CH678762A5

CH678762A5 -

Info

Publication number: CH678762A5
Application number: CH236/89A
Authority: CH
Inventors: John Ruediger Mader Viertl
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1988-02-03
Filing date: 1989-01-26
Publication date: 1991-10-31
Also published as: US4920319A; JPH01282401A; GB2215470A; GB8902289D0; DE3902096A1

Description

1

CH678 762 A5

2

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gemäss einer Ausführungsform ist die Erfindung besonders brauchbar zum Nachweis der Anwesenheit und Dicke von Überzügen, die üblicherweise auf die Metallkomponenten einer Gasturbine aufgebracht sind, um diese Komponenten mit der Fähigkeit zu versehen, hohen Betriebstemperaturen zu widerstehen.

_ Bei einer Reihe von Anwendungen werden dünne Überzüge aus Legierungsmaterialien auf Metall-strukturen aufgebracht, um letztere vor den zerstörenden Wirkungen der eine hohe Temperatur aufweisenden und/oder korrosiven oder oxidieren-den Umgebungen zu schützen. So müssen in einer Gasturbine viele der Komponenten einer hohen Spannung widerstehen, während sie einem korrosiven Gasstrom ausgesetzt sind, dessen Temperatur bis zu etwa 1370°C hoch sein kann. In einer solchen Umgebung sind Schutzüberzüge auf den Metallkomponenten wesentlich für die befriedigende Leistungsfähigkeit der Turbine. In vielen üblichen Turbinen sind die Metallkomponenten aus der Klasse von Materialien zusammengesetzt, die als «Superlegierungen» bekannt geworden sind, und der Schutzüberzug ist aus einem der Materialien ausgewählt, die als MCrAIY-Überzüge bekannt sind, worin M ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Nickel, Kobalt und gewjssen Mischungen davon. Solche Substrat- und Überzugs-Zusammensetzungen sind bekannt und, z.B., in der US-PS 4 419 416 beschrieben.

Da die verwendeten Überzüge eine derart wesentliche Rolle beim Schutz der darunterliegenden Metallstrukturen spielen, ist es folglich auch wichtig, dass der Überzug während der Herstellung auf das Metallsubstrat richtig aufgebracht wird. Ein notwendiger Teil des Quälitätskontrollprogrammes bei der Herstellung solcher Teile besteht daher in der Bestimmung der Dicke des Schutzüberzuges auf den fertigen Gegenständen. Wird ausserdem festgestellt, dass der Überzug etwas fehlerhaft ist oder dass das Metallsubstrat aus irgendeinem Grunde nochmal bearbeitet werden muss, dann muss man den Überzug entfernen und auf das bearbeitete Teil wieder aufbringen. Solche Schutzüberzüge werden im allgemeinen durch chemisches Ätzen entfernt, mit dem vorzugsweise der Überzug angegriffen wird. Die chemischen Ätzmittel, die üblicherweise benutzt werden, greifen jedoch auch die freigelegte Substratoberfläche an, wenn man das Ätzen für eine zu lange Zeitdauer fortsetzt. Für Überzüge, die wärmebehandelt worden sind, um eine Diffusionsbindung zwischen dem Überzug und dem Substrat auszubilden, führt ein zu langes Ätzen zu einem intergranularen Angriff des Ätzmittels auf die Substratoberfläche. Wird der Überzug nochmals auf ein Substrat aufgebracht, das durch diese Art von intergranularern Angriff beschädigt worden ist, dann enthält der Überzug Risse. Aufgrund von Unterschieden bei der Entfernungsgeschwindigkeit, die in Verbindung stehen mit solchen Parametern, wie der Badtemperatur, der Konzentration des Ätzmittels, Dickenvariationen beim Überzug auf dem Teil, usw. ist es häufig schwierig, das Ätzverfahren in ausreichender Weise zu steuern, um das Entfernen des Überzuges sicherzustellen, während gleichzeitig der Angriff auf das darunter liegende Substrat vermieden wird.

Sowohl für die Herstellung neuer Metallkomponenten mit Schutzüberzügen darauf als auch für das Bearbeiten vorhandener Metallkomponenten ist es daher notwendig, dass man in der Lage ist, die Anwesenheit und Dicke des Überzuges zu bestimmen. Für die Zwecke der Qualitätskontrolle würde ein Verfahren zu dieser Bestimmung einfach darin bestehen, eine Probe des fertigen Gegenstandes zu schneiden und die Schichtdicke direkt zu messen. Die zerstörerische Art dieser Bestimmungsart beschränkt natürlich seine Brauchbarkeit auf Anwendungen, wo ein punktuelles Überprüfen der Anwesenheit und Dicke des Überzuges ausreicht. Zur Überprüfung der Überzugsdicke von Teilen bei der Herstellung und zum Nachweisen, ob der Überzug von nachzubearbeitenden Teilen entfernt worden ist, benötigt man ein zerstörungsfreies Testsystem. Das angewendete System sollte in der Lage sein, für relativ komplexe Geometrien von Teilen benutzt zu werden, wie sie üblicherweise bei Turbinenschaufeln benutzt werden. Vorzugsweise soll die Überzugsdicke messbar sein, selbst wenn diese Überzugsdicke mit dem Ort auf dem Teil variiert. Weiter sollte das Testsystem in der Lage sein, relativ geringe Überzugsdicken nachzuweisen, selbst wenn die Uberzugszusammensetzungen sehr ähnlich der Zusammensetzung des darunter befindlichen Substrates sind.

Es ist bekannt, dass bei der Verbindung zweier verschiedener Metalle am Übergang ein thermo-elektrisches Potential vorhanden ist. Wird dieser Übergang entweder erwärmt oder gekühlt, dann erscheint ein anderes thermoelektrisches Potential an diesem Übergang, wobei der Unterschied zwischen den beiden thermoelektrischen Potentialen proportional zum Unterschied in der Temperatur zwischen dem Umgebungszustand und dem erwärmten oder gekühlten Zustand ist. Dieses Prinzip ist viele Jahre lang zur Temperaturmessung mit Thermoelementen mit Metallübergang benutzt worden. Für eine gegebene Temperatur hängt die Grösse des thermoelektrischen Potentials über den Metallübergang auch von der Zusammensetzung der Metalle ab, die den Übergang bilden. Es sind instrumente zum Sortieren von Materialien gebaut worden, indem man das thermoelektrische Potential über einen Übergang bestimmt, der zwischen einem Metall bekannter Zusammensetzung und dem auszusortierenden Material gebildet wird und durch Vergleichen des erhaltenen thermoelektrischen Potentials mit vorbestimmten Werten, die mit verschiedenen Über-gangszusammensetzungen bei der gegebenen Temperatur in Verbindung stehen.

SU-PS 110 354 offenbart, dass eine galvanische Überzugsdicke bestimmt werden kann durch Messen der thermoelektromotorischen Kraft im Grundmetall und Überzugsmetall. Die Grösse der gemessenen thermoelektromotorischen Kraft wird dann mit Werten verglichen, die verschiedenen Über5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

CH678 762 A5

4

zugsdicken bei der berücksichtigten Temperatur entsprechen. Nach dieser SU-PS wird die thermo-eiektromotorische Kraft bestimmt durch Verbinden einer elektrischen Bückführung mit der Grundlage und Inberührungbringen des Überzugsmaterials mit einer erhitzten Sonde sowie Messen der Grösse der erhaltenen elektromotorischen Kraft durch Verbinden eines Galvanometers mit Sonde und elektrischer Rückführung. Bei dem anderen offenbarten Verfahren wird die elektrische Rückführung durch eine zweite erhitzte Sonde ersetzt. Die SU-PS 110 354 deutet weiter an, dass für Fälle, bei denen der Kontakt mit der Basis nicht möglich ist, die Messung unter Verwendung von zwei Sonden verschiedener Materialien möglich ist, wobei jede Sonde die Überzugsoberfläche berührt.

In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass diese Techniken und Verfahren nach dem Stande der Technik keine befriedigenden Ergebnisse liefern, wenn sie auf das Problem angewandt werden, die Dicke des Schutzüberzuges zu bestimmen, der auf die Metallkomponenten einer Gasturbine aufgebracht ist. Für solche Anwendungen ist das thermoelektrische Potential, das sich an dem Metallübergang bildet, der an der Grenzfläche zwischen Überzug und Substrat liegt, recht gering wegen der Ähnlichkeiten in der Zusammensetzung zwischen dem Überzug und dem Substrat. Die Vorrichtung, die dazu benutzt wird, die Grösse des thermoelektrischen Potentials zu messen, muss daher in der Lage sein, das Spannungssignal vom Hintergrundgeräusch zu unterscheiden. Die Messung sollte auch relativ immun gegen Wirkungen der thermischen Wanderung der Messschaltung sein. Um die Anzahl von Parametern zu minimieren, die von einer Ablesung zur anderen für variierende Überzugsdicken variieren können und dadurch die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Änderung des gemessenen thermoelektrischen Potentials einer entsprechenden Änderung in der Überzugsdicke zuzuschreiben ist, ist es daher bevorzugt, dass statt der zwei erhitzten Sonden, die in der SU-PS 110 354 offenbart sind, bei der Vorrichtung nur eine einzige erhitzte Sonde benutzt wird. Für ähnliche Gründe der Einfachheit ist es auch bevorzugt, dass die beiden Sonden, die in der Vorrichtung benutzt werden, aus dem gleichen Material konstruiert sind, selbst zum Messen der Überzugsdicke eines Gegenstandes, bei dem der Kontakt zwischen der zweiten Sonde und dem Substrat nicht möglich ist. Darüber hinaus kann bei den Arten von Sonden, die üblicherweise dazu benutzt werden, eine Metalloberfiäche zu erhitzen, die Oxidation und/oder Korrosion der Sondenoberfläche sowie der mechanische Abrieb der Sondenspitze, der durch wiederholtes Berühren der Metalloberfiäche mit der Sonde verursacht wird, Variationen bei der Wärmemenge verursachen, die von der Sonde zur Oberfläche übertragen wird und dadurch die thermoelektrischen Potentialwerte, die man erhält, beeinflussen. Ausserdem wurde in der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass bei üblichen Sondenmaterialien, wie Kupfer, geringe Mengen des Sondenmaterials, die durch Abrieb der Sonde auf der Über-zugsoberfläche abgeschieden werden, Eutektika auf der Überzugsoberfläche bilden können, wenn diese den erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird, die in der Betriebsumgebung einer Gasturbine angetroffen werden. Aufgrund dieser und anderer Probleme ist die allgemein und seit langem anerkannte Notwendigkeit eines Systems, das eine zerstörungsfreie Bestimmung der Anwesenheit und Dicke eines Schutzüberzuges auf einem Metallsubstrat durch die im Stande der Technik bekannten Konzepte nicht erfüllt wurden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrichtung zum zerstörungsfreien Bestimmen der Dicke eines Überzuges auf einer Metallkomponente zu schaffen. Weiter soll ein Überzugs-Messsystem geschaffen werden, das selbst bei dünnen Überzügen und komplexen Substratgeometrien wirksam ist. Das zu schaffende System zur Bestimmung der Überzugsdicken soll weiter Resultate liefern, die nicht zeitempfindlich sind. Und schliesslich soll eine Vorrichtung geschaffen werden, die besonders brauchbar ist zur Bestimmung der Dicke des Schutzüberzuges auf Teilen, die in üblichen Gasturbinen benutzt werden.

Gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke eines Überzuges auf einem Metallsubstrat gemäss Präambel des Anspruchs 1 geschaffen. Insbesondere umfasst diese Vorrichtung erste und zweite Sonden sowie eine Einrichtung zum Messen der thermoelektrischen Spannung zwischen der ersten und_zweiten Sonde, Die erste Sonde dient dazu, den Überzug lokal zu erhitzen, um darin einen Temperaturgradienten einzurichten und einen elektrischen Kontakt mit dem Überzug herzustellen. Diese erste Sonde wird aus einem Material hergestellt, das eine hohe thermische Leitfähigkeit hat und zumindest teilweise mit einem Material plattiert ist, das eine hohe Oxidationsbeständigkeit aufweist. Die zweite Sonde liefert einen elektrischen Rückführungskontakt zur Vervollständigung der die thermoelektrische Spannung messenden Schaltung. Die Vorrichtung schliesst auch eine Einrichtung zum geregelten Erhitzen der ersten Sonde ein, so dass deren Temperatur bei einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Vorzugsweise wird das Plattierungsma-terial für die Sonde so ausgewählt, dass es eine hohe Beständigkeit gegenüber mechanischem Abrieb hat. Die Spannungsmesseinrichtung kann üblicherweise eine Wechselstrom-Verstärkungsschal-tung umfassen.

Um eine «Ja/Nein»-Art von Testsystem zu schaffen, kann die erfindungsgemässe Vorrichtung auch eine Einrichtung zum Umwandeln der gemessenen thermoelektrischen Spannung in ein Binärlogik-Si-gnal einschliessen, das die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Überzuges mit einer bestimmten Dicke repräsentiert Um Fehler bei der Überzugsdickenmessung aufgrund der Ablösung des Überzuges vom Substrat minimal zu halten, kann die erfindungsgemässe Vorrichtung weiter eine Einrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit des Wärmeflusses von der ersten Sonde zum Überzug einschliessen, diese Wärmeströmungsgeschwindigkeit ist bei einem abgelösten Überzug deutlich geringer als bei einem intakten Überzug. Die erfindungs-

5

10-

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

5

CH 678 762 A5

6

gemässe Vorrichtung ist auch in der Lage, Über-zugsdickendaten als Funktion des Ortes auf dem überzogenen Substrat zu liefern. Bei dieser letztgenannten Ausführungsform ist die erste Sonde weiter so ausgebildet, dass sie längs der Oberfläche des Überzuges rollbar ist, und die Vorrichtung um-fasst weiter eine Einrichtung zum Bestimmen der Ro-tationsgeschwindigkeit der rolibaren Sonde. Diese Ausführungsform der Vorrichtung schliesst auch eine Einrichtung zum Bestimmen der wahren Überzugsdicke auf der Grundlage der gemessenen thermoelektrischen Spannung und der Rotationsgeschwindigkeit der Sonde ein.

Gemäss dem zugehörigen Verfahren wird die erste Sonde steuerbar erhitzt, um deren Temperatur auf einem vorbestimmten Wert zu halten, und die Sonde wird angeordnet, um den Überzug zu erhitzen und darin einen Temperaturgradienten einzurichten. Weiter ist die Sonde angeordnet, um einen elektrischen Kontakt zum Überzug zu schaffen. Ist auch die zweite Sonde so angeordnet, dass sie einen elektrischen Kontakt schafft, dann wird die thermoelektrische Spannung zwischen den beiden Sonden gemessen, wenn die erste Sonde in elektrischem Kontakt mit dem Überzug steht. Gemäss einer Ausführungsform ist die erste Sonde auf eine Temperatur von 450°0 erhitzt.

Um Fehler der Überzugsdickendaten aufgrund der Wanderung der Betriebs-Charakteristika des Testsystems zu minimieren, kann ein Bezugspotential für die untersuchte Probe eingerichtet werden, indem man die thermoelektrische Spannung misst, wenn sich beide Sonden in elektrischem Kontakt mit dem Substrat befinden. Um dies zu tun wird die erhitzte erste Sonde so angeordnet, dass sie einen elektrischen Kontakt zum Substrat herstellt, um das Substrat lokal zu erhitzen und darin einen Temperaturgradienten einzurichten. Dann wird die thermoelektrische Spannung zwischen der ersten und zweiten Sonde gemessen. Durch Vergleichen der thermoelektrischen Spannung, die erhalten wird, wenn sich die erste Sonde in Kontakt mit dem Überzug befindet, mit der, die erhalten wird, wenn sich die erste Sonde in Kontakt mit dem Substrat befindet, kann die Anwesenheit und Dicke eines Überzuges auf dem Substrat bestimmt werden. Wenn alternativ die erste Sonde nicht in Kontakt mit dem Substrat gebracht werden kann, dann kann man die Dicke des Überzuges dadurch bestimmen, dass man die elektromotorische Spannung, die erhalten wird, wenn sich die erste Sonde in Kontakt mit dem Überzug befindet, mit einer Vielzahl von vorbestimmten Werten vergleicht, die für die untersuchte Probeart bekannte Überzugsdicken repräsentieren.

Gemäss einer besonders brauchbaren Ausführungsform wird die elektromotorische Spannung, die erhalten wird, wenn sich die erste Sonde in Kontakt mit dem Substrat befindet, dazu benutzt, eine Nullanzeige für die Vorrichtung zu schaffen. Eine einstellbare Schwellenspannung wird oberhalb dieser Nullanzeige festgesetzt, um den Geräuschpegel für das Spannungssignal etwas zu übersteigern. Gemessene thermoelektrische Spannungen, die geringer sind als die Schwellenspannung, werden dann auf Logik Null gesetzt und solche, die grösser sind als die Schwellenspannung, werden auf Logik Eins gesetzt. Das erhaltene binäre Ausgangssignal kann dann dazu benutzt werden, eine Anzeige hinsichtjich der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Überzuges mit einer spezifischen Dicke zu liefern.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, die schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke eines Überzuges auf einem Substrat gemäss der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 2 ein Blockdiagramm, das eine Ersatzschaltung für die thermoelektrischen Spannungen, die in der Vorrichtung nach Fig. 1 erzeugt werden, wiedergibt;

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform einer Schaltung darstellt, die als Spannungsmessvorrichtung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, benutzt werden kann;

Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform einer elektrischen Schaltung darstellt, die dazu benutzt werden kann, den Ausgang der in Fig. 3 gezeigten Schaltung mit einem einstellbaren Schwellenniveau zu vergleichen, um die Spannungsmessschaltung mit einer binären Ausgabe zu versehen;

Fig. 5 eine Ausführungsform einer elektrischen Schaltung, um die Heizsonde der vorliegenden Erfindung mit einer Rückkopplungsregelung zu versehen;

Fig. 6 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, die schematisch eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Überzuges gemäss der vorliegenden Erfindung wiedergibt und

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht, die SGhema-tisch eine Ausführungsform wiedergibt, die für die in Fig. 6 gezeigte Vorrichtung zum Rotationsnachweis benutzt werden kann.

Eine Ausführungsform eines Systems zum Messen der Dicke eines Überzuges gemäss der vorliegenden Erfindung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Danach umfasst eine Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke eines Überzuges 12 auf einem Substrat 10 eine erste Sonde 14, die so angeordnet ist, dass sie einen elektrischen Kontakt zu dem Überzug 12 herstellt. Die erste Sonde 14 dient dem lokalen Erhitzen des Überzuges 12, so dass in diesem Überzug ein Temperaturgradient eingerichtet wird. Eine zweite Sonde 16 ist so angeordnet, dass sie einen elektrischen Rückführkontakt für die Spannungsmessschaltung bildet Wie im folgenden noch näher erläutert wird, kann die zweite Sonde in elektrischem Kontakt mit dem Überzug 12 in der in Fig. 1 gezeigten Weise angeordnet sein oder sie kann in Kontakt mit dem Substrat 10 stehen, wie in Rg. 1 gestrichelt mittels der Sonde 17 dargestellt ist. Die Spannungsmessschaltung 22 zur Bestimmung der thermoelektrischen Spannung zwischen den

5

10-

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

CH678762 A5

8

Sonden 14 und 16 ist mit der Sonde 14 durch die elektrische Leitung 18 und mit der Sonde 16 durch die Leitung 20 verbunden. (Wird anstelle der Sonde 16 die Sonde 17 benutzt, dann ist letztere mittels der Leitung 21 mit der Spannungsmessschaltung 22 verbunden.) Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfasst weiter eine Heizsteuerschaltung 32 zum geregelten Erhitzen der Sonde 14, damit deren Temperatur auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Das thermoelektrische Potential am Thermoelement 36, das die Temperatur der Sonde 14 misst, wird mittels elektrischer Leiter 34 der Heizsteuerung 32 zugeführt. Die Heizsteuerung 32 erhält elektrische Leistung von einer Quelle 38 über die Leitungen 40. Ist die Temperatur, die am Thermoelement 36 gemessen wird, geringer als die für die Sonde 14 erforderliche vorbestimmte Temperatur, dann gelangt die elektrische Leistung, die von der Heizsteuerung 32 empfangen wird, über die elektrischen Leitungen 30 zur Sonde 14. An den Enden der Leiter 30 ist eine Heizspule 28 angebracht, und letztere ist in der Sonde 14 angeordnet, so dass die Regelung des Stromflusses durch die Heizspule 28 die Temperatur der Sonde 14 auf den vorbestimmten Wert hält.

Eine Ausführungsform einer Rückkopplungsschaltung, die für die Heizsteuerung 32 benutzt werden kann, ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Schaltung benutzt einen Multivibratorschalter 51, um das thermoelektrische Gleichspannungspotential des Thermoelementes 36 zu einem Wechselstrom-Signal zu zerhacken. Einer der Leiter 34 vom Thermoelement 36 ist mit einem Mittelanschluss 52 des Wandlers 50 verbunden, der Bestandteil des Multlvibra-torschalters 51 ist. Der andere Leiter 34 ist mittels eines Paares von Schaltern 58 und 60 mit den gegenüberliegenden Enden 54 und 56 der Primärwicklung des Transformators verbunden. Die Schalter 58 und 60 arbeiten in der Weise, dass, wenn ein Schalter geschlossen ist, der andere geöffnet ist. Der Strom durch die Primärwicklung des Wandlers fliesst daher abwechselnd erst in der einen und dann in der anderen Richtung. Als Ergebnis wird in der Sekundärwicklung des Wandlers 50 ein Wechselstrom-Signal induziert, das durch den Verstärker 64 verstärkt und die Diode 66 gleichgerichtet wird. Das Ausgangssignal über den Ausgangswiderstand 84 ist daher ein Gleichstrom-Signal, das proportional zur von dem Thermoelement 36 gemessenen Temperatur ist. Dieses Gleichstrom-Signal dringt durch den Eingangswiderstand 88 und den Leistungsverstärker 90 und wird an die Heizspule 28 gelegt. Der Gleichstrom-Verstärkungsfaktor des Verstärkers 90 wird durch die Rückkopplungsspule gesteuert, die den Rückkopplungswiderstand 92 enthält. Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung regelt daher den der Heizspule 28 zugeführten Strom als Funktion der von dem Thermoelement 36 gemessenen Temperatur.

Die Sonde 14 ist in Fig. 1 im Querschnitt gezeigt, um die Struktur der Heizsonde der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen. Das Material 24, das den grössten Teil der Sonde 14 bildet, ist zumindest teilweise durch ein Plattierungsmaterial 26 plattiert. Für den optimalen Betrieb des Testsystems der vorliegenden Erfindung hat die Heizsonde 14 eine solche Konfiguration, dass sie als Wärmereservoir wirkt. Befindet sich die Sonde 14 in Kontakt mit dem Überzug 12, um das lokale Erhitzen des Überzuges 12 zu bewirken und einen Temperaturgradienten darin einzustellen, ist es erwünscht, dass die Wärme von der Sonde 14 mit einer hohen Rate auf den Überzug 12 übertragen wird. Vorzugsweise hat die Sonde 14 eine solche Konfiguration, dass die Rate des Wärmeüberganges von der Sonde 14 zum Überzug 12 ausreicht, damit die Gesamtwärmeübertragung von der Sonde 14 durch den Überzug 12 zum Substrat 10 nicht durch die Rate des Wärmeflusses von der Sonde 14 zum Überzug 12 sondern vielmehr durch den Wärmefluss durch den Überzug 12 zum Substrat 10 beschränkt ist.

Um diese Eigenschaften zu schaffen, ist es erwünscht, dass die Sonde 14 aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit hergestellt ist. Ist dies der Fall, dann wirkt die Sonde 14 als Wärmereservoir, das durch die Heizsteuerschaltung auf einer konstanten Temperatur gehalten werden kann. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit minimiert auch thermische Gradienten in der Sonde selbst. Wird nämlich die Sonde 14 in Kontakt mit dem Überzug 12 angeordnet, dann erfolgt das Abkühlen der Sonde 14 in erster Linie durch Wärmeübertragung von der Sonde 14 zum Überzug 12, wobei eine Sonde dieser Art mit hoher thermischer Leitfähigkeit und minimalen inneren thermischen Gradienten sich einer Punktheitsquelle nähert. (Es findet auch eine gewisse Wärmeübertragung von der Sonde 14 an die umgebende Luft statt, doch ist die Grössenordnung dieser Wärmeübertragung minimal, verglichen mit der Wärmeübertragung von der Sonde 14 zum Überzug 12.)

Da Kupfer ein Material mit sehr hoher thermischer Leitfähigkeit ist, ist es das Material, das in der Vergangenheit am häufigsten zur Herstellung der Sondenart benutzt worden ist, die für die vorliegende Erfindung erforderlich ist. Kupfer oxidiert jedoch bei einer relativ geringen Temperatur. In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass beim Halten einer Kupfersonde bei den Sondentemperaturen, die für die vorliegende Erfindung erwünscht sind, zur Bildung einer Oxidationsschicht auf der Sondenoberfläche führt. Dieser Aufbau von Oxidationsprodukten auf der Sondenoberflä-çhe vermindert den Wärmefluss von der Sonde zum Überzug in einem solchen Ausmass, dass die Wärmeübertragung von der Sonde zum Überzug schliesslich ungenügend ist, um genaue Dickenmessungen für den Überzug zu erhalten. Aus diesem Grunde ist die Heizsonde der vorliegenden Erfindung zumindest im Kontaktbereich zwischen Sonde 14 und Oberfläche 12 mit einem Material hoher Oxi-dationsbeständigkeit plattiert.

In der vorliegenden Erfindung wurde auch festgestellt, dass bei Verwendung thermisch leitender Materialien, wie Kupfer und Gold, für die Sonde, das Berühren der Sonde 14 mit dem Überzug 12 häufig zu einer Abnutzungswirkung führt, die zum Zurückbleiben einer geringen Menge des Sondenmaterials auf der Oberfläche des Uberzuges 12 führt. Werden die überzogenen Teile dann den Temperaturen ausgesetzt, die in der Betriebsumgebung sol-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

9

CH 678 762 A5

10

cher Gasturbinen, wie Strahltriebwerke, auftreten, dann reagiert das auf der Überzugsoberfläche von der Testvorrichtung abgeschiedene Material mit dem Überzug unter Bildung eines Eutektikums oder einer anderen Verbindung, die die überzogene Struktur bei den erhöhten Temperaturen schwächt. Dieses Problem zu vermeiden, ist es erwünscht, dass das Plattierungsmaterial ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Platin, Rhodium, Iridium und Palladium. Die Temperatur, die zur Bildung von Eutektika mit diesen Materialien erforderlich ist, ist höher, als die Temperatur, die bei den meisten Gasturbinen-Anwendungen auftritt.

Ein weiteres Problem mit üblichen Heizsonden besteht darin, dass das Abnutzen, das durch Anlegen der Sonde an der zu erhitzenden Oberfläche auftritt, die Sondenspitze einem Abrieb und einer Abflachung aussetzt. Ist die Gestalt der Sondenspitze durch diese Art mechanischen Abriebs geändert worden, dann haben sich auch die Wärmeübertragungseigenschaften der Sonde geändert, was zu einer «Wanderung» der Messdaten führt. Selbst bei Anwendungen, bei denen die Bildung von Eutektika kein Problem ist, führt daher der Abrieb der Sondenspitze, der durch den Einsatz der Testvorrich-tung verursacht wird, zu unerwünschten Variationen in den erhaltenen Dickendaten für den Überzug. Die Sonde nach der vorliegenden Erfindung weist daher ein Plattierungsmaterial auf, das auch eine hohe Beständigkeit gegenüber mechanischem Abrieb hat. Ein solches Material ist Rhodium. Die thermische Leitfähigkeit von Rhodium ist nicht so hoch wie die solcher Metalle, wie Gold und Kupfer, doch weist Rhodium eine hohe Beständigkeit sowohl gegenüber Oxidation als auch mechanischem Abrieb auf. Gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst die Rhodium-Plattierung eine sehr dünne Schicht, so dass die Wirkung auf die Wärmeübertragung von der Sonde zum Substratüberzug minimal ist. Gemäss einer Ausführungsform beträgt die Plattie-rungsdicke etwa 0,005 mm (entsprechend 0,0002 Zoll). Um die Eigenschaften der hohen thermischen Leitfähigkeit, der Oxidationsbeständigkeit und der Beständigkeit gegenüber mechanischem Abrieb zu kombinieren, kann die Sonde der vorliegenden Erfindung entweder mit Rhodium plattiertes Kupfer oder Gold umfassen.

Fig. 2 veranschaulicht schematisch die elektrischen Potentiale, die in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung erzeugt werden. Mit der Spannungsmessvorrichtung 22 sind die thermoelektrischen Spannungen 44, 46 und 48 sowie die Ohmsche Spannung 42 in Reihe geschaltet. Die Spannung 42 wird erzeugt durch den Stromfluss durch die effektive Impedanz der Schaltung. Die thermoelektrische Spannung 44 wird am Bimetallübergang erzeugt, der durch , die Grenzfläche zwischen der Sonde 14 und dem Überzug 12 gebildet wird. In ähnlicher Weise werden die Spannungen 46 und 48 an der Grenzfläche zwischen dem Überzug 12 und dem Substrat 10 bzw. der Grenzfläche zwischen der Sonde 16 und dem Überzug 12 (oder zwischen der Sonde 17 und dem Substrat 10, wenn die zweite Sonde direkt am Substrat 10 anliegt) erzeugt. Thermoelektrische

Spannungen würden auch an jedem anderen Ort in der Messschaltung erzeugt werden, an dem ein Übergang von zwei verschiedenen Metallen gebildet wird. Die thermoelektrischen Potentiale bei solchen Übergängen sind jedoch im allgemeinen so gering im Vergleich mit den thermoelektrischen Spannungen 44, 46 und 48, so dass sie keine messbare Auswirkung auf die thermoelektrische Gesamtspannung der Messschaltung haben. Deshalb sind sie in Fig. 2 nicht gezeigt.

Ist die erhitzte Sonde 14 mit dem Überzug 12 in Berührung gebracht, dann bewirkt der Wärmefluss von der Sonde 14 durch den Überzug 12 zum Substrat 10 die Erhöhung der Temperatur des Überzuges 12 und, zu einem geringeren Ausmass, der Temperatur des Substrates 10. Lässt man die Sonde 14 lange genug im Kontakt mit dem Überzug 12, um darin einen lokalen Temperaturgradienten zu erzeugen, dann wird die Temperatur an der Grenzfläche zwischen Sonde und Überzug etwas höher als die Temperatur an der Grenzfläche zwischen Überzug und Substrat, und diese beiden Temperaturen sind jeweils sehr viel grösser als die Temperatur an der Grenzfläche zwischen Sonde 16 und Überzug 12. Nimmt man an, dass die Wärmeerzeugungskapazität und die thermische Leitfähigkeit der Sonde 14 gross genug sind, so dass die Sonde 14 als Wärmereservoir wirkt, dann bleibt die Temperatur an der Grenzfläche zwischen Sonde 14 und Überzug 12 für alle Überzugs-Dickenmessungen im allgemeinen konstant. Ist darüber hinaus die Sonde 16 ausserhalb des Bereiches der lokalen Erhitzung im Überzug 12 angeordnet, der durch die Sonde 14 erzeugt wird, dann bleibt die Grenzfläche zwischen Sonde 16 und Überzug 12 für alle Überzugs-Dickenmessungen bei Umgebungstemperatur. Mit den für alle Überzugsdicken konstant bleibenden Temperaturen dieser beiden Grenzflächen bleiben auch die thermoelektrischen Spannungen 44 und 48 konstant. Obwohl das Erhitzen des Überzuges 12 dessen elektrischen Widerstand etwas vermindern kann, bleiben der Gesamtstromfluss durch die in Fig. 2 gezeigte Schaltung und deren effektive Impedanz für alle Überzugs-Dickenmessungen im allgemeinen konstant. Die einzige Spannung, die sich um einen merklichen Wert mit der Dicke des Überzuges 12 ändert, ist die thermoelektrische Spannung 46 an der Grenzfläche zwischen Überzug 12 und Substrat 10. Wegen des Temperaturgradienten, der durch die von der Sonde 14 übertragene Wärme im Überzug 12 gebildet wird, variiert die Temperatur der Grenzfläche zwischen Überzug 12 und Substrat 10 direkt mit der Dicke des Überzuges 12. Ist die thermische Leitfähigkeit des Überzuges 12 durch dessen Dicke hindurch konstant, dann ist der Temperaturgradient im wesentlichen gleichförmig, und die Temperatur an der Grenzfläche zwischen Überzug und Substrat nimmt proportional zur Zunahme der Überzugsdicke ab. Da jede unterschiedliche Überzugsdicke zu einem anderen Wert für die thermoelektrische Spannung 46 führt, können die Unterschiede zwischen den für verschiedene Überzugsdicken erhaltenen Spannungen dazu benutzt werden, die mit einer bestimmten Spannung in Beziehung stehende Überzugsdicke zu bestimmen. Wird der Überzug 12 sehr

5

10-

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

11

CH678 762 A5

12

dick, dann wird natürlich die Wärmemenge, die die Grenzfläche zwischen Überzug 12 und Substrat 10 erreicht, schliesslich zu Null vermindert. Eine weitere Zunahme der Überzugsdicke führt daher nicht mehr zu einer messbaren Änderung in der Spannung 46, mit dem Ergebnis, dass weitere Zunahmen in der Überzugsdicke nicht nachweisbar sind. Aus diesem Grunde hängt der Bereich von Überzugsdicken, der mit der erfindungsgemässen Vorrichtung bestimmt werden kann, vom thermischen Gradienten ab, der durch die Sonde 14 im Überzug 12 erzeugt werden kann. Dieser thermische Gradient hängt seinerseits von der Wärme ab, die von der Sonde 14 zum Überzug 12 übertragen wird. Die Grösse dieser Wärmeströmung hängt hauptsächlich von der Temperatur der Sonde, der thermischen Leitfähigkeit des Materials, durch die die Wärme hindurchgeht, und der Kontaktfläche zwischen der Oberfläche des Überzuges und der Oberfläche der Sonde ab. Wenn die beiden Oberflächen in Berührung gebracht und mit einer massigen Kraft zusammengehalten werden, dann wird ein Kontaktverformungsbereich erzeugt. Der erhaltene Kontaktbereich hat im allgemeinen eine längliche Gestalt, und er kann durch kleine und grosse Halbachsen beschrieben werden. Diese Achsen können in Beziehung gesetzt werden zum wirksamen Radius der Wärmedurchdringung von einer Oberfläche zur anderen. Je kleiner die Grösse dieses effektiven Radius um so grösser ist die Tendenz der Wärme, sich eher seitlich in einer Richtung längs der Oberfläche als in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche auszubreiten. Um daher für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eine gute Wärmeübertragung von der Oberfläche der Sonde 14 zum Überzug 12 zu erreichen sollte die Sonde 14 so ausgebildet sein, dass der effektive Radius des Kontaktbereiches zwischen den Oberflächen der Sonde 14 und des Überzuges 12 etwa die gleiche Grösse hat wie die Dicke des Überzuges 12. Der geeignete Kontaktbereich kann bequem durch eine Sonde geschaffen werden, die die ovale Querschnittsgestalt aufweist, die in Fig. 1 gezeigt ist, wobei Durchmesser und Radius der Sondenspitze so ausgewählt sind, um die Anforderungen für eine besondere Anwendung zu erfüllen.

Für die Spannungsmesseinrichtung 22 können verschiedene übliche verfügbare Schaltungen benutzt werden. Bei einer Ausführungsform umfasst die Spannungsmessschaltung eine Einrichtung zum Umwandeln der thermoelektrischen Spannung zwischen den Sonden 14 und 16 in ein Wechselstrom-Signal. Das Wechselstrom-Signal wird dann verstärkt und das verstärkte Wechselstrom-Signal zur Bildung eines Ausgangssignals gleichgerichtet. Die Wechselstrom-Verstärkung wird für die Span-nungsmessschaltung gegenüber der Gleichstrom-Verstärkung im allgemeinen bevorzugt, da die von der Schaltung gemessenen thermoelektrischen Potentiale sehr klein sind. Zumindest für Gasturbinen-Anwendungen ist die Zusammensetzung des Überzuges 12 sehr ähnlich der des Substrates 10, so dass das thermoelektrische Potential, das durch die Grenzfläche zwischen Überzug 12 und Substrat 10 erzeugt wird, relativ gering ist, selbst wenn die Temperatur der Grenzfläche durch Erhitzen des Überzuges 12 mit der Sonde 14 erhöht worden ist. Die erhaltenen thermoelektrischen Potentiale sind klein genug, dass die Schaltungsabgabe bei Messung der Potentiale mittels einer Gleichstrom-Verstärkungsschaltung gegenüber thermischen Wanderungen innerhalb der verstärkenden Schaltung sehr empfindlich ist. Andererseits isolieren typische Wechselstrom-Verstärkungsschaltungen das Ein-gangssignal von den Wirkungen der thermischen Wanderung des Verstärkers.

Eine Ausführungsform, die für die Spannungs-mess-Vorrichtung 22 benutzt werden kann, ist in Fig. 3 gezeigt. Der Multivibrator-Schaiter 51 zerhackt die zwischen der erhitzten Sonde 14 und der Rückführsonde 16 erzeugte Gleichstrom-Spannung und wandelt sie in ein Wechselstrom-Signal um, das am Ausgang des Schalters 51 erscheint. Der Leiter 20 verbindet die Sonde 16 mit dem Mittelabgriff 52 des Wandlers 50, und der Leiter 18 verbindet die Sonde 14 mit den gegenüberliegenden Enden 54 und 56 der Primärspule des Wandlers 50. Wenn die Schalter 58 und 60 abwechselnd betrieben werden, so dass einer geschlossen ist, während der andere geöffnet ist, dann induziert der sich ergebende Stromfluss durch die Primärspuie des Wandlers 50 ein Wechselstrom-Signal in der Sekundärspule des Wandlers in der gleichen Weise, wie es oben in be-zug auf Fig. 5 erläutert wurde. Dieses Wechsel-strom-Signal wird durch die Leiter 62 dem Verstärker 64 zugeführt. Das verstärkte Signal wird durch die Diode 66 gleichgerichtet. Das erhaltene Signal am Ausgang 70 erzeugt eine Spannung über den Ausgangswiderstand 68, die in Beziehung gesetzt werden kann zum Potential zwischen den Sonden 14 und 16, wenn man den Verstärkungsfaktor der Schaltung kennt.

In einer alternativen Ausführungsform zu der in Fig. 3 gezeigten wird der Multivibrator-Schaiter 51 durch einen Halbleiterschalter ersetzt. Für gewisse Anwendungen kann eine solche Ausführungsform erwünschte Vorteile hinsichtlich der Geschwindigkeit, Kosten usw. ergeben. Da der Widerstand der Halbleiterschalter im Durchlasszustand jedoch üblicherweise sehr viel höher ist als der Widerstand der Multivibrator-Schaiter im «AN»-Zustand, sorgen letztere für eine bessere Impedanzanpassung an den Teil der Messschaltung, die zwischen den Leitern 18 und 20 angeordnet ist. Ausserdem könnten, obwohl solche nicht in den Fig. 3 und 5 gezeigt sind, Elemente zu der gezeigten Schaltung hinzugefügt werden, um den Verstärker 64 mit der gleichen Frequenz an- und abzuschalten, mit der die Schalter 58 und 60 des Multivibrators 51 öffnen und schliessen. Mit geeigneter Einstellung hinsichtlich der Phasenunterschiede zwischen Multivibrator-Schaiter 51 und Verstärker 64 beseitigt die resultierende Anpassung zwischen dem Betrieb des Schalters 51 und des Verstärkers 64 irgendwelche Stör-und Einschalt- bzw. Transientensignale, die sonst vom Verstärker 64 aufgenommen werden könnten, wenn das Eingangssignal, das über den Leitern 18 und 20 erscheint, durch den Schalter 51 vom Verstärker 64 abgeschaltet wird. Der synchrone Betrieb von Schalter 51 und Verstärker 64 bewirkt da5

m

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

13

CH678762 A5

14

durch die Unterdrückung des Geräuschpegels des verstärkten Signals. Diese Art synchronen Nachweises ist bekannt und, z.B., auf den Seiten 90 bis 94 des Buches «Noise in Measurement» von Aldert Van der Ziel, John Wiley and Son, 1976, beschrieben.

Die am Ausgang 70 erscheinende Spannung kann in verschiedener Weise benutzt werden, um die Überzugsdicke anzuzeigen. In einer Ausführungsform enthält die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weiter eine Einrichtung zum Vergleichen der gemessenen thermoelektrischen Spannung mit einer Vielzahl vorbestimmter Werte, die bekannte Überzugsdicken repräsentieren. Bei einer solchen Ausführungsform könnte die Spannung am Ausgang 70 nacheinander mit einer Reihe von Bezugsspannungen verglichen werden, die den bekannten Überzugsdicken entsprechen. Gemäss einer anderen Ausführungsform wird die Spannung am Ausgang 70 in ein binäres Logiksignal umgewandelt. Eine Ausführungsform einer Schaltung hierfür ist in Fig. 4 gezeigt Der Vergleicher 76 bestimmt, ob die Spannung am Ausgang 70 grösser oder kleiner als die am Eingang 72 des Vergleichers 76 erscheinende Bezugsspannung ist Der Ausgang des Vergleichers 76 wird mittels der Leitung 78 dem Eingang der Darlington-Schaltung 80 übermittelt Das am Ausgang 82 der Darlington-Schaltung 80 erscheinende Signal ist entweder Niederwert- oder Hochwertlogik in Abhängigkeit vom Wert bzw. Pegel des Eingangssignals zur Darlington-Schaltung 80. Die Bezugsspannung für den Vergleicher 76 kann durch Schwellenpegel-EInstellung 74 eingestellt werden, um sie der Spannung anzupassen, die einer spezifischen Überzugsdicke entspricht. Das binäre Logiksignal am Ausgang 82 zeigt dann die Abwesenheit oder Anwesenheit eines Uberzuges mit der spezifischen Dicke an.

In einer zu der in Fig. 1 gezeigten alternativen Ausführungsform Ist die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weiter dahingehend ausgebildet, dass die erste Sonde längs der Oberfläche des Überzuges 12 rollbar ist. Eine solche Ausführungsform gestattet das kontinuierliche Messen der Überzugsdicke längs der Oberfläche eines bestimmten Teiles, und sie Ist besonders brauchbar für Anwendungen, bei denen die Überzugsdicke als Funktion des Ortes auf dem untersuchten Teil variiert. Durch Anwenden eines geeigneten Positions-Codierungsschemas könnte die Überflächendicke für ein bestimmtes Teil für irgendeinen erwünschten Abschnitt der Oberfläche dieses Teiles sogar «kartenmässig» erfasst werden. Ist die erste Sonde rollbar ausgebildet, dann umfasst die Messvor-richtung für die Überzugsdicke weiter eine Einrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit der Rotation der rollbaren Sonde sowie eine Einrichtung zum Bestimmen der wahren Überzugsdicke, indem die Rotationsgeschwindigkeit der rollbaren Sonde berücksichtigt wird.

Eine Ausführungsform, die eine solche Art rollbarer Sonde benutzt, ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Ähnlich der Vorrichtung der Fig. 1 schliesst das in Fig. 6 gezeigte Testsystem eine Leistungsquelle 38 sowie eine Heizsteuerung 32 zum steuerbaren Erhitzen der Sondenkugel 106 ein, indem Strom durch die Heizspule 28 geleitet wird. Das Thermoelement 36 überwacht die Temperatur der Sondenkugel 106. Die Sondenkugel 106 Ist in einem Sondengehäuse 102 angeordnet, so dass sie um eine Achse drehbar ist, die sich in einer horizontalen Richtung mit bezug auf das Sondengehäuse 102 erstreckt. Ähnlich der Sonde 14 in Fig. 1 ist die Sondenkugel 106 aus einem Material 25 hergestellt, das eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist und mit einem Plattierungsmaterial 27 plattiert ist, das eine hohe Oxidationsbeständigkeit hat Die Buchsenla-ger 104 gestatten die freie Rotation der Sondenkugel 106 mit bezug auf benachbarte Teile des Sondengehäuses 102. Das Sondengehäuse 102 besteht aus zwei Abschnitten, um das leichte Zusammenbauen der bewegbaren Sonde zu gestatten, und die beiden Abschnitte sind in der zusammengebauten Einheit durch mindestens einen Bolzen 108 und eine entsprechende Mutter 110 zusammengehalten.

Die Leiter 30 sind mit der Heizspule 28 und die Leiter 34 mit dem Thermoelement 36 verbunden, und zwar über elektrisch leitende Kontaktarme bzw. -bürsten 94 und dazugehörige elektrisch leitende Abschnitte 96 des Schaftes 98. Die Kontaktarme bzw. -bürsten 94 sind durch Federn 100 mit den leitenden Abschnitten 96 in Berührung gehalten. Andere übliche Schleifring-Kontaktanordnungen, die den erforderlichen Kontakt zwischen der Heizregelung 32 und der Sondenkugel 106 herstellen, können anstelle der Bürsten 94 und leitenden Schaftabschnitte 96 benutzt werden. Welche Kontaktanordnung auch ausgewählt ist, man muss die Leiter für die Heizspule 28 und das Thermoelement 36 elektrisch von den Abschnitten des Gehäuses 102 Isolieren, die Teil der Schaltung zwischen den Leitern 18 und 20 bilden, die zum Messen der thermoelektrischen Spannung zwischen der erhitzten und der Rückführungssonde benutzt wird. In der Ausführungsform der Fig. 6 sorgen die Isolatorstützen 132 und die isolierenden Abschnitte 134 des Schaftes 98 für diese Art Isolation.

Die Vorrichtung der Fig. 6 schliesst auch eine Einrichtung 112 zum Bestimmen der Rotationsgeschwindigkeit der Sondenkugel 106 ein. Wie besser in Fig. 7 ersichtlich, ist ein Rad 114 mit speichenartig angeordneten Schlitzen 116 an dem Sondenschaft 98 befestigt Ein photoelektrischer Konverter 118 überträgt Licht zu einem Lichtleiter 120, der so angeordnet ist, dass die Auslassöffhung benachbart dem mit Schlitzen versehenen Abschnitten des Rades 114 angeordnet ist Die Lichtleitung 122 ist derart angeordnet, dass eine Öffnung von ihr ebenfalls benachbart den mit Schlitzen versehenen Abschnitten des Rades 114 angeordnet ist, und zwar auf der der Leitung 120 gegenüberliegenden Seite des Rades 114. Befindet sich das Rad 114 In einer Position, bei der einer der Schlitze 116 mit den Öffnungen der Lichtleitfasern 120 und 122 ausgerichtet ist, wird das vom photoelektrischen Konverter 118 In die Lichtleitung 120 übertragene Licht durch den Schlitz 116 und über den Lichtleiter 122 zum Konverter 118 zurückgeführt. Das auf diese Welse vom Konverter 118 empfangene Licht wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, das vom Verstärker 124

5

10.

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

15

CH678 762 A5

16

verstärkt wird. Die Integration des verstärkten Signales im Integrator 126 führt zu einem Spannungsniveau am Ausgang 128, das proportional der Rotationsgeschwindigkeit der Sondenkugel 106 ist.

Ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die Rückführsonde 16 mit der Spannungsmessvorrichtung 22 durch den Leiter 20 verbunden. Die Sondenkugel 106 ist mit der Spannungsmessschaltung mittels einer Kombination des Leiters 18 und verschiedener elektrisch leitender Teile der Rollsondeneinheit verbunden. Der Leiter 18 ist mit dem Sondengehäuse 102 verbunden, das aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Das Gehäuse 102 befindet sich in Kontakt mit dem Lager 104, das seinerseits in Kontakt steht mit der Sondenkugelplattie-rung 27. Da Lager 104 und Plattierung 27 jeweils aus elektrisch leitendem Material bestehen, ist zwischen den Leitern 18 und 20 ein geschlossener Stromkreis gebildet. Irgendwelche zusätzlichen thermoelektrischen Spannungen, die in diesem Stromkreis an den Grenzflächen zwischen den verschiedenen Metallkomponenten erzeugt werden, sind für alle Überzugsmessungen im wesentlichen konstant und beeinträchtigen daher die Bestimmung der Überzugsdicke nicht.

Der Mikroprozessor 130 bestimmt die wahre Überzugsdicke aus den erhaltenen Daten. Der Mikroprozessor 130 empfängt den Ausgang der Spannungsmesseinrichtung 22 und den Ausgang der Rotationsnachweis-Vorrichtung 112 und modifiziert die thermoelektrische Spannungsmessung in geeigneter Weise, um die Rotationsgeschwindigkeit der Sondenkugel 106 zu berücksichtigen.

Wie der obigen Erläuterung entnommen werden kann, umfasst das erfindungsgemässe Verfahren zum Bestimmen der Dicke eines Überzuges auf einem Substrat das gesteuerte Erhitzen einer ersten Sonde, um die Temperatur dieser Sonde auf einem vorbestimmten Wert zu halten. Die erhitzte Sonde besteht aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, das mit einem Material hoher Beständigkeit gegenüber Oxidation plattiert ist, und zwar in der in Fig. 1 durch die Sonde 14 veranschaulichten Weise. Die erhitzte Sonde wird so angeordnet, dass sie den Überzug lokal erhitzt und einen Temperaturgradienten darin ausbildet, während gleichzeitig ein elektrischer Kontakt zum Überzug geschaffen wird. Eine zweite Sonde ist so angeordnet, dass ein elektrischer Rückführkontakt zum überzogenen Substrat besteht, und die thermoelektrische Spannung zwischen der ersten und der zweiten Sonde wird gemessen, wenn sich die erste Sonde in elektrischem Kontakt mit dem Überzug befindet. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann die zweite Sonde so angeordnet sein, dass sie in elektrischem Kontakt mit entweder dem Überzug 12 oder dem Substrat 10 steht. Darüber hinaus ist die erhaltene thermoelektrische Spannungsmessung im wesentlichen unabhängig von der Auswahl zwischen Substrat 10 und Überzug 12 für den elektrischen Rückführungskontakt. Da die chemische Zusammensetzung des Überzuges 12 theoretisch sich etwas von der des Substrates 10 unterscheidet, ist das an der Grenzfläche zwischen Sonde 16 und Überzug 12 erzeugte thermoelektrische Potential verschieden von dem,

das an der Grenzfläche zwischen Sonde 16 und Substrat 10 erzeugt wird. Für jeden dieser beiden Übergänge ist das bei Umgebungstemperatur erzeugte thermoelektrische Potential jedoch sehr viel kleiner als das thermoelektrische Potential, das an der Grenzfläche zwischen Überzug 12 und Substrat 10 erzeugt wird, wenn diese Grenzfläche durch die Sonde 14 erhitzt wird, so dass das thermoelektrische Gesamtpotential, das von der Spannungsmesseinrichtung 22 gemessen wird, wenn sich die Sonde 16 in Kontakt mit dem Überzug 12 befindet, nicht unterscheidbar verschieden ist von dem, das gemessen wird, wenn die Sonde 16 in Kontakt mit dem Substrat 10 steht. Wegen dieser Tatsache gestattet das Testsystem der vorliegenden Erfindung die genaue Bestimmung der Überzugsdicke, selbst wenn der Ort der Rückführungssonde vom Überzug zum Substrat 10 geändert werden muss oder umgekehrt, wenn man für eine Reihe von Teilen Messungen vornimmt. Wenn jedoch die Temperatur der Sonde 14 und das damit in Beziehung stehende Erhitzen der Grenzfläche zwischen Überzug 12 und Substrat 10 vermindert wird, dann ist natürlich der Beitrag der Grenzfläche zwischen der Sonde 16 und dem überzogenen Substrat zum thermoelektrischen Gesamtpotential grösser. In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass ein Erhitzen der Sonde 14 auf eine Temperatur von etwa 450°C ausreicht, die oben beschriebenen Ergebnisse sicherzustellen.

Wie oben mit bezug auf die Fig. 3 und 4 ausgeführt, schliesst die Stufe des Messens der thermoelektrischen Spannung zwischen der ersten und zweiten Sonde vorzugsweise das Umwandeln dieser Spannung in ein Wechselstrom-Signal und dessen Verstärkung ein. Das verstärkte Wechselstrom-Signal kann dann gleichgerichtet werden und die sich ergebende Ausgangsspannung kann man weiterverarbeiten, um eine geeignete Anzeige für die Anwesenheit des Überzuges und/oder dessen Dicke zu erhalten. Hat das untersuchte Teil einen nicht überzogenen Abschnitt, der für die erhitzte Sonde zugänglich ist, dann kann man die erhitzte Sonde in elektrischen Kontakt mit dem Substrat bringen und die erhaltene thermoelektrische Spannung zwischen der ersten und zweiten Sonde messen. Die so erhaltene thermoelektrische Spannung kann man als Bezugswert zum Vergleich für die Spannungen benutzen, die erhalten werden, wenn die erhitzte Sonde in Kontakt mit verschiedenen Überzugsdicken gebracht wird. Gemäss einer Ausführungsform wird der Unterschied zwischen dem Spannungsniveau, das man erhält wenn die erhitzte Sonde in Kontakt mit dem Überzug einer bestimmten Probe gebracht wird und der Spannung, die erhalten wird, wenn man die Sonde in Kontakt mit dem Substrat bringt, mit einer Vielzahl von vorbestimmten Werten für diesen Unterschied in dem Spannungsniveau verglichen, wobei diese vorbestimmten Werte bekannte Überzugsdicken repräsentieren. Ist andererseits das Substrat des untersuchten Teiles nicht zugänglich, dann kann man einen Bezug herstellen zu der thermoelektrischen Spannung, die erhalten wird, wenn die erhitzte Sonde mit dem Substrat eines Teiles der gleichen Art wie das

5

10-

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

9

CH678 762 A5

getestete in Berührung gebracht wird, um die Spannungsanzeige für das untersuchte Teil mit der Überzugsdicke für dieses Teil in Beziehung zu setzen.

Bei einer anderen Ausführungsform wird die gemessene thermoelektrische Spannung in ein Binärlo-gik-Signal umgewandelt, das die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Überzuges mit einer bestimmten Dicke repräsentiert. Diese Ausführungsform ist besonders brauchbar für eine «weitermachen/nicht-weitermachen» (im englischen «go/no go») Art des Testens. Die für eine bestimmte Dicke des Überzuges erhaltene thermoelektrische Spannung kann dazu benutzt werden, einen Schwellenwert festzulegen^ Die thermoelektrischen Spannungen, die für die Überzüge auf untersuchten Teilen erhalten werden, kann man dann mit dem Schwellenwert vergleichen, und Spannungen, die diesen Schwellenwert übersteigen, gibt man den Logikwert Eins. Spannungen unterhalb des Schwellenwertes gibt man den Logikwert Nuli. Der erhaltene Binärausgang ergibt eine «Ja/Nein»-Anzeige dahingehend, ob auf dem Teil ein Überzug vorhanden ist, der die spezifische Überzugsdicke übersteigt.

Um die Zuverlässigkeit der Überzugsdicken-Anzeigen, die mit der vorliegenden Erfindung erhalten werden, zu verbessern, kann man feststellen, ob der untersuchte Überzug im Bereich des lokalen Erhitzens durch die erhitzte Sonde sich vom Substrat abgetrennt hat. Gibt es einen Raum zwischen dem Überzug und dem Substrat in diesem Bereich, dann wird der Bimetallübergang, der sonst an der Grenzfläche zwischen Überzug und Substrat gebildet wird, beeinftusst und der Beitrag, den diese Grenzfläche zur thermoelektrischen Gesamtspannung leistet wird beträchtlich vermindert. Die erhaltene Spannungsmessung wird daher fehlerhaft sein und kann einen sehr dicken Überzug andeuten, während tatsächlich der Überzug fehlerhaft ist. Die Anwesenheit eines abgelösten Überzuges kann man aufgrund der Geschwindigkeit der Wärmeströmung von der erhitzten Sonde zum Überzug bestimmen. Der Raum zwischen dem Überzug und dem Substrat im abgelösten Bereich beeinträchtigt den Wärmefluss vom Überzug zum Substrat und entsprechend den Wärmefluss von der Sonde zum Überzug. Die Änderungsrate der Sondentemperatur unterscheidet sich daher bei einem gut haftenden Überzug deutlich von der bei einem abgelösten Überzug. Ein Verfahren zum Bestimmen der Änderungsgeschwindigkeit der Sondentemperatur besteht darin, den Probenerhitzer mit einem elektrischen Impuls bei einer ersten Frequenz zu versehen und das thermoelektrische Potential bei einer Frequenz zu messen, die das Doppelte der ersten Frequenz ist. Eine solche Bestimmung kann mit üblichen Phasen-gekop-pelten Synchrondetektoren ausgeführt werden.

Die Wirkungen fehlerhafter Ablesungen können auch vermindert werden, indem man an verschiedenen Stellen auf einer bestimmten Überzugsoberfläche mehrere Werte bestimmt und daraus den Mittelwert sowie die Varianz für die Vielzahl der gemessenen thermoelektrischen Spannungen errechnet. Durch Mitteln mehrerer Messungen ist die erhaltene Bestimmung einer Überzugsdicke repräsentativer für einen gegebenen Überzug, insbesondere wenn die Überzugsoberfläche nicht vollkommen glatt ist sondern ein eher texturiertes Aussehen hat. Die Varianz zwischen dem Mittelwert und den einzelnen Ablesungen kann dazu benutzt werden, Anzeigen auszuscheiden, die von dem Mittelwert durch eine solche Grösse abweichen, dass die Gültigkeit dieser jeweiligen Ablesung fraglich ist

Wird die Vorrichtung der Fig. 6 benutzt, dann umfasst das erfindungsgemässe Verfahren weiter das Bewegen der erhitzten Sonde längs der Oberfläche des Überzuges. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde wird bestimmt und die wahre Überzugsdicke aus der gemessenen thermoelektrischen Spannung und der Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde ermittelt. Während die rollende Sonde sich längs der Überzugsoberfläche bewegt, steht sie kontinuierlich mit einem anderen Abschnitt davon in Berührung. In Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde mag die Zeitdauer, während der die Sondenoberfläche sich in Kontakt mit einem bestimmten Abschnitt der Überzugsoberflä-che befindet, für das Erreichen des Temperaturgleichgewichtes zwischen den beiden Oberflächen nicht lang genug sein. In diesem Falle hängt der im Überzug eingerichtete Temperaturgradient davon ab, wie lange sich die beiden Oberflächen in Kontakt befinden. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde muss klein genug sein, dass die von der Sonde zum Überzug übertragene Wärme ausreicht, um die Temperatur der Grenzfläche zwischen Überzug und Substrat zu erhöhen. Für die Ausführungsform mit rollender Sonde gemäss Fig. 6 besteht eine Annäherung erster Ordnung darin, dass es eine linea' re Beziehung zwischen der Rotationsgeschwindigkeit der Sondenkugel 106 und der übertragenen Wärmemenge von der Sondenkugel 106 zum Überzug 12 gibt. Für eine bestimmte Testvorrichtung können Kalibrierungsverfahren benutzt werden, um die genaue Beziehung zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde und der sich daraus ergebenden thermoelektrischen Spannungsmessung für einen Überzug einer bestimmten Dicke festzulegen. So kann z.B. die thermoelektrische Spannung zwischen der rollbaren Sonde und der Rückfuhrsonde gemessen werden, wenn die Sonde stationär gehalten wird, und man kann die Messung für verschiedene Bewegungsgeschwindigkeiten wiederholen. Die erhaltenen Daten bilden eine Kurve, von der der Unterschied zwischen der scheinbaren Überzugsdicke (erhalten, wenn die Sonde mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt wird) und der wahren Überzugsdicke (wenn die Sonde stationär ist) bestimmt werden kann. Dieses Verfahren kann für Überzüge mit verschiedenen Dicken wiederholt werden, und man kann die erhaltenen Bezugsdaten dazu benutzen, die thermoelektrische Spannungsanzeige für eine bestimmte Probe, die mit einer bekannten Geschwindigkeit getestet wird, zu einer Spannungsanzeige zu korrigieren, die der wahren Überzugsdicke entspricht.

In der vorliegenden Anmeldung ist ein System zum zerstörungsfreien Bestimmen der Dicke eines Überzuges auf einer Metallkomponente beschrieben. Die vorliegende Erfindung schafft ein Über* zugs-Messsystem, das selbst für dünne Überzüge

5

10-

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

10

CH678 762 A5

und Komplexe Substratgeometrien wirksam ist. Die Merkmaie des erfindungsgemässen Testsystems liefern Überzugsdicken, die dem Fortgang der Zeit gegenüber nicht empfindlich sind, wobei diese Empfindlichkeit durch solche Faktoren wie Oxidation und mechanischen Abrieb der Komponenten des Testsystems verursacht werden kann. Wegen der Eigenschaften des erfindungsgemässen Überzugs-Messsystems ist es besonders brauchbar zum Bestimmen der Dicke des Schutzüberzuges auf Teilen, die in üblichen Gasturbinen benutzt werden.

Während die Erfindung detailliert mit bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden Ist, kann der Fachmann viele Modifikationen und Änderungen vornehmen. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind auch anwendbar, wenn die Temperaturänderung an der Grenzfläche zwischen Überzug und Substrat durch Abkühlen statt durch Erwärmen erzeugt wird.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke eines Überzuges (12) auf einem Metallsubstrat (10), umfassend:

eine erste Sonde (14) zum lokalen Erhitzen des Überzuges, um darin einen Temperaturgradienten auszubilden, wobei die erste Sonde aus einem Material (24) gebildet ist, das eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist und mindestens teilweise mit einem Material (26) plattiert ist, das eine hohe Oxidati-onsbeständigkeit hat, und die erste Sonde so angeordnet ist, dass sie einen elektrischen Kontakt zu dem Überzug (12) schafft;

eine Einrichtung (32) zum steuerbaren Erhitzen der ersten Sonde (14), um deren Temperatur bei einem vorbestimmten Wert zu halten;

eine zweite Sonde (16 bzw. 17), die so angeordnet ist, einen elektrischen Rückführkontakt zum überzogenen Substrat zu schaffen und eine Einrichtung (22) zum Messen der thermoelektrischen Spannung zwischen der ersten (14) und zweiten (16) Sonde.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , worin das Plattierungsmaterial (26) ein Material mit hoher Beständigkeit gegenüber mechanischem Abrieb umfasst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Plattierungsmaterial (26) ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Platin, Rhodium, Iridium und Palladium.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das PJat-tierungsmaterial (26) Rhodium umfasst.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Sonde (14) mit Rhodium plattiertes Kupfer umfasst

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Sonde (14) mit Rhodium plattiertes Gold umfasst.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung (22) zum Messen der Spannung umfasst: eine Einrichtung (51) zum Umwandeln der thermoelektrischen Spannung zwischen der ersten (14) und zweiten Sonde (16 bzw. 17) in ein Wechselstrom-Signal;

eine Einrichtung (64) zum Verstärken des Wechselstrom-Signals und eine Einrichtung (66) zum Gleichrichten des verstärkten Wechselstrom-Signals,

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung (22) zum Messen der Spannung eine Synchrondetektor-Schaltung umfasst.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrichtung zum Bestimmen der Rate der Wärmeströmung von der ersten Sonde (14) zum Überzug (12).

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrichtung zum Vergleichen der gemessenen thermoelektrischen Spannung mit einer Vielzahl vorbestimmter Werte, die bekannte Überzugsdicken repräsentieren.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

11