具有高負(fù)載容量的化學(xué)氣相滲透裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及特別地在由熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造部件時(shí)使用的化學(xué)氣相滲透技術(shù)。本 發(fā)明更特別地涉及在制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片中使用的復(fù)雜三維形狀如纖維預(yù)成型體的多孔 基材的化學(xué)氣相滲透。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了由復(fù)合材料制造部件，特別是由耐火基體（例如碳和/或陶瓷耐火基材）致 密化的耐火材料（例如碳纖維或陶瓷纖維）制得的預(yù)成型體構(gòu)成的熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制得的 部件，通常利用滲透方法。這種部件的實(shí)例是：由碳-碳（C-C)復(fù)合材料制得的推進(jìn)器噴 嘴；由碳-碳復(fù)合材料制得的特別地用于航空器制動(dòng)器的制動(dòng)盤；以及由陶瓷基體復(fù)合材 料（CMC)制得的葉片。同樣地，在預(yù)成型體的致密化之前、之中或之后，一個(gè)或多個(gè)層的例 如中間相材料同樣地通過(guò)使用化學(xué)氣相滲透技術(shù)可以沉積在預(yù)成型體中。
[0003] 化學(xué)氣相滲透包括將基材通過(guò)支撐工具的幫助而放置在滲透裝置的反應(yīng)室中，并 允許反應(yīng)氣體進(jìn)入該室，其中所述反應(yīng)氣體的一種或多種成分為待沉積在基材內(nèi)從而將其 致密化和/或從而沉積一層例如中間相材料的材料的前體。選擇滲透條件，特別是關(guān)于反 應(yīng)氣體的組成和流速以及室內(nèi)的溫度和壓力，從而使得氣體可以在基材的可及的內(nèi)部孔內(nèi) 擴(kuò)散，進(jìn)而通過(guò)分解氣體的成分或通過(guò)氣體的多種成分之間的反應(yīng)而使得所需材料沉積在 其中。反應(yīng)氣體通常通過(guò)使氣體經(jīng)過(guò)位于反應(yīng)室中的預(yù)熱器區(qū)域而被預(yù)加熱，反應(yīng)氣體入 口向外打開(kāi)進(jìn)入反應(yīng)室中。該方法對(duì)應(yīng)于自由流動(dòng)化學(xué)氣相滲透法。
[0004] 在工業(yè)化學(xué)氣相滲透裝置中，通常用同時(shí)致密化的多個(gè)基材或預(yù)成型體負(fù)載反應(yīng) 室從而增加致密化方法的生產(chǎn)量，并因此增加反應(yīng)室的負(fù)載因數(shù)。
[0005] 多孔環(huán)形基材的化學(xué)氣相滲透方法和裝置特別地描述于文獻(xiàn)US 2004/237898和 US 5 904 957中。然而，這些方法主要應(yīng)用于以堆疊排列的環(huán)形形狀的滲透基材，而它們不 適用于呈現(xiàn)非軸對(duì)稱的形狀的滲透基材。
[0006] 文獻(xiàn)US 2008/0152803描述了使用包括排列在第一和第二板之間的管狀管的負(fù) 載器工具，薄基材以用于致密化的板的形式徑向排列在所述管狀管周圍。然后將以此方式 負(fù)載的工具排列在滲透爐的反應(yīng)室內(nèi)部，所述滲透爐具有其反應(yīng)氣體進(jìn)入入口，所述反應(yīng) 氣體進(jìn)入入口連接至管狀管，用以使反應(yīng)器可以進(jìn)入該管，然后該管將氣體沿著基材的主 表面在基本上徑向的流動(dòng)方向上分布。
[0007] 然而，負(fù)載器工具仍然受限于簡(jiǎn)單形狀的薄基材（如細(xì)長(zhǎng)方形板）的定向流致密 化，且其不能用于呈現(xiàn)出復(fù)雜三維形狀的多孔基材（如用于葉片的纖維預(yù)成型體）的均勻 致密化。具體地，氣流在復(fù)雜三維形狀的基材上的流動(dòng)更難以控制。同樣地，這種類型的工 具造成熱分散，所述熱分散使得難以獲得對(duì)預(yù)成型體的所有點(diǎn)處和預(yù)成型體之間的溫度的 簡(jiǎn)單控制。對(duì)在待滲透的所有預(yù)成型體上的反應(yīng)氣體的流動(dòng)的控制的缺乏造成在基材內(nèi)的 致密化或沉積出現(xiàn)梯度。但是，在基材內(nèi)獲得均勻的致密化或沉積對(duì)于所得部件的機(jī)械性 能來(lái)說(shuō)是重要的。
[0008] 而且，在使用其中用于滲透的預(yù)成型體徑向地排列的工具的滲透裝置中的負(fù)載因 數(shù)相對(duì)較低。于是，復(fù)雜三維形狀的部件的工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)需要制造和使用大量的滲透裝 置，這對(duì)于經(jīng)濟(jì)性方面非常不利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供這樣一種解決方案，其使得多孔預(yù)成型體，特別是主要在 縱向方向上延伸的復(fù)雜三維形狀的預(yù)成型體能夠被滲透，其通過(guò)高負(fù)載容量來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí) 確保在預(yù)成型體內(nèi)的均勻沉積。
[0010] 此目的通過(guò)用于主要在縱向方向上延伸的三維形狀的纖維預(yù)成型體的化學(xué)氣相 滲透裝置實(shí)現(xiàn)，所述裝置包括：
[0011] ?平行六面體形狀的反應(yīng)室，該反應(yīng)室的側(cè)壁包括加熱器構(gòu)件；和
[0012] ?在所述反應(yīng)室中排列的多個(gè)堆的負(fù)載器設(shè)備，每個(gè)負(fù)載器設(shè)備為設(shè)置有用于接 收用于滲透的纖維預(yù)成型體的支撐元件的平行六面體形狀的外殼的形式。
[0013]因此，通過(guò)使用反應(yīng)室和平行六面體形狀的負(fù)載器設(shè)備的堆兩者，相比于使用環(huán) 形負(fù)載器設(shè)備的滲透裝置，可以極顯著地增加該裝置的預(yù)成型體負(fù)載因數(shù)。具體地，因?yàn)樨?fù) 載器設(shè)備呈現(xiàn)出平行六面體形狀的負(fù)載空間，預(yù)成型體可以在其縱向方向上相互并列平行 地排列，因此可以獲得對(duì)于每個(gè)負(fù)載器設(shè)備的負(fù)載容積的最優(yōu)的占用因數(shù)。通過(guò)如現(xiàn)有技 術(shù)中的環(huán)形負(fù)載器設(shè)備，預(yù)成型體徑向地排列，這不能實(shí)現(xiàn)負(fù)載容積的最優(yōu)占用。
[0014] 而且，因?yàn)樗鼈兊钠叫辛骟w形狀，一旦負(fù)載器設(shè)備相互堆疊，它們形成了能夠最 優(yōu)地填充反應(yīng)室的堆，所述室同樣地為平行六面體形狀。通過(guò)選擇構(gòu)成堆的負(fù)載器設(shè)備的 適合的尺寸，可以形成適用于占用滲透裝置的所有工作負(fù)載容積的預(yù)成型體負(fù)載。
[0015] 存在于所述室中的每個(gè)負(fù)載器設(shè)備也形成熱沉并因此單獨(dú)地用作感受器。
[0016] 另外，在每個(gè)堆中，負(fù)載器設(shè)備相互配合以形成在所述反應(yīng)室的豎直方向上延伸 的負(fù)載容積，由此使得流動(dòng)能夠以基本上直線的方式發(fā)生每個(gè)堆內(nèi)，并因此實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)以 及對(duì)消耗氣體的更好的控制。不論存在于本發(fā)明的單個(gè)負(fù)載中的大量預(yù)成型體，氣體僅通 過(guò)每個(gè)堆中的有限數(shù)目的預(yù)成型體，由此可以避免在氣體通過(guò)預(yù)成型體時(shí)過(guò)度消耗氣體。
[0017] 最后，可以以更均勻的方式在反應(yīng)室中控制溫度，因?yàn)樗鍪抑辽偻ㄟ^(guò)所述室的 側(cè)壁而被加熱。
[0018] 在本發(fā)明的第一個(gè)方面，反應(yīng)室為長(zhǎng)方體形狀，其包括負(fù)載器設(shè)備的多個(gè)堆的至 少一排，所述排在反應(yīng)室的縱向方向上延伸。由于特別地通過(guò)反應(yīng)室的側(cè)壁來(lái)提供反應(yīng)室 的加熱，所以對(duì)反應(yīng)室的長(zhǎng)度沒(méi)有限制，并因此對(duì)負(fù)載的長(zhǎng)度沒(méi)有限制，因此可以獲得非常 大的負(fù)載因數(shù)。
[0019] 在本發(fā)明的第二個(gè)方面，每個(gè)負(fù)載器設(shè)備由長(zhǎng)方體形狀的外殼形成，所述堆以這 樣的方式設(shè)置在所述室中：每個(gè)負(fù)載器設(shè)備在反應(yīng)室中在垂直于所述室的縱向方向的方向 上縱向地延伸。
[0020] 在本發(fā)明的第三個(gè)方面，反應(yīng)室具有延伸在反應(yīng)室的縱向方向上的負(fù)載器設(shè)備的 堆的多個(gè)排，加熱器構(gòu)件排列在兩排負(fù)載器設(shè)備的堆之間。在這種情況下，反應(yīng)室的寬度可 以增加，同時(shí)保持對(duì)在此尺寸下的溫度的控制。
[0021] 在本發(fā)明的第四個(gè)方面，每個(gè)堆至少在其每一個(gè)端部包括各自的緩沖器，所述緩 沖器沒(méi)有用于致密化的多孔基材。在堆的頂部，即引入氣體的位置，緩沖區(qū)特別地用于避免 離開(kāi)預(yù)熱器區(qū)的氣體直接沖擊預(yù)成型體。在每個(gè)堆的底部，緩沖區(qū)用于在氣流從反應(yīng)室排 放前重新引導(dǎo)氣流。
[0022] 在本發(fā)明的第五個(gè)方面，反應(yīng)室的水平壁包括加熱器構(gòu)件。
[0023] 在本發(fā)明的第六個(gè)方面，每個(gè)堆的負(fù)載器設(shè)備包括用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的纖維預(yù) 成型體。
[0024] 在本發(fā)明的第七個(gè)方面，葉片纖維預(yù)成型體并列地相互對(duì)齊，使得它們的壓力側(cè) 表面或吸力側(cè)表面定向在同一方向上。在這種情況下，在負(fù)載器設(shè)備的每個(gè)堆中，第一負(fù) 載器設(shè)備的纖維預(yù)成型體優(yōu)選地并列地相互對(duì)齊，其中它們的壓力側(cè)表面或它們的吸力側(cè) 表面定向在第一方向上，同時(shí)與所述第一設(shè)備相鄰的第二負(fù)載器設(shè)備的纖維預(yù)成型體并列 地相互對(duì)齊，其中它們的壓力側(cè)表面或吸力側(cè)表面定向在與所述第一方向相反的第二方向 上。這可以獲得靠近預(yù)成型體的氣流的更好的流動(dòng)。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 本發(fā)明的其他特性和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)作為非限制性的實(shí)例提供的本發(fā)明的特定實(shí)施方 案的如下描述并參考附圖而變得明顯，在附圖中：
[0026] ?圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有葉片預(yù)成型體的負(fù)載器設(shè)備的立體圖；
[0027] ?圖2為圖1的負(fù)載器設(shè)備的分解圖；
[0028] ?圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案的具有葉片預(yù)成型體的負(fù)載器設(shè)備的立體 圖；
[0029] ?圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的由多個(gè)圖1的負(fù)載器設(shè)備相互堆疊而組成的堆 的立體圖；
[0030] ?圖5A為由多個(gè)排的圖4的堆組成的負(fù)載的立體圖；
[0031] ?圖5B為顯示在圖5A的負(fù)載的頂部和底部部分中的緩沖區(qū)的組件的立體圖；
[0032] ?圖6為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的化學(xué)氣相滲透裝置的分解立體圖；
[0033] ?圖7為