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ERKLÄRUNG ZUR VOM BUND GEFÖRDERTEN FORSCHUNG
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Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung unter dem vom US-Marinenministerium vergebenen Auftrag Nr. N00421-03-C-0017 geschaffen. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Beschichtungen und Beschichtungsverfahren und insbesondere ein Verfahren zur Abscheidung erosionsbeständiger Beschichtungen auf Blisks (integral beschaufelte Scheiben) und andere Gasturbinenkomponenten mit Luftströmungsoberflächen, die für eine Beschädigung durch Erosion anfällig sind.
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Gasturbinen, einschließlich Gasturbinentriebwerken, weisen im Allgemeinen einen Verdichter, eine Brennkammer, in der ein Gemisch aus Brennstoff und Luft von dem Verdichter verbrannt wird, um Verbrennungsgase zu erzeugen, und eine Turbine auf, die durch die die Brennkammer verlassenden Verbrennungsgase drehend angetrieben wird. Sowohl der Verdichter als auch die Turbine verwenden Schaufeln mit Schaufelblättern, gegen die während eines Betriebs der Gasturbine Luft (Verdichter) oder Verbrennungsgase (Turbine) gerichtet werden und deren Oberflächen folglich einem Aufprall- und Erosionsschaden aufgrund von Partikeln unterliegen, die in der durch das Triebwerk angesaugten Luft mitgeführt werden. Wellenleistungstriebwerke, die in Hubschraubern verwendet werden, sind besonders anfällig für die Einsaugung deutlicher Mengen von Partikeln, wenn sie unter bestimmten Bedingungen, wie beispielsweise in Wüstenumgebungen, in denen ein Einsaugen von Sand wahrscheinlich ist, betrieben werden.
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Obwohl beide den eingesaugten Partikeln zuzuschreiben sind, kann ein Aufprallschaden von einem Erosionsschaden unterschieden werden. Ein Aufprallschaden wird in erster Linie durch Beaufschlagungen durch Partikel mit hoher kinetischer Energie verursacht und tritt gewöhnlich an der Vorderkante eines Schaufelblattes auf. Wenn sie mit relativ hohen Geschwindigkeiten strömen, treffen Partikel auf die Vorderkante oder den vorderen Abschnitt des Schaufelblattes unter einem flachen Winkel zu der (konkaven) Druckfläche des Schaufelblattes auf, so dass der Zusammenprall mit der Vorderkante frontal oder nahezu frontal erfolgt. Weil das Schaufelblatt gewöhnlich aus einer Metalllegierung erzeugt ist, die wenigstens etwas duktil ist, können Partikelaufpralle die Vorderkante unter Ausbildung von Graten verformen, die die Luftströmung stören und behindern, den Verdichterwirkungsgrad verschlechtern und die Brennstoffwirtschaftlichkeit des Triebwerks reduzieren können. Ein Erosionsschaden wird in erster Linie durch streifende oder schräge Partikelaufpralle auf die Druckseite eines Schaufelblattes hervorgerufen und konzentriert sich meist in einem Bereich vor der Hinterkante sowie sekundär in einem Bereich hinter oder jenseits der Vorderkante. Derartige streifende Aufprallvorgänge neigen dazu, Material von der Druckfläche, insbesondere in der Nähe der Hinterkante abzutragen. Dies hat zur Folge, dass das Schaufelblatt zunehmend dünner wird und aufgrund eines Sehnenlängenverlustes an seiner effektiven Oberfläche verliert, was eine Verringerung der Verdichterleistung des Triebwerks zur Folge hat. Aufgrund ihrer Lage in der Nähe des Eintritts zu dem Triebwerk erleiden Verdichterschaufeln eine Beschädigung sowohl durch Aufprall als auch durch Erosion entlang ihrer Strömungspfadoberflächen, insbesondere einen Aufprallschaden entlang ihrer Vorderkanten und einen Erosionsschaden an ihren (konkaven) Druckflächen.
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Verdichter von Gasturbinentriebwerken der Bauart, die in Hubschraubern verwendet werden, werden häufig als Blisks hergestellt, bei denen eine Scheibe und ihre Schaufeln als ein einziges integrales Teil hergestellt sind, im Gegensatz zu der gesonderten Herstellung der Scheibe und der Schaufeln und einer anschließenden mechanischen Befestigung der Schaufeln an der Scheibe. 1 stellt repräsentativ eine Blisk 10 der Bauart zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk dar. Die Blisk 10 weist eine Scheibe 12 (die auch als ein Laufrad, Rotor, eine Nabe, etc., bezeichnet wird) auf, von der aus sich Schaufeln 14 in Radialrichtung erstrecken. Wie für Blisks charakteristisch ist, sind die Schaufeln 14 integral mit der Scheibe 12 gefertigt, was das ergibt, was auch als eine beschaufelte Scheibe oder ein integral beschaufelter Rotor bezeichnet wird. Jede Schaufel 14 weist einen Schaufelblattabschnitt auf, der gegenüberliegend angeordnet eine konkave Fläche (Druckfläche) und konvexe Fläche (Saugfläche) 16 und 18, einander gegenüberliegend eine Vorder- und eine Hinterkante 20 und 22 sowie eine Schaufelspitze 24 aufweist.
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Die Schaufelblattoberflächen der Blisk werden gewöhnlich mit einer Beschichtung geschützt, die unter Verwendung verschiedener Methoden, einschließlich physikalischer Dampfphasenabscheidung (PVD, Physical Vapor Deposition), chemischer Dampfphasenabscheidung (CVD, Chemical Vapor Deposition) und thermischer Spritzprozesse, wie beispielsweise Abscheidung durch Hochgeschwindigkeit-Flammspritzen (HVOF, High Velocity Oxy-Fuel), abgeschieden werden können. Wie in der Technik bekannt, ist HVOF-Abscheidung ein thermisches Spritzverfahren, bei dem Partikel in einem einer Verbrennung unterworfenen Ultraschallstrom aus Wasserstoff und Sauerstoff mitgeführt werden. Der Ultraschallstrom und seine mitgeführten Partikel werden auf eine Oberfläche gerichtet, auf der die erweichten Partikel sich als „Platsche” ablagern, um eine Beschichtung zu erzeugen, die nicht säulenförmige, unregelmäßige angeflachte Körner und einen Inhomogenitäts- und Porösitätsgrad aufweist. PVD-Prozesse, wie beispielsweise Sputtern und Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD, Electron Beam Physical Vapor Deposition) scheiden Beschichtungen ab, die sich von HVOF-Beschichtungen mikrostrukturell dahingehend unterscheiden, dass sie dichter sind und/oder anstatt der unregelmäßigen angeflachten Körner säulenförmige Mikrostrukturen aufweisen.
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Die Effektivität einer Schutzbeschichtung auf einer Blink ist besonders wichtig, da die gesamte Blink aus dem Triebwerk entfernt werden muss, falls ein hinreichender Erosions- oder Aufprallschaden entweder an den Schaufeln oder der Scheibe eingetreten ist. Beschichtungsmaterialien, die weitläufig zum Schutz von Blisks verwendet werden, sind allgemein harte, erosionsbeständige Materialien, wie beispielsweise Nitride und Karbide. Vergleiche z. B.
US-Patentschrift Nr. 4,904,528 von Gupta et al. (Titannitridbeschichtungen),
US-Patentschrift Nr. 4,839,245 von Sue et al. (Zirkoniumnitridbeschichtungen) und
US-Patentschrift Nr. 4,741,975 von Naik et al. (Wolframkarbid- und Wolframkarbid/Wolfram-Beschichtungen). Während sie eine geeignete Erosionsbeständigkeit aufweisen, sind harte Beschichtungsmaterialien, wie beispielsweise Titannitrid, gegen Aufprallschäden nicht so beständig. Eine größere Stoßfestigkeit ist mit relativ dicken Beschichtungen erreicht worden, die aus Wolframkarbid und Chromkarbid erzeugt wurden, die durch einen HVOF-Abscheidungsprozess auf Dicken von etwa 0,003 Zoll (etwa 75 Mikrometer) aufgebracht wurden. Die erforderliche Dicke dieser Beschichtungsmaterialien kann zu übermäßig schweren Beschichtungen führen, die die Ermüdungsdauer (z. B. die Ermüdung bei hoher Lastspielzahl (HCF, High-Cycle Fatique)) negativ beeinflussen können, so dass aus diesem Grund die Beschichtungen häufig auf nur die Druckseite einer Schaufel in der Nähe der Schaufelspitze aufgebracht werden. Während die durch HVOF aufgetragenen Wolramkarbid- und Chromkarbid-Beschichtungen gut wirksam sind, wenn sie relativ runden Partikeln ausgesetzt sind, die im Wüstensand vorzufinden sind, neigen diese Beschichtungen dazu, höhere Erosionsraten aufzuweisen, wenn sie aggressiveren Partikeln, wie beispielsweise zerbrochenem Aluminiumoxid und zerbrochenem Quarz, ausgesetzt sind, deren Formen meist unregelmäßiger, mit scharfen Ecken ausgebildet sind.
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Wenn sie durch einen PVD-Prozess, wie beispielsweise Sputtern oder EB-PVD, abgeschieden werden, verhalten sich harte erosionsbeständige Materialien, wie beispielsweise Nitride und Karbide, hinsichtlich der Erosionsbeständigkeit besser, wenn sie aggressiven Medien, wie beispielsweise Aluminiumoxidbruch und Quarzbruch, ausgesetzt sind. Jedoch kann es aufgrund der schmalen Durchgänge zwischen Schaufeln und der engen Nähe zu ihren Schaufelblättern schwierig sein, gleichmäßige Beschichtungsdicken durch PVD auf den Strömungspfadoberflächen einer Blisk abzuscheiden. Wie in 2 dargestellt, ist es herkömmliche Praxis, die Blisk 12 um ihre Achse 26 herum zu drehen, die parallel zu einer Beschichtungsmaterialquelle 28 ausgerichtet ist, so dass die Schaufeln 14 in einer Ebene parallel zu der Richtung, in der die Dämpfe 30 von der Quelle 28 zu den Schaufeln 14 strömen, rotieren. Bei dieser Ausrichtung werden die Schaufeln 14, obwohl sie sich am nächsten zu der Quelle 28 befinden, beschichtet, während die Dämpfe 30 radial nach innen von den Schaufelspitzen 24 zu der Scheibe 12 hin strömen, wobei gleichzeitig die Beschichtung auf der konkaven (Druck-) und konvexen (Saug-)fläche 16 und 18 der Schaufeln abgeschieden wird. Dagegen sind einzelne Schaufeln (die nicht Teil einer Blisk sind und stattdessen gesondert hergestellt werden und eine Montage an einer Bläser- oder Turbinenscheibe, einem Rotor oder einem Laufrad erfordern) gewöhnlich derart orientiert, dass ihre Längsachse zu der Dampfquelle senkrecht ausgerichtet ist, und jede Schaufel wird um ihre Längsachse herum einzeln gedreht, um eine gleichmäßige Beschichtungsdicke auf ihrer Saug- und Druckfläche zu erzeugen, während dabei auch eine gleichmäßige Erwärmung des Schaufelsubstrats erreicht wird, um die Beschichtungshaftung zu unterstützen.
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Es wäre wünschenswert, erosionsbeständige Beschichtungen mit gleichmäßiger Dicke auf Strömungspfadoberflächen von Blisks abzuscheiden, die für Erosionsschäden am meisten anfällig sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ergibt ein Verfahren zur Abscheidung von Beschichtungen und insbesondere erosionsbeständigen Beschichtungen, die sich zum Schutz von Oberflächen eignen, die Zusammenstößen mit Partikeln, einschließlich aggressiven unregelmäßig geformten Partikeln, die dazu neigen, einen Erosionsschaden zuzufügen, unterworfen sind. Das Verfahren ist zur Abscheidung einer Beschichtung auf eine Blisk besonders gut geeignet, die eine Scheibe mit integralen Schaufeln aufweist, die sich von der Scheibe aus radial erstrecken und Strömungspfadoberflächen aufweisen, die für eine Erosion aufgrund von Zusammenstößen mit Partikeln anfälliger sind als andere Strömungspfadoberflächen der Schaufeln und der Scheibe.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst der Verfahrensablauf ein Platzieren der Blisk benachbart zu einer Beschichtungsmaterialquelle in einer Vorrichtung, die konfiguriert ist, um die Beschichtungsmaterialquelle zu verdampfen und Beschichtungsmaterialdämpfe zu erzeugen. Die Blisk wird relativ zu der Beschichtungsmaterialquelle derart ausgerichtet, dass die Drehachse der Blisk innerhalb von etwa 45° in Bezug auf einen linearen Weg liegt, auf dem die Beschichtungsmaterialdämpfe von der Beschichtungsmaterialquelle zu der Blisk strömen, und die für die Erosion anfälligeren Strömungspfadoberflächen der Schaufeln der Beschichtungsmaterialquelle zugewandt sind. Die Blisk wird anschließend um ihre Drehachse herum gedreht, während die Beschichtungsmaterialquelle verdampft wird, um bevorzugt auf den für Erosion anfälligeren Strömungspfadoberflächen der Schaufeln und der Scheibe die Beschichtungsmaterialdämpfe abzuscheiden und eine Beschichtung zu erzeugen.
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Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist die Fähigkeit, eine gleichmäßige Beschichtung auf denjenigen Strömungspfadoberflächen der Schaufeln aufzubringen, die für Erosion anfälliger sind, die gewöhnlich die konkaven Oberflächen (Druckflächen) der Schaufeln sind. Die Beschichtung kann ferner auf den gegenüberliegend angeordneten konvexen Oberflächen (Saugflächen) der Schaufeln abgeschieden werden, wobei sich eine derartige Beschichtung vom Überspritzen ergibt, in dem Sinne, dass Erosion für die konvexen Oberflächen der Bliskschaufeln eine bedeutende Rolle spielt. Die Erfindung weist den weiteren Vorteil auf, dass sie in der Lage ist, dünnere Beschichtungen abzuscheiden, die fähig sind, um eine verbesserte Festigkeit gegen Erosionsschäden im Vergleich zu Beschichtungen zu zeigen, die durch thermische Spritzverfahren, wie beispielsweise HVOF, abgeschieden werden. Infolgedessen sind die Beschichtungen zur Verwendung als Schutzbeschichtungen auf Bliskscheiben von Gasturbinentriebwerken gut geeignet, ohne dass sie zu übermäßigem Gewicht beitragen oder wünschenswerte Eigenschaften der Schaufeln nachteilig beeinflussen.
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Weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Perspektivansicht einer beispielhaften Verdichterblisk, auf die Beschichtungsprozesse gemäß dieser Erfindung angewandt werden können.
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2 und 3 stellen in schematisierter Weise die Ausrichtung einer Blisk während einer Beschichtungsabscheidung jeweils gemäß dem Stand der Technik bzw. einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie vorstehend beschrieben, stellt 1 eine Gasturbinenblisk 10 dar, die eine Scheibe 12 aufweist, von der Schaufeln 14 radial vorragen. Jede Schaufel 14 weist einen Schaufelblattabschnitt auf, der eine konkave Oberfläche (Druckfläche) und eine konvexe Oberfläche (Saugfläche) 16 und 18, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, eine Vorder- und eine Hinterkante 20 und 22, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, und eine Schaufelspitze 24 aufweist. Wie für eine Blisk charakteristisch ist, können die Schaufeln 14 mit der Scheibe 12 integral gefertigt sein, was das ergibt, was auch als eine beschaufelte Scheibe oder ein integral beschaufelter Rotor bezeichnet wird. Der Ausdruck „integral” wird verwendet, um mehrere Komponenten zu bezeichnen, die effektiv ein einziges Element, ohne irgendeine mechanische Diskontinuität dazwischen bilden, unabhängig davon, ob die Komponenten ursprünglich gesondert hergestellt und anschließend metallurgisch miteinander verbunden oder ursprünglich aus einem einzigen Werkstück erzeugt wurden. Die vorliegende Erfindung ist für Bläser- und Verdichterblisks in Gasturbinenflugtriebwerken besonders gut geeignet, lässt sich aber auf Blisks anwenden, die in anderen Anwendungen eingesetzt werden. Außerdem kann die Erfindung für andere Anwendungen und Komponenten nützlich sein.
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Die Schaufeln 14 sind aus einem Material erzeugt, das zu der gewünschten Gestalt geformt werden kann, den notwendigen Betriebsbelastungen widerstehen kann und mit dem Schaufelmaterial verträglich ist. Beispiele für derartige Materialien umfassen Metalllegierungen, die einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Titan-, Aluminium-, Kobalt-, Nickel- und Stahl-basierte Legierungen enthalten. Besondere Beispiele enthalten Stähle, wie beispielsweise A286 (bezogen auf das Gewicht etwa 24% bis 27% Nickel, 13,5% bis 16% Chrom, 1% bis 1,75% Molybdän, 1,9% bis 2,3% Titan, 0,10% bis 0,50% Vanadium, 0,003% bis 0,010% Bor, maximal 0,35% Aluminium, maximal 0,08% Kohlenstoff, maximal 2,00% Mangan, maximal 1,00% Silizium, Rest Eisen) und AM-355 (bezogen auf das Gewicht etwa 15% bis 16% Chrom, 4% bis 5% Nickel, 2,5% bis 3,25% Molybdän, 0,07% bis 0,13% Stickstoff, 0,50% bis 1,25% Mangan, maximal 0,50% Silizium, maximal 0,040% Phosphor, maximal 0,030% Schwefel, Rest Eisen), Nickel-basierte Legierungen, wie beispielsweise IN718 (bezogen auf das Gewicht etwa 50–55% Nickel, 17–21% Chrom, 2,88–3,3% Molybdän, 4,75–5,5% Niob + Tantal, 0–1% Kobalt, 0,65–1,15% Titan, 0,2–0,8% Aluminium, 0–0,35% Mangan, 0–0,3% Kupfer, 0,02–0,08% Kohlenstoff, maximal 0,006% Bor, der Rest Eisen), und Titan-basierte Legierungen, wie beispielsweise Ti-6Al-4V (bezogen auf das Gewicht etwa 6% Aluminium, 4% Vanadium, Rest Titan) und Ti-8Al-1V-1Mo (bezogen auf das Gewicht etwa 8% Aluminium, 1% Vanadium, 1% Molybdän, Rest Titan).
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Wenn die Blisk 10 in dem Verdichterabschnitt eines Gasturbinentriebwerks eingebaut ist, definieren die radial äußeren Flächen der Scheiben 12 sowie die konkaven und die konvexen Oberflächen 16 und 18 der Schaufeln 14 das, was hierin als Strömungspfadoberflächen bezeichnet ist, insofern als diese unmittelbar der durch das Triebwerk angesaugten Luft ausgesetzt sind. Die Strömungspfadoberflächen der Blisk 10 sind Aufprall- und Erosionsschäden durch in der angesaugten Luft mitgeführte Partikel ausgesetzt. Insbesondere sind die Vorderkanten 20 der Schaufeln 14 für eine Aufprallbeschädigung aufgrund von in das Triebwerk eingesaugten Partikeln anfällig, während die konkaven Oberflächen (Druckflächen) 16 der Schaufeln 14 für einen Erosionsschaden, insbesondere vor der Hinterkante 22, hinter oder jenseits der Vorderkante 20 und in der Nähe der Schaufelspitzen 24 anfällig sind. Um Aufprall- und Erosionsschäden zu minimieren, können all die Strömungspfadoberflächen der Scheibe 12 und der Schaufeln mit einer Schutzbeschichtung versehen werden. Gemäß einem bestimmten Aspekt der Erfindung wird ein Erosionsschaden minimiert, indem eine erosionsbeständige keramische Beschichtung auf wenigstens die konkaven Oberflächen 16 der Schaufeln 14 aufgebracht wird. Die Keramikbeschichtung kann auch auf die konvexe Oberfläche (Saugfläche) 18 jeder Schaufel 14 sowie die Hinterkanten 22 der Schaufeln 14 aufgebracht werden.
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Die Beschichtung kann vollständig aus einer oder mehreren keramischen Zusammensetzungen bestehen und kann mit einer metallischen Haftbeschichtung an das Schaufelsubstrat angebunden sein. Zum Beispiel kann die Keramikbeschichtung gemäß den Lehren der der gleichen Anmelderin gehörenden US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 12/201,566 von Bruce et al. eine oder mehrere Schichten aus TiAlN, mehrere Schichten aus CrN und TiAlN in Kombination miteinander (z. B. abwechselnde Schichten) sowie eine oder mehrere Schichten aus TiSiCN ohne irgendwelche metallischen Zwischenschichten zwischen den Keramikschichten enthalten. Derartige keramische Beschichtungen können eine Dicke von bis zu etwa 100 Mikrometer, z. B. etwa 25 bis 100 Mikrometer aufweisen. Es wird angenommen, dass Beschichtungsdicken von mehr als 100 Mikrometer hinsichtlich des Schutzes nicht benötigt werden und hinsichtlich des zusätzlichen Gewichtes unerwünscht sind. Falls die Keramikbeschichtung aus TiAlN aufgebaut ist, kann die gesamte Beschichtungsdicke aus einer einzigen TiAlN-Schicht oder mehreren TiAlN-Schichten bestehen, und jede Schicht kann eine Dicke von etwa 25 bis etwa 100 Mikrometer aufweisen. Falls die Keramikbeschichtung aus mehreren Schichten aus CrN und TiAlN aufgebaut ist, kann jede Schicht eine Dicke von etwa 0,2 bis etwa 1,0 Mikrometer (z. B. etwa 0,3 bis etwa 0,6 Mikrometer) aufweisen, um eine gesamte Beschichtungsdicke von wenigstens etwa 3 Mikrometer zu ergeben. Falls die Keramikbeschichtung aus TiSiCN aufgebaut ist, kann die gesamte Beschichtungsdicke einer einzigen TiSiCN-Schicht oder mehreren TiSiCN-Schichten bestehen, und jede Schicht kann eine Dicke von etwa 15 bis etwa 100 Mikrometer aufweisen. Andere Beschichtungen, Beschichtungszusammensetzungen und Beschichtungsdicken liegen ebenfalls in dem Umfang der Erfindung.
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Falls eine metallische Haftschicht verwendet wird, kann die Haftschicht aus einer oder mehreren Metallschichten, z. B. einer oder mehreren Schichten aus Titan und/oder Titan-Aluminium-Legierungen, einschließlich intermetallischen Titanaluminidverbindungen, aufgebaut sein. Die Haftbeschichtung kann begrenzt sein, um für die Zwecke der Unterstützung einer Haftung der Keramikbeschichtung an dem Substrat vollständig zwischen der Keramikbeschichtung und dem Substrat, das diese schützt, angeordnet zu sein.
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Beschichtungen gemäß dieser Erfindung werden vorzugsweise durch eine physikalische Dampfphasenabscheidungs(PVD)-Methode abgeschieden und haben folglich allgemein eine säulenförmige und/oder dichte Mikrostruktur im Gegensatz zu der nicht säulenförmigen, unregelmäßigen und porösen Mikrostruktur, die sich ergeben würde, wenn die Beschichtung durch einen thermischen Spritzprozess, wie beispielsweise HVOF, aufgebracht werden würde. Besonders geeignete PVD-Prozesse umfassen EB-PVD, kathodische Lichtbogen-PVD und Sputtern, wobei Sputtern bevorzugt sein soll. Geeignete Sputter-Techniken enthalten Gleichspannungsdioden-Sputtern, Hochfrequenz-Sputtern, Ionenstrahl-Sputtern, reaktives Sputtern, Magnetron-Sputtern, plasmaverstärktes Magnetron-Sputtern und Sputtern mit geführtem Lichtbogen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Kathodische Lichtbogen-PVD und plasmaverstärktes Magnetron-Sputtern werden aufgrund ihrer hohen Beschichtungsraten zur Erzeugung von Beschichtungen besonders bevorzugt. In Abhängigkeit von der Beschichtungszusammensetzung, die abgeschieden werden soll, kann eine Abscheidung in einer Atmosphäre vorgenommen werden, die eine Kohlenstoffquelle (z. B. Methan), eine Stickstoffquelle (z. B. Stickstoffgas) oder eine Quelle von Silizium und Kohlenstoff (z. B. Trimethylsilan, (CH3SiH) enthält, um Karbid-, Silizium- und/oder Nitridkomponenten der abgeschiedenen Beschichtung zu bilden. Die metallische Haftbeschichtung und beliebige sonstige metallische Schichten werden vorzugsweise abgeschieden, indem ein Beschichtungsprozess in einer inerten Atmosphäre, z. B. Argon, durchgeführt wird.
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Wie vorstehend erwähnt, können beträchtliche Schwierigkeiten erfahren werden, wenn PVD-Prozesse verwendet werden, um Beschichtungen (einschließlich der vorstehend angegebenen erosionsbeständigen Beschichtungen) mit gleichmäßigen Dicken auf Strömungspfadoberflächen von Blisks aufzubringen. Gemäß einem speziellen Aspekt der Erfindung können derartige herkömmliche Schwierigkeiten überwunden werden, indem eine Blisk in der in 3 dargestellten Weise geeignet orientiert wird. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Praxis, wie sie in 2 dargestellt ist, umfasst die Beschichtungstechnik gemäß dieser Erfindung ein Drehen der Blisk 12 um ihre Achse 26 herum, wobei jedoch ihre Achse 26 grob senkrecht zu einer Beschichtungsmaterialquelle 28 ausgerichtet ist, so dass die Schaufeln 14 in einer Ebene senkrecht zu der Richtung rotieren, in der die Dämpfe 30 zu den Schaufeln 14 strömen. Bei dieser Ausrichtung befinden sich die konkaven Oberflächen (Druckflächen) 16 der Bliskschaufeln 14 ständig am nächsten zu der Beschichtungsmaterialquelle (Dampfquelle) 28, und sie werden folglich bevorzugt beschichtet, wenn die Dämpfe 30 zu den Schaufeln 14 und anschließend durch die schmalen Durchgänge zwischen den Schaufeln 14 strömen. Eine axiale Dampfströmung von der Quelle 28 zu der Blisk 10 kann durch Erzeugung geeigneter Gasströmungsmuster und -geschwindigkeiten innerhalb der Beschichtungskammer, wie es üblicherweise in PVD-Prozessen angewandt wird, unterstützt werden, so dass die Dämpfe 30 zu der Blisk 10 befördert werden und hauptsächlich auf die konkaven Oberflächen 16 auftreffen. Auf diese Weise neigt eine Abscheidung auf den konkaven Oberflächen 16 dazu, kontinuierlich und gleichmäßig zu sein, wobei sie im Wesentlichen die gesamte konkave Oberfläche 16 überzieht. Bei der in 3 veranschaulichten Orientierung neigt das Beschichtungsmaterial ferner dazu, sich auf den Hinterkanten 22 der Schaufeln 14 und den äußeren radialen Oberflächen der Scheibe 12 abzulagern. Im Gegensatz hierzu tritt eine Beschichtungsabscheidung auf den konvexen Oberflächen (Saugflächen) 18 der Schaufeln 14 weiter stromabwärts in dem Dampfpfad und hauptsächlich aufgrund einer Überspritzung auf. Weil jedoch die konvexen Oberflächen 18 der Schaufeln 14 für eine Erosion deutlich weniger anfällig sind als die konkaven Oberflächen 16, wird angenommen, dass das Fehlen einer Beschichtung auf den konvexen Oberflächen 18 für die erosionsbedingten Lebensdauern der Schaufeln 14 und der Blisk 10 im Ganzen von minimaler Bedeutung ist.
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Für die Zwecke dieser Erfindung soll eine gleichmäßige Beschichtungsdicke allgemein eine Beschichtungsdicke bezeichnen, die über wenigstens 50% der konkaven Oberfläche 16 einer Schaufel 14 um nicht mehr als etwa 50% variiert. Eine Beschichtungsdicke, die über im Wesentlichen der gesamten konkaven Oberfläche 16 einer Schaufel 12 nicht um mehr als etwa 80% variiert, soll sehr wünschenswert, obwohl nicht notwendig sein, um von der Erfindung zu profitieren. Ausgeschlossen von dieser Bestimmung sind die Vorder- und Hinterkanten 20 und 22, die Schaufelspitzen 24 und die Schnittstellen zwischen den Schaufeln 14 und der Scheibe 12, die dazu neigen, aufgrund ihrer komplexeren Geometrien größere Beschichtungsdickenvariationen aufzuweisen.
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Die Ausrichtung und Drehung der Blisk 10 können gesteuert werden, indem eine oder mehrere Blisks 10 in einer Beschichtungskammer einzeln montiert und gedreht wird/werden oder mehrere Blisks 10 an einer Planeteneinheit montiert werden, die die Ausrichtung, Drehung und Querbewegung der Blisks 10 relativ zu der Oberfläche der Beschichtungsmaterialquelle 28 steuert. Planeteneinheiten, die zu einer derartigen Steuerung in der Lage sind, sind in der Technik bekannt und werden folglich hier nicht genauer erläutert. Während die Achse 26 der Blisk 10 in 3 veranschaulicht ist, wie sie parallel zu dem Weg verläuft, entlang dessen die Dämpfe 30 von der Beschichtungsmaterialquelle 28 strömen, ist es vorsehbar, dass die Achse 26 bei bis zu ±60 Grad zu dem Dampfpfad (entsprechend etwa 30 bis etwa 90 Grad zu der Oberfläche der Beschichtungsmaterialquelle 28) ausgerichtet sein könnte. Ein geeigneter engerer Bereich für diese Ausrichtung beträgt bis zu etwa ±45 Grad von dem Dampfpfad (entsprechend etwa 45 bis etwa 90 Grad zu der Oberfläche der Quelle 28. Schwingungen und/oder inkrementelle Bewegungen der Blisk 10 innerhalb dieser Winkelbereiche relativ zu der Quelle 28 sind ebenfalls absehbar. Die Orientierung der Blisk 20 setzt voraus, dass der Dampfpfad ungefähr senkrecht zu der Oberfläche der Beschichtungsmaterialquelle 28, die der Blisk 10 zugewandt ist, ausgerichtet ist und einer geradlinigen Bahn folgt, die an der Quelle 28 entsteht und direkt zu der Blisk 10 verläuft.
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Geeignete Drehgeschwindigkeiten für die Blisk 10 können gewöhnlich ebenfalls ohne übermäßiges Experimentieren ermittelt werden. Es wird angenommen, dass allgemein Drehgeschwindigkeiten von bis zu etwa 10 U/Min effektiv sind, wobei angenommen wird, dass ein schmälerer geeigneter Bereich etwa 2 bis etwa 7 U/Min beträgt. Schwingungen und/oder inkrementelle Bewegungen der Blisk 10 können ebenfalls in die Drehbewegung der Blisk 10 aufgenommen werden.
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Abstände zwischen der Quelle 28 und den konkaven Oberflächen 16 der Blisk 10 liegen allgemein in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 20 cm. Geeignete Abstände innerhalb und außerhalb dieses Bereiches können gewöhnlich ohne übermäßiges Experimentieren ermittelt werden. Es wird angenommen, dass allgemein Abstände von etwa 5 bis etwa 10 cm besonders geeignet sind.
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Weitere Parameter des Beschichtungsprozesses, die erforderlich sind, um optimale Ergebnisse zu erhalten, hängen von dem speziellen verwendeten PVD-Verfahren, den speziellen Beschichtungsmaterialien, die abgeschieden werden, den speziellen Materialen der Scheibe 12 und der Schaufeln 14, etc. ab. Zum Beispiel hängen die Beschichtungsatmosphäre, Gasdurchflussraten und Temperatur innerhalb der Beschichtungskammer, die Dauer des Beschichtungsprozesses, die Größe des Targets (der Beschichtungsmaterialquelle 28), die Spannung, Größe, Zusammensetzung und Art einer verwendeten Kathode (in einem kathodischen Lichtbogen-PVD-Prozess), die Leistung, Stromstärke und Art eines verwendeten Plasmagenerators (in einem kathodischen Lichtbogen-PVD-Prozess), etc., von dem speziellen eingesetzten PVD-Prozess und den Beschichtungsmaterialien, die abgeschieden werden, ab. Eine Oberflächenvorbehandlung der Blisk 10, einschließlich Hämmern, Entfetten, Wärmetönen, Schrotstrahlen, Rücksputtern, etc., wie sie häufig vor Beschichtungsabscheidungsprozessen verwendet werden, um gewünschte Oberflächenbedingungen zu erhalten, kann auch vor dem Beschichtungsprozess gemäß dieser Erfindung durchgeführt werden.
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Während die Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, dass andere Formen durch einen Fachmann auf dem Gebiet eingeführt werden könnten. Deshalb soll der Schutzumfang der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4904528 [0007]
- US 4839245 [0007]
- US 4741975 [0007]
