JPH09512615A

JPH09512615A - レーザ粉体インジェクション法を用いたチューブ状壁を有するロケットエンジン用推力チャンバの製造方法

Info

Publication number: JPH09512615A
Application number: JP7528455A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．ジュニアダルゼル，ウイリアム; ジャンセン，エリック
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1994-04-29
Filing date: 1995-05-01
Publication date: 1997-12-16
Also published as: DE69501555D1; EP0758283B1; WO1995029785A1; DE69501555T2; EP0758283A1

Abstract

(57)【要約】 “Mae West”形といった一定の所定形状を有する複数の熱交換チューブを接合して、ロケットエンジン推力チャンバのチューブ束を得る方法が開示されている。上記複数のチューブは、レーザ粉体インジェクション溶接法によって互いに接合されていて、隣接したチューブ間のいかなるギャップをも閉ざすようになっているとともに、上記複数のチューブを互いにしっかりと固定するようになっている。ジャケット構造体は、その後、適切なジャケット組成を使用して、in-situで表面に対してレーザ粉体インジェクションコーティング、適切な材料のフレーム溶射法又はプラズマ溶射法を続けて施すか、予め形成しておいたジャケットをロウ付けするか溶接するかして、上記チューブ束に取り付けられる。本発明はまた、レーザ粉体インジェクション法を、損傷した上記チューブ束や、接合不良のチューブ束といった上記チューブ束の修理に使用することも意図する。

Description

【発明の詳細な説明】レーザ粉体インジェクション法を用いたチューブ状壁を有するロケットエンジン用推力チャンバの製造方法発明の背景技術分野本発明は、ロケットエンジンに関し、より詳細には、再生冷却されたロケットエンジン推力チャンバに使用できるチューブ状構造体に関する。従来の技術ロケットエンジンは、通常複数の推力チャンバを有しており、これらの推力チャンバは、推進剤の燃焼と加速と、による結果、極限的な高温にさらされることになる。このため、上記推力チャンバと、燃焼チャンバと、ノズルアッセンブリと、は、上記推力チャンバの内壁に形成されたチューブ、又は、チャネルを通して流れる冷媒によって多くの場合には冷却されている。すなわち、上記推力チャンバは、その内部で推進剤が燃焼し、ジャケット構造体によって取り囲まれた高圧の熱交換ユニットとして考えることができる。より大きな重量運搬能力を持つロケットが引き続き望まれているので、上記推力と、その耐熱性と、を改善し、かつ、上記推力チャンバの内側から高圧のガスを外部にリークさせないようにしつつ、上述した推力チャンバをより経済的に製造する方法が要求されていた。典型的な上記推力チャンバの実施例としては、エッシャー(Escher)による米国特許第３，２０８，１３２号を挙げることができる。この特許では、２つのシート内部に予め冷媒の流れる通路を形成しておき、次いで、形状づけられたシートをそれぞれ溶接、又はロウ付けしてそれぞれの流路を形成したロケットチャンバが開示されている。しかしながら、この様にして形成される溶接の一体性は、検査及び確認が困難である。ノイ(Neu)による米国特許第３，１９０，０７０号は、横並びにテーパ形状の断面を有する予め形状づけておいた複数の冷媒用導管からロケットチャンバを形成する方法を開示しており、この導管は、出口側のノズルスロート部でその断面が小さくされていて、冷媒の流速を高めるようにされている。さらに、ストッケル(Stockel)等は、米国特許第３，５９５，０２５号において、複数の刻み目を内側に有したロケットチャンバ内壁を開示しており、この刻み目は、外側壁が上記内側壁に対向するようにメッキされると、冷却チャネルを形成するようになっている。このような刻み目は、大規模でコストが高い機械加工を要するとともに、労力を必要とする。ロケットエンジンの製造に関する特許は、チュマビクス(Tumavics)による米国特許第３，１２７，６６７号を挙げることができ、この特許では、２つの厚さを持つ壁構造が開示されている。デデーラ(Dederra)等による米国特許第３，６９０，１０３号は、チューブ状要素を互いに接合し、その接合の間を充填し、かつ、上記チューブ状要素の外面に硬い外層を電気鋳造する方法を開示している。バター(Butter)による米国特許第３，５０１，９１６号は、ロケットエンジン燃焼チャンバに適したチューブ状要素の製造についてのものである。また、ベッカー (Becker)等の米国特許第３，３４９，４６４号は、使用可能な延びた中空管が加えられた構成と、その製造方法について開示している。さらにシュルツ(Shchulz )の米国特許第２，８４４，９３９号は実質的に細孔を有しないネオプレンエンベロープで取り囲んだ柔軟なチューブ束燃焼チャンバについて開示している。ロスマン(Rosman)の米国特許第３，２２４，６７８号は、組み立て(modular)型推力チャンバを開示しており、これは、それぞれのチューブ束が互いに連結されたものである。ビーソン(Beeson)の米国特許第３，７１４，６９５号は、チューブのブランケットを互いに溶接して、個々のチューブを互いに溶接する前に形状を付けることなしに、どの様な所望の形状のブランケットでも製造できる方法を開示している。さらに、ファン(Huang)の米国特許第３，８９７，３１６号は、複合的にチャンネルが形成された壁構造が開示されている。しかしながら、これまで提案されてきたチューブ状壁燃焼チャンバの製造方法は、当業界では良く知られている数多くの問題を有している。例えば、得られる冷却能力、圧力の大きさの限界、材料選択、及び生産性といった問題を挙げることができる。従って、上記冷却通路が、容易かつ簡便な方法により製造でき、かつ、しっかりと互いに結合し、かつ、そのジャケット構造体に結合しているロケット用推力チャンバの製造方法が要求されていた。従って、本発明の目的は、推進剤の燃焼生成物のリークに対する耐久性が改善され、かつ、上記チューブ状体自体には冶金学的影響を与えずに、ロケット推力チャンバ熱交換ユニットのチューブを互いに接合させるための経済的、迅速、かつ確実な方法を提供することにある。さらに、本発明は、外側構造体面と一体として形成されるチューブ状推力チャンバを提供することを目的とする。発明の開示本発明は、ロケット推力チャンバの製造に関し、このロケット推力チャンバは、互いに隣接する冷媒チューブの間を固定し、かつ、冶金学的な意味合いで接合させるものである。本発明の好適な実施例では、複数の予成形した熱交換チューブを、横並びにジグ内に配置する。このジグは、対応する所定の形状、例えば“ Mae West”形を有していて、上記所望の構成にチューブ束を形成するようになっている。これらのチューブは、レーザ粉体インジェクション溶接法(laser powde r injection welding)によって互いに接合され、互いに隣接したチューブの間のギャップが埋められて、上記複数のチューブ状体が互いに固定される。その後ジャケット構造体は、上記チューブ束に取り付けられる。これは、適切なジャケット組成を使用して、in-situで上記表面にレーザ紛体インジェクションコーティングを行うか、又は、予め形成したジャケットをそこに溶接することで行われる。本発明はさらに、レーザ粉体インジェクション法は、上記チューブ束が損傷した場合や、接合が不完全であった場合に、上記チューブ束を修理するためにも使用できる。従って、本発明は、燃焼チャンバと、スロート領域と、ノズル領域と、を有するロケット推力チャンバの製造方法を提供するものである。本方法は、上記ロケット推力チャンバの形状を有する複数の延びた中空チューブ状体を形成するステップと、上記複数の中空チューブを、共通の長手方向軸を中心として均等に離間させ、かつ、円周上に平行に周方向に横並べにして、延びた中空部材を形成するステップと、横並べにされた上記複数のチューブの間の領域にフィラー材料を充填して、上記チューブの間の領域を完全に充填させるとともに、上記チューブを互いに接合するステップと、この延びた中空部材にそれを取り囲んだ支持構造体ジャケットに対して、そのチューブを接合させるステップと、を有しており、前記フィラー材料は、レーザインジェクション溶接法によって施されることを特徴としている。図面の簡単な説明図１は、本発明によるチューブ状推力チャンバを概略的に示した図である。図２は、図１に示した上記推力チャンバの端面立面図を示した図である。図３は、図１のライン３−３に沿った上記推力チャンバの縦断面図である。図４は、従来のレーザ粉体インジェクション法の焦点形成配置を概略的に示した図である。図５は、本発明のレーザ粉体インジェクション法の焦点形成配置を概略的に示した図である。図６は、本発明で使用するレーザ粉体インジェクション法のコーティング装置を概略的に示した図である。好適な態様の説明上述したように、本発明は、ロケットエンジンの側面、容体、燃焼チャンバ壁、スロート、及び排出ノズル（今後、これらを総じて推力チャンバと呼ぶ。）の製造方法に関する。上記壁構成は、最小材料で高強度の壁を与えるものであり、従って重量対推力比の観点からは、上記ロケットを高効率とすることができるものである。本発明は、従来可能とされていたものよりも、所定の推力チャンバ重量あたりの推力を著しく大きくすることを可能とし、かつ、このロケットエンジンは、より容易に構成できるものである。この様なロケットエンジンは、例えば、剛性壁、又は、ジャケット構造体を配置させるかわりに、その回りに比較的薄い材料が形成された内側壁は、同心とされた２重壁を有しているものである。上記改善点は、後述する明細書によりよりいっそう明らかにすることができる。現代のロケットエンジン製造は、推力チャンバの製造にあたっては、２つの方法に焦点が絞られている。上記２つの方法のうちの第一の方法は、上述したように米国特許第３，５９５，０２５号、及び第３，８９７，３１６号に例示される上記チャンネル型として参照できる形状を取り扱う方法である。第二の方法は、上述した米国特許第３，２０８，１３２号、第３，５０１，９１６号、第３，６９０，１０３号に例示されるようなチューブ型の推力チャンバを製造するために用いられる方法である。形状が上記チャンネル型の推力チャンバは、高圧運転が可能であり、かつ、従って高い推力を発生させることができるが、熱交換特性が悪く、上記チューブ型推力チャンバより著しくコストがかかる。逆に、上記チューブ型のチャンバは、推力能力の面では制限されるが、上記チャンネル型チャンバよりも、より経済的に製造することができる。本発明は、より高い推力能力を有するチューブ型の推力チャンバに関するものであり、さらには、そのより経済的な製造方法及び欠陥が容易に修理でき、かつ、上記すべてのチューブ束を廃棄することなく修正、矯正できる方法に関するものである。現在は、チューブ状推力チャンバは、極めて大量の金属チューブ、例えば３４７ステンレススチール材といった金属チューブを極めて正確に形成し、かつ、それぞれを配列させて、それらを接合することによって複雑な実質的には円形のチャンバとして形成されている。それぞれのチューブは、その互いに隣接したチューブに半田付け、溶接、又は、ロウ付けされて、剛性の容体ベッセルが形成され、その後、外側ジャケットが、上記チューブ束の外側面に取り付けられる。上記複数のチューブを互いにロウ付けするには、上記チューブをそれぞれ極めて正確に相対的に位置決めする必要があるが、これは、良好なロウ付けを行うためには上記チューブ間のギャップを、従来では最大許容ギャップが０．００８インチとなるように密接、かつ、均一に制御する必要があるためである。上記ジャケットの取り付けは、注意深く形状付けた寸法の金属シートを用意し、それらを上記チューブのロウ付けの間に、又は、その後に、上記チューブ束上に配置させてロウ付け、又は、溶接することで得られる。本発明は、例えば、銅合金、ステンレススチール、又は、ニッケル合金といった種々の材料のチューブを、上記チューブに許容できないほどの損傷を与えず、また、その特性を変えてしまうことなく接合するロウ付け以外の方法に関している。開示するプロセスは、上記チューブ束の間に合金層をレーザ粉体注入法により堆積させて、レーザ粉体インジェクション(laser powder injection)法、プラズマ溶射法、又は溶接法等によりジャケット構造体を形成させる前に、上記チューブ管の上記空間を充填するものである。また、本発明は、上記チューブの間のギャップを単に充填したり、接合させるばかりではなく、上記チューブを選択した合金又は合金群で被覆して、in-situでジャケット構造体を形成させる方法をも包含するものである。上述したように、接合させることができる上記チューブとしては、チューブ型の推力チャンバに使用できる好適ないかなる組成のものを挙げることができる。好適なニッケル基超合金としては、INCONEL 718(Ni-19 Cr-0.05 C-18.0 Fe-0.9 Ti-0.6 Al-3.0 Mo-5.2 Cb/Ta)、INCONEL 625(Ni-21.5 Cr-9.0 Mo-3.65 Cb/Ta)、 HAYNES A242(Ni-25 Al-8 Cr)を挙げることができる。好適なステンレススチールとしては、347(Fe-18 Cr-10.5 Ni)、304(Fe-19 Cr-9.5 Ni)、及び316(Fe-13 Ni- 18 Cr-2.25 Mo)を挙げることができる。好適な銅合金としては、その高い伝導性の点から選択される材料を挙げることができ、これらの材料としては、NARLOY Z（(Cu-3 Ag-0.5 Zr)を真空処理したもの）、NASA Z((Cu-3 Ag-0.5 Zr)をアルゴン処理したもの）、又は、GLIDCOP（OFHC CuにAl微粉末を１．５％分散させたもの）等を挙げることができる。GLIDCOPは、高価ではあるが、高温強度特性に優れており、本発明においては最も好適である。本発明の上記接合方法は、現在利用できる上記ロウ付け技術よりは制約が少ないので、厳密な許容度、やアライメントをすることなく上記チューブ束をレイアップしたり、ジグ付けすることができる。例えば、レーザ粉体インジェクション法によって、ロウ付けでは、０．００８インチ未満としなければならない制限があったのに対し、約０．０３０インチまでのギャップを橋掛けすることも可能となる。上記チューブを互いに接合させるレーザ粉体インジェクション法は、接合させるそれぞれの面の間のギャップが大きい場合でも充填を行うことができるので、上記チューブ束をアッセンブリ化するに際して、大きな余裕を与えることができ、このことによって、実質的に時間的、コスト的な効果を得ることができるようになる。上記チューブを互いに結合させるために使用する金属は、上記基体材料をロウ付けするために好適に使用できる従来のロウ付け材料や、基体材料自体であっても良いし、又、それらに互換性のある合金であっても良い。従って、上記フィラー材料は、上記チューブ自体の材料として列挙した、いかなる材料であっても良く、また、金−ゲルマニウムといったロウ付け材料であっても良く、さらには、銅といった拡散接合材料や、当業界において知られているこれらとは別のロウ付け材料、又は、拡散接合材料等を挙げることができる。上記チューブの上記レーザ粉体インジェクション接合は、上記チューブ束の外側面、すなわち、上記推力チャンバの外側において最も容易に実施することができる。上記それぞれのチューブセグメントの間の離間を、上記フィラー材料を用い、レーザ粉体インジェクション法によって充填した後、上記レーザ粉体インジェクション法を、所望により、上記チューブ表面を被覆するべく続行して、滑らかな外側面を形成することもできる。この様にして接合したチューブ束は、その後、好ましくは、高強度、かつ、水素耐久性のある合金であり、さらに、低い熱膨張率のジャケット構造体合金によって包囲される。このようなジャケット構造体材料としては、例えば、３４７ステンレススチール、INCONEL 718、INCONEL 625、若しくはGLIDCOPといった銅合金を挙げることができる。上記ジャケット構造体は、適切な形状にした材料をその場所に溶接又はロウ付けすることによって、又は、従来の電気鋳造浴中で、ニッケル合金を電気鋳造することによって施される。しかしながら、充分な厚さ、例えば０．３０から０．５０インチの厚さでニッケル合金を電気鋳造するには、鋳造に６月程度も要するので、この方法は、望ましくはない。本発明に従い、上記レーザ粉体インジェクション法によって接合されたチューブ束上に、上記ジャケット構造体を形成するためのより効率的な方法としては、適切な合金を配置させて行うプラズマ溶射法、又は、火炎溶射法を挙げることができる。この様な合金としては、３４７ステンレススチール、INCONEL 718、INCONEL 625、GLIDCOP を挙げることができるが、上記基体となるチューブと、上記チューブを互いに一体となった束とするための上記フィラー材料と、に互換性があるように選択される、これらとは別の好適な合金であってもよい。さらにまた、上記ジャケット構造体は、プラズマ溶射ではなく、上記合金材料のレーザ粉体インジェクション法によって形成することもできる。上記レーザ粉体インジェクション法は、堆積させる部位が高温とはならないため、高温により上記基体となるチューブ材料や上記フィラー材料を過熱させたり、又は、よけいな応力を加えることが無いことを特徴とする。加えて、本発明の効果は、接合操作を完了した後に、また、上記推力チャンバを検査した後に、チューブアッセンブリを容易に修理することができることにある。上記チューブ間にどのような不完全に接合されたギャップがある場合でも、上記ギャップには、容易にフィラー材料のレーザ粉体インジェクション法を行うことができ、その欠陥を修理することができる。すなわち、上記複数のチューブをロウ付け材で接合した後にロウ付けの欠陥が発見された場合には、このアッセンブリを２度目にロウ付けするサイクルを行う際に上記ロウ付け材の隣接したチューブ間の溝にしみ込んでしまい、上記接合の連続性が失われるので、多くの場合には上記チューブ束はすべて廃棄されていた。しかしながら、レーザ粉体インジェクション法は、上記基体を過熱させないので、この技法は、ロウ付けに欠陥があるチューブの修理のためにも使用することができる。実際のところ、上記レーザ粉体インジェクション法は、上記推力チャンバの外側面に上記ジャケット構造体を取り付けた後にも接合欠陥を修理することができるが、これは、本レーザ粉体インジェクション修理法が、上記ジャケット構造体の取付中に形成される個々のチューブ間の上記接合の小さなギャップを充填するように、上記チューブアッセンブリの内側において実施することが可能なためである。図１には、ロケットエンジンの推力チャンバ１０を示すが、この推力チャンバ１０は、長手方向軸Ａ−Ｂと、ヘッド、すなわちインジェクタ２０と、複合壁アッセンブリ１１と、燃焼チャンバ１５と、スロート１６と、ノズル１７と、を有している。上記複合壁アッセンブリ１１は、ジャケット構造体１２と、それぞれが長いチューブ１３及び１４として形成され、かつ、形状づけられたチューブの群、すなわち束から構成される複数の冷却通路と、を有しており、これらのチューブは、さらに、互いに横並びに配置されて、複数の曲線から構成される実質的に円形のチャンバを形成しているとともに、ノズル１７の末端の液体冷媒マニホルド（図示せず）から上記ヘッドすなわちインジェクタ２０にまで軸方向に延ばされている。上記複数のチューブは、金属製の上記外側ジャケット構造体１２に接合されており、このジャケット構造体１２は、上述したように上記推力チャンバをシールするとともに推力チャンバからのガスのリークをシールし、かつ、ロケット燃料の燃焼により、内側に発生した圧力に耐えるようにされている。上記複数のチューブ１３，１４は、上記推力チャンバの壁となっており、かつ、上記チャンバの長さにわたった長手方向の冷媒通路を構成している。これらのチューブは、銅等の、高い熱伝導性を有する材料から、容易に形成することができ、かつ、上記チューブのつぶれを防止するために同時に内側から圧を加えるようになった従来の成形ダイを使用することによって形状づけることができる。この様に形成した後、上記チューブは、図１に示すような実質的に長手方向に曲がった形状となっている。上記推力チャンバ壁１１は、図１の矢印によって示される方向、すなわち、上記チャンバのノズル端から上記インジェクタに向けて上記冷却チューブ１３，１４を通ってくる液状推進薬の流れにより冷却される。図２は、図１に示した上記推力チャンバ１０の端面立面図であり、それの断面を示しているとともに、ジャケット構造体１２と複数の冷却チューブ１３，１４とを有している上記壁アッセンブリ１１が示されている。また、上記推力チャンバスロート１６と、上記ノズル１７も示されている。図３は、図１のライン３−３に沿った断面図であり、簡略化された形状ではあるが、互いに隣接し、配列されている薄い壁の複数の金属製冷媒チューブ１３が互いに接合され、かつ、上記ジャケット構造体１２の内側面へと接合されているのが示されている。上記複数のチューブは、フィラー材料１８を、上記チューブ間の上記接合部１９にレーザ粉体インジェクションすることによって互いに接合されている。上記複数のチューブは上述したように、上記ジャケット構造体へと接合されている。これとは別に、上記ジャケット構造体は、予め形成され、かつ、上記構造体に取り付けられているのではなくて、in-situ形成されたコーティング材料層で構成されていても良い。本発明によれば、フィラー粉体は、接合、又は、コーティングされる上記表面の上側の位置において、パルス（連続；ＣＷ）ＹＡＧレーザ、又は、ＣＯ₂レーザの経路上に噴射されて、上記表面自体の溶融、又は、加熱を避けることができており、かつ、上記粉体は、可塑性を有する状態へと加熱され、上記基体へと堆積され、隣接した冷媒チューブの間を接合する。この手法は、上記フィラー材料を高密度かつ均一な層とすることができ、この際、このフィラー材料は、上記チューブ組成と互換性があるように選択されるが、熱膨張係数が小さいことが好ましい。上記プロセスは、自動化させることもできるし、製造上記必要に応じて調節することもできる。加えて、上記フィラー材料を上記チューブの間の接合、又は、ギャップに充填することに加え、上記材料は、上記チューブ束全体にコーティングできるようにレーザ粉体インジェクションを行い、in-situで上記ジャケット構造体を形成させることもできる。通常のレーザスプレー粉体コーティング、又は、レーザクラッディング操作では、焦点配置は、概略的には図４に示したような配置とされ、高強度レーザ３０は、最後の対物レンズ３１によって支持体３５上に焦点が形成され、表面金属をわずかな体積だけ溶解させて、金属溶融プール３２を形成する。上記粉体合金材料３３は、上記粉体インジェクタ３４から噴射され、上記プール内で溶融し、その内部に拡散して行き，上記表面層の組成を所望するように変えることになる。上記レーザビームと、上記ワークピースとの間の相対運動は、上記溶融材料を迅速に冷却させることになり、上記固体材料内の相変化に伴い、固化する。通常のレーザクラッディング装置及びそのプロセスの性質では、上記レーザビームと上記粉体は、同軸に配置されたレーザとスプレーノズルから噴出され、かつ、コーティングする基体表面上において、同一の焦点位置を有しているしかしながら、本発明では上記焦点は、従来の様に物体表面にではなく、接合すべき上記チューブのわずかに上側に位置決めされる。図５に示されている如く、レーザービーム４０は最後の対物レンズ４１により上記のチューブ、即ち、基体４５の上部で焦点が形成されてる。そこで、焦点からずれたところにも加熱された領域４６が形成される。その領域に粉体４３をインジェクション手段４４を介して噴射する。この方法により、レーザービーム強度及び焦点を適切に制御し、かつ、粉体粒径と、流量と、を適切に制御することにより、上記基体に衝突する点において充分可塑的に変形可能なように、粉体粒子を加熱することができる。この際フィラーの微細構造、コーティング材料、又は、上記基板については、変更することができる。即ちマトリックス合金の１次微細構造は、上記粉体を迅速に加熱することによって不変に保つことができ、これをヒートシンクとして作用する比較的冷めた基体上に堆積させて急激に冷却させる。さらに、材料を迅速に堆積させることが可能であり、上記接合部、又は、上記チューブの間のギャップを迅速、かつ、均一に充填することができる。この様な高温下における上記粉体の実際の物理的状態は、十分に理解されていないが、マイグレーションをほとんど行わせず、又は、酸化物微粒子が凝集して上記材料の微細構造に影響を及ぼさないように、上記粉体が充分に溶融されるとともに、迅速に固化するものと考えられている。これとは別に、上記粉体粒子のコア、すなわち、中心部は半溶融状態のまま、又は、固体のままで、上記それぞれの粉体粒子の表面を溶融させることができ、上記それぞれの粉体粒子間は、界面で凝集するとも考えられる。いずれの状況であっても、もはや堆積した上記個々の粉体粒子の間には、境界は存在しない。このような塗布を目的としたこのプロセスを、非−平衡溶融法と呼ぶ。この結果を得ることができるためには、多くの要因に依存しており、これらのうち、主要因としては、上記レーザ強度の制御、上記粉体組成と粉体粒径分布、上記粉体の流量、上記基体からの上記焦点の距離、上記レーザと上記ワークピースの間の相対運動を挙げることができる。本発明は、フィラー材料が接合することができるいかなる基体に対しても上記フィラー材料を堆積させることができるが、上記接合は、拡散接合ではなく、完全に冶金学的接合であり、これは、上記基体の上記表面層は、実体的にも、又、完全にも溶解されないためである。しかしながら得られる上記堆積物は、極めて均一であり、高密度（理論値に対してほぼ１００％）である。さらに、上記基体を熱処理しないこと、すなわち、平滑化させ、アニールさせ、又は得られたフィラー材料を高密度化させるため上記堆積物を熱処理しないことから、多重コーティング層を極めて迅速に得ることができ、また、上記堆積物のいかなる厚さであっても達成することができる。さらに、個々の材料塗布層の組成を変えることもでき、この様にすることによって上記チューブ表面から上記外側面にまで組成の勾配を付けたり、変更したりすることが可能となる。このような変更は、上記チューブを互いに接合させるために、あるフィラー材料を塗布し、その後に、コーティング材料を変えて異なった組成と特性とを付与することによって、上記ジャケット構造体のin-situ製造を容易とするものである。本発明に好適な装置は、図６にその概略を示した。この装置は、ロボットワークステーション５２上にターゲット５５が配置されており、これは任意にレーザ安全用のエンクロージャ５３内に入れておくことができる。レーザ源５０は、対物レンズ５１を有しており、さらに、上記ターゲットからは所定の距離だけ離れていて、粉体インジェクタ５４に近接して位置決めされているとともに、この粉末は、インジェクタ５４に、粉末源５７からライン５６によって供給されている。上記装置は、上記フィラー材料粉末が、上記粉末源５７から、上記レーザビーム５８の焦点からずれ、かつ、上記ターゲットから所定の距離にある加熱領域内へと噴射されるように設置される。上記粉末は、約−１００メッシュから約＋３２５メッシュの範囲のサイズが使用でき、約−１００メッシュから＋２００メッシュ（７５μｍから１５０μｍ）の範囲であることが好適であり、また、アルゴンなどの不活性ガスで高速で搬送されるようになっていることが好ましい。さらに、この粉末は、加熱後実質的に直ちに上記ターゲット上に堆積して、隣接したチューブを結合させるが、これは、上記レーザ源の運動に相対するようにして行われている。上記ワークステーションは、ロボットであることが好ましく、このロボットは、３から６の自由度を有しているとともに、油圧により、又は、電気的に、又は圧空により、さらにまた、それらのいかなる組み合わせによって駆動されていても良い。上記ロボットワークステーションは、定法に従い、コンピュータ制御することもできる。上記ワークピースは、これとは別に静止させておき、上記ターゲットに相対させて上記レーザと、粉末インジェクションノズルと、を運動させても良い。上記レーザとしては、例えば、パルスＹＡＧレーザを挙げることができるが、堆積させる上記合金が、冶金学的に等価となるような、連続的な（ＣＷ）レーザも本発明では使用することができる。焦点形成性を有する種々の型のレーザを使用することができるとともに、これらは通常の粉末スプレーノズルと組み合わせて使用できる。上記レーザは、上記基体上に焦点を形成させないように焦点を形成することが重要であるが、これは、上記表面の溶融を特に避けるためである。第二のレーザ又は別の手段を、アライメントの目的のために用いることもできる。上記レーザ動作パラメータは、コンピュータ制御されており、これは、上記ロボットワークステーションを組合わされていて、最適化された高信頼性の堆積を行うことができる。上記スプレーノズルは、上記金属粉末の粒子流を焦点からずれた加熱領域に連続して供給できるように選択されるが、これを図５に示す。上記噴射された粉末は、上記レーザによって、上記粉末が可塑性を帯びる状態、又は、非−平衡溶融状態となる温度にまで加熱される。上記コーティング材料は、微粉末の可塑状態となり、これらが不活性ガスの速い流れによって運搬されて、上記チューブの間のターゲット接合部の比較的冷めた表面を衝撃し、その上に広がって行く。上記表面を衝撃する際のこの様なクエンチング効果（少なくとも１０４°Ｆ／ｓと見積もられる）は、フィラー材料を冶金学的に変えることなく上記フィラー材料を冷却できる。上記粉末は、非−平衡溶融状態にされており、かつ、上記基体は、上記表面層が溶融してしまう程度には上記レーザによって加熱されていないので、上記堆積層は、上記基体と合金化せずに、その表面をコーティングすることになる。上記レーザの焦点位置は、約０．１０インチから、約１．０インチだけ上記ワークピースの上側に形成させるようにすることができる。上記粉末の流量は、アルゴン等のキャリアガスを制御して、約8g/minから約20g/minの速度で堆積されるように制御することができる。これまでは、金属合金粉末フィラーを使用することについて説明を加えてきたが、本発明では上記レーザインジェクタへの供給には、ワイヤ供給を用いることもできる。また、約２５Ｗから４００Ｗの出力範囲のＹＡＧレーザ、約２５Ｗから６，０００Ｗの出力範囲のＣＯ₂レーザ等、種々のレーザを使用することができる。このようなレーザは、連続的（ＣＷ）でもパルスモードでも使用することができる。実施例チューブ型推力チャンバの製造に好適に用いることができる寸法の銅チューブを、図１に示すロケット用推力チャンバ形状に製造した。上記複数のチューブは、互いに隣接して緊密に配列させて、“Mae West”形状に環状とした。ＹＡＧレーザを、３４７ステンレススチールを堆積させるために配置させて、隣接したチューブの間に上記ステンレススチール接合層を堆積させた。上記それぞれのチューブの間には強固な接合が形成され、実際にコーティングが行われた領域以外に影響を受けた領域は、最小限となっており、かつ、上記複数のチューブの間には、接合不良、又は、充填不良は見られなかった。上記接合は、少なくとも従来のロウ付け技術によって得られる接合と同等であり、かつ、より簡便でコスト的に安価とすることができた。本発明の上記記載は、当業者により、改良、変更できるし、適合させることが可能であるが、この改良、変更、適合は、後述する請求項に記載の本発明の範囲に含まれるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩＢ２３Ｋ 9/04 8509−4ＥＢ２３Ｋ 9/04 Ａ 26/00 ３１０ 7820−4Ｅ 26/00 ３１０Ｂ 7820−4Ｅ３１０ＮＦ０２Ｋ 9/97 9333−3ＧＦ０２Ｋ 9/97

Claims

【特許請求の範囲】１．燃焼チャンバと、スロート領域と、ノズル領域と、を有するロケット用推力チャンバの製造方法において、該製造方法は、ロケット推力チャンバ形状に成形した形状の複数の延びた中空チューブを形成するステップと、前記中空チューブを平行、かつ横並びに周方向、かつ、共通の長手方向軸を取り囲んで等間隔で環状に離間させて配置して、延びた中空部材を形成するステップと、横並びにされた前記チューブの間の領域にフィラー材料を充填して前記チューブ間の領域を充填して、それぞれの前記チューブを互いに接合させるステップと、前記延びた中空部材を取り囲んだジャケット構造体に複数の前記チューブを接合するステップと、を有しており、前記フィラー材料が、レーザインジェクション溶接法によって充填されていることを特徴とするロケット用推力チャンバの製造方法。２．複数の前記チューブは、銅合金、ニッケル合金、ステンレススチール合金を含んでなる一群から任意に選択された材料であることを特徴とする請求項１に記載の方法。３．複数の前記チューブは、（Cu-3 Ag-0.5 Zr）、及び（Cu-1.5 Al）を含んでなる一群から任意に選択された材料であることを特徴とする請求項２に記載の方法。４．前記フィラー材料は、銅合金、ニッケル合金、ステンレススチール合金、ロウ付け材、及び拡散接合材料を含んでなる一群から任意に選択された材料であることを特徴とする請求項２に記載の方法。５．前記フィラー材料は、上記チューブの組成と同一とされていることを特徴とする請求項４に記載の方法。６．前記ジャケット構造体は、配置されたシート材料をロウ付けする方法、配置されたシート材料を溶接する方法、前記延びた中空部材の外側にニッケル基合金を電気鋳造する方法、プラズマ溶射する方法、火炎溶射法、レーザインジェクションコーティング法、からなる一群から任意に選択される方法によって設けられていることを特徴とする請求項１に記載の方法。７．前記ジャケット構造体は、前記フィラー材料と同一の材料であることを特徴とする請求項６に記載の方法。８．前記ジャケット構造体は、プラズマ溶射法によって設けられていることを特徴とする請求項７に記載の方法。９．前記ジャケット構造体は、火炎溶射法によって設けられていることを特徴とする請求項７に記載の方法。１０．前記ジャケット構造体は、レーザインジェクションコーティング法によって設けられていることを特徴とする請求項７に記載の方法。１１．複数の前記チューブは、（Cu-15 Al）を含有しており、前記フィラーは、ステンレススチール合金を含んでいて、かつ、前記ジャケットは、ステンレススチール合金を含有していることを特徴とする請求項１０に記載の方法。