DE10219502B4

DE10219502B4 - Verfahren zum Herstellen gelöteter Wärmetauscherstrukturen, insbesondere regenerativ gekühlter Brennkammern

Info

Publication number: DE10219502B4
Application number: DE10219502A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Palm
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2022-05-01
Also published as: WO2003092946A1; AU2003223917A1; DE10219502A1; WO2003092946B1

Abstract

Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauschern, insbesondere von regenerativ gekühlten Brennkammern, wobei der Wärmetauscher ein Trägerteil (8) und einen hohlkörperförmigen Innenkörper (1) mit Kühlkanälen (1a) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
– zumindest auf einer der zu befestigenden Seite von Trägerteil (8) und/oder Innenkörper (1) ein Lotwerkstoff (10; 11,12) angeordnet wird;
– das Trägerteil (8) auf den Innenkörper (1) aufgebracht und fixiert wird;
– der Innenraum (2) des hohlkörperförmigen Innenkörpers (1) gegen die äußere Umgebung abgedichtet wird;
– die Anordnung aus Trägerteil (8) und Innenkörper (1) auf Löttemperatur derart erwärmt wird, dass sich der Innenkörper (1) unter Ausdehnung an das Trägerteil (8) anschmiegt und
– während des Lötvorgangs ein gleichmäßiger Anpressdruck eingestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen, insbesondere von regenerativ gekühlten Brennkammern.

In Raketentriebwerken finden bekanntlich Brennkammerstrukturen Einsatz, die im Wesentlichen einen Innenkörper sowie eine damit verbundene Trägerstruktur umfassen. Der Innenkörper wird üblicherweise als Liner bezeichnet und ist mit Kühlkanälen versehen, damit die Heißgasseite der Anordnung ausreichend gekühlt werden kann. Eine derartige mit Kühlkanälen versehene Brennkammerstruktur ist beispielsweise aus DE 35 35 779 A1 sowie aus DE 199 01 422 A1 bekannt.

Seit vielen Jahren wird das Galvanoforming-Verfahren (z.B. DE 24 06 976 A1 ) eingesetzt, um die Kühlkanäle derartiger Brennkammerstrukturen zu verschließen und eine Trägerstruktur zur Aufnahme der Betriebslasten zu erzeugen. Bei diesem Verfahren wird beispielsweise eine hochfeste, wärmeleitfähige Kupferlegierung als Linermaterial verwendet. Das Linermaterial wird mit ausgefrästen Aussparungen versehen. Danach werden die ausgefrästen Aussparungen mit einem geeigneten Füllmaterial (z.B. Wachs) aufgefüllt, und das Trägermaterial (z.B. Nickel) wird auf die Gesamtstruktur aufgalvanisiert. Anschließend wird das Füllmaterial entfernt.

Die Herstellung von Brennkammerstrukturen nach dem Galvanoforming-Verfahren benötigt jedoch sehr lange Fertigungszeiten sowie eine Vielzahl einzelner Prozessschritte. Zudem ist es von Nachteil, dass ein Maßschneidern und Anpassen der Brennkammerstruktur hinsichtlich höherer Leistungen und Belastungen gewichtsoptimiert nicht möglich ist.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer mit Kühlkanälen versehenen Brennkammerstruktur ist beispielsweise in dem Artikel „Development of a Lightweight Thrust Chamber Assembly Utilitzing In-Situ Reinforced Silicon Nitride" von J. Elvander, B. Wherley und S. Claflin, 35. AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 20. – 24. Juni 1999, L.A., Kalifornien, beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein mit entsprechenden Aussparungen versehenes Linermaterial mit einem beispielsweise aus NARIoy-Z bestehenden Trägermaterial in Verbindung gebracht und in einem Druckofen erwärmt. Gleichzeitig werden die in Form von Aussparungen im Linermaterial gebildeten Kühlkanäle evakuiert und die Struktur wird unter Verwendung eines HIP(Hot Isostatic Press)-Verfahrens verlötet. Aufgrund des Unterdrucks in den Kühlkanälen und dem von außen einwirkenden Druck werden die Verbindungsstellen von Liner und Trägermaterial während des Verlötens aneinander gepresst.

Nachteilig ist jedoch der sehr große Aufwand zur Erzeugung des notwendigen Anpressdruckes, durch Bereitstellen eines Überdruckes in einem Wärmebehandlungsofen und gleichzeitigem Erzeugen eines Unterdruckes in den Kühlkanälen, um eine erfolgreiche Lötverbindung bzw. Diffusionsverschweißung zu erzeugen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt somit der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes sowie kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von gelöteten Wärmetauscherstrukturen zu schaffen, das eine belastungsgerechte Auslegung und Konfiguration der Brennkammer mit höherer Flexibilität hinsichtlich Werkstoffauswahl ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dieses Verfahren benötigt vorteilhafterweise geringe Vorlaufzeiten und kann ohne Nutzung eines HIP-Ofens ausgeführt werden. Ferner werden kurze Fertigungszeiten bei einfacher Prozesstechnik erzielt. Daneben zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch eine gute Planbarkeit sowie eine hohe Reproduzierbarkeit aus, wobei eine Skalierung auf beliebige Baugrößen möglich ist.

Des Weiteren ist es zweckmäßig, dass der sich im dicht abschließbaren Innenkörper aufbauende Überdruck über Temperaturänderung sowie eine Steuerung von Ventilen einstellbar ist. Dies gewährleistet eine einfache Handhabung des Verfahrens.

Im Hinblick auf die Herstellung von Brennkammerstrukturen für regenerativ gekühlte Triebwerke ist es insbesondere zweckmäßig, dass der Innenkörper Aussparungen aufweist, so dass durch Verlöten von Trägerstruktur und Innenkörper Kühlkanäle gebildet werden. Dabei ist es von Vorteil, dass das Verfahren unabgängig von Abmessungen und Dimensionierung von Bauteilen einsetztbar ist.

Es ist insbesondere zweckmäßig, dass ein Lötwerkstoff an Verbindungsstellen von Trägerstruktur und Innenkörper aufgebracht wird. Dabei können die Werkstoffe bzw. Werkstoffkombinationen im Hinblick auf Festigkeits- und/oder Wärmeleitfähigkeitseigenschaften entsprechend ausgewählt werden, was ein Maßschneidern ermöglicht.

Ferner ist es zweckmäßig, die Innenseite der Trägerstruktur elektrochemisch, mittels PVD-, CVD-, anderen Metallspritzverfahren oder Plasmaspritzverfahren zu beschichten (z.B. mit Ni). Auch dies gewährleistet einen hohen Grad an Flexibilität für die Herstellung derartiger Strukturen.

Ferner kann zusätzlich oder alternativ die in Richtung Trägerstruktur weisende Seite des Innenkörpers mit Hilfe der oben genannten Verfahren beschichtet werden (z.B. mit Gold).

Es ist ferner zweckmäßig, dass der Lötwerkstoff, unabhängig davon, ob die Innenseite der Trägerstruktur bzw. die in Richtung Trägerstruktur weisende Seite des Innenkörpers zuvor beschichtet wurde oder nicht, mittels Kaltgasspritzens aufgebracht wird. Dies ermöglicht eine besonders effektive Art der Aufbringung, wobei unterstützend Masken verwendet werden können.

Ferner ist es zweckmäßig, dass nach dem Lötvorgang ein Kühlmittel über entsprechende Ventile ins Innere des Innenkörpers eingeführt wird, und dass die Abdichtung des Innenkörpers entfernt wird, die lediglich zur Erzeugung des Überdruckes erforderlich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Abbildungen in näheren Einzelheiten beschrieben, in denen zeigt:

1 eine Schnittansicht in Längsrichtung eines dicht abgeschlossenen Innenkörpers;
2 eine Teilquerschnittsansicht einer Wärmetauscherstruktur bestehend aus Trägerstruktur und Innenkörper;
3 eine vergrößerte Darstellung von 2;
4 eine zu 3 alternative Ausführungsform; und
5 ein exemplarisches Temperatur-Zeit-Diagramm für den Temperaturverlauf während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt in schematischer Ansicht eine Schnittansicht in Längsrichtung eines rotationssymmetrischen Innenkörpers 1 einer Wärmetauscherstruktur. Der Innenkörper 1 ist insbesondere zur Herstellung von regenerativ gekühlten Brennkammern mit Ausschnitten versehen, die in den nachstehenden 2 bis 4 mit Bezugsziffer 1a bezeichnet sind. Der Innenkörper 1 wird üblicherweise als Brennkammerliner bezeichnet und besteht z.B. aus Cu, CuAg₃Zr, Ni oder 1.4546. Daneben können Fe, Al oder Ag als Linermaterial verwendet werden, sowie auf den genannten Stoffen basierende Verbindungen. Alternativ besteht der Liner aus Refraktär-Metallen oder hochwärmeleitenden keramischen Werkstoffen, wie z.B. Aluminiumnitrid, einschließlich ODS-Werkstoffe. Der 1 ist ferner zu entnehmen, dass der Innenkörper 1 beidseitig (d.h. oben und unten) mittels Deckel 3 bzw. 4 abgeschlossen ist. Die Deckel 3, 4 werden hierzu mit dem Innenkörper 1 unter Schutzgas verschweißt, um den Innenraum 2 des Innenkörpers 1 abzudichten.
Um hohe Betriebslasten aufnehmen zu können, ist eine Strukturverstärkung erforderlich. Zu diesem Zweck wird eine Trägerstruktur beispielsweise in Form von Halbschalen (nicht dargestellt) von außen um den Innenkörper 1 gelegt. Die Trägerstruktur besteht aus metallischem oder keramischen Material, dessen Warmfestigkeit höher als die des Brenkammerliners ist. Als Werkstoff für die Trägerstruktur kommen z.B. Stähle, Ni-Basis-, Co-Basis-, refraktäre Werkstoffe oder Verbindungswerkstoffe auf metallischer oder keramischer Basis bzw. reine Keramiken in Frage. Bevorzugt besteht die Trägerstruktur aus Inconel 718 und ist in den nachfolgenden 2 bis 4, die Teilquerschnittsansichten der Anordnung gemäß 1 zeigen, mit Bezugsziffer 8 bezeichnet. Somit entsteht eine Anordnung aus Trägerstruktur 8 und Innenkörper 1, wobei sich aufgrund der Aussparungen 1a in Längsrichtung verlaufende Kühlkanäle 9 ausbilden, die einen Kühlkreislauf für Treibstoffe wie beispielsweise LH₂, CH₄ oder MMH (Monomethylhydrazin) bilden. Durch den Kühlkreislauf wird die Heißgassseite der Anordnung, d.h. die in Richtung Innenraum 2 weisende Seite des Brennkammerliners 1, gekühlt.
Die Trägerstruktur 8 und der Innenkörper 1 werden durch Löten miteinander verbunden, was einen hohen Anpressdruck erfordert. Erfindungsgemäß wird dies dadurch bewirkt, dass zunächst der Innenkörper 1, wie voranstehend beschrieben, abgedichtet wird. Dabei sind in die Deckel 3, 4 Ventile 5, 6 integriert und ein Druckmesser 7 (z.B ein Manometer) ist vorgesehen, um den sich im Innenraum 2 der Brennkammerstruktur ausbildenden Druck zu überwachen. Die Trägerstruktur 8 ist, wie oben erwähnt, von außen um den Innenkörper 1 gelegt und mittels Verschrauben oder Verstiften fixiert.
Vor dem Lötvorgang ist der Druck außerhalb der Brennkammerstruktur, der im folgenden als Außendruck P_a bezeichnet wird, gleich dem Druck im Innenraum 2, der im folgenden als Innendruck P_i bezeichnet wird. Dabei entspricht die Außentemperatur T_a der Temperatur T_i im Inneren der Brennkammerstruktur. Gegebenenfalls kann der Innendruck P_i auch erhöht werden.
Für den Lötvorgang wird die Temperatur der Anordnung aus Trägerstruktur 8 und Innenkörper 1 erhöht, was üblicherweise durch Erwärmung in einem Ofen erfolgt. Die Anordnung erwärmt sich annähernd gleichmäßig, so dass Außentemperatur T_a und Innentemperatur T_i nahezu gleich sind. Die Temperaturerhöhung bewirkt ferner, dass sich das im Innenraum 2 befindende Restgas ausdehnt und einen Überdruck erzeugt. Dies bedeutet, dass sich im Inneren der Brennkammerstruktur ein Druck ausbildet, der wesentlich größer als der Druck außerhalb der Anordnung ist (d.h. P_i >> P_a). Der Überdruck bewirkt ferner, dass sich in Abhängigkeit der Dicke des Innenkörpers 1, die im folgenden auch als Wandstärke d bezeichnet wird (2), eine Membranspannung σ ausbildet, wodurch sich der Brennkammerliner 1 wie ein Luftballon ausdehnt.
Der sich im Innenraum 2 ausbildende Überdruck berechnet sich unter der Annahme identischer Volumina (V₁ = V₂) aus
wobei T die Temperatur in Kelvin ist.
Entsprechend ergibt sich die aufgrund des Überdruckes entstehende Membranspannung σ aus
Dabei ist der Innenkörper als rohrförmiger Zylinderkörper angenähert, mit der Annahme, dass die Wandstärke d des Körpers wesentlich kleiner als dessen Durchmesser bzw. Radius r ist. P_i gibt den Druck im Inneren des rohrförmigen Körpers an.
Vor Erreichung der eigentlichen Löttemperatur, die je nach verwendeter Legierung bzw. Werkstoffzusammensetzung ca. 850–1000°C beträgt, hat der Innenkörper 1 sich vollständig an die Kontur der Trägerstruktur 8 angeschmiegt. Bei weiterer Temperaturerhöhung erfolgt die Lötung unter Beibehaltung des Anpressdruckes. Der sich weiter bildende Überdruck wird durch die Manometerventile 5, 6, die vorzugsweise außerhalb des Ofens angeordnet sind, wenn nötig heruntergeregelt. Das heisst, der sich im Inneren der Brennkammerstruktur aufbauende Überdruck wird während des Lötvorganges überwacht und gegebenenfalls derart angepasst, dass der Innenkörper 1 mit konstantem Druck gegen die Trägerstruktur 8 drückt.
Die Prozessführung hängt ferner vom Hochtemperatur-Festigkeitsverhaltens des Linerwerkstoffes ab. In Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff wird der notwendige Druck in dem abgeschlossenen bzw. zugeschweißten Innenkörper 1 eingestellt, damit gewährleistet ist, dass sich dieser an die Trägerstruktur 8 anschmiegt (bzw. kriecht). Dies setzt selbstverständlich voraus, dass der Trägerstrukturwerkstoff wärmefester als der Linerwerkstoff ist.
Ferner wird zur Verlötung von Trägerstruktur 8 und Innenkörper 1 bevorzugt ein Lötwerkstoff 10 verwendet. Der Lötwerkstoff, typischerweise eine Lotlegierung (z.B. VH900, CuAgNi), wird an entsprechenden Verbindungsstellen von Trägerstruktur 8 und Innenkörper 1 aufgebracht (3). Der Lötwerkstoff bzw. die Lotlegierung wird abhängig von der Prozesstemperatur ausgewählt und lokal appliziert. Die Applikation kann sowohl auf der Trägerstruktur 8 als auch auf dem Innenkörper 1 erfolgen. Dabei können Masken verwendet werden, um gegebenenfalls unbeschichtete Flächen zu erzeugen. Neben einer rein mechanischen Applikation sind auch Metallspritzverfahren einsetzbar, z.B. Plasmaspritzen (VPS, APS), Kaltgasspritzen (z.B. kinetisches Kaltgas kompaktieren), HVOF (high velocity oxygen fuel)- oder Detonationsspritzten.
Alternativ oder zusätzlich kann der in 4 skizzierte Schichtaufbau verwendet werden, insbesondere wenn Gefahr besteht, dass die Oberflächen von Trägerstruktur bzw. Innenkörper vom Lötwerkstoff nicht benetzt werden oder durch eine zu niedrige Löttemperatur bestimmte Diffusionsvorgänge oder eutektische Reaktionen nicht ablaufen können. Wie in 4 dargestellt, wird die Innenseite der Trägerstruktur 8 entweder elektrochemisch oder mittels PVD-Verfahren beschichtet. Ebenso kann dass CVD-Verfahren oder plasmaunterstützte Verfahren verwendet werden. Die Beschichtung erfolgt beispielsweise aus folien-, pulver- oder pastenförmigen Werkstoffen. Ebenso können Lötfolien, Lötpasten oder mittels Siebdruckverfahren aufgebrachte Lötpulver verwendet werden. Als Beschichtung 11 für eine Trägerstruktur aus Inconel 718 kann beispielsweise Ni verwendet werden. Ebenso wird die in Richtung Trägerstruktur weisende Seite des Innenkörpers 1 entsprechend beschichtet. Bei einem Innenkörper 1 aus CuAg₃Zr ist diese Beschichtung 12 beispielsweise eine 5 – 10 μm Goldschicht. Dies bewirkt, neben ihrer Benetzung fördernder Oberflächenkonditionierung, bei einer Löttemperatur oberhalb von 950 °C, in Abhängigkeit der Metallurgie der zuverbindenden Werkstoffe (Trägerkörper und Innenkörper), dass die Beschichtung mit Au und Ni ausreicht, um über eine eutektische Reaktion (Ni18, Au 82) ein Au-Ni-Lot entstehen zu lassen, welches bei 950 °C schmilzt.
Nach dem Lötvorgang (d.h. nach Prozessende) wird über die Ventile 5, 6 und entsprechende Zufuhr- bzw. Ablassrohre Kühlgas in den Innenraum 2 eingeleitet, um eine Schnellabkühlung zu bewirken. Dabei verhindert die Druckmessung und Drucksteuerung, dass übermäßiger Druck im Inneren der Brennkammerstruktur das Linermaterial im Bereich der Kühlkanäle eindrückt oder thermisch induzierte Spannungen die Lotverbindungen aufbrechen lassen. Abschließend werden die Deckel 3, 4 beispielsweise durch Abstechen entfernt.
Als Beispiel ist eine Brennkammerstruktur mit folgenden Parametern aufgeführt:
Werkstoff des Brennkammer-liners: CuAg₃Zr
Werkstoff der Trägerstruktur: Inconel 718
Durchmesser der Brennkammerstruktur: 100 mm
Wandstärke des Liners im Kühlkanalbereich: 0.8 mm
Beschichtung des Brennkammerliners: 5 μm Au
Beschichtung der Trägerstruktur: 10 μm Ni
Als Lotlegierung dient VH 900 (Cu-Ag-Ni) und ist auf die Trägerstrukturinnenseite mittels Kaltgasspritzen mit einer Dicke von ca. 40 μm gespritzt.
In 5 ist der Löttemperaturzyklus für eine Brennkammerstruktur mit diesen Parametern dargestellt. Zunächst wird die Struktur von Raumtemperatur kontinuierlich auf ca. 750 °C erwärmt. Diese Temperatur wird für ca. 60 Minuten gehalten. So wird eine geleichmäßige Durchwärmung des gesamten Bauteils erreicht. Durch die Erwärmung dehnt sich der Brennkammerliner 1 aus und drückt gegen die Trägerstruktur 8. Prinzipiell liegt diese Temperatur immer unterhalb der Solidustemperatur des verwendeten Lotwerkstoffsystems. Im vorliegenden Fall beginnt das VH900-Lot bei ca. 780 °C zu schmelzen (Solidustemperatur). Erst bei deutlich über 800 °C ist das Lot komplett flüssig (Liquidustemperatur). In einem weiteren Schritt wird die Temperatur auf 930 °C Löttemperatur erhöht, mit einer Haltezeit von ca. 10 Minuten. Nach Abschluß des Lötvorganges erfolgt eine Abkühlung durch Einleiten von Ar-Gas.

Claims

Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauschern, insbesondere von regenerativ gekühlten Brennkammern, wobei der Wärmetauscher ein Trägerteil (8) und einen hohlkörperförmigen Innenkörper (1) mit Kühlkanälen (1a) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest auf einer der zu befestigenden Seite von Trägerteil (8) und/oder Innenkörper (1) ein Lotwerkstoff (10; 11,12) angeordnet wird; – das Trägerteil (8) auf den Innenkörper (1) aufgebracht und fixiert wird; – der Innenraum (2) des hohlkörperförmigen Innenkörpers (1) gegen die äußere Umgebung abgedichtet wird; – die Anordnung aus Trägerteil (8) und Innenkörper (1) auf Löttemperatur derart erwärmt wird, dass sich der Innenkörper (1) unter Ausdehnung an das Trägerteil (8) anschmiegt und – während des Lötvorgangs ein gleichmäßiger Anpressdruck eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innenkörper (8) aufgrund des sich im dicht abgeschlossenen Innenraum (1) befindenden Restgases ausdehnt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (Pi) im Innenraum (2) über Temperaturänderung und/oder Steuerung von Ventilen (5,6) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lotwerkstoff (10) an Verbindungsstellen von Trägerteil (8) und Innenkörper (1) mechanisch oder mittels Metallspritzverfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenseite des Trägerteils (8) und/oder auf der in Richtung Trägerteil (8) weisenden Seite des Innenkörpers (1) mittels eines Plasmasprühverfahrens, insbesondere durch PVD- oder CVD- Verfahren, eine Beschichtung (11,12) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Lotwerkstoff (10) an Verbindungsstellen von Trägerteil (8) und Innenkörper (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Zusammenwirken der Beschichtung (12) des Innenkörpers (1) und der Beschichtung (11) des Trägerteils (8) der Lotwerkstoff bereitgestellt wird.
Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Lötvorgang ein Kühlmittel über Ventile (3, 4) ins Innere des Innenkörpers (1) eingeführt wird.
Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung (4, 5) des Innenkörpers (1) nach dem Lötvorgang entfernt wird.