SE451550B

SE451550B - PROCEDURE FOR PREPARING A COMPOSITE METAL BODY WITH INTERNAL

Info

Publication number: SE451550B
Application number: SE8300821A
Authority: SE
Inventors: A Sakamoto; T Onda
Original assignee: Mitsubishi Heavy Ind Ltd
Priority date: 1983-02-17
Filing date: 1983-02-15
Publication date: 1987-10-19
Also published as: FR2541152A1; SE8300821L; DE3307000C2; SE8300821D0; DE3307000A1; FR2541152B1

Description

l0 15 20 25 30 35 451 550 2 s Üvannämnda och övriga särdrag och ändamål med före- liggande uppfinning beskrivs nedan med hänvisning till på bifogade ritningar visade föredragna utföringsformer av uppfinningen. The above and other features and objects of the present invention are described below with reference to preferred embodiments of the invention shown in the accompanying drawings.

På ritningen visar fig. l en längdsnittsvy över en föredragen utföringsform enligt förfarandet för framställ- -_ ning av en sammansatt metallkropp, fig. 2 en tvärsnitts- vy längs linjen II-I1 i fig. l, fig. 3 en längdsnittsvy visande en annan föredragen utföringsform, fig. 4 en tvär- snittsvy längs linjen IV-IV i fig. 3, fig. 5 en sidovy över ett inre parti av en förbränningskammare med regene- rativ kylning hos en raketmotor för flytande bränsle, fig. 6 en tvärsnittsvy längs linjen IV-IV i fig. 5, fig¿ 1 en vy i större skala över det av pilen VII indikerade partiet i fig. 6, íig¿_§ en längdsnittsvy över ett till- stånd för framställning av ovannämnda förbränningskammare för regenerativ kylning genom utnyttjande av förfarandet för framställning av en sammansatt metallkropp enligt före- liggande uppfinning, fig. 9 en del av ett tvärsnitt längs , linjen IX-IX i fig. 8, fig. 10 en tvärsnittsvy visande ett provstycke framställt under samma tillstånd som det i fig. 8 och 9 visade, fig. ll en längdsnittsvy över en mo- dell av en mottagarkon hos en startmotor framställd genom användning av förfarandet för framställning av en samman- satt metallkropp enligt föreliggande uppfinning, fig. 12 en tvärsnittsvy längs linjen XII-XII i fig. ll, och íig¿ lå visar en längdsnittsvy av en sammansatt metallkropp be- stående av två inre och yttre lager, framställd genom an- vändning av förfarandet för framställning av en sammansatt metallkropp enligt föreliggande uppfinning.In the drawing, Fig. 1 shows a longitudinal sectional view of a preferred embodiment according to the method of manufacturing a composite metal body, Fig. 2 a cross-sectional view along the line II-I1 in Fig. 1, Fig. 3 a longitudinal sectional view showing another preferred embodiment, Fig. 4 is a cross-sectional view along the line IV-IV in Fig. 3, Fig. 5 is a side view of an inner portion of a combustion chamber with regenerative cooling of a rocket engine for liquid fuel, Fig. 6 is a cross-sectional view along line IV-IV in Fig. 5, Fig. 1 is an enlarged view of the portion indicated by arrow VII in Fig. 6, Fig. 1 is a longitudinal sectional view of a state for producing the above-mentioned combustion chamber for regenerative cooling by utilization. of the method for producing a composite metal body according to the present invention, Fig. 9 a part of a cross-section along, line IX-IX in Fig. 8, Fig. 10 a cross-sectional view showing a specimen made under the same condition as that in Figs. 8 and 9, Fig. 11 e n is a longitudinal sectional view of a model of a receiver cone of a starter motor manufactured using the method of manufacturing a composite metal body according to the present invention; Fig. 12 is a cross-sectional view taken along the line XII-XII in Fig. 11, and a longitudinal sectional view of a composite metal body consisting of two inner and outer layers, prepared using the method of manufacturing a composite metal body according to the present invention.

Med hänvisning till fig. l och Z vilka visar eníföre- dragen utföringsform av förfarandet för framställning av en sammansatt kropp, betecknas med 1 och 2 stympat koniska ihåliga metalldelar av olika diameter, med 3 metallpulver, med 4 smält metall, med 5 och 6 formar och med 7 kärnor.Referring to Figs. 1 and Z which show a preferred embodiment of the process for producing a composite body, denoted by 1 and 2 frustoconical hollow metal parts of different diameters, by 3 metal powders, by 4 molten metals, by 5 and 6 molds and with 7 cores.

De två metalldelarna l och 2 och ett stort antal kärnor 7 är placerade mellan formarna 5 och 6, såsom visas i fig. 5 l och 2, för att bilda en ihålig sektion mellan respektive metalldelar l och 2. Sedan fylles den ihåliga sektionen med 10 15 20 25 30 40 3 451 sso metallpulvret 3, varpå metallpulvret 3 impregneras med den smälta metallen 4, vars smältpunkt är lägre än smältpunkten hos metalldelarna 1 och 2, metallpulvret 3, formarna 5 och 6 samt kärnorna 7, varigenom kan framställas en sammansatt metall- kropp bestående av metalldclarna 1 och 2 samt ett metallskikt 3, 4. Det bör observeras att ovan nämnda smälta metall 4 normalt bringas att impregnera eller genomdränka genom dess egenvikt och kapíllärverkan mellan metallpulvrets 3 partiklar. I det fa1l_ där metalldelarnas 1 och 2 innerytor har komplicerad form eller kan befaras otillräcklig.impregneríng eller kan alstras krymp- håligheter i metallpulvret 3, bringas den smälta metallen att impregnera genom påförande av ett tryck.The two metal parts 1 and 2 and a large number of cores 7 are placed between the molds 5 and 6, as shown in Figs. 5 and 2, to form a hollow section between the respective metal parts 1 and 2. Then the hollow section is filled with 10 The metal powder 3, whereupon the metal powder 3 is impregnated with the molten metal 4, the melting point of which is lower than the melting point of the metal parts 1 and 2, the metal powder 3, the molds 5 and 6 and the cores 7, whereby a composite metal can be produced body consisting of the metal particles 1 and 2 and a metal layer 3, 4. It should be noted that the above-mentioned molten metal 4 is normally caused to impregnate or soak through its own weight and capillary action between the particles of the metal powder 3. In the case where the inner surfaces of the metal parts 1 and 2 have a complicated shape or insufficient impregnation can be feared or shrinkage cavities can be generated in the metal powder 3, the molten metal is caused to impregnate by applying a pressure.

I fig. 3 och 4 är en cylindrisk metalldel 1 placerad på en form S för bildande av en ihålig sektion dem emellan. Sedan fylles metallpulver 3 i den ihåliga sektionen varpå metall- pulvret 3 ímpregneras eller genomdränkes med den smälta metallen. 4 från ett metallmaterial med en lägre smältpunkt än metall- delen 1, metallpulvret 3 och formen S. Därigenom kan framställas en sammansatt metallkropp bestående av metalldelen 1 och ett metallískt skikt 3, 4. Detta är en andra utföringsform av för- farandet för framställning av en sammansatt metallkropp enligt föreliggande uppfinning. 7 Ovannämnda förfarande för framställning av en sammansatt metallkropp kommer nu att förklaras i samband med praktiska exempel. En förbränningskammare med regenerativ kylning hos en raketmotor för flytande bränsle är en sammansatt metallkropp. uppvisande en komplex konfiguration, såtillvida att ett parti vänt mot en förbränningskammare är framställt av syrefri koppar, ett utvändigt parti är framställt av rostfritt stal (SUS 347 rost- fritt stàl) och dessutom är ett innerskiktparti försett med kyl- banor genom vilka flytande väte eller flytande syre passerar. ' Vid framställning av denna sammansatta metallkropp under använd- ning av förfarandet för framställning av en sammansatt metall- W kropp enligt föreliggande uppfinning,framställdes en del 1 upp- visande ett stort antal spár la på dess yttre periferiyta som visas i fig. 5, 6 och 7 av syrefri koppar, en avskild del 2 uppvisande en form överensstämmande med ovan nämnda del 1 fram- ställdes av rostfritt stål, som visas i fig. 8 och 9, varefter spåren 1a hos ovannämnda del 1 fylldes med ett slamliknande fyllmedel 8 bestående av keramiskt pulver, vattenlösligt salt 10 15 20 25 30 35 40 -451 550 4 och vatten. Fyllmedlet 8 härdades genom upphettning och tork- ning i två timmar vid 400°C, varefter ovannämnda delar 1 och 2 placerades pä en form 5 enligt fig. 8 för bildande av en ihålig sektion dem emellan, och de åtskilda partierna hos delen 2 svetsades.In Figs. 3 and 4, a cylindrical metal part 1 is placed on a mold S to form a hollow section between them. Then metal powder 3 is filled in the hollow section whereupon the metal powder 3 is impregnated or impregnated with the molten metal. 4 from a metal material with a lower melting point than the metal part 1, the metal powder 3 and the mold S. Thereby a composite metal body consisting of the metal part 1 and a metallic layer 3, 4 can be produced. This is a second embodiment of the method for producing a composite metal body according to the present invention. The above-mentioned method for producing a composite metal body will now be explained in connection with practical examples. A regenerative cooling combustion chamber of a liquid fuel rocket engine is a composite metal body. having a complex configuration, in that a portion facing a combustion chamber is made of oxygen-free copper, an outer portion is made of stainless steel (SUS 347 stainless steel) and in addition an inner layer portion is provided with cooling paths through which liquid hydrogen or liquid oxygen passes. In making this composite metal body using the method of making a composite metal body according to the present invention, a part 1 having a large number of grooves 1a on its outer peripheral surface is shown as shown in Figs. 5, 6. and 7 of oxygen-free copper, a separated part 2 having a shape corresponding to the above-mentioned part 1 was made of stainless steel, as shown in Figs. 8 and 9, after which the grooves 1a of the above-mentioned part 1 were filled with a sludge-like filler 8 consisting of ceramic powder, water-soluble salt 10 15 20 25 30 35 40 -451 550 4 and water. The filler 8 was cured by heating and drying for two hours at 400 ° C, after which the above-mentioned parts 1 and 2 were placed on a mold 5 according to Fig. 8 to form a hollow section between them, and the separated portions of the part 2 were welded.

Sedan fylldes sfäriskt metallpulver 3 om 80-120 Mesh i ovannämnda ihåliga sektion, varefter en metall 4 bestående av S8,5% Ag - 31,5% Cu - 10% Pd (fast faslinje vid omkring 825°C och en vätske- Ü faslinje vid omkring 8S0°C) placerades på metallpulvret S, och denna metall 4 smältes genom upphettning till och upprätthållande + av en temperatur om 88D°C i vakuum. Till följd härav inträngde metallen fullständigt i metallpulvret 3, varvid erhölls en _ legering, varigenom respektive delar blev fullständigt inte- grerade. Dessutom avlägsnades det keramiska fyllmedlet 8 genom het- vattentvätt, varigenom kylbanorna bildades. D ' Fig. 10 visar ett provstycke erhållet genom förbindning av en metallplatta 1 framställd av syrefri koppar och en metall- platta 2 framställd av rostfritt stål under samma tillstånd som beskrivits ovan. När ett draghållfasthetsprov genomfördes, under vilket metallstycket 1 av syrefri koppar brast, varken brast eller sönderslets gränsytan mellan metallstycket 1 och legerings- skiktet 3, 4, eller gränsytan mellan legeringsskiktet 3, 4 och metallstycket 2 av rostfritt stål. Därigenom bekräftades att håll- fastheten hos dess delar var större än hållfastheten hos metall- stycket 1 av syrefrí koppar. D Nedan beskrivs med hänvisning till fig. 11 och 12 ett exempel från en provframställning av en modell av en mottagar- kon för en startmotor. En tunn plåt 1 (tjocklek OQS mm) av Inconel 625 (nominell sammansättning: 22% Cr, 9% Mo, 4% Nb, 3% Fe, 0,2% Ti, 0,2% Al, resten Ni) och rör 2 framställda av samma metallmateríal ihopsvetsades till en plâtkonstruktion.Then spherical metal powder 3 of 80-120 Mesh was filled in the above-mentioned hollow section, after which a metal 4 consisting of S8.5% Ag - 31.5% Cu - 10% Pd (solid phase line at about 825 ° C and a liquid Ü phase line at about 8S0 ° C) was placed on the metal powder S, and this metal 4 was melted by heating to and maintaining + a temperature of 88D ° C in vacuo. As a result, the metal completely penetrated the metal powder 3, whereby an alloy was obtained, whereby the respective parts were completely integrated. In addition, the ceramic filler 8 was removed by hot water washing, thereby forming the cooling paths. Fig. 10 shows a test piece obtained by connecting a metal plate 1 made of oxygen-free copper and a metal plate 2 made of stainless steel under the same condition as described above. When a tensile strength test was performed, during which the metal piece 1 of oxygen-free copper broke, neither the interface between the metal piece 1 and the alloy layer 3, 4, nor the interface between the alloy layer 3, 4 and the metal piece 2 of stainless steel broke. This confirmed that the strength of its parts was greater than the strength of the piece of metal 1 of oxygen-free copper. D With reference to Figs. 11 and 12, an example from a sample representation of a model of a receiver cone for a starter motor is described below. A thin sheet 1 (thickness OQS mm) of Inconel 625 (nominal composition: 22% Cr, 9% Mo, 4% Nb, 3% Fe, 0.2% Ti, 0.2% Al, the rest Ni) and tube 2 made of the same metal material were welded together into a sheet metal structure.

Därefter fylldes under tät packning kopparpulver 3 om 80-120 Mesh i den ihåliga sektionen mellan den tunna plåten och rören 2.Then, under tight packing, 80-120 Mesh copper powder 3 was filled into the hollow section between the thin sheet and the tubes 2.

Ovanpå placerades sedan en eutektísk legering av Ag-Cu (eutek- tisk temperatur om 779°C) samt uppvärmdes i vakuum till 810°C.i Härigenom erhölls en sammansatt metallkropp med ett flertal rör Q 2 och ett ytterhölje av Inconel 625. Genom observation av den metallurgiska mikrostrukturen hos ett tvärsnitt bekräftades i detta fall att inträngningen av den eutektiska Ag-Cu-legeringen i kopparpulvrct var så fullständig att gränsytorna mellan det inträngda materialet och rören och ytterhöljet var perfekt för- 10 15 20 25 30 35 '40 5 p 0 se 451 sso bundna och integrerade med varandra.A eutectic alloy of Ag-Cu (eutectic temperature of 779 ° C) was then placed on top and heated in vacuo to 810 ° C. This gave a composite metal body with a plurality of tubes Q 2 and an outer casing of Inconel 625. By observing the The metallurgical microstructure of a cross-section was confirmed in this case that the penetration of the eutectic Ag-Cu alloy into the copper powder was so complete that the interfaces between the penetrated material and the tubes and the outer casing were perfect. 451 sso bound and integrated with each other.

Nedan kommer förfarandet för framställning av en samman- satt metallkropp enligt föreliggande uppfinning att förklaras med hänvisning till fíg. 13. Med 1 betecknas en cylindrisk be- 'hållare av ren kopparplåt med en tjocklek om 1 mm. Ett pulver 3 av aluminiumkorn om 100-200 Mesh fylldes i behållaren. På detta placerades sedan en hållform 6 för smältmetall och en eutektisk Al-Si-legering 4 (eutektisk temperatur om 577°C).Hereinafter, the process for producing a composite metal body according to the present invention will be explained with reference to Figs. 13. Denoted by 1 is a cylindrical container of pure copper sheet with a thickness of 1 mm. A powder of 100-200 Mesh aluminum grains was filled into the container. On this was then placed a molten metal holding 6 and a eutectic Al-Si alloy 4 (eutectic temperature of 577 ° C).

Därpå placerades dessutom ett tryckverktyg 9. Sedan upphettades aggregatet till 600°C för smältning av den eutektiska Al-Si- -legeringen 4 och med hjälp av tryckverktyget 9 pàfördes ett tryck till legeringen 4. Härigenom erhölls en sammansatt metall- kropp med ett ytterhölje av koppar vars inre del var framställd av en aluminiumlegering. Genom observation av den metalliska mikrostrukturen hos ett tvärsnitt bekräftades även i detta fall att vid gränsytan mellan koppar och alumíniumlegering hade åstadkommits ett legeringsskikt genom diffusion av koppar och aluminiumlegering med varandra och vid andra delar hade dess- utom åstadkommits ett legeringsskikt av aluminiumpulver och eutektisk Al-Si-legering, och det bekräftades att resp. delar. var fullständigt integrerade med varandra. Ovannämnda samman- satta metallkropp har låg vikt och utmärkt elektrisk lednings- förmåga.Then a pressure tool 9 was placed. Then the assembly was heated to 600 ° C to melt the eutectic Al-Si- alloy 4 and by means of the pressure tool 9 a pressure was applied to the alloy 4. Thereby a composite metal body with an outer casing of copper whose inner part was made of an aluminum alloy. By observing the metallic microstructure of a cross section, it was also confirmed in this case that at the interface between copper and aluminum alloy an alloy layer had been formed by diffusion of copper and aluminum alloy with each other and in other parts an alloy layer of aluminum powder and eutectic Al Si alloy, and it was confirmed that resp. parts. were fully integrated with each other. The above-mentioned composite metal body has low weight and excellent electrical conductivity.

Det bör observeras att användningen av kärnorna 7, formen hos metalldelarna 1 och 2 samt materialen hos metalldelarna 1, 2 metallpulvret 3 och den smälta metallen 4 bestäms av form och funktion hos den sammansatta metallkropp som skall framställas och är ej begränsade till ovan nämnda exempel. Om exempelvis en titanlegering används till metalldelen 1, ett pulver av aluminiumlegering till metallpulvret 3 och en metall med en lägre smältpunkt än ovannämnda del l och metallpulver 3 används för den smälta metallen 4, kan erhålla; en sammansatt metall- kropp med ett ytterhölje av titanlegering och med en inre del av aluminiumlegering. Om rostfritt stål används till metall- delen 1, järnpulver till metallpulvret 3 och gjutjärn används till den smälta metallen 4 kan även erhållas en sammansatt metallkropp med ett ytterhölje av rostfritt stål och med en inre del av låglegerat stal. Om i detta fall aggregatet hälles upphettat under sådant tillstànd att det smälta gjutjärnet har trängt in i järnpulvret, så att isotermisk stelning fram- 451 550 6 skrider, orsakad av en sänkning av kolinnehållet i gjutjärnet och även genom ömsesidig dlffusion hos de båda elementens komponenter, sä att den sammansatta kroppen$ inre del kommer att bilda ett homogent läglegefat stål. Ovan nämnda homogena legeríng erhållen genom isotermísk stclning av den inre delen är möjlig i de flesta fall under förutsättning att samma materialseríer används för metallpulvret 3 och den smälta metal- len 4.It should be noted that the use of the cores 7, the shape of the metal parts 1 and 2 and the materials of the metal parts 1, 2 the metal powder 3 and the molten metal 4 are determined by the shape and function of the composite metal body to be produced and are not limited to the above examples. For example, if a titanium alloy is used for the metal part 1, a powder of aluminum alloy for the metal powder 3 and a metal with a lower melting point than the above-mentioned part 1 and metal powder 3 is used for the molten metal 4, may obtain; a composite metal body with an outer casing of titanium alloy and with an inner part of aluminum alloy. If stainless steel is used for the metal part 1, iron powder for the metal powder 3 and cast iron is used for the molten metal 4, a composite metal body with an outer casing of stainless steel and with an inner part of low-alloy steel can also be obtained. If in this case the unit is poured heated under such a condition that the molten cast iron has penetrated into the iron powder, so that isothermal solidification proceeds, caused by a lowering of the carbon content of the cast iron and also by mutual diffusion of the components of the two elements, so that the composite body $ inner part will form a homogeneous low-barrel steel. The above-mentioned homogeneous alloy obtained by isothermal adjustment of the inner part is possible in most cases provided that the same series of materials are used for the metal powder 3 and the molten metal 4.

Claims

Method for producing a composite metal body with internal cavities, such as cooling channels, by connecting two parts of mutually identical or different metal materials, characterized in that the parts are arranged so a closed cavity is formed between them, one part (1) being formed with a plurality of flanges directed towards the other part (2) between which grooves (1a) are delimited, which are filled with fillers (8), that a metal powder (3) is filled in the cavity between the parts (1, 2), that during heat treatment the metal powder (3) is impregnated with a molten metal (4) of lower melting point than the metal parts, the filler and the metal powder to form a metal parts connecting homogeneously alloy layer, and that the filler (8) is subsequently removed from the grooves (1a).