專利名稱：炭剎車(chē)盤(pán)負(fù)壓定向流外熱梯度化學(xué)氣相滲透方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)的制造方法及其設(shè)備，特別是采用負(fù)壓定向流外熱內(nèi)冷熱梯度化學(xué)氣相滲透(CVI)技術(shù)制造飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)的方法及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
CVI工藝是一種眾所周知的用以致密炭纖維預(yù)制體制造高溫結(jié)構(gòu)炭/炭復(fù)合材料的方法，例如飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管炭/炭喉襯、擴(kuò)張段等材料均采用此方法。傳統(tǒng)的CVI工藝分為均熱法、熱梯度法、壓差法和脈沖法四種。英國(guó)Dunlop公司、法國(guó)Carbon Industie公司、美國(guó)Goodyear、Bendix公司等都采用均熱CVI工藝制造炭剎車(chē)盤(pán)材料，這一傳統(tǒng)工藝具有適應(yīng)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)、產(chǎn)品不受幾何形狀限制等特點(diǎn)，但存在沉炭效率低、生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)，且表面易結(jié)殼、需多次中間石墨化開(kāi)孔或機(jī)加工等缺點(diǎn)。美國(guó)B.F.Goodrich公司和我國(guó)514廠采用壓差CVI工藝制造飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)材料，雖然可縮短生產(chǎn)周期，但僅局限在炭剎車(chē)盤(pán)低密度時(shí)采用，當(dāng)其密度升高后，產(chǎn)品的透氣性變差，仍需采用均熱CVI工藝，上述存在的缺點(diǎn)仍不能完全克服。而熱梯度CVI工藝制造飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)的方法，主要是內(nèi)熱外冷熱梯度CVI工藝，預(yù)制體在爐中疊落時(shí)沒(méi)有人造氣體通道，勢(shì)必導(dǎo)致各部位氣體流量不均勻，影響其密度的均勻性，且在氣體滯留部位易產(chǎn)生炭黑；此外，內(nèi)熱外冷熱梯度CVI工藝僅適用于各類型飛機(jī)炭剎車(chē)動(dòng)盤(pán)的工業(yè)化生產(chǎn)，其靜盤(pán)及尾盤(pán)摩擦面的外側(cè)由于沉積炭溫度偏低，易導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)不均勻，而影響了摩擦特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適應(yīng)于飛機(jī)炭剎車(chē)靜盤(pán)及尾盤(pán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的，且透氣性和摩擦特性好的炭剎車(chē)盤(pán)負(fù)壓定向流外熱熱梯度化學(xué)氣相滲透(CVI)方法及其設(shè)備。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是炭剎車(chē)盤(pán)負(fù)壓定向流外熱熱梯度化學(xué)氣相滲透(CVI)方法，包括下列步驟(1)將飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)預(yù)制體裝入外熱梯度氣相沉積爐中，各預(yù)制體之間墊入等厚的石墨墊片；(2)在負(fù)壓下使預(yù)制體外熱內(nèi)冷，徑向建立熱梯度；(3)采用0.3℃/cm～25℃/cm的溫度差或者內(nèi)外總溫差30℃～380℃；(4)使碳源氣體進(jìn)入預(yù)制體內(nèi)側(cè)，定向流經(jīng)各預(yù)制體間等距狹縫，并由外側(cè)排出爐外；(5)預(yù)制體的致密過(guò)程由外側(cè)高溫面向內(nèi)側(cè)低溫面逐漸推移，根據(jù)炭盤(pán)密度值不斷調(diào)整裝爐位置，經(jīng)4～6爐，經(jīng)300～600小時(shí)氣相沉炭，即可制成飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)制品。
所述步驟(1)中各炭盤(pán)預(yù)制體間墊入等厚石墨墊片的厚度為0.5～4.0mm。
所述步驟(2)中的外熱內(nèi)冷采用內(nèi)置內(nèi)水冷裝置，外熱為石墨發(fā)熱體。
所述步驟(4)中碳源氣體由爐底進(jìn)入預(yù)制體內(nèi)腔，并定向流經(jīng)預(yù)制體間等距的狹縫。
所述步驟(2)中預(yù)制體外側(cè)高溫面的溫度范圍為1000℃～1180℃。
所述步驟(5)中炭盤(pán)密度值不斷調(diào)整裝爐位置是指密度高的裝入爐的上下部位，密度低的裝入爐的中部。
為實(shí)施權(quán)利要求1所述方法而設(shè)計(jì)的定向流外熱梯度CVI設(shè)備，包括爐蓋、石墨蓋板及其上的保溫氈、銅感應(yīng)圈、石墨發(fā)熱體其及外層的保溫氈、炭盤(pán)預(yù)制體、爐底、與爐底連接的石墨托架和位于石墨托架上的石墨托板、外爐體、進(jìn)氣管、抽氣孔，其特征在于在炭盤(pán)預(yù)制體的內(nèi)徑套有內(nèi)水冷裝置，并在各炭盤(pán)預(yù)制體之間墊入等厚的石墨墊片，各炭盤(pán)預(yù)制體和石墨墊片由石墨托架和石墨托板支撐。
此外，在爐底上還安裝有從炭盤(pán)預(yù)制體的內(nèi)側(cè)進(jìn)入至外側(cè)邊緣處的處測(cè)量外側(cè)溫度的測(cè)溫?zé)犭娕?；在?nèi)水冷裝置外還加有保溫層，其厚度來(lái)控制炭盤(pán)預(yù)制體的徑向溫差；炭盤(pán)預(yù)制體下部保溫層的厚度為30～60mm。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是(1)本發(fā)明由中頻感應(yīng)加熱石墨發(fā)熱體，且經(jīng)輻射傳熱使預(yù)制體受熱，因其裝有內(nèi)水冷裝置，在預(yù)制體的徑向建立了熱梯度，而且采用負(fù)壓定向流外熱梯度CVI工藝方法和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)材料，一次可裝炭盤(pán)50～60片，具有生產(chǎn)周期短、產(chǎn)品成本低的特點(diǎn)。
(2)具有適應(yīng)各類型飛機(jī)炭剎車(chē)靜盤(pán)及尾盤(pán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的特色，在炭盤(pán)的摩擦面上獲得了粗糙層結(jié)構(gòu)熱解炭基體，具有易石墨化、熱效率高、摩擦特性好的特征。
(3)負(fù)壓下氣體定向流過(guò)各預(yù)制體間等距狹縫，使碳源氣體(C3H6)幾乎100％通過(guò)預(yù)制體，提高了其有效利用率，常達(dá)20％～40％；且氣體定向流路通暢，無(wú)氣體滯留處，可防止有害物質(zhì)炭黑的形成。
(4)采用比常規(guī)熱梯度CVI工藝(溫度差70℃/cm～400℃/cm)較小的溫度差(0.3℃/cm～25℃/cm)，可加寬沉積炭致密帶，大幅度降低設(shè)備功率的消耗。
(5)本發(fā)明可在傳統(tǒng)真空感應(yīng)氣相沉積爐上稍作改動(dòng)就可達(dá)到本發(fā)明的功能。


圖1是本發(fā)明中定向流外熱梯度CVI設(shè)備及工作原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)的定向流外熱梯度CVI設(shè)備由爐蓋1、石墨蓋板3及其上的保溫氈2、石墨發(fā)熱體5及其位于其外部的保溫氈6、位于保溫氈6的銅感應(yīng)圈4、炭盤(pán)預(yù)制體7、石墨墊片8、熱電偶9、保溫層10、石墨托板11、石墨托架12、保溫氈13、爐底14、進(jìn)氣管15、保溫氈16、內(nèi)水冷裝置17、外爐體18、抽氣孔19組成，內(nèi)水冷裝置17設(shè)置在爐底14上，并套入炭盤(pán)預(yù)制體7的內(nèi)徑中，與炭盤(pán)預(yù)制體7設(shè)有一定的間隔，水冷裝置17為內(nèi)通冷卻水的水管，并由位于其外部保溫層16的厚度調(diào)節(jié)炭盤(pán)預(yù)制體7內(nèi)外側(cè)的溫度差；在爐底14上還固定和進(jìn)氣管15和石墨托架12，石墨托板11裝在石墨托架12上，且其上厚度是30mm～60mm的保溫層10。在保溫層10上面裝入炭盤(pán)預(yù)制體7，并用等厚石墨墊片8隔開(kāi)，石墨墊片的厚度是0.5mm～4.0mm，構(gòu)成碳源氣體C3H6定向流動(dòng)通道；在爐底14上還固定測(cè)溫?zé)犭娕?，且從炭盤(pán)預(yù)制體7內(nèi)側(cè)進(jìn)入爐內(nèi)，且在中部彎90°角從預(yù)制體7的內(nèi)側(cè)延至外側(cè)邊緣處，用于測(cè)量外側(cè)溫度值。
本發(fā)明的具體實(shí)施例負(fù)壓定向流外梯度CVI工藝方法是(1)將飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)的預(yù)制體7，外徑為300mm～500mm，內(nèi)徑為150mm～320mm，厚度為15mm～40mm，初始密度為0.56g/cm3，套裝入水冷裝置17與石墨發(fā)熱體5之間的石墨托板11上面，各預(yù)制體7之間用等厚的石墨墊片8，其厚度是0.5mm～4.0mm隔開(kāi)，形成碳源氣體C3H6由內(nèi)至外定向流動(dòng)的通路。當(dāng)預(yù)制體8裝入爐內(nèi)高度50％時(shí)，將熱電偶9插入預(yù)制體7的內(nèi)外邊緣處。一次可裝入預(yù)制體7是50片～60片，且將最上層預(yù)制體7墊入石墨墊片8后，蓋上石墨蓋板3，裝入保溫氈2，且吊裝爐蓋1。
(2)啟動(dòng)真空機(jī)組，由抽氣孔19對(duì)爐體抽真空，真空表顯示負(fù)壓為-0.086MPa～-0.1MPa。
(3)由中頻感應(yīng)加熱石墨發(fā)熱體4，且經(jīng)輻射傳熱使預(yù)制體7受熱，其預(yù)制體7外側(cè)溫度達(dá)到1000℃～1180℃，因裝有內(nèi)水冷裝置17，其預(yù)制體7內(nèi)側(cè)溫度為800℃～1000℃，形成了溫度梯度。
(4)碳源氣體(C3H6)和稀釋氣體(N2)由進(jìn)氣管15進(jìn)入預(yù)制體7內(nèi)腔，兩者比例和流量均根據(jù)預(yù)制體7的尺寸，裝爐總質(zhì)量進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整。氣體定向流經(jīng)預(yù)制體7間的等距狹縫，由抽氣孔19排出爐外。
(5)碳源氣體流經(jīng)預(yù)制體7的平面時(shí)，迅速擴(kuò)散到孔隙內(nèi)，且在預(yù)制體6的外側(cè)高溫面進(jìn)行沉積炭過(guò)程，且致密由外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐漸推移。
(6)按密度大小調(diào)整炭剎車(chē)盤(pán)坯體7的裝爐位置，經(jīng)4～6爐，累計(jì)沉積時(shí)間300～600小時(shí)，使炭剎車(chē)盤(pán)7的密度達(dá)1.60g/cm3～1.75g/cm3，每批炭盤(pán)的密度離散系數(shù)小于2％。
權(quán)利要求
1.飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)的負(fù)壓定向流外熱梯度CVI方法，其特征在于包括下列步驟(1)將飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)預(yù)制體裝入爐中，各預(yù)制體之間墊入等厚的石墨墊片；(2)在負(fù)壓下使預(yù)制體外熱內(nèi)冷，徑向建立熱梯度；(3)采用0.3℃/cm～25℃/cm的溫度差或者內(nèi)外總溫差30℃～380℃；(4)使碳源氣體進(jìn)入預(yù)制體內(nèi)側(cè)，定向流經(jīng)各預(yù)制體間等距狹縫，并由外側(cè)排出爐外；(5)預(yù)制體的致密過(guò)程由外側(cè)高溫面向內(nèi)側(cè)低溫面逐漸推移，經(jīng)300～600小時(shí)氣相沉炭，即可制成飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)制品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)壓定向流外熱梯度CVI方法，其特征在于所述步驟(1)中等厚石墨墊片的厚度為0.5～4.0mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)壓定向流外熱梯度CVI方法，其特征在于所述步驟(2)中的使預(yù)制體外熱內(nèi)冷采用內(nèi)置內(nèi)水冷裝置，外熱為石墨發(fā)熱體。
4.根據(jù)權(quán)利的要求1所述的負(fù)壓定向流外熱梯度CVI方法，其特征在于所述步驟(2)中預(yù)制體外側(cè)高溫面的溫度為1000℃～1180℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)壓定向流外熱梯度CVI方法，其特征在于所述步驟(5)中根據(jù)炭盤(pán)密度值不斷調(diào)整裝爐位置是指密度高的裝入爐的上下部位，密度低的裝入爐的中部。
6.為實(shí)施權(quán)利要求1所述方法而設(shè)計(jì)的定向流外熱梯度CVI設(shè)備，包括包括爐蓋、石墨蓋板及其上的保溫氈、銅感應(yīng)圈、石墨發(fā)熱體其及外層的保溫氈、炭盤(pán)預(yù)制體、爐底、外爐體、進(jìn)氣管、抽氣孔，其特征在于在炭盤(pán)預(yù)制體的內(nèi)徑套有內(nèi)水冷裝置，并在各炭盤(pán)預(yù)制體之間墊入等厚的石墨墊片，各炭盤(pán)預(yù)制體和石墨墊片由與爐底連接的石墨托架和位于石墨托架上的石墨托板支撐。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的定向流外熱梯度CVI設(shè)備，其特征在于在爐底上還安裝有從炭盤(pán)預(yù)制體的內(nèi)側(cè)進(jìn)入至外側(cè)邊緣處測(cè)量外側(cè)溫度的測(cè)溫?zé)犭娕肌?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的定向流外熱梯度CVI設(shè)備，其特征在于在內(nèi)水冷裝置外還加有保溫層，其厚度來(lái)控制炭盤(pán)預(yù)制體的徑向溫差。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的定向流外熱梯度CVI設(shè)備，其特征在于所述炭盤(pán)預(yù)制體下部保溫層的厚度為30mm～60mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的定向流外熱梯度CVI設(shè)備，其特征在于所述石墨墊片的厚度是0.5mm～4.0mm。
全文摘要
一種飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)的負(fù)壓定向流外熱梯度化學(xué)氣相滲方法及其設(shè)備，其特點(diǎn)在于將飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)預(yù)制體裝入爐中，各預(yù)制體之間墊入等厚的石墨墊片；在負(fù)壓下使預(yù)制體外熱內(nèi)冷，徑向建立熱梯度；碳源氣體在負(fù)壓下幾乎100％的定向流經(jīng)各炭盤(pán)預(yù)制體間等距的狹縫；采用0.3℃/cm～25℃/cm的溫度差或者內(nèi)外總溫差30℃～380℃；使碳源氣體進(jìn)入預(yù)制體內(nèi)側(cè)，定向流經(jīng)各預(yù)制體間等距狹縫，并由外側(cè)排出爐外；預(yù)制體的致密過(guò)程由外側(cè)高溫面向內(nèi)側(cè)低溫面逐漸推移，經(jīng)300～600小時(shí)氣相沉炭，即可制成飛機(jī)炭剎車(chē)盤(pán)制品。本發(fā)明有效的提高了碳源氣體利用率，并具有了摩擦特性好、熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于各類型飛機(jī)炭剎車(chē)靜盤(pán)及尾盤(pán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的特色，縮短了生產(chǎn)周期、降低了成本，適用于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)F16D69/00GK1544686SQ200310115118
公開(kāi)日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月24日
發(fā)明者蘇君明, 肖志超, 孟凡才, 向崳, 朱壽慶, 李睿 申請(qǐng)人:西安航天復(fù)合材料研究所