Способ и устройство для определения толщины электрически проводящего слоя - RU2194243C2
Код документа: RU2194243C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способу и устройству для определения толщины электрически проводящего защитного слоя детали турбинной установки, который имеет электрическую проводимость k1 и нанесен на основной материал с электрической проводимостью k2, причем электрические проводимости являются отличными друг от друга.
В статье "Неразрушающий контроль эффекта коррозии высокотемпературных защитных покрытий" в VGB-Kraftwerks-technik 70 (1990), Nr. 9, стр. 645-651, G. Dibelius, H.J. Krichel и U. Reimann описаны различные способы для определения толщины коррозионно-защитного слоя лопатки газовой турбины. Одним из описанных способов является так называемый "токовихревой способ измерения", при котором используют различную электрическую проводимость защитного слоя и основного материала. Через плоский спиралевидный зонд из меди, который нанесен на гибкий носитель, например в виде печатного проводника, в лопатке газовой турбины наводят вихревой ток. Для этого на зонд подают высокочастотный электрический переменный ток и регистрируют полное сопротивление зонда. При неизменной частоте электрического переменного тока в зависимости от толщины слоя, материала слоя и основного материала получают характеристическую величину полного сопротивления. В статье исследованы толщины слоя для защитного слоя из сплава платины с алюминием на основном материале, нержавеющей стали IN 738 LC, в зависимости от полного сопротивления. При частоте 200 кГц, а также 500 кГц были измерены полные сопротивления слоев толщиной до 1 мм. Статья, однако, не содержит ни данных о значениях или соотношении электрических проводимостей, ни данных о точности и воспроизводимости измерения на лопатках газовой турбины с неизвестной, подлежащей определению толщиной слоя.
В DE 3335080 A1 описан способ для определения толщины циркониевого покрытия на внутренней стороне трубы из циркониевого сплава для тепловыделяющих элементов ядерного реактора. Способ определения обращается к принципу токовихревого контроля, в котором изменение полного сопротивления приемной катушки оценивают путем вызванного в циркониевом покрытии высокочастотного поля вихревых токов. Частоту высокочастотного поля вихревых токов выбирают таким образом, что изменение полного сопротивления, объясняемое так называемым съемом катушки возбуждения, отчетливо отличается от изменения полного сопротивления вследствие толщины слоя. Подходящие для этого частоты лежат в области выше 6 МГц до 20 МГц. Толщина циркониевого слоя составляет от нескольких десятков мкм до порядка 100 мкм, и удельное сопротивление циркониевого слоя лежит при порядке 40•10-8 Ом/м, а удельное сопротивление основного металла, циркониевого сплава, составляет величину порядка 74•10-8 Ом/м. Проводимость циркониевого слоя является почти вдвое выше, чем проводимость основного металла. Описанным способом токовихревого контроля для применений в области ядерной техники должно производиться определение толщины циркониевого слоя с отклонением или, соответственно, точностью примерно 5 мкм.
Задачей изобретения является указание способа для определения толщины слоя электрически проводящего слоя, который имеет электрическую проводимость k1 и нанесен на основном материале с электрической проводимостью k2, причем электрические проводимости k1 и k2 являются отличными друг от друга, при котором даже в случае приблизительно равных электрических проводимостей обеспечено надежное определение толщины слоя. Другой задачей изобретения является указание устройства для осуществления такого способа.
Направленная на способ задача решается за счет того, что катушку возбуждения, по которой протекает высокочастотный электрический ток, приближают к слою так, что в слое и в лежащем под ним основном материале создается электрический вихревой ток, причем частоту высокочастотного электрического тока выбирают так, что определяют приданную в соответствие полному сопротивлению испытательной катушки величину, которая по принципу токовихревого контроля служит в качестве основы для определения толщины слоя, и частоту выбирают так, что согласно принципу токовихревого контроля происходит однозначное определение толщины защитного слоя при соотношении электрических проводимостей между 0,7 и 1,5.
При этом, как описано, например, в книге "Измерение толщины слоев" D. Herrman, издательство R. Oldenburg, Мюнхен, 1993, раздел 3.6, стр. 121-159, или в книге "Неразрушающий контроль деталей и материалов" S. Steeb, издательство Еxpert, Ehningen, 2-издание, 1993, глава В, стр. 334-370, катушка возбуждения совпадает с испытательной катушкой, или используются две различные катушки. Из названных выше обеих книг следует, какие из приданных в соответствие полному сопротивлению величин применяют при способах токовихревого контроля, например, непосредственно полное сопротивление катушки возбуждения или ее фазовый угол, наведенное напряжение испытательной катушки, а также разностный сигнал двух противоположно включенных испытательных катушек. Катушки могут применяться в виде планарных катушек или в виде катушек, намотанных вдоль оси. Последние являются особенно пригодными для создания относительно сильного магнитного поля и - вследствие своего малого поперечного сечения - для зондирования искривленных поверхностей. Испытательная катушка и катушка возбуждения могут быть намотаны друг в друга, а также быть расположенными как разнесенные друг относительно друга трансформаторные катушки. Относительно конструкции и расположения катушек, а также принципиального осуществления способа токовихревого контроля делается ссылка на полное содержание обеих книг.
Глубина проникновения вихревого тока в слой и лежащий под ним основной материал лежит в области максимальной ожидаемой толщины слоя. За счет частоты высокочастотного электрического тока, при которой глубина проникновения вихревого тока лежит в области максимальной ожидаемой толщины слоя, влияние слоя проявляется особенно отчетливо так, что способ даже только при незначительно отличающихся электрических проводимостях обеспечивает определение толщины слоя с высокой точностью. Выбор происходит с учетом электрических проводимостей. При этом учитывают, что при частоте, которая вызывает глубину проникновения меньше, чем толщина слоя, получается значение приданной в соответствие полному сопротивлению величины, которое почти исключительно зависит от электрической проводимости слоя. В последующем для упрощения в качестве такой величины называют непосредственно полное сопротивление, причем, однако, вместо полного сопротивления, само собой разумеется, может быть выбрана любая возможная величина. Если частота выбрана так, что глубина проникновения созданного вихревого тока значительно больше, чем толщина слоя, то влияние электрической проводимости основного материала на полное сопротивление может увеличиваться, если не полностью доминировать. Прежде всего при только незначительно отличных друг от друга электрических проводимостях слоя и основного материала, зависимость полного сопротивления от толщины слоя в рамках точности измерений при известных условиях в обоих названных случаях вряд ли является обнаружимой. При частоте, которая вызывает вихревой ток с глубиной проникновения в области толщины слоя, напротив, имеет место явная, отчетливо отличающаяся от возможных ошибок измерения зависимость измерительного сигнала, например, полного сопротивления от действительной толщины слоя. Испытания неожиданно показали, что полученные за счет этого измерительные сигналы лежат на коэффициент порядка 1000 выше, чем при применении до сих пор известных неизменных частот. Поэтому способ является пригодным для определения толщины слоя при практически любой геометрии, в частности искривлении и шероховатости слоя, поскольку получаемые сигналы являются также хорошо различаемыми от эффектов геометрии. Электрические проводимости могут отличаться только незначительно, например, в области от порядка 10% до порядка 15%.
Предпочтительно частоту выбирают таким образом, что глубина проникновения является больше, чем максимально ожидаемая толщина, в частности, составляет до порядка четырехкратной от максимально ожидаемой толщины. Так как, как правило, уже за счет способа изготовления слоя, например, погружением, напылением, электролитическим осаждением и т.д. максимально ожидаемая толщина слоя является известной за счет параметров процесса, то выбор частоты относительно ожидаемой толщины слоя является возможным простым образом. К тому же не является обязательно необходимым за счет одного или нескольких испытательных измерений с различными частотами выбирать предпочтительную, согласованную с ожидаемой толщиной слоя частоту. Согласованием частоты с ожидаемой толщиной слоя к тому же также для случая, что на протяжении промежутка времени произошло изнашивание слоя, обеспечивается однозначно различимый и оцениваемый измерительный сигнал. Это является преимуществом, особенно в случае термически нагруженных и подверженных коррозии деталей, как лопатки газовой турбины.
Предпочтительно частота электрического тока лежит между 1,5 и 3,5 МГц, в частности между 2 и 3 МГц. Этот диапазон частот является особенно предпочтительным для определения толщины слоя с толщиной до порядка 500 мкм. Это справедливо прежде всего для слоя, который служит в качестве коррозионно-защитного слоя лопатки газовой турбины и, например, содержит никель-хром-алюминиевый сплав с добавкой иттрия. Типичные толщины слоев лежат в области между 200 и 400 мкм.
Предпочтительно в качестве основы для определения толщины слоя служит значение полного сопротивления, которое определяют при механическом контакте катушки возбуждения со слоем, причем катушка возбуждения электрически изолирована относительно слоя. Катушка возбуждения, как и испытательная катушка, предпочтительно выполнены в виде протяженных вдоль оси зондовых штифтов. Они могут иметь поперечное сечение порядка 3 мм и иметь расстояние друг от друга порядка 4 мм. При необходимости, катушки являются планарными, например, могут быть нанесены в виде медного печатного проводника на гибком и деформируемом носителе. Механический контакт между катушкой и слоем при известных обстоятельствах может быть улучшен за счет того, что катушку прижимают к слою, например, сжатым воздухом.
Выбор частоты высокочастотного электрического тока, как пояснялось выше, может определяться уже с помощью процесса изготовления, а также внешних условий, действию который подвержен слой. Возможно также производить грубое определение толщины слоя с помощью испытательного измерения с испытательной частотой и определять отсюда частоту, которая обеспечивает особенно высокие измерительные сигналы для полного сопротивления. Можно производить также несколько испытательных измерений с различными испытательными частотами, причем можно определять особенно подходящую для осуществления способа частоту с применением способа оптимирования или интерполяции.
Другой предпочтительный способ определения подходящей частоты состоит в том, что подготавливают набор испытательных тел, причем каждое испытательное тело состоит из основного материала и слоя с некоторой толщиной, и испытательное тело относительно изготовления и геометрии предпочтительно соответствует подлежащей испытанию детали. Испытательные тела могут при этом быть частями детали, предназначенной для использования в газотурбинной установке, в частности, лопатки компрессора газовой турбины. Выбирают множество приближенных значений для частоты и с этими приближенными значениями, при необходимости многократно до десяти раз, выполняют способ токовихревого контроля на каждом испытательном теле. Из этих приближенных частот выбирают приближенную частоту, особенно пригодную для применения способа на конкретной детали, причем эта приближенная частота приводит к особенно высокой разрешающей способности при определении толщины слоя, а также к особенно высокой линейности в зависимости от толщины слоя.
Множество приближенных частот может, со своей стороны, выбираться из множества испытательных частот, причем с этими испытательными частотами используют предварительные пробные тела, в частности специально изготовленные геометрически простые тела, которые снабжены слоем. За счет такого последовательного выбора особенно подходящей частоты непосредственно на детали, в основном эквивалентной с подлежащей испытанию деталью, также при незначительных отличиях электрических проводимостей между слоем и основным материалом обеспечивается точное определение толщины слоя.
Определенное в способе полное сопротивление катушки предпочтительно сравнивают с опорными значениями и отсюда определяют толщину слоя. Опорные значения могут определяться с помощью опорных (эталонных) покрытий с точным подтверждением толщины слоя, например, путем разрезания слоя или тому подобного. С помощью некоторых немногих или множества опорных значений полного сопротивления для слоя из известного материала, нанесенного на известный основной материал, посредством способа интерполяции можно определить семейство опорных значений полного сопротивления с однозначно приданной в соответствие толщиной слоя.
Предпочтительно способ является пригодным для определения толщины слоя на детали газотурбинной установки, в частности, лопатки газовой турбины или лопатки компрессора. Это возможно прежде всего потому, что даже комплексная геометрия детали, возможно, имеющиеся под поверхностью слоя отверстия, а также колебания в толщине слоя и толщине основного материала имеют только незначительное влияние.
Защитный слой может состоять из сплава типа MCrAlY, где М означает один из металлов железо, никель и/или кобальт или сплав из них, Сr - хром, Аl - алюминий и Y - иттрий, гафний или подобный металл. Защитный слой может содержать другие элементы, как рений или галлий. Например, сплав содержит в весовых процентах следующие компоненты: 30-32 кобальта; 30 никеля; 28-30 хрома; 7-9 алюминия; 0,5 иттрия, а также порядка 0,7 кремния.
По сравнению со способом с неизменной частотой в области от 200 до 500 МГц способ дает однозначные и точные результаты для толщины защитного слоя так же, если соотношение проводимости основного материала к проводимости слоя лежит между 0,3 и 3,0, в частности, между 0,7 и 1,0. Такие соотношения, близкие к 1, имеются, например, в случае вышеназванного защитного слоя из нержавеющей стали, например, IN 738 LC. Соотношение проводимостей приблизительно составляет в этом случае 0,79. Толщина защитного слоя в случае снабженной новым покрытием лопатки газовой турбины лежит в области до порядка 400 мкм.
Направленная на устройство для осуществления способа задача решается за счет устройства, содержащего катушку возбуждения, которая соединена с источником переменного тока, и испытательную катушку, которая опять-таки соединена с измерительным блоком для определения полного сопротивления и с блоком оценки для определения толщины слоя. В блоке оценки предпочтительно происходит сравнение определенного полного сопротивления с набором опорных значений. Опорные значения определены заранее для слоя с идентичным составом, что и подлежащий исследованию слой, а также с идентичным основным материалом и запоминаются в блоке оценки. Блок оценки может располагать подходящими средствами для представления результатов способа, например, экраном, печатающим устройством, измерительным самописцем или графопостроителем. Путем произведенного в блоке оценки сравнения происходит определение толщины исследуемого слоя.
Катушка возбуждения и испытательная катушка предпочтительно выполнены таким образом, что они могут гибко согласовываться с контуром и поверхностью слоя. Они предпочтительно отделены друг от друга и гальванически связаны. Каждая катушка предпочтительно намотана винтообразно вдоль оси. Зонд, охватывающий катушку возбуждения и испытательную катушку, согласован, в частности, относительно его поверхности и его экранирования с исследуемой деталью. Он выполнен таким образом, что созданное зондом электрическое поле сконцентрировано на узкой области, на которой производят измерение. Устройство предпочтительно работает по резонансному методу измерения. При этом используют то, что мнимая составляющая и действительная составляющая полного сопротивления изменяются, когда испытательная катушка перемещается из положения, в котором она находится в непосредственном контакте с основным материалом, в положение с непосредственным контактом со слоем.
Если проводимость слоя больше, чем проводимость основного материала, то при таком изменении положения действительная составляющая полного сопротивления становится больше, а мнимая составляющая уменьшается. Если испытательная катушка, которая представляет собой индуктивность, соединяется, в частности, с конденсатором с малыми потерями в резонансный контур, то конденсатор выбирают таким образом, что при механическом контакте катушки возбуждения со слоем достигается возможно большой сигнал. За счет увеличения действительной составляющей полного сопротивления максимум в резонансной кривой заметно уменьшается, а вследствие меньшей мнимой составляющей полного сопротивления максимум смещается в сторону более высоких частот. Путем соответствующего выполнения колебательного контура может быть достигнуто примерно удвоение измерительного сигнала для определения толщины слоя.
С помощью примеров выполнения на чертежах способ, а также устройство для определения
толщины нанесенного на основной материал слоя поясняются более подробно. При этом в
схематическом, не соответствующем масштабу представлении показывают:
- фиг.1 - устройство для
осуществления способа, а также деталь из основного материала с нанесенным сверху слоем,
- фиг. 2 - представление полного сопротивления в комплексной плоскости для различных материалов и
- фиг. 3 - представление полного сопротивления в комплексной плоскости для множества защитных
слоев различной толщины лопатки газовой турбины.
На фиг. 1 показывается вырез детали 8 в продольном сечении, а также схематически и не в масштабе - устройство 4 для определения толщины слоя 1 детали 8. Слой 1 нанесен на основной материал 2 детали 8 и имеет толщину dr .
Слой 1 состоит из электрически проводящего материала, например, коррозионно-защитного слоя лопатки компрессора газовой турбины. Основной материал 2 также является электрически проводящим и представляет собой, например, нержавеющую сталь, как IN 738 LC. Устройство 4 содержит намотанную винтообразно вдоль оси 11 катушку возбуждения 3. Катушка возбуждения 3 соединена с источником переменного тока 5 так, что через катушку возбуждения 3 запитывается высокочастотный электрический переменный ток с частотой f. Катушка возбуждения 3 гальванически связана с также намотанной вдоль оси 11 испытательной катушкой 9.
Испытательная катушка 9 соединена с измерительным блоком 6 для определения полного сопротивления или приданной в соответствие полному сопротивлению величины, как наведенное напряжение или фазовый угол, катушки возбуждения 3 или, соответственно, испытательной катушки 9. Измерительный блок 6 соединен с блоком оценки 7 для определения толщины dr, в измерительном блоке 6 принимается измерительный сигнал, однозначно приданный в соответствие полному сопротивлению катушки возбуждения 3, или, соответственно, само полное сопротивление.
Приданная в соответствие полному сопротивлению величина сравнивается в блоке оценки 7 с запомненными там опорными значениями. Эти опорные значения определены при такой же комбинации материала слоя и основного материала для слоев определенной толщины. Так как опорные значения однозначно приданы в соответствие толщине эквивалентного слоя, путем сравнения происходит точное определение толщины dr слоя 1. При такой комбинации материалов, что слой 1 является коррозионно-защитным слоем для лопатки газовой турбины, а основной материал 2 - нержавеющей сталью IN 738 LC, в случае ожидаемой толщины слоя между 200 и 500 мкм, производят подачу на катушку возбуждения электрического переменного тока в области частот между 2 и 2,5 МГц.
При осуществлении способа катушку возбуждения 3, через которую протекает высокочастотный переменный ток, приближают к слою 1 и приводят с ним в механический контакт, а также за счет измерительного блока 6 принимают измерительный сигнал, однозначно приданный в соответствие полному сопротивлению и обрабатывают дальше в блоке оценки 7 для определения толщины dr слоя 1. За счет высокочастотного переменного тока катушки возбуждения 3 в детали 8 создают вихревой ток, который уменьшается в направлении от поверхности 10 слоя 1 внутрь детали 8.
Глубина проникновения d вихревого тока является предпочтительно несколько большей, чем ожидаемая толщина слоя de, порядка 500 мкм или меньше. За счет этого влияние скачка электрической проводимости между слоем 1 и основным материалом 2 на граничной поверхности между слоем 1 и основным материалом 2 имеет особое значение для принятого в измерительном блоке 6 измерительного сигнала. За счет большого влияния скачка электрической проводимости (k1, k2) между слоем 1 (k1) и основным материалом 2 (k2) на измерительный сигнал также при незначительно отличающихся электрических проводимостях можно производить однозначное придание в соответствие и определение толщины dr слоя 1. В зависимости от случая применения, в частности комбинации материалов для слоя 1 и основного материала 2, а также ожидаемой толщины слоя 1 можно определять соответствующую частоту f для высокочастотного электрического переменного тока катушки возбуждения 3.
Фиг.2 показывает представление полного сопротивления катушки возбуждения 3 в мнимой плоскости с действительной составляющей, нанесенной вдоль абсциссы, и мнимой составляющей вдоль ординаты. Представленная кривая начинается в точке, обозначенной А, и проходит до точки, обозначенной S. В точке А представлено полное сопротивление для открытого контура тока, то есть, в основном, значение полного сопротивления при измерении на воздухе. Значение в точке S соответствует идеальному короткозамкнутому контуру тока. Примежуточные значения соответствуют такому полному сопротивлению, которое имеет место при контакте катушки возбуждения 3 с основным материалом, представляющим собой непрерывно проходящий единственный материал, в частности, металл. Соответствующими точками выделены значения для нержавеющей стали IN 738 LC и сплава платины с алюминием. Эти обе точки соединены другой линией, которая указывает переход от однокомпонентного материала из IN 738 LC к двухкомпонентному материалу со слоем из сплава платины с алюминием на нержавеющей стали. Толщина слоя увеличивается в направлении стрелки, причем указанные значения представляют собой величину слоя в миллиметрах. Начиная с некоторой толщины слоя, которая лежит выше 1 мм, достигается значение полного сопротивления, которое соответствует значению однокомпонентного материала из сплава платины с алюминием. Значения полного сопротивления были измерены при частоте 200 кГц и взяты из статьи "Неразрушающий контроль эффекта коррозии высокотемпературных защитных покрытий" в VGB-Kraftwerkstechnik 70 (1990), Nr. 9, стр. 645-651, авторов G. Dibelius, H.J. Krichel и U. Reimann.
Фиг. 3 схематически показывает прохождение полного сопротивления также в комплексной плоскости. Представление здесь происходит так, что значение полного сопротивления при открытом контуре тока явно лежит в первом квадранте, то есть при положительной мнимой и действительной составляющей. Значения были определены на коррозионно-защитном слое с 30-32% кобальта, 30% никеля, 28-30% хрома, 7-9% алюминия, 0,5% иттрия, а также порядка 0,7% кремния (данные в весовых процентах), нанесенном на нержавеющую сталь IN 738 LC. Сплошные линии представляют значения полного сопротивления при контакте катушки возбуждения 3 с поверхностью 10 слоя 1.
Приведенные численные значения представляют собой определенную посредством способа толщину слоя 1 в микронах (мкм). При этом можно определять толщины слоев вплоть до максимальной ошибки 30 мкм. Штриховыми линиями для каждой толщины слоя представлено значение полного сопротивления при приближении катушки возбуждения 3 к слою 1. Даже эти линии могут быть так отчетливо различаться друг от друга, что также без прямого контакта катушки возбуждения 3 со слоем 1 при знании расстояния катушки возбуждения 3 от слоя 1 является возможным однозначное придание в соответствие определенных значений полного сопротивления толщине dr слоя 1. Это является тем более удивительным, поскольку соотношение электрических проводимостей между основным материалом 2 и слоем 1 лежит вблизи 1,0, в частности, вблизи 0,75. Определение толщины слоя при едва отличающихся друг от друга значениях электрических проводимостей с частотами 500 кГц или ниже больше не является возможным, так как измерительные сигналы пропадают в шумах.
Изобретение отличается способом для определения толщины электрически проводящего слоя, причем производят неразрушающий токовихревой контроль при выборе особенно благоприятной частоты. Выбор частоты для наведения вихревого тока в детали, содержащей слой, производят, например, таким образом, что глубина проникновения вихревого тока предпочтительно является несколько больше, чем толщина слоя. За счет этого скачок электрической проводимости между слоем и лежащим под ним основным материалом имеет решающее влияние на полное сопротивление катушки возбуждения, за счет которой в детали создают вихревой ток. Ожидаемая толщина слоя может браться непосредственно, например из процесса изготовления детали, или определяться с помощью испытательного измерения - при необходимости с различными частотами. Способ является предпочтительно пригодным для контроля толщины нового слоя или заново нанесенного слоя лопатки газовой турбины, в частности, лопатки компрессора газовой турбины.
Реферат
Изобретение относится к способу по принципу токовихревого контроля, а также к устройству для определения толщины (dr) электрически проводящего защитного слоя, нанесенного на электрически проводящий основной материал. Электрические проводимости слоя и основного материала являются отличными друг от друга. К слою приближают катушку возбуждения, через которую протекает высокочастотный электрический ток, в частности приводят с ним в механический контакт так, что в слое и лежащем под ним основном материале создается электрический вихревой ток. Определяют приданную в соответствие полному сопротивлению испытательной катушки величину, которая служит в качестве основы для определения толщины (dr) слоя, например, путем сравнения с известными опорными значениями. Частота (f) высокочастотного электрического тока выбрана так, что происходит однозначное определение толщины (dr) слоя при отношении электрических проводимостей между 0,7 и 1,5. Технический результат - повышение надежности определения толщины слоя. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.
