JP2004137602A - 基材にコーティングを施す方法 - Google Patents

Abstract

　【課題】　ロケットエンジンに使用されるマニホルドの表面に銅の堆積物を施すための改良された方法を提供する。
　【解決手段】　銅や銅合金の堆積層をロケットエンジン用の金属合金マニフォルドの内面および／または外面の少なくとも一方の上に形成する方法は、ボーショック層によって基材１０から吹き流されるのを回避するのに十分な大きさから５０ミクロンの範囲の大きさを有する金属粉末の粒子を準備するステップ、少なくとも１つの表面上に金属粉末粒子を塑性変形させるのに十分な速さでスプレーガン２２のノズル２０を通って金属粉末粒子を通過させ基材１０の少なくとも１つの面２４，２６の上に堆積層を形成するステップを有してなる。
　【選択図】　図１

Description

　本発明は、基材、特にロケットエンジンに使用されるマニホルドの表面上に銅の堆積物を設けるための方法に関するものである。

　ロケット推力室の設計では、燃焼室に燃料（典型的には、液体水素）を集め且つ分配する２つのマニホルドを含まれる。これらマニホルドのうちの１つは、燃料と酸化剤（典型的には、液体酸素）とが混合され燃焼される場所であるインジェクタアセンブリの直近に隣接して配置されている。２つのマニホルドは高圧で極低温の燃料を入れるために高張力ステンレススチールから形成されている。インジェクタの近くに配置されているマニホルドは非常に高温の燃焼ガスに曝されがちである。このため、このマニホルドは、インジェクタに最も近接した面上を積極的に冷却する必要がある。

　このマニホルド面に純銅を電気メッキし、インジェクタ面までのギャップを越えて冷却剤を導きないし伝える多くの試みがされている。しかしながら、このマニホルドは高温のろう付けサイクルを連続的に受け、この高温のろう付けサイクルによって従来は粗銅が生じる結果を招いてしまう。２、３ミルよりも厚みのある堆積物は、熱に曝された際には、閉じ込められた溶液や不純物の膨張のために非常に膨らみやすい。

　メッキにおいては、部品上に厚いビルドアップ（増強）を達成するために、部品を酸およびメッキ溶液に長時間浸漬する必要がある。有効なマスキングが必要となる。部品を酸を露出することは必ずしも許容されているわけではなく、また疲労よる劣化が生じる。その他の不利な点としては、はビルトアップの厚みを何日もの間測定しなければならないことがある。

　部品にコンフォーマルコーティングを施すその他の技術として溶射がある。溶射は部品を局部的に非常に高温に曝す必要がある。熱感度の良い部品および厳密な寸法公差（熱からの歪み）を要する部品はこのような爆射が制限される。熱溶射による溶融および再固化によって一般的に大気雰囲気中において酸化物が形成される。酸化物はコーティングの延性を著しく低減させ、また取り除くのが困難である。真空システムも可能であるが、非常に高価であり、また管理が困難である。

　よって、ロケットエンジンに使用されるマニホルドの表面に銅の堆積物を設けるための改良された方法が必要とされている。

　よって本発明の目的は、高温のろう付けサイクルを受けた後でも膨らむことがない、基材に銅の堆積物を施すための方法を提供することにある。
　上述の目的は本発明の方法によって達成される。

　本発明によれば、基材に堆積物を施すための方法は、ボーショック層によって基材から吹き流されないし吹き飛ばされるのを回避するのに十分な寸法から５０ミクロンまでの範囲の寸法を有した金属粉末粒子を準備するステップと、金属粉末粒子を塑性変形させるのに十分な速度でスプレーノズルを通して金属粉末粒子を基材の少なくとも１つの面上を通過させ（スプレーノズルからこの面に金属粉末粒子を当てて）基材の少なくとも１つの面上に堆積層を形成するステップとを有してなるものである。

　本発明はまた、銅合金コーティングを内面および／または外面の少なくとも１つの上に有するステンレススチール製のマニホルドを有するロケットエンジンに関する。

　本発明の上段のロケットエンジン用のコールドスプレーされた銅の他の詳細、および他の目的並びにこれに伴う特長は、以下の詳細な説明および添付図面に説明されている。添付図面において、類似の参照符号は類似の要素を表す。

　本発明によれば、ロケットエンジンにおいて用いられている金属合金材料（例えばステンレススチール）から形成されているマニホルドのような基材１０の外面および／または内面上に、堆積物ないしコーティングを形成するための方法が提供される。この方法は、冷ガスのダイナミックスプレー（あるいは”コールドスプレー”）法である。この方法では、例えばヘリウムあるいは場合によっては窒素のような圧縮ガスを用いて、微細な金属粉末が超音速の速度に加速される。この方法ではヘリウムが好ましく、これは、ヘリウムは分子量が低く、最高のガスコストで最高の速度を生み出すからである。堆積物を形成するために用いられる粉末は典型的には金属粉末であって、この金属粉末は５ミクロンから５０ミクロンまでの範囲の粒子寸法を有したものである。一般的な溶射用の粉末は、通常は、コールドスプレーには大きすぎる。上記したような、より小さな粒度（粒径）とすることで、より高い粒子速度を達成できる。直径が５ミクロンより小さい場合、粉末の粒子は基材の直ぐ上にあるボーショック層によって基材から吹き流され（吹き飛ばされて）しまう。これは、ボーショックを通って進むためには質量が不十分であるためである。粒度分布が小さいほど速度は一層望ましいものになる。これは大きな粒子および小さな粒子を有する(双峰つまり２モードの粒子分布)場合、より遅い、より大きな粒子に小さな粒子がぶつかり、双方の速度が事実上低減されるためである。なお、ボーショック（弧状衝撃波）は、物体が空気のような流体を通って移動し、流体の流れにより衝撃を受ける際に物体の全面に発生する衝撃波である。またボーショック層は、この弧状衝撃波を含む流体の層を意味する。

　金属粉末を堆積物に変形させるための本発明の方法において使用される接着機構は完全に固体である。これは粒子が塑性変形することを意味している。形成されているいずれの酸化物層も壊されるとともに、金属同士からなる新たな接触が非常に高圧で作られる。

　堆積物を形成するために使用される粉末は変形された溶射フィーダを用いて搬送される。標準のフィーダを用いて搬送するのが困難なのは、粒子寸法が細かいため、および高圧のためである。使用可能な特注設計のフィーダの１つは、オハイオのパウダーフィードダイナミックスオブクレバーランド社により製造されたものである。このフィーダはオーガ式つまりらせん状の供給機構を有している。流動層フィーダ、および角形スリットを備えたバレルロール形のフィーダも同様に使用可能である。

　本発明の方法において、フィーダは窒素あるいはヘリウムのどちらか一方で加圧される。フィーダの圧力は一般的には主ガスあるいはヘッド圧力よりもわずかに大きく、ヘッド圧力は通常は粉末合金の組成によって、２５０ｐｓｉから５００ｐｓｉの範囲に及ぶものである。主ガスは加熱される。ガスの温度は通常３００°Ｆ（約１４８．９℃）から１２００°Ｆ（約６４８．９）であるが、基材に施される材料によって、約１２５０°Ｆ（約６７６．７）まで高くなってもよい。ガスがノズルのスロート部を通過して膨張するとすぐにガスが加熱され、急激な冷却および凍結から守られる。堆積の際の約１１５°F（約４６．１℃）の基材温度が正味の効果である（よって、コールドスプレーであり、ウォームスプレーではない）。

　基材１０の上に堆積物を形成するためには、スプレーガン２２のノズル２０が２回以上基材１０の表面２４および２６の上を通過しなければならない。要求される通過回数は施される堆積物の厚みの関数である。本発明の方法では１回の通過につき２−３０ミルの厚さを有する堆積物２８を形成できる。厚みのある層を形成したい場合には、スプレーガン２２は固定して保持されるとともに用いられ、２インチ（５０．８ミリ）から３インチ（７６．２ミリ）高い堆積層が形成される。堆積層を作り上げる際には、１回の通過毎に厚みを規制ないし制限する必要があり、これにより、残留応力の蓄積と各堆積層間の不必要な接着剥離との回避が図れる。１回の通過につきに５ミルの厚みが最適とされる。

　銅あるいは銅合金の堆積物ないしコーティング２８をステンレススチール製のマニホルドのような基材１０に施したい場合、５０ミクロンまでの粒度（粒径）、好ましくは５ミクロンから３０ミクロンの範囲の粒度を有する銅粉末を用いることができる。主ガスは入口３０および／または３２を介し、ノズル２０を通って、０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭ、好ましくは１５ＳＣＦＭから３５ＳＣＦＭの範囲の流量で通過される。これはヘリウムガスが主ガスとして用いられる場合である。主ガスとして窒素が単独で用いられる場合、あるいはヘリウムと併用して用いられる場合、窒素ガスはノズル２０を通って、０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭ、好ましくは４．０ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭの流量で通過される。主ガスの温度は６００°Ｆ（約３１５．６℃）から１２００°Ｆ（約６４８．９℃）の範囲である。スプレーガン２２の圧力は２００ｐｓｉから３５０ｐｓｉ、好ましくは２５０ｐｓｉから３５０ｐｓｉの範囲である。銅粉末はライン３４を介して、毎分１０グラムから毎分１００グラム、好ましくは毎分１８グラムから毎分５０グラムの量でガンの中に搬送される。銅粉末は好ましくは入口３０および／または３２を介して導入されたキャリヤーガス（搬送ガス）を用いて搬送される。このキャリヤーガスは、ヘリウムに対しては、０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭ、好ましくは１０ＳＣＦＭから３５ＳＣＦＭまでの流量を有し、窒素に対しては、０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭ、好ましくは４．０ＳＣＦＭから１０ＳＣＦＭの流量を有している。好ましくはスプレーノズル２０はコーティングが施される基材１０の表面２４または２６から離れて保持される。この距離は噴射距離として知られている。好ましくは、この噴射距離は１０ミリから５０ミリの範囲である。１回の通過（パス）につき、堆積物の厚みは０．００１インチ（０．０２５４ミリ）から０．０３０インチ（０．７６２ミリ）の範囲である。

　以上、本発明について銅粉末を施すことに関して説明したが、本発明の方法はアルミニウムベースの合金、あるいはニッケルベースの合金の堆積物を施すために用いることもできる。合金が硬ければ硬いほど、より柔らかな合金の噴射された密度に近づけるためにより高いパラメータが必要になる。銅の堆積物を形成する、上記のパラメーターの範囲はアルミニウム堆積物あるいはニッケル堆積物の形成にも用いられる。例えばアルミニウム合金の堆積物は、３００ｐｓｉのガンヘッド圧力、６００°Ｆ（約３１５．６℃）のガス温度、毎分２１グラムの粉末供給速度、１３ＳＣＦＭのヘリウム搬送流量、およびヘリウム３４ＳＣＦＭの主ガス流量を用いて形成される。

　本発明の方法は、長い準備期間をなくし、環境を考慮しないメッキプロセスをなくすことができ、また多くの場合、何週間も要する他のメッキ技術よりもずっと短時間で達成できる。

　本発明の方法は０．０５０インチ（１．２７ミリ）よりも大である、厚みのある銅の堆積物をロケットエンジンにおいて用いられるステンレススチールのマニホルドの内面および外面に施すのに特に有用である。

　本発明に係わるステンレススチールの基材の上に形成された堆積物は、膨れや接合分離が起こることなしに、１８００°Ｆ（約９８２．２℃）の熱処理などの熱処理サイクルに耐え得ることが知得されている。更にこの堆積物は、接合不良やコーティングの一体性を弱めることなく、極低温での衝撃および熱サイクルに耐え得るものである。更に、この堆積物は膨れや接着剥離もしない。

　本発明によれば、上述した各目的、手段、および特長を完全に満足する、上段のロケットエンジン用のコールドスプレーされた銅が提供されることは明らかである。なお、以上の説明では本発明を特定の実施形態に関して説明したが、以上の説明から当業者にはその他の代替、変更、および変形は自明である。添付の特許請求の範囲の広い範囲はこれらの代替、変更および変形を包含するように意図されている。

ロケットエンジンに使用されるマニホルドの表面をコーティングするために用いられるスプレーノズルの図式的な説明図である。

符号の説明

　１０　基材
　２０　ノズル
　２２　スプレーガン
　２８　コーティング
　３０、３２　入口

Claims (23)

1. 　基材にコーティング材料を施す方法であって、
   　ボーショック層によって基材から吹き流されるのを回避するのに十分な大きさから５０ミクロンまでの範囲の大きさを有する金属粉末の粒子を準備するステップと、
   　前記金属粉末が塑性変形するのに十分な速度でスプレーノズルを通って前記金属粉末の粒子を前記基材の少なくとも１つの面上を通過させ前記少なくとも１つの面上に堆積層を形成するステップとを有してなる、ことを特徴とする方法。
2. 　前記金属粉末の粒子を準備するステップが、５ミクロンから５０ミクロンまでの範囲の粒度（粒径）を有する金属粉末の粒子を準備することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 　前記金属粉末の粒子を準備するステップが、銅合金粒子、アルミニウム合金粒子、およびニッケル合金粒子よりなる群から選択された粉末を準備することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 　前記金属粉末の粒子を準備するステップが、ヘリウム、窒素、およびそれらの混合物の群から選択されるキャリヤーガスを用いて、毎分１０グラムから毎分１００グラムの供給量で且つ２５０ｐｓｉから５００ｐｓｉの範囲の圧力で、前記金属粉末の粒子を前記ノズルへ搬送することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 　前記搬送ステップが、毎分０．００１グラムから毎分５０グラムの量で前記金属粉末の粒子を前記ノズルへ搬送するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 　前記キャリヤーガスがヘリウムを有してなり、また前記搬送ステップが０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの流量で前記ヘリウムを前記ノズルへ搬送するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項４記載の方法。
7. 　前記キャリヤーガスがヘリウムを有してなり、また前記搬送ステップが１０ＳＣＦＭから３５ＳＣＦＭの流量で前記ヘリウムを前記ノズルへ搬送するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項４記載の方法。
8. 　前記キャリヤーガスが窒素を有してなり、また前記搬送ステップが０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭの流量で前記窒素を前記ノズルへ搬送するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項４記載の方法。
9. 　前記キャリヤーガスが窒素を有してなり、また前記搬送ステップが４.０ＳＣＦＭから１０ＳＣＦＭの流量で前記窒素を前記ノズルへ搬送するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項４記載の方法。
10. 　前記形成ステップが、ヘリウム、窒素、およびそれらの混合物よりなる群から選択される主ガスを用いて、６００°Ｆ（３１５．６℃）から１２００°Ｆ（６４８．９℃）の範囲の主ガスの温度で、且つ２００ｐｓｉから３５０ｐｓｉの範囲のスプレー圧で、前記ノズルを通って前記金属粉末の粒子を通過させることを更に有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 　前記通過させるステップが、２５０ｐｓｉから３５０ｐｓｉまでの範囲のスプレー圧で、前記ノズルを通って前記金属粉末の粒子を通過させることを有してなる、ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 　前記主ガスがヘリウムを有してなり、また前記通過させるステップが０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの範囲の量で前記ヘリウムを前記ノズルへ搬送することを有してなる、ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
13. 　前記主ガスがヘリウムを有してなり、また前記通過させるステップが１５ＳＣＦＭから３５ＳＣＦＭの範囲の量で前記ヘリウムを前記ノズルへ搬送することを有してなる、ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
14. 　前記主ガスが窒素を有してなり、また前記通過させるステップが０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭの範囲の量で前記窒素を前記ノズルへ搬送することを有してなる、ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
15. 　前記主ガスが窒素を有してなり、また前記通過させるステップが４．０ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭの範囲の量で前記窒素を前記ノズルへ搬送することを有してなる、ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
16. 　前記基材がロケットエンジン用のステンレススチール製のマニホルドを有してなり、また前記堆積層の形成ステップが前記マニホルドの外面および内面のうちの少なくとも一方の上に銅合金層を形成することを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
17. 　前記堆積層の形成ステップが、前記ノズルのパス毎に（１回のパスにつき）、０．００１インチ（０．０２５４ミリ）から０．０３０インチ（０．７６２ミリ）の範囲の厚みを有する前記銅合金の層を前記外面および前記内面の少なくとも一方の上に形成することを有してなる、ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 　コーティングが施される前記少なくとも１つの面から１０ミリから５０ミリの距離に前記ノズルを保持することを更に有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
19. 　少なくとも１つの面の上に銅を含有する材料よりなる堆積物を有するロケットエンジンのマニホルドであって、
    　前記銅の堆積が請求項１の方法によって施される、ことを特徴とするロケットエンジンのマニホルド。
20. 　前記マニホルドが金属合金の材料から形成される、ことを特徴とする請求項１９記載のロケットエンジンのマニホルド。
21. 　前記銅を含有する材料の堆積が前記マニホルドの内面および外面の少なくとも一方に施される、ことを特徴とする請求項１９記載のロケットエンジンのマニホルド。
22. 　前記堆積物が銅合金から形成される、ことを特徴とする請求項１９記載のロケットエンジンのマニホルド。
23. 　前記堆積物が０．０５０インチ（１．２７ミリ）よりも大きな厚さを有する、ことを特徴とする請求項２２記載のロケットエンジンのマニホルド。
    
    

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