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    Eine aktive Kühltafel (10) umfasst ein erstes Teil (20) und ein zweites Teil (30) aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff, die jedes eine Innenseite und eine Außenseite einander gegenüberliegend besitzen, wobei die Teile miteinander durch Verbinden ihrer Innenseiten (21, 31) untereinander zusammengefügt und Kanäle (24) durch Reliefs ausgebildet werden, die in der Innenseite mindestens eines der ersten und zweiten Teile angelegt werden. Die Tafel umfasst ferner eine Abdichtungsschicht (38), die mit mindestens einem der ersten und zweiten Teile verbunden ist und sich von den zusammengefügten Innenseiten dieser beabstandet befindet. DOLLAR A Die Erfindung kann auf die Herstellung von Wärmeaustauscherwänden angewandt werden, wie zum Beispiel die Wände von Verbrennungskammern von Luftfahrtmotoren oder Expansionsdüsen von Rakententriebwerken oder Plasmaeinschlusskammern in Kernfusionsreaktoren.
    公开号:DE102004004424A1
    申请号:DE102004004424
    申请日:2004-01-28
    公开日:2005-01-20
    发明作者:Clément Bouquet；Jean Michel Larrieu；Jacques Thebault；Gilles Uhrig
    申请人:SNECMA Propulsion Solide；
    IPC主号:F01D5-28
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft eine aktive Kühltafel aus Thermostruktur-Kompositwerkstoffund ein Verfahren zur Herstellung selbiger.
    [0002] Unter "aktiver Kühltafel" wird hier eine Tafel verstanden,die von einem Kühlmitteldurchlaufen wird, das die Wärme,die von der Tafel aufgenommen wird, wenn sie großer Hitze oder hohen Wärmeströmungen ausgesetztwird, zumindest partiell ableiten kann.
    [0003] UnterThermostruktur-Kompositwerkstoff versteht man hier einen Kompositwerkstoff,der mechanische Eigenschaften hat, die ihn befähigen, Strukturelemente zubilden, und der die Fähigkeit aufweist,diese mechanischen Eigenschaften bei hoher Temperatur zu wahren.Die Thermostruktur-Kompositwerkstoffe sind üblicherweise Kompositwerkstoffedes Typs Kohlenstoff/Kohlenstoff (C/C), die eine Verstärkungsstrukturaus Kohlenstofffaser umfassen, die durch eine Kohlenstoffmatrixverdichtet wird. Die Kompositwerkstoffe mit Keramikmatrix (CMC)umfassen eine Verstärkungsstrukturaus feuerfesten Fasern (insbesondere Kohlenstoff- oder Keramikfasern),die durch eine Keramikmatrix verdichtet werden.
    [0004] DieErfindung findet insbesondere Anwendung für Verbrennungskammerwände vonLuftfahrtmotoren, die von einem Kühlmittel durchlaufen werden,das der in die Kammer eingespritzte Kraftstoff sein kann, oder für Wände vonExpansionsdüsen von Raketentriebwerken,die von Flüssigkeitgekühltwerden, die ein Ergol sein kann, das in die Verbrennungskammer vonRaketentriebwerken eingespritzt wird, oder auch für Plasmaeinschlusskammerwände in Kernfusionsreaktoren.Bei diesen Anwendungen funktioniert die Tafel zwischen ihrer hohenTemperaturen oder Wärmeströmungen ausgesetztenSeite und der Flüssigkeit,von der sie durchflossen wird, wie ein Wärmeaustauscher.
    [0005] DieVerwendung aktiver Kühltafelnaus Thermostruktur-Kompositwerkstoff für solche Wärmeaustauscherwände erlaubtes, den Betrieb der Systeme, die diese Wärmeaustauscher enthalten, aufhöhere Temperaturenzu erweitern und/oder die Dauerhaftigkeit dieser Systeme zu steigern.
    [0006] DieSteigerung der Betriebstemperatur kann eine Steigerung der Leistung,insbesondere der Leistung von Verbrennungskammern oder der Düsen von Luft-oder Raumfahrtmotoren, und sowie eine Reduzierung der verunreinigendenEmissionen bei Luftfahrtmotoren erlauben.
    [0007] DieHerstellung eines Teils aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff umfasstim Allgemeinen die Erzeugung einer faserigen porigen Vorform miteiner Form, die der des herzustellenden Teils ähnelt, und die Verdichtungdieser Vorform.
    [0008] DieVerdichtung kann durch ein sog. "Flüssigverfahren" oder durch ein sog. "Gasverfahren" erfolgen. Die Verdichtungdurch Flüssigverfahrenbesteht im Imprägnierender Vorform mit einer Vorläuferflüssigkeitdes Werkstoffs der Matrix, wobei der Vorläufer im allgemeinen ein Harzist, und im Umformen des Vorläufers,gewöhnlichdurch Wärmebehandlung.
    [0009] DasGasverfahren (auch "chemischeInfiltration in Dampfphase" genannt)besteht darin, die Vorform in eine Einschließung zu geben und in diese Einschließung einereaktive Gasphase einzulassen, die sich unter bestimmten Druck-und Temperaturbedingungen innerhalb der Porosität der Vorform verteilt unddort eine feste Ablagerung durch Zerfall eines oder mehrerer Bestandteileder Gasphase oder Reaktion zwischen mehreren Bestandteilen bildet.
    [0010] BeideVerfahren, das Flüssigverfahrenund die chemische Infiltration in Dampfphase, sind bekannt und können vereintwerden, zum Beispiel durch Durchführen einer Vorverdichtung oderKonsolidierung der Vorform durch das Flüssigverfahren, gefolgt voneiner chemischen Infiltration in Dampfphase.
    [0011] Ungeachtetdes verwendeten Verdichtungsverfahrens weisen Thermostruktur-Kompositwerkstoffeeine Restporositätauf, so dass sie nicht allein zum Bilden von Kühltafeln mit inneren Durchgängen, durchdie eine Flüssigkeitfließt,verwendet werden können,denn die Wändesolcher Durchgängesind nicht dicht.
    [0012] Umdiese Schwierigkeit zu überwindenund eine aktive Kühlungdurch Flüssigkeitszirkulationmit Verwendung poriger feuerfester Werkstoffe kombinieren zu können, wurdenbereits mehrere Lösungen vorgeschlagen.
    [0013] EineLösungbesteht darin, eine Tafel herzustellen, die eine vordere Platteaus Graphit auf ihrer hohen Temperaturen exponierten Seite hat,und eine hintere Metallplatte herzustellen, insbesondere aus Stahl,in der Kühlmittelzirkulationskanäle ausgebildet werden.Die beiden Platten werden durch Hartlöten mit Einfügen vonMetallschichten zusammengefügt, dieeine Anpassung zwischen den unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten vonStahl und Graphit erlauben. Allerdings ist die Gegenwart von Massivmetallhinsichtlich des Gewichts der Kühltafelnachteilig. Außerdembeschränktdie Längedes Wärmeverlaufsdurch die Graphitplatte und die Metallplatte die Kühlkapazität auf derEbene der exponierten Oberfläche.
    [0014] Eineweitere Lösungbesteht darin, Durchgängeinnerhalb eines Thermostruktur-Kompositwerkstoffblocksauszubilden und die Wändedieser Durchgängedurch Hartlöteneines Metallfutters, zum Beispiel aus Kupfer, abzudichten.
    [0015] Eineweitere Lösungbesteht darin, zwei Platten aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff herzustellen, wobeieiner der Platten Kanäleaufweist, die in ihre Flächegearbeitet und dazu bestimmt sind, mit einer Seite der anderen Plattezusammengefügtzu werden, wobei das Zusammenfügendurch Hartlöten erfolgt.
    [0016] Diesebeiden letztgenannten Lösungensind zwar hinsichtlich des Gewichts und der Verringerung des Wärmeverlaufszufriedenstellend, es könnenjedoch durch Rissbildung des Metallfutters oder des Hartlots infolgewiederholter Expositionen mit sehr hohen Temperaturen und Überbeanspruchungen,die durch die Geometrie der Kanäleinduziert wird, Probleme auftreten.
    [0017] Gemäß einemihrer Aspekte hat die Erfindung die Aufgabe, eine aktive Kühltafelaus Thermostruktur-Kompositwerkstoff zu liefern, die eine effizienteund dauerhafte Abdichtung gegen ein Fluid aufweist, das in den innerenDurchgängender Tafel zirkuliert.
    [0018] DieseAufgabe wird von einer Tafel des Typs mit einem ersten und einemzweiten Teil aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff gelöst, diejeweils eine Innen- und eine Außenfläche umfassen,die einander gegenüberliegen,wobei die Teile miteinander durch Verbinden ihrer Innenseiten untereinanderzusammengefügtwerden und wobei Kanäledurch Reliefs ausgebildet werden, die in der Innenseite mindestens einesdes ersten und zweiten Teils angelegt werden, wobei die Tafel außerdem erfindungsgemäß eine Abdichtungsschichtumfasst, die mit mindestens einem des ersten und des zweiten Teilsverbunden ist und sich in Entfernung von den zusammengefügten Innenseitendieser Teile befindet.
    [0019] EineBesonderheit einer solche Tafel ist, dass die Dichtheit nicht ander Schnittstelle zwischen den Teilen, das heißt auf der Ebene der Wände der Zirkulationskanäle, hergestelltwird, sondern auf einer anderen, von dieser Schnittstelle entferntenEbene der Tafel.
    [0020] Daherwird die Unversehrtheit der Abdichtungsschicht und ihrer Verbindungmit dem Thermostruktur-Kompositwerkstoff nicht durch Überbeanspruchungenbeeinträchtigt,wie sie aufträten,wenn die Abdichtungsschicht sich an die Schnittstellenkanäle zwischenden Teilen schmiegen oder Reliefs erhalten würde. Außerdem ist es dadurch möglich, die Abdichtungsschichtin weitere Entfernung von derjenigen Seite der Tafel, die im Betriebhohen Temperaturen ausgesetzt ist, zu versetzten und so die thermomechanischenBelastungen zu verringern, welchen die Abdichtungsschicht ausgesetztist.
    [0021] Gemäß einerAusführungsformder Tafel befindet sich eine Abdichtungsschicht innerhalb mindestenseines des ersten und zweiten Teils, und sie trennt das Teil zwischenseiner Innenseite und seiner Außenseitein zwei Teile, wobei die beiden Teile miteinander durch die Abdichtungsschichtverbunden sind.
    [0022] Gemäß einerweiteren Ausführungsformbeschichtet eine Abdichtungsschicht mindestens eine der Außenflächen desersten und des zweiten Teils.
    [0023] Vorteilhafterweiseist die Abdichtungsschicht eine dünne metallische Schicht, zumBeispiel aus einem Metall wie Niobium, Nickel, Tantal, Molybdän, Wolframoder Rhenium.
    [0024] Wenndie Abdichtungsschicht innerhalb eines Teils gebildet wird, kannvorgesehen sein, dass die Abdichtungsschicht und das Teil auf derAußenseitedes Teils, das mit der Abdichtungsschicht versehen ist, von demUmkreis der Tafel vorstehen, um so insbesondere das Anbringen einerDichtung entlang des Umkreises der Tafel zu erleichtern.
    [0025] Vorzugsweisesind die Kanälein der Innenseite des Teils ausgebildet, dessen Außenseitedie Seite der Tafel darstellt, die dazu bestimmt ist, beim Betriebder Tafel hohen Temperaturen ausgesetzt zu sein.
    [0026] DieTafel kann mit Verstärkungsrippenversehen werden, die auf der Außenseitedes Teils hervorstehen, das sich auf der Seite befindet, die derjenigengegenüberliegt,die dazu bestimmt ist, bei der Verwendung der Tafel hohen Temperaturenausgesetzt zu sein.
    [0027] DieInnenseiten des ersten und des zweiten Teils können durch Hartlöten verbundenwerden.
    [0028] AlsVariante könnendie Innenseiten mit metallischen Beschichtungen versehen werden,die direkt mit einander verbunden sind.
    [0029] Gemäß einemweiteren Aspekt hat die Erfindung die Aufgabe, ein Herstellungsverfahreneiner aktiven Kühltafelder oben genannten Art anzugeben.
    [0030] DieseAufgabe wird gelöstvon einem Verfahren, bei dem ein erstes und ein zweites Teil ausThermostruktur-Kompositwerkstoff bereitgestellt werden, die jeweilseine Innenseite und eine der Innenseite gegenüberliegende Außenseitehaben, wobei die Innenseite mindestens eines der Teile Hohlreliefsaufweist, die Kanälebilden, wobei das erste und das zweite Teil durch Verbinden derInnenseiten untereinander zusammengefügt werden, so dass man eine Kühltafelaus Thermostruktur-Kompositwerkstoffmit eingebauten Zirkulationskanälenerhält,und wobei mindestens eines des ersten und zweiten Teils mit einerAbdichtungsschicht versehen wird, die sich in Entfernung von derInnenseite des Teils befindet.
    [0031] Gemäß einerbesonderen Ausführungsform desVerfahrens integriert man eine Abdichtungsschicht innerhalb mindestenseines des ersten und zweiten Teils, zwischen der Innenseite undder Außenseite.
    [0032] Dazustellt man vorteilhafterweise mindestens eines des ersten und zweitenTeils aus zwei getrennten Teilen her und fügt die zwei Teile unter Einfügen derAbdichtungsschicht zusammen.
    [0033] Gemäß einerweiteren Anwendungsform des Verfahrens versieht man die äußere Seitemindestens eines des ersten und zweiten Teils mit einer Abdichtungsschicht.
    [0034] Imeinen oder anderen Fall kann man für die Abdichtungsschicht eineMetallfolie zum Beispiel aus einem Metall wie Niobium, Nickel, Tantal,Molybdän, Wolframoder Rhenium.
    [0035] DieMetallfolie kann mit dem Kompositwerkstoff des ersten oder zweitenTeils durch Warmpressen zusammengefügt werden, insbesondere durch heißisostatischesPressen.
    [0036] DieInnenseiten des ersten und des zweiten Teils können durch Hartlöten zusammengefügt werden.
    [0037] AlsVariante kann man mindestens eine Schicht metallischer Beschichtungauf den Innenseiten des ersten und des zweiten Teils bilden unddie Innenseiten durch Warmpressen, insbesondere durch heißisostatischesPressen, zusammenfügen.
    [0038] Vorteilhafterweisekann vor dem Zusammenfügender Innenseiten des ersten und des zweiten Teils eine Behandlungzum Verringern der Porosität derOberflächedes Thermostruktur-Kompositwerkstoffs auf mindestens der Ebene einerder Innenseiten der Teile ausgeführtwerden.
    [0039] DieBehandlung zum Verringern der Porosität kann das Auftragen einerSuspension, die ein keramisches Pulver und einen Vorläufer auskeramischem Werkstoff in Lösungenthält,auf die Fläche mindestenseiner der Innenseiten der Teile, und die Umformung des Vorläufers inkeramischen Werkstoff umfassen.
    [0040] DerVorläuferist üblicherweiseein Polymer, das vernetzt und durch Wärmebehandlung in Keramik umgewandeltwird.
    [0041] Nachdem Umwandeln des Vorläufersin keramischen Werkstoff kann eine keramische Ablagerung durch Ablagernoder chemische Infiltration in Dampfphase durchgeführt werden.
    [0042] WeitereEinzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgendenrein beispielhaften und nicht beschränkenden Beschreibung in Verbindungmit der Zeichnung.
    [0043] 1 zeigt eine Querschnittansichteiner Ausführungsformeiner erfindungsgemäßen aktiven Kühltafel.
    [0044] 2 zeigt eine Teilansichtim Schnitt gemäß der EbeneII-II der 1.
    [0045] 3 zeigt eine Schnittansichtgemäß der EbeneIII-III der 2.
    [0046] 4–8 zeigenschematisch die aufeinanderfolgenden Schritte der Umsetzung eineserfindungsgemäßen Verfahrenszur Herstellung einer Tafel des Typs gemäß der 1.
    [0047] 9–13 zeigenQuerschnittansichten weiterer Ausführungsformen erfindungsgemäßer aktiver Kühltafeln.
    [0048] Eineerste Ausführungsformeiner aktiven Kühltafel 10 istin den 1 bis 3 dargestellt.
    [0049] DieTafel 10 umfasst zwei Teile 20 und 30 in allgemeinerParallelepipedform, die miteinander über ihre Innenseiten 21 und 31 zusammengefügt sind. Beidiesem Beispiel erfolgt das Zusammenfügen durch Hartlöten 12.
    [0050] DasTeil 20, dessen Außenseite 22 gegenüber derSeite 21 die Vorderseite der Tafel definiert, die dazubestimmt ist, hohen Temperaturen oder intensiven Wärmeströmungen ausgesetztzu werden, besteht aus einem Thermostruktur-Kompositwerkstoff. Zirkulationskanäle 24 einesKühlmittelssind aus Hohlreliefs gebildet, die in der Innenseite 21 angelegtsind. Eine Vielzahl von parallel zu den beiden einander gegenüberliegendenSeiten der Tafel 10 verlaufenden Kanälen 24 erstreckensich zwischen zwei Sammlern 40, 42, die im Innerender Tafel 10 und in der Nähe zweier anderer einandergegenüberliegenderSeiten der Tafel angeordnet sind.
    [0051] DasTeil 30 umfasst zwei Teile 34, 36 inForm von Platten, die aus einem Thermostruktur-Kompositwerkstoffhergestellt sind. Die Teile 34, 36 werden über gegenüberliegendeSeiten 35, 37 unter Einfügen einer Abdichtungsschicht 38 zusammengefügt. DieSeiten der Teile 34, 36, die den Seiten 35, 37 gegenüber liegen,definieren die Innenseite 31 und die gegenüberliegendeAußenseite 32 desTeils 30. Die Seite 32 bildet die Rückseiteder Tafel 10.
    [0052] DieSammler 40, 42 sind durch längliche Öffnungen oder Langlöcher ausgebildet,die im Teil 34 angelegt sind. Die Sammler 40, 42 sindmit der Außenseiteder Tafel überBohrungen 41, 43 verbunden, die durch die Abdichtungsschicht 38 undden Teil 36 ausgebildet und mit Metalleinsätzen 44, 46 versehen sind,die das Anschließender Tafel an einen Fluidzirkulationskreislauf und/oder an eine danebenliegende Tafel über einenVerbindungsanschluss erlauben.
    [0053] AlsVariante könntendie Kanäle 24 mindestensein Ende haben, das in einem seitlichen Ende des Teils 20 mündet. Nachdem Erstellen der Kühltafelkönnendie durchgehenden Enden der Kanäle danndurch Anschlüsseentweder mit einem äußeren Sammlerder Tafel oder mit ähnlichenKanäleneiner danebenliegenden Tafel verbunden werden.
    [0054] DasTeil 20 und das Teil 30 (Teile 34 und 36) bestehenaus Thermostruktur-Kompositwerkstoff C/Coder CMC. Bei Anwendungen mit sehr hoher Temperatur, insbesonderein oxidierendem Milieu, wird die Verwendung von CMC vorgezogen, üblicherweiseKompositwerkstoffe mit Verstärkungaus Siliziumkarbidfasern (SiC) oder Kohlenstofffasern und mit SiC-Matrixoder einer Matrix, die mindestens eine äußere Phase aus SiC umfasst.Die Kanäleund Sammler könnendurch Bearbeiten ausgebildet werden.
    [0055] Ungeachtetdes verwendeten Thermostruktur-Kompositwerkstoffs weist dieser eineRestporositätauf. Die Abdichtungsschicht 38 erlaubt es, ein Lecken desFluids, das die Kanäle 24 zurRückseite 32 derTafel 10 durchläuft,zu vermeiden.
    [0056] Indem von den 1 bis 3 dargestellten Beispielist das Teil 20 nicht mit einer Abdichtungsschicht versehen.Das ist insbesondere dann akzeptabel, wenn keine Forderung nacheiner starken Abdichtung zwischen den Kanälen 24 und der Vorderseite 22 derTafel 10 besteht. Das kann im Fall einer aktiven Kühltafelfür Verbrennungskammerwandso sein, wenn das verwendete Kühlmittelein Kraftstoff ist und ein Leck auf der Kühlkammerseite in einem bestimmtenAusmaß toleriertwerden kann.
    [0057] DieAbdichtungsschicht 38 ist eine Metallschicht, die mit denSeiten 35, 37 der Teile 34, 36 des Teils 30 verbundenist, zum Beispiel eine Schicht aus Niobium, Nickel, Tantal, Molybdän, Wolframoder Rhenium.
    [0058] EinHerstellungsverfahren einer Kühltafel wiedie der 1 bis 3 wird jetzt unter Bezugnahme aufdie 4 bis 8 beschrieben.
    [0059] DieTeile 20 und Teile oder Platten 34, 36 des Teils 30 werdengetrennt aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff hergestellt, insbesondereC/C oder CMC. Die zum Ausbilden der Kanäle 24 und Sammlererforderlichen Aussparungen werden durch Bearbeiten in der Innenseite 21 desTeils 20 und im Teil 34 des Teils 30 ausgebildet.Zu bemerken ist, dass die Teile 20 und die Teile 34, 36 ausdemgleichen Block Thermostruktur-Kompositwerkstoff vor dem Bearbeitender Stellen der Kanäleund Sammler ausgeschnitten werden können.
    [0060] DieDetails der 4 zeigenrein schematisch die Oberflächenporosität des Thermostruktur-Kompositwerkstoffs.
    [0061] Vorteilhafterweisekann eine Behandlung zur Verringerung der Porosität der Innenseite 21 des Teils 20,in dem die Kanäle 24 ausgebildetsind, und der Seite 31 des Teils 34, also derjenigenSeiten vorgenommen werden, die dazu bestimmt sind, miteinander zusammengefügt zu werden.
    [0062] DieVerringerung der Porositätkann das Auftragen einer Suspension auf die Seiten 21 und 31, wobeidie Suspension solide Füllungenin Form von keramischem Pulver und eines Vorläufers von Keramik in Lösung umfasst,und die Umformung des Vorläufersin keramischen Werkstoff umfassen. Der Vorläufer kann ein Polymer sein,das vernetzt ist und dann durch Wärmebehandlung in Keramik umgewandeltwird. Beispielsweise kann man als Vorläufer ein Polycarbosilan (PCS)oder Polytitanocarbosilan (PTCS) Vorläufer von SiC, das in einemLösemittel, zumBeispiel in Xylen in Lösunggegeben wird, verwenden. Das keramische Pulver trägt dazubei, ein effizientes Füllender Oberflächenporosität zu gewährleisten.Man kann zum Beispiel ein SiC-Pulver verwenden.
    [0063] DieflüssigeZusammensetzung kann mit einer Bürsteoder einer Pistole aufgetragen werden, wobei die Menge Lösemittelso gewähltwird, dass ein leichtes Auftragen möglich und das Eindringen derflüssigenZusammensetzung in die Oberflächenporosität begünstigt ist.
    [0064] Nachdem Auftragen der flüssigenZusammensetzung und dem Trocknen durch Eliminieren des Lösemittels,nimmt man das Vernetzen des Vorläuferpolymersund dann die Umformung in Keramik vor. Zum Beispiel kann im Falldes PCS das Vernetzen erfolgen, indem man die Temperatur bis aufetwa 350 °Canhebt, und das Keramisieren, indem man die Temperatur bis auf etwa900 °C erhöht.
    [0065] Nachdem Keramisieren kann man eventuell ein Nachschneiden der Oberfläche desTeils durchführen,um zu seiner ursprünglichenGeometrie zurückzukehren.
    [0066] ZweiDetails der 5 zeigenrein schematisch das Füllender Porosität,das man mit dem Werkstoff 51 erzielt, der den Keramisierungsrestund das keramische Pulver umfasst.
    [0067] Vorteilhafterweisekann das Füllender Porositätdurch Ausbilden einer keramischen Ablagerung, zum Beispiel SiC,ergänztwerden, und zwar z.B. durch Ablagern oder chemische Infiltrationin Dampfphase, was es erlaubt, eine gleichförmige und kontinuierliche Beschichtung 52 zuerzielen, die auf dem Thermostruktur-Kompositwerkstoff verankert ist.
    [0068] Diekeramische Beschichtung 52, erzielt durch Ablagern oderchemische Infiltration in Dampfphase (in den Details der 5 gezeigt), kann nicht nurauf den Innenseiten 21, 31, sondern auch auf den anderenAußenflächen desTeils 20, insbesondere der Außenseite 22 und aufden anderen Außenflächen desTeils 34 ausgebildet werden.
    [0069] Essei angemerkt, dass der Füllprozessder Porositätdurch Ablagern einer Suspension, die ein keramisches Pulver undein Polymer, Vorläufervon Keramik enthält,Umwandeln des Vorläufersin Keramik, Nachschneiden und dann Bilden einer keramischen Beschichtungdurch chemische Infiltration in Dampfphase in der französischenPatentanmeldung auf den Namen der Anmelderin dieser Patentanmeldungmit der Bezeichnung "Procédé pourle traitement de surface d'unepiéceen matériaucomposite thermostructural et application au brasage de piéces enmatériaucomposite thermostructural" beschriebenist.
    [0070] DernächsteSchritt des Verfahrens besteht darin, zwischen die Teile 34, 36 eineAbdichtungsschicht einzufügen,nachdem ggf. die Seiten 35, 37 der Teile 34, 36 bearbeitetwurden, um den Kompositwerkstoff bloßzulegen.
    [0071] DieAbdichtungsschicht wird vorteilhafterweise aus einer Metallfolie 38 (6) ausgebildet, die z.B.zum Beispiel aus Niobium, Nickel, Tantal, Molybdän, Wolfram oder Rhenium besteht.Die Stärkeder Folie 38 liegt typischerweise zwischen 0,05 mm und 0,3mm.
    [0072] DieVerbindung der Teile 34, 36 untereinander undmit der Folie 38 erfolgt durch Warmpressen. Dafür können bekannteVerfahren wie zum Beispiel das Fügeverfahrendurch heißisostatischesPressen (auch HIP – "Hot Isostatic Pressing" genannt) oder dasPressverfahren mit der Warmpresse verwenden werden.
    [0073] DieVerbindung durch heißisostatisches Pressenerfolgt dadurch, dass die zusammenzufügenden Elemente gegeneinanderin eine Umschließunggegeben werden, wobei die Teile in einem dichten Mantel 45 (7) verkapselt werden. DieTemperatur und der Druck werden anschließend in der Umschließung imwesentlichen gleichförmigangehoben. Die Verbindung erfolgt durch Diffusion des Metalls derFolie 38 in die Oberflächenporosität der Flächen 35, 37.Der dichte Mantel 45, der die Teile einkapselt, bestehtzum Beispiel aus einem Metallfilm, wie zum Beispiel einem Film ausNiobium oder auch Nickel, aus Eisen oder einer Legierung dieserStoffe. Werkzeugelemente, wie zum Beispiel Graphitplatten 46, 47,könnenzwischen dem Metallfilm und den Außenflächen der Teile 34, 36 eingefügt werden,um das Einprägendes Metalls des Films 45 in diese Oberflächen infolgedes heißisostatischenPressens zu vermeiden, wenn die Gegenwart dieses Metalls auf diesenOberflächenunerwünschtist. Das kann insbesondere fürdie Seite 31 gemäß dem für die spätere Verbindungmit der Seite 21 des Teils 20 verwendeten Verfahrenerfolgen.
    [0074] DieVerbindung durch Pressen mit der Presse erfolgt durch Anheben derTemperatur der zusammenzufügendenElemente und Ausübeneines Drucks auf die aneinandergelegten Seiten 31, 32 in einerPresse.
    [0075] Derfür dasVerbinden durch Warmpressen verwendete Druck liegt zum Beispielzwischen 80 MPa und 120 MPa. Die Temperatur hängt von der Beschaffenheitder metallischen Abdichtungsschicht ab, die als Verbindung zwischenden Teilen dient. Sie ist deutlich geringer als die Schmelztemperaturdes Metalls dieser Metallschicht, im allgemeinen zwischen 60 % und80 % dieser Schmelztemperatur.
    [0076] Indem Fall, in dem die Metallabdichtungsschicht aus Niobium besteht,wird die Temperatur sowohl fürdie Verbindung durch heißisostatisches Pressen,als auch fürdie Verbindung durch Pressen mit der Presse vorzugsweise zwischen900 °C und 1200 °C gewählt.
    [0077] Nachdem Herstellen des Teils 30 wird dieses mit dem Teil 20 zumBeispiel durch Hartlötenzusammengefügt.Dazu wird eine Hartlötschicht 48 zwischendie Seiten 21, 31 mit verringerter Porosität eingefügt (8).
    [0078] DasHartlötenvon Teilen aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff ist bekannt. Mankann zum Beispiel ein Hartlot auf Siliziumgrundlage des Typs verwenden,der in den französischenPatentanmeldungen veröffentlichtunter den Nummern 2 748 471 und 2 749 787 beschrieben ist. WeitereHartlotzusammensetzungen sind verwendbar, insbesondere andere Hartloteauf Siliziumbasis oder Hartlote auf Titanbasis, wie zum Beispieldas Hartlot, das unter der Bezeichnung TiCuSil® vonWesgo Metals, Division der US-amerikanischen Firma Morgan Advanced Ceramics,vermarktet wird.
    [0079] AlsVariante kann die Verbindung zwischen den Teilen 20 und 30 durchWarmpressen hergestellt werden.
    [0080] Dazuwerden die Oberflächen 21 und 31 zuerstmit Metallbeschichtungen versehen, die neben der Herstellung derVerbindung durch Warmpressen eine Dichtfunktion haben können.
    [0081] Beispielsweisewird jede Seite 21, 31 mit einer ersten Schichteines Metalls versehen, das vorteilhafterweise eine Barrierefunktionder chemischen Reaktion mit dem darunterliegenden Werkstoff und/odereine Anpassungsfunktion hat, und mit einer zweiten metallischenSchicht, die unter Warmpressen verbindungsfähig ist.
    [0082] Diezweite Schicht kann aus Nickel, Kupfer, Eisen oder einer Legierungmindestens eines dieser Elemente bestehen. Nickel (Ni) oder eineNickellegierung weisen die Vorteile einer guten Wärmeleitfähigkeit,einer guten Verbindungsfähigkeitdurch Warmpressen und einer hohen Schmelztemperatur auf, die beimVerbinden durch Warmpressen ein Übergehenin den flüssigenZustand vermeidet.
    [0083] Dieerste Schicht kann aus Rhenium, Molybdän, Wolfram oder Tantal bestehen.Bei einem Thermostruktur-Kompositwerkstoff mit SiC-Matrix und faserigerVerstärkungaus Kohlenstoff oder SiC und/oder wenn zuvor eine SiC-Beschichtungausgebildet wurde, weist Rhenium den Vorteil auf, dass es mit SiCnicht reagiert. Es weist außerdemeine gute Leitfähigkeitauf und hat eine hohe Schmelztemperatur, die bei der späteren Verbindungdurch Warmpressen ein Übergehenin den flüssigenZustand vermeidet. Rhenium hat außerdem einen Dehnungskoeffizienten,der zwischen demjenigen von SiC und Ni liegt, und bildet daher außerdem eineSchicht zur mechanischen Anpassung, wenn die zweite metallische Schichtzumindest teilweise aus Ni besteht.
    [0084] DasAblagern der ersten und der zweiten metallischen Schicht erfolgtnacheinander. Es könnenbekannte Ablagerungsverfahren des Typs Abscheiden aus der Dampfphaseoder Plasmazerstäubenverwendet werden.
    [0085] Vordem Verbinden der Teile durch Warmpressen, kann eine Metallfoliezwischen den Innenseiten gegenüberden Teilen eingefügtwerden, wobei die Metallfolie vorzugsweise aus demgleichen Werkstoffwie die zweite metallische Schicht der Metallbeschichtung ausgewählt wird,die auf den Innenseiten 21, 31 ausgebildet wird.
    [0086] DasVerbinden der Teile 20, 30 untereinander nachdem eventuellen Einfügender Folie erfolgt durch Warmpressen.
    [0087] Mankann das Zusammenfügeverfahren durchheißisostatischesPressen oder das Pressverfahren mit der Presse verwenden, wie sieweiter oben beschrieben sind.
    [0088] Beieiner Verbindung der Teile 20 und 30 durch Warmpressenkann man die Verbindung gleichzeitig mit der Verbindung der Teile 34, 36 mit derAbdichtungsschicht 38 nach dem Herstellen der Metallbeschichtungenauf den Innenseiten 21 und 31 ausführen.
    [0089] Die 9 bis 13 zeigen verschiedene andere Ausführungsformeneiner erfindungsgemäßer aktiverKühltafeln.
    [0090] DieTafel der 9 unterscheidetsich von der in den 1 bis 3 gezeigten Tafel dadurch,dass der Teil 36 des Teils 30 und die Abdichtungsschicht 38 aufdem Rand der Tafel herausstehen.
    [0091] DieTafel kann dann in einem Rahmen 54 untergebracht werden,der eine Basis 55 umfasst, aus der eine Krempe 56 hervorsteht.Eine Dichtung 58 wird in dem von der Basis 55,dem Rand der Tafel 30 auf der Ebene des Teils 20 unddes Teils 34, dem Teil 36 und der Schicht 38,die herausstehen, und der Krempe 56 angeordnet. Die Dichtung 58 erlaubtes, Kühlmittellecksauf der Ebene des Rands der Tafel zurückzuhalten.
    [0092] DieTafel der 10 unterscheidetsich von der in den 1 bis 3 gezeigten Tafel dadurch,dass das Teil 30 mit Versteifungen 60 versehenist. Diese haben die Form von Versteifungsrippen, die auf der Außenseite 32 desTeils 36 des Teils 30 hervorstehen.
    [0093] DieRippen 60 könnenaus einem einzigen Teil mit dem Teil 36 hergestellt werden.
    [0094] DieRippen 60 verleihen der Tafel eine verbesserte Beständigkeitgegenüberden ausgeübten Kräften, wobeiVerformungen vermieden werden, die für die Verbindungen zwischenden Teilen 34, 36 des Teils 30 und zwischenden Teilen 20 und 30 schädlich sein können.
    [0095] DieTafel der 11 unterscheidetsich von der in den 1 bis 3 gezeigten Tafel dadurch,dass nicht nur das Teil 30, sondern auch das Teil 20 miteiner Abdichtungsschicht 62 innerhalb des Teils 20 von derSchnittflächezwischen den Teilen 20 und 30 beabstandet versehenist.
    [0096] DieSchicht 62 kann die gleiche Beschaffenheit haben und gleichangebracht werden wie die Abdichtungsschicht 38, wobeidas Teil 20 dann ebenfalls durch Zusammenfügen zweiergetrennter Teile mit Einfügender Schicht 62 hergestellt wird.
    [0097] DieTafel der 12 unterscheidetsich won der in den 1 bis 3 gezeigten Tafel dadurch,dass das Teil 30 aus einem einzigen Teil aus Thermostruktur-Kompositwerkstoffbesteht und dass die Abdichtungsschicht 64 an der Außenseite 32 desTeils 30 und nicht innerhalb dieses Teils 30 angeordnetist.
    [0098] DieSchicht 64 kann die gleiche Beschaffenheit haben wie dieAbdichtungsschicht 38 und mit dem Teil 30 ebenfallsdurch Warmpressen zusammengefügtwerden.
    [0099] Wiein 13 gezeigt, kanndas Teil 20 einer Tafel wie der der 12 auch mit einer Abdichtungsschicht 66 versehensein, die auf ihre Außenfläche 22 gefügt ist.
    [0100] DieTafeln der 12 und 13 sind weniger leicht herzustellenals die in den anderen Figuren gezeigten Tafeln. Das Einfügen derAbdichtungsschicht innerhalb eines Teils zwischen zwei Teilen ausThermostruktur-Kompositwerkstoff erlaubt jedoch einen Schutz dieserAbdichtungsschicht vor Oxidation durch die Gegenwart des Kompositwerkstoffs.Außerdemkann das Anordnen der Abdichtungsschicht auf der Außenseiteeines Teils eine Formgebung dieses aufgrund der möglichenGegenwart von Versteifungen oder Schnittstellen mit dem Äußeren derTafel erforderlich machen.
    [0101] Natürlich kannman in einer gleichen Tafel eine Abdichtungsschicht angeordnet aufeiner Außenseiteeines der beiden Teile der Tafel und eine Abdichtungsschicht angeordnetinnerhalb des anderen Teils vorsehen.
    [0102] Mankann die Tafeln der Ausführungsformen der 10 und 11 auch in einem Rahmen anordnen, wiebei der Ausführungsformgemäß 9.
    [0103] EinTeil 20 und Teile 34, 36, wie die derAusführungsformder 1 bis 3, werden aus Thermostruktur-KompositwerkstoffC/SiC hergestellt, wobei die Kanäleund Sammler durch Bearbeiten ausgebildet werden.
    [0104] EineVerringerung der Porositätder Innenoberflächen 21, 31 wirddurch Auftragen einer Zusammensetzung auf Innenoberflächen miteiner Bürste durchgeführt, wobeidie Zusammensetzung ein SiC-Pulver mittlerer Granulometrie gleichetwa 9 Mikrometer in einer Lösungvon Polycarbosilan (PCS) in Xylen enthält. Nach dem Lufttrocknen wirdein Vernetzungsschritt des PCS bei etwa 350 °C vorgenommen und dann seineUmformung in SiC durch Anheben der Temperatur bis auf etwa 900 °C. Eine dünne SiC-Beschichtungmit einer Stärkevon 100 Mikrometer wird danach durch chemische Infiltration in Dampfphaseaufgebracht, wobei diese Beschichtung auf der gesamten Außenoberfläche desTeils 20 und des Teils 34 und nicht nur auf derEbene der Innenseiten 21, 31 ausgebildet wird.Kombiniert mit dem Keramisierungsrest des PCS verbunden mit dem SiC-Pulver,trägt dieSiC-Beschichtungdazu bei, eine effiziente Verringerung der Porosität zu gewährleisten.
    [0105] DieSeiten 35, 37 der Teile 34, 36 werdenbearbeitet, um den Kompositwerkstoff bloßzulegen, um offene Porositäten zu präsentieren,die ein mechanisches Haften mit der Folie begünstigen, die anschließend zwischendiesen Seiten angeordnet wird. Eine Niobiumfolie von 0,1 mm Stärke wirdzwischen die Seiten 35, 37 eingefügt, unddas Ganze wird anschließenddurch heißisostatischesPressen zusammengefügt.Dazu werden die Elemente 34, 38, 37 in einerNiobiumfolie mit einer Stärkevon 0,5 mm mit Einfügenvon Graphitplatten zwischen die äußeren Oberflächen derEinheit der Elemente und die Niobiumfolie gekapselt.
    [0106] DasheißisostatischePressen wird unter einem Druck von ca. 90 MPa und bei einer Temperatur vonetwa 1000 °Cdurchgeführt.
    [0107] Dasso erzielte Teil 30 wird mit dem Teil 20 durchHartlötenmittels eines Hartlots auf Siliziumbasis zusammengefügt
    权利要求:
    Claims (25)
    [1] Aktive Kühltafel(10), die ein erstes und ein zweites Teil (20, 30)aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff umfasst, die jeweils eine Innenseiteund eine Außenseite(21, 31) einander gegenüberliegend haben, – wobeidie Teile miteinander durch Verbinden ihrer Innenseiten (21, 31)untereinander zusammengefügt werden,und – wobeiKanäle(24) durch Reliefs ausgebildet werden, die in der Innenseitemindestens eines des ersten und des zweiten Teils angelegt werden, dadurchgekennzeichnet, dass eine Abdichtungsschicht (38; 62; 64; 66)vorgesehen ist, die mit mindestens einem des ersten und des zweitenTeils verbunden und von den zusammengefügten Seiten dieses beabstandetist.
    [2] Tafel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dasseine Abdichtungsschicht (38; 62) innerhalb mindestenseines des ersten und des zweiten Teils (30; 20)liegt und das Teil zwischen seiner Innenseite und seiner Außenseitein zwei Teile trennt, wobei die Teile miteinander durch die Abdichtungsschichtverbunden sind.
    [3] Tafel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dasseine Abdichtungsschicht (64; 66) mindestens eineder Außenseitendes ersten und des zweiten Teils beschichtet.
    [4] Tafel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass die Abdichtungsschicht (38; 62; 64; 66)eine dünneMetallschicht ist.
    [5] Tafel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dassdie Abdichtungsschicht (38; 62; 64; 66)aus Niobium, Nickel, Tantal, Molybdän, Wolfram oder Rhenium besteht.
    [6] Tafel nach einem der Ansprüche 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet,dass die Abdichtungsschicht (38) und der auf der Außenseitedes Teils (30) versehen mit der Abdichtungsschicht liegendeTeil von dem Rand der Tafel (10) vorstehen.
    [7] Tafel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,dass die Kanäle(24) in der Innenseite des Teils (20) ausgebildetsind, dessen Außenseitedie Seite der Tafel bildet, die dazu bestimmt ist, während derVerwendung der Tafel (10) hohen Temperaturen ausgesetztzu sein.
    [8] Tafel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,dass Versteifungsrippen (60) auf der Außenseite des Teils (30)an der Seite herausstehen, die derjenigen gegenüberliegt, die dazu bestimmtist, bei der Verwendung der Tafel (10) hohen Temperaturenausgesetzt zu sein.
    [9] Tafel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass die Innenseiten (21, 31) des ersten und deszweiten Teils durch Hartlötenverbunden sind.
    [10] Tafel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass die Innenseiten (21, 31) des ersten und deszweiten Teils (20, 30) mit metallischen Beschichtungenversehen sind, die direkt miteinander verbunden sind.
    [11] Herstellungsverfahren zur Herstellung einer aktivenKühltafel(10), mit den folgenden Schritten: – Bereitstelleneines ersten und eines zweiten Teil (20, 30) ausThermostruktur-Kompositwerkstoff, die jeweils eine Innenseite undeine der Innenseite gegenüberliegendeAußenseitehaben, wobei die Innenseite mindestens eines der Teile Hohlreliefsaufweist, die Kanäle(24) ausbilden, – Zusammenfügen desersten und zweiten Teil durch Verbinden der Innenseiten untereinanderdeart, dass eine Kühltafelaus Thermostruktur-Kompositwerkstoffmit eingebauten Zirkulationskanälenerhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindesteines des ersten und des zweiten Teils (20, 30)mit einer Abdichtungsschicht (38; 62; 64; 66) vonder Innenseite des Teils beabstandet versehen wird.
    [12] Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,dass eine Abdichtungsschicht (38; 62) innerhalbmindestens eines der ersten und zweiten Teile zwischen der Innenseiteund der Außenseite eingebrachtwird.
    [13] Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,dass zumindest eines der ersten und zweiten Teile aus zwei getrenntenTeilen hergestellt wird, wobei diese zwei getrennten Teile unterEinfügender Abdichtungsschicht (38; 62) zusammengefügt werden.
    [14] Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,dass die Außenseitemindestens eines der ersten und zweiten Teile mit einer Abdichtungsschicht(64; 66) versehen werden.
    [15] Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet,dass fürdie Abdichtungsschicht (38; 62; 64; 66)eine Metallfolie verwendet wird.
    [16] Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,dass die Metallfolie aus Niobium, Nickel, Tantal, Molybdän, Wolframoder Rhenium besteht.
    [17] Verfahren nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet,dass die Metallfolie mit dem Kompositwerkstoff des ersten oder zweitenTeils durch Warmpressen zusammengefügt werden.
    [18] Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,dass die Metallfolie mit dem Kompositwerkstoff des ersten oder zweitenTeils (20, 30) durch heißisostatisches Pressen zusammenfügt wird.
    [19] Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet,dass die Innenseiten des ersten und des zweiten Teils (20, 30)durch Hartlötenzusammengefügtwerden.
    [20] Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet,dass zumindest eine metallische Beschichtungsschicht auf den Innenseitendes ersten und des zweiten Teils (20, 30) ausgebildetwird und dass diese Innenseiten durch Warmpressen zusammengefügt werden.
    [21] Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,dass das Zusammenfügender Innenseiten durch heißisostatischesPressen erfolgt.
    [22] Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet,dass vor dem Zusammenfügender Innenseiten (21, 31) des ersten und des zweitenTeils (20, 30) eine Behandlung zur Verringerungder Oberflächenporosität des Thermostruktur-Kompositwerkstoffsauf der Ebene mindestens einer der Innenseiten der Teile vorgenommen wird.
    [23] Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,dass die Behandlung zur Verringerung der Porosität folgende Schritte umfasst: – Auftrageneiner Suspension auf die Oberflächezumindest einer der Innenseiten der Teile, wobei die Suspensiondie ein keramisches Pulver und einen Vorläufer von keramischem Keramikwerkstoffin Lösungumfasst und – Umwandelndes Vorläufersin keramischen Werkstoff.
    [24] Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,dass der Vorläuferein Polymer ist, das vernetzt ist und durch Wärmebehandlung in Keramik umgewandeltwird.
    [25] Verfahren nach einem der Ansprüche 23 und 24, dadurch gekennzeichnet,dass nach dem Umformen des Vorläufersin Keramikwerkstoff eine keramische Ablagerung (52) durchAblagern oder chemische Infiltration in Dampfphase erfolgen.
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    引用文献:
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    法律状态:
    2006-07-06| 8128| New person/name/address of the agent|Representative=s name: CBDL PATENTANWäLTE, 47051 DUISBURG |
    2007-11-15| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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