DE10001516B4 - Zerstörungsfreies Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke einer metallischen Schutzschicht auf einem metallischen Grundmaterial - Google Patents

Zerstörungsfreies Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke einer metallischen Schutzschicht auf einem metallischen Grundmaterial Download PDF

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Abstract

Zerstörungsfreies Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke einer metallischen Schutzschicht (2) auf einem metallischen Grundmaterial (1), wobei die Dicke der metallischen Schutzschicht (2) durch Detektierung einer sich zwischen der metallischen Schutzschicht (2) und dem metallischen Grundmaterial (1) befindenden, andersartigen Schicht (3) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die andersartige Schicht (3) vor dem Auftragen der metallischen Schutzschicht (2) durch Verarmung des metallischen Grundmaterials (1) von Al und Ti innerhalb der obersten 10 μm bis 50 μm des Grundmaterials (1) hergestellt wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft ein zerstörungsfreies Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke einer metallischen Schutzschicht auf einem metallischen Grundmaterial.
  • STAND DER TECHNIK
  • Es ist bekannt, hochbeanspruchte Turbinenschaufeln, beispielsweise Leit- und Laufschaufeln, oder Brennkammerteile einer Gasturbine mit einer Schutzschicht zu versehen, um einen optimalen Schutz des Gasturbinenteils vor mechanischen und thermischen Einwirkungen oder vor Oxidation während des Betriebes der Turbine zu bekommen. Weitverbreitet sind im Stand der Technik Turbinenschaufeln, welche aus einer Nickelbasis-Superlegierung bestehen, es sind aber genau so gut Legierungen auf der Basis eines anderen Metalls denkbar. Als metallische Schutzschicht ist beispielsweise MCrAlY bekannt, wie die Schrift DE 196 09 690 A1 offenbart. M steht dabei für die Metalle Cr, Ni oder Fe. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Beschichtungsverfahren bekannt, um eine Schutzschicht aus MCrAlY aufzutragen. Beispielsweise in den Druckschriften US 4,152,223 oder US 4,246,326 sind Plasma-Sprüh-Verfahren beschrieben, ein elektrisches oder chemisches Aufdampf-Verfahren ist auch möglich. Andere, gleichwertige Verfahren sind ebenso denkbar. Vor der Inbetriebnahme wie zur regelmässigen Wartung einer Beschichtungsanlage müssen jedoch Prozessparameter bei diesen Auftragungsverfahren eingestellt werden, um eine gewisse Schutzschichtdicke auf dem Gasturbinenbauteil zu gewährleisten. Im Stand der Technik ist dazu bekannt, während der Testphase eines Beschichtungsverfahrens und zu Prüfzwecken während des allgemeinen Betriebes die Schichtdicke einer aufgetragenen Schutzschicht durch Zerstörung des Gasturbinenbauteils zu ermitteln, das heißt, dass das Gasturbinenbauteil zerschnitten und durch Laborarbeit analysiert wird (chemisches Ätzen etc.). Messmethoden zur zerstörungsfreien Bestimmung der Dicke von auf ein Substrat aufgebrachten oder sich darauf gebildeten Schichten sind an sich seit langem bekannt.
  • So offenbart die Schrift DE 196 28 220 A1 ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke einer oder mehrerer elektrisch leitfähiger Schichten auf einem Substrat, in diesem Falle einer Oxidschicht auf einem Brennstab, auf Basis der Wirbelstrommesstechnik, indem ein elektromagnetisches Wechselfeld in unmittelbarer Nachbarschaft der zu messenden Schicht erzeugt wird, dieses Feld Wirbelströme in der Schicht induziert, welche wiederum auf das Feld zurückwirken und aus dieser Wechselwirkung auf die Schichtdicke geschlossen werden kann.
  • DE 195 20 788 A1 offenbart ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Schichtdicke von auf ein Substrat aufgetragenen Schichten mittels fotothermischer Mittel, wobei gepulste Lichtstrahlen auf die Schicht gerichtet werden und mittels eines fotothermischen Detektors der Temperaturanstieg über die Zeit erfasst wird.
  • Zerstörungsfreie Messmethoden anzuwenden, war bislang jedoch aufgrund der Gleichartigkeit des metallischen Grundmaterials und der metallischen Schutzschicht nicht möglich. Die Laborarbeit ist zum einen generell sehr zeitaufwendig und auch arbeitsintensiv, was an sich schon einen Nachteil darstellt, zum anderen muss das Gasturbinenbauteil zerschnitten werden und kann danach nicht mehr verwendet werden, was einen weiteren Nachteil bedeutet.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung will hier Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zerstörungsfreies Verfahren zu schaffen, um die Schichtdicke einer metallischen Schutzschicht auf einem metallischen Grundmaterial zu messen. Mit Vorteil soll es sich um ein Gasturbinenbauteil handeln, welches nach der Messung weiter verwendet werden kann und nicht weggeworfen werden muss.
  • Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Dicke der metallischen Schutzschicht durch Detektierung einer sich zwischen der metallischen Schutzschicht und dem metallischen Grundmaterial befindenden, andersartigen Schicht bestimmt wird, indem im oberflächennahen Bereich des Grundmaterials vor dem Auftragen der metallischen Schutzschicht eine an Al und Ti verarmte Schicht geschaffen wird. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Gasturbinenbauteil nach Ermittlung weiter verwendet werden kann, da die Elemente Al und Ti durch Diffusion aus Grundmaterial und Schutzschicht wieder ersetzt werden. Dieses kann auch im Rahmen der nachgeschalteten Diffusion-Wärmebehandlung geschehen. Zur besseren Detektierbarkeit kann das Grundmaterial auch zusätzlich bestrahlt werden.
  • Vorteilhaft können mit der vorliegenden Erfindung aus dem Stand der Technik bekannten Methoden wie Ultraschall, (Puls-)Thermographie oder Wirbelstromtechnik für die Schichtdickenmessung eingesetzt werden, da die zwischen den beiden metallischen Materialien liegende Schicht einen ausreichend grossen Kontrast für eine Messung gibt und so die Messung zerstörungsfrei ermöglicht wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemässe Ausführungsform eines metallischen Grundmaterials mit einer metallischen Schutzschicht und einer sich dazwischen befindenden andersartigen Schicht.
  • Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt.
  • WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein zerstörungsfreies Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke einer metallischen Schutzschicht 2 auf einem metallischen Grundmaterial 1. Dies ist in der einzigen Figur dargestellt. Es kann sich bei dem Grundmaterial 1 beispielsweise um eine Turbinenschaufel oder um ein anderes Element einer Gasturbine handeln, welches aufgrund seiner thermischen oder mechanischen Belastungen, denen es ausgesetzt ist, mit einer metallischen Schutzschicht 2 versehen werden muss. Turbinenschaufeln sind beispielsweise aus einer Nickelbasis-Superlegierung hergestellt, als metallische Schutzschicht ist allgemein MCrAlY aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Erfindungsgemäss wird zwischen dem metallischen Grundmaterial 1 und der metallischen Schutzschicht 2 eine andersartige Schicht aufgebracht, um eine Detektierbarkeit für die Messmethode, mit welcher die Schichtdicke gemessen werden soll, zu ermöglichen. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche, zerstörungsfreie Messverfahren bekannt. Zur Messung der Schichtdicke gemäss der vorliegenden Erfindung kann Ultraschall, (Puls-)Thermographie oder auch ein Wirbelstrommessverfahren angewendet werden.
  • Es ist möglich, eine andersartige Schicht 3 folgendermassen herzustellen:
    Die andersartige Schicht 3 ist durch Verarmung eines oberflächennahen Bereichs des Grundmaterials 1 an den Elementen Al oder Ti in einer Tiefe von 10 μm–50 μm zu erreichen. Eine solche verarmte Schicht 3 kann mit aus dem Stand der Technik bekannten Methoden einfach hergestellt werden. So ist beispielsweise ein FIC (Flour Ion Gas Cleaning)-Prozess allgemein bekannt. Zur Detektierung der verarmten Schicht 3 eignet sich insbesondere Pulsthermographie. Solche Messungen können in einem Frequenzbereich von grösser 16 kHz durchgeführt werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sich die an Al und Ti verarmte Schicht 3 während der routinemässigen Diffusions-Wärme-Behandlung, welche der Beschichtung folgt, durch Diffusion aus der metallischen Schutzschicht 2 und dem metallischen Grundmaterial 1 wieder auffüllt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einer Verarmung an den Elementen Al, Ti, können nicht nur Turbinenschaufeln zu Testzwecken geprüft werden, sondern auf einfach Weise prinzipiell alle hergestellten Turbinenschaufeln im Rahmen des normalen Herstellungsverfahrens.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Metallisches Grundmaterial
    2
    Metallische Schutzschicht
    3
    Andersartige Schicht

Claims (7)

  1. Zerstörungsfreies Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke einer metallischen Schutzschicht (2) auf einem metallischen Grundmaterial (1), wobei die Dicke der metallischen Schutzschicht (2) durch Detektierung einer sich zwischen der metallischen Schutzschicht (2) und dem metallischen Grundmaterial (1) befindenden, andersartigen Schicht (3) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die andersartige Schicht (3) vor dem Auftragen der metallischen Schutzschicht (2) durch Verarmung des metallischen Grundmaterials (1) von Al und Ti innerhalb der obersten 10 μm bis 50 μm des Grundmaterials (1) hergestellt wird.
  2. Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die andersartige Schicht (3) mittels eines FIC (Fluor Ion Cleaning)-Prozesses hergestellt wird.
  3. Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der metallischen Schutzschicht (2) durch Thermographie bestimmt wird.
  4. Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der metallischen Schutzschicht (2) durch Ultraschall bestimmt wird.
  5. Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der metallischen Schutzschicht (2) durch Wirbelstrommesstechnik bestimmt wird.
  6. Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (1) ein Gasturbinenbauteil ist und es sich bei der metallischen Schutzschicht (2) um MCrAlY handelt.
  7. Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (1) eine Turbinenschaufel ist, welche aus einer Nickelbasis-Superlegierung besteht, und es sich bei der metallischen Schutzschicht (2) um MCrAlY handelt.
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