DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Detektion und Charakterisierung ferromagnetischer Einschlüsse in nicht-ferromagnetischen Legierungen

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

Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Johann H. Hinken

Zusammenfassung

Ferromagnetische Einschlüsse können durch Splittern oder Brechen von Werkzeugen entstehen. Dieses führt zu Defekten in Oberflächennähe, ohne dass sich die Bauteilgeometrie ändert. Wenn von ihnen möglicherweise eine Gefahr ausgeht, sind die Defekte zu detektieren und zu charakterisieren. Dafür wurden zwei sich ergänzende ZfP-Methoden entwickelt. Die Magnetometrie (Magnetic Remanence Method MRM) erlaubt eine überaus empfindliche Detektion der Einschlüsse, während die Mehrfrequenzwirbelstrommethode mehr Informationen über den Ort und die Form des Einschlusses gibt.

Zunächst beschreibt diese Arbeit ein kürzlich entwickeltes Fluxgate-Gradiometer von zweiter Ordnung. Damit können zuvor magnetisierte Teilchen mit einer Masse bis herunter zu einigen Milligramm aus Abständen bis herauf zu 100 Millimeter detektiert werden. Darüber hinaus sind erste Angaben zur Orientierung des Teilchens möglich. Die Gradiometeranordnung unterdrückt dabei magnetische Störungen aus der Umgebung. Verglichen mit supraleitenden SQUID-Magnetometern sind die übrig gebliebenen Störungen von der gleichen Größenordnung; jedoch ist die Handhabung der Fluxgate-Version viel einfacher, weil zum Betrieb keine Kühlung nötig ist.

Während MRM die magnetische Remanenz des Einschlusses nutzt, zielt die Mehrfrequenzwirbelstromtechnik auf die Differenz der magnetischen Permeabilität zwischen dem Teilchen und der Umgebung ab. Es wird eine Signalanalyse präsentiert, die auf lokalen Permeabilitätsschwankungen basiert. Darüber hinaus werden geeignete Sensoren gezeigt sowie auch Strategien für die Signalverarbeitung, -interpretation und -visualisierung.

Einführung

In vielen technischen Situationen verursachen ferromagnetische Einschlüsse, die sich in einer nicht-ferromagnetischen Umgebung befinden, Probleme. Im folgenden werden einige Beispiele gegeben. Extrem kleine Eiseneinschlüsse in Flugzeugturbinenscheiben sind gefährlich und deswegen zu detektieren, bevor die Turbinenscheiben in Betrieb gehen [1],[2]. Auch die Resonatorgehäuse von supraleitenden Teilchenbeschleunigern, die normalerweise aus Niob bestehen, dürfen keine ferromagnetische Teilchen enthalten, um Quentchen zu vermeiden. Auch beim Recyceln von Leichtmetallen, wie z.B. Aluminium und Magnesium, sind ferromagnetische Einschlüsse auszusortieren. Weiterhin entsteht bei der Ermüdung von Edelstahl Deltaferrit als ferromagnetischer Einschluss in einer nicht-ferromagnetischen Umgebung. Auch in anderen nicht-ferromagnetischen Legierungen, die aus ferromagnetischen Komponenten bestehen, wie z.B. Nickelbasislegierungen, können einzelne Regionen ferromagnetisch werden, wenn die Oberfläche zu stark erhitzt wurde. Schließlich können während eines Bearbeitungsprozesses Werkzeuge splittern oder brechen und dann extrem kleine Teilchen im Werkstück zurücklassen. Diese können ferromagnetisch sein, und in kritischen Komponenten sind sie zu detektieren und hinsichtlich ihrer Größe und ihres Gefahrenpotenzials zu bewerten.

Diese Arbeit wird sich auf die Detektion ferromagnetischer Teilchen konzentrieren, die durch Splittern oder Brechen von Werkzeugen entstanden sind. Zur Detektion solcher ferromagnetischer Einschlüsse können zwei Methoden verwendet werden. Sie werden an Bild 1 erläutert.


Bild 1: Prinzip der Magnetisierungskurve ferromagnetischen Materials: H: magnetische Feldstärke, B: magnetische Flussdichte

Die erste Methode zielt auf die magnetische Remanenz BR der Teilchen ab. Bei dieser magnetischen Remanenzmethode (MRM) wird in einer ersten Phase das Messobjekt zunächst in ein starkes magnetisches Gleichfeld gebracht. Gegebenenfalls vorhandene ferromagnetische Teilchen werden dabei bis nahe zur Sättigungsmagnetisierung BS aufmagnetisiert. In einer zweiten Testphase wird das starke externe Magnetfeld abgeschaltet, und die gegebenenfalls vorhandenen ferromagnetischen Einschlüsse wirken wie schwache Dauermagnete mit der Remanenzmagnetisierung BR. Dabei wird die Oberfläche des Messobjektes mit einem höchstempfindlichen Magnetometer abgetastet. Dann zeigen Signaturen des magnetischen Feldes ferromagnetische Einschlüsse an, wobei ihre Größe und ihre Tiefe unter der Oberfläche abgeschätzt werden kann [1], [2].

Die zweite Methode zur Detektion ferromagnetischer Einschlüsse ist die Wirbelstrommethode, die auf die Differenz der magnetischen Permeabilität und der Leitfähigkeit zwischen dem Einschluss und dem Matrixmaterial anspricht, wobei der überwiegende Einfluss von der Permeabilitätsveränderung zu erwarten ist. Die wirksame Permeabilität des Teilchens ist die Anfangspermeabilität µi, siehe Bild 1. Die nicht-ferromagnetische Matrix besitzt die Permeabilität µ0. Vorteilhaft für die Analyse ist eine Mehrfrequenztechnik. In der xy-Darstellung des Wirbelstromsignals kann die Phase des Messsignals so eingestellt werden, dass ein Punktausschlag in x-Richtung einer Abhebung der Sonde von der Oberfläche und ein Ausschlag in y-Richtung weitgehend der Veränderung der Permeabilität des Prüfobjekts entspricht.

Ergebnisse

Es wurden Proben mit natürlichen und künstlichen ferromagnetischen Einschlüssen sowohl mit der MRM- und der Wirbelstrommethode untersucht.

In Phase eins der MRM-Methode wurden die Proben in einer magnetischen Flussdichte von ungefähr 50 mT durch einen starken Dauermagneten vormagnetisiert. Der Messaufbau ist in [3] beschrieben. Die Magnetfeldsensoren waren vom Typ Bartington MAG-03IEL100. Sie sind als Gradiometeranordnung verschaltet, und die Proben können unter den Sensoren wie in Bild 2 rotiert werden.


Bild 2: Prinzipansicht des Fluxgategradiometers

Die Gradiometeranordnung ist nötig, um die im Verhältnis zum Nutzsignal sehr starken Hintergrundsignale auszublenden, die zum Beispiel vom Erdmagnetfeld gebildet werden und von Wechselmagnetfeldern, die von technischen Wechselströmen herrühren. Mit diesem Magnetfeldgradiomter ist es möglich, extrem schwache Magnetfelder zu messen, die von benachbarten Quellen stammen und damit inhomogen sind, und das auch dann, wenn starke homogene Hintergrundfelder präsent sind. Bild 3 zeigt das Rausch- und Störspektrum, des verwendeten Gradiometers zweiter Ordnung, das aus drei koaxial angeordneten Magnetfeldsensoren besteht. Die drei Sensoren sind in Bild 2 angedeutet.


Bild 3: Rausch- und Störspektrum vom Fluxgate-Einzelsensor und Fluxgategradiometer

Bild 3 zeigt die Differenz der Rausch- und Störspektren des niedrigsten Einzelsensors und des Gradiometers. Zum Beispiel zeigt der Vergleich des 16,33-Hz-Signals eine Unterdrückung um 60 dB. Dieses Signal stammt von einer elektrischen Eisenbahn in einer Entfernung von etwa 200 m. Das Grundrauschen des Gradiometers wird durch das Rauschen der Einzelsensoren bestimmt und kann durch die Gradiometeranordnung nicht weiter unterdrückt werden.

Die Vormagnetisierung des Messobjektes kann entweder tangential oder normal zur Bauteiloberfläche erfolgen. Das verwendete System detektiert nur die Normalkomponenten des Magnetfeldes. Dann wird eine Vormagnetisierung in Normalenrichtung vorzugsweise eine Monopolverteilung des Magnetfeldes ergeben, während eine Vormagnetisierung in tangentialer Richtung vorzugsweise eine Dipolverteilung ergibt. Wenn der Einschluss eine stabförmige Form hat, wird er bei einer tangentialen Anordnung vorzugsweise eine Dipolverteilung ergeben und bei einer Anordnung in Normalenrichtung eine Monopolverteilung.

Bild 4 zeigt den Einfluss der Vormagnetisierungsrichtung am Beispiel einer Ti-6Al-4V-Probe mit drei Wolframcarbideinschlüssen. Technisches Wolframcarbid für Schneidwerkzeuge enthält auch kleine Anteile von Kobalt und ist damit schwach ferromagnetisch. Aus diesem Grunde können Wolframcarbideinschlüsse mit der MRM-Methode detektiert werden.


Bild 4: Fotografie und MRM-C-Bilder der Probe 11a nach tangentialer und normaler Vormagnetisierung

Für die Wirbelstromuntersuchungen wurden kleine Sonden verwendet. Bild 5 zeigt vier Sonden und ihre Abbildungseigenschaften. Die erste Zeile zeigt eine Spaltsonde, die berührend über die Bauteiloberfläche geführt wird. Das Bild stammt von zwei Bohrlöchern mit 0,4 und 0,8 mm Durchmesser und zwei erodierten vertikalen Schlitzen von 0,4 und 0,8 mm Länge und 0,2 bzw. 0,4 mm Tiefe in einer ebenen Titanprobe. Die zweite und die dritte Zeile zeigen Zylinderkernsonden vom Absolut- und Differenz-Typ. Die letzte Zeile zeigt eine Multidifferenzsonde, die kompliziertere Bilder liefert. In dieser Arbeit werden Ergebnisse von Messungen mit der ersten und der zweiten Sonde präsentiert. Weitere Details sind in [4] und [5] beschrieben. Die Sonden werden in Einfrequenz- oder Mehrfrequenztechnik mit Frequenzen von 600 kHz bis 4 MHz betrieben.

Bild 6 zeigt Messergebnisse von Probe 11 a. Die Probe ist aus Ti-6Al-4V und hat eine sichelförmige Form. Sie enthält drei Splitter einer Wolframcarbidschneidplatte eines Wolframcarbidstahls als Einschlüsse. Zwei Einschlüsse sind auf der Vorderseite und ein relativ großer Einschluss ist auf der Rückseite platziert. Die genauen Größen der Einschlüsse sind unbekannt. Bild 6 a zeigt MRM-C-Bilder von der Vorder- und der Rückseite. Man sieht, dass die Probe für diese Art Untersuchungen transparent ist. Alle Einschlüsse können von beiden Seiten mit einem guten Signal-zu-Rauschverhältnis erkannt werden.


Bild 6:
Probe 11a, a) MRM-C-Bild von der Vorder- und von der Rückseite, b) Fotografie, c) Wirbelstromsignal und -analyse

Bild 5:
Wirbelstromsonden und deren Abbildungseigenschaften

Bild 7:
Probe 11d,
a) MRM-C-Bild mit hoher Amplitudenauflösung und hoher Ortsauflösung, b)Fotografie, c)Wirbelstromsignale

Die Wirbelstromergebnisse sind in Bild 6 c gezeigt. Mit ,EC-X' ist das Bild des Realteils und mit ,EC-Y' das Bild des Imaginärteils des komplexwertigen Messsignals bezeichnet. Die geometrische Auflösung der Sonde ist besser als 0,3 mm. Bei einer Prüffrequenz von 3 MHz wurde das Abhebesignal horizontal justiert, so dass kleine Oberflächenverformungen, die ebenfalls durch Werkzeugpartikel verursacht werden können, weitgehend horizontale Signale liefern. Andererseits führen oberflächennahe Wolframcarbideinschlüsse auf Grund ihrer höheren Permeabilität zu vorwiegend vertikalen Signalen. Das EC-Y-Bild gibt die Einschlüsse als helle Punkte wieder, die dunklen Punkte im EC-X-Bild repräsentieren lokale Oberflächenverformungen.

Probe 11 d besteht aus dem selben Material und hat eine ähnliche Form wie Probe 11 c, siehe Bild 7. Die Einschlüsse bestehen ebenfalls aus technischem Wolframcarbid. Um sie herzustellen, wurden definierte Löcher in die Probe gebohrt, und in diese wurde Wolframcarbid hineingepresst. Obwohl die Füllfaktoren dieser Löcher unbekannt sind, ist die Größe dieser Einschlüsse doch besser definiert als in Probe 11 c. Tabelle 1 zeigt Einzelheiten der Einschlüsse in Probe 11 d: Es gibt sechs Löcher, zwei sind leer und vier sind gefüllt. Bild 7 zeigt in der Mitte eine Fotografie der Probe 11 d. Oben in Bild 7 sind die MRM-C-Bilder zu sehen. Das obere dieser beiden C-Bilder wurde mit dem Standardmessaufbau aufgenommen, so wie er oben beschrieben wurde; er gibt hohe Amplitudenempfindlichkeit. Das untere der beiden Bilder zeigt Ergebnisse von Messungen mit einem speziellen Flussfokussierer, der hohe Ortsauflösung bei leicht reduzierter Amplitudenauflösung gibt. In einem guten Display oder Druck sind alle drei Einschlüsse der linken Seite zu erkennen sowie auch der große Einschluss auf der rechten Seite von Probe 11 d. Weitere Untersuchungen zeigen, dass die Schwelle für die Detektierbarkeit von oberflächennahen Wolframeinschlüssen mit der MRM-Methode in der Größenordnung von 1 Mikrogramm ist. Zur Zeit sind jedoch keine C-Bilder für derartige Messergebnisse verfügbar.

Loch-Nr. Lochdurchmesser in mm mit/ohne Wolframcarbid-einschlüsse
1 0,2 ohne
2 0,2 mit
3 0,2 mit
4 0,2 mit
5 0,3 mit
6 0,3 ohne
Tabelle 1: Einschlüsse in Probe 11 d

Die Wirbelstromprüfung kann sowohl die leeren wie auch die mit Wolframcarbid gefüllten Bohrungen detektieren. Der Scan der Gruppe von 0,3-mm-Bohrungen zeigt, dass sich die leeren Bohrungen als nahezu horizontales und die Wolframcarbideinschlüsse als weitgehend vertikales Signal darstellen. Daher gibt das EC-Y-Bild den Einschluss als hellen Punkt wieder, wobei sogar dessen Form erkennbar wird. Das EC-X-Bild enthält Geometrieinformationen (Kanteneffekt) der Bohrung und des Einschlusses. Der Scan der 0,2-mm-Gruppe unterstreicht die hohe Ortsauflösung dieser Methode. Gegenwärtige Untersuchungen sind auf die Quantifizierung der detektierten Anomalien ausgerichtet.

Mit Hilfe der Mehrfrequenzwirbelstromtechnik wird eine detailliertere Charakterisierung der Anomalien möglich. Bild 8 zeigt eine Schädigung, die durch einen provozierten Werkzeugbruch herbeigeführt wurde. An ihrem Boden blieb ein Wolframcarbid-Einschluss zurück. Die gekennzeichnete Fläche wurde mit einer Absolutsonde bei drei Frequenzen abgetastet. Der Mehrfrequenzalgorithmus erlaubt eine Trennung von Permeabilitäts- und Geometriesignal und lässt Details der Form und -orientierung des Einschlusses erkennen.

Bild 8: Wirbelstromvisualisierung eines Wolframcarbideinschlusses in Titanlegierung Ti-6Al-4V

Schluss

Sowohl die magnetische Remanenzmethode wie auch die Wirbelstrommethode können verwendet werden, um kleine ferromagnetische Teilchen in einer nicht-ferromagnetischen Umgebung zu detektieren. Die beiden Methoden ergänzen einander in folgender Weise. Für MRM ist das Messobjekt transparent, daher können auch Einschlüsse tief unter der Oberfläche detektiert werden. Die Geometrie des Bauteils hat keinen Einfluss auf das Messsignal. Die Wirbelstromprüfung hat den Vorteil einer höheren Ortsauflösung.

In dieser Arbeit wurde die Detektion und Charakterisierung ferromagnetischer Einschlüsse in nicht-ferromagnetischen Legierungen beschrieben, wobei die magnetische Remanenzmethode (MRM) und eine spezielle Variante der Wirbelstrommethode verwendet wurden. Beide Methoden sind in der Lage, extrem kleine Einschlüsse zu detektieren.

Literaturhinweise

  1. Y. Tavrin, M. Siegel, J. H. Hinken: Standard Method for detection of magnetic defects in aircraft engine discs using a HTS SQUID gradiometer. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.9 (1999) no. 2, 3809-3812
  2. Verfahren zur Ermittlung von Defekten in Werkstücken sowie Magnetfeldmessgerät zur Durchfuehrung dieses Verfahrens. Patent DE 19746000C2, granted 16 May 2002
  3. H. Wrobel, Y. Tavrin, M. Wenk, J. H. Hinken: Fluxgate-Gradiometer für hochauflösende Magnetometrie, ZfP-Zeitung, Ausgabe 88, Februar 2004, 41-43; see also http://www.elektrotechnik.hs-magdeburg.de/Mitarbeiter/hinken/news/n12.htm
  4. G. Mook, J. Simonin, R. Zielke, H.-A. Crostack, M. Maaß: Testkörper zur Einschätzung des Auflösungsvermögens von Wirbelstromsystemen, Jahrestagung DGZfP 1999, Celle, BB 68/2, S. 751-760
  5. G. Mook, J. Pohl, F. Michel, T. Benziger, A. Hilbig: 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

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