DE19710743A1 - Risstiefenmessung an Bauteilen aus elektrisch gering leitendem Material, insbesondere an Turbinenschaufeln - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Rißprüfung/- Rißtiefenmessung an Bauteilen, insbesondere an Turbinen­ schaufeln, die aus Metall bestehen, das jedoch relativ ge­ ringere spezifische elektrische Leitfähigkeit hat.

Es ist bekannt, Turbinenschaufeln nicht nur nach deren Her­ stellung, sondern auch (in Abständen) nach einer Laufdauer auf das Vorhandensein von Materialrissen zu überprüfen. Zum Beispiel in Gasturbinen sind Turbinenschaufeln sehr hohen Be­ lastungen ausgesetzt, die zu Rißbildung im Material führen können. Die vom Gasstrahl getroffenen Flächen von Turbinen­ schaufeln sind meistenteils mit einer vorzugsweise hochwärme­ beständigen Beschichtung bis zu etwa 0,3 mm Dicke versehen. Eine entdeckte Rißbildung ist dann dahingehend zu beurtei­ len, ob ein jeweiliger Riß nur diese Oberflächenschicht be­ trifft oder tiefer bis in das Grundmaterial hineinreicht. Entsprechend ist dann zu entscheiden, ob eine Turbinenschau­ fel, an der Risse festgestellt worden sind, noch weiter ver­ wendet werden kann, bzw. lediglich mit einer neuen Oberflä­ chenschicht zu versehen ist. Bei jeglicher Rißprüfung ist aber auch darauf zu achten, ob ein vermeintlicher Riß nicht durch eine (magnetische) Materialinhomogenität vorgetäuscht ist. Selbstverständlich muß diese Rißprüfung eine nicht ma­ terialzerstörende Methode sein.

Es ist bekannt, Rißprüfung an Werkstücken mit Wirbelstrom­ meßgeräten durchzuführen. Zum Beispiel ist aus der DIN-Norm 54 140, Teil 3 bekannt, mit Sonden-Spulensystemen dort ange­ gebener vielfältiger Art in ebenfalls dort angegebener Schal­ tungs- und Betriebsweise die Rißdetektion und -messung durchzuführen. Es ist für alle Prüfvarianten die Messung von Amplitude und auch Phase des angeregten Echosignals auszufüh­ führen, um nach entsprechender Demodulation der an der Meß­ spule gemessenen Spannung U _M das definierte Ausgangs- bzw. Meßsignal U_S zu erhalten. Diese zweifache Messung ist relativ aufwendig. Aus den bekannten Unterlagen zu dieser DIN-Norm können im übrigen Definitionen und Beispiele hinsichtlich verwendeter Spulenformen und Abmessungen, Schaltungen und dergleichen entnommen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, auch kleine Risse, insbesondere auch solche in lediglich der Oberflächenbe­ schichtung von z. B. 0,1 bis 0,5 mm Tiefe, zuverlässig detek­ tieren und möglichst auch quantitativ auf Rißtiefe erfassen zu können. Der genannte Bereich schließt auch solche Risse ein, die meistenteils nicht mehr visuell erfaßbar sind, den­ noch aber beachtet werden müssen.

Diese Aufgabe wird mit der Lehre des Patentanspruches 1 ge­ löst.

Die Vorgehensweise der Erfindung ist folgende: Es wird aus Material, aus dem die zu untersuchenden Turbinenschaufeln be­ stehen, ein Testkörper hergestellt und in diesen werden durch Funkenerosion Nuten mit in vereinfachender Weise vorzugsweise gleicher, praktisch ausführbar möglichst geringer Breite, je­ doch mit unterschiedlicher Tiefe hineinerodiert. Bei der Er­ findung wird dieser Testkörper, der eine durch diese Erosion bekannte Geometrie an Nuten besitzt, die - wie im Rahmen der Erfindung erkannt - mit Rissen an Turbinenschaufeln ver­ gleichbar sind, als Vergleichsnormal benutzt. Das mit solchen erodierten Nuten versehene Material des Testkörpers wird mit­ tels der auch bei der Messung am Prüfling verwendeten Wirbel­ stromsonde ausgemessen und somit ein erfindungsgemäßes Ver­ gleichsmuster erstellt.

Die Fig. 1 zeigt ein solches Vergleichsmuster mit wie darin angegebenen künstlich erzeugten Nuten mit unterschiedlichen Tiefen für eine Nutbreite von z. B. 230 µm. Aufgenommen ist dieses Muster z. B. mit einer Meßfrequenz 2 MHz.

Die Fig. 1a zeigt eine aus Fig. 1 abgeleitete Eichkurve, aufgetragen der Betrag der Widerstandsänderung DIZI über der Nuttiefe (mit 230 und mit 80 µm Nutbreite).

Fig. 2 zeigt die Abwicklung der gekrümmten Oberfläche der im Betrieb Druck-belasteten Seite eines sichtbare Risse aufwei­ senden Schaufelblattes einer schon in Betrieb gewesenen Tur­ binenschaufel.

Dazugehörig zeigt Fig. 3, ebenfalls in Abwicklung, ein an der Turbinenschaufel nach Fig. 2 ermitteltes Meßergebnis, aufgenommen mit derselben Anordnung und Einstellung, mit der das Meßsignalmuster nach Fig. 1 gewonnen wurde.

Fig. 4 zeigt eine Vergrößerung eines Ausschnittes aus Fig. 3.

Fig. 5 zeigt ein Schaltungsprinzip.

Bei den nachfolgend wiedergegebenen und erörterten Messungen und Meßergebnissen ist entgegen der DIN-Vorschrift in - wie bestätigt zuverlässiger Weise - entsprechend erfindungsgemä­ ßer Vereinfachung nur noch die Amplitude des Meßsignals ge­ messen worden. Es hat sich erwiesen, daß es keine wesentliche Abweichung gibt, wenn auf die erschwerende Messung auch der Phase verzichtet wird.

Wie durch Überprüfung mit Testreihen von Schliffbilduntersu­ chungen festgestellt wurde, ist ein Vergleich des Meßergeb­ nisses nach Fig. 3 mit dem Meßergebnis des Musters der Fig. 1 zulässig und verläßlich, obwohl die Risse im Schaufelblatt (Fig. 2) z. B. nur 20 µm breit sind, wohingegen das Muster nach Fig. 1/1a Erosions-Nutbreiten von angegebenen 230 bzw. 80 µm hat. Die Verläßlichkeit des Vergleichs ist bis auf ma­ ximal ± 10% Abweichung gewährleistet. Bei genügend großer Verstärkung der Meßsignale zur Fig. 3 können, wie die prak­ tisch gewonnene Erfahrung zeigt, auch unsichtbare kleinere Risse mit z. B. weniger als 0,2 mm Tiefe erfaßt werden. Die Fig. 3 läßt einen solchen Riß zwischen den beiden Peaks 7 und 8 erkennen, wie dies die Fig. 4 als Ausschnittsvergröße­ rung der Fig. 3 zeigt.

Die Erfahrung mit dem Arbeiten nach der Erfindung hat also gezeigt, daß die alleinige Amplitudenmessung völlig ausrei­ chende Sicherheit der Rißprüfung gewährleistet und auf die ansonsten übliche, aufwendige Berücksichtigung einer Phasen­ lage vorteilhafterweise verzichtet werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit auch von der Oberfläche der Schaufel ausgehende unsichtbare Risse in Tur­ binenschaufeln festgestellt und mit einem verbindlichen Prü­ fergebnis bewertet werden.

Durch Variieren der Meßfrequenz, d. h. Durchführung der Mes­ sungen bei jeweils verschieden groß gewählter Meßfrequenz im KHz- bis MHz-Bereich, kann sichergestellt werden, daß es sich tatsächlich um einen Riß und nicht etwa um eine magnetische Verunreinigung, Gefügeumwandlung und dergleichen und/oder um eine oxidierte Stelle des Metalls handelt, deren Vorhanden­ sein für die eigentliche Rißprüfung und Rißtiefe-Messung nicht von Interesse ist. Solche festgestellten magnetischen und/oder oxidierten Stellen können dann anderweitig bewertet werden.

Zur bei gegebenenfalls zwei oder mehreren unterschiedlichen Meßfrequenzen erfolgenden erfindungsgemäßen Messungen emp­ fiehlt es sich, eine axiale Gradiometer-Meßsonde mit trans­ formatorischer Schaltung oder auch eine Einzelspule in para­ metrischer Schaltung zu benutzen. Bei der transformatorischen Schaltung erfolgen Erregung und Messung mit zwei getrennten Spulen, die vorzugsweise sehr dicht beieinander angeordnet sind. Bei Anwendung der parametrischen Schaltung erfolgen Er­ regung und Messung mit ein und derselben Spule. Auch hier er­ folgt die Erregung mittels einer Generatoreinheit mit Wech­ selstrom mit für die Meßdurchgänge konstanter Amplitude bei jeweiliger vorgegebener Meßfrequenz. Die in dieser Sondenspu­ le induzierte Meßwert-Spannung UM wird ausgewertet.

Weitere allgemeine Einzelheiten bezüglich zu verwendender Tast-/Sondenspulen gehen aus der genannten DIN 54 140 Teil 3, dort insbesondere Seite 3, hervor.

Die Fig. 5 zeigt mit 51 den Wechselstromgenerator und mit 52 die Erregerspule. Die transformatorisch angekoppelte Gradio­ metersonde ist mit 53 bezeichnet. Die Empfangssignal-Verstär­ kung erfolgt mittels des Verstärkers 54. Mittels der Einheit 55, z. B. einem Digital-Oszilloskop, betrieben im Peak-De­ tection-Mode, erfolgt die Amplitudenmessung und das Ausgangs­ signal wird mit dem Drucker 56 ausgedruckt.

Die Wicklungen der Spulen der Gradiometersonde 53 sind z. B. auf ein Aluminiumoxid-Stab mit 0,8 mm Durchmesser aufge­ wickelt. Der Abstand der Wicklungen beträgt ca. 1 mm und der Drahtdurchmesser 30 µm. Es ergibt sich ein Widerstand von ca. 6 Ohm und eine Induktivität von etwa 2 µH. Die Erregerwick­ lung 52 hat z. B. einen Durchmesser von 3,5 mm mit einem Drahtdurchmesser von 50 µm, einen Widerstand von ca. 12 Ohm und eine Induktivität von ca. 56 µH.

Der Gradiometerabgleich erfolgt zweckmäßigerweise an Luft, d. h. ohne Beeinflussung durch (sonstiges) elektrisch leiten­ des Material.

Es empfiehlt sich, siehe Fig. 2, die Detektion von Rissen Nr. 1 bis Nr. 10 in folgender Weise durchzuführen:
Messung, z. B. in etwa parallel einer Kante Ka des Schaufel­ blattes S, auf einer der Spuren A bis J in einem ersten Ab­ stand von dieser Kante. Weiter eine oder vorzugsweise auch mehrere gleichartige Messungen in weiteren der parallelen Spuren A bis J, jedoch mit jeweils anderem Abstand von dieser Kante Ka. Diese Messungen erfolgen bei einer ersten Frequenz. Wiederholung dieser Messungen mit einer anderen Frequenz und ggf. weitere Wiederholung(-en) mit (jeweils) noch anderen Frequenzen. Man wählt dazu Frequenzen in einem Bereich von etwa 50 KHz bis 5 MHz, wobei man entsprechend der Anzahl (z. B. 5 bis 10mal) der obigen Wiederholungen von Messungen bei verschiedener Frequenz die jeweiligen Frequenzwerte in diesem Bereich in z. B. 5 bis 10 Stufen aufgeteilt bemessen auswählt. Dies dient der Unterscheidung von zu detektieren­ den/zu messenden Rissen gegenüber sonstigen, obengenannten Ursachen.

Es empfiehlt sich, wie voranstehend beschriebene Messungen auch in (parallelen) Spuren in einem Winkel zu den Spuren A bis J, z. B. (in der Ebene der Fig. 2) senkrecht dazu, d. h. etwa parallel der Eintrittskante K der Schaufel (diese Kante ist für Risse besonders anfällig), auszuführen.

Die eigentliche Rißtiefenmessung wird dann (in entsprechender Weise) vorzugsweise mit einer der jeweilig verwendeten Son­ denspulen und deren Resonanzfrequenz entsprechend gewählter Meßfrequenz ausgeführt. Diese Frequenz wird vorzugsweise auf etwa 2/3 dieser Resonanzfrequenz bemessen.

Es sei noch folgende Anmerkung gemacht:
Ein vorhandener Riß im Material der Beschichtung und ggfs. des Grundmaterials der Schaufel liefert bei allen Meßfre­ quenzen Signale der gleichen Richtung (Polarität). Treten je­ doch Signale auf, die im Bereich von z. B. ab 200 bis 500 KHz eine Umkehr der Polarität zeigen, beruhen diese Signale auf magnetischem Belag bzw. magnetischer Inhomogenität. Es han­ delt sich dabei in der Regel um nadelförmige Ausscheidungen, die insbesondere in der oben schon erwähnten Schutz-Beschich­ tung entstanden sind und Signale geben, die je nach Meßfre­ quenz negativ oder positiv sind.

Claims (5)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Detektion von Rissen und zur Messung der Rißtiefen in elektrisch leitfähigem Ma­ terial mit wenigstens 0,1 bis 1 m W × cm spezifischem elektrischem Widerstand unter Verwendung einer Meßvor­ richtung mit Wirbelstrom-Tastspulen bei vorgebbarer Meß­ frequenz mit Auswertung, wobei axiale Gradiometer-Meß­ sonden (53) mit transformatorischer Schaltung oder eine Einzelspule in parametrischer Schaltung verwendet sind/ist, mit der Vorgehensweise:
Verwendung/Herstellung eines Kontrollkörpers, bestehend aus gleichem wie dem zu prüfenden Material, mit in dessen einer Oberfläche erzeugten Nuten mit vorgegeben un­ terschiedlichen Tiefen der einzelnen Nuten und vorgebba­ rer Breite derselben,
Durchführung einer Rißtiefenmessung (Fig. 1) an diesem Kontrollkörper zwecks Erstellung einer Eichkurve (Fig. 1a) für die Abhängigkeit der sich jeweils ergebenden Meß­ signal-Amplituden von der jeweiligen Tiefe der erzeugten Nuten,
Messung mit unveränderter Meßanordnung/Wahl der Spule am Prüfling (Fig. 3) zum Erhalt von Meßwerten dieses Prüf­ lings, die mit den Meßergebnissen am Kontrollkörper (Fig. 1)/mit der Eichkurve (Fig. 1a) zur Bestimmung vorliegender jeweiliger Rißtiefe im Material des Prüf­ lings verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit Messungen bei wenigstens zwei soweit voneinander ver­ schiedenen Frequenzen, daß Risse von sonstigen Inhomoge­ nitäten unterscheidbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Gradiometer-Meßsonde (Fig. 5) mit transfor­ matorischer Schaltung.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Meßspule in parametrischer Schaltung.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Wahl der Meßfrequenz für die Rißtiefenbestimmung bei einer Meßfrequenz, die etwa 2/3 der Resonanzfrequenz der verwendeten Sondenspule(n) beträgt.