Beschreibung

Verfahren zum Messen der Dicke einer auf einem Träger befindlichen Schicht

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Dicke einer auf einem Träger befindlichen Schicht.

Bekanntermaßen werden Gegenstände, beispielsweise Turbinen- elemente oder dergleichen, mit Schutzschichten versehen, die die Lebensdauer der Gegenstände während ihres Betriebs ver ^¬ längern sollen.

Auch ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 37 460 Al bekannt, Eingabe- und Anzeigevorrichtungen mit nanopartikelhaltigen Schutzschichten zu versehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich die Dicke einer auf einem Träger be- findlichen Schicht besonders einfach, aber dennoch sehr genau messen lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.

Danach ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Messen der Dicke einer auf einem Träger befindlichen Schicht vorgesehen, bei dem die Schicht Teilchen aus einem magnetisierbaren Material enthält und die Dicke mit Hilfe eines magnetischen Messver ^¬ fahrens gemessen wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass dieses eine sehr genaue Schichtdickenmessung auch bei sehr dünnen Schichten ermöglicht, weil die die Dicke der zu messenden Schicht aufgrund des Vorhanden- seins der magnetisierbaren Teilchen sehr gut detektierbar ist .

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es aufgrund der Teilchen auch möglich ist, die Schichtdicke während des Aufbringens der Schicht insitu berührungslos zu messen.

Vorzugsweise wird ein Material für die Teilchen ausgewählt, das sich sehr einfach magnetisieren lässt und im Falle einer Magnetisierung ein sehr starkes Magnetfeld erzeugt. Geeignete Materialien für die Teilchen sind beispielsweise Eisen, Kobalt und Nickel enthaltende Materialien sowie Materialien, die ein magnetisches Keramikmaterial, Fe ₈ O ₂ -haltiges Mate ^¬ rial, Material der 1, 4, 7-Triazacyclononane-Materialgruppe, Fe ₈ O ₂ (OH) i2 (1, 4, 7-Triazacyclononane) ₆ Br ₈ .9H ₂ O und/oder Hexafer- ritmaterial zumindest auch enthalten. Je größer die Magneti ^¬ sierbarkeit der Teilchen im Vergleich zur Magnetisierbarkeit des Trägermaterials ist, desto genauer wird sich die Dicke der Schicht messen lassen.

Die Verteilung der Teilchen in der Schicht kann gleichmäßig sein oder einen Gradienten aufweisen, beispielsweise kann die Konzentration der Teilchen mit wachsender Schichtdicke abfallen oder ansteigen.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Material der Teilchen um ein hartmagnetisches Material und bei dem Material des Trä ^¬ gers um ein weichmagnetisches Material. Bei einer solchen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Dicke der Schicht bei-

spielsweise bestimmt werden, indem mit einem Magnetisierungs ^¬ schritt die hartmagnetischen Teilchen magnetisiert werden. Die Dicke der Schicht kann dann beispielsweise dadurch be ^¬ stimmt werden, dass die Induktionswirkung der hartmagneti- sehen Teilchen auf eine elektrische Spule gemessen wird. Eine solche Messung wird fachsprachlich auch als „eddy-current"- Messverfahren bezeichnet, weil der Induktionsstrom in der Spule, der sogenannte „eddy-current", gemessen wird.

Besteht der Gegenstand aus einem Keramikmaterial oder einem

Oxyd, so lässt sich der Einbau der Nanopartikel in den Grund ^¬ werkstoff verbessern bzw. deren Einbaufähigkeit erhöhen, wenn Nanopartikel mit einer Kernhüllestruktur eingebracht oder eingebettet werden. Solche Nanopartikel weisen vorzugsweise einen Kern aus einem Metall oder einem Metallgemisch und eine Hülle aus einem Oxyd- oder Keramikmaterial auf, das mit dem Grundwerkstoff des zu charakterisierenden Gegenstandes soweit kompatibel ist, dass ein Einbau der Nanopartikel in dem Grundwerkstoff ermöglicht wird, zumindest besser als bei einer Nanopartikeloberflache aus Metall ist. Außerdem kann eine Hülle vermeiden, dass Metallmaterial der Teilchen in das Material der Schicht hineindiffundiert und deren Schichtei ^¬ genschaften verschlechtert.

Als Oxyd für die Partikelhülle kann beispielsweise Aluminium ^¬ oxyd, Kupferoxyd oder Zirkoniumoxyd verwendet werden.

Eine Kernhüllestruktur ist darüber hinaus empfehlenswert, wenn Nanopartikel aus Eisen eingesetzt werden sollen. Eisen kann nämlich mit Chloriden (Cl ^" ) Ferrichloride (FeCl ₃ ) bil ^¬ den, die sehr korrosiv sind und beispielsweise den Grundwerkstoff des Trägers chemisch angreifen können; durch eine entsprechende Einkapselung in einer Kernhüllestruktur bleiben

die Eisenkerne zwar magnetisch aktiv und messbar, jedoch chemisch abgeschottet und chemisch inaktiv.

Bei dem Material der Schicht kann es sich um ein magnetisier- bares oder auch um ein nicht-magnetisierbares Material han ^¬ deln, entsprechendes gilt für den Grundwerkstoff des Trägers.

Vorzugsweise werden als Teilchen Nanopartikel verwendet. Bei Nanopartikeln handelt es sich um Partikel, die eine Partikel- große im Nanometerbereich (1 nm bis 1000 nm) aufweisen sowie meistens chemische und physikalische Eigenschaften zeigen, die sich von denen ihres Partikelmaterials als solchem unter ^¬ scheiden. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Nanopartikel beruhen auf der relativ großen äußeren Oberfläche relativ zu ihrem Volumen.

Im Hinblick auf die Durchführung des magnetischen Messverfahrens wird es im übrigen als vorteilhaft angesehen, wenn ein Magnetfeld erzeugt und in die Schicht eingekoppelt wird, der magnetische Widerstand der Schicht und/oder eine mit diesem unmittelbar oder mittelbar zusammenhängende Messgröße, vorzugsweise ortsabhängig, gemessen wird und die Dicke der Schicht anhand des magnetische Widerstands und/oder der Mess ^¬ größe ermittelt wird. Als Messgröße kann beispielsweise die Induktivität der Schicht, der Wechselspannungswiderstand einer das Magnetfeld erzeugenden Spule oder Spulenanordnung, die Größe eines Wechselstroms in einer das Magnetfeld erzeu ^¬ genden Spule oder Spulenanordnung bei konstanter Wechselspannung und/oder die Größe einer Wechselspannung an einer das Magnetfeld erzeugenden Spule oder Spulenanordnung bei konstantem Wechselstrom durch die Spule oder Spulenanordnung gemessen und ausgewertet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Induktion einer elektrischen Spannung in einer Spule

oder Spulenanordnung aufgrund eines durch die Teilchen erzeugten Magnetfeldes gemessen und ausgewertet werden.

Als magnetische Messverfahren besonders geeignet sind bei- spielsweise Wirbelstrommessverfahren, mit denen ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und in das Material der Schicht eingekoppelt wird.

Zur Wirbelstrommessung können beispielsweise Sensoren einge- setzt werden, die eine meanderförmige Leiterstruktur zur Magnetfelderzeugung und eine dazu komplementäre meanderförmige Leiterstruktur zur Magnetfeldmessung aufweisen. Geeignete Wirbelstrommesseinrichtungen dieser und anderer Art werden beispielsweise von der Firma JENTEC Sensors, 110-1 Clematis Avenue, Waltham, MA 02453, USA, vertrieben.

Mit Magnetmessverfahren lässt sich derzeit eine Messauflösung von bis zu 3 mm Messtiefe erreichen, was für die hier be ^¬ schriebene Messanwendung, beispielsweise für die Dickenmes- sung von thermischen Schutzschichten von Maschinenelementen, im Allgemeinen völlig ausreichend ist, da dort Schichtdicken innerhalb des genannten Messbereichs liegen.

Die Dicke der Schicht lässt sich beispielsweise ausmessen, indem bei der Durchführung des Magnetmessverfahrens die Mess ^¬ frequenz bzw. die Anregefrequenz des erzeugten Magnetfeldes geändert wird; denn bei niedrigen Frequenzen dringt ein Mag ^¬ netfeld tiefer in die Oberfläche ein als bei hohen Frequen ^¬ zen, bei denen Magnetfelder nur sehr oberflächennah erzeugt werden. Wird nun die Messfrequenz während der Messung variiert, so kann eine zu charakterisierende Schicht in der Tiefe - also vertikal zu Oberfläche gesehen - sehr genau abgetastet und damit deren Dicke sehr genau bestimmt werden.

Auch kann das Magnetfeld mit einer supraleitenden Quanteninterferenzeinheit (SQUID: Superconducting QUantum Interference Device) erzeugt werden, wie sie beispielsweise von Raster- SQUID-Mikroskopen bekannt ist. Die Funktionsweise einer Quan- teninterferenzeinheit basiert im Allgemeinen auf dem Effekt der Flussquantisierung in supraleitenden Ringen und dem so genannten Josephson-Effekt .

Die Dicke der Schicht kann beispielsweise sehr einfach und damit vorteilhaft gemessen werden, indem anhand zumindest einer Kalibrierungskurve, die vorab anhand bekannter Dicken des Schichtmaterials erzeugt und abgespeichert worden ist, die jeweilige Dicke der Schicht bestimmt wird.

Um die Dicke bereits beim Aufbringen auf dem Träger möglichst genau einstellen zu können, wird es als vorteilhaft angese ^¬ hen, wenn die Dicke der Schicht bereits während des Aufbrin- gens der Schicht auf dem Träger - also insitu - gemessen wird und das Aufbringen beendet wird, sobald anhand der gemessenen Dicke festgestellt wird, dass eine vorgegebene Solldicke er ^¬ reicht worden ist.

Auch kann die Dicke der Schicht während des bestimmungsge ^¬ mäßen Gebrauchs des beschichteten Trägers gemessen werden und ein Wartungssignal erzeugt werden, wenn die Dicke der Schicht eine vorgegebene Mindestdicke unterschreitet.

Vorzugsweise werden Schichtdicken von Schutzschichten bei Maschinenelementen gemessen. Beispielsweise kann das Verfahren zum Messen der Dicke einer thermischen Schutzschicht eines

Turbinenelements, insbesondere einer Turbinenschaufel, einge ^¬ setzt werden. Besonders bevorzugt werden Dicken von TBC (Thermal barrier coating) -Schichten, beispielsweise Zir- konoxid-Keramikschichten mit säulenförmiger Struktur, oder

von Schichten aus MCrAlY-Material (Metallmatrixmaterial auf der Basis von Chrom, Aluminium und Yttrium) in der beschriebenen Weise gemessen.

Als Erfindung wird darüber hinaus ein Verfahren zum Herstellen eines Turbinenelements, insbesondere einer Turbinenschau ^¬ fel, angesehen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Schutzschicht, insbesondere aus Zirkonoxid-Keramikmaterial mit säulenförmiger Struktur oder aus MCrAlY-Material, auf einem Grundwerkstoff des Turbinenelements aufgebracht wird, wobei Teilchen aus einem magnetisierbaren Material in der Schutzschicht eingebaut werden, während des Aufbringens der Schutzschicht deren Dicke kontinuierlich, regelmäßig oder un ^¬ regelmäßig nach einem Verfahren, wie es oben beschrieben wor- den ist, gemessen wird und das Aufbringen von weiterem

Schichtmaterial beendet wird, sobald anhand der gemessenen Dicke der Schutzschicht festgestellt wird, dass eine vorgege ^¬ bene Solldicke erreicht worden ist.

Als Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Messen des Verschleißes eines Turbinenelements, insbesondere einer Turbi ^¬ nenschaufel, angesehen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Turbinenelement einen Grundwerkstoff aufweist, der mit einer Schutzschicht, insbesondere aus einer Zirkonoxid-Kera- mik mit säulenförmiger Struktur und/oder aus MCrAlY-Material, beschichtet worden ist, wobei in der Schutzschicht Teilchen aus einem magnetisierbaren Material enthalten sind, die Dicke dieser Schutzschicht während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Turbinenelements nach einem Verfahren - wie oben be- schreiben - gemessen wird und ein Wartungssignal erzeugt wird, wenn die Dicke der Schutzschicht eine vorgegebene Min ^¬ destdicke unterschreitet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie ^¬ len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft

Figur 1 eine Turbinenschaufel mit einer Schutzschicht,

Figuren 2-4 ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung der Turbinenschaufel gemäß der Figur 1, anhand dessen auch ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Dickenmessverfahren erläutert wird, und

Figuren 5-7 die Turbinenschaufel gemäß der Figur 1 während des Turbinenbetriebs, wobei während des Turbi ^¬ nenbetriebs ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Dickenmessverfahren durchgeführt wird.

In den Figuren werden aus Gründen der übersicht für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugs- zeichen verwendet.

In der Figur 1 erkennt man eine Turbinenschaufel 10 mit einem Schaufelblatt 20 sowie einem Fuß 30 in einer dreidimensiona ^¬ len Darstellung. Das Schaufelblatt 20 der Turbinenschaufel 10 besteht aus einem Grundwerkstoff 35 und ist mit einer Schutz ^¬ schicht 40 versehen.

Bei dem Grundwerkstoff 35 des Schaufelblatts 20 kann es sich beispielsweise um Inconel (Ni-Cr-Legierungen, wie sie zum Beispiel in der Druckschrift „Corrosion-resistant Nickel alloys" (Advanced Materials & Processes, Juni 2007, Seiten 37 bis 39) im Detail beschrieben sind) oder um Co-basierte Ein ^¬ kristalle handeln oder auch um ein Material, das Inconel oder Co-basierte Einkristalle zumindest auch enthält.

Die Schutzschicht 40 kann beispielsweise aus Keramik oder aus TBC (Thermal Barrier Coating) -Material auf der Basis einer säulenförmigen Zirkonoxid-Keramikschicht oder aus MCrAlY-Ma- terial (Metallmatrixmaterial auf der Basis von Chrom, Alumi ^¬ nium und Yttrium) bestehen. Der Fuß 30 der Turbinenschaufel 10 ist vorzugsweise unbeschichtet.

Im Zusammenhang mit den Figuren 2 - 4 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung der Turbinenschaufel 10 erläutert .

In der Figur 2 ist der Grundwerkstoff 35 im Querschnitt ge ^¬ zeigt. Man erkennt die Oberfläche 60, bevor diese mit der Schutzschicht 40 versehen worden ist.

In der Figur 2 ist außerdem eine Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 gezeigt, die im Rahmen eines magnetischen Wirbelstrommessverfahrens ein Wechselmagnetfeld 110 erzeugt und dieses in die Oberfläche 60 einkoppelt. Zum Erzeugen des Wechselmagnetfelds 110 ist beispielsweise eine Spule 120 vorhanden. Die Feldlinien B des Magnetfeldes 110 dringen durch die Oberfläche 60 hindurch und durchsetzen auch den Grundwerkstoff 35, so dass es zu einem magnetischen Fluss B im Grundwerkstoff 35 kommt.

Die Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 wird das resultierende Magnetfeld 110 messen und beispiels ^¬ weise den magnetischen Widerstand bestimmen und anhand dessen erkennen, ob bereits eine Schutzschicht 40 vorhanden ist und wie dick diese gegebenenfalls ist. Durch eine Relativbewegung in x-Richtung zwischen Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeld ^¬ messeinrichtung 100 und der Turbinenschaufel 10 lässt sich anhand des Auftretens und Verschwindens einer Magnetfeldver-

Stärkung die Dicke d einer vorhandenen Schutzschicht 40 auch ortsabhängig, vorzugsweise zweidimensional, messen.

In der Figur 3 ist die Turbinenschaufel 10 dargestellt, nach- dem eine Schutzschicht mit der Dicke dl sowie mit Nanoparti- kel 80 aus einem magnetisierbaren Material auf der Oberfläche 60 abgeschieden worden ist. Für die Nanopartikel 80 verwendet wird vorzugsweise eines der folgenden Materialien: magneti ^¬ sches Keramikmaterial, Fe ₈ O ₂ -haltiges Material, Material der 1, 4, 7-Triazacyclononane-Materialgruppe, Fe ₈ O ₂ (OH) ₁₂ (1, 4, 7- Triazacyclononane) ₆ Br ₈ .9H ₂ O und/oder Hexaferritmaterial .

Es lässt sich erkennen, dass sich die Nanopartikel 80 auf ^¬ grund ihrer kleinen Größe, aber auch aufgrund ihrer besonde- ren Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere aufgrund ihres großen Verhältnisses zwischen Oberfläche und Volumen, sehr gleichmäßig in dem Grundwerkstoff 35 verteilen und darin sehr gleichmäßig die Magnetisierbarkeit erhöhen.

Unter Verwendung von Kalibrierungskurven, die vorab anhand bekannter Schichtdicken der Schutzschicht 40 aufgenommen worden sind, lässt sich nun die jeweilige Dicke d der Schutz ^¬ schicht 40 bestimmen, da die absolute Größe des Magnetfelds im Vergleich zu einem unbeschichteten Grundwerkstoff 35 durch die Nanopartikel 80 verändert wird.

Die Dicke der Schutzschicht 40 kann darüber hinaus auch da ^¬ durch bestimmt werden, dass die Einkopplung des Magnetfelds 110 mit der Spule 120 beeinflusst wird; in diesem Falle wird bereits durch die äußere Erregung mitbestimmt, welche Tiefen ^¬ bereiche der Schutzschicht 40 bzw. des Grundwerkstoffs 35 durch die Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 abgetastet werden sollen. In dieser Weise lassen sich

Tiefenbereiche bis in den Millimeterbereich selektiv auf das Vorhandensein von Nanopartikeln 80 untersuchen und ausmessen.

Beispielsweise wird bei der Durchführung des Magnetmessver- fahrens die Messfrequenz bzw. die Anregefrequenz des erzeugten Magnetfeldes geändert; denn bei niedrigen Frequenzen dringt ein Magnetfeld tiefer in die Oberfläche ein als bei hohen Frequenzen, bei denen Magnetfelder nur sehr oberflächennah erzeugt werden. Wird nun die Messfrequenz während der Messung variiert, so kann die zu charakterisierende Schicht in der Tiefe - also vertikal zu Oberfläche gesehen - sehr ge ^¬ nau abgetastet werden.

In der Figur 4 ist die Turbinenschaufel 10 dargestellt, nach- dem weiteres Schichtmaterial aufgetragen worden ist und die

Dicke der Schutzschicht 40 einen vorgegebenen Sollwert d2 er ^¬ reicht hat. Bei Erreichen des Sollwerts d2 wird die Magnet- felderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 ein Steuersignal ST erzeugen, das die Fertigstellung der Schutzschicht 40 anzeigt. In diesem Falle wird das Auftragen weiteren Schichtmaterials beendet.

Als Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 kann beispielsweise eine Messeinrichtung mit einer supralei- tenden Quanteninterferenzeinheit (Superconducting QUantum In- terference Device) verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können zur Wirbelstrommessung auch Sensoren eingesetzt werden, die eine meanderförmige Leiterstruktur zur Magnetfelderzeugung und eine dazu komplementäre meanderförmige Lei- terstruktur zur Magnetfeldmessung aufweisen (z. B. vertrieben durch Firma JENTEC Sensors, 110-1 Clematis Avenue, Waltham, MA 02453, USA) .

Im Zusammenhang mit den Figuren 5 - 7 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel für den Betrieb der Turbinenschaufel 10 gemäß der Figur 1 erläutert.

In der Figur 5 erkennt man den Grundwerkstoff 35 im Quer ^¬ schnitt, nachdem die Schutzschicht 40, beispielsweise wie im Zusammenhang mit den Figuren 2 bis 4 beschrieben, aufgebracht worden ist.

In der Figur 5 ist außerdem eine Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 gezeigt, die im Rahmen eines magnetischen Wirbelstrommessverfahrens ein Wechselmagnetfeld 110 erzeugt und in die Oberfläche 60 einkoppelt. Zum Erzeugen des Wechselmagnetfelds 110 ist beispielsweise eine Spule 120 vorhanden.

Die Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 wird vorzugsweise an einer Stelle in einem Turbinengehäuse angeordnet sein, an der eine Messung der Schichtdicke d der Schutzschicht 40 in einem besonders beanspruchten Bereich der Turbinenschaufel 10 möglich ist. Beispielsweise ist die Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 derart angeordnet, dass die Feldlinien B des Magnetfeldes 110 in die vordere Kante des Schaufelblatts magnetisch einkoppeln.

In der Figur 6 ist die Turbinenschaufel gezeigt, nachdem die die Dicke d der Schutzschicht aufgrund von Abnutzung geringer geworden ist. Die entsprechende Restdicke dl wird durch die Magnetfelderzeugungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 ge- messen.

In der Figur 7 ist die Turbinenschaufel 10 dargestellt, nach ^¬ dem die Dicke d durch Abnutzung eine vorgegebene Mindestdicke dm erreicht hat. In diesem Falle wird die Magnetfelderzeu-

gungs- und Magnetfeldmesseinrichtung 100 ein Wartungssignal W erzeugen, das anzeigt, dass die Turbinenschaufel abgenutzt ist und mit einer neuen Schutzschicht 40 versehen werden muss .