(57)【要約】本発明は、たとえばボイラ、燃料電池、溶融炉、モータ、駆動装置、ガスタービン羽根、ガスタービン翼など高温ガスに曝される部品用のコーティング材に関する。このコーティング材は発光コーティング材の形態の温度センサを有し、その発光がコーティング材が曝されるまたは曝されていた温度に直接関係することを特徴としている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックマトリックス中に、発光性ユーロピウムおよび／またはサマリウム２＋イオン濃度を含有する粒子を有し、このユーロピウムおよび／またはサマリウム２＋イオンのユーロピウムおよび／またはサマリウム３＋イオンを含む他の発光種への変換が、速度論的に一段階の反応で行われ、これにより、発光の態様、すなわちマトリックス中のユーロピウムおよび／またはサマリウム２＋イオン濃度と、コーティング材を備えた部品の温度履歴との間の直接的関係が成立可能で、たとえば図式的に表示可能とされることを特徴とするセラミック材料から成る耐熱性コーティング材。
【請求項２】
ユーロピウムおよび／またはサマリウム２＋イオンは少なくとも一部が結晶格子においてカチオン格子サイトの誤占有として現れる請求項１記載のコーティング材。
【請求項３】
ユーロピウムおよび／またはサマリウム２＋イオンを含む粒子が、１モルパーセントより大きい量でセラミックコーティング材中に存在する請求項１または２記載のコーティング材。
【請求項４】
マトリックスは少なくとも一部がいわゆるＴＢＣ（熱遮蔽コーティング材）、特にイットリウム酸化物、たとえばＹ２Ａｌ５Ｏ１２および／または他の酸化セラミック材料である請求項１から３の1つに記載のコーティング材。
【請求項５】
マトリックスとしてイットリウム・アルミニウム・ガーネット酸化物が存在する請求項１から４の1つに記載のコーティング材。
【請求項６】
発光粒子の融点が１０００℃以上である請求項１から５の1つに記載のコーティング材。
【請求項７】
発光粒子が球形粒子の形態でコーティング材に組み込まれる請求項１から６の1つに記載のコーティング材。
【請求項８】
請求項１から７の1つに記載のコーティング材を備えたボイラ、燃料電池、溶融炉、モータ、駆動装置、ガスタービン羽根および／またはガスタービン翼のようなガスタービンの部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえばボイラ、燃料電池、溶融炉、モータ、駆動装置、ガスタービン羽根および／またはガスタービン翼など高温ガスに曝される部品用のコーティング材に関する。
【背景技術】
【０００２】
運転中にガスタービン翼および／またはガスタービン羽根のように熱的に極端な負荷が加わる部品の表面温度を測定可能にする方法が知られている。
【０００３】
勿論このような表面測定方法またはセンサは一般に、運転中に読み取りできなくなるという欠点を有する。
【０００４】
特許文献１からこの種の部品の温度履歴を求める方法が知られている。この方法では、非晶質出発材料が曝されていた温度を求めるのに、非晶質出発材料の一定の結晶化段階への転移が利用される。しかし測定できる温度範囲は約１０００℃の限界以下であり、さらに結晶化が化合物の変態と温度との単純なリニアーな関係では表示できない多段の速度論的プロセスであるので、測定値が不正確である。従って温度の、特に変態変化が生じる温度範囲での正確な表示も困難である。
【０００５】
それゆえ部品の温度履歴を運転中に最適に求められるような熱的に極端な負荷が加わる部品のコーティング用材料を提供する要求が依然として存在する。
【０００６】
この種の材料は、要求の高い特性プロフィル、特に高い熱負荷における安定性、通常のＴＢＣ（熱遮蔽コーティング材）との両立性並びに温度と識別可能および／または測定可能な材料特性との間の関係の単純性に関する要求を満たすものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第８７４６９６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
それゆえ本発明の課題は、上記の要求された特性プロフィルを満たす、特にボイラ、燃料電池、溶融炉、モータ、駆動装置、ガスタービン羽根および／またはガスタービン翼などの部品の既存のまたは、これから作製される熱遮蔽コーティング材(丁ＢＣ)に組み込み可能な材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は複数の請求項および明細書に開示される本発明の特徴により解決される。
【００１０】
これによれば本発明の特徴は、セラミック材料から成る耐熱性のコーティング材が、セラミックマトリックス中に発光性ユーロピウムおよび／またはサマリウム３＋イオン濃度を含有する粒子を有し、このユーロピウムおよび／またはサマリウム３＋イオンのユーロピウムおよび／またはサマリウム２＋イオンを含む他の発光性の種への変換が、速度論的に一段階の反応で行われ、これにより発光の態様、すなわちマトリックス中のユーロピウムおよび／またはサマリウム３＋イオン濃度とコーティング材を備えた部品の温度履歴との間の直接的関係が成立可能で、たとえば図式的に表示可能とされることにある。
【００１１】
本発明の有利な実施形態によれば、ユーロピウムおよび／またはサマリウム３＋イオンは、粒子のセラミックマトリックス材料においてカチオン格子サイトの誤占有(Fehlbesetzung)として現れる。
【００１２】
一実施形態によれば、コーティング材は１モルパーセントより大きい量のユーロピウムおよび／またはサマリウム３＋イオンを含む粒子を有する。特に発光粒子は５モル％より大きい量とし、特に有利なのは発光粒子がセラミックコーティング材において１０モル％より大きい量とする。
【００１３】
有利な実施形態によれば、発光粒子はセラミックコーティング材に良好に組み込むことができる。なぜならマトリックス材料はコーティング材料と両立性であるかおよび／または結晶学的に類似または部分的に同一であるからである。
【００１４】
本発明の有利な実施形態によれば、マトリックスはいわゆるＴＢＣ（熱遮蔽コーティング材）、特にイットリウム・アルミニウム酸化物、たとえばＹ２Ａｌ５Ｏ１２または他の酸化セラミック材料から成る。好適なＴＢＣ（熱遮蔽コーティング材）はたとえば米国特許第８６８５５４５号、欧州特許第１９１５６３９号明細書および／または国際公開第ＷＯ２００７／０２０１７０号パンフレットにより知られている。
【００１５】
発光性Ｅｕ３＋および／またはＳｍ３＋イオンはセラミックマトリックスに良好に組み込み可能である。なぜならこれらのイオンはそのイオン半径から種々のセラミック格子構造において格子構造が崩れることなくカチオンサイトを占めることができるからである。
【００１６】
ユーロピウムおよび／またはサマリウム２＋および／または３＋イオンはイットリウム酸化物マトリックス、たとえばイットリウム・アルミニウム酸化物マトリックス中でのテストが既に成功済みである。
【００１７】
このためイットリウム・酸化物含有セラミックから成るマトリックスを有したとえば１３００℃以上の融点、多面体形態および／または２〜５０μｍの範囲の粒径を有する粒子が使用された。ユウロピウムおよび／またはサマリウム３＋イオンは形態を損なうことなくホスト格子に組み込まれる。
【００１８】
一実施形態によれば発光粒子は少なくとも部分的に球形粒子の形態で使用される。
【００１９】
特にガスタービン翼またはガスタービン羽根のコーティングに使用する場合には、酸素を含有する熱蒸気により、発光が明らかに異なるユーロピウムおよび／またはサマリウム３＋イオンへのユーロピウムおよび／またはサマリウム２＋イオンの酸化が助成される。
【００２０】
本発明によれば、一方の発光種の崩壊時間は該当する発光カチオンを別の発光種に移行させる唯一の反応にのみ関係する。この場合問題となるのはＥｕ２＋をＥｕ３＋に、他は同じ化学的環境および同じ格子構造で移行させる単純酸化である。これにより発光は明らかに変化し、温度が問題なく検証可能である。
【００２１】
特に温度は分光学的方法および／または参照テーブルを介して追跡することができるので、発光種の濃度および形態から直接温度履歴を類推することができる。
【００２２】
発光粒子のコーティング材への組み込みは製造時におよび／またはその後処理として、たとえば吹付け、被覆、塗装などにより適当なバインダーシステムで行うことができる。
【００２３】
本発明は、たとえばボイラ、燃料電池、溶融炉、モータ、駆動装置、ガスタービン羽根、ガスタービン翼など高温ガスに曝される部品用のコーティング材に関する。このコーティング材は発光コーティング材の形態の温度センサを有し、その発光はコーティング材が曝されるまたは曝されていた温度に関係することを特徴としている。
【国際調査報告】
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