DE102004017646A1

DE102004017646A1 - Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen für Flugzeugtriebwerke

Info

Publication number: DE102004017646A1
Application number: DE200410017646
Authority: DE
Inventors: Dan Roth-Fagaraseanu; Thomas Dr. Haubold
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-10-27

Abstract

Die Erosionsschutzbeschichtung der Leit- und Laufschaufeln von Verdichtern für Flugtriebwerke, insbesondere einer BLISK oder einer BLISK-Trommel, erfolgt unter Anwendung des Gasflusssputterns in der Weise, dass der aus der Sputterquelle (2) austretende Gasstrom (6) entsprechend dem während des Flugbetriebs auftretenden Strömungsverlauf entlang bzw. zwischen den zu beschichtenden Schaufelflächen geleitet wird. Mit diesem Verfahren können die Schaufeln (5) einer in einer Vakuumkammer (1) untergebrachten BLISK (4) bei zulässiger Wärmebelastung der BLISK kostengünstig und mit geringem apparativem Aufwand vollflächig beschichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen für Flugtriebwerke durch Sputtern, insbesondere zur Erosionsschutzbeschichtung der Schaufelblätter einer BLISK oder einer Trommelkonfiguration aus BLISKs.

Die Leitschaufeln und die Laufschaufeln im Verdichterbereich von Flugzeugtriebwerken sind durch in der angesaugten Luft enthaltene Sand- und Schmutzpartikel einer erheblichen erosiven Belastung unterworfen. Der damit verbundene Verschleiß hat eine verringerte Leistung des Triebwerks und einen erhöhten Kraftstoffverbrauch zur Folge. Der Wartungs- und Reparaturaufwand für die einer Erosion ausgesetzten Bauteile und die dadurch entstehenden Kosten sind entsprechend hoch. Insbesondere bei der im Verdichterbereich vielfach eingesetzten BLISK-Bauweise, bei der die Scheibe und die Schaufeln ein einstückiges Bauteil bilden, bereitet die Instandsetzung Schwierigkeiten und ist mit hohen Kosten verbunden.

Neben den zur Erhöhung der Festigkeit des Schaufelmaterials bekannten Oberflächenbehandlungsverfahren, wie beispielsweise Kugelstrahlen, Laserschockpeening oder Kaltwalzen, ist auch das Aufbringen von hochfesten Erosionsschutzschichten durch das sogenannte Sputtern bekannt, bei dem im Hochvakuum von einem Target Atome abgedampft werden und auf der Oberfläche des in dem Vakuum befindlichen Bauteils, das heißt, einer Leit- oder Laufschaufel, abgelagert werden.

Für die Beschichtung der großvolumigen BLISK-Bauteile mit ihrer zudem komplizierten Geometrie ist dieses Verfahren bereits aus Kostengründen nicht geeignet.

Die US 59 52 985 beschreibt ein Verfahren zur Mehrfachbeschichtung mit im Wechsel angeordneten Schichten aus einem hochelastischen metallischen Material und einem sehr harten Material, bei dem ein in einer Hochvakuumkammer drehbeweglich angeordnetes Bauteil im Lichtbogen mit sehr dünnen Schichten bedampft werden kann. Das Verfahren ist jedoch insofern nachteilig, als es nur für kleinere, einzeln zu beschichtende Schaufeln geeignet ist, um in entsprechend kleinen Kammern das erforderliche Hochvakuum bereitstellen zu können und auch aller Schaufelbereiche erfassen zu können.

Bekannt ist weiterhin das sogenannte Gasflusssputtern, das auf einen Aufsatz von K. Ishi in J. Vac. Sci. Technol. A 7 (2) 1989 zurückgeht, bei dem von einer Hohlkathode abgestäubtes Kathodenmaterial mittels eines durch die Hohlkathode geleiteten Inertgasstroms in Form eines gerichteten Strahls unmittelbar auf die zu beschichtende, vor der Austrittsöffnung der Hohlkathode positionierte Fläche des betreffenden Substrats aufgetragen wird. Entsprechende Vorrichtungen sind u.a. in der DD 294 511 , der DE 42 10 125 und der EP 0 938 595 beschrieben. Das seit langem bekannte Gasflusssputtern wurde für kompliziert ausgebildete Bauteile, wie beispielsweise eine BLISK, bisher nicht eingesetzt, da in einem Schattenbereich des mit dem Beschichtungsmaterial angereicherten Inertgasstroms liegende Bauteilbereiche nicht von dem Gasstrom und den darin enthaltenen Materialpartikeln erfasst werden und der Materialauftrag somit unvollständig oder ungleichmäßig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beschichtung der Leit- und Laufschaufeln im Verdichterbe reich von Flugzeugtriebwerken, insbesondere einer aus einer Scheibe mit integral angeformten Schaufeln bestehenden BLISK oder einer mehrstufigen BLISK, anzugeben, dass eine gleichmäßige und vollständige Ausbildung von Verschleißschutzschichten auf allen Flächenbereichen gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Der Kern der Erfindung besteht mit anderen Worten in der Anwendung des Gasflusssputterns zur ein- oder mehrlagigen Beschichtung von Leit- und Laufschaufeln für die Verdichter von Flugzeugtriebwerken und insbesondere von ein- oder mehrstufigen BLISKs, derart, dass der Materialauftrag in einer an die Strömungsverhältnisse während des Betriebs einer Fluggasturbine angepassten Form erfolgt. Indem der Gasstrom aus dem Gasflusssputterprozess mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit der bereits aerodynamisch optimierten Form einer Schaufel bzw. einer Schaufelanordnung folgt und diese nutzt, erfolgt die Beschichtung unter Strömungsbedingungen, die einen optimalen Materialauftrag gewährleisten. Der Gasflusssputterstrom ist so geführt, dass er die Schaufelflächen umspült und diese vollständig kontaktiert. Dabei wird eine einzelne BLISK senkrecht oder im Winkel zur Eintrittskante der Schaufeln mit dem Gasstrom beaufschlagt, während eine Trommelkonfiguration aus BLISKs parallel oder im Winkel zur Schaufeleintrittskante angeströmt wird. Diese Art der Ausströmung in Bezug auf die Eintrittskanten der Schaufeln gewährleistet in jedem Fall eine vollständige Kontaktierung der eng aneinander liegenden Oberflächen der Schaufeln einer einzelnen BLISK und insbesondere auch einer BLISK-Trommel. Im Vergleich zu den bisher bekannten, aber für die Anwendung bei BLISKs nicht geeigneten Beschichtungsprozessen kann mit den der aerodynamisch optimierten Form der Schaufeln folgenden Strömungsbedingungen eine dauerhafte Beschichtung aller Schaufelbereiche mit dem im Sputterprozess erzeugten Erosionsschutzmaterial erreicht werden, und zwar auch der infolge der komplizierten Schaufelform üblicherweise nicht sichtbaren, im Schattenbereich des Gasstroms der Sputterquelle liegenden Schaufelflächen. Die Beschichtung der Schaufeln oder der Schaufelflächen einer BLISK unter an den praktischen Flugbetrieb angepassten Bedingungen gewährleistet zudem eine feste Haftung des Beschichtungsmaterials an den Schaufelflächen. Insbesondere an den Schaufelbereichen, die im Flugbetrieb einer besonders hohen erosiven Belastung ausgesetzt sind, ist eine sichere Beschichtung mit Erosionsschutzmaterial gewährleistet. Gegenüber den zur Erosionsschutzbeschichtung bekannten Verfahren ist die erfindungsgemäße Anwendung des Gasflusssputterns noch insofern vorteilhaft, als erstmals komplexe Geometrien, wie zum Beispiel BLISKs, und zwar auch in der mehrstufig montierten Form, mit vergleichsweise geringem apparativem Aufwand und kostengünstig beschichtet werden können. Das ergibt sich daraus, dass nicht nur die relevanten Erosionsangriffsflächen sicher beschichtet werden, sondern der Beschichtungsprozess auch unter Bedingungen abläuft, die zum einen eine Beeinträchtigung der Materialeigenschaften durch hohe Temperaturen ausschließen und die zum anderen aufgrund der verringerten Anforderungen an das Vakuum eine einfache Ausbildung der für die Aufnahme der großen BLISKs erforderlichen großen Vakuumkammern gestatten. Mit der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Lebensdauer der entsprechend beschichteten Lauf- und Leitschaufeln einer BLISK deutlich erhöht werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene neue technische Lehre ist nicht auf die Erosionsschutzbeschichtung von Verdichterschaufeln beschränkt, sondern kann auch bei vergleichbaren Bauteilen und Beschichtungen eingesetzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, deren einzige Figur eine stark schematisierte Darstellung einer Anordnung zur Beschichtung von in einem Schaufelkranz angeordneten Schaufeln gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt, näher erläutert.
In einer Vakuumkammer 1 befinden sich eine Sputterquelle 2 und im Abstand vor deren Gasaustrittsöffnung 3 ein Bauteil (BLISK) 4 mit integral an einer Scheibe angebrachten Schaufeln 5, auf die eine Erosionsschutzbeschichtung aufgebracht werden soll. Die Sputterquelle 2 ist eine in üblicher Weise ausgebildete und daher nicht näher erläuterte Hohlkathode, von der im Sputterprozess die als Beschichtungsmittel vorgesehenen Materialteilchen abgelöst werden und mit einem kontinuierlich durch den Hohlraum der Sputterquelle 2 geleiteten Inertgasstrom aus dem Hohlraum ausgetragen werden. Wie die Zeichnung zeigt, werden die Schaufelflächen bzw. der Raum zwischen zwei benachbarten Schaufeln 5 von dem mit den Beschichtungsmittelteilchen beladenen Gasstrom 6 in einer Art und Richtung angeströmt bzw. durchströmt, die annähernd der Gasströmung und der Beaufschlagung der Schaufeln 5 während des Flugbetriebes entspricht. Auch die Geschwindigkeit des Gasstroms 6 kann so eingestellt werden, dass in Abhängigkeit von dieser bestimmte Beschichtungseffekte erzielt werden. Der Gasstrom 6 ist in Bezug auf die Eintrittskanten der Schaufeln 6 so gerichtet, dass die Strömung die beiderseitigen Schaufelflächen vollständig umspült und kontaktiert und somit auch eine vollständige Beschichtung der eng nebeneinander liegenden Schaufeln gewährleistet ist. Das Bauteil 4 ist während des Beschichtungsvorgangs auf bzw. an einem Manipulationstisch (nicht dargestellt) angebracht, der in X- und Y-Richtung beweglich ist und auch eine Drehbewegung des Bauteils 4 um seine Achse erlaubt, so dass alle in einem Schaufelkranz angeordneten Schaufeln 5 nacheinander unter den gleichen Bedingungen beschichtet werden können. Anstelle der in der Zeichnung schematisch dargestellten einstufigen BLISK kann in einem Arbeitsgang auch eine mehrstufige BLISK beschichtet werden. Wenn mit dem vorliegenden Verfahren eine mehrlagige Beschichtung aus abwechselnd harten und weichen Materiallagen, die jeweils aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, erzeugt werden soll, sind in der Vakuumkammer 1 zwei verschiedene, jeweils abwechselnd betriebene Sputterquellen angeordnet.

1: Vakuumkammer
2: Sputterquelle
3: Gasaustrittsöffnung
4: Bauteil, BLISK
5: Schaufel
6: Gasstrom

Claims

Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen für Flugtriebwerke durch Sputtern, insbesondere zur Erosionsschutzbeschichtung der Schaufelblätter einer BLISK oder einer Trommelkonfiguration aus BLISKs, gekennzeichnet durch die Anwendung des Gasflusssputterns, wobei das zu beschichtende Bauteil (4) von einem mit den Erosionsschutzpartikeln beladenen Gasstrom (6) derart überströmt wird, das die Strömung beim Beschichten entlang der gesamten zu beschichtenden Oberflächen der eng aneinander angeordneten Schaufeln (5) verläuft, indem eine einzelne BLISK senkrecht oder im Winkel zur Eintrittskante der Schaufeln und eine BLISK-Trommel im Winkel oder parallel zur Eintrittskante der Schaufeln angeströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Anstellwinkel des Gasstroms (6) in Bezug auf das Bauteil zur Einstellung der Schichtgeometrie geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer mehrlagigen, jeweils unterschiedlichen Beschichtung mindestens zwei mit jeweils unterschiedlichen Partikeln beladene Gasströme (6) erzeugt werden und abwechselnd oder aufeinanderfolgend entlang den Flächen der zu beschichtenden Teile (5) des Bauteils (4) geleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer flexiblen Erosionsschutzbeschichtung im Wechsel weiche und harte Schichten aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (4) und/oder die Sputterquelle (2) während des Beschichtungsprozesses bewegt werden.