JP4946295B2 - Thruster - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックス基複合部材と金属部材との接合体、および接合体を備えたスラスタ、並びに接合体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a joined body of a ceramic matrix composite member and a metal member, a thruster including the joined body, and a method for manufacturing the joined body.
従来から、ロケットエンジンを高性能化するために、燃焼器(スラストチャンバ)の耐熱温度を高めることが要求されている。そして、近年、耐熱性に優れたスラストチャンバの材料として、セラミックス繊維とセラミックスマトリックスとからなるセラミックス基複合材料(Ceramic Matrix Composite:以下、CMCと略称する)を用いることが検討されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, in order to improve the performance of rocket engines, it has been required to increase the heat resistance temperature of the combustor (thrust chamber). In recent years, it has been studied to use a ceramic matrix composite material (hereinafter, abbreviated as CMC) made of ceramic fibers and a ceramic matrix as a material for a thrust chamber having excellent heat resistance (for example, CMC) (for example, Patent Document 1).
また、高温・高圧の燃焼ガス雰囲気であるスラストチャンバの使用環境において、スラストチャンバとスラスタ本体との接合部は、十分な気密性および接合強度を有することが要求される。従来、CMCからなるスラストチャンバとスラスタ本体との接合方法としては、Oリングや有機系接着剤を用いて気密性を確保し、機械的な接合方法により接合強度を確保する方法が用いられている。機械的な接合方法としては、例えば、スラストチャンバとスラスタ本体の取付部とにピン穴を設け、ピン穴に金属からなるピンを通して固定する方法や、スラストチャンバにフランジ形状の接合部を形成し、スラスタ本体の取付部にボルトで固定する方法が用いられている。 In addition, in a use environment of a thrust chamber that is a high-temperature and high-pressure combustion gas atmosphere, the joint between the thrust chamber and the thruster body is required to have sufficient airtightness and joint strength. Conventionally, as a method of joining a thrust chamber made of CMC and a thruster body, a method of securing airtightness using an O-ring or an organic adhesive and ensuring joint strength by a mechanical joining method has been used. . As a mechanical joining method, for example, a pin hole is provided in the thrust chamber and the mounting portion of the thruster body, a method of fixing the pin hole through a metal pin, and a flange-shaped joint portion is formed in the thrust chamber, A method of fixing the thruster body with a bolt is used.
しかし、従来の機械的な接合方法では、十分な気密性が得られないことや、接合に手間がかること、接合部の重量が重いことが問題となっていた。
この問題を解決するために、CMCからなるスラストチャンバを、金属部材からなるスラスタ本体の接続部にロウ付け接合することが考えられる。ロウ材としては、例えば、Ti基ろうやAg基ろう、Al基ろうなどが挙げられる(例えば、特許文献2参照)。
In order to solve this problem, it is conceivable to braze and join a thrust chamber made of CMC to a connecting portion of a thruster body made of a metal member. Examples of the brazing material include Ti-based brazing, Ag-based brazing, and Al-based brazing (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、CMCからなるスラストチャンバと金属部材からなる接続部とをロウ付け接合した場合、金属部材を構成する金属材料とCMCとの熱膨張率の差(以降、熱伸び差と呼ぶ)に起因する熱応力によって、ロウ付け面の剥離や接合強度の低下が生じてしまう場合があった。このため、ロウ付け接合では、スラストチャンバとして使用可能な十分な気密性や接合強度が得られなかった。 However, when the thrust chamber made of CMC and the connecting portion made of a metal member are brazed and joined, the difference is caused by the difference in thermal expansion coefficient between the metal material constituting the metal member and CMC (hereinafter referred to as the difference in thermal expansion). In some cases, the thermal stress may cause peeling of the brazed surface or a decrease in bonding strength. For this reason, in brazing joining, sufficient airtightness and joining strength which can be used as a thrust chamber were not obtained.
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、接合部の軽量化が可能で、容易に接合でき、十分な気密性および接合強度が得られるセラミックス基複合部材と金属部材との接合体を提供することを目的とする。
また、本発明は、軽量で、容易に製造でき、十分な気密性および接合強度を有するスラスタを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、容易に接合でき、十分な気密性および接合強度が得られるセラミックス基複合部材と金属部材との接合方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and a bonded body of a ceramic matrix composite member and a metal member that can reduce the weight of a joint, can be easily bonded, and can provide sufficient airtightness and bonding strength. The purpose is to provide.
It is another object of the present invention to provide a thruster that is lightweight, can be easily manufactured, and has sufficient airtightness and bonding strength.
Furthermore, an object of the present invention is to provide a method for joining a ceramic matrix composite member and a metal member that can be easily joined and can provide sufficient airtightness and joining strength.
上記目的を達成するために、本発明者は鋭意研究を重ね、スラストチャンバの外面と金属部材の内面との距離であるクリアランスが、常温では適正寸法であっても、ロウ材溶融温度では金属材料とCMCとの熱伸び差によって適正寸法とならないことが、スラストチャンバと金属部材とをロウ付け接合する場合におけるロウ付け面の剥離や接合強度の低下の一因であることを見出した。そして、本発明者は、クリアランスと、スラストチャンバおよび金属部材を構成する材料の熱膨張率との関係に着目し、本発明を見出した。 In order to achieve the above object, the present inventor has intensively studied, and even if the clearance, which is the distance between the outer surface of the thrust chamber and the inner surface of the metal member, is an appropriate dimension at room temperature, the metal material at the brazing material melting temperature. It has been found that the fact that the size does not become an appropriate size due to the difference in thermal expansion between CMC and CMC is a cause of peeling of the brazed surface and a reduction in bonding strength when the thrust chamber and the metal member are brazed. And this inventor discovered this invention paying attention to the relationship between clearance and the thermal expansion coefficient of the material which comprises a thrust chamber and a metal member.
本発明の接合体は、筒状の接合部を有する金属部材と、前記接合部にはめ込まれる嵌合部を有するセラミックス基複合部材とがロウ材を用いて接合されてなる接合体であって、前記金属部材は、熱膨張率が4.5〜19[×10−6/K] の範囲のものであり、前記セラミックス基複合部材は、セラミックス繊維と前記セラミックス繊維に付着されたセラミックスマトリックスとからなる熱膨張率が3〜6[×10−6/K]の範囲のものであって、前記ロウ材の溶融温度における前記嵌合部の外面と前記接合部の内面との距離が15〜500μmの範囲であるものであり、前記ロウ材は、Ti、Zr、Hfの少なくともいずれか1種を含むものであることを特徴とする。 The joined body of the present invention is a joined body formed by joining a metal member having a tubular joint portion and a ceramic matrix composite member having a fitting portion fitted into the joint portion using a brazing material, The metal member has a coefficient of thermal expansion in the range of 4.5 to 19 [× 10 −6 / K], and the ceramic matrix composite member includes ceramic fibers and a ceramic matrix attached to the ceramic fibers. The coefficient of thermal expansion is in the range of 3-6 [× 10 −6 / K], and the distance between the outer surface of the fitting portion and the inner surface of the joint portion at the melting temperature of the brazing material is 15-500 μm. The brazing material contains at least one of Ti, Zr, and Hf.
上記の接合体においては、前記ロウ材が、Ti−Cu−Niおよび/またはAg−Cu−Tiを含有するものとすることができる。
また、上記の接合体においては、前記金属部材と前記セラミックス基複合部材とが前記ロウ材を介して接合されているオーヴァーラップ領域の前記嵌合部のはめ込まれる方向の長さが、4〜12mmの範囲のものであるものとすることができる。
また、上記の接合体においては、前記セラミックス基複合部材が、円筒状部品であるものとすることができる。
In the above bonded body, the brazing material may contain Ti—Cu—Ni and / or Ag—Cu—Ti.
Moreover, in said joined body, the length of the direction in which the said fitting part of the overwrap area | region where the said metal member and the said ceramic matrix composite member are joined via the said brazing material is inserted is 4-12 mm. It can be a thing of the range of these.
In the joined body, the ceramic matrix composite member may be a cylindrical part.
また、上記目的を達成するために、本発明のスラスタは、上記のいずれかの接合体を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a thruster according to the present invention includes any one of the above-described joined bodies.
また、上記目的を達成するために、本発明の接合体の製造方法は、筒状の接合部を有する金属部材と、前記接合部にはめ込まれる嵌合部を有するセラミックス基複合部材とをロウ材を用いて接合する接合体の製造方法であって、前記金属部材として、熱膨張率が4.5〜19[×10−6/K] の範囲のものを用い、前記セラミックス基複合部材として、セラミックス繊維と前記セラミックス繊維に付着されたセラミックスマトリックスとからなる熱膨張率が3〜6[×10−6/K]の範囲のものであって、前記ロウ材の溶融温度における前記嵌合部の外面と前記接合部の内面との距離が15〜500μmの範囲であるものを用い、前記ロウ材として、Ti、Zr、Hfの少なくともいずれか1種を含むものを用いることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a joined body according to the present invention includes a metal member having a cylindrical joint portion and a ceramic matrix composite member having a fitting portion fitted into the joint portion. A method of manufacturing a joined body that is joined using a metal member having a coefficient of thermal expansion of 4.5 to 19 [× 10 −6 / K] as the metal member, The coefficient of thermal expansion comprising ceramic fibers and a ceramic matrix attached to the ceramic fibers is in the range of 3 to 6 [× 10 −6 / K], and the fitting portion at the melting temperature of the brazing material The distance between the outer surface and the inner surface of the joint is 15 to 500 μm, and the brazing material includes at least one of Ti, Zr, and Hf.
上記の接合体の製造方法においては、前記ロウ材が、Ti−Cu−Niおよび/またはAg−Cu−Tiを含有する方法とすることができる。
また、上記の接合体の製造方法においては、前記セラミックス基複合部材が、円筒状部品である方法とすることができる。
また、上記の接合体の製造方法においては、 前記嵌合部を前記接合部にはめ込む嵌合工程と、前記接合部の内壁縁部に前記ロウ材を設置するロウ材設置工程と、前記ロウ材を溶融させて、前記接合部と前記嵌合部との間に溶融した前記ロウ材を浸透させる浸透工程とを備える方法とすることができる。
In the method for manufacturing the joined body, the brazing material may contain Ti—Cu—Ni and / or Ag—Cu—Ti.
Moreover, in the manufacturing method of said conjugate | zygote, the said ceramic matrix composite member can be made into the method which is a cylindrical component.
Moreover, in the manufacturing method of said joined body, the fitting process which inserts the said fitting part in the said junction part, the brazing material installation process which installs the said brazing material in the inner-wall edge part of the said junction part, and the said brazing material And a permeation step of infiltrating the melted brazing material between the joint portion and the fitting portion.
本発明の接合体は、金属部材とセラミックス基複合部材とがロウ材を用いて接合されてなるものであるので、従来の機械的な接合方法を用いたものと比較して、接合部の軽量化が可能で、接合が容易なものとなる。
また、本発明の接合体では、金属部材は、熱膨張率が3〜6[×10−6/K]の範囲のものであり、セラミックス基複合部材は、セラミックス繊維とセラミックスマトリックスとからなる熱膨張率が4.5〜19[×10−6/K] の範囲のものであって、ロウ材の溶融温度における前記嵌合部の外面と前記接合部の内面との距離が15〜500μmの範囲であるものであり、ロウ材は、Ti、Zr、Hfの少なくともいずれか1種を含むものであるので、十分な気密性および接合強度が得られる。
Since the joined body of the present invention is formed by joining a metal member and a ceramic matrix composite member using a brazing material, the joined portion is lighter than that using a conventional mechanical joining method. And can be easily joined.
In the joined body of the present invention, the metal member has a coefficient of thermal expansion in the range of 3 to 6 [× 10 −6 / K], and the ceramic matrix composite member is a heat composed of ceramic fibers and a ceramic matrix. The expansion coefficient is in the range of 4.5 to 19 [× 10 −6 / K], and the distance between the outer surface of the fitting portion and the inner surface of the joint portion at the melting temperature of the brazing material is 15 to 500 μm. Since the brazing material contains at least one of Ti, Zr, and Hf, sufficient airtightness and bonding strength can be obtained.
また、本発明の接合体の製造方法によれば、容易に接合でき、十分な気密性および接合強度が得られるセラミックス基複合部材と金属部材との接合体が得られる。
また、本発明のスラスタは、本発明のいずれかの接合体を備えたものであるので、軽量で、容易に製造でき、十分な気密性および接合強度を有するものとなる。
In addition, according to the method for manufacturing a joined body of the present invention, a joined body of a ceramic matrix composite member and a metal member that can be easily joined and has sufficient airtightness and joining strength can be obtained.
In addition, since the thruster of the present invention includes any of the joined bodies of the present invention, it is lightweight, can be easily manufactured, and has sufficient airtightness and bonding strength.
「第1実施形態」
以下、図面を参照して、本発明に係る接合体および接合体の製造方法の一実施形態について説明する。
図1は、本発明の接合体の一部を拡大して示した概略断面図である。図1に示す接合体1は、円筒状部品であり、金属部材3とセラミックス基複合部材2とが、ロウ材4を用いて接合されてなるものである。
“First Embodiment”
Hereinafter, an embodiment of a joined body and a method for manufacturing the joined body according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged part of the joined body of the present invention. A joined
図1に示すように、金属部材3は、円形の筒状の接合部3aを有するものである。接合部3aの内壁縁部には、外側から内側に向かって傾斜した斜面3bが形成されており、ロウ材4の一部がセラミックス基複合部材2の嵌合部2aと金属部材3の接合部3aとの間から盛り上がって固着している。
As shown in FIG. 1, the metal member 3 has a circular
金属部材3を構成する材料は、熱膨張率が4.5〜19[×10−6/K] の範囲の金属であれば、いかなる材料からなるものであってもよく、特に限定されないが、例えば、Ti,Nb,Mo,Ni,Fe等とそれらからなる合金などが挙げられる。
なお、接合体1がスラスタに用いられるものである場合には、金属部材3を構成する材料は、インバー効果を有する合金などの耐熱性に優れた金属であることが望ましく、例えば、Ti、SUS304(日本工業規格(JIS))、HRA929(商品名:日立金属株式会社製)、Alloy909(商品名:日立金属株式会社製)、KOVAR(商品名:ウェスティングハウス株式会社製)などを用いることが望ましい。
The material constituting the metal member 3 may be made of any material as long as the coefficient of thermal expansion is in the range of 4.5 to 19 [× 10 −6 / K], and is not particularly limited. For example, Ti, Nb, Mo, Ni, Fe and the like and alloys made of them can be used.
When the
また、セラミックス基複合部材2は、図1に示すように円形の筒状であり、金属部材3の接合部3aの内壁にはめ込まれる嵌合部2aを有するものである。
セラミックス基複合部材2は、熱膨張率が3〜6[×10−6/K]の範囲のものであって、図2に示すセラミックス基複合材料(CMC)20からなるものである。CMC20は、図2に示すように、セラミックス繊維21とセラミックスマトリックス22とからなるものである。セラミックス繊維21としては、C繊維やSiC繊維などからなる所定の繊維束を軸方向と円周方向に繊維を配向させた2次元織物が用いられている。また、セラミックスマトリックス22は、CやSiC、Si3N4などからなるものであり、セラミックス繊維21に付着されている。
このようなCMC20の中でも特に、セラミックス繊維21とセラミックスマトリックス22のいずれもがCからなるものやSiCからなるもの、セラミックス繊維21がCからなり、セラミックスマトリックス22がSiCからなるものなどを用いることが好ましい。
Further, the ceramic
The ceramic
Among
また、本実施形態においては、図1に示すセラミックス基複合部材2の嵌合部2aの外面と金属部材3の接合部3aの内面とのロウ材4の溶融温度における距離D、言い換えると、セラミックス基複合部材2の嵌合部2aの外形d2と金属部材3の接合部3aの内径d1とのロウ材4の溶融温度における寸法差の1/2の値(以下「クリアランス」と呼ぶ)が15〜500μmの範囲とされており、50〜150μmの範囲とされることが好ましい。クリアランスDの最適値は、ロウ材4、セラミックス基複合部材2、金属部材3の種類に応じて決定される。
In the present embodiment, the distance D at the melting temperature of the
クリアランスDが上記範囲内であると、気密性が高く、接合強度に優れた接合体1が得られる。しかし、クリアランスDが上記範囲未満であると、ロウ付け後に冷却することで、セラミックス基複合部材2が金属部材3の収縮しようとする圧縮応力によって圧壊する可能性があり、好ましくない。また、クリアランスDが上記範囲を超えると、ロウ材4が厚くなって、金属部材3とセラミックス基複合部材2との熱伸び差に起因する熱応力によるロウ材4への負荷が大きくなり、接合強度が十分に得られず、気密性も不十分となるため、好ましくない。
When the clearance D is within the above range, the
また、本実施形態においては、金属部材3とセラミックス基複合部材2とがロウ材4を介して接合されているオーヴァーラップ領域6の嵌合部2aのはめ込まれる方向の長さd3(以下「オーヴァーラップ長」と呼ぶ)が、4〜12mmの範囲とされていることが望ましい。
オーヴァーラップ長d3が上記範囲未満であると、接合面積が不足して、十分な気密性および接合強度が得られない場合がある。また、オーヴァーラップ長d3が上記範囲を超えると、接合面積が多すぎて、金属部材3とセラミックス基複合部材2との熱伸び差に起因する熱応力によるロウ材4への負荷が大きくなり、ロウ材4の剥離や接合強度の低下が生じる恐れがあるため、好ましくない。
In the present embodiment, the length d 3 (hereinafter referred to as “the
When Over wrap length d 3 is less than the above range, the bonding area is insufficient, there is a case that sufficient air-tightness and joint strength. Further, if the over-wrap length d 3 exceeds the above range, the bonding area is too large, the load of the
また、ロウ材4としては、Ti、Zr、Hfの少なくともいずれか1種を含むものであれば、いかなるものであっても用いることができる。ロウ材4に含まれているTi、Zr、Hfは、セラミックス基複合部材2と反応し、ロウ材4とセラミックス基複合部材2との濡れ性および密着性を向上させる活性剤として機能するものである。例えば、ロウ材4としてTiが含まれているものを用いた場合、ロウ付けされることによりセラミックス基複合部材2を構成するC原子やN原子とTiとが反応して、TiCやTiNが生成されることにより、ロウ材4とセラミックス基複合部材2との濡れ性および密着性が向上される。
The
Tiを含むロウ材4としては、Ti−Cu−Niおよび/またはAg−Cu−Tiを含有するものなどが挙げられ、具体的には、Ticuni,Incusil−ABA(商品名:wesgo社)や、Ag60質量%、Cu24質量%、In14質量%、Ti2質量%を含むTB−629T(商品名:東京ブレイズ社)などが挙げられる。
また、Zrを含むロウ材4としては、Zrを0.5〜5at%含むAgロウあるいはNiロウ等などが挙げられる。
また、Hfを含むロウ材4としては、Hfを0.5〜5at%含むAgロウあるいはNiロウ等などが挙げられる。
また、ロウ材4としては、金属部材3とセラミックス基複合部材2との熱伸び差に追従可能であるAgろうを用いることが望ましい。
さらに、ロウ材4には、Inが添加されていてもよい。Inを添加することで、融点の低いロウ材4とすることができ、好ましい。
Examples of the
Examples of the
Examples of the
Further, as the
Further, In may be added to the
図1に示す接合体1を製造するには、まず、嵌合部2aが所定の外形d2を有するセラミックス基複合部材2と、接合部3aが所定の内径d1を有する金属部材3とを用意する。
ここで、本実施形態においては、下記の式(1)を用いて、図1に示すセラミックス基複合部材2の嵌合部2aの外形d2と金属部材3の接合部3aの内径d1とのロウ材4の溶融温度における寸法差の1/2(クリアランスD)が所定の範囲となるように、金属部材3の接合部3aの内径d1を決定する。なお、下記の式(1)を用いて、クリアランスDが所定の範囲となるように、セラミックス基複合部材2の嵌合部2aの外形d2を決定してもよい。
To manufacture the bonded
Here, in the present embodiment, using the following formula (1), the outer shape d 2 of the
ここで、dMETは、接合部の内径(m)であり、dCMCは嵌合部の外形(m)、αMETは金属部材を構成する金属材料の熱膨張率(/K)、αCMCはセラミックス基複合部材を構成するCMCの熱膨張率(/K)、△Tはロウ材の溶融温度と室温の差(K)、cはロウ材の溶融温度におけるクリアランス(m)をそれぞれ表している。なお、ここでの室温とは25℃とする。 Here, d MET is the inner diameter (m) of the joint portion, d CMC is the outer shape (m) of the fitting portion, α MET is the coefficient of thermal expansion (/ K) of the metal material constituting the metal member, α CMC Is the coefficient of thermal expansion (/ K) of CMC constituting the ceramic matrix composite member, ΔT is the difference between the melting temperature of the brazing material and room temperature (K), and c is the clearance (m) at the melting temperature of the brazing material. Yes. In addition, room temperature here shall be 25 degreeC.
ここで、例えば、セラミックス基複合部材2として、セラミックス繊維およびセラミックスマトリックスが共にSiCからなるCMC(熱膨張率=3.00[×10−6/K])を用い、金属部材3として熱膨張率が8.4[×10−6/K]であるTiを用い、ロウ材として溶融温度が720℃であるTB-629T からなるものを用いた場合、室温でのクリアランスは、−43.5〜440.7μmとされ、好ましくは−6.7〜92.8μmとされる。
また、例えば、セラミックス基複合部材2として、セラミックス繊維およびセラミックスマトリックスが共にSiCからなるCMC(熱膨張率=3.00[×10−6/K])を用い、金属部材3として熱膨張率が18.7[×10−6/K]であるステンレスを用い、ロウ材として溶融温度が720℃であるTB-629T からなるものを用いた場合、室温でのクリアランスは、−153.7〜330.8μmとされ、好ましくは−113.4〜14.7μmとされる。
Here, for example, CMC (thermal expansion coefficient = 3.00 [× 10 −6 / K]) in which both the ceramic fiber and the ceramic matrix are made of SiC is used as the ceramic
Further, for example, as the ceramic
次いで、所定の外径d2のセラミックス基複合部材2の嵌合部2aを、所定の内径d1の金属部材3の接合部3aにはめ込み(嵌合工程)、オーヴァーラップ長d3が所定の寸法となるように調整する。ここでの嵌合部2aの接合部3aへのはめ込みは、専用の冶具を用いてセラミックス基複合部材2の中心軸と金属部材3の中心軸とが同軸となるように支持しながら行なうことが望ましい。さらに、嵌合工程終了後も接合が完了するまで、セラミックス基複合部材2の中心軸と金属部材3の中心軸とが同軸となるように、冶具を用いて支持することが望ましい。
Then, a predetermined outer diameter d 2 of the
次いで、接合部3aの内壁縁部の斜面3b上にペースト状とされた所定量のロウ材4を設置する(ロウ材設置工程)。その後、ロウ材4を溶融させて、接合部2aと嵌合部3aとの間に溶融したロウ材4を毛細管現象によって浸透させ(浸透工程)る。このとき、接合部2aと嵌合部3aとの間に浸透させたロウ材4に含まれているTi、Zr、Hfが、セラミックス基複合部材2と反応するので、ロウ材4のセラミックス基複合部材2に対する濡れ性および密着性が十分に得られる。そして、5分〜1時間ロウ材4の融点温度を保持した後、ゆっくりと冷却する。ここでの冷却速度は、例えば、1℃/分程度とすることができ、特に限定されないが、急速に冷却すると冷却による接合体1の歪みが大きくなるため好ましくない。このようにして、金属部材3とセラミックス基複合部材2とがロウ付け接合された接合体1が得られる。
Next, a predetermined amount of
なお、上述した製造方法では、ロウ材4を溶融させる前に、嵌合部2aを接合部3aにはめ込むことにより、オーヴァーラップ長d3を所定の寸法となるように調整したが、常温でのセラミックス基複合部材2の嵌合部2aの外形d2と金属部材3の接合部3aの内径d1との寸法差が小さく、常温で嵌合部2aを接合部3aにはめ込めない場合には、オーヴァーラップ長d3の調整は、ロウ材4を溶融させる際の熱などによって接合部3aが膨張したときに行なってもよい。
具体的には、例えば、接合部3a内の所定の位置に、嵌合部2aが必要以上に挿入されることを防止するストッパーを設置し、接合部3aの内壁縁部の斜面3b上に嵌合部2aを載置した状態で、ロウ材4を溶融させる熱処理を行なうことによってオーヴァーラップ長d3を調整してもよい。この場合、ロウ材4を溶融させる熱処理によって金属部材3が膨張すると、接合部3a内にロウ材4とともに嵌合部2aが進入していき、嵌合部2aの進入が所定の位置となると、ストッパーによって嵌合部2aの進入が阻止され、オーヴァーラップ長d3が所定の長さとなる。
なお、オーヴァーラップ長d3を調整するための熱処理は、上述したように、ロウ材4を溶融させるための熱処理であってもよいが、セラミックス基複合部材2の嵌合部2aを金属部材3の接合部3aにはめ込むためだけに行なわれる熱処理であってもよい。
In the manufacturing method described above, prior to melt the
Specifically, for example, a stopper that prevents the
The heat treatment for adjusting the Over wrap length d 3, as described above, the
本実施形態の接合体1は、金属部材3とセラミックス基複合部材2とがロウ材4を用いて接合されてなるものであるので、従来の機械的な接合方法を用いたものと比較して、接合部の軽量化が可能で、接合が容易なものとなる。
また、本実施形態の接合体1は、金属部材3の熱膨張率が3〜6[×10−6/K]の範囲のものであり、セラミックス基複合部材2の熱膨張率が4.5〜19[×10−6/K] の範囲のものであり、金属部材3とセラミックス基複合部材2との熱膨張率の差が小さいので、金属部材3とセラミックス基複合部材2との熱伸び差に起因する熱応力が小さいものとなり、十分な気密性および接合強度を有するものとなる。
Since the joined
In the joined
しかも、本実施形態の接合体1は、上述したように、金属部材3とセラミックス基複合部材2との熱膨張率の差が小さいことに加え、クリアランスDが15〜500μmの範囲のものであるので、金属部材3とセラミックス基複合部材2との熱伸び差に起因するセラミックス基複合部材2およびロウ材4への負荷を効果的に小さくすることができ、非常に気密性が高く、接合強度に優れたものとなる。
さらに、本実施形態の接合体1において、オーヴァーラップ長d3が4〜12mmの範囲である場合、金属部材3とセラミックス基複合部材2との熱伸び差に起因するセラミックス基複合部材2およびロウ材4への負荷をより一層小さくすることができるので、より一層気密性が高く、接合強度に優れたものとすることができる。
Moreover, as described above, the joined
Furthermore, in the joined
また、本実施形態の接合体1は、ロウ材4として、Ti、Zr、Hfの少なくともいずれか1種を含むものが用いられているので、ロウ材4のセラミックス基複合部材2との優れた濡れ性および密着性により、金属部材3とセラミックス基複合部材2とが十分に高い気密性および接合強度で接合されたものとなる。
さらに、本実施形態の接合体1において、ロウ材4が、Ti−Cu−Niおよび/またはAg−Cu−Tiを含有するものである場合、ロウ材4のセラミックス基複合部材2に対する濡れ性および密着性がより一層優れたものとなるので、金属部材3とセラミックス基複合部材2とがより優れた気密性および接合強度で接合されたものとなる。
Moreover, since the joined
Furthermore, in the joined
さらに、本実施形態の接合体1は、セラミックス基複合部材2が、CMCからなるものであるため、耐熱性に優れたものとなる。
Furthermore, since the ceramic
また、本実施形態の接合体1の製造方法では、熱膨張率が上記の範囲である金属部材3と、CMCからなり、熱膨張率が上記の範囲であり、ロウ材の溶融温度における嵌合部2aの外面と接合部3aの内面との距離Dが15〜500μmの範囲であるセラミックス基複合部材2とを、Ti、Zr、Hfの少なくともいずれか1種を含むロウ材4を用いて接合するので、十分な気密性および接合強度が得られる接合体1が容易に得られる。
Moreover, in the manufacturing method of the joined
また、本実施形態の接合体1の製造方法において、接合部3aの内壁縁部にロウ材4を設置する工程と、ロウ材4を溶融させて、接合部3aと嵌合部2aとの間に溶融したロウ材4を浸透させる工程とを備えることで、オーヴァーラップ領域6における嵌合部2aの外形d2と接合部3aの内径d1との間の15〜500μmの隙間全体に、セラミックス基複合部材2との濡れ性および密着性に優れたロウ材4を毛細管現象によって十分に浸透させることができ、金属部材3とセラミックス基複合部材2とを確実かつ容易に接合することができる。
Moreover, in the manufacturing method of the joined
また、本実施形態の接合体1は、接合部3aの内壁縁部に、外側から内側に向かって傾斜した斜面3bが形成されたものであるので、接合部3aの内壁縁部に設置されたロウ材4を溶融させた際に、ロウ材4が接合部3aの内壁縁部から外面側にこぼれることを防止できる。
なお、図1に示す例では、接合部3aの内壁縁部には、外側から内側に向かって傾斜した斜面3bが形成されていたが、本発明は、図1に示す例に限定されるものではなく、例えば、接合部の内壁縁部には、外側から内側に向かって下る階段状の段差が設けられていてもよい。この場合においても、接合部3aの内壁縁部に設置されたロウ材4を溶融させた際に、ロウ材4が接合部3aの内壁縁部から外面側にこぼれることを防止できる。
また、図1に示す例では、セラミックス基複合部材2は円形の筒状ものとされていたが、セラミックス基複合部材の形状は、金属部材の接合部にはめ込まれる嵌合部を有するものであればいかなるものであってもよい。
In addition, the joined
In the example shown in FIG. 1, the
In the example shown in FIG. 1, the ceramic
「第2実施形態」
以下、図面を参照して、本発明に係るスラスタの一実施形態について説明する。
図3は、本発明のスラスタの一例の一部を拡大して示した概略図である。図3に示すスラスタ10は、金属部材3とセラミックス基複合部材2とがロウ材4を用いて接合されてなる図1に示す接合体1からなる円筒状部品を備えたものである。図3に示す例においては、スラストチャンバ23およびノズル5は、接合体1のセラミックス基複合部材2から構成されている。また、接合体1の金属部材3は、スラスタ本体の接続部である。
“Second Embodiment”
Hereinafter, an embodiment of a thruster according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 is an enlarged schematic view showing a part of an example of the thruster of the present invention. A
図3に示すスラスタ10は、図1に示す接合体1を備えたものであるので、優れた耐熱性を有するCMCからなるスラストチャンバ23を有し、しかも、十分な気密性および接合強度を有するものとなる。
また、図3に示すスラスタ10は、金属部材3とセラミックス基複合部材2とがロウ材4を用いて接合されてなる接合体1を備えているので、従来の機械的な接合方法を用いたものと比較して、接合部の軽量化が可能で、接合が容易なものとなる。
Since the
Further, the
例えば、外形28mmのスラストチャンバを金属部材に接合する場合に、スラストチャンバにフランジ形状の接合部を形成し、金属部材にボルトで固定すると、接合のために増加する重量は、フランジ形状の接合部の重量約660gとボルト・ナットの重量約60gとを合わせた約720gである。
これに対し、金属部材3とセラミックス基複合部材2とをロウ材4を用いて接合する場合、接合のために増加する重量は、ロウ材の重量約38gのみである。
よって、ロウ材4を用いて接合する場合、接合のために増加する重量を、スラストチャンバにフランジ形状の接合部を形成し、金属部材にボルトで固定する場合の約1/20とすることができる。
For example, when a thrust chamber having an outer diameter of 28 mm is joined to a metal member, when a flange-shaped joint is formed in the thrust chamber and fixed to the metal member with a bolt, the weight that is increased for joining is increased by the flange-shaped joint. The total weight is about 720 g, and the total weight of the bolt and nut is about 60 g.
On the other hand, when the metal member 3 and the ceramic
Therefore, when joining using the
また、ロウ材を用いて接合する場合、接合が容易となるので、接合のために要する時間を、スラストチャンバにフランジ形状の接合部を形成し、金属部材にボルトで固定する場合の1/2以下とすることができる。 In addition, when joining using a brazing material, joining becomes easy. Therefore, the time required for joining is ½ that when a flange-like joining portion is formed in a thrust chamber and fixed to a metal member with a bolt. It can be as follows.
本発明のスラスタは、例えば、ジェットエンジンやロケットのスラスタとして用いることができる。 The thruster of the present invention can be used, for example, as a thruster for a jet engine or a rocket.
(実施例)
次に、本発明の実施例について説明する。
「実施例1」
内形30.107mmの円形の筒状の金属部材3と、ロウ材の溶融温度におけるクリアランスDが112.5μmとなる外径30.0mmの円形の筒状のセラミックス基複合部材2とを用意した。そして、金属部材3の接合部3a内におけるオーヴァーラップ長が9mmとなる位置に、セラミックス基複合部材2の嵌合部2aが必要以上に挿入されることを防止するストッパーを設置し、接合部3aの内壁縁部の斜面3b上に嵌合部2aを載置した。次いで、金属部材3の内壁縁部に設けられた斜面3b上にペースト状とされた所定量のロウ材4を設置した。続いて、金属部材3およびセラミックス基複合部材2を200℃に加熱する熱処理を行なうことにより金属部材3を膨張させて、接合部3a内に嵌合部2aを進入させた。その後、ロウ材を750℃に加熱して溶融させて、セラミックス基複合部材2と金属部材3との間に溶融したロウ材を浸透させた。そして、1時間ロウ材の融点温度を保持した後、1℃/分の冷却速度で冷却して図1に示す接合体1を得た。
(Example)
Next, examples of the present invention will be described.
"Example 1"
A circular cylindrical metal member 3 having an inner shape of 30.107 mm and a circular cylindrical ceramic
なお、金属部材としては、Ti(熱膨張率=8.40[×10−6/K])を用いた。
また、セラミックス基複合部材としては、セラミックス繊維がSiCからなりセラミックスマトリックスがSiCからなるCMC(熱膨張率=3.00[×10−6/K])を用いた。
また、ロウ材としては、溶融温度が720℃であるTB−629T(商品名:東京ブレイズ株式会社製)を用いた。
Note that Ti (thermal expansion coefficient = 8.40 [× 10 −6 / K]) was used as the metal member.
As the ceramic matrix composite member, CMC (thermal expansion coefficient = 3.00 [× 10 −6 / K]) in which the ceramic fiber is made of SiC and the ceramic matrix is made of SiC was used.
Moreover, TB-629T (trade name: manufactured by Tokyo Blaze Co., Ltd.) having a melting temperature of 720 ° C. was used as the brazing material.
「実施例2」
金属部材としてHRA929(商品名:日立金属株式会社製)(熱膨張率=7.70[×10−6/K] at500℃)を用い、金属部材3の内径を30.122mmとし、ロウ材の溶融温度におけるクリアランスDを112.5μmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、図1に示す接合体1を得た。
"Example 2"
HRA929 (trade name: manufactured by Hitachi Metals Co., Ltd.) (thermal expansion coefficient = 7.70 [× 10 −6 / K] at 500 ° C.) is used as the metal member, and the inner diameter of the metal member 3 is 30.122 mm. A joined
このようにして得られた実施例1および実施例2の接合体1のオーヴァーラップ領域6のせん断強度と、接合される前のセラミックス基複合部材2のせん断強度とを以下に示すようにして調べた。
図4は、接合体1のオーヴァーラップ領域6のせん断強度の測定方法を説明するための図である。図4に示すように、試験体である接合体1を冶具32上に載置し、アタッチメント31を介して図4に示す矢印の方向に荷重を負荷し、プラッグ・ワッシャー方式のせん断試験を行なった。
The shear strength of the overwrap region 6 of the joined
FIG. 4 is a diagram for explaining a method for measuring the shear strength of the overlap region 6 of the joined
その結果を図5に示す。図5は、実施例1および実施例2の接合体のオーヴァーラップ領域のせん断強度と、接合される前のセラミックス基複合部材のせん断強度とを示したグラフであり、接合される前のセラミックス基複合部材のせん断強度を1とした場合の実施例1および実施例2のオーヴァーラップ領域のせん断強度の強度比を示したグラフである。
図5に示すように、実施例1および実施例2の接合体のオーヴァーラップ領域は、十分に高いせん断強度を有していることが確認できた。このことより、実施例1および実施例2の接合体が、十分な接合強度を有していることが確認できた。
The result is shown in FIG. FIG. 5 is a graph showing the shear strength of the overlap region of the joined body of Example 1 and Example 2 and the shear strength of the ceramic matrix composite member before joining, and the ceramic substrate before joining. It is the graph which showed the strength ratio of the shear strength of the overlap region of Example 1 and Example 2 when the shear strength of the composite member is 1.
As shown in FIG. 5, it was confirmed that the overlap region of the joined bodies of Example 1 and Example 2 had a sufficiently high shear strength. From this, it has confirmed that the joined body of Example 1 and Example 2 had sufficient joint strength.
また、このようにして得られた実施例1および実施例2の接合体1の気密性を、以下に示す方法によって調べた。
図6は、接合体1の気密性の測定方法を説明するための図である。図6に示すように、実施例1および実施例2の接合体1のセラミックス基複合部材2側の端面と金属部材3側の端面とをシール剤33で密閉して、接合体1内にヘリウムガスを供給し、接合体1内の圧力を計測することによって接合体1の気密性を調べた。更に、微細な気密性について調べるために、ガス漏れ検知用の石鹸水を接合体1の外周部に塗布し、リークによる泡が発生するかどうかを確認した。
その結果、実施例1および実施例2の接合体1内の圧力が0.7MPa以下である場合には、リークが発生しないことが確認できた。このことから、実施例1および実施例2の接合体が、十分な気密性を有していることが確認できた。
Further, the airtightness of the joined
FIG. 6 is a diagram for explaining a method of measuring the airtightness of the joined
As a result, it was confirmed that no leak occurred when the pressure in the joined
1…接合体、2…セラミックス基複合部材、2a…嵌合部、3…金属部材、3a…接合部、3b…斜面、4…ロウ材、5…ノズル、6…オーヴァーラップ領域、10…スラスタ、20…セラミックス基複合材料(CMC)、21…セラミックス繊維、22…セラミックスマトリックス、23…スラストチャンバ、D…クリアランス。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記金属部材は、熱膨張率が4.5〜19[×10−6/K] の範囲のものであり、
前記セラミックス基複合部材は、セラミックス繊維と前記セラミックス繊維に付着されたセラミックスマトリックスとからなる熱膨張率が3〜6[×10−6/K]の範囲のものであって、前記ロウ材の溶融温度における前記嵌合部の外面と前記接合部の内面との距離が15〜500μmの範囲であるものであり、
前記ロウ材は、Ti、Zr、Hfの少なくともいずれか1種を含むものであることを特徴とするスラスタ。 A flange formed by a thrust chamber and a nozzle made of a metal member having a cylindrical joint and connected to the thruster body, and a cylindrical ceramic-based composite member having a fitting portion fitted into the joint. It has a joined body that is joined using brazing material without intervention ,
The metal member has a coefficient of thermal expansion of 4.5 to 19 [× 10 −6 / K],
The ceramic matrix composite member has a coefficient of thermal expansion in the range of 3 to 6 [× 10 −6 / K] composed of ceramic fibers and a ceramic matrix attached to the ceramic fibers, and the melting of the brazing material The distance between the outer surface of the fitting portion and the inner surface of the joint portion at a temperature is in the range of 15 to 500 μm,
The thruster , wherein the brazing material contains at least one of Ti, Zr, and Hf.
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