Спосіб і субстрат для виготовлення деталей з композиційного матеріалу шляхом ущільнення хімічною інфільтрацією газовою фазою

1. Спосіб виготовлення деталей з композиційного матеріалу, в якому готують волоконний субстрат і ущільнюють субстрат матрицею, сформованою щонайменше частково за допомогою способу типу хімічної інфільтрації газовою фазою, при цьому канали, які проходять в субстраті від принаймні однієї його поверхні, формують до ущільнення субстрату, при цьому канали формують в субстраті з руйнуванням волокон шляхом повного видалення або усунення з нього волоконного матеріалу так, що сформовані канали визначаються ділянками видалення або руйнування волокон, при цьому розташування волокон в заготовці, що має канали, по суті не змінюється поблизу стінок каналів у порівнянні з їх початковим розташуванням до формування каналів. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що канали формують за допомогою обробки струменем води під тиском. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що канали формують за допомогою локалізованої термічної дії на волоконний матеріал заготовки. 4. Спосіб за п. 3, який відрізняється тим, що канали формують під дією лазерного випромінювання. 2 (19) 1 3 94228 4 дині його від щонайменше однієї з його поверхонь, при цьому в субстраті густина на одиницю об'єму волокон поблизу стінок каналів трохи більша, ніж густина на одиницю об'єму волокон в інших частинах субстрату і канали в ньому визначені ділянками видалення або руйнування волокон. 17. Субстрат за п. 16, який відрізняється тим, що канали в ньому мають середній діаметр в межах від 0,05 мм до 2 мм. 18. Субстрат за пунктом 16, який відрізняється тим, що густина каналів в субстраті лежить в межах від 0,06 кан./см2 до 4 кан./см2. 19. Субстрат за пунктом 16, який відрізняється тим, що густина каналів в субстраті змінюється. 20. Субстрат за п. 19, який відрізняється тим, що він утворює кільцеподібну заготовку для гальмівного диска, причому канали відкриваються на щонайменше одній з його основних поверхонь. 21. Субстрат за п. 20, який відрізняється тим, що густина каналів змінюється, зменшуючись між його центральною частиною, яка відповідає поверхні тертя диска, і його частинами, розташованими поряд з внутрішніми і зовнішніми його периферійними поверхнями. 22. Субстрат за пунктом 16, який відрізняється тим, що він утворює кільцеподібну заготовку, причому канали відкриваються щонайменше на його зовнішній периферійній поверхні. 23. Деталь з композиційного матеріалу, яка має волоконне армування, ущільнене матрицею, отриманою щонайменше частково за допомогою способу типу хімічної інфільтрації газовою фазою, і яка має канали, які проходять всередині неї від щонайменше однієї з її поверхонь, при цьому волоконне армування сформовано субстратом за будь-яким із пунктів 16-22. Область техніки Даний винахід стосується виготовлення деталей з композиційного матеріалу шляхом формування волоконного субстрату і ущільнення субстрату матрицею, утвореною способом типу хімічної інфільтрації газовою фазою (так званим способом хімічної інфільтрації пари, CVI від Англійського терміну Chemical Vapor Infiltration). Частковою, але не єдиною областю вживання винаходу є виготовлення гальмівних дисків з вуглецьвуглецевого (С/С, carbon/carbon) композиційного матеріалу, зокрема, для авіаційних гальм, що включають комплект дисків на загальній осі з нерухомими, розміщеними поперемінно, і рухомими дисками. Проте винахід може застосовуватися і для виготовлення інших деталей з композиційного С/С матеріалу або з іншого композиційного матеріалу, зокрема, з керамічного матричного композиційного (CMC, ceramic matrix composite) матеріалу. Попередній рівень техніки Добре відоме ущільнення пористих субстратів, таких як волоконні субстрати або заготовки, за допомогою способів типу хімічної інфільтрації газовою фазою (CVI). При звичайному процесі CVI субстрати для ущільнення поміщають у піч. Реакційний газ подають у піч для осадження матеріалу, з якого складається матриця, всередині пор субстрату в результаті розкладання одного або більше інгредієнтів газу або в результаті реакції між деякими інгредієнтами газу при визначених температурі і тиску. Відомий також спосіб, згідно з яким субстрат для ущільнення поміщають у реактор в якому його нагрівають у присутності попередника (прекурсора) матеріалу, з якого складається матриця. Попередник міститься в реакторі у рідкому вигляді субстрат нагрівають наприклад, шляхом пропускання електричного струму або за допомогою електромагнітної взаємодії з котушкою, при цьому суб страт виготовляють з електропровідних волокон, таких як вуглецеві волокна. Такий спосіб описаний зокрема в патентах US 4472454, US 5397595 або US 5389152, і іноді розглядається як ущільнення шляхом нагріву Оскільки попередник випаровується при контакті з гарячим субстратом, в даному контексті вважається, що цей спосіб є способом ущільнення типу CVI. Іншими словами, термін "спосіб типу CVI", або "спосіб типу хімічної інфільтрації газовою фазою" використовується в даному описі і у формулі винаходу для того, щоб охопити обидва способи - як звичайний процес хімічної інфільтрації газовою фазою, так і спосіб ущільнення шляхом нагріву. Основною складністю при роботі з такими способами типу CVI є мінімізація градієнта ущільнення всередині субстратів для того, щоб одержувати деталі, що мають властивості по можливості, однорідні в усьому їх об'ємі Осадження матриці має тенденцію до переважного протікання в поверхневих зонах субстратів оскільки вони першими піддаються дії реакційного газу. В результаті газ якому вдається продифундувати всередину субстрату, виснажується і пори в поверхневих зонах субстрату перекриваються рано, тим самим ще більш зменшуючи здатність газу дифундувати у внутрішні шари. Це призводить до того, що виникає градієнт ущільнення між поверхневими зонами і внутрішніми шарами субстрату. От чому, зокрема, при виготовленні товстих деталей на практиці необхідно після досягнення певного ступеня ущільнення припиняти процес і витягувати частково ущільнені субстрати, щоб провести обробку їх поверхонь за допомогою операції, яка називається "зачищенням" і служить для повторного відкривання поверхневих пор. Потім ущільнення може бути продовжено при цьому реакційний газ отримає легкий доступ у внутрішні шари субстрату. Наприклад, при виготовленні гальмі 5 вних дисків загальною практикою є виконання, щонайменше, двох циклів CVI ущільнення (цикли I1 і I2) з проміжною операцією зачищення. На практиці в деталях, одержуваних в кінці, проте спостерігається градієнт ущільнення. Насправді, як відомо, щоб уникнути утворення градієнта ущільнення і, по можливості обійтися потім без операції зачищення, виконують ущільнення за допомогою способу CVI, який включає градієнт температури, тобто шляхом нерівномірного нагрівання субстратів. Нерівномірне нагрівання за допомогою безпосереднього з'єднання індукційної котушки з одним або більше кільцеподібним субстратом для ущільнення описано в патентних документах US 5846611 і ЕР 0946461. Осадження матриці в зони субстрату, менш доступні для газу, стимулюють шляхом нагрівання цих зон до температури, яка вище за температуру інших частин субстрату. Проте, такий спосіб обмежується субстратами певних форм і різновидів, а також певними розташуваннями завантаження субстратів в печі. В патенті US 5405560 запропоновано покращувати доступ реакційного газу до внутрішньої частини субстратів, утворених кільцеподібними волоконними заготовками для гальмівних дисків, виготовленими з композиційного С/С матеріалу, за допомогою забезпечення проходів у формі каналів, які тягнуться через заготовки між їх протилежними сторонами. Канали створюють за допомогою введення голок, які зсовують волокна в заготовках, не ушкоджуючи їх. Під час CVI ущільнення канали забезпечують газу більш короткі шляхи для досягнення центральних частин заготовок. Випробування, проведені авторами даного винаходу, проте, показують, що при такому способі є обмеження по мінімізації градієнта ущільнення, як описувалося вище. В аналогічному патентному документі FR 2616779 згадано про можливість формування каналів за допомогою текучого середовища під тиском, що може привести до часткового руйнування волокна, проте рекомендується уникати пошкодження волокон. Формування каналів у заготовках для гальмівних дисків, виготовлених з композиційного С/С матеріалу, описано також в патентному документі FR 2144329. Проте цей документ все ж таки стосується ущільнення волоконних заготовок для гальмівних дисків рідким способом, тобто шляхом імпрегнування заготовок смолою, яка є попередником вуглецю, при цьому смолу зшивають (стверджують) і потім карбонізують або графітизують з утворенням вуглецевої матриці. Канали утворюють після твердіння смоли і перед тим, як вона карбонізована або графітизована, при цьому канали служать для видалення летючих компонентів під час карбонізації або графітизації і, отже, для того, щоб уникнути захоплення газу вуглецевою матрицею. Цей спосіб повністю відрізняється від ущільнення способом CVI. Сутність винаходу Задачею винаходу є полегшення дифузії реакційного газу під час процесу ущільнення типу CVI, по-перше, для досягнення практично однорідного ущільнення волоконних субстратів при виготов 94228 6 ленні деталей з композиційного матеріалу, і, подруге, для скорочення кількості циклів ущільнення, розділених проміжними стадіями завищення, або, по можливості, досягнення ущільнення за один цикл зважаючи на відсутність необхідності у повторному відкриванні пор за допомогою проміжної стадії зачищення. Ця задача вирішується за допомогою способу виготовлення деталей з композиційного матеріалу, який включає підготовку волоконного субстрату, утворення каналів (отворів), що тягнуться в субстраті від щонайменше, однієї з його поверхонь і ущільнення субстрату матрицею, утвореною щонайменше, частково, хімічною інфільтрацією газовою фазою, причому в даному способі канали утворюються в субстраті шляхом видалення з нього волоконного матеріалу із зруйнованими волокнами, і при цьому розташування волокон в заготовці, що має канали, по суті не змінюється у порівнянні з їх початковим розташуванням до утворення каналів. Як пояснюється нижче, утворення каналів в субстраті шляхом видалення матеріалу із зруйнованими волокнами, як не дивно, дозволяє одержувати практично однорідне ущільнення субстрату, тоді як цей результат далекий від результату, одержуваного при утворенні каналів введенням голок, що не руйнують волокна, як в способі відомому з попереднього рівня техніки. Крім того, можна отримати протягом одного циклу такий ступінь ущільнення, який, згідно з відомим способом, потребує проведення деякої кількості циклів, розділених проміжною зачисткою. Канали можуть бути утворені за допомогою механічної обробки з використанням струменя води під високим тиском. Згідно з іншим варіантом здійснення способу, канали можуть бути утворені за допомогою локалізованої термічної дії, що має руйнуючу дію на матеріал волокон, можливо одночасно з дією окислювального середовища. Це можна застосовувати, зокрема для вуглецевих волокон. Локалізована термічна дія може бути створена за допомогою лазерного випромінювання. Згідно з іншими варіантам здійснення способу, канали можуть бути утворені шляхом машинної обробки з використанням високошвидкісного інструменту, такого як бурильне свердло, свердлувальний верстат або ріжучий верстат, або вирізуванням за допомогою ножа, або пробивки, або бійка або за допомогою електроерозійної обробки. Канали можуть проходити у субстраті між двома його поверхнями або вони можуть бути некрізними каналами, розкритими тільки в одну з поверхонь субстрату. Більш того, канали можуть бути утворені ортогонально відносно поверхні субстрату, в яку вони розкриті, або ж вони можуть бути розташовані у напрямі, що є не ортогональним. Для субстрату, який утворює кільцеподібну заготовку для гальмівного диска, канали, що одержуються в результаті, можуть бути каналами, розкритими у, щонайменше, одну з основних сторін заготовки перпендикулярно осі заготовки, або канали, розкриті у його зовнішню периферійну пове 7 рхню і. можливо, у внутрішню периферійну поверхню, у такому разі канали орієнтовані у напрямі, що є радіальним або по суті радіальним, або канали можуть бути комбінацією обох типів каналів. Середній діаметр каналів вибирають так, щоб уникнути їх блокування за рахунок осадження матричного матеріалу перед закінченням процесу ущільнення CVI. Наприклад, може бути вибраний середній діаметр в межах приблизно від 0,05 мм до 2 мм. Канали мають невеликий діаметр, і після ущільнення вони не грають функціональної ролі при подальшому використовуванні, наприклад, вони не забезпечують ніякої функції охолоджування гальмівного диска. Густину каналів вибирають так, щоб вона була достатньою для забезпечення реакційному газу короткого шляху у всі частини субстрату, що необхідне для того, щоб ущільнення було практично однорідним. Наприклад, можна вибрати густину в межах приблизно від 0,06 каналів на квадратний сантиметр (кан./см2) до 4 кан./см2, таку густину вимірюють як число каналів на одиницю площі в середній площині або на серединній поверхні субстрату. Іншими словами, відстань або крок між осями сусідніх каналів переважно лежить в межах приблизно від 0,5 см до 4 см. Густина каналів у волоконному субстраті може бути постійною, щоб однаково забезпечувати реакційному газу короткий шлях у всі частини субстрату для ущільнення. Як варіант, густина каналів може варіюватися, в цьому випадку можна вибрати, щоб густина була вище в тих частинах субстрату, де за відсутності каналів шлях газу буде довше і кількість матричного матеріалу, що доставляється всередину субстрату, менше, і вибрати густину, яка буде менше або дорівнювати нулю, в тих частинах субстрату, де навіть за відсутності каналів кількість матричного матеріалу, що доставляється, виявляється достатньо високою. Таким чином, для субстратів у формі кільцеподібних заготовок для гальмівних дисків, зокрема, для авіаційних гальмівних дисків, з каналами, розкритими у, щонайменше, одну з основних сторін субстрату, густина каналів може варіюватися і може зменшуватися між центральною частиною субстрату, яка відповідає частині диска, що треться, і частинами субстрату, сусідніми з його зовнішньою і внутрішньою периферійними поверхнями. Можна формувати канали тільки в центральній частині субстрату, яка відповідає частині, що треться, гальмівного диска, який підлягає виготовленню. Винахід також стосується волоконного субстрату для виготовлення деталі з композиційного матеріалу, при цьому субстрат має канали, які тягнуться в субстраті від щонайменше, однієї з його поверхонь, причому у вказаному субстраті густина каналів на одиницю об'єму волокон поблизу стінок трохи вище, ніж густина на одиницю об'єму волокон в інших частинах субстрату. Згідно з відрізняльною ознакою субстрату, канали визначені межами зон де волокна видалені або розірвані. Крім того, винахід стосується деталі з композиційного матеріалу, яка включає армування волокнами, ущільнену отриманою матрицею, щонай 94228 8 менше, частково шляхом інфільтрації газовою фазою, і має канали, які тягнуться в деталь від, щонайменше однієї з її поверхонь, при цьому волоконне армування в деталі виготовляють із описаного вище субстрату, або деталь, в якій густина каналів на одиницю об'єму армуючих волокон поблизу стінок каналів трохи вище ніж густина на одиницю об'єму волокон в інших частинах деталі. Короткий опис графічних матеріалів Винахід може стати більш зрозумілим при прочитанні подальшого опису, приведеного як необмежувальна вказівка і зробленого з посиланням на супутні графічні матеріали де: на фіг.1 показані послідовні етапи виготовлення виробу з композиційного матеріалу при здійсненні способу згідно з винаходом; фіг.2 є схемним зображенням у перспективі кільцеподібної волоконної заготовки для гальмівного диска, в якій сформовані канали; фіг.3 є фрагментом перерізу по площині III на фіг.2 у збільшеному масштабі; на фігурах з 4 по 6 представлені перерізи, що показують варіанти форм каналів, розкритих у, щонайменше, одну з основних сторін кільцеподібної волоконної заготовки для гальмівного диска; на фігурах з 7 по 10 показані різні варіанти розташування каналів на поверхні волоконного субстрату; фігури 11 і 12 є зображеннями які показують варіанти форм розкритих каналів, щонайменше, у зовнішню периферійну сторону кільцеподібної заготовки для гальмівного диска; фіг.13 є зображенням гальмівного диска, отриманого після ущільнення CVI і кінцевої обробки, при використовуванні заготовки такого виду, як показано на фіг.2; фіг.14 є видом зверху волоконної заготовки для диска авіаційних гальм, що обертається, в якій канали утворені із змінною густиною; фіг.15 є спрощеним схематичним зображенням кільцеподібних волоконних заготовок для гальмівних дисків, розташованих штабелем в печі для CVI ущільнення і фіг.16 є графіками кривих, які показують як густина диска, отриманого після ущільнення заготовки з Фіг.14, змінюється від внутрішнього до зовнішнього периметра, і для порівняння - зміни густини у диску після ущільнення аналогічної заготовки, але в якій не сформовані канали. Відомості що підтверджують можливість здійснення винаходу Перша стадія 10 способу, зображеного на фіг.1, полягає у виготовленні тривимірного (3D) волоконного субстрату або волоконної заготовки, які мають форму, близьку до форми деталі з композиційного матеріалу яка підлягає виготовленню. Способи виготовлення таких волоконних заготовок добре відомі. Можна починати з одновимірних (1D) волоконних елементів, таких як нитки або джгути намотаних на котушку або сердечник або використовуваних для утворення 3D субстрату безпосередньо шляхом тривимірного плетіння, в'язання або обплітання. 9 Також можна починати з двомірних (2D) волоконних текстур, таких як тканий матеріал, в'язаний матеріал, плоский плетений виріб, тонка повсть, однонаправлені (UD) полотна виготовлені із взаємно паралельних ниток або джгутів, або багатонаправлені (nD) полотна, виготовлені з UD полотен, що накладаються у різних напрямах і скріплених разом, наприклад, за допомогою слабкого зшивання або простьобування. Шари, зроблені з таких 2D текстур, суміщають за допомогою намотування на котушку або сердечник або за допомогою накидання на котушку або підкладку, і скріпляють разом, наприклад, шляхом зшивання, простьобування або шляхом імплантації ниток через шари для отримання 3D субстрату 3D субстрат також може бути одержаний у формі товстої повсті, виготовленої за допомогою зшивання безладно орієнтованих дискретних волокон. Отриманий у такий спосіб 3D субстрат може бути використано безпосередньо як волоконну заготовку для деталі, яка підлягає виготовленню. Крім того, необхідну волоконну заготовку можна виготовляти з 3D субстрату шляхом вирізування з отриманням необхідної форми. Волокна, що входять до складу заготовки, вибирають залежно від вживання деталі з композиційного матеріалу, яка підлягає виготовленню. У разі термоструктурних композиційних матеріалів, тобто матеріалів, що мають хороші механічні властивості і здатність зберігати їх при високих температурах, волоконне армування матеріалу звичайно виготовляють з вуглецю або кераміки. Заготовка може бути виготовлена з цих волокон або волокон, що є попередниками вуглецю або кераміки і більшою мірою придатні для того, щоб витримувати різні прядильні операції які застосовуються для створення 3D волоконних субстратів. В цьому випадку після виготовлення субстрату або заготовки попередник перетворюють на вуглець або кераміку, звичайно за допомогою термічної обробки. Друга стадія 12 способу полягає у формуванні каналів в заготовці для поліпшення доступу реакційного газу всередину заготовки під час подальшого ущільнення способом типу CVI. Якщо заготовка виготовлена з волокон матеріалу, отриманого перетворенням попередника матеріалу, канали в заготовці можуть бути сформовані після перетворення попередника або перед вказаним перетворенням. Якщо вони сформовані наперед слід враховувати будь-яку усадку, яка може відбутися під час перетворення попередника, щоб бути впевненим у тому, що одержуються канали необхідного розміру. На фіг.2 і 3 зображена кільцеподібна волоконна заготовка 20, зроблена з вуглецевих волокон, для виготовлення гальмівного диска з вуглецьвуглецевого (С/С) матеріалу Таку заготовку можна отримати за допомогою вирізування з 3D волоконного субстрату у формі пластини, наприклад, виготовленої накладенням і прошивкою шарів тканин або однонаправлених або різноспрямованих полотен заздалегідь окисленого поліакрилонітрилу (PAN), попередника вуглецю. Заготовка також мо 94228 10 же бути отримана поєднанням і прошивкою кільцеподібних шарів, вирізаних з однонаправлених або різноспрямованих тканин або полотен із заздалегідь окислених волокон PAN. Після виготовлення кільцеподібної заготовки із заздалегідь окислених волокон PAN, заздалегідь окислений PAN перетворюють на вуглець за допомогою термічної обробки. Можна посилатися, наприклад, на патенти US 4 790 052 і US 5 792 715 Канали 22 сформовані в заготовці 20 паралельно її осі 21 і тягнуться по всій її товщині між протилежними основними сторонами 20а і 20b, в які вони розкриті і які перпендикулярні осі 21. У варіанті, зображеному на фіг.4 в заготовці сформовані некрізні канали 22а 22b, канали 22а розкриваються тільки у бік 20а, тоді як канали 22b розкриваються лише у бік 20b. Слід зазначити що канали 22а, 22bЬ витягнуті по достатньо великій частині товщини заготовки. В іншому варіанті канали можуть бути утворені під кутом, тобто їх осі можуть утворювати кут, відмінний від 0, з нормаллю до граней 20а, 20b або до осі заготовки 20. і це можна віднести до крізних каналів 22' (фіг.5) або до некрізних каналів 22'а, 22'b (фіг.6). На фіг.2 канали 22 розташовуються з рівними інтервалами по концентричних колах. Вони можуть бути розташовані по спіральній лінії. Крім того, незалежно від того, чи є волоконні заготовки кільцеподібними або мають іншу форму, канали 22 можуть бути розташовані іншим чином, наприклад, у вершинах чотирикутників (фіг.7), у вершинах і центрах квадратів (фіг.8), у вершинах шестикутників (фіг.9) або у вершинах рівносторонніх трикутників (фіг.10). При заданій густині каналів розташування рівносторонніми трикутниками є найпереважнішим для мінімізації довжини шляху, по якому слідує газ для досягнення з каналів всіх точок всередині заготовки. На фіг.11 і 12 показаний інший варіант, згідно з яким утворені канали, розкриті не в одну і/або іншу з основних сторін 20а, 20b заготовки 20, а в зовнішню кільцеву периферійну поверхню 20с, і, необов'язково, у внутрішню кільцеву периферійну поверхню 20d, при цьому канали витягнуті радіально або по суті радіально. На фіг.11 канали 22с утворені в середній частині диска. Канали розкриті у зовнішню поверхню 20с і тягнуться радіально через основну частину простору між поверхнею 20с і внутрішньою кільцевою поверхнею 20d. але без розкриття в неї. На фіг.12, канали 22d, 22e утворені в середній частині диска, причому канали 22d є крізними каналами, які тягнуться радіально між поверхнею 20с і поверхнею 20d, тоді як канали 22е є некрізними каналами, які розкриті тільки в поверхню 20с і які тягнуться через частину, що становить приблизно половину простору між поверхнями 20с, 20d. Канали 22е міняються з каналами 22d і покликані мінімізувати неоднорідність густини каналів між поверхнями 20с і 20d. З тієї ж самої причини в прикладі на фіг.11 також можуть бути сформовані проміжні канали обмеженої довжини. 11 Хоча на Фіг.11 і 12 показані канали, розташовані в межах одного ряду в середній частині диска, насправді також можна, залежно від товщини диска, створювати декілька рядів каналів. Згідно з характеристикою способу відповідно до винаходу, канали формують в заготовці шляхом витягування матеріалу. Для цієї мети можна застосовувати спосіб висвердлювання за допомогою струменя води під тиском, який можна використовувати для утворення крізних каналів або некрізних каналів. Вода, що використовується, може (необов'язково) бути наповнена твердими частинками. Свердлення можна проводити з використанням одного або більше викидів водного струменя або безперервно. Якщо діаметр каналу більше діаметра струменя, канал може бути висвердлений за допомогою вирізування, тобто шляхом вирізування по колу кожного каналу, який повинен бути сформований. Залежно від способу свердлення, що використовується, канали можуть мати форму злегка усіченого конуса, як показано на фіг.4 і 6. Діаметр каналів далі збільшується у напрямі від сторони, де проводиться обробка водним струменем, оскільки водний струмінь стає розпиленим, або. переважно, тому що вода, наповнена твердими частинками від механічної обробки, стає більш абразивною. У разі крізних каналів приблизно 50% каналів обробляють з одного боку, а решту каналів обробляють з другого боку, щоб гарантувати, що густина пусток, створюваних каналами, є по суті однорідною по всій товщині заготовки. З цієї ж причини на фіг.4 з кожної сторони заготовки сформована приблизно однакова кількість каналів. Інший можливий спосіб формування каналів, що застосовується у випадках, коли волоконний матеріал може бути вилучений за допомогою тепла, полягає у створенні локалізованої теплової дії, наприклад, за допомогою лазерного випромінювання. Зокрема, у разі вуглецевих волокон така теплова дія в окислювальному середовищі, наприклад, в повітрі, дає можливість видаляти матеріал волокон шляхом окислення. Можуть бути використані різні типи лазерних джерел, наприклад, лазери вуглекислотного типу або на алюмоітриєвій гранаті (АІГ). Використовування лазерного випромінювання дозволяє контролювати глибину каналу при формуванні, некрізних каналів, а також дозволяє створювати канали шляхом вирізування і полегшує контроль орієнтації каналів. Для утворення каналів шляхом витягування матеріалу можуть бути використані також і інші способи. Можна вдатися до обробки за допомогою високошвидкісного інструменту, такого як бурильне свердло, свердлувальний або ріжучий верстат, до вирізування за допомогою ножа, або пробивки, або бойка, або до електроерозійної обробки. Такі способи обробки добре відомі. Формування каналів шляхом витягування матеріалу за допомогою описаних вище способів надає руйнуючу дію на волокна заготовки, проте не змінює розташування волокон поблизу стінок каналів у порівнянні з їх початковим розташуванням перед формуванням каналів. Таким чином, матеріал, що спочатку знаходиться в місцях роз 94228 12 ташування каналів, майже повністю виймають або видаляють, щоб одержувані в результаті канали були визначені межами зон видалення або розриву волокон, і щоб густина волокон в заготовці на одиницю об'єму поблизу стінок каналів не збільшувалася, на відміну від того, що могло б відбутися у випадку, якщо б канали були утворені шляхом вставляння голок для відтягування волокна в зони, що визначають стінки каналів. Під час подальшого процесу ущільнення способом типу CVI доступ реакційного газу до матеріалу волоконної заготовки виявляється не більш обмеженим при проходженні через стінки каналів, ніж при проходженні через зовнішні поверхні заготовки, на відміну від того, що було б, якби волокна були відтягнуті в зони стінок каналів під час формування каналів, оскількице привело б до локального збільшення густини на одиницю об'єму волокон на поверхнях каналів і до передчасного закриття стінок каналів під час ущільнення. Такого передчасного закриття стінок каналів яке б привело до зниження їх ефективності, таким чином, під час виконання процесу ущільнення вдається уникнути. В заготовці, а також в деталі з композиційного матеріалу, отриманій після ущільнення за допомогою способу типу CVI, густина волокон на одиницю об'єму поблизу стінок каналів трохи вище, ніж густина на одиницю об'єму волокон в інших частинах заготовки або деталі. Таким чином, усувається неоднорідність композиційного матеріалу. Середній діаметр каналів вибирають таким, щоб він був достатньо великим щоб уникнути їх закриття до закінчення процесу ущільнення способом типу CVI, що могло б перешкоджати виконанню їх функцій але при цьому обмежують його, щоб уникнути дії на характеристики деталей з композиційного матеріалу, одержуваних після ущільнення, причому при використовуванні діаметрів каналів вище певної величини доступ газу насправді не поліпшується навіть в кінці процесу типу CVI. Цей середній діаметр може, таким чином, змінюватися залежно від товщини матриці, яка наноситиметься на волокна розмірів деталей, що виготовляються, і вживання деталей. Взагалі кажучи, зокрема, для авіаційних гальмівних дисків середній діаметр каналів може бути вибраний в межах приблизно від 0,05 мм до 2 мм. Густину каналів вибирають значною, у взаємозв'язку з діаметром щоб забезпечити короткий шлях проходження реакційного газу для досягнення всіх частин заготовки під час ущільнення типу CVI, але при цьому обмежують її, щоб уникнути дії на характеристики деталі з композиційного матеріалу одержуваної після ущільнення. Ця густина може бути адаптованою до розмірів деталей які виготовлятимуться, і до області їх вживання. В загальному випадку і, зокрема для заготовок авіаційних гальмівних дисків, густина каналів може бути вибрана в межах приблизно від 0,06 кан./см2 до 4 кан./см2. На фігурах 2-6 цю густину вимірюють в середній частині заготовки, щоб охоплювати варіанти здійснень, в яких сформовані некрізні канали. Також густину можна вимірювати на одній із сторін в тих випадках, коли канали є крізними, як 13 на фіг.3 і 5. На Фіг.11 і 12 густина є непостійною і тому може бути розрахована як середня густина. Іншими словами, переважно, щоб відстань або крок між осями сусідніх каналів був вибраний в межах від 0,5 см до 4 см У варіантах здійснення, зображених на Фіг.11 і 12, йдеться про середній крок. В даній заготовці канали можуть мати однакові або різні діаметри. Аналогічно, густина каналів в даній заготовці може бути постійною або може варіюватися. Після формування каналів заготовку ущільнюють за допомогою способу типу CVI (стадія 14). Способи ущільнення по типу CVI вуглецевими або керамічними матрицями є добре відомими. Використовують попередник, адаптований до природи матеріалу матриці, яку будуть осаджувати. Залежно від умов і, зокрема, залежно від товщини заготовки, яку ущільнюватимуть, і густини, яка повинна бути отримана, може (необов'язково) бути потрібне зачищення щонайменше, однієї із зовнішніх сторін заготовки. Якщо таке зачищення проводиться стадія 14 включатиме перший цикл ущільнення I1 з подальшою машинною обробкою поверхні заготовки і потім другим циклом ущільнення I2. На фіг.13 показаний гальмівний диск 26, одержаний після ущільнення способом типу CVI заготовки такого типу, як зображено на фіг.2, і після її обробки до кінцевих розмірів з виїмками 26с і шпильками 26d, зробленими для того, щоб диск можна було закріплювати механічно. В даному прикладі диск є нерухомим диском для авіаційних гальм, що має дві протилежні поверхні тертя 26а і 26b. Слід зазначити, що канали 28, відповідні каналам, утвореним в заготовці, видні. Проте, через свій малий діаметр ці канали не виконують якихнебудь функцій, таких як функція охолоджування, при подальшому використовуванні диска. В прикладі, зображеному на Фіг.2 і 7, канали сформовані у всьому об'ємі. Як варіант, формування каналів може бути обмежено певними зонами заготовки, або в певних зонах може бути більша густина каналів наприклад, у разі гальмівного диска - в зонах відповідних поверхням тертя і, по можливості, в зонах, відповідних шпилькам, що забезпечують механічне зчеплення з диском. Таким чином, фіг.14 є схемою авіаційного гальмівного диска 26' перед остаточною машинною обробкою, такого як одержаний після ущільнення кільцеподібної заготовки, в якій канали сформовані з різною густиною, при цьому канали є крізними каналами, паралельними осі диска і розкриті в основні сторони заготовками. Як показано за допомогою розташування каналів 28', які зберігаються після ущільнення, густина каналів, сформованих в заготовці, є максимальною поблизу місця тертя диска, в його центральній частині, при цьому вказана густина знижується між вказаною центральною частиною і в частинах, прилеглих до внутрішніх і зовнішніх периферійних поверхонь диска. Це сприяє однорідному ущільненню в тій частині диска, яка використовується під час гальмування. За деяких умов можна передбачити формування каналів для того, щоб сприяти ущільненню також і 94228 14 в інших частинах заготовки, тобто в частинах які відрізняються від тих, що відповідають шляху тертя диска, наприклад в частинах заготовки відповідних частинам в рельєфі або пазах, утворених на внутрішньому або зовнішньому колі для забезпечення механічного зчеплення між диском і нерухомим або рухомим елементом. Хоча приведений вище опис стосується кільцеподібних волоконних заготовок для гальмівних дисків, очевидно, що винахід може бути застосований для всіх типів заготовок, призначених для використовування при виготовленні деталей з композиційних матеріалів і, зокрема, товстих деталей, для яких проблема неоднорідності при ущільненні зростає. Крім того, винахід може бути застосований незалежно від природи волокон заготовок і матриці яку осаджують для їх ущільнення за допомогою процесу CVI типу. Слід також відзначити, що операція ущільнення перфорованої волоконної заготовки згідно з винаходом може включати першу стадію часткового ущільнення з використанням рідкого способу перед другою стадією ущільнення по CVI типу. Ущільнення за рідким способом який є добре відомим, полягає у проведенні, щонайменше одного циклу імпрегнування заготовки рідкою композицією, яка містить рідкий попередник матричного матеріалу. Попередник звичайно є смолою наприклад, органічною смолою, яка є попередником вуглецю. Після сушіння, що проводиться для видалення всіх розчинників, і після полімеризації смоли виконують термічну обробку для перетворення попередника. Опис прикладів здійснення винаходу Приклад 1 Кільцеподібні волоконні заготовки з вуглецевих волокон для авіаційних гальмівних дисків з композиційного С/С матеріалу виготовляли таким чином. Багатонаправлені полотна одержували поєднанням трьох однонаправлених полотен з волокон заздалегідь окисленого PAN, витягуючи під кутами ±60° відносно один одного і скріпляли разом за допомогою зшивання. Багатонаправлені полотна суміщали і зшивали разом поступово по мірі їх накладання, щоб отримати прошитий лист, з якого вирізували кільцеподібні заготовки із заздалегідь окисленого PAN. Заготовки із заздалегідь окисленого PAN піддавали термічній обробці при температурі приблизно 1600°С для перетворення PAN у вуглець. При цьому одержували кільцеподібні заготовки з вуглецевих волокон з внутрішнім і зовнішнім діаметрами 26 см і 48 см, завтовшки 3,5 см і об'ємним процентним вмістом волокон приблизно 23%, об'ємний процентний вміст волокон є відсотком уявного об'єму заготовки, зайнятого волокнами. Деякі із заготовок перфорували крізними каналами, паралельними осям, за допомогою струменя води під тиском, з по суті постійною густиною приблизно 1 кан./см2. Таким шляхом одержували заготовки з каналами діаметром 0,2 мм у разі заготовок А1, А2, приблизно 0,5 мм у разі заготовки В1, В2, і приблизно 1 мм у разі заготовок С1, С2. 15 94228 Для порівняння в іншій заготовці D формували канали шляхом введення голок діаметром 2 мм, з густиною 1 кан./см2, голки потім виймали для ущільнення за допомогою CVI. Готували завантаження із заготовок у формі кільцеподібного штабелю, що складається по суті з неперфорованих заготовок Е, із заготовками А1, А2, В1, В2, С1 і С2, вставленими у штабель між парами неперфорованих заготовок Е1 і Е2. На фіг.15 показано таке завантаження у формі штабелю 30, поміщене у реакційну камеру 32 печі для ущільнення способом CVI для проведення ущільнення шляхом CVI по типу "прямого струму", як описано в патенті US 5904957. Коротко, піч нагрівають за допомогою індуктивного зв'язку між котушкою індуктивності 34 і графітним струмоприймачем 36, визначаючими реакційну камеру, з ізоляцією, поміщеною між котушкою і струмоприймачем. Реакційний газ поступає через дно струмоприймача 36, проходить через камеру підігріву 37 і направляється у внутрішній об'єм 31 штабелю, закритий зверху. Газ проходить через внутрішній об'єм камери 32 із зовнішньої сторони штабелю 30, проходить через зазори між заготовками, створені за допомогою роздільників (не показані), і дифундує через зазори. Вихідний газ видаляють через кришку струмоприймача шляхом відсмоктування за допомогою насосної установки, що створює необхідний рівень тиску всередині камери. Ущільнення субстратів матрицею з піровуглецю за допомогою CVI проводять, використовуючи 16 реакційний газ на основі природного газу при тиску приблизно 5 кПа і температурі приблизно 1000°С. Ущільнення проводять в два цикли I1, I2, розділені операцією зачищення, для чого завантаження витягують з печі. Цикл I1 проводять за заданих умов, які дозволяють підвищити відносну густину заготовок Е приблизно до 1,6. Після зачищення за допомогою машинної обробки основних поверхонь частково ущільнених заготовок, яка виконується для того, щоб привести їх до товщини, приблизної до товщини дисків, які підлягають виготовленню, проводять цикл I2 за заданих умов для доведення відносної густини приблизно до 1,8. Під час циклу I2 частково ущільнені заготовки Е1, А1, А2, В1, В2, С1, С2 і Е2 у вказаному порядку завантажують назад у піч. Таку ж процедуру використовують для ущільнення укладеного у штабель завантаження, що складається з субстратів Е типу, у два цикли I1 і I2, за винятком субстрату D, який поміщають у штабель поряд із субстратом Е3. В приведеній нижче Таблиці І дані величини густини, зміряні для дисків А1, А2, В1, В2, С1, С2, Е1 і Е2 після циклів I1 і I2, і для дисків Е3 і D після циклу I2. Можна бачити, що кінцеві значення густини, отримані для дисків А1, А2, В1, В2, С1 і С2, виявилися значно вище, ніж для дисків D, Е1 і Е2, і що густина дисків D в кінці циклу I2 не збільшується в такому ж ступені у порівнянні з густиною диска Е3. Таблиця І Початкова заготовка E1 A1 A2 B1 B2 C1 C2 E2 E3 D Канали Ні  0,2 мм  0,2 мм  0,5 мм  0,5 мм  0,1 мм  1 мм ні ні вводяться голки  2 мм Для того, щоб перевірити, утворюється чи ні градієнт ущільнення, з дисків А1, Е1, D і Е2, одержаних після циклу I2, вздовж радіусів цих дисків вирізували блоки по суті прямокутної форми. Для кожного блоку вимірювали густину в різних зонах від Z1 до Z5 між внутрішнім діаметром і зовнішнім діаметром поблизу однієї із сторін, поблизу іншої сторони і в середній частині по радіусу. В приведеній нижче Таблиці II приведені зміряні значення густини. Можна бачити, що помітний результат одержаний для диска А1, виготовленого Густина в кінці циклу I1 1,58 1,59 1,56 1,56 1,57 1,57 1,59 1,61 Густина в кінці циклу I2 1,81 1,88 1,88 1,89 1,89 1,89 1,89 1,80 1,79 1,81 згідно з винаходом, оскільки його густина є практично однорідною (зміна менше 1,7%). У разі дисків Е1 і Е3, одержаних із заготовок без каналів, спостерігалася значна зміна густини, що свідчить про наявність достатньо різкого градієнта ущільнення, не дивлячись на проміжну операцію зачищення (зміни від 8,1% до 7,7%, відповідно). Зміна густини, що склала 6%, була зміряна для диска D, причому ця зміна була менше тієї, яка спостерігалося для дисків Е1 і Е3, але, проте, виявилася все ж таки дуже значною. 17 94228 18 Таблиця II Густина в кінці циклу I2 Початкова заготовка А1 Е1 D Е3 сторона центр сторона сторона центр сторона сторона центр сторона сторона центр сторона Канали  0,2 мм ні Вводяться голки  2 мм ні Z1 Z2 Z3 Z4 1,86 1,86 1,87 1,83 1,80 1,81 1,82 1,77 1,79 1,80 1,75 1,75 1,87 1,86 1,87 1,77 1,69 1,76 1,79 1,72 1,77 1,78 1,70 1,73 1,88 1,86 1,87 1,78 1,70 1,76 1,77 1,71 1,76 1,75 1,67 1,74 1,87 1,85 1,86 1,79 1,69 1,78 1,79 1,72 1,78 1,77 1,71 1,76 Таким чином, спосіб згідно з винаходом відрізняється тим, що дозволяє збільшувати ступінь ущільнення (і, тим самим, для заданої цільової густини дозволяє скоротити час ущільнення), крім того, практично виключаючи виникнення градієнта ущільнення, приводить до результату, який не був одержаний за допомогою способу, відомого з попереднього рівня техніки (при утворенні каналів шляхом введення голок). Приклад 2 Методика була по суті такою ж, як описана в Прикладі 1, але без проміжного зачищення, з одержанням завантаження у формі штабелю з кільце Z5 (зовнішній радіус) 1,87 1,85 1,86 1,84 1,78 1,82 1,80 1,79 1,79 1,81 1,78 1,81 подібних заготовок з вуглецевих волокон для нерухомих і рухомих дисків з різною завтовшки заготовки в межах від 24 мм до 36 мм, із заготовками, перфорованими струменем води під тиском, і заготовками, які не були перфоровані. Для отримання матриці з піровуглецю проводили цикл ущільнення способом CVI і переривали його після закінчення трьох четвертих від його тривалості, щоб зміряти відносну густину частково ущільнених заготовок. В приведеній нижче Таблиці III наведені проміжні і остаточні середні величини відносної густини, зміряні після закінчення трьох четвертих тривалості циклу і в кінці циклу. Таблиця III Заготівка Тип диска нерухомий Неперфорована рухомий нерухомий 3 каналами рухомий Товщина (мм) 24 30 36 28,5 33 24 30 36 28,5 33 Необхідна цільова густина (1,78) на проміжній стадії не була досягнута, але більше значення густини було отримане для заготовок з каналами. В кінці циклу мета була досягнута для всіх заготовок, які мають канали (виділені значення), і не була досягнута ні для однієї з неперфорованих заготовок. Цей приклад показує, що гальмівні диски з композиційного С/С матеріалу, що мають необхідну густину, можуть бути отримані в ході одного циклу без проміжного зачищення шляхом формування каналів в заготовці згідно з винаходом. Приклад 3 Методика була по суті такою ж, яка описана в Прикладі 1, але без проміжного зачищення (один цикл ущільнення, за тривалістю практично ідентичний циклу в Прикладі 2), з утворенням заванта Проміжна густина 1,65 1,65 1,68 1,71 1,71 1,66 1,69 1,73 1,75 1,74 Кінцева густина 1,74 1,72 1,70 1,75 1,77 1,79 1,80 1,82 1,83 1,83 ження у вигляді штабелю з кільцеподібних заготовок з вуглецевих волокон для гальмівних дисків, який включає неперфоровані заготовки і перфоровані заготовки з різною густиною каналів. Канали були крізними каналами з паралельними осями і мали діаметр 0,5 мм, вони були сформовані за допомогою струменя води під тиском з використанням схеми квадратних решіток, як показано на фіг.7 Цикл переривали після закінчення двох третин від його тривалості для того, щоб зміряти отриману середню проміжну густину. В приведеній нижче Таблиці IV дані проміжні і отримані в кінці циклу середні значення відносної густини для заготовок, які мають різну густину каналів. Крім того, приведена швидкість збільшення густини між проміжною зупинкою і закінченням циклу (в одиницях густини 19 94228 в годину), яка показує швидкість осадження протя 20 гом останніх годин. Таблиця IV Канали Проміжна густина Густина в кінці циклу Ні Решітка 2см  2см Решітка 1,5см  1,5см Решітка 1см  1см 1,661 1,650 1,661 1,690 1,772 1,793 1,817 1,852 Можна бачити, що збільшення густини каналів призводить до того, що в останній частині циклу ущільнення осадження протікає з більш високою швидкістю. Приклад 4 Методика була по суті такою ж, яка описана в Прикладі 1, але без проміжного зачищення, з формуванням завантаження у вигляді штабелю з круглих заготовок з вуглецевих волокон для гальмівних дисків, який включає неперфоровані заготовки і заготовки, перфоровані каналами з розташуванням, зображеним на фіг.14. Перфорована заготовка була заготовкою для рухомого диска і мала внутрішній і зовнішній діаметри 46,8 см і 26,7 см, відповідно, товщину 3,5 см і 576 крізних каналів з діаметром 0.5 мм. Канали формували за Швидкість зростання густини (од. густини/год.) 6,27  10-4 8,08  10-4 8,81  10-4 9,15  10-4 допомогою струменя води під тиском паралельно осі заготовки. Крива А на фіг.16 показує, як зміряна густина змінюється залежно від радіусу диска в кінці циклу ущільнення стандартної тривалості такого ж порядку величини, як в Прикладах 2 і 3. Для порівняння, крива В показує зміну густини, зміряну для диска, виготовленого із заготовки, що має ті ж розміри, але без перфорації. Можна бачити, що велика густина каналів в центральній частині заготовки дозволяє отримати велику густину матеріалу диска в цій частині, тоді як диск, виготовлений з неперфорованої заготовки, показує значний градієнт густини з мінімумом в центральній частині заготовки. 21 94228 22 23 94228 24 25 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 94228 Підписне 26 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601