DE102009025640B4

DE102009025640B4 - Vorrichtung zur photothermischen Schichtdickenmessung bei Bauteilen mit komplexer Geometrie

Info

Publication number: DE102009025640B4
Application number: DE102009025640.7A
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: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2029-06-18
Also published as: DE102009025640A1

Abstract

Vorrichtung zur photothermischen Schichtdickenmessung bei Bauteilen mit komplexer Geometrie und eingeschränkt zugänglicher Oberfläche, mit der ein von einem auf die zu untersuchende Oberfläche gerichteten Anregungsstrahl erzeugter Wärmestrahl als Maß für die Schichtdicke detektiert und ausgewertet wird, insbesondere bei mit einer dünnen, mehrlagigen Erosionsschutzschicht versehenen Schaufeln von integral beschaufelten Verdichtern für Gasturbinentriebwerke, gekennzeichnet durch einen zur Zuführung des Anregungsstrahls vorgesehenen röhrenförmigen Anregungsarm (2) und einen an diesen angrenzenden röhrenförmigen Detektionsarm (3) mit in diesem zur Aufnahme und Weiterleitung des jeweiligen Wärmesignals an eine Auswerteeinheit angeordneter Wärmeleitfaser, wobei der Anregungsarm und der Detektionsarm jeweils an seinem freien Ende einen Anregungsstrahl-Umlenkspiegel (12) zur Umlenkung des Anregungsstrahls auf die Bauteilfläche und einen Wärmestrahl-Umlenkspiegel (15) zur Umlenkung des Wärmestrahls in die Wärmeleitfaser aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur photothermischen Schichtdickenmessung bei Bauteilen mit komplexer Geometrie und eingeschränkt zugänglicher Oberfläche, mit der ein von einem auf die zu untersuchende Oberfläche gerichteten Anregungsstrahl erzeugter Wärmestrahl als Maß für die Schichtdicke detektiert und ausgewertet wird, insbesondere bei mit einer dünnen, mehrlagigen Erosionsschutzschicht versehenen Lauf- oder Leitschaufeln von integral beschaufelten Verdichtern für Gasturbinentriebwerke.
Zur Vermeidung von durch Erosion bedingten Schäden sowie des insbesondere beim Austauschen von an eine Rotorscheibe oder einen stationären Ring (Blisk bzw. Bling) integral angeformten, durch Erosion beschädigten Schaufeln auftretenden hohen Aufwands können die Schaufelflächen mit einer sehr dünnen Erosionsschutzschicht überzogen werden. Bei der serienmäßigen Fertigung derartiger Blisks oder Blings ist im Rahmen der Qualitätskontrolle nach der Erosionsbeschichtung eine zerstörungsfreie Schichtdickenmessung erforderlich, die aufgrund der geringen Schichtdicke von wenigen Mikrometern sehr genau sein muss und die auch die auf der Schaufeloberfläche unterschiedliche Schichtdicke, die in bestimmten Schaufelteilen auch Null sein kann, exakt erfassen soll. Darüber hinaus muss die Dicke der Erosionsschutzschicht bzw. deren mögliche Abnutzung auch im Rahmen von Wartungsarbeiten am Triebwerk überprüft werden können.
Aus der DE 4343076 A1 ist eine Vorrichtung zum photothermischen Prüfen der Oberfläche, beispielsweise der Lackschichtdicke, eines bewegten, ebenen Objekts bekannt, die eine Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung und eine Fokussiereinrichtung zur Bündelung eines intensitätsmodulierten, auf das zu untersuchende Objekt gelenkten Anregungsstrahls sowie einen Detektor zur Ermittlung der von dem Prüfbereich aufgrund des Anregungsstrahls ausgehenden Wärmestrahlung umfasst. Das Grundprinzip der photothermischen Messverfahren besteht in der periodischen Bestrahlung der betreffenden Prüffläche mit Licht, insbesondere Laserlicht, und der Auswertung der in den oberflächenahen Schichten erzeugten Wärme bzw. der nach außen abgestrahlten Wärmewellensignale. Durch Messung dieser Wärmewellensignale (Infrarot-Lichtsignale) kann beispielsweise die Schichtdicke einer auf ein Objekt aufgetragenen Beschichtung bestimmt werden.
Aus der DE 39 39 876 A1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Bestimmung der Dicke von dünnen Oberflächenbeschichtungen bei Bauteilen bekannt, mit der ein von einem auf eine zu untersuchende Oberfläche gerichteten Heizstrahl erzeugter Wärmestrahl als Maß für die Dicke detektiert und ausgewertet wird, mit einer zur Aufnahme und Weiterleitung des jeweiligen Wärmestrahls an eine Auswerteeinheit angeordneten Leitfaser, und mit einer Umlenkeinrichtung zur Umlenkung des Heizstrahls.
Aus der EP 1 975 581 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines mit einer keramischen Wärmedämmbeschichtung beschichteten Turbinenbauteils bekannt, bei der ein Anregungsstrahl durch eine Röhre geführt wird, die einen Umlenkspiegel enthält. Eine zu einem Detektor führende Lichtleitfaser ist in derselben Röhre untergebracht.
Aus der GB 2 348 279 A ist eine weitere Vorrichtung zur Messung der Dicke einer auf eine Oberfläche aufgebrachten Beschichtung bekannt.
Die bekannten, stationär angeordneten Messvorrichtungen sind für die Schichtdickenmessung an den integral an eine Scheibe oder einen Ring angeformten Rotor- bzw. Statorschaufeln einer Blisk oder Bling von Fluggasturbinen nicht geeignet, und zwar wegen der kompliziert gekrümmten Schaufeloberflächen und des zwischen zwei benachbarten Schaufeln bestehenden geringen Abstandes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur photothermischen Schichtdickenmessung an Bauteilen mit komplexer Geometrie, insbesondere den mit einer Erosionsschutzschicht versehenen, integral angeformten Verdichterschaufeln einer Blisk oder Bling für ein Gasturbinentriebwerk, anzugeben, die auf engem Raum und bei kompliziert gekrümmter und schwer zugänglicher Oberfläche eine genaue Bestimmung der Schichtdicke und der Schichtdickenverteilung zulässt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Vorrichtung zur photothermischen Schichtdickenmessung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer - vorzugsweise bei integral beschaufelten Verdichterrotoren eingesetzten - miniaturisierten Vorrichtung zur photothermischen Schichtdickenmessung, mit der ein von einem auf die zu untersuchende Oberfläche gerichteten Anregungsstrahl erzeugter Wärmestrahl als Maß für die Schichtdicke detektiert und ausgewertet wird, besteht der Kern der Erfindung in der vollständig voneinander getrennten Ausbildung der beiden Strahlengänge zur Vermeidung von deren gegenseitiger Beeinflussung, wobei die Detektion fasergestützt erfolgt und der jeweilige Strahl durch einen Spiegel auf die Bauteilfläche bzw. in die Detektionsfaser gelenkt wird. Die Vorrichtung umfasst einen zur Zuführung des Anregungsstrahls vorgesehenen röhrenförmigen Anregungsarm und einen an diesen angrenzenden röhrenförmigen Detektionsarm mit in diesem zur Aufnahme und Weiterleitung des jeweiligen Wärmesignals an eine Auswerteeinheit angeordneter Wärmeleitfaser, wobei der Anregungsarm und der Detektionsarm jeweils an seinem freien Ende einen Anregungsstrahl-Umlenkspiegel zur Umlenkung des Anregungsstrahls auf die Bauteilfläche und einen Wärmestrahl-Umlenkspiegel zur Umlenkung des Wärmestrahls in die Wärmeleitfaser aufweisen. Mit der so ausgebildeten Messvorrichtung können an kompliziert geformten Bauteilen und auf engem Raum sowie trotz geringer verfügbarer Anregungsleistung (Laserleistung) exakte Schichtdickenmessungen durchgeführt werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung umfasst der Anregungsarm eine dem Anregungsstrahl-Umlenkspiegels zugeordnete Austrittspupille für den Anregungsstrahl sowie eine im Detektionsarm ausgebildete, dem Wärmestrahl-Umlenkspiegel zugeordnete Eintrittspupille für den Wärmestrahl.
Einer Einkoppelebene der Wärmeleitfaser im Detektionsarm ist eine Detektionsoptik vorgeschaltet, die in weiterer Ausbildung der Erfindung eine durch einen Abstandhalter von der Einkoppelebene beabstandete, antireflexbeschichtete, plankonvexe Saphirlinse umfasst.
In Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmestrahl-Umlenkspiegel ein 45°-Rod-Mirror, der an einer aus Edelstahl bestehenden Spiegelhalterung mit zur Vermeidung der Absorption von reflektierter Anregungsstrahlung geringem Durchmesser gehalten ist.
Die Wärmeleitfaser ist im röhrenförmigen Detektionsarm durch einen Abstandhalter zentriert und befestigt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Anregungsarm und der Detektionsarm im Boden eines Gehäuses befestigt, wobei die im Detektionsarm angeordnete Wärmeleitfaser in einer Flucht mit einer im Gehäusedeckel vorgesehenen Knickschutzhülse sowie einer Knickschutztülle liegt und sich an den Anregungsarm im Inneren des Gehäuses eine Halterung) für eine Anregungsstrahloptik sowie eine von dieser durch einen Abstandhalter beabstandete Faserhalterung für eine über die Knickschutzhülse in das Gehäuse eingeführte Anregungsstrahl-Leitfaser anschließen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht der Anregungsstrahl-Umlenkspiegel zur Wärmeabfuhr des geringen Anteils der absorbierten Anregungsstrahlleistung aus Edelstahl und weist zur Erzielung eines hohen Reflexionskoeffizienten eine Goldbeschichtung auf.
Bei der Anregungs- und der Wärmestrahlung handelt es sich um Laser- und IR-Strahlen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der

1 eine Vorderansicht einer Vorrichtung zur photometrischen Messung der Dicke einer auf die Schaufeln einer Blisk aufgebrachten Erosionsschutzschicht;
2 eine Schnittansicht der Vorrichtung nach 1; und
3 eine schematische Darstellung des mit der Vorrichtung nach 1 und 2 realisierten Messprinzips

Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 1, in dessen Boden nebeneinander ein röhrenförmiger Anregungsarm 2 zur Zuführung eines Anregungsstrahls Al (Laserlichtstrahls) über eine Anregungsstrahlfaser A zu der zu untersuchenden Oberfläche sowie ein röhrenförmiger Detektionsarm 3 zum Erfassen und Weiterleiten des durch den Anregungsstrahl Al erzeugten Wärmesignals B1 (IR-Strahlung) über eine Wärmeleitfaser B (IR-Faser). An den im Gehäuse 1 liegenden Eingang des als Halterohr 4 ausgebildeten Anregungsarms 2 ist eine Halterung 5 zur Befestigung einer Anregungsstrahloptik 6 und einer im Abstand und zentriert zu der Anregungsstrahloptik 6 fixierten Leitfaserhalterung 7 für eine mit einer Anregungsstrahlquelle (nicht dargestellt) verbundene Anregungsstrahlfaser A angeschlossen. Der erforderliche Abstand der Anregungsstrahloptik 6 von der Endfläche der Anregungsstrahlfaser ist durch Anordnung eines Abstandhalters 8 gewährleistet. Die Zuführung der hoch flexiblen Anregungsstrahlfaser zur Leitfaserhalterung 7 erfolgt über eine im Gehäusedeckel 9 des Gehäuses 1 ausgebildete Knickschutzhülse 10 sowie eine an diese anschließende Knickschutztülle 11. An dem vom Gehäuseboden abgewandten Ende des Halterohres 4 ist ein Anregungsstrahl-Umlenkspiegel 12 gehalten, der den von der Anregungsstrahloptik 6 ausgehenden Anregungsstrahl über eine seitliche Austrittspupille 13 im Halterohr 4 auf die zu untersuchende Schaufelfläche umlenkt. Der Anregungsstrahl-Umlenkspiegel 12 besteht aus hartvergoldetem Edelstahl, wobei der Edelstahl zur besseren Abfuhr der durch den absorbierten Anteil der Laserleistung erzeugten Wärme dient und die Goldbeschichtung in dem vorgesehenen Wellenlängenbereich (808nm) des Laserstrahls zudem einen hohen Reflexionskoeffizienten aufweist.
Der Anregungsstrahl wird unmittelbar unterhalb einer in der Seitenfläche des dem Halterohr 4 benachbarten und ebenfalls in das Gehäuse 1 mündenden rohrförmigen Detektionsarm 3 ausgebildeten Eintrittspupille 14 auf die zu untersuchende Schaufelfläche gelenkt. Die dabei erzeugte Wärmestrahlung (Wärmesignal B1) gelangt über einen Wärmestrahl-Umlenkspiegel 15 und die Eintrittpupille 14 zu einer in einem Haltemittel 16 fixierten Detektionsoptik 17 und von dort zu der von dieser mittels eines (ersten) Abstandshalters 18 beabstandeten Einkoppelebene 19 einer Wärmeleitfaser für die IR-Strahlen. Der Wärmestrahl-Umlenkspiegel 15 ist ein in einer Spiegelhalterung 20 fixierter, kleiner 45°-Rod-Mirror aus BK7 mit Aluminiumbeschichtung. Die Spiegelhalterung 20 hat einen deutlich kleineren Durchmesser als die nachfolgenden Bauelemente, um die Angriffsfläche für diffus reflektiertes Anregungslicht zu minimieren und dadurch Störsignale, die nicht von dem eigentlichen Nutzsignal zu unterscheiden sind, auszuschließen. Die Detektionsoptik 17 umfasst eine plankonvexe, antireflexbeschichtete Linse aus Saphir, die mittels des Haltemittels 16 gleichzeitig zentriert wird. Ein weiterer (zweiter) Abstandshalter 21 der Wärmeleitfaserkopplung dient gleichzeitig der Befestigung und Zentrierung der spröden Wärmeleitfaser (IR-Faser), die zu deren zusätzlichem Schutz in einer Flucht mit der oben erwähnten Knickschutzhülse und Knickschutztülle liegt. Die zuvor beschriebene Vorrichtung ist mit einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) verbunden, in der die Phasenverschiebung zwischen der Anregungsstrahlung und der Wärmestrahlung ermittelt und daraus die jeweilige Schichtdicke in dem jeweils angefahrenen Messpunkt an der Schaufeloberfläche errechnet wird.
Mit der in den 1 und 2 dargestellten Vorrichtung, deren Anregungs- bzw. Detektionsarm 2, 3 in der vorliegenden Ausführungsform einen Durchmesser von nur 6mm aufweist, ist es möglich, in dem sehr schmalen und zudem in unterschiedlicher Richtung gekrümmten Spalt zwischen den benachbarten Schaufeln einer Blisk die Dicke einer auf die Schaufelflächen aufgebrachten Erosionsschutzbeschichtung im Rahmen einer Qualitätskontrolle nach der Beschichtung oder auch bei Wartungsarbeiten mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Bereits mit einer hier geringen verfügbaren Laserleistung gelingt eine ausreichende Erwärmung der Schaufeloberfläche sowie die Detektion der Wärmestrahlung über die Wärmeleitfaser des Detektionsarms. Die miniaturisierte Ausführung der Messvorrichtung wird durch die zur Vermeidung des Übersprechens vollständig von einander getrennten Anregungs- und Wärmestrahlengänge in den eng nebeneinander liegenden Anregungs- und Detektionsarmen 2, 3 sowie die Umlenkung des Anregungsstrahls auf die betreffende Oberfläche bzw. der Wärmestrahlen in die Wärmeleitfaser mittels Umlenkspiegeln (12, 15) erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Anregungsarm
3: Detektionsarm
4: Halterohr
5: Halterung
6: Anregungsstrahloptik
7: Leitfaserhalterung
8: Abstandhalter
9: Gehäusedeckel
10: Knickschutzhülse
11: Knickschutztülle
12: Anregungsstrahl-Umlenkspiegel
13: Austrittpupille
14: Eintrittspupille
15: Wärmestrahl-Umlenkspiegel
16: Haltemittel
17: Detektionsoptik
18: erster Abstandhalter
19: Einkoppelebene
20: Spiegelhalterung
21: zweiter Abstandhalter
A: Anregungsstrahlfaser
A1: Anregungsstrahl
B: Wärmeleitfaser
B1: Wärmestrahl

Claims

Vorrichtung zur photothermischen Schichtdickenmessung bei Bauteilen mit komplexer Geometrie und eingeschränkt zugänglicher Oberfläche, mit der ein von einem auf die zu untersuchende Oberfläche gerichteten Anregungsstrahl erzeugter Wärmestrahl als Maß für die Schichtdicke detektiert und ausgewertet wird, insbesondere bei mit einer dünnen, mehrlagigen Erosionsschutzschicht versehenen Schaufeln von integral beschaufelten Verdichtern für Gasturbinentriebwerke, gekennzeichnet durch einen zur Zuführung des Anregungsstrahls vorgesehenen röhrenförmigen Anregungsarm (2) und einen an diesen angrenzenden röhrenförmigen Detektionsarm (3) mit in diesem zur Aufnahme und Weiterleitung des jeweiligen Wärmesignals an eine Auswerteeinheit angeordneter Wärmeleitfaser, wobei der Anregungsarm und der Detektionsarm jeweils an seinem freien Ende einen Anregungsstrahl-Umlenkspiegel (12) zur Umlenkung des Anregungsstrahls auf die Bauteilfläche und einen Wärmestrahl-Umlenkspiegel (15) zur Umlenkung des Wärmestrahls in die Wärmeleitfaser aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine im Anregungsarm (2) ausgebildete, dem Anregungsstrahl-Umlenkspiegels (12) zugeordnete Austrittspupille (13) für den Anregungsstrahl sowie eine im Detektionsarm (3) ausgebildete, dem Wärmestrahl-Umlenkspiegel (15) zugeordnete Eintrittspupille (14) für den Wärmestrahl.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine einer Einkoppelebene (19) der Wärmeleitfaser im Detektionsarm (3) vorgeschaltete Detektionsoptik (17).
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsoptik (17) eine durch einen Abstandhalter (18) von der Einkoppelebene (19) beabstandete, antireflexbeschichtete, plankonvexe Saphirlinse umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrahl-Umlenkspiegel (15) ein 45°-Rod-Mirror ist, der an einer aus Edelstahl bestehenden Spiegelhalterung (20) mit zur Vermeidung der Absorption von reflektierter Anregungsstrahlung geringerem Durchmesser gehalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfaser im röhrenförmigen Detektionsarm (3) durch einen Abstandhalter (21) zentriert und befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungsarm (2) und der Detektionsarm (3) im Boden eines Gehäuses (1) befestigt sind, wobei die im Detektionsarm (3) angeordnete Wärmeleitfaser in einer Flucht mit einer im Gehäusedeckel (9) vorgesehenen Knickschutzhülse (10) sowie einer Knickschutztülle (11) liegt, und sich an den Anregungsarm (2) im Inneren des Gehäuses (1) eine Halterung (5) für eine Anregungsstrahloptik (6) sowie eine von dieser durch einen Abstandhalter (8) beabstandete Faserhalterung (7) für eine über die Knickschutzhülse (10) in das Gehäuse (1) eingeführte Anregungsstrahl-Leitfaser anschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungsstrahl-Umlenkspiegel (12) zur Wärmeabfuhr des geringen Anteils der absorbierten Anregungsstrahlleistung aus Edelstahl besteht und zur Erzielung eines hohen Reflexionskoeffizienten eine Goldbeschichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungs- und die Wärmestrahlung Laser- und IR-Strahlen sind.