EP3397698A1 - Beschichtung mit temperatursensor sowie damit beschichtetes bauteil - Google Patents
Beschichtung mit temperatursensor sowie damit beschichtetes bauteilInfo
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Definitions
- the invention relates to a coating for a hot gas confronting component such as a boiler, a fuel cell, a melting furnace, a motor, an engine, a gas turbine blade and / or a Gasturbinenschaufei.
- a hot gas confronting component such as a boiler, a fuel cell, a melting furnace, a motor, an engine, a gas turbine blade and / or a Gasturbinenschaufei.
- Such a material meets a demanding property profile, in particular stability at high thermi ⁇ shear stress, compatibility with conventional TBC thermal barrier coatings, and the simplicity of the relationship between temperature and recognizable and / or measurable material composition concerns.
- TBC Thermal Barrier Coatings
- Melting furnace, engine, engine, gas turbine blade and / or gas turbine blade can be incorporated.
- the subject of the present invention is a thermally loadable coating of a ceramic material
- Ion-containing species in a kinetically single-stage reaction takes place, so that a direct relationship between the type of luminescence, ie the concentration of europium and / or samarium-3 + ions in the matrix and the temperature history of a component equipped with the coating can be produced and, for example, graphically displayed.
- the europium and / or samarium 3 + ions are present as incorrect occupancy of cation lattice sites.
- the coating comprises the particles containing europium and / or samarium 3+ ions in an amount of more than one mole percent.
- the luminescent particles in an amount of more than 5 mol%, and particularly preferred are the luminesce ⁇ the particles in an amount of more than 10 mol% in the Kera ⁇ mix prior to coating.
- the lu- mine ornamental particles can be readily incorporated in the ceramic coating, because the matrix material compatible with the material of Be ⁇ coating and / or crystallographically similar or even partially identical.
- the matrix is a so-called TBC Thermal Barrier Coating- loading coating material, in particular one of a yttrium aluminum oxide, for example a Y2AI 5 O 1 2 or walls ⁇ ren-oxidic ceramic material.
- Suitable TBC coatings are known, for example, from US Pat. No. 8,685,545, EP1915639 and / or WO2007 / 020170.
- the luminescent Eu3 + and / or Sm3 + ions can be incorporated well into a ceramic matrix, since they can occupy cation sites in different ceramic lattice structures from the ionic radius, without thereby causing a dissolution of the lattice structure.
- the europium and / or samarium 2+ and / or 3+ ions have already been successfully tested in an yttrium oxide, for example in an yttrium-aluminum oxide matrix.
- particles having a matrix of an yttrium oxide-containing ceramic with - for example - a melting point above 1300 ° C, a polyhedral morphology and / or a grain size in the range of 2 to 50ym were used.
- the europium and / or samarium 3+ ions are incorporated into the host lattice without destroying the morphology.
- the luminescent particles are used at least partially in the form of spherical particles.
- the oxidation of the europium and / or samarium 2+ ions into the europium and / or samarium 3+ ions is effected by the hot and oxygen-containing vapor, which distinctly luminesce favored.
- the disintegration time of the one luminescent species depends on only a single reaction, by which the luminescent cation in question is converted into its other luminescent species.
- the structure transforms the Eu 2+ in the Eu 3+ with at ⁇ Otherwise the same chemical environment and the same grid.
- the luminescence changes interpreting ⁇ Lich and the temperature is easily detectable.
- the temperature can be tracked via a spectroscopic method and / or via a reference table, so that the temperature history can be deduced directly from the concentration and type of luminescent species.
- the incorporation of the luminescent particles in the coating can take place in the production and / or as retrofitting, for example by spraying, coating, painting, etc. in a suitable binder system.
- the invention relates to a coating for a hot gas confronting component such as a boiler, a fuel cell, a melting furnace, a motor, an engine, a gas turbine blade and / or a Gasturbinenschaufei.
- the coating is characterized by having a temperature sensor in the form of a light-emitting coating, the light emission of which depends on the temperatures to which the coating is or has been exposed.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für ein mit heißen Gasen konfrontiertes Bauteil wie beispielsweise einen Boiler, eine Brennstoffzelle, einen Schmelzofen, einen Motor, ein Triebwerk, ein Gasturbinenblatt und/oder eine Gasturbinenschaufel. Die Beschichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Temperatursensor in Form einer lichtemittierenden Beschichtung hat, deren Lichtemission direkt von den Temperaturen, denen die Beschichtung ausgesetzt ist oder war, abhängt.
Description
Beschreibung
Beschichtung mit Temperatursensor sowie damit beschichtetes Bauteil
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für ein mit heißen Gasen konfrontiertes Bauteil wie beispielsweise einen Boiler, eine Brennstoffzelle, einen Schmelzofen, einen Motor, ein Triebwerk, ein Gasturbinenblatt und/oder eine Gasturbinen- schaufei.
Es sind Methoden bekannt, über die die Oberflächentemperatur thermisch extrem belasteter Bauteile wie einer Gasturbinenschaufel und/oder einem Gasturbinenblatt während des Betriebs messbar ist.
Allerdings haben diese oberflächlichen Methoden oder Sensoren in der Regel den Nachteil, dass sie während des Betriebs nicht ablesbar sind.
Bekannt ist aus der US 8,746,969 B2 eine Methode zur Bestim¬ mung der Temperaturhistorie von derartigen Bauteilen. Bei dieser Methode wird der Übergang amorpher Ausgangsmaterialien in bestimmte Kristallisationsstufen genutzt, um die Tempera- turen festzustellen, denen diese Ausgangsmaterialien ausgesetzt waren. Allerdings bleiben die Temperaturbereiche, die gemessen werden können unterhalb einer Grenze von ungefähr 1000°C und zudem sind die Messwerte ungenau, weil die Kris¬ tallisation ein vielstufiger kinetischer Prozess ist, der nicht in einer einfachen linearen Abhängigkeit der Verbindungsmodifikation zur Temperatur darstellbar ist. Damit wird auch eine präzise Aussage über die Temperatur erschwert, ins¬ besondere in den Temperaturbereichen, in denen eine Modifikationsänderung stattfindet.
Daher besteht nach wie vor der Bedarf, ein Material zur Beschichtung thermisch extrem belasteter Bauteile zur Verfügung zu stellen, durch das die Temperaturhistorie des Bauteils -
im günstigsten Fall während des Betriebs - nachvollziehbar wird .
Ein derartiges Material erfüllt ein anspruchsvolles Eigen- schaftsprofil, insbesondere was Stabilität bei hoher thermi¬ scher Belastung, Kompatibilität mit üblichen TBC-Thermal Barrier-Beschichtungen und die Einfachheit des Zusammenhangs zwischen Temperatur und erkenn- und/oder messbarer Materialbeschaffenheit betrifft.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Material zur Verfügung zu stellen, das das oben geforderte Eigenschaftsprofil erfüllt und insbesondere eines, das sich in be¬ stehende oder herzustellende Thermal Barrier Coatings (TBC) - Beschichtungen von Bauteilen wie Boiler, Brennstoffzelle,
Schmelzofen, Motor, Triebwerk, Gasturbinenblatt und/oder Gasturbinenschaufel einarbeiten lässt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er- findung, wie er in den Ansprüchen und der Beschreibung offenbart wird, gelöst.
Entsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine thermisch belastbare Beschichtung aus einem keramischen Mate- rial,
dadurch gekennzeichnet, dass sie Partikel umfasst, die in ei¬ ner keramischen Matrix eine Konzentration an lumineszierenden Europium- und/oder Samarium- 3+-Ionen enthalten, wobei die Umwandlung dieser Europium- und/oder Samarium-3+-Ionen in ei- ne anders lumineszierende Europium- und/oder Samarium-2+-
Ionen umfassende Spezies in einer kinetisch einstufigen Reaktion erfolgt, so dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Art der Lumineszenz, also der Konzentration an Europium- und/oder Samarium-3+-Ionen in der Matrix und der Temperatur- historie eines mit der Beschichtung ausgestatteten Bauteils herstellbar und beispielsweise graphisch darstellbar ist.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegen im keramischen Matrixmaterial der Partikel die Europium- und/oder Samarium- 3+-Ionen als Fehlbesetzung von Kationen- Gitterplätzen vor.
Nach einer Ausführungsform umfasst die Beschichtung die Europium- und/oder Samarium- 3+-Ionen enthaltenden Partikel in einer Menge von mehr als einem Molprozent. Insbesondere lie¬ gen die lumineszierenden Partikel in einer Menge von mehr als 5 Mol%, und insbesondere bevorzugt liegen die lumineszieren¬ den Partikel in einer Menge von mehr als 10 Mol% in der kera¬ mischen Beschichtung vor.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform lassen sich die lu- mineszierenden Partikel gut in die keramische Beschichtung einarbeiten, weil das Matrixmaterial mit dem Material der Be¬ schichtung kompatibel und/oder kristallographisch ähnlich oder sogar teilweise identisch ist. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Matrix ein so genanntes TBC-Thermal Barrier Coating- Be- schichtungsmaterial , insbesondere eine aus einem Yttrium- Aluminium-Oxid, beispielsweise einem Y2AI5O12 oder einem ande¬ ren oxidisch-keramischen Material. Geeignete TBC- Beschichtungen sind beispielsweise aus den US 8685545, der EP1915639 und/oder aus der WO2007/020170 bekannt.
Die lumineszierenden Eu3+- und/oder Sm3+-Ionen lassen sich gut in eine keramische Matrix einarbeiten, da sie vom Ionen- radius her in verschiedenen keramischen Gitterstrukturen Kationenplätze besetzen können, ohne dadurch eine Auflösung der Gitterstruktur zu bewirken.
Die Europium- und/oder Samarium- 2+ und/oder 3+-Ionen wurden in einer Yttrium-Oxid-, beispielsweise in einer Yttrium- Aluminium-Oxidmatrix bereits erfolgreich ausgetestet.
Dazu wurden Partikel mit einer Matrix aus einer Yttrium- oxidhaltige Keramik mit - beispielsweise - einem Schmelzpunkt über 1300°C, einer polyedrischen Morphologie und/oder einer Korngröße im Bereich von 2 bis 50ym eingesetzt. Die Europium- und/oder Samarium- 3+-Ionen werden in das Gastgitter eingebaut, ohne die Morphologie zu zerstören.
Nach einer Ausführungsform werden die lumineszierenden Partikel zumindest teilweise in Form sphärischer Partikel einge- setzt.
Insbesondere bei der Anwendung in einer Gasturbinen-Schaufel oder Gasturbinenblatt-Beschichtung wird durch den heißen und Sauerstoff-haltigen Dampf die Oxidation der Europium- und/oder Samarium- 2+-Ionen in die Europium- und/oder Samarium- 3+-Ionen, die deutlich verschieden lumineszieren, begünstigt .
Nach der Erfindung hängt die Zerfallszeit der einen lumines- zierenden Spezies von nur einer einzigen Reaktion ab, durch die das betreffende lumineszierende Kation in seine andere lumineszierende Spezies überführt wird. Es handelt sich dabei um die einfache Oxidation, die das Eu2+ in das Eu3+ bei an¬ sonsten gleicher chemischen Umgebung und gleicher Gitter- struktur überführt. Damit ändert sich die Lumineszenz deut¬ lich und die Temperatur ist problemlos nachweisbar.
Insbesondere kann die Temperatur über eine spektroskopische Methode und/oder über eine Referenztabelle nachverfolgt wer- den, so dass direkt aus der Konzentration und Art der lumineszierenden Spezies auf die Temperaturhistorie geschlossen werden kann.
Die Einarbeitung der lumineszierenden Partikel in die Be- Schichtung kann bei der Herstellung und/oder auch als Nachrüstung, beispielsweise durch Aufsprühen, Beschichten, Lackieren etc. in einem geeigneten Bindersystem erfolgen.
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für ein mit heißen Gasen konfrontiertes Bauteil wie beispielsweise einen Boiler, eine Brennstoffzelle, einen Schmelzofen, einen Motor, ein Triebwerk, ein Gasturbinenblatt und/oder eine Gasturbinen- schaufei. Die Beschichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Temperatursensor in Form einer lichtemittierenden Beschichtung hat, deren Lichtemission von den Temperaturen, denen die Beschichtung ausgesetzt ist oder war, abhängt.
Claims
1. Thermisch belastbare Beschichtung aus einem keramischen Material ,
dadurch gekennzeichnet, dass sie Partikel umfasst, die in ei¬ ner keramischen Matrix eine Konzentration an lumineszierenden Europium- und/oder Samarium- 2+-Ionen enthalten, wobei die Umwandlung dieser Europium- und/oder Samarium-2+-Ionen in eine anders lumineszierende Europium- und/oder Samarium-3+- Ionen umfassende Spezies in einer kinetisch einstufigen Reaktion erfolgt, so dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Art der Lumineszenz, also der Konzentration an Europium- und/oder Samarium-2+-Ionen in der Matrix und der Temperaturhistorie eines mit der Beschichtung ausgestatteten Bauteils herstellbar und beispielsweise graphisch darstellbar ist.
2. Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die Europium- und/oder Samarium- 2+-Ionen zumindest zum Teil in einem Kristallgitter als Fehlbesetzung auf einem Kationen-Gitterplatz vorliegen.
3. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Europium- und/oder Samarium- 2+-Ionen enthaltenden Partikel in einer Menge von mehr als einem Molprozent in der keramischen Beschichtung vorliegen.
4. Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Matrix zumindest zum Teil ein so genannte TBC-Thermal Barrier Coating- Beschichtungsmaterial , insbesondere eine Matrix aus einem Yttrium-Oxid, beispielsweise einem Y2AI5O12 und/oder einem anderen oxidisch-keramischen Material ist.
5. Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Matrix ein Yttrium-Aluminium-Granat-Oxid vorliegt.
6. Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schmelzpunkt der lumineszierenden Partikel über 1000°C liegt .
7. Beschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die lumineszierenden Partikel in Form von sphärischen Partikeln in die Beschichtung eingearbeitet sind.
8. Bauteil eines Boilers, einer Brennstoffzelle, eines
Schmelzofens, eines Motors, eines Triebwerks, einer Gastrubi¬ ne wie ein Gasturbinenblatt und/oder eine Gasturbinenschaufel mit einer Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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