Zerstörungsfreie Charakterisierung thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen

Abstract

Funktionale Beschichtungen kommen in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz, um gewisse chemische oder physikalische Oberflächeneigenschaften zu erreichen. Da die Beschichtungen diese Anforderungen erfüllen müssen, besitzt die Sicherstellung ihrer Integrität eine hohe Priorität. Zwei ebenso wichtige wie breit gefächerte Aufgabengebiete von zerstörungsfreien Mess- und Prüfverfahren sind daher die Bestimmung von Beschichtungsporosität und -dicke. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Methodenentwicklung zur Charakterisierung thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen. Um deren prozentualen Hohlraumanteil sowie die Form und Größe von Hohlräumen zu quantifizieren, wird die Bildverarbeitung von hochauflösenden Bilddaten aus der Röntgen-Computertomografie untersucht. Durch Parametervariationen wird zunächst deren Kontrast-Rausch-Verhältnis optimiert. Außerdem werden die Resultate mit anderen bildgebenden Verfahren verglichen, wie etwa Synchrotron-Computertomografie und Metallografie. Der Plausibilitätsabgleich führt zu dem Resultat, dass die hochauflösende Röntgen-Computertomografie aufgrund der erreichbaren Strukturauflösung, Präzision und Stabilität sehr gut zur Erfassung und Auswertung von Hohlräumen in Materialproben aus thermisch gespritzten Beschichtungen geeignet ist. Zur Schichtdickenmessung der thermisch gespritzten Zylinderlaufflächen werden magnetische und fotothermische Sensorik untersucht. Dazu werden bei beiden Verfahren Verbesserungen vorgenommen, beispielsweise eine mechanische Vorrichtung zum reproduzierbaren Aufsetzen von magnetischen Sonden sowie eine Optimierung von zentralen Thermografie-Parametern. Anhand einer großen Bandbreite von Teilen mit unterschiedlicher Beschichtungsdicke werden die Wiederhol- und Vergleichspräzision der zwei Methoden miteinander verglichen, begleitet von Kalibriermessungen mit der Röntgen-Computertomografie. Auch in diesem Kontext stellt letztere ein zuverlässiges und präzises Referenzverfahren dar, wie durch einen Vergleich mit der Metallografie ersichtlich wird. Mit der ausgewählten magnetischen Sonde gelangt man zu einer Messunsicherheit von ±7,0 μm und die optisch angeregte Lock-in-Thermografie erreicht auf identischer Datenbasis eine Unsicherheit von ±5,4 μm.

Functional coatings are employed in many industries to achieve certain chemical or physical surface properties. Since the coatings have to satisfy these demands, ensuring their integrity has a high priority. Thus, the porosity and thickness measurements are important tasks of non-destructive testing. This contribution focuses on the investigation of non-destructive testing methods for thermally sprayed cylinder bore coatings. Image processing of highresolution x-ray computed tomography data is examined in order to quantify internal pores and voids with respect to their volume percentage as well as typical shape parameters. In order to optimize the contrast-to-noise ratio of computed tomography data, parameter variations are performed along with that. Quantitative results are compared to other 2D and 3D imaging techniques, such as synchrotron x-ray computed tomography and metallography. The comparison yields the result that high-resolution x-ray computed tomography is reliable, precise and stable to quantify pores and voids in thermally sprayed coatings. Besides that, magnetic and photothermal thickness measurements are investigated. For both techniques several optimizations are realized, such as developing a mechanical apparatus for reproducible placement of magnetic probes and optimization of thermography parameters. Hereafter, both methods are compared in terms of their repeatability and reproducibility. The measurements are performed on a wide spectrum of parts whose coating thickness is also determined for comparison by x-ray computed tomography. Again, the latter turns out to be a reliable and precise reference technique as can be seen from a comparative study with metallography. The selected magnetic probe reaches an uncertainty of ±7,0 μm, while optically excited lock-in thermography leads to ±5,4 μm with the very same samples.