Volume 51, Issue 10

The development of modern power generation systems with higher thermal efficiency requires the use of constructional materials of higher strength and improved resistance to the aggressive service atmospheres. The following two examples are discussed: 1. The oxidation behaviour of 9 wt.-% Cr steels in simulated combustion gases: The effects of O 2 and H 2 O content on the oxidation behaviour of 9 wt.-% Cr steels in the temperature range 600—800°C showed that in dry oxygen a protective scale was formed with an oxidation rate controlled by diffusion. In contrast, that in the presence of water vapour, after an incubation period, the scale became non-protective as a result of a change in the oxidation mechanism. Oxidation experiments on 10 wt.-% Cr steel in simulated steam atmosphere at 650°C have shown that a hematite layer is already formed. The investigation suggest that several independent processes such as oxide dissociation and solid state diffusion of iron cations in the scale significantly contribute to the overall oxide growth process. 2. The development of light-weight intermetallics of TiAl-basis: TiAl-based intermetallics are promising materials for future turbine components because of the combination of high temperature strength and low density. These alloys, however, posses poor oxidation resistance at temperatures above 700°C. The experimental results showed, that the oxidation behaviour of TiAl-based intermetallics can be strongly improved by minor additions of 1–2 at.-% silver.

The latest achievements developed by the ISL-LOD in the area of elaborating and application of novel optical methods for nondestructive testing and material characterization are discussed. A special attention is given to the application of quasi-nondiffracting Bessel light beams for: i) conical beam-based profilometry for characterization of cylindrical machinery parts; ii) Stokes polarimetry based on super-Gaussian and Bessel beams; iii) Bessel beam-based interferom-etry; iv); quasi-nondiffracting speckle-photometry for remote sensing. Also the description is given of a new thermo-optical method for measurement of thermal diffusion coefficient and hardness of metal and alloys. Finally, a novel method for surface state evaluation based on three dimensional scatterometry technique is described.

Kurzfassung Mikrotomographie erlaubt die hochauflösende Abbildung verdeckter Mikrostrukturen und den Nachweis von Mikrorissen und Mikroporen in vielfältigen Bereichen, darunter die Untersuchung von mikroporösen Materialien und Fasernetzwerken, der Mikrostruktur biokompatibler Materialien (Implantate), der Entwicklung der Struktur von Metallgefügen u.v.m. Synchrotron-Laminographie erweitert das Anwendungsspektrum der 3-D-Methoden auf die zerstörungsfreie Bauteiluntersuchung ohne Probenentnahme bzw. Probenpräparation, und erweitert die hoch auflösende Inspektion z.B. in der Mikrosystemtechnik, der Paläontologie Archäologie etc. Ultraschnelle Radiographie, Computertomographie und Laminographie erlauben die In-situ-Untersuchung von Proben und Bauteilen in Echtzeit und unter betriebsnahen Bedingungen verschiedenster Probenumgebung. Phasenkontrast erweitert die Anwendungsbreite der 2-D und 3-D abbildenden Synchrotronverfahren auf leichte Materialien und führte die Methoden damit in die Leichtbautechnologien und die Lebenswissenschaften. Die Kombination der Techniken mit Röntgenoptiken treibt die Grenzen der Ortsauflösung in den Bereich weniger 10 nm.

We present two optical solutions being suitable for on-line fabrication control. The first technique is applicable to measure three dimensional profiles of microstructures at long working distance up to several tens of centimeters keeping the nanometer in-depth accuracy. The second is appropriate for the express space-resolved characterization of residual stress areas and microcracks in solar cell wafers.

Ultradisperse nanodiamonds can be implemented as nanoagents in materials and life sciences by chemical or biological activation. In this paper we show the potential of nanodiamonds for specific applications in the fields of corrosion resistance and cell biology. We demonstrate that nanodiamonds can be used to refine surfaces in order to improve corrosion resistance, to increase adhesion properties, or to establish an on-line surface analysis technique, e.g. for corrosion monitoring, based on their optical properties. We further applied ultradisperse nanodiamonds in cell biology. Our data show that nanodiamonds can be taken up by living cells via transfection in the presence of dendrimers. Upon functionalization with antibodies, nanodiamonds can be targeted to specific intracellular structures.

Kurzfassung Das im IZFP-D entwickelte Ultraschall-Front-End-System verfügt je nach Ausbaustufe über 16 bis 64 Ultraschallkanäle. Dieses System kann in den Betriebsarten (a) Mehrkanal-Ultraschall (jeder Ultraschall-Kanal wertet ein separates Sensorsignal aus), (b) Ultraschall-Phased-Array (bis zu 16 Ultraschall-Kanäle werden phasenverschoben angesteuert und aufsummiert) und (c) Sampling-Phased-Array (Ultraschalldaten aller Kanäle werden aufgenommen und im Rechner zu einem Phased-Array-Bild zusammengefügt) arbeiten. Die beschriebene Hardware der Ultraschallkanäle ermöglicht durch hohe Sendespannung und große Verstärkungsdynamik die Ultraschallprüfung auch stark dämpfender Materialien. Durch ihren kompakten Aufbau kann die Hardware des Ultraschallsystems in unmittelbarer Nähe der Sensoren platziert werden. Sie ist damit für den Aufbau automatisierter Ultraschall-Prüfsysteme prädestiniert.

Kurzfassung Mit kommerziellen Ultraschallmikroskopen kann das Innere eines Bauteils mittels Ultraschall untersucht werden. Üblicherweise fokussiert ein Schallwandler Ultraschallwellen auf eine Tiefe im Volumen und empfängt die reflektierten Schallwellen. Durch Scannen können Schnittbilder des Bauteils erzeugt werden. Das Erstellen von Volumenabbildungen ist auf diese Weise jedoch sehr aufwendig und auch nur bedingt möglich. In diesem Artikel wird ein Ultraschall-Tomografieverfahren vorgestellt, welches das Volumen aus den Daten eines einzigen Flächenscans rekonstruieren kann. Im Körper befindliche Fehler, wie z.B. Poren, Einschlüsse und auch schräg liegende Risse können räumlich oder in Schnittbildern ortsgenau dargestellt werden.

Kurzfassung In diesem Bericht wird die Entwicklung eines Structural-Health-Monitoring Systems, SHM, vorgestellt, das den Zustand der Rotorblätter von Windenergieanlagen überwachen und rechtzeitig vor Totalausfällen Strukturveränderungen detektieren und lokalisieren soll. Es basiert auf einer Kombination von Messtechniken aus den Bereichen der geführten Wellen im Ultraschallbereich und niederfrequenter Modalanalyse. Die Kombination beider Techniken ist bei bisherigen Rotorblattuntersuchungen bereits erfolgversprechend eingesetzt worden. Mittels Modalanlayse sind Aussagen zum Gesamtverhalten der Rotorblattstruktur möglich; gefährdete und stark beanspruchte Bereiche werden zusätzlich durch geführte Wellen im Ultraschallbereich überwacht.

Kurzfassung In zunehmendem Maße gilt es für Betreiber industrieller Großanlagen oder Bauwerke, deren mögliche Betriebsdauer auszureizen bzw. zu verlängern. Hierzu ist die Kenntnis des aktuellen Spannungs- und Materialzustands der Komponenten unabdingbar, um daraus auf die mögliche Restlebensdauer zu schließen. Für die Charaktersierung ferromagnetischer Materialien steht dabei die Barkhausen-Prüftechnik als zerstörungsfreies Verfahren zur Verfügung. Die fraktale Analyse des Barkhausenrauschens generiert eine neue Kenngröße, die fraktale Dimension, die zusammen mit dem der mechanischen Spannung proportionalen magnetischen Parameter eine wesentliche Charakterisierung des Materialzustandes erlaubt. Das Verfahren wird ausführlich erläutert und anhand von Beispielen werden verschiedene industrielle Abwendungen demonstriert.

Kurzfassung Die Rasterkraftmikroskopie mit akustischer Anregung der Probe (AFAM) ist eine dynamische Erweiterung der Rasterkraftmikroskopie. Als kontaktbasierte Methode liefert sie Informationen über effektive elastische Eigenschaften aus einem oberflächennahen Volumengebiet. Das Potenzial von AFAM zur Detektion verdeckter Strukturen wurde an drei idealisierten Testobjekten mit verdeckten Hohlräumen mittels qualitativer Bildgebung evaluiert. Eine Probe ist eine dünne, speziell präparierte Siliziumnitridmembran. Weitere Strukturen sind eine Gruppe neun quadratischer Membranen mit Kantenlänge 3,7 μm und linear abgestuften Dicken von 30 nm bis 270 nm, sowie eine Keilstruktur mit Breite 1,6 μm, Länge 50 μm und linear steigender Membrandicke von 0 μm bis 2,7 μm. In den AFAM-Abbildungen sind die verdeckten Strukturen jeweils bis zu Tiefen detektierbar, die deutlich über den Annahmen der Kontaktmechanik für homogene Proben liegen. An dünnen Siliziumdioxidschichten mit Dicken und Dickenunterschieden im Bereich weniger Nanometer konnte gezeigt werden, dass AFAM das Potenzial zur Schichtcharakterisierung besitzt. Sowohl die Dickenunterschiede waren detektierbar als auch die Abhängigkeiten des elastischen Verhaltens der drei Schichtsysteme bei steigenden Spannungsfeldtiefen.

Kurzfassung Kurzlebige offene Radionuklide eignen sich sehr gut zur Untersuchung von Transport- und Mischungsvorgängen. Sie erzeugen keine messbare Verunreinigung des Produktes. Das Produkt kann nach Abklingen des Radiotracers ohne Einschränkungen weiter verwendet werden. Es werden Beispiele gezeigt, bei denen technische Prozesse mit Radiotracern untersucht wurden.

Kurzfassung Zur automatischen Beurteilung von Prüfobjekten wird die Eignung akustischer Mustererkennungsverfahren untersucht. Eine relevante Anwendung liegt dabei in der Zustandsüberwachung von Konstruktionselementen für Flugzeuge. An zwei typischen Flugzeugkonstruktionsmaterialien wurden Experimente mit dem Ziel durchgeführt, Beschädigungen sicher zu erkennen und, wenn möglich, eine Abschätzung des Grades zu geben. Nach Merkmalextraktion und -kompression erfolgte eine Modellierung der Messsignale mit Hidden-Markov-Modellen (HMM) und Support Vector Machines (SVM). Sowohl mit HMM als auch mit SVM konnten alle getesteten Fehler sicher erkannt werden. HMM sind besonders zur Abschätzung des Beschädigungsgrads, SVM zur Erkennung geringfügiger Beschädigungen geeignet.

Kurzfassung Die Lebensdauer von Flugzeugturbinen-Komponenten kann verlängert werden, indem zusätzliche Druckspannungen in die Materialoberfläche eingebracht werden. Typische Flugzeugturbinen-Legierungen wie Nickelbasis-Superlegierungen werden hierzu mittels Kugelstrahlen oberflächenbehandelt. Durch die zusätzlichen Druckeigenspannungen wird der Rissbildung in den Bauteilen vorgebeugt, womit die Lebensdauer der Komponenten verlängert werden kann. Da durch die hohen thermischen und mechanischen Belastungen während des Turbinenbetriebs die Druckspannungen relaxieren können, müssen regelmäßig zerstörungsfreie, quantitative Untersuchungen der Spannungsgradienten in der Materialoberfläche durchgeführt werden. In dieser Veröffentlichung werden Arbeiten präsentiert, bei denen solche Verfestigungs-Tiefenprofile mit hochpräzisen Wirbelstrommessungen im hochfrequenten Bereich bis 100MHz durchgeführt wurden. Entsprechende Testkörper aus IN178 wurden in unterschiedlichen Intensitäten kugelgestrahlt und konnten mittels Wirbelstrommessungen gut voneinander separiert werden. Indem Messfrequenzen zwischen 100 kHz und 100 MHz hintereinander durchgeschaltet werden, kann ein Tiefenprofil der elektrischen Leitfähigkeit in Tiefen von 50 bis 500 μm erreicht werden. Das ermittelte Leitfähigkeitsprofil ist ein gemischtes Signal bestehend aus Informationen von den Eigenspannungen, der Kaltverfestigung, der Oberflächenrauigkeit und dem Gefüge des Materials. Zusätzlich werden in dieser Veröffentlichung erste Ergebnisse von Spannungsprofilen präsentiert, die mit einem industriell applizierbaren NDT-Gerät ermittelt worden sind.

Kurzfassung Ein neuartiges technisches Konzept für eine zukünftige Generation industrieller Röntgenquellen im Bereich bis 1MV wird vorgestellt. In Eintank-Bauweise ist eine keramische Kaskaden-Röntgenröhre direkt mit der Hochspannungskaskade verbunden und wird mit SF 6 elektrisch isoliert. Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit des Röntgenquellenkonzeptes wurden Monte-Carlo-Simulationen in der Durchstrahlungsgeometrie spezieller Ziel-Applikationen durchge-führt und diese Ergebnisse mit den Messungen eines Labor-Prototypen verglichen. Damit ist es möglich, in effizienter Weise Wirkungsabhängigkeiten von Designparametern zu verstehen, technologische Leistungsgrenzen abzuschätzen und mögliche Verbesserungspotenziale frühzeitig zu orten. Entwicklungsprojekte können somit schneller und vor allem zielgerichteter durchgeführt werden.

Kurzfassung In der zerstörungsfreien Fehlerprüfung mit Ultraschall haben sich unterschiedliche Auswerteverfahren etabliert. Dieser Beitrag stellt eine Kombination von Verfahren vor, die unterschiedliche Komplexität aufweisen und sich gegenseitig ergänzen. Aus einem HF-Prüfdatensatz werden verschiedene Merkmale extrahiert und zur Auswertung herangezogen. Der Fehlerrekonstruktion mittels der Synthetischen-Apertur-Fokus-Technik SAFT wird die Auswertung anhand der Amplituden-Laufzeit-Orts-Kurven gegenübergestellt, die nur ein Teil der Prüfdaten benötigt und daher weniger rechenzeitintensiv ist. Auf der Basis von analytischen Näherungen für die Amplituden-Orts-Kurven können außerdem die aus den HF-Daten extrahierten Amplitudendynamikkurven im Hinblick auf die Fehlerabmessungen und Fehlerorientierungen invertiert werden. Diese Vorgehensweise wird anhand eines repräsentativen Testfehlerdatensatzes illustriert und deren Vorteile für mögliche Anwendungen diskutiert.