DE69905907T2

DE69905907T2 - Wärmedämmschicht mit eingebettetem thermolumineszenz-indikatorwerkstoff

Info

Publication number: DE69905907T2
Application number: DE69905907T
Authority: DE
Inventors: Kwang-Leong Choy; Joerg Feist; Andrew Lawrence Heyes
Original assignee: Southside Thermal Sciences STS Ltd
Current assignee: Southside Thermal Sciences STS Ltd
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1999-07-26
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2019-07-27
Also published as: WO2000006796A1; US8173266B2; US20090226326A1; EP1105550B1; DE69905907D1; US20070015283A1; US7510776B2; EP1105550A1; US6974641B1

Description

Diese Erfindung betrifft Wärmedämmbeschichtungen.
In extremen Umgebungen, wie im Inneren einer Gasturbine, wo die Flammentemperatur höher als der Schmelzpunkt von zum Bau der Maschine verwendeten Werkstoffen sein kann, werden Metallbestandteile oftmals mit einem Material beschichtet, um thermische Zerstörung der Bestandteile zu vermeiden oder zu vermindern. Eine solche Beschichtung ist allgemein als Wärmedämmbeschichtung oder TBC bekannt.
Eine Wärmedämmbeschichtung umfaßt typischerweise eine relativ "dicke" Schicht eines hifizebeständigen oder wärmeisolierenden Materials, wie mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid oder YSZ. Hier wird der Begriff "dick" verwendet, um eine Dicke von beispielsweise 250 um zu bezeichnen. Das hitzebeständige Material würde allgemein so ausgewählt, daß man eine geringe Wärmeleitfähigkeit, wie um 1 bis 3 W/mK, hat und dadurch die Wärmeüberführung zu den Bauteilen reduziert und die von diesen wahrgenommene Temperatur vermindert.
Die Beschichtungen werden unter Verwendung einer Abscheidungstechnik aufgebracht. Allgemein gesprochen sind die Abscheidungstechniken bei gewerblicher Verwendung nicht vollständig zuverlässig und ergeben keine Anhaftung der Beschichtung auf dem Bauteil, welche erwünscht wäre. Dies bedeutet, daß die Lebensdauer beschichteter Bauteile begrenzt ist, doch gibt es weder ein zuverlässiges Modell zur Voraussage jener Lebensdauer, noch eine bequeme Methode zur Überwachung der Beschichtungen im Betrieb. Der einzige Weg, den Zustand beschichteter Bestandteile zu bewerten, ist die manuelle Prüfung. Im Falle einer Gasturbinenmaschine ist dies klar zeitraubend und teuer.
Ein typischer Betriebszustand für die Beschichtung eines Maschinenbestandteils mit einer Wärmedämmungsbeschichtung ist der, einen Sandwich von drei Beschichtungstypen aufzubringen. Erstens wird eine sogenannte Bindungsbeschichtung aufgebracht. Ein typisches Material hierfür ist eine metallische Schicht, wie eine MCrAlY-Legierungsschicht. Der Zweck der Bindungsbeschichtung ist der, eine Schicht zu bekommen, die gut an der darunterliegenden Oberfläche des Bauteiles haftet und eine gute Grundlage für weitere Beschichtungen bildet. Auf der Bindungsbeschichtung wird eine sogenannte Zwischen- oder Mittelschicht aufgebracht. Ein keramisches Material, wie Al&sub2;O&sub3;, ist ein Beispiel eines geeigneten Materials. Dieses kann durch Oxidieren der Oberfläche der Bindungsbeschichtung, um eine dünne (z. B. 0,1 bis 10 um) Oxidschicht zu bilden, erhalten werden. Wiederum ergibt dies verbesserte Haftung für die wärmeisolierende Endbeschichtung und ist nicht dazu da, Wärmedämmungseigenschaften zu liefern.
Die Bindungsbeschichtung und die Zwischenschicht können allgemein als Grundierungsschichten bezeichnet werden, da ihr Hauptzweck darin besteht, die Haftung und Aufbringung der wärmeisolierenden Endschicht zu verbessern.
Die Endschicht liefert die Wärmeisolierung und Struktureigenschaften des TBC. Wie oben erwähnt, kann dies eine relativ dicke Schicht eines Materials, wie YSZ, APSZ (mit Yttriumoxid teilstabilisiertes Zirkonoxid, z. B. 6 bis 8 Gew.-% Y&sub2;O&sub3; PSZ) oder mit Zirkonoxid dotiertes Aluminiumoxid sein. Grundsätzlich sollte die Außenschicht idealerweise wärmeisolierend sein (und könnte so als ein hitzebeständiges Material bezeichnet werden), geringe Wärmeleitfähigkeit haben, beständig gegen Abplatzen während Wärmezyklen und/oder Erhitzen auf hohe Temperaturen (z. B. über 1100ºC), gegen Oxidation beständig und widerstandsfähig gegen Erosion sein.
So ist beispielsweise das Material der Zwischenschicht (z. B. Al&sub2;O&sub3;) für die Verwendung als die äußerste Schicht nicht geeignet, da seine Zuverlässigkeit nicht gut genug ist und ihm das mit YPSZ erhältliche "Umwandlungszähmachen" fehlt.
Die EP-A-0 863 396 beschreibt eine Methode zur Feststellung von Spannungen in einer Zwischenschicht der obenbeschriebenen Strukturtype. Es wird festgestellt, daß Cr- Verunreinigungen, die in der Bindungsbeschichtung auftreten, oftmals in der Zwischenschicht vorliegen. Die EP-A-0 863 396 macht von der Veränderung der Fluoreszenzwellenlänge der Verunreinigungen in Reaktion auf Spannungen Gebrauch. Eine Lichtquelle wird durch die wärmeisolierende Schicht auf die Zwischenschicht gerichtet, und die resultierende Fluoreszenzwellenlänge wird festgestellt.
Die US-A-4 922 113, US-A-5 270 116 und EP-A-0 336 029 beschreiben Methoden zur Überwachung der Zusammensetzung, der Dicke oder Gleichmäßigkeit einer Beschichtung durch Feststellung der Fluoreszenzstrahlung.
Die US-A-5 730 528 beschreibt die Ausbildung eines Phosphorkissens auf einem Gegenstand, wie eines Teils einer Turbinenmaschine, um ein Mittel für Wärmemessungen zu bekommen.
Die US-A-4 569 570 befaßt sich mit einem optischen Sensor zur Feststellung von Veränderungen physikalischer Eigenschaften, wie der Temperatur, und dieser Sensor enthält ein lumineszentes Material, das von atomar lokalisierten Lumineszenzzentren angesammelt wird, die als eine feste Lösung in einem Bindematerial eingeschlossen sind.
Die US-A-4 774 150 beschreibt eine Wärmedämmbeschichtung, die mehrere Zirkonoxidschichten umfaßt, von denen jede einen Leuchtaktivator enthält, welcher unterschiedliche fluoreszierende Farbe erzeugt, sodaß der Grad der Abnutzung der Wärmedämmungsbeschichtung durch Beobachtung der erzeugten Farbe, die durch Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlen erzeugt wird, feststellbar ist. Diese Erfindung liefert eine Maschine mit einem oder mehreren Bauteilen, die mit einer Wärmedämmbeschichtung überzogen sind, welche ein Gemisch aus wenigstens einem hitzebeständigen Material und einem Indikatormaterial mit einem optischen Emissionsspektrum umfaßt, welches unter Ansprechen auf eine Temperatur des entsprechenden Bauteils variiert, wobei die Maschine folgendes aufweist: eine Lichtquelle für das Richten eines Abfragelichtstrahles auf das eine oder die mehreren Bauteile, einen Lichtkollektor für das Sammeln von Licht von dem einen oder den mehreren Bauteilen und einen Analysator zum Erfassung von wenigstens einer Temperatur des einen oder der mehreren Bauteile durch Analyse von Licht, das von dem einen oder den mehreren Bauteilen gesammelt wurde.
Die Erfindung befaßt sich mit den obigen Schwierigkeiten, indem sie eine neue Type von Wärmedämmbeschichtung liefert. Die Beschichtung selbst umfaßt nicht nur ein hitzebeständiges Material, sondern auch ein Indikatormaterial mit einem optischen Emissions- (z. B. Fluoreszenz-)-Spektrum, das von einem physikalischen Parameter der beschichteten Komponente, wie der Temperatur, abhängt. Dies erlaubt in situ eine Abfrage und eine entfernte Überwachung des physikalischen Parameters, indem man einen Lichtstrahl auf das Bauteil richtet und das Fluoreszenzspektrum unter Verwendung einer bekannten Analyseeinrichtung analysiert.
Anders als die Anordnung der EP-A-0 863 396 kann das Indikatormaterial einen Teil der tatsächlichen TBC-Schicht statt einer Zwischenschicht bilden. Dies bedeutet, daß die Temperatur, die Spannungen usw. der TBC-Schicht eher als jene der Zwischenschicht allein überwacht werden können. Dies kann die Ermittlung von Fehlern über der Deckschicht (TBC) und an der Grenzfläche zwischen der TBC-Beschichtung und der Zwischenschicht oder einer anderen Grundierbeschichtung ermöglichen.
Die Veränderung des Spektrums kann beispielsweise eine Veränderung der absoluten Intensität, der relativen Intensität zwischen zwei oder mehr Emissionslinien, der Zerfallzeit einer oder mehrerer Emissionslinien nach Erregung durch eine gepulste Lichtquelle oder sogar Linienwechsel infolge der Ausdehnung und Kontraktion des Wirtskristallgitters sein.
Die Erfindung hat viele Vorteile gegenüber einer anderen bisher vorgeschlagenen Methode, die ein Anstreichen mit speziellen phosphorbeladenen Anstrichmitteln auf Bauteilen einschließt. Da das Indikatormaterial einen Teil der Beschichtung bildet, kann es viel beständiger gegen Erosion und Hitzeschock als eine Anstrichmitteloberflächenschicht sein. Ein getrenntes Anstrichverfahren ist nicht erforderlich. Auch reflektiert die von dem Indikatormaterial erzeugte Indikation die wahre Bedingung der beschichteten Komponente besser als gerade eine Oberflächenbedingung des Phosphoranstrichmittels.
Obwohl Beschichtungsmaterialien ausgewählt werden könnten, um auf andere physikalische Parameter des beschichteten Bauteils zu reagieren, wie beispielsweise auf Druck, finden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung besonders Verwendung, die eine entfernte Überwachung der Temperatur des Bauteils erlaubt, indem man ein Indikatormaterial verwendet, das ein Fluoreszenzspektrum hat, welches sich in Abhängigkeit von der Temperatur wenigstens eines Bereichs des beschichteten Bauteils verändert. Insbesondere wird festgestellt, daß sich die oben aufgelisteten Dokumente nicht mit Temperaturmessung befassen. Ausführungsformen der Erfindung schließen jedoch Materialien ein, die auf zwei oder mehrere physikalische Parameter, vielleicht auf unterschiedliche Weise, reagieren.
Das Indikatormaterial umfaßt vorzugsweise statt einer homogenen Schicht von Indikatormaterial eine geschichtete Indikatormaterialsfruktur mit jeweils unterschiedlichen Fluoreszenzspektren. Diese Anordnung hat viele Vorteile. Erstens wird eine weitere Schicht von Indikatormaterial frisch entschichtet, wenn die Beschichtung von dem Bauteil weg erodiert wird. Da dies ein unterscheidbares Spektrum hat, kann das Erosionsverfahren daher festgestellt werden. Bei einer anderen Anwendung könnte die Anordnung eine Überwachung der Temperatur der Bauteile in unterschiedlichen Tiefen innerhalb des Überzuges erlauben, besonders wenn niedrigere Schichten von Indikatormaterial durch Materialien bedeckt wären, die wenigstens teilweise für einfallendes Licht transparent sind.
Die Erfindung findet eine besonders bevorzugte Verwendung bei Bauteilen hoher Temperatur beispielsweise in Verbrennungsmotoren, vorzugsweise in einer Beschichtung eines oder mehrerer Turbinenblätter oder von Hitzeabschirmungen einer Gasturbine. In Verbrennungsmotoren sind die Umgebungsbedingungen extrem, und die aufgewendete Bemühung, die inneren Bauteile manuell zu inspizieren, bedeutet, daß die Inspektion teuer werden kann.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf die Verwendung als ein Temperaturindikator in einer Wärmedämmungsbeschichtung für das Überziehen eines Maschinenbauteils mit einem Gemisch aus wenigstens einem hitzebeständigen Material und einem Indikatormaterial mit einem optischen Emissionsspektrum, welches sich in Reaktion auf eine Temperatur des beschichteten Bauteils verändert.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhalber unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in welcher
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines beschichteten Bauteils ist,
Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer Gasturbine mit einem beschichteten Bauteil und mit einer entfernten Abfühlapparatur ist,
Fig. 3 ein Fluoreszenzspektrum für YAG:Tb erläutert,
Fig. 4 und
Fig. 5 den Unterschied der Zerfallszeit mit der Temperatur für eine Emission von YAG:Tb erläutern,
Fig. 6 ein Fluoreszenzspektrum für Y&sub2;O&sub3;:Eu erläutert,
Fig. 7 und
Fig. 8 die Veränderung der Zerfallszeit mit der Temperatur für eine Emission von Y&sub2;O&sub3;:Eu erläutern,
Fig. 9 und
Fig. 10 die relative Veränderung der Emissionslinienstärken mit der Temperatur für YAG:Dy erläutern,
Fig. 11 ein schematisches Diagramm eines mehrschichtigen Indikatormaterials ist, welches Erosionsinformationen gibt, und
Fig. 12 ein schematisches Diagramm eines mehrschichtigen Indikatormaterials ist, welches Temperaturüberwachung in unterschiedlichen Beschichtungstiefen liefert.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Bauteils 10, das mit einer Wärmedämmbeschichtung (TBC) 20 versehen ist. Das Bauteil 10 kann beispielsweise ein Turbinenblatt einer Gasturbinenmaschine sein, obwohl die Technik auf viele andere Typen von Bauteilen anwendbar ist.
Das TBC 20 wird als ein Gemisch eines hitzebeständigen Materials und eines Indikatormaterials gebildet, welches ein Fluoreszenzspektrum hat, das in Abhängigkeit von einem physikalischen Parameter des Bauteils, wie der Temperatur, variiert.
Das beschichtete Bauteil ist für entfernte Überwachung des physikalischen Parameters besonders geeignet, indem man einen Abfragelichtstrahl auf das Bauteil richtet und dann die Fluoreszenzemissionen analysiert, die von dem Bauteil zurückkommen. Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Gasturbine mit dem beschichteten Bauteil und unter Verwendung einer entfernten Abfühlapparatur, um das Fluoreszenzspektrum des Bauteils zu ermitteln.
In Fig. 2 ist das beschichtete Bauteil 10 auf einer Turbinenanordnung 30 im Inneren eines Gehäuses 40 der Gasturbine befestigt. Ein Abfragelichtstrahl wird von einem gepulsten Nd:YAG-Laser 50 erzeugt und zusammen mit einer optischen Faserwellenlänge 60 auf ein Fenster 70 in dem Gehäuse 40 der Turbine gerichtet, von wo er auf den Weg dies getesteten Bauteils gerichtet wird.
Wenn das Licht auf das Bauteil trifft, während es an den Fenstern 70 vorbei rotiert, emittieren die Bauteilbeschichtungen ein Fluoreszenzspektrum, welches von einer weiteren optischen Faser 80 durch ein weiteres Fenster 90 in dem Gehäuse 40 aufgenommen wird. Das Licht geht zu einem Detektor 100.
Eine Linsenanordnung (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um die optischen Eigenschaften des Abfragestrahls und/oder die Fluoreszenzemission zu sammeln. Die optische Faser 60 und die optische Faser 80 können Direktlicht durch dasselbe Fenster in das Gehäuse 40 richten, wenn dies erwünscht ist, und durch Verwendung eines gerichteten optischen Faserkupplers können der Abfragestrahl und das gesammelte Fluoreszenzspektrum entlang derselben Faser gehen.
Der Laser 50 und der Detektor 100 sind unter der Kontrolle eines Impulsgenerators und Kontrollkreises 110. Der Detektor 100 wandelt das empfangene optische Signal in ein elektrisches Signal 120 um, welches zu einem Analysator 130 geht, der so angeordnet ist, daß er nachfolgend beschriebene Spektraleigenschaften ermittelt, die unter Verwendung bekannter Analysentechniken zu beschreiben sind. Der Ausgang des Analysators 130 geht zu einer Ausgangseinrichtung 140, wie einem Displaymonitor oder einer Ausdruckeinrichtung.
Das TBC wird unter Verwendung einer bekannten Methode, wie chemischer Abscheidung aus der Dampfphase (CVD), physikalischer Elektronenstrahldampfabscheidung (EBPVD), Plasmasprühabscheidung oder elektrostatisch unterstützter Dampfabscheidung (siehe beispielsweise WO 97/21 848) aufgebracht. Bei dieser letzteren Technik wird eine Vorläuferlösung auf das Substrat (das Bauteil) gerichtet und bildet unter Hitzebehandlung eine abgeschiedene Schicht. Eine anfängliche Bindungsbeschichtung und eine Zwischenschicht (wie oben beschrieben, doch in der Zeichnung nicht gezeigt) kann zunächst abgeschieden werden, um die Haftung und/oder die Struktureigenschaften des TBC-Überzuges zu verbessern.
Die in diesen Ausführungsformen verwendete Schicht wird primär aus einem hitzebeständigen Material gebildet, das aber Dotiermittel enthält, wie Seltene Erd-Dotiermittel, um die geforderten Fluoreszenzeigenschaften zu bekommen. Daher besteht ein gerader Weg zur Aufbringung eines solchen Überzuges darin, die Seltenen Erd-Dotiermittel der Vorläuferlösung zuzusetzen, bevor die Abscheidung der Beschichtung mit elektrostatischer Unterstützung aus der Dampfphase stattfindet. Bei weiteren Ausführungsformen, die weiter unten zu beschreiben sind (siehe Fig. 11 und 12), variiert die Zusammensetzung der Indikatorkomponente über der Tiefe des Überzuges. Diese Type von abgestufter oder mehrphasiger Struktur kann leicht erhalten werden, indem man die Zusammensetzung der Vorläuferlösung während des Beschichtungsverfahrens variiert, vielleicht durch Veränderung der Konzentration eines speziellen Dotiermittels, durch Zusatz des Dotiermittels oder durch Zusatz von mehr undotierter Vorläuferlösung oder durch Veränderung von einem Lösungsbehälter mit einem ersten Dotiermittel zu einem anderen Lösungsbehälter mit einem zweiten Dotiermittel (oder ohne Dotiermittel) usw. In den nachfolgend diskutierten Beispielen ist der Anteil an Dotiermittel in der abgeschiedenen Schicht relativ klein, so daß die physikalischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht und das Abscheideverfahren selbst durch Zugabe des Dotiermittels relativ unverändert bleiben.
Mit anderen Worten, die Zugabe der Seltenen Erde zu der wärmeisolierenden Schicht erzeugt effektiv einen neuen Phosphor. Dies ist sehr verschieden von einer Technik zur Zugabe eines Phosphors zu einem Schichtmaterial.
In einem YSZ- oder YPSZ-System können die Seltenen Erden auch so wirken, daß sie das Zirkonoxid weiter stabilisieren und die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung verbessern.
Zwei Haupttechniken zur Bestimmung der Temperatur durch Abfragen des Fluoreszenzspektrums der beschichteten Bauteile werden nun diskutiert. Diese sind eine Methode zum Abbau der Lebensdauer und eine Methode bezüglich des Intensitätsverhältnisses.
Zum Zwecke dieses Beispiels werden drei Zusammensetzungen diskutiert. Y&sub2;O&sub3;:Eu und YAG:Tb sind bezüglich der "Lebensdauerabbaumethode" beschrieben. Diese Materialien zeigen gute Lumineszenz, sind leicht verfügbar und relativ billig. Ihr brauchbarer Temperaturbereich geht von unterhalb 550 bis oberhalb 1200ºC.
Die "Intensitätsverhältnismethode" wird in bezug auf YAG:Dy-Material beschrieben. Das Material hat die Möglichkeit, eine zweidimensionale Temperaturverteilungsanalyse bis zu Temperaturen von etwa 1500ºC durchzuführen. Da die interessierenden Hauptemissionslinien unter 500 nm sind, ist bei hohen Temperaturen Schwarzkörperstrahlung von Material noch nicht so intensiv wie für ähnliche Messungen mit YY&sub2;O&sub3;:Eu und YAG:Tb.

Lebensdauerabbaumethode

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des Emissionsspektrums für YAG:Tb bei unterschiedlichen Temperaturen in Reaktion auf eine Erregungswellenlänge von 266 nm. Es ist ersichtlich, daß das Spektrum in der Größe mit der Temperatur variiert. Das Merkmal jedoch, das in dem vorliegenden Beispiel analysiert wird, ist die Bauzeit einer Emission nach der Erregung.
Wenn das Material durch einen impuls von dem gepulsten Laser 50 erregt wird, beginnt es zu fluoreszieren und das in Fig. 3 gezeigte Spektrum zu emittieren. Wenn der Erregungsimpuls entfernt wird, verschwindet die Intensität exponentiell. Eine charakteristische Zeit (tau) des Abbauverfahrens ist die, in welcher die Intensität auf 1/e der ursprünglichen Intensität abfällt. So wird tau numerisch kleiner, wenn der Abbau schneller wird.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Abbauzeit tau gegenüber der Temperatur für YAG:Tb bei einer Emissionswellenlänge von 543,1 nm, einer Erregungswellenlänge von 266 nm und einer Tb-Konzentration von 5% über einen Bereich von im wesentlichen Raumtemperatur bis zu etwa 1000ºC. Man kann sehen, daß die charakteristische Zeit tau in Abhängigkeit von der Temperatur des Materials variiert.
Fig. 5 ist eine auseinandergedehnte graphische Darstellung des Bereiches von etwa 700 bis 1000ºC. Dies ist ein Bereich von Interesse für die Temperaturanalyse von Verbindungen in einem Verbrennungsmotor, und die graphische Darstellung zeigt, daß es eine allgemeine Monotonie zwischen tau und der Temperatur gibt. Demnach kann der Detektor 100 so angeordnet werden, daß er die Intensität des von dem Bauteil 10 (Fig. 2) zurückgeführten optischen Signals ermittelt, und der Analysator 130 kann so angeordnet werden, daß er die charakteristische Abbauzeit ermittelt, d. h. die Zeit, in welcher die Intensitätsabnahme um einen Faktor 1/e erfolgt. Dies kann dann beispielsweise über eine Look-up-Tabelle mit den Ergebnissen der Fig. 5 verglichen werden, um die Temperatur des Bauteils 10 zu ermitteln.
Fig. 7 erläutert das exponentielle Abbauverfahren für eine Emission von YY&sub2;O&sub3;:Eu mit der Temperatur. Die Konzentration von Eu liegt bei 6%, obwohl ein Bereich von 1 bis 6% brauchbar ist, die Erregungswellenlänge liegt bei 266 nm und die Emission wird bei 611 nm gemessen.
Wenn die Ergebnisse von Fig. 7 in eine graphische Darstellung der charakteristischen Abbauzeit tau gegen die Temperatur umgewandelt werden, ist ersichtlich, daß in einem Temperaturbereich von Interesse (etwa 700ºC) eine brauchbare Veränderung von tau mit der Temperatur erfolgt. Diese Information kann, wie oben beschrieben, in dem Analysator 130 von Fig. 2 verwendet werden.

Intensitätsverhältnismethode

Fig. 9 erläutert das abgestufte Fluoreszenzspektrum für YAG:Dy bei unterschiedlichen Temperaturen (das Spektrum enthält zwei "vereinzelte" Datenpunkte, die als "Totpixel" markiert sind). Die Dy-Konzentration beträgt 3%.
In einem Zustand mit konstanter Emission (nicht eine Fluoreszenzemission) wird das Verhältnis der Intensitäten für zwei Emissionswellenlängen (493 und 455 nm) in Reaktion auf eine Erregung bei 355 nm gegen die Umgebungstemperatur des beschichteten Bauteils in Fig. 10 aufgetragen. Dies zeigt eine brauchbare, fast lineare Beziehung zwischen dem Verhältnis und der Temperatur.
In Fig. 10 sind Sätze von Ergebnissen gezeigt, die man an unterschiedlichen Tagen erhält. Diese sind Tag "j9th", der Tag der Herstellung und die nächsten drei Tage j10th bis j12th. Die Ergebnisse zeigen eine gute Stabilität der Reaktion mit der Zeit.
Die obenbeschriebenen Beispiele wurden in Relation zu einschichtigen Überzügen gesetzt. Wie oben erwähnt, kann jedoch die Zusammensetzung des Indikatormaterials während der Abscheidung des TBC variiert werden, um so ein TBC mit mehrschichtigen Eigenschaften bezüglich des Indikatormaterials, aber einschichtigen Eigenschaften bezüglich des Wärmedämmungsschutzes zu ergeben. Die Fig. 11 und 12 erläutern schematisch zwei Beispiele einer solchen mehrschichtigen Indikatorstruktur.
Unter Bezugnahme auf Fig. 11 ist das Bauteil 10 mit einem TBC 200 mit drei Indikatorschichten innerhalb von 210, 220, 230 überzogen. Die drei Indikatorschichten werden unter Verwendung unterschiedlicher Indikatordotiermittel gebildet.
Diese Technik ist sehr brauchbar, um Erosion des TBC festzustellen. In Fig. 11 fand Erosion an einer Stelle 240 statt, so daß Bereiche der inneren Indikatorschichten 220, 210 freigelegt werden. Wenn das erodierte Bauteil unter Verwendung des Lichtstrahles, wie oben beschrieben, abgefragt wird, werden Emissionsspektren beobachtet, die allen drei Indikatoren 210, 220, 230 entsprechen. Dies kann benutzt werden, um anzugeben, daß Erosion so weit wie die Schicht 210 stattfand. Wenn diese auftritt, kann ein Warnsignal zu dem Anlagenbetreiber gegeben werden (z. B. zu einem Wartungsingenieur, der eine Gasturbine wartet), so daß es Zeit wird, die Maschine zu entmanteln und das erodierte Bauteil auszutauschen.
Fig. 12 erläutert eine ähnliche mehrschichtige Struktur mit drei Indikatorschichten TBC, die aus Indikatorschichten 250, 260, 270 gebildet sind. Die drei Schichten haben wiederum unterschiedliche jeweilige Fluoreszenzeigenschaften, wenn sie mit dem Abfragelichtstrahl abgefragt werden. Ein Bereich 280 der Außenschicht 270 ist so angeordnet, daß er im wesentlichen transparent (oder wenigstens teilweise transparent) für die Abfragewellenlänge und das Emissionsspektrum ist. Dies gestattet, daß die Temperatur in einer Position innerhalb des TIC (der Position der Indikatorschicht 260) überwacht wird. Ähnlich wird ein Bereich 290 der äußeren beiden Schichten 270, 260 wenigstens teilweise transparent gemacht, so daß die Temperatur der Innenschicht 250 geprüft werden kann, was eine bessere Anzeige der Temperatur des Bauteils 10 selbst ergibt.
Eine solche Mehrschichtstruktur ermöglicht auch den Wärmefluß zu dem zu berechnenden Bauteil unter der Annahme, daß die Wärmeleitfähigkeit der auftretenden Schicht bekannt ist:
q" = (-kΔT)/L,
worin k die Wärmeleitfähigkeit, ΔT die Temperaturveränderung und L die Dicke der Schicht sind.
Bei anderen Ausführungsformen kann eine abgestufte Zusammensetzungsstruktur verwendet werden (durch Variieren der Indikatormatematzusammensetzung und/oder -konzentration während der Abscheidung), oder alternativ kann eine Verbund- und Mehrphasenstruktur verwendet werden.
Ausführungsformen nach der Erfindung können ein TBC mit Angabe der Eigenschaften bilden, die verwendet werden können, um die Erosion, Temperaturverteilung, den Wärmefluß, die Phasenveränderungen, Druck, Spannungen und/oder Zugeigenschaften eines beschichteten Bauteils neben der Durchführung als TBC festzustellen oder zu messen.
Die Konzentration des Indikatormaterials ist vorzugsweise relativ niedrig, so daß das Vorhandensein geringe Wirkung auf die thermischen Eigenschaften des TBC hat, vorzugsweise aber hoch genug ist, damit die Spektren bequem beobachtet werden können. Ein bevorzugter Bereich ist etwa 0,1 bis 10%, obwohl auch Konzentrationen außerhalb jenes Bereiches in Betracht gezogen werden können.
Ein weiterer Dotiermittelbetriebszustand, der eine Ausführungsform der Erfindung bildet, ist Y&sub2;O&sub3;-Er (oder eine oder mehrere andere Seltene Erden), YSZ mit einer oder mehreren Seltenen Erden oder YPSZ mit einer oder mehreren Seltenen Erden.
Obwohl Ausführungsformen der Erfindung für die Verwendung in nichterfinderischen Messungen in situ beschrieben wurden, sind die Techniken auch auf Qualitätskontrollen und Tests während Beschichtungsentwicklungen nicht angreifend. Wenn das ermittelte Temperaturprofil eine große Veränderung über der Deckschicht anzeigt, erzeugt dies ein starkes Nichtpassen der Temperatur und erzeugt Spannungen in dem Beschichtungsmaterial, die möglicherweise zu einem Versagen der Beschichtung führen. Die große Veränderung könnte auf der Ungleichmäßigkeit in der Beschichtung beruhen oder darauf, daß sie einer ungleichmäßigen Wärmeumgebung ausgesetzt wird. Bei Qualitätskontrollen kann dies, wenn die Beschichtung nicht gleichmäßig aufgetragen wurde, zu einer ungleichmäßigen Temperatur, zu Spannungen und/oder einer Spannungsverteilung in dem Überzug und somit zu einem Versagen führen. Wiederum kann dies unter Verwendung der obenbeschriebenen Methode ermittelt werden.

Claims

1. Maschine mit einem oder mehreren inneren Bauelementen, die mit einer Wärmesperrschicht überzogen sind, welche ein Gemisch aus wenigstens einem hitzebeständigen Material und einem Indikatormaterial, das ein optisches Emissionsspektrum hat, welches unter Ansprechen auf eine Temperatur des entsprechenden Bauelementes variiert, umfaßt, wobei die Maschine folgendes aufweist:

eine Lichtquelle für das Richten eines Abfragelichtstrahls auf das eine oder die mehreren Bauelemente,

einen Lichtkollektor für das Sammeln von Licht von dem einen oder den mehreren Bauelementen und

einen Analysator zum Erfassen von wenigstens einer Temperatur des einen oder der mehreren Bauelemente durch Analyse von Licht, das von dem einen oder den mehreren Bauelementen gesammelt wurde.

2. Maschine nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Bauelemente mit einer oder mehreren Grundierungsschichten überzogen ist/sind, über der/denen die Wärmesperrschicht aufgebracht ist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Indikatormaterial ein optisches Emissionsspektrum aufweist, das unter Ansprechen auf wenigstens einen anderen physikalischen Parameter des entsprechenden Bauelementes variiert, und der Analysator so konfiguriert ist, daß er den wenigstens einen anderen physikalischen Parameter des einen oder der mehreren Bauelemente durch Analyse von Licht, das von dem einen oder den mehreren Bauelementen gesammelt wurde, erfaßt.

4. Maschine nach Anspruch 3, wobei das Indikatormaterial ein optisches Emissionsspektrum aufweist, welches unter Ansprechen auf wenigstens einen physikalischen Parameter variiert, der aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer physikalischen Spannung, die auf wenigstens einen Bereich des einen oder der mehreren Bauelemente aufgebracht wird, Erosion wenigstens eines Bereiches des einen oder der mehreren Bauelemente und einer physikalischen Spannung wenigstens eines Bereiches des einen oder der mehreren Bauelemente.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das hitzebeständige Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumoxid, yttriumoxidteilstabilisiertem Zirkoniumoxid und Yttriumoxid-Aluminiumgranat besteht.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Indikatormaterial ein Leuchtstoffmaterial ist.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Indikatormaterial ein Seltenerdmetalldotierungsmittel umfaßt.

8. Maschine nach Anspruch 7, wobei das Indikatormaterial ein Dotierungsmittel umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Terbium, Europium und Dysprosium besteht.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Indikatormaterial eine bezüglich der Zusammensetzung abgestufte Struktur, eine Verbundmaterialstruktur oder eine mehrphasige Struktur aufweist.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Wärmesperrschicht eine geschichtete Struktur aus Indikatormaterialien mit jeweils verschiedenen Emissionsspektren umfaßt.

11. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Wärmesperrschicht eine geschichtete Struktur mit einem ganz außen liegenden, im wesentlichen transparenten Bereich und einem Bereich, der ein Indikatormaterial aufweist, das durch den im wesentlichen transparenten Bereich hindurch optisch abfragbar ist, umfaßt.

12. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Maschine ein Verbrennungsmotor ist.

13. Maschine nach Anspruch 12, wobei die Maschine ein Gasturbinenmotor ist.

14. Maschine nach Anspruch 13, wobei das eine oder die mehreren Bauteile eine Turbinenschaufel/Turbinenschaufeln ist/sind.

15. Maschine nach Anspruch 13, wobei das eine oder die mehreren Bauteile ein Hitzeschild/Hitzeschilder ist/sind.

16. Verwendung eines Gemisches aus wenigstens einem hitzebeständigen Material und einem Indikatormaterial, das ein optisches Emissionsspektrum aufweist, welches unter Ansprechen auf eine Temperatur des überzogenen Bauteils variiert, als ein Temperaturindikator in einer Wärmesperrschicht zum Überziehen eines Maschinenbauteils.

17. Verwendung nach Anspruch 16, wobei das Bauteil mit einer oder mehreren Grundierungsschichten überzogen ist, über der/denen die Wärmesperrschicht aufgebracht ist.

18. Verwendung nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Indikatormaterial ein optisches Emissionsspektrum aufweist, welches unter Ansprechen auf wenigstens einen anderen physikalischen Parameter des Bauteils variiert.

19. Verwendung nach Anspruch 18, wobei das Indikatormaterial ein optisches Emissionsspektrum aufweist, welches unter Ansprechen auf wenigstens einen physikalischen Parameter variiert, der aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer physikalischen Spannung, die auf wenigstens einen Bereich des Bauteils aufgebracht wird, Erosion wenigstens eines Bereiches des Bauteils und einer physikalischen Spannung wenigstens eines Bereiches des Bauteils.

20. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das hitzebeständige Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumoxid, yttriumoxidteilstabilisiertem Zirkoniumoxid und Yttriumoxid-Aluminiumgranat besteht.

21. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei das Indikatormaterial ein Leuchtstoffmaterial ist.

22. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei das Indikatormaterial ein Seltenerdmetalldotierungsmittel umfaßt.

23. Verwendung nach Anspruch 22, wobei das Indikatormaterial ein Dotierungsmittel umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Terbium, Europium und Dysprosium besteht.

24. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei das Indikatormaterial eine bezüglich der Zusammensetzung abgestufte Struktur, eine Verbundmaterialstruktur oder eine mehrphasige Struktur umfaßt.

25. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, wobei die Wärmesperrschicht eine geschichtete Struktur aus Indikatormaterialien mit jeweils verschiedenen Emissionsspektren umfaßt.

26. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, wobei die Wärmesperrschicht eine geschichtete Struktur mit einem ganz außen liegenden, im wesentlichen transparenten Bereich und einem Bereich, der ein Indikatormaterial aufweist, das durch den im wesentlichen transparenten Bereich hindurch optisch abfragbar ist, umfaßt.

27. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 26, wobei das Bauelement ein Bauelement eines Verbrennungsmotors ist.

28. Verwendung nach Anspruch 27, wobei das Bauelement ein Bauelement eines Gasturbinenmotors ist.

29. Verwendung nach Anspruch 28, wobei das Bauelement eine Turbinenschaufel ist.

30. Verwendung nach Anspruch 28, wobei das Bauelement ein Hitzeschild ist.