DE3933012A1 - Eindringfreies verfahren zum pruefen von hohlkoerpern auf fremdmaterialeinschluesse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein eindringfreies Verfahren zur Prüfung von Hohlkörpern auf Fremdmaterialeinschlüsse. Dieses Verfahren ist insbesondere anwendbar zur Untersuchung hohler Gußkörper auf etwa noch im Gußkörperhohlraum verbliebene Kernmaterialreste nach einem vorangegangenen Arbeitsverfahren zum Ausräumen des zum Gießen verwendeten Formkerns.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für den Einsatz im Zusammenhang mit Wachsausschmelz-Gießverfahren, wie sie bei der Fertigung von luftgekühlten Turbinenschaufeln für Flugzeugtriebwerke Anwendung finden. Gegenwärtig werden alle gegossenen Turbinenschaufeln mit inneren Kühlkanälen mittels Neutronenradiografie untersucht, um etwa noch vor­ handene restliche Kernmaterialeinschlüsse aufzuspüren, die während des Wachsausschmelz-Herstellungsverfahrens nicht vollständig herausgelaugt worden sind.

Die Gußteile werden zu Neutronenbestrahlungseinrichtungen transportiert, wo die Radiografien hergestellt werden. Dieses Verfahren ist aber schon allein wegen der Neutronenbestrah­ lungsdauer und der Filmkosten teuer, und dies bei Vorlauf­ zeiten von zwischen zwei und acht Wochen, und außerdem muß auch noch Zeit zum Abklingen induzierter Radioaktivität auf sichere Pegel zugelassen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine bessere, weniger Aufwand erfordernde Möglichkeit zur Prüfung von Hohl­ körpern zu finden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Anspruch 1 angegebene und gemäß den Unteransprüchen weiter ausgestaltete Verfahren gelöst.

Erfindungsgemäß findet zum Aufspüren restlicher Kernmaterial­ einschlüsse eine Positronenemissionstomografie Anwendung. Diese Technik erfordert keinen radiografischen Film, sondern stattdessen Computerspeichermedien zur Bildspeicherung und kann an Ort und Stelle in der Werkstatt im Zuge des Ferti­ gungsverfahrens angewendet werden.

Dazu wird gemäß der Erfindung ein Radioisotopengenerator oder -Emitter in das Innere des Hohlkörpers eingeführt, der von darin etwa vorhandenen Fremdkörpern absorbiert wird, und unter Verwendung einer strahlungsempfindlichen Detektorein­ richtung können Emissionen von durch eingeschlossenes Fremd­ material absorbierten Substanzen aufgespürt werden.

Anstelle einer Positronenemissionstomografietechnik zum Auf­ spüren der Emissionsquelle kann gemäß einer anderen Aus­ führungsform der Erfindung auch ein Einfachzähler zur Über­ wachung der Emissionsrate eines Gegenstandes Anwendung finden, um zu bestimmen, ob eine emittierende Substanz absor­ biert worden ist.

Positronenemittierende Radioisotope werden verwendet, um Medien zu markieren, die durch eingeschlossene Materialien absorbiert werden sollen. Das Positronenemissionstomografie­ system spürt jeweils ein Gammastrahlenpaar mit 511 keV auf, das durch Positronen-Elektronen-Auslöschungen in absorbiertem Medium erzeugt wird und dessen beide Strahlen in diametral entgegengesetzte Richtungen emittiert werden. Zwei positro­ nenempfindliche Detektoren werden beiderseits des zu prüfen­ den Objekts angeordnet, um die beiden Auslöschungsgamma­ strahlen festzustellen. Jeder der beiden Detektoren muß innerhalb von 20 ns eine Gammaemission feststellen, damit diese als koinzident und folglich als von einer einzigen Auslöschung stammend angesehen werden können.

Das für diese Untersuchung verwendete Radioisotop ist Gallium 68, das eine Halbwertszeit von 68 Minuten hat. Es wird von einem tragbaren Generator erzeugt, der den Germaniumausgangstoff enthält, wobei ein Abgabevorgang eine schwach wäßrige Salzsäurelösung mit etwa 10 mCi Radioaktivi­ tät erzeugt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der anliegenden Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Positronenemissionstomografie­ system,

Fig. 2 eine computererstellte Schnitt­ zeichnung durch eine luftge­ kühlte Turbinenschaufel in Über­ lagerung mit einer Abbildung der Verteilung von Emissionszählungen aus einem Positronenemissions­ tomografiesystem, und

Fig. 3 in schematischer Darstellung ein Herstellungsflußdiagram unter Einbeziehung einer Positronen­ emissionstomografie-Prüfung zur Feststellung von Formkernrück­ ständen in den Werkstücken nach einem Kernauslaug-Arbeitsgang.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf einen Prüfvorgang an luftgekühlten Turbinenschaufeln für ein Strahltriebwerk nach dem Gießen der Schaufeln. Die Schaufeln werden mit inneren Kühlkanälen gegossen, wobei das Gießen nach dem Wachsausschmelzverfahren erfolgt und dabei ein die inneren Kühlkanäle aussparender Keramikkern verwendet wird. Dazu wird der Keramikkern zunächst in eine Negativform entsprechend der Außenform der Schaufel eingelegt und in Wachs eingegossen. Durch Eintauchen der so hergestellten Wachsform in eine Keramikschlämme wird eine äußere Keramik­ schale aufgebaut und, wenn diese getrocknet worden ist, wird das Wachs ausgeschmolzen und es bleibt dann eine den Keramik­ kern enthaltende keramische Gießform zurück. Diese zweite Negativform wird gebrannt und dann zum Gießen der metallenen Schaufel verwendet. Nach dem Gießen läßt sich die äußere Keramikform verhältnismäßig leicht mittels herkömmlicher Methoden entfernen, aber der innere Keramikkern muß unter An­ wendung geeigneter Ätzlösungen aufgelöst und herausgelaugt werden.

Stärke und Zusammensetzung dieser Ätzlösungen und die Länge der Eintauchdauer sind empirisch ermittelt worden, aber in der Praxis läßt es sich nicht vermeiden, daß nicht immer der gesamte Keramikkern im ersten Durchgang vollständig heraus­ gelöst wird, und so kann in manchen Fällen ein zweiter Her­ auslaugvorgang notwendig sein. Um diejenigen Schaufeln zu bestimmen, die noch eine solche Nachbehandlung brauchen, findet bisher die Neutronenradiografie Anwendung, um noch vorhandene Kernmaterialreste festzustellen. Dazu werden die Gußstücke in eine wäßrige Lösung von Galdoliniumnitrat ein­ getaucht, das einen hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt hat. Etwa noch vorhandene Kernrückstände absorbieren die Lösung und stellen damit ein besseres Kontrastmedium für Neutronenradiografien dar.

Nach der vorliegenden Erfindung wird die Neutronenradiografie durch eine Positronenemissionserfassung ersetzt, um Kern­ materialrückstände zu lokalisieren, die vorher zu diesem Zweck einen Positronenemitter wie beispielsweise Gallium aufgenommen haben. Auf der einen Seite könnte das gegenwärtig übliche Gadoliniumverfahren leicht für die Absorption von wäßrigem Gallium angepaßt werden. Auf der anderen Seite können die Gußstücke jedoch einfach in eine wäßrige Gallium­ lösung eingetaucht werden.

Unglücklicherweise bindet sich Gallium jedoch leicht an Metalloberflächen, und die verhältnismäßig großen Ober­ flächenbereiche einer Turbinenschaufel würden das Radioisotop anziehen und die dann von eventuellen Kernrückständen aufge­ nommene geringe Menge des Radioisotops zudecken.

Die von den Kernrückständen absorbierte Menge des Radioiso­ tops hängt von der spezifischen Aktivität der Lösung ab, d.h. dem Verhältnis von Aktivität (etwa 10 mCi) zum Volumen der Lösung. Durch Zugabe von Gallium III, einem nichtaktiven freien Träger, zur Lösung bleibt die spezifische Aktivität im wesentlichen unverändert. Ein Prozentsatz des Galliums, das sich an die Oberflächen bindet, wird nun inaktiv bleiben und nicht zur Erzeugung bildgebender Information beitragen.

Die zum Aufspüren und Lokalisieren von Positronenaus­ löschungsereignissen verwendete Apparatur ist schematisch in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellt. Eine Apparatur dieser allgemeinen Art ist in der GB-A-21 59 380 und in der US-PS 47 46 795 in näheren Einzelheiten beschrieben. Im vor­ liegenden Zusammenhang wird die für eine Positronenemissions­ tomografie eingesetzte Apparatur nur insoweit beschrieben, als dies für das Verständnis der Erfindung notwendig ist. Eine detailliertere und ausführlichere Beschreibung ergibt sich aus den obenstehenden Druckschriften.

Gemäß Fig. 1 ist ein der Prüfung unterliegendes Objekt, das in eine wäßrige Galliumlösung eingetaucht worden ist, mit 2 bezeichnet und an der in der Zeichnung angegebenen Stelle positioniert sowie an gegenüberliegenden Seiten durch räum­ liche empfindliche Gammastrahlendetektoren 4 und 6 flankiert. Wenn das Objekt 2 irgendein Material enthält, das den Galliumemitter absorbiert hat, dann treten periodisch Posi­ tronen-Elektronen-Auslöschungen auf, und zwar innerhalb und in unmittelbarer Nähe des Materials, was mit der Emission von jeweils einem 511-keV-Gammastrahlenpaar in diametral engegen­ gesetzten Richtungen verbunden ist.

Die Detektoren 4 und 6 weisen jeweils eine zweidimensionale, räumlich empfindliche Anordnung von Zählern auf. Diese beiden Anordnungen sind parallel angeordnet, wobei das Objekt zwischen ihnen liegt. Wenn eine Auslöschung im Objekt auf­ tritt, was der Fall ist, wenn beide Gammaphotonen gleich­ zeitig festgestellt werden, wird dieses Ereignis registriert. Durch Extrapolieren der Spuren der beiden Photonen aus den räumlichen Positionen der aktivierten Zähler innerhalb der Zähleranordnungen ergibt sich ein Schnittpunkt dieser Spuren innerhalb des Objekts, der die Position der Auslöschungser­ eignisse punktgenau angibt. Externe Gammaphotonen, die ein nur einfaches Ansprechen in der einen oder in der anderen Zähleranordnung erzeugen, werden als allgemeines Hintergrund­ rauschen unbeachtet gelassen.

Die Ausgangssignale 8, 10 von den Detektoren 4 und 6 sind gemäß Fig. 1 an Takteinheiten 12, 14 angeschlossen sowie mit einer Koinzidenzauflösungseinheit 16 verbunden. Diese Aus­ gangssignale bestehen im wesentlichen aus einem Zähleraus­ gangssignal, das entsprechend der räumlichen Position des aktivierten Zählers in der Anordnung markiert ist. Die Auf­ lösungseinheit 16 erzeugt effektiv eine Signalfensterfunk­ tion, die durch das zuerst angekommene Signal getriggert wird. Dieses Signalfenster ist ausreichend kurz, um eine effektive Koinzidenz sicherzustellen, aber auch ausreichend lang, um im Erfassungssystem begründete Signalverzögerungen noch zuzulassen. Eine typische Breite des Zeitfensters liegt im Bereich von 20 ns.

Die Fühlersignale werden durch die Taktschaltkreise 12, 14 zu einer Torschaltung 18 durchgelassen, die durch einen Koin­ zidenzausgang 20 der Koinzidenzauflösungsschaltung 16 ange­ steuert wird. Die durchgelassenen Ausgangssignale 22 der Tor­ schaltung 18 bestehen aus einem Paar von räumlich aufgelösten Signalen entsprechend einem einzigen Auslöschungsereignis und bilden das Ausgangssignal der Kameraelektronik. Dieses Kameraausgangssignal 22 ist mit einem Datenregistrier/Bild­ verarbeitungssystem verbunden, daß allgemein mit 24 bezeichnet ist. Das Datenregistriersystem registriert die Koordinaten der aktivierten Zähler, die an jedem Ereignis beteiligt sind. Auf diese Weise wird über eine gewisse Zeit­ periode ein Datenbestand aufgehäuft, der später analysiert werden kann, um eine Bildfolge zu erzeugen, welche die erfaßte Positronenaktivität darstellt. Unter Verwendung einer Positronenemissionstomografie kann diese Aktivität analysiert und in ausgewählten Schnittebenen des Objekts abgebildet werden. Dazu können Bildverarbeitungstechniken zur Unter­ stützung der Analyse und Interpretation der Bilder Anwendung finden. Mit Hilfe von Computersoftware kann die dreidimen­ sionale Struktur des Objekts rekonstruiert und eine Umriß- oder Schnittzeichnung des Objekts mit einem dargestellten Objektbild überlagert werden, wie in Fig. 2 dargestellt ist.

Fig. 2 stellt eine computererzeugte Zeichnung eines Schnitt­ bildes durch eine gegossene Turbinenschaufel in deren Mittel­ ebene in Überlagerung mit einer radioisotopischen Abbildung des Schaufelgußkörpers dar. Die inneren Kühlkanäle sind in der Computerzeichnung als mehrfach gefalterter Kanal zwischen den beiden Schaufelplattformen auszumachen. Die inneren Trennwände, welche benachbarte Kühlkanalzweige voneinander trennen, sind deutlich sichtbar.

Die schattierten Bereiche zeigen Stellen an, von welchen Gammaphotonenzählungen ausgegangen sind. Je dunkler die Schattierung relativ zum Hintergrund ist, desto höher war die Anzahl der Zählungen. Die dunklen Bereiche der Schattierung zeigen deshalb die Anhäufung von Kernrestmaterial an. Wie demnach leicht zu erkennen ist, sind bei der abgebildeten Schaufel zwei Blockierungen an Kühlkanalumkehrbögen vor­ handen. Die Schaufel muß deshalb zwecks Nachbehandlung zu einem Auslaugbad zurückgeführt werden.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Kernauslaug- und Prüfverfahrens unter Anwendung einer Positronenemissions­ tomografie zum Aufspüren von Kernrückständen. Die Prüfung wird im wesentlichen als letzte Stufe eines Gieß-Fertigungs­ verfahrens ausgeführt. Gußstücke, in denen Kernrückstände gefunden werden, die also bei der Positronenemissionstomo­ grafie-Prüfung durchfallen, werden einfach zum nochmaligen Auslaugen zurückgeführt.

Der Vorgang kann auf einem Förderbandsystem automatisiert werden. Nach einem anfänglichen Auslaugvorgang werden alle Gußstücke in ein Aktivlösungsbad eingetaucht, das eine wäßrige, radioaktives Gallium 68 und eine kleine Menge von Gallium III enthaltende Salzsäurelösung enthält. Die Guß­ stücke laufen dann weiter zu einem Spülbad mit nicht aktiver Lösung, bevor sie zu den Positronenemissionstomografie-Detek­ toren gelangen.

Das Positronenemissionstomografiesystem nach Fig. 1 basiert auf einer koinzidenten Feststellung von Gammastrahlen durch zwei gasgefüllte Vieldraht-Proportionalzähler-Detektoranord­ nungen, die das Objekt flankieren. Jede Doppel-Gammaphotonen­ feststellung wird als Ereignis registriert, das anzeigt, das eine Auslöschung stattgefunden hat, obwohl ein gewisser Hintergrundaktivitätspegel eine relativ hohe, aber ziemlich konstante Zählrate erzeugt. Eine typische Hintergrundakti­ vität in einem Laborversuch erzeugte etwa drei Ereignisse pro Sekunde und stieg bei geprüften Gußstücken, d.h. bei solchen Gußstücken, die frei von Kernmaterialrückständen sind, aber die Aktivlösungs- und Spülbäder passiert haben, auf etwa sechs Ereignisse pro Sekunde an. Bei Grußstücken, die noch Kernmaterialrückstände enthielten, wurden Ereignis-Häufig­ keiten im Bereich von 12 bis 30 Ereignissen pro Sekunde registriert.

Alle aus der Auslaufstufe 30 kommenden Gußstücke folgen dem in Fig. 3 mittleren Pfad und gelangen nacheinander durch ein Aktivlösungsbad 32 und ein Spülbad 34, bevor sie das all­ gemein mit 36 bezeichnete Positronenemissionstomografie- Detektorsystem durchlaufen.

Für einen ersten Durchgang durch das Detektorsystem enthält das Bad 32 eine Lösung mit schwacher Dosisleistung, die geeignet ist, nur die Ereigniszählrate relativ zum Hinter­ grund (Block 38) zu messen. Diejenigen Gußstücke, bei denen eine über einem gegebenen Grenzpegel liegende Rate registriert wird, können über einen Aussonderungspfad 40 zu einem zweiten Aktivlösungspfad ähnlich dem Bad 32 geleitet und dort in eine Lösung mit höherer Dosisleistung eingetaucht werden. Die unauffälligen durchgelassenen Gußstücke laufen dann weiter zu weiteren Fertigungsstationen.

Bei den abgezweigten auffälligen Gußstücken, die ein zweites Tauchbad durchlaufen, wird ihre spezifische Radioaktivität auf einen für den Positronenemissionstomografie-Abbildungs­ vorgang geeigneten Pegel erhöht. Die bevorzugte Methode besteht darin, daß die Gußstücke in ein zweites Bad geleitet werden, das eine stärker konzentrierte Aktivlösung enthält. Alternativ dazu können diese Gußstücke in ein zweites Bad eingetaucht werden, das einen anderen Isotopengenerator bzw. Emitter enthält. Dieser zweite Tauchvorgang steigert das Signal/Rausch-Verhältnis der Gußstücke und ermöglicht dadurch, daß die Positronenemissionstomografie-Detektoren genügend Daten zur Erzeugung einer Abbildung sammeln. Bei einem zweiten Durchgang durch das Detektorsystem 36 wird eine Abbildung der in Fig. 2 dargestellten Art aufgebaut, wozu ein Abbildungscomputer 42 verwendet wird, der auf diese Weise eine Sichtprüfung der Schaufel ermöglicht. Die noch Kern­ materialrückstände enthaltenden Gußstücke werden, wie darge­ stellt, über einen Rückführungspfad 44 zur Auslaufstation 30 zurückgeleitet. Gewünschtenfalls können auch im ersten Durch­ gang abgeweigte Gußstücke unter Auslassung des zweiten Tauch­ vorgangs und des Bilderzeugungsvorgangs direkt zu einem weiteren Auslaugvorgang zurückgeleitet werden.

In einem in den Zeichnungen nicht dargestellten alternativen System könnte ein einfacher Gammadetektor Anwendung finden, um die 511-keV-Gammastrahlen für den Ereignishäufigkeits- Monitor 38 zu erfassen; siehe Fig. 3. Jedoch ist das Signal/Rausch-Verhältnis gering im Verhältnis zu demjenigen bei den gepaarten Detektoren bei der Positronenemissionstomo­ grafie-Anordnung. In Versuchen wurde eine Gammarate von 6500 Zählungen pro Sekunde aufgrund der Hintergrundstrahlung registriert, die bei sauberen Gußstücken, d.h. bei solchen, die durch das Aktivbad nach Fig. 3 geleitet worden sind, aber keine Kernmaterialrückstände enthalten, auf 7500 Zählungen pro Sekunde anstieg und bei Gußstücken, die Kernmaterialrück­ stände enthielten, bis auf 8500 Zählungen pro Sekunde an­ stieg. Dies ergibt ein Signal/Rausch-Verhältnis von nur etwa 1,1 gegenüber einem solchen Verhältnis von 5 und darüber bei dem Positronenemissionstomografiesystem.

Gemäß einer noch weiteren Anordnung kann ein Szintillations­ detektor verwendet werden, um die Gammastrahlen für den Ereignishäufigkeits-Monitor aufzuspüren. Ein Szintillator­ kristall von etwa 50 mm Durchmesser und 50 mm Dicke könnte zur Prüfung typischer Turbinenschaufeln verwendet werden. Der Vorteil eines Szintillatorkristalls liegt in seiner hohen Detektoreffizienz von etwa 40% bei 511-keV-Gammastrahlen im Vergleich zu nur rund 10% bei den Vieldraht-Proportional­ zählern des Positronenemissionstopografie-Abbildungssystems.

Claims (15)

1. Verfahren zum eindringfreien Prüfen eines Hohlkörpers auf eingeschlossene Fremdkörper, dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere des Hohlkörpers ein Radioisotop eingeführt wird, das von dem eingeschlossenen Fremdkörper absorbierbar ist, und daß strahlungsempfindliche Detektormittel eingesetzt werden, um Emissionen von durch den eingeschlossenen Fremd­ körper absorbierter Substanz aufzuspüren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Radioisotop Positronen emittiert und die strahlungsempfind­ lichen Fühlermittel auf Gammaphotonen ansprechen, die bei Auslöschung eines Positrons mit einem Elektron entstehen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammaphotonenemissionen unter Verwendung einer Vielelement- Strahlendetektoreinrichtung aufgespürt und hinsichtlich ihrer Quelle lokalisiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Positronenemissionstomografiesystem zum Lokalisieren der Emissionsquelle verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Positronenemissionstomografiesystem zur Erzeugung einer Ab­ bildung der Quelle der aufgespürten Emissionen verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abbildung des der Prüfung unterliegenden Objekts mit einer Abbildung der Emissionsquelle überlagert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die überlagerte Abbildung ein Schnittbild des Objektes ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittel einen Einfachzähler aufweisen, der so angeordnet ist, daß er den Gesamtstrahlungspegel von dem untersuchten Gegenstand überwacht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand dann als Kernmaterialrückstände enthaltend einge­ stuft wird, wenn die Zählrate der Detektormittel einen vorge­ gebenen Pegel übersteigt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, und einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gegenstand, der als Kern­ materialrückstände enthaltend beurteilt wird, der Verfahrens­ maßnahme nach einem der Ansprüche 3 bis 7 unterzogen wird, um die Lage der Kernmaterialrückstände zu identifizieren.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Radioisotop mittels einer wäßrigen Lösung in den Hohlkörper eingeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand nach einem Formkern-Auslaugvorgang in die wäßrige Lösung eingetaucht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die wäßrige Lösung Gallium enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung außerdem eine Zugabe von Gallium III ent­ hält.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, in Abhängigkeit von Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn ein Kernmaterialrückstände enthaltender Gegenstand zur weiteren Untersuchung rezirkuliert wird, die Stärke des Radioisotops in der wäßrigen Lösung erhöht wird.