KR101092189B1 - 복합재 부품 납땜 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 개의 부품 (10, 20)을 서로 납땜하는 방법으로, 상기 방법은 접합하고자 하는 부품의 두 표면 (S10, S20) 사이에 패드 (30)를 삽입하고, 상기 패드는 내화성 섬유 직물로 형성되며 그리고 적어도 납땜 조성물 (40)과 접촉한 부품에서 형성되고, 그리고 납땜 조성물을 액화시키기 위해서 열처리를 수행하여 용융된 납땜 조성물을 패드 (30)에 의해 피복된 두 부품 (10, 20) 사이의 전체 납땜 영역으로 모세관 작용에 의해 분배시키기 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다.

납땜, 복합재 부품

Description

복합재 부품 납땜 방법 {Method for soldering composite material parts}

본 발명은 열 구조적 복합재들, 및 특히 세라믹 매트릭스 복합재 (CMC)들을 서로 납땜하는 것에 관한 것이다. CMC 재료는 전형적으로 세라믹 매트릭스에 의해 조밀화된, 다공성 섬유 기질과 같은 다공성 기질로 구성된다. 기질의 섬유는 탄소 섬유 또는 세라믹 섬유일 것이다. 매트릭스는, 예를 들어, 내화성 탄화물, 질화물, 붕소화물, 또는 산화물과 같은 내화성 세라믹이다. 예를 들면 C/SiC (탄소 섬유 강화 및 탄화 규소 매트릭스) 복합물과 같은 CMC 재료는 이들을 구조적 성분들의 구성을 적절하게 만드는 이들의 기계적 성질, 및 고온에서도 이들 성질을 유지할 수 있는 능력으로 주목할 만하다.

세라믹 매트릭스 복합재로 구조물을 만들 때, 납땜에 의해 서로 조립되는 CMC 재료의 독립적인 요소들로부터 만드는 것이 보통이다. 그럼에도 불구하고, 세라믹 매트릭스 복합재를 납땜하는 것은 기술적으로 어렵다. 이들 재료는 고도의 표면 거칠기를 나타내고 그리고 이들은 산화물 상 (phase)들을 포함한다. 납땜된 연결부는 산화물 상이 제거될 때에만 만들어질 수 있다. 이 목적을 위해, 납땜 합금 또는 1200℃ 이상의 온도에서 열 처리를 요구하는 규소 기재의 조성물을 사용하는 것이 일반적인 관행이다. 그럼에도 불구하고, 그러한 온도 및 그 이상에서, 재료에 존재하는 산화물 상의 제거는 기체 종의 형성을 가져온다.

도 1은 통상의 납땜 기술, 즉, 접합하고자 하는 두 개 부품의 표면 사이에 고형 납땜 조성물 (3)의 층을 삽입함에 의해 서로 조립되어지는 표면(S1 및 S2)을 갖는 CMC 복합재의 두 개의 부품 (1 및 2)들을 상당히 개략적으로 나타낸 도면이다. 고형 납땜 조성물 (3)의 층은, 그 후 도 2에 나타낸 것처럼 두 개의 부품들의 표면(S1 및 S2)들을 서로 결합하는 납땜된 접합부 (31)를 형성하도록, 열처리에 의해 용융된다. 그럼에도 불구하고, 그 납땜 기술에 의해, 산소를 방출하는 재료에 의해 발생된 몇몇의 기체종이 납땜된 접합부 내에 트랩되고, 이것은 두 표면 사이에 납땜되지 않은 부분 (4)이 국소적으로 남아있는 다공성인 납땜된 접합부를 야기한다. 재료의 이러한 결핍은 두개의 부품들 사이의 연결에 결점을 생성하고 결과적으로, 상기 표준 납땜 방법에 의해 얻어진 납땜 접합부의 상태를 나타내는 도 3에서 나타낸 것처럼, 조립체에 대해 품질의 저하를 초래한다. 도 3에서, 납땜 조성물의 분포는 납땜 연결부에 기체 종의 포켓이 남아 있기 때문에 균일하지 않고, 그로 인해 생성된 연결이 약화된다.

이들 결과들은 특히 납땜 온도에 도달하기 전에 산소-제거 중단을 수행하기 위해, 온도 상승 동안에 중단에 대한 주의 깊은 조절에 의해 개선될 수 있다. 항-습윤제는 또한 접합부에서 납땜 조성물의 통행을 "강제"하기 위해 사용될 수 있다. 도 4A 및 4B (도 4A의 ⅣB 구역)는 두 CMC 부품 사이에서 얻어진 납땜된 접합부를 나타낸다. 예를 들어, 도 3의 그것과 비교하여 연결부의 품질에서 명백한 개선을 관찰될 수 있다. 심지어 납땜 방법에 대한 그러한 개선된 조절에도 불구하고, 몇몇의 포켓들은 여전히 남아서 납땜된 연결부에서 흠을 초래한다.

더욱이, 이들 납땜 기술들은 납땜된 연결부의 두께의 조절을 가능하지 않게 한다. 심지어 겹쳐진 도킹 영역에서도, 생성된 납땜된 접합부의 두께는 열처리 동안에 납땜 조성물의 분포에서 균일성의 부족으로 인해 변화할 수 있다. 납땜된 접합부 두께에서 그러한 변화는 도킹 영역이 불규칙성을 나타낼 때 (도 2에서 두께 e1 및 e2) 더욱 두드러진다.

발명의 목적 및 요약

본 발명의 목적은 부품들이 상기 결점 없이 납땜에 의해 같이 조립되는 것을 가능하게 하고, 특히 열 처리 중에 발생하는 기체 종을 제거하는 것을 가능하게 하고 그리고 또한 납땜된 접합부의 두께 및 상기 접합부와 납땜된 표면 간의 접촉을 제어하는 것을 가능하게 하는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적은, 본 발명에 따른, 서로 접합하는 부품의 두 표면 사이에 패드가 삽입되고, 상기 패드는 내화성 섬유 직물로 형성되고, 그리고 적어도 납땜 조성물과 접촉되고, 그리고 상기 납땜 조성물을 액화시키기 위해 열처리를 수행하고, 용융된 납땜 조성물을 모세관 작용에 의해 상기 패드로 피복된 두 개의 부품 사이의 전체 납땜 영역에 걸쳐 분배하는 방법에 의해 달성된다.

따라서, 패드의 섬유 직물 내의 구멍들은 온도의 상승 동안에 생성된 기체 종의 제거를 촉진함과 동시에, 납땜 조성물을 모세관 작용에 의해 패드로 피복된 전체 표면 위로 가져온다.

더욱이, 그러한 패드의 사용은 납땜된 접합부의 최종 두께를 조절하는 것을 가능하게 한다. 패드의 두께를 선택함에 의해, 재생 가능하고 그리고 정확한 방식으로 납땜된 접합부의 최종 두께를 조절할 수 있다. 그것의 유연성 때문에, 패드는 또한 심지어 표면이 불규칙성을 나타낼 때에도, 서로 납땜하기 위하여 표면과의 접촉을 조절 가능하게 한다. 이것은 결합이 균일하고 우수한 품질을 갖는 부품 사이에서 얻어지는 것을 가능하게 하는 납땜된 접속부 및 납땜된 표면 사이의 연속적인 접촉을 제공한다.

패드는 탄소 섬유 또는 탄소-전구체 섬유 또는 세라믹 섬유를 포함하는 조직으로 구성될 수 있고, 여기서 세라믹은 탄화규소 (SiC)일 수 있다.

본 발명의 한 양상에서, 납땜 조성물은 납땜을 위한 부품이 서로 도킹되어 있는 영역의 외부에서 패드의 적어도 일부와 접촉하여 위치된다. 온도의 상승 중에, 용융된 조성물은 모세관 작용에 의해 납땜을 위한 부품의 표면 사이에 패드로 피복된 전영역에 걸쳐 운반된다.

패드는 서로 납땜하기 위한 부품의 표면의 형태 및 크기에 맞추어 절단할 수가 있다. 그것은 취급이 용이하고 그리고 서로 납땜하기 위한 부품의 어떤 모양과도 부합된다. 따라서, 납땜된 접합부를 형성하기에 바람직한 영역은 패드에 의해 피복된 영역으로 미리 정의될 수 있다. 따라서, 모든 종류의 표면에 강한 납땜된 접합부를 만들 수 있고, 정확하고 재생가능한 방법으로 이와 같이 하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 특성 및 장점은 비-제한적 실시예로서 주어진, 첨부한 도면을 참조로 하여, 본 발명의 구체적인 실시는 이하의 설명으로부터 분명하게 된다.

·도 1은 종래의 기술을 사용한 두 세라믹 매트릭스 복합재 부품을 서로 납땜하는 상당히 개략적으로 나타낸 도면이다.

·도 2는 도 1의 두 개의 부품을 서로 납땜하여 얻어진 결과를 매우 개략적으로 나타낸 도면이다;

·도 3은 종래의 기술을 이용하여 얻어진 납땜 접합부의 단면도이다;

·도 4A 및 도 4B는 종래의 납땜 방법을 이용하여 얻어진 납땜 접합부를 나타낸다;

·도 5는 본 발명의 실시 방법을 연속적으로 나타내는 플로우 챠트이다;

·도 6은 본 발명의 실시에 따라 건조 패드를 이용하는 납땜 조작의 실시를 나타내는 다이어그램이다;

·도 7은 도 6의 두 개의 부품을 서로 납땜한 후에 얻어진 결과를 나타낸 다이어그램이다;

·도 8A 및 도 8B는 본 발명의 납땜 방법으로 얻어진 납땜 접합부를 나타낸다;

·도 9A, 9B, 및 9C는 열교환기 구조의 일부를 본 발명에 따라 두 개의 부품을 서로 납땜하는 것으러써 얼마나 만들 수 있는지를 나타낸다;

·도 10은 평면의 부품과 벌집-모양의 부품을 서로 조립하는 실시예를 나타낸다.

실행의 상세한 설명

납땜에 의해 부품을 서로 조립하기 위한 본 발명의 방법은 어떤 내열 구조 세라믹 매트릭스 복합재 (CMC), 즉, C-SiC, SiC/SiC, C/C-SiC 재료 등과 같은, 역시 내화성인 세라믹 매트릭스에 의해 조밀화된, 내화성 섬유 (탄소 섬유 또는 세라믹 섬유)의 강화에 의해 구성되는 어떤 물질로 만들어진 부품에 적용된다. 본 방법은 또한 C/C 재료 또는 모놀리식 세라믹과 같은, 납땜 중에 기체 종을 발생하기 쉬운 다른 종류의 재료에도 적용된다.

도 5 및 도 6을 참조로 하여, 납땜에 의해 CMC 재료의 두 개의 부품 (10 및 20)을 서로 접합하기 위한 본 발명에 따른 방법의 실행은 하기의 단계를 포함한다.

도 6에 나타낸 대로, 첫 번째 단계 (단계 S1)는 탄소 섬유 또는 탄소-전구체 섬유로 만들어진 "건조" (즉, 함침되지 않은) 패드 (30)를 CMC 재료의 첫 번째 부품 (10)의 표면 (S10)과, 마찬가지로 CMC 재료의 두 번째 부품 (20)의 표면 (S20) 사이에 위치시키는 것이다. 일반적으로, 모세관 작용에 의해 납땜 조성물의 운송이 가능하고 그리고 생성된 기체 종을 제거할 수 있는 충분한 다공성을 나타내는, 탄소 섬유 또는 탄소 전구체 섬유 또는 SiC 섬유와 같은 세라믹 섬유로 이루어진 어떤 유형의 직물을 사용함에 의해, 본 발명의 납땜 패드를 제조하는 것이 가능하다. 예시적 방법에 의해, 상기 패드는 매트 (즉, 다량으로 집적된 섬유). 가능하기는 직조된 매트, 부직포 천, 펠트, 2-차원적 (2-D) 직물, 일방향성 또는 다중 방향성 시트, 등의 형태일 것이다.

임의로 (단계 2), 납땜하지 않는 부분 (예를 들면, 패드로 피복되지 않는 표면 및 모서리 표면)의 영역 상에 항-습윤제를 배치하여 납땜 플럭스 (flux)가 납땝하는 부품의 영역을 감싸는 패드만을 습윤하도록 조절할 수 있다. 사용하는 항-습윤제는 예를 들어, Wesgo Metals사에 의한 항-습윤제 Stopyt® 또는 Wall Colmonoy Limited사에 의해 공급된 Nicrobraz®과 같은 소위 "스탑-오프" 제품인, 에어로졸의 형태로 포장된 질화 붕소 (BN)로 구성될 것이다.

다음 단계 (단계 S3)는 납땜 조성물 (40)을 두 개의 부품 사이의 도킹 영역을 넘어 돌출된 패드 (30)의 하나 (또는 그 이상) 부분과 접촉하여 위치시키는 것으로 이루어진다. 이러한 예시의 방법으로, 납땜 조성물은 특허 출원 EP 0 806 402 또는 US 5 975 407에서 설명된 것과 같은 규소 조성물 또는 규소-기재 조성물, 또는 Cusil-ABA®, Ticusil®, Incusil®, 또는 Brasic®의 상표명으로 알려진 규소 부가 금속 규화물 합금, 규소 부가 임의 합금 게르마늄 및 금속 조성물로 구성될 수 있다. 납땜 조성물은 특히 부품의 재료와의 상용성의 함수로서 선택되고, 즉, 재료와 반응하지 않거나 또는 조절된 방법으로 그것과 함께 반응하는 조성물을 선택하는 것이 바람직하다.

그 후, 온도를 납땜 조성물 (40)이 액체가 될 때까지 상승시키고, 그 결과 조성물은 모세관 작용에 의해 패드 (30)로 흡수되고 그리고 패드로 피복된 두 개의 부품 사이의 전체 납땜 영역으로 분배된다 (단계 4). 열 처리 중에 생성된 기체 종은 패드의 구멍들을 통해 제거되고, 이로 인해 납땜 접합부 내에서 기체 포켓의 형성이 방지된다. 패드를 통해 전진되는 납땜 앞부분은 패드의 구멍들을 통해 흐르는 기체종을 패드 말단으로 밀어내어 외부로 배출시킨다.

도 7에서 매우 개략적으로 나타낸 것처럼, 이렇게 함으로써 두 개의 부품(S10 및 S20)과 연속적으로 접촉하는 납땜 접합부(41)가 얻어진다. 게다가, 본 발명의 패드를 사용함에 의해, 납땜 접합부의 최종 두께를 조절할 수 있다. 본 발명의 방법에 따라, 섬유 직물 패드는 부품을 서로 납땜하기 위해 표면들 사이에 삽입된다. 그 결과, 이들 표면 사이의 틈은 사용된 패드의 두께에 의해 정의되고, 패드는 얻을 수 있는 납땜 접합부의 일체적 부분을 형성한다. 따라서, 납땜 접합부의 최종 두께는 사용하는 패드에 대해 선택 두께의 함수로서 결정될 수 있다.

더욱이, 그러한 패드의 사용은 심지어 도킹 영역이 불규칙성을 나타낼 때도, 납땜 접합부에 대한 최소 두께를 보장할 수 있다. 도 6에서 볼 수 있는 것처럼, 표면(S10 및 S20)은 패드 (30)에 의해 정의된 최소 거리 d에 의해 서로 간격이 떨어지도록 유지된다. 두 표면 사이의 간격은 표면상에 나타나는 불규칙성의 정도에 의존하여 이 최소 거리로부터 조금 빗나간다. 결과적으로, 패드의 두께, 및 가능하게는 또한 그것의 압축성에 따라, 서로 납땜하기 위한 부품의 표면 상태와 독립적으로, 납땜 접합부를 위한, 최소 두께 (도 7에서 거리 d)를 초기에 정의하는 것이 가능하고, 이 두께는 납땜 후에도 유지된다.

그것의 유연성 때문에, 패드는 표면 거칠기의 외형과도 부합하고, 따라서 서로 납땜하기 위한 표면들과의 접촉을 조절하고 그리고 전체에서 서로-납땜된 표면에 걸쳐 연속적인 납땜 접합부를 형성하는 것을 가능하게 한다.

도 8A 및 8B (도 8A에서 ⅧB 구역)는 상기 방법으로 얻어지고 CMC 재료로 만들어진 두 개의 부품 (61 및 62)을 서로 결합하는데 적용되는 납땜 접합부 (60)를 나타낸다. 사용된 패드는 탄소 섬유의 매트로 구성되었다. 접합내에 잔류 기체 포켓이 갇히지 않음을 볼 수 있고 접합 중에 존재하는 검은 점은 납땜 조성물과 패드의 탄소 사이의 반응에 의해 형성된 미량의 SiC 입자에 상당한다. 납땜 접합부 (60)는 전체 길이에 걸쳐 균일한 두께 e를 나타낸다.

본 발명에 따른 패드의 사용은 또한 어떤 형태의 부품에도 쉽게 적응되는 납땜 조성물을 위한 확산 매체를 형성하는 장점을 나타낸다. 상기 패드는 변형가능하고 용이하게 자를 수 있다. 따라서, 서로 납땜하는 표면의 치수 및 형태로 절단될 수 있고, 3차원 형태의 부품 (비평면 부품)에 적합할 수 있다.

도 9A, 9B, 및 9C는 CMC 재료의 두 개의 패널 (110 및 120)을 서로 조립하고, 그리고 특히 유체 흐름에 의해 냉각된 추력 노즐 (thruster nozzle)의 갈라진 부분의 벽에서 사용된 종류의 열 교환 구조물 (100, 도 9C)의 일부를 형성하여 구조물을 만드는 예 (도 9A)를 나타낸 것이다.

패널 (110 및 120) 각각은 구조물을 냉각하기 위한 유체의 유로(flow channel)을 구성하기 위한 홈 또는 오목한 곳 (111a, 111b, 111c, 및 121a, 121b, 121c)을 나타낸다. 패널 (110 및 120)에서 오목한 곳 (111a 내지 111c 및 121a 내지 121c)은 패널 (패널 110을 위한 110a 및 110b, 그리고 패널 120을 위한 120a 및 120b) 당 각각 두 독립된 납땜 표면을 규정한다.

본 발명에 따라, 건조 패드 (130)는 유체 흐름 회로를 형성하기 위해 서로 연결되어질 패널의 표면 사이에 삽입된다. 도 9B에 나타낸 것처럼, 패드 (130)는 서로 납땜되어질 패널 부분의 치수 및 형태로 절단된 다수의 부분 (130a, 130b, 130c, 및 130d)으로 이루어진다.

도 9B에 나타낸 것처럼, 두개의 패널 표면은 패드(130)의 부분(130a ~ 130d)이 접촉 영역에 대하여 삽입되어 각각의 부분이 납땜 조성물 (140)을 포함하는 도가니 (141)에 한쪽 말단이 침지한 상태로 서로 접합된다. 그 이후, 온도를 납땜 조성물 (140)이 액체가 될 때까지 상승시키고, 거기서 납땜 조성물은 모세관 작용에 의해 패드 (130)의 일부 (130a 내지 130d)에 의해 흡수되고 그리고 패드로 피복된 두 개의 부품 사이를 납땜하기 위해 전체 영역에 걸쳐 퍼지게 된다.

도 9C에 나타낸 것처럼, 이것은 패드 (130)의 일부 (130a 내지 130d)로 피복된 이들 영역에서 단독으로 존재하는 납땜된 접합부 (131)에 의해 서로 공간적으로 분리된 유체 유로 (150)를 가지는 구조 (100)를 만들어 낸다.

본 발명의 납땜 방법은 특히 복합체 및/또는 불균일한 형태를 나타내는 부품을 서로 접합하는데 적합하다. 도 10에 나타낸 것처럼, 예를 들어, 고체 부품 (220)과 벌집-모양 또는 격자-모양이고 다수의 셀 (211)을 포함하는 고형 부품 (210)을 서로 조립하는 것을 용이하게 한다. 표준 납땜 방법에서, 그러한 부품은, 납땜 조성물이 고형 부품 (220) 및 셀 (211)의 바닥 모서리, 부품 (220)으로 연결될 수 있는 부품 (210)의 유일한 부분 사이에 균일하게 위치하는 것이 곤란하기 때문에 표준 납땜 방법으로 납땜하는 것이 특히 어렵다고 보여진다. 본 발명의 방법으로, 납땜에 의한 설치의 조작은 건조 패드(230)를 이용하는 것이 훨씬 용이하고, 고형 납땜 조성물 (240)이 셀 (211) 주위 및/또는 내에 두는 것이 가능하여, 그 후 상기 패드 (230)는 온도 상승 중에 상기 부품 (210 및 220) 사이, 즉 셀 (210)의 측면의 바닥 모서리와 부품 (220)의 표면 사이의 접촉 영역 모든 것에 걸쳐 납땜 조성물을 균일하게 분배하는 작용을 한다.

Claims (10)

1. 두 개의 부품을 서로 납땜하는 방법에 있어서, 두 개의 부품을 서로 납땜하는 방법에 있어서, 도킹 영역에서 상기 접합하고자 하는 부품의 두 표면 사이에 패드를 삽입하고, 상기 패드는 내화성 섬유 직물로 형성되며, 상기 도킹 영역을 넘어서 돌출하는 적어도 한 부분을 가지고, 납땜 조성물을 상기 도킹 평면을 넘어서 돌출하는 적어도 한 부분과 접촉되게 위치시키며, 상기 납땜 조성물을 액화시키기 위해서 열처리를 수행하여 용융된 납땜 조성물을 상기 도킹 영역을 넘어서 돌출하는 적어도 한 부분으로부터 상기 패드로 피복된 두 부품 사이의 상기 도킹 영역에 해당하는 전체 납땜 영역으로 모세관 현상에 의해 분배시키는 것을 특징으로 하는 복합재 부품의 납땜 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 두 개의 부품의 적어도 하나는 세라믹 매트릭스 복합재, 또는 C/C 복합재, 또는 모놀리식 세라믹 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 복합재 부품의 납땜 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 패드는 탄소 섬유를 포함하는 직물, 또는 탄소-전구체 재료의 섬유, 또는 세라믹 섬유에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 복합재 부품의 납땜방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 납땜 조성물은 상기 서로 납땜하고자 하는 부품의 두 표면의 도킹 영역의 외부에서 상기 패드의 적어도 일부와 접촉되게 위치시키는 것을 특징으로 하는 복합재 부품의 납땜방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 납땜 조성물은 도가니 내에 위치되고, 상기 납땜 조성물이 열 처리 중에 서로 접합되어지는 부품의 표면 사이의 패드에 의해 모세관 작용에 의해 운송되는 것을 특징으로 하는 복합재 부품의 납땜 방법.
6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 납땜 접합부의 최종 두께는 사용하는 패드의 두께에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 복합재 부품의 납땜 방법.
7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패드는 서로 납땜되어지는 부품 표면의 치수 및 모양으로 절단되는 것을 특징으로 하는 복합재 부품의 납땜 방법.
8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 열처리 단계 전에, 서로 납땜되지 않는 부품의 일부에 항-습윤제를 적용하는 것을 특징으로 하는 복합재 부품의 납땜 방법.
9. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 조립하기 위한 두 개의 부품 중 하나는 벌집 또는 격자 모양인 것을 특징으로 하는 복합재 부품의 납땜 방법.
10. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 납땜 조성물은 규소 조성물 또는 규소계 조성물이거나, 또는 규소합금계 조성물 또는 금속조성물인 것을 특징으로 하는 복합재 부품의 납땜 방법.

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