DE102020131505A1

DE102020131505A1 - Verfahren und Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung

Info

Publication number: DE102020131505A1
Application number: DE102020131505.8A
Authority: DE
Inventors: Hans Jürgen Maier; David Zaremba; Sebastian Barton
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Metallbauteils mit folgenden Schritten:
a) Erwärmen und/oder Abkühlen des Metallbauteils oder zumindest eines zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils über einen Temperaturbereich,
b) zerstörungsfreies Erfassen wenigstens einer magnetischen Kenngröße des Metallbauteils oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils mittels einer Sensorik während der Erwärmung und/oder Abkühlung,
c) Speichern der bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils erfassten Werte der magnetischen Kenngröße mit einer Zuordnung zur bei der Erfassung vorliegenden Temperatur,
d) Ermitteln wenigstens einer Prüfkenngröße des Metallbauteils oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils aus dem Verlauf der magnetischen Kenngröße über die Temperatur.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Metallbauteils. Die Erfindung betrifft außerdem eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Metallbauteils mittels eines solchen Verfahrens.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der zerstörungsfreien Materialprüfung von Metallbauteilen durch Erfassung wenigstens einer magnetischen Kenngröße des zu prüfenden Metallbauteils. Hochbelastete Metallbauteile, zum Beispiel Teile von Gasturbinen, werden aus Metalllegierungen gefertigt, die im Neuzustand zumindest bei Raumtemperatur nichtmagnetische (paramagnetische) Eigenschaften haben. Durch Alterungsprozesse und Abnutzung, insbesondere durch Korrosion, kann sich die Legierungszusammensetzung zumindest in bestimmten Bereichen des Metallbauteils aber derart verändern, dass bei Raumtemperatur magnetisierbare Eigenschaften des Metallbauteils entstehen. Aus der DE 10 2004 030 501 B4 geht der Vorschlag hervor, eine Inspektion von Bauteilen einer Gasturbine mittels eines einer Magnetoskopsonde durchzuführen. Mit der Magnetoskopsonde können lokal begrenzt magnetisierbare Bereiche an dem Metallbauteil detektiert werden. Anhand der Messergebnisse der Magnetoskopsonde kann entschieden werden, ob das Metallbauteil für den bestimmungsgemäßen Einsatzzweck noch brauchbar ist oder nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine zerstörungsfreie Prüfung von Metallbauteilen anzugeben, die einfacher und schneller durchgeführt werden kann und eine noch bessere Diagnose von Schäden des Metallbauteils ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Metallbauteils mit folgenden Schritten gelöst:

a) Erwärmen und/oder Abkühlen des Metallbauteils oder zumindest eines zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils über einen Temperaturbereich,
b) zerstörungsfreies Erfassen wenigstens einer magnetischen Kenngröße des Metallbauteils oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils mittels einer Sensorik während der Erwärmung und/oder Abkühlung,
c) Speichern der bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils erfassten Werte der magnetischen Kenngröße mit einer Zuordnung zur bei der Erfassung vorliegenden Temperatur,
d) Ermitteln wenigstens einer Prüfkenngröße des Metallbauteils oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils aus dem Verlauf der magnetischen Kenngröße über die Temperatur.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass im Unterschied zum Stand der Technik nicht nur eine reine gut/schlecht-Prüfung bei einer festen Temperatur (Raumtemperatur oder gerade vorliegende Umgebungstemperatur) durchgeführt wird, sondern die magnetische Kenngröße über einen gewissen Temperaturbereich aufgenommen wird und ausgewertet wird. Hierdurch lassen sich wesentlich verbesserte Analysen des Zustands des Metallbauteils durchführen, die eine präzisere Diagnose ermöglichen und insbesondere eine feiner abgestimmte Entscheidung zulassen, ob das Metallbauteil ohne Reparatur weiterhin einsatztauglich ist, ob eine Reparatur technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist oder ob das Metallbauteil insgesamt nicht mehr für den bestimmungsgemäßen Einsatzzweck tauglich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat insbesondere für hochbelastete Metallbauteile, wie sie in Gasturbinen und ähnlichen Einrichtungen eingesetzt werden, zum Beispiel für Turbinenschaufeln, eine große wirtschaftliche Bedeutung, da beispielsweise die Herstellungskosten für eine Turbinenschaufel für ein Flugzeugtriebwerk im Bereich von 10.000 € liegen. Die Turbinenschaufeln sind aufgrund der im Betrieb auftretenden hohen Temperaturen und der mechanischen Belastung extrem hoch belastete Bauteile, so dass sie aus sehr speziellen Metalllegierungen gefertigt werden müssen. Dabei kann es zur Erreichung der gewünschten Festigkeit notwendig sein, einen metallischen Grundkörper als Einkristall zu erzeugen, was sehr aufwändig ist. Durch die Erfindung kann in diesem Bereich eine erhebliche Kosteneinsparung erzielt werden, da weniger Teile vorsorglich aussortiert werden müssen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die magnetische Kenngröße des Metallbauteils sowohl bei deutlich erhöhten Temperaturen (gegenüber Umgebungstemperatur) als auch bei deutlich abgesenkten Temperaturen, insbesondere Temperaturen deutlich unter Null Grad Celsius, zu ermitteln. Auch hierdurch werden die Diagnosemöglichkeiten weiter verbessert. Die Erfassung der magnetischen Kenngröße beim Abkühlen des Metallbauteils kann z.B. derart ablaufen, dass das Metallbauteil zunächst auf eine Anfangstemperatur erwärmt wird und sich dann z.B. bei Raumtemperatur wieder abkühlt. Die Erfassung der magnetischen Kenngröße beim Erwärmen des Metallbauteils kann z.B. derart ablaufen, dass das Metallbauteil zunächst auf eine Anfangstemperatur abgekühlt wird und sich dann z.B. bei Raumtemperatur wieder erwärmt.
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu speichernden Temperaturwerte, bei denen die Werte der magnetischen Kenngröße jeweils erfasst werden, können beispielsweise durch wenigstens einen Temperatursensor, der am Metallbauteil angeordnet ist, erfasst werden. Erfolgt das Erwärmen und/oder Abkühlen des Metallbauteils in definierter geregelter Weise, zum Beispiel in einer Temperierkammer, die eine Solltemperaturregelung aufweist, so können die Temperaturwerte auch anhand der jeweiligen Solltemperatur ermittelt werden.
Die erfasste magnetische Kenngröße kann jeder geeignete technisch erfassbare magnetische Kenngröße sein, wie zum Beispiel die magnetische Suszeptibilität oder Permeabilität sein, oder eine diese charakterisierende Größe, wie zum Beispiel die Amplitude einer harmonischen Oberwelle (zum Beispiel die dritte Harmonische) bei einer Wirbelstrom-Untersuchung.
Die Prüfkenngröße kann zum Beispiel eine Kenngröße sein, die die Legierungsveränderung des Metallbauteils, die Oxidation, die Verarmung wenigstens eines Legierungselementes oder eine sonstige Verschleißgröße charakterisiert.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Wartung von technischen Gegenständen, in denen das Metallbauteil eingesetzt wird, zum Beispiel von Flugzeugen, vereinfacht werden kann. Die Erfindung gibt damit eine technische Grundlage, die derzeit festgelegten Wartungsintervalle zu überprüfen und ggf. zu verlängern. So kann mit der Erfindung insbesondere eine quantitative (zahlenmäßige) Bewertung des Metallbauteils durchgeführt werden, indem zum Beispiel der Grad der Elementverarmung in einer Legierung ermittelt werden kann. Durch die Erfindung kann insbesondere vermieden werden, dass teure Metallbauteile, wie Turbinenschaufeln vom Flugzeugtriebwerken, auf Verdacht vorab ausgetauscht werden, ohne dass dies eigentlich nötig wäre.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere qualitative Informationen über Oxidations- oder Sulfidations-Vorgänge an der Legierung des Metallbauteils gewonnen werden.
Das Metall bzw. die Legierung, aus dem das Metallbauteil besteht, hat gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung relevante Anteile, z.B. wenigstens 50% Anteile, von einem oder mehreren Elementen, die magnetisierbare bzw. ferromagnetische Eigenschaften haben, wie z.B. Nickel, Kobalt, Eisen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Legierung so beschaffen, dass eine Änderung der Element-Massenverhältnisse zu einer Änderung der Curietemperatur führt oder die Curietemperatur in einen bzw. in einem Temperaturbereich verschiebt, der technisch erfassbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ermitteln der Prüfkenngröße aus dem Verlauf der gemessenen magnetischen Kenngröße über die Temperatur und einem als Referenz ermittelten Verlauf der magnetischen Kenngröße über die Temperatur erfolgt. Dies erlaubt eine besonders präzise und zuverlässige Diagnose von Schädigungen des Metallbauteils anhand der ermittelten Prüfkenngröße. Der als Referenz ermittelte Verlauf kann zum Beispiel an einem Metallbauteil im Neuzustand ermittelt werden, oder anhand der Prüfung mehrerer Metallbauteile im Neuzustand und einer Mittelung der Ergebnisse.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Ermittlung der Prüfkenngröße die größte Curietemperatur des Metallbauteils oder des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils bestimmt wird. Es kann auch direkt die größte Curietemperatur als Prüfkenngröße bestimmt werden Die Forschungen der Erfinder haben ergeben, dass die Curietemperatur eines solchen Metallbauteils in einem definierten, reproduzierbaren Zusammenhang zu bestimmten Verschleißkenngrößen steht, wie zum Beispiel die Oxidationstemperatur oder der Chromverarmung einer Superlegierung auf Nickel-Basis (vgl. 1). Ermittelt man somit die Curietemperatur des Metallbauteils oder zumindest des zu prüfenden Bereichs, kann durch Vergleich mit der Curietemperatur im Neuzustand eine quantitative Aussage über den Verschleißzustand des Metallbauteils gemacht werden. Dabei sind insbesondere auch Vorhersagen über die weitere Einsetzbarkeit des Metallbauteils möglich, zum Beispiel einer Turbinenschaufel.
Die Curietemperatur ist eine materialspezifische Eigenschaft, die die Temperatur bezeichnet, bei deren Überschreiten ferromagnetische Eigenschaften eines Materials vollständig verschwunden sind, so dass das Material oberhalb dieser Temperatur nur noch paramagnetisch ist. Jedes ferromagnetische Material hat eine Curietemperatur. Bei Bauteilen, von denen man normalerweise sagt, sie seien nicht magnetisch, liegt die Curietemperatur bei sehr geringen Absolutwerten der Temperatur, insbesondere deutlich unterhalb von 0 °C. Hierin liegt ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, das insbesondere auch eine Abkühlung des Metallbauteils umfassen kann, so dass auch die Curietemperatur von Metallbauteilen erfasst werden kann, die deutlich unterhalb der normalen Umgebungstemperatur liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass für die Ermittlung der Schädigung des Metallbauteils oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils ein Modell erstellt wird, das die ermittelte Prüfkenngröße bei unterschiedlich ausgeprägten Schädigungen des Metallbauteils oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils wiedergibt, und die Schädigung durch Vergleich der Prüfkenngröße mit dem Modell bestimmt wird. Dies erlaubt eine besonders präzise und zuverlässige Diagnose von Schädigungen des Metallbauteils anhand der ermittelten Prüfkenngröße. Das Modell kann zum Beispiel erstellt werden, indem mehrere unterschiedlich stark geschädigte Metallbauteile mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüft werden und die dabei ermittelten Prüfkenngrößen in das Modell übernommen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das Metallbauteil oder zumindest der zu prüfende Bereich des Metallbauteils aus einem magnetisierbaren Metall besteht, z.B. einem ferromagnetischen Metall bzw. einem austenitischen Stahl, z.B. mit einem Nickelbasiswerkstoff. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können somit auch hochbelastbare Metallbauteile zuverlässig geprüft werden. Das Metallbauteil kann zum Beispiel als Basiswerkstoff Nickel, Eisen oder Kobalt haben. Beispielsweise kann das Metallbauteil aus einer Nickel-Basis Superlegierung bestehen, zum Beispiel Inconel 718. Das Metallbauteil kann zusätzlich an der Außenoberfläche und/oder an einer inneren Oberfläche, z.B. in Hohlräumen, mit einer Korrosionsschutzschicht versehen sein, zum Beispiel einer PtAI-Schicht oder MCrAlY-Schicht, wobei „M“ für Metall steht. Zusätzlich kann an der Außenoberfläche, ggf. auf der Korrosionsschutzschicht, noch eine thermische Schutzschicht vorhanden sein, zum Beispiel eine keramische Schicht wie zum Beispiel ZrO₂.
So kann das Metallbauteil z.B. aus einer Legierung bestehen, die bei 25 Grad Celsius im verschleißfreien Neuzustand nicht magnetisierbar oder nicht ferromagnetisch ist. Das Verfahren eignet sich auch für andere Temperaturbereich, z.B. kann auch eine Änderung der Curietemperatur von 100°C auf 150°C detektiert werden
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Metallbauteil eine Turbinenschaufel eines Flugzeugtriebwerks oder einer sonstigen Turbine ist. Auf diese Weise erlaubt das Verfahren erhebliche Kosteneinsparungen im Bereich der Wartung von Flugzeugtriebwerken. Die Erfindung eignet sich auch für andere Metallbauteile für Hochtemperaturanwendungen oder sonstige hochbelastete Bauteile, zum Beispiel Teile von Turboladern, Gasturbinen (auch zur Energieerzeugung), Dampfturbinen. Die Erfindung eignet sich z.B. für die Prüfung von statischen und rotierenden Komponenten in Flugtriebwerken wie Gehäuse, Befestigungselemente und Turbinenscheiben, insbesondere solche Teile, bei denen hohe Anforderungen an Kriechfestigkeit und Ermüdungsverhalten bestehen. Die Erfindung eignet sich auch für die Prüfung von statischen und rotierenden Komponenten in stationären Gasturbinen, Raketentriebwerken und Raumfahrzeugen, Kraftfahrzeug-Turboladern, hochfesten Schrauben, Federn und Befestigungselementen sowie für warmfeste Werkzeuge für Schmieden, Strangpressen und Trennscheren.
Die Sensorik zur Erfassung der magnetischen Kenngröße kann auf dem Prinzip der harmonischen Analyse von Wirbelstromsignalen beruhen. Die harmonische Analyse von Wirbelstromsignalen gehört zur Gruppe der indirekten magnetoinduktiven Prüfverfahren und kann zur Klassifizierung von ferromagnetischen Werkstoffen eingesetzt werden. Bei dieser Analyse werden Amplituden- und Phasenwerte von harmonischen Oberwellen eines Wirbelstromsignals ermittelt. Diese Daten geben eine Aussage über die Form der Hysteresekurve eines ferromagnetischen Werkstoffs. Die Bestimmung der Werkstoffeigenschaften wird indirekt über die aufgezeigten physikalischen Zusammenhänge und mechanisch-technologischen Werkstoffkennwerte ermöglicht. Bei diesem Messprinzip werden in dem Messsystem sinusförmige Sendesignale generiert und nach einer Verstärkung als Erregerströme einem Sendespulensystem zugeführt. Diese Erregerströme generieren ein primäres magnetisches Wechselfeld im zu prüfenden Metallbauteil, das im Material einen Ummagnetisierungsvorgang und die Entstehung von Wirbelströmen verursacht, die von spezifischen Einflussgrößen des Materials abhängig sind.
Die Wirbelströme und Ummagnetisierungsvorgänge im zu prüfenden Metallbauteil induzieren ein Sekundärfeld, das durch magnetische Eigenschaften geprägt ist. Aus dieser Charakteristik des Sekundärfeldes kann mit der Empfängerspule eine resultierende Signaldifferenz gemessen werden. Bei der Überführung der Zeitsignale mit Hilfe einer Fouriertransformation in den Frequenzraum besitzt das sinusförmige Eingangssignal eine diskrete Amplitude im Frequenzspektrum, während das Ausgangssignal einen Amplitudenanteil aufweist. Amplitude und Phasenverschiebung der Oberwellen werden durch die Form der Übertragungsfunktion verursacht, die Informationen über die magnetischen Eigenschaften sowie über die Form der magnetischen Hysteresekurve des Werkstoffes liefert. Um eine indirekte Bestimmung der mechanisch-technologischen Eigenschaften des zu prüfenden Metallbauteils durchführen zu können, können die harmonischen Oberwellen des Empfängersignals bezüglich der Amplitude und Phase bestimmt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorik einen Magnetisierbarkeitssensor aufweist. Mit einem solchen Sensor kann die Magnetisierbarkeit eines Metallbauteils auf einfache und schnelle Weise geprüft werden. Dies hat den Vorteil, dass die magnetische Kenngröße des Metallbauteils beziehungsweise des zu prüfenden Bereichs sehr einfach und schnell erfasst werden kann. Zudem kann der Magnetisierbarkeitssensor mit wenig Aufwand derart konstruiert werden, dass relativ kleine Metallbauteile, wie zum Beispiel eine Turbinenschaufel eines Flugzeugtriebwerks, davon vollständig erfasst werden kann, zum Beispiel indem das Metallbauteil in einem Prüfraum des Wirbelstromsensors angeordnet wird. Durch eine spektrale Zerlegung des vom Magnetisierbarkeitssensor aufgenommenen Signals können sicher Verzerrungen innerhalb des Signals detektiert werden, die nur auftreten, wenn das Metallbauteil oder der zu prüfende Bereich ferromagnetische Eigenschaften aufweist.
Wird die oben erläuterte Analyse von Wirbelstromsignalen angewandt, kann der Magnetisierbarkeitssensor als Wirbelstromsensor ausgebildet sein. Der Wirbelstromsensor weist z.B. eine Erregerspule und eine Messspule auf. Im Sinne der Erfindung können auch andere Arten von Magnetisierbarkeitssensoren eingesetzt werden, wie z.B. Magnetometer, Erregerspule mit Hallsensor, Barkhausen-Sensor, GMR-Sensor. Grundsätzlich kann fast jedes zerstörungsfreie elektromagnetische Prüfverfahren eingesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorik die magnetische Kenngröße des gesamten Metallbauteils erfasst. Dies hat den Vorteil, dass für die Prüfung des Metallbauteils nicht einzelne Bereiche des Metallbauteils manuell oder automatisiert abgetastet werden müssen, was relativ zeitaufwändig wäre. Stattdessen kann das gesamte Metallbauteil in einem Erfassungsvorgang abgeprüft und die magnetische Kenngröße bestimmt werden. Die magnetische Kenngröße gibt dann das Maximum der magnetischen Eigenschaften des Metallbauteils wieder. Auf diese Weise kann zuverlässig mit nur einem Prüfablauf über den Temperaturbereich eine Aussage über die maximale Schädigung am Metallbauteil gewonnen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch die Sensorik oder durch Auswertung von Signalen der Sensorik mittels einer Analyse von harmonischen Oberwellen der Signale, z.B. von Wirbelstromsignalen, die magnetische Kenngröße bestimmt wird. Dies erlaubt eine einfache und zuverlässige Auswertung der Signale der Sensorik und der Bestimmung der magnetischen Kenngröße. So kann beispielsweise die Amplitude der dritten Harmonischen als Charakteristikum für die magnetische Kenngröße ausgewertet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch die Sensorik oder durch Auswertung von Signalen der Sensorik ein qualitatives Maß der magnetischen Kenngröße bestimmt wird. Dementsprechend kann nicht nur, wie bei einem Magnetoskop, festgestellt werden, ob das Material magnetisch ist oder nicht, sondern die Magnetisierbarkeit des Materials und damit ein werkstoffbezogener Verschleißzustand kann zahlenmäßig ausgedrückt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Prüfkenngröße eine qualitative Prüfkenngröße ist, die eine zahlenmäßige Angabe über das Ergebnis der Prüfung des Metallbauteils beinhaltet. Somit kann der Zustand des Metallbauteils zahlenmäßig erfasst und wiedergegeben werden. Es kann damit eine Aussage getroffen werden, ob und wie stark das Metallbauteil bereits geschädigt ist.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Metallbauteils mittels eines Verfahrens der zuvor erläuterten Art, mit folgenden Merkmalen:

a) eine Erwärmungs- und/oder Abkühlungsvorrichtung zur Erwärmung und/oder Abkühlung des Metallbauteils oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils,
b) eine Sensorik zur Erfassung der magnetischen Kenngröße,
c) eine Auswerteeinrichtung, der die Signale der Sensorik zugeführt sind, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist,
- c1) die bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils erfassten Werte der magnetischen Kenngröße mit einer Zuordnung zur bei der Erfassung vorliegenden Temperatur zu speichern und
- c2) wenigstens eine Prüfkenngröße des Metallbauteils oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils aus dem Verlauf der magnetischen Kenngröße über die Temperatur zu ermitteln.

Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Die Auswerteeinrichtung kann zum Beispiel eine Computerprogramm-gesteuerte Auswerteeinrichtung sein, d.h. eine Einrichtung mit einem Rechner, der ein Computerprogramm ausführt, durch das zumindest die Schritte c1) und c2) ausgeführt werden. Die Erwärmungsvorrichtung kann zum Beispiel eine Induktionsheizung sein. Die Abkühlungsvorrichtung kann eine Zuführvorrichtung für ein Kühlmittel sein, zum Beispiel flüssigen Stickstoff. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Sensorik temperaturbeständig aufgebaut und/oder durch eine Schutzvorrichtung geschützt ist, um auch Proben in dem entsprechenden Temperaturbereich untersuchen zu können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung wenigstens einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Metallbauteils oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils hat, wobei der Auswerteeinrichtung die Signale des Temperatursensors zugeführt sind. Dies erlaubt eine zuverlässige Zuordnung der jeweiligen Temperatur zu einem Messvorgang der magnetischen Kenngröße. Beispielsweise können zwei Temperatursensoren eingesetzt werden, die an unterschiedlichen Stellen des Metallbauteils angeordnet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung eine Steuereinrichtung hat, die zur automatischen Steuerung der Erwärmungs- und/oder Abkühlungsvorrichtung derart eingerichtet ist, dass das Metallbauteil über einen gewünschten Temperaturbereich erwärmt und/oder abgekühlt wird. Dies hat den Vorteil, dass der gesamte Prüfablauf weitgehend automatisch durchgeführt werden kann, wobei durch die Steuereinrichtung die jeweilige Erwärmung oder Abkühlung des Metallbauteils automatisch gesteuert wird. Beispielsweise kann der Steuereinrichtung vorgegeben werden, über welchen Temperaturbereich die Erwärmung und/oder Abkühlung durchgeführt werden soll. Die Steuereinrichtung kann eine Computerprogramm-gesteuerte Einrichtung sein, die einen Rechner aufweist, die ein Computerprogramm ausführt. Die Steuereinrichtung kann mit der Auswerteeinrichtung verbunden sein, so dass Daten zwischen Steuereinrichtung und der Auswerteeinrichtung ausgetauscht werden können, oder mit der Auswerteeinrichtung als eine gemeinsame Einrichtung ausgebildet sein. So kann die Auswerteeinrichtung beispielsweise dazu eingerichtet sein, den jeweiligen Temperaturwert von der Steuereinrichtung zu empfangen und für die Speicherung zu verwenden.
Soweit ein Rechner erwähnt ist, kann dieser dazu eingerichtet sein, ein Computerprogramm, z.B. im Sinne von Software, auszuführen. Der Rechner kann als handelsüblicher Computer ausgebildet sein, z.B. als PC, Laptop, Notebook, Tablet oder Smartphone, oder als Mikroprozessor, Mikrocontroller oder FPGA, oder als Kombination aus solchen Elementen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen

1 einen experimentell ermittelten Verlauf der Curietemperatur und der Oxidationstemperatur über die Chromverarmung und
2 eine Erwärmungsvorrichtung und
3 eine Messvorrichtung beim Abkühlvorgang und
4 eine Abkühlungsvorrichtung und
5 die Messvorrichtung beim Erwärmungsvorgang und
6, 7 Verläufe der dritten Harmonischen über die Temperatur bei verschiedenen geprüften Metallbauteilen und
8 die ermittelte Curietemperatur für die anhand der 6 und 7 geprüften Metallbauteile.

Die 1 verdeutlicht die Abhängigkeit der Curietemperatur bei Metallbauteilen aus dem Werkstoff Inconel 718 mit unterschiedlich stark ausgeprägten Schädigungsstufen in Abhängigkeit von der Chromverarmung der Legierung. Dargestellt ist ferner die Oxidationstemperatur in Grad Celsius. Die Oxidationszeit beträgt hier bei allen Proben 3 Stunden. Es wurden dabei verschiedene unterschiedlich stark geschädigte Metallbauteile der Legierung Inconel 718, die bei Temperaturen zwischen 700 Grad Celsius und 1200 Grad Celsius betrieben wurden und dementsprechend Oxidationsspuren zeigten, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüft. Die dargestellten Zusammenhänge der 1 können als Modell für das erfindungsgemäße Prüfverfahren genutzt werden, d.h. sozusagen als Referenz, um in Abhängigkeit von der ermittelten Curietemperatur eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüften Metallbauteils auf dessen Schädigungsgrad zu schließen.
Anhand der 2 und 3 wird erfindungsgemäße Prüfung eines Metallbauteils durch die Aufnahme von mehreren Wertepaaren der magnetischen Kenngröße und der Temperatur bei einem Abkühlungsvorgang des zu prüfenden Metallbauteils erläutert. Zunächst wird, wie in der 2 dargestellt, das Metallbauteil 1 durch eine Erwärmungsvorrichtung auf eine Anfangstemperatur erwärmt, z.B. auf 400 Grad Celsius. Die Erwärmungsvorrichtung kann z.B. einen Induktionsgenerator 3 mit einer daran angeschlossenen Induktionsspule 2 umfassen. Der zu prüfende Bereich des Metallbauteils 1 befindet sich in dem von der Induktionsspule 2 umschlossenen Bereich. Durch Einschalten des Induktionsgenerators 3 kann dieser zu prüfende Bereich des Metallbauteils 1 induktiv erwärmt werden.
Sodann wird nach Abschluss der Erwärmung das Metallbauteil in einen Prüfbereich einer Sensorik eingesetzt, z.B. in einen Prüfbereich des in 3 dargestellten Wirbelstromsensors 5. Der nun folgende Abkühlvorgang findet bspw. bei Umgebungstemperatur statt, z.B. bei 22 Grad Celsius. Das Metallbauteil kühlt somit mit einer exponentiell abklingenden Zeitfunktion ab. Zur Erfassung der jeweils vorliegenden Temperatur des Metallbauteils 1 sind daran zwei Temperatursensoren 4 angebracht. Eine Auswerteeinrichtung 6 wertet die Signale des Wirbelstromsensors 6 und der Temperatursensoren 4 aus, speichert zunächst die Wertepaare der magnetischen Kenngröße und der Temperatur und führt dann eine Auswertung der Ergebnisse durch. In diesem Verfahrensabschnitt kann somit der Verlauf der magnetischen Kenngröße in einem Temperaturbereich oberhalb der Umgebungstemperatur geprüft werden.
Sodann erfolgt in einer zweiten Prüfphase die Prüfung des Metallbauteils 1 bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur. Hierzu wird, wie die 4 zeigt, das Metallbauteil 1 über eine Abkühlungsvorrichtung, z.B. einen portablen Stickstoffbehälter 7 mit Düse, auf eine Temperatur deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt, z.B. auf -180 Grad Celsius. Sodann wird das Metallbauteil 1 wieder im Prüfbereich des Wirbelstromsensors 5 platziert. Es folgt ein Erwärmungsvorgang des Metallbauteils 1, da die in 5 dargestellte Prüfung wiederum, ähnlich wie in der ersten Prüfphase gemäß den 2, 3, bei Umgebungstemperatur stattfindet. Das Metallbauteil 1 erwärmt sich somit von der deutlich tieferen Temperatur gemäß eine Exponentialfunktion wieder auf Umgebungstemperatur. Dabei werden wiederum durch die Auswerteeinrichtung 6 Wertepaare der magnetischen Kenngröße und der Temperatur erfasst, gespeichert und anschließend ausgewertet.
Die 6 zeigt beispielhaft die Verläufe der magnetischen Kenngröße, hier beispielhaft in Form der Amplitude der dritten Harmonischen des Wirbelstromsignals, über die Temperatur bei zwei geprüften Metallbauteilen TS A und TS B. Die 7 zeigt den Verlauf der magnetischen Kenngröße, ähnlich wie 6, über die Temperatur bei zwei weiteren geprüften Metallbauteilen TS C und TS D, wobei in den 6 und 7 jeweils nur die relevanten Temperaturbereiche dargestellt sind. In den 6 und 7 ist durch die Kreise auf den Kurven verdeutlicht, welche Curietemperatur des Metallbauteils jeweils durch die Auswerteeinrichtung 6 ermittelt wird. Die Curietemperatur kann anhand eines charakteristischen „Knickpunkts“ des Kurvenverlaufs identifiziert werden. Da das Metallbauteil oberhalb der Curietemperatur keine magnetisierbaren Eigenschaften mehr hat, geht der Kurvenverlauf dort in einen im Wesentlichen waagerechten Ast über.
Die 8 zeigt die anhand der 6 und 7 für die vier geprüften Metallbauteile ermittelten Prüfkenngrößen in Form der jeweiligen Curietemperaturen. Man erkennt insbesondere bei den Metallbauteilen TS C und TS D die relativ hohen Werte der Curietemperaturen, die auf einen erheblichen Schädigungsgrad hindeuten. Für die abschließende Auswertung der Ergebnisse kann z.B. ein Grenzwert festgelegt werden, bis zu dem ein Metallbauteil für den bestimmungsgemäßen Einsatzzweck noch genutzt werden kann. Man kann zudem erkennen, dass das Metallbauteil TS A noch eine größere voraussichtliche Restnutzungszeit als das Metallbauteil TS B, weil der Abstand vom Grenzwert größer ist als beim Metallbauteil TS B. Wird bei einem Metallbauteil festgestellt, dass nur eine geringe Grenzwertüberschreitung vorliegt, ist unter Umständen eine Reparatur der Schädigung möglich.
Bezugszeichenliste

1: Metallbauteil
2: Induktionsspule
3: Induktionsgenerator
4: Temperatursensor
5: Wirbelstromsensor
6: Auswerteeinrichtung
7: Stickstoffbehälter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004030501 B4 [0002]

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Metallbauteils (1) mit folgenden Schritten: a) Erwärmen und/oder Abkühlen des Metallbauteils (1) oder zumindest eines zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils (1) über einen Temperaturbereich, b) zerstörungsfreies Erfassen wenigstens einer magnetischen Kenngröße des Metallbauteils (1) oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils (1) mittels einer Sensorik (5) während der Erwärmung und/oder Abkühlung, c) Speichern der bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils erfassten Werte der magnetischen Kenngröße mit einer Zuordnung zur bei der Erfassung vorliegenden Temperatur, d) Ermitteln wenigstens einer Prüfkenngröße des Metallbauteils (1) oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils (1) aus dem Verlauf der magnetischen Kenngröße über die Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Prüfkenngröße die größte Curietemperatur des Metallbauteils (1) oder des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils (1) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Schädigung des Metallbauteils (1) oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils (1) ein Modell erstellt wird, das die ermittelte Prüfkenngröße bei unterschiedlich ausgeprägten Schädigungen des Metallbauteils (1) oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils (1) wiedergibt, und die Schädigung durch Vergleich der Prüfkenngröße mit dem Modell bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (1) oder zumindest der zu prüfende Bereich des Metallbauteils (1) aus einem magnetisierbaren Metall besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (1) aus einer Legierung besteht, die bei 25 Grad Celsius im verschleißfreien Neuzustand nicht ferromagnetisch ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (1) eine Turbinenschaufel eines Flugzeugtriebwerks oder einer sonstigen Turbine ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (5) einen Magnetisierbarkeitssensor aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (5) die magnetische Kenngröße des gesamten Metallbauteils (1) erfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Sensorik (5) oder durch Auswertung von Signalen der Sensorik (5) mittels einer Analyse von harmonischen Oberwellen der Signale die magnetische Kenngröße bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Sensorik (5) oder durch Auswertung von Signalen der Sensorik (5) ein qualitatives Maß der magnetischen Kenngröße bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkenngröße eine qualitative Prüfkenngröße ist, die eine zahlenmäßige Angabe über das Ergebnis der Prüfung des Metallbauteils (5) beinhaltet.
Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Metallbauteils (1) mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Merkmalen: a) eine Erwärmungs- und/oder Abkühlungsvorrichtung (2, 3, 7) zur Erwärmung und/oder Abkühlung des Metallbauteils (1) oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils (1), b) eine Sensorik (5) zur Erfassung der magnetischen Kenngröße, c) eine Auswerteeinrichtung (6), der die Signale der Sensorik (5) zugeführt sind, wobei die Auswerteeinrichtung (6) dazu eingerichtet ist, c1) die bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils erfassten Werte der magnetischen Kenngröße mit einer Zuordnung zur bei der Erfassung vorliegenden Temperatur zu speichern und c2) wenigstens eine Prüfkenngröße des Metallbauteils (1) oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils (1) aus dem Verlauf der magnetischen Kenngröße über die Temperatur zu ermitteln.
Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung wenigstens einen Temperatursensor (4) zur Erfassung der Temperatur des Metallbauteils (1) oder zumindest des zu prüfenden Bereichs des Metallbauteils (1) hat, wobei der Auswerteeinrichtung (6) die Signale des Temperatursensors (4) zugeführt sind.
Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Steuereinrichtung hat, die zur automatischen Steuerung der Erwärmungs- und/oder Abkühlungsvorrichtung (2, 3, 7) derart eingerichtet ist, dass das Metallbauteil (1) über einen gewünschten Temperaturbereich erwärmt und/oder abgekühlt wird.