CN1682013A

CN1682013A - 无损检验构件和制造燃气轮机叶片的方法

Info

Publication number: CN1682013A
Application number: CNA038216124A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·贝克; 拉尔夫·赖歇; 罗尔夫·威尔肯霍纳
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: EP1394360A1; US7521926B2; EP1530669B1; CN100386503C; WO2004027217A1; ES2278177T3; US20060001420A1; EP1530669A1; DE50305912D1

Abstract

本发明涉及一种无损检验构件(5)的方法，其中，借助涡流探伤法来查明构件(5)靠近表面的区域(9)中是否存在碳化物被氧化后或基础材料被硫化后形成的被侵蚀区(9)。由此，尤其在对燃气轮机叶片进行费力的清洁和涂层工序前就可挑选出不合格叶片。

Description

无损检验构件和制造燃气轮机叶片的方法

本发明涉及一种无损检验构件的方法。本发明还涉及一种制造燃气轮机叶片的方法。

WO 97/23762公开了一种层厚测量方法，它的出发点是在基本材料上存在一个导电层，在这种情况下层与基本材料的电导率必须是不同的。层与基本材料电导率之比限于比值为0.7至1.5。此外，尤其使用在1.5至3.5MHz范围内的交变电流。

GB 227975A1说明了用于有高的导磁率的材料表面附近区域内的电导率测量，人们只能在磁饱和的情况下检验导磁率。

US-PS 5793206介绍了一种用于层厚测量的测量探头。

这些方法或探头的缺点是，它们只能确定层厚。

在H.Blumenauer所著的书“Werkstoffpruefung”(第5版，VEB德国原料工业出版社，Leipzig 1989)中介绍了用涡流法的无损材料检验。这种方法基于当金属试件置入一个流过交流电的线圈的作用区内时，它的交变电磁场发生变化。通过线圈的一次场在要检测的试件中感应一个交流电压，交流电压本身产生一个交变电流，交变电流又产生一个交变磁场。此二次交变场的特征是与一次场反向作用并因而改变其参数。这种改变可通过测量技术检测。为此例如在具有一次和二次绕组的线圈内测量二次电压(变压器原理)。或例如在只有一个绕组的线圈中确定其阻抗(参量原理)。按照在交流电路内适用的定律，通过在线圈内和试件内的感应，在参量配置时除了欧姆电阻外还产生一个感应电阻，以及在变压器配置时除了实的测量电压外还产生一个虚的测量电压。这两个部分以复数的形式体现在阻抗平面内或复合的电压平面内。在这两种例子中，无损材料检验利用了这种效应，即，一次场的改变取决于试件的物理和几何特性以及设备的特性。设备的特性尤其是频率、电流强度、电压和线圈的圈数。试件的特性尤其是电导率、导磁率、试件形状以及在涡流区内的材料不均匀性。用于感应式检验的新型设备允许在多种激励频率的情况下测量。为此例如在测量期间频率可以自动改变，或者在两次测量期间由使用者手动地调整频率。频率对于涡流的渗入深度有重要的影响。近似式为：

δ = \frac{503}{\sqrt{f \cdot σ \cdot μ_{r}}}

δ[mm]渗入深度，

f[Hz]频率，

σ[MS/m＝m/[(Ωmm²)]专用电导率，

μ_r相对导磁率

标准渗入深度随频率增大而减小。

在G.Dibelius，H.J.Krischel和U.Reimann的论文“Non-Destructive Testingof Corrosion Effect on High Temperature Protective Coatings”(VGBKraftwerkstechnik 70，1990，Nr.9)中，介绍了一种无损检验燃气轮机叶片保护层内的腐蚀过程。镍基保护层的测量方法是基于在腐蚀过程中改变的铁磁性，也就是说材料有一种非常高的相对导磁率(＞100-1000)，测量保护层内的导磁率。在铂-铝保护层系统的情况下，讨论涡流探伤的可能性。根据测得的信号大小可以推断出保护层的层厚。

在M.J.Woulds的论文“How to cast Cobalt-Based Superalloys”(发表在Precision Metal，1969年4月，第46页)中以及在M.J.Woulds和T.R.Cass的论文“Recent Developnent in MAR-M Alloy 509”(Cobalt，Nr.42，3至13页)中，介绍了在铸造构件如燃气轮机叶片时，可能导致正在凝固或已经凝固的构件表面与铸型材料化学化应。在这种情况下可例如导致铸件内的碳化物氧化。这种过程在这里也称为“内部碳化物氧化”，即ICO。形成ICO的后果是减少了增强合金晶界的碳化物。

尤其在燃气轮机叶片表面附近的区域内，这会导致严重削弱材料。这些合金通常通过真空铸造浇铸。氧化所需的氧来自铸型的材料，例如二氧化硅、二氧化锆或氧化铝。由此在晶界上形成氧化钼。原始的碳化物例如转换为富锆、富钛或富钽的氧化物。含有氧化的碳化物的区域深度取决于一些参数，如合金内的含碳量、铸型材料和铸造合金的成分，或还有冷却速度。典型地，一个这种含氧化物的层可以约100至300μm厚。为了控制质量值得追求的是，能查明氧化的碳化物影响机械性能的氧化区。为达到此目的迄今不可能是无损的。

镍基和钴基合金在某些环境条件下倾向于形成一种腐蚀形式，即所谓高温腐蚀(HTK)。从材料学的观点看是在基本材料晶界处延伸的复合硫化。由于上述HTK削弱了构件承力截面。了解HTK侵蚀深度是重要的，以便能评估构件的工作可靠性和剩余寿命，并能决定是否可能进行处理(例如整修燃气轮机叶片)。

因此本发明的目的是提供一种测量方法，用它也可以检定构件尤其沿晶界形成的高温腐蚀(侵蚀区)。此外，本发明另一个目的是提供一种制造燃气轮机叶片的方法，在此方法中，在燃气轮机叶片的基体上涂覆一防腐蚀层，以及防腐蚀层的质量特别高和使用寿命特别长。

这些目的按本发明通过按权利要求1或10的方法达到。本发明有利的进一步发展由从属权利要求给出。

按本发明针对构件无损检验方法的目的通过一种利用两种不同测量频率的无损检验的方法达到。

按本发明针对制造方法的目的通过一种用于制造燃气轮机叶片的方法达到，按此方法，铸造燃气轮机叶片的基体，为了施加防腐蚀层净化和活化基体表面，接着涂覆防腐蚀层，其中，在铸造后和净化及活化前，借助涡流探伤装置检验表面是否存在氧化碳化物的氧化区。

正是在燃气轮机叶片中，重要的是在高温和高机械负荷作用下基本材料有基本上无缺陷的组织。因此，在此领域中有关含ICO或腐蚀区的质量检验有十分重要的意义。

优选地，合金是镍或钴基超级高温合金。这种超级高温合金在燃气轮机结构中是众所周知的，其特征主要在于特别高的热稳定性。但恰恰是这种超级高温合金，在铸造时倾向于与铸型的氧化学反应，并在这种情况下形成已提及的ICO区。

在燃气轮机叶片中往往采用涂覆在基体上的防腐蚀层。在这里，基体优选地由镍或钴基超级高温合金构成。此外优选的是保护层由MCrAlY类型的合金组成，其中M从元素组(铁、钴、镍)中选择，Cr是铬，Al是铝以及Y是钇选自元素组(钇、镧、稀土元素)。这种保护层要求对基体的表面进行预处理，以保证在基体与保护层之间持久地粘附。与为了与保护层良好连接而活化表面的同时实施的恰当的净化过程是一种阴极真空喷镀过程，在此过程中离子在基体表面上加速以及此表面在这种情况下借助离子的功能净化和活化。试验表明，在表层内的ICO区阻碍基体表面恰当地净化和活化。通过阴极真空喷镀过程不能清除ICO区。它们通常是露天的，因为金属或部分覆盖它们的脏物首先被清除，而不是氧化物本身。这导致严重影响保护层在叶片基体上的粘附能力。

为了对于燃气轮机叶片在昂贵的净化和镀层过程前已经能作出判断，在基体表面是否存在含ICO区，采用涡流探伤。因此现在人们第一次有能力廉价地已经在准备阶段便能通过打磨过程净化含ICO区的叶片或已经在准备阶段进行挑选。然后，已成功净化的叶片或从一开始就没有ICO区烦扰的叶片加上保护层，这优选地通过等离子喷镀实现。

基体超级高温合金的成分优选地如下(按重量百分比的数据)：24％铬、10％镍、7％钨、3.5％钽、0.2％钛、0.5％锆、0.6％碳以及其余是钴。这种合金还有商标名为MAR-M 509。

下面借助附图举例详细说明本发明。附图部分示意和未按尺寸比例地表示：

图1表示一种为燃气轮机叶片检验ICO区的方法；

图2表示一个有可看到的ICO区的燃气轮机叶片；

图3表示通过有ICO层的燃气轮机叶片基体的部分纵剖面；

图4表示按本发明的方法获得的测量曲线；

图5示意表示已侵蚀的构件表面附近的区域；以及

图6表示用于按本发明的方法的探头举例。

在不同的附图中相同的符号有同样的含义。

出人意料地表明，侵蚀区，尤其氧化碳化物(ICO，见前面)的氧化区或硫化的基本材料的腐蚀区，通过涡流探伤可以有足够精度地检定。这种涡流探伤如上面已详细说明的那样主要基于在侵蚀区或ICO区内与基本材料不同的电导率。此外，试验还能证明，这种方法的灵敏度甚至足以确定已存在的含ICO区的深度(例如层状结构或直至存在一定的层厚)。如上面已说明的那样，涡流探伤需要不同的激励频率(测量频率)。在频率恰当地低时，涡流在含ICO的区域内的传播可以忽略不计，所以测量仅由基本材料的特性决定。在过渡区内通过涡流不仅在无干扰的基本材料内而且在含ICO的区域内均引起初级电场的改变。因此出现作为激励频率的函数的测量参数(例如电导率或导磁率)一种确定的过渡。通过频率与涡流场的渗入深度的相关性，得知在该频率下主要影响含ICO的层，便可以确定含ICO区的深度。

图1示意表示一种借助涡流检测法无损检验构件5尤其燃气轮机叶片1的方法。燃气轮机叶片1有一个表面3。在表面3的部分区内施加保护层7，为了完整起见在图1中画上了保护层7，实际上保护层7的施加要在完成涡流检验后才实施。在表面3内，在燃气轮机叶片1浇铸时，由于在铸造过程中与图中未表示的铸型化学反应形成侵蚀区，例如腐蚀区9或氧化碳化物的氧化区9。通过与铸型中含的氧化学反应，在此腐蚀区9或氧化区9内碳化物转化为氧化物。同样，在表面3内例如在使用中由于高温腐蚀形成硫化的基本材料的腐蚀区9。

这一方面导致降低基体材料在此区域的强度，因为失去了碳化物固化晶界的作用。另一方面这带来的后果是，在借助真空喷镀施加保护层7前完成的净化和活化过程在腐蚀区9内没有效果。因此严重影响保护层7在基体5上的粘附作用。

为了在昂贵的净化和镀层过程前已经查清有妨碍的腐蚀区9，采用涡流探伤法。为此，涡流探头11在表面3上移动，它直接支靠在表面3上。在柔性的塑料支座15上设电线圈13，通过它们借助流过线圈13的高变电流产生一个磁场。磁场在表面3内感应电流，它们又通过其磁场反馈到线圈13内。这一反馈作为信号19可在计算机17上看出，计算机17与此涡流探头11连接。尤其取决于电导率，但也与在涡流探头11区域内材料的导磁率有关，得出强度不同的信号19。由于在腐蚀区9内不同的电导率和导磁率，可以借助涡流探头11检测出腐蚀区9。

此外，通过在涡流探头11交变场内改变频率，实施腐蚀区9的深度确定。由此第一次可以无损检定腐蚀区(ICO)9。这有非常突出的成本方面的优点，因为其结果是叶片在昂贵的净化和镀层过程前已经能规整地打磨或挑选。

图2表示在借助阴极真空喷镀净化和活化过程后在燃气轮机叶片1中变得能看出的ICO区9。此ICO区9尤其集中在叶身21与固定区23之间的一个过渡区内。

图3在纵剖面内表示在构件5的表面3上一个ICO区9的结构。构件5同前面已提及的MAR-M 509钴基超级高温合金制成。ICO层的厚度约为100μm。

图4表示用按本发明的方法得到的测量曲线。确定了导磁率μ(和由此相对导磁率μ_r)或电导率(σ)与频率f的关系。所使用的材料有非常小的约等于1(1.001)或最大1.2的导磁率μ_r。

测量探头(图6)安放在基本材料或底物上，然后在500kHz至35MHz范围内改变频率f。频率越高，通过涡流造成的相互作用体积越小。

例如测量至少两个测量点20。当低的频率f时相互作用体积很大，所以测量的几乎仅仅是基本材料的特性，以及这些参数在表面附近区域内的变化可以忽略不计。这种类型的测量与用一种未受腐蚀的基本材料的测量类似。也就是说基本材料的测量曲线23已经通过唯一的一个测量点确定，因为它提供了一条与频率轴线的平行线。不过也可以记录更多的测量点20用于确定此平行线。

在用低的频率f，也就是说在只提供底物特性的大的相互作用体积(渗入深度)的情况下开始后，进一步提高频率f(第二个测量点)，由此减小了相互作用体积。该相互作用体积如此之小，以致它仅仅处于构件5表面3的区域内。恰恰在此区域内例如偶然或非常频繁地存在侵蚀的，亦即腐蚀的、氧化的或硫化的区域。此侵蚀区的导磁率或电导率是变化的并导致构件5测量曲线26的偏离。

由此在一次频率扫描中可以确定基本材料的特性和腐蚀区的位置和大小。要检查的区域必须不处于磁饱和状态。

图5表示受腐蚀的构件表面附近的区域。从表面3出发存在晶界32，它们已被氧化、腐蚀或以其他方式侵蚀。这也可以是氧化的离析。同样，在表面3的区域内也可能存在孔35，在孔中的材料已经从表面3剥落。在相应地选择足够高的频率f时，使相互作用的体积38正好构成腐蚀区9的边界。这一测量信号在很大程度上受腐蚀的晶界32和孔35的影响。这一改变用测量信号记录下来并表示存在构件或底物的缺陷。

图6表示一个适用于此测量方法的探头11。励磁线圈44和信号线圈47蛇曲地布置在底物或薄膜50上。线圈近似的布局和工作方式可参见US-PS 5793206。应强调指出在本申请的公开内容中吸收了此专利文件。与迄今使用的这种探头(层厚测量)相比，线圈11加载不同的频率f，如在图4中已说明的那样。

Claims

1.一种无损检验构件(5)，尤其是燃气轮机叶片(1)的方法，其中，借助涡流探伤法来查明构件(5)已侵蚀的区域(9)，其特征为：采用至少两种不同的测量频率(f)来进行涡流探伤测量，在此，所述构件(5)和区域(9)不含铁磁性的材料。

2.一种无损检验构件(5)，尤其是燃气轮机叶片(1)的方法，其中，借助涡流探伤法来查明构件(5)已侵蚀的区域(9)，其特征为：采用至少两种不同的测量频率(f)来进行涡流探伤测量，在此，首先使用一低的频率(f)，然后使用一高的频率。

3.一种无损检验构件(5)，尤其是燃气轮机叶片(1)的方法，其中，借助涡流探伤法来查明构件(5)已侵蚀的区域(9)，其特征为：采用至少两种不同的测量频率(f)来进行涡流探伤测量，在此，在进行一频率扫描时，频率(f)连续地从一低频率(f)变化到一高频率(f)。

4.按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征为：所述构件(5)表面附近的碳化物被氧化后形成的氧化区(9)构成所述侵蚀区(9)。

5.按照权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征为：所述构件(5)用一种含碳化物的合金制成。

6.按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征为：所述构件(5)用一种镍基或钴基超级高温合金制成。

7.按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征为：所述构件(5)表面附近的硫化区(9)形成所述侵蚀区(9)。

8.按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征为：采用带有蛇曲形线圈的测量探头。

9.按照权利要求1、2、3或6所述的方法，其特征为：所述构件(5)的相对导磁率小于或等于1.2。

10.按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征为：所述用于涡流探伤的频率(f)处于500kHz至35MHz的范围内。

11.按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征为：将一用于涡流探伤的测量探头(11)直接放置在所述构件(5)的表面(3)上。

12.一种制造燃气轮机叶片的方法，其中，铸造燃气轮机叶片(1)的基体(5)，为了施加防腐蚀层(7)净化和活化基体(5)的表面(3)，以及接着涂覆防腐蚀层(7)，其特征在于，在铸造后及净化和活化前，借助涡流探伤法检验表面(29)是否存在侵蚀区。

13.按照权利要求12所述的方法，其特征为：采用至少两种不同的测量频率(f)来进行所述涡流探伤。

14.按照权利要求12所述的方法，其特征为：所述基体(5)用镍基或钴基超级高温合金制造。

15.按照权利要求12所述的方法，其特征为：所述防腐蚀层(7)或构件(5)至少部分用MCrAlY类型的合金制成，其中M选自元素组(Fe、Co、Ni)、Cr是铬、Al是铝以及Y选自元素组(Y、La、稀土元素)。

16.按照权利要求1、2、3或12所述的方法，其特征为：所述侵蚀区(9)有低的电导率。

17.按照权利要求1或12所述的方法，其特征为：首先使用一低的频率(f)，然后用一高的频率(f)。

18.按照权利要求12所述的方法，其特征为：在进行频率扫描时，所述频率(f)连续地从一低频率(f)变化到一高频率(f)。

19.按照权利要求1、2、3或12所述的方法，其特征为：在第一个工艺步骤中测量基本材料的测量参数，以及在下一个工艺步骤中测量侵蚀区的测量参数。

20.按照权利要求19所述的方法，其特征为：所述测量参数在涡流探伤期间随频率(f)改变。

21.按照权利要求19所述的方法，其特征为：所述测量参数是导磁率(μ)或电导率(σ)。