DE10346836B4

DE10346836B4 - Verfahren zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials und Herstellungsverfahren einer Raketentriebwerk-Verteilereinrichtung mit einer Kupferauflage

Info

Publication number: DE10346836B4
Application number: DE2003146836
Authority: DE
Inventors: Jeffrey D. Stuart Haynes; Karthikeyan Akron Jeganathan
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2023-10-18
Also published as: GB0324367D0; FR2845937A1; RU2266978C2; FR2845937B1; DE10346836C5; CA2444917A1; JP2004137602A; GB2394479B; GB2394479A; DE10346836A1; RU2003130773A

Abstract

Verfahren zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf ein Substrat, aufweisend die folgenden Schritte:
Bereitstellen von Metallpulverteilchen mit einer Größe im Bereich von einer Größe, die ausreichend ist, ein Abgelenktwerden von dem Substrat infolge einer Beugeschockschicht zu vermeiden, bis zu 50 μm; und
Ausbilden einer Auflageschicht auf mindestens einer Oberfläche des Substrats durch Hindurchführen der Metallpulverteilchen durch eine Sprühdüse mit einem Hauptgasstrom bei einer Geschwindigkeit, die ausreichend ist, die Metallpulverteilchen an der mindestens einen Oberfläche plastisch zu verformen, wobei die Teilchen der Düse unter Verwendung eines Trägergases zugeführt werden.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG(EN)
Die vorliegende Erfindung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/419 403 mit dem Titel COLD SPRAYED COPPER FOR UPPER STAGE ROCKET ENGINES, die am 18. Oktober 2002 eingereicht wurde.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Kupferauflage auf Substratoberflächen, insbesondere eine in einem Raketentriebwerk zu verwendende Verteilereinrichtung.
Raketenschubkammer-Konstruktionen beinhalten zwei Verteilereinrichtungen, die den Treibstoff (typischerweise flüssigen Wasserstoff) sammeln und zu der Brennkammer verteilen. Eine dieser Verteilereinrichtungen ist typischerweise unmittelbar der Injektoranordnung benachbart angeordnet, wo der Treibstoff und das Oxidationsmittel (typischerweise flüssiger Sauerstoff) vermischt und entzündet werden. Beide Verteilereinrichtungen sind aus einem hoch festen rostfreien Stahl hergestellt, um den kryogenen Treibstoff mit hohem Druck zu beinhalten. Die Verteilereinrichtung, die in der Nähe des Injektors angeordnet ist, ist tendenziell verbrannten Gasen mit sehr hoher Temperatur ausgesetzt. In der Folge erfordert diese Verteilereinrichtung eine aktive Kühlung an der Seite, die dem Injektor am nächsten ist.

Mehrere Anstrengungen wurden unternommen, um reines Kupfer auf diese Seite der Verteilereinrichtung galvanisch aufzubringen, um das Kühlmittel über den Spalt zu der Injektorseite zu leiten. Die Verteilereinrichtung wird jedoch anschließend einem Hochtemperatur-Lötschritt unterworfen, der in der Vergangenheit zu blasigem Kupfer geführt hat. Eine Auflage, die dünner als wenige Mils (10^–3 Inch) ist, ist infolge der Ausdehnung der eingefangenen Lösungen/Verunreinigungen sehr anfällig für eine Blasenbildung, wenn sie Wärme ausgesetzt ist.

Das Galvanisieren/Plattieren erfordert, dass das Teil in Säuren und Galvanisierlösungen für längere Zeitdauern eingetaucht wird, um einen dicken Aufbau auf den Teilen zu erzielen. Ein signifikantes Maskieren ist erforderlich. Das Aussetzen einer Säure ist bei einem Teil nicht immer zulässig und könnte Ermüdungseinbußen erzeugen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die aufgebaute Dicke in Tagen gemessen wird.

Das thermische Aufsprühen ist ein anderes Verfahren zum Aufbringen einer konformen Beschichtung auf ein Teil. Das thermische Aufsprühen erfordert, dass das Teil lokal sehr hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Wärmeempfindliche Teile und Teile mit engen dimensionalen Toleranzen (Verformung durch Wärmeeinfluss) sind für ein derartiges Ausgesetztsein nur beschränkt geeignet. Typischerweise werden Oxide bei dem Wärmesprühschmelzen und -Wiederverfestigen unter Luftatmosphäre gebildet. Oxide verringern die Zähigkeit von Beschichtungen signifikant und sind schwierig zu entfernen. Unterdrucksysteme sind möglich, aber sehr teuer und schwierig zu kontrollieren.

In der Patentschrift DE 690 16 433 T2 ist ein Kaltsprühverfahren beschrieben, bei welchem die aufzusprühenden Teilchen über eine rotierende Trommel einem Gasstrom zugeführt werden und über eine Düse kaltgesprüht werden.

Es besteht ein Bedürfnis nach einem verbesserten Verfahren zum Aufbringen einer Kupferauflage auf den Oberflächen einer in einem Raketentriebwerk verwendeten Verteilereinrichtung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Folglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Aufbringen einer Kupferauflage auf einem Substrat bereitzustellen, die nachdem sie einem Hochtemperatur-Lötschritt unterzogen wurde, nicht Blasen bildet.

Das genannte Ziel wird durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erreicht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Aufbringen einer Auflage auf ein Substrat die folgenden Schritte auf: Bereitstellen von Metallpulverteilchen mit einer Größe im Bereich von einer Größe, die ausreichend ist, zu vermeiden, von dem Substrat infolge einer Beugeschockschicht (bow shock layer) weg gebogen zu werden, bis zu 50 μm und Ausbilden einer Auflageschicht auf mindestens einer Oberfläche des Substrats durch Hindurchführen der Metallpulverteilchen mit einem Hauptgasstrom durch eine Spraydüse mit einer Geschwindigkeit, die ausreichend ist, die Metallpulverteilchen auf der mindestens einen Oberfläche plastisch zu verformen, wobei die Teilchen der Düse unter Verwendung eines Trägergases zugeführt werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Raketentriebwerk mit einer Verteilereinrichtung aus rostfreiem Stahl, die an der inneren und/oder äußeren Oberfläche mit einer Kupferlegierungsbeschichtung beschichtet ist.

Weitere Details des kaltgesprühten Kupfers für Raketentriebwerke der höheren Stufe sowie andere damit einher gehende Ziele und Vorteile werden in der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ausgeführt, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente beschreiben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Figur ist eine schematische Darstellung einer Sprühdüse, die zum Beschichten der Oberflächen einer in einem Raketentriebwerk verwendeten Verteilereinrichtung verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Ausbilden einer Auflage oder einer Beschichtung an einer äußeren und/oder inneren Oberfläche eines Substrats 10, beispielsweise einer aus einem Metalllegierungsmaterial, beispielsweise rostfreiem Stahl, gebildeten Verteilereinrichtung, die in einem Raketentriebwerk verwendet wird. Das Verfahren ist ein dynamisches Kaltgas-Sprühverfahren (oder "Kaltsprüh-"Verfahren). Bei diesem Verfahren werden feine Metallpulver auf Überschallgeschwindigkeiten unter Verwendung von komprimiertem Gas, beispielsweise Helium und manchmal Stickstoff, beschleunigt. Helium ist bei diesem Verfahren infolge seines niedrigen Molekulargewichts ein bevorzugtes Gas und erzeugt die höchste Geschwindigkeit bei höchsten Gaskosten. Das zur Ausbildung der Auflage verwendete Pulver ist typischerweise ein Metallpulver mit Teilchen mit einer Größe im Bereich von 5 μm bis 50 μm. Typische thermische Sprühpulver sind üblicherweise für das Kaltsprühen zu groß. Kleinere Teilchengrößen wie die vorangehend erwähnten ermöglichen es, höhere Teilchengeschwindigkeiten zu erzielen. Unterhalb eines Durchmessers von 5 μm werden die Pulverteilchen von dem Substrat infolge einer Beugeschockschicht (bow shock layer) knapp oberhalb des Substrats weggebeugt (nicht ausreichende Masse, um durch den Beugeschock gelangen). Die Geschwindigkeit ist umso besser, je schmaler die Teilchengrößenverteilung ist. Das ist so, weil beim Vorhandensein von großen und kleinen Teilchen (bi-modal) die kleinen die größeren langsameren treffen und effektiv die Geschwindigkeit von beiden verringern.
Der von dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendete Verbindemechanismus zum Überführen des Metallpulvers zu einer Auflage ist rein im festen Zustand, was bedeutet, dass sich die Teilchen plastisch verformen. Jede Oxidschicht, die sich ausbildet, wird aufgebrochen, und es erfolgt bei sehr hohen Drücken ein frischer Metall-zu-Metall-Kontakt.
Die zum Ausbilden der Auflage verwendeten Pulver werden unter Verwendung modifizierter Thermosprüh-Zuführeinrichtungen zugeführt. Eine Schwierigkeit beim Zuführen unter Verwendung von Standard-Zuführeinrichtungen ergibt sich durch die kleinen Teilchengrößen und die hohen Drücke. Eine maßgeschneidert konstruierte Zuführeinrichtung, die verwendet werden kann, wird von Powder Feed Dynamics, Cleveland, Ohio hergestellt. Diese Zuführeinrichtung hat einen Zuführmechanismus vom Auger-Typ. Wirbelbett-Zuführeinrichtungen und Barrel Roll-Zuführeinrichtungen mit einem gewinkelten Schlitz können ebenso verwendet werden.
Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung sind die Zuführeinrichtungen entweder mit Stickstoff oder Helium druckbeaufschlagt. Die Drücke der Zuführeinrichtung befinden sich üblicherweise knapp über dem Hauptgasdruck oder dem Hauptüberdruck, wobei die Überdrücke typischerweise im Bereich von 1720 kPa bis 3440 kPa (250 bis 500 psi) abhängig von der Kupferlegierungszusammensetzung sind. Das Hauptgas wird erwärmt. Die Gastemperaturen liegen üblicherweise bei 148°C bis 648°C (300 bis 1200°F), können jedoch bis zu etwa 675°C (1250°F) gehen, abhängig von dem auf das Substrat aufgebrachte Material. Das Gas wird erwärmt, um es davon abzuhalten, schnell abzukühlen und zu gefrieren, sobald es an der Einschnürung der Düse vorbei expandiert. Der Nettoeffekt ist eine Substrattemperatur von etwa 46°C (115°F) während der Abscheidung (deshalb Kaltsprühen und nicht Warmsprühen).
Um die Auflage auf dem Substrat 10 zu bilden, muss die Düse 20 eine Sprühkanone 22 über die Oberfläche(n) 24 und 26 des Substrats 10 mehr als einmal hinweg gehen. Die Anzahl der erforderlichen Durchgänge ist eine Funktion der Dicke der aufzubringenden Auflage. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, eine Auflage 28 mit einer Dicke von 0,05 bis 0,76 mm (2 bis 30 mils) pro Durchgang auszubilden. Wenn man eine dicke Schicht ausbilden möchte, kann die Sprühkanone 22 stationär gehalten werden und verwendet werden, um eine Auflage zu bilden, die 5 bis 8 cm (zwei oder drei Inch) stark ist. Beim Aufbauen einer Auflage-Schicht muss man die Dicke pro Durchgang limitieren, um ein schnelles Aufbauen von Restspannungen und ein uner wünschtes Ablösen zwischen Auflageschichten zu vermeiden. Eine Dicke von 0,13 mm (5 mils) pro Durchgang scheint optimal zu sein.
Man hat herausgefunden, dass man Kupferpulver mit Teilchen mit einer Größe von bis zu 50 μm, vorzugsweise einer Teilchengröße im Bereich von 5 bis 30 μm, verwenden kann, wenn man eine Kupfer- oder Kupferlegierungsauflage oder -beschichtung 28 auf einem Substrat 10, beispielsweise einer Verteilereinrichtung aus rostfreiem Stahl, aufbringen möchte. Das Hauptgas kann durch die Düse 20 durch einen Einlass 30 und/oder 32 mit einer Strömungsrate von 0,00047 l/s bis 23,5 l/s, (0,001 bis 50 SCFM) vorzugsweise im Bereich von 7,05 l/s bis 16,45 l/s (15 bis 35 SCFM) geleitet werden, wenn Helium als das Hauptgas verwendet wird. Wenn Stickstoff allein oder in Kombination mit Helium als Hauptgas verwendet wird, kann das Stickstoffgas durch die Düse 20 mit einer Strömungsrate von 0,00047 l/s bis 14,1 l/s (0,001 bis 30 SCFM), vorzugsweise von 1,88 l/s bis 14,1 l/s (4,0 bis 30 SCFM) geleitet werden. Die Hauptgastemperatur kann in dem Bereich von 312°C bis 648°C (600 bis 1200°F) sein. Der Druck der Sprühkanone 22 kann im Bereich von 1380 kPa bis 2410 kPa (200 psi bis 350 psi), vorzugsweise von 1720 kPa bis 2410 kPa (250 bis 350 psi) sein. Das Kupferpulver kann in die Kanone über eine Leitung 34 mit einer Rate im Bereich von 10 g/min bis 100 g/min, vorzugsweise von 18 g/min bis 50 g/min zugeführt werden. Das Kupferpulver wird vorzugsweise unter Verwendung eines über einen Einlass 30 und/oder 32 eingebrachten Trägergases mit einer Strömungsrate von 0,00047 l/s bis 23,5 l/s (0,001 bis 50 SCFM), vorzugsweise von 4,7 l/s bis 16,45 l/s (10 bis 35 SCFM), für Helium und von 0,00047 l/s bis 14,1 l/s (0,001 bis 30 SCFM), vorzugsweise von 1,88 l/s bis 4,7 l/s (4,0 bis 10 SCFM), für Stickstoff, zugeführt. Vorzugsweise wird die Sprühdüse 20 mit einem Abstand entfernt von der/den Oberfläche(n) 24 oder 26 des zu beschichtenden Substrats 10 gehalten. Dieser Abstand ist als der Sprühabstand bekannt. Vorzugsweise ist der Sprühabstand im Bereich von 10 mm bis 50 mm. Die Auflagedicke vor Durchgang kann in dem Bereich von 0,025 mm bis 0,76 mm (0,001 bis 0,030 Inch) sein.
Obwohl die vorliegende Erfindung in dem Kontext des Aufbringens eines Kupferpulvers beschrieben wurde, kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Aufbringen einer Auflage einer Legierung auf Aluminiumbasis oder einer Legierung auf Nickelbasis verwendet werden. Je härter die Legierung ist, desto höher werden die benötigten Parameter, um nahe an die Dichte aufgespühter weicherer Legierungen zu kommen. Die Parameterbereiche, die vorangehend für das Ausbilden einer Kupferauflage angeführt wurden, können auch verwendet werden, um eine Aluminiumauflage oder eine Nickelauflage auszubilden. Beispielsweise kann eine Aluminiumlegierungsauflage unter Verwendung eines Kanonenüberdrucks von 2070 kPa (300 psi), einer Gastemperatur von 312°C (600°F), einer Pulverzuführrate von 21 g/min, einer Trägerströmungsrate von 6,11 l/s (13 SCFM) Helium und einer Hauptgasströmungsrate von 16,0 l/s (34 SCFM) Helium ausgebildet werden.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung hat die Vorteile des Eliminierens des lange dauernden und nicht umweltfreundlichen galvanischen Prozesses und kann in einer viel kürzeren Zeit als andere Plattierverfahren bewerkstelligt werden, wobei derartige Verfahren häufig Wochen benötigen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung hat besondere Nützlichkeit beim Aufbringen einer dicken Kupferauflage, größer als 0,13 cm (0,050 Inch), auf innere und äußere Oberflächen einer in Raketentriebwerken verwendeten Verteilereinrichtung aus rostfreiem Stahl.
Man hat herausgefunden, dass Auflagen, die auf Substraten aus rostfreiem Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet wurden, Wärmebehandlungszyklen, beispielsweise einer Wärmebehandlung bei 980°C (1800°F), unterzogen werden können, ohne dass es zur Blasenbildung oder zur Auflösung von Verbindungen kommt. Außerdem können die Auflagen Kryoschocks und Temperaturzyklen widerstehen ohne ein Verbindungsversagen oder eine Beeinträchtigung der Integrität der Beschichtung. Zudem kommt es bei den Auflagen nicht zu einer Blasenbildung oder zu einer Ablösung.
Man erkennt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung ein kaltgesprühtes Kupfer für Raketentriebwerke der oberen Stufen bereitgestellt wurde, das vollständig die Ziele, Absichten und Vorteile erfüllt, die vorangehend ausgeführt wur den. Obwohl die vorliegende Erfindung im Kontext von speziellen Ausführungsformen davon beschrieben wurde, können andere Alternativen, Modifikationen und Variationen dem Fachmann ersichtlich werden, der die vorangegangene Beschreibung gelesen hat. Folglich sollen diese Alternativen, Modifikationen und Variationen als in den breiten Umfang der angefügten Ansprüche fallend mit eingeschlossen sein.

Claims

Verfahren zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf ein Substrat, aufweisend die folgenden Schritte: Bereitstellen von Metallpulverteilchen mit einer Größe im Bereich von einer Größe, die ausreichend ist, ein Abgelenktwerden von dem Substrat infolge einer Beugeschockschicht zu vermeiden, bis zu 50 μm; und Ausbilden einer Auflageschicht auf mindestens einer Oberfläche des Substrats durch Hindurchführen der Metallpulverteilchen durch eine Sprühdüse mit einem Hauptgasstrom bei einer Geschwindigkeit, die ausreichend ist, die Metallpulverteilchen an der mindestens einen Oberfläche plastisch zu verformen, wobei die Teilchen der Düse unter Verwendung eines Trägergases zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Metallpulverteilchen mit einer Teilchengröße im Bereich von 5 μm bis 50 μm bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Metallpulverteilchen Kupferlegierungsteilchen, Aluminiumlegierungsteilchen und/oder Nickellegierungsteilchen bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Metallpulverteilchen der Düse mit einer Förderrate von 10 g/min bis 100 g/min und bei einem Druck im Bereich von 1720 kPa bis 3440 kPA unter Verwendung von Helium, Stickstoff und Mischungen daraus als Trägergas, zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Metallpulverteilchen zu der Düse mit einer Rate von 0,001 g/min bis 50 g/min zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Trägergas Helium aufweist und wobei der Zuführschritt das Zuführen des Heliums zu der Düse mit einer Strömungsrate von 0,00047 l/s bis 23,5 l/s aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Trägergas Helium aufweist und wobei der Zuführschritt das Zuführen des Heliums zu der Düse mit einer Strömungsrate von 4/7 l/s bis 16,45 l/s aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Trägergas Stickstoff aufweist und der Zuführschritt das Zuführen des Stickstoffs zu der Düse mit einer Strömungsrate von 0,00047 l/s bis 14,1 l/s aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das Trägergas Stickstoff aufweist und der Zuführschritt das Zuführen des Stickstoffs zu der Düse bei einer Strömungsrate von 1,88 l/s bis 4,7 l/s aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Metallpulverteilchen durch die Düse unter Verwendung eines Hauptgases, welches aus der Gruppe gewählt ist, die aus Helium, Stickstoff und Mischungen daraus besteht, bei einer Hauptgastemperatur im Bereich von 312°C bis 648°C und bei einem Sprühdruck im Bereich von 1380 bis 2410 kPA hindurchgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Metallpulverteilchen durch die Düse bei einem Sprühdruck im Bereich von 1720 kPA bis 2410 kPA hindurchgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Hauptgas Helium aufweist und das Helium der Düse bei einer Rate im Bereich von 0,00047 l/s bis 23,5 l/s zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Hauptgas Helium aufweist und das Helium der Düse mit einer Rate im Bereich von 7,05 l/s bis 16,45 l/s zugeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Hauptgas Stickstoff aufweist und wobei der Stickstoff der Düse mit einer Rate im Bereich von 0,00047 l/s bis 14,1 l/s zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Hauptgas Stickstoff aufweist und wobei der Stickstoff der Düse mit einer Rate im Bereich von 1,88 l/s bis 14,1 zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Substrat eine Verteilereinrichtung aus rostfreiem Stahl für ein Raketentriebwerk aufweist und wobei als Auflageschicht eine Kupferlegierungsschicht auf einer äußeren Oberfläche und/oder einer inneren Oberfläche der Verteilereinrichtung ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine Schicht der Kupferlegierung mit einer Dicke im Bereich von 0,025 mm bis 0,76 mm pro Durchgang der Düse über die äußere Oberfläche und/oder die innere Oberfläche ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, ferner aufweisend: Beibehalten der Düse bei einem Abstand von 10 mm bis 50 mm von der mindestens einen zu beschichtenden Oberfläche.
Verfahren zur Herstellung einer Raketentriebwerk-Verteilereinrichtung mit einer Auflage eines Kupfer enthaltenden Materials auf mindestens einer Oberfläche, wobei die Kupferauflage durch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Verteilereinrichtung aus einem Metalllegierungsmaterial gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Kupfer enthaltende Materialauflage auf eine innere Oberfläche und/oder eine äußere Oberfläche der Verteilereinrichtung aufgebracht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die Auflage aus einer Kupferlegierung gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Auflage eine Dicke hat, die größer als 0,12 cm ist.