Zerstörungsfreie Bestimmung der Einhärtungstiefe lasergehärteter Turbinenschaufeln mit laserinduzierten Ultraschall-Oberflächenwellen

Das Randschichthärten von Stahl ruft eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschalloberflächenwellen hervor, die von der Härtungstiefe abhängt, wenn die Eindringtiefe der Oberflächenwelle über die Randschicht hinaus in das normalisierte oder vergütete Grundmaterial reicht. Die Messung der Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle kann deshalb für die Bestimmung der Härtungstiefe genutzt werden. Da diese Änderung in der Regel nur wenige Prozent beträgt, muß die Messung mit einem relativen Fehler von Delta c/c ist kleiner als 10 minus hoch 3 ausgeführt werden. Um dies auch an Bauteilen mit einer komplizierten Form zu erreichen, wurde eine Meßanordnung entwickelt, bei der durch einen geteilten Laserstrahl in einem definierten Abstand 1 auf der Bauteiloberfläche gleichzeitig zwei Oberflächenwellenimpulse angeregt werden, die von einem Oberflächenwellenwandler empfangen werden. Dieser ist in der Verlängerung der Verbindungslinie der Brennpunkte der beiden Laserstrahlen auf der Bauteiloberfläche angeordnet. Die Schallgeschwindigkeit ergibt sich aus dem Abstand 1 und der Differenz Delta t der Laufzeiten der Schallimpulse zum wandler nach c = 1/Delta t. Um aus der Änderung der Schallgeschwindigkeit die Härtungstiefe bestimmen zu können, muß das Verfahren an Proben mit bekannter Härtungstiefe kalibriert werden. Die Meßmethode wurde an Turbinenschaufeln getestet, deren Eintrittskanten zur Verbesserung der Erosionsverschleißbeständigkeit lasergehärtet worden waren. Die Einhärtungstiefe konnte mit einer statistischen Sicherheit von + minus 5 % bestimmt werden. Die Meßfrequenz betrug 1,4 MHz. Bei dieser Frequenz besitzt das Verfahren eine Eindringtiefe von etwa 2,5 mm.