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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Detektieren von Rissen
in einer Oberfläche.
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Ein
derartiges Messverfahren ist beispielsweise unter der Bezeichnung
Magnaflux-Messverfahren bekannt. Bei diesem Verfahren wird zur Bestimmung
von Rissen in einem aus einem magnetisierbaren Material bestehenden
Element innerhalb des Elements ein Magnetfeld erzeugt. Anschließend wird
Eisenpulver auf die Oberfläche des Elements aufgebracht.
Im Bereich von Rissen in der Oberfläche des Elements kommt
es zu einer Magnetfeldverstärkung aufgrund von Felddiskontinuitäten,
so dass sich das Eisenpulver bevorzugt in den Rissbereichen sammelt.
Durch visuelles bzw. optisches Detektieren der Eisenpulveransammlungen
wird anschließend der Ort von Rissen festgestellt.
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Ein
entsprechendes Verfahren ist beispielsweise auch in dem Abstract
zur
japanischen Patentanmeldung
mit der Anmeldenummer 2001131902 beschrieben. Bei diesem
Verfahren wird ein elektrischer Strom in ein Stahlelement eingespeist,
wodurch im Bereich von Rissen des Stahlelements ein Magnetfeld entsteht.
Dieses Magnetfeld zieht Eisenpulver an, so dass sich im Rissbereich
Eisenpulver sammelt, das wiederum optisch detektiert wird.
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Wie
sich den obigen Erläuterungen entnehmen lässt,
erfordern die bisher bekannten Risserkennungsverfahren stets, dass
das Element, in dem die Risse erkannt werden sollen, selbst magnetisch
ist. Eine Risserkennung bei nichtmagnetischen Oberflächen
ist mit den beschriebenen Verfahren nicht möglich. Auch
ist eine Risstiefenbestimmung nicht möglich, weil das Material
den Rissbereich füllt und die Risstiefe demgemäß nicht
erkennbar ist.
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Der
Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren anzugeben, das eine Risserkennung auch bei nichtmagnetischen
Oberflächenmaterialien, beispielsweise bei nichtmagnetischen
Schutzschichten, ermöglicht und darüber hinaus
auch eine Risstiefenbestimmung technisch möglich macht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach
ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Messen von
Rissen in einer Oberfläche eines nichtmagnetisierbaren
Materials vorgesehen, wobei auf der Oberfläche Teilchen
aus einem magnetisierbaren Material aufgetragen werden und anschließend
mit Hilfe eines magnetischen Messverfahrens bestimmt wird, ob und
an welchen Stellen die Teilchen in Risse des nichtmagnetisierbaren
Materials eingedrungen sind. Unter Teilchen aus einem magnetisierbaren
Material sind hierbei Teilchen zu verstehen, deren Material leichter
magnetisierbar ist als das nichtmagnetisierbare Material, in dem
Risse aufgefunden werden sollen.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist darin zu sehen, dass bei diesem die Risserkennung durch eine
magnetische Messung erfolgt, wodurch sich auch sehr schmale und
tiefe Risse sehr viel zuverlässiger als bei den bisherigen
optischen Messverfahren erkennen lassen. Insbesondere bei schmalen
Rissen besteht nämlich das Problem, dass diese durch die
Teilchen auch verdeckt werden können und somit unter Umständen optisch
nur noch schlecht oder gar nicht erkennbar sind; bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren besteht dieses Problem nicht, da die Teilchen auch innerhalb der
Risse erkannt werden können, weil sie nämlich auch
innerhalb der Risse das magnetische Verhalten der ansonsten unmagnetischen
Oberfläche verändern und somit sogar unterhalb
der Oberfläche aufspürbar sind.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens – gerade im Hinblick auf die eingangs beschriebenen
Verfahren, bei denen magnetisierbare Teilchen auf eine magnetische Oberfläche
aufgetragen werden – besteht darin, dass nicht nur die
Existenz von Rissen erkannt werden kann, sondern – sofern
gewünscht – auch die Risstiefe ermittelbar ist.
Setzen sich nämlich die magnetisierbaren Teilchen innerhalb
der Risse ab und füllen sie diese vom Rissboden bis zur
Oberfläche auf, so kann bei entsprechender Ausgestaltung
des magnetischen Messverfahrens – wie weiter unten noch
näher beschrieben wird – auch die Risstiefe gemessen werden.
Dies ist möglich, da die magnetischen Teilchen in einem
nichtmagnetischen Oberflächenmaterial auch tief vergraben
(senkrecht zur Oberfläche gesehen) eine magnetisch detektierbare
Materialveränderung hervorrufen.
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Um
auch sehr feine Risse erkennen zu können, wird es als vorteilhaft
angesehen, wenn als Teilchen Nanopartikel aus einem magnetisierbaren
Material auf der Oberfläche aufgetragen werden. Bei Nanopartikeln
handelt es sich um Partikel, die eine Partikelgröße
im Nanometerbereich (1 nm bis 1000 nm) aufweisen sowie meistens
chemische und physikalische Eigenschaften zeigen, die sich von denen
ihres Partikelmaterials als solchem unterscheiden. Die unterschiedlichen
Eigenschaften der Nanopartikel beruhen auf der relativ großen äußeren
Oberfläche relativ zu ihrem Volumen. Bei der Risserkennung zeichnen
sich Nanopartikel dadurch aus, dass sie aufgrund ihrer sehr kleinen
Größe auch in sehr schmale Risse mit einem großen
Aspektverhältnis sehr tief eindringen können und
somit auch solche Risse erkennbar bzw. messbar werden lassen. Auch gleiten
Nanopartikel aufgrund ihrer Oberflächenbeschaffenheit leichter
in Risse ein, weil deren Reibungsverhalten günstiger ist
als bei größeren Partikeln.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass
mit dem magnetischen Messverfahren nicht nur die Existenz von Rissen
erkannt, sondern auch deren Tiefe bestimmt wird, indem gemessen
wird, bis zu welcher Tiefe ein durch das magnetische Messverfahren
erzeugtes Magnetfeld in das nichtmagnetisierbare Oberflächenmaterial
eindringt.
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Besonders
geeignete Teilchenmaterialien zur Risserkennung und/oder Risstiefenmessung
sind folgende: magnetisches Keramikmaterial, Fe8O2-haltiges Material, Material der 1,4,7-Triazacyclononane-Materialgruppe,
Fe8O2(OH)12(1,4,7-Triazacyclononane)6Br8·9H2O und
Hexaferritmaterialien.
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Im
Hinblick auf die Durchführung des magnetischen Messverfahrens
wird es im Übrigen als vorteilhaft angesehen, wenn ein
Magnetfeld erzeugt und in die Oberfläche eingekoppelt wird,
der magnetische Widerstand des nichtmagnetisierbaren Materials oder
eine mit diesem Widerstand unmittelbar oder mittelbar zusammenhängende
Messgröße ortsabhängig gemessen wird
und auf das Vorliegen eines Risses an einer bestimmten oder vorgegebenen
Stelle der Oberfläche geschlossen wird, wenn der magnetische
Widerstand oder die Messgröße dort eine Magnetfelderhöhung
innerhalb des nichtmagnetisierbaren Materials anzeigen. In entsprechender
Weise wird vorzugsweise auch die Risstiefe bestimmt.
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Als
magnetische Messverfahren besonders geeignet sind beispielsweise
Wirbelstrommessverfahren, mit denen ein magnetisches Wechselfeld
erzeugt und in das nichtmagnetisierbare Material eingekoppelt wird.
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Zur
Wirbelstrommessung können beispielsweise Sensoren eingesetzt
werden, die eine meanderförmige Leiterstruktur zur Magnetfelderzeugung und
eine dazu komplementäre meanderförmige Leiterstruktur
zur Magnetfeldmessung aufweisen. Geeignete Wirbelstrommesseinrichtungen
dieser und anderer Art werden beispielsweise von der Firma JENTEC
Sensors, 110-1 Clematis Avenue, Waltham, MA 02453, USA, vertrieben.
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Mit
Magnetmessverfahren lässt sich derzeit eine Messauflösung
von bis zu 3 mm Messtiefe erreichen, was für Messanwendungen
beispielsweise für die Risserkennung in Hitzeschildplatten
oder thermischen Schutzschichten von Maschinenelementen im Allgemeinen
völlig ausreichend ist, da dort Risstiefen üblicherweise
lediglich zwischen ca. 2 und 500 μm betragen.
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Die
Tiefe von Rissen lässt sich beispielsweise ausmessen, indem
bei der Durchführung des Magnetmessverfahrens die Messfrequenz
bzw. die Anregefrequenz des erzeugten Magnetfeldes geändert wird;
denn bei niedrigen Frequenzen dringt ein Magnetfeld tiefer in die
Oberfläche ein als bei hohen Frequenzen, bei denen Magnetfelder
nur sehr oberflächennah erzeugt werden. Wird nun die Messfrequenz
während der Messung variiert, so kann eine zu charakterisierende
Schicht in der Tiefe – also vertikal zu Oberfläche
gesehen – sehr genau abgetastet werden.
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Auch
kann das Magnetfeld mit einer supraleitenden Quanteninterferenzeinheit
(SQUID: Superconducting QUantum Interference Device) erzeugt werden,
wie sie beispielsweise von Raster- SQUID-Mikroskopen bekannt ist.
Die Funktionsweise einer Quanteninterferenzeinheit basiert im Allgemeinen
auf dem Effekt der Flussquantisierung in supraleitenden Ringen und
dem so genannten Josephson-Effekt.
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Im
Hinblick auf die Vermeidung von Gesundheitsrisiken wird es als vorteilhaft
angesehen, wenn beim Einsatz des beschriebenen Messverfahrens die Teilchen
in oder gemeinsam mit einer Flüssigkeit aufgetragen werden,
insbesondere gelöst, ungelöst, in einer Suspension,
oder in einer Aufschlämmung. In dieser Weise lässt
sich vermeiden, dass die Teilchen versehentlich eingeatmet werden.
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Vorzugsweise
werden Risse und Risstiefen in Hitzeschildplatten oder in thermischen
Schutzschichten von Maschinenelementen gemessen. Beispielsweise
kann das Verfahren zum Messen von Rissen und Risstiefen in einer
thermischen Schutzschicht eines Turbinenelements, insbesondere einer Turbinenschaufel,
eingesetzt werden.
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Besonders
bevorzugt werden Risse und Risstiefen in TBC(Thermal barrier coating)-Schichten,
beispielsweise Zirkonoxid-Keramikschichten mit säulenförmiger
Struktur, oder in Schichten aus MCrAlY-Material (Metallmatrixmaterial
auf der Basis von Chrom, Aluminium und Yttrium) detektiert, indem Teilchen
aus einem magnetisierbaren Material auf solche Schichten aufgetragen
werden und anschließend mit Hilfe eines magnetischen Messverfahrens bestimmt
wird, ob und an welchen Stellen die Teilchen in Risse dieser Schichten
eingedrungen sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
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1 eine
Turbinenschaufel mit einer Schutzbeschichtung,
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2 die
Turbinenschaufel gemäß der 1 in einem
Querschnitt,
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3 die
Turbinenschaufel gemäß der 1 nach einem
Aufbringen von Nanopartikeln und
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4 die
Turbinenschaufel gemäß der 1 während
einer Rissmessung.
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In
den Figuren werden aus Gründen der Übersicht für
identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen
verwendet.
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In
der 1 erkennt man eine Turbinenschaufel 10 mit
einem Schaufelblatt 20 sowie einem Fuß 30 in
einer dreidimensionalen Darstellung. Das Schaufelblatt 20 der
Turbinenschaufel 10 besteht aus einem magnetisierbaren
Material 35 (vgl. 2) und ist
mit einer Schutzbeschichtung 40 aus einem nichtmagnetisierbaren
Material 45 (vgl. 2) versehen.
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Bei
dem magnetisierbaren Material 35 des Schaufelblatts 20 kann
es sich beispielsweise um Inconel (Ni-Cr-Legierungen, wie sie zum
Beispiel in der Druckschrift „Corrosion-resistant Nickel
alloys" (Advanced Materials & Processes, Juni 2007, Seiten 37 bis
39) im Detail beschrieben sind) oder um Co-basierte Einkristalle
handeln oder auch um ein Material, das Inconel oder Co-basierte
Einkristalle zumindest auch enthält.
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Die
Schutzbeschichtung 40 kann beispielsweise aus Keramik oder
aus TBC(Thermal Barrier Coating)-Material auf der Basis einer säulenförmigen Zirkonoxid-Keramikschicht
oder aus MCrAlY-Material (Metallmatrixmaterial auf der Basis von Chrom,
Aluminium und Yttrium) bestehen. Der Fuß 30 der
Turbinenschaufel 10 ist vorzugsweise unbeschichtet.
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Außerdem
erkennt man in der 1 Risse, die mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet
sind.
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In
der 2 ist ein Abschnitt der Turbinenschaufel 10 im
Querschnitt gezeigt. Man erkennt in der Oberfläche 60 die
Risse 50, von denen beispielhaft drei dargestellt sind.
Außerdem ist zu sehen, dass die Risse 50 unterschiedliche
Breiten x0 und unterschiedliche Tiefen y0 aufweisen können.
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In
der 3 ist die Turbinenschaufel 10 dargestellt,
nachdem Nanopartikel 80 aus einem magnetisierbaren Material
abgeschieden worden sind. Für die Nanopartikel 80 verwendet
wird vorzugsweise eines der folgenden Materialien: magnetisches Keramikmaterial,
Fe8O2-haltiges Material,
Material der 1,4,7-Triazacyclononane-Materialgruppe, Fe8O2(OH)12(1,4,7-Triazacyclononane)6Br8·9H2O und Eisen- oder Kobaltbasiertem Hexaferritmaterial.
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Es
lässt sich erkennen, dass die Nanopartikel 80 aufgrund
ihrer kleinen Größe, aber auch aufgrund ihrer
besonderen Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere aufgrund
ihres großen Verhältnisses zwischen Oberfläche
und Volumen, sehr tief in die Risse 50 eindringen können
und diese im Idealfall bis zum jeweiligen Rissboden y0 füllen
können.
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Das
Aufbringen der Nanopartikel 80 kann beispielsweise durch
ein Aufblasen oder Aufsprühen erfolgen; vorzugsweise werden
die Nanopartikel 80 jedoch in oder gemeinsam mit einer
Flüssigkeit aufgetragen, insbesondere gelöst,
ungelöst, in einer Suspension, oder in einer Aufschlämmung,
damit eine gesundheitliche Gefährdung vermieden wird.
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In
der 4 ist gezeigt, wie mit einer Magnetfelderzeugungs-
und Magnetfeldmesseinrichtung 100 im Rahmen eines magnetischen
Wirbelstrommessverfahrens ein Wechselmagnetfeld 110 erzeugt und
in die Oberfläche 60 eingekoppelt wird. Zum Erzeugen
des Wechselmagnetfelds 110 ist beispielsweise eine Spule 120 vorhanden.
Die Feldlinien B des Magnetfeldes 110 dringen durch die
Oberfläche 60 hindurch und durchsetzen auch die
Schutzbeschichtung 40, so dass es zu einem magnetischen Fluss
B auch in dieser Schicht 40 kommt.
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Je
nachdem, ob sich im Bereich der Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 nun
ein Riss 50 mit darin enthaltenen Nanopartikeln 80 befindet
oder nicht, wird sich ein unterschiedlicher Magnetfluss B ausbilden,
da nämlich die Schutzbeschichtung 40 selbst nicht
magnetisch ist. Im Bereich der Risse 50 wird es somit einen
größeren Magnetfluss B und – von der
Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 aus
gesehen – einen geringeren magnetischen Widerstand geben als
in Bereichen ohne Risse 50.
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Die
Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 wird
das resultierende Magnetfeld 110 messen und beispielsweise
den magnetischen Widerstand bestimmen und anhand dessen erkennen,
ob Risse 50 vorhanden sind oder nicht. Durch eine Relativbewegung
in x-Richtung zwischen Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 und
der Turbinenschaufel 10 lässt sich anhand des
Auftretens und Verschwindens einer Magnetfeldverstärkung
auch die jeweilige Breite x0 der Risse 50 messen.
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Unter
Verwendung von Kalibrierungskurven, die vorab anhand bekannter Rissgeometrien
aufgenommen worden sind, lässt sich darüber hinaus
auch die Risstiefe y0 bestimmen, da nämlich die Tiefe unter
anderem festlegt, wie viele Nanopartikel 80 in dem jeweiligen
Riss 50 vorhanden sind bzw. darin hineinpassen: Die absolute
Größe der Magnetfeldänderung wird somit
im Vergleich zu einem rissfreien Bereich der Oberfläche 60 auch
durch die Risstiefe y0 des jeweiligen Risses 50 bestimmt.
Ist beispielsweise die Rissbreite bereits gemessen worden, so kann
anhand der absoluten Größe der Magnetfeldänderung
auch die Risstiefe quantitativ bestimmt werden.
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Darüber
hinaus lässt sich die Tiefe y0 der Risse 50 auch
bestimmen, indem die Einkopplung des Magnetfelds 110 mit
der Spule 120 beeinflusst wird; in diesem Falle wird bereits
durch die äußere Erregung mitbestimmt, welche
Tiefenbereiche der Risse 50 durch die Magnetfelderzeugungs-
und Magnetfeldmesseinrichtung 100 abgetastet werden sollen.
In dieser Weise lassen sich Tiefenbereiche bis in den Millimeterbereich
selektiv auf das Vorhandensein von Nanopartikeln 80 untersuchen
und ausmessen.
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Als
Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 kann
beispielsweise eine Messeinrichtung, wie sie von Computer-Festplatten
her bekannt ist, und/oder eine Messeinrichtung mit einer supraleitenden
Quanteninterferenzeinheit(Superconducting Quantum Interference Device)
verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Advanced Materials & Processes, Juni
2007, Seiten 37 bis 39 [0029]