Mit dem TEM-Verfahren Inhomogenitäten in hochreinen Metallen und Legierungen finden

Thermoelektrische Spürnase

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Das TEM-Verfahren ist geeignet, Materialinhomogenitäten wie Seigerungen, Fremdmaterialeinschlüsse sowie Bereiche mit ermüdungs- oder überhitzungsbedingten Materialphasenumwandlungen berührungslos nachzuweisen. Es wurde gezeigt, dass zur Anzeige früher verwendete supraleitende Squid-Magnetometer durch rauscharme, einfacher zu handhabende normalleitende Magnetometer ersetzt werden können.

Materialinhomogenitäten in Metallen und ihren Legierungen können zu Bauteilversagen mit dramatischen Folgen führen. Beispiele hierfür sind Fremdmaterialeinschlüsse wie Tantal in Niobblechen supraleitender Teilchenbeschleuniger, Seigerungen in Nickel-Basis- und Titanlegierungen von Flugturbinenscheiben und Regionen mit Materialermüdung in der Aluminiumaußenhaut von Flugzeugen. Zwar ist lange bekannt, dass sich der thermoelektrische Seebeck-Effekt zum Aufspüren solcher Inhomogenitäten eignet, allerdings wurde er in der Vergangenheit meist durch kontaktierende Auslesung von Thermo-spannungen verwendet.

Um Störeinflüsse wie Oberflächenverunreinigung zu umgehen, wurde ein kontaktfreies Verfahren über die Auslesung von Magnetfeldern entwickelt. Die zu detektierenden Magnetfelder sind schwach, und zunächst wurden dafür supraleitende Squid-Magnetometer eingesetzt [1], [2]. Deren aufwändige Handhabung behinderte allerdings einen industriellen Einsatz. Inzwischen sind aber sehr rauscharme, normalleitende Magnetometer verfügbar, deren Einsatz einen erheblich reduzierten Handhabungsaufwand erwarten lässt. Ein thermoelektrisches Prüfverfahren mit magnetischer Auslesung (TEM) bestätigt diese Erwartung.
Prüfverfahren
Aufgrund des Seebeck-Effektes tritt an den Enden eines Drahtes aus Material 1 eine elektrische Spannung auf, wenn ein Abschnitt des Drahtes durch ein Material 2 ersetzt wird und beide Verbindungsstellen auf unterschiedlicher Temperatur liegen. Wird diese Situation in das Dreidimensionale erweitert, ergibt sich ein Körper aus dem Metall 1, der an oder unter der Oberfläche einen Einschluss aus dem Metall 2 enthält. Bei Aufbringen eines Temperaturgradienten im Körper entstehen statt der Thermospannung Thermoströme, deren Magnetfelder auch außerhalb des Körpers vorhanden sind. Daher kann ein solcher Einschluss im Sinne der zerstörungsfreien Prüfung gefunden werden, wenn dem Körper ein Temperaturgefälle eingeprägt und dann der Magnetfeldverlauf an seiner Oberfläche gemessen wird. Eine Ungleichmäßigkeit führt zum Nachweis der Inhomogenität (weitere Erläuterungen unter [2] insbesondere Arbeiten N5, N6 und N10).
In den hier beschriebenen Experimenten wurde der Temperaturgradient durch einen auf die Bauteiloberfläche gerichteten Heißluftstrahl eingebracht. Die Düse war fest am Sensor befestigt und mit ihm mäanderförmig über die Oberfläche des Bauteils beziehungsweise der Probe geführt. Zum Ausblenden von Störfeldern wurden die Sensoren als Magnetfeldgradiometer ausgeführt. Es kamen Sensoren auf Fluxgate-Basis mit kleinerem Eigenrauschen und gröberer Ortsauflösung sowie auf GMR-Basis mit höherem Eigenrauschen und feinerer Ortsauflösung zum Einsatz. Bei letzteren konnte das höhere Eigenrauschen in seiner Auswirkung zum Teil durch einen geringeren Abstand zwischen Sensor und Bauteiloberfläche ausgeglichen werden.
Prüfergebnisse
Im Folgenden ist eine Auswahl von Prüfergebnissen dargestellt:
Bild 1 zeigt Prüfergebnisse künstlicher Defekte. Es handelt sich um zwei Proben aus einer größeren Serie von „Waspaloy“-Auftragsschweißungen auf „Udimet“-720-Platten. Zum Einsatz kamen GMR-Sensoren. In der rechten Spalte sind die Magnetfeldverteilungen in schwarz-weiß zu sehen. Sie geben die Fremdmaterialeinschlüsse deutlich und plastisch wieder.
Bild 2 zeigt die untere der Proben aus Bild 1, wobei Sensor und Wärmespot auf der defektabgewandten Seite liegen. Die Probendicke beträgt 2,7 mm. Und auch hierbei ist der künstliche Defekt, ebenso mit GMR-Sensoren aufgenommen, noch zu erkennen.
Neben diesen „künstlichen“ Proben wurden auch „natürliche“ Proben untersucht. Ein Beispiel ist in Bild 3 dargestellt. Es zeigt eine Ti6Al4V-Probe mit einer Seigerung, die zuvor über „Blue Etch Anodizing“ erkannt wurde. Diese Methode ist nur zur Erkennung von Seigerungen anwendbar, die an die Oberfläche ragen. Mit der TEM-Methode sind auch unter der Oberfläche liegende Materialinhomogenitäten erkennbar. Der rechte Teil in Bild 3 zeigt den aufgenommenen Magnetfeldscan in Farbe. Die Begrenzung der Probe ist angedeutet. Das rote Feld wurde an der Oberfläche der Probe gemessen, der blaue Bereich im wesentlichen neben der Probe, bedingt dadurch, dass die Seigerung nahe am Probenrand liegt. Diese positiven und negativen Magnetfelder deuten einen geschlossenen Feldlinienverlauf an.
[1] J. H. Hinken and Y. Tavrin, „Detection of segregations in aero engine turbine discs with the thermoelectric SQUID method“, 1999 ASNT Fall Conference (Phoenix, Arizona, October 11–15, 1999).
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