DE3902096A1

DE3902096A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der dicke eines ueberzuges auf einem metallsubstrat

Info

Publication number: DE3902096A1
Application number: DE3902096A
Authority: DE
Inventors: John Ruediger Mader Viertl
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-02-03
Filing date: 1989-01-25
Publication date: 1989-08-17
Also published as: GB8902289D0; CH678762A5; JPH01282401A; US4920319A; GB2215470A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Ge biet der mit Legierungen überzogenen Metallgegenstände. Mehr im besonderen bezieht sie sich auf die Bestimmung der Dicke des Überzuges auf dem Gegenstand. Gemäß einer Ausfüh rungsform ist die Erfindung besonders brauchbar zum Nach weis der Anwesenheit und Dicke von Überzügen, die üblicher weise auf die Metallkomponenten einer Gasturbine aufge bracht sind, um diese Komponenten mit der Fähigkeit zu ver sehen, hohen Betriebstemperaturen zu widerstehen.

Bei einer Reihe von Anwendungen werden dünne Überzüge aus Legierungsmaterialien auf Metallstrukturen aufgebracht, um letztere vor den zerstörenden Wirkungen der eine hohe Tempe ratur aufweisenden und/oder korrosiven oder oxidierenden Umgebungen zu schützen. So müssen in einer Gasturbine viele der Komponenten einer hohen Spannung widerstehen, während sie einem korrosiven Gasstrom ausgesetzt sind, dessen Tempe ratur bis zu etwa 1370°C hoch sein kann. In einer solchen Umgebung sind Schutzüberzüge auf den Metallkomponenten we sentlich für die befriedigende Leistungsfähigkeit der Tur bine. In vielen üblichen Turbinen sind die Metallkomponen ten aus der Klasse von Materialien zusammengesetzt, die als "Superlegierungen" bekannt geworden sind, und der Schutzüber zug ist aus einem der Materialien ausgewählt, die als MCrAlY- Überzüge bekannt sind, worin M ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Nickel, Kobalt und gewissen Mischungen davon. Solche Substrat- und Überzugs-Zusammensetzungen sind bekannt und, z.B., in der US-PS 44 19 416 beschrieben.

Da die verwendeten Überzüge eine derart wesentliche Rolle beim Schutz der darunterliegenden Metallstrukturen spielen, ist es folglich auch wichtig, daß der Überzug während der Herstellung auf das Metallsubstrat richtig aufgebracht wird. Ein notwendiger Teil des Qualitätskontrollprogrammes bei der Herstellung solcher Teile besteht daher in der Bestimmung der Dicke des Schutzüberzuges auf den fertigen Gegenständen. Wird außerdem festgestellt, daß der Überzug etwas fehler haft ist oder daß das Metallsubstrat aus irgendeinem Grunde nochmal bearbeitet werden muß, dann muß man den Überzug ent fernen und auf das bearbeitete Teil wieder aufbringen. Sol che Schutzüberzüge werden im allgemeinen durch chemisches Ätzen entfernt, mit dem vorzugsweise der Überzug angegriffen wird. Die chemischen Ätzmittel, die üblicherweise benutzt werden, greifen jedoch auch die freigelegte Substratober fläche an, wenn man das Ätzen für eine zu lange Zeitdauer fortsetzt. Für Überzüge, die wärmebehandelt worden sind, um eine Diffusionsbindung zwischen dem Überzug und dem Substrat auszubilden, führt ein zu langes Ätzen zu einem intergranu laren Angriff des Ätzmittels auf die Substratoberfläche. Wird der Überzug nochmals auf ein Substrat aufgebracht, das durch diese Art von intergranularem Angriff beschädigt wor den ist, dann enthält der Überzug Risse. Aufgrund von Unter schieden bei der Entfernungsgeschwindigkeit, die in Verbin dung stehen mit solchen Parametern, wie der Badtemperatur, der Konzentration des Ätzmittels, Dickenvariationen beim Überzug auf dem Teil, usw. ist es häufig schwierig, das Ätz verfahren in ausreichender Weise zu steuern, um das Entfer nen des Überzuges sicherzustellen, während gleichzeitig der Angriff auf das darunter liegende Substrat vermieden wird.

Sowohl für die Herstellung neuer Metallkomponenten mit Schutz überzügen darauf als auch für das Bearbeiten vorhandener Metallkomponenten ist es daher notwendig, daß man in der Lage ist, die Anwesenheit und Dicke des Überzuges zu bestimmen. Für die Zwecke der Qualitätskontrolle würde ein Verfahren zu dieser Bestimmung einfach darin bestehen, eine Probe des fertigen Gegenstandes zu schneiden und die Schichtdicke di rekt zu messen. Die zerstörerische Art dieser Bestimmungs art beschränkt natürlich seine Brauchbarkeit auf Anwendun gen, wo ein punktuelles Überprüfen der Anwesenheit und Dicke des Überzuges ausreicht. Zur Überprüfung der Überzugsdicke von Teilen bei der Herstellung und zum Nachweisen, ob der Überzug von nachzubearbeitenden Teilen entfernt worden ist, benötigt man ein zerstörungsfreies Testsystem. Das angewendete System sollte in der Lage sein, für relativ komplexe Geometrien von Teilen benutzt zu werden, wie sie üblicherweise bei Turbinenschaufeln benutzt werden. Vorzugsweise soll die Überzugsdicke meßbar sein, selbst wenn diese Überzugsdicke mit dem Ort auf dem Teil variiert. Wei ter sollte das Testsystem in der Lage sein, relativ geringe Überzugsdicken nachzuweisen, selbst wenn die Überzugszusam mensetzungen sehr ähnlich der Zusammensetzung des darunter befindlichen Substrates sind.

Es ist bekannt, daß bei der Verbindung zweier verschiedener Metalle am Übergang ein thermoelektrisches Potential vor handen ist. Wird dieser Übergang entweder erwärmt oder ge kühlt, dann erscheint ein anderes thermoelektrisches Poten tial an diesem Übergang, wobei der Unterschied zwischen den beiden thermoelektrischen Potentialen proportional zum Unter schied in der Temperatur zwischen dem Umgebungszustand und dem erwärmten oder gekühlten Zustand ist. Dieses Prinzip ist viele Jahre lang zur Temperaturmessung mit Thermoelementen mit Metallübergang benutzt worden. Für eine gegebene Tempe ratur hängt die Größe des thermoelektrischen Potentials über den Metallübergang auch von der Zusammensetzung der Metalle ab, die den Übergang bilden. Es sind Instrumente zum Sortie ren von Materialien gebaut worden, indem man das thermoelek trische Potential über einen Übergang bestimmt, der zwischen einem Metall bekannter Zusammensetzung und dem auszusortie renden Material gebildet wird und durch Vergleichen des er haltenen thermoelektrischen Potentials mit vorbestimmten Werten, die mit verschiedenen Übergangszusammensetzungen bei der gegebenen Temperatur in Verbindung stehen.

SU-PS 1 10 354 offenbart, daß eine galvanische Überzugsdicke bestimmt werden kann durch Messen der thermoelektromotori schen Kraft im Grundmetall und Überzugsmetall. Die Größe der gemessenen thermoelektromotorischen Kraft wird dann mit Werten verglichen, die verschiedenen Überzugsdicken bei der berücksichtigten Temperatur entsprechen. Nach dieser SU-PS wird die thermoelektromotorische Kraft bestimmt durch Verbinden einer elektrischen Rückführung mit der Grundlage und Inberührungbringen des Überzugsmaterials mit einer er hitzten Sonde sowie Messen der Größe der erhaltenen elektro motorischen Kraft durch Verbinden eines Galvanometers mit Sonde und elektrischer Rückführung. Bei dem anderen offen barten Verfahren wird die elektrische Rückführung durch eine zweite erhitzte Sonde ersetzt. Die SU-PS 1 10 354 deutet wei ter an, daß für Fälle, bei denen der Kontakt mit der Basis nicht möglich ist, die Messung unter Verwendung von zwei Sonden verschiedener Materialien möglich ist, wobei jede Sonde die Überzugsoberfläche berührt.

In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß diese Techniken und Verfahren nach dem Stande der Technik keine befriedigenden Ergebnisse liefern, wenn sie auf das Problem angewandt werden, die Dicke des Schutzüberzuges zu bestimmen, der auf die Metallkomponenten einer Gasturbine aufgebracht ist. Für solche Anwendungen ist das thermoelektrische Po tential, das sich an dem Metallübergang bildet, der an der Grenzfläche zwischen Überzug und Substrat liegt, recht ge ring wegen der Ähnlichkeiten in der Zusammensetzung zwischen dem Überzug und dem Substrat. Die Vorrichtung, die dazu be nutzt wird, die Größe des thermoelektrischen Potentials zu messen, muß daher in der Lage sein, das Spannungssignal vom Hintergrundgeräusch zu unterscheiden. Die Messung sollte auch relativ immun gegen Wirkungen der thermischen Wanderung der Meßschaltung sein. Um die Anzahl von Parametern zu mini mieren, die von einer Ablesung zur anderen für variierende Überzugsdicken variieren können und dadurch die Wahrschein lichkeit zu erhöhen, daß die Änderung des gemessenen ther moelektrischen Potentials einer entsprechenden Änderung in der Überzugsdicke zuzuschreiben ist, ist es daher bevorzugt, daß statt der zwei erhitzten Sonden, die in der SU-PS 1 10 354 offenbart sind, bei der Vorrichtung nur eine einzi ge erhitzte Sonde benutzt wird. Für ähnliche Gründe der Einfachheit ist es auch bevorzugt, daß die beiden Sonden, die in der Vorrichtung benutzt werden, aus dem gleichen Ma terial konstruiert sind, selbst zum Messen der Überzugsdic ke eines Gegenstandes, bei dem der Kontakt zwischen der zweiten Sonde und dem Substrat nicht möglich ist. Darüber hinaus kann bei den Arten von Sonden, die üblicherweise dazu benutzt werden, eine Metalloberfläche zu erhitzen, die Oxi dation und/oder Korrosion der Sondenoberfläche sowie der mechanische Abrieb der Sondenspitze, der durch wiederholtes Berühren der Metalloberfläche mit der Sonde verursacht wird, Variationen bei der Wärmemenge verursachen, die von der Son de zur Oberfläche übertragen wird und dadurch die thermo elektrischen Potentialwerte, die man erhält, beeinflussen. Außerdem wurde in der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß bei üblichen Sondenmaterialien, wie Kupfer, geringe Men gen des Sondenmaterials, die durch Abrieb der Sonde auf der Überzugsoberfläche abgeschieden werden, Eutektika auf der Überzugsoberfläche bilden können, wenn diese den erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird, die in der Betriebsumgebung einer Gasturbine angetroffen werden. Aufgrund dieser und an derer Probleme ist die allgemein und seit langem anerkannte Notwendigkeit eines Systems, das eine zerstörungsfreie Be stimmung der Anwesenheit und Dicke eines Schutzüberzuges auf einem Metallsubstrat durch die im Stande der Technik bekannten Konzepte nicht erfüllt wurden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Ver fahren und Vorrichtung zum zerstörungsfreien Bestimmen der Dicke eines Überzuges auf einer Metallkomponente zu schaf fen. Weiter soll ein Überzugs-Meßsystem geschaffen werden, das selbst bei dünnen Überzügen und komplexen Substratgeo metrien wirksam ist. Das zu schaffende System zur Bestim mung der Überzugsdicken soll weiter Resultate liefern, die nicht zeitempfindlich sind. Und schließlich soll eine Vor richtung geschaffen werden, die besonders brauchbar ist zur Bestimmung der Dicke des Schutzüberzuges auf Teilen, die in üblichen Gasturbinen benutzt werden.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vor richtung zum Bestimmen der Dicke eines Überzuges auf einem Metallsubstrat geschaffen, das erste und zweite Sonden so wie eine Einrichtung zum Messen der thermoelektrischen Span nung zwischen der ersten und zweiten Sonde umfaßt. Die erste Sonde dient dazu, den Überzug lokal zu erhitzen, um darin einen Temperaturgradienten einzurichten und einen elektri schen Kontakt mit dem Überzug herzustellen. Diese erste Sonde wird aus einem Material hergestellt, das eine hohe thermische Leitfähigkeit hat und zumindest teilweise mit einem Material plattiert ist, das eine hohe Oxidationsbe ständigkeit aufweist. Die zweite Sonde liefert einen elektri schen Rückführungskontakt zur Vervollständigung der die thermoelektrische Spannung messenden Schaltung. Die Vorrich tung schließt auch eine Einrichtung zum geregelten Erhitzen der ersten Sonde ein, so daß deren Temperatur bei einem vor bestimmten Wert gehalten wird. Vorzugsweise wird das Plattie rungsmaterial für die Sonde so ausgewählt, daß es eine hohe Beständigkeit gegenüber mechanischem Abrieb hat. Die Span nungsmeßeinrichtung kann üblicherweise eine Wechselstrom- Verstärkungsschaltung umfassen.

Um eine "Ja/Nein"-Art von Testsystem zu schaffen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Einrichtung zum Umwan deln der gemessenen thermoelektrischen Spannung in ein Binär logik-Signal einschließen, das die Anwesenheit oder Abwesen heit eines Überzuges mit einer bestimmten Dicke repräsen tiert. Um Fehler bei der Überzugsdickenmessung aufgrund der Ablösung des Überzuges vom Substrat minimal zu halten, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter eine Einrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit des Wärmeflusses von der ersten Sonde zum Überzug einschließen, diese Wärmeströmungs geschwindigkeit ist bei einem abgelösten Überzug deutlich geringer als bei einem intakten Überzug. Die erfindungsge mäße Vorrichtung ist auch in der Lage, Überzugsdickendaten als Funktion des Ortes auf dem überzogenen Substrat zu lie fern. Bei dieser letztgenannten Ausführungsform ist die erste Sonde weiter so ausgebildet, daß sie längs der Ober fläche des Überzuges rollbar ist, und die Vorrichtung um faßt weiter eine Einrichtung zum Bestimmen der Rotationsge schwindigkeit der rollbaren Sonde. Diese Ausführungsform der Vorrichtung schließt auch eine Einrichtung zum Bestimmen der wahren Überzugsdicke auf der Grundlage der gemessenen thermoelektrischen Spannung und der Rotationsgeschwindig keit der Sonde ein.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste Sonde steuerbar erhitzt, um deren Temperatur auf einem vorbestimm ten Wert zu halten, und die Sonde wird angeordnet, um den Überzug zu erhitzen und darin einen Temperaturgradienten einzurichten. Weiter ist die Sonde angeordnet, um einen elek trischen Kontakt zum Überzug zu schaffen. Ist auch die zwei te Sonde so angeordnet, daß sie einen elektrischen Kontakt schafft, dann wird die thermoelektrische Spannung zwischen den beiden Sonden gemessen, wenn die erste Sonde in elektri schem Kontakt mit dem Überzug steht. Gemäß einer Ausführungs form ist die erste Sonde auf eine Temperatur von 450°C er hitzt.

Um Fehler der Überzugsdickendaten aufgrund der Wanderung der Betriebs-Charakteristika des Testsystems zu minimieren, kann ein Bezugspotential für die untersuchte Probe eingerichtet werden, indem man die thermoelektrische Spannung mißt, wenn sich beide Sonden in elektrischem Kontakt mit dem Substrat befinden. Um dies zu tun wird die erhitzte erste Sonde so angeordnet, daß sie einen elektrischen Kontakt zum Substrat herstellt, um das Substrat lokal zu erhitzen und darin einen Temperaturgradienten einzurichten. Dann wird die thermoelek trische Spannung zwischen der ersten und zweiten Sonde ge messen. Durch Vergleichen der thermoelektrischen Spannung, die erhalten wird, wenn sich die erste Sonde in Kontakt mit dem Überzug befindet, mit der, die erhalten wird, wenn sich die erste Sonde in Kontakt mit dem Substrat befindet, kann die Anwesenheit und Dicke eines Überzuges auf dem Substrat bestimmt werden. Wenn alternativ die erste Sonde nicht in Kontakt mit dem Substrat gebracht werden kann, dann kann man die Dicke des Überzuges dadurch bestimmen, daß man die elektromotorische Spannung, die erhalten wird, wenn sich die erste Sonde in Kontakt mit dem Überzug befindet, mit einer Vielzahl von vorbestimmten Werten vergleicht, die für die untersuchte Probeart bekannte Überzugsdicken repräsentieren.

Gemäß einer besonders brauchbaren Ausführungsform wird die elektromotorische Spannung, die erhalten wird, wenn sich die erste Sonde in Kontakt mit dem Substrat befindet, dazu be nutzt, eine Nullanzeige für die Vorrichtung zu schaffen. Eine einstellbare Schwellenspannung wird oberhalb dieser Nullanzeige festgesetzt, um den Geräuschpegel für das Span nungssignal etwas zu übersteigern. Gemessene thermoelektri sche Spannungen, die geringer sind als die Schwellenspannung, werden dann auf Logik Null gesetzt und solche, die größer sind als die Schwellenspannung, werden auf Logik Eins ge setzt. Das erhaltene binäre Ausgangssignal kann dann dazu be nutzt werden, eine Anzeige hinsichtlich der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Überzuges mit einer spezifischen Dicke zu liefern.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, die schematisch eine Ausführungsform einer Vorrich tung zum Bestimmen der Dicke eines Überzuges auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfin dung darstellt;

Fig. 2 ein Blockdiagramm, das eine Ersatzschaltung für die thermoelektrischen Spannungen, die in der Vorrichtung nach Fig. 1 erzeugt werden, wieder gibt;

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform einer Schaltung darstellt, die als Spannungsmeß vorrichtung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, benutzt werden kann;

Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform einer elektrischen Schaltung darstellt, die dazu benutzt werden kann, den Ausgang der in Fig. 3 gezeigten Schaltung mit einem einstellbaren Schwellenniveau zu vergleichen, um die Spannungs meßschaltung mit einer binären Ausgabe zu ver sehen;

Fig. 5 eine Ausführungsform einer elektrischen Schal tung, um die Heizsonde der vorliegenden Erfin dung mit einer Rückkopplungsregelung zu ver sehen;

Fig. 6 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, die schematisch eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Überzuges gemäß der vorliegenden Erfindung wiedergibt und

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Ausführungsform wiedergibt, die für die in Fig. 6 gezeigte Vorrichtung zum Rotations nachweis benutzt werden kann.

Eine Ausführungsform eines Systems zum Messen der Dicke eines Überzuges gemäß der vorliegenden Erfindung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Danach umfaßt eine Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke eines Überzuges 12 auf einem Substrat 10 eine erste Sonde 14, die so angeordnet ist, daß sie einen elektrischen Kontakt zu dem Überzug 12 herstellt. Die erste Sonde 14 dient dem lokalen Erhitzen des Überzuges 12, so daß in diesem Überzug ein Temperaturgradient eingerichtet wird. Eine zweite Sonde 16 ist so angeordnet, daß sie einen elek trischen Rückführkontakt für die Spannungsmeßschaltung bil det. Wie im folgenden noch näher erläutert wird, kann die zweite Sonde in elektrischem Kontakt mit dem Überzug 12 in der in Fig. 1 gezeigten Weise angeordnet sein oder sie kann in Kontakt mit dem Substrat 10 stehen, wie in Fig. 1 ge strichelt mittels der Sonde 17 dargestellt ist. Die Span nungsmeßschaltung 22 zur Bestimmung der thermoelektrischen Spannung zwischen den Sonden 14 und 16 ist mit der Sonde 14 durch die elektrische Leitung 18 und mit der Sonde 16 durch die Leitung 20 verbunden. (Wird anstelle der Sonde 16 die Sonde 17 benutzt, dann ist letztere mittels der Leitung 21 mit der Spannungsmeßschaltung 22 verbunden). Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfaßt weiter eine Heiz steuerschaltung 32 zum geregelten Erhitzen der Sonde 14, damit deren Temperatur auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Das thermoelektrische Potential am Thermoelement 36, das die Temperatur der Sonde 14 mißt, wird mittels elektri scher Leiter 34 der Heizsteuerung 32 zugeführt. Die Heiz steuerung 32 erhält elektrische Leistung von einer Quelle 38 über die Leitungen 40. Ist die Temperatur, die am Thermo element 36 gemessen wird, geringer als die für die Sonde 14 erforderliche vorbestimmte Temperatur, dann gelangt die elek trische Leistung, die von der Heizsteuerung 32 empfangen wird, über die elektrischen Leitungen 30 zur Sonde 14. An den Enden der Leiter 30 ist eine Heizspule 28 angebracht, und letztere ist in der Sonde 14 angeordnet, so daß die Re gelung des Stromflusses durch die Heizspule 28 die Tempera tur der Sonde 14 auf den vorbestimmten Wert hält.

Eine Ausführungsform einer Rückkopplungsschaltung, die für die Heizsteuerung 32 benutzt werden kann, ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Schaltung benutzt einen Multivibrator schalter 51, um das thermoelektrische Gleichspannungspoten tial des Thermoelementes 36 zu einem Wechselstrom-Signal zu zerhacken. Einer der Leiter 34 vom Thermoelement 36 ist mit einem Mittelanschluß 52 des Wandlers 50 verbunden, der Bestandteil des Multivibratorschalters 51 ist. Der andere Leiter 34 ist mittels eines Paares von Schaltern 58 und 60 mit den gegenüberliegenden Enden 54 und 56 der Primärwick lung des Transformators verbunden. Die Schalter 58 und 60 arbeiten in der Weise, daß, wenn ein Schalter geschlossen ist, der andere geöffnet ist. Der Strom durch die Primär wicklung des Wandlers fließt daher abwechselnd erst in der einen und dann in der anderen Richtung. Als Ergebnis wird in der Sekundärwicklung des Wandlers 50 ein Wechselstrom- Signal induziert, das durch den Verstärker 64 verstärkt und die Diode 66 gleichgerichtet wird. Das Ausgangssignal über den Ausgangswiderstand 84 ist daher ein Gleichstrom-Signal, das proportional zur von dem Thermoelement 36 gemessenen Temperatur ist. Dieses Gleichstrom-Signal dringt durch den Eingangswiderstand 88 und den Leistungsverstärker 90 und wird an die Heizspule 28 gelegt. Der Gleichstrom-Verstär kungsfaktor des Verstärkers 90 wird durch die Rückkopplungs spule gesteuert, die den Rückkopplungswiderstand 92 enthält. Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung regelt daher den der Heiz spule 28 zugeführten Strom als Funktion der von dem Thermo element 36 gemessenen Temperatur.

Die Sonde 14 ist in Fig. 1 im Querschnitt gezeigt, um die Struktur der Heizsonde der vorliegenden Erfindung zu veran schaulichen. Das Material 24, das den größten Teil der Son de 14 bildet, ist zumindest teilweise durch ein Plattie rungsmaterial 26 plattiert. Für den optimalen Betrieb des Testsystems der vorliegenden Erfindung hat die Heizsonde 14 eine solche Konfiguration, daß sie als Wärmereservoir wirkt. Befindet sich die Sonde 14 in Kontakt mit dem Überzug 12, um das lokale Erhitzen des Überzuges 12 zu bewirken und einen Temperaturgradienten darin einzustellen, ist es er wünscht, daß die Wärme von der Sonde 14 mit einer hohen Rate auf den Überzug 12 übertragen wird. Vorzugsweise hat die Sonde 14 eine solche Konfiguration, daß die Rate des Wärme überganges von der Sonde 14 zum Überzug 12 ausreicht, damit die Gesamtwärmeübertragung von der Sonde 14 durch den Über zug 12 zum Substrat 10 nicht durch die Rate des Wärmeflusses von der Sonde 14 zum Überzug 12 sondern vielmehr durch den Wärmefluß durch den Überzug 12 zum Substrat 10 beschränkt ist.

Um diese Eigenschaften zu schaffen, ist es erwünscht, daß die Sonde 14 aus einem Material hoher thermischer Leitfähig keit hergestellt ist. Ist dies der Fall, dann wirkt die Son de 14 als Wärmereservoir, das durch die Heizsteuerschaltung auf einer konstanten Temperatur gehalten werden kann. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit minimiert auch thermische Gradienten in der Sonde selbst. Wird nämlich die Sonde 14 in Kontakt mit dem Überzug 12 angeordnet, dann erfolgt das Abkühlen der Sonde 14 in erster Linie durch Wärmeübertragung von der Son de 14 zum Überzug 12, wobei eine Sonde dieser Art mit hoher thermischer Leitfähigkeit und minimalen inneren thermischen Gradienten sich einer Punktheitsquelle nähert. (Es findet auch eine gewisse Wärmeübertragung von der Sonde 14 an die umgebende Luft statt, doch ist die Größenordnung dieser Wär meübertragung minimal, verglichen mit der Wärmeübertragung von der Sonde 14 zum Überzug 12.)

Da Kupfer ein Material mit sehr hoher thermischer Leitfähig keit ist, ist es das Material, das in der Vergangenheit am häufigsten zur Herstellung der Sondenart benutzt worden ist, die für die vorliegende Erfindung erforderlich ist. Kupfer oxidiert jedoch bei einer relativ geringen Temperatur. In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß beim Halten einer Kupfersonde bei den Sondentemperaturen, die für die vorliegende Erfindung erwünscht sind, zur Bildung einer Oxidationsschicht auf der Sondenoberfläche führt. Dieser Aufbau von Oxidationsprodukten auf der Sondenober fläche vermindert den Wärmefluß von der Sonde zum Überzug in einem solchen Ausmaß, daß die Wärmeübertragung von der Sonde zum Überzug schließlich ungenügend ist, um genaue Dickenmessungen für den Überzug zu erhalten. Aus diesem Grunde ist die Heizsonde der vorliegenden Erfindung zumin dest im Kontaktbereich zwischen Sonde 14 und Oberfläche 12 mit einem Material hoher Oxidationsbeständigkeit plat tiert.

In der vorliegenden Erfindung wurde auch festgestellt, daß bei Verwendung thermisch leitender Materialien, wie Kupfer und Gold, für die Sonde, das Berühren der Sonde 14 mit dem Überzug 12 häufig zu einer Abnutzungswirkung führt, die zum Zurückbleiben einer geringen Menge des Sondenmaterials auf der Oberfläche des Überzuges 12 führt. Werden die über zogenen Teile dann den Temperaturen ausgesetzt, die in der Betriebsumgebung solcher Gasturbinen, wie Strahltriebwerke, auftreten, dann reagiert das auf der Überzugsoberfläche von der Testvorrichtung abgeschiedene Material mit dem Überzug unter Bildung eines Eutektikums oder einer anderen Verbin dung, die die überzogene Struktur bei den erhöhten Tempera turen schwächt. Dieses Problem zu vermeiden, ist es er wünscht, daß das Plattierungsmaterial ein Metall umfaßt, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Platin, Rhodium, Iridium und Palladium. Die Temperatur, die zur Bildung von Eutektika mit diesen Materialien erforderlich ist, ist höher,als die Temperatur, die bei den meisten Gasturbinen- Anwendungen auftritt.

Ein weiteres Problem mit üblichen Heizsonden besteht darin, daß das Abnutzen, das durch Anlegen der Sonde an der zu erhitzenden Oberfläche auftritt, die Sondenspitze einem Ab rieb und einer Abflachung aussetzt. Ist die Gestalt der Son denspitze durch diese Art mechanischen Abriebs geändert worden, dann haben sich auch die Wärmeübertragungseigen schaften der Sonde geändert, was zu einer "Wanderung" der Meßdaten führt. Selbst bei Anwendungen, bei denen die Bil dung von Eutektika kein Problem ist, führt daher der Abrieb der Sondenspitze, der durch den Einsatz der Testvorrichtung verursacht wird, zu unerwünschten Variationen in den erhal tenen Dickendaten für den Überzug. Die Sonde nach der vor liegenden Erfindung weist daher ein Plattierungsmaterial auf, das auch eine hohe Beständigkeit gegenüber mechanischem Abrieb hat. Ein solches Material ist Rhodium. Die thermische Leitfähigkeit von Rhodium ist nicht so hoch wie die solcher Metalle, wie Gold und Kupfer, doch weist Rhodium eine hohe Beständigkeit sowohl gegenüber Oxidation als auch mechani schem Abrieb auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Rhodium-Plattierung eine sehr dünne Schicht, so daß die Wirkung auf die Wärmeübertragung von der Sonde zum Substrat überzug minimal ist. Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Plattierungsdicke etwa 0,005 mm (entsprechend 0,0002 Zoll). Um die Eigenschaften der hohen thermischen Leitfähigkeit, der Oxidationsbeständigkeit und der Beständigkeit gegenüber mechanischem Abrieb zu kombinieren, kann die Sonde der vor liegenden Erfindung entweder mit Rhodium plattiertes Kupfer oder Gold umfassen.

Fig. 2 veranschaulicht schematisch die elektrischen Poten tiale, die in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung erzeugt werden. Mit der Spannungsmeßvorrichtung 22 sind die thermo elektrischen Spannungen 44, 46 und 48 sowie die Ohmsche Spannung 42 in Reihe geschaltet. Die Spannung 42 wird er zeugt durch den Stromfluß durch die effektive Impedanz der Schaltung. Die thermoelektrische Spannung 44 wird am Bime tallübergang erzeugt, der durch die Grenzfläche zwischen der Sonde 14 und dem Überzug 12 gebildet wird. In ähnlicher Wei se werden die Spannungen 46 und 48 an der Grenzfläche zwi schen dem Überzug 12 und dem Substrat 10 bzw. der Grenz fläche zwischen der Sonde 16 und dem Überzug 12 (oder zwi schen der Sonde 17 und dem Substrat 10, wenn die zweite Son de direkt am Substrat 10 anliegt) erzeugt. Thermoelektrische Spannungen würden auch an jedem anderen Ort in der Meßschal tung erzeugt werden, an dem ein Übergang von zwei verschie denen Metallen gebildet wird. Die thermoelektrischen Poten tiale bei solchen Übergängen sind jedoch im allgemeinen so gering im Vergleich mit den thermoelektrischen Spannungen 44, 46 und 48, so daß sie keine meßbare Auswirkung auf die thermoelektrische Gesamtspannung der Meßschaltung haben. Deshalb sind sie in Fig. 2 nicht gezeigt.

Ist die erhitzte Sonde 14 mit dem Überzug 12 in Berührung gebracht, dann bewirkt der Wärmefluß von der Sonde 14 durch den Überzug 12 zum Substrat 10 die Erhöhung der Temperatur des Überzuges 12 und, zu einem geringeren Ausmaß, der Tempe ratur des Substrates 10. Läßt man die Sonde 14 lange genug im Kontakt mit dem Überzug 12, um darin einen lokalen Tempe raturgradienten zu erzeugen, dann wird die Temperatur an der Grenzfläche zwischen Sonde und Überzug etwas höher als die Temperatur an der Grenzfläche zwischen Überzug und Substrat, und diese beiden Temperaturen sind jeweils sehr viel größer als die Temperatur an der Grenzfläche zwischen Sonde 16 und Überzug 12. Nimmt man an, daß die Wärmeerzeugungskapazität und die thermische Leitfähigkeit der Sonde 14 groß genug sind, so daß die Sonde 14 als Wärmereservoir wirkt, dann bleibt die Temperatur an der Grenzfläche zwischen Sonde 14 und Überzug 12 für alle Überzugs-Dickenmessungen im allge meinen konstant. Ist darüber hinaus die Sonde 16 außerhalb des Bereiches der lokalen Erhitzung im Überzug 12 angeord net, der durch die Sonde 14 erzeugt wird, dann bleibt die Grenzfläche zwischen Sonde 16 und Überzug 12 für alle Überzugs-Dickenmessungen bei Umgebungstemperatur. Mit den für alle Überzugsdicken konstant bleibenden Temperaturen dieser beiden Grenzflächen bleiben auch die thermoelektri schen Spannungen 44 und 48 konstant. Obwohl das Erhitzen des Überzuges 12 dessen elektrischen Widerstand etwas ver mindern kann, bleiben der Gesamtstromfluß durch die in Fig. 2 gezeigte Schaltung und deren effektive Impedanz für alle Überzugs-Dickenmessungen im allgemeinen konstant. Die einzige Spannung, die sich um einen merklichen Wert mit der Dicke des Überzuges 12 ändert, ist die thermoelektrische Spannung 46 an der Grenzfläche zwischen Überzug 12 und Sub strat 10. Wegen des Temperaturgradienten, der durch die von der Sonde 14 übertragene Wärme im Überzug 12 gebildet wird, variiert die Temperatur der Grenzfläche zwischen Überzug 12 und Substrat 10 direkt mit der Dicke des Überzuges 12. Ist die thermische Leitfähigkeit des Überzuges 12 durch dessen Dicke hindurch konstant, dann ist der Temperaturgradient im wesentlichen gleichförmig, und die Temperatur an der Grenz fläche zwischen Überzug und Substrat nimmt proportional zur Zunahme der Überzugsdicke ab. Da jede unterschiedliche Über zugsdicke zu einem anderen Wert für die thermoelektrische Spannung 46 führt, können die Unterschiede zwischen den für verschiedene Überzugsdicken erhaltenen Spannungen dazu be nutzt werden, die mit einer bestimmten Spannung in Beziehung stehende Überzugsdicke zu bestimmen. Wird der Überzug 12 sehr dick, dann wird natürlich die Wärmemenge, die die Grenzflä che zwischen Überzug 12 und Substrat 10 erreicht, schließ lich zu Null vermindert. Eine weitere Zunahme der Überzugs dicke führt daher nicht mehr zu einer meßbaren Änderung in der Spannung 46, mit dem Ergebnis, daß weitere Zunahmen in der Überzugsdicke nicht nachweisbar sind. Aus diesem Grunde hängt der Bereich von Überzugsdicken, der mit der erfin dungsgemäßen Vorrichtung bestimmt werden kann, vom thermi schen Gradienten ab, der durch die Sonde 14 im Überzug 12 erzeugt werden kann. Dieser thermische Gradient hängt sei nerseits von der Wärme ab, die von der Sonde 14 zum Überzug 12 übertragen wird. Die Größe dieser Wärmeströmung hängt hauptsächlich von der Temperatur der Sonde, der thermischen Leitfähigkeit des Materials, durch die die Wärme hindurch geht,und der Kontaktfläche zwischen der Oberfläche des Über zuges und der Oberfläche der Sonde ab. Wenn die beiden Oberflächen in Berührung gebracht und mit einer mäßigen Kraft zusammengehalten werden, dann wird ein Kontaktverfor mungsbereich erzeugt. Der erhaltene Kontaktbereich hat im allgemeinen eine längliche Gestalt, und er kann durch klei ne und große Halbachsen beschrieben werden. Diese Achsen können in Beziehung gesetzt werden zum wirksamen Radius der Wärmedurchdringung von einer Oberfläche zur anderen. Je kleiner die Größe dieses effektiven Radius um so größer ist die Tendenz der Wärme,sich eher seitlich in einer Richtung längs der Oberfläche als in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche auszubreiten. Um daher für die Zwecke der vorlie genden Erfindung eine gute Wärmeübertragung von der Oberflä che der Sonde 14 zum Überzug 12 zu erreichen sollte die Son de 14 so ausgebildet sein, daß der effektive Radius des Kon taktbereiches zwischen den Oberflächen der Sonde 14 und des Überzuges 12 etwa die gleiche Größe hat wie die Dicke des Überzuges 12. Der geeignete Kontaktbereich kann bequem durch eine Sonde geschaffen werden, die die ovale Querschnittsge stalt aufweist, die in Fig. 1 gezeigt ist, wobei Durchmesser und Radius der Sondenspitze so ausgewählt sind, um die An forderungen für eine besondere Anwendung zu erfüllen.

Für die Spannungsmeßeinrichtung 22 können verschiedene übli che verfügbare Schaltungen benutzt werden. Bei einer Ausfüh rungsform umfaßt die Spannungsmeßschaltung eine Einrichtung zum Umwandeln der thermoelektrischen Spannung zwischen den Sonden 14 und 16 in ein Wechselstrom-Signal. Das Wechsel strom-Signal wird dann verstärkt und das verstärkte Wechsel strom-Signal zur Bildung eines Ausgangssignals gleichge richtet. Die Wechselstrom-Verstärkung wird für die Span nungsmeßschaltung gegenüber der Gleichstrom-Verstärkung im allgemeinen bevorzugt, da die von der Schaltung gemessenen thermoelektrischen Potentiale sehr klein sind. Zumindest für Gasturbinen-Anwendungen ist die Zusammensetzung des Über zuges 12 sehr ähnlich der des Substrates 10, so daß das thermoelektrische Potential, das durch die Grenzfläche zwi schen Überzug 12 und Substrat 10 erzeugt wird, relativ ge ring ist, selbst wenn die Temperatur der Grenzfläche durch Erhitzen des Überzuges 12 mit der Sonde 14 erhöht worden ist. Die erhaltenen thermoelektrischen Potentiale sind klein genug, daß die Schaltungsabgabe bei Messung der Poten tiale mittels einer Gleichstrom-Verstärkungsschaltung gegen über thermischen Wanderungen innerhalb der verstärkenden Schaltung sehr empfindlich ist. Andererseits isolieren typi sche Wechselstrom-Verstärkungsschaltungen das Eingangssignal von den Wirkungen der thermischen Wanderung des Verstärkers.

Eine Ausführungsform, die für die Spannungsmeß-Vorrichtung 22 benutzt werden kann, ist in Fig. 3 gezeigt. Der Multivi brator-Schalter 51 zerhackt die zwischen der erhitzten Sonde 14 und der Rückführsonde 16 erzeugte Gleichstrom-Spannung und wandelt sie in ein Wechselstrom-Signal um, das am Aus gang des Schalters 51 erscheint. Der Leiter 20 verbindet die Sonde 16 mit dem Mittelabgriff 52 des Wandlers 50, und der Leiter 18 verbindet die Sonde 14 mit den gegenüberliegenden Enden 54 und 56 der Primärspule des Wandlers 50. Wenn die Schalter 58 und 60 abwechselnd betrieben werden, so daß einer geschlossen ist, während der andere geöffnet ist, dann indu ziert der sich ergebende Stromfluß durch die Primärspule des Wandlers 50 ein Wechselstrom-Signal in der Sekundärspule des Wandlers in der gleichen Weise, wie es oben in bezug auf Fig. 5 erläutert wurde. Dieses Wechselstrom-Signal wird durch die Leiter 62 dem Verstärker 64 zugeführt. Das verstärkte Signal wird durch die Diode 66 gleichgerichtet. Das erhal tene Signal am Ausgang 70 erzeugt eine Spannung über den Ausgangswiderstand 68, die in Beziehung gesetzt werden kann zum Potential zwischen den Sonden 14 und 16, wenn man den Verstärkungsfaktor der Schaltung kennt.

In einer alternativen Ausführungsform zu der in Fig. 3 ge zeigten wird der Multivibrator-Schalter 51 durch einen Halb leiterschalter ersetzt. Für gewisse Anwendungen kann eine solche Ausführungsform erwünschte Vorteile hinsichtlich der Geschwindigkeit, Kosten usw. ergeben. Da der Widerstand der Halbleiterschalter im Durchlaßzustand jedoch üblicher weise sehr viel höher ist als der Widerstand der Multivi brator-Schalter im "AN"-Zustand, sorgen letztere für eine bessere Impedanzanpassung an den Teil der Meßschaltung, die zwischen den Leitern 18 und 20 angeordnet ist. Außerdem könnten, obwohl solche nicht in den Fig. 3 und 5 gezeigt sind, Elemente zu der gezeigten Schaltung hinzugefügt wer den, um den Verstärker 64 mit der gleichen Frequenz an- und abzuschalten, mit der die Schalter 58 und 60 des Multivibra tors 51 öffnen und schließen. Mit geeigneter Einstellung hinsichtlich der Phasenunterschiede zwischen Multivibrator- Schalter 51 und Verstärker 64 beseitigt die resultierende Anpassung zwischen dem Betrieb des Schalters 51 und des Ver stärkers 64 irgendwelche Stör- und Einschalt- bzw. Transien tensignale, die sonst vom Verstärker 64 aufgenommen werden könnten, wenn das Eingangssignal, das über den Leitern 18 und 20 erscheint, durch den Schalter 51 vom Verstärker 64 abgeschaltet wird. Der synchrone Betrieb von Schalter 51 und Verstärker 64 bewirkt dadurch die Unterdrückung des Geräusch pegels des verstärkten Signals. Diese Art synchronen Nachwei ses ist bekannt und, z.B., auf den Seiten 90 bis 94 des Bu ches "Noise in Measurement" von Aldert Van der Ziel, John Wiley and Son, 1976, beschrieben.

Die am Ausgang 70 erscheinende Spannung kann in verschiede ner Weise benutzt werden, um die Überzugsdicke anzuzeigen. In einer Ausführungsform enthält die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weiter eine Einrichtung zum Verglei chen der gemessenen thermoelektrischen Spannung mit einer Vielzahl vorbestimmter Werte, die bekannte Überzugsdicken repräsentieren. Bei einer solchen Ausführungsform könnte die Spannung am Ausgang 70 nacheinander mit einer Reihe von Bezugsspannungen verglichen werden, die den bekannten Über zugsdicken entsprechen. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die Spannung am Ausgang 70 in ein binäres Logiksignal umgewandelt. Eine Ausführungsform einer Schaltung hierfür ist in Fig. 4 gezeigt. Der Vergleicher 76 bestimmt, ob die Spannung am Ausgang 70 größer oder kleiner als die am Eingang 72 des Vergleichers 76 erscheinende Bezugsspannung ist. Der Ausgang des Vergleichers 76 wird mittels der Lei tung 78 dem Eingang der Darlington-Schaltung 80 übermittelt. Das am Ausgang 82 der Darlington-Schaltung 80 erscheinende Signal ist entweder Niederwert- oder Hochwertlogik in Abhän gigkeit vom Wert bzw. Pegel des Eingangssignals zur Darling ton-Schaltung 80. Die Bezugsspannung für den Vergleicher 76 kann durch Schwellenpegel-Einstellung 74 eingestellt werden, um sie der Spannung anzupassen, die einer spezifischen Überzugsdicke entspricht. Das binäre Logiksignal am Ausgang 82 zeigt dann die Abwesenheit oder Anwesenheit eines Überzu ges mit der spezifischen Dicke an.

In einer zu der in Fig. 1 gezeigten alternativen Ausfüh rungsform ist die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfin dung weiter dahingehend ausgebildet, daß die erste Sonde längs der Oberfläche des Überzuges 12 rollbar ist. Eine sol che Ausführungsform gestattet das kontinuierliche Messen der Überzugsdicke längs der Oberfläche eines bestimmten Teiles, und sie ist besonders brauchbar für Anwendungen, bei denen die Überzugsdicke als Funktion des Ortes auf dem untersuchten Teil variiert. Durch Anwenden eines geeigneten Positions- Codierungsschemas könnte die Oberflächendicke für ein be stimmtes Teil für irgendeinen erwünschten Abschnitt der Oberfläche dieses Teiles sogar "kartenmäßig" erfaßt werden. Ist die erste Sonde rollbar ausgebildet, dann umfaßt die Meßvorrichtung für die Überzugsdicke weiter eine Einrich tung zum Bestimmen der Geschwindigkeit der Rotation der rollbaren Sonde sowie eine Einrichtung zum Bestimmen der wahren Überzugsdicke, indem die Rotationsgeschwindigkeit der rollbaren Sonde berücksichtigt wird.

Eine Ausführungsform, die eine solche Art rollbarer Sonde benutzt, ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Ähnlich der Vorrichtung der Fig. 1 schließt das in Fig. 6 gezeig te Testsystem eine Leistungsquelle 38 sowie eine Heizsteue rung 32 zum steuerbaren Erhitzen der Sondenkugel 106 ein, indem Strom durch die Heizspule 28 geleitet wird. Das Ther moelement 36 überwacht die Temperatur der Sondenkugel 106. Die Sondenkugel 106 ist in einem Sondengehäuse 102 angeord net, so daß sie um eine Achse drehbar ist, die sich in einer horizontalen Richtung mit bezug auf das Sondengehäuse 102 erstreckt. Ähnlich der Sonde 14 in Fig. 1 ist die Sondenku gel 106 aus einem Material 25 hergestellt, das eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist und mit einem Plattierungs material 27 plattiert ist, das eine hohe Oxidationsbeständig keit hat. Die Buchsenlager 104 gestatten die freie Rotation der Sondenkugel 106 mit bezug auf benachbarte Teile des Son dengehäuses 102. Das Sondengehäuse 102 besteht aus zwei Ab schnitten, um das leichte Zusammenbauen der bewegbaren Sonde zu gestatten, und die beiden Abschnitte sind in der zusammen gebauten Einheit durch mindestens einen Bolzen 108 und eine entsprechende Mutter 110 zusammengehalten.

Die Leiter 30 sind mit der Heizspule 28 und die Leiter 34 mit dem Thermoelement 36 verbunden, und zwar über elektrisch lei tende Kontaktarme bzw. -bürsten 94 und dazugehörige elektrisch leitende Abschnitte 96 des Schaftes 98. Die Kontaktarme bzw. -bürsten 94 sind durch Federn 100 mit den leitenden Ab schnitten 96 in Berührung gehalten. Andere übliche Schleif ring-Kontaktanordnungen, die den erforderlichen Kontakt zwischen der Heizregelung 32 und der Sondenkugel 106 her stellen, können anstelle der Bürsten 94 und leitenden Schaftabschnitte 96 benutzt werden. Welche Kontaktanordnung auch ausgewählt ist, man muß die Leiter für die Heizspule 28 und das Thermoelement 36 elektrisch von den Abschnitten des Gehäuses 102 isolieren, die Teil der Schaltung zwischen den Leitern 18 und 20 bilden, die zum Messen der thermo elektrischen Spannung zwischen der erhitzten und der Rück führungssonde benutzt wird. In der Ausführungsform der Fig. 6 sorgen die Isolatorstützen 132 und die isolierenden Abschnitte 134 des Schaftes 98 für diese Art Isolation.

Die Vorrichtung der Fig. 6 schließt auch eine Einrichtung 112 zum Bestimmen der Rotationsgeschwindigkeit der Sonden kugel 106 ein. Wie besser in Fig. 7 ersichtlich, ist ein Rad 114 mit speichenartig angeordneten Schlitzen 116 an dem Sondenschaft 98 befestigt. Ein photoelektrischer Konverter 118 überträgt Licht zu einem Lichtleiter 120, der so ange ordnet ist, daß die Auslaßöffnung benachbart dem mit Schlit zen versehenen Abschnitten des Rades 114 angeordnet ist. Die Lichtleitung 122 ist derart angeordnet, daß eine Öffnung von ihr ebenfalls benachbart den mit Schlitzen versehenen Abschnitten des Rades 114 angeordnet ist, und zwar auf der der Leitung 120 gegenüberliegenden Seite des Rades 114. Be findet sich das Rad 114 in einer Position, bei der einer der Schlitze 116 mit den Öffnungen der Lichtleitfasern 120 und 122 ausgerichtet ist, wird das vom photoelektrischen Konver ter 118 in die Lichtleitung 120 übertragene Licht durch den Schlitz 116 und über den Lichtleiter 122 zum Konverter 118 zurückgeführt. Das auf diese Weise vom Konverter 118 empfan gene Licht wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das vom Verstärker 124 verstärkt wird, Die Integration des ver stärkten Signales im Integrator 126 führt zu einem Spannungs niveau am Ausgang 128, das proportional der Rotationsge schwindigkeit der Sondenkugel 106 ist.

Ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die Rückführsonde 16 mit der Spannungsmeßvorrichtung 22 durch den Leiter 20 verbunden. Die Sondenkugel 106 ist mit der Spannungsmeßschaltung mittels einer Kombination des Leiters 18 und verschiedener elektrisch leitender Teile der Roll sondeneinheit verbunden. Der Leiter 18 ist mit dem Sonden gehäuse 102 verbunden, das aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Das Gehäuse 102 befindet sich in Kontakt mit dem Lager 104, das seinerseits in Kontakt steht mit der Sondenkugelplattierung 27. Da Lager 104 und Plattierung 27 jeweils aus elektrisch leitendem Material bestehen, ist zwischen den Leitern 18 und 20 ein geschlossener Stromkreis gebildet. Irgendwelche zusätzlichen thermoelektrischen Span nungen, die in diesem Stromkreis an den Grenzflächen zwi schen den verschiedenen Metallkomponenten erzeugt werden, sind für alle Überzugsmessungen im wesentlichen konstant und beeinträchtigen daher die Bestimmung der Überzugsdicke nicht.

Der Mikroprozessor 130 bestimmt die wahre Überzugsdicke aus den erhaltenen Daten. Der Mikroprozessor 130 empfängt den Ausgang der Spannungsmeßeinrichtung 22 und den Ausgang der Rotationsnachweis-Vorrichtung 112 und modifiziert die thermo elektrische Spannungsmessung in geeigneter Weise, um die Rotationsgeschwindigkeit der Sondenkugel 106 zu berücksichti gen.

Wie der obigen Erläuterung entnommen werden kann, umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Dicke eines Überzuges auf einem Substrat das gesteuerte Erhitzen einer ersten Sonde, um die Temperatur dieser Sonde auf einem vor bestimmten Wert zu halten. Die erhitzte Sonde besteht aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, das mit einem Material hoher Beständigkeit gegenüber Oxidation plat tiert ist, und zwar in der in Fig. 1 durch die Sonde 14 veranschaulichten Weise. Die erhitzte Sonde wird so ange ordnet, daß sie den Überzug lokal erhitzt und einen Tempe raturgradienten darin ausbildet, während gleichzeitig ein elektrischer Kontakt zum Überzug geschaffen wird. Eine zwei te Sonde ist so angeordnet, daß ein elektrischer Rückführ kontakt zum überzogenen Substrat besteht, und die thermo elektrische Spannung zwischen der ersten und der zweiten Sonde wird gemessen, wenn sich die erste Sonde in elektri schem Kontakt mit dem Überzug befindet. Wie in Fig. 1 dar gestellt, kann die zweite Sonde so angeordnet sein, daß sie in elektrischem Kontakt mit entweder dem Überzug 12 oder dem Substrat 10 steht. Darüber hinaus ist die erhaltene thermoelektrische Spannungsmessung im wesentlichen unabhän gig von der Auswahl zwischen Substrat 10 und Überzug 12 für den elektrischen Rückführungskontakt. Da die chemische Zu sammensetzung des Überzuges 12 theoretisch sich etwas von der des Substrates 10 unterscheidet, ist das an der Grenz fläche zwischen Sonde 16 und Überzug 12 erzeugte thermoelek trische Potential verschieden von dem, das an der Grenzflä che zwischen Sonde 16 und Substrat 10 erzeugt wird. Für je den dieser beiden Übergänge ist das bei Umgebungstemperatur erzeugte thermoelektrische Potential jedoch sehr viel klei ner als das thermoelektrische Potential, das an der Grenz fläche zwischen Überzug 12 und Substrat 10 erzeugt wird, wenn diese Grenzfläche durch die Sonde 14 erhitzt wird, so daß das thermoelektrische Gesamtpotential, das von der Span nungsmeßeinrichtung 22 gemessen wird, wenn sich die Sonde 16 in Kontakt mit dem Überzug 12 befindet, nicht unterscheidbar verschieden ist von dem, das gemessen wird, wenn die Sonde 16 in Kontakt mit dem Substrat 10 steht. Wegen dieser Tat sache gestattet das Testsystem der vorliegenden Erfindung die genaue Bestimmung der Überzugsdicke, selbst wenn der Ort der Rückführungssonde vom Überzug zum Substrat 10 geän dert werden muß oder umgekehrt, wenn man für eine Reihe von Teilen Messungen vornimmt. Wenn jedoch die Temperatur der Sonde 14 und das damit in Beziehung stehende Erhitzen der Grenzfläche zwischen Überzug 12 und Substrat 10 vermindert wird, dann ist natürlich der Beitrag der Grenzfläche zwi schen der Sonde 16 und dem überzogenen Substrat zum thermo elektrischen Gesamtpotential größer. In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß ein Erhitzen der Sonde 14 auf eine Temperatur von etwa 450°C ausreicht, die oben be schriebenen Ergebnisse sicherzustellen.

Wie oben mit bezug auf die Fig. 3 und 4 ausgeführt, schließt die Stufe des Messens der thermoelektrischen Span nung zwischen der ersten und zweiten Sonde vorzugsweise das Umwandeln dieser Spannung in ein Wechselstrom-Signal und dessen Verstärkung ein. Das verstärkte Wechselstrom-Signal kann dann gleichgerichtet werden und die sich ergebende Aus gangsspannung kann man weiterverarbeiten, um eine geeignete Anzeige für die Anwesenheit des Überzuges und/oder dessen Dicke zu erhalten. Hat das untersuchte Teil einen nicht über zogenen Abschnitt, der für die erhitzte Sonde zugänglich ist, dann kann man die erhitzte Sonde in elektrischen Kon takt mit dem Substrat bringen und die erhaltene thermoelek trische Spannung zwischen der ersten und zweiten Sonde messen. Die so erhaltene thermoelektrische Spannung kann man als Be zugswert zum Vergleich für die Spannungen benutzen, die er halten werden, wenn die erhitzte Sonde in Kontakt mit ver schiedenen Überzugsdicken gebracht wird. Gemäß einer Ausfüh rungsform wird der Unterschied zwischen dem Spannungsniveau, das man erhält wenn die erhitzte Sonde in Kontakt mit dem Überzug einer bestimmten Probe gebracht wird und der Span nung, die erhalten wird, wenn man die Sonde in Kontakt mit dem Substrat bringt, mit einer Vielzahl von vorbestimmten Werten für diesen Unterschied in dem Spannungsniveau vergli chen, wobei diese vorbestimmten Werte bekannte Überzugsdicken repräsentieren. Ist andererseits das Substrat des untersuch ten Teiles nicht zugänglich, dann kann man einen Bezug her stellen zu der thermoelektrischen Spannung, die erhalten wird, wenn die erhitzte Sonde mit dem Substrat eines Teiles der gleichen Art wie das getestete in Berührung gebracht wird, um die Spannungsanzeige für das untersuchte Teil mit der Überzugsdicke für dieses Teil in Beziehung zu setzen.

Bei einer anderen Ausführungsform wird die gemessene thermo elektrische Spannung in ein Binärlogik-Signal umgewandelt, das die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Überzuges mit einer bestimmten Dicke repräsentiert. Diese Ausführungsform ist besonders brauchbar für eine "weitermachen/nicht-weiter machen" (im englischen "go/no go") Art des Testens. Die für eine bestimmte Dicke des Überzuges erhaltene thermoelektri sche Spannung kann dazu benutzt werden, einen Schwellwert festzulegen. Die thermoelektrischen Spannungen, die für die Überzüge auf untersuchten Teilen erhalten werden, kann man dann mit dem Schwellenwert vergleichen, und Spannungen, die diesen Schwellenwert übersteigen,gibt man den Logikwert Eins. Spannungen unterhalb des Schwellenwertes gibt man den Logikwert Null. Der erhaltene Binärausgang ergibt eine "Ja/Nein"-Anzeige dahingehend, ob auf dem Teil ein Überzug vorhanden ist, der die spezifische Überzugsdicke übersteigt.

Um die Zuverlässigkeit der Überzugsdicken-Anzeigen, die mit der vorliegenden Erfindung erhalten werden, zu verbessern, kann man feststellen, ob der untersuchte Überzug im Bereich des lokalen Erhitzens durch die erhitzte Sonde sich vom Sub strat abgetrennt hat. Gibt es einen Raum zwischen dem Über zug und dem Substrat in diesem Bereich, dann wird der Bime tallübergang, der sonst an der Grenzfläche zwischen Überzug und Substrat gebildet wird, beeinflußt und der Beitrag, den diese Grenzfläche zur thermoelektrischen Gesamtspannung lei stet, wird beträchtlich vermindert. Die erhaltene Spannungs messung wird daher fehlerhaft sein und kann einen sehr dic ken Überzug andeuten, während tatsächlich der Überzug fehler haft ist. Die Anwesenheit eines abgelösten Überzuges kann man aufgrund der Geschwindigkeit der Wärmeströmung von der erhitzten Sonde zum Überzug bestimmen. Der Raum zwischen dem Überzug und dem Substrat im abgelösten Bereich beein trächtigt den Wärmefluß vom Überzug zum Substrat und ent sprechend den Wärmefluß von der Sonde zum Überzug. Die Än derungsrate der Sondentemperatur unterscheidet sich daher bei einem gut haftenden Überzug deutlich von der bei einem abgelösten Überzug. Ein Verfahren zum Bestimmen der Ände rungsgeschwindigkeit der Sondentemperatur besteht darin, den Probenerhitzer mit einem elektrischen Impuls bei einer ersten Frequenz zu versehen und das thermoelektrische Poten tial bei einer Frequenz zu messen, die das Doppelte der ersten Frequenz ist. Eine solche Bestimmung kann mit übli chen Phasen-gekoppelten Synchrondetektoren ausgeführt wer den.

Die Wirkungen fehlerhafter Ablesungen können auch vermindert werden, indem man an verschiedenen Stellen auf einer be stimmten Überzugsoberfläche mehrere Werte bestimmt und daraus den Mittelwert sowie die Varianz für die Vielzahl der gemessenen thermoelektrischen Spannungen errechnet. Durch Mitteln mehrerer Messungen ist die erhaltene Bestimmung einer Überzugsdicke repräsentativer für einen gegebenen Überzug, insbesondere wenn die Überzugsoberfläche nicht vollkommen glatt ist sondern ein eher texturiertes Aussehen hat. Die Varianz zwischen dem Mittelwert und den einzelnen Ablesungen kann dazu benutzt werden, Anzeigen auszuscheiden, die von dem Mittelwert durch eine solche Größe abweichen, daß die Gültigkeit dieser jeweiligen Ablesung fraglich ist.

Wird die Vorrichtung der Fig. 6 benutzt, dann umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren weiter das Bewegen der erhitzten Sonde längs der Oberfläche des Überzuges. Die Bewegungsge schwindigkeit der Sonde wird bestimmt und die wahre Über zugsdicke aus der gemessenen thermoelektrischen Spannung und der Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde ermittelt. Während die rollende Sonde sich längs der Überzugsoberfläche be wegt, steht sie kontinuierlich mit einem anderen Abschnitt davon in Berührung. In Abhängigkeit von der Bewegungsge schwindigkeit der Sonde mag die Zeitdauer, während der die Sondenoberfläche sich in Kontakt mit einem bestimmten Ab schnitt der Überzugsoberfläche befindet, für das Erreichen des Temperaturgleichgewichtes zwischen den beiden Oberflä chen nicht lang genug sein. In diesem Falle hängt der im Überzug eingerichtete Temperaturgradient davon ab, wie lange sich die beiden Oberflächen in Kontakt befinden. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde muß klein genug sein, daß die von der Sonde zum Überzug übertragene Wärme aus reicht, um die Temperatur der Grenzfläche zwischen Überzug und Substrat zu erhöhen. Für die Ausführungsform mit rol lender Sonde gemäß Fig. 6 besteht eine Annäherung erster Ordnung darin, daß es eine lineare Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit der Sondenkugel 106 und der über tragenen Wärmemenge von der Sondenkugel 106 zum Überzug 12 gibt. Für eine bestimmte Testvorrichtung können Kalibrie rungsverfahren benutzt werden, um die genaue Beziehung zwi schen der Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde und der sich daraus ergebenden thermoelektrischen Spannungsmessung für einen Überzug einer bestimmten Dicke festzulegen. So kann z.B. die thermoelektrische Spannung zwischen der rollbaren Sonde und der Rückführsonde gemessen werden, wenn die Sonde stationär gehalten wird, und man kann die Messung für ver schiedene Bewegungsgeschwindigkeiten wiederholen. Die erhal tenen Daten bilden eine Kurve, von der der Unterschied zwi schen der scheinbaren Überzugsdicke (erhalten, wenn die Sonde mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt wird) und der wahren Überzugsdicke (wenn die Sonde stationär ist) be stimmt werden kann. Dieses Verfahren kann für Überzüge mit verschiedenen Dicken wiederholt werden, und man kann die er haltenen Bezugsdaten dazu benutzen, die thermoelektrische Spannungsanzeige für eine bestimmte Probe, die mit einer be kannten Geschwindigkeit getestet wird, zu einer Spannungs anzeige zu korrigieren, die der wahren Überzugsdicke ent spricht.

In der vorliegenden Anmeldung ist ein System zum zerstö rungsfreien Bestimmen der Dicke eines Überzuges auf einer Metallkomponente beschrieben. Die vorliegende Erfindung schafft ein Überzugs-Meßsystem, das selbst für dünne Über züge und komplexe Substratgeometrien wirksam ist. Die Merk male des erfindungsgemäßen Testsystems liefern Überzugs dicken, die dem Fortgang der Zeit gegenüber nicht empfind lich sind, wobei diese Empfindlichkeit durch solche Fakto ren wie Oxidation und mechanischen Abrieb der Komponenten des Testsystems verursacht werden kann. Wegen der Eigen schaften des erfindungsgemäßen Überzugs-Meßsystems ist es besonders brauchbar zum Bestimmen der Dicke des Schutzüber zuges auf Teilen, die in üblichen Gasturbinen benutzt wer den.

Während die Erfindung detailliert mit bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, kann der Fachmann viele Modifikationen und Änderungen vornehmen. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind auch anwend bar, wenn die Temperaturänderung an der Grenzfläche zwischen Überzug und Substrat durch Abkühlen statt durch Erwärmen erzeugt wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke eines Überzuges (12) auf einem Metallsubstrat (10), umfassend:
eine erste Sonde (14) zum lokalen Erhitzen des Überzuges, um darin einen Temperaturgradienten auszubilden, wobei die erste Sonde aus einem Mate rial (24) gebildet ist, das eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist und mindestens teilweise mit einem Material (26) plattiert ist, das eine hohe Oxidationsbeständigkeit hat, und die erste Sonde so angeordnet ist, daß sie einen elektrischen Kon takt zu dem Überzug (12) schafft;
eine Einrichtung (32) zum steuerbaren Erhitzen der ersten Sonde (14), um deren Temperatur bei einem vorbestimmten Wert zu halten;
eine zweite Sonde (16 bzw. 17), die so angeordnet ist, einen elektrischen Rückführkontakt zum über zogenen Substrat zu schaffen und
eine Einrichtung (22) zum Messen der thermoelek trischen Spannung zwischen der ersten (14) und zweiten (16) Sonde.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , worin das Plattie rungsmaterial (26) ein Material mit hoher Bestän digkeit gegenüber mechanischem Abrieb umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Plattie rungsmaterial (26) ein Metall umfaßt, das ausge wählt ist aus der Gruppe bestehend aus Platin, Rhodium, Iridium und Palladium.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Plattie rungsmaterial (26) Rhodium umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Sonde (14) mit Rhodium plattiertes Kupfer umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Sonde (14) mit Rhodium plattiertes Gold umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung (22) zum Messen der Spannung umfaßt:
eine Einrichtung (51) zum Umwandeln der thermoelek trischen Spannung zwischen der ersten (14) und zwei ten Sonde (16 bzw. 17) in ein Wechselstrom-Signal;
eine Einrichtung (64) zum Verstärken des Wechsel strom-Signals und
eine Einrichtung (66) zum Gleichrichten des ver stärkten Wechselstrom-Signals.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung (22) zum Messen der Spannung eine Synchrondetektor- Schaltung umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrichtung zum Bestimmen der Rate der Wärmeströ mung von der ersten Sonde (14) zum Überzug (12).

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrichtung zum Vergleichen der gemessenen thermo elektrischen Spannung mit einer Vielzahl vorbe stimmter Werte, die bekannte Überzugsdicken reprä sentieren.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrichtung (76, 80) zum Umwandeln der gemessenen thermoelektrischen Spannung in ein Binärlogik-Sig nal.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrichtung zum Errechnen des Mittelwertes und der Varianz für eine Vielzahl der gemessenen thermoelek trischen Spannungen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Sonde (106) so konfiguriert ist, daß sie längs der Ober fläche des Überzuges (12) rollbar ist und die Vor richtung weiter umfaßt:
eine Einrichtung (112) zum Bestimmen der Rotations geschwindigkeit der rollbaren Sonde und
eine Einrichtung (130) zum Bestimmen der wahren Überzugsdicke aus der gemessenen thermoelektrischen Spannung und der Rotationsgeschwindigkeit der Sonde.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, worin die erste Son de (106) umfaßt:
ein Sondengehäuse (102) und
eine allgemein kugelförmige Sondenkugel, die derart in dem Sondengehäuse angeordnet ist, daß sie um eine Achse drehbar ist, die sich in einer horizon talen Richtung bezüglich des Sondengehäuses er streckt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, worin die Einrichtung (112) zum Bestimmen der Rotationsgeschwindigkeit umfaßt:
eine Einrichtung (118; 120; 114, 116; 122) zum opti schen Bestimmen der Rotation der Sondenkugel;
eine Einrichtung (118) zum Umwandeln des optischen Nachweises in ein elektrisches Signal und
eine Einrichtung (126) zur Zeitintegration des elektrischen Signals.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, worin die Einrichtung zum Bestimmen der wahren Überzugsdicke einen Mikro prozessor (130) umfaßt.

17. Verfahren zum Bestimmen der Dicke eines Überzuges auf einem Metallsubstrat, umfassend:
das steuerbare Erhitzen einer ersten Sonde, um deren Temperatur bei einem vorbestimmten Wert zu halten, wobei die erste Sonde aus einem Material gebildet ist, das eine hohe thermische Leitfähigkeit hat und zumindest teilweise mit einem Material plattiert ist, das eine hohe Oxidationsbeständigkeit aufweist;
Anordnen der ersten Sonde zur Schaffung eines elek trischen Kontaktes zu dem Überzug und zum lokalen Erhitzen des Überzuges und zum Einrichten eines Tem peraturgradienten darin;
Anordnen einer zweiten Sonde zur Schaffung eines elektrischen Rückführkontaktes zum überzogenen Sub strat und
Messen der thermoelektrischen Spannung zwischen der ersten und zweiten Sonde, wenn die erste Sonde in elektrischem Kontakt mit dem Überzug angeordnet ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, worin das Plattierungs material ein Material mit hoher Beständigkeit gegen über mechanischem Abrieb umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 17, worin das Plattierungs material ein Metall umfaßt, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Platin, Rhodium, Iridium und Palladium.

20. Verfahren nach Anspruch 19, worin das Plattierungs material Rhodium umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 17, worin die erste Sonde mit Rhodium plattiertes Kupfer umfaßt.

22. Verfahren nach Anspruch 17, worin die erste Sonde mit Rhodium plattiertes Gold umfaßt.

23. Verfahren nach Anspruch 17, worin die Stufe des Mes sens der thermoelektrischen Spannung umfaßt:
das Umwandeln der thermoelektrischen Spannung zwi schen der ersten und zweiten Sonde in ein Wechsel strom-Signal;
das Verstärken dieses Wechselstrom-Signals und
das Gleichrichten des verstärkten Wechselstrom-Sig nals.

24. Verfahren nach Anspruch 17, worin die erste Sonde auf eine Temperatur von etwa 450°C erhitzt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 17, weiter umfassend die Bestimmung der Rate der Wärmeströmung von der er sten Sonde zum Überzug.

26. Verfahren nach Anspruch 17, weiter umfassend das Vergleichen der gemessenen thermoelektrischen Span nung mit einer Vielzahl vorbestimmter Werte, die bekannte Überzugsdicken repräsentieren.

27. Verfahren nach Anspruch 17, weiter umfassend:
das Anordnen der erhitzten ersten Sonde in der Wei se, daß sie einen elektrischen Kontakt zu dem Sub strat schafft, dieses Substrat lokal erhitzt und einen Temperaturgradienten darin einrichtet;
Messen der thermoelektrischen Spannung zwischen der ersten und zweiten Sonde, wenn die erste Sonde in elektrischem Kontakt mit dem Substrat angeordnet ist und
Vergleichen der thermoelektrischen Spannung, die erhalten ist, wenn sich die erste Sonde in elektri schem Kontakt mit dem Überzug befindet, mit der thermoelektrischen Spannung, die erhalten wird, wenn sich die erste Sonde in elektrischem Kontakt mit dem Substrat befindet.

28. Verfahren nach Anspruch 17, weiter umfassend das Um wandeln der gemessenen thermoelektrischen Spannung in ein Binärlogik-Signal, das die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Überzuges mit einer spezifischen Dicke repräsentiert.

29. Verfahren nach Anspruch 17, weiter umfassend das Errechnen des Mittelwertes und der Varianz für eine Vielzahl gemessener thermoelektrischer Spannungen.

30. Verfahren nach Anspruch 17, weiter umfassend:
das Bewegen der ersten Sonde längs der Oberfläche des Überzuges;
das Bestimmen der Bewegungsgeschwindigkeit der Son de längs der Oberfläche und
das Bestimmen der wahren Überzugsdicke aus der ge messenen thermoelektrischen Spannung und der Bewe gungsgeschwindigkeit der Sonde.

31. Verfahren nach Anspruch 30, worin die erste Sonde umfaßt:
ein Sondengehäuse und
eine allgemein kugelförmige Sondenkugel, die in dem Sondengehäuse derart angeordnet ist, daß sie um eine Achse drehbar ist, die sich in einer horizon talen Richtung bezüglich des Sondengehäuses er streckt.

32. Verfahren nach Anspruch 31, worin die Stufe des Bestimmens der Bewegungsgeschwindigkeit umfaßt:
das optische Nachweisen der Rotation der Sondenku gel;
das Umwandeln dieses optischen Nachweises in ein elektrisches Signal und
die Zeitintegration des elektrischen Signals.