[发明专利]具有可磁监测的保护层的元件和该元件的操作方法

说明书

本发明涉及用于高温应用的元件，其装配有防腐蚀和氧化的保护层，其中所述保护层可无损磁监测，以及涉及在高温下操作元件的方法。

现有技术

在操作燃气轮机和高温装置时由于高温和腐蚀性气氛造成使用的金属材料（Ni基合金，耐热低合金钢或高合金钢）的氧化或腐蚀。为减少所述氧化和延长部件的使用寿命，施加了各种各样类型的保护层（覆盖层(Overlayshicht)和扩散层）。常用的层系统为MCrAlY（M＝Ni，Co，Fe）类型的保护层。精确的浓度取决于各自需要的抗氧化/腐蚀性和机械性能的组合。大多使用于高温部件的保护层为NiCoCrAlY类型。

所述氧化/腐蚀保护基于以下事实，在高操作温度下（通常600-1100℃），在装置运行时，所述MCrAlY-保护层系统在元件表面形成保护性Al₂O₃层。在长时间运行之后，由于逐渐形成氧化物或通过基底材料和保护层之间的相互扩散导致形成保护层的元素Al贫化，其通常以Al富集的第二相（储集相(Reservoirphase)；大多为β-NiAl或γ'-Ni₃Al类型）的形式包含于保护层中。这里，只要在保护层中Al含量不低于最小值，则能在层状材料的表面继续出现新形成的保护性Al₂O₃层。只有在低于这个最小值时才出现通常突然的、剧烈加速的非保护性的氧化，伴随着该元件快速失效。

因为氧化速度和相互扩散随时间增加和温度升高而加快，所以Al贫化同样随时间增加和温度升高而加快。迄今为止还不能够通过无损的，实际可行的检测方法追踪此贫化过程。如果这是可行的话，就能够准确预言装置部件的剩余使用寿命并因此可以在通常的维护间隔期内，在所述部件完全失效以前及时更换或重新涂覆燃气轮机部件。这对于相应装置的操作者来说具有重要的企业管理益处。

在这期间，由实验室试验得到了关于下面的数据：在典型的MCrAlY-层中Al损耗作为时间和温度的函数。但是此数据基于等温负荷。在实际的装置中，在长时间运行时运行温度出现强烈变化，例如当必须调整飞机推力或电厂功率时。对于此复杂的温度/时间-变化，不能由等温的实验室数据推导出准确的Al-贫化。此外，在涡轮部件上的温度分布，如例如导向叶片或涡轮叶片，可以在局部非常强烈地变化。这尤其由局部不同的壁厚和/或流型以及由散热孔的存在决定。

迄今为止，有多种通过测量保护层磁性改变来确定损害状态的方法。在这种情况下，将确定因Al和Cr贫化而变化的所述层的磁导率。

但是此方法具有下述缺点，Cr和Al含量高的层必须非常强烈地贫化这两种元素，由此在所述层中产生在常温下的铁磁相，其用来改变磁导率。因为在仅仅氧化荷载而同时没有由于储存而引起的腐蚀的层的情况下，只出现Al贫化，所以不能借助于迄今使用的方法无损确定层的使用寿命的结束。

发明目的和解决方案

因此本发明的目的是提供一种元件，在所述元件中能比根据现有技术更准确地监测由于运行引起的那些保护层的损耗，所述保护层在高温应用中形成保护性氧化层。本发明的另一个目的是提供元件的操作方法，所述方法带来比根据现有技术的方法更少的维护成本。

本发明的主题

在本发明中开发出一种用于高温应用的元件。所述元件包括金属基体材料和布置于其上的保护层，该保护层在600℃-1100℃的温度能在所述元件表面形成保护性的，和这里尤其是气密性的氧化层。

根据本发明，在所述保护层内加入传感器材料，其中在提及的温度范围内，在传感器材料的位置上的局部磁性，尤其铁磁性或亚铁磁性，取决于在紧邻所述传感器材料周围处保护层材料的局部浓度和/或组成和/或取决于在传感器材料的位置上累积温度-时间-曲线。在所述元件上的保护层可从外部无损检查保护层内的局部磁性，该保护层通常厚100μm-500μm。

对于此项研究，只要求保护层具有与传感器材料相比不是相同的磁性行为，从而可以通过磁测量来检测传感器材料的状态。例如，如果传感器材料为铁磁性或亚铁磁性的，则所述保护层的材料应为非铁磁性的，以使得传感器发出的磁测量信号不会被保护层材料的干扰信号所覆盖。这里，所述金属基底材料的磁性不受任何限制，因为也提供信息深度被限制在保护层厚度或更少的方法用于测量保护层中的磁性。