DE102004017646A1

DE102004017646A1 - Process for coating aircraft engine components by sputtering, especially erosion protection by blade coatings of BLISK or BLISK drum configuration useful for coating jet engine turbine blades

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

Process for coating aircraft engine components by sputtering, especially erosion protection by blade coatings of BLISK or BLISK drum configuration, where by the use of gas flow patterns, a gas stream loaded with corrosion protection particles flows over the surfaces of the tightly arranged blades and coats them with the particles, with the individual BLISK perpendicular or at an angle to the blade entry edges.

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.The The invention relates to a method for coating components for aircraft engines by sputtering, in particular for erosion protection coating of airfoils BLISK or drum configuration from 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.The Vanes and the rotor blades in the compressor area of aircraft engines are due to in the sucked air contained sand and dirt particles subjected to a considerable erosive load. The associated Wear has a reduced power of the engine and an increased fuel consumption result. The maintenance and Repair effort for the components exposed to erosion and the resulting damage Costs are correspondingly high. Especially in the compressor area often used BLISK construction, in which the disc and the Shovels a one-piece Make the repair and repair trouble is associated with high costs.

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.Next the one to increase the strength of the blade material known surface treatment method, such as shot peening, laser shock peening or cold rolling, is also the application of high-strength erosion protection layers by the so-called sputtering known in which in a high vacuum of a Target atoms are evaporated off and on the surface of the in the vacuum component, that is, a guide or blade, be deposited.

Für die Beschichtung der großvolumigen BLISK-Bauteile mit ihrer zudem komplizierten Geometrie ist dieses Verfahren bereits aus Kostengründen nicht geeignet.For the coating the large-volume BLISK components with its complicated geometry, this procedure is already in place for cost reasons not suitable.

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.The US 59 52 985 describes a method for multiple coating with alternating layers of a highly elastic metallic material and a very hard material in which a rotatably mounted in a high vacuum chamber component can be coated in the arc with very thin layers. However, the method is disadvantageous in that it is suitable only for smaller, individually coated blades to be able to provide the required high vacuum in correspondingly small chambers and also to be able to detect all blade areas.

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.Also known is so-called gas-flow sputtering, which is based on an article by K. Ishi in J. Vac. Sci. Technol. A 7 (2) 1989, wherein the cathode material sputtered from a hollow cathode by means of an inert gas passed through the hollow cathode Inertgasstroms in the form of a directed beam is applied directly to the surface to be coated, positioned in front of the outlet opening of the hollow cathode surface of the respective substrate. Corresponding devices are inter alia in the DD 294 511 , of the DE 42 10 125 and the EP 0 938 595 described. The long-known gas flow sputtering has hitherto not been used for components of complicated design, such as a BLISK, because component areas lying in a shadow area of the inert gas stream enriched with the coating material are not covered by the gas stream and the material particles contained therein and the material application is thus incomplete or uneven is.

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.Of the Invention is based on the object, a method for coating the guide vanes and rotor blades in the compressor area of aircraft engines, in particular one of a disk with integrally molded blades existing BLISK or a multi-level BLISK, indicate that a uniform and full Training wear protection layers on all surface areas guaranteed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.According to the invention Task with a method according to the features of claim 1. From the dependent claims arise advantageous developments of the invention.

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.In other words, the essence of the invention consists in the use of gas flow sputtering for single- or multi-layer coating of guide vanes and rotor blades for the compressors of aircraft engines and in particular of single or multi-stage BLISKs, such that the material application in one of the flow conditions during the Operation of an aircraft gas turbine adapted form takes place. Since the gas flow from the gas flow sputtering process follows the aerodynamically optimized shape of a blade or a blade arrangement at a predetermined speed and uses it, the coating takes place under flow conditions which ensure optimum material application. The gas flow sputtering current is guided so that it surrounds the blade surfaces and completely contacts them. In this case, a single BLISK perpendicular or at an angle to the leading edge of the blades with the gas flow is applied, while a drum configuration of BLISKs is flowed parallel or at an angle to the blade leading edge. In any case, this type of outflow with respect to the leading edges of the blades ensures complete contacting of the closely spaced surfaces of the blades of a single BLISK and, more particularly, a BLISK drum. Compared to the previously known, but for the An In the case of BLISK's unsuitable coating processes, with the flow conditions following the aerodynamically optimized shape of the blades, a permanent coating of all blade regions can be achieved with the erosion protection material produced in the sputtering process, and also the coating usually not visible due to the complicated blade shape, lying in the shadow region of the gas flow of the sputtering source blade surfaces. The coating of the blades or the blade surfaces of a BLISK under conditions adapted to practical flight operation also ensures firm adhesion of the coating material to the blade surfaces. In particular, at the blade areas, which are exposed during flight a particularly high erosive load, a secure coating with erosion protection material is guaranteed. Compared with the methods known for erosion protection coating, the use of gas flow sputtering according to the invention is still advantageous in that for the first time complex geometries, such as BLISKs, even in the multi-stage assembled form, can be coated with comparatively little equipment and cost. This results from the fact that not only the relevant erosion attack surfaces are coated safely, but the coating process also takes place under conditions that preclude on the one hand impairment of the material properties by high temperatures and on the other hand due to the reduced vacuum requirements a simple training for allow the inclusion of large BLISKs required large vacuum chambers. With the application of the method according to the invention, the life of the corresponding coated blades and vanes of a BLISK can be significantly increased. The inventively proposed new technical teaching is not limited to the erosion protection coating of compressor blades, but can also be used in comparable components and coatings.

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.One embodiment The invention is based on the drawing, whose only figure is a highly schematic representation of an arrangement for coating of arranged in a blade ring blades according to the inventive method shows, closer explained.

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.In a vacuum chamber 1 There is a sputtering source 2 and at a distance in front of the gas outlet opening 3 a component (BLISK) 4 with blades integrally attached to a disk 5 to which an anti-erosion coating is to be applied. The sputter source 2 is a trained in a conventional manner and therefore not explained in more detail hollow cathode, are removed from the intended as a coating agent material particles in the sputtering process and with a continuously through the cavity of the sputtering source 2 guided inert gas stream are discharged from the cavity. As the drawing shows, the blade surfaces or the space between two adjacent blades 5 from the gas stream loaded with the coating agent particles 6 flows in a manner and direction, which flows approximately to the gas flow and the loading of the blades 5 during flight operations. Also the speed of the gas flow 6 can be adjusted to achieve certain coating effects depending on it. The gas flow 6 is with respect to the leading edges of the blades 6 directed so that the flow completely flushed around the two blade surfaces and contacted and thus ensures a complete coating of the closely adjacent blades. The component 4 is mounted during the coating process on or on a manipulation table (not shown), which is movable in the X and Y directions and also a rotational movement of the component 4 allowed around its axis, so that all arranged in a blade ring blades 5 can be coated successively under the same conditions. Instead of the one-stage BLISK, which is shown schematically in the drawing, a multi-stage BLISK can also be coated in one operation. If a multilayer coating of alternating hard and soft sheets of material, each consisting of different materials, is to be produced by the present method, then the vacuum chamber is in the vacuum chamber 1 two different, each alternately operated sputtering arranged.

11: Vakuumkammervacuum chamber
22: Sputterquellesputtering
33: GasaustrittsöffnungGas outlet
44: Bauteil, BLISKcomponent blisk
55: Schaufelshovel
66: Gasstromgas flow

Claims

Process for coating components for aircraft engines by sputtering, in particular for erosion protection coating of the blades of a BLISK or a drum configuration of BLISKs, characterized by the use of gas flow sputtering, wherein the component to be coated ( 4 ) from a gas stream loaded with erosion control particles ( 6 ) is flowed over in such a way that the flow during the coating along the entire surfaces to be coated of the closely arranged blades ( 5 ) runs by a individual BLISK is flowed perpendicular or at an angle to the leading edge of the blades and a BLISK drum at an angle or parallel to the leading edge of the blades.

A method according to claim 1, characterized in that the flow velocity and / or the angle of attack of the gas stream ( 6 ) with respect to the component for adjusting the layer geometry is regulated.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that for forming a multilayer, respectively different coating at least two loaded with different particles gas streams ( 6 ) and alternately or successively along the surfaces of the parts to be coated ( 5 ) of the component ( 4 ).

Method according to claim 4, characterized in that that in order to achieve a flexible erosion protection coating in the Alternating soft and hard layers are applied.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the components ( 4 ) and / or the sputtering source ( 2 ) are moved during the coating process.