Спосіб і пристрій для ущільнення пористого субстрату шляхом інфільтрації газовою фазою

Даний винахід належить до галузі ущільнення пористих субстратів шляхом інфільтрації газовою фазою. Винахід може застосовуватися в галузі виготовлення деталей з термоструктурних композитних матеріалів, тобто композитних матеріалів, що мають одночасно механічні властивості, які роблять їх придатними для виготовлення структурних деталей, і здатність зберігати ці властивості при високих температурах. Типовим прикладом термоструктурних композитних матеріалів є композитні матеріали типу вуглець/вуглець (С/С, скорочення від французького "carbone/carbone"), що мають посилюючу текстуру з вуглецевих волокон, ущільнену матрицею з піролітичного вуглецю, а також композитні матеріали з керамічною матрицею (CMC, скорочення від французького "les composites à matrice ceramique"), що мають посилюючу текстуру з вогнетривких волокон (вуглецевих або керамічних), ущільнену керамічною матрицею. Добре відомий спосіб ущільнення пористого субстрату для виготовлення деталей з композитних матеріалів типу С/С або CMC шляхом хімічної інфільтрації газовою фазою. Ущільнюваний субстрат вміщується в завантажувальну зону печі й нагрівається. В піч подається газ-реагент, що містить одне або декілька джерел складової речовини матриці. Температуру і тиск усередині печі підбирають таким чином, щоб забезпечити дифузію газу-реагенту в пористу структуру субстрату й утворення в ній відкладень складової речовини матриці в результаті розкладу одного або декількох компонентів газу-реагенту, що є джерелами складової речовини матриці. Цей процес виконують при зниженому тиску, що сприяє дифузії газу-реагенту в субстрат. Температура перетворення джерела або джерел, у результаті якого утворюється складова речовина матриці, наприклад піролітичний вуглець або керамічний матеріал, у більшості випадків перевищує 900°С і, як правило, складає близько 1000°С. Для одержання максимально рівномірного ущільнення субстрату в усій зоні завантаження печі, як з погляду підвищення густини, так і з погляду мікроструктури утворюваної речовини матриці, необхідно, щоб температура була, по суті, однакова в усій зоні завантаження. Крім того, піч звичайно містить зону нагрівання газу-реагенту, розташовану між точкою введення газуреагенту в піч і зоною завантаження. Звичайно зона завантаження містить декілька перфорованих пластин, через які проходить газ-реагент. У результаті перебування в печі пластини нагрівання газу нагріваються, так само як субстрати. Нагрівання печі звичайно забезпечується за допомогою струмоприймача, виготовленого, наприклад, з графіту, що утворює бічну стінку печі, і з'єднаного з котушкою індуктивності, що оточує піч. Автори винаходу спостерігали, що наявність газу-реагенту в зоні нагрівання не завжди приводить до бажаного результату. Показовий приклад являє собою ущільнення субстратів, що складаються з кільцевих заготовок з вуглецевих волокон, або попередньо ущільнених кільцевих заготовок, для виготовлення гальмівних дисків з композитного матеріалу типу С/С. Субстрати вкладаються в одну або декілька вертикальних стопок, що вміщуються в зону завантаження, над зоною нагрівання газу-реагенту, розташованою в нижній частині печі. Незважаючи на нагрівання газу-реагенту між нижньою частиною зони завантаження й іншою її частиною спостерігається градієнт температури, причому температура в зоні перебування субстратів, розміщених у нижній частині стопки, може бути на декілька десятків градусів нижчою, ніж температура в зоні перебування інших субстратів, що входять у цю стопку. В результаті виникає значний градієнт ступеня ущільнення субстратів залежно від їхнього положення в стопці. Для усунення цього недоліку може бути запропоноване підвищення ефективності нагрівання газу-реагенту шляхом збільшення зони нагрівання. Проте при збереженні постійного об'єму печі це призведе до зменшення корисного об'єму зони завантаження. Крім того, процеси хімічної інфільтрації газовою фазою, здійснювані в промислових масштабах, дорого коштують і займають дуже значний час. Тому вкрай бажано, щоб печі мали високу продуктивність, чи то йдеться про використання старих печей, чи то про створення нових, і, отже, щоб співвідношення корисного об'єму, призначеного для завантаження субстратів, і корисного об'єму, призначеного для нагрівання газу-реагенту, було максимально високим. Винахід відноситься до створення способу ущільнення пористого субстрату шляхом хімічної інфільтрації газовою фазою, що дозволив би одержати в усій зоні завантаження значно зменшений градієнт температури без великих витрат об'єму зони нагрівання газу-реагенту, таким чином, не знижуючи або навіть підвищуючи продуктивність печі. Для вирішення цієї задачі пропонується спосіб, що включає: - завантаження ущільнюваних субстратів у зону завантаження печі, - нагрівання субстратів у печі з метою доведення їх до температури, при якій з газоподібного джерела або джерел, що містяться в газі-реагенті, утворюється необхідна речовина матриці, - введення з однієї сторони печі газу-реагенту, - а також нагрівання газу-реагенту після його введення в піч унаслідок проходження через зону нагрівання газу, розташовану в напрямку проходження газу-реагенту через піч перед зоною завантаження, причому відповідно до винаходу в цьому способі - газ-реагент піддається попередньому нагріванню перед його введенням у піч для досягнення до моменту його введення в піч температури, проміжної між температурою навколишнього середовища і температурою нагрівання субстратів. Попереднє нагрівання газу-реагенту поза піччю дозволяє підвищити продуктивність зони нагрівання, розташованої всередині печі, при доведенні газу-реагенту до моменту його введення в зону завантаження субстратів до необхідної температури. Оскільки температура, при якій здійснюється інфільтрація, перевищує 900°С, газ-реагент перед його введенням у піч попередньо нагрівають до температури, переважно рівної принаймні 200°С. У той же час, температура попереднього нагрівання газу переважно не повинна перевищувати 800°С або навіть 600°С, щоб уникнути небезпеки утворення сторонніх відкладень у результаті трансформації джерела або джерел до введення газу в піч, а також для забезпечення можливості використання відносно звичайних матеріалів для виготовлення каналів подання в піч попередньо нагрітого газу-реагенту й елементів, наприклад вентилів і з'єднань, установлених на цих каналах. Попереднє нагрівання може бути здійснене при тиску газу, по суті, рівному тиску, наявному всередині печі або такому, що його перевищує. В останньому випадку перед уведенням попередньо нагрітого газу в піч його тиск знижують. Винахід також спрямований на створення установки, що дозволяє застосувати даний спосіб. Для вирішення цієї задачі пропонується установка, що містить: піч, зону завантаження субстратів у піч, засоби нагрівання субстратів у зоні завантаження, принаймні один отвір уведення в піч газу-реагенту і принаймні одну зону нагрівання газу-реагенту, розташовану в печі між отвором введення газу-реагенту і зоною завантаження, причому відповідно до винаходу в цій установці додатково передбачений принаймні один пристрій попереднього нагрівання газу, розташований поза піччю, з'єднаний, щонайменше, з одним отвором введення газу-реагенту в піч і який забезпечує попереднє нагрівання газу-реагенту перед його введенням у піч. Відповідно до одного варіанта здійснення винаходу пристрій попереднього нагрівання містить проточну трубу, встановлену в каналі подання газу-реагенту до отвору введення газу-реагенту в піч. Відповідно до інших варіантів здійснення винаходу пристрій попереднього нагрівання містить газовий пальник або електронагрівальну піч, через яку проходить принаймні один канал або пучок труб, по яких протікає газ-реагент, що попередньо нагрівається. Інші особливості й переваги даного винаходу будуть ясні з нижченаведеного докладного опису, наданого з посиланнями на додані креслення і який не накладає жодних обмежень на об'єм винаходу. На кресленнях: Фіг.1 дуже схематично зображує в розрізі перший варіант здійснення установки для ущільнення за винаходом; на Фіг.2 подані криві, що ілюструють зміни температури газу-реагенту з моменту, що передує його введенню в піч, до часу після його введення в зону завантаження субстратів, з попереднім нагріванням газуреагенту і без його попереднього нагрівання; Фіг.3 дуже схематично зображує в розрізі другий варіант здійснення установки для ущільнення за винаходом; Фіг.4 ілюструє інший спосіб завантаження субстратів в установку для ущільнення; Фіг.5 схематично ілюструє ще один спосіб завантаження субстратів в установку для ущільнення; на Фіг.6 дуже схематично поданий вигляд Фіг.5 у розрізі по площині VI-VI; Фіг.7 зображує частину установки для ущільнення, ілюструючи один з варіантів здійснення подання в піч газу-реагенту при завантаженні печі у вигляді декількох стопок субстратів. Дані, що підтверджують можливість здійснення винаходу Нижче описані варіанти здійснення способу й установки за винаходом у рамках їхнього застосування для ущільнення кільцевого пористого субстрату, що складається з заготовок із вуглецевих волокон або попередньо ущільнених заготовок і призначений для виготовлення гальмівних дисків з композитного матеріалу типу С/С. Такі диски звичайно використовують у шасі літаків, а також у спортивних автомобілях. На Фіг.1 схематично зображена піч 10, обмежена бічною стінкою 12, нижньою стінкою 14 і верхньою стінкою 16. Стінка 12 містить індуктор, виготовлений, наприклад, з графіту, з'єднаний з котушкою 18 індуктивності, розташованою зовні печі, з ізолюючою прокладкою 20. Нагрівання печі забезпечується індуктором 12 за допомогою електроживлення котушки 18 індуктивності. Газ-реагент уводиться в піч через отвір 22, передбачений у нижній стінці 14, а відхідні гази виводяться через отвір 24, передбачений у верхній стінці 16, причому отвір 24 з'єднаний каналом 26 із засобами відкачки (не подані). Ущільнювані субстрати 32 розташовують у вигляді вертикальної кільцевої стопки, закритої зверху кришкою 34. Таким чином, складені в стопку субстрати розділяють внутрішній об'єм зони завантаження на об'єм 36, розташований усередині стопки й утворений центральними прорізами субстратів, і об'єм 38, розташований зовні стопки. Стопка субстратів розташована на нижній несучій пластині 40 і може бути розділена на декілька розташованих один над одним ярусів, розділених проміжними пластинами 42, причому пластини 40, 42 мають центральні прорізи 41, 43, вирівняні з центральними прорізами субстратів 32. Хоча на Фіг.1 зображена тільки одна стопка, декілька стопок можуть бути розташовані в печі одна поруч з іншою, як описано нижче. Як докладно показано на частковому вигляді на Фіг.1, кожний субстрат 32 відділений від суміжного з ним субстрату, від пластин 40, 42 або від кришки 34 розділювальними прокладками 44, що утворюють зазори 46. Прокладки 44 або принаймні деякі з них розташовані так, щоб забезпечувати проходження газу між об'ємами 36 і 38 через зазори 46. Це проходження може бути забезпечене шляхом приблизного вирівнювання тиску в об'ємах 36 і 38, як описано в [патенті США №5904957], або шляхом створення простих відвідних проходів, підтримуючих градієнт тиску між об'ємами 36 і 38, як описано в заявці на [патент Франції №0103004]. Зона 50 нагрівання газу розташована між дном 14 печі і нижньою несучою пластиною 40. За добре відомим рішенням, зона 50 нагрівання містить декілька перфорованих пластин 52, виготовлених, наприклад, з графіту, розташованих одна над одною і на деякій відстані одна від одної. Пластини 52 можуть бути розташовані в кожусі, що має дно 54 і бічну стінку 56 і обмежує зону нагрівання. Через дно 54 проходить канал 58, що з'єднує отвір 22 введення газу-реагенту із зоною 30 нагрівання. Кожух нагрівання і пластини 40, 42 підтримуються перекладками і колонками 28. Усі ці елементи можуть бути виготовлені, наприклад, з графіту. Газ-реагент, що надходить у піч через вхідний отвір 22, проходить через зону 50 нагрівання і потрапляє в об'єм 36 через центральний отвір 41 пластини 40. Газ-реагент проходить з об'єму 36 в об'єм 38 через пористу структуру субстратів 32 і через проходи в зазорах 46. Відхідні гази відводяться з об'єму 38 через вихідний отвір 24. За одним з варіантів здійснення винаходу об'єм 36 може бути закритий знизу, причому його верхня частина сполучається з вихідним отвором 24. Газ-реагент, що надходить із зони 30 нагрівання, в такому випадку потрапляє в об'єм 38 зони завантаження і проходить у цій зоні з об'єму 38 у об'єм 36, оскільки об'єм 38 зверху закритий. За іншим варіантом здійснення винаходу введення газу-реагенту може бути здійснене через верхню стінку 16 печі, причому зона нагрівання в такому випадку розташована у верхній частині печі. Той з об'ємів 36, 38, який сполучається з зоною нагрівання, закритий знизу, а другий з цих двох об'ємів сполучається з отвором виведення газу, передбаченим у нижній стінці печі. Для утворення матриці з піролітичного вуглецю газ-реагент містить один або декілька джерел вуглецю, наприклад вуглеводнів. Як джерела вуглецю часто використовують метан, пропан або їхню суміш. Хімічна інфільтрація газовою фазою здійснюється, як правило, при температурі, що перевищує 900°С, наприклад, що складає від 950°С до 1100°С, і при зниженому тиску, наприклад при тиску, що складає менше 0,1кПа. Відповідно до винаходу, газ-реагент перед уведенням у піч попередньо нагрівається в результаті проходження через пристрій 60 попереднього нагрівання, з'єднаний із вхідним отвором 22 печі каналом 62 подання газу. На каналі 62, безпосередньо перед вхідним отвором 22, розташований запірний вентиль 64, що дозволяє в разі потреби ізолювати піч від контуру подання газу-реагенту. У варіанті здійснення, зображеному на Фіг.1, пристрій попереднього нагрівання містить проточну трубу 66, з'єднану з каналом 62, по якій проходить газ-реагент, що подається з джерела 68. Проточні труби використовуються у відомих рішеннях для нагрівання циркулюючих рідин. Виділення теплоти відбувається внаслідок ефекту Джоуля при протіканні вздовж ділянки труби електричного струму. Труба одночасно є електричним опором, каналом протікання рідини й поверхнею теплообміну. Електричний струм подається контуром 70 електроживлення, що забезпечує напругу U і підключений до кінців ділянки труби. Контур 70 одержує інформацію від датчика 72, наприклад термопари, розташованого на виході пристрою попереднього нагрівання. Встановлення заздалегідь визначеної температури попереднього нагрівання здійснюється шляхом автоматичної зміни напруги U залежно від значень температури, виміряних датчиком 72. Нагрівання газу-реагенту може бути здійснене при зниженому тиску, наявному в печі, за допомогою редуктора 74, розташованого на виході з джерела 68 газу. В іншому варіанті нагрівання газу-реагенту може бути здійснене при тиску, більшому за тиск, наявний у печі, як-от, меншому за тиск джерела 68, але більшому за тиск, наявний в печі. В цьому випадку тиск газуреагенту знижується перед його введенням у піч, наприклад, шляхом пропускання його через калібрований отвір, передбачений у каналі 62 подання газу. Мета попереднього нагрівання газу-реагенту полягає в тому, щоб газ після додаткового нагрівання при проходженні через зону 50 нагрівання потрапляв у зону завантаження при температурі, рівній або близькій до температури, необхідної для запобігання виникненню значного градієнту температури між нижньою частиною зони завантаження й рештою її простору. Щоб попереднє нагрівання газу-реагенту було ефективним, воно має забезпечувати подання газу до вхідного отвору печі при температурі не меншій за 200°С. Температура попереднього нагрівання, тобто температура на виході з пристрою попереднього нагрівання, має, проте, бути обмежена, щоб уникнути утворення в каналі 62 подання газу сторонніх відкладень (кіптяви), а також за технологічними обмеженнями. Таким чином, щоб уникнути утворення сторонніх відкладень вибирають температуру попереднього нагрівання, що не перевищує 800°С, а в кращому варіанті, для забезпечення можливості використання матеріалів прийнятної вартості для виготовлення каналу 62 (наприклад, сталі), запірного вентиля 64 і, можливо, інших елементів, що піддаються впливу газу-реагенту, наприклад ущільнювальних прокладок температуру, що не перевищує 600°С. Залежно від довжини і теплоізоляції каналу 62, після виходу попередньо нагрітого газу з пристрою попереднього нагрівання і перед його введенням у піч можливе більш-менш значне зниження його температури. Так, при попередньому нагріванні до 600°С температура газу перед його введенням у піч може зменшитися на величину від декількох градусів до декількох десятків градусів, а потім, при введенні газу в піч або навіть незадовго до його введення в піч (під впливом атмосфери печі), знову підвищитися. Були здійснені досліди, в ході яких у піч, подібну до зображеної на Фіг.1, подавався газ-реагент, попередньо нагрітий до 600°С. Температура газу вимірювалася на виході з пристрою попереднього нагрівання, в каналі подання, на вході в піч і на виході з зони 50 нагрівання, розташованої в печі. Виміряні зміни температури зображені на Фіг.2 кривою А. Два подібні досліди були здійснені при температурі попереднього нагрівання, рівній 500°С, з такою самою витратою газу-реагенту і зі збільшенням його витрати приблизно на 42%. Виміряні в цих двох випадках зміни температури зображені на Фіг.2, відповідно, кривими В і С. Для порівняння було здійснено дослід без попереднього нагрівання, при якому газ-реагент надходив у канал 62 при температурі, рівній 20°С, причому витрата газу була такою самою, як і при попередньому нагріванні до 600°С. Зміни температури газу-реагенту в цьому випадку, виміряні до його входу в зону завантаження печі, зображені на Фіг.2 кривою D. При однаковій витраті газу-реагенту і використанні однієї і тієї ж зони нагрівання попереднє нагрівання газу до температури, рівної 600°С і 500°С (криві А і В) дозволяє доставляти його до входу в зону завантаження при температурі, приблизно рівній 993°С і 975°С, у той час як без попереднього нагрівання (крива D) ця температура явно менша за 850°С. Таким чином, виникнення градієнту температури, здатного викликати значний градієнт температури ущільнення між субстратами, розташованими в нижній частині стопки, й іншими, вдасться уникнути завдяки попередньому нагріванню газу. По оцінках авторів винаходу підвищення продуктивності зони 50 нагрівання, що дозволяє без попереднього нагрівання газу досягти результатів, подібних до одержуваних з використанням попереднього нагрівання газу, потребує використання принаймні 5% об'єму зони завантаження. Попереднє нагрівання газуреагенту поза піччю забезпечує, таким чином, розумний спосіб підвищення її продуктивності. Попереднє нагрівання до 500°С додатково зберігає свою ефективність при істотному збільшенні витрат газу, оскільки температура на вході в зону завантаження складає приблизно 950°С (крива С). Попереднє нагрівання газу-реагенту, таким чином, забезпечує можливість збільшення витрати газу-реагенту, що сприяє зменшенню загальної тривалості процесу ущільнення. На Фіг.3 зображений варіант здійснення установки для ущільнення, яка відрізняється від зображеної на Фіг.1 тим, що пристрій 80 попереднього нагрівання утворений не проточною трубою, а газовою колонкою. Газова колонка 80 містить пальник 82, у який по каналу 75, на якому встановлений регулюючий вентиль 76, подається паливний газ, наприклад газоподібний вуглеводень, такий як природний газ. По каналу 78, на якому встановлений компресор 79 і регулюючий вентиль 84, у пальник 82 подається транспортуюче повітря. Пальні гази, що утворюються, проходять через теплообмінник 86, а потім виводяться через трубу 88. Газреагент, що надходить із джерела 68, проходить по каналу 87 через теплообмінник 86, а тоді через контур 62 подання газу подається в піч. Регулюючі клапани 76 і 84 управляються контуром 90 керування відповідно до сигналів, що надходять від температурного датчика 72, розташованого на виході з газової колонки 80, і підтримують задану температуру газу-реагенту. Частина відхідних газів може бути відведена з каналу 26, змішуватися з паливним газом і спалюватися в пальнику. Зрозуміло, для попереднього нагрівання газу-реагенту можуть використовуватися й інші типи пристроїв нагрівання рідин. Так, газ-реагент може бути попередньо нагрітий у результаті циркуляції в трубі або пучку труб, нагрітих за допомогою електричних опорів, причому температура газу-реагенту на виході з пристрою нагрівання регулюється шляхом керування живленням, подаваним на електричні опори. На Фіг.4 зображений варіант здійснення завантаження субстратів 32. Як показано на частковому вигляді на Фіг.4, зазори 46 між суміжними субстратами або між субстратами і пластинами 40, 42 або кришкою 34 постачені кільцевими розділювальними прокладками 44', що герметично закривають зазори 46. Таким чином, проходження газу-реагенту з об'єму 36 в об'єм 38 здійснюється винятково через пористу структуру субстратів, що створює дуже значний градієнт тиску між цими двома об'ємами. На Фіг.5 і 6 зображений варіант здійснення завантаження субстратів, що відрізняється від варіанта завантаження субстратів за Фіг.1 тим, що субстрати 32 складені в декілька кільцевих стопок 31а, 31b, 31c, 31d, 31е, 31f, 31g, розташованих на несучій пластині 40. Ця пластина містить декілька прорізів, подібних до прорізу 41а, вирівняних із внутрішніми об'ємами 36a-36g, причому кожна зі стопок закрита зверху кришкою, подібною до кришки 34а. Циркуляція газу-реагенту здійснюється через зону 50 нагрівання, а потім - у внутрішні об'єми стопок, з яких газ проходить у зовнішній відносно до стопок об'єм 38, розташований усередині зони 30 завантаження. Хоча на Фіг.6 зображені 7 стопок, їхнє число може бути іншим, зокрема таким, що перевищує 7. На Фіг.7 зображений інший варіант здійснення подання в піч газу-реагенту в разі завантаження, що утворене декількома кільцевими стопками. Цей варіант здійснення відрізняється від зображеного на Фіг.5 тим, що подання газу-реагенту в стопки виконується індивідуально. В цьому випадку в дні 14 печі передбачені прорізи, по суті вирівняні із внутрішніми об'ємами стопок. На Фіг.7 показані три таких прорізи 22а, 22с і 22f, вирівняні із внутрішніми об'ємами 36а, 36с, 36f стопок 32а, 32с і 32f. Індивідуальні канали подання газу, подібні до каналів 62а, 62с, 62f, з'єднані з прорізами, передбаченими у дні печі. Стопки, підтримувані несучою пластиною 40, розташовані над індивідуальними зонами нагрівання, подібними до зон 50а, 50с, 50f. Кожна із зон нагрівання обмежена вертикальною циліндричною стінкою, подібною до стінок 56а, 56с, 56f, загальним дном 54 і пластиною 40. Канали, подібні до каналів 58а, 58с, 58f, з'єднують прорізи, передбачені в дні печі, з різноманітними зонами нагрівання через отвори, передбачені в дні 54. Кожна зона нагрівання містить декілька перфорованих пластин 52, розташованих одна над одною. На індивідуальних каналах подання газу встановлені вентилі, подібні до вентилів 64а, 64с, 64f. У зображеному прикладі газ-реагент, що надходить з пристрою попереднього нагрівання (не подано на Фіг.7) проходить по загальному каналі 62, з яким з'єднані індивідуальні канали, подібні до каналів 62а, 62с, 62f. Таким чином, у стопки надходить газ-реагент, нагрітий до однакової температури. В одному з варіантів індивідуальні канали, подібні до каналів 62а, 62с, 62f можуть бути з'єднані з індивідуальними пристроями попереднього нагрівання для врахування можливих різниць температури в зонах нагрівання і нижній частині стопок залежно від їхнього розміщення в печі. Таким чином, температура попереднього нагрівання газу-реагенту може бути встановлена індивідуально залежно від положення в печі стопки субстратів, у яку направляється газ-реагент. Нарешті, слід зазначити, що галузь застосування винаходу не обмежена виготовленням гальмівних дисків з композитного матеріалу типу С/С, але охоплює також виготовлення інших деталей з композитного матеріалу типу С/С, наприклад дифузорів труб ракетних двигунів, як показано, зокрема, у вищезгаданому [патенті США №5904957]. У більш загальному випадку винахід може бути застосований для виготовлення деталей з будьяких типів термоструктурних композитних матеріалів, тобто композитних матеріалів не тільки типу С/С, але й типу CMC. У останньому випадку склад газу-реагенту добирається відповідно до конкретних властивостей керамічної матриці. Газоподібні джерела керамічних матриць добре відомі, наприклад метилтрихлорсилан (MTS) і газоподібний водень (Н2), що утворюють матрицю з карбіду кремнію. Додаткову інформацію можна знайти в [патенті Франції №2401888], що описує способи утворення різноманітних керамічних матриць.