WO1998005949A1 - Method and device for testing substrate coatings for delamination, in particular vacuum plasma sprayed coatings on gas turbine blades - Google Patents

Method and device for testing substrate coatings for delamination, in particular vacuum plasma sprayed coatings on gas turbine blades Download PDF

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WO1998005949A1
WO1998005949A1 PCT/DE1997/001615 DE9701615W WO9805949A1 WO 1998005949 A1 WO1998005949 A1 WO 1998005949A1 DE 9701615 W DE9701615 W DE 9701615W WO 9805949 A1 WO9805949 A1 WO 9805949A1
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coating area
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Erich Becker
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for delamination testing in coatings on substrates, in particular in VPS coatings on gas turbine blades.
  • gas turbine blades which are generally made of Ni-based cast iron alloys, for example of types IN 939, IN 738 LC or PWA 1483 SX
  • the composition of these super alloys is designed for the strength of the blade material, which reduces the corrosion resistance .
  • VPS vacuum plasma sprayed
  • Such coatings can now pose problems on the one hand during the actual blade manufacture and, on the other hand, during continuous operation in that so-called delaminations occur - that is, places where the adhesion between coating and substrate is interrupted.
  • delaminations are particularly tricky if they cannot be recognized by a visual inspection of the coating, that is to say they do not yet show up as spalling or bulging of the coating. If such hidden delaminations remain undetected during the quality check after the manufacture of the turbine blade or during a corresponding revision check after a certain operating time, this can lead to serious impairments of the turbine function.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for non-destructive delamination testing of coatings on substrates, in particular VPS coatings on gas turbine blades, with which delaminations which cannot be detected by visual inspection can also be reliably detected.
  • the method is based on the effect that the latent delaminations lead to a heat build-up on the surface due to the separation of the coating from the underlying substrate, as a result of which this location cools more slowly.
  • the areas with hidden delaminations underneath show up as areas that are temporarily warmer than the surface environment.
  • Temperature differences in the order of magnitude of 2 ° C to 10 ° C and more occur with delaminations with a gap width of ⁇ 1 ⁇ m, which is shown in the diagrams of the Temperature curve in the form of infrared thermography images are easily recognizable.
  • thermography test method offers a rational possibility, which can be carried out in a short time, for the non-destructive checking of substrate coatings for delaminations.
  • This thermography test method is particularly suitable for checking VPS coatings on newly manufactured gas turbine blades that are also under revision.
  • the device for carrying out the test method according to the invention further specified in the claims has a control unit for controlling the process sequence, a gradually rechargeable flash lamp unit for pulse-like heating of the coating area to be examined, an infrared thermography camera for recording the temporal change in the temperature distribution on the surface of the coating area and an evaluation and display unit for temporally and locally resolved representation of the temperature profile on the top of the coating area to be examined.
  • thermography test stand 1 is a schematic perspective view of a thermography test stand
  • thermographic image 3 shows a black-and-white reproduction of a thermographic image obtained in the delamination test.
  • thermography test stand shown in FIG. 1 has a flash lamp unit 1, an infrared thermography camera 2, a test part holder 3 and a control unit 4 as the core pieces.
  • the entire test bench is housed in a chamber 5, which is air-conditioned via fans 6.
  • test stand components roughly outlined above are used to carry out a pulse video thermography method to be explained later.
  • test stand In order to simultaneously make the test stand suitable for transmission-related ographic measuring methods, it also has a hot air tank 7 and a cold air tank 8, which can be connected to the test part receptacle 3 via a feed line 9.
  • Capacitor blocks 10 are provided for the energy supply of the flash lamp unit.
  • a temperature control device 11 for the test bench is also indicated schematically.
  • the flash lamp unit 1 has four flash lamps 13 arranged in a square and suspended from a frame 12, each of which emits a light energy of up to 6.4 kJ per light flash emitted.
  • the pulse duration of the flashes is approximately 5 milliseconds.
  • the frame 12 is the Flash lamp unit 1 can be moved transversely to the shooting direction A of the camera 2 on a guide 14 in order to be able to completely remove the flash lamp unit 1 from the shooting area of the camera 2. This is advantageous, for example, for the transmission thermographic measurement methods mentioned above, in which the flash lamp unit 1 is not required.
  • the infrared thermography camera 2 works in a temperature range from 0 ° C to 200 ° C with a resolution of up to 0.05 ° C. It is mounted on a cross slide-like manipulator 16, with which the camera 2 along the three spatial axes x , y and z in FIG. 1 can be maneuvered via the control unit 4. Together with the arrangement of the test part holder 3 on a turntable 17, an automatic positioning of the camera 2 and the gas turbine blade 15 to be tested is possible with respect to one another via the control unit 4.
  • This control unit 4 is a first computer of the overall system, which also carries out the temperature and voltage regulation and controls the triggering of the camera 2 and the flash lamp unit 1.
  • the personal computer of the control unit 4 is therefore the actual control computer for the system components.
  • thermography camera 2 has an infrared detector with a resolution of 768 x 600 lines, which leads to a local resolution of approximately 0.3 mm when the thermographic image of the test part is recorded.
  • the recording frequency is 25 Hz, so it can be every 40 milliseconds
  • Thermographic image of the test part 15 are recorded. In total, for example, 30 images are recorded at the specified time interval, which leads to a measuring time of 1.2 seconds.
  • thermographic images are obtained after the gas turbine blade 15 has been heated added.
  • a delamination test can thus be carried out in a manner to be explained in more detail.
  • hot air from the hot air tank 7 can be applied to it briefly, that is to say in a pulsed manner, after which the course of the cooling of the test part in turn is repeated with the infrared Thermography camera 2 recorded and corresponding conclusions can be drawn from it.
  • a coupling adapter 18 is provided for coupling the gas turbine blade 15 to the hot air supply line 9.
  • control unit 4 includes a personal computer 19 with a color monitor 20, color printer 21 and external data memory 22.
  • the personal computer 19 serves to enter the test and control parameters which are transferred to the control computer 4 by the system link between the personal computer 19 and the control computer 4. With these input values, the control unit 4 then - as discussed - carries out the actual control, with appropriate drivers for the drives of the manipulator 16 and the turntable 17 for automatically positioning the camera 2 and the gas turbine blade 15 being addressed via respective control lines 23 .
  • the personal computer 19 is also used to evaluate and display the thermographic images recorded by the camera 2.
  • thermography test stand to blacken the test part (gas turbine blade 15) with a paint spray gun 24, the arrows 25 schematically indicating warm air for quick drying of the paint (FIG. 2A).
  • An ultrasonic bath 26 is provided for cleaning the test part after the thermography measurement, in which the blackening is removed again (FIG. 2C).
  • the blade to be tested is first blackened with the paint spray gun 24 and then placed on the test part receptacle 3 of the turntable 17 via the coupling adapter 18 (FIG. 2A). Then, as shown in FIG. 2B, the blade 15 is brought into a rotary position by input on the personal computer 19 and further processing by the control unit 4, in which the surface area to be checked faces the flash lamp unit 1 and the thermography camera 2.
  • the manipulator 16 brings the camera 2 into the appropriate shooting position with the corresponding x, y and z coordinates and puts it in readiness for shooting.
  • the flash lamps 13 simultaneously generate a flash of energy of up to 6.4 kJ in a time of 5 milliseconds.
  • the coating area to be examined suddenly heats up due to this irradiation, after which its surface cools down again due to the heat diffusion. The process takes place depending on
  • thermographic images obtained therefrom represent a temporally and spatially resolved representation of the temperature profile of the surface of the irradiated coating area, as z. B. is shown in Fig. 3.
  • Such a thermographic image can be improved in its informative value by known image processing methods, such as averaging from or integration over several images, etc.
  • thermographic image shown in FIG. 3 shows an approximately triangular location D in the lower left area, which has an elevated temperature compared to the surface environment during the measuring time of the camera 2. This point, the surface of which appears intact, represents a delamination, that is to say a layer detachment of the VPS coating from the blade substrate. This was verified by subsequent destructive testing of the blade.

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Abstract

The invention concerns a method and correspondingly designed device for testing substrate coatings for delamination, in particular vacuum plasma sprayed coatings on gas turbine blades (15). According to the invention, the coating region to be investigated is heated by irradiation with flashes of light, the temporal variation of the temperature distribution on the surface of the coating region to be investigated is recorded by means of an IR thermography camera (2), and the temperature variation on the coating region surface is displayed in a temporally and locally resolved manner. In this way, areas whose temperature is temporarily higher than the surrounding surface are detected. These areas represent delamination of the coating from the substrate, which cannot be detected visually.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Vorrichtung zur Delaminationsprüfung bei Beschichtungen auf Substraten, insbesondere bei VPS-Beschich- tungen auf GasturbinenschaufeinMethod and device for delamination testing of coatings on substrates, in particular of VPS coatings on gas turbine blades
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Delaminationsprüfung bei Beschichtungen auf Substraten, insbesondere bei VPS-Beschichtungen auf Gasturbinenschaufeln.The invention relates to a method and a device for delamination testing in coatings on substrates, in particular in VPS coatings on gas turbine blades.
Bei Gasturbinenschaufeln, die in der Regel aus Ni-Basis-Fein- guß-legierungen beispielsweise der Typen IN 939, IN 738 LC oder PWA 1483 SX hergestellt sind, ist die Zusammensetzung dieser Superlegierungen auf Festigkeit des Schaufelwerkstof- fes ausgelegt, worunter die Korrosionsbeständigkeit leidet. Die Schaufeln müssen daher mit metallischen Oxidations- beziehungsweise Korrosionsschutzschichten versehen sein, die aus VPS- (= vacuum plasma sprayed-) Beschichtungswerkstoffen bestehen. Bei letzteren handelt es sich ebenfalls um Ni- oder um Co-Basis-Legierungen.In the case of gas turbine blades, which are generally made of Ni-based cast iron alloys, for example of types IN 939, IN 738 LC or PWA 1483 SX, the composition of these super alloys is designed for the strength of the blade material, which reduces the corrosion resistance . The blades must therefore be provided with metallic oxidation or corrosion protection layers, which consist of VPS (= vacuum plasma sprayed) coating materials. The latter are also Ni or Co-based alloys.
Solche Beschichtungen können nun einerseits bei der eigentlichen Schaufel-Herstellung und andererseits im Dauerbetrieb Probleme dahingehend aufwerfen, daß sogenannte Delaminationen - also Stellen, an denen die Haftung zwischen Beschichtung und Substrat unterbrochen ist - auftreten. Solche Delaminationen sind dann besonders tückisch, wenn sie durch eine Sichtprüfung der Beschichtung nicht erkennbar sind, also noch nicht als Abplatzungen oder Aufwölbungen der Beschichtung zutage treten. Bleiben solche verborgenen Delaminationen bei der Qualitätsüberprüfung nach der Herstellung der Turbinenschaufel oder bei einer entsprechenden Revisionsüber- prüfung nach einer bestimmten Betriebsdauer unentdeckt, kann dies zu schwerwiegenden Beeinträchtigungen der Turbinenfunk- tion führen. Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Delaminationsprüfung von Beschichtungen auf Substraten, insbesondere von VPS-Beschichtungen auf Gasturbi- nenschaufeln anzugeben, mit denen auch durch Sichtprüfung nicht erfaßbare Delaminationen zuverlässig detektierbar sind.Such coatings can now pose problems on the one hand during the actual blade manufacture and, on the other hand, during continuous operation in that so-called delaminations occur - that is, places where the adhesion between coating and substrate is interrupted. Such delaminations are particularly tricky if they cannot be recognized by a visual inspection of the coating, that is to say they do not yet show up as spalling or bulging of the coating. If such hidden delaminations remain undetected during the quality check after the manufacture of the turbine blade or during a corresponding revision check after a certain operating time, this can lead to serious impairments of the turbine function. Based on this problem, the object of the invention is to provide a method and a device for non-destructive delamination testing of coatings on substrates, in particular VPS coatings on gas turbine blades, with which delaminations which cannot be detected by visual inspection can also be reliably detected.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens- schritte gegeben. Demnach wird die sogenannte Impuls-Video- Thermographie mit folgenden Verfahrensschritten eingesetzt:In terms of process engineering, this object is achieved by the process steps specified in patent claim 1. Accordingly, so-called impulse video thermography is used with the following process steps:
- impulsartiges Aufheizen des zu untersuchenden Beschichtungsbereiches durch Bestrahlen mit mindestens einem Licht- blitz,- pulse-like heating of the coating area to be examined by irradiation with at least one flash of light,
- Aufzeichnen der zeitlichen Veränderung der Temperaturverteilung auf der Oberfläche des zu untersuchenden Beschichtungsbereiches mittels einer Infrarot-Thermographie-Kamera, und - zeitlich und örtlich aufgelöste Darstellung des Temperaturverlaufs der Oberseite des zu untersuchenden Beschichtungsbereiches zur Detektion von Delaminationen repräsentierenden Stellen mit gegenüber der Oberflächenumgebung zeitweise erhöhter Temperatur.- Recording the temporal change in the temperature distribution on the surface of the coating area to be examined by means of an infrared thermography camera, and - temporally and locally resolved representation of the temperature profile of the top of the coating area to be examined for the detection of delamination points with a temperature that is temporarily elevated compared to the surface environment .
Das Verfahren beruht auf dem Effekt, daß die latenten Delaminationen durch die Trennung der Beschichtung vom darunterliegenden Substrat zu einem Wärmestau an der Oberfläche führen, wodurch diese Stelle langsamer abkühlt. Bei der zeitlich und örtlich aufgelösten Darstellung des durch die IR-Thermographie-Kamera aufgezeichneten Temperaturverlaufs zeichnen sich die Stellen mit darunterliegenden verborgenen Delaminationen als zeitweise gegenüber der Oberflächen-Umgebung wärmere Stellen ab. Temperaturdifferenzen in der Größenordnung von 2 ° C bis 10 ° C und mehr stellen sich bei Delaminationen mit einer Spaltweite von ≥ 1 μm ein, die in den Darstellungen des Temperaturverlaufs in Form von Infrarot-Thermographie-Bildern problemlos erkennbar sind.The method is based on the effect that the latent delaminations lead to a heat build-up on the surface due to the separation of the coating from the underlying substrate, as a result of which this location cools more slowly. In the temporally and spatially resolved representation of the temperature profile recorded by the IR thermography camera, the areas with hidden delaminations underneath show up as areas that are temporarily warmer than the surface environment. Temperature differences in the order of magnitude of 2 ° C to 10 ° C and more occur with delaminations with a gap width of ≥ 1 μm, which is shown in the diagrams of the Temperature curve in the form of infrared thermography images are easily recognizable.
Zusammenfassend bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine rationelle, mit kurzem Zeitaufwand durchführbare Möglichkeit zur zerstörungsfreien Überprüfung von Substratbeschichtungen auf Delaminationen. Dieses Thermographie-Prüfverfahren ist dabei besonders geeignet, VPS-Beschichtugen sowohl auf neu hergestellten, als auch in Revision befindlichen Gasturbinen- schaufeln zu kontrollieren.In summary, the method according to the invention offers a rational possibility, which can be carried out in a short time, for the non-destructive checking of substrate coatings for delaminations. This thermography test method is particularly suitable for checking VPS coatings on newly manufactured gas turbine blades that are also under revision.
In den verfahrensbezogenen Unteransprüchen sind bevorzugte Verfahrensparameter sowohl für die Impuls-Bestrahlung der Beschichtungen als auch für die Aufzeichnung und Darstellung der zeitlich und örtlich aufgelösten Temperaturverteilung in dem zu untersuchenden Beschichtungsbereich angegeben, zu deren Erläuterung auf das Ausführungsbeispiel verwiesen wird.In the process-related subclaims, preferred process parameters are given both for the pulse irradiation of the coatings and for the recording and display of the temporally and locally resolved temperature distribution in the coating area to be examined, for the explanation of which reference is made to the exemplary embodiment.
Die in den Ansprüchen ferner angegebene Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens weist eine Steuereinheit zur Steuerung des Verfahrensablaufes, eine graduell aufladbare Blitzlampeneinheit zum impulsartigen Aufheizen des zu untersuchenden Beschichtungsbereiches, eine Infrarot-Thermographie-Kamera zur Aufzeichnung der zeitlichen Ver- änderung der Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Beschichtungsbereiches sowie eine Auswerte- und Anzeigeeinheit zur zeitlich und örtlich aufgelösten Darstellung des Temperaturverlaufs an der Oberseite des zu untersuchenden Beschichtungsbereiches auf .The device for carrying out the test method according to the invention further specified in the claims has a control unit for controlling the process sequence, a gradually rechargeable flash lamp unit for pulse-like heating of the coating area to be examined, an infrared thermography camera for recording the temporal change in the temperature distribution on the surface of the coating area and an evaluation and display unit for temporally and locally resolved representation of the temperature profile on the top of the coating area to be examined.
In den weiteren vorrichtungsbezogenen Untersprüchen sind bevorzugte Vorrichtungsmerkmale angegeben, zu deren Erläuterung wiederum auf das Ausführungsbeispiel verwiesen wird.Preferred device features are specified in the further device-related sub-claims, for the explanation of which reference is again made to the exemplary embodiment.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachstehenden Beschreibung entnehmbar, in der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:Further features, details and advantages of the invention can be gathered from the following description, in which an exemplary embodiment of the method according to the invention and a suitable device for its implementation will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Thermographie-PrüfStandes,1 is a schematic perspective view of a thermography test stand,
Fig. 2 ein AblaufSchema zur Darstellung des funktionalen Ablaufs bei der Delaminationsprüfung eines Prüf- teilε und der Verknüpfung der dabei eingesetzten Funktionseinheiten, und2 shows a flowchart to illustrate the functional flow during the delamination test of a test part and the linking of the functional units used, and
Fig. 3 eine Schwarz-Weiß-Wiedergabe eines bei der Delaminationsprüfung erhaltenen Thermographiebildes .3 shows a black-and-white reproduction of a thermographic image obtained in the delamination test.
Der in Fig. 1 dargestellte Thermographie-Prüfstand weist als Kernstücke eine Blitzlampeneinheit 1, eine Infrarot-Thermographie-Kamera 2, eine Prüfteilaufnähme 3 sowie eine Steuereinheit 4 auf. Der gesamte Prüfstand ist dabei in einer Kammer 5 untergebracht, die über Lüfter 6 klimatisiert wird.The thermography test stand shown in FIG. 1 has a flash lamp unit 1, an infrared thermography camera 2, a test part holder 3 and a control unit 4 as the core pieces. The entire test bench is housed in a chamber 5, which is air-conditioned via fans 6.
Die vorstehend grob umrissenen PrüfStandskomponenten dienen zur Durchführung eines später noch zu erläuternden Impuls-Video-Thermographie-Verfahrens . Um den Prüfstand gleichzeitig für transmissionsther ographische Meßverfahren geeignet zu machen, weist er ferner einen Heißlufttank 7 und einen Kaltlufttank 8 auf, die über eine Zuleitung 9 mit der Prüfteil- aufnähme 3 verbindbar sind.The test stand components roughly outlined above are used to carry out a pulse video thermography method to be explained later. In order to simultaneously make the test stand suitable for transmission-related ographic measuring methods, it also has a hot air tank 7 and a cold air tank 8, which can be connected to the test part receptacle 3 via a feed line 9.
Für die Energieversorgung der Blitzlampeneinheit sind Konden- satorblöcke 10 vorgesehen. Ebenfalls schematisch angedeutet ist ein Temperaturregelgerät 11 für den Prüfstand.Capacitor blocks 10 are provided for the energy supply of the flash lamp unit. A temperature control device 11 for the test bench is also indicated schematically.
Die Blitzlampeneinheit 1 weist vier im Viereck angeordnete und an einem Gestell 12 aufgehängten Blitzlampen 13 auf, die jeweils pro emittiertem Lichtblitz eine Lichtenergie von bis zu 6,4 kJ abstrahlen. Die Impulsdauer der Blitze beträgt zirka 5 Millisekunden. Im übrigen ist das Gestell 12 der Blitzlampeneinheit 1 quer zur Aufnahmerichtung A der Kamera 2 an einer Führung 14 verschiebbar, um die Blitzlampeneinheit 1 komplett aus dem Aufnahmebereich der Kamera 2 entfernen zu können. Dieses ist beispielsweise für die oben angesprochenen transmissionsthermographischen Meßverfahren von Vorteil, bei denen die Blitzlampeneinheit 1 nicht benötigt wird.The flash lamp unit 1 has four flash lamps 13 arranged in a square and suspended from a frame 12, each of which emits a light energy of up to 6.4 kJ per light flash emitted. The pulse duration of the flashes is approximately 5 milliseconds. Otherwise, the frame 12 is the Flash lamp unit 1 can be moved transversely to the shooting direction A of the camera 2 on a guide 14 in order to be able to completely remove the flash lamp unit 1 from the shooting area of the camera 2. This is advantageous, for example, for the transmission thermographic measurement methods mentioned above, in which the flash lamp unit 1 is not required.
Die Infrarot-Thermographie-Kamera 2 arbeitet in einem Temperaturbereich von 0 ° C bis 200 ° C mit einer Auflösung von bis zu 0,05 ° C. Sie ist auf einem kreuzschlittenartigen Manipulator 16 montiert, mit dem die Kamera 2 entlang der drei Raumachsen x, y und z in Fig. 1 über die Steuereinheit 4 manövrierbar ist. Zusammen mit der Anordnung der Prüfteilauf- nahme 3 auf einem Drehteller 17 ist eine automatische Posi- tionierung von Kamera 2 und zu prüfender Gasturbinen-Schaufel 15 zueinander über die Steuereinheit 4 möglich.The infrared thermography camera 2 works in a temperature range from 0 ° C to 200 ° C with a resolution of up to 0.05 ° C. It is mounted on a cross slide-like manipulator 16, with which the camera 2 along the three spatial axes x , y and z in FIG. 1 can be maneuvered via the control unit 4. Together with the arrangement of the test part holder 3 on a turntable 17, an automatic positioning of the camera 2 and the gas turbine blade 15 to be tested is possible with respect to one another via the control unit 4.
Bei dieser Steuereinheit 4 handelt es sich um einen ersten Rechner des Gesamtsystems, der auch die Temperatur- und Span- nungsregelung durchführt sowie die Auslösesteuerung der Kamera 2 und der Blitzlampeneinheit 1 vornimmt. Bei dem Personalcomputer der Steuereinheit 4 handelt es sich also um den eigentlichen Steuerrechner für die Systemkomponenten.This control unit 4 is a first computer of the overall system, which also carries out the temperature and voltage regulation and controls the triggering of the camera 2 and the flash lamp unit 1. The personal computer of the control unit 4 is therefore the actual control computer for the system components.
Zur Spezifizierung der Infrarot-Thermographie-Kamera 2 ist noch festzuhalten, daß sie einen Infrarot-Detektor mit einer Auflösung von 768 x 600 Linien aufweist, die zu einer örtlichen Auflösung von etwa 0,3 mm bei der Erfassung des thermographischen Bildes des Prüfteils führt. Die Aufzeichnungsfre- quenz beträgt 25 Hz, es kann also alle 40 Millisekunden einTo specify the infrared thermography camera 2, it should also be noted that it has an infrared detector with a resolution of 768 x 600 lines, which leads to a local resolution of approximately 0.3 mm when the thermographic image of the test part is recorded. The recording frequency is 25 Hz, so it can be every 40 milliseconds
Thermographiebild des Prüfteils 15 aufgenommen werden. Insgesamt werden beispielsweise 30 Bilder in dem genannten zeitlichen Abstand aufgenommen, was zu einer Meßzeit von 1,2 Sekunden führt .Thermographic image of the test part 15 are recorded. In total, for example, 30 images are recorded at the specified time interval, which leads to a measuring time of 1.2 seconds.
Bei der Impuls-Video-Thermographie werden solche Thermogra- phiebilder nach der Erwärmung der Gasturbinen-Schaufel 15 aufgenommen. Damit kann in noch näher zu erläuternder Weise eine Delaminationsprüfung vorgenommen werden.In pulse-video thermography, such thermographic images are obtained after the gas turbine blade 15 has been heated added. A delamination test can thus be carried out in a manner to be explained in more detail.
Zur Kontrolle der inneren Struktur des Prüfteils - was mit dem erfindungsgemäßen Verfahren an sich nichts zu tun hat - kann dieses kurzzeitig - also ebenfalls impulsartig - mit Heißluft aus dem Heißlufttank 7 beaufschlagt werden, wonach der zeitliche Verlauf der Abkühlung des Prüfteils wiederum mit der Infrarot-Thermographie-Kamera 2 aufgenommen und ent- sprechende Rückschlüsse daraus gezogen werden können. Wie aus Fig. 2 deutlich wird, ist zur Ankopplung der Gasturbinen- Schaufel 15 an die Heißluftzuleitung 9 ein Ankoppeladapter 18 vorgesehen.To check the internal structure of the test part - which has nothing to do with the method according to the invention - hot air from the hot air tank 7 can be applied to it briefly, that is to say in a pulsed manner, after which the course of the cooling of the test part in turn is repeated with the infrared Thermography camera 2 recorded and corresponding conclusions can be drawn from it. As is clear from FIG. 2, a coupling adapter 18 is provided for coupling the gas turbine blade 15 to the hot air supply line 9.
Ferner ist aus Fig. 2B erkennbar, daß zur Steuereinheit 4 ein Personalcomputer 19 mit Farbmonitor 20, Farbdrucker 21 und externem Datenspeicher 22 gehört. Der Personalcomputer 19 dient dabei zur Eingabe der Prüf- und Steuerparameter, die durch die Systemverknüpfung zwischen dem Personalcomputer 19 und dem Steuerrechner 4 an diesen übergeben werden. Mit diesen Eingabewerten führt die Steuereinheit 4 dann - wie erörtert - die eigentliche Steuerung durch, wobei über jeweilige Steuerleitungen 23 entsprechende Treiber für die Antriebe des Manipulators 16 und des Drehtellers 17 zur automatischen Po- sitionierung der Kamera 2 und der Gasturbinen-Schaufel 15 angesprochen werden.It can also be seen from FIG. 2B that the control unit 4 includes a personal computer 19 with a color monitor 20, color printer 21 and external data memory 22. The personal computer 19 serves to enter the test and control parameters which are transferred to the control computer 4 by the system link between the personal computer 19 and the control computer 4. With these input values, the control unit 4 then - as discussed - carries out the actual control, with appropriate drivers for the drives of the manipulator 16 and the turntable 17 for automatically positioning the camera 2 and the gas turbine blade 15 being addressed via respective control lines 23 .
Der Personalcomputer 19 dient ferner zur Auswertung und Anzeige der von der Kamera 2 aufgenommenen Thermographie-Bil- der .The personal computer 19 is also used to evaluate and display the thermographic images recorded by the camera 2.
Schließlich ist es für Thermographie-Untersuchungen notwendig, dem Prüfteil eine einheitliche Oberfläche zu geben. Daher ist es bei dem Thermographie-Prüfstand vorgesehen, mit einer Farbsprühpistole 24 das Prüfteil (Gasturbinen-Schaufel 15) zu schwärzen, wobei die Pfeile 25 schematisch Warmluft zur schnellen Trocknung der Farbe andeuten (Fig. 2A) . Zur Reinigung des Prüfteils nach erfolgter Thermographie-Messung ist ein Ultraschallbad 26 vorgesehen, in dem die Schwärzung wieder entfernt wird (Fig. 2C) .Finally, for thermography examinations, it is necessary to give the test part a uniform surface. Therefore, it is provided in the thermography test stand to blacken the test part (gas turbine blade 15) with a paint spray gun 24, the arrows 25 schematically indicating warm air for quick drying of the paint (FIG. 2A). An ultrasonic bath 26 is provided for cleaning the test part after the thermography measurement, in which the blackening is removed again (FIG. 2C).
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Delaminationsprüfung einer Gasturbinen-Schaufel 15 ist anhand von Fig. 2 und 3 wie folgt zu beschreiben:The method according to the invention for the delamination test of a gas turbine blade 15 can be described as follows with reference to FIGS. 2 and 3:
Die zu prüfende Schaufel wird zuerst mit der Farbsprühpistole 24 geschwärzt und anschließend über den Ankoppeladapter 18 auf die Prüf- teilaufnahme 3 des Drehtellers 17 gesetzt (Fig. 2A) . Danach wird - wie in Fig. 2B gezeigt - durch Eingabe am Personalcom- puter 19 und Weiterverarbeitung durch die Steuereinheit 4 die Schaufel 15 in eine Drehstellung verbracht, in der der zu überprüfende Oberflächenbereich der Blitzlampeneinheit 1 und der Thermographie-Kamera 2 zugewandt ist.The blade to be tested is first blackened with the paint spray gun 24 and then placed on the test part receptacle 3 of the turntable 17 via the coupling adapter 18 (FIG. 2A). Then, as shown in FIG. 2B, the blade 15 is brought into a rotary position by input on the personal computer 19 and further processing by the control unit 4, in which the surface area to be checked faces the flash lamp unit 1 and the thermography camera 2.
Ebenfalls über ein entsprechendes Steuerprogramm wird die Kamera 2 durch den Manipulator 16 in die passende Aufnahmeposition mit entsprechenden x- , y- und z-Koordinaten gebracht und in Aufnahmebereitschaft versetzt.Likewise, via a corresponding control program, the manipulator 16 brings the camera 2 into the appropriate shooting position with the corresponding x, y and z coordinates and puts it in readiness for shooting.
Zur eigentlichen Überprüfung wird von den Blitzlampen 13 gleichzeitig ein Lichtblitz einer Energie von jeweils bis zu 6,4 kJ in einer Zeit von 5 Millisekunden erzeugt. Der zu untersuchende Beschichtungsbereich erwärmt sich durch dieses Bestrahlen schlagartig, wonach sich seine Oberfläche durch die Wärmediffusion wieder abkühlt. Der Ablauf findet je nachFor the actual check, the flash lamps 13 simultaneously generate a flash of energy of up to 6.4 kJ in a time of 5 milliseconds. The coating area to be examined suddenly heats up due to this irradiation, after which its surface cools down again due to the heat diffusion. The process takes place depending on
Wärmeleit-fähigkeit der beteiligten Materialien im Sekundenbereich statt.Thermal conductivity of the materials involved takes place in a matter of seconds.
Diese zeitliche Veränderung der Temperaturverteilung auf der Oberfläche des bestrahlten und zu untersuchenden Beschichtungsbereiches wird dabei mittels der IR-Thermographie-Kamera 2 aufgezeichnet, indem unmittelbar nach der Blitzbestrahlung 30 Bilder im zeitlichen Abstand von 40 Millisekunden aufgenommen werden. Die daraus gewonnenen Thermographie-Bilder, die vom Personalcomputer 19 erfaßt und ausgewertet werden, stellen eine zeitlich und örtlich aufgelöste Darstellung des Temperaturverlaufes der Oberfläche des bestrahlten Beschichtungsbereiches dar, wie sie z. B. in Fig. 3 gezeigt ist. Ein solches Thermographie-Bild kann durch bekannte Bildverarbeitungsmethoden, wie Mittelung aus oder Integration über mehrere Bilder etc., in seiner Aussagekraft verbessert werden.This temporal change in the temperature distribution on the surface of the irradiated and to be examined coating area is recorded by means of the IR thermography camera 2 by immediately after the flash irradiation 30 images are taken at 40 millisecond intervals. The thermographic images obtained therefrom, which are recorded and evaluated by the personal computer 19, represent a temporally and spatially resolved representation of the temperature profile of the surface of the irradiated coating area, as z. B. is shown in Fig. 3. Such a thermographic image can be improved in its informative value by known image processing methods, such as averaging from or integration over several images, etc.
Das in Fig. 3 gezeigte Thermographie-Bild läßt im linken unteren Bereich eine etwa dreieckfδrmige Stelle D erkennen, die gegenüber der Oberflächenumgebung während der Meßzeit der Kamera 2 eine erhöhte Temperatur aufweist. Diese Stelle, deren Oberfläche unversehrt erscheint, repräsentiert eine Delamina- tion, also eine Schichtablösung der VPS-Beschichtung vom Schaufelsubstrat . Dies wurde durch anschließende zerstörende Prüfung der Schaufel verifiziert.The thermographic image shown in FIG. 3 shows an approximately triangular location D in the lower left area, which has an elevated temperature compared to the surface environment during the measuring time of the camera 2. This point, the surface of which appears intact, represents a delamination, that is to say a layer detachment of the VPS coating from the blade substrate. This was verified by subsequent destructive testing of the blade.
Die weiteren deutlich erkennbaren Stellen K zeitweise erhöhter Oberflächentemperatur rühren im übrigen von inneren Kühlstrukturen der Schaufel 15 her. The other clearly recognizable points K of temporarily increased surface temperature also result from internal cooling structures of the blade 15.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Delaminationsprüfung von Beschichtungen auf Substraten, insbesondere von VPS-Beschichtungen auf Gasturbi- nen-Schaufeln, mit folgenden Verfahrensschritten:1. Method for delamination testing of coatings on substrates, in particular VPS coatings on gas turbine blades, with the following method steps:
- impulsartiges Aufheizen des zu untersuchenden Beschichtungsbereiches durch Bestrahlen mit Lichtblitzen,- pulse-like heating of the coating area to be examined by irradiation with light flashes,
- Aufzeichnen der zeitlichen Veränderung der Temperaturver- teilung auf der Oberfläche des zu untersuchenden Beschich- tungsbereiches mittels einer IR-Thermographie-Kamera (2) , und- Recording the temporal change in the temperature distribution on the surface of the coating area to be examined by means of an IR thermography camera (2), and
- zeitlich und örtlich aufgelöstes Darstellen des Temperaturverlaufs an der Oberfläche des zu untersuchenden Beschichtungsbereiches zur Detektion von Delaminationen repräsen- tierenden Stellen (D) mit gegenüber der Oberflächenumgebung zeitweise erhöhter Temperatur.- Representation of the temperature profile on the surface of the coating area to be examined for the detection of delaminations-representative locations (D) with a temperature that is temporarily elevated in relation to the surface environment.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das im- pulsartige Aufheizen durch einen Lichtblitz mit einer Dauer zwischen 1 und 10 Millisekunden, vorzugsweise zirka 5 Millisekunden, erfolgt.2. The method according to claim 1, that the pulse-like heating is carried out by a flash of light with a duration of between 1 and 10 milliseconds, preferably about 5 milliseconds.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Blitzlicht-Energie von mindestens 12 kJ eingestrahlt wird.3. The method of claim 1 or 2 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a flash light energy of at least 12 kJ is irradiated.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Blitzlicht-Energie mit mindestens vier Blitzlampen eingebracht wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the flash light energy is introduced with at least four flash lamps.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Auf- Zeichnung der Temperaturverteilung mittels der IR-Thermographie-Kamera (2) in einem Mindest-Temperaturbereich von 0° C bis 200° C bei einer Temperaturauflösung von mindestens 0,05° C erfolgt .5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the recording of the temperature distribution by means of the IR thermography camera (2) in a minimum temperature range of 0 ° C. up to 200 ° C with a temperature resolution of at least 0.05 ° C.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Aufzeichnung der Temperaturverteilung mittels der IR-Thermographie-Kamera (2) mit einer AufZeichnungsfrequenz von mindestens 25 Hz erfolgt.6. The method according to any one of claims 1 to 5, so that the temperature distribution is recorded by means of the IR thermography camera (2) with a recording frequency of at least 25 Hz.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Aufzeichnung der zeitlichen Veränderung der Temperaturverteilung auf der Beschichtungsoberflache mit einer örtlichen Auflösung von mindestens 0,4 mm, vorzugsweise mindestens 0,3 mm, er- folgt.7. The method according to any one of claims 1 to 6, so that the changes in temperature distribution over time are recorded on the coating surface with a local resolution of at least 0.4 mm, preferably at least 0.3 mm.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der zu untersuchende Beschichtungsbereich vor dem impulsartigen Auf- heizen gleichmäßig geschwärzt und nach Abschluß der Überprüfung wieder gereinigt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, so that the coating area to be examined is uniformly blackened before the pulse-like heating and is cleaned again after completion of the check.
9. Vorrichtung zu Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch - eine computergestützte Steuereinheit (4) zur Steuerung der Vorrichtungskomponenten und des Untersuchungsablaufes,9. Device for performing the method according to one of claims 1 to 8, characterized by - a computer-aided control unit (4) for controlling the device components and the examination sequence,
- eine Blitzlampeneinheit (1) zum impulsartigen Aufheizen des zu untersuchenden Beschichtungsbereiches,a flash lamp unit (1) for pulse-like heating of the coating area to be examined,
- eine IR-Thermographie-Kamera (2) zur Aufzeichnung der zeit- liehen Veränderung der Temperaturverteilung auf der Oberfläche des zu untersuchenden Beschichtungsbereiches, und- An IR thermography camera (2) for recording the temporal change in the temperature distribution on the surface of the coating area to be examined, and
- eine computergestützte Auswerte- und Anzeigeeinheit (19, 20, 21) zur zeitlich und örtlich aufgelösten Darstellung des Temperaturverlaufes an der Oberfläche des zu untersu- chenden Beschichtungsbereiches. - A computer-aided evaluation and display unit (19, 20, 21) for the temporally and locally resolved representation of the temperature profile on the surface of the coating area to be examined.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens vier Blitzlampen mit vorzugsweise jeweils mindestens 6 kJ Lichtenergie pro Blitz in der Blitzlampeneinheit (1) vor- gesehen sind.10. The apparatus of claim 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that at least four flash lamps with preferably at least 6 kJ light energy per flash are provided in the flash lamp unit (1).
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die IR- Thermographie-Kamera (2) auf einer automatischen Positio- niereinrichtung mit Drei-Achsen-Manipulator (16) angeordnet ist .11. The device according to claim 9 or 10, so that the IR thermography camera (2) is arranged on an automatic positioning device with a three-axis manipulator (16).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der IR- Detektor der IR-Thermographie-Kamera (2) eine Auflösung von mindestens 768 x 600 Linien aufweist. 12. Device according to one of claims 9 to 11, d a d u r c h g e k e n e z e i c h n e t that the IR detector of the IR thermography camera (2) has a resolution of at least 768 x 600 lines.
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