DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Zerstörungsfreie Charakterisierung fertigungsinduzierter Anomalien in Flugtriebwerksrotoren

W.D. Feist, MTU Aero Engines, GmbH, München, Deutschland;
G. Mook, Universität Magdeburg, Deutschland;
J. Hinken, Hochschule Magdeburg-Stendal, Magdeburg, Deutschland
Kontakt: Dipl.-Ing. Wolf Dieter Feist

Zusammenfassung:

Fertigungsinduzierte Anomalien in hochbeanspruchten Bauteilen sind trotz ihres seltenen Auftretens zur häufigsten Ursache für das Versagen von Turbinenscheiben in Flugtriebwerken geworden. Diese meist nichtgeometrischen Anomalien unterscheiden sich wesentlich von denen, die üblicherweise mit den gebräuchlichen ZfPMethoden nachgewiesen werden müssen. Ein von der EU gefördertes Forschungsprogramm 'MANHIRP' hat unter Anderem zum Ziel, den Nachweis solcher Fehler mit zerstörungsfreien Prüfmethoden quantitativ in probabilistische Lebensdauerkonzepte einzubeziehen. Der Versuch, bestehende ZfP-Verfahren für diese Aufgabe zu testen oder zu ertüchtigen, ist Thema der vorliegenden Arbeit.

1. Einführung

Brüche von Verdichter- oder Turbinenscheiben stellen das höchste Risiko für das Flugzeug dar, da die Bruchstücke vom Triebwerksgehäuse nicht abgefangen werden können. Solche Schäden sind daher mit höchst möglicher Wahrscheinlichkeit zu verhindern. Schadensstatistiken zeigen, dass fertigungsinduzierte Anomalien, ausgelöst durch sogenannte "seltene Ereignisse" zur häufigsten Ursache für das Scheibenversagen geworden sind, obwohl die Triebwerksindustrie hohen Aufwand in die Qualitätssicherung investiert. Das internationale von der EU geförderte Forschungsprogramm MANHIRP [1], zielt auf die Verbesserung dieses Sachverhalts. Triebwerkshersteller, Institute und Universitäten aus sieben europäischen Ländern arbeiten daran, die Anomalien mit den gravierendsten Folgen für die Lebensdauer zu untersuchen. Dabei beschränken sie sich auf drei Fertigungsverfahren: Bohren von Löchern, Drehen ebener Oberflächen und Räumen profilierter Nuten.

Eingeführte, bisher nicht gebräuchliche sowie neu entwickelte ZfP-Techniken werden bezüglich ihrer Eignung für den Nachweis und die Quantifizierung der Anomalien untersucht. Dabei wird erhöhtes Augenmerk darauf gerichtet, welche Anomalien zu den größten Lebensdauereinbußen führen. Ergebnisse aus den Versuchen mit diesen Verfahren sowie offene Fragen werden dargestellt.

2. Ziele der ZfP im Rahmen des MANHIRP Programms

Während der Versuche zur Erzeugung fertigungsinduzierter Anomalien wurden die in der Triebwerksindustrie gängigen ZfP-Verfahren nach Möglichkeit zum Nachweis und zur Quantifizierung eingesetzt. In diesem Stadium waren die Wirbelstromprüfung und verschiedene optische Verfahren auf geometrische Anomalien anwendbar, während Ätztechniken auf einige nichtgeometrische Anomalien ansprachen. Im Anschluss wurden die Proben geschnitten und zur Charakterisierung metallografisch nachuntersucht. Im nächsten Schritt wurde versucht, Methoden, die in der Triebwerksindustrie nicht oder nur in Sonderfällen eingesetzt werden, an die Anforderungen anzupassen. Schließlich wurden einige Machbarkeitsstudien mit neueren Verfahren durchgeführt, um das Potential dieser Verfahren für die Aufgabe abschätzen zu können, sodass die verschiedenen Partner Lösungsansätze für eigene Entwicklungsanstrengungen bekommen konnten. Die Entwicklung neuer ZfP-Verfahren ist im Programm MANHIRP nicht vorgesehen.

3. Definition der wichtigsten Fertigungsanomalien

3.1 Nichtgeometrische Anomalien

Einschluss von Fremdmaterial: Während der spanenden Bearbeitung kann es durch Schneidenbruch zu Einschlüssen von Schneidenmaterial in der Oberfläche eines Bauteils kommen. Bei der Nacharbeit unvollständig entfernte Einschlüsse können zu erheblichem Lebensdauerverlust des Bauteils führen (Bild 1).

Bild 1: Querschliff durch Reste einer gebrochenen Schneidplatte in einem Titanwerkstück mit Gefügeverformung und Phasenumwandlung
Bild 2: Mikroschliff durch einen künstlich eingebrachten Einschlag zur Simulation eines Werkzeugbruchs mit Ausbildung adiabatischer Scherbänder und Gefügeverformung (Werkstoff: Ti6-4)

Örtliche Verfestigung und Bildung adiabatischer Scherbänder durch Werkzeugbruch: Auch wenn kein Schneidenmaterial in der Oberfläche zurückgeblieben ist, können örtliche Verfestigung, Gefügeverformung und -umwandlung und besonders in Titan adiabatische Scherbänder zurückbleiben (Bilder 1 u. 2). Diese Anomalien, die mit örtlichen Eigenspannungen einhergehen, können sich negativ auf die Ermüdungsfestigkeit auswirken.

Gefügeverformung durch Kontakt zwischen Werkstück und nicht schneidenden Werkzeugteilen: Programmierfehler oder Fehler bei der Werkzeugauswahl können dazu führen, dass nicht schneidende Werkzeugteile wie Schneidplattenhalter in gleitenden Kontakt mit dem Werkstück geraten. Dieses selten vorkommende Ereignis kann zu Überhitzung und/oder Gefügeverformung, Versprödung und sogar zu Rissbildung führen (Bild 3). Auch wenn man davon ausgeht, dass solche Ereignisse bemerkt werden, muss man berücksichtigen, dass trotz der dann erfolgenden Nacharbeit Schäden bestehen bleiben können, die lebensdauerreduzierend wirken.

Bild 3: Erheblich geschädigte Oberfläche mit "Schleifrissen" vor der Nachbearbeitung, entstanden durch Reibung mit Werkzeughalter.

3.2 Geometrische Anomalien

"Plucking" ist ein Phänomen, bei dem kleine Materialvolumina aus der Werkstückoberfläche herausgerissen werden. Dies führt zu kleinen grübchenförmigen Öffnungen an der Oberfläche, die wegen ihrer Form mit der Eindringprüfung nicht sicher nachgewiesen werden. Plucking tritt hauptsächlich an geräumten Oberflächen und bei Einsatz aggressiver Schnittparameter auf.

Materialaufschmierung: Späne, die durch ungünstige Umstände zwischen Werkstückoberfläche und Schneidenfreifläche gelangen können unter hoher Reibkraft mit der Oberfläche verschweißt werden. Dies führt in der Regel zu örtlicher Schädigung der Oberfläche wie Überhitzung und Gefügeverformung (Bild 4).

Bild 4: Aufgeschmierter Span (Eigenmaterial) auf gedrehter Titanoberfläche

Kratzer und Riefenentstehen hauptsächlich durch ungeplanten Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück. Die Entstehung von Rückzugsriefen beim Bohren ist ein bekanntes Beispiel.

4. Untersuchte ZfPVerfahren

Üblicherweise eingesetzte Verfahren:

Alle Triebwerkshersteller setzen Sichtprüfung (mit und ohne Werkstattmikroskop), Fluoreszenz-Eindringprüfung, chemisches und/oder anodisches Ätzen für 100% ihrer hochbeanspruchten Bauteile ein, bevor diese für den Einsatz zugelassen werden. Einige Firmen setzen zusätzlich Wirbelstromprüfung für kritische Bereiche wie hochbeanspruchte Bohrungen ein.

Bekannte, aber (noch) nicht überwiegend eingesetzte ZfP-Verfahren mussten im Rahmen des MANHIRP-Programms entweder an die besonderen Anomalietypen oder an die speziellen geometrischen Gegebenheiten angepasst werden. Zu diesen gehören die Wirbelstromprüfung in Kombination mit verschiedenen Methoden zur Signalverbesserung um sehr kleine Anomalien und/oder solche mit geringem Impedanzunterschied nachzuweisen. Außerdem wurde eine sehr empfindliche Spaltsonde eingesetzt, die aus einem Festplatten- Schreib-/Lesekopf gewonnen wurde [2].

Neue ZfP-Techniken:

einige Machbarkeitsstudien mit neuen Techniken wurden durchgeführt um Orientierung für die Weiterentwicklung zu gewinnen. Hierzu zählen die "Meandering Winding Magnetometry" (MWM) Technik [3], eine speziell von der Volvo Aero Corporation entwickelte Technik für die Inspektion von kritischen Bohrungen [4], eine hochempfindliche magnetometrische Methode [5, 6] und einige scannende optische Verfahren speziell für die Inspektion schwer zugänglicher Bereiche.

5. Ergebnisse

Nachfolgend werden die Fälle aufgezeigt, bei denen zu mindest Teilerfolge beim Nachweis der jeweiligen Anomalie zu verzeichnen sind.

5.1 Einschluss von Fremdmaterial durch Werkzeugbruch

Eingedrungene Splitter von Schneidstoffmaterial können häufig durch Eindringprüfung nachgewiesen werden. Dies ist aber nicht hinreichend sicher, weil die Partikel bei der Nacharbeit überschmiert werden können oder optisch nicht zugänglich sind. Es ist sehr wichtig, eingedrungenes Schneidenmaterial nachzuweisen, auch dann, wenn es dicht unter der Oberfläche durch Eigenmaterial verdeckt ist. Deshalb wurde die Eignung mehrerer verschiedener Verfahren untersucht [7,8].

5.1.1 Wirbelstrom

Um quantifizierbare Ergebnisse zu erhalten wurden Testkörper mit Hartmetall (Wolframkarbid)- Einschlüssen hergestellt. Dazu wurden Mikrobohrungen verschiedener Durchmesser hergestellt. In einigen Fällen wurde der Bohrer bei Erreichen einer bestimmten Tiefe ab- gebrochen. So entstanden Testkörper mit unterschiedlichen Volumina eingeschlossenen Materials. Da Hartmetall wegen seines Kobaltgehalts ferromagnetisch ist, zeigt das Wirbelstromsignal in Folge des Permeabilitätsunterschieds in der komplexen Ebene eine deutliche Abweichung des Phasenwinkels, wenn die Bohrung Hartmetall enthält (Bild 5).

Bild 5: Nachweis von Wolframkarbideinschlüssen, Phasenverschiebung in der komplexen Ebene durch Ferromagnetismus des Wolframkarbid- Schneidstoffs

5.1.2 Nachweis des Remanenzmagnetismus mittels Fluxgate- Gradiometer

Die zuvor beschriebenen Testkörper mit Hartmetalleinschlüssen wurden magnetisiert und dann mit einem Fluxgategradiometer abgescant. Diese Versuche mit hochempfindlichen Magnetsensoren wurden an der Hochschule Magdeburg-Stendal und an der University of Cincinnati durchgeführt. Eine Bohrerspitze mit 0,05 mm Durchmesser und 0,14 mm Länge (Volumen ca. 2x10 -4 mm3) konnte noch mit ausreichendem Signal-/Rausch-Verhältnis in einer ebenen Oberfläche nachgewiesen werden (Bild 6).

Bild 6: abgebrochener Wolframkarbid-Bohrer D=50 µm in Titanblech mit menschlichem Haar als Vergleich (links), magnetometrische Aufnahmen davon vor (Mitte) und nach Bildverarbeitung (rechts)
Bild 7: Testkörper zur Ermittlung der Nachweisgrenzen für Hartmetalleinschlüsse in Bohrungen

5.1.3 Hartmetalleinschlüsse in Bohrungen

Um Hartmetalleinschlüsse in Bohrungen zu simulieren wurde ein spezieller röhrenförmiger Testkörper aus Titan hergestellt (Bild 7). Die Einschlüsse wurden durch Abbrechen eines Mikrobohrers wenige Hundertstel mm vor dem Durchtritt des Bohrers durch die Wandung erzeugt. Bohrerdurchmesser waren 0,07 und 0,15 mm. Beide konnten am besten mit der Wirbelstrom- Spaltsonde [2] nachgewiesen werden (Bild 8). Mit einem kommerziellen Wirbelstromsystem mit C-Bild-Darstellung, wie es zur Bohrungsprüfung bei einigen Triebwerksherstellern eingesetzt wird, ist der Nachweis dieser kleinen Einschlüsse (noch) nicht mit ausreichendem Signal-/Rausch-Verhältnis möglich.


Bild 8: Nachweis der Hartmetalleinschlüsse im Testkörper (Bild 7) mit der Spaltsonde unter Verwendung eines Laborsystems. Eine Absolutsonde lieferte ein etwas weniger scharfes Bild

5.2 Lokale Verformung und adiabatische Scherbänder in Titan durch Werkzeugbruch

Besonders beim Drehen kann es bei Werkzeugbruch wegen der hohen Schnittgeschwindigkeit zu starken lokalen Gefügeverformungen und zu adiabatischen Scherbändern kommen. Wenn das Ereignis kurz vor Erreichen der Endkontur auftritt, kann dies dazu führen, dass Bereiche in denen hohe Verformungsgeschwindigkeit mit Temperaturentwicklung zur Phasenumwandlung und hohen lokalen Eigenspannungen geführt hat in der Bauteiloberfläche verbleiben. Da sich Werkzeugbruch mit reproduzierbarem Ergebnis nicht beliebig erzeugen lässt, wurde diese Anomalie künstlich durch reproduzierbare Körnerschläge hergestellt. Nachdem der geometrische Bereich durch Nacharbeit entfernt war, blieben nichtgeometrisch beeinträchtigte Zonen zurück (Bild 2).

5.2.1 Anodisches Ätzen (Blue Etch Anodize)

Das anodische Ätzen wird hauptsächlich zum Nachweis von Seigerungen oder Gefügeanomalien in der Oberfläche von Titanbauteilen eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass adiabatische Scherbänder mit diesem Verfahren angezeigt werden. Allerdings kann die Sicherheit des Verfahrens in diesem Fall in Zweifel gezogen werden, weil das Verfahren auf der visuellen Erkennbarkeit beruht und die Anzeigen sehr klein und eher kontrastarm sind (Bild 9).

Bild 9: Ätzbild einer künstlich erzeugten Verfestigungszone mit adiabatischen Scherbändern in Titan 6-4 unter dem Lichtmikroskop

5.2.2 Wirbelstromprüfung mit C-Bild-Darstellung

Mit Wirbelstromprüfung ist die Gefügeveränderung auf Grund einer geringen Leitfähigkeitsänderung nachweisbar. Das Signal/Rausch-Verhältnis lässt sich durch Signalfilterung mit einem angepassten "Linear Predictor" und "Whitening Filter" deutlich verbessern, was angesichts der geringen Amplitude sehr sinnvoll scheint (Bild 10).

Bild 10: Zweistufige Filterung des komplexen Wirbelstromsignals. Ungefiltertes CBild (links), gefiltertes (mitte), ungefiltertes Wirbelstromsignal (oberes Diagramm), gefiltertes (unteres Diagramm)

5.2.3 Nachweis mit der Meandering Winding Magnetometry (MWM)

Eine Machbarkeitsstudie, durchgeführt bei Jentek Sensors Inc. mit der MWM-Methode [2] zeigt, dass das Verfahren für Gefügeverfestigungen dieser Art in Titan empfindlich ist (Bild 11).

Bild 11: MWM-Bild der beeinträchtigten Zone eines simulierten Werkzeugbruchs (verfestigtes Mikrogefüge und adiabatische Scherbänder) und unbekannte "natürliche" Anzeige (unten rechts)

5.3 Gefügeverformung durch Kontakt zwischen Werkstück und nicht schneidenden Werkzeugteilen

Diese Anomalie wurde durch Anpressen eines Werkzeughalters an die rotierende Werkstückoberfläche aus Titan 6-4 erzeugt. Die Oberfläche zeigte starke Verschmierungen mit Zonen kleiner "Schleifrisse" (Bild 3). Die so hergestellte Oberfläche wurde mit der geringst möglichen Spantiefe überdreht, so dass eine neue Oberfläche ohne sichtbare Anomalie entstand.

5.3.1 Wirbelstromprüfung

Die Wirbelstromprüfung mit höchster Nachweisempfindlichkeit für Risse (Länge * Tiefe= 0,4x0,2 mm) zeigte keine Anzeigen.

5.3.2 Anodisches Ätzen

Nach dem Blue Etch Anodize Prozess zeigte die Oberfläche Schlieren verschiedener Farbschattierung, die auf unterschiedlich verformte Oberflächenzonen schließen lassen (Bild 12).

Bild 12: Durch Kontakt mit nicht schneidendem Werzeugteil stark verformte Oberfläche nachbearbeitet. Verformung wurde durch anodisches Ätzen sichtbar gemacht. (Oberfläche vor der Nacharbeit: Bild 3)

5.4 Plucking

5.4.1 Eindring- und Wirbelstromprüfung

Die Eindringprüfung zeigt einige der mit dem Rasterelektronenmikroskop erkennbaren Pluckings. Teilweise andere werden mit der Wirbelstromprüfung unter Verwendung der hochempfindlichen Spaltsonde angezeigt (Bilder 12a - 12c). Allgemein ist festzustellen, dass Pluckings der hier gezeigten Größenordnung mit den verfügbaren ZfP-Verfahren nicht sicher nachweisbar sind.


Bild 13a:
REM Bilder mit Pluckings der Anzeigen in Bild 13c: 1, 2, 5 (von links)

Bild 13b:
Geräumte Nut mit Pluckings, zwei von fünf werden durch Eindringprüfung angezeigt

Bild 13c:
Wirbelstrom C-Bild der Fläche in Bild 13b mit 5 Anzeigen

5.5 Materialaufschmierungen

5.5.1 Automatisierte optische Prüfverfahren

Eine automatische lasergestützte Prüftechnik wurde an diesem Fehlertyp im Rahmen einer Machbarkeitsstudie getestet. Aufschmierungen unter 0,2 mm Größe wurden auf einer ebenen Oberfläche nachgewiesen [9]. Allerdings muss hier wegen der notwendigen hohen Auflösung eine sehr große Datenmenge aufgenommen und verarbeitet werden, was die Technik für größere Flächen zu langsam und uneffektiv macht. Die Technik ist damit eher für kleine Flächen einsetzbar, wie z.B. für Bohrungen.

5.5.2 Wirbelstromprüfung

Mittels Wirbelstromprüfung ist diese Anomalie nachweisbar (Bilder 13a und b). Dank der geometrischen Erhebung solcher Aufschmierungen tritt beim Abtasten mit der Sonde ein Lift-off Effekt auf. Wirbelstromprüfung empfiehlt sich für diese Anomalie besonders für Bauteilbereiche, die für optische Prüfmethoden wie Sicht- und Eindringprüfung nicht zugänglich sind.

Bild 14a: Wirbelstromprüfung einer Probe aus dem Fertigungsversuch mit Standard DifferenzsondeBild 14b: C-Bild Ausschnitt mit drei Anzeigen von aufgeschmiertem Eigenmaterial

6. Schlussfolgerungen

Die bisher durchgeführten Arbeiten haben Möglichkeiten aufgezeigt, mit denen die Nachweiswahrscheinlichkeit für geometrische und nichtgeometrische fertigungsinduzierte Anomalien verbessert werden kann. Damit wurde ein Beitrag zur Reduzierung einer wesentlichen Versagensquelle für hochbeanspruchte Triebwerksbauteile geleistet. Es wurden Techniken aufgezeigt, wie das MWM-Verfahren oder der Einsatz hochempfindlicher Wirbelstrom- und Magnetometersonden, deren Potentiale Anlass für weitere Anstrengungen sein sollten.

Danksagung

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

Literatur:

  1. Integrating Process Controls with Manufacturing to produce High Integrity Rotating Parts for Modern Gas Turbines. GROWTH Project G4RD-CT2000-00400
  2. N. Goldfine, D. Schlicker, V. Tsukernik, I .Shay, M. Windoloski, V. Zilberstein, A. Washabaugh, K. Walrath, S. Cargill: High Resolution MWM-Array Imaging of Cracks in Fretting Regions of Engine Disk Slots, 6th Joint FAA/DoD/MASA Aging Aircraft Conference, 2002
  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. European Patent No: EP01032829 A1, Title: A Testing Method for Machined Workpieces
  5. H. Wrobel, Y. Tavrin, M. Wenk and J. H. Hinken: Fluxgate gradiometer for highresolution magnetometry. http://www.elektrotechnik.hs-magdeburg.de/Mitarbeiter /hinken/ news/n12.htm
  6. H. Carreon, P. B. Nagy, A. H. Nayfeh: Thermoelectric Detection of Spherical Tin Inclusions in Copper by Magnetic Sensing. Journal of Applied Physics, vol. 88 (2000), No. 11, 6495-6500
  7. J. Hinken, G. Mook, W.D. Feist, H. Wrobel, J. Simonin: 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
  8. G. Mook, J. Simonin, W. D. Feist, H. Wrobel, J. Hinken: Wolframkarbide in Titanlegierungen - Herkunft und Nachweis. DACH-Tagung der Gesellschaften für Zerstörungsfreie Prüfung Deutschland, Österreich und Schweiz, Salzburg, 17.-19. Mai 2004, Berichte CD, Beitrag P25
  9. J. Doyle: Laser-Based NDT of Titanium Aircraft Engine Components to Detect Chip Material Re-Deposited during the Machining Process, 23. Oktober 2003 (MANHIRP-Programminterner Bericht)

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net