DE3531215A1

DE3531215A1 - Abtastung einer ueberzugsanhaftung

Info

Publication number: DE3531215A1
Application number: DE19853531215
Authority: DE
Inventors: Thomas Edward Cincinnati Ohio Bantel; John Frank Fairfield Ohio Halase III.; David Frank Lahrman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-09-04
Filing date: 1985-08-31
Publication date: 1986-03-13
Also published as: GB2164147A; GB8521480D0; FR2569851A1; IT8522008A0; JPS6189549A; IT1185661B

Description

Abtastung einer Überzugsanhaftung

Die Erfindung bezieht sich auf die Abtastung einer fehlerhaften Anhaftung (d. h. Abtastung von Blasen oder "Ablösungen") eines auf eine Oberfläche aufgebrachten Überzuges.

Auf die Turbinenschaufeln in einem Gasturbinenmotor treffen heiße Gase auf, und es ist bekannt/ daß der thermodynamische Wirkungsgrad

/ des Motors bzw. Triebwerks desto höher ist, je heißer

die Gase sind. Die hohen Temperaturen haben jedoch die Neigung, den Zustand der Turbinenschaufeln zu verschlechtern. Deshalb wird üblicherweise ein schützender thermischer Oberf lächenüber zug auf die Schaufeln aufgebracht.

Eine Art eines derartigen Überflächenüberzuges ist eine Schicht mit einer Dicke zwischen 0,075 und 0,4 mm (3 und 16/1000 Zoll) aus Zirkonoxid, das mit 8 % Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiert ist. Damit der thermische Oberflächenüberzug wirksam arbeiten kann, muß er mit der Schaufel sicher verbunden sein, ohne daß dazwischen Blasen oder Ablösungen vorhanden sind, wie es in Figur 1 gezeigt ist. In dieser Figur haftet eine Ablösung 3 in dem Bereich 9 nicht an dem metallischen Substrat 6 der Schaufel an. Ablösungen sind unerwünscht, da das nicht-verbundene Material 12 von der Schaufel abblättern oder absplittern kann, wodurch das Metall in dem Bereich 9 ungeschützt bleibt.

Deshalb ist es bei der Aufbringung eines thermischen Oberflächenüberzuges wünschenswert, Bereiche einer fehlerhaften Anhaftung, d. h. Ablösungen, des Oberflächenüberzuges abzutasten bzw. zu ermitteln.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren zu schaffen, um die Anhaftung eines Überzuges an einer Oberfläche zu messen. Weiterhin sollen durch das neue und verbesserte Verfahren Ablösungen eines thermischen Oberflächenüberzuges auf einer Schaufel eines Gasturbinenmotors abgetastet werden können.

Erfindungsgemäß wird Wärme auf ein laminiertes Material übertragen, und an gewählten Stellen auf dem Material werden Temperaturunterschiede gemessen. Ein Fehler in der Beschichtung wird durch eine Temperaturdifferenz an der Stelle des Fehlers im Vergleich zu Temperaturen angezeigt, die an anderen Stellen auftreten.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 stellt eine Ablösung 12 in einem laminierten bzw. beschichteten Material dar.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 3 zeigt die Bahn 39, der ein Laserstrahl 18 in Figur 2 beim Abtasten eines Zieles 23 folgt.

Figuren 4A bis L stellen Temperatur-Positionskurven des Zieles 23 in Figur 2 dar, die in Abständen von 0,10 Sekunden aufgenommen werden.

Figur 2 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, wobei ein Laser 15, der vorzugsweise ein YAG-Laser, Modell-Nr. 512Q, erhältlich von der Control Laser Corporation in Orlando, Florida, einen Laserstrahl 18 erzeugt, der auf

einen Abtastspiegel 21 projiziert wird, der den Laserstrahl 18 auf ein Ziel bzw. ein Target 23 reflektiert. Das Ziel 23 ist zwar als ein Block gezeigt, es kann aber beispielsweise eine Schaufel eines Gasturbinentriebwerks sein. Das Ziel 23 enthält

ein metallisches Substrat 6, das einen thermischen Oberflächenüberzug 23A trägt. Ein abtastendes Infrarot-Radiometer 24 (IR-Kamera genannt), wie beispielsweise das Modell Nr. 525 von Inframetrics in Bedford, MA., ist auf das Ziel 23 gerichtet, um das Bild des Ziels bzw. Targets 23 zu empfangen. Der Abtastspiegel 21 tastet den Laserstrahl 18 über dem Target 23 ab, wie es durch die Pfeile 27 angedeutet ist.

Wenn der Laserstrahl 18 auf den Bereich 30 in Figur 1 trifft (der Laserstrahl 18 ist in Figur 1 nicht gezeigt), erwärmt sich in einem Bereich, in dem der thermische Oberflächenüberzug richtig anhaftet, dieser Oberflächenüberzug. Aufgrund der guten Bindung zu dem Metallsubstrat 6 erfolgt jedoch eine schnelle Wärmeübertragung, und die durch den Laserstrahl 18 auf den Oberflächenüberzug aufgebrachte Wärme wird durch das Metallsubstrat 6 abgeführt. Wenn im Gegensatz dazu der Laserstrahl 18 auf den abgelösten Bereich 9 trifft, verhindert das Fehlen einer guten Bindung im Bereich 9 eine gute Wärmeübertragung auf das Substrat 6. Das bedeutet, daß der thermische Oberflächenüberzug, der ein keramisches Material mit einem kleinen Wärmeübertragungskoeffizienten ist, die Tendenz besitzt, Wärme zurückzuhalten, die durch den Laserstrahl auf ihn übertragen ist. Wenn jedoch der Oberflächenüberzug mit dem metallischen Substrat 6, das einen viel größeren Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist (vielleicht 2-3 Größenordnungen größer), in Kontakt bzw. Berührung ist, dann führt das metallische Substrat die Wärme ab. Die unterschiedliche Erwärmung des richtig verbundenen Bereiches 30 im Vergleich zu dem nicht richtig verbundenen bzw. abgelösten Bereich 9 kann durch die Infrarotkamera abgetastet werden. Ein Beispiel für eine derartige Abtastung wird nun erläutert.

Das Ziel bzw. Target 23 in Figur 2 wurde aus einem 5 cm- bzw. 2 Zoll-Substrat aus Hastelloy X aufgebaut (Hastelloy ist ein Handelsname der Cabot Corporation, Kokomo, Indiana). Das Substrat war 3,2 mm (0,125 Zoll) dick und war mit einer durch Vakuumplasmasprühen aufgebrachten Verbindungsschicht mit einer Dicke von 0,125 bis 0,2 mm (5 - 8/1000 Zoll) aus einer NiCrAlY-

Legierung beschichtet, worauf ein Plasmasprühüberzug aus Zirkonoxid (ZrO₂) erfolgte, das mit 8 % Yttriumoxid (Y₂°3^ stabilisiert war. Die Ablösungen 33 und 36 in Figur 3 waren künstlich

erzeugt durch Aufbringen eines Löthemmers, der in der Löttechals

nik/"stop off" bekannt ist. Die Ablösung 33 hatte einen Durchmesser von 6,25 mm (0,250 Zoll) und die Ablösung 36 hatte einen Durchmesser von 9,5 mm (0,375 Zoll).

Der Abtastspiegel 21 in Figur 2 tastete den reflektierten Laserstrahl 18 entlang einer Abtastlinie 39 in Figur 3 ab. Die Laserpunktgröße (der Durchmesser des auf den überzug auftretenden Strahls bzw. Bündels) betrug 4 mm ( 0,157 Zoll), und der Laser arbeitete bei einer Leitung von etwa 50 Watt. Der Laserpunkt wurde über der Oberfläche des Überzuges mit einer Geschwindigkeit von etwa 25 mm pro Sekunde abgetastet.

Die Infrarotkamera 24 in Figur 2 empfing ein Bild der Abtastlinie 39 in Figur 3 und erzeugte eine Kurve 43 auf. ihrem Ausgang smonitor 42 in Figur 2 der Überzugstemperatur über der Stellung auf der Abtastlinie. Beispielsweise entspricht die Temperatur am Punkt 46 in Figur 2 dem Punkt 46A in Figur 3. Die Kurve ist zeitveränderlich, wie es durch die Figuren 4A-K gezeigt ist. Diese Figuren stellen die tatsächlichen Kurvenverlaufe dar, die zu den angegebenen Zeiten existieren.

Zur Zeit t=0,90 Sekunden hat die Kurve den in Figur 4A gezeigten Verlauf. Daraus wird ein Temperaturanstieg im Bereich 75 an der rechten Seite der Kurve deutlich. Dieser Anstieg resultiert aus der Tatsache, daß das Laserstrahlbündel von rechts in das Sichtfeld der Kamera eintritt. Dies ist noch deutlicher in Figur 4B gezeigt, wo der Laserstrahl in das Sichtfeld der Kamera eingetreten ist und etwa im Bereich 77 angeordnet ist. In diesem Bereich 77 tritt ein Temperaturanstieg auf. Figuren 4C - 4L stellen die auftretenden Temperaturänderungen dar, wenn der Laserstrahl das Sichtfeld der Kamera von rechts nach links abtastet, wobei der Laserpunkt in etwa den Bereich einnimmt, der durch den getrichelten Kreis 77 angedeutet ist. Wenn der Laserpunkt das Sichtfeld verläßt, bleiben zwei Restwärme-

spitzen 80 und 82 in Figur 4L zurück. Diese Spitzen bzw. Nadeln entsprechen den Ablösungen 33 und 36 in Figur 3 und sie treten aus den oben erläuterten Gründen auf.

Insbesondere wird auf die folgenden drei Punkte hingewiesen. Erstens wurde in der vorstehenden Beschreibung zwar die Erwärmung des thermischen Oberflächenüberzuges betrachtet, an die sich eine Ermittlung von Bereichen unterschiedlicher Abkühlung anschloß (d. h. die Spitze 82 in Figur 4L sieht anders aus als der Bereich 85j. Aber die Erwärmung des thermischen Oberflächenüberzuges ist nicht notwendig, sondern es kann eine Abkühlung verwendet werden, beispielsweise durch Zufuhr eines kalten Gases, an die sich eine Ermittlung von Bereichen unterschiedlicher Erwärmung anschließt. Somit ist die Erfindung auf die Übertragung von Wärme auf ein Überzug-Substrat- System gerichtet, an die sich die Abtastung von Bereichen mit unterschiedlichen Temperaturen anschließt. Bei einer Erwärmung des Überzuges würde die Wärmeübertragung positiv (im algebraischen Sinne) sein, bei einer Kühlung negativ.

Eine Temperaturänderung ist der Verlauf der Temperatur über der Zeit in einem Bereich des Überzugs. Beispielsweise stellen die Punkte 87A - L in den Figuren 4A-L eine Temperaturänderung des Bereiches des Überzuges 23A dar, dem sie zugeordnet sind.

Zweitens wurde zwar in der vorstehenden Bewchreibung die Erwärmung des Targets 26 unter Verwendung eines Lasers beschrieben, der bei einer gegebenen Leistung mit einer gegebenen Punktgröße und mit einer gegebenen Abtastgeschwindigkeit arbeitet. Da ein Watt = ein Joule/sek. ist, liefert ein 30 W-Laser, der

2
eine Punktgröße von 0,13 cm mit einer Geschwindigkeit von

2 25 mm pro Sekunde abtastet, 1500 Joule pro 6,5 cm pro Sekunde. Somit kann die Erwärmung in der Weise beschrieben werden, daß

1500 Joule pro 6,5 cm pro Sekunde auf den thermischen Oberflächenüberzug projiziert werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Leistung (d. h. Joule pro Sekunde) an dem

f"

Laser gemessen wird, während die Punktgröße und die Abtastgeschwindigkeit an dem Oberflächenüberzug gemessen werden. Infolgedessen berücksichtigt die vorstehende Beschreibung nicht den Wirkungsgrad der Energieübertragung zwischen dem Laser und dem Oberflächenüberzug, obwohl der Wirkungsgrad im allgemeinen recht hoch ist.

Drittens wurde in der vorstehenden Beschreibung der Vergleich der Temperatur von Oberflächenbereichen betrachtet, die physikalisch auf der gleichen Laserabtastung angeordnet sind. Dies muß jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein. Man kann die Temperatur eines richtig verbundenen thermischen Schutzüberzuges bestimmen und diese als einen Bezugswert verwenden anstelle eines Bereiches, wie beispielsweise den Bereich 85 in Figur 4L,als Bezugswert.

Bei der beschriebenen Erfindung wird die unterschiedliche Wärmeabfuhr zwischen einem abgelösten thermischen Schutzüberzug und einem richtig verbundenen Überzug verwendet, um die Ablösung festzustellen. Zur Erwärmung beider Bereiche wird ein Laser verwendet, und ein abtastendes Infrarot-Radiometer wird benutzt, um die Temperatur beider Bereiche als eine Funktion der Zeit zu messen. Es wurde gefunden, daß die Temperatur des abgelösten Bereiches für eine messbare Zeitdauer höher bleibt. Diese Erscheinung wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um irgendwelche Ablösungen festzustellen.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise muß nicht ein Laser zur Erwärmung verwendet werden; heiße Luft oder eine Strahlungswärmequelle könnte in gleicher Weise benutzt werden. Ferner wurde vorstehend ein thermischer Oberflächenschutzüberzug einer Gasturbinenschaufel betrachtet. Es können jedoch auch in anderen Triebwerkskomponenten Ablösungen festgestellt bzw. ermittelt werden. Im Prinzip können Ablösungen in irgendeinem laminierten Material festgestellt werden.

- Leerseite -

Claims

Ansprüche

/ 1. Verfahren zum Feststellen einer fehlenden Berührung zwischen einem Überzug und einem Substrat, dadurch gekennzeichnet daß:

(a) Wärme auf den Überzug übertragen wird,

(b) Temperaturunterschiede des Überzuges an gewählten Stellen gemessen werden und

(c) ausgewählte, gemessene Temperaturen mit einem Referenzwert verglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Feststellen einer Ablösung zwischen einem thermischen Oberflächenüberzug und einer Gasturbinentriebwerkskomponente, gekennzeichnet durch:

(a) ein Laserstrahl tastet den Oberflächenüberzug zu dessen Erwärmung ab,

(b) die Temperatur des Oberflächenüberzugs wird nach der Erwärmung gemessen, wobei ein abtastendes Infrarot-Radiometer verwendet wird, und

(c) das Auftreten einer unterschiedlichen Abkühlung des Oberflächenüberzuges wird ermittelt.

- 2 -
3. Verfahren nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch:

(a) dem thermischen Oberflächenüberzug wird Energie zugeführt, um die Temperatur des Oberflächenüberzuges ausreichend zu ändern, um messbare Temperaturgradienten an der Oberfläche des Materials zu erzeugen,

(b) die Energiezufuhr zu dem Oberflächenüberzug wird beendet und

(c) die Temperatur des Oberflächenüberzuges wird überwacht, um unterschiedliche Geschwindigkeiten der Erwärmung oder Abkühlung an unterschiedlichen Bereichen des Ober-

^v-'' flächenüberzuges festzustellen.
4. Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Oberflächenüberzuges dadurch erfolgt, daß Laserenergie auf den Oberflächenüberzug mit einer Ge-

·' 2

•\. schwindigkeit von etwa 2500 Joule pro 6,5 cm pro Sekunde gerichtet wird.