Fehler gibt es in verschiedenen Formen und Größen

Fehlererkennung ist ein sehr weites Thema. Als ich darüber im Qualitätsartikel „Fehlererkennung 101“ vom Juni 2022 schrieb, konzentrierte ich mich auf die Definition, was ein Fehler ist, und diskutierte dann viele der gängigen Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (NDT), die zur Erkennung von Fehlern verwendet werden. Die Definition, die ich zuvor verwendet habe, war „ein Hinweis, der als Diskontinuität eingestuft wird, aber die Ablehnungsgrenzen nicht überschreitet.“ Diese Definition kann leicht im Rahmen eines ZfP-Programms interpretiert werden, das definierte Toleranzen und Akzeptanzgrenzen hat. Es könnte jedoch auch anders interpretiert werden, wenn die durchgeführten Inspektionen nicht darauf abzielen, häufige Fehlertypen wie Risse, Schrumpfung, Porosität und andere zu erkennen.

Fehler können in vielen verschiedenen Formen, Ausrichtungen und Größen auftreten. Dabei kann es sich um geringfügige Materialunterschiede, Oberflächenfehler oder alles handeln, was nicht auf oder in einem Bauteil sein sollte. Der Ursprung eines Fehlers kann auch aus vielen verschiedenen Quellen stammen und an einer beliebigen Stelle innerhalb eines Teils liegen. Aus diesem Grund wurden viele verschiedene Inspektionen entwickelt, um Fehler zu finden. Da die Erkennung von Fehlern sehr schwierig sein kann, ist häufig eine Kombination mehrerer Inspektionen oder sehr spezifische Inspektionen erforderlich, um eine vollständige Abdeckung der Teile zu gewährleisten.

In einigen Fällen, in denen bekannt ist, dass bestimmte Fehlerarten auftreten, werden mehrere Arten nicht so gebräuchlicher vorgeschriebener Prüfmethoden eingesetzt. Diese Arten von Inspektionen stehen im Mittelpunkt dieses Artikels. Die Neutronenradiographie (N-Strahlung) wird beispielsweise zur Erkennung sowohl von Restkeramikkernen in Turbinenkomponenten als auch der richtigen Verteilung und Dichte interner Sprengstoffe in Artilleriegeschossen eingesetzt. Eine weitere Methode ist die Röntgenbeugung (XRD). XRD wird zur Messung der Kristallorientierung von Komponenten sowie der Eigen- und Eigenspannungen in hergestellten und gewarteten Teilen verwendet. Diese spezifischen Fehlertypen müssen mit diesen Methoden untersucht werden, da es derzeit keine andere standardisierte und validierte Möglichkeit gibt, sie zu erkennen.

Die Neutronenradiographie weist viele der Grundmerkmale der Standard-ZfP-Röntgenmethode auf, doch anstatt Röntgenstrahlen zur Wechselwirkung mit den Komponenten zu nutzen, werden hochenergetische Neutronen eingesetzt. Neutronen interagieren mit Materialien ganz anders als Röntgenstrahlen und dieser Unterschied ermöglicht die Erkennung von Fehlern, die mit Röntgenstrahlen nicht identifiziert werden können. Einfach ausgedrückt können viele dichtere, dickere Materialien Röntgenstrahlen stoppen und absorbieren, N-Strahlen können diese Materialien jedoch leicht durchdringen. Andererseits können Röntgenstrahlen Kunststoffe leicht durchdringen, N-Strahlen jedoch nicht. Diese Absorptionsunterschiede können vorteilhaft genutzt werden.

Zurückbleibender Keramikkern in einer Turbinenkomponente kann zu katastrophalen Schäden am Motor führen. Der Keramikkern bestimmt die Innenabmessungen vieler Turbinenkomponenten und nachdem die Metalllegierung gegossen wurde, um das Teil zu formen, verbleibt der Keramikkern im Inneren. Der Kern wird dann durch einen chemischen Prozess entfernt, die vollständige Entfernung muss jedoch bestätigt werden. N-ray kann diese Bestätigung liefern. Dazu werden die Teile außen und innen gründlich mit einer Lösung gewaschen, die einen Stoff namens Gadolinium enthält. Gadolinium wird verwendet, weil es Neutronen nahezu vollständig absorbieren kann. Die Gadolinium-Wäsche bedeckt und imprägniert alle eventuell vorhandenen Reste des Keramikkerns vollständig. Die Teile werden dann getrocknet und vor dem Neutronenstrahl positioniert und entweder ein Film oder ein digitaler Detektor erfasst dann das Neutronenröntgenbild oder das digitale Bild. Eventuell verbleibendes Kernmaterial kann dann leicht auf dem Röntgenbild identifiziert werden. Wenn auf einer N-Aufnahme Keramikkernmaterial gefunden wird, kann diese Seriennummer erneut verarbeitet werden. Abbildung 1 zeigt keramisches Kernmaterial in den inneren Hohlräumen eines Turbinenteils.

Ein weiterer einzigartiger Fehler, der zur Erkennung auf N-Strahlen beruht, ist die richtige Verteilung und Dichte der inneren Sprengstoffe in Artillerie-/Munitionsgeschossen. Bei dieser Inspektion wird die Munition einfach präsentiert, indem sie in den Neutronenstrahl gelegt und abgebildet wird. Die Neutronen interagieren mit den verschiedenen Elementen innerhalb des Bauteils und können dann auf dem Röntgenbild interpretiert und identifiziert werden.

Röntgenbeugung (XRD) ist eine weitere Methode, die bei spezifischen Fehlern eingesetzt wird. Einer dieser Mängel ist die unerwünschte primäre und sekundäre Winkelorientierung in einkristallinen Turbinenkomponenten. Auch dieser Fehler kann zu einem Ausfall führen, wenn er nicht erkannt wird. Die Ausrichtung der Kristallgitterstruktur ist auf eine maximale Haltbarkeit des Bauteils ausgelegt. Wenn die Ausrichtung nicht optimal ist, kann dies zu verringerten mechanischen Eigenschaften und einer schwachen Verbindung führen.

XRD ist eine spezielle Technik innerhalb der digitalen Röntgenmethode. Bei der XRD zur primären Kristallorientierung wird der Röntgenstrahl in einem Einfallswinkel auf die Probe fokussiert und nicht auf einen bestimmten größeren interessierenden Bereich. Diese Fokussierung auf die Probe wird durch Werkzeuge unterstützt, die die Probe in die bekannte und gewünschte primäre Ausrichtung bringen. Die Röntgenstrahlen werden aktiviert und dringen beim Kontakt mit der Probe leicht ein und interagieren mit der Atomstruktur des Materials. Die Probe absorbiert zwar einen Teil der Röntgenstrahlen, ein anderer Teil der Röntgenstrahlen wird jedoch im gleichen Einfallswinkel, in dem sie fokussiert wurden, an der Probe gebeugt oder gestreut. Diese gebeugten Röntgenstrahlen liefern ein Muster der Atomgitterstruktur, das dann mit dem gewünschten Muster verglichen wird. Wenn das Muster innerhalb der akzeptablen Toleranzen liegt, wird es bestanden und die Verarbeitung kann fortgesetzt werden. Wenn es nicht akzeptabel ist, wird die Probe verworfen. Abbildung 2 zeigt ein Bild einer Einkristallgitterstruktur.

XRD wird auch häufig zur Spannungsmessung eingesetzt. In dieser Anwendung misst die Methode erneut das Kristallgitter, aber anstatt die atomare Ausrichtung zu prüfen, konzentriert sie sich auf die Spannung auf atomarer Ebene. Die Röntgenstrahlen werden immer noch in bestimmten Bereichen fokussiert und die Probe absorbiert einen Teil davon, aber es sind die gebeugten Röntgenstrahlen, die zur Auswertung herangezogen werden. Bei Spannungsmessungen werden die gebeugten Röntgendaten verwendet, um das Ausmaß der Abstandsänderung zwischen den Atomen zu messen. Diese Abstände haben ebenso wie die Orientierungsmuster bekannte und gewünschte Werte und die tatsächlichen Messungen können verwendet werden, um zu beurteilen, ob die Belastungsniveaus akzeptabel sind oder nicht.

N-Ray und XRD sind nur zwei Beispiele für ZfP-Methoden, die zum Auffinden von Fehlern eingesetzt werden, die nicht offen diskutiert werden oder nicht bekannt sind. Es gibt viele dieser, nicht so üblichen Inspektionen für verschiedene Branchen und einige, die sich sehr speziell auf die hergestellten Materialien/Komponenten beziehen.

Denken Sie immer daran, dass Fehler in vielen verschiedenen Formen, Ausrichtungen und Größen auftreten können und dass es sich um geringfügige Materialunterschiede, Oberflächenfehler oder alles handeln kann, was nicht auf oder in einer Komponente sein sollte.

Greg Weaver ist Präsident bei Weaver NDT und ASNT LEVEL III RT #149144. Für weitere Informationen rufen Sie (505) 340-5680 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie WeaverNDT.com.