炭刹车盘负压定向流外热梯度化学气相渗透方法及其设备的制作方法
专利名称：炭刹车盘负压定向流外热梯度化学气相渗透方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种飞机炭刹车盘的制造方法及其设备，特别是采用负压定向流外热内冷热梯度化学气相渗透(CVI)技术制造飞机炭刹车盘的方法及其设备。
背景技术：
CVI工艺是一种众所周知的用以致密炭纤维预制体制造高温结构炭/炭复合材料的方法，例如飞机炭刹车盘、固体火箭发动机喷管炭/炭喉衬、扩张段等材料均采用此方法。传统的CVI工艺分为均热法、热梯度法、压差法和脉冲法四种。英国Dunlop公司、法国Carbon Industie公司、美国Goodyear、Bendix公司等都采用均热CVI工艺制造炭刹车盘材料，这一传统工艺具有适应工业化规模生产、产品不受几何形状限制等特点，但存在沉炭效率低、生产周期过长，且表面易结壳、需多次中间石墨化开孔或机加工等缺点。美国B.F.Goodrich公司和我国514厂采用压差CVI工艺制造飞机炭刹车盘材料，虽然可缩短生产周期，但仅局限在炭刹车盘低密度时采用，当其密度升高后，产品的透气性变差，仍需采用均热CVI工艺，上述存在的缺点仍不能完全克服。而热梯度CVI工艺制造飞机炭刹车盘的方法，主要是内热外冷热梯度CVI工艺，预制体在炉中叠落时没有人造气体通道，势必导致各部位气体流量不均匀，影响其密度的均匀性，且在气体滞留部位易产生炭黑；此外，内热外冷热梯度CVI工艺仅适用于各类型飞机炭刹车动盘的工业化生产，其静盘及尾盘摩擦面的外侧由于沉积炭温度偏低，易导致其微观结构不均匀，而影响了摩擦特性。
发明内容
本发明的技术解决问题是为了克服现有技术的不足，提供一种适应于飞机炭刹车静盘及尾盘结构特点的，且透气性和摩擦特性好的炭刹车盘负压定向流外热热梯度化学气相渗透(CVI)方法及其设备。
本发明的技术解决方案是炭刹车盘负压定向流外热热梯度化学气相渗透(CVI)方法，包括下列步骤(1)将飞机炭刹车盘预制体装入外热梯度气相沉积炉中，各预制体之间垫入等厚的石墨垫片；(2)在负压下使预制体外热内冷，径向建立热梯度；(3)采用0.3℃/cm～25℃/cm的温度差或者内外总温差30℃～380℃；(4)使碳源气体进入预制体内侧，定向流经各预制体间等距狭缝，并由外侧排出炉外；(5)预制体的致密过程由外侧高温面向内侧低温面逐渐推移，根据炭盘密度值不断调整装炉位置，经4～6炉，经300～600小时气相沉炭，即可制成飞机炭刹车盘制品。
所述步骤(1)中各炭盘预制体间垫入等厚石墨垫片的厚度为0.5～4.0mm。
所述步骤(2)中的外热内冷采用内置内水冷装置，外热为石墨发热体。
所述步骤(4)中碳源气体由炉底进入预制体内腔，并定向流经预制体间等距的狭缝。
所述步骤(2)中预制体外侧高温面的温度范围为1000℃～1180℃。
所述步骤(5)中炭盘密度值不断调整装炉位置是指密度高的装入炉的上下部位，密度低的装入炉的中部。
为实施权利要求1所述方法而设计的定向流外热梯度CVI设备，包括炉盖、石墨盖板及其上的保温毡、铜感应圈、石墨发热体其及外层的保温毡、炭盘预制体、炉底、与炉底连接的石墨托架和位于石墨托架上的石墨托板、外炉体、进气管、抽气孔，其特征在于在炭盘预制体的内径套有内水冷装置，并在各炭盘预制体之间垫入等厚的石墨垫片，各炭盘预制体和石墨垫片由石墨托架和石墨托板支撑。
此外，在炉底上还安装有从炭盘预制体的内侧进入至外侧边缘处的处测量外侧温度的测温热电偶；在内水冷装置外还加有保温层，其厚度来控制炭盘预制体的径向温差；炭盘预制体下部保温层的厚度为30～60mm。
本发明与现有技术相比的有益效果是(1)本发明由中频感应加热石墨发热体，且经辐射传热使预制体受热，因其装有内水冷装置，在预制体的径向建立了热梯度，而且采用负压定向流外热梯度CVI工艺方法和设备，实现了工业化规模生产飞机炭刹车盘材料，一次可装炭盘50～60片，具有生产周期短、产品成本低的特点。
(2)具有适应各类型飞机炭刹车静盘及尾盘结构特点的特色，在炭盘的摩擦面上获得了粗糙层结构热解炭基体，具有易石墨化、热效率高、摩擦特性好的特征。
(3)负压下气体定向流过各预制体间等距狭缝，使碳源气体(C3H6)几乎100％通过预制体，提高了其有效利用率，常达20％～40％；且气体定向流路通畅，无气体滞留处，可防止有害物质炭黑的形成。
(4)采用比常规热梯度CVI工艺(温度差70℃/cm～400℃/cm)较小的温度差(0.3℃/cm～25℃/cm)，可加宽沉积炭致密带，大幅度降低设备功率的消耗。
(5)本发明可在传统真空感应气相沉积炉上稍作改动就可达到本发明的功能。
图1是本发明中定向流外热梯度CVI设备及工作原理示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明设计的定向流外热梯度CVI设备由炉盖1、石墨盖板3及其上的保温毡2、石墨发热体5及其位于其外部的保温毡6、位于保温毡6的铜感应圈4、炭盘预制体7、石墨垫片8、热电偶9、保温层10、石墨托板11、石墨托架12、保温毡13、炉底14、进气管15、保温毡16、内水冷装置17、外炉体18、抽气孔19组成，内水冷装置17设置在炉底14上，并套入炭盘预制体7的内径中，与炭盘预制体7设有一定的间隔，水冷装置17为内通冷却水的水管，并由位于其外部保温层16的厚度调节炭盘预制体7内外侧的温度差；在炉底14上还固定和进气管15和石墨托架12，石墨托板11装在石墨托架12上，且其上厚度是30mm～60mm的保温层10。在保温层10上面装入炭盘预制体7，并用等厚石墨垫片8隔开，石墨垫片的厚度是0.5mm～4.0mm，构成碳源气体C3H6定向流动通道；在炉底14上还固定测温热电偶9，且从炭盘预制体7内侧进入炉内，且在中部弯90°角从预制体7的内侧延至外侧边缘处，用于测量外侧温度值。
本发明的具体实施例负压定向流外梯度CVI工艺方法是(1)将飞机炭刹车盘的预制体7，外径为300mm～500mm，内径为150mm～320mm，厚度为15mm～40mm，初始密度为0.56g/cm3，套装入水冷装置17与石墨发热体5之间的石墨托板11上面，各预制体7之间用等厚的石墨垫片8，其厚度是0.5mm～4.0mm隔开，形成碳源气体C3H6由内至外定向流动的通路。当预制体8装入炉内高度50％时，将热电偶9插入预制体7的内外边缘处。一次可装入预制体7是50片～60片，且将最上层预制体7垫入石墨垫片8后，盖上石墨盖板3，装入保温毡2，且吊装炉盖1。
(2)启动真空机组，由抽气孔19对炉体抽真空，真空表显示负压为-0.086MPa～-0.1MPa。
(3)由中频感应加热石墨发热体4，且经辐射传热使预制体7受热，其预制体7外侧温度达到1000℃～1180℃，因装有内水冷装置17，其预制体7内侧温度为800℃～1000℃，形成了温度梯度。
(4)碳源气体(C3H6)和稀释气体(N2)由进气管15进入预制体7内腔，两者比例和流量均根据预制体7的尺寸，装炉总质量进行设定和调整。气体定向流经预制体7间的等距狭缝，由抽气孔19排出炉外。
(5)碳源气体流经预制体7的平面时，迅速扩散到孔隙内，且在预制体6的外侧高温面进行沉积炭过程，且致密由外侧向内侧逐渐推移。
(6)按密度大小调整炭刹车盘坯体7的装炉位置，经4～6炉，累计沉积时间300～600小时，使炭刹车盘7的密度达1.60g/cm3～1.75g/cm3，每批炭盘的密度离散系数小于2％。
权利要求
1.飞机炭刹车盘的负压定向流外热梯度CVI方法，其特征在于包括下列步骤(1)将飞机炭刹车盘预制体装入炉中，各预制体之间垫入等厚的石墨垫片；(2)在负压下使预制体外热内冷，径向建立热梯度；(3)采用0.3℃/cm～25℃/cm的温度差或者内外总温差30℃～380℃；(4)使碳源气体进入预制体内侧，定向流经各预制体间等距狭缝，并由外侧排出炉外；(5)预制体的致密过程由外侧高温面向内侧低温面逐渐推移，经300～600小时气相沉炭，即可制成飞机炭刹车盘制品。
2.根据权利要求1所述的负压定向流外热梯度CVI方法，其特征在于所述步骤(1)中等厚石墨垫片的厚度为0.5～4.0mm。
3.根据权利要求1所述的负压定向流外热梯度CVI方法，其特征在于所述步骤(2)中的使预制体外热内冷采用内置内水冷装置，外热为石墨发热体。
4.根据权利的要求1所述的负压定向流外热梯度CVI方法，其特征在于所述步骤(2)中预制体外侧高温面的温度为1000℃～1180℃。
5.根据权利要求1所述的负压定向流外热梯度CVI方法，其特征在于所述步骤(5)中根据炭盘密度值不断调整装炉位置是指密度高的装入炉的上下部位，密度低的装入炉的中部。
6.为实施权利要求1所述方法而设计的定向流外热梯度CVI设备，包括包括炉盖、石墨盖板及其上的保温毡、铜感应圈、石墨发热体其及外层的保温毡、炭盘预制体、炉底、外炉体、进气管、抽气孔，其特征在于在炭盘预制体的内径套有内水冷装置，并在各炭盘预制体之间垫入等厚的石墨垫片，各炭盘预制体和石墨垫片由与炉底连接的石墨托架和位于石墨托架上的石墨托板支撑。
7.根据权利要求6所述的定向流外热梯度CVI设备，其特征在于在炉底上还安装有从炭盘预制体的内侧进入至外侧边缘处测量外侧温度的测温热电偶。
8.根据权利要求6所述的定向流外热梯度CVI设备，其特征在于在内水冷装置外还加有保温层，其厚度来控制炭盘预制体的径向温差。
9.根据权利要求6所述的定向流外热梯度CVI设备，其特征在于所述炭盘预制体下部保温层的厚度为30mm～60mm。
10.根据权利要求6所述的定向流外热梯度CVI设备，其特征在于所述石墨垫片的厚度是0.5mm～4.0mm。
全文摘要
一种飞机炭刹车盘的负压定向流外热梯度化学气相渗方法及其设备，其特点在于将飞机炭刹车盘预制体装入炉中，各预制体之间垫入等厚的石墨垫片；在负压下使预制体外热内冷，径向建立热梯度；碳源气体在负压下几乎100％的定向流经各炭盘预制体间等距的狭缝；采用0.3℃/cm～25℃/cm的温度差或者内外总温差30℃～380℃；使碳源气体进入预制体内侧，定向流经各预制体间等距狭缝，并由外侧排出炉外；预制体的致密过程由外侧高温面向内侧低温面逐渐推移，经300～600小时气相沉炭，即可制成飞机炭刹车盘制品。本发明有效的提高了碳源气体利用率，并具有了摩擦特性好、热效率高的优点，适应于各类型飞机炭刹车静盘及尾盘结构特点的特色，缩短了生产周期、降低了成本，适用于工业化规模生产。
文档编号F16D69/00GK1544686SQ200310115118
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月24日 优先权日2003年11月24日
发明者苏君明, 肖志超, 孟凡才, 向嵛, 朱寿庆, 李睿 申请人:西安航天复合材料研究所
技术领域：
本发明涉及一种飞机炭刹车盘的制造方法及其设备，特别是采用负压定向流外热内冷热梯度化学气相渗透(CVI)技术制造飞机炭刹车盘的方法及其设备。
背景技术：
CVI工艺是一种众所周知的用以致密炭纤维预制体制造高温结构炭/炭复合材料的方法，例如飞机炭刹车盘、固体火箭发动机喷管炭/炭喉衬、扩张段等材料均采用此方法。传统的CVI工艺分为均热法、热梯度法、压差法和脉冲法四种。英国Dunlop公司、法国Carbon Industie公司、美国Goodyear、Bendix公司等都采用均热CVI工艺制造炭刹车盘材料，这一传统工艺具有适应工业化规模生产、产品不受几何形状限制等特点，但存在沉炭效率低、生产周期过长，且表面易结壳、需多次中间石墨化开孔或机加工等缺点。美国B.F.Goodrich公司和我国514厂采用压差CVI工艺制造飞机炭刹车盘材料，虽然可缩短生产周期，但仅局限在炭刹车盘低密度时采用，当其密度升高后，产品的透气性变差，仍需采用均热CVI工艺，上述存在的缺点仍不能完全克服。而热梯度CVI工艺制造飞机炭刹车盘的方法，主要是内热外冷热梯度CVI工艺，预制体在炉中叠落时没有人造气体通道，势必导致各部位气体流量不均匀，影响其密度的均匀性，且在气体滞留部位易产生炭黑；此外，内热外冷热梯度CVI工艺仅适用于各类型飞机炭刹车动盘的工业化生产，其静盘及尾盘摩擦面的外侧由于沉积炭温度偏低，易导致其微观结构不均匀，而影响了摩擦特性。
发明内容
本发明的技术解决问题是为了克服现有技术的不足，提供一种适应于飞机炭刹车静盘及尾盘结构特点的，且透气性和摩擦特性好的炭刹车盘负压定向流外热热梯度化学气相渗透(CVI)方法及其设备。
本发明的技术解决方案是炭刹车盘负压定向流外热热梯度化学气相渗透(CVI)方法，包括下列步骤(1)将飞机炭刹车盘预制体装入外热梯度气相沉积炉中，各预制体之间垫入等厚的石墨垫片；(2)在负压下使预制体外热内冷，径向建立热梯度；(3)采用0.3℃/cm～25℃/cm的温度差或者内外总温差30℃～380℃；(4)使碳源气体进入预制体内侧，定向流经各预制体间等距狭缝，并由外侧排出炉外；(5)预制体的致密过程由外侧高温面向内侧低温面逐渐推移，根据炭盘密度值不断调整装炉位置，经4～6炉，经300～600小时气相沉炭，即可制成飞机炭刹车盘制品。
所述步骤(1)中各炭盘预制体间垫入等厚石墨垫片的厚度为0.5～4.0mm。
所述步骤(2)中的外热内冷采用内置内水冷装置，外热为石墨发热体。
所述步骤(4)中碳源气体由炉底进入预制体内腔，并定向流经预制体间等距的狭缝。
所述步骤(2)中预制体外侧高温面的温度范围为1000℃～1180℃。
所述步骤(5)中炭盘密度值不断调整装炉位置是指密度高的装入炉的上下部位，密度低的装入炉的中部。
为实施权利要求1所述方法而设计的定向流外热梯度CVI设备，包括炉盖、石墨盖板及其上的保温毡、铜感应圈、石墨发热体其及外层的保温毡、炭盘预制体、炉底、与炉底连接的石墨托架和位于石墨托架上的石墨托板、外炉体、进气管、抽气孔，其特征在于在炭盘预制体的内径套有内水冷装置，并在各炭盘预制体之间垫入等厚的石墨垫片，各炭盘预制体和石墨垫片由石墨托架和石墨托板支撑。
此外，在炉底上还安装有从炭盘预制体的内侧进入至外侧边缘处的处测量外侧温度的测温热电偶；在内水冷装置外还加有保温层，其厚度来控制炭盘预制体的径向温差；炭盘预制体下部保温层的厚度为30～60mm。
本发明与现有技术相比的有益效果是(1)本发明由中频感应加热石墨发热体，且经辐射传热使预制体受热，因其装有内水冷装置，在预制体的径向建立了热梯度，而且采用负压定向流外热梯度CVI工艺方法和设备，实现了工业化规模生产飞机炭刹车盘材料，一次可装炭盘50～60片，具有生产周期短、产品成本低的特点。
(2)具有适应各类型飞机炭刹车静盘及尾盘结构特点的特色，在炭盘的摩擦面上获得了粗糙层结构热解炭基体，具有易石墨化、热效率高、摩擦特性好的特征。
(3)负压下气体定向流过各预制体间等距狭缝，使碳源气体(C3H6)几乎100％通过预制体，提高了其有效利用率，常达20％～40％；且气体定向流路通畅，无气体滞留处，可防止有害物质炭黑的形成。
(4)采用比常规热梯度CVI工艺(温度差70℃/cm～400℃/cm)较小的温度差(0.3℃/cm～25℃/cm)，可加宽沉积炭致密带，大幅度降低设备功率的消耗。
(5)本发明可在传统真空感应气相沉积炉上稍作改动就可达到本发明的功能。
图1是本发明中定向流外热梯度CVI设备及工作原理示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明设计的定向流外热梯度CVI设备由炉盖1、石墨盖板3及其上的保温毡2、石墨发热体5及其位于其外部的保温毡6、位于保温毡6的铜感应圈4、炭盘预制体7、石墨垫片8、热电偶9、保温层10、石墨托板11、石墨托架12、保温毡13、炉底14、进气管15、保温毡16、内水冷装置17、外炉体18、抽气孔19组成，内水冷装置17设置在炉底14上，并套入炭盘预制体7的内径中，与炭盘预制体7设有一定的间隔，水冷装置17为内通冷却水的水管，并由位于其外部保温层16的厚度调节炭盘预制体7内外侧的温度差；在炉底14上还固定和进气管15和石墨托架12，石墨托板11装在石墨托架12上，且其上厚度是30mm～60mm的保温层10。在保温层10上面装入炭盘预制体7，并用等厚石墨垫片8隔开，石墨垫片的厚度是0.5mm～4.0mm，构成碳源气体C3H6定向流动通道；在炉底14上还固定测温热电偶9，且从炭盘预制体7内侧进入炉内，且在中部弯90°角从预制体7的内侧延至外侧边缘处，用于测量外侧温度值。
本发明的具体实施例负压定向流外梯度CVI工艺方法是(1)将飞机炭刹车盘的预制体7，外径为300mm～500mm，内径为150mm～320mm，厚度为15mm～40mm，初始密度为0.56g/cm3，套装入水冷装置17与石墨发热体5之间的石墨托板11上面，各预制体7之间用等厚的石墨垫片8，其厚度是0.5mm～4.0mm隔开，形成碳源气体C3H6由内至外定向流动的通路。当预制体8装入炉内高度50％时，将热电偶9插入预制体7的内外边缘处。一次可装入预制体7是50片～60片，且将最上层预制体7垫入石墨垫片8后，盖上石墨盖板3，装入保温毡2，且吊装炉盖1。
(2)启动真空机组，由抽气孔19对炉体抽真空，真空表显示负压为-0.086MPa～-0.1MPa。
(3)由中频感应加热石墨发热体4，且经辐射传热使预制体7受热，其预制体7外侧温度达到1000℃～1180℃，因装有内水冷装置17，其预制体7内侧温度为800℃～1000℃，形成了温度梯度。
(4)碳源气体(C3H6)和稀释气体(N2)由进气管15进入预制体7内腔，两者比例和流量均根据预制体7的尺寸，装炉总质量进行设定和调整。气体定向流经预制体7间的等距狭缝，由抽气孔19排出炉外。
(5)碳源气体流经预制体7的平面时，迅速扩散到孔隙内，且在预制体6的外侧高温面进行沉积炭过程，且致密由外侧向内侧逐渐推移。
(6)按密度大小调整炭刹车盘坯体7的装炉位置，经4～6炉，累计沉积时间300～600小时，使炭刹车盘7的密度达1.60g/cm3～1.75g/cm3，每批炭盘的密度离散系数小于2％。
权利要求
1.飞机炭刹车盘的负压定向流外热梯度CVI方法，其特征在于包括下列步骤(1)将飞机炭刹车盘预制体装入炉中，各预制体之间垫入等厚的石墨垫片；(2)在负压下使预制体外热内冷，径向建立热梯度；(3)采用0.3℃/cm～25℃/cm的温度差或者内外总温差30℃～380℃；(4)使碳源气体进入预制体内侧，定向流经各预制体间等距狭缝，并由外侧排出炉外；(5)预制体的致密过程由外侧高温面向内侧低温面逐渐推移，经300～600小时气相沉炭，即可制成飞机炭刹车盘制品。
2.根据权利要求1所述的负压定向流外热梯度CVI方法，其特征在于所述步骤(1)中等厚石墨垫片的厚度为0.5～4.0mm。
3.根据权利要求1所述的负压定向流外热梯度CVI方法，其特征在于所述步骤(2)中的使预制体外热内冷采用内置内水冷装置，外热为石墨发热体。
4.根据权利的要求1所述的负压定向流外热梯度CVI方法，其特征在于所述步骤(2)中预制体外侧高温面的温度为1000℃～1180℃。
5.根据权利要求1所述的负压定向流外热梯度CVI方法，其特征在于所述步骤(5)中根据炭盘密度值不断调整装炉位置是指密度高的装入炉的上下部位，密度低的装入炉的中部。
6.为实施权利要求1所述方法而设计的定向流外热梯度CVI设备，包括包括炉盖、石墨盖板及其上的保温毡、铜感应圈、石墨发热体其及外层的保温毡、炭盘预制体、炉底、外炉体、进气管、抽气孔，其特征在于在炭盘预制体的内径套有内水冷装置，并在各炭盘预制体之间垫入等厚的石墨垫片，各炭盘预制体和石墨垫片由与炉底连接的石墨托架和位于石墨托架上的石墨托板支撑。
7.根据权利要求6所述的定向流外热梯度CVI设备，其特征在于在炉底上还安装有从炭盘预制体的内侧进入至外侧边缘处测量外侧温度的测温热电偶。
8.根据权利要求6所述的定向流外热梯度CVI设备，其特征在于在内水冷装置外还加有保温层，其厚度来控制炭盘预制体的径向温差。
9.根据权利要求6所述的定向流外热梯度CVI设备，其特征在于所述炭盘预制体下部保温层的厚度为30mm～60mm。
10.根据权利要求6所述的定向流外热梯度CVI设备，其特征在于所述石墨垫片的厚度是0.5mm～4.0mm。
全文摘要
一种飞机炭刹车盘的负压定向流外热梯度化学气相渗方法及其设备，其特点在于将飞机炭刹车盘预制体装入炉中，各预制体之间垫入等厚的石墨垫片；在负压下使预制体外热内冷，径向建立热梯度；碳源气体在负压下几乎100％的定向流经各炭盘预制体间等距的狭缝；采用0.3℃/cm～25℃/cm的温度差或者内外总温差30℃～380℃；使碳源气体进入预制体内侧，定向流经各预制体间等距狭缝，并由外侧排出炉外；预制体的致密过程由外侧高温面向内侧低温面逐渐推移，经300～600小时气相沉炭，即可制成飞机炭刹车盘制品。本发明有效的提高了碳源气体利用率，并具有了摩擦特性好、热效率高的优点，适应于各类型飞机炭刹车静盘及尾盘结构特点的特色，缩短了生产周期、降低了成本，适用于工业化规模生产。
文档编号F16D69/00GK1544686SQ200310115118
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月24日 优先权日2003年11月24日
发明者苏君明, 肖志超, 孟凡才, 向嵛, 朱寿庆, 李睿 申请人:西安航天复合材料研究所
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