DE102009025639A1

DE102009025639A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Schichtdickenmessung bei Bauteilen mit komplexer Geometrie

Info

Publication number: DE102009025639A1
Application number: DE200910025639
Authority: DE
Inventors: Andreas Kohns; Thomas Haubold
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2010-12-23

Abstract

Bei mit einer Schutzschicht versehenen Bauteilen mit komplexer Geometrie, insbesondere bei Schaufeln von integral beschaufelten Verdichtern von Fluggasturbinen, erfolgt nach der Beschichtung oder auch während der Überholung des Triebwerks eine photothermische Schichtdickenmessung auf der Basis der Phasenverschiebung zwischen mit einer bestimmten Modulationsfrequenz punktuell auf die betreffende Bauteilfläche aufgebrachten, modulierten, eine Wärmeerzeugung bewirkenden Anregungssignalen und den von einem Detektor erfassten Wärme-Antwortsignalen (Detektorsignalen), wobei die Phasenverschiebung als Maß für die Schichtdicke in dem betreffenden Messpunkt herangezogen wird und die Schichtdicke letzlich anhand einer für unbeschichtete Oberflächen und für verschiedene Schichtdicken zuvor ermittelten und zudem auf die Bauteilgeometrie und das Bauteil- und Beschichtungsmaterial abgestimmten Kalibrierkurve aus der jeweils gemessenen Phasenverschiebung errechnet wird. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren gelingt es erstmals, die Dicke einer auf Bauteile mit komplexer Geometrie aufgebrachten dünnen und mehrlagigen Schutzschicht auf eingeschränkt zugänglichen Oberflächenbereichen und auch das Freihalten bestimmter Bauteilflächen mit hoher Genauigkeit zu prüfen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Schichtdickenmessung bei Bauteilen mit komplexer Geometrie, insbesondere bei mit einer dünnen, mehrlagigen Erosionsschutzschicht versehenen Lauf- oder Leitschaufeln von integral beschaufelten Verdichtern für Fluggasturbinen. Das Verfahren kann bei Mono- und – vorzugsweise auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden – Multilagenschichten auf einer Vielzahl von Bauteilen mit komplexer Geometrie und eingeschränkter Oberflächenzugänglichkeit angewendet werden.
Es ist bekannt, die integral mit der Rotorscheibe verbundenen Schaufeln von Blisks l mit einer Erosionsschutzschicht zu überziehen, um durch Erosion bedingten Schäden zu begegnen und den beim Austauschen derart beschädigter Schaufeln erforderlichen hohen Aufwand zu vermeiden. Im Rahmen der bei der serienmäßigen Fertigung an das Auftragen der Erosionsschutzbeschichtung anschließenden Qualitätskontrolle ist eine zerstörungsfreie Schichtdickenmessung erforderlich, die aufgrund der geringen, im Bereich von einigen Mikrometern liegenden Schichtdicke, eine hohe Messgenauigkeit notwendig macht und die auch nachweist, dass in bestimmten, nicht zu beschichtenden Schaufelbereichen tatsächlich keine Beschichtung vorhanden ist.
Ausgangspunkt des vorliegenden Verfahrens zur Schichtdickenmessung ist das bei der Bestimmung der Schichtdicke von Lacken auf im Wesentlichen ebenen Metallflächen bekannte photothermische Messprinzip. Das Prinzip dieser Schichtdickenmessung beruht auf der entsprechend der jeweiligen Schichtdicke unterschiedlichen Erwärmung einer auf einem Substrat befindlichen Materialschicht durch einen Anregungsstrahl, z. B. Laserstrahl, und der schnelleren Erwärmung einer dünneren Oberflächenschicht gegenüber einer dickeren. Bei dem Messverfahren wird auf die zu untersuchende Oberfläche ein kurzer Laserimpuls ausgesendet, der die Oberflächenschicht erwärmt. Mittels einer Empfangsoptik wird der zeitliche Verlauf der Temperaturänderungen an der Oberfläche erfasst und daraus in einer Auswerteeinheit die Schichtdicke ermittelt. Die bei Lacken angewendete photothermische Schichtdickenmessung ist jedoch nicht auf Erosionsschutzschichten übertragbar und bereitet bei Prüfobjekten wie den Schaufeln von integral beschaufelten Rotoren für Gasturbinentriebwerke aufgrund der komplexen Geometrie, der unterschiedlichen Schichtdickenverteilung auf derselben Schaufelfläche und der geringen Schichtdicke oder der in bestimmten Schaufelbereichen (Schaufelfuß) nicht vorgesehenen Beschichtung Schwierigkeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Schichtdickenmessung zu entwickeln, dass an Bauteilen mit einer Monolagenbeschichtung oder einer Multilagenbeschichtung, die eine geringe Schichtdicke aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften bestehen kann, eine hohe Messgenauigkeit und eine exakte Erfassung der Schichtdicke bzw. Schichtdickenverteilung sowie unbeschichteter Bereiche auf der Bauteilfläche gewährleistet.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der photothermischen Messung der Dicke von auf Bauteile mit komplexer Geometrie aufgebrachten Schutzschichten, und zwar insbesondere bei mit einer Erosionsschutzschicht versehenen Schaufeln von integral beschaufelten Verdichterrotoren (Blisks) von Fluggasturbinen. Die photothermische Messung erfolgt erfindungsgemäß auf der Basis der Phasenverschie bung Δt_abs zwischen mit einer bestimmten Modulationsfrequenz punktuell auf die betreffende Bauteilfläche aufgebrachten modulierten, eine Wärmeerzeugung bewirkenden Anregungssignalen und den von einem Detektor erfassten Warme-Antwortsignalen (Detektorsignalen), wobei die Phasenverschiebung als Maß für die Schichtdicke in dem betreffenden Messpunkt herangezogen wird und die Schichtdicke letztlich anhand einer für unbeschichtete Oberflächen und für verschiedene Schichtdicken zuvor ermittelten und zudem auf die Bauteilgeometrie und das Bauteil- und Beschichtungsmaterial abgestimmten Kalibrierkurve aus dem jeweils gemessenen Δt_abs errechnet wird. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren gelingt es erstmals, die Dicke der auf Bliskschaufeln aufgebrachten Erosionsschutzschicht in allen Oberflächenbereichen und auch das Freihalten bestimmter Bauteilflächen mit hoher Genauigkeit zu prüfen und damit eine wichtige Voraussetzung für die Qualitätskontrolle beim Aufbringen sehr dünner Schutzschichten auf Bliskschaufeln zu schaffen und dadurch die Standzeit der Bauteile wesentlich zu erhöhen. Das Verfahren ist auch im Rahmen der Triebwerksüberholung anwendbar, um festzustellen, inwieweit die Erosionsschutzschicht durch den Flugbetrieb ganz oder teilweise abgenutzt ist, und selbstverständlich auch zur Anwendung bei stationären Gasturbinen geeignet.
Die Anregungssignale werden vorzugsweise durch Laserlichtstrahlen erzeugt.
Zur Aufstellung der Kalibrierkurve als wesentliche Voraussetzung für die Durchführung des Verfahrens werden zunächst Flachproben ohne Beschichtung und mit unterschiedlich starker Beschichtung jeweils mit Laserlicht unterschiedlicher Frequenz bestrahlt. Für jede Laserfrequenz wird eine relative Phasenverschiebung Δt_rel ermittelt und für eine ausgewählte – am besten geeignete – Anregungs frequenz wird die ermittelte Phasenverschiebung Δt_rel über den entsprechenden Schichtdicken aufgetragen und eine Hilfskalibrierkurve erstellt. Diese Hilfskalibrierkurve wird zur Aufstellung der tatsächlichen Kalibrierkurve durch eine zerstörende Schichtdickenmessung an einem realen Bauteil empirisch an die realen Bauteilparameter angepasst.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Aufstellung der empirisch angepassten tatsächlichen Kalibrierkurve teilweise auch nach der Finite-Elemente-Methode erfolgen, um so den hohen empirischen Aufwand zu verringern.
Im Folgenden wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Zur Ermittlung der Erosionschutzschichtdicke an den Schaufeln einer Blisk für ein Gasturbinentriebwerk durch photothermische Schichtdickenmessung werden zunächst verschiedene Flachproben aus Titan mit einer zwischen 0 und 50 μm starken Multilagenbeschichtung jeweils einem Laserlichtstrahl mit unterschiedlicher Frequenz ausgesetzt und mit einem Infrarotdetektor das entsprechend der Schichtdicke und der Laserfrequenz gesendete Antwortsignal zu detektieren sowie die relative Phasenverschiebung Δt_rel zwischen der unbeschichteten Flachprobe und Flachproben mit unterschiedlich starker Schichtdicke sowie bei verschiedenen Laserfrequenzen gemessen. Anschließend wird eine am besten geeignete Laserfrequenz (Anregungssignalfrequenz) ausgewählt und für diese Laserfrequenz eine Kalibrierkurve aufgestellt, in der das ermittelte Δt_rel über den verschiedenen Schichtdicken von 0 bis 50 μm aufgetragen ist. Bei einer photothermischen Schichtdickenmessung an einem Bauteil kann nun aufgrund der Messung der absoluten Phasenverschiebung Δt_abs zwischen dem Lasersignal mit der ausgewählten Frequenz (Anregungssignal) und dem von einem Infrarot-Detektor erfassten Wärme-Antwortsignal (Detektionssignal) mit Hilfe der Kalibrierkurve die Dicke der Beschichtung ermittelt werden. Die zuvor für Flachproben aufgestellte Kalibrierkurve wird nun im Ergebnis einer realen, zerstörenden Schichtdickenmessung am Mikroskop empirisch an die jeweilige Bauteilgeometrie – hier an die Geometrie der Schaufeln der Blisk für eine bestimmte Kompressorstufe – sowie das Bauteil- und das Beschichtungsmaterial angepasst. Da der empirische Aufwand für die Aufstellung der für das jeweilige Bauteil (hier eine Blisk) zutreffenden – bauteilspezifischen – Kalibrierkurve sehr hoch ist, kann zumindest ein Teil der Kurve auch durch Computersimulation nach der Finite-Elemente-Methode errechnet werden. Die durch eine Erosionsschutzschicht geschützte Oberfläche der Blisk-Schaufeln wird nun mit einem speziell ausgebildeten, zwischen den Schaufeln verfahrbaren Gerät punktuell mit einem Laserstrahl mit der ausgewählten Frequenz bestrahlt und das entsprechende Wärme-Antwortsignal gemessen sowie in einer Auswerteeinheit die Phasenverschiebung Δt und die entsprechende Schichtdicke ermittelt. Auf diese Weise kann bei Blisk-Schaufeln mit komplizierter Geometrie zerstörungsfrei die Dicke bzw. die Dickenverteilung der zum Schutz vor Erosion aufgebrachten Schutzschicht ermittelt werden. Darüber hinaus kann auch festgestellt werden, ob bestimmte Schaufelbereiche, die nicht beschichtet werden dürfen, tatsächlich auch frei von Beschichtungsmaterial sind, oder ob bzw. inwieweit sich die Erosionsschutzschicht im Flugbetrieb abgenutzt hat.

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Schichtdickenmessung bei Bauteilen mit komplexer Geometrie, insbesondere den mit einer dünnen, mehrlagigen Erosionsschutzschicht versehenen Lauf- oder Leitschaufeln von integral beschaufelten Verdichtern für Fluggasturbinen, gekennzeichnet durch eine photothermische Messung auf der Basis der Phasenverschiebung Δt_abs zwischen mit einer bestimmten Modulationsfrequenz punktuell auf die betreffende Bauteilfläche aufgebrachten modulierten Anregungssignalen und den jeweiligen Wärme-Antwortsignalen als Maß für die Schichtdicke in dem betreffenden Messpunkt, wobei die Schichtdicke anhand einer für unbeschichtete Oberflächen und für verschiedene Schichtdicken aufgestellten und auf die Bauteilgeometrie und das Bauteil- und Beschichtungsmaterial abgestimmten Kalibrierkurve und dem jeweils gemessenen Δt_abs errechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufstellung der Kalibrierkurve Flachproben ohne Beschichtung und mit unterschiedlich starker Beschichtung jeweils mit Laserlicht unterschiedlicher Frequenz bestrahlt werden und für jede Laserfrequenz eine relative Phasenverschiebung Δt_rel zwischen einer unbeschichteten Probe und unterschiedlich dick beschichteten Flachproben ermittelt wird und für eine ausgewählte Frequenz die ermittelte Phasenverschiebung Δt_rel über den entsprechenden Schichtdicken aufgetragen und eine Hilfskalibrierkurve erstellt wird und die Hilfskalibrierkurve zur Aufstellung der tatsächlichen Kalibrierkurve durch eine zerstörende Schichtdickenmessung an einem rea len Bauteil empirisch an die realen Bauteilparameter angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstellung der empirisch angepassten tatsächlichen Kalibrierkurve teilweise nach der Finite-Elemente-Methode erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungssignale durch Laserlichtstrahlen erzeugt werden.