Способ нанесения покрытия и коллектор ракетного двигателя с таким покрытием

Способ нанесения покрытия и коллектор ракетного двигателя с таким покрытием

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу нанесения медного покрытия на поверхности подложки, в частности на коллектор, предназначенный для использования в ракетном двигателе.

Уровень техники

В конструкцию камеры ракетного двигателя входят два коллектора, через которые подается и распределяется топливо (как правило, жидкий водород) в камеру сгорания. Один из этих коллекторов обычно расположен в непосредственной близости к узлу форсунки, где происходит смешивание и воспламенение топлива и окислителя (как правило, жидкий кислород). Оба коллектора выполнены из высокопрочной нержавеющей стали, благодаря чему они выдерживают воздействие криогенного топлива высокого давления. Тот коллектор, который расположен рядом с форсункой, может подвергаться воздействию газообразных продуктов горения с очень высокой температурой. Поэтому для этого коллектора требуется активное охлаждение на его поверхности, расположенной ближе всего к форсунке.

Предпринимались многочисленные попытки нанести на эту поверхность коллектора гальваническим путем чистую медь, чтобы обеспечить подвод хладагента через зазор на поверхность форсунки. Однако далее коллектор подвергался пайке твердым припоем при высоких температурах, что в прошлом приводило к вспучиванию меди. Покрытие с толщиной более нескольких тысячных долей дюйма (1 дюйм - 25,4 мм) очень подвержено вспучиванию при воздействии высокой температуры из-за расширения попавших под него растворов/загрязнений.

Для нанесения гальванического покрытия необходимо погрузить деталь в кислоты и растворы электролита на длительное время для наращивания толстого слоя на поверхности детали. На значительную часть поверхности требуется нанесение маскирующего покрытия. Деталь не всегда можно подвергать воздействию кислот, в результате которого может снизится ее выносливость. Другим недостатком является то, что время нарастания слоя измеряется днями.

Другой технологией, используемой для нанесения облегающего деталь покрытия, является термическое распыление. Для осуществления термического распыления необходимо подвергнуть деталь местному воздействию очень высоких температур. Допустимый уровень подобных воздействий на детали, чувствительные к нагреву и обладающие жесткими допусками на размеры (термические деформации), очень ограничен. При расплавлении и затвердевании на воздухе в процессе термического распыления обычно образуются оксиды. Оксиды значительно снижают пластичность покрытия и с трудом снимаются. Возможно применение вакуумных установок, но они очень дороги и сложны в эксплуатации.

Таким образом, существует необходимость в создании усовершенствованного способа нанесения медного покрытия на поверхность коллектора, используемого в ракетном двигателе.

Раскрытие изобретения

Соответственно задачей настоящего изобретения является обеспечение нанесения на подложку медного покрытия, которое не вспучивается после проведения пайки при высокой температуре. Вышеприведенная задача достигается всеми признаками, приведенными в формуле настоящего изобретения.

В соответствии с настоящим изобретением предложен способ нанесения материала покрытия на подложку, в котором формируют покрытие на по крайней мере одной поверхности подложки посредством подачи через сопло распылителя частиц металлического порошка, имеющих размер в интервале от размера, достаточного для предотвращения сдувания с подложки фронтом ударной волны, до 50 мкм, причем упомянутые частицы пропускают сквозь сопло распылителя со скоростью, достаточной для возникновения пластической деформации частиц металлического порошка на по крайней мере одной поверхности упомянутой подложки, причем несущий газ подают в упомянутое сопло с расходом от 0,028 до 1415,84 дм³/мин.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения используют частицы металлического порошка размером от 5 до 50 мкм, выбранные из группы, включающей частицы сплава меди, частицы сплава алюминия и частицы сплава никеля.

Упомянутые частицы металлического порошка подают в сопло со скоростью от 10 до 100 г/мин, а более предпочтительно от 18 до 50 г/мин и при давлении от 1724 до 3448 кПа с использованием несущего газа, выбранного из группы, включающей гелий, азот и их смеси.

В качестве несущего газа, например, может быть использован гелий, который подают в упомянутое сопло с расходом от 283,17 до 991,10 дм³/мин, или азот, который подают в упомянутое сопло с расходом от 0,028 до 849,50 дм³/мин или от 113,27 до 283,17 дм³/мин.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения упомянутое покрытие формируют посредством подачи частиц металлического порошка через сопло с использованием основного газа, выбранного из группы, включающей гелий, азот и их смеси, при температуре основного газа в интервале от 315,6°С до 648,9°С и давлении в распылителе от 1379 до 2413 кПа, в частности, от 1724 до 2413 кПа. В этом случае упомянутый основной газ также может быт представлен гелием, который подают в упомянутое сопло с расходом от 424,75 до 991,10 дм³/мин, или азотом, который подают в упомянутое сопло с расходом от 0,028 до 849,50 дм³/мин, в частности от 113,27 до 849,50 дм³/мин.

Упомянутая подложка может представлять собой коллектор ракетного двигателя, выполненный из нержавеющей стали, а при формировании покрытия формируют слой медного сплава на наружной и/или на внутренней поверхности упомянутого коллектора. В этом случае формируют слой медного сплава, имеющий толщину в интервале от 0,025 до 0,762 мм, за один проход упомянутого сопла над упомянутой наружной и/или внутренней поверхностью.

При осуществлении способа упомянутое сопло поддерживают на расстоянии от 10 до 50 мм от поверхности, на которую наносится покрытие.

Настоящее изобретения также относится к коллектору ракетного двигателя, имеющему на по крайней мере одной поверхности покрытие из содержащего медь материала, нанесенное посредством описанного выше способа.

Другие подробности, касающиеся холодного распыления меди, используемого для последней ступени ракетных двигателей, а также другие его задачи и преимущества приведены в нижеследующем подробном описании и приложенном чертеже.

На чертеже схематически представлена распылительная форсунка, применяемая для нанесения покрытия на поверхности коллектора, используемого в ракетном двигателе.

Осуществление изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предложен способ для формирования покрытия на наружной и/или внутренней поверхностях подложки (основы) 10, например коллектора, выполненного из сплава металла, например нержавеющей стали, используемого в ракетном двигателе. Способ представляет собой холодное газодинамическое распыление (или "холодное распыление"). В этом процессе мелкий металлический порошок разгоняется до сверхзвуковых скоростей посредством сжатого газа, например гелия или азота. В этом процессе гелий более предпочтителен для использования благодаря его низкой молекулярной массе и обеспечивает получение максимальной величины отношения скорости к стоимости газа. Порошок, используемый для образования покрытия, представляет собой частицы металла размером от 5 до 50 мкм. Обычно применяемые в термическом распылении порошки слишком крупны для холодного распыления. При использовании более мелких частиц, имеющих указанные выше размеры, можно достичь более высоких скоростей частиц. При размерах частиц менее 5 мкм частицы порошка сметает с подложки фронтом ударной волны непосредственно над подложкой (масса частиц недостаточна для прохождения сквозь фронт ударной волны). Чем уже интервал, в котором находятся размеры частиц, тем ближе их скорость к необходимой. Это обусловлено тем, что при наличии частиц большого и малого размеров (би-модальность) при соударениях мелких частиц с крупными, более медленными, существенно снижается скорость и тех и других.

Адгезионный механизм, используемый в способе в соответствии с настоящим изобретением для превращения металлического порошка в покрытие, является сугубо твердотельным, то есть частицы подвергаются пластической деформации. Любой образующийся слой оксида разрушается и под действием очень высоких давлений возникает новая связь "металл-металл".

Используемые для создания покрытия порошки подаются с помощью модифицированного питателя установки термического распыления. Сложность использования стандартных установок обусловлена малым размером частиц и высокими давлениями. Специально разработанный питатель, пригодный для использования, производится компанией Powder Feed Dynamics из Кливленда, штат Огайо, США. Этот питатель снабжен подающим механизмом шнекового типа. Также могут быть использованы питатели с кипящим слоем и питатели с бочкообразными вальцами и с угловой прорезью.

В способе в соответствии с настоящим изобретением в питатели под давлением подается азот либо гелий. Давление в питателе обычно слегка выше давления основного газа или давления на выходе компрессора, причем давление на выходе компрессора обычно составляет от 250 до 500 фунт-сила/кв.дюйм (от 1724 до 3448 кПа) в зависимости от состава порошка сплава. Основной газ нагревается. Температура газа обычно составляет от 300°F до 1200°F (от 148,9°C до 648,9°C), но может доходить приблизительно до 1250°F (676,7°С), в зависимости от того, какой материал наносится на подложку. Газ нагревается для того, чтобы предотвратить его быстрое охлаждение и замораживание при расширении на выходе горловины сопла. В результате этого в процессе нанесения покрытия температура подложки составляет около 115°F (46,1°C) и таким образом получается холодное распыление, а не горячее распыление.

Для создания покрытия на подложке 10 сопло 20 распылителя 22 должно пройти над поверхностью(ями) 24 и 26 подложки 10 более одного раза. Необходимое количество проходов зависит от толщины покрытия, которое требуется нанести. Посредством способа в соответствии с настоящим изобретением за один проход можно наносить покрытие 28 толщиной 2-30 тысячных дюйма (0,051-0,762 мм). Если необходимо нанести толстый слой, распылитель 22 можно держать неподвижно и толщина слоя наносимого покрытия может составлять 2-3 дюйма (50,8-76,2 мм). При нанесении слоя покрытия следует ограничивать толщину, наносимую за проход, чтобы предотвратить быстрое накопление остаточных напряжений и нежелательного ослабления сцепления между слоями покрытия. Оптимальной толщиной слоя, наносимого за проход, считается 5 тысячных дюйма (0,127 мм).

Было установлено, что если необходимо нанести покрытие 28 из меди или сплава меди на подложку 10, например коллектор из нержавеющей стали, следует использовать медный порошок с размером частиц до 50 мкм, причем в предпочтительном варианте выполнения размер частиц должен быть в интервале от 5 мкм до 30 мкм. Основной газ может проходить сквозь сопло 20 через впускные отверстия 30 и/или 32 с расходом от 0,001 SCFM (стандартный кубический фут в минуту) до 50 SCFM (от 0,028 до 1415,84 дм³/мин), а в предпочтительном варианте выполнения в интервале от 15 до 35 SCFM (от 424,75 до 991,10 дм³/мин), в том случае, если в качестве основного газа используется гелий. Если в качестве основного газа используется азот, либо сам по себе, либо в комбинации с гелием, азот может пропускаться через сопло 20 с расходом от 0,001 до 30 SCFM (от 0,028 до 849,50 дм³/мин), а в предпочтительном варианте выполнения от 4,0 до 30 SCFM (от 113,27 до 849,50 дм³/мин). Температура основного газа может составлять от 600°F до 1200°F (от 315,6°С до 648,9°С). Давление в распылителе 22 может составлять от 200 до 350 фунт-сила/кв.дюйм (от 1379 до 2413 кПа), а в предпочтительном варианте выполнения от 250 до 350 фунт-сила/кв.дюйм (от 1724 до 2413 кПа). Медный порошок может подаваться в распылитель по линии 34 со скоростью от 10 до 100 г/мин, в предпочтительном варианте выполнения от 18 до 50 г/мин. В предпочтительном варианте выполнения для подачи порошка используется несущий газ, вводимый через впускные отверстия 30 и/или 32, расход которого составляет для гелия от 0,001 до 50 SCFM (от 0,028 до 1415,84 дм³/мин), в предпочтительном варианте от 10 до 35 SCFM (от 283,17 до 991,10 дм³/мин), и от 0,001 до 30 SCFM (от 0,028 до 849,50 дм³/мин), в предпочтительном варианте от 4,0 до 10 SCFM (от 113,27 до 283,17 дм³/мин), для азота. В предпочтительном варианте выполнения сопло 20 распылителя располагается на определенном расстоянии от поверхности(ей) 24 или 26 покрываемой подложки 10. Это расстояние называется радиусом распыления. В предпочтительном варианте выполнения радиус распыления находится в интервале от 10 до 50 мм. Толщина наносимого покрытия на один проход может составлять от 0,001 до 0,030 дюйма (от 0,025 до 0,762 мм).

Хотя настоящее изобретение было описано применительно к нанесению медного порошка, способ в соответствии с настоящим изобретением может быть использован для нанесения покрытия из алюминиевого или никелевого сплава. Чем тверже сплав, тем более высокие параметры необходимы для достижения плотности, получаемой при распылении более мягких сплавов. Интервалы приведенных выше параметров, требующиеся для нанесения медного покрытия, также подходят для нанесения алюминиевого или никелевого покрытия. Например, покрытие из алюминиевого сплава может наноситься при давлении на выходе распылителя 300 фунт-сила/кв.дюйм (2068 кПа), температуре газа 6800°F (3760°C), скорости подачи порошка 21 г/мин, расходе несущего газа 13 SCFM (386,12 дм³/мин) для гелия, и расходе главного газа (гелия) 34 SCFM (962,77 дм³/мин).

Преимуществом способа в соответствии с настоящим изобретением является отказ от продолжительного и экологически вредного процесса нанесения покрытия. Способ по изобретению занимает значительно меньше времени, чем другие способы нанесения покрытий, которые часто могут продолжаться неделями.

Способ в соответствии с настоящим изобретением особенно подходит для нанесения толстого медного покрытия, толщиной более 0,050 дюйма (1,27 мм), на внутренние и внешние поверхности коллектора из нержавеющей стали, используемого в ракетных двигателях.

Было установлено, что покрытия, образуемые на подложках из нержавеющей стали в соответствии с настоящим изобретением, могут подвергаться циклическим тепловым воздействиям, например, воздействию при температуре 1800°F (982,2°С) без вспучивания и отслаивания. Далее, покрытия могут выдерживать ударные криогенные воздействия и циклические тепловые воздействия без нарушения адгезии и нарушения целостности покрытия. Более того, покрытия не вспучиваются и не отслаиваются.

Очевидно, что в соответствии с настоящим изобретением может быть обеспечено медное покрытие холодного распыления для ракетных двигателей верхних ступеней в соответствии с задачами, средствами и преимуществами, сформулированными выше. Несмотря на то что настоящее изобретение было описано в контексте конкретного варианта его выполнения, для специалистов, ознакомившихся с приведенным описанием, будут очевидны и другие варианты, модификации и изменения.

Соответственно предполагается, что изобретение охватывает все те варианты, модификации и изменения, которые попадают в область притязаний приложенной формулы.

1. Способ нанесения материала покрытия на подложку, в котором формируют покрытие на по крайней мере одной поверхности подложки посредством подачи через сопло распылителя частиц металлического порошка, имеющих размер в интервале от размера, достаточного для предотвращения сдувания с подложки фронтом ударной волны, до 50 мкм, причем упомянутые частицы пропускают сквозь сопло распылителя со скоростью, достаточной для возникновения пластической деформации частиц металлического порошка на по крайней мере одной поверхности упомянутой подложки, отличающийся тем, что несущий газ подают в упомянутое сопло с расходом от 0,028 до 1415,84 дм³/мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют частицы металлического порошка размером от 5 до 50 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют частицы металлического порошка, выбранные из группы, включающей частицы сплава меди, частицы сплава алюминия и частицы сплава никеля.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутые частицы металлического порошка подают в упомянутое сопло со скоростью от 10 до 100 г/мин и при давлении от 1724 до 3448 кПа с использованием несущего газа, выбранного из группы, включающей гелий, азот и их смеси.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что упомянутые частицы металлического порошка подают в упомянутое сопло со скоростью от 18 до 50 г/мин.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве несущего газа используют гелий, который подают в упомянутое сопло с расходом от 283,17 до 991,10 дм³/мин.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве несущего газа используют азот, который подают в упомянутое сопло с расходом от 0,028 до 849,50 дм³/мин.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве несущего газа используют азот, который подают в упомянутое сопло с расходом от 113,27 до 283,17 дм³/мин.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутое покрытие формируют посредством подачи упомянутых частиц металлического порошка через упомянутое сопло с использованием основного газа, выбранного из группы, включающей гелий, азот и их смеси, при температуре основного газа в интервале от 315,6 до 648,9°С и давлении в распылителе от 1379 до 2413 кПа.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что упомянутые частицы металлического порошка пропускают сквозь упомянутое сопло при давлении в распылителе от 1724 до 2413 кПа.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что упомянутый основной газ представляет собой гелий, который подают в упомянутое сопло с расходом от 424,75 до 991,10 дм³/мин.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что упомянутый основной газ представляет собой азот, который подают в упомянутое сопло с расходом от 0,028 до 849,50 дм³/мин.

13. Способ по п.9, отличающийся тем, что упомянутый основной газ представляет собой азот, который подают в упомянутое сопло с расходом от 113,27 до 849,50 дм³/мин.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая подложка представляет собой коллектор ракетного двигателя, выполненный из нержавеющей стали, а при формировании покрытия формируют слой медного сплава на наружной и/или на внутренней поверхности упомянутого коллектора.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что формируют слой медного сплава, имеющий толщину в интервале от 0,025 до 0,762 мм, за один проход упомянутого сопла над упомянутой наружной и/или внутренней поверхностью.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутое сопло поддерживают на расстоянии от 10 до 50 мм от поверхности, на которую наносится покрытие.

17. Применение способа по п.1 для нанесения материала покрытия на коллектор ракетного двигателя.

Приоритет по пунктам и признакам:

18.10.2002 - все пункты формулы, кроме признаков «частицы сплава алюминия и частицы сплава никеля»;

29.09.2003 - признак «частицы сплава алюминия и частицы сплава никеля».