EP2024737A1 - Bauteil für eine thermische beanspruchung, insbesondere turbinenschaufel - Google Patents

Bauteil für eine thermische beanspruchung, insbesondere turbinenschaufel

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Publication number
EP2024737A1
EP2024737A1 EP07729540A EP07729540A EP2024737A1 EP 2024737 A1 EP2024737 A1 EP 2024737A1 EP 07729540 A EP07729540 A EP 07729540A EP 07729540 A EP07729540 A EP 07729540A EP 2024737 A1 EP2024737 A1 EP 2024737A1
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EP
European Patent Office
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component
diffusion
coating
component according
thermal stress
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07729540A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rene Jabado
Jens Dahl Jensen
Ursus KRÜGER
Daniel Körtvelyessy
Volkmar LÜTHEN
Ralph Reiche
Michael Rindler
Raymond Ullrich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2024737A1 publication Critical patent/EP2024737A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9006—Details, e.g. in the structure or functioning of sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating

Definitions

  • Component for a thermal load in particular Tur ⁇ binenschaufel
  • the invention relates to a component which is provided with a coating on a component substrate, wherein a thermal stress on the component causes a diffusion-induced remodeling of the structure of the coating.
  • the invention relates to a component, at least one structural phase with a rate different from the rest ⁇ union fabric chemical composition is distributed in the structure, said part is a diffusion-related conversion of the structural phase at a thermal load of the building.
  • a component of this type which is formed by a turbine blade, is known for example from US 2004/0159376 Al.
  • This component has a corrosion protection layer, which is formed by a MCrAlY material.
  • a corrosion protection layer which is formed by a MCrAlY material.
  • elements such as Al, Ni, Co and Cr phases are formed in the structure of the protective layer.
  • acti ⁇ wherein predominantly layer is due to the diffusion of Al passivation of the view surface by forming a dense, stable A12O3.
  • the protective layer is depleted in time to the Ele ⁇ elements such as Al in which case in this case, the required supply of Al in the microstructure of the MCrAlY-material by the cerium ⁇ the Al containing phases is fed until the supply of these phases of Al is used up, or the diffusion path for the phase elements to the surface of the coating as a function of the layer temperature is too long and so no Al more is available.
  • the protective layer is also more complex diffusion processes and thus a ⁇ forth phase changes take place. These remodeling processes change both the structure and the properties of the layer as well as the support material in the area of the interface to the carrier material.
  • the MCrAlY type films are alloyed according to the prior art from the main alloying elements Ni and Co. Besides Fe, Ni and CO belong to the elements with ferromagnetic properties. This means that these elements can form their own magnetic field with suitable conditioning. In addition to the ferromagnetic elements, there are elements paramagneti ⁇ rule properties - these elements create a magnetic field when excited by another magnetic field. Para- magnetic phases can also be present in MCrAlY coatings. In addition to these elements, there are a number of compounds, in particular oxides, in which antiferromagnetic properties have been detected and which are produced under the operating conditions of turbine blades as a product of the consumption of the protective layer.
  • All elements or compounds with magnetic properties exhibit high levels of magnetic permeability measurement due to electromagnetic interactions. It is known that the magnetic permeability of the protective layers changes as a function of time and operating conditions through the aforementioned conversion processes. On the one hand, it turns out that in the new state, the ferromagnetic properties of Ni and Co are at a low level. The same is true for the alloy components paramagnetic properties assumed. Antiferromagnetic properties are only generated when the protective layer is removed.
  • Eddy Current field is produced with a measuring probe, Eddy Currents, which are closed-loop eddy currents in an electrical conductor, which are detectable by electromagnetic interaction with the measuring probe (or measuring head)
  • the turbine blade layer can thus be evaluated by the fact that the electromagnetic interactions change under certain measuring conditions over the operating time of the layer or of the turbine blade
  • a suitable measuring system is listed in US 2004/0159376 A1.
  • the object of the invention is to specify a component for a particular thermal stress, for which it is possible to determine comparatively precise statements with regard to operational changes in properties in the component.
  • This object is achieved according to the invention for a component with coating in that the coating is designed as an indicator for the thermal stress of the component, wherein the material of the coating is selected such that its diffusion-related conversion takes place in the temperature range of the thermal stress of interest , causes a detectable change in the properties of the coating with respect to a detection method to be used and at the earliest on reaching the end of the life of the construction ⁇ part is completed.
  • a component having a structural phase comprising a from the remaining structure deviate ⁇ sponding composition has dissolved because the Ge ⁇ add phase as an indication of the thermal stress of the component is formed, wherein the material of the structural phase is selected in such a way in that its diffusion-related conversion takes place in the temperature range of the thermal stress of interest, causes a detectable property change of the structural phase with regard to a detection method to be used, and is concluded at the earliest on reaching the end of life of the component.
  • an indicator designed as a coating or structural phase in a component for forming an eddy current system a reduction of the influence of disturbing variables is achieved according to the invention under the following conditions.
  • the diffusion-related conversion must take place in the temperature range of the thermal stress at all.
  • diffusion processes in the structure of Bautei ⁇ len that only above a certain temperature achieve appreciable diffusion rates and thus lead to measurable changes in the microstructure.
  • the thermal load state of the component must therefore already be known.
  • the indicator ie, the structural phase or the coating
  • ⁇ has location or distribution, and therefore a trainee depending on the distance to the surface in the component temperature ⁇ turgradient inside the component leads to a lower than the temperature acting on the component temperature.
  • the diffusion-related restructuring remains a lockable self ⁇ economy of changes in the structural phase and the coating manufacturer vor physician must respect the Denden to USAGE ⁇ detection method.
  • an eddy current system can be formed.
  • a change in the conductivity or magnetic permeability cause in the ⁇ sem case of the indicator must be of the diffusion-induced conversion (depending on the measurement method) in the interior of the component, since only those state variables (attributes) by Eddy Current system can be detected.
  • Property changes that take place outside of the indicator can also play a role here and must be taken into account when assessing the change in characteristics.
  • the diffusion-related conversion is completed at the earliest on reaching the end of service life of the component.
  • a indi- used er the conversion is completed after a period of operation till ⁇ due to rapidly occurring diffusion processes, which is half of the service life, so are statements about the thermal load during the ge ⁇ not entire second half of the operating time more possible because the diffusion process is completed and to ⁇ reason the maximum in entropy sets a stable condition.
  • the material of the coating is selected in such a way out ⁇ that their substrate diffusion-induced conversion with a diffusion of constituents of the coating and / or the component substrate by an interface between the component ⁇ and the coating is accompanied therethrough.
  • the material of the structural phase is selected such that its diffusion-related remodeling merges with a diffusion of constituents of the structural phase and / or of the remaining microstructure through an interface between the structural phase and the remaining microstructure.
  • microstructure ⁇ phase also consist of nanoparticles that are included by the rest of the structure, the nanoparticles are surrounded by a diffusion barrier shell.
  • the coating consists of two layers, wherein the material of the layers is selected such that their diffuse associated with a diffusion of constituents of the layers through an interface between the layers.
  • the structural phase consisting of nanoparticles, which are enclosed by the rest of the structure and have a core and a shell on ⁇ , wherein the material of the core and shell being ⁇ is such selected that its diffusion-induced conversion with a diffusion of Components of the core and shell through an interface between the core and shell passes.
  • the described structure of the indicators advantageously produces a defined geometry of the indicators with an interface of known surface area.
  • such interference influence is for example in a KORRO ⁇ sion related change of the alloy composition of the MCrAlY layer, which loses during the operating life of the turbine blade up to the end of tool life alloy components of, for example Al, Ni and Cr.
  • at least two metals are present in the component for the diffusion-related conversion, which are converted into an intermetallic phase. These can be present in different structural areas of the component, taking into account the mechanisms already described in the indicator structure (a metal in the structure of the component and a metal in the layer / structural phase or both metals in the layer or structural phase, wherein a diffusion barrier layer is present can be) .
  • the metals are selected to have a strong tendency to form intermetallic phases due to their properties.
  • the formation of intermetallic phases also influences the electrical conductivity and magnetic permeability within the component and can therefore be detected without problems, in particular by forming an eddy current system.
  • the intermetallic phase preferably forms in the boundary layer, the thickness of which gives an indication of the degree of thermal loading of the component.
  • Ni (Ni ⁇ ckel) or Pt and Co (cobalt) or Cr (chromium) and Co, or Ni and Co are used as the metals Pt (platinum) and.
  • An alternative embodiment for this provides that at least two metals are present in the construction ⁇ part for the diffusion-related remodeling, which rebuilt into a mixed crystal ⁇ the.
  • the above applies accordingly, except that they are selected so that a solubility of the at least one metal in the other ⁇ metal is given.
  • This solution of atoms in the crystal structure of the other metal leads to the formation of mixed crystal ⁇ and thus defines the characteristics of the diffusion-related ⁇ conversion of at least one metal. If both metals are soluble in one another, so diffusion is clear of both metals in the other metal respectively, so that the (for example, Eddy Current) is advantageous way ⁇ amplified effect to be measured.
  • the metals used are Ta (tantalum) and Co or Ta and Ni or Ta and Cr or Cr and Ni or Ti (titanium) and Ni or Ti and Co or Ti and Cr.
  • the use of Fe with a suitable mixed crystal partner such as C, Ni, Co or Cr as the core of nanoparticles in a shell which is latestbil ⁇ det as a diffusion barrier to the surrounding layer provided.
  • a suitable mixed crystal partner such as C, Ni, Co or Cr
  • the use of an Fe core with a specified transparent shell as a diffusion barrier layer, which allows the diffusion of Fe into the matrix of the coating can also be used according to a further embodiment, as long as the content of Fe in the layer does not negatively affect its function impaired.
  • an alternative embodiment of the invention is obtained when a metal, in particular Cu (copper) and a semiconducting material, in particular Si (silicon) are present in the component for the diffusion-related conversion, wherein the conversion of a doping of the semiconductive material with the Me - tall exists.
  • the doping of the semiconductor material with the metal an electrically non-lei ⁇ se tendes material is advantageously converted into the component to an electrical conductor, the conductivity of the component in a relatively large extent and therefore changes. This can, as already explained, be detected by an eddy current system.
  • the indicator that is to say the structural phase distributed in the rest of the structure of the component or the coating, is only in one section of the component part.
  • Surface covering portion of the component is provided.
  • the portion of the component is determined by the Volumenab ⁇ section of the component is defined which lies below that from ⁇ section of the component surface which is to be provided tor with the indicators.
  • Component surface must have a sufficient area aufwei ⁇ sen so that the detection system selected provide reliable readings. For example, needs to form a Eddy Cur rent-field are taken into account that the measuring apparatus egg having ne certain spatial extent and therefore the area in which the eddy currents (Eddy Currents) generates who are uniformly covered by the indicator ⁇ intended.
  • the cutout taking into account the minimum requirements on the component surface, can be selected such that a specific thermal stress state is present within the cutout. This may in particular ⁇ sondere be the cut-largest thermal stress. This makes it possible to measure the thermal stress of the component in a critical area. On the other hand, this area is at the same time particularly susceptible to component failure due to thermal stress.
  • thermal relationships of different thermal stressed zones are not known, it is also possible to provide all zones with indicators in a first generation of components and thereby determine a relationship. A second generation could then do without indicators in the most thermally contaminated zones.
  • the component is formed by a turbine blade.
  • turbine shop ⁇ feln is highly stressed thermal construction ⁇ parts, the done their interpretation in the border area with currently available materials feasible. Therefore, thermal monitoring of these components is particularly advantageous.
  • the indicators in the turbine blades can thereby improve the experience in the operation of the turbine blades, that after reaching the end of the service life of the turbine blades, a study is carried out and their findings are taken into account in new designs of gas turbines.
  • the component fatigue can be detected and an adjustment of the operating parameters of the gas turbine in question are made based on the findings Furthermore, during the operating time, the progression ⁇ th.
  • the evaluation of the results can be used to determine a possible faulty loading of the turbine blade due to incorrect operating parameters of the gas turbine.
  • the surface of the turbine blade is formed by a thermal protection layer. This means ensures that the surface is also protected in the areas from the thermal stress in which the indicator is provided. This is located below the thermal protection layer, wherein the formation of a corresponding temperature gradient in the thermal protection layer, which leads to the thermal protection of the turbine blade, must be taken into account in the evaluation of the diffusion processes in the indicator.
  • a corrosion protection layer is provided in the turbine blade. This may consist in ⁇ play, of a MCrAlY layer.
  • the corrosion- ⁇ onstik für can, for example together with the indicator ⁇ men culture which is ent in the form of said structural phase (e.g., as nanoparticles) in the corrosion protection layer ⁇ hold.
  • the corrosion protection layer with the indica tor ⁇ forms a boundary layer forming coating.
  • diffusion barrier layers are to be provided in the manner described.
  • this coating is applied below the anticorrosive layer with respect to the surface.
  • the corrosion protection layer protects ⁇ thus the coating in front of a microstructure ⁇ change due to corrosion processes, which would falsify an intended in the indicator change in structure due to thermal stress.
  • Figure 1 shows the view of a turbine blade as Ausure ⁇ tion of the inventive component
  • Figure 2 shows schematically the measuring range of a detection method such.
  • Figure 3 to 5 embodiments of the invention ⁇ construction parts with a coating
  • FIGS 8 and 9 embodiments of nanoparticles as Ge joining phase.
  • FIG. 1 shows a turbine blade 11 is a perspective view Darge ⁇ .
  • a section 13 of the surface of the turbine blade 11 which is exposed to high thermal stress. This area is performed as an indicator of the thermal stress of the turbine blade and half under ⁇ housed the surface-forming thermal protective layer 14 (see FIG. 3) and therefore not visible in Figure 1.
  • a thermal stress on the turbine blade 11 causes a diffusion-induced conversion of the indicator, this conversion leads to a change in the electrical conductivity of the turbine blade.
  • a measuring head as MWM ® (mean-dering Winding magnetometer) 15, which by means of variable frequencies in the cutout 13 of the turbine blade 11 eddy currents can generate ⁇ 16, can be a change in the e- lektrischen properties in the cutout 13 of the Turbinenschau- prove 11.
  • the change in electrical properties can indirectly draw a conclusion about the thermal Bean ⁇ spruchung to the turbine blade, which had to endure sioning since the commissioning ⁇ this.
  • a relevant evaluation is carried out by a data processing system, not shown, with which the measuring head 15 is connected by means of a line 17.
  • Figure 1 is the concept of an indicator according to the invention in the turbine blade according possible to achieve a height ⁇ rer measuring accuracy by means of an indirect measuring method such as the formation of an eddy current system.
  • a one turbine blade is the US designated as 2004/0159376 Al.
  • the change in the MCrAlY layer is evaluated, wherein the Ge ⁇ change in the MCrAlY layer during the operating time of the turbine blade 11 is dependent on a wealth of external circumstances. For example, exhausting the effect of the anti-corrosion properties of the MCrAlY layer is dependent not only on the thermal stress on the turbine blade but also on the composition of the combustion gas.
  • FIG 2 is thus illustrates qualitatively how a measurement to form an eddy current system can be back ⁇ clearly improves the measuring accuracy by use of the erfindungsge ⁇ MAESSEN indicator although the processes occurring in the turbine blade processes do not in their electrical effect on the measurement result can be eliminated.
  • FIGS. 3 to 7 illustrate sections as they might look within section 13 of the turbine blade of FIG.
  • the turbine blade 11 are each formed by a component substrate 18 wherein the turbine blade in each case by a thermal protective layer 14 (also thermal barrier coating, called TBC) and a corrosion- ⁇ onstik für 20 made of a MCrAlY material is protected.
  • the indicator for the thermal stress is formed either by a coating 21 or by a structural phase 22 in the component.
  • the coating is a single-layer or multi-layer system which can itself carry additional layers.
  • the structural phase can be formed, in particular, by nanoparticles 23 which have flowed into the remaining structural phase of the component.
  • the structural phase of the component is also understood to be the structural phase of the coatings which form part of the component.
  • the indicators are shown as an example on turbine blades, they can also be used in any other components. These components may differ in particular from turbine blades in that they are not provided with a thermal protection layer 14 or a corrosion protection layer 20. In these cases, the surface of the component would be formed by the component substrate or the coating. Although such embodiments are not shown in greater detail, they can be obtained by considering the embodiments according to FIGS. 3 to 7 without the layers 14 and 20.
  • the layer structure according to Figure 3 is most easily leads out ⁇ .
  • a coating 21 a material is used, which in each case has an interface 24o to the corrosion protection ⁇ layer 20 and an interface with the component substrate 18 ⁇ . Diffusion of atoms from the coating 21 into the adjacent layers or in the opposite direction can take place via these interfaces 24u.
  • the diffusion is driven by the desire to achieve a concentration balance between regions of different concentration of certain atoms. In this case, the concentration difference can occur abruptly at the boundary layers 24o, 24u if the material of the individual layers has a different having a composition.
  • the concentration of different atoms in the coating 21 can be distributed heterogeneously, so that diffusion processes within the coating 21 can also be evaluated without an influence of the adjacent layers.
  • FIG. 4 shows how a diffusion between the coating 21 and the adjacent component substrate 18 can be prevented or at least reduced.
  • a diffusion barrier layer 25 is provided, which be ⁇ vorzugt may comprise a ceramic structure.
  • Such a composition of the diffusion barrier layer difficult or un ⁇ even terbindet diffusion between the adjacent layers, so as shown in FIG 4, between the coating 21 and the component substrate 18 wherein a diffusion favoring interface according to the Darge in Figure 3 ⁇ set (24u) does not arise.
  • the coating 21 in this case consists of two layers 26a, 26b, which have a different composition and form an interface 24.
  • diffusion barrier layers 25 is provided so that the diffusion processes in the coating 21 autonomously run, ie, the compositions of the adjacent layers 20, 18 are not influenced. This has the advantage that the composition of the layers 26a, 26b in the design as an indicator can be varied without regard to the layer compositions of adjacent layers in their composition.
  • the generated indicators can be tuned, for example, to specific temperature ranges to be detected. Once an indicator has been optimized for a specific temperature range, it can be used in different components with different different alloy compositions are used, since an influence of the adjacent layers whose composition must be varied, for example, functionally, not for the function of the indicator in importance. Furthermore, a possibly undesired influence of the coating on the component, which could occur through a diffusion of atoms from the coating into the surrounding layers of the component, can be avoided. In this way, negative effects may From ⁇ a diffusion-induced alloying change in the surrounding layers of the component are effectively prevented.
  • the indicator is formed on the component 11 by a structural phase 22 which is contained in the residual structure of the construction ⁇ part.
  • This structural phase 22 is shown in FIG 6 in the base substrate 18.
  • a thermal DEMANDS ⁇ monitoring of the component 11 results in that between the microstructure ⁇ phase 22 and the surrounding base substrate 18 atoms diffusi ⁇ ons merit be replaced, so that a change of e- Lektrischen conductivity of the component is measurable.
  • the structural phase 22 is contained in the corrosion protection layer 20.
  • the structural phase 20 is optimized for the effect as an indicator of the temperature stress of the component 11 (also applies to FIG. 6). This can be achieved in particular in that the structural phase 22 is not coming through a choice of a certain alloy composition of, as a residual structure in question to the insert layer 18, is executed 20, but that during the generation ⁇ supply of the component or the layer nanoparticles into the Microstructures are incorporated whose composition in terms of
  • effect of nanoparticles can be optimized as an indicator.
  • an electrochemical deposition of the layer material can be selected as the production method for an incorporation of nanoparticles.
  • Another possibility is to apply the nanoparticles together with particles of the coating material by means of a cold gas spraying process.
  • the peculiarity of the cold gas spraying is advantageously utilized so that the coating material is only insignificantly thermally stressed because the layer formation is determined on the basis of the kinetic energy which is imparted to the coating particles by the process.
  • the kine ⁇ diagram energy is then converted to the necessary for a layer cohesion of thermal energy.
  • the structure of the nanoparticles used is negligibly affected.
  • the nanoparticles can be agglomerated, for example, into smaller clusters for better processability.
  • Another possibility is to incorporate the nanoparticle Tikel as dispersants in the used in a flame spraying process, in particular a high-speed flame spraying (HVOF) fluid, wherein the nano particle ⁇ advantageously be maintained as a fluid, for example in kerosene as Disperion.
  • HVOF high-speed flame spraying
  • the company Nanophase Technologies Inc. produces such dispersions with different nanoparticles.
  • a special nanoparticles is shown wel ⁇ ches is 27 and a sheath 28 of a core. Between the core and the shell, an interface 24 is formed, which, with a defined size of core 27 and shell 28, leads to precisely defined conditions in the case of diffusion of atoms from the core into the shell or out of the shell into the core. Therefore, the nanoparticle 23 according to FIG. 8 can be used for accurate detection of the thermal load.
  • Figure 9 is a nanoparticle which is constructed inside exactly ⁇ so, as the nanoparticles, coated in accordance with Figure 8 by a diffusion barrier 29 which forms the surface of the nanoparticle 23rd
  • a diffusion barrier 29 which forms the surface of the nanoparticle 23rd
  • Nanoparticles according to Figures 8 and 9 can be ⁇ example, by a company by the QinetiQ Ltd. nanomaterial produce developed methods. The nanoparticles manufactured in this way presented are distributed by this company under the Na ⁇ men Tesimorph ®. These nanoparticles can be applied with at least one shell by the so-called ALD process of ALD-NanoSolution Inc.
  • Corresponding Prototy ⁇ pen of the indicators must, of a known thermal load are subjected to the component in which they are to be used for the reaction of the indicator can be found in the cases of thermal stress within the allowable limits or thermal overload. Once the changes in the microstructure caused by the indicator and, for example, the resulting change in the conductivity in the component are known, it can be deduced in the subsequent operation of series components on the change in the properties of the thermal stress.
  • advantageous layer systems or structural phases in particular nanoparticles in the structure can be produced, the diffusion behavior due to defined boundary layers between the individual layers and defined compositions relatively well can be predicted.
  • the design of the indicator for a particular application is advantageously simplified significantly.
  • a selection of suitable indicators for the present application can be made, which is given primarily by the temperatures prevailing during operation and, moreover, can also be influenced by the alloy of the component.
  • the model is presented in the following for the OF INVENTION ⁇ -making proper coating. In the same way, however, the model could also be transferred to the layers of nanoparticles, which are also present under boundary layer formation in the microstructure.
  • the second form of the indicator is single-layered.
  • the diffusion of a diffuser from considered the component in the indicator layer which acts the main effect of the diffusion-related reconstruction of the layer be ⁇ .
  • the measurement capabilities according to the type of the diffusion processes which on the one hand determined by the diffusants and on the other properties by the self ⁇ that layer in which the Diffusant overcoming the interface diffuses set.
  • This layer will be drawn below as a diffusion layer.
  • Two Dif ⁇ must be considered fusion processes at the interface in the interpretation of the indicator.
  • the diffuser migrates into the diffusion layer and, secondly, a diffusion-controlled subsequent delivery of the diffuser from the layer adjacent to the diffusion layer to the boundary layer is necessary. The slower process controls the entire process.
  • atoms can also be involved in the diffusion processes, the measurable diffusion effects in this case being determined by a superimposition of the diffusion-related properties.
  • diffusers may be present either in a layer adjacent to the diffusion layer, with all types of diffusers migrating into the diffusion layer.
  • an exchange of diffusers takes place in both directions at the boundary layer. In this case, both adjacent layers take over the function of the diffusion layer for a certain type of diffusants and on the other hand the function of a depot of Diffusan ⁇ th.
  • the diffusion processes of the diffusers are considered individually, the following models can be used for the expiring ones Diffusion processes are formed.
  • the reached edge concentration can be calculated, in which the diffusion compensation between an infinite space with constant concentration and a finite thick layer is calculated.
  • the mass flow of the diffuser passing through the interface must be calculated, from which then the thickness of the layer reached after the time in question can be determined. The concentration in the unreacted diffusion layer remains constant at the initial value of the layer.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Bauteil (11), welches eine Beschichtung (21) auf einem Bauteilsubstrat (18) aufweist. Die Beschichtung kann Teil eines größeren Beschichtungssystems sein. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Beschichtung (21) als Indikator für eine thermische Beanspruchung des Bauteils (11) verwendet wird. Die Beschichtung (21) ist beispielsweise in zwei Lagen (26a, 26b) aufgebaut und durch Diffusionssperrschichten (25) von dem restlichen Bauteil (11) isoliert. Die temperaturbedingt ablaufenden Diffusionsvorgänge zwischen den Lagen (26a, 26b) können durch geeignete Verfahren (beispielsweise durch Bildung eines Eddy Current-Systems) ausgewertet werden und lassen vorteilhaft einen Rückschluss auf die thermische Beanspruchung des Bauteils zu. Die erfindungsgemäße Beschichtung (21) kann beispielsweise bei Turbinenschaufeln eingesetzt werden.

Description

Beschreibung
Bauteil für eine thermische Beanspruchung, insbesondere Tur¬ binenschaufel
Die Erfindung betrifft ein Bauteil, welches mit einer Be- schichtung auf einem Bauteilsubstrat versehen ist, wobei bei einer thermischen Beanspruchung des Bauteils ein diffusionsbedingter Umbau des Gefüges der Beschichtung erfolgt.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Bauteil, in dessen Gefüge zumindest eine Gefügephase mit einer von dem rest¬ lichen Gefüge abweichenden chemischen Zusammensetzung verteilt ist, wobei bei einer thermischen Beanspruchung des Bau- teils ein diffusionsbedingter Umbau der Gefügephase erfolgt.
Ein Bauteil dieser Art, welches durch eine Turbinenschaufel gebildet wird, ist beispielsweise aus der US 2004/0159376 Al bekannt. Dieses Bauteil besitzt eine Korrosionsschutzschicht, welche durch ein MCrAlY-Material gebildet ist. In diesem Ma¬ terial bilden Elemente wie Al, Ni, Co und Cr Phasen im Gefüge der Schutzschicht aus. Während der Betriebszeit der Turbinen¬ schaufel wird der Schutzmechanismus der Schutzschicht akti¬ viert, wobei überwiegend aufgrund der Diffusion von Al eine Passivierung der Sichtoberfläche durch Ausbildung einer dichten, stabilen A12O3 Schicht erfolgt. Durch die fortdauernde mechanische thermische und chemische Beanspruchung der Schau¬ fel verarmt die Schutzschicht jedoch mit der Zeit an den Ele¬ menten wie z.B. Al wobei in diesem Fall der erforderliche Nachschub an Al im Gefüge des MCrAlY-Materials durch den Zer¬ fall der Al-haltigen Phasen gespeist wird, bis der Vorrat dieser Phasen an Al aufgebraucht ist, bzw. der Diffusionsweg für die Phasenelemente an die Oberfläche der Beschichtung als Funktion der Schichttemperatur zu lang wird und so kein Al mehr zur Verfügung steht. Im Betrieb der Schutzschicht finden außerdem weitere komplexe Diffusionsvorgänge und damit ein¬ hergehende Phasenveränderungen statt. Diese Umbauprozesse verändern sowohl den Aufbau sowie die Eigenschaften der Schicht als auch im Bereich des Interfaces zum Trägermaterial das Trägermaterial nachhaltig.
Mit den vorgenannten Effekten, die im Rahmen einer zerstörenden Untersuchung der Turbinenschaufel lichtmikroskopisch beo- bachtet und gemessen werden können, geht die Änderung einer weiteren physikalischen Eigenschaft einher. Die Schichten vom Typ MCrAlY werden gemäß dem Stand der Technik aus den Hauptlegierungselementen Ni und Co legiert. Neben Fe zählen Ni und CO zu den Elementen mit ferromagnetischen Eigenschaften. Das bedeutet, dass diese Elemente bei geeigneter Konditionierung ein eigenes Magnetfeld ausbilden können. Neben den ferromagnetischen Elementen gibt es noch Elemente mit paramagneti¬ schen Eigenschaften - diese Elemente erzeugen ein Magnetfeld, wenn sie von einem anderen Magnetfeld angeregt werden. Para- magnetische Phasen können auch in MCrAlY-Beschichtungen enthalten sein. Neben diesen Elementen gibt es noch eine Reihe von Verbindungen, hier vor allem Oxide, bei denen Anti- ferromagnetische Eigenschaften nachgewiesen worden sind und die unter den Betriebsbedingungen von Turbinenschaufeln als Produkt des Verbrauches der Schutzschicht entstehen.
Alle Elemente oder Verbindungen mit magnetischen Eigenschaften zeigen aufgrund elektromagnetischer Wechselwirkungen hohe Werte bei der Messung der magnetischen Permeabilität auf. Es ist bekannt, dass sich die magnetische Permeabilität der Schutzschichten als Funktion der Zeit und der Betriebsbedingungen durch die vorgenannten Umbauprozesse verändern. Zum einen zeigt sich, dass im Neuzustand die ferromagnetischen Eigenschaften von Ni und Co sich auf niedrigem Niveau einstellen. Ähnliches wird für die Legierungsbestandteile mit paramagnetischen Eigenschaften angenommen. Antiferromagneti- sche Eigenschaften werden erst beim Abbau der Schutzschicht erzeugt .
Um ein Maß für die mechanische, thermische und chemische Be¬ anspruchung der Turbinenschaufel bzw. der Restlebensdauer der Schutzschicht zu erhalten, kann daher eine Messung der magnetischen Permeabilität und deren Bewertung über die Zeit als Parameter erfolgen. Beim Vorliegen geeigneter Kalibrierungs- daten kann auf den Gehalt von bestimmten Legierungselementen rückgeschlossen werden. Gemäß der US 2004/0159376 Al wird ein solches Messverfahren vorgeschlagen, wobei die Bewertung der Gefügeveränderungen in der Schutzschicht damit mittels eines nicht zerstörenden Nachweisverfahrens vorgenommen werden kann. Hierbei wird mit einer Messsonde ein so genanntes „Eddy Current-Feld" erzeugt. Als Eddy Currents werden geschlossene Wirbelströme in einem elektrischen Leiter bezeichnet, welche dadurch nachweisbar sind, dass sie mit der Messsonde (oder Messkopf) in elektromagnetische Wechselwirkungen treten. Die Qualität der Schicht der Turbinenschaufel kann also dadurch bewertet werden, dass sich die die elektromagnetischen Wechselwirkungen unter bestimmten Messbedingungen über die Betriebszeit der Schicht bzw. der Turbinenschaufel ändern. Ein hierfür geeignetes Messsystem ist in der US 2004/0159376 Al aufgeführt.
Ein möglicher Aufbau einer geeigneten Messsonde ist weiterhin durch N. Goldfine et al . in „Conformable Eddy-Current Sensors and Arrays for Fleetwide Gas Turbine Component Quality As- sessment" im Rahmen der Monitoring and Diagnostics Applicati¬ ons: ASME Turbo Expo Land, Sea & Air 2001 in New Orleans vor¬ gestellt worden. Dieser weist ein Array meanderförmig verlaufender Induktionsschleifen auf und eignet sich daher für Messungen einer Eddy Current-Feldes in einem Oberflächenaus- schnitt eines Bauteils. Die Messsonde wird als „Meandering Winding Magnetometer" (im folgenden kurz MWM®) bezeichnet.
Unter Auswertung eines Eddy Current-Feldes kann damit die fortschreitende Degradation in einer Turbinenschaufel zu je¬ dem Zeitpunkt der Betriebszeit nachgewiesen werden, ohne die Turbinenschaufel zu zerstören. Dies bedeutet, dass eine Tur¬ binenschaufel, die ihr Standzeitende noch nicht erreicht hat, nach der Messung in der Turbine weiter verwendet werden kann. Die Messung mittels eines Eddy Current-Systems, gebildet aus einer Messsonde und dem zu untersuchenden Bauteil, weist da¬ bei eine gewisse Streubreite auf, die durch das Niveau der magnetischen Permeabilität in Bezug auf die Änderungen der elektromagnetischen Wechselwirkungen im Eddy Current-System aufgrund der komplexen Prozesse beim Umbau der Schutzschicht vorgegeben ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil für eine insbesondere thermische Beanspruchung anzugeben, für dass sich ver- gleichsweise genaue Aussagen bezüglich betriebsbedingter Änderungen von Eigenschaften im Bauteil ermitteln lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein Bauteil mit Be- schichtung dadurch gelöst, dass die Beschichtung als Indika- tor für die thermische Beanspruchung des Bauteils ausgebildet ist, wobei das Material der Beschichtung derart ausgewählt ist, dass ihr diffusionsbedingter Umbau im interessierenden Temperaturbereich der thermischen Beanspruchung stattfindet, hinsichtlich eines zu verwendenden Nachweisverfahrens eine feststellbare Eigenschaftsänderung der Beschichtung hervorruft und frühestens bei Erreichen des Standzeitendes des Bau¬ teils abgeschlossen ist. Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei einem Bauteil mit einer Gefügephase, die eine vom restlichen Gefüge abwei¬ chende Zusammensetzung aufweist, dadurch gelöst, dass die Ge¬ fügephase als Indikator für die thermische Beanspruchung des Bauteils ausgebildet ist, wobei das Material der Gefügephase derart ausgewählt ist, dass ihr diffusionsbedingter Umbau im interessierenden Temperaturbereich der thermischen Beanspruchung stattfindet, hinsichtlich eines zu verwendenden Nachweisverfahrens eine feststellbare Eigenschaftsänderung der Gefügephase hervorruft, und frühestens bei Erreichen des Standzeitendes des Bauteils abgeschlossen ist.
Der erfindungsgemäße Unterschied bei dem genannten Bauteil in Bezug auf herkömmliche thermisch beanspruchte Bauteile liegt darin, dass die Beschichtung bzw. die Gefügephase bewusst als Indikator ausgelegt wird. Hierbei wird der Funktion von Indi¬ katoren Rechnung getragen, dass diese möglichst genau als Nachweis für eine interessierende Messgröße geeignet sein sollen. Dies bedeutet, dass der Einfluss anderer Störgrößen auf den Indikator möglichst weitgehend eliminiert sein soll. Bei Untersuchungen der Beanspruchung von Turbinenschafel beispielsweise haben Versuche gezeigt, dass sich je nach Grund- werkstoff-Beschichtungspaarung und je nach Beschichtungsle- gierung die Degradierungskurven stark unterscheiden. Auch Faktoren wie der Temperaturverlauf über die Betriebszeit und die Temperaturverteilung über verschiedene Oberflächenberei¬ che erzeugen Unterschiede im Messsignal eines Eddy Current- Messkopfes. Bei einem als Beschichtung bzw. Gefügephase in einem Bauteil ausgebildeten Indikator zur Bildung eines Eddy Current-Systems wird eine Verringerung des Einflusses von Störgrößen erfindungsgemäß unter folgenden Voraussetzungen erreicht . Der diffusionsbedingte Umbau muss in dem Temperaturbereich der thermischen Beanspruchung überhaupt stattfinden. Es gibt beispielsweise Diffusionsprozesse in dem Gefüge von Bautei¬ len, die erst oberhalb einer bestimmten Temperatur nennens- werte Diffusionsgeschwindigkeiten erreichen und so zu messbaren Veränderungen im Gefüge führen. Bei der Wahl des durch die Gefügephase bzw. die Beschichtung hervorgerufenen Diffusionsvorganges muss also der thermische Belastungszustand des Bauteils bereits bekannt sein. Hierbei ist auch zu berück- sichtigen, dass der Indikator (d. h. die Gefügephase bzw. die Beschichtung) bezüglich der Oberfläche des Bauteils eine be¬ stimmte Lage oder Verteilung hat und daher ein sich abhängig vom Abstand zur Oberfläche im Bauteil auszubildender Tempera¬ turgradient im Inneren des Bauteils zu einer geringeren als der auf das Bauteil einwirkenden Temperatur führt.
Der diffusionsbedingte Umbau muss hinsichtlich des zu verwen¬ denden Nachweisverfahrens weiterhin eine feststellbare Eigen¬ schaftsveränderung der Gefügephase bzw. der Beschichtung her- vorrufen. Zur Durchführung des Nachweisverfahrens kann beispielsweise ein Eddy Current-System gebildet werden. In die¬ sem Fall muss der diffusionsbedingte Umbau des Indikators auch eine Veränderung der Leitfähigkeit oder der magnetischen Permeabilität (je nach Messverfahren) im Inneren des Bauteils bewirken, da lediglich diese Zustandgrößen (Eigenschaften) durch ein Eddy Current-System nachgewiesen werden können. Hierbei können auch Eigenschaftsveränderungen eine Rolle spielen, die außerhalb des Indikators stattfinden, und die bei einer Bewertung der Eigenschaftsänderung berücksichtigt werden müssen.
Alternativ sind selbstverständlich auch andere Nachweisverfahren denkbar. Die klassische Methode einer zerstörenden Werkstoffprüfung durch Herstellung von Gefügeschliffen lässt beispielsweise genaue Aussagen über die Veränderung der Indi¬ katorstruktur zu.
Zuletzt muss sichergestellt werden, dass der diffusionsbe- dingte Umbau frühestens bei Erreichen des Standzeitendes des Bauteils abgeschlossen ist. Nur so kann bis zum Erreichen des Standzeitendes des Bauteils die thermische Beanspruchung des¬ selben auch eine Veränderung der zu messenden Eigenschaften der Indikatorstruktur erzeugen. Wird beispielsweise ein Indi- kator verwendet, dessen Umbau aufgrund zu schnell ablaufender Diffusionsprozesse bereits nach einer Betriebszeit abge¬ schlossen ist, die bei der Hälfte der Standzeit liegt, so sind Aussagen über die thermische Belastung während der ge¬ samten zweiten Hälfte der Betriebszeit nicht mehr möglich, da der Diffusionsprozess bereits abgeschlossen ist und sich auf¬ grund des größtmöglichen Entropiegewinns ein stabiler Zustand einstellt .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material der Beschichtung derart ausge¬ wählt ist, dass ihr diffusionsbedingter Umbau mit einer Diffusion von Bestandteilen der Beschichtung und/oder des Bauteilsubstrates durch eine Grenzfläche zwischen dem Bauteil¬ substrat und der Beschichtung hindurch einhergeht. Alternativ kann auch vorgesehen werden, dass das Material der Gefügephase derart ausgewählt ist, dass ihr diffusionsbedingter Umbau mit einer Diffusion von Bestandteilen der Gefügephase und/oder des restlichen Gefüges durch eine Grenzfläche zwischen der Gefügephase und dem restlichen Gefüge hindurch ein- hergeht.
Durch die Grenzfläche wird vorteilhaft ein rapider Konzentra¬ tionssprung von Bestandteilen der an die Grenzfläche anschließenden Gefüge erzeugt. Durch einen derartigen Konzent- rationssprung wird vorteilhaft die Diffusion begünstigt, wo¬ bei die Grenzfläche hierdurch mit der Zeit einem kontinuierlichen Konzentrationsübergang weicht. Dadurch wird eine signifikante Änderung der mit dem Messkopf zu ermittelnden phy- sikalischen Größe hervorgerufen. An der Grenzfläche lassen sich vorteilhaft weiterhin besonders definierte Diffusionsbe¬ dingungen erzeugen, so dass sich das Verhalten der Beschich- tung bzw. der Gefügephase einfach vorherbestimmen lässt.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Bauteilsubstrat und der Beschichtung eine Diffusi¬ onssperrschicht vorgesehen ist. Alternativ kann die Gefüge¬ phase auch aus Nanopartikeln bestehen, die durch das restliche Gefüge eingeschlossen sind, wobei die Nanopartikel von einer Diffusionssperrhülle umgeben sind.
In beiden Fällen bewirkt eine Diffusionssperre, dass die Be¬ schichtung bzw. die Gefügephase von dem restlichen Gefüge des Bauteils isoliert werden. Damit können innerhalb der Be- Schichtung bzw. der Gefügephase (Nanopartikel) vorteilhaft genau definierte Diffusionsbedingungen zwischen Bereichen mit unterschiedlicher Konzentration erreicht werden. Daher sind auch verhältnismäßig genaue Aussagen über die diffusionsbe¬ dingten Gefügeveränderungen möglich, wenn diese durch ein ge- eignetes Messverfahren ermittelt werden. Die Isolation der Beschichtung bzw. der Gefügephase von dem restlichen Gefüge des Bauteils setzt allerdings voraus, dass innerhalb der Ge¬ fügephase bzw. der Beschichtung Konzentrationsgefälle von Be¬ standteilen dieser Indikatoren vorhanden sind, die einen dif- fusionsbedingten Umbau der Indikatoren überhaupt zulassen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung aus zwei Lagen besteht, wobei das Material der Lagen derart ausgewählt ist, dass ihr diffu- sionsbedingter Umbau mit einer Diffusion von Bestandteilen der Lagen durch eine Grenzfläche zwischen den Lagen hindurch einhergeht. Alternativ kann vorgesehen werden, dass die Gefügephase aus Nanopartikeln besteht, die durch das restliche Gefüge eingeschlossen sind und einen Kern und eine Hülle auf¬ weisen, wobei das Material von Kern und Hülle derart ausge¬ wählt ist, dass ihr diffusionsbedingter Umbau mit einer Diffusion von Bestandteilen von Kern und Hülle durch eine Grenzfläche zwischen Kern und Hülle hindurch einhergeht. Der be- schriebene Aufbau der Indikatoren erzeugt vorteilhaft eine definierte Geometrie der Indikatoren mit einer Grenzfläche bekannten Flächeninhaltes. Die Grenzfläche bewirkt, wie be¬ reits erläutert, gut vorhersehbare Verhältnisse für Diffusi¬ onsprozesse, die bevorzugt an der Grenzfläche aufgrund des sprunghaften Konzentrationsunterschiedes zwischen den angrenzenden Gefügebestandteilen stattfindet. Hierbei wird der Vorteil, die Beschichtung bzw. die Gefügephase als Indikator auszuführen nochmals besonders deutlich. Der Indikator übernimmt nämlich anders als das restliche Gefüge des Bauteils keine durch das Bauteil und dessen Einsatz bestimmten Funktionen, sondern wird lediglich hinsichtlich einer möglichst guten Auswertbarkeit der Gefüge Veränderungen mittels eines ge¬ eigneten Messverfahrens ausgewählt. Damit können Störeinflüs¬ se bezüglich des erzeugten Messergebnisses, die nicht auf- grund der thermischen Beanspruchung des Bauteils sondern aufgrund anderer Betriebsaspekte erfolgen, vorteilhaft weitge¬ hend eliminiert werden. Im Falle von Turbinenschaufeln besteht ein solcher Störeinfluss beispielsweise in einer korro¬ sionsbedingten Veränderung der Legierungszusammensetzung der MCrAlY-Schicht , die während der Betriebszeit der Turbinen¬ schaufel bis zum Standzeitende Legierungsanteile von z.B. Al, Ni und Cr einbüßt. Gemäß einer bestimmten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass für den diffusionsbedingten Umbau mindestens zwei Metalle in dem Bauteil vorhanden sind, die zu einer intermetallischen Phase umgebaut werden. Diese können unter Berücksichtigung der bereits erläuterten in der Indikatorstruktur ablaufenden Mechanismen in unterschiedlichen Gefügebereichen des Bauteils vorhanden sein (ein Metall im Gefüge des Bauteils und ein Metall in der Schicht/Gefügephase oder beide Metalle in der Schicht bzw. Gefügephase, wobei ei- ne Diffusionssperrschicht vorhanden sein kann) . Die Metalle werden so ausgewählt, dass sie aufgrund ihrer Eigenschaften eine starke Neigung zur Ausbildung intermetallischer Phasen haben. Die Ausbildung intermetallischer Phasen beeinflusst weiterhin die elektrische Leitfähigkeit und magnetische Per- meabilität innerhalb des Bauteils und kann daher insbesondere durch Bildung eines Eddy Current-Systems unproblematisch nachgewiesen werden. Ist eine Grenzschicht zwischen zwei Metallen vorhanden, so bildet sich die intermetallische Phase bevorzugt in der Grenzschicht aus, wobei deren Dicke Auf- Schluss über den Grad der thermischen Belastung des Bauteils gibt. Vorteilhaft können als Metalle Pt (Platin) und Ni (Ni¬ ckel) oder Pt und Co (Cobalt) oder Cr (Chrom) und Co oder Ni und Co verwendet werden.
Eine alternative Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass für den diffusionsbedingten Umbau mindestens zwei Metalle in dem Bau¬ teil vorhanden sind, die zu einem Mischkristall umgebaut wer¬ den. Hinsichtlich der Verteilung der Metalle gilt das oben angeführte entsprechend, nur dass diese so ausgewählt werden, dass eine Löslichkeit des mindestens einen Metalls in dem an¬ deren Metall gegeben ist. Diese Lösung von Atomen in dem Kristallgefüge des anderen Metalls führt zur Mischkristall¬ bildung und definiert damit die Eigenschaften des diffusions¬ bedingten Umbaus mindestens des einen Metalls. Wenn beide Me- talle ineinander löslich sind, so ist eine Diffusion beider Metalle in jeweils das andere Metall festzustellen, wodurch der zu messende Effekt (beispielsweise Eddy Current) vorteil¬ haft verstärkt wird. Vorteilhaft ist es, wenn als Metalle Ta (Tantal) und Co oder Ta und Ni oder Ta und Cr oder Cr und Ni oder Ti (Titan) und Ni oder Ti und Co oder Ti und Cr verwendet werden.
In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist die Verwen- düng von Fe mit einem geeigneten Mischkristallpartner wie C, Ni, Co oder Cr als Kern von Nanopartikeln in einer Hülle, welche als Diffusionssperre zur umgebenden Schicht ausgebil¬ det ist, vorgesehen. Auch die Verwendung eines Fe-Kerns mit einer spezifiziert transparenten Hülle als Diffusionssperr- Schicht, welche die Diffusion von Fe in die Matrix der Be- schichtung erlaubt kann gemäß einer weiteren Ausführung Verwendung finden, solange der Gehalt an Fe in der Schicht deren Funktion nicht negativ beeinträchtigt.
Wieder eine alternative Ausführung der Erfindung erhält man, wenn für den diffusionsbedingten Umbau ein Metall, insbesondere Cu (Kupfer) und ein halbleitendes Material, insbesondere Si (Silizium) in dem Bauteil vorhanden sind, wobei der Umbau aus einer Dotierung des halbleitenden Materials mit dem Me- tall besteht. Durch die Dotierung des Halbleitermaterials mit dem Metall wird vorteilhaft ein an sich elektrisch nicht lei¬ tendes Material in dem Bauteil zu einem elektrischen Leiter umgebaut, weswegen sich die Leitfähigkeit des Bauteils in vergleichsweise starkem Maße ändert. Dies kann, wie bereits erläutert, durch ein Eddy Current-System nachgewiesen werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Indikator, also die in dem restlichen Gefüge des Bauteils verteilte Gefügephase oder die Beschichtung nur in einem einen Ausschnitt der Bauteil- Oberfläche abdeckenden Teilbereich des Bauteils vorgesehen ist. Der Teilbereich des Bauteils wird durch den Volumenab¬ schnitt des Bauteils definiert, der unterhalb desjenigen Aus¬ schnitts der Bauteiloberfläche liegt, welche mit dem Indika- tor versehen werden soll. Die Fläche des Ausschnittes der
Bauteiloberfläche muss einen genügenden Flächeninhalt aufwei¬ sen, damit das gewählte Nachweissystem zuverlässige Messwerte erzielt. Beispielsweise muss zur Ausbildung eines Eddy Cur- rent-Feldes berücksichtigt werden, dass die Messapparatur ei- ne bestimmte räumliche Ausdehnung aufweist und deswegen das Gebiet, in dem die Wirbelströme (Eddy Currents) erzeugt wer¬ den sollen, einheitlich durch den Indikator abgedeckt werden. Weiterhin kann der Ausschnitt unter Berücksichtigung der genannten Mindestanforderungen auf der Bauteiloberfläche so ge- wählt werden, dass innerhalb des Ausschnittes ein bestimmter thermischer Beanspruchungszustand vorliegt. Dies kann insbe¬ sondere der Ausschnitt größter thermischer Beanspruchung sein. Hierdurch wird es möglich, die thermische Beanspruchung des Bauteils in einem kritischen Bereich zu messen. Anderer- seits ist dieser Bereich gleichzeitig besonders anfällig für ein Bauteilversagen aufgrund der thermischen Beanspruchung. Deswegen kann das Vorsehen eines Indikators, der nur auf mög¬ lichst genaue quantitative Aussagen einer thermischen Beanspruchung hin optimiert ist, das Bauteilversagen an dieser Stelle begünstigen. Daher ist es alternativ auch möglich, be- wusst eine Zone des Bauteils auszuwählen, welche keinen ther¬ mischen Belastungsspitzen ausgesetzt ist, wenn eine thermische Beziehung zwischen dieser Zone und der thermisch am höchsten beanspruchten Zone bekannt ist. In diesem Fall wird die thermische Beanspruchung in der unkritischen Zone nachgewiesen, wobei die Störwirkung des Indikators in diesem Bereich des Bauteils hingenommen werden kann. Anschließend wird aufgrund der in diesem Bereich des Bauteils gemessenen ther- mischen Beanspruchung auf die thermische Beanspruchung in dem höchstbeanspruchten Bereich geschlossen.
Wenn die thermischen Beziehungen unterschiedlich thermisch beanspruchter Zonen nicht bekannt sind, ist es auch möglich, in einer ersten Generation von Bauteilen alle Zonen mit Indikatoren zu versehen und hierdurch eine Beziehung zu ermitteln. Eine zweite Generation könnte dann ohne Indikatoren in den thermisch am höchsten belasteten Zonen auskommen.
Gemäß einer speziellen Ausführung der Erfindung ist das Bauteil durch eine Turbinenschaufel gebildet. Bei Turbinenschau¬ feln handelt es sich um thermische höchst beanspruchte Bau¬ teile, deren Auslegung im Grenzbereich des mit den derzeit verfügbaren Werkstoffen Machbaren erfolgt. Daher ist eine thermische Überwachung dieser Bauteile besonders vorteilhaft. Je genauer eine thermische Überwachung der Bauteile erfolgen kann, desto weiter kann der angesprochene Grenzbereich durch Wahl höherer Betriebstemperaturen ausgeschöpft werden. Die Indikatoren in den Turbinenschaufeln können dabei die Erfahrungswerte beim Betrieb der Turbinenschaufeln dadurch verbessern, dass nach Erreichen des Standzeitendes der Turbinenschaufeln eine Untersuchung erfolgt und deren Erkenntnisse bei Neukonstruktionen von Gasturbinen berücksichtigt werden. Weiterhin kann auch während der Betriebszeit das Fortschrei¬ ten der Bauteilermüdung festgestellt werden und aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse eine Anpassung der Betriebsparameter der betreffenden Gasturbine vorgenommen werden. Zuletzt kann die Auswertung der Ergebnisse herangezogen werden, um eine eventuelle Fehlbeanspruchung der Turbinenschaufel aufgrund falscher Betriebsparameter der Gasturbine zu ermitteln.
Es ist vorteilhaft, wenn die Oberfläche der Turbinenschaufel durch eine thermische Schutzschicht gebildet ist. Dies bedeu- tet, dass die Oberfläche auch in den Bereichen vor der thermischen Beanspruchung geschützt wird, in der der Indikator vorgesehen ist. Dieser befindet sich unterhalb der thermischen Schutzschicht, wobei die Ausbildung eines entsprechen- den Temperaturgradienten in der thermischen Schutzschicht, der zum thermischen Schutz der Turbinenschaufel führt, bei der Auswertung der Diffusionsprozesse im Indikator berücksichtigt werden muss.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in der Turbinenschaufel eine Korrosionsschutzschicht vorgesehen ist. Diese kann bei¬ spielsweise aus einer MCrAlY-Schicht bestehen. Die Korrosi¬ onsschutzschicht kann beispielsweise mit dem Indikator zusam¬ menwirken, der in Form der genannten Gefügephase (beispiels- weise als Nanopartikel) in der Korrosionsschutzschicht ent¬ halten ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Korrosionsschutzschicht eine Grenzschicht mit der den Indika¬ tor bildenden Beschichtung ausbildet.
Soll der Einfluss der Korrosionsschutzschicht auf den Indika¬ tor verringert werden, sind in der beschriebenen Weise Diffusionssperrschichten vorzusehen. Wenn eine Beschichtung als Indikator verwendet wird, ist es besonders vorteilhaft, wenn diese Beschichtung bezogen auf die Oberfläche unterhalb der Korrosionsschutzschicht angebracht ist. Die Korrosionsschutz¬ schicht schützt damit auch die Beschichtung vor einer Gefüge¬ veränderung aufgrund von Korrosionsprozessen, die eine im Indikator intendierte Gefügeveränderung aufgrund der thermischen Beanspruchung verfälschen würde.
Weitere Merkmale der Erfindung sind im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, wobei gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen sind und nur insoweit mehrfach erläutert werden, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen
Figur 1 die Ansicht einer Turbinenschaufel als Ausfüh¬ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils, Figur 2 schematisch den Messbereich eines Nachweisverfahrens wie z. B. ein Eddy Current-System der Turbinenschaufel gemäß Figur 1 im Vergleich zu einer Turbinenschaufel gemäß der US 2004/0159376 Al qualitativ, Figur 3 bis 5 Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Bau¬ teile mit einer Beschichtung,
Figur 6 und 7 Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Bau¬ teile mit einer Gefügephase und
Figur 8 und 9 Ausführungsbeispiele für Nanopartikel als Ge- fügephase.
In Figur 1 ist eine Turbinenschaufel 11 perspektivisch darge¬ stellt. Im Bereich einer Anströmkante 12 der Turbinenschaufel befindet sich ein Ausschnitt 13 der Oberfläche der Turbinen- schaufei 11, der einer hohen thermischen Beanspruchung ausgesetzt ist. Dieser Bereich ist als Indikator für die thermische Beanspruchung der Turbinenschaufel ausgeführt und unter¬ halb der die Oberfläche bildenden thermischen Schutzschicht 14 (vgl. Figur 3) untergebracht und daher in Figur 1 nicht zu erkennen.
Eine thermische Beanspruchung der Turbinenschaufel 11 bewirkt einen diffusionsbedingten Umbau des Indikators, wobei dieser Umbau zu einer Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Turbinenschaufel führt. Durch einen Messkopf als MWM® (Mean- dering Winding Magnetometer) 15, der mittels variabler Frequenzen in dem Ausschnitt 13 der Turbinenschaufel 11 Wirbel¬ ströme 16 erzeugen kann, lässt sich eine Veränderung der e- lektrischen Eigenschaften im Ausschnitt 13 der Turbinenschau- fei 11 nachweisen. Die Änderung der elektrischen Eigenschaften lässt indirekt einen Rückschluss auf die thermische Bean¬ spruchung der Turbinenschaufel zu, die diese seit der Inbe¬ triebnahme ertragen musste. Eine diesbezügliche Auswertung wird durch eine nicht dargestellte Datenverarbeitungsanlage durchgeführt, mit der der Messkopf 15 mittels einer Leitung 17 verbunden ist.
Der Figur 2 lässt sich entnehmen, wie es durch die Konzeption eines erfindungsgemäßen Indikators in der Turbinenschaufel gemäß Figur 1 möglich wird, mittels eines indirekten Messverfahrens wie der Bildung eines Eddy Current-Systems eine höhe¬ rer Messgenauigkeit zu erzielen. Mit A ist eine Turbinen¬ schaufel gemäß der US 2004/0159376 Al bezeichnet. Hier wird die Veränderung der MCrAlY-Schicht ausgewertet, wobei die Ge¬ fügeveränderung der MCrAlY-Schicht während der Betriebszeit der Turbinenschaufel 11 von einer Fülle von äußeren Umständen abhängig ist. Beispielsweise ist eine Ausschöpfung der Wirkung der Korrosionsschutzeigenschaften der MCrAlY-Schicht nicht nur von der thermischen Beanspruchung der Turbinenschaufel sondern auch von der Zusammensetzung des Verbrennungsgases abhängig. Die Korrosionsprozesse beeinflussen je¬ doch auch die Verringerung der Anteile Cr und Al in der MCrAlY-Schicht, wobei hierdurch eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Turbinenschaufel bewirkt wird, die nicht direkt mit der thermischen Beanspruchung der Turbinenschaufel korreliert. Daher wird für eine Messung bei der Turbinenschaufel A exemplarisch ein Messfehler von ± 50% angenommen. Bei einem Messergebnis von 10 Messeinheiten ME bedeutet dies eine Schwankung von ± 5 Messeinheiten.
Das elektrische Verhalten eines Indikators gemäß der Erfin¬ dung ist unter B dargestellt. Dieser Indikator ist hinsieht- lieh der Veränderung der elektrischen Eigenschaften aufgrund der thermischen Beanspruchung optimiert, weswegen es möglich wird, ein betragsmäßig größeres Messergebnis von 50 ME zu er¬ zeugen. Weiterhin können Störeinflüsse beispielsweise auf- grund von Diffusionssperrschichten weitgehend eliminiert werden, weswegen exemplarisch für die Genauigkeit des Messergeb¬ nisses ± 2% angenommen wird. Dies bedeutet, dass das Messer¬ gebnis von 50 ME eine Schwankung von i 1 ME aufweist.
Wird der erfindungsgemäße Indikator in eine Turbinenschaufel eingebaut, die grundsätzlich gemäß der US 2004/0159376 Al aufgebaut ist, so wird das Messergebnis, welches durch Anwen¬ dung des erfindungsgemäßen Indikators B erzeugt wird, durch die elektrischen Veränderung in der MCrAlY-Schicht gemäß A überlagert. Dabei ergibt sich ein Messergebnis, wie es unter C in Figur 2 dargestellt ist. Dabei addieren sich sowohl die Messeinheiten als auch der Messfehler zu 60 + 6 Me. Hieraus ergibt sich ein effektiver Fehler von ± 10%.
Das Beispiel gemäß Figur 2 stellt damit qualitativ dar, wie eine Messung unter Ausbildung eines Eddy Current-Systems hin¬ sichtlich der Messgenauigkeit durch Einsatz des erfindungsge¬ mäßen Indikators verbessert werden kann obwohl die in der Turbinenschaufel ablaufenden Prozesse in ihrer elektrischen Wirkung auf das Messergebnis nicht eliminiert werden können.
Die Figuren 3 bis 7 stellen Schnitte dar, wie sie innerhalb des Abschnittes 13 bei der Turbinenschaufel gemäß Figur 1 aussehen könnten. Hierbei wird die Turbinenschaufel 11 je- weils durch ein Bauteilsubstrat 18 gebildet, wobei die Turbi¬ nenschaufel jeweils durch eine thermische Schutzschicht 14 (auch thermal barrier coating, TBC genannt) und eine Korrosi¬ onsschutzschicht 20 aus einem MCrAlY-Material geschützt wird. Der Indikator für die thermische Beanspruchung wird entweder durch eine Beschichtung 21 oder durch eine Gefügephase 22 im Bauteil gebildet. Bei der Beschichtung handelt es sich um ein einlagiges oder mehrlagiges System, welches selbst weitere Schichten tragen kann. Die Gefügephase kann insbesondere durch Nanopartikel 23 gebildet werden, die in der restlichen Gefügephase des Bauteils eingeflossen sind. Als Gefügephase des Bauteils wird auch die Gefügephase der Beschichtungen verstanden, die einen Teil des Bauteils bilden.
Obwohl die Indikatoren beispielhaft an Turbinenschaufeln dargestellt sind, können diese auch bei beliebigen anderen Bauteilen zum Einsatz kommen. Diese Bauteile unterscheiden sich evtl. insbesondere dadurch von Turbinenschaufeln, dass diese nicht mit einer thermischen Schutzschicht 14 oder einer Korrosionsschutzschicht 20 versehen sind. In diesen Fällen würde die Oberfläche des Bauteils durch das Bauteilsubstrat bzw. die Beschichtung gebildet werden. Obwohl derartige Ausführungsbeispiele nicht genauer dargestellt sind, können diese erhalten werden, wenn man sich die Ausführungsbeispiele gemäß der Figuren 3 bis 7 ohne die Schichten 14 und 20 vorstellt.
Der Schichtaufbau gemäß Figur 3 ist am einfachsten ausge¬ führt. Als Beschichtung 21 kommt ein Material zum Einsatz, welches jeweils eine Grenzfläche 24o zur Korrosionsschutz¬ schicht 20 und eine Grenzfläche zum Bauteilsubstrat 18 auf¬ weist. Über diese Grenzflächen 24u kann eine Diffusion von Atomen aus der Beschichtung 21 in die benachbarten Schichten bzw. in umgekehrter Richtung erfolgen. Die Diffusion wird von dem Bestreben angetrieben, einen Konzentrationsausgleich zwischen Regionen unterschiedlicher Konzentration von bestimmten Atomen zu erreichen. Dabei kann der Konzentrationsunterschied sich sprunghaft an den Grenzschichten 24o, 24u vollziehen, wenn das Material der einzelnen Schichten eine unterschiedli- che Zusammensetzung aufweist. Alternativ kann in nicht dargestellter Weise die Konzentration verschiedener Atome in der Beschichtung 21 heterogen verteilt sein, so dass auch Diffusionsvorgänge innerhalb der Beschichtung 21 ohne einen Ein- fluss der benachbarten Schichten ausgewertet werden kann.
In Figur 4 ist dargestellt, wie eine Diffusion zwischen der Beschichtung 21 und dem benachbarten Bauteilsubstrat 18 verhindert oder zumindest vermindert werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Diffusionssperrschicht 25 vorgesehen, die be¬ vorzugt einen keramischen Aufbau aufweisen kann. Eine solche Zusammensetzung der Diffusionssperrschicht erschwert oder un¬ terbindet sogar eine Diffusion zwischen den jeweils benachbarten Schichten, also gemäß Figur 4 zwischen der Beschich- tung 21 und dem Bauteilsubstrat 18 wobei eine die Diffusion begünstigende Grenzfläche entsprechend der in Figur 3 darge¬ stellten (24u) nicht entsteht.
Ein besonderes Ausführungsbeispiel ist gemäß Figur 5 darge- stellt. Die Beschichtung 21 besteht in diesem Fall aus zwei Lagen 26a, 26b, die eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen und eine Grenzfläche 24 ausbilden. Gleichzeitig sind oberhalb und unterhalb der Beschichtung 21 Diffusions¬ sperrschichten 25 vorgesehen, so dass die Diffusionsvorgänge in der Beschichtung 21 autark ablaufen, d. h. von den Zusammensetzungen der benachbarten Schichten 20, 18 nicht beein- flusst werden. Dies hat den Vorteil, dass die Zusammensetzung der Lagen 26a, 26b bei der Auslegung als Indikator ohne Berücksichtigung der SchichtZusammensetzungen benachbarter Schichten in ihrer Zusammensetzung variiert werden können.
Die erzeugten Indikatoren können beispielsweise auf bestimmte nachzuweisende Temperaturbereiche abgestimmt werden. Ist ein Indikator für einen bestimmten Temperaturbereich einmal optimiert, so kann er in unterschiedlichen Bauteilen mit unter- schiedlichen Legierungszusammensetzungen verwendet werden, da ein Einfluss der benachbarten Schichten, deren Zusammensetzung beispielsweise funktionsbedingt variiert werden muss, nicht für die Funktion des Indikators ins Gewicht fällt. Wei- terhin kann ein evtl. ungewünschter Einfluss der Beschichtung auf das Bauteil vermieden werden, der durch eine Diffusion von Atomen aus der Beschichtung in die umgebenden Schichten des Bauteils erfolgen könnte. Hierdurch können negative Aus¬ wirkungen einer diffusionsbedingten Legierungsveränderung der umgebenden Schichten des Bauteils wirksam verhindert werden.
Gemäß Figur 6 ist der Indikator für das Bauteil 11 durch eine Gefügephase 22 ausgebildet, die in dem Restgefüge des Bau¬ teils enthalten ist. Diese Gefügephase 22 befindet sich gemäß Figur 6 in dem Basissubstrat 18. Eine thermische Beanspru¬ chung des Bauteils 11 führt dazu, dass zwischen der Gefüge¬ phase 22 und dem umgebenden Basissubstrat 18 Atome diffusi¬ onsbedingt ausgetauscht werden, so dass eine Änderung der e- lektrischen Leitfähigkeit des Bauteils messbar wird.
Gemäß Figur 7 ist die Gefügephase 22 in der Korrosionsschutzschicht 20 enthalten. Dabei ist die Gefügephase 20 auf die Wirkung als Indikator für die Temperaturbeanspruchung des Bauteils 11 optimiert (gilt auch für Figur 6) . Dies ist ins- besondere dadurch zu erreichen, dass die Gefügephase 22 nicht durch eine Wahl einer bestimmten Legierungszusammensetzung der betreffenden als restliches Gefüge zum Einsatz kommenden Schicht 18, 20 ausgeführt wird, sondern dass bei der Erzeu¬ gung des Bauteils oder der Schicht Nanopartikel in das Gefüge eingebaut werden, deren Zusammensetzung im Hinblick auf die
Wirkung der Nanopartikel als Indikator optimiert werden kann. Als Herstellungsverfahren für eine Einlagerung von Nanopartikel kann beispielsweise eine elektrochemische Abscheidung des Schichtmaterials gewählt werden. Eine andere Möglichkeit be- steht darin, die Nanopartikel durch ein Kaltgasspritzverfah- ren zusammen mit Partikeln des Schichtwerkstoffes aufzubringen. Hierbei wird vorteilhaft die Eigenheit des Kaltgassprit- zens genutzt, dass das Beschichtungsmaterial nur unwesentlich thermisch beansprucht wird, weil die Schichtbildung aufgrund der kinetischen Energie, die den Beschichtungsteilchen durch das Verfahren aufgeprägt wird, bestimmt wird. Beim Auftreffen der Teilchen auf das zu beschichtende Substrat wird die kine¬ tische Energie dann in die für einen Schichtzusammenhalt not- wendige thermische Energie umgewandelt. Dabei wird jedoch die Struktur der verwendeten Nanopartikel nur unwesentlich beein- flusst. Die Nanopartikel können zwecks einer besseren Verar- beitbarkeit beispielsweise zu kleineren Clustern agglomeriert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Nanopar- tikel als Dispersanten in das bei einem Flammspritzverfahren, insbesondere einem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) verwendeten Fluid einzubringen, wobei vorteilhaft die Nano¬ partikel als Disperion in beispielsweise Kerosin als Fluid gehalten werden. Die Firma Nanophase Technologies Inc. produ- ziert derartige Disperionen mit verschiedenen Nanopartikeln .
In Figur 8 ist ein besonderes Nanopartikel dargestellt, wel¬ ches aus einem Kern 27 und einer Hülle 28 besteht. Zwischen Kern und Hülle entsteht eine Grenzfläche 24, die bei defi- nierter Größe von Kern 27 und Hülle 28 zu genau definierten Verhältnissen bei einer Diffusion von Atomen aus dem Kern in die Hülle oder aus der Hülle in den Kern führt. Daher kann das Nanopartikel 23 gemäß Figur 8 für einen genauen Nachweis der thermischen Belastung genutzt werden.
Gemäß Figur 9 ist ein Nanopartikel, welches im Inneren genau¬ so aufgebaut, ist wie das Nanopartikel gemäß Figur 8, durch eine Diffusionssperre 29 umhüllt, welche die Oberfläche des Nanopartikels 23 bildet. Hierdurch kann ein Einfluss des die Nanopartikel umgebenen Materials verringert oder ausgeschlos¬ sen werden, wobei die Wirkung analog zu den bereits beschrie¬ benen Diffusionssperrschichten 25 ist. Damit lässt sich im Inneren der Nanopartikel ein besonders genau definierter Dif- fusionsprozess einstellen.
Nanopartikel gemäß den Figuren 8 und 9 lassen sich beispiels¬ weise nach einem durch die Firma QuinetiQ Nanomaterials Ltd. entwickelten Verfahren herstellen. Die auf diese Weise herge- stellten Nanopartikel werden durch diese Firma unter dem Na¬ men Tesimorph® vertrieben. Diese Nanopartikel können mit mindestens einer Hülle durch das so genannte ALD Verfahren der Firma ALD-NanoSolution Inc. aufgetragen werden.
Um eine definierte Veränderung der Leitfähigkeit des Bauteils unter Einsatz der beschriebenen Nanopartikel zu erzeugen, müssen diese in dem Bauteil in einer gleichmäßigen Verteilung und einer bekannten Konzentration enthalten sein. Auf diese Weise lassen sich reproduzierbare Messergebnisse erzeugen.
Welche Werkstoffpaarungen und welche Ausführungen des Indikators im Einzelfall gewählt werden müssen, lässt sich letzt¬ endlich nur durch Versuche ermitteln. Entsprechende Prototy¬ pen der Indikatoren müssen mit dem Bauteil, in dem sie zum Einsatz kommen sollen, einer bekannten thermischen Belastung unterworfen werden, damit die Reaktion des Indikators in den Fällen einer thermischen Beanspruchung in den zulässigen Grenzen oder einer thermischen Überbeanspruchung ermittelt werden kann. Sind die durch den Indikator hervorgerufenen Veränderungen im Gefüge und beispielsweise die resultierende Änderung der Leitfähigkeit im Bauteil einmal bekannt, so kann im späteren Betrieb von Serienbauteilen über die Veränderung der Eigenschaften auf die thermische Beanspruchung rückgeschlossen werden. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen der Bauteile mit Indikator, wie diese beispielsweise in den Figuren 3 bis 9 gezeigt sind, können vorteilhaft Schichtsysteme oder Gefüge- phasen, insbesondere Nanopartikel im Gefüge, erzeugt werden, deren Diffusionsverhalten aufgrund definierter Grenzschichten zwischen den einzelnen Lagen und definierter Zusammensetzungen relativ gut vorhergesagt werden können. Hierdurch wird vorteilhaft die Auslegung des Indikators für einen bestimmten Anwendungsfall deutlich vereinfacht. Es kann eine Auswahl von geeigneten Indikatoren für den vorliegenden Einsatzfall getroffen werden, der in erster Linie durch die während des Betriebs herrschenden Temperaturen vorgegeben wird und überdies auch durch die Legierung des Bauteils beeinflusst werden kann.
Für eine geeignete Auswahl von Schichtwerkstoffen ist es vorteilhaft, ein Modell der in dem Indikator ablaufenden Prozesse zur Verfügung zu haben. Zunächst ist zwischen zwei ver- schiedenen Formen von Indikatoren zu unterscheiden. Einerseits gibt es zweischichtige Indikatoren, bei denen die Dif¬ fusion eines Diffusanten der einen Schicht in die andere Schicht den Hauptmechanismus des diffusionsbedingten Umbaus der Beschichtung bestimmt. Als Diffusanten werden in diesem Zusammenhang diejenigen Atome bezeichnet, die unter Ausgleich von Konzentrationsunterschieden in dem Gefüge wandern. Beispielhaft wird das Modell im Folgenden jeweils für die erfin¬ dungsgemäße Beschichtung vorgestellt. In gleicher Weise ließe sich das Modell jedoch auch auf die Lagen von Nanopartikel übertragen, die ebenfalls unter Grenzschichtbildung im Gefüge vorhanden sind.
Die zweite Form des Indikators ist einschichtig aufgebaut. Hier wird insbesondere die Diffusion eines Diffusanten aus dem Bauteil in die Indikatorschicht betrachtet, welchen den Haupteffekt des diffusionsbedingten Umbaus der Schicht be¬ wirkt .
In beiden genannten Fällen richten sich die Messmöglichkeiten nach der Art der Diffusionsvorgänge, die einerseits durch den Diffusanten bestimmt wird und andererseits durch die Eigen¬ schaften derjenigen Schicht, in die der Diffusant unter Überwindung der Grenzfläche hineindiffundiert. Diese Schicht soll im Folgenden als Diffusionsschicht gezeichnet werden. An der Grenzfläche müssen bei der Auslegung des Indikators zwei Dif¬ fusionsvorgänge berücksichtigt werden. Zum einen wandert der Diffusant in die Diffusionsschicht hinein und zum zweiten ist eine diffusionsgesteuerte Nachlieferung des Diffusanten aus der der Diffusionsschicht benachbarten Schicht zur Grenzschicht notwendig. Der jeweils langsamere Prozess steuert den gesamten Vorgang.
Weiterhin können auch mehrere Arten von Atomen an den Diffu- sionsvorgängen beteiligt sein, wobei die messbaren Diffusionseffekte in diesem Fall durch eine Überlagerung der diffusionsbedingten Eigenschaften festzustellen sind. Mehrere Arten von Diffusanten können entweder in einer Schicht, die an die Diffusionsschicht grenzt, vorliegen, wobei alle Arten von Diffusanten in die Diffusionsschicht hineinwandern. Es ist aber auch möglich, dass an der Grenzschicht ein Austausch von Diffusanten in beide Richtungen erfolgt. In diesem Fall übernehmen beide benachbarten Schichten für eine bestimmte Art von Diffusanten die Funktion der Diffusionsschicht und ande- rerseits gleichzeitig die Funktion eines Depots des Diffusan¬ ten .
Werden die Diffusionsvorgänge der Diffusanten jeweils einzeln betrachtet, so können folgende Modelle für die ablaufenden Diffusionsvorgänge gebildet werden. Für den Fall, bei dem der Diffusant in der die Diffusionsschicht gelöst wird, kann die erreichte Randkonzentration berechnet werden, in dem der Diffusionsausgleich zwischen einen unendlichen Raum mit gleich bleibender Konzentration und einer endlich dicken Schicht berechnet wird. Für den Fall, bei dem in der Grenzfläche eine Verbindungsbildung auftritt, muss der durch die Grenzfläche hindurchtretende Massestrom des Diffusanten berechnet werden, aus dem dann die nach der fraglichen Zeit erreichte Dicke der Schicht zu ermitteln ist. Die Konzentration in der nicht umgesetzten Diffusionsschicht bleibt dabei konstant bei dem Ausgangswert der Schicht.
Im Folgenden sollen Elemente, die als Diffusant in Abhängig- keit vom Anwendungsfall geeignet sind tabellarisch aufgeführt werden. Weiterhin wird in einer weiteren Tabelle die Paarung der möglichen Diffusanten mit bestimmten Diffusionsschichten aufgezeigt. Die Auswahl der Elemente für den Diffusanten und die Diffusionsschichten ist nicht abschließend sondern stellt lediglich eine Auswahl dar, die insbesondere für den Anwendungsfall von Turbinenschaufeln verwendet werden kann. Als Substratwerkstoff für die Turbinenschaufeln kann beispiels¬ weise 50Ni 30Co 10Cr zum Einsatz kommen.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil, welches mit einer Beschichtung (21) auf einem Bauteilsubstrat (18) versehen ist, wobei bei einer thermi- sehen Beanspruchung des Bauteils ein diffusionsbedingter Umbau des Gefüges der Beschichtung (21) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (21) als Indikator für die thermische Beanspruchung des Bauteils ausgebildet ist, wobei das Materi- al der Beschichtung (21) derart ausgewählt ist, dass
- ihr diffusionsbedingter Umbau im interessierenden Temperaturbereich der thermischen Beanspruchung stattfindet,
- ihr diffusionsbedingter Umbau hinsichtlich eines zu verwendenden Nachweisverfahrens eine feststellbare Eigen- Schaftsänderung der Beschichtung (21) hervorruft und
- ihr diffusionsbedingter Umbau frühestens bei Erreichen des Standzeitendes des Bauteils abgeschlossen ist.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung (21) derart ausgewählt ist, dass ihr diffusionsbedingter Umbau mit einer Diffusion von Bestandteilen der Beschichtung (21) und/oder des Bauteilsubstrates (18) durch eine Grenzfläche (24, 24o, 24u) zwi- sehen dem Bauteilsubstrat (18) und der Beschichtung (21) hindurch einhergeht.
3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bauteilsubstrat (18) und der Beschichtung (21) eine Diffusionssperrschicht (25) vorgesehen ist.
4. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus zwei Lagen (26a, 26b) besteht, wo¬ bei das Material der Lagen (26a, 26b) derart ausgewählt ist, dass ihr diffusionsbedingter Umbau mit einer Diffusion von Bestandteilen der Lagen (26a, 26b) durch eine Grenzfläche (24, 24o, 24u) zwischen den Lagen (26a, 26b) hindurch einhergeht .
5. Bauteil, in dessen Gefüge eine Gefügephase (22) mit einer von dem restlichen Gefüge abweichenden chemischen Zusammen- setzung verteilt ist, wobei bei einer thermischen Beanspru¬ chung des Bauteils ein diffusionsbedingter Umbau der Gefügephase (22) erfolgt, dadurch gekennzeichnet dass die Gefügephase (22) als Indikator für die thermische Beanspruchung des Bauteils ausgebildet ist, wobei das Materi¬ al der Gefügephase (22) derart ausgewählt ist, dass
- ihr diffusionsbedingter Umbau im interessierenden Temperaturbereich der thermischen Beanspruchung stattfindet,
- ihr diffusionsbedingter Umbau hinsichtlich eines zu ver- wendenden Nachweisverfahrens eine feststellbare Eigen¬ schaftsänderung der Gefügephase (22) hervorruft und
- ihr diffusionsbedingter Umbau frühestens bei Erreichen des Standzeitendes des Bauteils abgeschlossen ist.
6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Gefügephase (22) derart ausgewählt ist, dass ihr diffusionsbedingter Umbau mit einer Diffusion von Bestandteilen der Gefügephase (22) und/oder des restlichen Gefüges durch eine Grenzfläche (24, 24o, 24u) zwischen der Gefügephase (22) und dem restlichen Gefüge hindurch einhergeht .
7. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefügephase aus Nanopartikeln (23) besteht, die durch das restliche Gefüge eingeschlossen sind, wobei die Na- nopartikel (23) von einer Diffusionssperrhülle (25) umgeben sind.
8. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefügephase aus Nanopartikeln (23) besteht, die durch das restliche Gefüge eingeschlossen sind und einen Kern (27) und eine Hülle (28) aufweisen, wobei das Material von Kern (27) und Hülle (28) derart ausgewählt ist, dass ihr dif¬ fusionsbedingter Umbau mit einer Diffusion von Bestandteilen von Kern (27) und Hülle (28) durch eine Grenzfläche (24, 24o, 24u) zwischen Kern (27) und Hülle (28) hindurch einhergeht.
9. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den diffusionsbedingten Umbau mindestens zwei Metal¬ le in dem Bauteil vorhanden sind, die zu einer intermetalli¬ schen Phase umgebaut werden.
10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalle Pt und Ni oder PT und Co oder Cr und Co oder Ni und Co vorhanden sind.
11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den diffusionsbedingten Umbau mindestens zwei Metal¬ le in dem Bauteil vorhanden sind, die zu einem Mischkristall umgebaut werden.
12. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalle Ta und Co oder Ta und Ni oder Ta und Cr oder Cr und Ni oder Ti und Ni oder Ti und Co oder Ti und Cr vor- handen sind.
13. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den diffusionsbedingten Umbau ein Metall, insbeson- dere Cu, und ein halbleitendes Material, insbesondere Si, in dem Bauteil vorhanden sind, wobei der Umbau aus einer Dotie¬ rung des kaltleitenden Materials mit dem Metall besteht.
14. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator nur in einem einen Ausschnitt (13) der Bauteiloberfläche abdeckenden Teilbereich des Bauteils vorge¬ sehen ist.
15. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses durch eine Turbinenschaufel (11) gebildet ist.
16. Bauteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauteils durch eine thermische Schutzschicht (14) gebildet ist.
17. Bauteil nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass in diesem eine Korrosionsschutzschicht (20) vorgesehen ist .
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