專利名稱：流化床中的熱分解沉積的制作方法
本申請(qǐng)涉及將某種物質(zhì)例如熱分解的碳沉積在飄浮于顆粒流化床中的基材上面的過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)涉及能非常仔細(xì)地控制熱分解沉積的方法和設(shè)備，尤其是被沉積物質(zhì)的密度小于構(gòu)成流化床的飄浮顆粒密度的情況。
長(zhǎng)期以來(lái)是用碳?xì)浠衔餁怏w或蒸氣，或某種其它的含碳物質(zhì)的蒸氣進(jìn)行熱分解來(lái)使熱分解碳沉積在基材上的。多年來(lái)人們已認(rèn)識(shí)到，在單位體積流化床中能用于沉積的表面積對(duì)于所沉積的熱分解碳的特征有很大的影響，因此實(shí)際沉積的熱分解碳的特性可以按照要求藉仔細(xì)控制流化床的尺寸來(lái)調(diào)節(jié)，這是在授于Bokros等的美國(guó)專利No.3，399，969中已一般指明的。這一專利指出，對(duì)于例如具有尺寸約5毫米或更大的那些較大工件在細(xì)小顆粒(其粒度為數(shù)十或數(shù)百微米)的輔助床中進(jìn)行熱分解碳涂覆時(shí)，可以依靠控制相對(duì)于實(shí)際沉積所在的涂覆室體積的可用沉積表面積來(lái)控制沉積過(guò)程。
授予Bokros與Atkins的美國(guó)專利No.3，977，896敘述了一種改進(jìn)的方法，用這個(gè)方法可以沉積出厚度顯著的熱分解碳涂層，此涂層在整個(gè)厚度范圍內(nèi)具有均勻的結(jié)晶度。這個(gè)方法一方面將小粒度顆粒加入涂覆器，另一方面則調(diào)節(jié)通過(guò)顆粒排出通道的朝上惰性氣體的流量，使得已涂覆的顆粒(在粒度上變大了的)以控制的速率從涂覆室除去。這樣就能使涂覆室內(nèi)部的總沉積表面積保持比較穩(wěn)定，從而獲得上述的均勻性。
在美國(guó)專利No.3，977，896公布以后，向Brooks頒發(fā)了美國(guó)專利No.4，456，012，它公開(kāi)了一種改進(jìn)的用于涂覆這種較大工件的流化床設(shè)備。該設(shè)備是與懸浮顆粒組成的床聯(lián)系在一起的，其中，使用了一個(gè)具有溢出口的溢流管，安放在涂覆室中所需的高度以限定流化床上平面的最高位置，從而使流化床尺寸在體積上維持一定。更適宜的是用頂部封閉的溢流管，其溢出口面向內(nèi)側(cè)，但不面向涂覆腔的中心線。通過(guò)此溢流管向上鼓入足量的惰性氣體沖氣流以免有顯著量的粉塵連同已涂覆顆粒藉重力下降排出。也是向Brooks頌分的美國(guó)專利No.4，594，270則揭示了當(dāng)一種較大的工件在這類流化床中懸浮并藉熱分解涂覆時(shí)，能在所要求的高度位置從床層去除顆粒的設(shè)備。這一專利指出了采用一可在垂直方向上滑動(dòng)的取樣管，它可改變位置(最好能在爐的外部對(duì)其控制)使得其開(kāi)口可以任意調(diào)節(jié)至取樣所需的垂直位置。又可以控制取樣管中惰性氣體的流量，使得可以在所需的垂直位置選擇性地令顆粒從流化床排出。
雖然上述這些專利公開(kāi)了在流化床系統(tǒng)中控制熱分解沉積的可行方法，但是要確定床層在任一給定時(shí)刻的實(shí)際表面積的大小是非常困難的，如果并非不可能的話;而且隨著涂覆過(guò)程的日益復(fù)雜，有必要能對(duì)所沉積的熱分解碳的特性進(jìn)行更為精確的控制。因此人們一直在探尋更為完善的控制方法。
本發(fā)明得出，通過(guò)測(cè)量一個(gè)我們發(fā)現(xiàn)能真正代表床層尺寸的變量，即(a)在流化床內(nèi)部或恰低于流化床處某一予定位置上的壓力與(b)床層上方某一位置的壓力之差，就能比較簡(jiǎn)便地精確控制顆粒流化床中在飄浮基材上沉積熱分解碳或類似物質(zhì)的過(guò)程。如果在流化床涂覆器中有顯著量的煙灰生成，測(cè)量壓力的適宜位置是在生成煙灰處的下方，或者如下文所述在其外部。精確測(cè)量了在這兩個(gè)部位的壓力后，可令床層內(nèi)的表面積對(duì)應(yīng)于此壓力差而適當(dāng)改變。床層尺寸這樣小的變化可通過(guò)改變顆粒從床層排出的速率，或改變顆粒加入床層的速率，或同時(shí)改變這兩種速率而實(shí)現(xiàn)。結(jié)果所沉積的熱分解碳或其它物質(zhì)的特性可以精確地獲得控制，例如保證沉積熱分解碳的結(jié)晶度高度均勻，或者按編定程序改變沉積的熱分解碳的特征。例如可以在涂覆過(guò)程的開(kāi)始階段沉積出具有某種特征的碳，而在其后期沉積出另一種特征的碳。


圖1是用于在連同床層顆粒一起懸浮的工件上沉積出熱分解涂層的流化床設(shè)備示意圖，其部分為剖面圖。這個(gè)設(shè)備體現(xiàn)了本發(fā)明的各種特點(diǎn)，并包括控制其運(yùn)行的附屬機(jī)構(gòu)。
圖2是圖1設(shè)備中的一部分取另一種實(shí)施方式的示意圖。
圖1表示一個(gè)適用的流化床涂覆設(shè)備20，它包括具有園柱形外殼24的爐身22，其內(nèi)部則是涂覆室，它與園柱形外殼之間一般隔以緣熱層25。涂覆室被薄套管26以及下襯套28所包閉。下襯套28與薄套管26的下部配合，為涂覆室提供一錐形的底面30，在其中心有一垂直通道32，此通道最好與具有園截面的套管26同軸。雖然這類涂覆器并無(wú)尺寸上的限制，但一般可用的涂覆器，其套管26的直徑不大于1英尺，特別是內(nèi)徑約為6英寸或較小。產(chǎn)生懸浮作用的氣體在通道32中向上流動(dòng)，進(jìn)入涂覆室。
爐管24的上端有一環(huán)狀襯套，它是為套管26定中心用的。涂覆室的排氣通道36的壁就是上襯套34，它向下延伸到爐中，起著將出口孔略為縮小的作用，并且具有截頭園錐形的下部表面37。離開(kāi)流化床涂覆器的熱的懸浮用與涂覆用氣體通過(guò)此上排氣通道36，并流經(jīng)一適合的導(dǎo)管38排出。
顆粒進(jìn)料裝置40一般安裝在流化床涂覆器20的上方，其作用是將微細(xì)的顆粒41以所需的速率喂入涂覆室。來(lái)自顆粒進(jìn)料器40的顆粒是穿過(guò)進(jìn)料通道42進(jìn)入涂覆器的，該通道穿過(guò)上襯套34的壁向下延伸，止于截頭園錐形表面37。此設(shè)備備有在本技術(shù)領(lǐng)域中人們熟知的感應(yīng)式或交流式加熱裝置44，它是環(huán)繞著爐管配置，以將涂覆室中的有效沉積區(qū)域連同其中飄浮的顆粒與工件加熱到涂覆所需的沉積溫度。
涂覆操作是通過(guò)在涂覆室下部建立由微細(xì)顆粒(粒度小于1毫米)構(gòu)成的流化床來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖所示，此流化床延伸到由下襯套的上部端面30所包容的園錐形空間。一當(dāng)流化床形成后，一個(gè)或多個(gè)待涂覆的工件45(例如修復(fù)用心瓣膜的環(huán)形瓣體或閉鎖片(oc-cluder))則通過(guò)上排氣通道36裝入床層。這些工件一旦處于床層之中就被向上流動(dòng)的氣流支撐在流化床中。床層中的顆粒以及待涂覆工件就藉對(duì)加熱裝置輸入適量的電能而被加熱到所需的涂覆溫度。涂覆室內(nèi)部的溫度則用本技術(shù)領(lǐng)域所通用的方式測(cè)量和控制，即用電測(cè)溫裝置(例如熱電偶)或光學(xué)測(cè)溫裝置。若采用后者，則通過(guò)一觀察窗(圖中未示)觀測(cè)之。
涂覆時(shí)所用的上升氣流是流化用惰性氣體與含碳物質(zhì)氣體的混合物，此含碳物質(zhì)氣體可用本領(lǐng)域內(nèi)人們熟知的例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙炔、丙烯或其混合物，或其它含碳的氣態(tài)或易揮發(fā)的適當(dāng)物質(zhì)。若要求涂覆的物質(zhì)不是100%的熱分解碳，而是某種合金例如碳化硅與熱分解碳的合金，則將所需量的合適硅源物質(zhì)例如甲基三氯硅烷引入流態(tài)化-涂覆用的氣體混合物中。圖1中表示了一個(gè)備有流量調(diào)節(jié)閥裝置48的碳?xì)浠衔镌?6，其旁為一惰性氣體(例如氬、氦或氮)源50，它也備有適合的流量調(diào)節(jié)閥裝置52。這兩種氣體流入總管線54，然后通入位于下襯套28的垂直通道32。
調(diào)節(jié)朝上通過(guò)涂覆室的流態(tài)化-涂覆用氣體的總流量，使得流化床區(qū)域大體占據(jù)套管26的下部(如圖1所示)。從中心進(jìn)氣通道通入的向上氣流在流化床的下部區(qū)域形成了環(huán)形氣流，在圖示的裝置中流化床的一部分就是襯套28的園錐形表面30所包容的空間。細(xì)小顆粒在中心區(qū)域朝上運(yùn)動(dòng)，然后一般沿著環(huán)形氣流外緣朝下運(yùn)動(dòng)。但是也可采用其它的裝置，例如平底的涂覆室，氣體混合物則通過(guò)一個(gè)流態(tài)化技術(shù)中所通用的多孔燒結(jié)板或鉆孔板進(jìn)入。
顆?？梢赃x得使其密度大于床層中沉積物質(zhì)的密度。若要沉積的是熱分解碳或含少量碳化硅的熱分解碳，則顆粒料的密度應(yīng)至少是約3g/cm3，最好是4～5.5g/cm3。例如可用難熔氧化物的顆粒，諸如氧化鋁、氧化鋁-氧化硅(莫來(lái)石)和致密氧化鋯，例如密度大于5g/cm3的ZrO2，密度約3.2g/cm3的莫來(lái)石。當(dāng)這類顆粒在床層中被涂覆時(shí)，隨著其粒度增大，總密度將逐漸變小。一般來(lái)說(shuō)，那些較細(xì)小的未涂覆顆粒趨向于沉至床層下部，而涂層較厚的密度偏小的復(fù)合顆粒一般則向上飄浮，居留在床層上部。使用顆粒的粒度應(yīng)為約1000微米(μm)或較小。較好的是，在涂覆操作中加入的顆粒的平均粒度不大于約400微米，可以是300至425微米的顆粒，而涂覆操作時(shí)排出的顆粒應(yīng)大于500微米。
為了從床層去除顆粒，裝置一個(gè)在其頂端有適當(dāng)直徑的開(kāi)口的排出導(dǎo)管56。導(dǎo)管56可穿透整個(gè)下襯套28，或者在長(zhǎng)度上較短，下面同軸連接于一個(gè)鏜孔，該鏜孔位于一個(gè)鉆出的通道56a的頂端，使得導(dǎo)管通路從下襯套的園錐形表面30伸出一段。排出導(dǎo)管56最好在頂端封閉，而將排出孔開(kāi)在側(cè)壁上。導(dǎo)管56的長(zhǎng)度可以使其頂部止于錐形表面貼垂直壁之處，但對(duì)于內(nèi)徑約4英寸或較小的涂覆器，導(dǎo)管56最好伸出園錐形表面以上，伸出長(zhǎng)度最大不超過(guò)1英寸。延伸至涂覆區(qū)的排出導(dǎo)管56的材料用合適的耐火材料，例如石墨或莫來(lái)石。
由流化床通過(guò)小孔57進(jìn)入導(dǎo)管56的顆粒藉重力向下沿出料導(dǎo)管60進(jìn)入收集室62，被放置其中的量筒之類的器皿所收集。在任意時(shí)刻已除去的顆粒的總量或/和體積可以藉目測(cè)或用負(fù)荷傳感器65測(cè)定。由一合適的氣源66用惰性氣體對(duì)收集室充壓，充壓的精密調(diào)節(jié)是依靠對(duì)流量控制閥裝置68進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，其詳惰在下文再述。惰性氣體由充壓的收集室通過(guò)出料管60和排出導(dǎo)管56的朝上流動(dòng)，不僅是作為沖氣流以防止有顯著量的粉塵落入收集室，并且起著精確調(diào)節(jié)顆粒由流化床去除的速度的作用，這在美國(guó)專利No.3，977，896中有更為具體的討論。增加收集室62中的氣體的壓力，惰性氣體向上的流速將增高，結(jié)果顆粒從床層排出的速率將減小或排出完全停止。連續(xù)地或周期性地降低其氣體壓力則使排出量增加。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在涂覆室內(nèi)發(fā)生涂覆沉積的流化床尺寸可能是精確控制所沉積的熱分解碳特征的最重要參數(shù)?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)測(cè)量流化床兩側(cè)壓力差(△p)的變化是感知床層尺寸即使很小變化的一個(gè)有效途徑。因此，通過(guò)檢測(cè)床層兩側(cè)壓力差即床層下部或恰在床層以下處的某一點(diǎn)與床層以上某點(diǎn)的壓力差，并針對(duì)其與所需壓力差值的偏離采取相應(yīng)措施，可以在一次涂覆整個(gè)過(guò)程中對(duì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)精密的控制。還發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)這一檢測(cè)的一個(gè)方式就是在涂覆室區(qū)域內(nèi)裝設(shè)兩個(gè)壓力傳感口。在圖示的實(shí)施方式中，上方的壓力傳感口是由貫穿上襯套34的長(zhǎng)通道70所提供;與此類似，下方的壓力傳感口由貫穿下襯套28的長(zhǎng)通道72所提供。下方的口72宜于處在床層的下半體積區(qū)或低于床層，最好是處在床層的下部25%體積區(qū)域內(nèi)。上方的口70與下方的口72分別藉管74、76與壓力傳感器78相連接以測(cè)量這兩個(gè)口位置的壓力，并定出壓力差。若有必要，可裝上任選的目測(cè)可讀壓力差。雖然最好采用壓力傳感器78，其它合適的壓力測(cè)量裝置例如液體壓力計(jì)也可使用。為了防止壓力測(cè)量口與其通道被粉塵、含碳物質(zhì)或和顆粒所堵塞，在這兩個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中都保持合適的慢速惰性氣體沖氣流(圖中未示)?？?0和72的沖氣流來(lái)自于向管道74和76注入氣體，其流量是恒定的。對(duì)每一次涂覆操作開(kāi)始時(shí)的壓力(此時(shí)計(jì)及各自的沖氣流)進(jìn)行測(cè)量，并作為該次涂覆操作的參考點(diǎn)。
由壓力傳感器78產(chǎn)生的訊號(hào)通過(guò)線路84傳送到一控制單元86。此控制單元86將當(dāng)時(shí)收到的訊號(hào)與已編制程序在其儲(chǔ)存器中的值進(jìn)行比較，看是否保持著所需的操作模式。若否，則控制單元就引動(dòng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。對(duì)床層尺寸的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變顆粒加進(jìn)床層的速率，或改變顆粒從床層去除的速率，或改變這兩者的速率。因此，控制單元與一適當(dāng)?shù)木€路88相連，電的或氣動(dòng)的等信號(hào)就藉此線路傳送至顆粒進(jìn)料器40;同時(shí)控制單元與接至控制閥68的另一類似線路90相連。該控制閥決定著顆粒排出導(dǎo)管56和60中朝上的惰性氣體流量。設(shè)定顆粒進(jìn)料器使得它以實(shí)質(zhì)上恒定的速率將所需粒度的顆粒喂入涂覆器是較方便的。在此情況下，床層尺寸對(duì)應(yīng)于所測(cè)壓力差而作的改變(調(diào)節(jié))，則是藉增加或減小顆粒從床層排出的速率來(lái)進(jìn)行的。
為了保證顆粒按所需的量從流化床去除，最好在接受下落顆粒的燒杯63的下面裝一個(gè)負(fù)荷傳感器65。此負(fù)荷傳感器藉適當(dāng)線路94與控制單元相連，并提供代表燒杯與顆?？傊氐男盘?hào)?？刂茊卧軌虮容^隨時(shí)間變化的重量信號(hào)，從而測(cè)出每一所需時(shí)間間隔(例如每秒或每幾分之一種)內(nèi)去除顆粒的精確量。采用負(fù)荷傳感器65可以精確地確定，對(duì)于氮?dú)馔ㄟ^(guò)顆粒去除通道朝上的流量所作的調(diào)節(jié)(例如在一定的短時(shí)間內(nèi)的調(diào)節(jié))是否能達(dá)到所要求的效果。結(jié)果，就可能立即對(duì)氮?dú)獾膲毫M(jìn)行調(diào)節(jié)，或者對(duì)N2流率較低的供氣周期的長(zhǎng)度與頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，將顆粒的去除速率微調(diào)到所需值，以便在一次涂覆操作的特定時(shí)間間隔內(nèi)將檢測(cè)到的兩壓力之差精確地維持在程序編制的數(shù)值。
任何適宜的電子控制器都可采用，例如可從Inotek/Analog Devices購(gòu)得的控制器，或Honeywall的UDC-900 Multi-Pro，或IBM286計(jì)算機(jī)與Control E.G.軟件?？刂茊卧?6最好能夠進(jìn)行程序編制使得在一次涂覆操作期間維持不同的床層條件，商業(yè)的控制器是具有這類程序編制特點(diǎn)的?？刂茊卧詈脩?yīng)包括一個(gè)微機(jī)，它可編制程序使得，例如，在某一次涂覆操作的早期階段采用比較大的床層尺寸，使熱分解碳沉積較緩慢，從而使工件的拐角內(nèi)壁涂覆得較佳。此程序然后在操作的后期逐漸減小床層尺寸，使熱分解碳沉積的速率增加。若有需要，可以進(jìn)行另外的改變使床層尺寸在臨近涂覆操作結(jié)束時(shí)逐漸增加，以適應(yīng)正在被涂覆工件質(zhì)量增大的情況，或?yàn)榱四骋环N原因而改變?cè)谝惶囟ɑ纳纤练e涂層的物理特性。例如，在沿涂層深度的不同區(qū)域可能需要不同的結(jié)晶特征，對(duì)于特定的用途甚至需要在接近外表面處具有交替不同的結(jié)晶特性。而且，通過(guò)檢測(cè)壓力差并對(duì)床層尺寸按需要進(jìn)行改變，并任選地利用負(fù)荷傳感器的輸出以保證顆粒按需要的速率排出，就可仔細(xì)地控制熱分解碳或其它某個(gè)物質(zhì)的沉積速率。由于這樣的仔細(xì)控制，在涂覆操作任一時(shí)刻涂層的精確厚度可以確定。這樣，當(dāng)對(duì)特定的工件重復(fù)地涂覆時(shí)，有可能對(duì)涂層厚度按所需厚度仔細(xì)控制，精確到1密耳(0.001英寸)。對(duì)于涂覆那些達(dá)到容許偏差的精密度極端重要因而商業(yè)上非常有價(jià)值的某些部件，例如修復(fù)用心瓣膜來(lái)說(shuō)，這是本發(fā)明的特別有價(jià)值的優(yōu)點(diǎn)。
如果流化床變得太小，將不可能使涂覆的工件合適地飄浮起來(lái)，而且整個(gè)床層有崩潰的危險(xiǎn)，而使涂覆過(guò)程中斷，并且從質(zhì)量控制的要求來(lái)說(shuō)，可能導(dǎo)致須將涂覆工件拋棄的結(jié)果。采用本發(fā)明，流化床這一可能的崩潰肯定可以防止，因?yàn)榱骰沧兊锰〉内厔?shì)，在開(kāi)始時(shí)就會(huì)被立即檢測(cè)出來(lái)，控制單元82會(huì)自動(dòng)地迅速采用對(duì)應(yīng)措施使床層恢復(fù)到所需的尺寸。這一措施通常是減緩顆粒從床層去除的速率，使床層尺寸逐步增大直到所需的尺寸重新建立。另一方面，若床層過(guò)分增大，不僅熱分解沉積碳的特性會(huì)變得不佳，而且沉積速率變慢，其結(jié)果是在一予定的沉積時(shí)間后，涂層厚度比予期的薄，沉積的熱分解碳涂層的硬度一般也比在較小流化床中沉積的差。因此，同樣重要的是防止床層變得過(guò)分大。本發(fā)明也能防止此現(xiàn)象的出現(xiàn)。例如依靠控制單元86增加顆粒從床層去除的速率，如果測(cè)出床層尺寸過(guò)分增大的話。
檢測(cè)床層上方的壓力以及恰在床層下方或床層下部區(qū)域的壓力，雖然最好采用壓力傳感器78，但其它合適的壓力測(cè)量裝置也可使用。例如可用水柱壓差計(jì)直接測(cè)量壓力傳感器70和72位置的壓力之差，也可用兩個(gè)液體壓力計(jì)或其它精密的氣壓計(jì)式儀器分別測(cè)量該兩位置的壓力，然后比較測(cè)出的結(jié)果。
示于圖2的是裝置20的另一種實(shí)施方式，其特征在于不用示于圖1的壓力測(cè)量上通道，并且有一個(gè)短的排氣煙道100將惰性氣體與熱分解氣體產(chǎn)物通到一合適位置，例如通到廢氣排氣管102的入口，然后通過(guò)它連續(xù)地排放離開(kāi)設(shè)備所在建筑物或房間。由圖可見(jiàn)，在排氣煙道100的末端與排氣管102的入口端有一段長(zhǎng)1至6英寸的空隙。因此之故，而且由于排氣煙道的截面較寬，例如內(nèi)徑約2英寸，涂覆器內(nèi)流化床上面區(qū)域的壓力基本上為大氣壓力。所以，發(fā)現(xiàn)讓壓力傳感器78只檢測(cè)涂覆器20外的大氣壓力而不是檢測(cè)涂覆室內(nèi)恰在床層上方的壓力是合適的，因?yàn)樵谛┣闆r下，該處的壓力實(shí)際上是大氣壓力。因而發(fā)現(xiàn)，通過(guò)導(dǎo)管74'檢測(cè)大氣壓力，然后與通過(guò)導(dǎo)管76檢測(cè)的床層下區(qū)的壓力比較，并通過(guò)線路84將代表這兩個(gè)壓力之差的信號(hào)傳送到控制單元乃是利用這些測(cè)量值控制床層尺寸并因而在熱分解沉積過(guò)程中精確地獲得所需涂層特征和厚度的另一合適的方法。
體現(xiàn)了本發(fā)明各種特點(diǎn)的流化床涂覆裝置操作的一個(gè)實(shí)例如下。先開(kāi)啟閥52并轉(zhuǎn)至一合適位置以提供來(lái)自氣源50的惰性氣體例如氮?dú)猓沟昧鲬B(tài)化氮?dú)獬狭鹘?jīng)涂覆器20，氣源可以是壓力瓶之類的設(shè)備。然后適當(dāng)數(shù)量的顆粒從上端加入涂覆器以建立流化床。例如，對(duì)于涂覆室內(nèi)徑約為3 1/2 英寸的涂覆器，可以先裝入250至500克其粒度大于約325微米，但小于約700微米的已涂覆熱分解碳的氧化鋯顆粒。初始床層中的這種顆粒是涂覆了熱分解碳的，與隨后在涂覆過(guò)程中加入床層的未經(jīng)涂覆的氧化鋯顆粒不同，后者的密度約為5.37g/cc，其粒度約300微米至約425微米(平均粒度約360微米)，這種未涂覆顆粒是裝在顆粒進(jìn)料器40中的。這種尺寸涂覆器的典型運(yùn)行情況，是將約20至40個(gè)銳孔環(huán)加入床層中。這類環(huán)經(jīng)涂覆后將用作修復(fù)用心瓣膜的瓣體。典型的銳孔環(huán)一般是短管形狀，高約0.7cm，內(nèi)徑約1.5至2.5cm，外徑約1.6至2.6cm。美國(guó)專利No.4，822，353與No.4，863，467表示了采用這種一般類型瓣體的心瓣膜。
然后將設(shè)備升溫至約1200℃至2000℃操作溫度，是用感應(yīng)加熱裝置44使顆粒與工件均勻加熱至所需溫度的。典型的操作溫度約1320℃。在升溫期間，在導(dǎo)管56(它的進(jìn)口是 3/16 英寸的孔)中維持足量的朝上氮?dú)饬饕员苊忸w粒排出。同樣在下方壓力口中也維持著充足的約每分4升類似氮沖氣流以避免顆粒進(jìn)入此壓力口。在圖1的涂覆器中，排出導(dǎo)管56置于使得其進(jìn)口孔57低于下襯套的錐形表面30上邊緣約0.4英寸處，這個(gè)位置約處于床的中部;而且此導(dǎo)管可以改變?nèi)∠蚴沟闷淇?7大體上面朝內(nèi)側(cè)，例如與通過(guò)涂覆室中心線的線成約45°的角。床層本身在涂覆室中占據(jù)約17立方英寸的體積，下襯套的錐形表面具有的垂直高度約5英寸。在圖示的設(shè)備中，口72位于總深度約4.0英寸的床層的底面以上約2.5英寸。然而由于床層具有部分截頭園錐的形狀，這個(gè)孔是位于床層體積下半部之中的。
當(dāng)涂覆操作開(kāi)始時(shí)，開(kāi)啟閥48，令某種合適的涂覆氣體(例如丙烷)加入已流經(jīng)管路54和中心通道32的流態(tài)化氣體。為了用碳化硅使正在沉積的熱分解碳合金化，如這類技一般所熟知，最為適當(dāng)?shù)氖菍⒓谆裙柰榧尤霘饬?。若需要，調(diào)節(jié)惰性氣體的流量使得流態(tài)化-涂覆用氣體混合物朝上通過(guò)涂覆腔的氣流，測(cè)于標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力的話，是約13升/分的氮?dú)?，約7升/分的甲烷以及約1升/分的甲基三氯硅烷蒸氣。一旦涂覆操作開(kāi)始，顆粒進(jìn)料器就開(kāi)始將未涂覆的氧化鋯顆粒以約每分鐘2克的速率通過(guò)進(jìn)料通道42輸入設(shè)備中，這些顆粒落入流化床并成為其一部分。由于密度較大，未涂覆的小顆粒迅速地藉重力降至床層下區(qū)。在進(jìn)料通道中也維持著約每分鐘4升的氮沖氣流，它是連同正下降的氧化鋯顆粒流動(dòng)的;同時(shí)在通至上方壓力傳感口70的管路74中維持著約每分鐘1升的氮沖氣流。
在整個(gè)涂覆操作過(guò)程中藉壓力傳感器(例如市售的Sensotec Model Z或SETRA Model C239)檢測(cè)下方口72與上方口70之間的壓力差。代表所測(cè)壓力差的輸出信號(hào)由傳感器傳送至電子控制單元86。將此信號(hào)以例如每15秒的間隔與代表著所需床層尺寸的程序進(jìn)行比較?？刂茊卧?6就對(duì)排出導(dǎo)管中顆粒去除的速率進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使壓力差按照為涂覆操作期間所予先設(shè)定的要求而變。由收集室62朝上通過(guò)排出導(dǎo)管(其內(nèi)徑約 1/4 英寸)的氮?dú)饬髯畛蹙S持在例如約每分鐘4升，這一流量在初期能防止顯著量的顆粒排出。一般說(shuō)來(lái)，構(gòu)成床層的顆粒越大，對(duì)于裝有給定重量顆粒的床層來(lái)說(shuō)，其總表面積越小。因此，有必要從床層排出這些較大顆粒，并不斷以細(xì)小的未涂覆顆粒添加補(bǔ)充它。而且如果床層的總表面積顯著減小，則涂覆速率將增大，會(huì)引起產(chǎn)生含有顯著夾雜煙灰的涂層，它是難以拋光的。因此避免床層太小也是很重要的。然后藉控制單元86開(kāi)始調(diào)節(jié)朝上通過(guò)導(dǎo)管56然后流出顆粒排出孔57(它位于頂部封閉的導(dǎo)管的側(cè)壁上)的N2氣流。其調(diào)節(jié)的方法，例如是周期性地在很短的以秒計(jì)的時(shí)間間隔降低流量，以實(shí)現(xiàn)每分鐘約6至8克顆粒的排出速率。來(lái)自負(fù)荷傳感器的反饋可使控制單元進(jìn)行微調(diào)節(jié)，例如改變(低流量)時(shí)間間隔的長(zhǎng)度或/和其頻率。
這一典型的涂覆操作進(jìn)行共約180分鐘。其操作條件是使得在最初60分鐘先保持壓力差等于約4.0英寸水柱，然后在第二階段將壓力差以均勻速率在約60分鐘內(nèi)逐步降至3.0英寸水柱，以后則一直保持此值。壓力差的改變是依靠減小床層尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它將導(dǎo)致沉積速率增大。涂覆操作結(jié)束與設(shè)備冷卻后，將涂覆工件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其上面的SiC合金化的熱分解碳質(zhì)量很高，0.010英寸的涂層厚度非常均勻，與要求厚度的公差約0.001英寸。
上述條件的涂覆操作在那種上端具有短排氣煙道的涂覆器中也重復(fù)進(jìn)行之，該煙道通向上方的排氣導(dǎo)管，設(shè)備中的氣體通過(guò)它以每分鐘約150立方英尺的速率排放。煙道內(nèi)徑約2英寸，其出口與排氣導(dǎo)管入口之間距離約3英寸。對(duì)于這種設(shè)備中的涂覆操作，不使用通道70所提供的壓力傳感器，而是用壓力傳感器測(cè)量緊靠涂覆器外的大氣壓力，并將此值與如前所述通過(guò)管道76與傳感器72測(cè)量的床層下區(qū)壓力進(jìn)行比較。這一信息同樣也通過(guò)線路84傳送至控制單元。然后如前所述進(jìn)行同樣的涂覆操作。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)所得的碳化硅-熱分解碳涂覆工件同樣具有很高的質(zhì)量，同樣獲得了均勻的涂層厚度，對(duì)于所需的尺寸規(guī)格精確至0.001英寸。因此，與檢測(cè)涂覆室內(nèi)恰于床層上方的壓力的方式相比，檢測(cè)緊靠涂覆器外大氣壓力的方式也能使操作滿意，并也獲得遠(yuǎn)在厚度容許差以內(nèi)的涂層。
一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明提供了能非常精確地控制將熱分解碳之類物質(zhì)沉積到飄浮在顆粒流化床中的基材上的過(guò)程的方法和儀器。即通過(guò)檢測(cè)床層上方的壓力(許多情況下實(shí)際就是大氣壓力)與床層體積25%的下部位置(或恰在床層下方)壓力之差的機(jī)構(gòu)，可以獲得床層尺寸的非常準(zhǔn)確的衡量。這一衡量然后輸入控制單元，該控制單元的設(shè)計(jì)是能進(jìn)行必需的調(diào)節(jié)使得在涂覆室內(nèi)維持一預(yù)選的實(shí)際上恒定不變的床層尺寸，若需要的話，也可以在整個(gè)涂覆操作期間按照預(yù)定編制的程序控制床層尺寸的改變。雖然本發(fā)明是按某些適宜實(shí)施的條件敘述的，但需知，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，可以不越出本發(fā)明的范圍進(jìn)行各種不同的變化和修正，此范圍僅由附加于后的權(quán)利要求書所規(guī)定。例如，雖然這里的敘述僅處理熱分解碳或碳化硅合金化的熱分解碳的沉積，其它合金化的碳化物材料也可使用(例如碳化鋯或碳化鎢)，而且其它的物質(zhì)也可從蒸氣氣氛(例如100%SiC)進(jìn)行沉積。
本發(fā)明的特點(diǎn)在下面的權(quán)利要求書中著重說(shuō)明之。
權(quán)利要求
1.一種能精密控制將某一物質(zhì)沉積在飄浮于顆粒流化床中的基材上的過(guò)程的方法，該沉積過(guò)程在一個(gè)有氣體向上流動(dòng)的沉積室中進(jìn)行。其特征在于所述方法包括在所述的室中建立一個(gè)處于流態(tài)化狀態(tài)的顆粒床，至少有一個(gè)待涂覆基材飄浮在該流化床中，飄浮是由所用氣體的朝上流動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，將顆粒的基材加熱到所需溫度，將受熱可分解的組分加入到所述氣體中使得該組分發(fā)生熱分解，從而使所需熱分解物質(zhì)沉積在基材和顆粒上，此時(shí)基材與顆粒都處于飄浮狀態(tài)，以可控制的方式將顆粒由床層排出，以可控制的方式將顆粒加入床層，進(jìn)料顆粒的平均粒度小于排出顆粒的平均粒度，在床層的內(nèi)部或其下方的預(yù)定的位置與在床層上方分別檢測(cè)壓力，從而得出這兩者壓力的差值，對(duì)應(yīng)于所得的壓力差改變顆粒由床層排出的速率或向床層加入顆粒的速率或同時(shí)改變此兩個(gè)速率，使得在長(zhǎng)時(shí)間范圍能對(duì)沉積進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，從而在所述被涂覆基材上產(chǎn)生精確的涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述氣體既含有能分解沉積碳的碳?xì)浠衔铩?br> 3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述氣體既含有主量某惰性氣體也含有少量的某有機(jī)硅化合物，該化合物在所需溫度分解沉積出與熱分解碳合金化的碳化硅。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征是在所述床層總體積的下半?yún)^(qū)內(nèi)的某垂直位置測(cè)量壓力。
5.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征是在流化床下部25%體積的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行壓力測(cè)量，作此測(cè)量的該區(qū)域一般是截頭園錐形的。
6.如權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于將顆粒在對(duì)基材進(jìn)行涂覆的整個(gè)期間內(nèi)以一實(shí)際上恒定的速率連續(xù)加入床層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于對(duì)應(yīng)于測(cè)定的該壓力差改變從所述床層排出顆粒的速率。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于藉改變惰性氣體流量來(lái)控制由流化床排出顆粒的速率，此惰性氣體流與顆粒藉重力流動(dòng)的排出方向相反，是向上流動(dòng)的。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于加入的顆粒具有不大于400微米的平均粒度，以及在其材涂覆的整個(gè)過(guò)程中從流化床排出的顆粒具有大于500微米的平均粒度。
10.如權(quán)利要求1-3的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于涂覆物質(zhì)的密度小于構(gòu)成該床層的顆粒的密度。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于被加入的顆粒是其密度大于涂覆物質(zhì)的致密氧化鋯。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于初期建立的顆粒床層實(shí)際上均由已用熱分解碳涂覆的氧化鋯顆粒所構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求1-3的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于是在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)有恒定惰性氣體流流過(guò)的壓力傳感口的位置測(cè)量壓力，并在延伸到涂覆室的通道的末端位置(在床層上方)測(cè)量壓力。
14.一種能精密控制在連同顆粒流化床一起飄浮的基材上進(jìn)行熱分解碳沉積過(guò)程的方法，其特征在于該方法包括在涂覆區(qū)建立置有至少一個(gè)待涂覆基材的流化態(tài)下的顆粒床，顆粒與基材均飄浮在向上的氣流中，將所述顆粒與基材加熱到所需熱分解溫度，在氣流中添入可熱分解的含碳組分使其發(fā)生熱分解，將熱分解碳沉積在基材與顆粒上，長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)在床層內(nèi)部或其下方的預(yù)定位置以及在床層上方檢測(cè)壓力，從而確定其壓力差，對(duì)應(yīng)于測(cè)出的該壓力差調(diào)節(jié)床層中的顆粒量，以便在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)精確地調(diào)節(jié)熱分解的沉積過(guò)程，從而在所述基材上產(chǎn)生精確的涂層。
15.在飄浮于顆粒流化床中的基材上進(jìn)行物質(zhì)沉積的設(shè)備，其特征在于該設(shè)備包括一個(gè)涂覆室，在該室內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)朝上的混合氣體流的裝置，其作用是在涂覆室內(nèi)維持著使顆粒床處于流態(tài)化的條件并使在流化床內(nèi)飄浮著至少一個(gè)待涂覆的基材，使基材與顆粒流化床維持一定溫度的加熱裝置，此溫度要足使混合氣體在流化床內(nèi)發(fā)生熱分解，使所需熱分解物質(zhì)沉積在基材與顆粒的上面，由流化床排出顆粒的裝置，將平均粒度小于排出顆粒平均粒度的顆粒加入流化床的裝置，在流化床內(nèi)部或其下方的一預(yù)定位置以及在流化床上方分別檢測(cè)壓力以定出其壓力差的裝置，能在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)對(duì)應(yīng)于所定出的該壓力差改變從流化床排出顆粒的速率或向床層加入顆粒的速率或同時(shí)改變這兩個(gè)速率，從而精確調(diào)節(jié)在涂覆基材上的沉積過(guò)程的裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于改變速率的裝置是一個(gè)能對(duì)顆粒排出裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)以改變顆粒排出速率的電子控制單元。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于檢測(cè)壓力的裝置包括一個(gè)壓力傳感器，它產(chǎn)生信號(hào)并傳送至電子控制單元。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述壓力的檢測(cè)裝置包括延伸到流化床內(nèi)某位置的導(dǎo)管裝置以及維持惰性氣體沖氣流通過(guò)該導(dǎo)管的裝置。
19.如權(quán)利要求15-18中的任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述涂覆室大體上為園截面形，其直徑不大于約6英寸。
20.如權(quán)利要求15-18中的任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于顆粒加料裝置以一基本上恒定的速率供應(yīng)顆粒。
全文摘要
對(duì)于涂覆在顆粒流化床中的工件上的熱分解碳進(jìn)行精確的控制是藉檢測(cè)床層上方和床層下部或恰在床層下方的壓力之差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。已發(fā)現(xiàn)這一壓力差的測(cè)量能真正代表這種涂覆器內(nèi)床層的大小，并且床層大小是使涂覆物質(zhì)具有所需特性的非常重要的因素。對(duì)應(yīng)于所測(cè)壓力差的變化對(duì)床層尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以容易地使床層尺寸基本上恒定不變；或者可以令壓力差按照預(yù)先編制的程序逐步變化。在這兩種情況下都是通過(guò)加入顆粒到床層或改變顆粒排出的速率來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因此可獲致精確的涂層特性，例如可使厚度具有很小的公差。
文檔編號(hào)B01J8/24GK1080667SQ92105230
公開(kāi)日1994年1月12日 申請(qǐng)日期1992年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1991年11月18日
發(fā)明者J·A·阿肯蒂額斯, D·S·懷爾德 申請(qǐng)人:碳素種植股份有限公司