WO2005019784A1 - Anordnung mindestens einer wärmedämmschicht auf einem trägerkörper - Google Patents

Anordnung mindestens einer wärmedämmschicht auf einem trägerkörper Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an arrangement of at least one thermal barrier coating on a carrier body for containing heat transfer between the carrier body and an environment of the carrier body, the thermal barrier layer comprising at least one phosphor which is excited by means of excitation light with a specific excitation wavelength to emit a luminescent light with a specific luminescence wavelength can be, and wherein at least one additional insulation layer is present, which is essentially free of the phosphor.
  • the carrier body is a component of a gas turbine.
  • the carrier body is made of a metal. Due to the high temperature of over 1200 ° C. occurring in a gas turbine in the vicinity of the component, the metal of the component can be damaged. To prevent this, a thermal barrier coating (TBC) is applied to the component.
  • TBC thermal barrier coating
  • Carrier body from the metal and the environment takes place.
  • a metal surface of the component heats up less.
  • a surface temperature occurs on the metal surface of the component that is lower than the temperature in the vicinity of the component.
  • the thermal insulation material forms a base material for the thermal insulation layer.
  • the mechanical and thermal properties of the thermal insulation layer essentially depend on the properties of the thermal insulation material.
  • the base material of the known thermal insulation layer is a metal oxide.
  • the metal oxide is, for example, a yttrium-stabilized one Zirconium oxide (YSZ).
  • the thermal conductivity of this thermal insulation material is between 1 W / mK and 3 W / mK. In order to ensure efficient protection of the carrier body, the thickness of the thermal insulation layer is approximately 250 ⁇ m.
  • a metal oxide in the form of an yttrium aluminum garnet is specified as the thermal insulation material.
  • a metallic intermediate layer made of a metal alloy is applied to the surface of the component.
  • a ceramic intermediate layer made of a ceramic material, for example aluminum oxide, can additionally be arranged between the thermal insulation layer and the component.
  • a so-called thermal luminescence indicator is embedded in the thermal insulation layer.
  • This indicator is a phosphor (luminophore) that can be excited to emit a luminescent light with a specific emission wavelength by excitation with excitation light of a specific excitation wavelength.
  • the excitation light is, for example, UV light.
  • the emission light is, for example, visible light.
  • the phosphor used is a so-called recombination phosphor.
  • the lighting process is caused by electronic transitions between the energy states of the activator.
  • Such a phosphor consists, for example, of a solid body with a crystal lattice (host lattice) in which a so-called activator is embedded.
  • the solid is doped with the activator.
  • the activator is involved in the lighting process of the phosphor together with the entire solid.
  • Base material of the insulation layer doped with an activator.
  • an activator There is a thermal insulation layer made of the phosphor in front.
  • the activator used is a rare earth element.
  • the rare earth element is, for example, europium.
  • the thermal insulation material yttrium aluminum garnet is doped with the rare earth elements dysprosium or terbium.
  • the known thermal barrier layer takes advantage of the fact that an emission property of the luminescent light of the phosphor, for example an emission intensity or an emission decay time, from the
  • Fluorescent temperature of the phosphor is dependent. Because of this dependency, the temperature of the thermal insulation layer with the phosphor is inferred. So that this connection can be established, the thermal insulation layer is optically accessible for the excitation light in the UV range. At the same time, it is ensured that the luminescent light from the phosphor can be emitted and detected by the thermal insulation layer.
  • a single thermal insulation layer with the phosphor is arranged on the carrier body.
  • a further heat insulation layer is applied to the heat insulation layer, which is transparent to the excitation light and the luminescent light of the phosphor. The luminescent light from the phosphor can pass through the further thermal insulation layer.
  • the object of the present invention is therefore to provide an arrangement with a heat insulation layer with luminescent
  • thermal insulation that is a simple determination of a Condition of the thermal barrier coating allowed on a support body.
  • an arrangement of at least one thermal insulation layer on a carrier body is specified to contain heat transfer between the carrier body and an environment of the carrier body, the thermal insulation layer comprising at least one phosphor which, with the aid of excitation light with a specific excitation wavelength, for emitting a luminescent light with a certain luminescence wavelength can be excited, and wherein at least one further thermal insulation layer is present which is essentially free of the phosphor.
  • the arrangement is characterized in that the further thermal barrier coating for the excitation light for exciting the emission of luminescent light and / or for the luminescent light of the phosphor is essentially opaque.
  • the thermal barrier coating with the phosphor can be single-phase or multi-phase.
  • Single-phase means that a ceramic phase of the thermal insulation layer formed by the thermal insulation material essentially consists only of the phosphor.
  • the thermal insulation material of the thermal insulation layer is the phosphor.
  • the thermal insulation material and the phosphor are different. in the case of a multi-phase thermal insulation layer
  • Thermal insulation material contains phosphor particles from the phosphor.
  • the ceramic phase is made up of different materials.
  • the phosphor particles are preferably distributed homogeneously over the thermal barrier coating. In addition, it is advantageous if the
  • Thermal insulation and the phosphor consist of essentially the same type of solid. The only difference between the two substances is their optical properties.
  • the phosphor is doped, for example.
  • opaque means that the excitation light and / or the luminescent light due to the transmission or absorption properties of the further heat insulation layer cannot or hardly pass through the further heat insulation layer. This essentially means that under certain circumstances there is a low permeability for the excitation light and / or the luminescent light.
  • the thermal barrier coating is arranged between the carrier body and the further thermal barrier coating in such a way that the excitation light of the phosphor and / or the luminescent light of the phosphor can essentially only get into the surroundings of the carrier body through openings in the further thermal barrier coating.
  • Such openings are, for example, cracks or gaps in the further thermal insulation layer.
  • An opening is also conceivable, which has been created by the erosion (removal) of further thermal insulation material from the further thermal insulation layer. These openings can easily be made visible. The visualization succeeds by illuminating the arrangement with the excitation light. At the points at which the UV light reaches the thermal insulation layer with the phosphor through the openings, the
  • Phosphor stimulated to emit luminescent light.
  • the luminescent light again reaches the surroundings of the carrier body through the openings and can be detected there. Because of the openings, a luminescent light occurs that clearly stands out from the background in terms of its intensity.
  • the thermal insulation layer of a carrier body used in the device can be checked in a simple and safe manner during a break in operation of a device.
  • the device is, for example, a gas turbine.
  • the carrier body is, for example, a turbine blade of the gas turbine.
  • the multilayer structure with the thermal insulation layers is located on the turbine blade. By illuminating the turbine blade and observing the luminescent light of the phosphor those points of the further, outermost thermal insulation layer are visible that have openings.
  • the state of the thermal barrier coating to be checked during operation of the device.
  • a combustion chamber of the gas turbine described above, in which the turbine blades are used is provided with a window through which the luminescence of the phosphor can be observed.
  • the occurrence of luminescent light is an indication that the further, outermost thermal insulation layer of at least one turbine blade has a crack or a gap or is eroded.
  • thermal insulation material is also removed with the phosphor as a result of advanced erosion.
  • the fluorescent substance can be detected in an exhaust gas of the gas turbine by means of appropriate detectors. This is a sign that erosion has progressed to the thermal insulation layer with the phosphor.
  • any ceramic phosphor that can be used in a thermal insulation layer is conceivable as a phosphor.
  • the phosphor has at least one metal oxide with at least one trivalent metal A.
  • a phosphor is, for example, a zirconium oxide doped with an activator, stabilized with yttrium or partially stabilized. Phosphors in the form of pervoskites and pyrochlores are also particularly conceivable.
  • the phosphors mentioned are so-called recombination phosphors.
  • the emission of the luminescent light is preferably based on the
  • the emission property of the Fluorescent s for example the emission wavelength and the emission intensity, can be varied relatively easily.
  • the phosphor has an activator selected from the group cerium and / or europium and / or dysprosium and / or terbium to excite the emission of luminescent light.
  • an activator selected from the group cerium and / or europium and / or dysprosium and / or terbium to excite the emission of luminescent light.
  • rare earth elements can generally be integrated very well into the crystal lattices of metal oxides such as perovskites and pyrochlores. Activators in the form of rare earth elements are therefore generally suitable. The listed rare earth elements have proven to be particularly good activators.
  • the activator When an activator is used, its proportion in the phosphor is selected such that the thermal and mechanical properties of the metal oxide of the phosphor are almost unaffected. The mechanical and thermal properties of the metal oxide are retained despite the doping.
  • the activator is contained in the phosphor in a proportion of up to 10 mol%. The proportion is preferably less than 2 mol%. For example, the proportion is 1 mol%. It has been shown that this low proportion of the activator is sufficient to achieve a usable emission intensity of the phosphor. The thermal and mechanical stability of a thermal barrier coating made with the phosphor is retained.
  • the metal oxide is
  • A2B2O7 selected mixed oxide where A 'is a trivalent
  • Metal and B are a tetravalent metal.
  • a thermal barrier coating made of a perovskite and / or a pyrochlore (pyrochlore phase) is characterized by a high stability against temperatures of over 1200 ° C. So it is suitable the arrangement for new gas turbine generations, in which an increased efficiency is to be achieved by increasing the operating temperature.
  • the trivalent metal A and / or the trivalent metal A ' is a rare earth element Re.
  • the trivalent metal A and / or the trivalent metal A 1 is in particular a rare earth element selected from the group consisting of lanthanum and / or gadolinium and / or samarium. Other rare earth elements are also conceivable.
  • an activator in the form of a rare earth element can be very easily built into the crystal lattice of the perovskite or pyrochlorine due to the similar ionic radii.
  • One of the trivalent metals A and A "of the perovskite is a main group or subgroup element.
  • the tetravalent metal B of the pyrochlor is also a main or subgroup element. In both cases, mixtures of different main and subgroup elements can be provided. Due to the different ionic radii, the Rare earth elements and the main or subgroup elements preferably have different places in the perovskite or pyrochlore crystal lattice.
  • Aluminum has proven to be particularly advantageous as a trivalent main group element. Aluminum forms a perovskite together with rare earth elements, for example, which forms a mechanically and thermally stable thermal insulation layer In a special embodiment, the perovskite is therefore a
  • Rare earth aluminate The molecular formula is ReAl ⁇ 3, where Re stands for a rare earth element.
  • the rare earth aluminate is a gadolinium-lanthanum aluminate.
  • the empirical formula is, for example, GdQ 25 ⁇ 0 75AIO3.
  • the subgroup elements hafnium and / or titanium and / or zirconium are used in particular as tetravalent metal B of the pyrochlor.
  • the pyrochlore is therefore preferred selected from the group of rare earth titanate and / or rare earth hafnate and / or rare earth zirconate. In particular that is
  • Rare earth zirconate from the group Gadolinium zirconate and / or
  • Samarium zirconate selected.
  • the preferred empirical formulas are Gd2Zr2Ü7 and S ⁇ ti2 r2 ⁇ 7.
  • the rare earth hafnate is preferably lanthanum hafnate.
  • the empirical formula is La2Hf2O7.
  • the phosphor is excited optically to emit luminescent light.
  • the phosphor is illuminated with excitation light of a specific excitation wavelength. By absorbing the excitation light, the phosphor is excited to emit luminescent light.
  • the excitation light is, for example, UV light and the luminescent light is low-energy, visible light.
  • the excitation of the phosphor with excitation light is suitable for checking a state of a thermal insulation layer with the phosphor that is optically accessible for the excitation light and the luminescent light.
  • a thermal insulation layer with the phosphor that is optically accessible for the excitation light and the luminescent light.
  • only the thermal barrier coating with the phosphor is applied to the carrier body.
  • the carrier body is a component of an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is, for example, a diesel engine.
  • the carrier body is a component of an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is, for example, a diesel engine.
  • the carrier body can be a tile with which a combustion chamber of the gas turbine is lined.
  • the carrier body is a turbine blade of the gas turbine.
  • the different carrier bodies are provided with thermal insulation layers with phosphors that emit different luminescent light. This makes it easy to determine the component that is damaged.
  • Any coating process can be carried out to apply the thermal insulation layer and the further thermal insulation layer.
  • the coating process is in particular a plasma spraying process.
  • the coating process can also be a vapor deposition process, for example PVD (Physical Vapor Deposition) or CVD (Chemical Vapor Deposition).
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the figure shows a section of a lateral cross section of an arrangement of a thermal insulation layer made of a thermal insulation material with a phosphor and a further thermal insulation layer with a further thermal insulation material from the side.
  • the arrangement 1 consists of a carrier body 2, on which an insulation layer 3 and a further insulation layer 5 are arranged.
  • the carrier body 2 is a turbine blade of a gas turbine.
  • the turbine blade is made of a metal. Temperatures of over 1200 ° C. can occur in the combustion chamber of the gas turbine, which represents the surroundings 7 of the carrier body 2, during operation of the gas turbine.
  • the thermal insulation layer 3 is present.
  • the thermal barrier coating 3 serves to contain heat transfer between the carrier body 2 and the surroundings 7 of the carrier body 2.
  • the heat insulation layer 3 with the phosphor is between the arranged further thermal insulation layer 5 and the support body 2.
  • the further thermal insulation layer 5 is opaque for the excitation light and / or the luminescent light of the phosphor. The luminescent light of the phosphor in the surroundings 7 of the carrier body 2 can only be detected if the further thermal insulation layer 5 has an opening 6.
  • the thermal insulation material of the thermal barrier layer 3 is a metal oxide in the form of a rare earth aluminate with the empirical formula GdQ 25 ⁇ 30 75 ⁇ 0-3. According to a first embodiment, the rare earth aluminate is mixed with 1 mol% EU2O3.
  • Rare earth aluminate has the activator europium with a share of 1 mol%. Excitation of the phosphor with UV light results in a red luminescent light with an emission maximum at approximately 610 nm.
  • the excitation wavelength is, for example, 254 nm.
  • Rare earth aluminate doped with 1 mol% terbium The result is a phosphor with green luminescent light with an emission wavelength at approximately 544 nm.
  • the thermal insulation layer 3 consists of a pyrochlore.
  • Pyrochlore is a gadolinium zirconate with the empirical formula Gd2Zr2 ⁇ 7.
  • 1 mol% EU2O3 is added to the pyrochlore.
  • the gadolinium zirconate has the activator europium with a share of 1 mol%.
  • the insulation layer 3 consists of a zirconium oxide stabilized with yttrium.
  • the yttrium-stabilized zirconium oxide is mixed with 1 mol% E 2O3 added.
  • the zirconium oxide stabilized with yttrium has the activator europium with a proportion of 1 mol%,

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mindestens einer Wärmedämmschicht (3) auf einem Trägerkörper (2) zur Eindämmung einer Wärmeübertragung zwischen dem Trägerkörper und einer Umgebung (7) des Trägerkörpers, wobei die Wärmedämmschicht zumindest einen Leuchtstoff aufweist, der mit Hilfe von Anregungslicht mit einer bestimmten Anregungswellenlänge zur Emission eines Lumineszenzlichtes mit einer bestimmten Lumineszenzwellenlänge angeregt werden kann, und wobei mindestens eine weitere Wärmedämmschicht (5) vorhanden ist, die im Wesentlichen frei ist von dem Leuchtstoff. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Wärmedämmschicht für das Anregungslicht zur Anregung der Emission von Lumineszenzlicht und/oder für das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs im Wesentlichen opak ist. Der Leuchtstoff ist vorzugsweise ein aus der Gruppe aus der Gruppe Perowskit mit der Summenformel AA'03 und/oder Pyrochlor mit der Summenformel A2B207 ausgewähltes Mischoxid ist, wobei A und A' jeweils ein dreiwertiges Metall und B ein vierwertiges Metall sind. Verwendung findet die Anordnung mit den Wärmedämmschichten vorzugsweise in einer Gasturbine, wobei auf einfache Weise ein Zustand der Wärmedämmschichten überprüft werden kann.

Description

Beschreibung
Anordnung mindestens einer Warmedammschicht auf einem Trägerkörper
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mindestens einer Wärmedämmschicht auf einem Trägerkörper zur Eindämmung einer Wärmeübertragung zwischen dem Trägerkörper und einer Umgebung des Trägerkörpers, wobei die Wärmedämmschicht zumindest einen Leuchtstoff aufweist, der mit Hilfe von Anregungslicht mit einer bestimmten Anregungswellenlänge zur Emission eines Lumineszenzlichtes mit einer bestimmten Lumineszenzwellenlänge angeregt werden kann, und wobei mindestens eine weitere ärmedämmschicht vorhanden ist, die im Wesentlichen frei ist von dem Leuchtstoff.
Eine derartige Anordnung sind aus der EP 1 105 550 Bl bekannt. Der Trägerkörper ist ein Bauteil einer Gasturbine. Der Trägerkörper ist aus einem Metall. Aufgrund einer in einer Gasturbine auftretenden hohen Temperatur von über 1200° C in der Umgebung des Bauteils kann es zu einer Schädigung des Metalls des Bauteils kommen. Um dies zu verhindern, ist auf dem Bauteil eine Wärmedämmschicht (Thermal Barrier Coating, TBC) aufgebracht. Die Wärmedämmschicht sorgt dafür, dass ein verminderter Wärmeaustausch zwischen dem
Trägerkörper aus dem Metall und der Umgebung stattfindet. Dadurch heizt sich eine Metallober läche des Bauteils weniger stark auf. An der Metalloberfläche des Bauteils tritt eine Oberflächentemperatur auf, die niedriger ist als die Temperatur in der Umgebung des Bauteils.
Der Wärmedämmstoff bildet ein Basismaterial der Wärmedämmschicht . Die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Wärmedämmschicht hängen im Wesentlichen von den Eigenschaften des Wärmedämmstoffs ab. Das Basismaterial der bekannten ärmedämmschicht ist ein Metalloxid. Das Metalloxid ist beispielsweise ein mit Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) . Eine thermische Leitfähigkeit dieses Wärmedämmstoffs beträgt zwischen 1 W/m-K und 3 W/m-K. Um einen effizienten Schutz des Trägerkörpers zu gewährleisten, beträgt eine Schichtdicke der Wärmedämmschicht etwa 250 μm. Als Alternative zum mit Yttrium stabilisierten Zirkoniumoxid ist als Wärmedämmstoff ein Metalloxid in Form eines Yttriumaluminiumgranats angegeben .
Um die Wärmedämmschicht und den Trägerkörper fest zu verbinden, ist auf der Oberfläche des Bauteils eine metallische Zwischenschicht (Bond Coat) aus einer Metalllegierung aufgebracht. Zur Verbesserung der Verbindung kann zwischen der Wärmedämmschicht und dem Bauteil zusätzlich eine keramische Zwischenschicht aus einem keramischen Material, beispielsweise Aluminiumoxid, angeordnet sein.
In die Wärmedämmschicht ist ein sogenannter Thermo- Lumineszenz-Indikator eingebettet. Dieser Indikator ist ein Leuchtstoff (Luminophor) , der durch Anregung mit Anregungslicht einer bestimmten Anregungswellenlänge zur Emission eines Lumineszenzlichts mit einer bestimmten Emissionswellenlänge angeregt werden kann. Das Anregungslicht ist beispielsweise UV-Licht. Das Emissionslicht ist beispielsweise sichtbares Licht. Der verwendete Leuchtstoff ist ein sogenannter Rekombinationsleuchtstoff. Durch elektronische Übergänge zwischen Energiezuständen des Aktivators wird der Leuchtvorgang hervorgerufen. Ein derartiger Leuchtstoff besteht beispielsweise aus einem Festkörper mit einem Kristallgitter (Wirtsgitter) , in das ein sogenannter Aktivator eingebettet ist. Der Festkörper ist mit dem Aktivator dotiert. Der Aktivator ist zusammen mit dem gesamten Festkörper am Leuchtvorgang des Leuchtstoffs beteiligt .
Bei der bekannten Wärmedämmschicht ist das jeweilige
Basismaterial der ärmedämmschicht mit einem Aktivator dotiert. Es liegt eine Wärmedämmschicht aus dem Leuchtstoff vor. Der dabei verwendete Aktivator ist jeweils ein Seltenerdelement. Im Fall des mit Yttrium stabilisierten Zirkoniumoxids ist das Seltenerdelement beispielsweise Europium. Der Wärmedämmstoff Yttriumaluminiumgranat ist mit den Seltenerdelementen Dysprosium oder Terbium dotiert.
Bei der bekannten Warmedammschicht wird die Tatsache ausgenutzt, dass eine Emissionseigenschaft des Lumineszenzlichts des Leuchtstoffs, beispielsweise eine Emissionsintensität oder eine Emissionsabklingzeit, von der
Leuchtstofftemperatur des Leuchtstoffs abhängig ist. Aufgrund dieser Abhängigkeit wird auf die Temperatur der Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff geschlossen. Damit dieser Zusammenhang hergestellt werden kann, ist die ärmedämmschicht für das Anregungslicht im UV-Bereich optisch zugänglich. Gleichzeitig ist dafür gesorgt, dass das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs von der ärmedämmschicht abgestrahlt und detektiert werden kann.
Um die optische Zugänglichkeit zu gewährleisten, ist beispielsweise auf dem Trägerkörper nur eine einzige Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff angeordnet. Als alternative Lösung dazu wird auf der Wärmedämmschicht eine weitere Wärmedämmschicht aufgetragen, die für das Anregungslicht und das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs transparent ist. Das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs kann durch die weitere Wärmedämmschicht hindurchtreten.
Um den Zustand der Wärmedämmschicht zu überprüfen, ist ein relativ komplizierter Aufbau zur Anregung des Leuchtstoffs und zur Detektion des Lumineszenzlichts des Leuchtstoffs notwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung mit einer Wärmedämmschicht mit lumineszierenden
Wärmedämmstoff anzugeben, die eine einfache Bestimmung eines Zustandes der Wärmedämmschicht auf einem Trägerkörper erlaubt .
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Anordnung mindestens einer Wärmedämmschicht auf einem Trägerkörper zur Eindämmung einer Wärmeübertragung zwischen dem Trägerkörper und einer Umgebung des Trägerkörpers angegeben, wobei die ärmedämmschicht zumindest einen Leuchtstoff aufweist, der mit Hilfe von Anregungslicht mit einer bestimmten Anregungswellenlänge zur Emission eines Lumineszenzlichtes mit einer bestimmten Lumineszenzwellenlänge angeregt werden kann, und wobei mindestens eine weitere Wärmedämmschicht vorhanden ist, die im Wesentlichen frei ist von dem Leuchtstoff. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Wärmedämmschicht für das Anregungslicht zur Anregung der Emission von Lumineszenzlicht und/oder für das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs im Wesentlichen opak ist.
Die Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff kann dabei einphasig oder mehrphasig vorliegen. Einphasig bedeutet, dass eine vom Wärmedämmstoff gebildete keramische Phase der Wärmedämmschicht im Wesentlichen nur aus dem Leuchtstoff besteht. Der Wärmedämmstoff der Wärmedämmschicht ist der Leuchtstoff. Bei einer mehrphasigen Wärmedämmschicht sind der Wärmedämmstoff und der Leuchtstoff unterschiedlich. Im
Wärmedämmstoff sind Leuchtstoffpartikel aus dem Leuchtstoff enthalten. Die keramische Phase wird von unterschiedlichen Materialien gebildet. Vorzugsweise sind die Leuchtstoffpartikel homogen über die Wärmedämmschicht verteilt. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der
Wärmedämmstoff und der Leuchtstoff aus einer im Wesentlichen gleichen Art Festkörper bestehen. Beide Stoffe unterscheiden sich lediglich durch ihre optischen Eigenschaften. Dazu ist der Leuchtstoff beispielsweise dotiert.
Opak bedeutet in diesem Fall, dass das Anregungslicht und/oder das Lumineszenzlicht aufgrund der Transmissions- bzw. Absorptionseigenschaften der weiteren Wärmedämmschicht durch die weitere Wärmedämmschicht nicht oder nahezu nicht hindurchtreten können. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass unter Umständen eine geringe Durchlässigkeit für das Anregungslicht und/oder das Lumineszenzlicht gegeben ist.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die ärmedämmschicht zwischen dem Trägerkörper und der weiteren Wärmedämmschicht derart angeordnet, dass das Anregungslicht des Leuchtstoffs und/oder das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs im Wesentlich nur durch Öffnungen der weiteren Wärmedämmschicht in die Umgebung des Trägerkörpers gelangen kann. Derartige Öffnungen sind beispielsweise Risse oder Spalte in der weiteren Wärmedämmschicht . Denkbar ist auch eine Öffnung, die durch Erosion (Abtrag) von weiterem Wärmedämmstoff der weiteren Wärmedämmschicht entstanden ist. Diese Öffnungen können einfach sichtbar gemacht werden. Das Sichtbarmachen gelingt durch Beleuchten der Anordnung mit dem Anregungslicht . An den Stellen, an denen das UV-Licht durch die Öffnungen auf die Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff gelangt, wird der
Leuchtstoff zur Emission des Lumineszenzlichts angeregt. Das Lumineszenzlicht gelangt wieder durch die Öffnungen in die Umgebung des Trägerkörpers und kann dort detektiert werden. Aufgrund der Öffnungen tritt ein Lumineszenzlicht auf, das sich bezüglich seiner Intensität deutlich von Untergrund abhebt .
Auf dem beschriebenen Weg kann während einer Betriebspause einer Vorrichtung die Wärmedämmschicht eines in der Vorrichtung eingesetzten Trägerkörpers auf einfache und sichere Weise überprüft werden. Die Vorrichtung ist beispielsweise eine Gasturbine. Der Trägerkörper ist beispielsweise eine Turbinenschaufel der Gasturbine. Auf der Turbinenschaufel befindet sich der Mehrschichtaufbau mit den Warmedammschichten. Durch Beleuchten der Turbinenschaufel und Beobachten des Lumineszenzlichts des Leuchtstoffs werden diejenigen Stellen der weiteren, äußersten Wärmedämmschicht sichtbar, die Öffnungen aufweisen.
Denkbar ist aber auch, dass eine Überprüfung des Zustands der Wärmedämmschicht während des Betriebs der Vorrichtung durchgeführt wird. Dazu ist beispielsweise eine Brennkammer der oben beschriebenen Gasturbine, in der die Turbinenschaufeln eingesetzt werden, mit einem Fenster versehen, durch das die Lumineszenz des Leuchtstoffs beobachtet werden kann. Das Auftreten von Lumineszenzlicht ist ein Hinweis darauf, dass die weitere, äußerste Wärmedämmschicht mindestens einer Turbinenschaufel einen Riss oder einen Spalt aufweist bzw. erodiert ist.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, dass infolge einer fortgeschrittenen Erosion auch Wärmedämmstoff mit dem Leuchtstoff abgetragen wird. In einem Abgas der Gasturbine kann durch entsprechende Detektoren der Leuchtstoff nachgewiesen werden. Das ist ein Zeichen dafür, dass die Erosion bis zur Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff vorangeschritten ist.
Als Leuchtstoff ist jeder beliebige keramische Leuchtstoff denkbar, der in einer Wärmedämmschicht eingesetzt werden kann. In einer besonderen Ausgestaltung weist der Leuchtstoff mindestens ein Metalloxid mit mindestens einem dreiwertigen Metall A auf. Ein derartiger Leuchtstoff ist beispielsweise ein mit einem Aktivator dotiertes, mit Yttrium stabilisiertes oder teilstabilisiertes Zirkoniumoxid. Insbesondere denkbar sind auch Leuchtstoffe in Form von Perwoskiten und Pyrochkloren.
Die genannten Leuchtstoffe sind sogenannte Rekombinationsleuchtstoffe. Die Emission des Lumineszenzlichts beruht dabei vorzugsweise auf der
Anwesenheit eines Aktivators. Mit Hilfe eines Aktivators oder mehrerer Aktivatoren kann die Emissionseigenschaft des Leuchtstof s, beispielsweise die Emissionswellenlänge und die Emissionsintensität, relativ einfach variiert werden.
In einer besonderen Ausgestaltung weist der Leuchtstoff zur Anregung der Emission von Lumineszenzlicht einen aus der Gruppe Cer und/oder Europium und/oder Dysprosium und/oder Terbium ausgewählten Aktivator auf. Seltenerdelemente lassen sich im allgemeinen aufgrund ihrer Ionenradien sehr gut in die Kristallgitter von Metalloxiden wie Perowskite und Pyrochlore einbauen. Daher eignen sich Aktivatoren in Form von Seltenerdelementen generell. Als besonders gute Aktivatoren haben sich die aufgezählten Seltenenerdelemente erwiesen.
Bei Verwendung eines Aktivators ist dessen Anteil im Leuchtstoff derart gewählt, dass die thermischen und mechanischen Eigenschaften des Metalloxids des Leuchtstoffs nahezu unbeeinflusst sind. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Metalloxids bleiben trotz Dotierung erhalten. In einer besonderen Ausgestaltung ist der Aktivator mit einem Anteil von bis zu 10 mol% im Leuchtstoff enthalten. Vorzugsweise beträgt der Anteil unter 2 mol%. Beispielsweise ist der Anteil 1 mol%. Es hat sich gezeigt, dass dieser niedrige Anteil des Aktivators ausreicht, um eine verwertbare Emissionsintensität des Leuchtstoffs zu erzielen. Die thermische und mechanische Stabilität einer mit dem Leuchtstoff hergestellten Wärmedämmschicht bleibt dabei erhalten.
In einer besonderen Ausgestaltung ist das Metalloxid des
Leuchtstoffs ein aus der Gruppe Perowskit mit der Summenformel O3 und/oder Pyrochlor mit der Summenformel
A2B2O7 ausgewähltes Mischoxid, wobei A' ein dreiwertiges
Metall und B ein vierwertiges Metall sind. Eine Wärmedämmschicht aus einem Perowskit und/oder einem Pyrochlor (Pyrochlorphase) zeichnet sich durch eine hohe Stabilität gegenüber Temperaturen von über 1200° C aus. Damit eignet sich die Anordnung für neue Gasturbinengenerationen, bei denen ein erhöhter Wirkungsgrad durch Erhöhung der Einsatztemperatur erzielt werden soll.
In einer besonderen Ausgestaltung ist das dreiwertige Metall A und/oder das dreiwertige Metall A' ein Seltenerdelement Re . Das dreiwertige Metall A und/oder das dreiwertige Metall A1 ist insbesondere ein aus der Gruppe Lanthan und/oder Gadolinium und/oder Samarium ausgewähltes Seltenerdelement. Weitere Seltenerdelemente sind ebenfalls denkbar. Durch die Verwendung eines Perowskits und/oder eines Pyrochlors mit diesen Seltenerdelementen kann ein Aktivator in Form eines Seltenerdelements aufgrund der ähnlichen lonenradien sehr leicht in das Kristallgitter des Perowskits bzw. des Pyrochlors eingebaut werden.
Eines der dreiwertigen Metalle A und A" des Perowskits ist ein Hauptgruppen- oder Nebengruppenelement. Das vierwertige Metall B des Pyrochlors ist ebenfalls ein Haupt- oder Nebengruppenelement. In beiden Fällen können Mischungen unterschiedlicher Haupt- und Nebengruppenelemente vorgesehen sein. Aufgrund der unterschiedlichen Ionenradien nehmen die Seltenerdelemente und die Haupt- bzw. Nebengruppenelemente bevorzugt unterschiedliche Plätze im Perowskit- bzw. Pyrochlor-Kristallgitter ein. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei als dreiwertiges Hauptgruppenelement Aluminium erwiesen. Zusammen mit Seltenerdelementen bildet Aluminium beispielsweise ein Perowskit, das zu einer mechanisch und thermisch stabilen Warmedammschicht führt. In einer besonderen Ausgestaltung ist der Perowskit daher ein
Seltenerdaluminat . Die Summenformel lautet ReAlθ3, wobei Re für eine Seltenerdelement steht. Vorzugsweise ist das Seltenerdaluminat ein Gadolinium-Lanthan-Aluminat . Die Summenformel lautet beispielsweise GdQ 25^0 75AIO3. Als vierwertiges Metall B des Pyrochlors werden insbesondere die Nebengruppenelemente Hafnium und/oder Titan und/oder Zirkonium eingesetzt. Der Pyrochlor ist daher vorzugsweise aus der Gruppe Seltenerdtitanat und/oder Seltenerdhafnat und/oder Seltenerdzirkonat ausgewählt. Insbesondere ist das
Seltenerdzirkonat aus der Gruppe Gadoliniumzirkonat und/oder
Samariumzirkonat ausgewählt. Die bevorzugten Summenformeln lauten Gd2Zr2Ü7 und Sιti2 r2θ7. Das Seltenerdhafnat ist bevorzugt Lanthanhafnat . Die Summenformel lautet La2Hf2O7.
Die Anregung des Leuchtstoffs zur Emission von Lumineszenzlicht erfolgt optisch. Dabei wird der Leuchtstoff mit Anregungslicht einer bestimmten Anregungswellenlange angestrahlt. Durch Absorption des Anregungslichts wird der Leuchtstoff zur Emission von Lumineszenzlicht angeregt. Das Anregungslicht ist beispielsweise UV-Licht und das Lumineszenzlicht niederenergetischeres, sichtbares Licht.
Die Anregung des Leuchtstoffs mit Anregungslicht eignet sich zur Überprüfung eines Zustandes einer für das Anregungslicht und das Lumineszenzlicht optisch zugängliche Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff. Dazu ist beispielsweise nur die Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff auf dem Trägerkörper aufgetragen.
In einer besonderen Ausgestaltung ist der Trägerkörper ein Bauteil einer Verbrennungskraftmaschine. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise ein Dieselmotor. In einer besonderen Ausgestaltung ist die
Verbrennungskraftmaschine eine Gasturbine. Der Trägerkörper kann dabei eine Kachel sein, mit der eine Brennkammer der Gasturbine ausgekleidet ist. Insbesondere ist der Trägerkörper eine Turbinenschaufel der Gasturbine. Denkbar ist dabei, dass die unterschiedlichen Trägerkörper mit Warmedammschichten mit Leuchtstoffen versehen sind, die unterschiedliches Lumineszenzlicht emittieren. So kann auf einfache Weise das Bauteil bestimmt werden, an dem Schäden vorhanden sind. Zum Aufbringen der Warmedammschicht und der weiteren Wärmedämmschicht kann ein beliebiges Beschichtungsverfahren durchgeführt werden. Das Beschichtungsverfahren ist insbesondere ein Plasmaspritzverfahren. Das
Beschichtungsverfahren kann auch ein Damp abscheideverfahren sein, beispielsweise PVD (Physical Vapour Deposition) oder CVD (Chemical Vapour Deposition) . Mit Hilfe der genannten Verfahren werden Warmedammschichten mit Schichtdicken von 50 μm bis 600 μm und mehr aufgetragen.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und einer dazugehörigen Figur wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert . Die Figur sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Die Figur zeigt einen Ausschnitt eines seitlichen Querschnitts einer Anordnung einer Wärmedämmschicht aus einem Wärmedämmstoff mit einem Leuchtstoff und einer weiteren ärmedämmschicht mit einem weiteren Wärmedämmstoff von der Seite.
Die Anordnung 1 besteht aus einem Trägerkörper 2, auf dem eine ärmedämmschicht 3 und eine weitere ärmedämmschicht 5 angeordnet sind. Der Trägerkörper 2 ist eine Turbinenschaufel einer Gasturbine. Die Turbinenschaufel ist aus einem Metall. In der Brennkammer der Gasturbine, die die Umgebung 7 des Trägerkörpers 2 darstellt, können im Betrieb der Gasturbine Temperaturen von über 1200° C auftreten. Um ein Überhitzen der Oberfläche 8 des Trägerkörpers 2 zu verhindern, ist die Warmedammschicht 3 vorhanden. Die Wärmedämmschicht 3 dient der Eindämmung einer Wärmeübertragung zwischen dem Trägerkörper 2 und der Umgebung 7 des Trägerkörpers 2.
Es liegt ein Mehrschichtaufbau vor mit der Wärmedämmschicht 3, einer metallischen Zwischenschicht 4 (Bond Coat) aus einer Metalllegierung und einer weiteren Wärmedämmschicht 5. Die Wärmedämmschicht 3 mit dem Leuchtstoff ist zwischen der weiteren Wärmedämmschicht 5 und dem Trägerkörper 2 angeordnet. Die weitere Wärmedämmschicht 5 ist für das Anregungslicht und/oder das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs opak. Nur wenn die weitere Warmedammschicht 5 eine Öffnung 6 aufweist, kann das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs in der Umgebung 7 des Trägerkörpers 2 detektiert werden.
Beispiel 1:
Der Wärmedämmstoff der Wärmedämmschicht 3 ist ein Metalloxid in Form eines Seltenerdaluminats mit der Summenformel GdQ 25^30 75^0-3. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Seltenerdaluminat mit 1 mol% EU2O3 versetzt. Das
Seltenerdaluminat weist den Aktivator Europium mit einem Anteil von 1 mol% auf. Durch Anregung des Leuchtstoffs mit UV-Licht resultiert ein rotes Lumineszenzlicht mit einem Emissionsmaximum bei etwa 610 nm. Die Anregungswellenlänge beträgt beispielsweise 254 nm.
Gemäß einer dazu alternativen Ausführungsform ist das
Seltenerdaluminat mit 1 mol% Terbium dotiert. Es resultiert ein Leuchtstoff mit grünem Lumineszenzlicht mit einer Emissionswellenlänge bei etwa 544 nm.
Beispiel 2 :
Die Warmedammschicht 3 besteht aus einem Pyrochlor. Der
Pyrochlor ist ein Gadoliniumzirkonat mit der Summenformel Gd2Zr2θ7. Zum Herstellen des Leuchtstoffs wird der Pyrochlor mit 1 mol% EU2O3 versetzt. Das Gadoliniumzirkonat weist den Aktivator Europium mit einem Anteil von 1 mol% auf.
Beispiel 3:
Die ärmedämmschicht 3 besteht aus einem mit Yttrium stabilisierten Zirkoniumoxid. Zum Herstellen des Leuchtstoffs wird das mit Yttrium stabilisierte Zirkoniumoxid mit 1 mol% E 2O3 versetzt. Das mit Yttrium stabilisierte Zirkoniumoxid weist den Aktivator Europium mit einem Anteil von 1 mol% auf,

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung mindestens einer ärmedämmschicht (3) auf einem Trägerkörper (2) zur Eindämmung einer Wärmeübertragung zwischen dem Trägerkörper (2) und einer Umgebung (7) des Trägerkörpers (2), wobei die ärmedämmschicht (3) zumindest einen Leuchtstoff aufweist, der mit Hilfe von Anregungslicht mit einer bestimmten Anregungswellenlänge zur Emission eines Lumineszenzlichtes mit einer bestimmten Lumineszenzwellenlänge angeregt werden kann, und wobei mindestens eine weitere Wärmedämmschicht (5) vorhanden ist, die im Wesentlichen frei ist von dem Leuchtstoff, dadurch gekennzeichnet, dass - die weitere Wärmedämmschicht (5) für das Anregungslicht zur Anregung der Emission von Lumineszenzlicht und/oder für das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs im Wesentlichen opak ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die ärmedämmschicht (3) zwischen dem Trägerkörper (2) und der weiteren ärmedämmschicht (5) derart angeordnet ist, dass das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs im Wesentlichen nur durch Öffnungen (6) der weiteren Wärmedämmschicht (5) in die Umgebung (7) des Trägerkörpers (2) gelangen kann.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Leuchtstoff mindestens ein Metalloxid mit mindestens einem dreiwertigen Metall A aufweist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Leuchtstoff zur Anregung der Emission des Lumineszenzlichts einen aus der Gruppe Cer und/oder Europium und/oder Dysprosium und/oder Terbium ausgewählten Aktivator aufweist .
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 4, wobei der Aktivator mit einem Anteil von bis zu 10 mol% im Leuchtstoff enthalten ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Metalloxid ein aus der Gruppe Perowskit mit der Summenformel AAO3 und/oder Pyrochlor mit der Summenformel A2B2O7 ausgewähltes Mischoxid ist, wobei A' ein dreiwertiges Metall und B ein vierwertiges Metall sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 6, wobei das dreiwertige Metall A und/oder das dreiwertige Metall A1 ein Seltenerdelement Re ist .
Anordnung nach Anspruch 7, wobei das dreiwertige Metall A und/oder das dreiwertige Metall A' ein aus der Gruppe Lanthan und/oder Gadolinium und/oder Samarium ausgewähltes Seltenerdelement ist .
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Perowskit ein Seltenerdaluminat ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Summenformel des Seltenerdaluminats GdQ, 25La0, 75A103 ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei der Pyrochlor aus der Gruppe Selterdhafnat und/oder Seltenerdtitanat und/oder Seltenerdzirkonat ausgewählt ist.
12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei das Seltenerdzirkonat aus der Gruppe Gadoliniumzirkonat und/oder Samariumzirkonat ausgewählt ist .
13. Anordnung nach Anspruch 11, wobei das Seltenerdhafnat Lanthanhafnat ist.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Trägerkörper ein Bauteil einer Verbrennungskraftmaschine ist .
15. Anordnung nach Anspruch 14, wobei die Verbrennungskraftmaschine eine Gasturbine ist.
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