ЗАГРУЗОЧНОЕ УСТРОЙСТВО И УСТАНОВКА ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ПОРИСТЫХ ШТАБЕЛИРУЕМЫХ ПРЕФОРМ, ИМЕЮЩИХ ФОРМУ УСЕЧЕННОГО КОНУСА
LOADING DEVICE AND INSTALLATION FOR COMPACTING POROUS STACKABLE PREFORMS HAVING TRUNCATED CONE SHAPE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способам химической инфильтрации в газовой фазе, в частности, применяемым при изготовлении деталей из термоструктурных композиционных материалов. Более конкретно, изобретение относится к осаждению матрицы материала с целью уплотнения пористых преформ, имеющих форму усеченного конуса, таких как волокнистые преформы, предназначенные для изготовления частей ракетных двигателей или деталей для форсажных камер авиационных двигателей.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для изготовления деталей из композиционного материала, в частности, деталей из термоструктурного композиционного материала, составленных с помощью огнеупорной волокнистой преформы (например, изготовленной из углеродных волокон или керамических волокон), уплотненной огнеупорной матрицей (например, изготовленной из углерода и/или керамики), обычно применяют методы химической инфильтрации в газовой фазе. Примерами таких деталей являются подруливающие сопла из углерод-углеродного (С-С) композиционного материала, тормозные диски, в частности для авиационных колес, из углерод-углеродного (С-С) композиционного материала и лопасти турбины из композитов с керамической матрицей (CMC).
Уплотнение пористых преформ методом химической инфильтрации в газовой фазе заключается в помещении подложек в реакционную камеру установки для инфильтрации с помощью поддерживающего инструмента и в подаче в камеру газа-реагента, один или несколько компонентов которого являются прекурсорами для материала, подлежащего осаждению внутри преформ для их уплотнения. Условия инфильтрации, в частности, состав и расход газа-реангента, а также температуру и давление в камере, выбирают так, чтобы обеспечить диффузию газа в пределах доступной внутренней пористости преформ для осаждения там необходимого материала вследствие разложения компонента газа или реакции между многочисленными компонентами этого газа. Обычно осуществляют предварительный нагрев газа-реагента посредством прохождения газа через расположенную в реакционной камере зону предварительного нагрева, через которую в камеру подается газ-реагент. Этот способ соответствует способу химической инфильтрации в газовой фазе свободным потоком.
В промышленной установке химической инфильтрации в газовой фазе реакционную камеру обычно загружают одновременно множеством подлежащих уплотнению преформ, чтобы повысить производительность процесса уплотнения и, следовательно, повысить удельную загрузку реакционных камер.
Способы и установки для уплотнения кольцевых пористых подложек путем химической инфильтрации в газовой фазе описаны, в частности, в патентных документах US 7182980 и US 5904957. Тем не менее, эти способы рассчитаны, главным образом, на уплотнение уложенных в штабеля кольцевых подложек и, с точки зрения оптимизации загрузки, не предназначены для уплотнения большеразмерных преформ, имеющих форму усеченного конуса. В самом деле, как описано в документах US 7182980 и US 5904957, преформы, имеющие форму усеченного конуса, в реакционной камере должны находиться на значительном расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить достаточное поступление инфильтрационного газа ко всем частям преформ для их удовлетворительного уплотнения, и это тем самым значительно снижает объем загрузки установки для инфильтрации и повышает стоимость изготовления деталей. Промышленное изготовление большеразмерных деталей, имеющих форму усеченного конуса, требует в этом случае изготовления и использования большого количества установок для инфильтрации, что экономически невыгодно.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, задачей настоящего изобретения является обеспечение способа загрузки, позволяющего уплотнять штабелируемые пористые преформы, имеющие форму усеченного конуса, в частности больших размеров и малой толщины, с высоким объемом загрузки и с минимальными градиентами уплотнения в подложках.
Решение этой задачи обеспечивает загрузочное устройство, содержащее:
- опорный поддон;
- первый штабель, имеющий нижние кольца, расположенные на опорном поддоне, причем каждое нижнее кольцо имеет инжекционные отверстия, проходящие между внешней и внутренней окружностями каждого из нижних колец;
- второй штабель, имеющий верхние кольца, причем каждое верхнее кольцо имеет выпускные отверстия, проходящие между внешней и внутренней окружностями каждого из верхних колец;
- первую непористую стенку, форма и размеры которой идентичны форме и размерам подлежащих уплотнению пористых преформ, расположенную на опорном поддоне внутри нижних колец первого штабеля и проходящую между опорным поддоном и верхним кольцом, расположенным в основании второго штабеля; и
- вторую непористую стенку, форма и размеры которой идентичны форме и размерам подлежащих уплотнению пористых преформ, проходящую между нижним кольцом, расположенным на вершине первого штабеля, и верхним кольцом, расположенным на вершине второго штабеля.
Таким образом, загрузочное устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет осуществить уплотнение пористых преформ, имеющих форму усеченного конуса, при повышении качества и однородности полученных деталей, а также повысить использование загрузочного объема реакционной камеры.
Каждое из нижних колец первого штабеля образует опору для основания подлежащей уплотнению пористой преформы, имеющей форму усеченного конуса. Установка пористых преформ в загрузочное устройство таким способом позволяет оптимальным образом вложить преформы друг в друга с образованием пространства между ними для пропускания газа-реагента с обеих сторон каждой преформы.
Кроме того, поскольку в каждое из этих пространств газ-реагент независимо подается через соответствующее нижнее кольцо, в каждое из этих пространств можно подать одинаковое количество газа-реагента и достигнуть равномерного уплотнения преформ.
Загрузочное устройство в соответствии с изобретением также позволяет загрузить в реакционную камеру печи для уплотнения или печи множество подлежащих уплотнению преформ за один прием. Продолжительность простоя печи, таким образом, существенно сокращена, а ее производительность значительно увеличена.
В соответствии с первым аспектом изобретения, загрузочное устройство дополнительно содержит стойку, расположенную в центре опорного поддона и поддерживающую второй штабель, имеющий верхние кольца.
Во втором аспекте изобретения, загрузочное устройство дополнительно содержит крышку, установленную на верхнем кольце, расположенном на вершине второго штабеля.
В третьем аспекте изобретения, каждое нижнее кольцо загрузочного устройства содержит часть, предназначенную для поддержания подлежащей уплотнению пористой преформы.
В четвертом аспекте изобретения, каждое нижнее кольцо загрузочного устройства выполнено с высотой, соответствующей расстоянию, которое необходимо обеспечить между двумя соседними пористыми преформами. Таким образом можно регулировать объем пропускания газа с обеих сторон преформ.
В соответствии с пятым аспектом изобретения, в загрузочном устройстве нижние и верхние кольца отделены друг от друга соответствующими графитовыми прокладками для легкого демонтажа загрузочного устройства после каждого цикла уплотнения. Предпочтительно прокладки изготавливают из вспененного графита, такого как материалы, продаваемые под торговыми марками Sigraflex или Раруех.
Настоящее изобретение также относится к печи для инфильтрации для уплотнения штабелируемых пористых преформ, имеющих форму усеченного конуса, методом химической инфильтрации в газовой фазе направленным потоком, содержащей реакционную камеру, впускную трубу газа-реагента, расположенную в первом конце камеры и ведущую в зону предварительного нагрева, и выпускную трубу, расположенную во втором конце камеры, противоположном первому концу, и
загрузочное устройство реакционной камеры в соответствии с настоящим изобретением, причем нижний торец каждой преформы установлен на нижнем кольце первого штабеля, при этом пористые преформы вложены друг в друга с образованием пространств между ними, образующих соответствующие объемы для пропускания потока газа-реагента с обеих сторон каждой преформы, при этом каждый объем образован с возможностью подачи в него газа-реагента через отверстия в нижнем кольце первого штабеля.
Как уже было сказано, помимо обеспечения оптимальной загрузки большеразмерных пористых преформ, имеющих форму усеченного конуса, в реакционную камеру печи для уплотнения, эта печь в сочетании с загрузочным устройством в соответствии с изобретением позволяет также улучшить инфильтрацию преформ в отношении как степени уплотнения, так и однородности уплотнения.
Принудительное пропускание потока газа-реагента в пространствах, образованных с обеих сторон пористых преформ, вызывает принудительную конвекцию газа-реагента, способствующую инфильтрации преформ и ускоряющую инфильтрацию.
Кроме того, нижние кольца позволяют вводить одинаковый поток газа-реагента в каждый из объемов, образованных с каждой стороны пористых преформ, при этом минимизируя потерю напора между этими объемами и объемом, имеющимся снаружи пористых преформ. Вследствие этого, расход газа одинаков в каждом из этих объемов. Кроме того, газ, введенный в каждый из объемов, находится в одинаковых состояниях созревания (концентрация элементов реагента) и имеет одинаковые скорости истощения (уменьшение концентрации элементов реагента) между основаниями и вершинами преформ, что позволяет достичь однородного уплотнения всех пористых преформ.
Принудительное пропускание потоков газа-реагента в объемах, образованных вокруг пористых преформ, позволяет получить скорости потока газа-реагента вокруг пористых преформ, существенно превышающие скорости, наблюдаемые в способах из предшествующего уровня техники, в частности, описанных в патентных документах US 7182980 и US 5904957. Это позволяет минимизировать изменения концентрации газа-реагента между основаниями и вершинами преформ и, следовательно, снизить градиенты уплотнения по высоте преформ.
Печь в соответствии с изобретением в первом его аспекте дополнительно содержит уплотнительное кольцо, проходящее между опорным поддоном загрузочного устройства и внутренней стенкой реакционной камеры. Такое уплотнительное кольцо способствует прохождению потоков газа-реагента через отверстия в нижних кольцах.
В печи в соответствии с изобретением во втором его аспекте, уплотнительное кольцо содержит кольцевой уплотнительный держатель, расположенный на опорном поддоне, и графитовую прокладку, проходящую от внешней окружности указанного кольцевого уплотнительного держателя, причем графитовая прокладка контактирует с внутренней стенкой реакционной камеры.
В печи в соответствии с третьим аспектом изобретения размеры инжекционных отверстий в нижних кольцах выполнены в зависимости от расхода газа-реагента, предназначенного для подачи в каждый из объемов для циркуляции газа-реагента.
В печи в соответствии с четвертым аспектом изобретения пористые преформы представляют собой преформы для деталей форсажной камеры авиационного двигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Другие отличия и преимущества настоящего изобретения будут понятны из дальнейшего описания частных вариантов осуществления изобретения, приведенных в качестве неограничивающих примеров, и со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1A-1N схематично представлены сборка и загрузка загрузочного устройства в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг. 2 представлен вид в разрезе установки для уплотнения методом химической инфильтрации в газовой фазе.
На фиг. 3А-3С представлены виды в разрезе, демонстрирующие сборку загрузочного устройства и уплотнительного кольца в соответствии с изобретением в установке по фиг. 2.
На фиг. 4 схематично представлен покомпонентный вид в перспективе уплотнительного кольца в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг. 5 представлен детальный вид в перспективе уплотнительного кольца по фиг. 3С.
На фиг. 6 и 7 представлены местные разрезы, демонстрирующие траекторию потоков газа-реагента в процессе уплотнения пористых преформ при работе установки по фиг. 3С.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к уплотнению пористых преформ, имеющих форму, позволяющую их штабелировать, такую как форма усеченного конуса, а также формы, не являющиеся формами тел вращения, такие как пирамидальные или другие формы.
На фиг. 1М представлено загрузочное устройство или оснастка 100, которая, после загрузки подлежащих уплотнению пористых преформ 160-163, предназначена для введения в реакционную камеру промышленной установки для химической инфильтрации в газовой фазе. В данном примере загрузочное устройство предназначено для приема конических волокнистых преформ, пригодных в частности для конструирования расходящихся частей ракетных двигателей или всех или некоторых деталей задней части авиационного двигателя, таких как выхлопные конусы (также называемые «сопла с центральным телом»).
Со ссылками на фиг. 1A-1N описаны сборка загрузочного устройства и загрузка в него пористых преформ в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
Как видно на фиг. 1А, сборка загрузочного устройства осуществляется, начиная с круглого опорного поддона 110, содержащего множество выпускных отверстий 111, кольцеобразно расположенных в опорном поддоне 110. В данном примере опорный поддон 110 также установлен на основание 101 с помощью распорок 102, причем основание 101 содержит выпускные отверстия 1010.
Стойка 120, в этом примере имеющая форму конуса, расположена на опорном поддоне 110. В этом примере стойка 120 состоит из трех элементов, имеющих форму усеченного конуса, установленных друг на друга, а именно, из основания 121, помещенного на центральную часть опорного поддона 110 с графитовой прокладкой 1210 и центрирующим штифтом 1211, установленными между ними, средней части 122, помещенной на основание 121 с графитовой прокладкой 1220 и центрирующим штифтом 1221, установленными между ними, и вершины 123, помещенной на среднюю часть 122 с графитовой прокладкой 1230 и центрирующим штифтом 1231, установленными между ними. На вершину 123, предварительно накрытую графитовой прокладкой 1240 и центрирующим штифтом 1241, надето центрирующее кольцо 124, позволяющее разместить внутреннюю непористую стенку, как будет описано ниже.
Кольцевая графитовая прокладка 112 и резьбовые стержни 113 размещают на опорном поддоне 110 вокруг выпускных отверстий 111 (фиг. 1B).
Внутренняя непористая стенка 130 помещается на опорный поддон 110, как показано на фиг. 1С. Более конкретно, основание 131 внутренней непористой стенки 130 опирается на опорный поддон 110 через прокладку 112, а вершина 132 стенки 130 взаимодействует с центрирующим кольцом 124, расположенным на вершине 123 стойки 120. Форма и размеры стенки 130 аналогичны форме и размерам пористых преформ, которые будут сложены в штабель на устройстве, как это будет описано ниже.
В том случае, когда непористая стенка 130 является достаточно механически прочной, чтобы поддерживать штабель верхних колец и необязательную крышку, как будет описано ниже, загрузочное устройство может не содержать центральной стойки, такой как описанная выше стойка 120. В этом случае использование центрирующего кольца 124 не является обязательным.
На фиг. 1С также представлено размещение первого нижнего кольца 140 на опорном поддоне 110 на кольцевую графитовую прокладку 112, причем кольцо 140 окружает основание 131 непористой стенки. Нижнее кольцо 140 содержит множество отверстий 1401, проходящих между внешней окружностью 140а и внутренней окружностью 140b кольца 140. Нижнее кольцо 140 содержит также на его внутренней окружности кольцевую часть 1402, предназначенную для поддержания основания пористой преформы. Кольцевая графитовая прокладка 1403 расположена на верхней части кольца 140.
Первое верхнее кольцо 150 расположено на центрирующем кольце 124 на вершине 123 стойки 120 с графитовой прокладкой 1242 и центрирующими штифтами 1243, установленными между ними. Верхнее кольцо 150 содержит множество отверстий 1501, проходящих между внешней окружностью 150а и внутренней окружностью 150b.
На фиг. 1D представлено расположение первой пористой преформы 160, основание 1601 которой опирается на кольцевую часть 1402 первого нижнего кольца 140, накрытую прокладкой 1403 (фиг. 1N), причем вершина 1602 первой преформы 160 взаимодействует с первым верхним кольцом 150, а графитовая кольцевая прокладка 1502 и центрирующие штифты 1503 расположены на верхней части кольца 150 и на вершине 1602 первой пористой преформы 160.
На фиг. 1Е второе нижнее кольцо 141, идентичное первому нижнему кольцу 140, т.е. имеющее те же размеры и содержащее множество отверстий 1411 и кольцевую часть 1412, предназначенную для поддержания основания второй пористой преформы, установлено на первое нижнее кольцо 140 с кольцевой графитовой прокладкой 1403, установленной между ними. Другая кольцевая графитовая прокладка 1413 расположена на верхней части кольца 141. Второе верхнее кольцо 151, также идентичное первому верхнему кольцу 150, т.е. имеющее те же размеры и содержащее множество отверстий 1511, расположено на первом верхнем кольце 150 с кольцевой графитовой прокладкой 1502, установленной между ними.
На фиг. 1F вторая пористая преформа 161 надета на первую преформу 160. Основание 1611 второй преформы 161 опирается на кольцевую часть 1412 второго нижнего кольца 141, накрытую прокладкой 1413 (фиг. 1N), а вершина 1612 второй преформы 161 взаимодействует со вторым верхним кольцом 151. Кольцевая графитовая прокладка 1512 и центрирующие штифты 1513 расположены на верхней части кольца 151.
На фиг. 1G третье нижнее кольцо 142, идентичное нижним кольцам 140 и 141, т.е. имеющее те же размеры и содержащее множество отверстий 1421 и кольцевую часть 1422, предназначенную для поддержания основания третьей пористой преформы, установлено на второе нижнее кольцо 141 с кольцевой графитовой прокладкой 1413, установленной между ними. Другая кольцевая графитовая прокладка 1423 расположена на верхней части кольца 142. Третье верхнее кольцо 152, также идентичное верхним кольцам 150 и 151, т.е. имеющее те же размеры и содержащее множество отверстий 1521, расположено на втором верхнем кольце 151 с кольцевой графитовой прокладкой 1512, установленной между ними.
На фиг. 1Н третья пористая преформа 162 надета на вторую преформу 161. Основание 1621 третьей пористой преформы 162 опирается на кольцевую часть 1422 третьего нижнего кольца 142, накрытую прокладкой 1423 (фиг. 1N), а вершина 1622 третьей преформы 162 взаимодействует с третьим верхним кольцом 152. Кольцевая графитовая прокладка 1522 и центрирующие штифты 1523 расположены на верхней части кольца 152.
На фиг. 11 четвертое нижнее кольцо 143, идентичное нижним кольцам 140- 142, т.е. имеющее те же размеры и содержащее множество отверстий 1431 и кольцевую часть 1432, предназначенную для поддержания основания четвертой пористой преформы, установлено на третье нижнее кольцо 142 с кольцевой графитовой прокладкой 1423, установленной между ними. Другая кольцевая графитовая прокладка 1433 расположена на верхней части кольца 143. Четвертое верхнее кольцо 153, также идентичное верхним кольцам 150-152, т.е. имеющее те же размеры и содержащее множество отверстий 1531, расположено на третьем верхнем кольце 152 с кольцевой графитовой прокладкой 1522, установленной между ними.
На фиг. 1J четвертая пористая преформа 163 надета на третью преформу 162. Основание 1631 четвертой пористой преформы 163 опирается на кольцевую часть 1432 четвертого нижнего кольца 143, накрытую прокладкой 1433 (фиг. 1N), а вершина 1632 четвертой преформы 163 взаимодействует с четвертым верхним кольцом 153. Кольцевая графитовая прокладка 1532 и центрирующие штифты 1533 расположены на верхней части кольца 153.
После размещения четвертой волокнистой преформы 163 на кольцевой части 1432 четвертого нижнего кольца 143, накрытой прокладкой 1433 (фиг. 1N), пятое нижнее кольцо 144 и пятое верхнее кольцо 154 устанавливают соответственно на четвертое нижнее кольцо 144 и четвертое верхнее кольцо 154 с кольцевыми графитовыми прокладками 1433 и 1532, установленными между ними, как показано на фиг. 1К. Пятое нижнее кольцо 144 имеет соответственно те же размеры, что и нижние кольца 140-143, и, как и эти кольца, содержит множество отверстий 1441 и кольцевую часть 1442. Пятое верхнее кольцо 154 имеет те же размеры, что и верхние кольца 150-153 и, как и эти кольца, содержит множество отверстий 1541.
Как видно на фиг. 1К и 1L, штабель пористых преформ 160-163 затем закрывают, устанавливая наружную непористую стенку 170, форма и размеры которой идентичны форме и размерам пористых преформ. Основание 171 наружной непористой стенки 170 опирается на кольцевую часть 1442 пятого нижнего кольца 144, накрытую прокладкой 1443 (фиг. 1N), а вершина 172 стенки 170 взаимодействует с верхней частью пятого верхнего кольца 154. Кроме того, на верхней части пятого верхнего кольца 154 через графитовую прокладку 1542 закрепляют крышку или пробку 190, чтобы закрыть вершину штабеля на вершине 172 стенки 170. Вершина штабеля верхних колец может быть также закрыта путем использования в качестве последнего кольца в штабеле кольца с закрытой верхней частью, и в этом случае применение крышки или пробки не является обязательным.
Штабель нижних колец 140-144 скреплен с опорным поддоном 110 стопорными гайками 114 на резьбовых стержнях 113. Кольцевая графитовая прокладка 115 расположена на опорном поддоне рядом с его внешней окружностью.
Как видно на фиг. 1М, соответствующие пространства между непористой стенкой 130, пористыми преформами 160, 161, 162, 163 и непористой стенкой 170 образуют соответствующие объемы 180-184, проходящие вокруг каждой пористой преформы, в которых циркулирует потоки газа-реагента для уплотнения пористых преформ 160-163. Расстояние между двумя соседними волокнистыми преформами или между непористой стенкой и соседней с ней преформой относительно невелико, например, 10 мм, так что в каждом из объемов 180-184 газ-реагент циркулирует очень близко к уплотняемым пористым преформам.
На фиг. 2 представлено графическое изображение печи или установки 200 для химической инфильтрации в газовой фазе, предназначенной для приема загрузочного устройства 100, содержащего пористые преформы, подлежащие уплотнению. Установка 200 для химической инфильтрации в газовой фазе известным образом содержит цилиндрический корпус 201, ограничивающий реакционную камеру 210, в верхней части закрытую съемной крышкой 220, снабженной впускной трубой 221 газа, ведущей в зону 222 предварительного нагрева, позволяющую нагреть газ перед его диффузией в реакционную камеру 210, вмещающую преформы, подлежащие уплотнению. Остаточный газ выводится из дна 230 установки через выпускную трубу 231, соединенную с отсасывающими средствами (не показаны). Дно 230 содержит опору 232, которую пересекает выпускная труба 231, и на которую с помощью распорок 2320 устанавливают загрузочное устройство 100.
Нагрев в зоне предварительного нагрева, а также внутри реакционной камеры 210, осуществляется с помощью графитового токоприемника 211, образовывающего вторичную цепь и электромагнитно соединенного с индуктором (не показано). Пространство в реакционной камере 210 между зоной 222 предварительного нагрева и опорой 232 соответствует объему 212 рабочей загрузки установки 200 для инфильтрации, т.е. объему, доступному для загрузки волокнистых преформ, подлежащих уплотнению.
Ниже будет описано размещение загрузочного устройства 100, содержащего подлежащие уплотнению пористые преформы 160-163, в установке 200 для химической инфильтрации в газовой фазе. Как можно видеть на фиг. 3A, крышка 220 установки 200 снята, позволяя установить загрузочное устройство 100 в камеру 210, причем загрузочное устройство 100 опускают в камеру 210, например, с помощью подвесных стержней 240, до тех пор, пока основание 101 загрузочного устройства не встанет на опору 232 через распорки 2320.
В соответствии с настоящим изобретением, уплотнительное кольцо 300 дополнительно устанавливают на опорный поддон 110 загрузочного устройства 100, например, с помощью подвесных стержней 250, взаимодействующих со шпильками 330, закрепленными на уплотнительном кольце 300 (фиг. 3В).
Как видно на фиг. 4, уплотнительное кольцо содержит кольцевой уплотнительный держатель 310, состоящий из нижней части 311 и верхней части 312, и графитовой кольцевой прокладки 320, закрепленной между этими частями 311 и 312 уплотнительного держателя 310 с помощью зажимных винтов 313 в резьбовых отверстиях 314, имеющихся в нижней части 311 уплотнительного держателя 310.
Как видно на фиг. 5, графитовая прокладка 320 проходит от внешней окружности уплотнительного держателя 310 на расстояние, определяемое вхождением в контакт с внутренней стенкой токоприемника 211, образующей внутреннюю стенку реакционной камеры 210.
Как будет описано ниже, уплотнительное кольцо 300 вынуждает газовые потоки, подаваемые в реакционную камеру, проникать в отверстия в нижних кольцах и циркулировать в пространствах для циркуляции газа, ограниченных между пористыми преформами или между непористой стенкой и пористой преформой.
После установки загрузочного устройства 100 и уплотнительного кольца в реакционную камеру 210 крышку 220 устанавливают на верхнюю часть корпуса 201 (фиг. 3C). После этого установка для химической инфильтрации в газовой фазе готова к работе.
Чтобы обеспечить уплотнение преформ, газ-реагент, содержащий по меньшей мере один или множество прекурсоров материала подлежащей уплотнению матрицы, подается в реакционную камеру 210. В случае, например, углеродной матрицы, применяют газообразные углеводородные соединения, обычно пропан, метан или их смеси. В случае матрицы из керамического материала, такого как, например, карбид кремния (SiC), в качестве прекурсора для SiC можно, как известно, использовать метилтрихлорсилан (МТХ).
Уплотнение пористых преформ осуществляется широко известным способом путем осаждения внутри этих преформ матричного материала, полученного вследствие разложения одного или более прекурсоров, содержащихся в газе-реагенте, диффундирующем в пределах доступной пористости субстратов. Условия давления и температуры, необходимые для получения различных матричных осаждений путем химической инфильтрации в газовой фазе, хорошо известны.
На фиг. 6 и 7 представлена траектория прохождения потоков газа-реагента Fg, поступающего в реакционную камеру 210 через впускную трубу 221. Между впускной трубой 221 и выпускной трубой 231 установлен градиент давления, способствующий прохождению потоков газа-реагента через отверстия в нижних кольцах и их циркуляции в объемах 180-184 с каждой стороны пористых преформ 160-163. Сначала потоки Fg проходят через зону 222 предварительного нагрева, затем распространяются в объеме вокруг загрузочного устройства 100. Поскольку газовые потоки Fg не могут пройти за уплотнительное кольцо 300, они проникают в отверстия 1401, 1411, 1421, 1431 и 1441 в нижних кольцах 140-144 (фиг. 7). Затем газовые потоки циркулируют в объемах 180-184 с каждой стороны пористых преформ 160-163 от основания этих преформ до их вершины, откуда остатки газовых потоков, не вступившие в реакцию с преформами, отводятся через отверстия 1501, 1511, 1521, 1531 и 1541 в верхних кольцах 150-154, а затем циркулируют в объеме 195, ограниченном между стойкой 120 и непористой стенкой 130, так что они выводятся из реакционной камеры 210 через выпускную трубу 231 (фиг. 6).
Помимо обеспечения оптимальной загрузки большеразмерных пористых преформ, имеющих форму усеченного конуса, в реакционную камеру установки для уплотнения, загрузочное устройство в соответствии с изобретением позволяет также улучшить инфильтрацию преформ в отношении степени и однородности уплотнения.
Принудительная циркуляция потоков газа-реагента в пространствах, образованных с обеих сторон пористых преформ, порождает принудительную конвекцию газа-реагента, способствующую инфильтрации преформ и ускоряющую эту инфильтрацию.
Кроме того, количество и диаметр отверстий для инжекции газа-реагента в пространства, образованные с каждой стороны пористых преформ, в данном примере, отверстий 1401, 1411, 1421, 1431 и 1441 в нижних кольцах 140-144, являются одинаковыми для каждого из нижних колец и для каждого из верхних колец, так что в объемы 180-184, образованные с каждой стороны пористых преформ, поступает одинаковое количество газа-реагента. Следовательно, расход газа одинаков для каждого из объемов 180-184. Кроме того, газ, введенный в каждый из объемов 180-184, находится в одинаковом состоянии созревания (насыщенность элементами реагента) и имеет одинаковые скорости истощения (уменьшение концентрации элементов реагента) между основаниями и вершинами преформ, что позволяет достичь однородного уплотнения всех пористых преформ. Кроме того, диаметр отверстий для подачи газа-реагента в нижних кольцах выбран таким образом, чтобы минимизировать потерю напора между этими объемами и объемом, имеющимся снаружи пористых преформ.
Другое преимущество загрузочного устройства в соответствии с изобретением состоит в возможности предварительного нагрева газа-реагента в обычной зоне предварительного нагрева установки для уплотнения из предшествующего уровня техники, при этом расход и время прохождения в этой зоне идентичны расходу и времени прохождения в способах уплотнения из предшествующего уровня техники. Таким образом, созревание газовой фазы аналогично созреванию, полученному в способах уплотнения из предшествующего уровня техники, что позволяет использовать те же параметры уплотнения (в частности, температуру, давление и концентрацию газа).
Тем не менее, принудительная циркуляция потоков газа-реагента в узких объемах 180-184 вокруг пористых преформ 160-163 позволяет получить скорости прохождения газа-реагента вокруг пористых преформ, существенно превышающие скорости, получаемые в способах из предшествующего уровня техники, в частности, описанных в патентных документах US 7182980 и US 5904957. Это позволяет минимизировать изменения концентрации газа-реагента между основаниями и вершинами преформ и, следовательно, снизить градиенты уплотнения по высоте преформ. В случае уплотнения множества уложенных в штабель конических пористых преформ, как описано выше, газ-реагент предпочтительно вводится в объемы для циркуляции газа, обеспеченные вокруг преформ, такие как описанные выше объемы 180-184 через основания преформ. Таким образом, потоки газа, имеющие наиболее высокую концентрацию элементов реагента, распределяются по самой большой поверхности уплотнения, что позволяет избежать слишком быстрого заполнения пористости на поверхности преформ, препятствующего хорошей инфильтрации в их центральной части.

Описанные выше графитовые прокладки предпочтительно изготовлены из вспененного графита, такого как материалы, продаваемые под торговыми марками Sigraflex или Раруех.
В соответствии с описанным выше примером осуществления изобретения, преформы, подлежащие уплотнению, имеют форму усеченного конуса, так что нижние и верхние кольца имеют форму круга, что подходит для поддержания и окружения соответствующих оснований и вершин преформ и непористых стенок.
Кроме того, в описанном выше примере загрузочное устройство содержит четыре преформы. Тем не менее, загрузочное устройство может содержать большее число преформ, что определяется в зависимости от объема полезной загрузки установки для инфильтрации.
В том случае, когда подлежащие уплотнению пористые преформы имеют другие формы, например, пирамидальную или овальную, геометрия верхних и нижних колец выполняется так, чтобы она соответствовала геометрии преформ. Например, в случае подлежащих уплотнению преформ, имеющих форму усеченной пирамиды с квадратным основанием, верхние и нижние кольца имеют форму квадрата и размеры, соответствующие размерам основания и вершины преформ.
Кроме того, в описанном выше примере газ-реагент вводится через верхнюю часть реакционной камеры и выводится через ее нижнюю часть. Тем не менее, газ-реагент может с тем же успехом вводиться в области дна камеры и выводиться в зоне ее верхней части, например, крышки. В этом случае, загрузочное устройство можно разместить, например, вверх дном в реакционной камере, обеспечивая поступление газа через нижние кольца и его выведение через верхние кольца.