具有高负载容量的化学气相渗透装置.pdf

用于渗透主要在纵向方向上延伸的三维多孔预成型体(20)的化学气相渗透装置(600)，所述装置包括：平行六面体反应室(610)，所述反应室的侧壁(612、613)包括加热构件(615)；以及放置在所述反应室(610)中的负载设备(10)的多个堆(50)，每个负载设备(10)由旨在接收待被渗透的多孔预成型体(20)的装配有支撑元件的平行六面体接收器形成。

权利要求书
1.  用于主要在纵向方向上延伸的三维形状的多孔预成型体(20) 的化学气相渗透装置(600)，所述装置包括：
·平行六面体形状的反应室(610)，所述反应室的侧壁(611-614) 包括加热器构件(615)；和
·在所述反应室(610)中排列的负载器设备(10)的多个堆(50)， 每个负载器设备(10)为设置有用于接收用于渗透的多孔预成型体(20) 的支撑元件(1100、1110)的平行六面体形状的外壳(11)的形式。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述反应室(610) 为长方体形状，且其包括负载器设备(10)的多个堆(50)的至少一 排(510)，所述排在所述反应室的纵向方向上延伸。

3.  根据权利要求2所述的装置，其特征在于每个负载器设备(10) 由长方体形状的外壳(11)形成，所述堆(50)以这样的方式定位在 所述室(610)中，该方式使得每个负载器设备(10)在垂直于所述室 的纵向方向的方向上在所述反应室中纵向延伸。

4.  根据权利要求2或权利要求3所述的装置，其特征在于所述反 应室(10)具有在所述反应室的纵向方向上延伸的负载器设备(10) 的堆(50)的多个排(510、520、530)，且加热器构件(717)排列在 负载器设备的堆的两排之间。

5.  根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于每个堆 (50)在其每一个端部包括各自的缓冲器(540、550)，所述缓冲器没 有用于致密化的多孔基材。

6.  根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述反应室的水平壁 (620、630)包括加热器构件。

7.  根据权利要求6所述的装置，其特征在于每个堆的负载器设备 (10)包括用于航空发动机叶片的纤维预成型体(20)。

8.  根据权利要求7所述的装置，其特征在于在每个负载器设备(10) 中，叶片纤维预成型体(20)并列地相互对齐，使得它们的压力侧表 面(123)或吸力侧表面(122)定向在同一方向上。

9.  根据权利要求8所述的装置，其特征在于在负载器设备(10) 的每个堆(50)中，第一负载器设备的纤维预成型体(20)并列地相 互对齐，其中它们的压力侧表面(123)或它们的吸力侧表面(122) 定向在第一方向上，同时与所述第一设备相邻的第二负载器设备(10) 的纤维预成型体(20)并列地相互对齐，其中它们的压力侧表面(123) 或吸力侧表面(122)定向在与所述第一方向相反的第二方向上。

说明书具有高负载容量的化学气相渗透装置
技术领域
本发明涉及特别地在由热结构复合材料制造部件时使用的化学气 相渗透技术。本发明更特别地涉及在制造航空发动机叶片中使用的复 杂三维形状如纤维预成型体的多孔基材的化学气相渗透。
背景技术
为了由复合材料制造部件，特别是由耐火基体(例如碳和/或陶瓷 耐火基材)致密化的耐火材料(例如碳纤维或陶瓷纤维)制得的预成 型体构成的热结构复合材料制得的部件，通常利用渗透方法。这种部 件的实例是：由碳-碳(C-C)复合材料制得的推进器喷嘴；由碳-碳复 合材料制得的特别地用于航空器制动器的制动盘；以及由陶瓷基体复 合材料(CMC)制得的叶片。同样地，在预成型体的致密化之前、之 中或之后，一个或多个层的例如中间相材料同样地通过使用化学气相 渗透技术可以沉积在预成型体中。
化学气相渗透包括将基材通过支撑工具的帮助而放置在渗透装置 的反应室中，并允许反应气体进入该室，其中所述反应气体的一种或 多种成分为待沉积在基材内从而将其致密化和/或从而沉积一层例如中 间相材料的材料的前体。选择渗透条件，特别是关于反应气体的组成 和流速以及室内的温度和压力，从而使得气体可以在基材的可及的内 部孔内扩散，进而通过分解气体的成分或通过气体的多种成分之间的 反应而使得所需材料沉积在其中。反应气体通常通过使气体经过位于 反应室中的预热器区域而被预加热，反应气体入口向外打开进入反应 室中。该方法对应于自由流动化学气相渗透法。
在工业化学气相渗透装置中，通常用同时致密化的多个基材或预 成型体负载反应室从而增加致密化方法的生产量，并因此增加反应室 的负载因数。
多孔环形基材的化学气相渗透方法和装置特别地描述于文献US  2004/237898和US 5 904 957中。然而，这些方法主要应用于以堆 叠排列的环形形状的渗透基材，而它们不适用于呈现非轴对称的形状 的渗透基材。
文献US 2008/0152803描述了使用包括排列在第一和第二板之间 的管状管的负载器工具，薄基材以用于致密化的板的形式径向排列在 所述管状管周围。然后将以此方式负载的工具排列在渗透炉的反应室 内部，所述渗透炉具有其反应气体进入入口，所述反应气体进入入口 连接至管状管，用以使反应器可以进入该管，然后该管将气体沿着基 材的主表面在基本上径向的流动方向上分布。
然而，负载器工具仍然受限于简单形状的薄基材(如细长方形板) 的定向流致密化，且其不能用于呈现出复杂三维形状的多孔基材(如 用于叶片的纤维预成型体)的均匀致密化。具体地，气流在复杂三维 形状的基材上的流动更难以控制。同样地，这种类型的工具造成热分 散，所述热分散使得难以获得对预成型体的所有点处和预成型体之间 的温度的简单控制。对在待渗透的所有预成型体上的反应气体的流动 的控制的缺乏造成在基材内的致密化或沉积出现梯度。但是，在基材 内获得均匀的致密化或沉积对于所得部件的机械性能来说是重要的。
而且，在使用其中用于渗透的预成型体径向地排列的工具的渗透 装置中的负载因数相对较低。于是，复杂三维形状的部件的工业规模 化生产需要制造和使用大量的渗透装置，这对于经济性方面非常不利。
发明内容
本发明的目的在于提供这样一种解决方案，其使得多孔预成型体， 特别是主要在纵向方向上延伸的复杂三维形状的预成型体能够被渗 透，其通过高负载容量来实现，同时确保在预成型体内的均匀沉积。
此目的通过用于主要在纵向方向上延伸的三维形状的纤维预成型 体的化学气相渗透装置实现，所述装置包括：
·平行六面体形状的反应室，该反应室的侧壁包括加热器构件； 和
·在所述反应室中排列的多个堆的负载器设备，每个负载器设备 为设置有用于接收用于渗透的纤维预成型体的支撑元件的平行六面体 形状的外壳的形式。
因此，通过使用反应室和平行六面体形状的负载器设备的堆两者， 相比于使用环形负载器设备的渗透装置，可以极显著地增加该装置的 预成型体负载因数。具体地，因为负载器设备呈现出平行六面体形状 的负载空间，预成型体可以在其纵向方向上相互并列平行地排列，因 此可以获得对于每个负载器设备的负载容积的最优的占用因数。通过 如现有技术中的环形负载器设备，预成型体径向地排列，这不能实现 负载容积的最优占用。
而且，因为它们的平行六面体形状，一旦负载器设备相互堆叠， 它们形成了能够最优地填充反应室的堆，所述室同样地为平行六面体 形状。通过选择构成堆的负载器设备的适合的尺寸，可以形成适用于 占用渗透装置的所有工作负载容积的预成型体负载。
存在于所述室中的每个负载器设备也形成热沉并因此单独地用作 感受器。
另外，在每个堆中，负载器设备相互配合以形成在所述反应室的 竖直方向上延伸的负载容积，由此使得流动能够以基本上直线的方式 发生每个堆内，并因此实现对流动以及对消耗气体的更好的控制。不 论存在于本发明的单个负载中的大量预成型体，气体仅通过每个堆中 的有限数目的预成型体，由此可以避免在气体通过预成型体时过度消 耗气体。
最后，可以以更均匀的方式在反应室中控制温度，因为所述室至 少通过所述室的侧壁而被加热。
在本发明的第一个方面，反应室为长方体形状，其包括负载器设 备的多个堆的至少一排，所述排在反应室的纵向方向上延伸。由于特 别地通过反应室的侧壁来提供反应室的加热，所以对反应室的长度没 有限制，并因此对负载的长度没有限制，因此可以获得非常大的负载 因数。
在本发明的第二个方面，每个负载器设备由长方体形状的外壳形 成，所述堆以这样的方式设置在所述室中：每个负载器设备在反应室 中在垂直于所述室的纵向方向的方向上纵向地延伸。
在本发明的第三个方面，反应室具有延伸在反应室的纵向方向上 的负载器设备的堆的多个排，加热器构件排列在两排负载器设备的堆 之间。在这种情况下，反应室的宽度可以增加，同时保持对在此尺寸 下的温度的控制。
在本发明的第四个方面，每个堆至少在其每一个端部包括各自的 缓冲器，所述缓冲器没有用于致密化的多孔基材。在堆的顶部，即引 入气体的位置，缓冲区特别地用于避免离开预热器区的气体直接冲击 预成型体。在每个堆的底部，缓冲区用于在气流从反应室排放前重新 引导气流。
在本发明的第五个方面，反应室的水平壁包括加热器构件。
在本发明的第六个方面，每个堆的负载器设备包括用于航空发动 机叶片的纤维预成型体。
在本发明的第七个方面，叶片纤维预成型体并列地相互对齐，使 得它们的压力侧表面或吸力侧表面定向在同一方向上。在这种情况下， 在负载器设备的每个堆中，第一负载器设备的纤维预成型体优选地并 列地相互对齐，其中它们的压力侧表面或它们的吸力侧表面定向在第 一方向上，同时与所述第一设备相邻的第二负载器设备的纤维预成型 体并列地相互对齐，其中它们的压力侧表面或吸力侧表面定向在与所 述第一方向相反的第二方向上。这可以获得靠近预成型体的气流的更 好的流动。
附图说明
本发明的其他特性和优点通过作为非限制性的实例提供的本发明 的特定实施方案的如下描述并参考附图而变得明显，在附图中：
·图1为根据本发明的实施方案的具有叶片预成型体的负载器设 备的立体图；
·图2为图1的负载器设备的分解图；
·图3为根据本发明的另一实施方案的具有叶片预成型体的负载 器设备的立体图；
·图4为根据本发明的实施方案的由多个图1的负载器设备相互 堆叠而组成的堆的立体图；
·图5A为由多个排的图4的堆组成的负载的立体图；
·图5B为显示在图5A的负载的顶部和底部部分中的缓冲区的组 件的立体图；
·图6为根据本发明的实施方案的化学气相渗透装置的分解立体 图；
·图7为显示放置在图6的化学气相渗透装置中的位置的图5B的 负载的截面图；
·图8为显示图6的装置操作时在致密化多孔预成型体时反应气 流遵循的路径的截面图；以及
·图9为根据本发明的实施方案的包括插在两排负载器设备的堆 之间的加热器壁的化学气相渗透装置的分解立体图。
具体实施方式
本发明应用于多孔预成型体的化学气相渗透。特别地为了致密化 预成型体和/或在预成型体内沉积层(如中间相层)，可以进行该渗透。
图1和图2显示了负载器设备或工具10，一旦负载有用于渗透的 基材，该负载器设备或工具10放置在工业化学气相渗透装置中的平行 六面体形状的反应室中。在当前描述的实施例中，工具10用于接收用 于航空发动机叶片的纤维预成型体20。
每个预成型体20在两个端部21和22之间在纵向方向上延伸，并 包括翼面120和由更大厚度的部分(例如具有球茎形状截面)形成并 通过柄132延伸的根部130(图1)。翼面120在其根部130和其尖端 121之间在纵向方向上延伸，在横截面中其呈现出不同厚度的曲线轮 廓，所述曲线轮廓限定分别对应于翼面120的吸力侧表面和压力侧表 面的两个表面122、123。在当前描述的实施例中，翼面120还包括内 叶片平台140和外叶片平台160。
当前描述的负载器设备10由具有两个纵向壁110和111以及两个 横向壁112和113的长方体形状的支撑框架或外壳11构成，所述纵向 壁110和111在它们之间限定用于预成型体20的负载空间16。每个纵 向壁设置有用于接收每个叶片预成型体20的端部21和22中的一个的 支撑元件。更精确地，包括切口1101的第一支撑板1100通过螺母和 螺栓型的夹紧件1102紧固至壁110的内侧部分110a，所述切口1101 沿着板1100的长度均匀地分布。切口1101用于接收预成型体20的端 部21。同样地，包括切口1111的第二支撑板1110通过螺母和螺栓型 的夹紧件1112紧固至壁111的内侧部分111a，所述切口1111沿着板 1110的长度均匀地分布。切口1111用于接收预成型体20的端部22。 在变体实施方案中，切口在负载器设备的纵向壁中直接用机器加工。
一旦预成型体20定位在负载器设备10中，它们在壁110和111 之间纵向延伸，因此可以获得具有良好负载容量的设备。另外，在壁 中使用的支撑构件可以将用于致密化的基材和负载器设备之间的接触 面积最小化，并因此提供良好的用于反应气体的渗透的可及区域。
在当前描述的实施例中，负载器设备还具有中心对齐钉12连同两 个键锁钉13和两个键锁口14，所述中心对齐钉12排列在纵向壁111 和横向壁112的外部部分，所述两个键锁钉13排列在框架11的顶部 部分11a上，所述两个键锁口14排列在框架11的底部部分11b中。键 锁口14用于在设备堆叠时与另一相似的负载器的键锁钉配合。键锁口 14设置在相对于键锁钉13偏移的位置中，从而在堆叠这种设备时使得 预成型体20能够从一个负载器设备对下一个负载器设备反转180°。负 载器设备还具有排列在框架11的顶部部分11a上的石墨垫圈15，所述 垫圈设计成避免粘附至通过该垫圈堆叠的另一负载器设备，并设计成 在预成型体被致密化之后促使负载器设备分离。
图3显示了本发明的另一负载器设备30，负载器设备30与上述负 载器设备10的区别在于其以正方形的形状呈现。负载器设备30包括 具有四个壁310至313的正方形形状的支撑框架或外壳31，纵向壁310 和311在它们之间限定用于类似于上述叶片预成型体20的叶片预成型 体320的负载空间36。包括切口3101的第一支撑板3100通过螺母和 螺栓型的夹紧件(在图3中未示出)紧固至壁310的内侧部分，所述 切口3101沿着板3100的长度均匀地分布。切口3101用于接收预成型 体320的端部321。同样地，包括切口3111的第二支撑板3110通过螺 母和螺栓型的夹紧件(在图3中未示出)紧固至壁311的内侧部分， 所述切口3111沿着板3110的长度均匀地分布。切口3111用于接收预 成型体320的端部322。在变体实施方案中，切口在负载器设备30的 纵向壁310和311中直接用机器加工。
一旦预成型体320定位在负载器设备30中，它们在壁310和311 之间纵向延伸，因此可以获得具有良好负载容量的设备。另外，在壁 中使用的支撑构件可以将用于致密化的基材和负载器设备之间的接触 面积最小化，并因此提供良好的用于反应气体的渗透的可及区域。
在当前描述的实施例中，负载器设备还具有中心对齐钉32连通两 个键锁钉33和两个键锁口(在图3中未示出)，所述中心对齐钉32排 列在纵向壁311和横向壁312的外部部分上，所述两个键锁钉33排列 在框架31的顶部部分上，所述两个键锁口排列在框架31的底部部分 上从而在堆叠负载器设备时与另一类似的负载器设备的键锁钉配合。 负载器设备还具有排列在框架31的顶部部分31a上的石墨垫圈35，所 述垫圈设计成避免粘附至另一堆叠的负载器设备，并设计成在预成型 体被致密化之后促使负载器设备分离。
上述石墨垫圈优选地由膨胀石墨制得，例如以商标名或 销售的材料。
图4显示了由多个如上所述的根据图1A和图1B的负载器设备10 组成的堆50。如图4中所示，多个负载器10相互堆叠；它们全部相同 且每个事先负载有用于致密化的叶片预成型体20，所述预成型体全部 以相同的方向排列。当将负载器设备10堆叠在已经存在于堆50中另 一个上时，用于堆叠的负载器设备的口14与已经存在于堆中的负载器 设备的键锁钉13配合，使得添加的设备相对于下层负载器设备偏移 180℃。因为叶片预成型体全部初始以相同的方向负载于每个负载器设 备中，因此它们从堆中一个负载器设备对下一个负载器设备偏移180° 在堆中的两个相邻的负载器设备之间的叶片预成型体的这种角度偏移 产生遍及整个堆中的反应气流的更好的流动。具体地，通过将叶片预 成型体的压力侧表面(或吸力侧表面)从堆中的一个负载器设备向下 一个负载器设备交替地定向在一个方向然后在定向在另一个方向上， 气体更好地分布在堆的整个高度上的预成型体之间，由此可以获得预 成型体的更均匀的致密化。
图5A显示由三排510、520和530组成的负载500，每排包括如 上所述的根据图1和图2并且在纵向方向DL上延伸的多个堆50。在 图5B中，第一缓冲区540排列在负载500的顶部部分上，第二缓冲区 550排列在负载500的底部部分以下。缓冲区540和550的每一个由与 负载500中存在的数个堆50相同的数个平行六面体形状的框架或外壳 5401和5501形成，框架5401和5501呈现出与负载器设备10的框架 13的尺寸相同的尺寸。
图6是用于接收包括用于致密化的多孔预成型体的负载500的化 学气相渗透装置或炉600的示意图。化学气相渗透装置600包括由四 个侧壁611至614限定的长方体形状的反应室610，壁611和612在室 的纵向方向上延伸，而壁613和614在室的横向方向上延伸。壁611 至614的每一个设置有加热器构件，在此实施例中为嵌入在壁611至 614的每一个中的电阻615。反应室的顶部由设置有气体进入管道621 的可去除的盖620而闭合，所述气体进入管道621向外打开进入预热 器区622中，所述预热器区622用于气体在含有用于致密化的预成型 体的反应室610中扩散之前加热气体。剩余的气体通过连接至吸取构 件(未示出)的排放管道631从装置的底部630提取。闭合反应室的 底部部分的底部630包括板632，板632包括多个气体排放口6320， 在使用过程中负载500立于底部630上。气体进入管道621和排放管 道631的数目随着待用气体进料的反应室的尺寸的变化而确定。
存在于反应室610在预热器区622和板632之间的空间对应于渗 透装置600的工作负载容积，即可用于负载用于渗透的纤维预成型体 的容积。
随后描述将包括多孔预成型体20的堆50的负载500放置到化学 气相渗透装置600中的位置。如图7中所示，盖620从装置600去除 从而使负载500连同第一和第二缓冲区540和550能够插入反应室610 中。借助于板630和吊杆640将负载500降下直至板632，因此，负载 500通过间隔物6301被放置在底部630上的支架上。
一旦负载500在反应室610中就位，将盖620放置到如图8中所 示的反应室的顶部部分上的位置。然后化学气相渗透装置准备就绪以 便操作。
在当前描述的实施例中，装置用于致密化多孔预成型体。为了致 密化预成型体，含有一种或多种待沉积的基体材料的前体的反应气体 被引入反应室610中。举例而言，对于碳来说，使用气体烃类化合物， 通常为丙烷、甲烷或两者的混合物。对于陶瓷材料例如碳化硅(SiC)， 可以以公知的方式使用甲基三氯硅烷(MTS)作为SiC的前体。
以公知的方式，多孔预成型体通过在多孔预成型体内沉积基体材 料而被致密化，所述基体材料通过在反应气体中含有的一种或多种前 体的分解而产生，所述反应气体在基材的可及内部孔内扩散。为了获 得各种基体沉积所需的压力和温度条件本身是公知的。
在室中存在的每个负载器设备形成热沉。因此，一旦反应室的壁 的加热器构件被激活，每个负载器设备单独用作用于升高存在于每个 设备中的预成型体的温度的感受器。
图8显示反应气流Fg通过进入管道621引入反应室610遵循的路 径。压力梯度在进料管道621和排放管道631之间建立，从而加强反 应气流Fg通过每个堆50中的负载器设备10。气流Fg最初经过预热器 区622，然后穿透进入第一缓冲区540，所述第一缓冲区540用于防止 离开预热器区的气体直接冲击预成型体。反应气流Fg随后流动通过每 个堆50的负载器设备10，从堆的顶部50a开始并通向堆的底部50， 其中没有与预成型体反应的剩余的气流经过第二缓冲区550，所述第二 缓冲区550用于在排放前重新引导气流，气流随后经过板632中的排 放口6320从而通过排放管道631从反应室610中提取。
本发明的负载由如上所述的平行六面体形状(如长方体或正方形 平行六面体形状)的负载器设备的一个或多个堆而构成。设备的堆以 一个或多个排进行组织。
通常地，选择负载器的形状和尺寸、以及它们排列在堆中和构成 负载的堆的排的方式，使得尽可能好地优化渗透装置中的预成型体的 负载因数。
因为具有至少通过室的侧壁加热的平行六面体的形式的反应室的 渗透室与同样地平行六面体的形式的负载的结合使用，所以可以控制 遍及负载的温度。限制室的宽度以及因此的工作负载容积的宽度，从 而使可能出现在室的纵向方向上延伸的反应室的侧壁(如壁611和612) 之间的温度梯度最小化。同样地，限制负载的高度从而控制流动并从 而限制气体在堆内消耗的程度。相反地，不以任何方式限制室的长度 以及由此的负载的长度，因此可以获得非常大的负载因数。
如下给出用于确定为平行六面体形状的工作负载容积的负载容量 的实例：
·在高度为0.52米(m)、宽度为0.26m、长度为14.6m的工作负 载容积中，借助本发明通过使用65个堆的一排，每个堆包括七个长方 体形式的负载器设备，每个负载器设备含有七个叶片预成型体，从而 可以负载3185个长度为约10厘米(cm)的叶片预成型体；
·在高度为0.74m、宽度为0.34m、长度为7.2m的工作负载容积 中，借助本发明通过使用32个堆的一排，每个堆包括10个长方体形 式的负载器设备，每个负载器设备含有10个叶片预成型体，从而可以 负载3200个叶片预成型体；
·在高度为0.74m、宽度为1m、长度为2.5m的工作负载容积中， 借助本发明通过使用每排11个堆的三排，每个堆包括10个长方体形 式的负载器设备，每个负载器设备含有10个叶片预成型体，从而可以 负载3300个叶片预成型体。
由于在沿着工作负载容积的这个尺寸上控制温度均匀性而造成的 反应室的宽度的限制可以通过在如图9中所示的化学气相渗透装置 700中在两排810和820之间插入加热器壁716而扩大，所述两排810 和820每一个由类似于上述负载器设备10的平行六面体负载器设备90 的堆900组成。壁716由加热器构件加热，特别是嵌入在壁716中的 电阻717。反应室710的工作负载容积也被具有嵌入在侧向壁中的电阻 715的侧向壁711、714加热。
在变体实施方案中，加热器构件如电阻也存在于反应室的顶壁和/ 或底壁中。