EP1664231A2 - Heat-insulation material and arrangement of a heat-insulation layer containing said heat-insulation material - Google Patents

Heat-insulation material and arrangement of a heat-insulation layer containing said heat-insulation material

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Publication number
EP1664231A2
EP1664231A2 EP04766341A EP04766341A EP1664231A2 EP 1664231 A2 EP1664231 A2 EP 1664231A2 EP 04766341 A EP04766341 A EP 04766341A EP 04766341 A EP04766341 A EP 04766341A EP 1664231 A2 EP1664231 A2 EP 1664231A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
thermal insulation
insulation material
phosphor
insulation layer
rare earth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04766341A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ulrich Bast
Wolfgang Rossner
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
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1664231A2 publication Critical patent/EP1664231A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/20—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using thermoluminescent materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to a heat insulation material for a heat insulation layer of a support body for containing heat transfer between the support body and an environment of the support body, the heat insulation material having at least one phosphor which can be excited to emit luminescent light with a specific emission wavelength, and the phosphor at least one metal oxide with at least one trivalent metal A.
  • the thermal insulation material an arrangement of at least one thermal insulation layer with the thermal insulation material on a carrier body is specified.
  • the carrier body is a component of a gas turbine.
  • the carrier body is made of a metal. Due to a 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
  • Thermal insulation layer ensures that there is a reduced heat exchange between the metal carrier body and the environment. As a result, a metal surface of the component heats up less. One occurs on the metal surface of the component
  • the thermal insulation material forms a base material for the thermal insulation layer.
  • the thermal insulation layer essentially depend on the properties of the thermal insulation material.
  • the base material the known thermal barrier coating is a metal oxide.
  • the metal oxide is, for example, a zirconium oxide (YSZ) stabilized with yttrium.
  • the thermal conductivity of this thermal insulation material is between 1 W / mK and 3 W / mK.
  • the thickness of the thermal insulation layer is approximately 250 ⁇ m.
  • zirconium oxide stabilized with yttrium 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.
  • 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 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.
  • the respective base material of the thermal insulation layer is doped with an activator.
  • the activator used is a rare earth element. In the case of zirconium oxide stabilized with yttrium, 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 coating 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, is dependent on the phosphor temperature of the phosphor. Because of this dependence on the temperature of the phosphor
  • Thermal insulation layer closed with the phosphor. 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 of the phosphor can be emitted from the thermal insulation layer and detected.
  • 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.
  • thermal insulation layer made of one of the luminescent thermal insulation materials mentioned
  • the object of the present invention is therefore to provide a luminescent thermal insulation material for a thermal insulation layer of a carrier body which is stable beyond a temperature of 1200 ° C.
  • a thermal insulation material for a thermal insulation layer of a carrier body to contain a
  • thermo insulation material has at least one phosphor that is used to emit
  • Luminescent light can be excited with a certain emission wavelength, and the phosphor at least one
  • the thermal insulation material is characterized in that the metal oxide is a mixed oxide selected from the group perovskite with the formula AAO3 and / or pyrochlore with the formula A2B2O7, where A 'is a trivalent metal and B is a tetravalent metal.
  • an arrangement of at least one thermal insulation layer on a support body for containing heat transfer between the support body and an environment of the support body is also specified, the heat insulation layer having the heat insulation material described with the phosphor.
  • 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. These stable thermal insulation layers have a phosphor.
  • the thermal barrier coating 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 The insulating material of the thermal insulation layer is the phosphor. In the case of a multi-phase thermal insulation layer, the thermal insulation material and the phosphor are different.
  • the 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.
  • the thermal insulation material and the phosphor consist of essentially the same type of solid.
  • the phosphor and the thermal insulation material consist of the same metal oxide. The only difference between the two substances is their optical properties.
  • the phosphor is doped, for example.
  • the phosphor is a recombination phosphor.
  • Emission of the luminescent light is preferably based on the presence of an activator.
  • an activator or several activators the emission property of the phosphor, 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.
  • Rare earth elements are generally very easy to incorporate into the crystal lattices of perovskites and pyrochlores due to their ionic radii. 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 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 ' 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 occupy different places in the perovskite or pyrochlore crystal lattice.
  • the perovskite is therefore a rare earth alumina
  • the overall formula is ReAl ⁇ 3, where Re stands for a rare earth element
  • the rare earth aluminate is preferably a gadolinium-lanthanum aluminate
  • the empirical formula is, for example, Gdg f 25 La 0, 75 Al0 3 •
  • the tetravalent metal B of pyrochlorine is that
  • Sub-group elements hafnium and / or titanium and / or
  • the pyrochlore is therefore preferably selected from the group of rare earth titanate and / or side 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 Gd2Zr2 ⁇ 7 and Sm2Zr2 ⁇ 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.
  • At least one further thermal insulation layer is present which is essentially free of the phosphor.
  • Essentially free means that a luminescent light that cannot be evaluated cannot be detected due to a very small proportion of the phosphor.
  • the further heat insulation layer can be arranged between the carrier body and the heat insulation layer with the phosphor.
  • the outermost thermal insulation layer is formed by the thermal insulation layer with the phosphor.
  • a transmission property of the further thermal insulation layer with respect to the luminescent light and / or the excitation light does not matter.
  • the thermal insulation layer with the phosphor is optically accessible. Such a solution is advantageous, for example, for a thermal insulation layer made from a pyrochlore.
  • a further thermal insulation layer made of a zirconium oxide stabilized with yttrium is applied directly to the metallic intermediate layer.
  • the heat insulation layer with the phosphor is applied over this further heat insulation layer.
  • the further thermal barrier coating can, however, also be transparent to the excitation light and the luminescent light of the phosphor.
  • the excitation light and the luminescent light can pass through the further thermal insulation layer.
  • the heat insulation layer can be arranged between the further heat insulation layer and the carrier body. Due to the transmission property of the further thermal insulation layer, the thermal insulation layer with the phosphor is constantly optically accessible. In this way, as in the cases in which either only the thermal barrier layer with the phosphor is present or the thermal barrier layer with the phosphor forms the outermost thermal barrier layer of a multilayer structure, a state of the thermal barrier layer can be determined by observing one of the emission properties of the luminescent light. For example, the temperature of the thermal barrier coating can be inferred.
  • the excitation light and / or the luminescent light can through the further thermal insulation layer due to the transmission or
  • the heat insulation layer is arranged between the support body and the further heat insulation layer 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 support body through openings in the further heat insulation layer.
  • Such openings are, for example, cracks or gaps in the further thermal insulation layer.
  • An opening is also conceivable, which has been created by 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.
  • the phosphor is excited to emit the luminescent light.
  • the luminescent light again reaches the surroundings of the carrier body through the openings and can be detected there. Due to the openings, a luminescent light appears that clearly stands out from the background.
  • 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 that have openings become visible.
  • 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 has a window provided, 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.
  • the carrier body is a component of an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is, for example, a diesel engine.
  • the internal combustion engine is a gas turbine.
  • 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. It is conceivable that the different carrier bodies are provided with heat-insulating layers with phosphors that emit different luminescent light. This makes it easy to determine the component that is damaged.
  • any coating method can be carried out to apply the various layers, in particular the thermal insulation layer and the further thermal insulation layer.
  • the coating process is particularly a
  • 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 materials used are stable at temperatures above 1200 ° C. This makes them particularly suitable for use in internal combustion engines, for example in a gas turbine.
  • the mixed oxides used are specifically doped with activators. Thereby thermally and mechanically stable thermal insulation layers with luminescent phosphors are obtained even at temperatures of over 1200 ° C, with the aid of which the condition of the thermal insulation layers can be checked in a simple manner during operation or during breaks in operation of the carrier body.
  • Figures 1 to 3 each show a section of a lateral cross section of an arrangement of a heat insulation layer made of a heat insulation material with a phosphor from the side.
  • the arrangement 1 consists of a carrier body 2 on which a thermal insulation layer 3 is arranged (FIG. 1).
  • 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 available.
  • the thermal barrier coating 3 serves to contain heat transfer between the carrier body 2 and the surroundings 7 of the carrier body 2.
  • a metallic intermediate layer 4 (bond coat) made of a metal alloy is applied between the thermal insulation layer 3 and the carrier body 2.
  • the thermal insulation layer 3, the intermediate layer 4 and optionally the further thermal insulation layer 5 are applied to the surface 8 of the carrier body 2 with the aid of a plasma spraying process.
  • the heat insulation material of the heat insulation layer 3 is a metal oxide in the form of a rare earth aluminate with the formula
  • 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.
  • the rare earth aluminate is doped with 1 mol% terbium.
  • the result is a phosphor with green luminescent light with an emission wavelength at 544 nm.
  • Thermal insulation layer 3 consists of a pyrochlore.
  • Pyrochlore is a gadolinium zirconate with the empirical formula Gd2Zr2Ü7.
  • the phosphor is produced with 1 mol% of the pyrochlore. E 2O3 added.
  • the gadolinium zirconate has the activator
  • a further heat insulation layer 5 is present between the bond coat layer 4 and the heat insulation layer 3 with the phosphor.
  • the further thermal insulation layer 5 consists of zirconium oxide, which is stabilized with yttrium.
  • FIG. 3 There is also a multilayer structure (FIG. 3).
  • the heat insulation layer 3 with the phosphor is arranged between the further heat insulation layer 5 and the carrier body 5.
  • 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 vicinity of the carrier body can only be detected if the further thermal insulation layer 5 has an opening 6.

Abstract

Said invention relates to a heat-insulation material for a heat-insulation layer (3) for a carrier body (2) for preventing heat transfer between said carrier body and a surrounding area (7) therearound comprising at least one luminous substance which is excitable for emitting luminescent light having a defined emission wavelength and comprises at least one type of metal oxide containing at least one trivalent metal (A). Said invention also relates to an arrangement of at least one heat-insulation layer which contains said heat-insulation material and is applied to the carrier body. The inventive heat-insulation material is characterised in that the metal oxide is embodied in the form of a mixed oxide selected in a perovskite group of total formula AA'O3, and/or of pyrochlore of total formula A2B2O7, wherein A' is the trivalent metal and B is a tetravalent metal. Said heat-insulation layer containing said heat-insulation material is preferably used for a gas turbine.

Description

Beschreibungdescription
Wärmedämmstoff und Anordnung einer Warmedammschicht mit dem Wärmedammstof£Thermal insulation and arrangement of a thermal insulation layer with the thermal insulation material £
Die Erfindung betrifft einen Wärmedämmstoff für eine Wärmedämmschicht eines Trägerkörpers zur Eindämmung einer Wärmeübertragung zwischen dem Trägerkörper und einer Umgebung des Trägerkörpers, wobei der Wärmedämmstoff mindestens einen Leuchtstoff aufweist, der zur Emission von Lumineszenzlicht mit einer bestimmten Emissionswellenlänge angeregt werden kann, und der Leuchtstoff mindestens ein Metalloxid mit mindestens einem dreiwertigen Metall A aufweist. Neben dem Wärmedämmstoff wird eine Anordnung mindestens einer Wärmdämmschicht mit dem Wärmedämmstoff auf einem Trägerkörper angegeben .The invention relates to a heat insulation material for a heat insulation layer of a support body for containing heat transfer between the support body and an environment of the support body, the heat insulation material having at least one phosphor which can be excited to emit luminescent light with a specific emission wavelength, and the phosphor at least one metal oxide with at least one trivalent metal A. In addition to the thermal insulation material, an arrangement of at least one thermal insulation layer with the thermal insulation material on a carrier body is specified.
Ein derartiger Wärmedämmstoff und 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. DieSuch a thermal insulation material and such an arrangement are known from EP 1 105 550 B1. The carrier body is a component of a gas turbine. The carrier body is made of a metal. Due to a 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. The
Wärmedämmschicht sorgt dafür, dass ein verminderter Wärmeaustausch zwischen dem Trägerkörper aus dem Metall und der Umgebung stattfindet. Dadurch heizt sich eine Metalloberfläche des Bauteils weniger stark auf. An der Metalloberfläche des Bauteils tritt eineThermal insulation layer ensures that there is a reduced heat exchange between the metal carrier body and the environment. As a result, a metal surface of the component heats up less. One occurs on the metal surface of the component
Oberflächentemperatur auf, die niedriger ist als die Temperatur in der Umgebung des Bauteils .Surface temperature that is lower than the temperature in the vicinity of the component.
Der Wärmedämmstoff bildet ein Basismaterial der Wärmedämmschicht. Die mechanischen und thermischenThe thermal insulation material forms a base material for the thermal insulation layer. The mechanical and thermal
Eigenschaften der Wärmedämmschicht hängen im Wesentlichen von den Eigenschaften des Wärmedämmstoffs ab. Das Basismaterial der bekannten Wärmedämmschicht 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.Properties of the thermal insulation layer essentially depend on the properties of the thermal insulation material. The base material the known thermal barrier coating is a metal oxide. The metal oxide is, for example, a zirconium oxide (YSZ) stabilized with yttrium. 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 μm. As an alternative to zirconium oxide stabilized with yttrium, a metal oxide in the form of an yttrium aluminum garnet is specified as the thermal insulation material.
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 order to firmly connect the thermal insulation layer and the carrier body, a metallic intermediate layer (bond coat) made of a metal alloy is applied to the surface of the component. To improve the connection, 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.
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 einemA 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
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 Warmedammschicht ist das jeweilige Basismaterial der Wärmedämmschicht 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.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. In the known thermal insulation layer, the respective base material of the thermal insulation layer is doped with an activator. There is a thermal barrier coating made of the phosphor. The activator used is a rare earth element. In the case of zirconium oxide stabilized with yttrium, 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.
Bei der bekannten Wärmedämmschicht 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 derThe known thermal barrier coating 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, is dependent on the phosphor temperature of the phosphor. Because of this dependence on the temperature of the
Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff geschlossen. Damit dieser Zusammenhang hergestellt werden kann, ist die W rmedämmschicht für das Anregungslicht im UV-Bereich optisch zugänglich. Gleichzeitig ist dafür gesorgt, dass das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs von der Wärmedämmschicht abgestrahlt und detektiert werden kann.Thermal insulation layer closed with the phosphor. 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 of the phosphor can be emitted from the thermal insulation layer and detected.
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.In order to ensure the optical accessibility, for example, only a single thermal insulation layer with the phosphor is arranged on the carrier body. As an alternative solution, 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.
Eine Einsetzbarkeit einer Wärmedämmschicht aus einem der genannten lumineszierenden Wärmedämmstoffe ist aufgrund spezifischer Werkstoffeigenschaften, beispielsweise Phasenstabilität oder Sinterneigung, auf eineDue to specific material properties, for example phase stability or tendency to sinter, it is possible to use a thermal insulation layer made of one of the luminescent thermal insulation materials mentioned
Einsatztemperatur von etwa 1200 °C beschränkt. Daher sind diese Wärmedämmstoffe für zukünftige Gasturbinengenerationen nicht geeignet, bei denen zur Wirkungsgraderhöhung die Einsatztemperatur gesteigert werden uss.Operating temperature of about 1200 ° C limited. Therefore, these thermal insulation materials are for future gas turbine generations not suitable, in which the operating temperature is increased to increase the efficiency uss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen lumineszierenden Wärmedämmstoff für eine Wärmedämmschicht eines Trägerkörpers anzugeben, die über eine Temperatur von 1200°C hinaus stabil ist.The object of the present invention is therefore to provide a luminescent thermal insulation material for a thermal insulation layer of a carrier body which is stable beyond a temperature of 1200 ° C.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Wärmedämmstoff für eine Wärmedämmschicht eines Trägerkörpers zur Eindämmung einerTo solve the problem, a thermal insulation material for a thermal insulation layer of a carrier body to contain a
Wärmeübertragung zwischen dem Trägerkörper und einer Umgebung des Trägerkörpers angegeben, wobei der Wärmedämmstoff mindestens einen Leuchtstoff aufweist, der zur Emission vonHeat transfer between the support body and an environment of the support body specified, wherein the thermal insulation material has at least one phosphor that is used to emit
Lumineszenzlicht mit einer bestimmten Emissionswellenlänge angeregt werden kann, und der Leuchtstoff mindestens einLuminescent light can be excited with a certain emission wavelength, and the phosphor at least one
Metalloxid mit mindestens einem dreiwertigen Metall A aufweist. Der Wärmedämmstoff ist dadurch gekennzeichnet, dass 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.Has metal oxide with at least one trivalent metal A. The thermal insulation material is characterized in that the metal oxide is a mixed oxide selected from the group perovskite with the formula AAO3 and / or pyrochlore with the formula A2B2O7, where A 'is a trivalent metal and B is a tetravalent metal.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Anordnung mindestens einer Wärmedämmschicht auf einem Trägerkörper zur Eindämmung einer Wärmeübertragung zwischen dem Trägerkörper und einer Umgebung des Trägerkörpers angegeben, wobei die Wärmedämmschicht den beschriebenen Wärmedämmstoff mit dem Leuchtstoff aufweist.To achieve the object, an arrangement of at least one thermal insulation layer on a support body for containing heat transfer between the support body and an environment of the support body is also specified, the heat insulation layer having the heat insulation material described with the phosphor.
Eine Wärmedämmschicht aus einem Perowskit und/oder einem Pyrochlor (Pyrochlorphase) zeichnet sich durch eine hohe Stabilität gegenüber Temperaturen von über 1200° C aus. Diese stabilen Wärmedämmschichten weisen einen Leuchtstoff auf. Die Wärmedämmschicht 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 W rmedämmschicht 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. Der Leuchtstoff und der Wärmedämmstoff bestehen aus dem gleichen Metalloxid. Beide Stoffe unterscheiden sich lediglich durch ihre optischen Eigenschaften. Dazu ist der Leuchtstoff beispielsweise dotiert.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. These stable thermal insulation layers have a phosphor. The thermal barrier coating 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 The insulating material of the thermal insulation layer is the phosphor. In the case of a multi-phase thermal insulation layer, the thermal insulation material and the phosphor are different. The 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 material and the phosphor consist of essentially the same type of solid. The phosphor and the thermal insulation material consist of the same metal oxide. The only difference between the two substances is their optical properties. For this purpose, the phosphor is doped, for example.
Der Leuchtstoff ist ein Rekombinationsleuchtstoff. DieThe phosphor is a recombination phosphor. The
Emission des Lumineszenzlichts beruht dabei vorzugsweise auf der Anwesenheit eines Aktivators. Mit Hilfe eines Aktivators oder mehrerer Aktivatoren kann die Emissionseigenschaft des Leuchtstoffs, 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 Perowskiten und Pyrochloren einbauen. Daher eignen sich Aktivatoren in Form von Seltenerdelementen generell. Als besonders gute Aktivatoren haben sich die aufgezählten Seltenenerdelemente erwiesen.Emission of the luminescent light is preferably based on the presence of an activator. With the help of an activator or several activators, the emission property of the phosphor, for example the emission wavelength and the emission intensity, can be varied relatively easily. In a special embodiment, 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. Rare earth elements are generally very easy to incorporate into the crystal lattices of perovskites and pyrochlores due to their ionic radii. Activators in the form of rare earth elements are therefore generally suitable. The listed rare earth elements have proven to be particularly good activators.
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 demWhen 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. In a special embodiment, 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 one with the
Leuchtstoff hergestellten Wärmedämmschicht bleibt dabei erhalten.Fluorescent thermal insulation layer is retained.
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 A' 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 Seltenerdelementen kann ein Aktivator in Form eines Seltenerdelements aufgrund der ähnlichen Ionenradien sehr leicht in das Kristallgitter des Perowskits bzw. des Pyrochlors eingebaut werden.In a special embodiment, 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 '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. By using a perovskite and / or a pyrochlorine with rare earth elements, 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.
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 Wärmedämmschicht führt. In einer besonderen Ausgestaltung ist der Perowskit daher ein Seltenerdalumina . Die Summenformel lautet ReAlθ3, wobei Re für eine Seltenerdelement steht. Vorzugsweise ist das Seltenerdaluminat ein Gadolinium-Lanthan-Aluminat . Die Summenformel lautet beispielsweise Gdgf 25La0, 75Al03 • Als vierwertiges Metall B des Pyrochlors werden insbesondere dieOne 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 occupy different places in the perovskite or pyrochlore crystal lattice. Aluminum has proven to be particularly advantageous as a trivalent main group element In a special embodiment, the perovskite is therefore a rare earth alumina, the overall formula is ReAlθ3, where Re stands for a rare earth element, and the rare earth aluminate is preferably a gadolinium-lanthanum aluminate The empirical formula is, for example, Gdg f 25 La 0, 75 Al0 3 • In particular, the tetravalent metal B of pyrochlorine is that
Nebengruppenelemente Hafnium und/oder Titan und/oderSub-group elements hafnium and / or titanium and / or
Zirkonium eingesetzt. Der Pyrochlor ist daher vorzugsweise aus der Gruppe Seltenerdtitanat und/oder Seitenerdhafnat und/oder Seltenerdzirkonat ausgewählt. Insbesondere ist dasZirconium used. The pyrochlore is therefore preferably selected from the group of rare earth titanate and / or side earth hafnate and / or rare earth zirconate. In particular that is
Seltenerdzirkonat aus der Gruppe Gadoliniumzirkonat und/oderRare earth zirconate from the group Gadolinium zirconate and / or
Samariumzirkonat ausgewählt. Die bevorzugten Summenformeln lauten Gd2Zr2θ7 und Sm2Zr2θ7. Das Seltenerdhafnat ist bevorzugt Lanthanhafnat . Die Summenformel lautet La2Hf2O7.Samarium zirconate selected. The preferred empirical formulas are Gd2Zr2θ 7 and Sm2Zr2θ7. The rare earth hafnate is preferably lanthanum hafnate. The empirical formula is La2Hf2O7.
Die Anregung des Leuchtstoffs zur Emission von Lumineszenzlicht erfolgt optisch. Dabei wird der Leuchtstoff mit Anregungslicht einer bestimmten Anregungswellenlänge 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.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.
Die Anregung des Leuchtstoffs mit Anregungslicht eignet sich zur Überprüfung eines Zustandes einer für das Anregungslicht und das Lumineszenzlicht optisch zugängliche Warmedammschicht mit dem Leuchtstoff. Dazu ist beispielsweise nur die Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff auf dem Trägerkörper aufgetragen.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. For this purpose, for example, only the thermal barrier coating with the phosphor is applied to the carrier body.
In einer besonderen Ausgestaltung bezüglich der Anordnung aus Wärmedämmschicht auf dem Trägerkörper ist mindestens eine weitere Wärmedämmschicht vorhanden, die im Wesentlichen frei ist von dem Leuchtstoff. Im Wesentlichen frei bedeutet dabei, dass durch einen sehr geringen Anteil des Leuchtstoffs kein auswertbares Lumineszenzlicht detektiert werden kann. Die weitere Wärmedämmschicht kann dabei zwischen dem Trägerkörper und der Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff angeordnet sein. Die äußerste Wärmedämmschicht wird von der Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff gebildet. Eine Transmissionseigenschaft der weiteren Wärmedämmschicht bezüglich des Lumineszenzlichts und/oder des Anregungslichts spielt keine Rolle. Die Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff ist optisch zugänglich. Eine derartige Lösung ist beispielsweise für eine Wärmedämmschicht aus einem Pyrochlor vorteilhaft. Um eine feste Verbindung zwischen der Wärmedämmschicht und einer auf dem Trägerkörper aufgebrachten metallischen Zwischenschicht zu erzielen, wird direkt auf der metallischen Zwischenschicht eine weitere Wärmedämmschicht aus einem mit Yttrium stabilisierten Zirkoniumoxid aufgebracht. Über dieser weiteren Wärmedämmschicht wird die Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff aufgebracht.In a special embodiment with regard to the arrangement of thermal insulation layer on the carrier body, at least one further thermal insulation layer is present which is essentially free of the phosphor. Essentially free means that a luminescent light that cannot be evaluated cannot be detected due to a very small proportion of the phosphor. The further heat insulation layer can be arranged between the carrier body and the heat insulation layer with the phosphor. The outermost thermal insulation layer is formed by the thermal insulation layer with the phosphor. A transmission property of the further thermal insulation layer with respect to the luminescent light and / or the excitation light does not matter. The thermal insulation layer with the phosphor is optically accessible. Such a solution is advantageous, for example, for a thermal insulation layer made from a pyrochlore. In order to achieve a firm connection between the thermal insulation layer and a metallic intermediate layer applied to the carrier body, a further thermal insulation layer made of a zirconium oxide stabilized with yttrium is applied directly to the metallic intermediate layer. The heat insulation layer with the phosphor is applied over this further heat insulation layer.
Die weitere Wärmedämmschicht kann aber auch für das Anregungslicht und das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs transparent sein. Das Anregungslicht und das Lumineszenzlicht können durch die weitere Wärmedämmschicht hindurchtreten. Bei einer derartigen Lösung kann die Wärmedämmschicht zwischen der weiteren Wärmedämmschicht und dem Trägerkörper angeordnet sein. Durch die Transmissionseigenschaft der weiteren Wärmedämmschicht ist die Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff ständig optisch zugänglich. Auf diese Weise kann, wie in den Fällen, in denen entweder nur die Wärmedämmschicht mit dem Leuchtstoff vorhanden ist oder die Warmedammschicht mit dem Leuchtstoff die äußerste Wärmedämmschicht eines Mehrschichtaufbaus bildet, ein Zustand der Wärmdämmschicht durch Beobachten einer der Emissionseigenschaften des Lumineszenzlichts ermittelt werden. So kann beispielsweise auf die Temperatur der Wärmedämmschicht geschlossen werden.The further thermal barrier coating can, however, also be transparent to the excitation light and the luminescent light of the phosphor. The excitation light and the luminescent light can pass through the further thermal insulation layer. In such a solution, the heat insulation layer can be arranged between the further heat insulation layer and the carrier body. Due to the transmission property of the further thermal insulation layer, the thermal insulation layer with the phosphor is constantly optically accessible. In this way, as in the cases in which either only the thermal barrier layer with the phosphor is present or the thermal barrier layer with the phosphor forms the outermost thermal barrier layer of a multilayer structure, a state of the thermal barrier layer can be determined by observing one of the emission properties of the luminescent light. For example, the temperature of the thermal barrier coating can be inferred.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die weitereThe further is in a special embodiment
Wärmedämmschicht für das Anregungslicht zur Anregung der Emission des Lumineszenzlichts des Leuchtstoffs und/oder für das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs opak. Das Anregungslicht und/oder das Lumineszenzlicht können durch die weitere Wärmedämmschicht aufgrund der Transmissions- bzw.Thermal insulation layer for the excitation light to excite the emission of the luminescent light of the phosphor and / or for the luminescent light of the phosphor opaque. The excitation light and / or the luminescent light can through the further thermal insulation layer due to the transmission or
Absorptionseigenschaften der weiteren Wärmedämmschicht nicht oder nur zu einem geringen Teil hindurchtreten. In einer besonderen Ausgestaltung ist die Wärmedämmschicht 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 vom Untergrund deutlich abhebt.Absorption properties of the further thermal insulation layer do not pass through or only to a small extent. In a In a special embodiment, the heat insulation layer is arranged between the support body and the further heat insulation layer 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 support body through openings in the further heat insulation layer. Such openings are, for example, cracks or gaps in the further thermal insulation layer. An opening is also conceivable, which has been created by 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 where the UV light reaches the thermal insulation layer with the phosphor through the openings, the phosphor is excited to emit the luminescent light. The luminescent light again reaches the surroundings of the carrier body through the openings and can be detected there. Due to the openings, a luminescent light appears that clearly stands out from the background.
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 Wärmedämmschichten. Durch Beleuchten der Turbinenschaufel und Beobachten des Lumineszenzlichts des Leuchtstoffs werden diejenigen Stellen der weiteren, äußersten Wärmedämmschicht sichtbar, die Öffnungen aufweisen.In the way described, 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 that have openings become visible.
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 Warmedammschicht mindestens einer Turbinenschaufel einen Riss oder einen Spalt aufweist bzw. erodiert ist.However, it is also conceivable for the state of the thermal barrier coating to be checked during operation of the device. For this purpose, for example, a combustion chamber of the gas turbine described above, in which the turbine blades are used, has a window provided, 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.
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.Another advantage of the arrangement described is that 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.
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 Wärmedämmschichten mit Leuchtstoffen versehen sind, die unterschiedliches Lumineszenzlicht emittieren. So kann auf einfache Weise das Bauteil bestimmt werden, an dem Schäden vorhanden sind.In a special embodiment, the carrier body is a component of an internal combustion engine. The internal combustion engine is, for example, a diesel engine. In a special embodiment, the internal combustion engine is a gas turbine. The carrier body can be a tile with which a combustion chamber of the gas turbine is lined. In particular, the carrier body is a turbine blade of the gas turbine. It is conceivable that the different carrier bodies are provided with heat-insulating layers with phosphors that emit different luminescent light. This makes it easy to determine the component that is damaged.
Zum Aufbringen der verschiedenen Schichten, insbesondere der Wärmedämmschicht und der weiteren Wärmedämmschicht kann ein beliebiges Beschichtungsverfahren durchgeführt werden. Das Beschichtungsverfahren ist insbesondere einAny coating method can be carried out to apply the various layers, in particular the thermal insulation layer and the further thermal insulation layer. The coating process is particularly a
Plasmaspritzverfahren. Das Beschichtungsverfahren kann auch ein Dampfabscheideverfahren sein, beispielsweise PVD (Physical Vapour Deposition) oder CVD (Chemical Vapour Deposition) . Mit Hilfe der genannten Verfahren werden Wärmedämmschichten mit Schichtdicken von 50 μm bis 600 μm und mehr aufgetragen .Plasma spraying process. The coating process can also be a vapor deposition process, for example PVD (Physical Vapor Deposition) or CVD (Chemical Vapor Deposition). With the help of the procedures mentioned Thermal insulation layers with layer thicknesses of 50 μm to 600 μm and more applied.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende besonderen Vorteile:In summary, the following special advantages result from the invention:
- Die verwendeten Materialien sind bei Temperaturen von über 1200° C stabil. Damit sind sie besonders geeignet für die Anwendung in Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise in einer Gasturbine.- The materials used are stable at temperatures above 1200 ° C. This makes them particularly suitable for use in internal combustion engines, for example in a gas turbine.
- Die verwendete Mischoxide werden gezielt mit Aktivatoren dotiert. Dadurch werden auch bei Temperaturen von über 1200° C thermisch und mechanisch stabile Wärmedämmschichten mit lumineszierenden Leuchtstoffen erhalten, mit deren Hilfe der Zustand der Wärmedämmschichten während des Betriebs oder aber in Betriebspausen des Trägerkörpers auf einfache Weise überprüft werden kann.- The mixed oxides used are specifically doped with activators. Thereby thermally and mechanically stable thermal insulation layers with luminescent phosphors are obtained even at temperatures of over 1200 ° C, with the aid of which the condition of the thermal insulation layers can be checked in a simple manner during operation or during breaks in operation of the carrier body.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigenUsing several exemplary embodiments and the associated
Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.Figures, the invention is explained in more detail below. The figures are schematic and do not represent true-to-scale illustrations.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen jeweils einen Ausschnitt eines seitlichen Querschnitts einer Anordnung einer Wärmedämmschicht aus einem Wärmedämmstoff mit einem Leuchtstoff von der Seite.Figures 1 to 3 each show a section of a lateral cross section of an arrangement of a heat insulation layer made of a heat insulation material with a phosphor from the side.
Die Anordnung 1 besteht aus einem Trägerkörper 2, auf dem eine Wärmedämmschicht 3 angeordnet ist (Figur 1) . 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 Wärmedämmschicht 3 vorhanden. Die Wärmedämmschicht 3 dient der Eindämmung einer Wärmeübertragung zwischen dem Trägerkörper 2 und der Umgebung 7 des Trägerkörpers 2.The arrangement 1 consists of a carrier body 2 on which a thermal insulation layer 3 is arranged (FIG. 1). 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. In order to prevent the surface 8 of the carrier body 2 from overheating, the thermal insulation layer 3 available. The thermal barrier coating 3 serves to contain heat transfer between the carrier body 2 and the surroundings 7 of the carrier body 2.
Zwischen der Wärmedämmschicht 3 und dem Trägerkörper 2 ist eine metallische Zwischenschicht 4 (Bond Coat) aus einer Metalllegierung aufgebracht. Die Wärmedämmschicht 3, die Zwischenschicht 4 und gegebenenfalls die weitere Wärmedämmschicht 5 sind mit Hilfe eines Plasmaspritzverfahren auf der Oberfläche 8 des Trägerkörpers 2 aufgebracht.A metallic intermediate layer 4 (bond coat) made of a metal alloy is applied between the thermal insulation layer 3 and the carrier body 2. The thermal insulation layer 3, the intermediate layer 4 and optionally the further thermal insulation layer 5 are applied to the surface 8 of the carrier body 2 with the aid of a plasma spraying process.
Beispiel 1 :Example 1 :
Der Wärmedämmstoff der Wärmedämmschicht 3 ist ein Metalloxid in Form eines Seltenerdaluminats mit der SummenformelThe heat insulation material of the heat insulation layer 3 is a metal oxide in the form of a rare earth aluminate with the formula
Gdg 25^a0 75^103. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Seltenerdaluminat mit 1 mol% EU2O3 versetzt. DasGdg 25 ^ a 0 75 ^ 103. According to a first embodiment, the rare earth aluminate is mixed with 1 mol% EU2O3. The
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.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.
Gemäß einer dazu alternativen Ausführungsform ist das Seltenerdaluminat mit 1 mol% Terbium dotiert. Es resultiert ein Leuchtstoff mit grünem Lumineszenzlicht mit einer Emissionswellenlänge bei 544 nm.According to an alternative embodiment, the rare earth aluminate is doped with 1 mol% terbium. The result is a phosphor with green luminescent light with an emission wavelength at 544 nm.
Beispiel 2:Example 2:
Im Unterschied zum vorangegangenem Beispiel liegt einIn contrast to the previous example, there is a
Mehrschichtaufbau der Wärmedämmschicht 3 und einer weiterenMulti-layer structure of the thermal barrier layer 3 and another
Wärmedämmschicht 5 auf dem Trägerkörper 2 vor (Figur 2) . DieThermal insulation layer 5 on the carrier body 2 before (Figure 2). The
Wärmedämmschicht 3 besteht aus einem Pyrochlor. Der Pyrochlor ist ein Gadoliniumzirkonat mit der Summenformel Gd2Zr2Ü7. ZumThermal insulation layer 3 consists of a pyrochlore. Pyrochlore is a gadolinium zirconate with the empirical formula Gd2Zr2Ü7. To the
Herstellen des Leuchtstoffs wird der Pyrochlor mit 1 mol% E 2O3 versetzt. Das Gadoliniumzirkonat weist den AktivatorThe phosphor is produced with 1 mol% of the pyrochlore. E 2O3 added. The gadolinium zirconate has the activator
Europium mit einem Anteil von 1 mol% auf.Europium with a share of 1 mol%.
Zur Verbesserung der Haftung auf dem Trägerkörper 2 ist eine weitere Wärmedämmschicht 5 zwischen der Bond-Coat-Schicht 4 und der Wärmedämmschicht 3 mit dem Leuchtstoff vorhanden. Die weitere Wärmedämmschicht 5 besteht aus Zirkoniumoxid, das mit Yttrium stabilisiert ist.To improve the adhesion to the carrier body 2, a further heat insulation layer 5 is present between the bond coat layer 4 and the heat insulation layer 3 with the phosphor. The further thermal insulation layer 5 consists of zirconium oxide, which is stabilized with yttrium.
Beispiel 3:Example 3:
Es liegt ebenfalls ein Mehrschichtaufbau vor (Figur 3) . Im Unterschied zum vorangegangenen Beispiel ist die Wärmedämmschicht 3 mit dem Leuchtstoff zwischen der weiteren Wärmedämmschicht 5 und dem Trägerkörper 5 angeordnet. Die weitere Wärmedämmschicht 5 ist für das Anregungslicht und/oder das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs opak. Nur wenn die weitere Wärmedämmschicht 5 eine Öffnung 6 aufweist, kann das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs in der Umgebung des Trägerkörpers detektiert werden. There is also a multilayer structure (FIG. 3). In contrast to the previous example, the heat insulation layer 3 with the phosphor is arranged between the further heat insulation layer 5 and the carrier body 5. 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 vicinity of the carrier body can only be detected if the further thermal insulation layer 5 has an opening 6.

Claims

Patentansprüche claims
1. Wärmedämmstoff für eine Wärmedämmschicht (3) eines Trägerkörpers (2) zur Eindämmung einer Wärmeübertragung zwischen dem Trägerkörper (2) und einer Umgebung (7) des Trägerkörpers (2) , wobei der Wärmedämmstoff mindestens einen Leuchtstoff aufweist, der zur Emission von Lumineszenzlicht mit einer bestimmten Emissionswellenlänge angeregt werden kann, und der Leuchtstoff mindestens ein Metalloxid mit mindestens einem dreiwertigen Metall A aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass 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.1. Thermal insulation material for a thermal insulation layer (3) of a support body (2) for containing heat transfer between the support body (2) and an environment (7) of the support body (2), the heat insulation material having at least one phosphor which is used to emit luminescent light a certain emission wavelength can be excited, and the phosphor has at least one metal oxide with at least one trivalent metal A, characterized in that the metal oxide is a mixed oxide selected from the group perovskite with the formula AAO3 and / or pyrochlore with the formula A2B2O7, where A 'is a trivalent metal and B is a tetravalent metal.
2. Wärmedämmstoff nach Anspruch 1, 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.2. Thermal insulation material according to claim 1, wherein the phosphor has an activator selected from the group cerium and / or europium and / or dysprosium and / or terbium to excite the emission of the luminescent light.
3. Wärmedämmstoff nach Anspruch 2, wobei der Aktivator mit einem Anteil von bis zu 10 mol% im Leuchtstoff enthalten ist.3. Thermal insulation material according to claim 2, wherein the activator is contained in a proportion of up to 10 mol% in the phosphor.
4. Wärmedämmstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das dreiwertige Metall A und/oder das dreiwertige Metall A' ein Seltenerdelement Re ist.4. Thermal insulation material according to one of claims 1 to 3, wherein the trivalent metal A and / or the trivalent metal A 'is a rare earth element Re.
5. Wärmedämmstoff nach Anspruch 4, 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. 5. Thermal insulation material according to claim 4, wherein the trivalent metal A and / or the trivalent metal A 'is a rare earth element selected from the group consisting of lanthanum and / or gadolinium and / or samarium.
6. Wärmedämmstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Perowskit ein Seltenerdaluminat ist.6. Thermal insulation material according to one of claims 1 to 5, wherein the perovskite is a rare earth aluminate.
7. Wärmedämmstoff nach Anspruch 6, wobei die Summenformel 5 des Seltenerdaluminats Gdn 25La0 75AIO3 is .7. Thermal insulation material according to claim 6, wherein the empirical formula 5 of the rare earth aluminate Gdn 25 is La 0 75AIO3.
8. Wärmedämmstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Pyrochlor aus der Gruppe Selterdhafnat und/oder Seltenerdtitanat und/oder Seltenerdzirkonat ausgewählt8. Thermal insulation material according to one of claims 1 to 5, wherein the pyrochlore is selected from the group of rare earth hafnate and / or rare earth titanate and / or rare earth zirconate
10 ist.10 is.
9. Wärmedämmstoff nach Anspruch 8, wobei das Seltenerdzirkonat aus der Gruppe Gadoliniumzirkonat und/oder Samariumzirkonat ausgewählt ist.9. Thermal insulation material according to claim 8, wherein the rare earth zirconate is selected from the group gadolinium zirconate and / or samarium zirconate.
15 10. Wärmedämmstoff nach Anspruch 8, wobei das Seltenerdhafnat Lanthanhafnat ist.15 10. Thermal insulation material according to claim 8, wherein the rare earth hafnate is lanthanum hafnate.
11. Anordnung mindestens einer Wärmedämmschicht (3) auf 20. einem Trägerkörper (2) zur Eindämmung einer Wärmeübertragung zwischen dem Trägerkörper (2) und einer Umgebung (7) des Tragerkorpers (2), wobei die Wärmedämmschicht einen Wärmedämmstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist. 2511. Arrangement of at least one thermal barrier coating (3) on 20. a carrier body (2) for containing heat transfer between the carrier body (2) and an environment (7) of the carrier body (2), wherein the thermal barrier coating is a thermal insulation material according to one of claims 1 to 10 has. 25
12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei mindestens eine weitere Wärmedämmschicht (5) vorhanden ist, die im Wesentlichen frei ist von dem Leuchtstoff.12. The arrangement according to claim 11, wherein at least one further heat insulation layer (5) is present which is substantially free of the phosphor.
30 13. Anordnung nach Anspruch 12, wobei die weitere Wärmedämmschicht (5) für das Anregungslicht zur Anregung der Emission von Lumineszenzlicht und/oder für das Lumineszenzlicht des Leuchtstoffs im Wesentlichen opak ist.13. The arrangement according to claim 12, wherein the further thermal barrier coating (5) for the excitation light for exciting the emission of luminescent light and / or for the luminescent light of the phosphor is essentially opaque.
35 14. Anordnung nach Anspruch 13, wobei die Wärmedämmschicht (3) zwischen dem Trägerkörper (2) und der weiteren Wärmedämmschicht (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.35 14. Arrangement according to claim 13, wherein the thermal barrier coating (3) between the carrier body (2) and the further Thermal insulation layer (5) is arranged in such a way that the luminescent light of the phosphor can only reach the surroundings (7) of the carrier body (2) only through openings (6) of the further thermal insulation layer (5).
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Trägerkörper ein Bauteil einer Verbrennungskraftmaschine ist.15. Arrangement according to one of claims 11 to 14, wherein the carrier body is a component of an internal combustion engine.
16. Anordnung nach Anspruch 15, wobei die Verbrennungskraftmaschine eine Gasturbine ist. 16. The arrangement according to claim 15, wherein the internal combustion engine is a gas turbine.
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