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Vorrichtung und Gerät zum Prüfen des Korrosionszustandes von Gegenständen
aus einer Nickel-Superlegierung.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Gerät zum Prüfen
des Korrosionszustandes von Gegenständen aus einer Nickel-Superlegierung, wie sie
im Gattungsteil der unabhangigen Ansprüche beschrieben ist.
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Die Verwendungsdauer von Nickel-Superlegierungen bei hoher Temperatur,
insbesondere in Gasturbinenschaufeln, wird durch zwei Arten der Materialachädigung
begrenzt: a) durch interne Phänomene, die nicht von der umgebenden Atmosphäre abhängen;
b) durch Korrosionserscheinungen nahe der Oberfläche, die durch die Atmosphäre,
beispielsweise durch Verbrennungsabgase, verursaoht werden.
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Die Korrosion unter Beanspruchung stehender Teile ist allgemein unerwünscht,
da sie gewöhnlich zu einer Verminderung des nutzbaren Querschnittes des Teiles führt
und dadurch lokale Konzentrierungen der Belastung induziert, die ein Versagen des
Teils einleiten können.
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Die zunehmende Wichtigkeit einer notwendigen ttberprüfung von Turbinenschaufeln
auf Korrosion in periodischen Inspektionen gab Veranlassung, ein Verfahren der Korrosionsprüfung
zu entwickeln, bei dem Veränderungen in der magnetischen Suszeptibilität
des
Materials benutzt werden.
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Die Theorie des Magnetismus erklärt den Mechanismus, wie ein ferromagnetisches
Metall (Ni, Fe, Co) paramagnetisch oder diamagnetisch wird durch Zufügung nicht-ferromagnetischer
Elemente (Cr, Al, Ti, usw.). Da Nickel-Superlegierungen gemeinhin Chrom enthalten,
bezieht sich die nachfolgende Erläuterung auf eine Nickel-Chrom-Superlegierung;
doch ist sie auch auf andere Legierungen anwendbar, die vergleichbare magnetische
Eigenschaften zeigen.
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Der Perromagnetismus von Nickel basiert auf der Tatsache, daß seine
3d und 3d Elektronenniveaus (mit entgegengesetztem Spin) ungleichmäßig besetzt sind,
d.h. sie enthalten 5 bzw.
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4,4 Elektronen. Das resultierende magnetische Moment der Nikkelatome
ist proportional der Differenz in der Elektronenzahl dieser Niveaus, d.i. der Anzahl
flunpaariger Lochelektronen.
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Durch die Zugabe von Chrom in die feste Lösung werden diese unpaarigen
Lochelektronen aufgefüllt, wobei eine Aufhebung des magnetischen Momentes mit einer
2000igen Chromkonzentration erreicht wird. Zufällig benötigen Nickel-Chromlegierungen
fast genau diese Chromkonzentration für die Bildung einer kontinuierlichen Oberflächenschicht
aus Chromoxid. Diese Schicht ist bekanntlich die Basis der Korrosionsschutz eigenschaften
der Nickel-Chromlegierungen, da sie als eine Diffusionsbarriere wirkt und so das
darunter liegende Metall vor Oxidierung schützt.
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Die Formung dieser Chromoxidschicht ist notwendigerweise begleitet
von einer Abnahme der Chromkonzentration in dem darunter liegenden Bereich, wobei
die prozentuale Verminderung des Chromgehaltes eine integrale Funktion der Oxidationsgeschwindigkeit
eines speziellen Bereiches eines Gegenstandes ist. Jede Veränderung in der Chromoxidschicht,
beispielsweise durch Erosion, Rißbildung, Abblättern und Sandstrahleffekte,
die
die Oxidationsgeschwindigkeit steigert, hat einen kumulativen Effekt auf die Chromentblößung
des darunter liegenden Bereiches.
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Da die Verminderung der Ohromkonzentration in einem bestimmten Bereich
eines solchen Gegenstandes aus Nickel-Chromlegierung eine Zunahme der Anzahl unpaariger
Lochelektronen" in diesem Bereich zur Folge hat, führt sie auch zu einer Verstärkung
des magnetischen Momentes in diesem Bereich. Nennenswerte Änderungen in der Chromkonzentration
können daher durch Messungen der magnetischen Suszeptibilität (K) in einem inhomogenen
Magnetfeld festgestellt werden. Die magnetische Suszeptibilität ist definiert als
das Verhältnis der Stärke der Magnetisierung zur Feldstärke der speziellen Bereiche
eines Gegenstandes.
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Anderungen der magnetischen Suszeptibilität E können mit Hilfe einer
Laborwaage festgestellt werden, die die magnetische Anziehungskraft F zwischen einem
Dauermagneten und dem auf Korrosion zu prüfenden Gegenstand mißt, wobei der Gegenstand
in einem bestimmten Abstand vom Magneten angebracht ist. Der Anteil dF, den jedes
Volumenelement dv des Gegenstandes zu der Kraft F beiträgt, ist gegeben durch: dli
KH dF = dy v, worin H = das Magnetfeld y = der Abstand zwischen dem Magneten und
dem Gegenstand.
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Die Verwendung einer Laborwaage ist jedoch nicht praktisch, wenn es
nicht möglich ist, den Gegenstand ganz nahe an die Waage heranzubringen. In einigen
Fällen möchte man die Möglichkeit haben, einen Gegenstand auf Korrosion zu untersuchen,
ohne ihn zu bewegen. Dies ist besonders bei Turbinensohaufeln der Fall, weil es
sehr vorteilhaft wäre, wenn man die Sohaufeln für die UberprUfung nicht ausbauen
müßte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum tberprüfen
von Gegenständen aus einer Nickel-Superlegierung auf Korrosion zu schaffen, die
leicht nahe an die Gegenstände herangebracht werden kann, sowie ein transportierbares
Gerät, das eine solche Vorrichtung enthält.
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Prüfen des Korrosionszustandes
von Gegenständen aus einer Nickellegierung, die ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse
angebrachten Dehnungsmeßwandler aufweist, der mit einem Fühlstab verbunden ist und
dessen elektrisches Ausgangssignal abhängt von der auf den Fühletab ausgeübten axialen
Zugkraft aus dem Gehäuse heraus. Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung dieses
Typs dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Fühlstabes einen Dauermagneten
trägt, der von einem Abstandstück aus unmagnetischem Material umgeben ist, das an
dem Gehäuse derart befestigt ist, daß es in Richtung der Längsachse des Sühlstabes
relativ zum Gehäuse verstellbar ist, und dessen freies Ende über das freie Ende
des Magneten hinausragt und an eine Oberfläche des zu prüfenden Gegenstandes anlegbar
ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat die praktischen Vorzüge, tragbar
und bequem im Gebrauch zu sein, was sie zur Prüfung von Gegenständen, beispielsweise
Turbinenschaufeln, an Ort und Stelle befähigt, wobei das Abstandstück eine gewisse
Genauigkeit in den Messungen gewährleistet.
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Der Abstand des Dauermagneten von der Oberfläche des Gegenstandes
kann mit Hilfe einer Mikrometereinstellung des Abstand stückes reguliert werden,
damit die Werte für die Anziehungskraft, der der Fuhlstab unterworfen ist, und damit
die Werte der elektrischen Spannungen, die das Ausgangssignal des Meßwandlers darstellen,
in einem geeigneten Bereich zu liegen kommen. Diese Spannungen können mit einem
elektrischen Meßinstrument gemessen werden, das an den Meßwandler angeschlossen
wird.
Dieses Meßinstrument ist vorzugsweise ein Digital-Mikrovoltmeter.
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Weiter sieht die Erfindung ein Gerät zum Prüfen des Korrosionszustandes
von Gegenständen aus einer Nickel-Superlegierung vor, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß es eine vorstehend beschriebene Vorrichtung enthält, sowie eine mit dem
Meßwandler verbundene elektrische Stromquelle und ein an den Meßwandler angeschlossenes
elektrisches Meßinstrument zum Messen des Ausgangssignals des Meßwandlers.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin
zeigen: Fig.1 eine perspektivische Ansicht eines tragbaren Gerätes gemäß der Erfindung;
Fig.2 eine teilweise geschnittene Seitenansioht des Dehnungsmessers, der Bestandteil
des in Fig.1 dargestellten Gerätes ist, gezeigt im Gebrauch an einer Gasturbinenschaufel,
die perspektivisch gezeichnet ist; Fig.3 und 4 Diagramme, die die Ergebnisse von
mit dem erfindungsgemäßen Gerät durchgeführten Tests bei der Prüfung des Korrosionszustandes
von Nickelsuperlegierungsgegenständen veranschaulichen.
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Fig.i zeigt ein erfindungsgemäßes Gerät, das eine DehnungsmeB-vorrichtung
aufweist, die insgesamt mit 28 bezeichnet ist, sowie ein Gehäuse 10 mit einem Traghenkel
12, das ein Digital-Mikrovoltmeter 14 und eine Batterie 44 als Stromquelle enthält.
Die Stirnseite des Gehäuses 10, auf der die Ablesung des Mikrovoltmeters 14 sichtbar
ist, trägt auch noch einen Ein-Aus-Schalter 16, eine Signallampe 18 für die Stromquelle
44 und Stellknöpfe 20, 22 zum Eichen des Mikrovoltmeters 14.
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Die Stromquelle 44 und das Mikrovoltmeter 14 sind über einen
Stecker
24 und ein flexibles Kabel 26 passender Länge verbunden, um die Eingangs- bzw. Ausgangsklemme
46 und 48 der Dehnungsmeßvorrichtung 28 zu speisen.
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In Fig.2 ist die 1)ehnungsmeßvorrichtung 28 im einzelnen gezeigt.
Sie besteht aus einem langgestreckten Gehäuse 30, das als Handgriff für die Vorrichtung
dient. Das flexible Kabel 26 tritt an einem Ende des Gehäuses 30 aus; seine Leitungen
sind im Inneren mit dem Stromeingangs- und Stromausgangsanschluß 46 und 48 eines
Dehnungsmeßwandlers 50 bekannter Art (gestrichelt angedeutet) verbunden, der in
dem Gehäuse 30 eingebaut ist und einen Pühlstab 32 hat, der aus dem Gehäuse 30 durch
dessen zum Austrittsende des Kabels 26 entgegengesetzten Endteil 34 vorsteht. Der
Endteil 34 trägt auf seiner Außenfläche ein Schraubengewinde. An dem freien Ende
des Fühletabes 32 ist ein länglicher Dauermagnet 36 mit seinem einen Ende derart
angefügt, daß die Längsachsen des Magneten 36 und des Fühlstabes 32 praktisch auf
einer Linie liegen und die Magnetisierungsachse des Magneten 36 praktisch mit dessen
Längsachse zusammenfällt. Diese spezielle Form des Magneten 38 konzentriert das
vom freien Ende des Magneten ausgehende Magnetfeld in einem schmalen Bereich eines
zu untersuchenden Gegenstandes, wodurch in den Messungen eine gute räumliche Auflösung
in der Größenordnung weniger Millimeter erzielt werden kann. Es können auch andere
Magnetformen verwendet werden: Beispielsweise läßt sich eine Verbesserung der räumlichen
Auflösung erreichen, wenn man einen Magneten 36 verwendet, der ein zugespitztes
oder konisches freies Ende hat.
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Im Gebrauch der Dehnungsmeßvorrichtung 28 muß das freie Ende des Magneten
36 in einem bestimmten festen Abstand y von der Oberfläche des Gegenstandes, dessen
Korrosionszustand gemessen werden soll, gehalten werden, während die Vorrichtung
über die Oberfläche bewegt wird. Dieser Abstand y kann so eingestellt werden, daß
die Anziehungskräfte zwischen den verschiedenen
Teilen der Oberfläche
des Gegenstandes und dem Magneten 36 in einem solchen Bereich zu liegen kommen,
daß sie passende Ablesungen am Mikrovoltmeter 14 in Fig.1 ergeben. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ist der zu untersuchende Gegenstand eine Gasturbinenschaufel
P.
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Damit der feste Abstand y eingehalten werden kann, während die Vorrichtung
28 über eine Oberfläche bewegt wird, und auch um eine mikrometrische Regulierung
des Abstandes vorzusehen, ist der Magnet 36 von einem rohrförmigen, mit Innengewinde
versehenen, nichtmagnetischen Abstandstück 38 umgeben, das mit dem Außengewinde
auf dem Endteil 34 des Gehäuses 30 der Vorrichtung 28 im Eingriff ist. Das freie
Ende 42 des Abstandstückes 38 ist offen und steht um die Strecke y über das freie
Ende des Magneten 36 vor.
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Im Gebrauch der Vorrichtung wird durch die ständige Anlage des freien
Endes des Abstand stückes 42 an der Oberfläche des zu prüfenden Gegenstandes, in
diesem Fall der Schaufel P, gewährleistet, daß der Magnet 36 in dem festen Abstand
y von der Oberfläche gehalten wird. Eine Feinjustierung dieses Abstandes y ist durch
Drehen des Abstandstückes 38 um den Gewindeendteil 34 der Vorrichtung 28 möglich.
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In den durchgeführten Versuchen hat sich herausgestellt, daß beispielsweise
magnetische Anziehungskräfte zwischen 20 und 30 Milligramm mit Werten von y in der
Größenordnung von 2-3 mm erreichbar sind, was an den Ausgangsklemmen der Dehnungsmeßvorrichtung
28 Spannungen von 32 bis 48 Mikrovolt ergibt.
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Praktische Tests wurden unter Verwendung des erfindungsgemäßen Gerätes
durchgeführt, um den Korrosionszustand von Turbinenschaufeln zu bestimmen. Die Ergebnisse
dieser Tests sind graphisch in den Fig.3 und 4 aufgetragen.
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Test 1 Test an Turbinenschaufeln in iN - 100 für Düsenflugzeuge (Fig.4)
Die Werte der Magnetkraft F wurden an einer Schaufel gemessen, die 70 Stunden in
einer Test-Turbomaschine in Betrieb war.
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Die Messungen wurden entlang der Peripherie von vier verschiedenen
transversalen Abschnitten vorgenommen, die jeweils durch ihren Abstand x (Fig.2)
vom Fuß der Schaufel bestimmt waren. Die Meßpunkte an diesen Peripherien sind durch
Buchstaben an dem Schaufelprofil in Fig.3 gekennzeichnet.
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Test 2 INCONEL - X - 750 und UDIME - 500 Turbinenschaufeln für elektrische
Kraftwerke (Fig.4) Es wurden Messungen an UDIMET - 500 Schaufeln (1. Turbinenstufe)
und INCONEI-X-750 Schaufeln (2. und 3. Stufe) vorgenommen, die in Gasturbinen für
elektrische Kraftwerke 1000 bzw.
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50 000 Stunden lang in Betrieb waren. Fig.4 zeigt die Ergebnisse dieser
Tests, wobei die Werte der Magnetkraft F gegen den Abstand x (Fig.2) vom Fuß der
Schaufel, wie in Test 1 definiert, aufgetragen sind. Die am Fuß der Schaufel gemessenen
Werte der Magnetkraft sind als Bezugswerte eingetragen, da die Werte für neue Schaufeln
nicht zur Verfügung standen. Die folgenden Bemerkungen sind zu den im Diagramm der
Fig.4 aufgezeichneten Resultaten zu machen: 1) DS UD1ME? - 500 Schaufel (Test 2)
ergab in Bereichen mit sichtbarer Korrosion F-Werte von etwa 50 - 80 Volt mehr als
die Werte von Bereichen ohne solche Korrosion; 2) Die INCONEI-X-750 Schaufel der
zweiten Stufe zeigt, wenn sie feine Korrosionsspuren hat, eine Zunahme um einen
Baktor von etwa 10 in den Meßwerten der Magnetkraft F.
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Praktische Ausführungen können im Rahmen der Erfindung in
konstruktiven
Details weit von dem beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiel abweichen.