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Echtzeit-Einblick in das Kornwachstum mit der zerstörungsfreien N D T Technologie Laser-Ultraschall


In Zusammenarbeit der Linseis Messgeräte GmbH und der RECENDT GmbH (Research Center for Non-Destructive Testing GmbH) wurde ein Echtzeit-Korngrößenermittlungssystem auf Basis eines Dilatometer-Systems (DIL L78/RITA) und eines adaptierten Laser-Ultraschall Systems (LUS) entwickelt.

Dabei erfolgt die Korngrößenermittlung aus den LUS Daten wie folgt:

Die zerstörungsfreie NDT Technologie „Laser-Ultraschall“ (LUS) ermöglicht eine in-situ Analyse der Korngröße basierend auf einer Auswertung der frequenzabhängigen Ultraschalldämpfung 𝛼(𝑓), welche bei der angewandten Methodik hauptsächlich durch die Streuung an Korngrenzen hervorgerufen wird.

Diese frequenzabhängige Ultraschalldämpfung wird mittels folgender Exponentialfunktion modelliert:

𝛼(𝑓)=𝑎+𝑏𝑓𝑛

Dabei setzt sich 𝛼(𝑓) aus einem Absorptionskoeffizienten 𝑎, einem Streuungskoeffizienten 𝑏, der Frequenz 𝑓 und dem Exponenten 𝑛 zusammen, wobei der Absorptionskoeffizient die inneren Reibungsverluste beschreibt, und der Streuungskoeffizient der interessante Korngrößenparameter ist (proportional zur mittleren Korngröße). Der Exponent 𝑛 ergibt sich aus dem Verhältnis der akustischen Wellenlänge zur mittleren Korngröße, wobei meist drei Arten der Streuung unterschieden werden, die Rayleigh (𝑛=4), die stochastische (𝑛=2) und die geometrische (𝑛=0) Streuung [1].

Der Zusammenhang des Streuungskoeffizienten mit der interessierenden Korngröße 𝐷 wird wie folgt modelliert:

𝛼(𝑓)=𝑎+𝐶 (𝐷−𝐷0)𝑛−1 𝑓𝑛

Für den Streuungskoeffizienten 𝑏 wird hier das Produkt aus dem materialabhängigen Parameter 𝐶 und der relativen Änderung der mittleren Korngröße 𝐷−𝐷0 (𝐷0 – Korngröße im Ausgangszustand) eingesetzt. Eine Kalibrierung des Modells durch mittlere Korngrößenwerte aus Schliffbildern bei bestimmten Temperaturzuständen liefert den Parameter 𝐶 [2].

Durch Laser-Ultraschall-Messungen und eine Datenanalyse mittels dieses Dämpfungsmodells ist ein Echtzeit-Einblick (in-situ) in das Kornwachstum eines Materials während thermischer Zyklen möglich. Abbildung 2 zeigt eindrucksvoll einen Vergleich dieser LUS-Echtzeit-Ergebnisse (Punkte) mit mehreren zeitaufwendigen Schliffbildanalysen (farbige × Markierungen).

Vergleich der Echtzeit Laser-Ultraschall Korngrößenberechnungen (Punkte) mit Schliffbildanalysen von abgeschreckten Proben (farbige x Markierungen) bei Vergütungsstahl C45E

Vergleich der Echtzeit Laser-Ultraschall Korngrößenberechnungen (Punkte) mit Schliffbildanalysen von abgeschreckten Proben (farbige x Markierungen) bei Vergütungsstahl C45E

[1] S. Sarkar, A. Moreau, M. Militzer, and W. J. Poole, “Evolution of austenite recrystallization and grain growth using laser ultrasonics,” Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci., vol. 39 A, no. 4, pp. 897–907, 2008, doi: 10.1007/s11661-007-9461-6.

[2] T. Garcin, J. H. Schmitt, and M. Militzer, “In-situ laser ultrasonic grain size measurement in superalloy INCONEL 718,” J. Alloys Compd., vol. 670, pp. 329–336, 2016, doi: 10.1016/j.jallcom.2016.01.222.