DE2619897C3

DE2619897C3 - Vorrichtung zum Prüfen des Korrosionszustandes von Gegenständen aus einer Nickellegierung

Info

Publication number: DE2619897C3
Application number: DE19762619897
Authority: DE
Inventors: Pietro Pizzi; Helmut Walther
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-05-09
Filing date: 1976-05-05
Publication date: 1980-08-21
Also published as: DE2619897B2; DE2619897A1; IT1032835B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen des Korrosionszustandes von Gegenständen aus einer Nickellegierung, die ein Gehäuse und einen in den Gehäuse angebrachten Dehnungsmeßwandler aufweist, der mit einem Fühlstab verbunden ist und dessen elektrisches Ausgangssignal abhängt von der auf den Fühlstab ausgeübten axialen Zugkraft in Richtung aus dem Gehäuse heraus. Eine solche Vorrichtung kann z. B. mit dem unter der Bezeichnung NDT-6D vertriebenen Gerät der Firma Nortec Corporation, Richland, Washington, U.S.A., eingesetzt werden.

Die Verwendungsdauer von Nickel-Superlegierungen bei hoher Temperatur, insbesondere in Gasturbinenschaufeln, wird durch zwei Arten der Materialbeschädigung 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, verursacht werden.

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.

Die zunehmende Wichtigkeit einer notwendigen Überprüfung von Turbinenschaufeln auf Korrosion in periodischen Inspektionen gab Veranlassung, ein ίο Verfahren der Korrosionsprüfung zu entwickeln, bei dem Veränderungen in der magnetischen Suszeptibilität des Materials benutzt werden.

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 aie nachfolgende Erläuterung auf eine Nickel-Chrom-Superlegierung; doch ist sie auch auf andere Legierungen anwendbar, die vergleichbare magnetische Eigenschaften zeigen.

Der Ferromagnetismus von Nickel basiert auf der Tatsache, daß seine 3d+ und 3d- Elektronenniveaus (mit entgegengesetztem Spin) ungleichmäßig besetzt sind, d.h. sie enthalten 5 bzw. 4,4 Elektronen. Das resultierende magnetische Moment der Nickelatome ist proportional der Differenz in der Elektronenzahl dieser Niveaus, d. i. der Anzahl »unpaariger Lochelektronen«.

Durch die Zugabe von Chrom in die feste Lösung ω werden diese unpaarigen Lochelektronen aufgefüllt, wobei eine Aufhebung des magnetischen Momentes mit einer 20%igen Chromkonzentration erreicht wird. Zufällig benötigen Nickel-Chromlegierungen fast genau diese Chromkonzentration für die Bildung einer j^r) kontinuierlichen Oberflächenschicht aus Chromoxid. Diese Schicht ist bekanntlich die Basis der Korrosionsschutzeigenschaften der Nickel-Chromlegierungen, da sie als eine Diffusionsbarriere wirkt und so das darunter liegende Metall vor Oxidierung schützt. 4» 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 4^r> 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.

Da die Verminderung der Chromkonzentration in einem bestimmten Bereich eines solchen Gegenstandes aus Nickel-Chromlegierung eine Zunahme der Anzahl »unpaariger Lochelektronen« in diesem Bereich zur Yi 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 w) werden. Die magnetische Suszeptibilität ist definiert als das Verhältnis der Stärke der Magnetisierung zur Feldstärke der speziellen Bereiche eines Gegenstandes. Änderungen der magnetischen Suszeptibilität K können mit Hilfe einer Laborwaage festgestellt werden, b5 die die magnetische Anziehungskraft Fzwischen einem D. ermagneten und dem auf Korrosion zu prüfenden Gegenstand mißt, wobei der Gegenstand in einem bestimmten Abstand vom Magneten angebracht ist. Der

Anteil d/% den jedes Volumenelement dv des Gegenstandes zu der Kraft Fbeiträgt, ist gegeben durch:

dF = KH -~dv, dy

worin

H = das Magnetfeld

y = der Abstand zwischen dem Magneten und dem Gegenstand.

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 Turbinenschaufeln der Fall, weil es sehr vorteilhaft wäre, wenn man die Schaufeln für die Überprüfung nicht ausbauen müßte.

Eine Vorrichtung eingangs genannter Art e. möglicht eine Prüfung des Korrosionszustandes durch Messung und ggf. Darstellung des von dem Dehnungsmeßstreifen abgegebenen Ausgangssignals. Gie ist jedoch verbesserungsbedürftig, da ihre Genauigkeit von der Handhabung beim Annähern an ein zu prüfendes Werkstück abhängt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Überprüfen von Gegenständen aus einer Nickel-Superlegierung auf Korrosion zu schaffen, die leicht und ohne besondere Sorgfalt nahe an die Gegenstände herangebracht werden kann, dabei aber eine gegenüber bisherigen Möglichkeiten erhöhte Meßgenauigkeit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung eingangs genannter Art erfindungsgernäß dadurch gelöst, daß das freie Ende des Fühlstabes einen Dauermagneten trägt, der von einem Abstandstück aus nichtmagnetischem Material umgeben ist, das an dem Gehäuse derart befestigt ist, daß er in Richtung der Längsachse des Fühlstabes relativ zu dem Gehäuse verstellbar ist, und dessen freies Ende über das freie Ende des Magneten hinausragt und an eine Oberfläche des zu prüfenden Gegenstandes anlegbar ist.

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 erhöhte Genauigkeit der Messungen gewährleistet, 'ohne daß eine besonders sorgfältige Handhabung erforderlich ist.

Der Abstand des Dauermagneten von der Oberfläche des Gegenstandes kann in weiterer Ausbildung der Erfindung mit Hilfe einer Schraubverbindung des Abstandstückes reguliert werden, damit die We.-te für die Anziehungskraft, der der Fühlstab unterworfen ist, und damit die Werte der elektrischen Spannungen, die das Ausgangssignal des Meßwandlers darstellen, in einem geeigneten Bereich liegen. Diese Spannungen können mit einem elektrischen Meßinstrument gemessen werden, das an den Meßwandler angeschlossen wird. Dieses Meßinstrument ist vorzugsweise ein Digital-Mikrovoltmeter.

Eine nähere Erläuterung der Erfindung folgt aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines tragbaren Gerätes,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Dehnungsmessers, der Bestandteil des in Fig. 1

dargestellten Gerätes ist, gezeigt im Gebrauch an einer Gasturbinenschaufel, die perspektivisch gezeichnet ist,

F i g. 3 und 4 Diagramme, die die Ergebnisse von mit dem erfindungsgemäßen Gerät durchgeführten Tests bei der Prüfung des Korrosionszustandes von Nickelsuperlegierungsgegenständen vera r.schaulichen.

F i g. 1 zeigt ein Gerät, das eine Dehnungsmeßvorrichtung 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. 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.

In Fig.2 ist die Dehnungsmeßvorrichtung 28 im einzelnen gezeigt. Sie besteht aus einem langgestreckten Gehäuse 30, das als Hanrlg-iff 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 Fühlstab 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 Fühlstabes 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 Magnetisierungachse 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.

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 F i g. 1 ergeben. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zu untersuchende Gegenstand eine Gasturbinenschaufe! P.

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.

Im Gebrauch der Vorrichtung wird durch die ständige Anlage des freien Endes des Abstandstückes 42 an der Oberfläche es 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 Gewindeendt^r'^:| 34 der Vorrichtung 28 möglich.

In den durchgeführten Versuchen hat sich herausgestellt, daß beispielsweise magnetische Anziehungskräfte zwischen 20 und 30 Milligramm mit Werten von y'm der Größenordnung von 2 — 3 mm erreichbar sind, was an den Ausgangsklemmen der Dehnungsmeßvorrichtung 28 Spannungen von 32 bis 48 Mikrovolt ergibt.

Praktische Tests wurden unter Verwendung des Gerätes durchgeführt, um den Korrosionszustand von Turbinenschaufeln zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Tests sind graphisch in den F i g. 3 und 4 aufgetragen.

Testl

Test an Turbinenschaufeln in 1N — 100 für
Düsenflugzeuge (F i g. 4)

Die Werte der Magnetkraft F wurden an einer Schaufel gemessen, die 70 Stunden in einer Test-Turbomaschine in Betrieb war. Die Messungen wurden entlang der Peripherie von vier verschiedenen transversalen Abschnitten vorgenommen, die jeweils durch ihren Abstand χ (Fig.2) vom Fuß der Schaufel bestimmt waren. Die Meßpunkte an diesen Peripherien sind durch Buchstaben an dem Schaufelprofil in Fig. gekennzeichnet.

Test 2

Turbinenschaufeln für elektrische Kraftwerke (F i g. 4 aus Legierung A (0,04% C, 0,5% Mn, 0,25% Si, 15,5% Ct 73% Ni, 0,95% Cb, 2,5% Ti, 0,7% Al, 7% Fe) unc Legierung B (0,08% C, 0,75% Mn, 0,75% Si, 19% Cr 18% Co, 4% Mo, 2,9% Ti, 2,9% Al, 0,005% B, 4% Fe Rest Ni)

Es wurden Messungen an Schaufeln (1. Turbinenstufe aus Legierung B und Schaufeln (2. und 3. Stufe) au« Legierung A vorgenommen, die in Gasturbinen füi elektrische Kraftwerke 1000 bzw. 50 000 Stunden lang in Betrieb waren. Fig.4 zeigt die Ergebnisse diese Teste, wobei die Werte der Magnetkraft F gegen der Abstand χ (F i g. 2) vom Fuß der Schaufel, wie in Test definiert, aufgetragen sind. Die am Fuß der Schaufe gemessenen Werte der Magnetkraft sind als Bezugs werte eingetragen, da die Werte für neue Schaufelr nicht zur Verfügung standen. Die folgenden Bemerkun gen sind zu den im Diagramm der Fig.4 aufgezeichne ten Resultaten zu machen:

1) Die Schaufel aus Legierung B (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 Schaufel der zweiten Stufe aus Legierung A

3ü zeigt, wenn sie feine Kprrosionsspuren hat, eine

Zunahme um einen Faktor von etwa 10 in den Meßwerten der Magnetkraft F.

Hierzu 3 Blatt Zeichnuncen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 Fühlstab ausgeübten axialen Zugkraft in Richtung aus dem Gehäuse heraus, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Fühlsta'ues (32) einen Dauermagneten (36) trägt, der von einem Abstandstück (38) aus nichtmagnetischem Material umgeben ist, das an dem Gehäuse derart befestigt ist, daß es in Richtung der Längsachse des Fühlstabes relativ zu dem Gehäuse (30, 34) verstellbar ist, und dessen freies Ende (42) über das freie Ende des Magneten (36) hinausragt und an eine Oberfläche des zu prüfenden Gegenstandes (P) anlegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (36) ein langgestreckter Magnet ist, der an dem Fühlstab (32) koaxial angefügt ist, so daß die Magnetisierungsachse des Magneten mit seiner Längsachse zusammenfällt, und daß das Abstandsstück (38) aus einem rohrförmigen Element besteht, das koaxial zum Dauermagneten (36) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandstück (38) an dem Gehäuse (34) mittels einer Schraubverbindung (40) befestigt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) in Achsrichtung des Fühlstabes (32) langgestreckt ist und daß von seinem einen Ende das Abstandstück (38), der Fühlstab (32) und der Dauermagnet (36) vorstehen und von seinem anderen Ende ein flexibles elektrisches Kabel (26) austritt, das den Meßwandler (50) mi! einem Meßgerät (10) verbindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (10) tragbar ist und eine Batterie (44) und ein Meßinstrument (14) enthält.