DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Wolframkarbide in Titanlegierungen - Herkunft und Nachweis


Gerhard Mook, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Magdeburg, Deutschland
Jouri Simonin, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Magdeburg,Deutschland
Wolf-Dieter Feist, MTU Aero Engines GmbH, München, Deutschland
Herbert Wrobel, Hochschule Magdeburg-Stendal (FH), Magdeburg,Deutschland
Johann Hinken, Hochschule Magdeburg-Stendal (FH), Magdeburg, Deutschland

Kontakt: Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Mook

Zusammenfassung

Während der spanenden Bearbeitung von Nickelbasis- oder Titanlegierungen kann es durch Werkzeugbruch zur Einlagerung von Partikeln des Hartmetallwerkzeugs in das Bauteil kommen. Da diese Partikel zu Startpunkten von Rissen werden können, müssen sie in sicherheitsrelevanten Bauteilen lokalisiert und identifiziert werden.

Um die Eignung verschiedener zerstörungsfreier Verfahren zu testen, werden Testkörper benötigt. Der Beitrag stellt diese vor und zeigt Wirbelstrom- und magnetometrische Verfahren zur Detektion und Charakterisierung der Einschlüsse.

Schlagworte
Testkörperentwicklung, Werkstoffe der Luftfahrt, Magnetometrie, Wirbelstromtechnik, Visualisierung

Einführung

Schadensfallanalysen an Triebwerksscheiben haben gezeigt, dass Anomalien, die durch "seltene Ereignisse" während der spanenden Bauteilfertigung entstehen, in den 90-er Jahren zur Hauptursache von Scheibenbrüchen wurden. Bild 1 zeigt einen Fanscheibenbruch, der von einer Anomalie in einer Bohrung ausging [1]. Solche Anomalien können durch Werkzeugbruch, Überhitzung, Aufschmierungen, Rattern o. ä. hervorgerufen werden und sind nur durch systematische Untersuchungen während der Herstellung auffindbar. Dazu werden im Rahmen des GROWTH-Projekts MANHIRP [2] spezielle Verfahren des Process Monitoring und der zerstörungsfreien Prüfung erprobt.

> Bild 1: Folgen eines Fan-Hub-Bruches, Pensacola 1996

Zu den Anomalien mit hohem Gefährdungspotential gehören Wolframkarbid-Partikel, die beim Bruch eines Schneidwerkzeugs in die Oberfläche des Bauteils eindringen und ggf. während der nachfolgenden Bearbeitung verdeckt werden, so dass sie mit reinen Oberflächenprüfverfahren weder sicher aufgefunden noch charakterisiert werden können.

Bild 2 zeigt den Schliff eines solchen Einschlusses in einem Waspaloy-Bauteil. Die Analyse ergibt über 5% Kobalt, das das Wolframkarbid im Werkzeug bindet. Die daraus resultierenden ferromagnetischen Eigenschaften des Werkzeugs sind eine geeignete Grundlage der zerstörungsfreien Prüfung.


Bild 2: Wolframkarbid-Einschluss mit 93,9 % Wolframkarbid, 5,3% Kobalt und 0,8% Nickel in Waspaloy

Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung

Die Wirbelstromprüfung basiert auf der lokalen Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Permeabilität im Bereich des Einschlusses. Wegen der geringen Leitfähigkeit der Titanlegierung (ca. 0,6 MS/m) sollten selbst bei hohen Prüffrequenzen hinreichende Eindringtiefen erzielt werden, um durch Bearbeitungsprozesse verdeckte Einschlüsse zu finden. Zur genauen Lokalisierung werden C-Bilder mit hoch auflösenden Sensoren erzeugt, die in geringem Abstand oder berührend über die Oberfläche geführt werden [3-6].

Das magnetometrische Verfahren nutzt die Restinduktion, die nach einer vorangegangenen Magnetisierung von den ferromagnetischen Einschlüssen in der nicht ferromagnetischen Titan- oder Nickellegierung ausgeht. Zur Magnetisierung eignen sich starke Dauer- oder Elektromagnete, während der Nachweis des sehr schwachen Restfeldes nur mit Hilfe hochempfindlicher Magnetfeldsensoren realisierbar ist. Im Beitrag [7] wird dazu ein neues Fluxgate-Magnetometer vorgestellt.

Ebene Testkörper

Die Anfertigung von Testkörpern mit definierten Einschlüssen ist eine wesentliche Voraussetzung zur Erprobung zerstörungsfreier Prüfverfahren. An der MTU Aero Engines GmbH München ist es gelungen, mit Hilfe von Mikrobohrern aus Wolframkarbid offene und verdeckte Einschlüsse nachzubilden. Bild 3 zeigt einen solchen Bohrer im Vergleich zu einem menschlichen Haar.


Bild 3: Wolframkarbid-Mikrobohrer im Vergleich zu einem menschlichen Haar

Zur Herstellung ebenflächiger Testkörper wurden Abschnitte von Triebwerkscheiben aus der Legierung TiAl6V4 verwendet. Mit Hilfe der Mikrobohrer wurden Bohrungen eingebracht, der Bohrer abgebrochen und die Oberfläche beschliffen. Zum Vergleich der Messsignale blieben einige Bohrungen leer.

Ergebnisse an ebenen Testkörpern

Bild 4 zeigt eine Flachprobe mit Bohrungen und Einschlüssen im Bereich von 0,5 bis 1,0 mm Durchmesser und einer Tiefe von 0,6 bis 1,0 mm. Die Bohrung Nr. 1 enthält einen Einschluss, der jedoch erst in 0,3 mm Tiefe beginnt. Die Bohrungen Nr. 2 und 4 sind mit Wolframkarbid gefüllt, die Bohrungen Nr. 3 und 5 sind leer.

Bild 4: Ebenflächiger Testkörper mit großen Wolframkarbid-Einschlüssen und Prüfergebnisse

Mit Hilfe der Wirbelstromsensoren wurde der gekennzeichnete Bereich mit zwei Prüffrequenzen abgerastert. Die Signale beider Frequenzen wurden so gemischt, dass sich die Signale der leeren Bohrungen weitgehend kompensierten. Die Einschlüsse in den Bohrungen 2 und 4 liefern wegen des Permeabilitätssprunges die größten Signale, wobei das Signal der Bohrung 2 (Ø 1,0 mm, Tiefe 1,5 mm) wegen des größeren Einschlussvolumens das der Bohrung 4 (Ø 0,6 mm, Tiefe 0,6 mm) übersteigt. Das Signal des Einschlusses in Bohrung 1 kann zwar als Permeabilitätssprung erkannt, wegen des Abstandes von 0,3 mm zur Oberfläche jedoch nicht korrekt quantifiziert werden.

Das Fluxgate-Magnetometer zeigt die Normalkomponente der Restinduktion, die von den Einschlüssen ausgeht. Im Ergebnisbild ist die ungefähre Probenbegrenzung eingezeichnet. Wird das Magnetometer im hochempfindlichen Modus betrieben, reicht die Ortsauflösung zur Trennung des Signals der Bohrung 4 aus, die Separation der Felder der Einschlüsse in den Bohrungen 1 und 2 gelingt jedoch nicht ohne weiteres. Zur Detektion der Restfelder ist es unerheblich, ob der Einschluss verdeckt oder nach oben offen liegt.

Die in Bild 5 vorgestellte Flachprobe besitzt Bohrungen und Einschlüsse mit 0,2 bzw. 0,3 mm Durchmesser. Wie aus der Impedanzebenendarstellung erkennbar ist, erzeugen die Bohrungen und Einschlüsse gut trennbare Signale. Im Signalbild der Y-Komponente zeigen sich die Einschlüsse als helle Kreise, während die Bohrungssignale in den Hintergrund treten.

Mit Hilfe des hochempfindlichen Magnetometers werden die Restfelder der Einschlüsse detektiert, mit Hilfe eines hoch auflösenden Sensors lassen sich die Signale der 0,2-mm-Einschlüsse auch geometrisch separieren.

Bild 5: Ergebnisse an ebenflächigem Testkörper mit kleinen Wolframkarbid-Einschlüssen


Bild 6: Titanröhrchen mit Bruchstücken von Wolframkarbid-Mikrobohrern zur Simulation offener und verdeckter Einschlüsse in der Mantelfläche von Bohrlöchern.
a) Dimensionen des Röhrchens,
b) Lage und Dimensionen der Einschlüsse,
c) Röntgen-CT der Einschlüsse.

Zylindrische Testkörper

Zur Simulation von Einschlüssen in der Mantelfläche von Bohrlöchern wurden Röhrchen aus derselben Legierung wie die Flachproben verwendet. Die Wolframkarbid-Einschlüsse wurden ebenfalls mit Hilfe von Mikrobohrern eingebracht, in diesem Fall jedoch von der abgewandten Seite. (Bild 6). Dabei wurden sowohl durchgehende als auch Sacklochbohrungen hergestellt, die bei der Prüfung von der Innenseite her als offene und verdeckte Einschlüsse erscheinen.

Die Mikrofokus-Röntgen-CT zeigt die Wolframkarbid-Einschlüsse sehr deutlich, jedoch macht die Überstrahlung eine Einschätzung der verbleibenden Restwanddicke beim Einschluss B schwierig.

Ergebnisse an zylindrischen Testkörpern

Die Wirbelstromprüfung erfolgte mit Hilfe einer Innenrotiervorrichtung, bei der das Röhrchen rotierte und der Innensensor in Axialrichtung verschoben wurde.

Bild 7 zeigt die Wirbelstromsignale eines Absolutsensors (0,5-mm Zylinderkern) der beiden Einschlüsse. Im C-Bild der Y-Komponente sind sowohl der offene als auch der verdeckte Einschluss gut sichtbar. Die Impedanzebenenbilder stellen das Messsignal während einer Umdrehung des Prüflings bei direkter Überfahrt des Sensors über den Einschluss dar. Das Abhebesignal liegt horizontal, während der Einschluss starke vertikale Anteile besitzt. Im Unterschied zu Einschluss A zeigt das Signal des Einschlusses B eine in Uhrzeigerrichtung gedrehte Phasenlage, die aus der Verdeckung mit Titan resultiert.

Bild 7: Wirbelstromsignale der Wolframkarbid-Einschlüsse im C-Bild (links) und in der Impedanzebene (rechts). Sensor: Absolutsensor mit Zylinderkern, f = 800 kHz
Bild 8: Wirbelstromsignale der Wolframkarbid-Einschlüsse im C-Bild (links) und in der Impedanzebene (rechts). Sensor: Spaltsensor, f = 600 kHz

Bild 8 zeigt die Wirbelstromsignale eines Spaltsensors an derselben Probe. Selbst dieser Sensor, dessen Stärken in der hohen geometrischen Auflösung liegen, zeigt den verdeckten Einschluss. Die Signale in der Impedanzebene zeigen die mit der Verdeckung zunehmende Phasendrehung, die Signalform erscheint jedoch weitgehend linear.

Schlussfolgerungen

Das Einbringen der Spitzen von Wolframkarbid-Mikrobohrern ist ein erster Schritt zur Simulation von Einschlüssen in Werkstücken. Der Vorteil dieser Testfehler besteht in der weitgehend definierten Größe und Lage. Die Detektion dieser Einschlüsse ist auf Grund der veränderten elektrischen und magnetischen Eigenschaften gegenüber dem Grundmaterial TiAl6V4 möglich. Mit Hilfe des Wirbelstromverfahrens sind die Einschlüsse sowohl an der Oberfläche als auch bei geringer Verdeckung, wie sie im Bearbeitungsprozess denkbar ist, detektierbar und werden mit einer Ortsauflösung von wenigen Zehntel Millimetern abgebildet. Die Fluxgate-Magnetometrie zeigt die untersuchten Einschlüsse aus einer Entfernung bis zu einigen Zentimetern unabhängig von ihrer Tiefenlage im Bauteil an. Das Restfeld, das nach vorangehender Magnetisierung auf den Einschlüssen verbleibt, birgt zusätzliche Informationen, die zur Charakterisierung der Orientierung und der Form der Einschlüsse genutzt werden können.

Beide Verfahren bieten das Potenzial zur quantitativen Bewertung der Einschlüsse und ergänzen sich in ausgezeichneter Weise.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich für die Förderung der Arbeiten im Rahmen des GROWTH-Projektes G4RD-CT2000-00400 MANHIRP durch die Europäische Union.

Quellen:

  1. http://www.ntsb.gov/Publictn/A_Acc1.htm
  2. Integrating Process Controls with Manufacturing to produce High Integrity Rotating Parts for Modern Gas Turbines. GROWTH Project G4RD-CT2000-00400
  3. Mook, G.; Simonin, J.; Zielke,R., Crostack, H.-A.; Maaß, M.: Testkörper zur Einschätzung des Auflösungsvermögens von Wirbelstromsystemen, Jahrestagung DGZfP 1999, Celle, BB 68/2, S. 751-760
  4. Uchanin, V.; Mook, G.; Stepinski, T.: The Investigation of Deep Penetrating High Resolution EC Probes for Subsurface Flaw Detection and Sizing, ECNDT 17.-21.6.2002 Barcelona, AEND, ISSN: 1435-4934
  5. Mook, G.: Bildgebende Wirbelstromprüfung. 27. Krajowa Konferencja Badan Nieniszczacych, Miedzyzdroje, 20.-22. Oktober 1998, Berichtsband S. 197-205
  6. Mook, G.; Pohl, J.; Michel, F.; Benziger, T.; Hilbig, A.: Non-Destructive Imaging Techniques for Damage Evaluation of Smart Materials. In: P.-J.. Winkler (ed.): Materials for Transportation Technology. Euromat 99-Volume 1, Wiley-VCH Weinheim, 2000. S.198-203
  7. Hinken, J.; Mook, G.; Feist, W.-D.; Wrobel, H.; Simonin, J.: Detektion und Charakterisierung ferromagnetischer Einschlüsse in nicht ferromagnetischen Legierungen. DACH-Tagung der Gesellschaften für Zerstörungsfreie Prüfung Deutschland, Österreich und Schweiz, Salzburg, 17.-19. Mai 2004, Berichte CD, Beitrag P26

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