CN1907621A - 不同金属的瞬时液相连结 - Google Patents
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Abstract
在一种用于形成部件的方法中,铜焊材料被组装在第一壁部与第二壁部之间以形成夹层结构。所述第一壁部主要包括铜或铜基合金。所述第二壁部包括至少一种非铜基合金。所述夹层结构受到加热。所述加热使所述铜焊材料熔化以导致至少一部分所述第一壁部被瞬时液相连结至所述第二壁部。
Description
技术领域
本发明涉及瞬时液相连结。更具体而言,本发明涉及铜合金与非铜合金的瞬时液相连结。
背景技术
盲焊(blind welding)难题一直困扰着铣削通道热交换器领域。铣削通道热交换器的一个实例是火箭喷嘴的壁部,如Damgaard等的“RL60发动机的激光焊接夹层喷嘴延伸部”(“Laser Welded Sandwich NozzleExtension for the RL60 Engine”)(AIAA-2003-4478),AIAA,Reston,VA,2003中所示,该文献的披露内容如同进行详细阐述那样在此作为参考被引用。在典型的铣削通道热交换器中,在基底材料中铣削出通道阵列,且在通道之间留下肋部。盖板或面板被安放在肋部顶部且被焊接到所述肋部上(例如,通过来自面对远离基层的板侧的激光或电子束)。
已经建议将铜合金用于热交换器应用。美国专利申请20040011023-A1参考使用美国宇航局格伦研究中心(NASA Glenn Research Center)合金GRCop-84(以原子百分比计的名义成分为Cu-8Cr-4Nb)用于热交换器应用。美国专利申请No.11/011,314披露了一种成形为这种铜合金和不同材料的复合物的热交换器壁部结构。
发明内容
本发明的一方面包括一种用于形成部件的方法。铜焊材料被组装在第一壁部与第二壁部之间以形成夹层结构。所述第一壁部主要包括铜或铜基合金。所述第二壁部包括至少一种非铜基合金。所述夹层结构受到加热。所述加热使所述铜焊材料熔化以导致至少一部分所述第一壁部被瞬时液相连结至所述第二壁部。
在多种实施方式中,所述方法可进一步包括在所述第一壁部中铣削出卸荷区域。所述第一壁部可主要包括Cu-8Cr-4Nb。所述第二壁部可主要包括镍基超合金、不锈钢或铁基超合金。所述部件可包括火箭室或火箭喷嘴的热交换器。
在附图和下面的说明书中对本发明的一个或多个实施例的细节进行阐述。从说明书和附图以及技术方案中将易于理解本发明的其它特征、目的和优点。
附图说明
图1是火箭发动机燃烧室和排气喷嘴的示意图;
图2是图1所示的发动机喷嘴的热交换器壁部的剖视图;
图3是图2所示壁部的分解预整合视图;
图4是图2所示壁部的整合区域的显微照片;和
图5是另一种可选的热交换器的剖视图。
多个附图中使用相似的附图标记和标号表示相似的元件。
具体实施方式
图1示出了具有燃烧室22的火箭发动机20。喷嘴24从燃烧室向下游延伸至出口26。喷嘴可以是钟形的且关于发动机的中心纵轴500是大体上对称的。图2示意性地示出了室22和喷嘴24的热交换器壁部结构40。壁部40具有外侧表面42。与外侧表面42相对的是沿室/喷嘴内部的且暴露于排出气体的内侧表面44。壁部40包括内部通道46。在发动机操作中,通道容纳热交换流体流。典型的热交换流体是预燃烧推进剂或其组分(例如单组分推进剂或燃料和氧化剂中的一种)。所述流体接收来自排出气体的热量以冷却壁部40。
可通过整合多层夹层结构组装出壁部40。图3是典型夹层部件的分解视图。第一层50具有最终形成壁部外侧表面42的第一表面。第一层50具有与第一表面相对的第二表面52。可选择第一层50的结构或环境特性(例如,强度、耐腐蚀性、导热性和/或耐磨蚀性等)。
第二层60具有最终形成壁部内侧表面44的第一表面。第二层60具有与第一表面44相对的第二表面62。在典型的非限制性制造方法中,在表面62下面铣削出一条或多条开口通道64。通道64限定出卸荷/凹进区域,所述卸荷/凹进区域由通过完整材料进行联结的完整凸起/升高区域或肋部66隔开。可选择第二层60的材料以便易于进行机加工或其它成形、具有传热性能好、轻质和类似优点。典型材料是铜基合金。所述层和夹层结构可以是平的或以其它方式成形。例如,所述层和夹层结构可以是截锥形的,且具有如火箭喷嘴预制件(随后形成钟形)中那样沿纵向进行延伸的通道。
为了整合第一层和第二层,夹层结构包括第一层50与第二层60之间的连结层70。连结层70具有第一和第二相对表面72和74。在组装夹层结构时,表面72和74分别接触表面52和62。典型的连结材料是瞬间液相成形扩散铜焊材料。镍基超合金彼此之间的瞬间液相(TLP)扩散连结是众所周知的(例如参见美国专利No.3,678,570)。在进行加热后,铜焊材料中的一种或多种组分扩散进入相邻材料内。扩散组分暂时降低了形成瞬间液相的相邻材料的熔点。由于进一步的扩散降低了这些组分的浓度,因此下降的熔点朝向原始熔点返回并形成整合固体结构。用于使该不同材料的组合实现连结的典型铜焊材料包括镍基超合金,所述镍基超合金中具有重量百分比为1%-4%的硼浓度和重量百分比为4%-8%的硅浓度,所述两种浓度通常成反比关系。铜焊材料的典型厚度为37μm-50μm,更广义地为25μm-150μm。
图4示出了这样两种材料之间的典型联结。第一材料80可大体上是微观结构未改变的可沉淀硬化的铁基超合金。图中所示的第一材料是合金A286(UNS S66286,以重量百分比计的名义成分为25.5Ni、15Cr、1.25Mo、2.1Ti、0.3V、余量为铁)。第二材料82可大体上是未改变的GRCop-84铜合金。所述两种材料已经通过使用75μm厚的MBF-20铜焊材料(AMS4777,以重量百分比计的名义成分为7Cr、3Fe、4.5Si、3.2B、余量为Ni)的瞬时液相连结工艺进行联结。通过浸入电阻真空炉中加热到1010℃的峰值温度。在所得的联结微观结构中,认为图4示出了大体上完整的铜焊材料的细密层84。在铜焊材料84的任一侧上的是扩散区域86和88。
在每个扩散区域86和88内,多种组分的差别输运被认为是导致产生层状外观的原因。已公知的是,硼在固溶体中迅速扩散,且硼与铬进行反应以形成具有多种化学计量比的硼化铬。区域86中的带状结构被认为是硼从原始铜焊材料扩散进入铁基合金中所导致产生的硼化铬。相信在区域88中发生了相似的硼扩散以及硼与铬的反应,其中带状结构显得更重且更厚。
破坏强度试验在铜合金内而不是联结分离区内产生大多数断裂纹。这就证实了联结处的完整性。典型测量抗拉强度为约400MPa。即使在失效的联结处仍具有接近90%的GRCop-84铜合金的最终抗拉强度的典型测量抗拉强度。已经观察到具有镍基超合金(例如镍合金625(UNS NO6625))和不锈钢(例如SS 347(UNS S34700))的第一材料的相似的微观结构。还观察到具有MBF-30铜焊材料(AMS 4778,以重量百分比计的名义成分为4.5Si、3.2B、余量为Ni)的相似的微观结构。
图5示出了可采用相似方法形成的另一种可选的热交换器100。在铜合金层110的一侧上铣削出第一组通道102且在相对侧上铣削出第二组通道104,在其间留下腹板。非铜层112和114(例如与图3所示的第一层50相似)被瞬时液相连结到层110的相应侧部上以封闭相应的通道102和104。可使用这种构型以在分别在通道102和104中流动的第一流体与第二流体之间提供热交换。尽管图中所示的通道102和104例如在平行流或对流热交换器中是平行的,但也可能包括交叉流动等其它构型。
已经对本发明的一个或多个实施例进行了描述。然而,应该理解可在不偏离本发明的精神和范围的情况下作出多种变型。例如,要形成的具体部件的细节可影响到任何具体实施方式的细节。此外,尽管在本文的一些实施例中描述了用于火箭应用的热交换器,但本发明不限于此。本发明涉及被瞬时液相连结到非铜基合金上的任何铜基合金。因此,其它实施例在下列技术方案的范围内。
Claims (19)
1、一种用于形成部件的方法,所述方法包括:
将铜焊材料组装在第一壁部与第二壁部之间以形成夹层结构,其中:
所述第一壁部主要包括铜或铜基合金;并且
所述第二壁部包括至少一种非铜基合金;并且
加热所述夹层结构,所述加热使所述铜焊材料熔化以导致至少一部分所述第一壁部被瞬时液相连结至所述第二壁部。
2、根据权利要求1所述的方法,其中:
所述部件包括热交换器。
3、根据权利要求1所述的方法,所述第一壁部包括被卸荷区域隔开的多个升高区域,且所述方法进一步包括:
在所述第一壁部中铣削出所述卸荷区域。
4、根据权利要求3所述的方法,其中:
所述铣削包括机械铣削。
5、根据权利要求1所述的方法,其中在进行所述加热前:
所述第一壁部主要包括具有大于铬和铌的不纯度的铜合金。
6、根据权利要求1所述的方法,其中在进行所述加热前:
所述第一壁部主要包括以原子百分比计的Cu-8Cr-4Nb;并且
所述第二壁部主要包括镍基超合金、不锈钢或铁基超合金。
7、根据权利要求1所述的方法,其中:
所述铜焊材料包括下列材料中的至少一种:
具有重量百分比为至少1%的B的镍基合金;
具有重量百分比为至少1.5%的B和至少4%的Si的镍基合金;
具有重量百分比为约7%的Cr、3%的Fe、4.5%的Si、3.2%的B、余量为Ni的名义成分的镍基合金;和
具有重量百分比为约4.5%的Si、3.2%的B、余量为Ni的名义成分的镍基合金。
8、根据权利要求1所述的方法,其中:
所述加热包括在电阻真空炉中进行加热。
9、根据权利要求1所述的方法,其中:
所述加热达到约1000℃-1035℃的峰值温度。
10、根据权利要求1所述的方法,其中:
所述连结提供了至少达到90%的所述铜或所述铜基合金的最终抗拉强度的联结处最终抗拉强度。
11、根据权利要求1所述的方法,其中:
所述连结提供了至少达到100%的所述铜或所述铜基合金的最终抗拉强度的联结处最终抗拉强度。
12、根据权利要求1所述的方法,所述方法被用以制造火箭喷嘴或燃烧室。
13、一种第一金属构件和第二金属构件的联结组合件,所述组合件包括:
主要包括镍基超合金、不锈钢或铁基超合金中的一种的所述第一金属构件的第一层;
主要包括铜或铜基合金的所述第二金属构件的第二层;和
联结所述第一层和所述第二层的过渡区域,且所述过渡区域包括:
接近所述第一层且具有比所述第一层更高的硼含量的第一区域;和
接近所述第二层且具有比所述第二层更高的硼含量的第二区域。
14、根据权利要求13所述的组合件,其中所述过渡区域进一步包括:
位于所述第一区域与所述第二区域之间且主要包括下列材料中的至少一种的层:
具有重量百分比为至少1%的B的镍基合金;
具有重量百分比为至少1.5%的B和至少4%的Si的镍基合金;
具有重量百分比为约7%的Cr、3%的Fe、4.5%的Si、3.2%的B、余量为Ni的名义成分的镍基合金;和
具有重量百分比为约4.5%的Si、3.2%的B、余量为Ni的名义成分的镍基合金。
15、根据权利要求13所述的组合件,其中所述过渡区域提供了至少达到90%的所述第二金属构件的最终抗拉强度的联结处最终抗拉强度。
16、根据权利要求13所述的组合件,其中所述过渡区域提供了至少达到100%的所述第二金属构件的最终抗拉强度的联结处最终抗拉强度。
17、根据权利要求13所述的组合件,所述组合件形成了燃烧室或火箭喷嘴的至少一部分。
18、根据权利要求13所述的组合件,所述组合件形成了至少一部分热交换器,其中所述过渡区域分开第一和第二通道或通道部分,所述通道或通道部分位于所述第一层与所述第二层之间。
19、根据权利要求13所述的组合件,其中:
所述第一层和所述第二层分别具有超过1.0毫米的局部厚度。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |