DE102019005420A1 - Method for recording properties of a thermally sprayed coating - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Eigenschaften einer thermisch gespritzten Beschichtung (2) auf einem Substrat (1) mittels aktiver Thermografie, wozu ein thermisches Anregungssignal auf die Beschichtung (2) gesendet und ein dazu phasenverschobenes Antwortsignal mittels einer Infrarotkamera (17) aufgefangen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem aufgenommenen Bildpunkt der Infrarotkamera (17) eine Temperaturleitfähigkeit der Beschichtung (2) im Bereich des Bildpunktes berechnet wird, wonach eine visuelle Darstellung der Temperaturleitfähigkeiten der einzelnen Bildpunkte in einer flächigen Bilddarstellung erfolgt.The invention relates to a method for recording properties of a thermally sprayed coating (2) on a substrate (1) by means of active thermography, for which purpose a thermal excitation signal is sent to the coating (2) and a response signal that is phase-shifted with respect thereto is captured by means of an infrared camera (17) , The method according to the invention is characterized in that a temperature conductivity of the coating (2) in the area of the image point is calculated for each image point recorded by the infrared camera (17), after which a visual representation of the temperature conductivities of the individual image points takes place in a flat image representation.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Eigenschaften einer thermisch gespritzten Beschichtung auf einem Substrat mittels aktiver Thermografie, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a method for detecting properties of a thermally sprayed coating on a substrate by means of active thermography, according to the type defined in the preamble of
Die Beschichtung von Oberflächen eines Substrats, beispielsweise von aktivierten bzw. aufgerauten Oberflächen mittels thermischer Beschichtungsverfahren, ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die Oberflächen werden zur Verbesserung der Schichthaftung typischerweise aktiviert, was beispielsweise durch ein mechanisches, abrasives oder chemisches Aufrauen erfolgen kann. Anschließend wird die Beschichtung aufgetragen, beispielsweise über thermische Beschichtungsverfahren, wie insbesondere das Lichtbogendrahtspritzen (LDS).The coating of surfaces of a substrate, for example of activated or roughened surfaces by means of thermal coating processes, is so far known from the prior art. The surfaces are typically activated to improve layer adhesion, which can be done, for example, by mechanical, abrasive or chemical roughening. The coating is then applied, for example using thermal coating processes, such as, in particular, arc wire spraying (LDS).
Ein typisches, nicht jedoch einschränkendes Beispiel, kann hier das thermische Beschichten eines Aluminiumsubstrats mit einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung sein. Solche Beschichtungen finden beispielsweise auf den Zylinderlaufbahnen in Motorblöcken aus Aluminiumlegierungen Anwendung. Die Zylinderoberfläche wird aktiviert und anschließend, beispielsweise über LDS mit der eisen-kohlenstoffhaltigen Legierung beschichtet. Die Beschichtung dient einerseits als Schutzschicht zur Verminderung des Verschleißes und andererseits zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften eines in dem Zylinder auf der Schicht gleitenden Kolbens.A typical, but not restrictive example here can be the thermal coating of an aluminum substrate with an iron-carbon alloy. Such coatings are used, for example, on the cylinder liners in engine blocks made of aluminum alloys. The cylinder surface is activated and then coated with the iron-carbon alloy, for example via LDS. The coating serves on the one hand as a protective layer to reduce wear and on the other hand to improve the tribological properties of a piston sliding in the cylinder on the layer.
Für die Qualitätssicherung und Beurteilung der Prozesssicherheit sind nun verschiedene Parameter interessant beispielsweise die Schichtdicke. Diese sollte nach Möglichkeit zerstörungsfrei erfasst werden, um so einfach und effizient Messergebnisse erreichen zu können, vorzugsweise auch innerhalb des Herstellungsprozesses einer solchen Beschichtung.Various parameters are now interesting for quality assurance and assessment of process reliability, for example the layer thickness. If possible, this should be recorded non-destructively so that measurement results can be achieved easily and efficiently, preferably also within the production process of such a coating.
Ein Verfahren zum Ermitteln der Beschichtungsdicke, insbesondere einer Zylinderlaufbahn, ist aus der gattungsgemäßen
Eine weitere Möglichkeit, derartige Beschichtungen zu untersuchen, ist beispielsweise in der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren zur Erfassung von Eigenschaften einer thermisch gespritzten Beschichtung auf einem Substrat anzugeben, welches einfach und effizient eine Übersicht über die Beschichtungsqualität potenziell beeinflussende Störungen ermöglicht. The object of the present invention is now to provide an improved method for recording properties of a thermally sprayed coating on a substrate, which enables a simple and efficient overview of the coating quality of potentially influencing faults.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by a method having the features in
In der Praxis ist es so, dass die Dicke der Beschichtung nicht die einzige entscheidende Eigenschaft einer Beschichtung ist. Vielmehr können neben der Dicke, gegebenenfalls auch unter Berücksichtigung der Topografie der Oberfläche des Substrats, Eigenschaften wie die Porosität und/oder andere Unregelmäßigkeiten der Beschichtung Einfluss auf die Qualität der Beschichtung, und hier insbesondere auf die Anhaftung der Beschichtung auf dem Substrat, haben. Dies liegt unter anderem daran, dass bei thermisch gespritzten Schichten die innere Struktur typischerweise eine lamellare Schichtmorphologie aufweist. Sie besteht neben dem eigentlichen Beschichtungsmaterial dabei vornehmlich aus Poren, Splats, worunter langegezogene Haftfehler zwischen einzelnen erstarrten Beschichtungspartikeln zu verstehen sind, und Oxidhäuten. Diese charakteristische, lamellare Morphologie der Beschichtung entsteht bei einer thermisch gespritzten Schicht durch die schnelle Erstarrung von geschmolzenen oder teigigen Teilchen nach ihrem Auftreffen auf die Oberfläche des Substrats.In practice, the thickness of the coating is not the only decisive property of a coating. Rather, in addition to the thickness, possibly also taking into account the topography of the surface of the substrate, properties such as the porosity and / or other irregularities of the coating can have an influence on the quality of the coating, and here in particular on the adhesion of the coating to the substrate. One of the reasons for this is that in the case of thermally sprayed layers, the inner structure typically has a lamellar layer morphology. In addition to the actual coating material, it consists primarily of pores, splats, which are long drawn-out adhesion defects between individual solidified coating particles, and oxide skins. This characteristic, lamellar morphology of the Coating occurs in a thermally sprayed layer due to the rapid solidification of molten or doughy particles after they have hit the surface of the substrate.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun so, dass für jeden einzelnen von der Infrarotkamera erfassten Bildpunkt eine Temperaturleitfähigkeit der Beschichtung im Bereich dieses Bildpunktes berechnet wird. Anschließend kann eine visuelle Darstellung der Temperaturleitfähigkeiten, beispielsweise über Graustufen, Farben oder dergleichen, in einer flächigen Bilddarstellung erfolgen. Entsprechend der Auflösung der Infrarotkamera lassen sich so also eine Vielzahl von einzelnen Bildpunkten hinsichtlich ihrer thermischen Leitfähigkeit bewerten. Gerade durch die visuelle Darstellung des Ergebnisses wird nun erstmals einfach und effizient, mittels aktiver Thermografie, eine Abbildung der inneren „Werte“ der Beschichtung erreicht.In the method according to the invention, it is the case that for each individual image point captured by the infrared camera, a thermal conductivity of the coating is calculated in the area of this image point. Subsequently, the thermal conductivities can be visualized, for example in gray levels, colors or the like, in a flat image representation. Corresponding to the resolution of the infrared camera, a large number of individual pixels can thus be evaluated with regard to their thermal conductivity. The visual representation of the result now makes it possible for the first time to map the inner “values” of the coating simply and efficiently using active thermography.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es also über die aktive Thermografie ein solches visuelles Abbild der inneren Materialeigenschaften der Beschichtung zu erreichen. Dieses ist über eine Vorrichtung zur Durchführung der aktiven Thermografie, wie sie beispielsweise in dem eingangs erstgenannten Stand der Technik beschrieben, dabei außerordentlich einfach. In der genannten Schrift ist außerdem ein Hinweis auf einen Umlenkspiegel enthalten, sodass mit diesem Aufbau, auch wenn er zu groß ist, um ihn beispielsweise in eine Zylinderbohrung einzuführen, durch diesen Umlenkspiegel das Innere einer Zylinderbohrung oder andere unzugängliche Stellen zerstörungsfrei untersucht werden können. Neben der prinzipiellen Vereinfachung ist auch dies ein ganz entscheidender Vorteil im Vergleich zu den tomographischen bildgebenden Verfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich damit innerhalb einer Fertigungslinie direkt einsetzten, um z.B. eine Qualitätskontrolle an Produkten durchzuführen, die im Anschluss ganz normal genutzt werden können.The method according to the invention thus makes it possible to achieve such a visual representation of the internal material properties of the coating via active thermography. This is extremely simple using a device for carrying out active thermography, as described, for example, in the prior art mentioned at the beginning. The cited document also contains a reference to a deflecting mirror, so that with this structure, even if it is too large to be inserted into a cylinder bore, for example, the inside of a cylinder bore or other inaccessible places can be examined non-destructively through this deflecting mirror. In addition to the simplification in principle, this is also a very decisive advantage compared to the tomographic imaging methods. The method according to the invention can thus be used directly within a production line, e.g. carry out a quality control on products that can then be used normally.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner vorgesehen sein, dass mehrere einzelne Bilddarstellungen zu einem großflächigen Bild zusammengefügt werden. Ein solches großflächiges Bild, welches insbesondere gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ein Gesamtbild der erfassten Fläche der Beschichtung sein kann, erlaubt so Einblick in die gesamte Beschichtung zu nehmen. Somit lassen sich Unterschiede beispielsweise in den Randbereichen der Beschichtung im Vergleich zu der Mitte der Beschichtung einfach und effizient visualisieren. Durch die Visualisierung der thermischen Leitfähigkeit der einzelnen Bildpunkte können so Bereiche erkannt werden, welche großflächige Splats oder Oxidhäute oder eine Vielzahl von Poren enthalten. Dies ermöglicht es sehr effizient nach eventuellen Ursachen zu suchen und die Fertigungsparameter des Beschichtungsprozesses und/oder der Aktivierung des Substrats entsprechend zu verändern, um in der Fertigung eine größere Homogenität der Beschichtung zu erreichen.According to an extremely favorable development of the method according to the invention, it can further be provided that several individual image representations are combined to form a large-area image. Such a large-area image, which can be an overall image of the detected surface of the coating, in particular according to an advantageous development of the method, thus allows an insight into the entire coating. This makes it easy and efficient to visualize differences, for example, in the edge areas of the coating compared to the center of the coating. By visualizing the thermal conductivity of the individual pixels, areas can be identified which contain large-area splats or oxide skins or a large number of pores. This makes it possible to search very efficiently for possible causes and to change the production parameters of the coating process and / or the activation of the substrate accordingly in order to achieve a greater homogeneity of the coating in production.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es ferner vor, dass die Bildpunkte von Messungen bei verschiedenen Frequenzen kombiniert werden. Sie können gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung beispielsweise gemittelt oder auch gewichtet gemittelt werden oder dergleichen. Eine solche Berücksichtigung von Messungen bei verschiedenen Frequenzen, welche gegebenenfalls zur Erfassung anderer Werte wie beispielsweise der Dicke oder der Haftfähigkeit der Beschichtung genutzt werden, erlauben dadurch eine weitere Beeinflussung der visuellen Darstellung, welche, je nach Einsatzzweck, eine dafür geeignete Optimierung der visuellen Darstellung beinhalten kann, und welche dementsprechend zu einem besseren Verständnis der inneren Werte und damit der Qualität der Beschichtung beiträgt.Another very advantageous embodiment of the method according to the invention further provides that the pixels of measurements at different frequencies are combined. According to a very advantageous further development, they can be averaged or weighted averaged or the like. Such consideration of measurements at different frequencies, which may be used to record other values such as the thickness or the adhesiveness of the coating, thus allow a further influence on the visual representation, which, depending on the intended use, includes a suitable optimization of the visual representation can, and which accordingly contributes to a better understanding of the inner values and thus the quality of the coating.
Als aktive Thermografie kann dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee die optisch angeregte Infrarot-Lock-in-Thermografie zum Einsatz kommen, welche gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Laser, insbesondere einem Diodenlaser, als Anregungssignal arbeitet.According to an advantageous development of the idea, optically excited infrared lock-in thermography can be used as active thermography, which works according to a very advantageous development of the method according to the invention with a laser, in particular a diode laser, as an excitation signal.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.Further advantageous refinements of the method according to the invention also result from the exemplary embodiment which is described in more detail below with reference to the figure.
Die einzige beigefügte Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The only attached figure shows a schematic representation of a device for performing the method according to the invention.
Die schematische Darstellung in der
Um die Eigenschaften der Beschichtung
Direkt oder über den Umlenkspiegel
Dieses Antwortsignal, welches in der Darstellung der Figur gestrichelt dargestellt ist, gelangt direkt oder über den optionalen Umlenkspiegel
Für jeden einzelnen Bildpunkt, welchen die Infrarotkamera
Die bildliche Darstellung der über die Fläche der Beschichtung
Letztlich werden also eben diese die Temperaturleitfähigkeit und damit letztlich die qualitative Eigenschaft der Beschichtung beeinflussende Störungen, welche aufgrund des lamellaren Aufbaus der gespritzten Schicht bis zu einem gewissen Grad immer vorhanden sind, visualisiert. Damit lassen sich beispielsweise Bereiche erkennen, in denen Poren, Splats und/oder Oxidhäute besonders häufig auftreten und Bereiche, in denen eben dies nicht der Fall ist. Dadurch können prinzipielle Aussagen über die Qualität der Beschichtung und dem Beschichtungsprozess getroffen werden. Insbesondere können Inhomogenitäten in der Beschichtung sehr einfach erkannt werden, und gegebenenfalls durch eine Optimierung der Prozessparameter, eine verbesserte Abdichtung des Beschichtungsraums während der thermischen Beschichtung oder dergleichen optimiert werden.Ultimately, it is precisely these disturbances that influence the thermal conductivity and thus ultimately the qualitative property of the coating, which are always present to a certain extent due to the lamellar structure of the sprayed layer. This makes it possible, for example, to identify areas in which pores, splats and / or oxide skins occur particularly frequently and areas in which this is not the case. In this way, basic statements can be made about the quality of the coating and the coating process. In particular, inhomogeneities in the coating can be recognized very easily and, if necessary, can be optimized by optimizing the process parameters, improved sealing of the coating space during the thermal coating or the like.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 102016014967 A1 [0005]DE 102016014967 A1 [0005]
- DE 102016006562 A1 [0006]DE 102016006562 A1 [0006]
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---|---|---|---|---|
EP4170323A1 (en) * | 2021-10-22 | 2023-04-26 | Linseis Messgeräte GmbH | Thermal diffusivity measuring apparatus |
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- 2019-08-01 DE DE102019005420.2A patent/DE102019005420A1/en not_active Withdrawn
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