JPS6324042B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 技術分野 本発明は、液体ロケツトエンジン燃焼室、特に
溝構造の冷却壁を有する燃焼室の外筒に好適な製
造方法に関するものである。

(ロ) 従来技術とその問題点 近年液体水素や、液体酸素を用いる液体ロケツ
トエンジンの燃焼圧が増大するのに伴い、燃焼室
の冷却部設計が最も重要な課題となつている。

通常この燃焼室は第１図に示すように、銅製の
燃焼器に矩形状の溝状の冷却路をもつ構造になつ
ている。このような液体ロケツトの溝構造冷却壁
をもつ燃焼室は次のような方法で作られていた。

即ち、熱伝導性のよい銅もしくは銅合金製の円
筒に、第２図に示すような燃焼室の軸方向の溝２
を機械加工によつて形成せしめる。次にこの溝部
の外側に第２図の３に示すような外筒をとりつけ
る。この時、冷却溝２に悪影響を与えないで、内
筒１と外筒３を強力に接合しなければならない。
このために、溝を有する内筒導電性の充填材を
溝に詰めた後、電気メツキする電鋳法、機械加
工した２つ割の外筒を拡散接合する方法、銅粉
末を圧縮成形後、焼結する粉末冶金法などの方法
が採用されていた。

しかしながら、電鋳法はニツケルを電気メツキ
によつて外筒を形成さすため、電気分解反応に長
時間を要し、かつ接合部が異種材料であるため、
接合強度が弱い等の問題がある。また拡散接合法
では接合面の精度が不充分であるなどの問題点が
ある。

一方、粉末冶金法は溝の充填材としてパラフイ
ンワツクス、或いはパラフインワツクスへAl₂O₃
や金属粉末を混入させたものを使用していたた
め、静水圧成形装置で周囲の充填銅粉末層を圧縮
成形した時、パラフインワツクスが変形したり、
ワツクス面が沈降するため、溝の断面形状が変形
したり、溝上蓋面での表面粗さが大きく、高速で
冷却剤を流す場合に過大な摩擦圧損を引き起すな
どの好ましくない問題があつた。

また、燃焼器の内筒周囲に、金属粉末を圧縮成
形する工程では、内筒内側にもモールドを必要と
し、そのモールドの作製が難しく、さらに圧粉体
焼結後においても、どうしても連通気孔が残り冷
却剤のリーク防止のため、通気性のない真密度に
近い焼結層を作る必要がある。このため高圧力で
成形体密度の高い銅粉末圧縮成形体層をつくり焼
結などによつて真密度を有する銅層をつくつた
り、その銅層を厚くしたりせねばならず、その製
造方法、条件が厳しいものになる欠点がある。

焼結体の密度を真密度とするためには静水圧成
形時の圧力を高め、かつ高温で焼結する必要があ
るが、内筒が銅であるために、あまり高温で焼結
することもできない。

また、銅粉末焼結体の強度は低いので、厚くす
ると自重が重くなるといつた問題があつた。

(ハ) 発明の開示 本願は、粉末冶金法によるロケツト燃焼器外筒
製作法に関するものである。

即ち、冷却剤のリークを防ぎ、軽量でかつ強度
の高い燃焼器外筒を提供するものである。

本願の要旨とする所は、銅製内筒の外周部に形
成された溝部に、ウツドメタルを溶融、充填し、
固化した後余分なウツドメタルを機械加工によつ
て除去すると共に、該内筒の内側には中子を配置
し、外周部には静水圧成形法によつて銅粉末圧縮
成形体層を作製し、残留するウツドメタルを加熱
除去した後焼結し、その外周部にNi電鋳するこ
とによつてロケツト燃焼器外筒を製作することに
ある。

また、銅製内筒の外筒部に形成された溝部に、
ウツドメタルを溶融、充填し、固化した後余分な
ウツドメタルを機械加工によつて除去すると共
に、該内筒の内側には中子を配置し、外周部には
静水圧成形法によつて第１層として銅粉末圧縮成
形体層、さらに１層以上の粉末圧縮成形体層を作
製し、残留するウツドメタルを加熱除去し、焼結
した後HIP焼結することによつてロケツト燃焼器
外筒を製作することにある。

第１層目の粉末焼結体層は、銅粉末、銅粉末と
５〜10重量％の銀粉末よりなる混合粉末、または
３〜10μmのAgメツキ層を有する銅粉末を焼結す
ることによつて得ることができる。

このような組成の層は、内筒を構成する無酸素
銅との接合強度が高くなるので望ましい。

第２の層は、銅粉末とニツケル基超合金粉末の
混合粉末を焼結することによつて得ることができ
る。このような組成の層は第１層との接合強度が
高いものとなる。

第３層は、熱可塑性のニツケル基超合金粉を焼
結することによつて形成することができる。

これらの層の種類及び厚さは、ロケツト燃焼器
の使用目的に応じて適宜選択できるものであり、
例えば繰り返し使用する場合には熱疲労の少い組
み合わせで上記第１層のみを粉末圧縮成形体層と
することもできるし、また高燃焼圧を得るために
はニツケル基超合金粉を使用することもできる。

本願で言うウツドメタルは、50〜200℃に融点
をもつものが利用でき、例えば株式会社大阪アサ
ヒメタル工場製のＵアロイ47〜183等を利用する
ことができる。

次に、本発明による燃焼器外筒の製造法につい
て述べる。

無酸素銅製の中空円筒を数値制御による切削機
械加工によつて、図３―Ａに示すような溝構造を
有する内筒に加工する。そして充填材ウツドメタ
ルを溶解し、溝および内筒内部に中子として注型
した後、再び機械加工によつて余分なウツドメタ
ルを除いて図３―Ｂに示すような形状に仕上げ
る。又は溝にウツドメタルを充填し別途、内筒内
部に金属中子を挿入しても良い。この時燃焼器の
形状によつては分割された金属製中子を使うこと
もできる。ウツドメタルを充填する方法は溶融し
たウツドメタルへ内筒を浸漬してそのまま凝固さ
せる方法でもよい。又、引巣や気泡などの鋳造欠
陥をのぞいたり、湯回りをよくするために鋳造後
ガス加圧（〜８Kgｆ／cm²）し、静水圧成形時の収
縮や変形を防ぐこともできる。

次にウツドメタル充填材を溝および内筒の内側
に充填した銅内筒を第３図―Ｃに示すように円筒
形モールドの中に置き、モールドと銅内筒の隙間
に銅粉を充填する。

使用する銅粉は成形性・圧縮性のよい−
250meshの電解銅粉がよい。充填する際モールド
振動を与えながら充填したり、真空装置でモール
ド内部の空気を除く脱気処理を加えたりしてその
充填密度やその均一化をはかると成形・焼結後の
強度・特性が改善され、そのバラツキもすくなく
なり品質が安定する。続いて静水圧成形によつて
粉末充填層を圧縮成形する。成形圧力は1ton／cm²
〜3ton／cm²が望ましい。充填方法、脱気処理、粉
末粒度等によつて成形密度は変化するが、静水圧
成形密度が理論密度の約70％以上であることが望
ましい。これ以下であると焼結によつて理論密度
の90％以上の密度を得る焼結条件が狭く限定され
てくるからである。また焼結後の密度が90％以下
と低い場合には強度が不足し、使用に耐えること
ができない。このような条件で静水圧成形した
後、銅粉末充填するのと同様に第２層、第３層を
順次形成することができる。次に成形体からウツ
ドメタル充填剤を除去するために低温〜250℃で
加熱保持してウツドメタルを溶融して溝および中
子からとり除く。この際、銅が酸化しない雰囲気
でおこなうこと、例えばH₂中、真空Arガス雰囲
気等、が重要である。その後、高温度で焼結を行
なう。焼結温度は850〜950℃、焼結時間は30分〜
2Hr雰囲気は真空中、Arガス、H₂ガス中などで
行うのが一般的である。粉末充填層が銅単層、
Ni基超合金との２層、３層構造の各場合によつ
て焼結条件は異なつてくるが、焼結密度が90％以
上であることが先にも記したように重要である。
このような密度の焼結体はHIP焼結する上でも大
変重要なのである。即ち、HIP焼結する場合に
Canningすると、大変複雑な工程になるのである
が、これがない場合には、比較的簡単な工程とな
る。そうして焼結密度が90％以下の場合には、
open poreが残留しCanningを必要とするのであ
る。

このため、焼結体密度が90％以上になるような
焼結条件を選ぶことが必要である。充填剤のウツ
ドメタルはその構成々分の配合により、その溶融
開始点を約50〜200℃まで調整できうるが、溝の
銅と濡れ性、硬度などによつて最適なウツドメタ
ルを選定すべきである。又ウツドメタル除去と焼
結は同一の炉で連続的に行つてもよいが、ウツド
メタルは低融点合金からなり、その蒸気圧も高い
ので別々に行なう方が好ましい。又は該第２層、
３層構造の製造方法においては、金属粉による外
筒を圧縮成形する工程に先立ち、基底の銅層の通
気性を無くすために、溝にウツドメタルを充填
後、内筒の周囲にCuメツキ殻を施こす方法も有
効である。又Cuメツキの代りにより薄いAg，Sn
等のメツキ層を施こす方法によつても同様な効果
をえることができる。

図４―Ａに示すように焼結終了後、外筒の強度
を補強するためにNi電鋳法でNiメツキし最後に
機械加工によつて所定の厚さに仕上げ、外筒を完
成する。２層，３層構造の場合は焼結後にHIP焼
結することによつて銅層、Ni混合層ともに真密
度まであげる。図４―Ｂ，Ｃに２層、３層構造の
例を示す。

上記工程中で銅層、Ni基超合金と銅との混合
層、熱可塑性Ni基超合金の３層構造からなる場
合、２層目のNi基超合金は一般のガスアトマイ
ズ・真空アトマイズ法でつくられた球状Ni基超
合金粉末を使用する。例えば、Rene95、IN100、
Astroloy Merl76などの粉末である。第３層目の
熱可塑性超合金粉は上記のNi基超合金粉を圧延
ロールアトライター、ボールミルなどで予歪を与
えることによつて従来のHIP焼結温度より低温で
かつ低圧力で真密度まで容易に緻密化できるよう
にした粉末である。これによつて950℃前後の従
来の超合金のHIP焼結温度よりも低温度で焼結す
ることができ、第１層，第２層，第３層を同時に
緻密化することができる。即ち、２層以上の粉末
圧縮成形体層を有するロケツト燃焼金属外筒にお
いてはHIP焼結の効果が大変大きいのである。

単独に球状の超合金粉を充填したのみでは、静
水圧成形はできないので、熱可塑性合金粉末をつ
かつて静水圧成形法と、HIP焼結温度の調整をは
かる必要がある。

また焼結過程や、HIP焼結過程での変形防止の
ために、内筒の中に中子を入れて焼結することも
できる。

実施例 １ 無酸素銅から切削により、全長3000mm両端の外
径が800，900mmで肉厚10mmの内筒を作製し、次に
４mm×４mmの矩形状の溝を第２図のように作製し
た。これを100℃に加熱溶融したウツドメタル
（Ｕアロイ70）の浴中に浸漬したままで室温まで
冷却した。これを機械加工により余分なウツドメ
タルを除去し内筒の内部および溝部をウツドメタ
ルで充填し、これをゴムラバー内の所定位置に据
えつけた。一方、325メツシユの篩を通過した電
解銅粉を上記ゴムラバーと銅製内筒の間に、よく
充填した後、ゴムラバーを密封して静水圧成形装
置内に入れ、1.0ton／cm²の圧力をかけて静水圧成
形した。さらにこの上に第１層と同じ銅粉末を50
重量％とし、残部が325メツシユの篩を通過した
rene95のアトマイズ粉末を混合し2.5ton／cm²を圧
力をかけて静水圧成形した。

これを200℃に加熱してウツドメタルを除去し 900℃，H₂ガス中で１時間焼結した。得られた
焼結体層の密度は第１層が94％、第２層が92％で
あつた。これをHIP装置に入れて900℃、1500
Kg／cm²でHIP焼結した。とり出した後、機械加工
によつて最終形状に加工して完成品とすることが
できた。第１層、第２層の密度は、いずれもほぼ
真密度に達しており、冷却剤のリーク、溝断面の
形状変形もなかつた。

第１層の厚さは３mm、第２層の厚さは５mmであ
つた。また、パラフインワツクスを充填材とした
場合に、比較して面粗度がはるかに良好なものが
得られた。これは冷却剤の摩擦係数減少に効果が
あるものと思われる。

実施例 ２ 実施例１と同じ銅製内筒２つを準備し、325メ
ツシユの篩を通過した電解銅粉に７％の銀粉末を
加えた混合粉末および7μm厚の銀メツキ銅粉を準
備し、実施例１と同じ条件にて静水圧成形した。
混合粉末を用いたものをＡ、銀メツキ銅粉を用い
たものをＢとする。これらを950℃真空中で２時
間焼結した後、ニツケル電鋳した。

得られたものを機械加工によつて最終形状に仕
上げた。Ａの第１層の厚さは3.5mm、第２層の厚
さ、４mmであつた。Ｂの第１層の厚さは３mm、第
２層の厚さは４mmであつた。Ａ，Ｂ共に冷却剤の
リーク、断面形状の変形いずれもなかつた。

(ホ) 効果 本発明は、上記のように燃焼器の外筒を粉末冶
金法によつて作成し、Ni電鋳や２層、３層構造
とすることによつて外筒を補強し、かつ緻密化し
てあるので、以下のような効果がある。

即ち、従来の粉末冶金法の欠点であつた液体燃
料のリークをなくすことができた上に、従来の銅
焼結層のみで、真密度迄にあげるための高い静水
圧力、焼結条件などの制約がなくなつた。

また、ニツケル基超合金粉などで補強するため
大巾な軽量化が可能となつた。

また充填剤としてウツドメタルを用いるので、
溝の断面形状の変化がなくなり、寸法精度の高い
ロケツト燃焼器を容易に作製することができるの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のロケツト燃焼室の構造説明図、
第２図はその製造過程の説明図、第３，４図は本
発明の燃焼室の構造過程の説明図。 １……内筒、２……冷却剤通路溝、３……外筒
（銅）、４……外筒（Ni電鋳）、５……外筒（銅＋
超合金）、６……外筒（熱可塑性超合金粉）、７…
…充填剤、８……ゴムモールド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 銅製内筒の外周部に形成された溝部に、ウツ
   ドメタルを溶融、充填し、固化した後余分なウツ
   ドメタルを機械加工によつて除去すると共に、該
   内筒の内側には中子を配置し、外周部には静水圧
   成形法によつて銅粉末圧縮成形体層を作製し、残
   留するウツドメタルを加熱除去した後焼結し、そ
   の外周部にNi電鋳することを特徴とするロケツ
   ト燃焼器外筒製作法。 ２ 銅製内筒の外周部に形成された溝部に、ウツ
   ドメタルを溶融、充填し、固化した後余分なウツ
   ドメタルを機械加工によつて除去すると共に、該
   内筒の内側には中子を配置し、外周部には静水圧
   成形法によつて第１層として同粉末圧縮成形体
   層、さらに１層以上の粉末圧縮成形体層を作製
   し、残留するウツドメタルを加熱除去し、焼結し
   た後HIP焼結することを特徴とするロケツト燃焼
   器外筒製作法。