Спосіб і установка для ущільнення підкладок шляхом хімічної інфільтрації в газовій фазі

1. Спосіб ущільнення пористих підкладок шляхом хімічної інфільтрації в газовій фазі, у якому проводять нагрів внутрішнього об'єму камери, вводять газ-реагент в камеру і проводять попередній нагрів газу-реагенту після його введення в камеру і перед його вступом у контакт з підкладками, розташованими у завантажувальній зоні, який відрізняється тим, що здійснюють попередній нагрів газу-реагенту, що надходить у камеру, щонайменше частково, за допомогою його пропускання трубопроводом, який нагрівають, що сполучений із вхідним отвором і проходить через завантажувальну зону, і приводять його до внутрішньої температури камери, а попередньо нагрітий газреагент розподіляють по завантажувальній зоні через один або декілька отворів, виконаних у бічній стінці трубопроводу по його довжині. 2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що розподіл газу-реагенту здійснюють через одну або декілька подовжніх наскрізних щілин, виконаних у бічній стінці трубопроводу. 3. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що розподіл газу-реагенту здійснюють через множину просвердлин, виконаних у бічній стінці трубопроводу. 2 (19) 1 3 76987 4 11. Установка за будь-яким з пп.8-10, яка відріз12. Установка за п.11, яка відрізняється тим, що няється тим, що додатково включає теплообмінні вказані внутрішні стінки виконані у вигляді постінки, розташовані всередині трубопроводу. довжніх пластин, між якими утворені зазори. Даний винахід відноситься до технології хімічної інфільтрації в газовій фазі. Галуззю використання винаходу є ущільнення пористих підкладок і особливо виготовлення виробів з композитних матеріалів за допомогою ущільнення волокнистих підкладок речовиною-матрицею. Традиційний спосіб ущільнення підкладок шляхом хімічної інфільтрації в газовій фазі включає в себе етапи завантаження пористих підкладок, що підлягають ущільненню, у завантажувальну зону камери, нагріву внутрішнього об'єму камери, введення газу-реагенту до камери через вхідний отвір, розташований на одному кінці камери, й попереднього нагріву газу-реагенту після його введення до камери і перед його вступом у контакт з підкладками, розташованими в завантажувальній зоні. Температуру і тиск у камері вибирають таким чином, щоб газ-реагент міг дифундувати всередину пористої структури підкладок і осаджувати там утворюючий матрицю матеріал за рахунок розкладання одного або декількох компонентів газуреагенту або за рахунок реакції між декількома компонентами. Попередній нагрів газу-реагенту звичайно забезпечують шляхом ґ пропуску газу через зону попереднього нагріву, що знаходиться в камері і з якою сполучається вхідний отвір для газуреагенту. Типова зона попереднього нагріву містить множину перфорованих пластин, які розташовані одна над одною і яким передається внутрішня температура камери. Попередній нагрів газу-реагенту має на меті приведення його перед введенням у завантажувальну зону до температури, за можливістю найбільш близької до температури, необхідної для формування бажаної матриці. На практиці температура реакції для формування матриці з піровуглецю або кераміки має звичайно порядок 1000°С. При цьому температура газу-реагенту нижча за бажану всього на декілька десятків градусів може значним чином вплинути на кінетику ущільнення і мікроструктуру матеріалу осаджуваної матриці. Цей вплив спостерігався, зокрема, у випадку ущільнення підкладок, покладених стопами, особливо підкладок кільцевої форми, призначених для виготовлення гальмівних дисків із композитного матеріалу. Способи й установки для ущільнення стоп кільцевих підкладок [описані в патентних документах US 5904957 і ЕР 0792385]. Газ-реагент, що виходить із зони попереднього нагріву, надходить у внутрішній об'єм стоп, утворених вкладеними одна на одну кільцевими підкладками. При цьому стопи розташовані вертикально в завантажувальній зоні над зоною попереднього нагріву, а вхідний отвір для газу-реагенту розташовано біля основи камери. Між підкладками, розташованими біля основ стоп, та іншими підкладками спостері гався градієнт ущільнення, причому цей градієнт був тим значніший, чим слабший був попередній нагрів газу-реагенту. Ця проблема могла б бути подолана шляхом збільшення об'єму зони попереднього нагріву. Проте для даного загального об'єму камери це призвело б до зменшення наявного в розпорядженні простору для завантаження підкладок. Оскільки процеси ущільнення шляхом хімічної інфільтрації в газовій фазі тривалі й дорогі у здійсненні, завантажувальні ємності в установках мають бути оптимальними. Крім того, газ-реагент, що дійшов до вершини стопи, пройшов через неї по всій висоті і піддався різноманітним впливам, так що підкладки біля вершини стопи одержують газ-реагент, склад якого може відрізнятися від складу газу-реагенту на вході до завантажувальної зони. Це також може призводити до розходжень у характеристиках ущільнення. Задача, на рішення якої спрямовано даний винахід, полягає в створенні способу, який дозволяє поліпшити розподіл і попередній нагрів газуреагенту й у результаті знизити градієнти ущільнення між підкладками, розташованими в різноманітних місцях завантажувальної зони, без зниження ємності завантаження і навіть з її збільшенням. Відповідно до винаходу вирішення поставленої задачі досягається за рахунок способу описаного вище типу, в якому попередній нагрів газуреагенту, що надійшов у камеру, здійснюють, щонайменше, частково за допомогою його пропускання по трубопроводу, сполученому із вхідним отвором і що проходить через завантажувальну зону, і приведення його до внутрішньої температури камери. При цьому попередньо нагрітий газреагент розподіляють по завантажувальній зоні через один або декілька отворів, виконаних у бічній стінці трубопроводу по його довжині. Таким чином, трубопровід забезпечує одночасно попередній нагрів газу-реагенту і його розподіл по завантажувальній зоні. Розподіл газу-реагенту може здійснюватися через одну або декілька подовжніх наскрізних щілин, виконаних у бічній стінці трубопроводу. В іншому варіанті виконання газ-реагент може розподілятися по завантажувальній зоні через множину просвердлин, виконаних у бічній стінці трубопроводу. Для інтенсифікації попереднього нагріву газреагент циркулює в трубопроводі в контакті зі стінками, що утворюють поверхні теплообміну й розташовані всередині трубопроводу. В разі ущільнення кільцевих підкладок, розташованих у завантажувальній зоні у вигляді, щонайменше, однієї вертикальної стопи, газ-реагент, що надійшов у камеру, переважно попередньо нагрівають і розподіляють у камері за допомогою 5 76987 6 пропускання через трубопровід, розташований На Фіг.1 схематично показана камера 10, у вертикально всередині стопи. якій розміщена завантажувальна порція пористих Таким чином, розподіл газу-реагенту переважпідкладок 20. Підкладки 20 являють собою, наприно здійснюють тільки через отвори, виконані в бічклад, каркаси з вуглецевих волокон або сформоній стінці трубопроводу. вані й попередньо ущільнені заготовки каркасів. Ці Винахід направлений також на створення каркаси або заготовки призначені для виготовленустановки, що дозволяє здійснити вищеописаний ня гальмівних дисків із композитного матеріалу спосіб. вуглець/вуглець (С/С) за допомогою їхнього ущіРішення даної задачі забезпечується за рахульнення матрицею з піролітичного вуглецю (піронок створення установки, що має камеру, всеревуглецю). дині якої знаходиться завантажувальна зона для Завантажувальна порція має вигляд стопи підпористих підкладок, що підлягають ущільненню, кладок, яка обмежує внутрішній об'єм 21, утвореструмоприймач, що обмежує камеру і зв'язаний із ний центральними отворами підкладок, вирівняних засобами нагріву камери, вхідний отвір для газупо вертикалі. Стопа підкладок спирається на нижреагенту на одному кінці камери і засоби попередній опорний піддон 11, який, у свою чергу, спиранього нагріву газу-реагенту, розташовані в камері. ється на ніжки 12а. Стопа може бути утворена з В установці за винаходом є трубопровід, з'єднаний декількох секцій, розділених одним або декількома із вхідним отвором для газу-реагенту в камері й проміжними опорними піддонами 13. Піддон 11 що проходить через завантажувальну зону. При має отвір 11а, вирівняний по осі з центральними цьому трубопровід постачений по своїй довжині отворами підкладок 20 і з отворами 13а проміжних поперечними отворами, що виходять у завантажупіддонів 13. На своїй вершині стопа підкладок посвальну зону для розподілу по ній газу-реагенту. тачена кришкою 22, що закриває внутрішній об'єм Відповідно до одного прикладу виконання 21. Піддони 13 підтримуються опорним піддоном отвори виконані у вигляді, щонайменше, однієї 11 за допомогою колонок або стійок 12b. подовжньої щілини. Таким чином, стінка трубопроКожна підкладка 20 відділена від сусідньої підводу може бути утворена множиною пластин, що кладки і/або від піддона 11 або 13 або від кришки утворюють між собою подовжні зазори. 22 однією або декількома розпірними підкладками Відповідно до іншого приклада виконання 23, які визначають проміжки 24 (Фіг.1 і 2). Підкладотвори виконані у вигляді просвердлин, розподіки 23, наприклад, розташовані радіально, виконані лених по довжині трубопроводу. таким чином, щоб формувати проходи, які забезПереважно всередині трубопроводу розташопечують сполучення внутрішнього об'єму 21 із зовані стінки. Ці внутрішні стінки можуть бути виковнішнім об'ємом 25, що знаходиться всередині нані у вигляді подовжніх пластин, між якими утвокамери, але зовні від стопи. рені зазори. Утворені підкладками 23 проходи можуть бути Винахід стане більш зрозумілим з розгляду підібрані по розмірах такими, щоб забезпечувати прикладів, що не є обмежувальними, здійснення вирівнювання тиску між об'ємами 21 і 25, як це винаходу, що будуть описані нижче з посиланнями описано в [патенті США №5904957]. В одному з на додані креслення, на яких: варіантів здійснення ці проходи можуть бути канаФіг.1 схематично зображує в подовжньому ролами витоку, що мають обмежений прохідний пезтині установку для ущільнення за допомогою хіретин і створюють градієнт тиску між об'ємами 21 і мічної інфільтрації в газовій фазі відповідно до 25, як описано в [патентній заявці Франції одного приклада здійснення винаходу, №0103004]. Фіг.2 зображує установку в збільшеному масНагрів камери здійснюється за допомогою штабі на вигляді в частковому поперечному розтиструмоприймача 14, що обмежує камеру з бічних ні; показаний, зокрема, трубопровід для попередсторін. Струмоприймач являє собою, наприклад, нього нагріву і розподілу газу-реагенту по провідник, що має індуктивний зв'язок з індуктором установці за Фіг.1, 15. Індуктор 15 оточує камеру і відділений від Фіг.3 зображує на вигляді в поперечному розструмоприймача 14 стінкою 16, що утворює теплотині трубопровід для попереднього нагріву і розізолятор. У варіанті виконання нагрів струмоприйподілу газу-реагенту в іншому прикладі виконання, мача може здійснюватися за допомогою електричФіг.4 схематично зображує в подовжньому роних резисторів, що знаходяться в тепловому зтині установку для ущільнення за допомогою хіконтакті зі струмоприймачем. мічної інфільтрації в газовій фазі відповідно до Газ-реагент, що містить один або декілька відомого рішення, що відповідає рівню техніки, компонентів, що є вихідною речовиною для вуглеФіг.5 зображує на вигляді збоку трубопровід цю, вводиться в камеру через вхідний отвір 17а, попереднього нагріву і розподілу газу-реагенту в виконаний у днищі 17 камери. Вихідні речовини є іншому прикладі виконання, газоподібними вуглецевими сполуками, в типовоФіг.6 зображує в поперечному розтині трубопму випадку, метаном, пропаном або сумішшю цих ровід за Фіг.5, двох речовин. У ділянці між днищем 17 і піддоном Фіг.7 схематично зображує в подовжньому ро11 газ-реагент направляється циліндричною стінзтині установку для ущільнення за допомогою хікою 18, що з'єднує між собою отвори 17а і 11а. мічної інфільтрації в газовій фазі відповідно до Вертикальний трубчастий стовбур (трубопроіншого приклада здійснення винаходу, і від) 30 з'єднаний своїм нижнім кінцем з отвором Фіг.8 і 9 схематично зображують на вигляді в 11а і проходить вертикально всередині об'єму 21 подовжньому розтині інші приклади використання до ділянки поблизу вершини стопи підкладок. На установки відповідно до винаходу. верхньому кінці трубопровід 30 закритий кришкою 7 76987 8 31. Трубопровід 30 може бути утворений з декільЩілини 43 утворені зазорами між подовжніми кох секцій, з'єднаних у стик, що дозволяє забезпепластинами 44, які утворюють бічну стінку 42 тручити модульність його конструкції. бопроводу 40. У трубопроводі 40 розташовані доВ прикладі виконання за Фіг.1 і 2 трубопровід даткові внутрішні теплообмінні стінки. Як і в прик30 на своїй бічній стінці 32 має множину отворів 33 ладі виконання за Фіг.3, ці внутрішні стінки у формі просвердлин, розподілених уздовж усієї виконані у вигляді подовжніх пластин 45, розташодовжини трубопроводу і по всій його окружності ваних навколо осі трубопроводу й що утворюють навколо осі. між собою зазори 46. Пластини 45 і 44 розташоваТаким чином, газ-реагент, що надійшов у кані в шаховому порядку навколо осі трубопроводу меру, розподіляється у внутрішньому об'ємі 21 за 40, так що зазор 46 виходить до пластини 44 між рахунок виходу через отвори 33 трубопроводу 30 і двома щілинами 43. проходить від об'єму 21 до об'єму 25 за рахунок Саме собою зрозуміло, що щілини можуть дифузії по проходах, утворених розпірними підкпроходити по інших, не прямолінійних траєкторіях, ладками 23. Залишковий газ видалиться з камери наприклад, по гвинтових лініях від низу до верху 10 через отвір 19а, утворений у кришці 19 камери і трубопроводу. який сполучається із засобами відсмоктування (не В загальному аспекті, отвори в бічній стінці показані). трубопроводу можуть мати будь-які форми, наприТрубопровід 30 забезпечує не тільки розподіл клад, довгасті форми або у вигляді подовжених газу-реагенту по всій висоті стопи підкладок, але вікон, що проходять уздовж осі, по окружності або також попередній нагрів газу, оскільки трубопровід по нахилених лініях. 30 має температуру, рівну температурі в камері. У прикладі виконання за Фіг.1 і 2 подана одна Для поліпшення попереднього нагріву всерестопа підкладок 20. У іншому варіанті здійснення дині трубопроводу 30 можуть бути розташовані декілька стоп підкладок можуть бути розташовані внутрішні теплообмінні стінки. В прикладі виконанв камері поруч одна з одною. В цьому випадку ня за Фіг.3 ці внутрішні стінки виконані у вигляді трубопровід попереднього нагріву й розподілу гаподовжніх пластин 35, розташованих навколо осі зу-реагенту розташований усередині кожної стопи трубопроводу й що утворюють між собою зазори і зв'язаний із загальним вхідним отвором для газу36. реагенту або, переважно, з окремим вхідним отвоТрубопровід 30, кришка 31 і внутрішні стінки, в ром, співвісним до даного трубопроводу. разі їхньої наявності, виготовлені, наприклад, з Слід також відзначити, що циркуляція газуграфіту. Можуть використовуватися також інші реагенту може бути оберненою, із вхідним отвоматеріали, наприклад, композитний матеріал С/С. ром для газу, виконаним у кришці камери, і з вихіСтінки 14, 17, 19 камери 10 переважно виготовлені дним отвором, виконаним у днищі на відстані від з графіту. Піддони 11, 13, кришка 22, розпірні підкопорного піддона стопи. В цьому випадку централадки 23 і стінка 18 виготовлені, наприклад, із льний прохід стопи закритий у нижній частині. графіту або з композитного матеріалу С/С. Як показано на Фіг.7 на вигляді, аналогічному Порівняно до відомої установки, яка має зону до вигляду за Фіг.1, стопа кільцевих підкладок 120 1 попереднього нагріву між входом газу-реагенту і завантажена в камеру 110, обмежену з бічних стопіддоном 11, на який спирається стопа (див. Фіг.4), рін струмоприймачем 114, що являє собою провіустановка за Фіг.1 і 2, що не має зони попередньодник, що має індуктивний зв'язок з індуктором 115, го нагріву, дозволяє істотно збільшити об'єм завапричому між ними вмонтований ізолятор 116. Стонтаження. Справді, завантажувальна зона камери па підкладок 120 утворена з декількох розташова10, розташована над піддоном 11, більша за відних одна над одною секцій, які розділені одним повідну зону в установці за Фіг.4, оскільки зона або декількома проміжними піддонами 113 і спипопереднього нагріву з перфорованими листами 2, раються на нижній піддон 111, що не має центрарозташованими один над одним, займає відносно льного отвору і закриває внутрішній простір стопи. багато місця. На своїй вершині стопа накрита кришкою 122, Втім, варто зауважити, що згідно з винаходом яка має центральний отвір 122а, вирівняний по осі може бути також передбачена наявність зони поз внутрішнім об'ємом 121 стопи. переднього нагріву, що може мати менші розміри Між входом у камеру 110 через кришку 119 і порівняно до відомих установок, що відповідають центральним отвором 122а газ-реагент направлярівню техніки. ється циліндричною стінкою 118, яка в разі потреТрубопровід 30 повинен мати достатній діаби може оточувати зону попереднього нагріву гаметр для створення значної поверхні теплообміну, зу-реагенту, що має обмежені розміри. в той самий час залишаючись усередині підкладок Вертикальний трубопровід 130 з'єднаний сво20 і не контактуючи з ними. їм верхнім кінцем з отвором 122а і проходить до На Фіг.5 і 6 показаний варіант виконання трупіддона 111, який закриває нижній кінець трубопбопроводу 40 попереднього нагріву й розподілу роводу. Трубопровід 130 може бути подібний до газу-реагенту, альтернативний щодо трубопровотрубопроводу 30 або трубопроводу 40, описаного ду 30 за Фіг.1 і 2. вище. В показаному прикладі виконання трубопроБічна стінка 42 трубопроводу 40 має отвори 43 від 130 має бічну стінку 132, постачену множиною у вигляді подовжніх щілин, що проходять по довотворів 133, розподілених по довжині й навколо осі жині трубопроводу, закритого зверху кришкою 41. трубопроводу. У показаному прикладі виконання щілини 43 викоГаз-реагент, що надійшов у камеру, розподінані прямолінійними і рівномірно розподілені наляється у внутрішньому об'ємі 121 за рахунок вивколо осі трубопроводу 40. ходу через отвори 133. Газ проходить від об'єму 9 76987 10 121 до об'єму 125, розташованому зовні від стопи, На Фіг.9 показана камера 310 із нижнім опорза рахунок дифузії по проходах, утворених розпірним піддоном 311 і декількома проміжними опорними підкладками, розміщеними між підкладками. ними піддонами 313 у завантажувальній зоні каЗалишковий газ видаляється з камери через мери 310. Піддони 311 і 313 постачені центральний отвір 117а у днищі 117 камери. центральними отворами, відповідно 311а і 313а, В іншому установка подібна до установки за вирівняними із вхідним отвором для введення гаФіг.1. зу-реагенту в камеру. Спосіб і установка за винаходом можуть викоВертикальний трубопровід 330 попереднього ристовуватися для ущільнення пористих підкланагріву й розподілу газу-реагенту сполучений сводок, відмінних від каркасів гальмівних дисків, наїм нижнім кінцем із центральним отвором 311а і приклад, для підкладок, що утворюють каркаси проходить вертикально через завантажувальну дифузорів ракетних двигунів, як показано на Фіг.8. зону камери 310, проходячи через отвори 31 За. Декілька підкладок 220 розташовані в загальНа своєму верхньому кінці, розташованому поблиній завантажувальній зоні камери 210 із вирівнязу вершини завантажувальної зони, трубопровід ними по вертикалі осьовими отворами. Підкладка 330 закритий кришкою 331. в нижній частині спирається на піддон 211, який, у Піддони 311 і 313 спираються відповідно на свою чергу, спирається на ніжки 212а. Інші підкланіжки 312а і стійки 312b. дки спираються на кільцеві проміжні піддони 213, Піддони 311, 313 підтримують ущільнювані піякі підтримуються опорним піддоном 211 за доподкладки 320 (показані не всі підкладки), що можуть могою колонок або стійок 212b. мати різноманітні форми й розміри. Внутрішні об'єми підкладок 220 утворюють раВ іншому установка ідентична до прикладу визом із центральними отворами 213а піддонів 213 конання за Фіг.1 і 2. внутрішній об'єм 221 стопи підкладок. Об'єм 221 Слід відзначити, що спосіб і установка за визакритий у своїй верхній частині кришкою 222. Піднаходом можуть використовуватися для ущількладки 223 розміщені між підкладками 220 і піддонення пористих підкладок матрицями, відмінними нами 211, 213 і можуть також утворювати проходи від матриць із піровуглецю, - наприклад, керамічдля забезпечення сполучення об'єму 221 з об'єними матрицями. Процес інфільтрації газової фази мом 225 у камері зовні від підкладок. керамічних матеріалів, наприклад карбіду кремнію Трубопровід 230 попереднього нагріву і розпо(SiC), добре відомий. Композицію газу-реагенту ділу газу-реагенту сполучений своїм нижнім кінцем вибирають виходячи зі складу матриці, що підляіз центральним отвором 211а піддона 211. Трубогає осадженню. провід 230 проходить вертикально всередині об'єВарто також відзначити, що відкритий прохідму 221 до ділянки поблизу вершини стопи підкланий перетин, утворюваний наскрізними отворами в док, де він закритий кришкою 231. бічній стінці трубопроводу попереднього нагріву й Трубопровід 230 постачений на своїй бічній розподілу, може бути однаковим або змінюється стінці 232 отворами 233, наприклад, у вигляді пропо всій висоті трубопроводу. свердлин, і за своїм типом подібний до трубопроТак, зокрема, змінюваний перетин може виководу 30 у прикладі виконання за Фіг.1 і 2. ристовуватися в тому випадку, коли потреба в газіВ іншому установка ідентична до прикладу виреагенті більша на одних рівнях трубопроводу конання за Фіг.1 і 2. порівняно до інших рівнів, а також у тих випадках, Галузь використання винаходу не обмежуєтьколи конфігурація завантажувальної порції підклася ущільненням підкладок кільцевої або асиметридок і/або розміри підкладок є перемінними по вичної порожнистої форми. соті завантажувальної зони. 11 76987 12 13 Комп’ютерна верстка В. Мацело 76987 Підписне 14 Тираж 26 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