem Ergebnis der Beständigkeitsevaluierung mittels des vorstehend beschriebenen Salzschmelzeeindringtestverfahrens und Temperaturzyklustests untersucht, und haben im Ergebnis neu herausgefunden, dass durch die Verwendung von Ytterbiumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YbSZ) als Keramikmaterial und die Einstellung der Schichtporosität auf 5% oder mehr und weniger als 8% die Beständigkeit in einer salzschmelzehaltigen Umgebung definitiv besser ist als jene einer porösen, aus Yttriumoxid-teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) bestehenden Wärmedämmschicht mit einer Porosität von etwa 10%, welche in der Vergangenheit üblicherweise zum Einsatz gelangt ist.
Die Verwendung von YbSZ anstelle von YSZ als Keramikmaterial der Wärmedämmschicht des Turbinenelements als solches wurde bereits teilweise in Betracht gezogen, wie beispielsweise in PTL2 bis PTL 4 angegeben ist. Allerdings wurde die Verwendung von YbSZ in einer salzschmelzehaltigen Umgebung bislang nicht vollständig erforscht. Dies bedeutet, dass es mittels der/des in PTL 5 dargestellten und, wie vorstehend beschrieben, von den Erfindern der vorliegenden Erfindung entwickelten Salzschmelzeeindringtestvorrichtung bzw. -testverfahrens erstmals möglich wurde, das Eindringen der Salzschmelze in die Wärmedämmschicht in einer salzschmelzehaltigen Umgebung zu reproduzieren und die Beständigkeit der Wärmedämmschicht in der salzschmelzehaltigen Umgebung zu evaluieren. zu einem Zeitpunkt vor der Entwicklung der vorstehend beschriebenen Salzschmelzeeindringtestvorrichtung und dem vorstehend beschriebenen Salzschmelzeeindringtestverfahren bereitete es demgegenüber Schwierigkeiten, die Beständigkeit in einer salzschmelzehaltigen Umgebung korrekt zu evaluieren, weshalb selbst in Fällen, in welchen YbSZ in der salzschmelzehaltigen Umgebung zum Einsatz gelangt ist, die Beständigkeit nicht korrekt erfasst werden konnte.
Aufgrund der Entwicklung der/des neuen, in PTL 5 dargestellten Salzschmelzeeindringtestvorrichtung bzw. Salzschmelzeeindringtestverfahrens ist es indessen möglich geworden, die Beständigkeit der Wärmedämmschicht in Fällen, in welchen sie in einer mit Schweröl befeuerten Gasturbine zum Einsatz gelangt (und somit in Fällen, in welchen sie in einer salzschmelzehaltigen Umgebung zum Einsatz gelangt), zu evaluieren, und dementsprechend wurde die Wirksamkeit der Verwendung von YbSZ in einem vorbestimmten Porositätsbereich neu entdeckt.
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ergibt sich, wenn die Porosität der aus YbSZ bestehenden Wärmedämmschicht 13 weniger als 5% beträgt, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, weshalb es Schwierigkeiten bereitet, einen hinreichenden Wärmeabschirmungseffekt in Bezug auf das Basismaterial 10 zu erzielen. Beträgt die Porosität 8% oder mehr, so bereitet es demgegenüber Schwierigkeiten, die Beständigkeit während der Verwendung in einer salzschmelzehaltigen Umgebung hinreichend sicherzustellen. Dies bedeutet, dass selbst im Falle einer Wärmedämmschicht 13, welche aus YbSZ besteht und eine Porosität von 8% oder mehr aufweist, die Beständigkeit bei Verwendung in einer salzschmelzehaltigen Umgebung im Vergleich zu einer Wärmedämmschicht (einem herkömmlichen Material) mit einer Porosität von etwa 10%, welche im Stand der Technik aus allgemeinem YSZ besteht, nicht hinreichend verbessert ist.
Durch ausführliche Experimente wurde von den Erfindern der vorliegenden Erfindung auf diese Weise der Einfluss der Porosität einer aus YbSZ bestehenden Wärmedämmschicht 13 auf die Beständigkeit während der Verwendung in einer salzschmelzehaltigen Umgebung herausgefunden, wie zu einem späteren Zeitpunkt anhand eines Versuchsbeispiels näher beschrieben werden wird.
Ein Verfahren zur Messung der Porosität der Wärmedämmschicht 13 ist nicht in besonderer Art und Weise beschränkt. So kann beispielsweise der Querschnitt der Schicht 13 betrachtet werden, um die Belegung eines Porenabschnitts in dem Querschnitt zu messen. Insbesondere ist es beispielsweise vorteilhaft, dass, wenn ein Mikrolichtbild (beispielsweise 15) des Querschnitts in einer Dickenrichtung der Schicht aufgenommen wird, das Lichtbild mittels Bildverarbeitung in einen weißen Abschnitt und einen schwarzen Abschnitt binarisiert wird, der Flächenanteil eines einem Porenabschnitt entsprechenden Abschnitts (beispielsweise eines weißen Abschnitts) in dem erhaltenen Binärbild (beispielsweise 16) bestimmt wird, und der Flächenanteil als Porosität genommen wird. In diesem Fall wird der Flächenanteil berechnet. Da allerdings der Flächenanteil des Porenabschnitts im Wesentlichen dem Volumenanteil des Porenabschnitts entspricht, kann der Wert des vorstehenden Flächenanteils als Porosität (Vol%) angesehen werden.
Mit Ausnahme der vorstehenden Bedingungen werden weitere bevorzugte Bedingungen für die Überzugsschicht 11 beschrieben.
Die Dicke der Haftschicht 12 ist nicht in besonderer Art und Weise beschränkt. Im Allgemeinen ist es jedoch bevorzugt, dass die Dicke in einem Bereich von etwa 0.01 mm bis 1 mm liegt, wie beispielsweise in Anspruch 4 von PTL 4 angegeben ist.
Weiterhin ist es im Allgemeinen bevorzugt, dass die Dicke der Wärmedämmschicht 13 ebenfalls in einem Bereich von etwa 0.01 mm bis 1 mm liegt, wie in Anspruch 4 von PTL 4 angegeben ist. Beträgt die Dicke weniger als 0.01 mm, so bestehen dahingehend Bedenken, dass es Schwierigkeiten bereiten könnte, einen hinreichenden Wärmeabschirmungseffekt zu erzielen. Beträgt die Dicke mehr als 1 mm, bestehen, obwohl sich gute Wärmeabschirmungseigenschaften ergeben, demgegenüber Bedenken, dass sich die Beständigkeit tendenziell verringern könnte.
Was die Zusammensetzung des thermischen Spritzmaterials betrifft, wenn die Wärmedämmschicht 13 unter Einsatz von thermischem Spritzen ausgebildet wird, so ist es bevorzugt, dass das als Stabilisierungsmaterial fungierende Ytterbiumoxid (Yb₂O₃) in einem Bereich von 16 bis 20 Gewichts% vorliegt, wie in Anspruch 6 von PTL 2 angegeben ist, und dass der Rest im Wesentlichen aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) besteht.
<Verfahren zur Ausbildung des Turbinenelements>
Als nächstes wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Ausbildung eines Turbinenelements beschrieben, in welchem die vorstehend beschriebene Überzugsschicht 11 auf der Oberfläche des Basismaterials 10 ausgebildet ist.
4 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Ausbildung einer Turbine in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 4 dargestellt ist, wird im Rahmen eines Basismaterial-Formgebungsschritts S1 zunächst das Basismaterial 10 in die Form eines Zielturbinenelements, wie beispielsweise der Turbinenlaufschaufel 7, gebracht. In dieser Ausführungsform wird das Basismaterial 10 unter Verwendung der vorstehend beschriebenen wärmebeständigen, Ni-basierten Legierung oder dergleichen ausgebildet.
Anschließend werden im Rahmen eines Beschichtungsverfahrens S2 der Reihe nach ein Haftschicht-Laminierungsschritt (Haftüberzugsschicht-Ausbildungsschritt) S21, ein Wärmedämmschicht-Laminierungsschritt (Decküberzugsschicht-Ausbildungsschritt) S22, und ein Oberflächenanpassungsschritt S23 durchgeführt.
Im Rahmen des Haftschicht-Laminierungsschritts S21 wird die Haftschicht (Haftüberzugsschicht) 12 auf der Oberfläche des Basismaterials 10 ausgebildet. In dem Haftschicht-Laminierungsschritt S21 dieser Ausführungsform wird beispielsweise ein metallisches Spritzpulver, wie z.B. eine MCrAlY-Legierung, unter Einsatz eines Niederdruckplasmaspritzverfahrens thermisch auf die Oberfläche des Basismaterials 10 aufgespritzt.
Im Rahmen des Wärmedämmschicht-Laminierungsschritts S22 wird die Wärmedämmschicht (Decküberzugsschicht) 13 auf die Haftschicht 12 laminiert. In dem Wärmedämmschicht-Laminierungsschritt S22 dieser Ausführungsform wird beispielsweise ein vorstehend beschriebenes YbSZ-Pulver als thermisches Spritzmaterial unter Einsatz eines bei Atmosphärendruck durchgeführten Plasmaspritzverfahrens (APS; atmosphärisches Plasmaspritzen) thermisch auf die Haftschicht 12 aufgespritzt.
In dem Wärmedämmschicht-Laminierungsschritt S22 wird die Porosität der Wärmedämmschicht 13 hierbei derart eingestellt, dass sie 5% oder mehr und weniger als 8% beträgt, und stärker bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 6% liegt. Als Verfahren, welches eine derartige Kontrolle der Porosität der Wärmedämmschicht 13 ermöglicht, ist beispielsweise ein Verfahren üblich, welches das Verändern des Abstandes (in anderen Worten des Spritzabstandes) zwischen dem Basismaterial 10 und der Spitze (nicht dargestellt) einer Düse einer zum Spritzen des vorstehend beschriebenen thermischen Spritzmaterials geeigneten thermischen Spritzvorrichtung vorsieht. Dies bedeutet, dass im Falle einer Fixierung anderer Spritzbedingungen gilt: je kleiner der Spritzabstand ist, desto geringer wird die Porosität der aufgespritzten Schicht, d.h. desto feiner wird die Porosität. Dementsprechend ist es bevorzugt, den Spritzabstand derart einzustellen, dass die Porosität der Wärmedämmschicht 13 in einem Bereich von 5% oder mehr und weniger als 8% liegt, und stärker bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 6% liegt. Zusätzlich kann die Porosität der Wärmedämmschicht beispielsweise mittels eines Verfahrens, welches das Erhöhen des Spritzstroms der thermischen Spritzvorrichtung vorsieht, verringert werden. Weiterhin kann eine gewünschte Porosität durch Kontrollieren sowohl des Spritzabstandes als auch des Spritzstroms erhalten werden.
Der Oberflächenanpassungsschritt S23 passt den Zustand der Oberfläche der Überzugsschicht 11 an. Insbesondere wird im Rahmen des Oberflächenanpassungsschritts S23 die Oberfläche der Wärmedämmschicht 13 leicht abgekratzt, um die Schichtdicke der Überzugsschicht 11 einzustellen, oder wird die Oberfläche geglättet. Beispielsweise kann mittels des Oberflächenanpassungsschritts S23 der Wärmeübertragungskoeffizient zur Turbinenlaufschaufel 7 verringert werden. In dem Oberflächenanpassungsschritt S23 dieser Ausführungsform werden mehrere Zehntel Mikrometer der Wärmedämmschicht 13 abgekratzt, um die Oberfläche zu glätten und die Schichtdicke einzustellen.
Was die Partikelgrößenverteilung des thermischen Spritzpulvers betrifft, wenn die Wärmedämmschicht (Decküberzugsschicht) 13 durch thermisches Spritzen eines aus YbSZ bestehenden Pulvers ausgebildet wird, so ist es bevorzugt, dass das thermische Spritzpulver eine Partikelgrößenverteilung aufweist, in der der 10%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung, wie in PTL 3 beschrieben ist, 30 um oder mehr und 100 vom oder weniger beträgt, und der maximale Partikeldurchmesser 150 um oder weniger beträgt, und das thermische Spritzpulver Partikel mit einem Partikeldurchmesser von 30 µm in einem Anteil von 3% oder weniger und Partikel mit einem Partikeldurchmesser von 40 um in einem Anteil von 8% oder weniger enthält. Indem nicht nur die Porosität der Schicht auf 5% oder mehr und weniger als 8% eingestellt wird, sondern auch die Partikelgrößenverteilung des thermischen Spritzpulvers wie vorstehend beschrieben eingestellt wird, ist es möglich, die Temperaturzyklusbeständigkeit mit höherer Verlässlichkeit zu verbessern.
Weiterhin wird die Wärmedämmschicht der vorliegenden Erfindung auf einem Turbinenelement ausgebildet, welches einem minderwertigen Brennstoff nutzenden Gasturbinenmotor zugrunde liegt. Ein typischer minderwertiger Brennstoff ist hierbei Güteklasse 1 (Schweröl vom Typ A), wie sie in JIS 2205 spezifiziert ist. Allerdings ist auch die Verwendung von anderen minderwertigen Brennstoffen, wie beispielsweise von Güteklasse 2 (Schweröl vom Typ B) oder Güteklasse 3 (Schweröl vom Typ C), welche ebenfalls in JIS 2205 spezifiziert sind, oder von hierzu äquivalenten Schwerölbrennstoffen, wie beispielsweise von Rohölen wie ASL (Arabian Super Light) oder AXL (Arabian Extra Light), wirksam. Was letztere betrifft, so enthält Rabigh II-Rohöl vom Typ ASL gemäß „Latest Developments of Siemens Heavy Duty Gas Turbines for the Saudi Arabian Market“, wie auf der Siemens-Internetseite mit der nachfolgenden URL öffentlich offenbart ist, etwa 2.1 ppm an Na+K, etwa 0.5 ppm an V und etwa 0.1 Gew.-% an S, womit die Gasturbinenhersteller auch Fälle in Betracht ziehen müssen, wo diese Komponenten bei Verwendung eines solchen Rohöls in übermäßig großen Mengen vorliegen. Weiterhin ist die Wärmedämmschicht der vorliegenden Erfindung nicht auf Ölbrennstoffe beschränkt, sondern ist auch in Fällen wirksam, in welchen ein Kohlevergasungsbrennstoff als minderwertiger Brennstoff zum Einsatz gelangt.
[http://www.energy.siemens.com/hq/pool/hq/energytopics/pdfs/en/techninal%20paper/Siemens-Technical%20Paper-Latest-Developments-for-Saudi-Arabian-Market.pdf]
Als nächstes wird ein von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführtes Versuchsbeispiel beschrieben.
In dem nachfolgenden Experiment wurde unter Einsatz einer von den Erfindern der vorliegenden Erfindung entwickelten Salzschmelzeeindringtestvorrichtung ein Salzschmelzeeindringexperiment durchgeführt, und wurde ein Teststück nach dem Salzschmelzeeindringexperiment weiterhin einem laserbasierten Temperaturzyklustest unterzogen. Dementsprechend werden zunächst die Salzschmelzeeindringtestvorrichtung und das die Vorrichtung nutzende Salzschmelzeeindringexperiment unter Bezugnahme auf die 5 bis 9 beschrieben.
<Salzschmelzeeindringtest>
5 ist eine perspektivische Teilschnittansicht eines Teststücks 100, welches dem Salzschmelzeeindringtest zugeführt wird.
Wie in 5 dargestellt ist, ist das Teststück 100 derart ausgebildet, dass es die Oberfläche einer Turbinenlaufschaufel einer Gasturbine simuliert. Das Teststück 100 besteht aus dem Basismaterial 10 und der auf dem Basismaterial 10 angeordneten Überzugsschicht 11, wobei die Überzugsschicht 11 aus der auf der Basismaterialseite angeordneten Haftschicht 12 und der auf der Oberflächenseite angeordneten Wärmedämmschicht 13 besteht. Weiterhin ist das Teststück 100 scheibenförmig ausgebildet.
6 ist eine Teilschnittansicht, welche die Konfiguration der Salzschmelzeeindringtestvorrichtung dieses Beispiels zeigt.
Wie in 6 dargestellt ist, umfasst die Salzschmelzeeindringtestvorrichtung 50 einen Brenner 51, ein Aufnahmeträgerteil 53, einen Beschleuniger 54 und ein Salzzufuhrteil 60. Bei der Salzschmelzeeindringtestvorrichtung 50 handelt es sich um eine Vorrichtung, welche dafür sorgt, dass ein eine Salzschmelze enthaltendes Verbrennungsgas mit dem vorstehend beschriebenen Teststück 100 kollidiert. Ein Benutzer kann den Eindringzustand der Salzschmelze der Überzugsschicht 11 evaluieren, indem er das unter Einsatz der Salzschmelzeeindringtestvorrichtung 50 getestete Teststück 100 beobachtet. Was die Überzugsschicht 11 betrifft, so kann hierbei durch Evaluierung des Eindringzustandes der Salzschmelze beispielsweise eine Verschlechterung der Überzugsschicht 11 festgestellt werden.
Der Brenner 51 mischt Brennstoff mit der verdichteten Luft, welche in einem Verdichter (nicht dargestellt) verdichtet worden ist, und verbrennt das Gemisch. Der Brenner 51 umfasst ein Luftzufuhrteil 55, welches in der Lage ist, dem Verbrennungsgas G von außen verdichtete Luft zuzuführen. Das Luftzufuhrteil 55 ist derart ausgestaltet, dass es eine feine Einstellung der Menge der dem Verbrennungsgas G zugeführten Luft mittels eines elektromagnetischen Ventils oder dergleichen ermöglicht. Mit dem Luftzufuhrteil 55 kann die Temperatur des Verbrennungsgases G reduziert werden, beispielsweise durch Erhöhung der Menge an Luft, welche dem Verbrennungsgas G zugeführt wird.
Der Brenner 51 ist mittels eines Gestells 56 oberhalb des Aufnahmeträgerteils 53 angeordnet. Der Brenner 51 ist derart auf dem Gestell 56 befestigt, dass eine Einspritzöffnung 51a nach unten gerichtet ist und somit das Verbrennungsgas G vertikal nach unten geführt wird. Der Brenner 51 umfasst einen Behälter 51b mit hervorragenden Wärmeisolierungseigenschaften und verhindert somit, dass die Wärmeenergie des Verbrennungsgases G über den Behälter 51b nach außen freigesetzt wird.
Das Aufnahmeträgerteil 53 nimmt das Teststück 100, dessen Oberfläche mit der Überzugsschicht 11 überzogen ist, in einem Zustand auf, in welchem es von unten geträgert ist. Das Aufnahmeträgerteil 53 umfasst eine Kammer 57 und einen Trägerteilhauptkörper 58.
Die Kammer 57 umfasst einen Aufnahmeraum S, um das Teststück 100 in ihrem Inneren aufzunehmen. Ähnlich wie der vorstehend beschriebene Behälter 51b des Brenners 51 wird auch jeder der die Kammer 57 ausbildenden Wandabschnitte 59 unter Verwendung eines Materials mit hervorragenden Wärmeisolierungseigenschaften ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Kammer 57 den Aufnahmeraum S aufgrund der Wärmeisolierungseigenschaften der Wandabschnitte 59 in einem warmen Zustand halten kann. Jeder der Wandabschnitte 59 und der Behälter 51b werden als solche aus einem wärmeisolierenden Material ausgebildet, oder werden durch Befestigen eines wärmeisolierenden Materials auf einem Rahmen (nicht dargestellt) ausgebildet.
7 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Trägerteilhauptkörpers in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in den 6 und 7 dargestellt ist, trägert der Trägerteilhauptkörper 58 das Teststück 100 von unten und kühlt das Basismaterial 10, welches auf der rückseitigen Oberfläche des Teststücks 100 freigelegt ist. Der Trägerteilhauptkörper 58 umfasst ein Kühlluftzufuhrteil 61 und ein Trägerringteil 62.
Das Kühlluftzufuhrteil 61 bläst Kühlluft ein, welche dem Basismaterial 100 von außen zugeführt wird. Das Kühlluftzufuhrteil 61 umfasst eine Luftzufuhrleitung 63 und einen Gehäusekörper 64.
Die Luftzufuhrleitung 63 ist röhrenförmig ausgebildet, wobei sie eine Seitenwand 57a (siehe 6) der Kammer 57 durchdringt und sich in Richtung des Mittelpunkts in der horizontalen Richtung des Aufnahmeraums S erstreckt. Die von außen zugeführte Kühlluft strömt durch das Innere der Luftzufuhrleitung 63 in Richtung des Mittelpunkts des Aufnahmeraums S. Ein Endabschnitt der Luftzufuhrleitung 63 ist mit der Seitenwand des Gehäusekörpers 64 verbunden.
Der Gehäusekörper 64 hat die Funktion, die Strömungsrichtung der unter Einsatz der Luftzufuhrleitung 63 zugeführten Kühlluft derart zu verändern, dass sie nach oben zur rückseitigen Oberfläche des Teststücks 100 geführt wird. In dem Gehäusekörper 64 dieser Ausführungsform ist lediglich eine obere Wand 64a aus gestanztem Metall, Maschen oder dergleichen, welche eine Vielzahl von Löchern aufweist, ausgebildet. Aufgrund der oberen Wand 64a wird die aus der Luftzufuhrleitung 63 in den Gehäusekörper 64 strömende Kühlluft durch die Löcher der oberen Wand 64a nach oben ausgestoßen.
Das Trägerringteil 62 ist ringförmig ausgebildet, und ragt von einem äußeren Rand der oberen Wand des Gehäusekörpers 64 des Kühlluftzufuhrteils 61 nach oben heraus. Das Teststück 100 wird von dem Trägerringteil 62 gehalten. Als Verfahren zum Halten des Teststücks 100 können beispielhaft Verschraubung, Schweißen, oder dergleichen genannt werden. Auf diese Weise wird das Teststück 100 in einem vorbestimmten Abstand von der oberen Wand 64a des Gehäusekörpers 64 abgetrennt und mittels des Trägerringteils 62 von unten in einer zur oberen Wand 64a parallelen Stellung geträgert. Das Kühlluftzufuhrteil 61 kann hierbei eine Temperaturdetektionseinheit, wie z.B. ein Thermoelement, in einem Strömungsweg aufweisen, durch welchen die Kühlluft hindurchströmt. Auf diese Weise kann die Temperaturverteilung in der Dickenrichtung des Teststücks 100 durch Einstellen der Strömungsrate der Kühlluft gemäß der Temperatur der Kühlluft, welche von der Temperaturdetektionseinheit detektiert worden ist, kontrolliert werden.
Die Luftzufuhrleitung 63, der Gehäusekörper 64 und das Trägerringteil 62, welche den vorstehend beschriebenen Trägerteilhauptkörper 58 ausbilden, fungieren nicht nur als Rohrleitung zum Zuführen der Kühlluft, sondern fungieren auch als Ausleger zum Trägern des Teststücks 100 von unten.
Das Aufnahmeträgerteil 53 ist mit einem Beobachtungsfensterteil 65 versehen. Das Beobachtungsfensterteil 65 kommuniziert von außen mit dem das Teststück 100 aufnehmenden Aufnahmeraum S. Das Beobachtungsfensterteil 65 erstreckt sich in einer Radialrichtung, wobei das von dem Trägerteilhauptkörper 58 geträgerte Teststück 100 in der Mitte liegt. In dieser Ausführungsform ist ein zur Detektion der Temperaturverteilung des Teststücks 100 befähigtes Thermobetrachtungsfernsehgerät (Thermo Viewer TV) an dem Beobachtungsfensterteil 65 befestigt. In dieser Ausführungsform ist ein Fall dargestellt, in welchem lediglich ein Beobachtungsfensterteil 65 in dem Aufnahmeträgerteil 53 ausgebildet ist. Allerdings kann auch eine Vielzahl von Beobachtungsfensterteilen 65 in dem Aufnahmeträgerteil 53 ausgebildet sein. Weiterhin kann eine andere Beobachtungsvorrichtung als das Thermobetrachtungsgerät (Thermo Viewer) an dem vorstehend beschriebenen Beobachtungsfensterteil 65 befestigt sein.
Obwohl es in 7 zwecks Vereinfachung der Darstellung nicht angezeigt wird, ist das vorstehend beschriebene Trägerringteil 62 beispielsweise mit einem Ausschnitt (nicht dargestellt) versehen, so dass die mit der rückseitigen Oberfläche des Teststücks 100 kollidierende Kühlluft in den Aufnahmeraum S ausgetragen werden kann. Weiterhin ist das Aufnahmeträgerteil 53 mit einem Austragmechanismus (nicht dargestellt) zum Austragen des Verbrennungsgases G, welches gegen das Teststück 100 geblasen worden ist, versehen. Aufgrund des Austragmechanismus wird das Verbrennungsgas G, welches gegen das Teststück 100 geblasen worden ist, mittels des Austragmechanimus angesaugt und aus der Kammer 57 nach außen ausgetragen.
Der Beschleuniger 54 erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des die Salzschmelze enthaltenden Verbrennungsgases G und sorgt dafür, dass das Verbrennungsgas G mit dem Teststück 100 kollidiert.
Wie in 6 dargestellt ist, ist der Beschleuniger 54 mit einem Drosselabschnitt 66 und einem Geradrohrabschnitt 67 versehen.
Der Drosselabschnitt 66 ist an einem Endabschnitt auf der stromaufwärtigen Seite in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases G mit dem Brenner 51 verbunden. Der Drosselabschnitt 66 ist röhrenförmig ausgebildet, wobei sich die Strömungswegquerschnittsfläche in Richtung der stromabwärtigen Seite in Strömungsrichtung des Verbrennungsgases G sukzessive verringert. In dieser Ausführungsform weist der Drosselabschnitt 66 eine Strömungswegquerschnittsfläche auf, welche sich mit konstantem Neigungswinkel verringert. Der Drosselabschnitt 66 kann beispielsweise eine eine Innenwand und eine Außenwand umfassende Doppelstruktur aufweisen, so dass Kühlluft zur Verhinderung einer Überhitzung des Drosselabschnitts 66 durch den Raum zwischen der Innenwand und der Außenwand strömt.
Der Geradrohrabschnitt 67 ist in Form eines geraden Rohrs mit einer konstanten Strömungswegquerschnittsfläche ausgebildet. Der Geradrohrabschnitt 67 verbindet einen stromabwärtigen Endabschnitt 66a des Drosselabschnitts 66 mit dem Aufnahmeträgerteil 53. Im Einzelnen erstreckt sich der Geradrohrabschnitt 67 von dem stromabwärtigen Endabschnitt 66a des Drosselabschnitts 66 bis in das Innere des Aufnahmeraums S des Aufnahmeträgerteils 53. Ein stromabwärtiger Endabschnitt 67a des Geradrohrabschnitts 67 ist an einer Position unmittelbar über dem Teststück 100 angeordnet. Der Geradrohrabschnitt 67 ist derart angeordnet, dass eine Achse O1 hiervon orthogonal zur Oberfläche des im Inneren des Aufnahmeträgerteils 53 aufgenommenen Teststücks 100 ist. Dementsprechend sorgt der Beschleuniger 54 dafür, dass ein Innenraum S1 des Brenners 51 mit dem Aufnahmeraum S des Aufnahmeträgerteils 53 kommuniziert.
8 ist ein erläuterndes Diagramm des Beschleunigers und des Salzzufuhrteils in der Salzschmelzeeindringtestvorrichtung dieses Beispiels.
Wie in 8 dargestellt ist, ist in dieser Ausführungsform ein Neigungswinkel Θ des Drosselabschnitts 66 mit einem zur Beschleunigung des Verbrennungsgases G erforderlichen Winkel ausgebildet. Bei dem Neigungswinkel Θ handelt es sich hierbei um einen Winkel in Bezug auf die zur Achse O1 senkrecht angeordnete horizontale Ebene.
Der Innendurchmesser D2 des Geradrohrabschnitts 67 wird auf Grundlage der Menge des Verbrennungsgases G des Brenners 51 auf eine Größe eingestellt, bei welcher die Strömungsgeschwindigkeit am Auslass des Geradrohrabschnitts 67 niedriger ist als die Schallgeschwindigkeit. Steht beispielsweise „Q“ (m³/s) für die Menge an Verbrennungsgas G bei einer Belastung des Brenners 51 von 100%, und steht „Vc“ (m/s) für die Schallgeschwindigkeit des Verbrennungsgases G, so kann der Innendurchmesser D2 mittels des nachfolgenden Ausdrucks (1) bestimmt werden. $D2 = {(Q / Vc \times 4 / π)}^{0.5}$
Der Geradrohrabschnitt 67 ist derart ausgebildet, dass er eine Länge L aufweist, bei welcher die Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases G (nachfolgend als Gasstromgeschwindigkeit bezeichnet) einen Zielwert erreicht.
Steht „V1“ für die Gasstromgeschwindigkeit in dem Drosselabschnitt 66, und steht „V2“ für die Gasstromgeschwindigkeit in dem Geradrohrabschnitt 67, so ergibt sich der nachfolgende Ausdruck (2). $V1 / V2 = D2 / D1$
Das Salzzufuhrteil 60 führt dem Verbrennungsgas G ein Salz zu. Das dem Verbrennungsgas G zugeführte Salz schmilzt unter Ausbildung einer Salzschmelze und verdampft sodann, wobei sich sein Zustand in einen gasförmigen Zustand umwandelt. Die Salzschmelze, welche sich in einen gasförmigen Zustand umgewandelt hat, dringt von der Oberfläche des Teststücks 100 her ein, d.h. von der Wärmedämmschicht 13 in Richtung der Haftschicht 12.
Das Salzzufuhrteil 60 umfasst einen Verdichter 40, einen Lösungsbehälter 41, eine Dosierpumpe 42, eine Zweifluiddüse (Zufuhrdüse) 43, und eine Zufuhrleitung 44.
Der Verdichter 40 führt der Zweifluiddüse 43 bei konstantem Druck verdichtete Luft zu. Der Verdichter 40 kann gemeinsam mit einem Verdichter benutzt werden, welcher dem vorstehend beschriebenen Drosselabschnitt 36 Kühlluft zuführt.
Der Lösungsbehälter 41 lagert eine wässrige Lösung des Salzes. In dieser Ausführungsform lagert der Lösungsbehälter 41 beispielsweise eine wässrige Lösung von Natriumsulfat (Na₂SO₄). Die Salzkonzentration der wässrigen Lösung, welche in dem Lösungsbehälter 41 gelagert wird, kann hierbei auf einen Bereich von 0.1 Masse% bis 0.5 Masse%, und weiterhin auf einen Bereich von 0.25 Masse% bis 0.35 Masse% eingestellt werden. In dieser Ausführungsform wird eine wässrige Lösung verwendet, welche Natriumsulfat in einer Menge von 0.3 Masse% enthält.
Die Dosierpumpe 42 führt der Zweifluiddüse 43 bei einer konstanten volumetrischen Strömungsrate die in dem Lösungsbehälter 41 gelagerte wässrige Lösung zu. Die volumetrische Strömungsrate der wässrigen Lösung, welche der Zweifluiddüse 43 mittels der Dosierpumpe 42 zugeführt wird, kann hierbei auf einen Bereich von 0.5 (L/h) bis 0.7 (L/h) eingestellt werden. In dieser Ausführungsform wird die wässrige Lösung der Zweifluiddüse 43 mit 0.6 (L/h) zugeführt.
Die Zweifluiddüse 43 verdüst die aus dem Lösungsbehälter 41 zugeführte wässrige Lösung unter Einsatz der aus dem Verdichter 40 zugeführten verdichteten Luft beispielsweise zu einem Nebel. Als Zweifluiddüse 43 können hierbei unterschiedliche Arten von Zweifluiddüsen zum Einsatz gelangen, wie z.B. Zweifluiddüsen vom Innenmischtyp, vom Außenmischtyp und vom Kollisionstyp. In dieser Ausführungsform wurde ein Fall beschrieben, in welchem die mittels der Dosierpumpe 42 erzielte Zuführung der wässrigen Lösung aus dem Lösungsbehälter 41 unter Druck erfolgt. Allerdings kann auch eine sogenannte Zweifluiddüse 43 vom Saugtyp zum Einsatz gelangen, in welcher die wässrige Lösung angesaugt und durch die einer verdichteten Luft immanente Kraft versprüht wird.
Die Zufuhrleitung 44 führt dem Inneren des Beschleunigers 24 die mittels der Zweifluiddüse 43 verdüste wässrige Lösung zu. In dieser Ausführungsform ist die Zufuhrleitung 44 mit dem Beschleuniger 24 verbunden, weshalb unter dem Gesichtspunkt der Wärmebeständigkeit beispielsweise ein Keramikrohr verwendet werden kann. Der Innendurchmesser der Zufuhrleitung 44 kann auf einen Bereich von 5 mm bis 7 mm eingestellt werden. In dieser Ausführungsform liegt der Innendurchmesser der Zufuhrleitung 44 in einem Bereich von 5.5 mm bis 6.5 mm (beispielsweise 6.0 mm).
Das Salzzufuhrteil 60 umfasst zwischen der Dosierpumpe 42 und dem Lösungsbehälter 41 ein Ventil V1.
In ähnlicher Art und Weise umfasst das Salzzufuhrteil 60 zwischen dem Verdichter 40 und der Zweifluiddüse 43 ein Ventil V2. Das Ventil V1 ist geöffnet, während die wässrige Lösung der Zweifluiddüse 43 zugeführt wird, und ist anderweitig geschlossen. Demgegenüber ist das Ventil V2 stets geöffnet, und ist beispielsweise während der Dauer einer Wartung oder dergleichen geschlossen.
<Salzschmelzeeindringtestverfahren>
Als nächstes wird ein unter Einsatz der vorstehend beschriebenen Salzschmelzeeindringtestvorrichtung 50 durchgeführtes Salzschmelzeeindringtestverfahren beschrieben.
9 ist ein Flussdiagramm des Salzschmelzeeindringtestverfahrens dieses Beispiels.
Wie in 9 dargestellt ist, wird zunächst das die Überzugsschicht 11 auf der Oberfläche des Basismaterials 10 aufweisende Teststück 100 hergestellt (Schritt S01), und wird eine wässrige Lösung eines Salzes hergestellt (Schritt S02).
Danach wird das Teststück 100 auf dem Trägerteilhauptkörper 58 abgelegt (Schritt S03), und wird die wässrige Lösung in dem Lösungsbehälter 41 gelagert (Schritt S04). Das Salz und Wasser können in dem Lösungsbehälter 41 zur Herstellung einer wässrigen Lösung miteinander vermischt werden. Schritt S01 und Schritt S02 können auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, oder können gleichzeitig durchgeführt werden. In ähnlicher Art und Weise können auch Schritt S04 und Schritt S05 in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, oder können gleichzeitig durchgeführt werden.
Anschließend wird die Salzschmelzeeindringtestvorrichtung 50 eingeschaltet.
Danach werden die verdichtete Luft und Brennstoff, welche in einem Mischzustand vorliegen, in dem Brenner 51 unter Erzeugung eines Hochtemperaturverbrennungsgases G verbrannt. Weiterhin wird dem Hochtemperaturverbrennungsgas G über das Luftzufuhrteil 55 verdichtete Luft zugeführt, um eine Temperatureinstellung vorzunehmen.
Andererseits wird mittels des Kühlluftzufuhrteils 61 von der rückseitigen Oberfläche Kühlluft gegen das in dem Aufnahmeraum S des Aufnahmeträgerteils 53 angeordnete Teststück 100 geblasen. Auf diese Weise wird die Kühlung des Basismaterials 10 fortgesetzt.
Weiterhin werden die Ventile V1 und V2 des Salzzufuhrteils 60 geöffnet, wodurch mit der Zufuhr der verdüsten wässrigen Lösung zum Beschleuniger 54 begonnen wird (Schritt S06). Danach wird das in der wässrigen Lösung enthaltene Salz mittels des Verbrennungsgases G unter Ausbildung einer Salzschmelze erwärmt, und wird die Salzschmelze weiterhin in Gas umgewandelt. Das in der wässrigen Lösung enthaltene Wasser wird hierbei erwärmt und verdampft.
Das Verbrennungsgas G, welches eine feste Menge der in Gas umgewandelten Salzschmelze enthält, wird mittels des Beschleunigers 54 auf eine als Zielgeschwindigkeit festgelegte Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt. Durch den Beschleuniger 54 kollidiert das auf die Zielgeschwindigkeit beschleunigte Verbrennungsgas G mit der Überzugsschicht 11, und insbesondere mit der Wärmedämmschicht 13 des in dem Aufnahmeraum S aufgenommenen Teststücks 100. Zu diesem Zeitpunkt wird vom Benutzer mittels des Thermobetrachtungsfernsehgeräts (Thermo Viewer TV) die Temperaturverteilung des Teststücks 100 überwacht, und wird mittels der Kühlluft die Temperatureinstellung des Verbrennungsgases G und die Temperatureinstellung des Teststücks 100 vorgenommen, so dass eine Temperaturverteilung erhalten wird, welche zu jener in der eigentlichen Maschine äquivalent ist.
Nachdem dieser Zustand für eine vorbestimmte Zeit aufrechterhalten worden ist (Schritt S07), schaltet der Benutzer die Salzschmelzeeindringtestvorrichtung 50 aus (Schritt S08), entnimmt das Teststück 100 aus dem Aufnahmeträgerteil 53, und nimmt eine Bewertung des Eindringzustandes oder dergleichen der Salzschmelze der Wärmedämmschicht 13 vor (Schritt S09).
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Beispiel kann das Verbrennungsgas G des Brenners 51 dementsprechend als Trägergas für das Salz verwendet werden. Aus diesem Grund kann die Temperatur des Teststücks 100 auf eine Temperatur erhöht werden, welche zu jener des Turbinenelements in der eigentlichen Maschine äquivalent ist. Weiterhin kann dafür gesorgt werden, dass das salzhaltige Verbrennungsgas G mit dem Teststück 100 kollidiert, nachdem es mittels des Beschleunigers 54 beschleunigt worden ist. Auf diese Weise kann die Strömungsgeschwindigkeit des salzhaltigen Verbrennungsgases G auf eine Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden, welche zu jener des Verbrennungsgases in der eigentlichen Maschine äquivalent ist, obgleich ein kleiner Brenner 51 verwendet wird. Dies bedeutet, dass es möglich ist, die Grenzbedingung der Überzugsschicht 11 des Teststücks 100 äquivalent zur Grenzbedingung einer Wärmedämmschicht in der eigentlichen Maschine auszugestalten. Dementsprechend ist es möglich, den Eindringzustand der Salzschmelze in die Überzugsschicht 11 des Teststücks 100 korrekt zu evaluieren, während gleichzeitig eine Vergrößerung der Vorrichtung verhindert wird.
Weiterhin wird die Zweifluiddüse 43 bereitgestellt, wodurch die Salzschmelze gleichmäßiger mit dem Verbrennungsgas G vermischt werden kann. Aus diesem Grund ist es möglich, das Verbrennungsgas G in einem Zustand zu reproduzieren, welcher äquivalent zu jenem in der eigentlichen Maschine ist.
Weiterhin wird das Kühlluftzufuhrteil 61 bereitgestellt, wodurch es möglich ist, das mit der Überzugsschicht 11 beschichtete Basismaterial 10 des Teststücks 100 zu kühlen. Aus diesem Grund ist es möglich, dafür zu sorgen, dass auch in dem Teststück 100 eine Temperaturverteilung auftritt, welche äquivalent zur Temperaturverteilung in der Dickenrichtung des Turbinenelements der eigentlichen Maschine ist. Dementsprechend ist es möglich, den Eindringzustand der Salzschmelze in die Überzugsschicht 11 des Teststücks 100 genauer zu evaluieren.
Weiterhin verringert sich die Strömungswegquerschnittsfläche des Drosselabschnitts 66 in dem Beschleuniger 54 sukzessive, wodurch es möglich ist, die Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases sanft zu erhöhen. Weiterhin wird der Geradrohrabschnitt 67 bereitgestellt, wodurch das Verbrennungsgas G, dessen Strömungsgeschwindigkeit mittels des Drosselabschnitts 66 erhöht worden ist, ausgerichtet wird, so dass das Verbrennungsgas G weiter beschleunigt werden kann. Dementsprechend kann dafür gesorgt werden, dass das die Salzschmelze enthaltende Verbrennungsgas G wirksam mit dem Teststück 100 kollidiert, und gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases G hinreichend erhöht wird.
Weiterhin ist es möglich, die Temperatur des Verbrennungsgases G durch Zuführen von Luft für die Temperatureinstellung des Verbrennungsgases G zu verringern. Aus diesem Grund kann die Temperatur der Überzugsschicht 11 des Teststücks 100 durch Erhöhen oder Verringern der Zufuhrmenge an Luft für die Temperatureinstellung problemlos auf eine gewünschte Temperatur eingestellt werden.
Weiterhin ist es möglich, den Zustand des Teststücks 100 während des Abnutzungstests durch das Beobachtungsfensterteil 65 zu beobachten. Aus diesem Grund ist es möglich, das Auftreten einer Abweichung zwischen der Grenzbedingung des Teststücks 100 und der Grenzbedingung der eigentlichen Maschine zu verhindern.
Da das Teststück, nachdem unter Einsatz der vorstehend beschriebenen Salzschmelzeeindringtestvorrichtung ein Salzschmelzeeindringtest durchgeführt worden ist, einem laserbasierten Temperaturzyklustest unterzogen wird, wird unter Bezugnahme auf 10 als nächstes eine laserbasierte Temperaturzyklustestvorrichtung beschrieben.
<Temperaturzyklustestvorrichtung>
10 ist eine Teilschnittansicht, welche die Konfiguration der Temperaturzyklustestvorrichtung zeigt.
Wie in 10 dargestellt ist, wird eine Temperaturzyklustestvorrichtung 80 derart ausgestaltet, dass sie eine Probe 101 mit der auf dem Basismaterial 10 ausgebildeten Überzugsschicht 11 in einer Probenhaltevorrichtung 82, welche in einem Hauptkörperabschnitt 83 angeordnet ist, mit der Überzugsschicht 11 nach außen anordnet, und dass die Probe 101 von der Seite der Überzugsschicht 11 aus durch Bestrahlen der Probe 101 mit Laserlicht L aus einer CO₂-Laservorrichtung 84 erwärmt wird. Während des Erwärmens mittels der CO₂-Laservorrichtung 84 wird die rückseitige Oberfläche der Probe 101 weiterhin mit einem Gasstrom F gekühlt, welcher von der Spitze einer Kühlgasdüse 85 ausgestoßen wird, die derart angeordnet ist, dass sie den Hauptkörperabschnitt 83 an einer die rückseitige Oberfläche der Probe 101 gegenüberliegenden Position im Inneren des Hauptkörperabschnitts 83 durchdringt.
Mit einer solchen Temperaturzyklustestvorrichtung ist es möglich, auf einfache Art und Weise einen Temperaturgradienten im Inneren der Probe 101 zu erzeugen, womit es möglich ist, eine Evaluierung in Übereinstimmung mit einer Anwendungsumgebung durchzuführen, welche auf ein Hochtemperaturteil, wie z.B. ein Gasturbinenelement, einwirkt.
11 ist eine grafische Darstellung, welche schematisch eine Temperaturveränderung in der Probe zeigt, die unter Einsatz der in 10 dargestellten Vorrichtung dem Temperaturzyklustest zugeführt worden ist. 12 ist ein Diagramm, welches Temperaturmesspunkte der dem Temperaturzyklustest zugeführten Probe zeigt. Die in 11 dargestellten Kurven A bis C entsprechen jeweils den Temperaturmesspunkten A bis C der in 10 dargestellten Probe 101.
Wie in 11 dargestellt ist, ist es unter Einsatz der in 10 dargestellten Temperaturzyklustestvorrichtung möglich, die Erwärmung derart durchzuführen, dass sich die Temperatur in der Reihenfolge Oberfläche (A) der Überzugsschicht 11 der Probe 101, Grenzfläche (B) zwischen der Überzugsschicht 11 und dem Basismaterial 10, und rückseitige Oberfläche (C) des Basismaterials 10 verringert. Indem beispielsweise dafür gesorgt wird, dass die Oberfläche der Überzugsschicht 11 eine hohe Temperatur von 1200°C oder mehr aufweist und die Temperatur der Grenzfläche zwischen der Überzugsschicht 11 und dem Basismaterial 10 in einem Bereich von 800 bis 900°C liegt, ist es aus diesem Grund möglich, die gleiche Temperaturbedingung wie jene zu erhalten, welche in der eigentlichen Gasturbinenmaschine vorliegt. Die Erwärmungstemperatur und der Temperaturgradient dieser Temperaturzyklustestvorrichtung können durch Einstellen der Ausgangsleistung der CO₂-Laservorrichtung 84 und des Gasstroms F auf einfache Art und Weise auf gewünschte Temperaturbedingungen gebracht werden.
Nachfolgend ist ein Versuchsbeispiel angegeben, in welchem durch thermisches Spritzen eine Wärmedämmschicht auf einem Teststück ausgebildet wird, und das Teststück sodann dem Salzschmelzeeindringtest und dem Temperaturzyklustest zugeführt wird.
<Versuchsbeispiel>
Das in 5 dargestellte Teststück 100 wurde wie folgt hergestellt.
Eine Haftüberzugsschicht (Haftschicht), welche aus einer CoNiCrAlY-Legierung mit der Zusammensetzung Co-32Ni-21Cr-8Al-0.5Y gemäß Beispiel 1 von PTL 2 bestand, wurde unter Einsatz eines Niederdruckplasmaspritzverfahrens mit einer Dicke von 0.1 mm auf der Oberfläche des aus einer Ni-basierten Legierung bestehenden Basismaterials ausgebildet.
Durch Ausbilden der Decküberzugsschicht (Wärmedämmschicht) 13 auf der Oberfläche der Haftschicht 12 durch thermisches Spritzen von YbSZ auf die Oberfläche der Haftschicht 12 unter Einsatz eines atmosphärischen Plasmaspritzverfahrens, sowie Ausbilden der Überzugsschicht 11 mit einer mittleren Gesamtdicke von 0.5 m wurden Teststücke Nr. 1 bis Nr. 3 hergestellt.
Hierbei wird der Spritzabstand auf Grundlage des Spritzabstandes für normales YSZ auf 1 eingestellt, wobei im Falle von YbSZ durch Verändern des Verhältnisses (relativer Spritzabstand) zum Referenzabstand in drei Stufen, nämlich 0.47, 0.80, und 1.20, drei Arten von Teststücke (Nr. 1 mit einem relativen Spritzabstand von 0.47, Nr. 2 mit einem relativen Spritzabstand von 0.80, und Nr. 3 mit einem relativen Spritzabstand von 1.20) hergestellt wurden.
Weiterhin wurde für Vergleichszwecke ein aus herkömmlichem Material gebildetes Teststück Nr. 4 hergestellt, in welchem die Wärmedämmschicht 13 durch thermisches Spritzen von YSZ ausgebildet wurde. Der Spritzabstand betrug hierbei 1, wie vorstehend als Referenz für einen relativen Abstand beschrieben worden ist.
Im Rahmen der Herstellung der Teststücke Nr. 1 bis Nr. 3 wurde als thermisches YbSZ-Spritzmaterial ein Material verwendet, welches, wie in Anspruch 1 von PTL 2 angegeben ist, Ytterbiumoxid (Yb₂O₃) in einer Menge von 16 Gewichts% enthält und der Rest im Wesentlichen aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) besteht. Weiterhin wurde ein hochbeständiges Pulver verwendet, in welchem Schichtdefekte verringert werden konnten, indem die durch thermisches Spritzen erzeugte Schicht unter Verwendung eines Pulvers ausgebildet wurde, dessen Pulverpartikeldurchmesser eine Partikelgrößenverteilung mit einem in PTL 3 angegebenen 10%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung von 30 um oder mehr und 100 µm oder weniger aufweist, und insbesondere einen 10%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung von 45 um aufweist, dessen maximaler Partikeldurchmesser 150 um oder weniger beträgt, und in dem der Anteil an Partikeln mit einem Partikeldurchmesser von 40 um 8% oder weniger beträgt.
Demgegenüber wurde als thermisches Spritzmaterial für das aus herkömmlichem Material gebildete Teststück Nr. 4 ein Material verwendet, welches Yttriumoxid (Y₂O₃), das im Allgemeinen kommerziell erhältlich ist, in einer Menge von 8 Gewichts% enthält und der Rest im Wesentlichen aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) besteht.
Jedes der Teststücke Nr. 1 bis Nr. 4 wurde unter Einsatz der in den 6 bis 8 dargestellten Salzschmelzeeindringtestvorrichtung und in Übereinstimmung mit dem in 9 dargestellten Verfahren dem Salzschmelzeeindringtest unterzogen. Die Testbedingungen waren wie folgt.

Temperatur des Verbrennungsgases: 1500°C
Art des Verbrennungsgases: LPG-Gas
Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases: 300 m/s
TBC-Oberflächentemperatur: 1100°C
Temperatur des Haftüberzugs: 800°C
zugeführte Salzschmelze: wässrige Lösung von Natriumsulfat (Na₂SO₄)
Zufuhrkonzentration: gemischt mit reinem Wasser, bis eine Konzentration von 0.046% erhalten wurde
Zufuhrdauer: 8 h

Diese Testbedingungen entsprachen den Bedingungen, unter welchen Na₂SO₄ im Falle einer Verwendung von normalem YSZ hinreichend in die Wärmedämmschicht eindringt, wie mittels eines Vorversuchs bestätigt wurde.
Weiterhin wurde jedes der Teststücke Nr. 1 bis Nr. 4 nach dem Salzschmelzeeindringtest unter Einsatz der in 10 dargestellten laserbasierten Temperaturzyklustestvorrichtung dem Temperaturzyklustest unterzogen.
Anschließend wurde wiederholt eine Differenz ΔT (=T1-T2) zwischen einer Temperatur T1 der Oberfläche der Wärmedämmschicht 13 und einer Temperatur T2 an der Grenzflächenposition zwischen der Wärmedämmschicht 13 und der Haftschicht 12 erzeugt, um die Beständigkeit der Wärmedämmschicht zu untersuchen. Hierbei stellt der Wert der vorstehend beschriebenen Temperaturdifferenz ΔT einen Index für den Beständigkeitsgrad der Wärmedämmschicht dar, weshalb zur Evaluierung der Beständigkeit die Temperaturdifferenz ΔT (TBC-Ablösegrenztemperaturdifferenz) einer Grenze, bei welcher selbst nach 1000 Zyklen keine Ablösung erfolgt, bestimmt wurde.
Aus dem vorstehenden Versuch wurde deutlich, dass in Nr. 1 bis Nr. 3, in welchen jeweils YbSZ verwendet wurde, die Anzahl an Temperaturzyklen bis zur Ablösung der Schicht größer ist als in Nr. 4, bei welchem es sich um das herkömmliche, YSZ nutzende Material handelt, woraus sich ableiten lässt, dass die Beständigkeit in einer salzschmelzehaltigen Umgebung hervorragend ist. Weiterhin wurde bestätigt, dass innerhalb der Gruppe der YbSZ nutzenden Teststücke Nr. 1 bis Nr. 3 in Nr. 1, in welchem der Spritzabstand 70 mm betrug, und in Nr. 2, in welchem der Spritzabstand 120 mm betrug, ΔT größer ist als in Nr. 3, in welchem der Spritzabstand 180 mm betrug. Dies bedeutet, dass Nr. 1, in welchem der Spritzabstand 70 mm betrug, und Nr. 2, in welchem der Spritzabstand 120 mm betrug, bessere Wärmeabschirmungseigenschaften besitzen als Nr. 3, in welchem der Spritzabstand 180 mm betrug.
Obwohl es in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, wurde nach dem vorstehend beschriebenen Salzschmelzeeindringtest für jedes Teststück der Eindringzustand der Salzschmelze in die Schicht anhand des Vorhandenseins von Na in einem Schichtquerschnitt untersucht. Nachdem die Menge an Na in dem Schichtquerschnitt mittels Oberflächenanalyse unter Einsatz eines Elektronenstrahlmikroanalysators (EPMA) bestimmt worden war, wurde bestätigt, dass in Nr. 1 oder Nr. 2, in welchen ein kurzer Spritzabstand realisiert wurde, signifikant weniger Na eingedrungen war.
Im Gegensatz hierzu wurde für Nr. 3, in welchem ein langer Spritzabstand realisiert wurde, und für Nr. 4, bei welchem es sich um das herkömmliche, YSZ nutzende Material handelt, bestätigt, dass eine große Menge an Na die gesamte Schicht durchdrungen hatte.
Was die vorstehend beschriebenen jeweiligen Teststücke betrifft, so ist in 13 weiterhin die Beziehung zwischen dem Spritzabstand und der Beständigkeit der Wärmedämmschicht in dem Temperaturzyklustest dargestellt, und ist in 14 die Beziehung zwischen der Porosität der Wärmedämmschicht und der Beständigkeit der Wärmedämmschicht in dem Temperaturzyklustest dargestellt.
Im Rahmen der Evaluierung der Temperaturzyklusbeständigkeit gemäß 13 und 14 wurde die TBC-Ablösegrenztemperaturdifferenz ΔT von Nr. 4, bei welchem es sich um das herkömmliche Material handelt, als Referenzwert auf 1 eingestellt, wobei die Evaluierung der Temperaturzyklusbeständigkeit durch die relativen Werte von ΔT der Teststücke Nr. 1 bis Nr. 3 in Bezug auf den Referenzwert angegeben ist. Was die Porosität der Decküberzugsschicht in jedem Teststück betrifft, so wurde ein Mikrolichtbild (beispielsweise 15) des Querschnitts wie bereits beschrieben mittels Bildverarbeitung binarisiert, wurden Porenabschnitte aus dem Binärbild extrahiert (beispielsweise 16), und wurde die Porosität aus dem Flächenanteil der Porenabschnitte bestimmt.
Wie vorstehend beschrieben, wurde für Nr. 1 und Nr. 2, in welchen jeweils YbSZ verwendet wurde, bestätigt, dass die TBC-Temperaturdifferenz ΔT der Grenze, bei der nach 1000 Zyklen in einer Umgebung mit massiver Salzschmelzepräsenz keine Ablösung erfolgt, etwa 30% besser ist, wenn die Grenztemperatur ΔT in der Salzschmelze von Nr. 4, bei welchen es sich um das herkömmliche, YSZ nutzende Material handelt, gleich 1 gesetzt wird, und wurde eine extrem hohe Beständigkeit erzielt.
Demgegenüber ist die Beständigkeit von Nr. 3, in welchem YbSZ verwendet und ein langer Spritzabstand realisiert wurde, im Vergleich zu Nr. 1 und Nr. 2 etwas geringer, obwohl es im Vergleich zu Nr. 4, in welchem normales YSZ verwendet wurde, eine hohe Beständigkeit aufweist.
Weiterhin kann aus den 13 und 14 abgelesen werden, dass sich die Porosität der Schicht durch Verändern des Spritzabstandes selbst bei Verwendung des gleichen thermischen Spritzmaterials verändert.
Weiterhin wird aus 14 deutlich, dass die Grenztemperaturdifferenz ΔT, bei welcher selbst nach 1000 Zyklen keine Ablösung erfolgt, in den Teststücken Nr. 1 und Nr. 2, in denen die Porosität innerhalb des Bereichs (5% oder mehr und weniger als 8%) der vorliegenden Erfindung liegt, innerhalb der Gruppe der YbSZ nutzenden Teststücke Nr. 1 bis Nr. 3 größer ist als in dem Teststück Nr. 3, in dem die Porosität den Bereich der vorliegenden Erfindung übersteigt, und die Beständigkeit hervorragend ist.
Eine Zielgrenztemperaturdifferenz ΔT für die Sicherstellung der Temperaturzyklusbeständigkeit in der Salzschmelze zielt hierbei auf eine Verbesserung von 25% oder mehr gegenüber dem herkömmlichen, YSZ nutzenden Material ab. In diesem Fall ist aus 14 ersichtlich, dass die Porosität auf einen Wert von weniger als 8% eingestellt werden muss. Dies ist ein Ergebnis, welches sich von der Tatsache unterscheidet, dass gemäß der vorstehend beschriebenen PTL 2 in Fällen, in welchen YbSZ in einer normalen Umgebung einer mit Gas befeuerten Gasturbine (einer Umgebung, in welcher keine Salzschmelze vorhanden ist) verwendet wird, eine Porosität im Bereich von 8 bis 15% eine hohe Temperaturzyklusbeständigkeit erzielt, was eine neu aufgefundene Erkenntnis darstellt.
Dies bedeutet, dass im Falle einer Verringerung der Porosität der Elastizitätsmodul der Schicht steigt und sich somit die Wärmespannung während des Betriebs erhöht, weshalb im Allgemeinen angenommen wird, dass die Beständigkeit im Falle einer geringen Porosität abnimmt. Im Falle einer Verwendung von minderwertigem Brennstoff wurde allerdings herausgefunden, dass der Einfluss einer in Poren eindringenden Salzschmelze größer ist, und dass sich in diesem Fall die optimale Porosität von dem herkömmlich beschriebenen optimalen Porositätsbereich unterscheidet. Zusätzlich wird angenommen, dass eine Kontrolle der Partikelgrößenverteilung und eine Verringerung von Schichtdefekten, welche auf thermisches Spritzen beschränkt sind, ebenfalls zu einer hohen Beständigkeit führen.
Es wurde hier beschrieben, dass nach 1000 Zyklen in dem Temperaturzyklustest 1.25 (25% Verbesserung gegenüber dem herkömmlichen Material Nr. 4) als Wert für ΔT angestrebt wird. Beträgt die Porosität weniger als 8%, so kann indessen ein ΔT von 1.25 oder mehr sichergestellt werden, weshalb die Obergrenze der Porosität im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf weniger als 8% eingestellt wird.
Die bevorzugte Ausführungsformen und das Versuchsbeispiel der vorliegenden Erfindung wurden vorstehend beschrieben. Allerdings stellen die Ausführungsform und das Versuchsbeispiele lediglich Beispiele innerhalb des vom Kern der Erfindung umfassten Schutzbereichs dar, womit Hinzufügungen, Weglassungen, Substitutionen und andere Veränderungen der Konfigurationen innerhalb eines Bereichs vorgenommen werden können, welcher nicht vom Kern der vorliegenden Erfindung abweicht. Dies bedeutet, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die vorstehende Beschreibung beschränkt wird, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt ist, womit die vorliegende Erfindung selbstverständlich innerhalb des Schutzbereichs in geeigneter Weise verändert werden kann.
Bezugszeichenliste

1:: Gasturbine
2:: Verdichter
3:: Brenner
4:: Turbinenhauptkörper
5:: Rotor
6:: Gehäuse
7:: Turbinenlaufschaufel
8:: Turbinenleitschaufel
10:: Basismaterial
11:: Überzugsschicht
12:: Haftschicht (Haftüberzugsschicht)
13:: Wärmedämmschicht (Decküberzugsschicht)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017062063 [0002]
JP 4388466 [0009]
JP 5602156 [0009]
JP 4969094 [0009]

Claims

Wärmedämmschicht, umfassend ein Keramikmaterial, welches auf ein Basismaterial, das aus einer wärmebeständigen, ein Turbinenelement in einem minderwertigen Brennstoff nutzenden Gasturbinenmotor konstituierenden Legierung besteht, thermisch aufgespritzt und auf diesem ausgebildet worden ist, wobei Ytterbiumoxid-teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid als Keramikmaterial der Schicht verwendet wird und die Porosität der Wärmedämmschicht 5% oder mehr und weniger als 8% beträgt.
Wärmedämmschicht gemäß Anspruch 1, wobei die Porosität in einem Bereich von 5% bis 6% liegt.
Wärmedämmschicht, in welcher ein thermisches Spritzpulver mit einer Partikelgrößenverteilung, in der der 10%-Partikeldurchmesser in einer kumulativen Partikelgrößenverteilung 30 µm oder mehr und 100 um oder weniger beträgt, als keramisches Spritzpulver für die Schichtbildung verwendet wird, das thermische Spritzpulver einen maximalen Partikeldurchmesser von 150 µm oder weniger aufweist, und das thermische Spritzpulver Partikel mit einem Partikeldurchmesser von 30 um in einem Anteil von 3% oder weniger und Partikel mit einem Partikeldurchmesser von 40 µm in einem Anteil von 8% oder weniger enthält.
Turbinenelement, umfassend die auf einem Basismaterial ausgebildete Wärmedämmschicht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.
Turbinenelement gemäß Anspruch 4, wobei die Wärmedämmschicht auf einer Oberfläche des Basismaterials ausgebildet ist und dazwischen eine Haftschicht angeordnet ist.
Turbinenelement gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Turbinenelement in einer mit Schweröl befeuerten Gasturbine verwendet wird.