無損檢驗構件和製造燃氣輪機葉片的方法
2023-05-01 17:20:26 1
專利名稱：無損檢驗構件和製造燃氣輪機葉片的方法
技術領域：
本發明涉及一種無損檢驗構件的方法。本發明還涉及一種製造燃氣輪機葉片的方法。
WO 97/23762公開了一種層厚測量方法，它的出發點是在基本材料上存在一個導電層，在這種情況下層與基本材料的電導率必須是不同的。層與基本材料電導率之比限於比值為0.7至1.5。此外，尤其使用在1.5至3.5MHz範圍內的交變電流。
GB 227975A1說明了用於有高的導磁率的材料表面附近區域內的電導率測量，人們只能在磁飽和的情況下檢驗導磁率。
US-PS 5793206介紹了一種用於層厚測量的測量探頭。
這些方法或探頭的缺點是，它們只能確定層厚。
在H.Blumenauer所著的書「Werkstoffpruefung」(第5版，VEB德國原料工業出版社，Leipzig 1989)中介紹了用渦流法的無損材料檢驗。這種方法基於當金屬試件置入一個流過交流電的線圈的作用區內時，它的交變電磁場發生變化。通過線圈的一次場在要檢測的試件中感應一個交流電壓，交流電壓本身產生一個交變電流，交變電流又產生一個交變磁場。此二次交變場的特徵是與一次場反向作用並因而改變其參數。這種改變可通過測量技術檢測。為此例如在具有一次和二次繞組的線圈內測量二次電壓(變壓器原理)。或例如在只有一個繞組的線圈中確定其阻抗(參量原理)。按照在交流電路內適用的定律，通過在線圈內和試件內的感應，在參量配置時除了歐姆電阻外還產生一個感應電阻，以及在變壓器配置時除了實的測量電壓外還產生一個虛的測量電壓。這兩個部分以複數的形式體現在阻抗平面內或複合的電壓平面內。在這兩種例子中，無損材料檢驗利用了這種效應，即，一次場的改變取決於試件的物理和幾何特性以及設備的特性。設備的特性尤其是頻率、電流強度、電壓和線圈的圈數。試件的特性尤其是電導率、導磁率、試件形狀以及在渦流區內的材料不均勻性。用於感應式檢驗的新型設備允許在多種激勵頻率的情況下測量。為此例如在測量期間頻率可以自動改變，或者在兩次測量期間由使用者手動地調整頻率。頻率對於渦流的滲入深度有重要的影響。近似式為=503fr]]>δ[mm]滲入深度，f[Hz]頻率，σ[MS/m＝m/[(Ωmm2)]專用電導率，μr相對導磁率標準滲入深度隨頻率增大而減小。
在G.Dibelius，H.J.Krischel和U.Reimann的論文「Non-Destructive Testingof Corrosion Effect on High Temperature Protective Coatings」(VGBKraftwerkstechnik 70，1990，Nr.9)中，介紹了一種無損檢驗燃氣輪機葉片保護層內的腐蝕過程。鎳基保護層的測量方法是基於在腐蝕過程中改變的鐵磁性，也就是說材料有一種非常高的相對導磁率(＞100-1000)，測量保護層內的導磁率。在鉑-鋁保護層系統的情況下，討論渦流探傷的可能性。根據測得的信號大小可以推斷出保護層的層厚。
在M.J.Woulds的論文「How to cast Cobalt-Based Superalloys」(發表在Precision Metal，1969年4月，第46頁)中以及在M.J.Woulds和T.R.Cass的論文「Recent Developnent in MAR-M Alloy 509」(Cobalt，Nr.42，3至13頁)中，介紹了在鑄造構件如燃氣輪機葉片時，可能導致正在凝固或已經凝固的構件表面與鑄型材料化學化應。在這種情況下可例如導致鑄件內的碳化物氧化。這種過程在這裡也稱為「內部碳化物氧化」，即ICO。形成ICO的後果是減少了增強合金晶界的碳化物。
尤其在燃氣輪機葉片表面附近的區域內，這會導致嚴重削弱材料。這些合金通常通過真空鑄造澆鑄。氧化所需的氧來自鑄型的材料，例如二氧化矽、二氧化鋯或氧化鋁。由此在晶界上形成氧化鉬。原始的碳化物例如轉換為富鋯、富鈦或富鉭的氧化物。含有氧化的碳化物的區域深度取決於一些參數，如合金內的含碳量、鑄型材料和鑄造合金的成分，或還有冷卻速度。典型地，一個這種含氧化物的層可以約100至300μm厚。為了控制質量值得追求的是，能查明氧化的碳化物影響機械性能的氧化區。為達到此目的迄今不可能是無損的。
鎳基和鈷基合金在某些環境條件下傾向於形成一種腐蝕形式，即所謂高溫腐蝕(HTK)。從材料學的觀點看是在基本材料晶界處延伸的複合硫化。由於上述HTK削弱了構件承力截面。了解HTK侵蝕深度是重要的，以便能評估構件的工作可靠性和剩餘壽命，並能決定是否可能進行處理(例如整修燃氣輪機葉片)。
因此本發明的目的是提供一種測量方法，用它也可以檢定構件尤其沿晶界形成的高溫腐蝕(侵蝕區)。此外，本發明另一個目的是提供一種製造燃氣輪機葉片的方法，在此方法中，在燃氣輪機葉片的基體上塗覆一防腐蝕層，以及防腐蝕層的質量特別高和使用壽命特別長。
這些目的按本發明通過按權利要求1或10的方法達到。本發明有利的進一步發展由從屬權利要求給出。
按本發明針對構件無損檢驗方法的目的通過一種利用兩種不同測量頻率的無損檢驗的方法達到。
按本發明針對製造方法的目的通過一種用於製造燃氣輪機葉片的方法達到，按此方法，鑄造燃氣輪機葉片的基體，為了施加防腐蝕層淨化和活化基體表面，接著塗覆防腐蝕層，其中，在鑄造後和淨化及活化前，藉助渦流探傷裝置檢驗表面是否存在氧化碳化物的氧化區。
正是在燃氣輪機葉片中，重要的是在高溫和高機械負荷作用下基本材料有基本上無缺陷的組織。因此，在此領域中有關含ICO或腐蝕區的質量檢驗有十分重要的意義。
優選地，合金是鎳或鈷基超級高溫合金。這種超級高溫合金在燃氣輪機結構中是眾所周知的，其特徵主要在於特別高的熱穩定性。但恰恰是這種超級高溫合金，在鑄造時傾向於與鑄型的氧化學反應，並在這種情況下形成已提及的ICO區。
在燃氣輪機葉片中往往採用塗覆在基體上的防腐蝕層。在這裡，基體優選地由鎳或鈷基超級高溫合金構成。此外優選的是保護層由MCrAlY類型的合金組成，其中M從元素組(鐵、鈷、鎳)中選擇，Cr是鉻，Al是鋁以及Y是釔選自元素組(釔、鑭、稀土元素)。這種保護層要求對基體的表面進行預處理，以保證在基體與保護層之間持久地粘附。與為了與保護層良好連接而活化表面的同時實施的恰當的淨化過程是一種陰極真空噴鍍過程，在此過程中離子在基體表面上加速以及此表面在這種情況下藉助離子的功能淨化和活化。試驗表明，在表層內的ICO區阻礙基體表面恰當地淨化和活化。通過陰極真空噴鍍過程不能清除ICO區。它們通常是露天的，因為金屬或部分覆蓋它們的髒物首先被清除，而不是氧化物本身。這導致嚴重影響保護層在葉片基體上的粘附能力。
為了對於燃氣輪機葉片在昂貴的淨化和鍍層過程前已經能作出判斷，在基體表面是否存在含ICO區，採用渦流探傷。因此現在人們第一次有能力廉價地已經在準備階段便能通過打磨過程淨化含ICO區的葉片或已經在準備階段進行挑選。然後，已成功淨化的葉片或從一開始就沒有ICO區煩擾的葉片加上保護層，這優選地通過等離子噴鍍實現。
基體超級高溫合金的成分優選地如下(按重量百分比的數據)24％鉻、10％鎳、7％鎢、3.5％鉭、0.2％鈦、0.5％鋯、0.6％碳以及其餘是鈷。這種合金還有商標名為MAR-M 509。
下面藉助附圖舉例詳細說明本發明。附圖部分示意和未按尺寸比例地表示
圖1表示一種為燃氣輪機葉片檢驗ICO區的方法；圖2表示一個有可看到的ICO區的燃氣輪機葉片；圖3表示通過有ICO層的燃氣輪機葉片基體的部分縱剖面；圖4表示按本發明的方法獲得的測量曲線；圖5示意表示已侵蝕的構件表面附近的區域；以及圖6表示用於按本發明的方法的探頭舉例。
在不同的附圖中相同的符號有同樣的含義。
出人意料地表明，侵蝕區，尤其氧化碳化物(ICO，見前面)的氧化區或硫化的基本材料的腐蝕區，通過渦流探傷可以有足夠精度地檢定。這種渦流探傷如上面已詳細說明的那樣主要基於在侵蝕區或ICO區內與基本材料不同的電導率。此外，試驗還能證明，這種方法的靈敏度甚至足以確定已存在的含ICO區的深度(例如層狀結構或直至存在一定的層厚)。如上面已說明的那樣，渦流探傷需要不同的激勵頻率(測量頻率)。在頻率恰當地低時，渦流在含ICO的區域內的傳播可以忽略不計，所以測量僅由基本材料的特性決定。在過渡區內通過渦流不僅在無幹擾的基本材料內而且在含ICO的區域內均引起初級電場的改變。因此出現作為激勵頻率的函數的測量參數(例如電導率或導磁率)一種確定的過渡。通過頻率與渦流場的滲入深度的相關性，得知在該頻率下主要影響含ICO的層，便可以確定含ICO區的深度。
圖1示意表示一種藉助渦流檢測法無損檢驗構件5尤其燃氣輪機葉片1的方法。燃氣輪機葉片1有一個表面3。在表面3的部分區內施加保護層7，為了完整起見在圖1中畫上了保護層7，實際上保護層7的施加要在完成渦流檢驗後才實施。在表面3內，在燃氣輪機葉片1澆鑄時，由於在鑄造過程中與圖中未表示的鑄型化學反應形成侵蝕區，例如腐蝕區9或氧化碳化物的氧化區9。通過與鑄型中含的氧化學反應，在此腐蝕區9或氧化區9內碳化物轉化為氧化物。同樣，在表面3內例如在使用中由於高溫腐蝕形成硫化的基本材料的腐蝕區9。
這一方面導致降低基體材料在此區域的強度，因為失去了碳化物固化晶界的作用。另一方面這帶來的後果是，在藉助真空噴鍍施加保護層7前完成的淨化和活化過程在腐蝕區9內沒有效果。因此嚴重影響保護層7在基體5上的粘附作用。
為了在昂貴的淨化和鍍層過程前已經查清有妨礙的腐蝕區9，採用渦流探傷法。為此，渦流探頭11在表面3上移動，它直接支靠在表面3上。在柔性的塑料支座15上設電線圈13，通過它們藉助流過線圈13的高變電流產生一個磁場。磁場在表面3內感應電流，它們又通過其磁場反饋到線圈13內。這一反饋作為信號19可在計算機17上看出，計算機17與此渦流探頭11連接。尤其取決於電導率，但也與在渦流探頭11區域內材料的導磁率有關，得出強度不同的信號19。由於在腐蝕區9內不同的電導率和導磁率，可以藉助渦流探頭11檢測出腐蝕區9。
此外，通過在渦流探頭11交變場內改變頻率，實施腐蝕區9的深度確定。由此第一次可以無損檢定腐蝕區(ICO)9。這有非常突出的成本方面的優點，因為其結果是葉片在昂貴的淨化和鍍層過程前已經能規整地打磨或挑選。
圖2表示在藉助陰極真空噴鍍淨化和活化過程後在燃氣輪機葉片1中變得能看出的ICO區9。此ICO區9尤其集中在葉身21與固定區23之間的一個過渡區內。
圖3在縱剖面內表示在構件5的表面3上一個ICO區9的結構。構件5同前面已提及的MAR-M 509鈷基超級高溫合金製成。ICO層的厚度約為100μm。
圖4表示用按本發明的方法得到的測量曲線。確定了導磁率μ(和由此相對導磁率μr)或電導率(σ)與頻率f的關係。所使用的材料有非常小的約等於1(1.001)或最大1.2的導磁率μr。
測量探頭(圖6)安放在基本材料或底物上，然後在500kHz至35MHz範圍內改變頻率f。頻率越高，通過渦流造成的相互作用體積越小。
例如測量至少兩個測量點20。當低的頻率f時相互作用體積很大，所以測量的幾乎僅僅是基本材料的特性，以及這些參數在表面附近區域內的變化可以忽略不計。這種類型的測量與用一種未受腐蝕的基本材料的測量類似。也就是說基本材料的測量曲線23已經通過唯一的一個測量點確定，因為它提供了一條與頻率軸線的平行線。不過也可以記錄更多的測量點20用於確定此平行線。
在用低的頻率f，也就是說在只提供底物特性的大的相互作用體積(滲入深度)的情況下開始後，進一步提高頻率f(第二個測量點)，由此減小了相互作用體積。該相互作用體積如此之小，以致它僅僅處於構件5表面3的區域內。恰恰在此區域內例如偶然或非常頻繁地存在侵蝕的，亦即腐蝕的、氧化的或硫化的區域。此侵蝕區的導磁率或電導率是變化的並導致構件5測量曲線26的偏離。
由此在一次頻率掃描中可以確定基本材料的特性和腐蝕區的位置和大小。要檢查的區域必須不處於磁飽和狀態。
圖5表示受腐蝕的構件表面附近的區域。從表面3出發存在晶界32，它們已被氧化、腐蝕或以其他方式侵蝕。這也可以是氧化的離析。同樣，在表面3的區域內也可能存在孔35，在孔中的材料已經從表面3剝落。在相應地選擇足夠高的頻率f時，使相互作用的體積38正好構成腐蝕區9的邊界。這一測量信號在很大程度上受腐蝕的晶界32和孔35的影響。這一改變用測量信號記錄下來並表示存在構件或底物的缺陷。
圖6表示一個適用於此測量方法的探頭11。勵磁線圈44和信號線圈47蛇曲地布置在底物或薄膜50上。線圈近似的布局和工作方式可參見US-PS 5793206。應強調指出在本申請的公開內容中吸收了此專利文件。與迄今使用的這種探頭(層厚測量)相比，線圈11加載不同的頻率f，如在圖4中已說明的那樣。
權利要求
1.一種無損檢驗構件(5)，尤其是燃氣輪機葉片(1)的方法，其中，藉助渦流探傷法來查明構件(5)已侵蝕的區域(9)，其特徵為採用至少兩種不同的測量頻率(f)來進行渦流探傷測量，在此，所述構件(5)和區域(9)不含鐵磁性的材料。
2.一種無損檢驗構件(5)，尤其是燃氣輪機葉片(1)的方法，其中，藉助渦流探傷法來查明構件(5)已侵蝕的區域(9)，其特徵為採用至少兩種不同的測量頻率(f)來進行渦流探傷測量，在此，首先使用一低的頻率(f)，然後使用一高的頻率。
3.一種無損檢驗構件(5)，尤其是燃氣輪機葉片(1)的方法，其中，藉助渦流探傷法來查明構件(5)已侵蝕的區域(9)，其特徵為採用至少兩種不同的測量頻率(f)來進行渦流探傷測量，在此，在進行一頻率掃描時，頻率(f)連續地從一低頻率(f)變化到一高頻率(f)。
4.按照權利要求1、2或3所述的方法，其特徵為所述構件(5)表面附近的碳化物被氧化後形成的氧化區(9)構成所述侵蝕區(9)。
5.按照權利要求1、2、3或4所述的方法，其特徵為所述構件(5)用一種含碳化物的合金製成。
6.按照權利要求1、2或3所述的方法，其特徵為所述構件(5)用一種鎳基或鈷基超級高溫合金製成。
7.按照權利要求1、2或3所述的方法，其特徵為所述構件(5)表面附近的硫化區(9)形成所述侵蝕區(9)。
8.按照權利要求1、2或3所述的方法，其特徵為採用帶有蛇曲形線圈的測量探頭。
9.按照權利要求1、2、3或6所述的方法，其特徵為所述構件(5)的相對導磁率小於或等於1.2。
10.按照權利要求1、2或3所述的方法，其特徵為所述用於渦流探傷的頻率(f)處於500kHz至35MHz的範圍內。
11.按照權利要求1、2或3所述的方法，其特徵為將一用於渦流探傷的測量探頭(11)直接放置在所述構件(5)的表面(3)上。
12.一種製造燃氣輪機葉片的方法，其中，鑄造燃氣輪機葉片(1)的基體(5)，為了施加防腐蝕層(7)淨化和活化基體(5)的表面(3)，以及接著塗覆防腐蝕層(7)，其特徵在於，在鑄造後及淨化和活化前，藉助渦流探傷法檢驗表面(29)是否存在侵蝕區。
13.按照權利要求12所述的方法，其特徵為採用至少兩種不同的測量頻率(f)來進行所述渦流探傷。
14.按照權利要求12所述的方法，其特徵為所述基體(5)用鎳基或鈷基超級高溫合金製造。
15.按照權利要求12所述的方法，其特徵為所述防腐蝕層(7)或構件(5)至少部分用MCrAlY類型的合金製成，其中M選自元素組(Fe、Co、Ni)、Cr是鉻、Al是鋁以及Y選自元素組(Y、La、稀土元素)。
16.按照權利要求1、2、3或12所述的方法，其特徵為所述侵蝕區(9)有低的電導率。
17.按照權利要求1或12所述的方法，其特徵為首先使用一低的頻率(f)，然後用一高的頻率(f)。
18.按照權利要求12所述的方法，其特徵為在進行頻率掃描時，所述頻率(f)連續地從一低頻率(f)變化到一高頻率(f)。
19.按照權利要求1、2、3或12所述的方法，其特徵為在第一個工藝步驟中測量基本材料的測量參數，以及在下一個工藝步驟中測量侵蝕區的測量參數。
20.按照權利要求19所述的方法，其特徵為所述測量參數在渦流探傷期間隨頻率(f)改變。
21.按照權利要求19所述的方法，其特徵為所述測量參數是導磁率(μ)或電導率(σ)。
全文摘要
本發明涉及一種無損檢驗構件(5)的方法，其中，藉助渦流探傷法來查明構件(5)靠近表面的區域(9)中是否存在碳化物被氧化後或基礎材料被硫化後形成的被侵蝕區(9)。由此，尤其在對燃氣輪機葉片進行費力的清潔和塗層工序前就可挑選出不合格葉片。
文檔編號G01N27/90GK1682013SQ03821612
公開日2005年10月12日 申請日期2003年8月1日 優先權日2002年8月23日
發明者託馬斯·貝克, 拉爾夫·賴歇, 羅爾夫·威爾肯霍納 申請人:西門子公司