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    • 专利摘要:
    Zur Herstellung einer aktiven Kühltafel aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff wird auf der Innenseite eines ersten Teils (20) aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff, wobei das Teil Hohlreliefs aufweist, die Kanäle (23) bilden, und auf der Innenseite eines zweiten Teils (10) aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff, die dazu bestimmt ist, gegen die Innenseite des ersten Teils gelegt zu werden, eine metallische Beschichtung (34, 35) gebildet. Das erste und das zweite Teil werden durch Verbinden der Innenseiten untereinander durch Warmpressen, insbesondere heißisostatisches Pressen, zusammengefügt, so dass eine Kühltafel aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff mit eingebauten Zirkulationskanälen entsteht. DOLLAR A Die Erfindung kann auch auf die Herstellung von Wärmeaustauscherwänden angewandt werden, wie zum Beispiel Verbrennungskammerwände von Luftfahrtmotoren oder Expansionsdüsen von Raketentriebwerken oder Plasmaeinschlusskammern in Kernfusionsreaktoren.
    公开号:DE102004004459A1
    申请号:DE102004004459
    申请日:2004-01-28
    公开日:2005-01-20
    发明作者:
    申请人:SNECMA Propulsion Solide；
    IPC主号:F28F21-00
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer aktiven Kühltafelaus Thermostruktur-Kompositwerkstoff.
    [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.
    [0005] Beiden genannten Anwendungen funktioniert die Tafel zwischen ihrerhohen Temperaturen oder Wärmeströmungen ausgesetztenSeite und der Flüssigkeit,von der sie durchflossen wird, wie ein Wärmetauscher.
    [0006] 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.Nun kann die Steigerung der Betriebstemperatur eine Steigerung der Leistungenerlauben, insbesondere der Leistung für Verbrennungskammern oderder Düsenvon Luft- oder Raumfahrtmotoren sowie eine Reduzierung der verunreinigendenEmissionen bei Luftfahrtmotoren.
    [0007] DieHerstellung eines Teils aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff umfasstim Allgemeinen die Erzeugung einer faserigen porigen Vorform miteiner Form, die der Form des herzustellenden Teils ähnelt, unddie Verdichtung dieser Vorform.
    [0008] DieVerdichtung kann mittels des sog. "Flüssigverfahrens" oder mittels dessog. "Gasverfahrens" erfolgen.
    [0009] DieVerdichtung mittels des Flüssigverfahrensbesteht im Imprägnierender Vorform durch eine Vorläuferflüssigkeitdes Werkstoffs der Matrix, wobei der Vorläufer im Allgemeinen ein Harzist, und im Umformen des Vorläufers,gewöhnlichdurch Wärmebehandlung.
    [0010] 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.
    [0011] 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.
    [0012] 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.
    [0013] Umdiese Schwierigkeit zu überwindenund eine aktive Kühlungdurch Flüssigkeitszirkulationmit der Verwendung poriger feuerfester Werkstoffe kombinieren zukönnen,wurden mehrere Lösungenvorgeschlagen.
    [0014] Eineerste Lösungbesteht darin, eine Tafel herzustellen, die eine vordere Platteaus Graphit auf der den hohen Temperaturen exponierten Seite hat, undeine hintere Metallplatte herzustellen, insbesondere aus Stahl,in der Kühlmittelzirkulationskanäle ausgebildetwerden. Die beiden Platten werden durch Hartlöten mit Einfügen vonMetallschichten zusammengefügt,die eine Anpassung zwischen den unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizientenvon Stahl und Graphit erlauben.
    [0015] Allerdingsist die Gegenwart von Massivmetall hinsichtlich des Gewichts derKühltafelnachteilig. Außerdembeschränktdie Längedes Wärmeverlaufs durchdie Graphitplatte und die Metallplatte die Kühlkapazität auf der Ebene der exponiertenOberfläche.
    [0016] Eineweitere Lösungbesteht darin, Durchgängeinnerhalb eines Thermostruktur-Kompositwerkstoffblocks auszubildenund die Wändedieser Durchgängedurch Hartlöteneines Metallfutters, zum Beispiel aus Kupfer, abzudichten.
    [0017] Eineweitere Lösungbesteht darin, zwei Platten aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff herzustellen, vonwelchen eine Kanäleaufweist, die in ihre Flächegearbeitet und dazu bestimmt sind, mit einer Seite gegenüber deranderen Platte zusammengefügtzu werden, wobei das Zusammenfügendurch Hartlötenerfolgt.
    [0018] Diebeiden letztgenannten Lösungensind zwar hinsichtlich des Gewichts und der Verringerung des Wärmeverlaufszufriedenstellend, es könnenjedoch Probleme durch Rissbildung des Metallfutters oder des Hartlotsinfolge wiederholter Expositionen mit sehr hohen Temperaturen auftreten.
    [0019] Gemäß einemihrer Aspekte hat die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellungeiner aktiven Kühltafelaus Thermostruktur-Kompositwerkstoff zu liefern, die eine effizienteund dauerhafte Abdichtung gegen ein Fluid aufweist, das in den innerenDurchgängender Tafel zirkuliert.
    [0020] DieseAufgabe wird von einem Verfahren mit den folgenden Schritten gelöst: – Bereitstelleneines ersten Teils aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff, das eineInnenseite hat, die Hohlreliefs aufweist, die Kanäle bilden, – Bildeneiner metallischen Beschichtung auf der Fläche des ersten Teils, – Bereitstelleneines zweiten Teils aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff, das eineInnenseite hat, die dazu bestimmt ist, auf die Innenseite des erstensTeils gelegt zu werden, – Bildeneiner metallischen Beschichtung auf der Innenseite des zweiten Teils, – Zusammenfügen desersten und des zweiten Teils durch Verbinden der Innenseiten untereinanderderart, dass eine Kühltafelaus Thermostruktur-Kompositwerkstoff mit eingebauten Zirkulationskanälen gebildetwird, wobei das – Verbindender Teile durch Verbinden der Innenseiten durch Warmpressen erfolgt.
    [0021] DieVerbindung kann durch heißisostatischesPressen oder Pressen der Teile mit der Warmpresse erfolgen.
    [0022] Einsolches Verbindungsverfahren weist den Vorteil auf, dass die Anwendungeines Flüssigverfahrensvermieden wird, wie das beim Hartlöten der Fall ist, wobei dieerforderliche Temperatur weniger hoch ist als beim Hartlöten. DieKontinuitätder metallischen Beschichtung wird dadurch besser gewahrt.
    [0023] Gemäß einerDurchführungsformdes Verfahrens verwendet man fürdas Verbinden durch Warmpressen mindestens einen Teil der metallischenBeschichtungen, die auf den Innenseiten des ersten und des zweitenTeils geformt sind, wobei die metallischen Beschichtungen gleichzeitigeine Abdicht- und eine Verbindungsfunktion erfüllen können.
    [0024] AlsVariante oder Ergänzungfür dieVerbindung durch Warmpressen kann zwischen die Innenseiten der Teile,die mit einer metallischen Beschichtung versehen sind, eine Metallfolieeingefügtwerden, um gegebenenfalls auf der Seite mindestens einer der Innenseitender zusammengefügtenTeile eine noch bessere Abdichtung garantieren zu können.
    [0025] Gemäß einerbesonderen Ausführungsform desVerfahrens kann das Ausbilden der metallischen Beschichtungen aufden Innenseiten der Teile das Bilden einer ersten und einer zweiten übereinander liegendenAblagerung umfassen, wobei die erste Ablagerung eine Funktion alsReaktionsbarriere zwischen den Bestandteilen des Thermostruktur-Kompositwerkstoffsund/oder die zweite Ablagerung eine Anpassungsfunktion erfüllen kann,und wobei die zweite Ablagerung an der Verbindung zwischen den Teilendurch Warmpressen beteiligt sein kann.
    [0026] Vorzugsweisebesteht die erste Ablagerung aus Rhenium, Molybdän, Wolfram, Niobium oder Tantal.Wenn die zusammenzufügendenTeile aus einem Thermostruktur-Kompositwerkstoff bestehen, der Siliziumenthält,besteht die erste Ablagerung vorzugsweise aus Rhenium.
    [0027] DasMetall der metallischen Schicht, die die Verbindung durch Warmpressenerlaubt, kann aus Nickel, Kupfer, Eisen oder einer Legierung mindestenseines oder mehrerer dieser Metalle bestehen. Vorzugsweise wird Nickeloder eine Nickellegierung verwendet.
    [0028] Diemetallische Abdichtungsbeschichtung wird vorteilhafterweise durchAbscheiden aus der Dampfphase oder durch Plasmazerstäuben gebildet.
    [0029] Gemäß einerweiteren besonderen Durchführungsformdes erfindungsgemäßen Verfahrens werdendie Innenseiten der Teile durch heißisostatisches Pressen miteiner Metallfolie mit einer metallischen Beschichtung versehen.
    [0030] Daserste Teil kann mit einer Metallfolie zusammengefügt werden,die zuvor so geformt wurde, daß siesich an die Hohlreliefs der Innenseite des ersten Teils anschmiegt.
    [0031] DieFolie, die die metallische Beschichtung bildet, besteht vorzugsweiseaus Niobium, Molybdän, Wolframoder Tantal.
    [0032] Invorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor demBilden der metallischen Beschichtung auf den Innenseiten der zusammenzufügenden Teileeine Behandlung zur Verringerung der Porosität der Oberfläche desThermostruktur-Kompositwerkstoffs auf der Ebene mindestens einerder Innenseiten vorgenommen.
    [0033] Einesolche Verringerung der Porositätkann durch Auftragen einer Suspension, die ein keramisches Pulverund einen Vorläuferaus keramischem Werkstoff in Lösungenthält,auf die Flächemindestens einer der Innenseiten der Teile und anschließendes Umformendes Vorläufersin keramischen Werkstoff erfolgen.
    [0034] DerVorläuferdes keramischen Werkstoffs kann ein Polymer sein, das vor dem Umwandelnin Keramik durch Wärmebehandlungvernetzt wird.
    [0035] Nachdem Umwandeln des Vorläufersin keramischen Werkstoff und vor dem Ausbilden der metallischenBeschichtung, kann man eine keramische Ablagerung durch Abscheidenoder chemische Infiltration in Dampfphase auf der Ebene der Innenseiten derzusammenzufügendenTeile ausführen,um auf der Oberflächeeine dünneund kontinuierliche Schicht Keramik zu bilden.
    [0036] WeitereEinzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgendenrein beispielhaften und nicht beschränkenden Beschreibung in Verbindungmit der Zeichnung.
    [0037] 1 zeigt perspektivisch zweiTeile, die zum Bilden einer aktiven Kühltafel bestimmt sind.
    [0038] 2–7 zeigenrein schematische Schnittansichten, die aufeinander folgende Schritteeiner ersten Durchführungsformeines erfindungsgemäßen Verfahrensausgehend von den Teilen gemäß 1 erläutern.
    [0039] 8–10 zeigenrein schematische Schnittansichten sind, die aufeinander folgendeSchritte einer weiteren Durchführungsformdes erfindungsgemäßen Verfahrenserläutern.
    [0040] Einerster Schritt des Verfahrens besteht darin, zwei Teile aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff bereitzustellen,von denen mindestens eines eine Seite hat, in der Hohlreliefs geformtsind, die Kanäle bilden,um durch Zusammenfügender beiden Teile eine Kühltafelzu bilden.
    [0041] 1 zeigt zwei solche Teile 10 und 20 in Plattenform.Die Teile 10 und 20 besitzen Innenseiten 11, 21, über welchesie zusammengefügtwerden sollen, und Außenflächen 12, 22,die den Innenseiten gegenüberliegen.
    [0042] Imdargestellten Beispiel werden in der Innenseite 21 desTeils 20 Hohlreliefs geformt, die Kanäle 23 mit in etwahalbkreisförmigemQuerschnitt bilden, wobei die Innenseite 11 des Teils 10 keinesolchen Reliefs aufweist.
    [0043] AlsVariante könntendie Hohlreliefs in beiden Innenseiten 11 und 21 inZonen geformt werden, die einander derart gegenüberliegen, daß jederKanal durch Vereinen zweier einander gegenüberliegender Hohlreliefs gebildetwerden kann.
    [0044] Wenndie Kanälenur in einem Teil geformt werden, wählt man vorzugsweise das Teilaus, dessen Außenfläche dazubestimmt ist, bei der Verwendung der Kühltafel Wärme und Hitze exponiert zu sein,um so den Wärmewegzwischen dieser exponierten Seite und einem Kühlmittel, das in den Kanälen zirkuliert,zu verringern.
    [0045] Imdargestellten Beispiel erstrecken sich die Kanäle auf dem größten Teilder Längedes Teils 20 und mündenan ihren Enden in Sammler, die von Hohlreliefs 14, 15 gebildetwerden, die in der Innenseite 11 des Teils 10 angelegtsind. Bohrungen 16, 17, die sich in die Sammlerund an der Außenfläche 12 desTeils 10 öffnen,verbinden die Sammler mit Zu- und Ableitungen des Kühlmittelsoder mit Anschlüssenweiterer Kühltafeln.
    [0046] DasTeil 10 kann auf der Ebene der Reliefs 14, 15 erhöhte Dickenaufweisen, um eine zu starke lokale Reduzierung der Stärke desTeils zu vermeiden.
    [0047] DieSammler könnenauch durch Kombinieren von Reliefs gebildet werden, die in den Innenseiten 11 und 21 derTeile 10 und 20 geformt werden.
    [0048] AlsVariante könnendie Kanäle 23 mindestensein Ende haben, das an einem seitlichen Ende des Teils 20 mündet. Nachdem Bilden der Kühltafel können diesemündendenEnden der Kanäledann überAnschlüsseentweder mit einem Sammler außerhalbder Tafel oder mit ähnlichenKanäleneiner daneben liegenden Tafel verbunden werden.
    [0049] Wenngleichin der der Zeichnung nur vier Kanäle 23 dargestelltsind, kann ihre Anzahl natürlich auch(viel) größer sein.
    [0050] DieTeile 10 und 20 können je nach erwünschterEndform der Kühltafeleine allgemeine Parallelepipedform haben oder gebogen sein.
    [0051] DieTeile bestehen aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff C/C oder CMC.Für Anwendungenbei sehr hoher Temperatur, insbesondere in oxidierendem Milieu,wird die Verwendung von CMC bevorzugt, üblicherweise Kompositwerkstoffemit Verstärkungaus Siliziumkarbidfasern (SiG) oder Kohlenstoff und mit SiC-Matrixoder mit einer Matrix, die mindestens eine externe Phase aus SiCumfasst. Die Kanäle undSammler könnendurch Bearbeiten geformt werden.
    [0052] Ungeachtetdes verwendeten Thermostruktur-Kompositwerkstoffs, weist diesereine Restporositätauf, insbesondere eine Oberflächenporosität wie in 2 rein schematisch dargestellt.Vor dem Zusammenfügender Teile ist es daher von Nutzen, eine Abdichtung der Innenseitenherzustellen.
    [0053] Vordem Herstellen dieser Abdichtung kann man vorteilhafterweise eineVerringerung der Oberflächenporosität der Innenseitender zusammenzufügendenTeile vornehmen. Diese Porositätsverringerungkann, wenn die Abdichtungsanforderung bei er anderen Innenseiteweniger hoch ist, auf nur einer der Innenseiten durchgeführt werden.Das kann bei einer aktiven Kühltafelfür Verbrennungskammerwandder Fall sein, wenn das verwendete Kühlmittel ein Kraftstoff istund ein Leck auf der Seite der Verbrennungskammer in einem gewissenAusmaß zulässig ist.
    [0054] DieVerringerung der Porositätkann durch Auftragen einer Suspension, die solide Füllstoffein Form keramischen Pulvers und eines Keramikvorläufers inLösungumfasst, auf der Innenseite eines oder jedes betroffenen Teils undanschließendesUmwandeln des Vorläufersin keramischen Werkstoff erfolgen. Der Vorläufer kann ein Polymer sein,das vernetzt und dann durch Wärmebehandlungin Keramik umgewandelt wird. Beispielsweise kann man als Vorläufer einPolycarbosilan (PCS) oder Polytitanocarbosilan (PTCS) Vorläufer desSiC verwenden, das in einem Lösemittel,zum Beispiel Xylen in Lösunggegeben wird. Das keramische Pulver trägt dazu bei, ein effizientesFüllender Oberflächenporosität sicherzustellen.Man kann zum Beispiel ein SiC-Pulver verwenden.
    [0055] DieflüssigeZusammensetzung kann mit der Bürsteoder Pistole aufgetragen werden, wobei die Menge Lösemittelausgewähltwird, um ein leichtes Auftragen zu erlauben und das Eindringen derflüssigenZusammensetzung in die Oberflächenporosität zu begünstigen.
    [0056] Nachdem Auftragen der flüssigenZusammensetzung und Trocknen durch Eliminieren des Lösemittels,nimmt man das Vernetzen des Vorläuferpolymersund dann die Umwandlung in Keramik vor. Im Fall des PCS kann dasVernetzen zum Beispiel durch Anheben der Temperatur bis auf etwa350°C unddas Keramisieren durch Anheben der Temperatur bis auf etwa 900°C durchgeführt werden.
    [0057] Nachdem Keramisieren kann man eventuell ein Nachschneiden der Oberfläche desTeils vornehmen, um zu seiner ursprünglichen Geometrie zurückzukehren.
    [0058] DasDetail der 3 zeigt sehrschematisch das Füllender Porositäterzielt durch den Werkstoff 31, der den Keramisierungsrestund das keramische Pulver umfasst.
    [0059] Vorteilhafterweisekann das Füllender Porositätauch durch Bilden einer keramischen Ablagerung, zum Beispiel SiC,durch chemische Infiltration in Dampfphase ergänzt werden, was es erlaubt,eine gleichförmigeund kontinuierliche Beschichtung 32 zu erzielen, die aufdem Kompositwerkstoff verankert ist (3).
    [0060] Einesolche kontinuierliche Beschichtung trägt nicht nur zur Verringerungder Oberflächenporosität bei, siekann auch eine Reaktionsbarriere bilden, die eine Wechselwirkungzwischen einer metallischen Ablagerung, die anschließend gebildetwird, und Bestandteilen des Kompositwerkstoffs, insbesondere derFasern zur Verstärkung,wenn diese Fasern aus Kohlenstoff sind, vermeiden kann.
    [0061] 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'unepièceen matériaucomposite thermostructural et application au brasage de pièces enmatériaucomposite thermostructural" beschriebenist.
    [0062] Nachdem eventuellen Füllender Oberflächenporosität wie obenbeschrieben, wird eine metallische Beschichtung auf den Innenseitender Teile geformt.
    [0063] Diemetallische Beschichtung hat insbesondere eine Abdichtfunktion.Sie trägtvorteilhafterweise auch zur Verbindung zwischen den Teilen bei.
    [0064] Gemäß einerersten Ausführungsformdes Verfahrens umfasst die metallische Beschichtung eine erste Schicht 34 einesMetalls, das vorteilhafterweise eine Funktion der chemischen Reaktionsbarrieregegenüberdem darunter liegenden Werkstoff und/oder eine Funktion des Anpassenshat, und eine zweite metallische Schicht 35, die eine Fähigkeitzum Verbinden durch Warmpressen hat (4).
    [0065] Diezweite Schicht kann aus einem Metall bestehen, das aus Nickel, Kupfer,Eisen oder einer Legierung mindestens einer dieser ausgewählt wird. Nickel(Ni) oder eine Nickellegierung weisen die Vorteile einer guten Wärmeleitfähigkeit,einer guten Verbindungsfähigkeitdurch Warmpressen und einer hohen Schmelztemperatur auf, die beimVerbinden durch Warmpressen ein Übergehenin den flüssigen Zustandvermeidet.
    [0066] Dieerste Schicht kann aus einem Metall bestehen, das aus Rhenium, Molybdän, Wolframund Tantal ausgewähltwird. Bei einem Thermostruktur-Kompositwerkstoff mit SiC-Matrixund faseriger Verstärkungaus 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 Leitfähigkeit aufund hat eine hohe Schmelztemperatur, die bei der späteren Verbindungdurch Warmpressen vermeidet, dass ein Übergehen in den flüssigen Zustandauftritt. Rhenium hat außerdemeinen Dehnungskoeffizienten, der zwischen demjenigen von SiC undNi liegt, und bildet daher außerdemeine Schicht zur mechanischen Anpassung, wenn die zweite metallische Schichtzumindest teils aus Ni besteht.
    [0067] DieAblagerungen der ersten und der zweiten metallischen Schicht erfolgennacheinander. Es könnenbekannte Ablagerungsverfahren des Typs Abscheiden aus der Dampfphaseoder Plasmazerstäubenverwendet werden.
    [0068] Vordem Verbinden der Teile durch Warmpressen kann eine Metallfolie 36 (5) zwischen den Innenseitengegenüberden Teilen eingefügtwerden. Die Metallfolie legt sich im dargestellten Beispiel an dieInnenseite des Teils 10, die mit der metallischen Abdichtbeschichtungversehen ist. Die Folie 36 besteht vorzugsweise aus demgleichen Werkstoff wie die zweite metallische Schicht der metallischen Abdichtbeschichtung,also zum Beispiel aus Ni.
    [0069] DieGegenwart der Folie 36, deren Stärke zum Beispiel zwischen 0,05mm und 0,2 mm liegt, garantiert eine gute Abdichtung auf der Ebeneder Innenseite 11 des Teils 10, wenn eine absoluteDichtheit erforderlich ist. Das kann dann der Fall sein, wenn dieKühltafeleine Verbrennungskammerwand ist, die von einem Kraftstoff durchströmt wird,der als Kühlmittelwirkt, und wenn das Teil 10 der hintere Teil der Tafelist, das heißtder am weitesten von der Verbrennungskammer entfernte Teil.
    [0070] DieVerbindung der Teile untereinander, nach eventuellem Einfügen derFolie 36, wird durch Warmpressen ausgeführt. Dazu können bekannte Verfahren verwendenwerden, wie zum Beispiel das Fügevertahrendurch heißisostatischesPressen (auch als HIP – "Hot Isostatic Pressing" bekannt) oder einPressverfahren mit einer Warmpresse.
    [0071] DieVerbindung durch heißisostatisches Pressenerfolgt dadurch, dass die zusammenzufügenden Elemente gegeneinanderin eine Umschließunggegeben werden, wobei die Teile in einem dichten Mantel 37 (6) verkapselt werden. DieTemperatur und der Druck werden anschließend in der Umschließung imwesentlichen gleichförmigangehoben. Die Verbindung erfolgt durch gegenseitige Diffusion desMetalls zwischen den zwei metallischen Schichten der metallischenBeschichtungen oder zwischen diesen und der Metallfolie, wenn einesolche Folie eingefügtwurde. Der dichte Mantel, der die Teile einkapselt, besteht zumBeispiel aus einer Metallfolie 37, wie zum Beispiel einemFilm aus Niobium oder auch Nickel, aus Eisen oder einer Legierungdieser. Die Abdichtung des Mantels kann in an sich bekannter Weisedurch Schweißender Folie erfolgen, wobei diese aus mehreren untereinander verschweißten Teilenbestehen kann. Werkzeugelemente, wie zum Beispiel Graphitplatten 38, 39,könnenzwischen der Folie 37 und den Außenflächen der Teile 10, 20 eingefügt werden,um das Einprägendes Metalls der Folie 37 in diese Oberflächen infolgedes heißisostatischenPressens zu vermeiden, wenn die Gegenwart dieses Metalls auf diesenOberflächenfür dieKühltafelunerwünschtist.
    [0072] DieVerbindung durch Pressen mit der Presse erfolgt durch Anheben derTemperatur der zusammenzufügendenTeile und durch Pressen der Teile gegeneinander unter Druck aufihre Außenseitenin einer Presse.
    [0073] Derfür dasVerbinden durch Warmpressen verwendete Druck liegt zum Beispielzwischen 80 MPa und 120 MPa. Die Temperatur hängt von der Beschaffenheitder metallischen Schicht ab, die als Verbindung zwischen den Teilendient. Sie ist deutlich geringer als die Schmelztemperatur des Metallsdieser metallischen Schicht, typisch zwischen 60% und 80% dieserSchmelztemperatur.
    [0074] Fallsdie einander berührendenmetallischen Schichten aus Nickel bestehen, wird die Temperatur sowohlfür dieVerbindung durch heißisostatisches Pressenals auch fürdie Verbindung durch Pressen der Teile mit der Warmpresse insbesonderezwischen 900°Cund 1200°Cgewählt.
    [0075] 7 zeigt die erstellte Kühltafel 40.Zu bemerken ist, dass sich die Folie 36 als nützlich erweist, umdie totale Abdichtung der Seite der Innenseite des Teils 10 inden nicht durch das Warmpressen verbundenen Zonen zu garantieren.
    [0076] DasFehlen des Übergangsin den flüssigen Zustandder metallischen Beschichtungen bei der Verbindung durch Warmpressenerlaubt es den Beschichtungen, ihre Kontinuität zu wahren, und zwar auchauf den Wändender Kanäle 23.
    [0077] Beieiner zweiten Durchführungsformdes Verfahrens sind die Innenseiten der Teile 10 und 20 miteiner metallischen Beschichtung durch heißisostatisches Pressen nacheventuellem Füllender Oberflächenporosität wie weiteroben beschrieben versehen.
    [0078] Dazuwerden die Teile 10 und 20, wie in 8 gezeigt, in dichten metallischenMänteln 42, 44 verkapselt,die aus dem Metall gebildet sind, das ausgewählt wurde, um die metallischenBeschichtungen auf den Innenseiten 11, 12 zu bilden.Man verwendet ein Metall, das in Form von Folien in geringer Stärke, üblicherweisezwischen 0,1 und 0,5 mm, vorliegt. Das Metall muss auch schweißbar sein,um das dichte Kapseln der Teile zu erlauben, und zäh, um sich zumVerbinden durch heißisostatischesPressen zu eigenen.
    [0079] Dadie Kühltafelnormalerweise fürAnwendungen mit hoher Temperatur bestimmt ist, wählt man vorzugsweise ein feuerfestesMetall aus, zum Beispiel Niobium, Molybdän, Wolfram, Tantal oder Rhenium.
    [0080] Um,falls erwünscht,das Bilden der metallischen Beschichtungen auf die Innenseiten 11, 21 zu beschränken, können dieanderen Außenflächen der Teile 10, 20 mitWerkzeugelementen, wie zum Beispiel Graphitplatten 45, 46 und 47, 48 versehenwerden, die zwischen diese anderen Außenflächen und die Mäntel 42, 44 eingefügt werden.
    [0081] Diedamit gekapselten Teile 10, 20 werden in einerUmschließungaufgenommen, in der der Druck und die Temperatur allmählich soangehoben werden, dass die Verbindung durch heißisostatisches Pressen zwischenden Innenseiten 11, 22 und den Teilen Metallfolie,die sich gegenüberbefinden, erfolgt. Wie weiter oben angegeben, liegt der verwendeteDruck zum Beispiel zwischen 80 MPa und 120 MPa, und die Temperaturzum Beispiel zwischen 60% und 80% der Schmelztemperatur des Metalls derMäntel 42, 44.
    [0082] Beimisostatischen Warmpressen verformt sich die Folie des Mantels 44,um sich an die Form der Kanäle 23 zuschmiegen. Dadurch ergibt sich eine Verringerung der Stärke derFolie in den an den Wändender Kanäle 23 zusammengefügten Zonen.
    [0083] Umdiese Verringerung der Stärkeund das Auftreten eventueller Spannungen an den von den Kanten derKanäle 23 geformtenWinkeln zu vermeiden, kann man fürden Teil des Mantels 44, der sich gegenüber der Innenseite 21 desTeils 20 befindet, eine Folie verwenden, die so vorgeformtist, dass sie sich an die Hohlreliefs der Kanäle 23 schmiegt.
    [0084] Dieso auf ihren Innenseiten mit metallischen Beschichtungen 50, 52 versehenenTeile 10, 20 werden durch Verbinden zwischen ihrenInnenseiten zusammengefügt.
    [0085] DieVerbindung kann durch heißisostatischesPressen erfolgen. Man kann wie weiter oben beschrieben unter Bezugnahmeauf 6 vorgehen, indemman die gegeneinander gesetzten Teile in einem metallischen Mantel 54 (9), zum Beispiel aus Niobium,Nickel oder Eisen oder aus einer Folie aus einer Legierung dieserMetalle, verkapselt. Werkzeugelemente, wie zum Beispiel Graphitplatten 55, 56,könnenzwischen die Außenseitender Teile 10, 20 und den Mantel 54 eingefügt werden.
    [0086] EineMetallfolie, zum Beispiel aus Niobium, kann zwischen die metallischenBeschichtungen 50, 52 wie im Fall der 6 eingefügt werden.
    [0087] AlsVariante kann die Verbindung durch Warmpressen der Teile gegeneinanderin einer Presse erfolgen. Der Druck und Temperatur, die für das heißisostatischePressen oder Pressen mit der Warmpresse verwendet werden, können wieweiter oben festgelegt sein.
    [0088] 10 zeigt die erzielte Kühltafel 60,wobei die metallischen Beschichtungen 50, 52 zurAbdichtung der Kanäleund Verbindung zwischen den Teilen beitragen.
    [0089] Teile 10 und 20,die denen in der 1 dargestellten ähnlich sind,werden aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff C/SiC hergestellt, wobeidie Kanäleund Sammler durch Bearbeiten gebildet werden.
    [0090] EineVerringerung der Porositätder inneren Oberflächender Teile wird durch Auftragen einer Zusammensetzung auf die Oberfläche miteiner Bürste erreicht,wobei die Zusammensetzung ein SiC-Pulver mit mittlerer Granulometrievon etwa 9 Mikrometer in einer Lösungvon Polycarbosilan (PCS) in Xylen enthält.
    [0091] Nachdem Lufttrocknen werden ein Vernetzungsschritt des PCS bei etwa350°C unddann seine Umformung in SiC durch Anheben der Temperatur bis aufetwa 900°Cvorgenommen.
    [0092] Einedünne SiC-Beschichtungmit einer Stärkevon etwa gleich 100 Mikrometer wird danach durch chemische Infiltrationin Dampfphase aufgebracht, wobei diese Beschichtung auf der gesamten Außenoberfläche derTeile 10, 20 und nicht nur auf der Ebene der Innenseitender Teile ausgebildet wird. Kombiniert mit dem Keramisierungsrestdes PCS verbunden mit den SiC-Pulvern, trägt die SiC-Beschichtung dazu bei, eine effizienteVerringerung der Porositätzu gewährleisten.
    [0093] MetallischeAblagerungen von Rhenium und dann Nickel werden nacheinander durchAbscheiden aus der Dampfphase auf den inneren Oberflächen derTeile gebildet, wobei die metallischen Ablagerungen jeweils eineStärkevon etwa 50 Mikrometer haben.
    [0094] DieVerbindung der Teile wird durch heißisostatisches Pressen ausgeführt. Dazuwerden die Teile mit ihren Innenseiten aneinander gelegt und ineiner Niobiumfolie mit einer Stärkegleich 0,5 mm mit Einfügenvon Graphitplatten zwischen den Außenflächen der Teile und der Niobiumfolieverkapselt. Das heißisostatischePressen erfolgt unter einem Druck von etwa 90 MPa und bei einerTemperatur von etwa 1 000°C.
    [0095] Durchgeführte Testshaben eine gute Abdichtung der Wändeder Kanäleund eine gute Qualitätder Verbindung zwischen den Teilen aufgezeigt, wobei die Bruchfestigkeitauf der Ebene der Verbindung etwa 70 MPa unter Scheren und 30 MPaunter Zug beträgt
    权利要求:
    Claims (21)
    [1] Verfahren zum Herstellen einer aktiven Kühltafel,mit folgenden Schritten: – Bereitstelleneines ersten Teils (20) aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff,das eine Innenseite (21) hat, die Hohlreliefs aufweist,die Kanäle(23) bilden, – Bildeneiner metallischen Beschichtung (34–35; 52) aufder Seite (21) des ersten Teils, – Bereitstellen eines zweitenTeils (10) aus Thermostruktur-Kompositwerkstoff, das eineInnenseite (11) hat, die dazu bestimmt ist, auf die Innenseite(21) des ersten Teils (20) gelegt zu werden, – Bildeneiner metallischen Beschichtung (34–35; 50) aufder Innenseite (11) des zweiten Teils (10) und – Zusammenfügen desersten und des zweiten Teil miteinander durch Verbinden der Innenseitenuntereinander derart, dass eine Kühltafel aus Thermostruktur-Kompositwerkstoffmit eingebauten Zirkulationskanälenerzielt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass dieTeile (10, 20) durch Verbinden zwischen den Innenseiten(11, 21) durch Warmpressen zusammengefügt werden.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Verbindung durch heißisostatischesPressen hergestellt wird.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Verbindung durch Pressen der Teile mit der Warmpresse hergestelltwird.
    [4] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass zur Verbindung durch Warmpressen zumindest ein Teil der metallischen Beschichtungenverwendet wird, die auf den Innenseiten des ersten und des zweitenTeils geformt sind.
    [5] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass zur Verbindung durch Warmpressen eine metallische Folie (36)zwischen die Innenseiten (11, 21) der Teile (10, 20)eingefügt wird,die mit einer metallischen Beschichtung versehen sind.
    [6] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass das Bilden der metallischen Beschichtungen das Bilden einerersten und einer zweiten übereinanderliegendenAblagerung (34–35)umfasst, – wobeidie erste Ablagerung (34) eine Reaktionsbarrierenfunktionzwischen den Bestandteilen des Thermostruktur-Kompositwerkstoffsund/oder die zweite Ablagerung eine Anpassungsfunktion hat und – wobeidie zweite Ablagerung (35) an der Verbindung zwischen denTeilen durch Warmpressen beteiligt ist.
    [7] Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,dass die erste Ablagerung (34) aus Rhenium, Molybdän, Wolfram,Niobium oder Tantal besteht.
    [8] Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das erste unddas zweite zusammenzufügendeTeil aus Kompositwerkstoff bestehen, der Silizium enthält, dadurchgekennzeichnet, dass die erste Ablagerung aus Rhenium besteht.
    [9] Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass das Metall der metallischen Schicht (35), das dieVerbindung durch Warmpressen erlaubt, Nickel, Kupfer, Eisen oder eineLegierung mindestens eines dieser Metalle ist.
    [10] Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass das Metall, das die Verbindung durch Warmpressen erlaubt, Nickeloder eine Legierung auf Nickelbasis ist.
    [11] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass die metallische Beschichtung (34–35) zumindest teilweisedurch Abscheiden aus der Dampfphase gebildet wird.
    [12] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,dass die metallische Beschichtung (34–35) zumindest teilweisedurch Plasmazerstäubengebildet wird.
    [13] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass die Innenseiten (11–21) der Teile (10, 20)durch heißisostatisches Pressenmit einer Metallfolie (42, 44) mit einer metallischenBeschichtung versehen werden.
    [14] Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,dass das erste Teil (20) mit einer Metallfolie zusammengefügt wird,die zuvor so geformt wurde, daß siesich an die Hohlreliefs der Innenseite des ersten Teils schmiegt.
    [15] Verfahren nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet,dass die Folie (42, 44), die die metallische Beschichtungbildet, aus Niobium, Molybdän,Wolfram, Tantal oder Rhenium besteht.
    [16] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,dass vor dem Bilden der metallischen Beschichtung auf den Innenseiten (11, 21)der zusammenzufügendenTeile (10, 20) eine Behandlung zur Verringerungder Oberflächenporosität des Thermostruktur-Kompositwerkstoffsauf der Ebene mindestens einer der Innenseiten durchgeführt wird.
    [17] Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,dass die Behandlung zum Verringern der Porosität die folgenden Schritte umfasst: – Auftrageneiner Suspension auf der Oberfläche mindestenseiner der Innenseiten der zusammenzufügenden Teile (10, 20)umfasst, wobei die Suspension ein keramisches Pulver und einen Vorläufer von keramischemWerkstoff in Lösungenthält, – Umwandelndes Vorläufersin keramischen Werkstoff.
    [18] Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,dass der Vorläufervon keramischem Werkstoff ein Polymer ist, das vernetzt ist unddurch Wärmebehandlungin Keramik umgewandelt wird.
    [19] Verfahren nach einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet,dass nach dem Umwandeln des Vorläufersin keramischen Werkstoff und vor dem Bilden der metallischen Beschichtung einekeramische Ablagerung (32) durch Abscheiden oder chemischeInfiltration in Dampfphase auf der Ebene der Innenseiten der zusammenzufügenden Teilegebildet wird.
    [20] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet,dass die zusammenzufügendenTeile (10, 20) aus Kompositwerkstoff mit Keramikmatrixbestehen.
    [21] Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,dass die zusammenzufügendenTeile (10, 20) aus keramischem Werkstoff mit einerMatrix bestehen, die zumindest teilweise aus Siliziumkarbid besteht.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    FR2850741A1|2004-08-06|
    CA2456402A1|2004-07-30|
    FR2850741B1|2005-09-23|
    JP2004233044A|2004-08-19|
    AT501341A1|2006-08-15|
    AT501341B1|2007-10-15|
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-06-02| 8181| Inventor (new situation)|Inventor name: BOUQUET, CLEMENT, BORDEAUX, FR Inventor name: LARRIEU, JEAN MICHEL, MACAU, FR Inventor name: THEBAULT, JACQUES, BORDEAUX, FR Inventor name: UHRIG, GILLES, PYLA SUR MER, FR |
    2006-07-06| 8128| New person/name/address of the agent|Representative=s name: CBDL PATENTANWäLTE, 47051 DUISBURG |
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