DE3830233A1 - Vorrichtung zur bestimmung der kristallstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Kristallstruktur eines kristallinen Bauteiles ist für die Ge­ brauchsfestigkeit und die Standzeit von erheblicher Bedeutung. Bei­ spielsweise bei einkristallinen Körpern ist die Ausrichtung der Kri­ stallstruktur, d. h. die Gitterorientierung bezogen auf eine vorgege­ bene Richtung, von signifikanter Auswirkung auf die Gebrauchseigen­ schaften des Bauteiles. Bei größeren Abweichungen tritt eine erhebli­ che Verminderung der Zeitstandsfestigkeit des einkristallinen Bautei­ les, beispielsweise einer Turbinenschaufel, auf.

Bei mehrkristallinen Bauteilen ist die Größe des Korngrenzwinkels, d. h. des Winkels den Gitterorientierungen zweier benachbarter Körner miteinander bilden, von großer Bedeutung. Auch hieraus lassen sich Rückschlüsse auf die Gebrauchsfestigkeit des Gegenstandes ziehen.

Bei größeren Abweichungen tritt eine erhebliche Verminderung der Zeitstandsfestigkeit des einkristallinen Bauteiles, beispielsweise einer Turbinenschaufel, auf.

Bei mehrkristallinen Bauteilen ist die Größe des Korngrenzwinkels, d. h. des Winkels den die Gitterorientierungen zweier benachbarter Körner miteinander bilden, von großer Bedeutung. Hieraus lassen sich Rückschlüsse auf die Gebrauchsfestigkeit des Gegestandes ziehen.

Ein weiteres Qualitätsmerkmal ist das Auftreten von Fremd- und Re­ kristalisationskörnern. Alle drei Typen von Abweichungen vermögen beispielsweise die Standzeiten von Turbinenschaufeln um mehr als den Faktor 1000 zu verringern.

Die Verwendung von Ultraschall zur Bestimmung der Kristallorientierung ist aus "Ultraschall-Meßtechnik" von Horst-Dieter Tietz, Berlin, Seite 145, 146 bekannt. Das dort offenbarte Verfahren erfordert jedoch zur Ankopplung eine regelmäßig geformte, glatte Metalloberfläche. Dies hat den Nachteil, daß nur Probekörper mit bestimmter Außenkontur wie Zylinder, Platte oder Kugel geprüft werden können, soweit nicht Sen­ soren genau der Bauteiloberfläche angepaßt werden, was sehr aufwendig ist. Bei Probekörpern mit unregelmäßig gekrümmten Oberflächen ist dieses Verfahren nicht einsetzbar.

Orientierungsbestimmungen an Einkristallen werden gewöhnlich mit Hilfe der Röntgenfeinstrukturbestimmung (Laue-Verfahren) durchgeführt. Die­ ses Verfahren ermittelt Gitterstrukturen in oberflächennahen Berei­ chen. Daraus ergeben sich Nachteile: Das Verfahren ermöglicht keine Aussagen über Strukturen im Volumen und es erfordert vor der Messung den Abtrag mechanisch verformter Oberflächenschichten. Es ist aus letztgenanntem Grund nicht an fertig bearbeiteten Teilen, wie Turbi­ nenschaufelblättern, anwendbar.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung anzugeben, mit der beliebig geformte Prüfkörper unter geringem Aufwand genau kristallographisch vermessen werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Kennzeich­ nungsteils von Patentanspruch 1 gelöst.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß hierdurch erstmals eine Kristallgitterbestimmung bei beliebig geformten Prüfkörpern, bei­ spielsweise Turbinenschaufeln möglich ist. Es läßt sich vorteilhaf­ terweise eine Volumenprüfung realisieren, d. h. das Bauteil wird durchstrahlt, wodurch auch im Inneren des Körpers befindliche Stör­ stellen und Korngrenzen erkennbar sind.

Weiterhin ist vorteilhafterweise eine Bearbeitung der Bauteiloberflä­ che, und damit eine Beeinträchtigung seiner Maße, zur Durchführung der Prüfung nicht erforderlich.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist das flüssige Medium Wasser. Dies ermöglicht einen einfachen Austausch bei Wartung oder Verschmutzung und unkomplizierte Handhabung.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist der Prüfkörper raumfest angeordnet und Sendeprüfkopf und Empfangsprüfkopf zusammen bewegbar. Hierdurch können große und schwere Prüfkörper einfach fixiert werden und der technische Aufwand für die Bewegungsvorrichtung (Goniometer) bleibt gering.

In einer alternativen Ausführungsform ist der Sendeprüfkopf und der Empfangsprüfkopf raumfest angeordnet und der Prüfkörper bewegbar; dies ermöglicht bei relativ kleinen und leichten Prüfkörpern wie Turbi­ nenschaufeln einen einfachen Aufbau.

Die Bewegungseinrichtung (Goniometer) für das bewegte Element ist so ausgebildet, daß das bewegte Element in sechs Freiheitsgraden bewegbar ist. Vorzugsweise sind diese drei Translations- und drei Rotations­ freiheitsgrade.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung der Kristallgit­ terorientierung in einem Prüfkörper wird das bewegte Element um eine Achse gedreht, bis sich ein Intensitätsmaximum einstellt und anschlie­ ßend um eine dazu senkrechte Achse gedreht, bis sich erneut ein In­ tensitätsmaximum einstellt. Dadurch werden die 2 zueinander normal liegenden Winkelkomponenten des Kristallorientierungswinkels bestimmt. Da die erzielbaren Intensitätsmaximalen sehr steil sind, läßt sich erfindungsgemäß eine sehr genaue Winkelbestimmung durchführen.

Ein Verfahren zur Ermittlung von Korngrenzen innerhalb eines polikri­ stallinen Prüfköpers besteht darin, daß nach Rotation bis zum ersten Maximum eine lineare Relativbewegung zwischen Prüfkörper und Meßsonden erfolgt, bis sich eine sprunghafte Änderung der Echointensität ergibt. Durch erneute Rotation bis zum Erreichen des Echomaximums wird die Größe des Korngrößenwinkels in der Rotationsebene direkt ermittelt.

Beide Verfahren können vorteilhafterweise kombiniert werden, um eine größere Verfahrensökonomie zu erzielen. Der besondere Vorteil ist darin zu sehen, daß eine automatische und quantitative Auswertemög­ lichkeit hoher Genauigkeit und Meßgeschwindigkeit erzielt wird. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist ein Verfahren zur Identi­ fikation von Fremdkörnern beschrieben, bei denen ein linienförmiges Abtasten des Prüfkörpers beispielsweise in der Orientierung maximaler Echointensität erfolgt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß im Volumen vorliegende Körner abweichender Orientierung identifi­ zierbar sind.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau der Meßvorrichtung. Es ist ein Tauchbecken 12 gezeigt, das mit Wasser als Koppelmedium gefüllt ist. Ein Prüfkörper 1 in Form einer Einkristall- Turbinenschaufel ist mittels einer Klemmvorrichtung 13 fest im Tauch­ becken 12 angebracht. Ein Sendeprüfkopf 2 und ein Empfangsprüfkopf 3 sind mittels einer mechanischen Halterung 4 zueinander ausgerichtet angeordnet. Die Halterung 4 ist mittels eines nicht näher dargestell­ ten Goniometers 5 in mindestens sechs Freiheitsgraden bewegbar.

Mittels eines Pulsgenerators 7 wird ein Triggersignal erzeugt, das durch Schaltung eines Ultraschallsendeimpulses und zur Aktivierung eines Empfangsteiles 8 benutzt wird. Der vom Pulsgenerator 7 getrig­ gerte Ultraschallsender 6 erzeugt ein Signal, das mittels der Leitung 14 a einen Sendeprüfkopf 2 beaufschlagt. Das Ultraschallsignal durch­ quert das Koppelmedium (Wasser), den Prüfkörper 1 und wird vom Emp­ fangsprüfkopf 3 aufgenommen. Mittels der Leitung 14 b gelangt das Sig­ nal in den Empfänger 8 mit gekoppelten Hochfrequenzverstärker. Ein Oszilloskop 9 dient zur optischen Darstellung des Intensitätsverlaufes und eine Torschaltung 10 mit Laufzeitmeßeinrichtung ermittelt die Ultraschallaufzeit.

Eine Steuereinheit 11 zur Regelung des Goniometers kann wahlweise entweder von Hand mittels des Eingabeteils 15 oder durch Auswertung der Signale aus dem Empfänger 8 und der Torschaltung 10 angesteuert werden. In letzterem Fall erfolgt eine vollautomatische Bestimmung der gewünschten Daten. Je nach Meßprogramm kann die Orientierung, die Ermittlung von Korngrenzen oder die Identifikation von Fremdkörpern erfolgen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Kristallstruktur eines kristallinen Prüfkörpers mittels von einem Sendeprüfkopf ausgestrahlten und von einem Empfangsprüfkopf empfangenen Ultraschallwellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeprüfkopf (2) und der Empfangsprüfkopf (3) zueinander ausgerichtet und in einem flüssigen Medium einge­ taucht sind, und der zwischen diesen angeordnete Prüfkörper (1) relativ zu ihnen bewegbar ist, zur Ermittlung eines Intensitäts­ maximums das den Prüfkörper (1) durchlaufenden Ultraschalls.

2. Vorrichtungen in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium Wasser ist.

3. Vorrichtungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper (1) raumfest angeordnet ist, und Sendeprüfkopf (2) und Empfangsprüfkopf (3) zusammen bewegbar sind.

4. Vorrichtungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeprüfkopf (2) und der Empfangsprüfkopf (3) raumfest ange­ ordnet sind, und der Prüfkörper (1) bewegbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Element in sechs Freiheitsgraden bewegbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Element in drei Translations- und in drei Rotationsfrei­ heitsgraden bewegbar ist.

7. Verfahren zur Bestimmung der Kristallgitterorientierung eines kristallinen Prüfkörpers mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Element um eine Achse gedreht wird, bis sich ein Intensitätsmaximum ein­ stellt und anschließend um eine dazu senkrechte Achse gedreht wird, bis sich erneut ein Intensitätsmaximum einstellt.

8. Verfahren zur Ermittlung von Korngrenzen mittels der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Element um eine Achse gedreht wird, bis sich ein Intensi­ tätsmaximum einstellt, anschließend eine lineare Bewegung bis zum Abfall der Intensität erfolgt und anschließend um eine dazu senk­ rechte Achse gedreht wird bis sich wieder ein Intensitätsmaximum einstellt.

9. Verfahren zur Identifikation von Fremdkörnern mittels der Vor­ richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Element derart bewegt wird, daß eine zeilenförmige Abtastung des Prüfteils (1) in der Orientierung maximaler Echoin­ tensität erfolgt.