DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Automatisiertes System zur thermographischen Prüfung von Gasturbinenschaufeln

W. Heinrich Siemens AG, Power Generation, Berlin
J. Zettner, O. Schreer, B. Spellenberg, Ch. Peppermüller, Th. Hierl Thermosensorik GmbH, Erlangen
M. Goldammer Siemens AG, Corporate Technology, München
Kontakt: Goldammer Matthias Dr.

Kurzfassung

In den letzten Jahren hat sich die Thermographie als Prüfmethode von einer qualitativen zu einer quantitativen Messtechnik zur Defekterkennung und Vermessung geometrischer Parameter weiterentwickelt.

Ein automatisiertes System zur Prüfung von Gasturbinenschaufeln, das eine Reihe von thermographischen Messmethoden in sich vereint, wurde von der Erlanger Thermosensorik GmbH, Siemens Corporate Technology in München und dem Berliner Gasturbinenwerk von Siemens Power Generation entwickelt.

Den Kern des Systems bildet ein kompaktes Thermographiemodul, bestehend aus einer hochauflösenden Infrarotkamera und einem Ringblitz. Dieses Modul ist auf einem Industrieroboter montiert, der automatisch mehrere Messpositionen anfahren kann und zusammen mit einem Drehtisch zur Bestückung einen hohen Durchsatz im Dreischichtbetrieb erlaubt: Die minimale Messzeit beträgt 40 Sekunden pro Schaufel bei 5 Positionen. Die Anlage wird von einer speziell entwickelten Software gesteuert, die von der Komponentensteuerung bis zur Darstellung der Ergebnisse alle Arbeitsschritte automatisiert. Die Datenaufnahme und -verarbeitung, Bildverarbeitung und Datenspeicherung wird auf einem skalierbaren Netzwerk aus Industrie-PCs durchgeführt, die über Intranet mit dem Qualitätssicherungssystem der Fertigung verbunden sind.

Eine Reihe von berührungslosen und zerstörungsfreien Messungen analysieren die folgenden Eigenschaften der Turbinenschaufeln:

  • Delaminationen der keramischen und metallischen Beschichtungen
  • Schichtdicken der keramischen Beschichtungen
  • Wandstärken der Feingusschaufeln
  • Kühlkanalblockaden
  • Ungänzenerkennung

Keywords:
Thermographie, Blitzthermographie, Vibrothermographie

Einleitung

In den letzten Jahren hat sich die Thermographie als Prüfmethode von einer qualitativen zu einer quantitativen, automatisierbaren und industrietauglichen Messtechnik weiterentwickelt. Die physikalische Beschreibung für eine Vielzahl, durchaus auch aktueller, Messaufgaben ist dabei seit den Anfängen der Wärmelehre geleistet. Grundlegende Arbeiten zur Wärmeleitung leistete dabei bereits J. Fourier [1] sowie Angström (grundlegende Theorie siehe auch [2]). Die Vielzahl existierender Arbeiten zur Bestimmung der thermischen Eigenschaften neuartiger Materialien oder Materialkombinationen, Schichtdicken und anderer geometrischer Größen mittels Einzeldetektoren [3,4,5] erleben in der Umsetzung der Verfahren in der bildgebenden Thermographie eine ‚Renaissance'. Dazu trägt einerseits die stetig steigende Leistungsfähigkeit numerischer Prozessoren, Bildverarbeitungssoftware und Datenbank-Systemen bei, die eine Implementierung immer leistungsfähigerer Algorithmen [6,7] zur Lösung komplexer Prüfaufgaben ermöglicht. Andererseits stehen derzeit Infrarot-Kamera-Detektoren mit Bildwiederholraten bis zu 500 Hz, bei guter Temperatur- und Ortsauflösung zur Verfügung, welche schnelles, transientes, thermisches Verhalten charakterisieren können. Ausschlaggebend für den Einsatz von Infrarot-Kameras als quantitatives Messmittel sind hier vor allem die Weiterentwicklungen der Detektormatrizen hinsichtlich der eingesetzten Halbleitermaterialien, der Empfindlichkeit, der Anzahl der integrierten Bildpunkte [8], sowie vor allem der Zuverlässigkeit. In naher Zukunft werden Infrarot-Detektor-Matrizen mit bislang unerreichten Bildwiederholraten in Zeitkonstanten vorstoßen, welche bislang nur den Einzeldetektoren vorbehalten waren.

Die Thermographie hat einen festen Platz in der Prüfung von Gasturbinenschaufeln: Sowohl Delaminationen der keramischen Wärmedämmschichten, als auch der metallischen Schutz- und Bondschicht (MCrAlY) werden routinemäßig mit Hilfe der Blitzthermographie seit mehreren Jahren erfasst [9]. Dieser Technik erschließen sich in jüngster Zeit aber darüber hinaus quantitative Messungen wie z. B. von Schichtdicken durch die enorm verbesserten Infrarotkameras und intelligente Auswertung der Daten. Die Erlanger Thermosensorik GmbH hat in Zusammenarbeit mit der Gasturbinenfertigung der Siemens AG in Berlin und Siemens Corporate Technology in München ein innovatives und anwenderspezifisches Prüfsystem entwickelt, das die Delaminationsprüfung entscheidend beschleunigt und zusätzlich eine Reihe weiterer Prüfaufgaben bewältigen kann:

  • Durch weitgehende Automatisierung ist bei der Delaminationsprüfung mit 5 Prüfpositionen pro Schaufel eine Messzeit von 40s pro Schaufel erreicht und eine Serienprüfung der gesamten beschichteten Oberfläche realisiert.

Quantitative Auswertemethoden ermöglichen

  • die Messung der Schichtdicke der keramischen Wärmedämmschicht ebenso wie die
  • die Messung der Wandstärke des Gussmaterials,
  • die Durchgangsprüfung der Kühlluftbohrungen
  • und die Ungänzenerkennung mittels Vibrothermographie.

Durch die Kombination der Prüfmethoden in einer integrierten Anlage können die verschiedenen Techniken direkt nacheinander oder in geeigneten Kombinationen ohne weiteren Eingriff des Prüfers ausgeführt werden, was zu einer Optimierung des Prüfprozesses führt.

Aufbau des thermographischen Prüfsystems

Zentrale Komponente aller Messtechniken des Prüfsystems ist die berührungslose Erfassung des Temperaturverlaufs an der Oberfläche des Prüflings mit einer hochauflösenden Thermographiekamera. Als IR-Kamera kommt eine Eigenentwicklung der Thermosensorik GmbH zum Einsatz, die sich durch eine hohe laterale Auflösung, bei gleichzeitig großem Gesichtsfeld auszeichnet. Eine hohe thermische Auflösung ist für die Detektion schneller Vorgänge sowie für reproduzierbare Ergebnisse ebenfalls Vorraussetzung: Der Detektor in QWIP-Technik besteht aus einem 640 ´ 512-Array, das eine Temperaturauflösung (Noise Equivalent Temperature Difference - NEDT) von 20 mK bei 300 K im Einzelbild erreicht [10]. Die Bildwiederholrate beträgt für Vollbilder 50 Hz und kann im Subframemodus bei einer Bildgröße von 256´256 auf 220 Hz erhöht werden. Der Wellenlängenbereich der Kamera von 7 bis 9 mm liegt im Longwave-Infrarot-Bereich (LWIR). Dies bietet insbesondere für die Prüfung der Wärmedämmschichten aus ZrO2 Vorteile: Der Grund ist die höhere Absorption, und somit eine höhere Abstrahlung der Infrarotstrahlung aus dem Midwave-Infrarot-Bereich (MWIR: 3-5 mm).

Das Objektiv wird motorisch fokussiert und wurde speziell an die Anforderungen der Prüfanlage angepasst: Es erlaubt bei minimaler Verzeichnung Objektabstände von ca. 20 cm bis 2 m bei Gesichtsfeldgrößen von 45 cm bei 1 m Arbeitsabstand. Abbildung 1 stellt die Gesichtsfelder und Auflösungen typischer Detektortypen mit (bislang) häufig eingesetzten Pixel-Anzahlen, (z. B. 256 ´ 256 und 384´288) denen des Prüfsystems gegenüber. Die Abbildungen vergleichen diese Werte für eine Optik mit 35 mm Brennweite, für gleichen Pixelabstand (Pitch). Die laterale Auflösung beträgt bei typischen Arbeitsabständen im Bereich von 50 cm ca. 250mm/Pixel.


Abb 1: Infrarot-Aufnahme einer Turbinenschaufel mit Kühlluftbohrungen (kleinste Durchmesser: bis zu 0.5 mm). Das ca. 18 cm große Blatt wird formatfüllend abgebildet. Die eingezeichneten Rahmen dienen dem Vergleich der Gesichtsfelder für verschiedene Detektortypen jeweils angegebener Pixel-Anzahlen.

Für die Blitzanregung kommt eine Ringblitzlampe mit 3 kJ zum Einsatz, die knapp vor dem Objektiv montiert ist, so dass Kamera und Blitz ein Modul mit kompakten Abmessungen bilden. Um zu vermeiden, dass Infrarotanteile des Blitzlichts vom Prüfobjekt in die Kamera gestreut werden, gibt es mehrere Möglichkeiten zu filtern, wobei eine Plexiglasscheibe dabei am einfachsten zu bearbeiten und zu verwenden ist.

Das Thermographiemodul ist an einem Industrieroboter montiert, der über 6 Achsen sämtliche Freiheitsgrade bietet: Auf diese Weise wird maximale Flexibilität und Anpassbarkeit für zukünftige Schaufeltypen bei gleichzeitig hohem Durchsatz gewährleistet. Zur Prüfung werden die Schaufeln auf eine Halterung montiert, bei der ein Adapterstück für jeden Schaufeltyp eigens gegossen wird und für die Heißluftprüfung luftdicht mit der Schaufel abschließt. Zwei dieser Halterungen befinden sich auf dem Drehtisch, der die gleichzeitige Bestückung durch den Prüfer außerhalb und Datenaufnahme durch den Roboter innerhalb der Einhausung erlaubt. Roboter und Thermographiemodul befinden sich innerhalb der schallgedämmten und lichtdichten Einhausung, so dass der Prüfer nicht durch Blitz oder Ultraschall gestört wird. Eine Trennwand auf dem Drehtisch schließt die Einhausung zum Prüfer hin ab. Abbildung 2 zeigt einen Überblick über das Prüfsystem: Links im Bild der Drehtisch mit dem Zugang für den Prüfer. Auf der gegenüberliegenden Seite der Anlage befindet sich ein weiterer Arbeitsplatz ohne Drehtisch, der sowohl eine Ultraschallanlage für die Vibrothermographie beherbergt, als auch Platz für experimentelle Aufbauten für die Blitzthermographie bietet. Abbildung 3 zeigt die Anlage aus diesen beiden Perspektiven, Abbildung 4 zeigt Roboter, Thermographiemodul und Ultraschallanlage vom zweiten Arbeitsplatzes aus gesehen.


Abb 2: Schematische Übersicht über den Aufbau der Prüfanlage. Die Abmessungen der Einhausung belaufen sich auf ca. 5 x 4 m. Über den Drehtisch mit den Schaufelhalterungen können licht- und schallisoliert die Prüfungen im Inneren der Roboterzelle ablaufen, während eine Bestückung erfolgt.

Abb 3: Ansicht der Gesamtanlage. Links: Arbeitsplatz 1 für die Serienprüfung. Rechts: Blick auf die Roboterzelle der Arbeitsplatz 2 mit Schleusen-Zugang zur Ultraschallanlage und Möglichkeiten für weitere experimentelle Aufbauten.


Abb 4: Blick durch die Schleuse (vgl. Abb. 3) auf die Prüfstation ‚ Vibrothermographie'. Zu sehen sind das Thermographiemodul auf dem Roboter vor dem Ultraschall-Prüfplatz. Hier ist eine Turbinenschaufel, hängend in einer Halterung zur Prüfung platziert. Die Sonotrode zur Beaufschlagung mit Ultraschall wird von oben an den Schaufelfuß gesetzt.

Als weitere Anregungsart neben dem Blitz und Ultraschall wird Heißluft mit Heizschläuchen unterhalb des Drehtisches erzeugt und über eine Öffnung im Drehtisch in die Schaufel eingebracht. Die Auslegung auf bis zu 300°C und bis zu 6 bar bietet auch für größere Schaufeln ausreichend Anregungsleistung. Im praktischen Einsatz werden typisch 3 bar und ca. 100°C angewandt.

Die Steuerung der Anlage erfolgt auf Basis eines modular erweiterbaren Industrie-PC-Netzwerkes. Der zentrale Rechner steuert dabei sämtliche Hardwarekomponenten der Anlage einschließlich Roboter, Anregungstechnik und Infrarotkamera. In diesem Rechner werden auch die Rohdaten aus der Kamera aufbereitet und ausgewertet. Die Auswertung erfolgt in Softwaremodulen, die einzeln ausgetauscht werden können, und die Anlage zukünftig auf dem neuesten Stand der Technik halten zu können. Durch die offene Softwareschnittstelle sind auch anwendereigene Auswertemodule einsetzbar. An den beiden Arbeitsplätzen steht jeweils ein Rechner zur Interaktion mit dem Benutzer zur Verfügung. Hier werden die Prüfabläufe überwacht und die Ergebnisse der Prüfung angezeigt. Die Ergebnisse der Prüfung sowie wahlweise auch die vollständigen Rohdatensätzen werden gesichert, so dass später zusätzliche Auswertungen möglich sind. Ein weiterer Rechner dient ausschließlich zur Datensicherung und -archivierung. Die Einbindung dieses Rechners in das Intranet ermöglicht den werksweiten Zugriff auf die Prüfergebnisse.

Zur einfachen Verwaltung der Prüfergebnisse besteht zudem die Möglichkeit zum bidirektionalen Datenaustausch mit dem SAP-Betriebsführungs-System: Prüflose der zu prüfenden Schaufeln können, mit den für die Prüfung relevanten Schaufeldaten, in die Anlage eingelesen werden. Die Operatoren müssen dann nur jeweils die Anlage mit zu prüfenden Objekten bestücken. Die Voreinstellung des Prüfablaufs wird aus der Datenbank der Anlage abgerufen, und das Ergebnis in dieser Datenbank abgelegt. Durch die Koppelung der Datenhaltung in der Anlage und der Anbindung an das SAP-System werden auch statistische Aussagen über bedingte Fehlerwahrscheinlichkeiten und den aktuellen Qualitätsstatus der einzelnen Lieferanten möglich.

Prüfverfahren

Delaminationsprüfung keramischer Wärmedämmschichten und MCrAlY-Beschichtungen
Die Prüfung von großflächigen Delaminationen der keramischen Wärmedämmschichten - eine typische Aufgabe der zerstörungsfreien Prüfung - stellt für moderne Thermographiesysteme keine große Herausforderung dar. Die Anlagen stellen in der Regel das Infrarotbild nach 0.5 bis 1 s dar, das je nach Aufwand entsprechend aufgewertet wurde: Im einfachsten Fall kann in diesem Bild der Kontrast schon ausreichend sein. Eine Verbesserung stellt die 3-Bild-Auswertung dar: Vor der Blitzanregung wird ein Nullbild T0 aufgezeichnet. Die aufgezeichnete Serie wird auf ein Bild T1 kurz nach dem Blitz normiert und das ausgewählte n-te Bild T2 der Serie umgerechnet nach T3 = (T2-T0) /(T1-T0) und angezeigt.

In der hier vorgestellten Anlage wird für die Delaminationsprüfung standardmäßig die Pulsphasenauswertung [11] eingesetzt: Die aufgezeichnete Serie wird über eine Fouriertransformation im Frequenzraum betrachtet, wobei die Phasenlage pro Pixel berechnet und bei einer vorgegebenen Frequenz dargestellt wird. Als Resultat ergibt sich ein Bild mit ähnlichem Kontrast wie bei der 3-Bild-Auswertung. Dünnwandige Schaufelbereiche können jedoch bei der 3-Bildauswertung zu Scheinanzeigen führen. (Abbildung 5).


Abb 5: Vergleich einer Delaminationsmessung bei 3-Bild-Auswertung (links) und Pulsphasenauswertung (rechts). Während die Delaminationen in beiden Bildern deutlich sichtbar sind, erscheinen dünne Stellen der Schaufel über den unteren Kühlluftbohrungen in der 3-Bild-Auswertung ähnlich hell wie die Delaminationen (Markierung). Die entsprechenden Bereiche sind in der Pulsphasenauswertung jedoch dunkel und können somit eindeutig von Delaminationen unterschieden werden.

Im Rahmen der Qualifikation der Delaminationsprüfung wurden Delaminationsanzeigen zerstörend geprüft. In allen Fällen wurde die Delaminationsanzeige bestätigt. Die Delaminationsprüfung hat innerhalb des Siemens-Qualitätssicherungssystems die Zulassung als Prüfung erreicht.

Zur Absicherung der Langzeitstabilität der Anlage stehen eine Referenzschaufel mit künstlichen Delaminationen sowie ein Referenzplättchen aus Quarz zur Verfügung. Aufgrund seiner niedrigen Wärmeleitung verhält sich schon ein 5 mm dickes Quarzplättchen wie ein halbunendlicher Körper, erfüllt für die relevanten Messzeiten also die Beziehung DT ľ t-1/2 (Abbildung 6). Um eine gute Absorption des Blitzlichtes sowie eine gute Emission der Infrarotstrahlung zu erreichen, ist die Oberfläche des Quarzplättchen mit 1 mm TiNx überzogen, das sehr ähnliche Wärmeleitungseigenschaften wie Quarz hat und somit die thermischen Eigenschaften des Quarzplättchen nicht ändert.


Abb 6: Skizze zur Referenz Zeitlicher Verlauf der Oberflächentemperatur nach der Blitzanregung der TiNx-Referenz.

Derzeit wird die Anlage routinemäßig täglich mit der Referenzschaufel überprüft: Eine langsame Drift der Parameter etwa durch Verschleiß war dabei nicht festzustellen.

Prüfung auf verstopfte Kühlkanäle mit Heißlufttransmission

Durch die Heißluftvorrichtung im Drehtisch sind auch Prüfungen mit der Anlage möglich, die mit reiner Blitzthermographie nicht durchgeführt werden können. Die hohen Temperaturen, denen die Schaufeln im Einsatz in der Gasturbine ausgesetzt sind, werden erst durch eine Luftkühlung der Schaufel über Kühlkanäle möglich. Bei einigen Schaufeltypen kann die Luft auch durch Bohrungen im Schaufelblatt austreten und bildet einen laminar strömenden Kühlluftfilm auf der Oberfläche der Schaufel.

Um zu prüfen, ob diese Bohrungen offen und durchgängig sind, wird heiße Luft durch die Schaufel geblasen, die dann an den Kühlluftbohrungen austritt. Diese Luft erwärmt das Metall rund um die Austrittsöffnung, was mit der Thermographiekamera detektiert werden kann. Im Ergebnisbild sind offene Bohrungen deutlich sichtbar, so dass verschlossene Bohrungen als Lücken in den Reihen erkennbar werden. Abbildung 7 zeigt die Kühlluftbohrungen, von denen einige verschlossen sind, an der Eintrittskante von 3 getesteten Schaufel.


Abb 7: Prüfung auf verstopfte Kühlkanäle mit Heißlufttransmission am Beispiel von drei Turbinenschaufeln aus der Serienprüfung. An den markierten Stellen werden verstopfte Bohrungen, durch die fehlende Erwärmung erkennbar.

Messung der Wandstärke der gegossenen Schaufeln

Die Aufzeichnung des vollständigen Temperaturverlaufs ermöglicht es, auch quantitative Aussagen über das Prüfobjekt zu treffen. Insbesondere für die Wandstärkenmessung finden sich bereits Beispiele in der Literatur [12,13]. Je nach Wandstärke variiert die Laufzeit des Wärmepulses von der Vorderseite zur Rückwand: Kurz nach der Blitzanregung hat der Puls die Rückwand noch nicht erreicht, wodurch der Temperaturverlauf identisch bleibt mit dem des halbunendlichen Körpers. Vernachlässigt man die kurze Abbrennzeit des Blitzes, folgt die Oberflächentemperatur der Gesetzmäßigkeit DT ľ t-1/2, doch sobald die Rückwand erreicht ist, wird der Wärmepuls gestoppt, was zu einer immer langsameren Abkühlung der Oberfläche führt, bis sich eine nahezu konstante Oberflächentemperatur einstellt (Abbildung 8). Sowohl aus der Laufzeit des Wärmepulses, also dem Zeitpunkt, an dem der Verlauf der Oberflächentemperatur von dem einer sehr dicken Struktur abweicht, als auch aus der Temperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt lässt sich die Wandstärke bestimmen.


Abb 8: Zeitlicher Verlauf der Oberflächentemperatur in Abhängigkeit von der Wandstärke.

Eine einfache Methode, aus der Serie von Infrarotbildern eine Wandstärke zu errechnen, ist die Pulsphasenauswertung: Die Phase als Maß für eine zeitliche Verschiebung korreliert sehr gut mit der Wandstärke (Abbildung 9). Da die Ausbreitung des Wärmepulses ein diffusiver Prozess ist, nimmt die Ausbreitungsgeschwindigkeit mit der Eindringtiefe ab. Dies führt zusammen mit der abnehmenden Oberflächentemperatur zu einer Abhängigkeit der Messgenauigkeit von der Wandstärke, während für Dicken bis zu ca.1 mm ein sehr guter Kontrast erreicht wird, nimmt die Auflösung für dickere Stellen ab. Eine typische, an planaren Objekten gleichen Materials (IN 738LC), ermittelte Abhängigkeit zeigt die Abbildung 10.


Abb 9: Wandstärkenmessung einer defekten Schaufel, an einem schief zur Oberfläche liegendem stirnseitigem Kanal und resultierendem Wanddurchbruch. Die Wandstärke nimmt von rechts nach links bis zum Durchbruch auf der linken Seite ab.


Abb 10: Kalibrierkurve der Wandstärke im interessanten Bereich 0.1 bis 5 mm in Abhängigkeit der Phase.

Der spezifizierte Messbereich liegt bei 0,7 bis 5 mm. Die gemessene Wandstärke hängt dabei nicht vom Anstellwinkel des Prüfobjekts zur Kamera ab. Dadurch kann selbst die komplexe Geometrie eines Schaufelblatts über größere Flächen bildgebend gemessen werden. Die Abbildung 11 verdeutlicht dies, anhand eines gestuften Referenzteils mit Farbcodierung entsprechend den Wandstärkenwerten unter drei verschiedenen Beobachtungswinkeln. Als bildgebende und berührungslose Technik hat die Thermographie beste Aussichten die bisherige, punktuell ausgeführte, Ultraschalltechnik für die Wandstärkenmessung abzulösen.


Abb 11: Wandstärkenmessung eines gestuften Referenzteils mit Farbcodierung entsprechend den Wandstärkenwerten unter zwei verschiedenen Beobachtungswinkeln.

Messung der Schichtdicke der keramischen Wärmedämmschicht

Zur Überwachung des Beschichtungsprozesses der keramischen Wärmedämmschichten gehört nicht nur die Prüfung auf Delaminationen, denn auch die Schichtdicke spielt eine entscheidende Rolle für das thermische Verhalten der Schaufel beim Betrieb der Turbine. Um sie zu messen, geht man vom gleichen Prinzip wie bei der Wandstärkenmessung aus: Die Laufzeit des Wärmepulses bis zur Grenzfläche korreliert mit der Dicke der Schicht. Anders als bei der Wandstärkenmessung wird die Grenzfläche zur Keramik in diesem Fall von dem deutlich besser wärmeleitenden Metall gebildet. Durch die bessere Wärmeleitung bildet das Metall eine Wärmesenke für den Puls, anstatt wie Luft im Fall der Wandstärkenmessung, die Ausbreitung zu stoppen. In der Oberflächentemperatur zeigt sich die Grenzfläche wieder als Abweichung von DTľt-1/2, in diesem Fall beschleunigt jedoch die Abnahme der Oberflächentemperatur. Ebenso wie bei der Wandstärkenmessung kann die Pulsphasenauswertung aus der Bilderserie die zeitliche Position des Abknickpunkts extrahieren und als Bild darstellen. Abbildung 12 zeigt die farbcodierten Schichtdicken eines Schaufelabschnitts aus der Thermographiemessung im Vergleich zur Messung mit Wirbelstromtechnik, die als berührendes Verfahren mit punktueller Abtastung nicht mit der Ortsauflösung der bildgebenden Thermographie konkurrieren kann.


Abb 12: Vergleich der thermographischen Schichtdickenmessung (links) mit der punktuellen Wirbelstrommessungen (rechts, Zahlenwerte in mm).

Wichtig für die Messung ist, dass die zugrundeliegende, variierende Wandstärke des Gussmateriales die Schichtdickenbestimmung nicht beeinflusst, mithin also in einem Zeitbereich kleiner als 100 ms stattfindet. Eine geeignete Auswertefrequenz der Pulsphase ist z. B. 10 Hz. Die Schichtdicken-Messgenauigkeit ist direkt korreliert über mit der Genauigkeit der Phasenbestimmung. Die Ermittlung dieser Genauigkeit wurde an realen, ebenen Testobjekten vorgenommen. Dabei ergeben sich Unsicherheiten auf Grund von realen Dickenschwankungen, unbekannten Porositäten, Rauhigkeiten und Materialeigenschaften. Die Phasengenauigkeit hängt zudem von der Kamerageschwindigkeit und lateraler Auswertefläche (Bildfilter) ab, sowie dem Auslöse- und Abbrennverhalten der Blitzlampe. Sie ist außerdem abhängig von der Schichtdicke selbst (siehe Abbildung 13). Mittels Lock-In-Technik und Laseranregung konnte eine maximale Phasengenauigkeit von 1° erreicht werden [14]. Für die Blitzanregung, mit Hardware-Trigger der Auslösung und Abrennvorgang wurde eine Phasengenauigkeit von 3°abgeschätzt. Somit können Schichtdicken der Wärmedämmschicht in technisch interessanten Bereich 100 bis 500 mm mit Messfehlern kleiner als 10% bildgebend und hochauflösend vermessen werden. Kleinere, also für die Funktion der Schaufeln kritische Schichtdicken werden zwar ungenauer messbar, aber nähern sich in Ihrem Phasenwerten der unbeschichteten Schaufel. Weitere Untersuchungen mit vergleichenden Meßmethoden sind im Gange, um auch für diese Prüfung eine Zulassung zu erreichen.


Abb 13: Schichtdicken-Messgenauigkeit an bislang vorliegenden Proben (rechts) für verschiedene Messgenauigkeiten der Phase. Die Messgenauigkeit der Phase ist auf 3° abgeschätzt, unter der Annahme, dass echte Schichtdicken-Schwankungen auf geringer Größenskala vorliegen.

Ungänzenerkennung mit Vibrothermographie

Die dritte Möglichkeit Wärme in die Schaufel einzubringen, die in der Prüfanlage implementiert wurde, ist Ultraschall. Ein Reibschweißgerät der Branson 2000-Serie mit 3kW elektrischer Leistung wurde an Arbeitsplatz 2 untergebracht. Eine Schaufelhalterung, in der die Schaufeln eingehängt werden können, steht in einem C-Bogen, durch den die Sonotrode von oben auf den Schaufelfuß aufsetzt und Ultraschall von 20 kHz einkoppelt. Die Schwingungen in der Schaufel führen zur selektiven Erwärmung von Rissen, die dann im Infrarotbild sichtbar werden (Abbildung 14).


Abb 14: Vibrothermographie an einer verdeckten Ungänze. Links: In der visuellen Aufnahme ist kein Riss erkennbar. Rechts: Infrarotbildaufnahmen zu den Zeitpunkten t = 0 / 0.5 / 1.0 s nach Einschalten der Ultraschallanregung. Die Ungänze erwärmt sich selektiv; die Wärme breitet sich aus und kann an der Oberfläche detektiert werden.

Durch die vollständige Integration in die Anlagensteuerung ist die parallele Nutzung der Ultraschallanlage bei laufendem Prüfbetrieb an Arbeitsplatz 1 möglich: Eine Messung per Vibrothermographie wird zwischen zwei Prüffahrten an Arbeitsplatz 1 eingefügt, sobald der Prüfer diese Messung anfordert. Eine automatische Trennwand schützt den Prüfer an Arbeitsplatz 2 während des Bestückens vor Blendung durch den Blitz.

Auf die Methode der ultraschallangeregte Thermographie wird im Beitrag zum Projekt "Aktive thermographische Prüfmethoden zur Absicherung von Hochleistungsfertigungsverfahren" [15] intensiver eingegangen.

Zusammenfassung und Ausblick

Vorgestellt wurde eine weitgehend automatisierte Anlage zur Prüfung von Gasturbinenschaufeln. Die Prüfanlage wurde als Komplettsystem inklusive Sicherheitseinrichtungen von der Firma Thermosensorik GmbH geplant, realisiert, installiert und in Betrieb genommen. Durch Integration in ein System und intelligente Softwaresteuerung können viele Einzelprüfungen zur Optimierung des Prüfablaufs kombiniert werden. Durch die Anbindung an das interne Netzwerk und das SAP-System ist eine lückenlose Dokumentation möglich und statistischen Auswertungen zugänglich.

Das System kombiniert die thermographische Messung mit den Anregungsarten Blitz, Heißluft und Ultraschall, um damit verschiedene Messungen anbieten zu können:

Die Prüfung auf Delaminationen von keramischen Wärmedämmschichten und metallischen Beschichtungen wird seit Inbetriebnahme der Anlage im Dreischichtbetrieb durchgeführt. Im gleichen Arbeitsschritt wird auch auf verstopfte Kühlkanäle geprüft.

Daneben sind quantitative Messungen wie die Bestimmung von Wandstärken und Schichtdicken möglich. Eine Ultraschallanlage ergänzt die Messmöglichkeiten um die Ungänzenerkennung mit Vibrothermographie.

Literaturverzeichnis

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