JP4874865B2 - ロケット構造体の構成部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はロケット構造体の構成部品の製造方法に関する。

推力室の耐力構造部を構成する構成部品などをはじめとする、ロケット構造体の構成部品の製造方法として、様々な方法が公知となっており、それら公知の方法のうちには、例えば、ニッケル電気鋳造法、溶接法、ロウ付け法などがある。

現在、ロケット構造体のうち、特に推力室の耐力構造部などは、ニッケル電気鋳造法、溶接法、ロウ付け法、及びその他の方法により製造されている。それらのうちでも特に、ニッケル電気鋳造法（０．０１〜０．０２ｍｍ／ｈ）には、全製造工程中における、このニッケル電気鋳造法による加工処理時間が、あまりにも長いという不都合がある。

また、２つの構成部品を互いに結合するための結合方法としては、ネジを用いた締結法、溶接法、ロウ付け法、それに電気めっき法などがあるが、これらは全て公知の結合方法である。

ところで、ニッケル蒸着法（Nickel-Vapor-Deposit-Method:ＮＶＤ法）による層成長速度（０．２５ｍｍ／ｈ）は、ニッケル電気鋳造法による層成長速度と比べてはるかに高速であり、そのため、ＮＶＤ法を用いることによって、加工処理時間を大幅に短縮することができ、ひいては、層成長に要する全工程時間を短縮することができる。

ＮＶＤ法では、特別な構造の蒸着処理チャンバの内部において、適当な温度に保持した型にニッケルテトラカルボニルのガスを供給し、化学的プロセスによってその型の表面に純粋ニッケルを蒸着する。ＮＶＤ法の主要な用途の１つに、ニッケル製器具を作製するという用途があり、例えば台所用シンクとして用いるニッケル製の殻状部材を作製するためなどに用いられている。ＮＶＤ法は主として型成形に用いられるものであり、その場合、ＮＶＤ法によって雌型の表面にニッケルを蒸着する。そして、蒸着層として形成したそのニッケル製の殻状部材を、雌型の表面から剥がし、構成部品として使用する。

しかしながら、このように雌型を用いてニッケル製の殻状部材を作製するという方法は、既に形状的に完成しているアンダーカットを有する基礎構造体（例えば、ロケットエンジンにおけるノズル拡径部を一体化した燃焼室などの基礎構造体）の表面に、耐力構造部を設けるという用途に用いるためには、その耐力構造部を構成するニッケル製の殻状部材を、互いに組付けて一体化することができるような個々の部分に分割しなければならないという不都合を生じる。また、その結果として、個々のニッケル製の殻状部品を作製した後に、それら複数の殻状部材を互いに接合して一体化するため、並びに、それら殻状部材を基礎構造体に結合するために、余分な工程を必要とすることになる。それによって余分なコストを要することになり、また、耐力構造部を構成する蒸着層の位置を揃えなければならないために品質上のリスクも高まるため、これまでＮＶＤ法は、ロケット構造体の製造には適さないものと考えられていた。

以上の理由から、ＮＶＤ法は、例えば推力室の耐力構造部を構成する構成部品などの、ロケット構造体の構成部品を製造するという用途には、これまで用いられていなかった。即ち、かかる用途にＮＶＤ法を用いるということは、非公知事項であった。

本発明の目的は、層成長速度が高速であり、しかも、均一厚さのニッケル層を任意形状の基礎構造体の表面に正確に倣って形成することができるロケット構造体の構成部品の製造方法を提供することにある。本発明の他の目的は、開放した空孔をニッケル層によって封止することができる、ロケット構造体の構成部品の製造方法を提供することにある。

以上の目的は、請求項１に記載の方法により解決される。従属請求項は、本発明の特に有利な実施の形態に係る特徴を記載したものである。

即ち、本発明が提供するロケット構造体の構成部品の製造方法は、基礎構造体の表面にＮＶＤ法によりニッケルを蒸着するステップを含むことを特徴とするものである。さらに、前記基礎構造体とニッケル層との結合体に対して更なる加工を施して構成部品を形成するステップとを含むことを特徴とするものである。また、基礎構造体の形状に対応した形状の雌型の表面にＮＶＤ法によりニッケルを蒸着してニッケル層を形成するステップと、蒸着したニッケル層に加工を施すことによって構成部品を形成するステップと、を含むことを特徴とするものである。または、中空の空間の形状と同一形状のロストコアを適当な材料で作製するステップと、該コア上にＮＶＤ法によりニッケルを蒸着してニッケル層を形成するステップと、コアを除去するステップと、蒸着したニッケル層に加工を施すことによって構成部品を形成するステップと、を含むことを特徴とするものである。加工は、ニッケル蒸着、化学的処理及び機械的処理のうちの少なくとも１つとすることができる。

また、提供するもう１つのロケット構造体の構成部品の製造方法は、セラミック材料製ないしは非セラミック材料製の多孔質の繊維複合材料製構造体の表面に気体封止性ないしは液体封止性を付与するステップを更に含むことができる。

また、提供するもう１つのロケット構造体の構成部品の製造方法は、ロケットエンジンの被冷却ないしは非被冷却とされる基礎構造体をニッケルで作製するステップを更に含むことができる。

本発明に係る方法の利点は、層成長速度が高速であり、均一厚さのニッケル層を任意形状の基礎構造体の表面に正確に倣って形成することができ、そして、開放した空孔を駆逐することができるというＮＶＤ法の長所を、存分に活用できることにある。

本発明に係る方法の特質は、本発明に係る方法によれば従来の技法とは異なり、基礎構造体とその表面に形成したニッケル層との全体をもって構成部品とし、任意には、その構成部品に対して更なる加工処理を施すようにしており、従って、形成したニッケル層をそれ以後基礎構造体から分離しないようにしていることにある。そして、この特徴によって、ＮＶＤ法をロケット構造体の構成部品の製造という用途に用い得るようにしたものである。

推力室の構成部品として、セラミック材料製の構成部品を用いる場合には、それによって構成される中空構造体が、組織構造上の理由から十分な気体封止性を持ち得ないという不都合がある。これは、多くの用途において、許されざることである。実験室段階では、気体封止性を付与するために、構成部品の表面に電解メッキ層やシリコン含有層を被覆するということが行われている。

ＮＶＤ法では、この方法の特性上、表面の微細な空孔が蒸着材料で埋められるため、本発明によれば表面に気体封止性が付与される。また、ＮＶＤ法による層形成を反復して実施することによって、供用時に作用する荷重に対応した耐力構造部を、外層として形成することも可能である。更に、ＮＶＤ法によって、補強構造部、接続構造部、それに結合構造部などを形成することも可能であり、その種の構造部としては、例えば、フィン部、板状部、フランジ部、溶接開始箇所を提供する付加部、ボルトやナットの螺着面を提供する座繰部、係止部、ガセット部などがあり、それらは蒸着の過程で形成することもでき、或いはまた、蒸着により形成した厚い蒸着層に更に機械加工を施すことによって形成することもできる。特に、その基礎構造体が、表面組織が不規則で形状精度のばらつきも大きいセラミック材料製の基礎構造体である場合には、その基礎構造体に対して機械加工を施すことなしに、蒸着により形成する金属材料層の結合構造部と、その基礎構造体の表面構造部とを、密接嵌合状態ないしは密着固定嵌合状態で、隙間なく結合させることができ、及び／または、その構成部品の表面に封止性を付与することができる。

更に、ＮＶＤ法によれば、ニッケル製の１つの構成部品と、その他の材料からなる別の１つの構成部品とを、それら構成部品の基礎構造体に対して、アンダーカット形成や表面粗面化を施すことによって、互いに機械構造的に結合することも可能である。そのため、例えば、フライス加工を施して作製した金属材料製の冷却流路画成構造体と、その外周を囲繞する耐力構造部とを、機械構造的に結合するための、機械構造的結合構造部を形成することも可能である。

以下に図１〜図６を参照しつつ、本発明について更に詳細に説明して行く。
図１の左側の図はニッケル層１４の結合領域において開放している冷却流路２５を有する燃焼室基礎構造体１０の断面図であり、右側の図はニッケル層１４の結合領域において閉鎖している冷却流路１５を有する燃焼室基礎構造体１０の断面図である。

図２は、冷却流路を備え、その冷却流路に充填材料１３が充填されている状態の燃焼室基礎構造体１０を示した図であり、ニッケル層を燃焼室基礎構造体に係合状態で結合するための３通りの結合部の具体例を示している。それらは、両面に溝形状のアンダーカット部を形成した凹凸形状部分の具体例１６ａ、冷却流路仕切壁部の端面にニッケル層を固着させるための微細構造を形成した具体例１６ｂ、それに、冷却流路仕切壁部の側面にニッケル層を固着させるための微細構造を形成した具体例１６ｃである。

図３は、複数の個別の丸パイプ１２ａまたは複数の個別の角パイプ１２ｂを連接してなる基礎体に、ニッケル層からなる耐力構造層１４が被着されたことを示した図である。

図４は、冷却流路と流入開口部とを備え、外周面及び前端面にニッケル層１７が被着された金属材料製またはセラミック材料製の基礎構造体１１を示した図である。この基礎構造体の最終形状は、フィン部及び板状部２１を備えた形状であり、それらは、ニッケル層の形成に続いて実施される機械加工により形成されるものである。更に、ＮＶＤ法による蒸着層の形成により、多孔質の基礎構造体に基体封止性及び液体封止性を付与するための封止性蒸着膜１８が形成されている。

図５は、基礎構造体、耐力構造層、及びリング形補強部を一体化した、一体型の構成部品１９を示した図である。中空の空間を画成するために適当なコア材２２を使用してＮＶＤ法により蒸着層を形成し、更にそれに続いて、機械加工を施すことによって外部形状２０を仕上げたものである。

図６は、様々な材料で作製される基礎構造体２４とニッケル層２３とを、隙間がなく、応力発生がなく、係合状態で結合することのできる結合構造部を示した図である。図示したニッケル層２３は、耐力構造部を形成する層、及び／または、結合構造部を形成した後にその形状を仕上げるための、或いは、形成する際に一体化される結合部を形成するための、基礎材料部を形成する層である。

本発明を用いて、ＮＶＤ法を適用することのできる用途としては、以下に列挙する用途がある。（１）様々な種類の金属材料製の構成部品の表面に耐力構造部を形成する用途。（２）冷却流路が形成された燃焼室基礎構造体をＮＶＤ法により蒸着するニッケルで作製する用途。（３）ロケットエンジンやガスジェネレータに用いられる燃焼室耐力構造部とその耐力構造部に必要とされる流入側分流構造部及び流出側合流構造部とを一体的な構成部品として作製する用途。（４）セラミック材料製の構成部品の表面に耐力構造部を形成する用途。（５）セラミック材料製の構成部品の表面に封止性を付与するための蒸着層を形成する用途。（６）金属材料製ないしはセラミック材料製の基礎構造体の表面に結合構造部を形成する用途。（７）基礎構造体とニッケル層とを機械的結合構造部により結合する用途。（８）ロウ付け接合を併用してＮＶＤ法により蒸着層を形成する用途。

以上に列挙した用途においては、層成長速度が高速であり、均一厚さのニッケル層を任意形状の基礎構造体の表面に正確に倣って形成することができ、そして、開放した空孔を駆逐することができるというＮＶＤ法の長所が、存分に活用される。

先ず、本発明に係る方法を用いて、様々な種類の金属材料製及び非金属材料製の構成部品の表面に耐力構造部を形成する場合について説明する。

蒸着層を形成する基礎構造体をＮＶＤ処理チャンバの中に収容して前処理を施し、この前処理は公知の方法に従って行う。続いてＮＶＤ法により、その基礎構造体の表面にニッケルを蒸着し、耐力構造部として用いられる所定のニッケル層を形成する。そして、その基礎構造体とニッケル層との結合体をもって構成部品とし、その構成部品に対して更なる加工を施す。

ロケット技術の分野では、非常に大きな熱負荷及び機械的負荷を受ける金属材料製ないし非金属材料製の被冷却構造体を作製する際に、ＮＶＤ法による蒸着層の形成を利用することができる。これに該当する被冷却構造体としては、例えば、燃焼室、膨張ノズル、それに、被冷却型のガスジェネレータなどがある。また、蒸着層を形成する構造体は、例えば、多数の冷却流路を（フライス加工で削設して）形成した金属材料製の基礎構造体（図１の参照符号１０）であることもあり、セラミック材料製の繊維複合材料製構造体（図４の参照符号１１）であることもあり、更には、各々がパイプ材から成る個別の部材を連接してなる構造体（図３の参照番号１２ａ及び１２ｂ）であることもある。

更に、そのような場合に、蒸着層の形成は、以下に説明する様々な手順によって実施することができる（図１及び図２）。

Ａ）蒸着層を形成しようとする側面において開放している冷却流路２５を有する冷却流路画成基礎構造体の場合：
ａ）冷却流路画成基礎構造体の全体または一部に適当な充填材１３を充填した上で、ＮＶＤ法により蒸着層１４を形成する。
ｂ）冷却流路画成基礎構造体には、蒸着層を形成するのに先立って、例えば電解メッキなどの別の層形成法により被膜層を形成し、しかる後に、ＮＶＤ法により蒸着層を形成する。
ｃ）冷却流路画成基礎構造体の蒸着層を形成する表面１６ａ、１６ｂ、１６ｃに、物理的または化学的な処理を施して、ＮＶＤ蒸着層の蒸着材料がその空孔部（凹部）に入り込んでその空孔部（凹部）を埋めることができるような凹凸形状部分または係合可能な微細構造を形成し、ＮＶＤ蒸着層の蒸着材料がその空孔部（凹部）に入り込むことによって、耐力構造部と基礎構造体とが係合状態で結合するようにする。冷却流路画成基礎構造体には、蒸着層を形成するのに先立って、適当な充填材１３を充填しておく。
ｄ）蒸着層を形成する表面に、適当な化学的な前処理または電解技術を利用した前処理を施すことにより、ＮＶＤ蒸着層を基礎構造体の表面に分子結合させて形成する。

以上のうち、Ａ）ａ）及びＡ）ｂ）の蒸着層形成手順では、基礎構造体の表面に分子結合させることが望ましいが、ただしそうすることが必ずしも必要なわけではない。

Ｂ）蒸着層を形成しようとする側面において閉塞している冷却流路を有する冷却流路画成基礎構造体の場合：
ａ）蒸着層を形成する表面に、適当な化学的な前処理または電解技術を利用した前処理を施すことにより、ＮＶＤ蒸着層を基礎構造体の表面に分子結合させて形成する。
ｂ）ＮＶＤ蒸着層を基礎構造体の表面に結合しない状態で形成することによって、温度差が生じても熱応力が発生しないようにする。このようにするには、蒸着層を形成する表面に適当な前処理を施すことにより、材料条件や適用条件に応じた適当な厚さの分離層を形成するようにすることが考えられる。
ｃ）蒸着層を形成する表面に、物理的または化学的な処理を施して、ＮＶＤ蒸着層の蒸着材料がその空孔部（凹部）に入り込んでその空孔部（凹部）を埋めることができるような凹凸形状部分を形成し、ＮＶＤ蒸着層の蒸着材料がその空孔部（凹部）に入り込むことによって、耐力構造部と基礎構造体とが係合状態で結合するようにする。
ｄ）蒸着層を形成する表面に、材料条件や製造条件に応じて、ＮＶＤ蒸着層の蒸着材料がその中に入り込んでその中を埋めることができるような多数の空孔を形成し、ＮＶＤ蒸着層の蒸着材料がそれら多数の空孔に入り込むことによって、耐力構造部と基礎構造体とが係合状態で結合するようにする。

次に、本発明に係る方法を用いて、冷却流路が一体的に形成された燃焼室基礎構造体をＮＶＤ法により蒸着するニッケルで作製する場合について説明する（図５）。

ある種のロケットエンジンでは、また、ある種のロケット燃料を使用する場合には、燃焼室基礎体を、１００％ニッケルで作製することが望ましいとされている。そして、ＮＶＤ法は、フィンを備えた燃焼室基礎構造体（ライナー）を作製するにも適しており、また、冷却流路を備えた一体型の基礎構造体の全体を作製するにも適している。

ａ）基礎構造体（ライナー）を作製する場合
フィンを備えた基礎構造体を作製するには、その基礎構造体の形状に対応した形状の雌型の表面に、ＮＶＤ法によりニッケルを蒸着してニッケル層を形成する。続いて、それに加工を施すことによって、フィンを備えた基礎構造体の壁厚寸法及び完成形状を適当な寸法及び形状とすることができる。

ｂ）耐力構造部が形成された一体型の基礎構造体を作製する場合
冷却媒体を流通させる中空の空間の形状と同一形状のロストコア２２を適当な材料で作製した上で、ＮＶＤ法によりニッケルを蒸着してニッケル層１９を形成する。続いて、それに加工を施すことによって、この基礎構造体の壁厚寸法及び完成形状を適当な寸法及び形状とした構成部品２０とすることができる。中空の空間は、ニッケル層を形成する工程が完了した後に、適当な手段によってコア材を除去することによって、画成される。

次に、本発明に係る方法を用いて、セラミック材料製の構成部品の表面に耐力構造部を形成する場合について説明する（図４）。

ＮＶＤ法によれば、金属材料の表面にニッケル層を形成するときと同様にして、セラミック材料１１の表面にニッケルを蒸着することができる。このとき蒸着されるニッケルは、多孔性の表面１８の空孔の中へ入り込むことによって、その表面１８に固着し、そして、更に続けて蒸着されるニッケルによって形成されるニッケル層が、その上に形成される構造部１７のための基礎となる。

次に、本発明に係る方法を用いて、セラミック材料製の構成部品の表面に封止性を付与するための蒸着層を形成する場合について説明する（図４）。

セラミック材料製の構成部品の表面には、その構成部品を作製する過程で多数の空孔が形成されており、ＮＶＤ法により蒸着されるニッケルは、それら空孔を充填してそれら空孔を塞ぐことになる。これによってその表面１８に気体封止性ないし液体封止性が付与される。ＮＶＤ法により形成したニッケル層は大きな延性を有するため、これは、大きな熱負荷が作用する構成部品に適用する場合に、特に大きな利点をもたらすものである。

次に、本発明に係る方法を用いて、金属材料製ないしはセラミック材料製の基礎構造体の表面に結合構造部を形成する場合について説明する（図４及び図５）。

現在、ＮＶＤ法によってニッケルを蒸着することにより、厚さが３５ｍｍ以上のニッケル層を形成することが可能である。このように厚いニッケル層を形成できるため、フランジ１９などの接続構造部や、流入側分流構造部及び流出側合流構造部２０や、それに、リング形補強部２１などを、ニッケルを蒸着する過程で形成することもでき、或いはまた、ＮＶＤ法により形成したニッケル層に更に機械加工を施すことによって形成することもできる。

次に、本発明に係る方法を用いて、基礎構造体とニッケル層から成る外殻構造部とを機械的結合構造により結合する場合について説明する（図６）。

以上に説明した様々な方法は一般的に、冷却流路画成構造体とニッケル層から成る外殻構造部とを結合するために利用することができる。この結合は特に、ニッケル層の結合構造部２３を、ニッケルとは異なった特性を有する材料で形成された複雑な形状の構造部２４に、隙間のない状態で結合するという場合に有用である。ニッケル層を結合する相手側の構造部の材料の具体例としては、例えば、セラミック材料、繊維複合材料、それに金属材料などが挙げられる。

次に、本発明に係る方法を用いて、ロウ付け接合を併用してＮＶＤ法により蒸着層を形成する場合について説明する（図１及び図２）。

基礎構造体には、ＮＶＤ法により形成するニッケル層が結合することになる領域の全域またはその一部領域に、電解メッキ法により適当なロウ材の層を形成する。別法として、箔状のロウ材を基礎構造体の表面に貼着するようにしてもよい。続いて、ＮＶＤ法により蒸着層を形成する。更に続いて、ロウ付け処理炉の中で、ロウ付け工程を実施する。以上に説明した方法は、特に、接合しようとする部品が大型であって、高精度で嵌合させる場合に有利なものである。結合領域の形状をアンダーカットのある複雑な形状に仕上げる場合や、個々の部品の製造プロセスに起因する誤差のばらつきが存在する場合には、この方法を用いることによって、ロウ付け部の隙間寸法を確実に均一にし得るという利点が得られる。

基礎構造体１０が燃焼室を構成するものである場合には、以上の手順に従って、先ず、外殻構造部であるニッケル層が結合する面である、この基礎構造体１０の結合面２５に、ロウ材の層を形成する。続いて、フライス加工によって、そこに冷却流路を形成し、更に、形成した冷却流路に適当な充填材料１３を充填し、しかる後にＮＶＤ法によりニッケルを蒸着してニッケル層１４を形成すれば、そのニッケル層は下層との間に隙間なく形成される。このニッケル蒸着工程に続いて、ロウ付け工程を実施することによって、基礎構造体とＮＶＤ法により形成されたニッケル層とがロウ付けされる。

左側の図はニッケル層の結合領域において開放している冷却流路を有する燃焼室基礎構造体の断面図であり、右側の図はニッケル層の結合領域において閉鎖している冷却流路を有する燃焼室基礎構造体の断面図である。 冷却流路を備え、その冷却流路に充填材料が充填されている状態の燃焼室基礎構造体を示した図である。 複数の個別の丸パイプないしは複数の個別の角パイプを連接してなる基礎体に、ニッケル層からなる耐力構造層が被着された燃焼室基礎構造体を示した図である。 冷却流路と流入開口部とを備え、外周面及び端面にニッケル層が被着された金属材料製またはセラミック材料製の基礎構造体を示した図である。 基礎構造体、耐力構造層、及びリング形補強部を一体化した、一体型の構成部品を示した図である。 様々な材料で作製される基礎構造体とニッケル層とを、隙間がなく、応力発生がなく、係合状態で結合することのできる結合構造部を示した図である。

符号の説明

１０、１１、１２ａ、１２ｂ 基礎構造体
１３ 充填材
１４、１７、２３ ニッケル層
１５ 被膜層
１６ａ 凹凸形状
１６ｂ、１６ｃ 微細構造
２２ コア材

Claims (3)

1. ロケット構造体の構成部品の製造方法において、
   開放している冷却流路を有する冷却流路画成基礎構造体の表面にＮＶＤ法によりニッケルを蒸着してニッケル層を形成するステップを含み、前記ニッケルを蒸着するステップは、セラミック材料製ないしは非セラミック材料製の多孔質の繊維複合材料製基礎構造体の表面に気体封止性ないしは液体封止性を付与するステップを含み；ニッケルを蒸着するステップの前に、冷却流路を充填材により充填するステップ及び前記基礎構造体のニッケル層を形成する表面の少なくとも一部に、ロウ材の層を形成するステップを含み；そしてニッケルを蒸着したステップの後にロウ付け処理炉の中でロウ付けを行うステップを含むことを特徴とする方法。
2. ニッケルを蒸着するステップの後に、前記基礎構造体とニッケル層との結合体に対して更なる加工を施して構成部品を形成するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記加工は、ニッケル蒸着、化学的処理及び機械的処理のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項２に記載の方法。

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