WO2003092946A1 - Verfahren zum herstellen gelöteter wärmetauscherstrukturen, insbesondere regenerativ gekühlter brennkammern - Google Patents

Verfahren zum herstellen gelöteter wärmetauscherstrukturen, insbesondere regenerativ gekühlter brennkammern Download PDF

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WO2003092946A1
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Eads Deutschland Gmbh
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    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K1/00—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto
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    • F02K1/822—Heat insulating structures or liners, cooling arrangements, e.g. post combustion liners; Infrared radiation suppressors
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • B23K2101/04—Tubular or hollow articles
    • B23K2101/14—Heat exchangers

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing brazed heat exchanger structures, in particular regeneratively cooled combustion chambers.
  • combustion chamber structures are used in rocket engines, which essentially comprise an inner body and an associated support structure.
  • the inner body is usually referred to as a liner and is provided with cooling channels so that the hot gas side of the arrangement can be cooled sufficiently.
  • Such a combustion chamber structure provided with cooling channels is known for example from DE 35 35 779 A1 and from DE 199 01 422 A1.
  • the galvanoforming process (e.g. DE 24 06 976 A1) has been used for many years to close the cooling channels of such combustion chamber structures and to produce a support structure for absorbing the operating loads.
  • a high-strength, heat-conductive copper alloy is used as the liner material.
  • the liner material is provided with milled recesses.
  • the milled recesses are then filled with a suitable filler material (e.g. wax) and the carrier material (e.g. nickel) is electroplated onto the overall structure. The filling material is then removed.
  • combustion chamber structures using the electroforming process requires very long production times and a large number of individual process steps. It is also disadvantageous that tailoring and Adjusting the combustion chamber structure with regard to higher outputs and loads in a weight-optimized manner is not possible.
  • a liner material provided with corresponding recesses is brought into connection with a carrier material consisting, for example, of NARloy-Z and heated in a pressure furnace
  • a carrier material consisting, for example, of NARloy-Z
  • the cooling channels formed in the form of recesses in the liner material are evacuated and the structure is soldered using a HIP (Hot Isostatic Press) process. Due to the negative pressure in the cooling channels and the external pressure, the connection points of the liner and carrier material become during of soldering pressed together.
  • the disadvantage is the very large outlay for generating the necessary contact pressure, by providing an excess pressure in a heat treatment furnace and simultaneously generating a negative pressure in the cooling channels, in order to produce a successful soldered connection or diffusion welding.
  • the present invention is based on the object of creating a simplified and cost-effective method for producing soldered heat exchanger structures, which enables the combustion chamber to be designed and configured with greater load capacity and with greater flexibility with regard to material selection.
  • the object is achieved by a method which is characterized according to the invention in that a carrier structure is applied to a tightly lockable inner body and the arrangement is heated to the soldering temperature, the inner body expanding and conforming to the applied carrier structure, so that during the soldering of Carrier structure and inner body there is an even contact pressure.
  • the expansion of the inner body takes place due to the residual gas located in the tightly lockable inner body, the pressure inside the inner body being significantly greater than the pressure outside the inner body during the soldering process.
  • This method advantageously requires short lead times and can be carried out without using a HIP furnace. Furthermore, short production times are achieved with simple process technology.
  • the method according to the invention is characterized by good predictability and high reproducibility, and renovation to any size is possible.
  • the overpressure building up in the tightly lockable inner body can be adjusted via temperature change and a control of valves. This ensures easy handling of the process.
  • the inner body With regard to the production of combustion chamber structures for regeneratively cooled engines, it is particularly expedient for the inner body to have cutouts, so that cooling channels are formed by soldering the support structure and inner body. It is advantageous here that the method can be used regardless of the dimensions and dimensioning of components. It is particularly expedient for a soldering material to be applied at connection points between the support structure and the inner body. The materials or material combinations can be selected accordingly with regard to strength and / or thermal conductivity properties, which enables tailoring.
  • the side of the inner body pointing in the direction of the support structure can be coated using the abovementioned methods (for example with gold).
  • soldering material is applied by means of cold gas spraying, regardless of whether the inside of the carrier structure or the side of the inner body pointing in the direction of the carrier structure has been coated beforehand. This enables a particularly effective method of application, wherein masks can be used as a support.
  • a coolant is introduced into the interior of the inner body via corresponding valves, and that the seal of the inner body is removed, which is only required to generate the excess pressure.
  • Figure 1 is a sectional view in the longitudinal direction of a tightly sealed inner body.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a heat exchanger structure consisting of a support structure and an inner body;
  • FIG. 3 shows an enlarged illustration of FIG. 2
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment to FIG. 3
  • Fig. 5 shows an exemplary temperature-time diagram for the
  • the inner body 1 shows a schematic view of a sectional view in the longitudinal direction of a rotationally symmetrical inner body 1 of a heat exchanger structure.
  • the inner body 1 is provided with cutouts, in particular for the production of regeneratively cooled combustion chambers, which are designated by reference number 1a in the following FIGS. 2 to 4.
  • the inner body 1 is usually referred to as a combustion chamber liner and consists, for example, of Cu, CuAgsZr, Ni or 1.4546.
  • Fe, Al or Ag can be used as liner material, as well as compounds based on the substances mentioned.
  • the liner consists of refractory metals or highly thermally conductive ceramic materials, such as aluminum nitride, including ODS materials.
  • the inner body 1 is closed on both sides (ie above and below) by means of covers 3 and 4, respectively.
  • the covers 3, 4 are welded to the inner body 1 under protective gas in order to seal the inner space 2 of the inner body 1.
  • Structural reinforcement is required in order to be able to absorb high operating loads.
  • a support structure for example in the form of half shells (not shown), is placed around the inner body 1 from the outside.
  • the carrier structure consists of metallic or ceramic material, the heat resistance of which is higher than that of the brick liner.
  • steels, Ni-based, Co-based, refractory materials or connecting materials based on metals or ceramics or pure ceramics are suitable as materials for the carrier structure.
  • the carrier structure preferably consists of Inconel 718 and is designated by reference number 8 in the following FIGS. 2 to 4, which show partial cross-sectional views of the arrangement according to FIG. 1.
  • An arrangement of support structure 8 and inner body 1 thus arises, cooling channels 9 extending in the longitudinal direction being formed due to the cutouts 1a, which cooling channels for fuels such as LH 2 , CH 4 or MMH (monomethylhydrazine).
  • the hot gas side of the arrangement ie the side of the combustion chamber liner 1 pointing towards the interior 2, is cooled by the cooling circuit.
  • the carrier structure 8 and the inner body 1 are connected to one another by soldering, which requires a high contact pressure. According to the invention, this is brought about by first sealing the inner body 1, as described above. Valves 5, 6 are integrated in the covers 3, 4 and a pressure meter 7 (e.g. a manometer) is provided to monitor the pressure developing in the interior 2 of the combustion chamber structure. As mentioned above, the support structure 8 is placed around the inner body 1 from the outside and fixed by means of screwing or pinning.
  • the pressure outside the combustion chamber structure which is referred to below as the external pressure P a
  • the internal pressure Pj is equal to the pressure in the interior 2, which is referred to below as the internal pressure Pj.
  • the temperature of the arrangement of carrier structure 8 and inner body 1 is increased, which is usually done by heating in an oven.
  • the arrangement heats up approximately uniformly, so that the outside temperature T a and the inside temperature T are almost the same.
  • the temperature increase also causes the residual gas located in the interior 2 to expand and generate an excess pressure. This means that a pressure builds up inside the combustion chamber structure that is significantly greater than the pressure outside the arrangement (ie Pj »P a ).
  • the overpressure also has the effect that, depending on the thickness of the inner body 1, which is also referred to below as the wall thickness d (FIG. 2), a membrane tension ⁇ is formed, as a result of which the combustion chamber liner 1 expands like a balloon.
  • T is the temperature in Kelvin.
  • the inner body is approximated as a tubular cylinder body, with the assumption that the wall thickness d of the body is significantly smaller than its diameter or radius r.
  • Pj indicates the pressure inside the tubular body.
  • the inner body 1 Before reaching the actual soldering temperature, which is approximately 850-1000 ° C. depending on the alloy or material composition used, the inner body 1 has nestled completely against the contour of the carrier structure 8. If the temperature rises further, the soldering takes place while maintaining the contact pressure.
  • the overpressure that develops is regulated down by the manometer valves 5, 6, which are preferably arranged outside the furnace, if necessary. This means that the excess pressure building up inside the combustion chamber structure is monitored during the soldering process and, if necessary, adapted in such a way that the inner body 1 presses against the carrier structure 8 with constant pressure.
  • the process control also depends on the high temperature strength behavior of the liner material. Depending on the material used, the necessary pressure is set in the closed or welded-in inner body 1, so that it is ensured that it nestles (or creeps) onto the carrier structure 8. Of course, this presupposes that the carrier structure material is more heat-resistant than the liner material.
  • a soldering material 10 is preferably used for soldering the carrier structure 8 and the inner body 1.
  • the soldering material typically a solder alloy (for example VH900, CuAgNi), is applied to corresponding connection points of the support structure 8 and inner body 1 (FIG. 3).
  • the soldering material or solder alloy is selected depending on the process temperature and applied locally. The application can take place both on the carrier structure 8 and on the inner body 1.
  • Masks can be used to if necessary, to produce uncoated surfaces.
  • metal spraying processes can also be used, e.g. plasma spraying (VPS, APS), cold gas spraying (e.g. compacting kinetic cold gas), HVOF (high velocity oxygen fuel) - or detonation spraying.
  • the layer structure outlined in FIG. 4 can be used, in particular if there is a risk that the surfaces of the carrier structure or inner body will not be wetted by the soldering material or certain diffusion processes or eutectic reactions will not be able to take place due to a too low soldering temperature.
  • the inside of the carrier structure 8 is coated either electrochemically or by means of a PVD process.
  • the CVD method or plasma-assisted method can also be used.
  • the coating is made, for example, of foil, powder or paste-like materials. Solder foils, solder pastes or solder powders applied by means of screen printing can also be used.
  • Ni can be used as coating 11 for a support structure made of inconel 718.
  • this coating 12 is, for example, a 5-10 ⁇ m gold layer.
  • the coating with Au and Ni is sufficient to enable a eutectic reaction (Ni18, Au 82 ) to create an Au-Ni solder which melts at 950 ° C.
  • cooling gas is introduced into the interior 2 via the valves 5, 6 and corresponding supply or discharge pipes in order to bring about rapid cooling.
  • the pressure measurement prevents Pressure control that excessive pressure inside the combustion chamber structure presses in the liner material in the area of the cooling channels or that thermally induced voltages break the solder connections.
  • the lids 3, 4 are removed, for example by parting.
  • a combustion chamber structure with the following parameters is shown as an example:
  • Combustion chamber lining material CuAgaZr
  • Diameter of the combustion chamber structure 100 mm
  • VH 900 (Cu-Ag-Ni) serves as the solder alloy and is sprayed onto the inside of the carrier structure using cold gas spraying with a thickness of approx. 40 ⁇ m.
  • FIG. 5 shows the soldering temperature cycle for a combustion chamber structure with these parameters.
  • the structure is continuously heated from room temperature to approx. 750 ° C. This temperature is held for about 60 minutes. In this way, uniform heating of the entire component is achieved. As a result of the heating, the combustion chamber 1 expands and presses against the carrier structure 8. In principle, this temperature is always below the solidus temperature of the solder material system used.
  • the VH900 solder begins to melt at approx. 780 ° C (solidus temperature). The solder is only completely liquid (liquidus temperature) at well above 800 ° C.
  • the temperature is increased to 930 ° C soldering temperature, with a holding time of approx. 10 minutes. After completing the soldering process, cooling takes place by introducing Ar gas.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen, insbesondere von regenerativ gekühlten Brenn­kammern. Dabei wird eine Trägerstruktur (8) auf einen dicht abschliessbaren Innenkörper (1) aufgebracht und die Anordnung wird auf Löttemperatur aufgeheizt, wobei sich der Innenkörper (1) ausdehnt und sich an die aufgebrachte Trägerstruktur (8) anschmiegt, so dass während des Verlötens von Trägerstruktur (8) und Innenkörper (1) ein gleichmässiger Anpressdruck herrscht.

Description

Verfahren zum Herstellen gelöteter Wärmetauscherstrukturen, insbesondere regenerativ gekühlter Brennkammern
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen, insbesondere von regenerativ gekühlten Brennkammern.
In Raketentriebwerken finden bekanntlich Brennkammerstrukturen Einsatz, die im Wesentlichen einen Innenkörper sowie eine damit verbundene Trägerstruktur umfassen. Der Innenkörper wird üblicherweise als Liner bezeichnet und ist mit Kühlkanälen versehen, damit die Heißgasseite der Anordnung ausreichend gekühlt werden kann. Eine derartige mit Kühlkanälen versehene Brennkammerstruktur ist beispielsweise aus DE 35 35 779 A1 sowie aus DE 199 01 422 A1 bekannt.
Seit vielen Jahren wird das Galvanoforming-Verfahren (z.B. DE 24 06 976 A1 ) eingesetzt, um die Kühlkanäle derartiger Brennkammerstrukturen zu verschließen und eine Trägerstruktur zur Aufnahme der Betriebslasten zu erzeugen. Bei diesem Verfahren wird beispielsweise eine hochfeste, wärmeleitfähige Kupferlegierung als Linermaterial verwendet. Das Linermaterial wird mit ausgefrästen Aussparungen versehen. Danach werden die ausgefrästen Aussparungen mit einem geeigneten Füllmaterial (z.B. Wachs) aufgefüllt, und das Trägermaterial (z.B. Nickel) wird auf die Gesamtstruktur aufgalvanisiert. Anschließend wird das Füllmaterial entfernt.
Die Herstellung von Brennkammerstrukturen nach dem Galvanoforming-Verfahren benötigt jedoch sehr lange Fertigungszeiten sowie eine Vielzahl einzelner Prozessschritte. Zudem ist es von Nachteil, dass ein Maßschneidern und Anpassen der Brennkammerstruktur hinsichtlich höherer Leistungen und Belastungen gewichtsoptimiert nicht möglich ist.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer mit Kühlkanälen versehenen Brennkammerstruktur ist beispielsweise in dem Artikel „Development of a Lightweight Thrust Chamber Assembly Utilitzing In-Situ Reinforced Silicon Nitride" von J. Elvander, B. Wherley und S. Claflin, 35. AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 20. - 24. Juni 1999, L.A., Kalifornien, beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein mit entsprechenden Aussparungen versehenes Linermaterial mit einem beispielsweise aus NARloy-Z bestehenden Trägermaterial in Verbindung gebracht und in einem Druckofen erwärmt. Gleichzeitig werden die in Form von Aussparungen im Linermaterial gebildeten Kühlkanäle evakuiert und die Struktur wird unter Verwendung eines HIP(Hot Isostatic Press)-Verfahrens verlötet. Aufgrund des Unterdrucks in den Kühlkanälen und dem von außen einwirkenden Druck werden die Verbindungsstellen von Liner und Trägermaterial während des Verlötens aneinander gepresst.
Nachteilig ist jedoch der sehr große Aufwand zur Erzeugung des notwendigen Anpressdruckes, durch Bereitstellen eines Überdruckes in einem Wärmebehandlungsofen und gleichzeitigem Erzeugen eines Unterdruckes in den Kühlkanälen, um eine erfolgreiche Lötverbindung bzw. Diffusionsverschweißung zu erzeugen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt somit der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes sowie kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von gelöteten Wärmetauscherstrukturen zu schaffen, das eine belastungsgerechte Auslegung und Konfiguration der Brennkammer mit höherer Flexibilität hinsichtlich Werkstoffauswahl ermöglicht. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass eine Trägerstruktur auf einen dicht abschließbaren Innenkörper aufgebracht und die Anordnung auf Löttemperatur aufgeheizt wird, wobei sich der Innenkörper ausdehnt und sich an die aufgebrachte Trägerstruktur anschmiegt, so dass während des Verlötens von Trägerstruktur und Innenkörper ein gleichmäßiger Anpressdruck herrscht. Die Ausdehnung des Innenkörpers erfolgt dabei aufgrund des sich im dicht abschließbaren Innenkörper befindenden Restgases, wobei während des Lötvorganges der Druck innerhalb des Innenkörpers wesentlich größer als der Druck außerhalb des Innenkörpers ist.
Dieses Verfahren benötigt vorteilhafterweise geringe Vorlaufzeiten und kann ohne Nutzung eines HIP-Ofens ausgeführt werden. Ferner werden kurze Fertigungszeiten bei einfacher Prozesstechnik erzielt. Daneben zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch eine gute Planbarkeit sowie eine hohe Reproduzierbarkeit aus, wobei eine Sanierung auf beliebige Baugrößen möglich ist.
Des Weiteren ist es zweckmäßig, dass der sich im dicht abschließbaren Innenkörper aufbauende Überdruck über Temperaturänderung sowie eine Steuerung von Ventilen einstellbar ist. Dies gewährleistet eine einfache Handhabung des Verfahrens.
Im Hinblick auf die Herstellung von Brennkammerstrukturen für regenerativ gekühlte Triebwerke ist es insbesondere zweckmäßig, dass der Innenkörper Aussparungen aufweist, so dass durch Verlöteten von Trägerstruktur und Innenkörper Kühlkanäle gebildet werden. Dabei ist es von Vorteil, dass das Verfahren unabgängig von Abmessungen und Dimensionierung von Bauteilen einsetztbar ist. Es ist insbesondere zweckmäßig, dass ein Lötwerkstoff an Verbindungsstellen von Trägerstruktur und Innenkörper aufgebracht wird. Dabei können die Werkstoffe bzw. Werkstoff kombinationen im Hinblick auf Festigkeits- und/oder Wärmeleitfähigkeitseigenschaften entsprechend ausgewählt werden, was ein Maßschneidern ermöglicht.
Ferner ist es zweckmäßig, die Innenseite der Trägerstruktur elektrochemisch, mittels PVD-, CVD-, anderen Metallspritzverfahren oder Plasmaspritzverfahren zu beschichten (z.B. mit Ni). Auch dies gewährleistet einen hohen Grad an Flexibilität für die Herstellung derartiger Strukturen.
Ferner kann zusätzlich oder alternativ die in Richtung Trägerstruktur weisende Seite des Innenkörpers mit Hilfe der oben genannten Verfahren beschichtet werden (z.B. mit Gold).
Es ist ferner zweckmäßig, dass der Lötwerkstoff, unabhängig davon, ob die Innenseite der Trägerstruktur bzw. die in Richtung Trägerstruktur weisende Seite des Innenkörpers zuvor beschichtet wurde oder nicht, mittels Kaltgasspritzens aufgebracht wird. Dies ermöglicht eine besonders effektive Art der Aufbringung, wobei unterstützend Masken verwendet werden können.
Ferner ist es zweckmäßig, dass nach dem Lötvorgang ein Kühlmittel über entsprechende Ventile ins Innere des Innenkörpers eingeführt wird, und dass die Abdichtung des Innenkörpers entfernt wird, die lediglich zur Erzeugung des Überdruckes erforderlich ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Abbildungen in näheren Einzelheiten beschrieben, in denen zeigt: Fig. 1 eine Schnittansicht in Längsrichtung eines dicht abgeschlossenen Innenkörpers;
Fig. 2 eine Teilquerschnittsansicht einer Wärmetauscherstruktur bestehend aus Trägerstruktur und Innenkörper;
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung von Figur 2;
Fig. 4 eine zu Fig. 3 alternative Ausführungsform; und
Fig. 5 ein exemplarisches Temperatur-Zeit-Diagramm für den
Temperaturverlauf während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht eine Schnittansicht in Längsrichtung eines rotationssymmetrischen Innenkörpers 1 einer Wärmetauscherstruktur. Der Innenkörper 1 ist insbesondere zur Herstellung von regenerativ gekühlten Brennkammern mit Ausschnitten versehen, die in den nachstehenden Figuren 2 bis 4 mit Bezugsziffer 1a bezeichnet sind. Der Innenkörper 1 wird üblicherweise als Brennkammerliner bezeichnet und besteht z.B. aus Cu, CuAgsZr, Ni oder 1.4546. Daneben können Fe, AI oder Ag als Linermaterial verwendet werden, sowie auf den genannten Stoffen basierende Verbindungen. Alternativ besteht der Liner aus Refraktär-Metallen oder hochwärmeleitenden keramischen Werkstoffen, wie z.B. Aluminiumnitrid, einschließlich ODS-Werkstoffe. Der Fig. 1 ist ferner zu entnehmen, dass der Innenkörper 1 beidseitig (d.h. oben und unten) mittels Deckel 3 bzw. 4 abgeschlossen ist. Die Deckel 3, 4 werden hierzu mit dem Innenkörper 1 unter Schutzgas verschweißt, um den Innenraum 2 des Innenkörpers 1 abzudichten. Um hohe Betriebslasten aufnehmen zu können, ist eine Strukturverstärkung erforderlich. Zu diesem Zweck wird eine Trägerstruktur beispielsweise in Form von Halbschalen (nicht dargestellt) von außen um den Innenkörper 1 gelegt. Die Trägerstruktur besteht aus metallischem oder keramischen Material, dessen Warmfestigkeit höher als die des Brenkammerliners ist. Als Werkstoff für die Trägerstruktur kommen z.B. Stähle, Ni-Basis-, Co-Basis-, refraktäre Werkstoffe oder Verbindungswerkstoffe auf metallischer oder keramischer Basis bzw. reine Keramiken in Frage. Bevorzugt besteht die Trägerstruktur aus Inconel 718 und ist in den nachfolgenden Figuren 2 bis 4, die Teilquerschnittsansichten der Anordnung gemäß Fig. 1 zeigen, mit Bezugsziffer 8 bezeichnet. Somit entsteht eine Anordnung aus Trägerstruktur 8 und Innenkörper 1 , wobei sich aufgrund der Aussparungen 1a in Längsrichtung verlaufende Kühlkanäle 9 ausbilden, die einen Kühlkreislauf für Treibstoffe wie beispielsweise LH2, CH4oder MMH (Monomethylhydrazin) bilden. Durch den Kühlkreislauf wird die Heißgassseite der Anordnung, d.h. die in Richtung Innenraum 2 weisende Seite des Brennkammerliners 1 , gekühlt.
Die Trägerstruktur 8 und der Innenkörper 1 werden durch Löten miteinander verbunden, was einen hohen Anpressdruck erfordert. Erfindungsgemäß wird dies dadurch bewirkt, dass zunächst der Innenkörper 1 , wie voranstehend beschrieben, abgedichtet wird. Dabei sind in die Deckel 3, 4 Ventile 5, 6 integriert und ein Druckmesser 7 (z.B ein Manometer) ist vorgesehen, um den sich im Innenraum 2 der Brennkammerstruktur ausbildenden Druck zu überwachen. Die Trägerstruktur 8 ist, wie oben erwähnt, von außen um den Innenkörper 1 gelegt und mittels Verschrauben oder Verstiften fixiert.
Vor dem Lötvorgang ist der Druck außerhalb der Brennkammerstruktur, der im folgenden als Außendruck Pa bezeichnet wird, gleich dem Druck im Innenraum 2, der im folgenden als Innendruck Pj bezeichnet wird. Dabei entspricht die Außentemperatur Ta der Temperatur Tj im Inneren der Brennkammerstruktur. Gegebenenfalls kann der Innendruck Pj auch erhöht werden.
Für den Lötvorgang wird die Temperatur der Anordnung aus Trägerstruktur 8 und Innenkörper 1 erhöht, was üblicherweise durch Erwärmung in einem Ofen erfolgt. Die Anordnung erwärmt sich annähernd gleichmäßig, so dass Außentemperatur Ta und Innentemperatur T nahezu gleich sind. Die Temperaturerhöhung bewirkt ferner, dass sich das im Innenraum 2 befindende Restgas ausdehnt und einen Überdruck erzeugt. Dies bedeutet, dass sich im Inneren der Brennkammerstruktur ein Druck ausbildet, der wesentlich größer als der Druck außerhalb der Anordnung ist (d.h. Pj»Pa). Der Überdruck bewirkt ferner, dass sich in Abhängigkeit der Dicke des Innenkörpers 1 , die im folgenden auch als Wandstärke d bezeichnet wird (Fig. 2), eine Membranspannung σ ausbildet, wodurch sich der Brenn- kammerliner 1 wie ein Luftballon ausdehnt.
Der sich im Innenraum 2 ausbildende Überdruck berechnet sich unter der Annahme identischer Volumina (V1=V2) aus
Figure imgf000008_0001
wobei T die Temperatur in Kelvin ist.
Entsprechend ergibt sich die aufgrund des Überdruckes entstehende Membranspannung σ aus
-r σ = 25 Dabei ist der Innenkörper als rohrförmiger Zylinderkörper angenähert, mit der Annahme, dass die Wandstärke d des Körpers wesentlich kleiner als dessen Durchmesser bzw. Radius r ist. Pj gibt den Druck im Inneren des rohrförmigen Körpers an.
Vor Erreichung der eigentlichen Löttemperatur, die je nach verwendeter Legierung bzw. Werkstoffzusammensetzung ca. 850 - 1000°C beträgt, hat der Innenkörper 1 sich vollständig an die Kontur der Trägerstruktur 8 angeschmiegt. Bei weiterer Temperaturerhöhung erfolgt die Lötung unter Beibehaltung des Anpressdruckes. Der sich weiter bildende Überdruck wird durch die Manometerventile 5, 6, die vorzugsweise außerhalb des Ofens angeordnet sind, wenn nötig heruntergeregelt. Dass heisst, der sich im Inneren der Brennkammerstruktur aufbauende Überdruck wird während des Lötvorganges überwacht und gegebenenfalls derart angepasst, dass der Innenkörper 1 mit konstantem Druck gegen die Trägerstruktur 8 drückt.
Die Prozessführung hängt ferner vom Hochtemperatur-Festigkeitsverhaltens des Linerwerkstoffes ab. In Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff wird der notwendige Druck in dem abgeschlossenen bzw. zugeschweißten Innenkörper 1 eingestellt, damit gewährleistet ist, dass sich dieser an die Trägerstruktur 8 anschmiegt (bzw. kriecht). Dies setzt selbstverständlich voraus, dass der Trägerstrukturwerkstoff wärmefester als der Linerwerkstoff ist.
Ferner wird zur Verlötung von Trägerstruktur 8 und Innenkörper 1 bevorzugt ein Lötwerkstoff 10 verwendet. Der Lötwerkstoff, typischerweise eine Lotlegierung (z.B. VH900, CuAgNi), wird an entsprechenden Verbindungsstellen von Trägerstruktur 8 und Innenkörper 1 aufgebracht (Fig. 3). Der Lötwerkstoff bzw. die Lotlegierung wird abhängig von der Prozesstemperatur ausgewählt und lokal appliziert. Die Applikation kann sowohl auf der Trägerstruktur 8 als auch auf dem Innenkörper 1 erfolgen. Dabei können Masken verwendet werden, um gegebenenfalls un beschichtete Flächen zu erzeugen. Neben einer rein mechanischen Applikation sind auch Metallspritzverfahren einsetzbar, z.B. Plasmaspritzen (VPS, APS), Kaltgasspritzen (z.B. kinetisches Kaltgas kompaktieren), HVOF (high velocity oxygen fuel)- oder Detonationsspritzten.
Alternativ oder zusätzlich kann der in Fig. 4 skizzierte Schichtaufbau verwendet werden, insbesondere wenn Gefahr besteht, dass die Oberflächen von Trägerstruktur bzw. Innenkörper vom Lötwerkstoff nicht benetzt werden oder durch eine zu niedrige Löttemperatur bestimmte Diffusionsvorgänge oder eutektische Reaktionen nicht ablaufen können. Wie in Fig. 4 dargestellt, wird die Innenseite der Trägerstruktur 8 entweder elektrochemisch oder mittels PVD- Verfahren beschichtet. Ebenso kann dass CVD-Verfahren oder plasmaunterstützte Verfahren verwendet werden. Die Beschichtung erfolgt beispielsweise aus folien-, pulver- oder pastenförmigen Werkstoffen. Ebenso können Lötfolien, Lötpasten oder mittels Siebdruckvervahren aufgebrachte Lötpulver verwendet werden. Als Beschichtung 11 für eine Trägerstrktur aus inconel 718 kann beispielsweise Ni verwendet werden. Ebenso wird die in Richtung Trägerstruktur weisende Seite des Innenkörpers 1 entsprechend beschichtet. Bei einem Innenkörper 1 aus CuAgaZr ist diese Beschichtung 12 beispielsweise eine 5 - 10 μm Goldschicht. Dies bewirkt, neben ihrer Benetzung fördernder Oberflächenkonditionierung, bei einer Löttemperatur oberhalb von 950 °C, in Abhängigkeit der Metallurgie der zuverbindenden Werkstoffe (Trägerkörper und Innenkörper), dass die Beschichtung mit Au und Ni ausreicht, um über eine eutektische Reaktion (Ni18, Au 82) ein Au-Ni-Lot entstehen zu lassen, welches bei 950 °C schmilzt.
Nach dem Lötvorgang (d.h. nach Prozessende) wird über die Ventile 5, 6 und entsprechende Zufuhr- bzw. Ablassrohre Kühlgas in den Innenraum 2 eingeleitet, um eine Schnellabkühlung zu bewirken. Dabei verhindert die Druckmessung und Drucksteuerung, dass übermäßiger Druck im Inneren der Brennkammerstruktur das Linermaterial im Bereich der Kühlkanäle eindrückt oder thermisch induzierte Spannungen die Lotverbindungen aufbrechen lassen. Abschließend werden die Deckel 3, 4 beispielsweise durch Abstechen entfernt.
Als Beispiel ist eine Brennkammerstruktur mit folgenden Parametern aufgeführt:
Werkstoff des Brennkammer-Iiners: CuAgaZr
Werkstoff der Trägerstruktur: Inconel 718
Durchmesser der Brennkammerstruktur: 100 mm
Wandstärke des Liners im Kühlkanalbereich: 0.8 mm
Beschichtung des Brennkammerliners: 5 μm Au
Beschichtung der Trägerstruktur: 10 μm Ni
Als Lotlegierung dient VH 900 (Cu-Ag-Ni) und ist auf die Trägerstrukturinnenseite mittels Kaltgasspritzen mit einer Dicke von ca. 40 μm gespritzt.
In Fig. 5 ist der Löttemperaturzyklus für eine Brennkammerstruktur mit diesen Parametern dargestellt. Zunächst wird die Struktur von Raumtemperatur kontinuierlich auf ca. 750 °C erwärmt. Diese Temperatur wird für ca. 60 Minuten gehalten. So wird eine geleichmäßige Durchwärmung des gesamten Bauteils erreicht. Durch die Erwärmung dehnt sich der Brennkammeriiner 1 aus und drückt gegen die Trägerstruktur 8. Prinzipiell liegt diese Temperatur immer unterhalb der Solidustemperatur des verwendeten Lotwerkstoffsystems. Im vorliegenden Fall beginnt das VH900-Lot bei ca. 780 °C zu schmelzen (Solidustemperatur). Erst bei deutlich über 800 °C ist das Lot komplett flüssig (Liquidustemperatur). In einem weiteren Schritt wird die Temperatur auf 930 °C Löttemperatur erhöht, mit einer Haltezeit von ca. 10 Minuten. Nach Abschluß des Lötvorganges erfolgt eine Abkühlung durch Einleiten von Ar-Gas.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen, insbesondere von regenerativ gekühlten Brennkammern, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerstruktur (8) auf einen dicht abschließbaren Innenkörper (1 ) aufgebracht und die Anordnung auf Löttemperatur aufgeheizt wird, wobei sich der Innenkörper (1) ausdehnt und sich an die Trägerstruktur (8) anschmiegt, so dass während des Verlötens von Trägerstruktur (8) und Innenkörper (1) ein gleichmäßiger Anpressdruck herrscht.
2. Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innenkörper (1) aufgrund des sich innerhalb des dicht abschließbaren Innenkörper (1) befindenden Restgases ausdehnt.
3. Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Lötvorganges der Druck (Pj) im Inneren des Innenkörpers (1 ) wesentlich größer als der Druck (Pa) außerhalb des Innenkörpers (1) ist.
4. Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der sich im dicht abschließbaren Innenkörper (1 ) aufbauende Überdruck über Temperaturänderung und Steuerung von Ventilen (5, 6) eingestellt wird.
5. Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkörper (1) Aussparungen (1a) aufweist, so dass durch Verlöten von Trägerstruktur (8) und Innenkörper (1) Kühlkanäle (9) gebildet werden.
6. Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Lötwerkstoff (10) an Verbindungsstellen von Trägerstruktur (8) und Innenkörper (1 ) aufgebracht wird.
7. Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötwerkstoff (10) mittels Metallspritzverfahren, Plasmaspritzen oder dergleichen aufgebracht wird.
8. Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der Trägerstruktur (8) elektrochemisch, mittels PVD-, CVD- oder anderen plasmagestüzten Verfahren beschichtet wird.
9. Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung Trägerstruktur (8) weisende Seite des Innenkörpers (1) elektrochemisch, mittels PVD-, CVD- oder anderen plasmagestützten Verfahren beschichtet wird.
10. Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstrukturen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Lötvorgang ein Kühlmittel über Ventile (3, 4) ins Innere des Innenkörpers (1) eingeführt wird.
1.Verfahren zum Herstellen von gelöteten Wärmetauscherstruktur der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, d Abdichtung (4, 5) des Innenkörpers (1 ) nach dem Lötvorgang er
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