專(zhuān)利名稱(chēng)：通過(guò)氣相化學(xué)滲透對(duì)薄形多孔基片進(jìn)行密實(shí)的方法以及這種基片的裝載設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在用熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制備零件的時(shí)候特別使用的化學(xué) 氣相滲透技術(shù)。更加具體地，本發(fā)明涉及通過(guò)沉積基體來(lái)密實(shí)薄形多 孔基片，即對(duì)具有與其主要尺寸比較相對(duì)較小厚度的基片進(jìn)行密實(shí)(densifying)。
技術(shù)背景為了用復(fù)合材料制造零件，特別是用由被耐火基體(例如碳或陶 瓷)所密實(shí)的耐火纖維預(yù)制品(例如由碳或陶瓷纖維制成)制成的熱 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造零件，使用化學(xué)氣相滲透方法是普通的慣用方法。 這種零件的例子有由碳-碳(C-C)復(fù)合材料制成的助推器噴嘴，或者特別用于飛機(jī)制動(dòng)器的制動(dòng)盤(pán)，該制動(dòng)盤(pán)同樣由c-c復(fù)合材料制成。通過(guò)化學(xué)氣相滲透密實(shí)的多孔基片包括通過(guò)使用支撐工具將基 片放置在滲透設(shè)施的反應(yīng)室內(nèi)，接納反應(yīng)氣體進(jìn)入反應(yīng)室，該氣體包 含待沉積的材料的一種或多種前體(precursor)，為了使基片進(jìn)行密實(shí) 而需要將該材料在基片中沉積。對(duì)滲透條件，特別是反應(yīng)氣體的成分 和流速，以及反應(yīng)室里的溫度和壓力進(jìn)行選擇，使得氣體能夠在基片 的可進(jìn)入的內(nèi)部細(xì)孔里擴(kuò)散，從而通過(guò)對(duì)氣體的成分進(jìn)行分解或通過(guò) 其多種成分之間的反應(yīng)在此處將需要的材料沉積下來(lái)，。反應(yīng)氣體通 常通過(guò)使其流過(guò)預(yù)熱區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，該區(qū)域位于反應(yīng)室之內(nèi)，反應(yīng)氣 體入口對(duì)該區(qū)域開(kāi)放。該方法和自由流動(dòng)化學(xué)氣相滲透方法是一致的。在用于化學(xué)氣相滲透的工業(yè)設(shè)施中，將待密實(shí)的多種基片或預(yù)制 品同時(shí)裝載入反應(yīng)室，以增加密實(shí)方法的產(chǎn)量，并從而增加裝載反應(yīng) 室的填充密度，這是普通的慣用方法。然而，使用自由流動(dòng)化學(xué)氣相 滲透來(lái)在共同的反應(yīng)室內(nèi)密實(shí)多種基片導(dǎo)致某些困難，特別是這些困 難涉及所得到的密實(shí)度的均勻性。在密實(shí)薄形基片的時(shí)候，例如基片
以縱向布置于反應(yīng)室內(nèi)的薄(fine)矩形平板為形式，反應(yīng)氣體以自由 流動(dòng)的方式從反應(yīng)室的頂部邊緣擴(kuò)散，已發(fā)現(xiàn)密實(shí)梯度存在于基片之 內(nèi)以及在基片之間的單獨(dú)的腔室之內(nèi)(分散現(xiàn)象(dispersion))，不 管如何注意控制滲透條件這種情況都會(huì)發(fā)生。由于，特別是，缺乏對(duì) 反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)氣體流動(dòng)的控制(出現(xiàn)專(zhuān)用的流動(dòng)通道)，從而產(chǎn)生這 些沉積梯度，因此導(dǎo)致反應(yīng)物的過(guò)早消耗，從而在基片最靠近氣體進(jìn) 入點(diǎn)的部分和基片最遠(yuǎn)離氣體進(jìn)入點(diǎn)的部分之間的密實(shí)度出現(xiàn)分散現(xiàn) 象(dispersion)。除了觀察到的在沉積中缺乏均勻性以外，現(xiàn)有薄形基片的密實(shí)還 需要使用支撐工具，以限制零件變形的程度，該變形是沉積梯度和/或 材料內(nèi)部應(yīng)力的結(jié)果。這種工具的使用減小了反應(yīng)室能夠被裝載的密 度。通過(guò)化學(xué)氣相滲透來(lái)密實(shí)多孔環(huán)狀基片的程序和裝置在文件US 2004/237898和US 5 904 957中具體地描述。然而，那些方法本質(zhì)上用 來(lái)密實(shí)置于一堆基片內(nèi)的具有圓環(huán)外形的基片，而且不適合于密實(shí)具 有薄形形狀的基片。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能夠密實(shí)薄形多孔基片的方法，即 具有相對(duì)于其主要表面的尺寸較小的厚度的基片，例如平面的或彎曲 的薄零件，并且使得基片能夠以高密度裝載，同時(shí)減小基片內(nèi)的密實(shí) 梯度。這個(gè)目的通過(guò)一種用于使用沉積在其中的材料來(lái)密實(shí)薄形多孔基 片的化學(xué)氣相滲透方法而實(shí)現(xiàn)，該方法包括在滲透爐的反應(yīng)室內(nèi)裝 載用于密實(shí)的基片；在靠近反應(yīng)室的第一縱向端部處接納包含至少一 個(gè)待沉積的材料前體的反應(yīng)氣體；通過(guò)位于靠近反應(yīng)室的與其第一端 部相對(duì)的縱向端部處的出口排出剩余氣體，在這個(gè)方法中，根據(jù)本發(fā)明，基片圍繞縱向管道徑向布置，然后 反應(yīng)氣體沿基片的主要表面以實(shí)質(zhì)上為徑向的流動(dòng)方向散布。因此，反應(yīng)氣體沿基片的流動(dòng)方向得到控制，從而基片密實(shí)度的 均勻性也得到控制。反應(yīng)氣體的散布發(fā)生在盡可能靠近基片表面的地
方，因此使得減小反應(yīng)氣體里的局部損耗成為可能，而這種局部損耗 在基片相互靠近并且不定向流動(dòng)的時(shí)候可以觀察到。在基片里擴(kuò)散的反應(yīng)物質(zhì)(reactive species)的量變得更大。從而，本發(fā)明的方法使得密實(shí)薄形多孔基片成為可能，同時(shí)提高 獲得的零件的品質(zhì)，并增大能夠用于裝載的反應(yīng)室的空間。此外，反應(yīng)氣體在沿基片散布前可以被預(yù)熱。通過(guò)這種方式，通 常在反應(yīng)室里使用的采用自由流動(dòng)方法的預(yù)熱區(qū)域不再是必需的，因 此使得進(jìn)一步增大能夠用于裝載的反應(yīng)室的空間成為可能。反應(yīng)氣體能夠從管道散布，即靠近基片的內(nèi)邊緣，并且反應(yīng)氣體 能夠從靠近基片的外邊緣排出。相反地，導(dǎo)入反應(yīng)室的反應(yīng)氣體能夠 從基片的外邊緣散布，并且能夠從縱向管道的內(nèi)部排出。對(duì)于任何一 種方式，氣體以實(shí)質(zhì)上徑向的流動(dòng)方向沿基片的主要表面流動(dòng)。在反應(yīng)氣體從管道散布開(kāi)來(lái)的時(shí)候，基片的徑向結(jié)構(gòu)提供了與氣 體沿基片的表面流動(dòng)時(shí)氣體的損耗相匹配的基片的局部分布。在離開(kāi) 管道的時(shí)候，氣體具有其最豐富的成分，然后其處于用最大填充密度 裝載基片的區(qū)域。此后，隨著氣體沿相對(duì)于彼此逐漸散布開(kāi)來(lái)的基片 的表面流動(dòng)，氣體變得被損耗了，從而減小了局部填充(packing)密 度。這種相互補(bǔ)償在反應(yīng)氣體在反應(yīng)物質(zhì)里呈現(xiàn)已經(jīng)很低的初始成分 (starting composition )的時(shí)f疾是有用的。楔形插件可以被置于鄰近的基片對(duì)之間，以促進(jìn)反應(yīng)氣體盡可能 地靠近基片的表面流動(dòng)。根據(jù)反應(yīng)室的內(nèi)部尺寸，在反應(yīng)室的內(nèi)部空間內(nèi)重疊放置和/或并 列放置多個(gè)系列的基片是可能的。在每一堆基片中，縱向管道相互連 通以形成用于散布或排出反應(yīng)氣體的單通道。對(duì)于小尺寸基片，能夠并列放置一個(gè)或多個(gè)附加的基片行，附加 行的每一基片處于與鄰近行的基片相同的徑向平面，以至于避免干擾 反應(yīng)氣體的徑向流動(dòng)。本發(fā)明還尋求提供裝載工具，該工具使得上面限定的方法能夠得 以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)目的通過(guò)包括置于第一和第二平板之間的管狀管道的裝載設(shè) 備來(lái)實(shí)現(xiàn)，該管狀管道至少在其中一個(gè)平板的表面上向外開(kāi)口，以使
得反應(yīng)氣體能夠從所述管道被導(dǎo)入或者排出，每一平板包括圍繞所述 管道在徑向保持基片的裝置，該管狀管道具有多個(gè)小孔，用于以實(shí)質(zhì) 上徑向的流動(dòng)方向沿基片的主要表面散布或排出反應(yīng)氣體。一旦被置于反應(yīng)室內(nèi)，設(shè)備就起到小型反應(yīng)器作用，在該反應(yīng)器 中以前面所述的方式控制氣體的流動(dòng)。利用這個(gè)設(shè)備，可以遠(yuǎn)離密實(shí) 設(shè)施事先準(zhǔn)備基片的裝載，并且裝置的基片可以易于傳送，不會(huì)對(duì)反 應(yīng)室造成危險(xiǎn)。因此，對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行裝載/卸載所需要的時(shí)間減少了。管狀管道的小孔優(yōu)選地布置成盡可能地靠近基片的表面散布或排 出反應(yīng)氣體。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，該設(shè)備進(jìn)一步包括包圍基片的外部圓筒 形外殼，該外殼與管狀管道同心放置，該外殼包括用于排出或散布反 應(yīng)氣體的多個(gè)小孔。優(yōu)選地，圓筒形外殼的小孔被置于盡可能靠近基 片的外邊緣，以促進(jìn)反應(yīng)氣體盡可能靠近基片的表面流動(dòng)。第一和第二平板中的每一個(gè)都包括圍繞管狀管道將基片徑向保持 在原位的裝置。特別地，這些裝置可以由滑道或者由設(shè)置有凹口的圓 環(huán)構(gòu)成，其中基片與凹口接合。本發(fā)明還尋求提供使得薄形多孔基片能夠通過(guò)化學(xué)氣相滲透被均 勻地密實(shí)的設(shè)施，并且以高裝載容量實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這個(gè)目的通過(guò)包括反應(yīng)室、基座、反應(yīng)氣體的進(jìn)氣入口以及排氣 出口的設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中反應(yīng)室里有用于裝載用于密實(shí)基片的區(qū)域， 基座用于限定反應(yīng)室以及與加熱裝置相聯(lián)，進(jìn)氣入口位于反應(yīng)室的第 一縱向端部，排氣出口位于靠近反應(yīng)室的與其第一端部相對(duì)的縱向端 部處，設(shè)施的特征在于該反應(yīng)室包括置于至少一個(gè)前面描述的裝載設(shè)備 內(nèi)的多種薄形多孔基片，設(shè)備的管狀管道連接至反應(yīng)室的反應(yīng)氣體的 進(jìn)氣入口或排氣出口。根據(jù)反應(yīng)室的尺寸，反應(yīng)室可以包括一個(gè)堆在另一個(gè)上面的多個(gè) 裝載設(shè)備， 一個(gè)裝載設(shè)備的管狀管道與堆放在它下面的設(shè)備的管狀管 道相配合，位于一堆基片頂部的裝載設(shè)備的管狀管道連接至反應(yīng)室的 反應(yīng)氣體進(jìn)氣入口或排氣出口 。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)出現(xiàn)在以下作為非限制性實(shí)例給出的具 體實(shí)施方案的描述中，以附圖為參考，其中圖1A到1C是根據(jù)本發(fā)明的用于裝載和密實(shí)薄形多孔基片的工具 的透視圖；圖2是圖1A中工具的一部分的透視圖，顯示對(duì)基片進(jìn)行保持和定 位的裝置的變化實(shí)施方案；圖3是顯示通過(guò)化學(xué)氣相滲透進(jìn)行密實(shí)的設(shè)施的剖視圖，其中基 片通過(guò)本發(fā)明的工具裝載；圖4A是圖3中裝置的剖視圖；圖4B是圖4A中一部分的局部詳圖；圖4C顯示具有插件時(shí)反應(yīng)氣體的流動(dòng)；圖5是顯示通過(guò)化學(xué)氣相滲透進(jìn)行密實(shí)的設(shè)施的剖視圖，其中反 應(yīng)氣體的流動(dòng)相對(duì)于圖3中的裝置是相反的；圖6是顯示通過(guò)化學(xué)氣相滲透進(jìn)行密實(shí)的設(shè)施的剖視圖，其中本 發(fā)明的多個(gè)工具設(shè)備重疊放置并且并列放置；圖7是圖6中設(shè)施的剖視圖；以及圖8A和8B分別顯示通過(guò)自由流動(dòng)化學(xué)氣相滲透進(jìn)行密實(shí)的方法 以及通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)氣相滲透進(jìn)行密實(shí)的方法所得到的結(jié)果。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明的用于密實(shí)薄形多孔基片的化學(xué)氣相滲透方法使用以 裝載為目的的具體工具，以圖1A至IJ1C為參考，該工具的構(gòu)造和裝配 如下所述。圖1A顯示裝載設(shè)備或者工具10，在裝載待密實(shí)的基片1的操作 過(guò)程的開(kāi)始階段，即在工具關(guān)閉并插入工業(yè)化學(xué)氣相滲透設(shè)施的反應(yīng) 室之前。工具10包括置于兩個(gè)圓形平板12和13之間的豎直管狀管道 11。管道11的頂端與穿過(guò)平板形成的中央開(kāi)口 121相配合，管道11 的底端被平板13所關(guān)閉。在一種變化形式中，管道11的底端與穿過(guò) 平板13形成的中央開(kāi)口相配合，具體地使得工具設(shè)備能夠被重疊放置 在反應(yīng)室內(nèi)，正如下面所解釋的一樣。
平板12和13相互面對(duì)的一側(cè)分別具有保持和定位裝置，以接收 待密實(shí)的基片。在這個(gè)實(shí)施方案中，如圖1A所示，平板12和13分別 具有多個(gè)滑道14和15，該滑道均勻地徑向分布于管道ll周?chē)?。待?實(shí)的基片1通過(guò)與滑道接合的方式一個(gè)接一個(gè)地裝載進(jìn)入工具。可以 使用其它設(shè)備來(lái)將基片保持在其位置上。例如，如圖2所示，滑道可 以被具有凹口的圓環(huán)15'和15"所取代，基片與凹口接合。在另一個(gè)變 化形式中，平板可以設(shè)置有可選擇不同尺寸或者高度可調(diào)節(jié)的游碼 (rider)，以接收不同尺寸的基片。這些設(shè)備可以裝在平板上或者它 們可以形成其整體部分(大容量加工(bulkmachining))。圖IB顯示當(dāng)所有基片1都被裝載時(shí)的工具10。能夠看出，基片 沿徑向均勻分布于管道11周?chē)?一旦充分裝載，工具IO被圓筒形外 殼16所關(guān)閉，如圖1C所示。然后工具IO形成保護(hù)基片的小室。因此， 基片可以被輕易傳送至反應(yīng)室。例如，工具10的所有元件(平板、管 狀管道、基片保持裝置、圓筒形外殼，……)都由例如石墨、膨脹石 墨或C/C復(fù)合材料制成。可選擇的情況是，楔形插件30可以被置于鄰近的基片對(duì)之間，以 促進(jìn)反應(yīng)氣體盡可能地靠近基片的表面流動(dòng)。與工具10的其它元件類(lèi) 似，插件30由例如石墨、膨脹石墨或C/C復(fù)合材料制成。如下面所解釋的一樣，用于傳送或排出反應(yīng)氣體的管道11具有多 個(gè)小孔lll，以允許氣體通過(guò)。優(yōu)選地，這些小孔lll置于平行于管子 軸線的直線上，這些直線均勻地圍繞管道的外圍彼此間隔開(kāi)，在一條 指定直線上的小孔保持恒定的間隔。圓筒形外殼16也提供有小孔161，以允許氣體被排出或被散布傳 送進(jìn)入工具，并允許氣體在反應(yīng)室內(nèi)流動(dòng)。優(yōu)選地，選擇穿過(guò)外殼16 的小孔161的數(shù)量和角位置從而使得它們與管道11里的小孔111 一一 對(duì)齊。管狀管道11和圓筒形外殼16可以由端部相互連接以提供模塊化 結(jié)構(gòu)的多個(gè)部分構(gòu)成。圖3是顯示用于化學(xué)氣相滲透的設(shè)施或爐子的反應(yīng)室20，其中該 設(shè)施或爐子具有裝載在其中用于密實(shí)的基片。概括地，反應(yīng)室20形狀 大體是圓柱形。 為了對(duì)基片1進(jìn)行密實(shí)，包含用于沉積的基體材料的一個(gè)或多個(gè)前體的反應(yīng)氣體被引入反應(yīng)室20里。例如，對(duì)于碳，使用碳?xì)浠衔餁怏w，典型地使用丙烷、甲烷或兩種材料的混合物。對(duì)于陶瓷材料，例如碳化硅(SiC)，通過(guò)已知的方式使用甲基三氯硅垸(MTS)作為 SiC的前體，這是可能的。以已知的方式，多孔基片1通過(guò)在其中沉積基體材料而密實(shí)，其 中通過(guò)對(duì)包含在反應(yīng)氣體中的前體的分解來(lái)生產(chǎn)基體材料，反應(yīng)氣體 在基片的可進(jìn)入內(nèi)部小孔內(nèi)擴(kuò)散。通過(guò)化學(xué)氣相滲透來(lái)沉積不同的基 體所需要壓力和溫度條件本身是已知的。在所示的例子中，反應(yīng)氣體通過(guò)導(dǎo)管21引入，該導(dǎo)管向外通向反 應(yīng)室的頂部。剩余氣體通過(guò)管道22從反應(yīng)室的底部抽出去。在反應(yīng)室內(nèi)部熱量通過(guò)石墨感受器23而產(chǎn)生，該感受器與感應(yīng)線 圈(未示出)電磁聯(lián)接。感受器23形成豎直軸線反應(yīng)室的內(nèi)部空間24， 導(dǎo)管21穿過(guò)蓋子20a且導(dǎo)管22穿過(guò)底面20b。底面和蓋子同樣由石墨 制成。為了使用根據(jù)本發(fā)明的方法對(duì)薄形多孔基片進(jìn)行密實(shí)，如同前面 所述，使用裝載工具10來(lái)將基片裝載進(jìn)入反應(yīng)室20之內(nèi)。如圖3和 4A所示，管道11的軸線與反應(yīng)室的軸線一致，從而基片1沿所述軸 線縱向放置，并從管道11的外壁開(kāi)始圍繞軸線徑向延伸?；菁{于 內(nèi)部空間17之內(nèi)，這部分空間被管道11、外殼16以及平板12和13 限定出來(lái)，并該空間形成密實(shí)基片的反應(yīng)區(qū)域。反應(yīng)室的導(dǎo)管21連接至工具的管道11，形成反應(yīng)氣體向基片1散 布之前的預(yù)熱區(qū)域。用于形成預(yù)熱室的套筒18也可以放置于圍繞開(kāi)口 121的平板12頂部之上。經(jīng)過(guò)預(yù)熱的反應(yīng)氣體通過(guò)管道里的小孔111 散布進(jìn)入內(nèi)部空間17之內(nèi)，然后通過(guò)擴(kuò)散透過(guò)基片1以及穿過(guò)外殼16 的小孔161來(lái)流過(guò)反應(yīng)室的內(nèi)部空間24。剩余氣體通過(guò)連接至抽吸裝 置(未示出)的導(dǎo)管22從反應(yīng)室的底面20B抽出去。通過(guò)使其流過(guò)導(dǎo)管11的小孔111來(lái)散布反應(yīng)氣體，其作用是保證 氣體在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)實(shí)質(zhì)上徑向流動(dòng)。通過(guò)這種方式控制氣體相對(duì)于基 片形狀的流動(dòng)方向，可以保證氣體以大致均勻的方式在基片的整體寬 度上被耗盡。此外，裝載工具使得反應(yīng)氣體能夠被盡可能近地傳送至基片。如圖4A和4B所示，反應(yīng)氣體從管道ll散布，通過(guò)小孔lll，該小孔面 對(duì)或靠近基片的內(nèi)邊緣。類(lèi)似地，外殼16上的小孔161位于面對(duì)或靠 近基片外邊緣的位置，其中氣體通過(guò)這些外殼16上的小孔161從反應(yīng) 區(qū)域排出。通過(guò)這種方式，反應(yīng)氣體的流動(dòng)主要沿基片的壁發(fā)生，因 此用于優(yōu)化在基片內(nèi)擴(kuò)散的反應(yīng)物質(zhì)的數(shù)量，并且用于減小擴(kuò)散邊界 層。在管道ll和內(nèi)部空間17之間可以選擇性地保持壓力梯度。此外， 通過(guò)小孔的直徑控制水頭損失(head loss),這個(gè)直徑可以改變，從而 在合適的反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)之間實(shí)現(xiàn)均衡。圖4C顯示在插件30置于基片之間的時(shí)候反應(yīng)氣體的流動(dòng)。插件 30的楔形用來(lái)減小基片之間的空間，從而促進(jìn)反應(yīng)氣體盡可能地靠近 基片表面流動(dòng)。裝載工具的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它提供在反應(yīng)氣體的成分和裝載的局 部填充密度之間實(shí)現(xiàn)良好匹配的可能性。在通過(guò)管狀管道ll引入反應(yīng) 氣體的時(shí)候，即局部填充密度最大的區(qū)域，因?yàn)榛瑥较蚺帕?即基 片彼此非常接近)，氣體呈現(xiàn)一種具有充足反應(yīng)物的化合物 (composition)。從而，在被耗盡之前，氣體被散布在具有最大基片密 度的區(qū)域內(nèi)。從而，在工具的外圍，由于反應(yīng)物質(zhì)在通過(guò)反應(yīng)區(qū)域時(shí) 被消耗了，氣體呈現(xiàn)一種反應(yīng)物被耗盡的化合物。這種耗盡通過(guò)局部 填充密度的降低(基片發(fā)散)來(lái)補(bǔ)償。這種補(bǔ)償在氣體在反應(yīng)物質(zhì)里 呈現(xiàn)已經(jīng)較低的初始成分(starting composition)的時(shí)候是有用的。來(lái) 自氣體的反應(yīng)物質(zhì)的過(guò)早消耗的風(fēng)險(xiǎn)可以通過(guò)對(duì)氣體進(jìn)行選擇來(lái)消 除，選擇的氣體具有的反應(yīng)物質(zhì)的濃度大于在滲透過(guò)程中要消耗的反 應(yīng)物質(zhì)的濃度。在本發(fā)明的方法的變化實(shí)施方案中，反應(yīng)氣體可以從基片的外側(cè) 邊緣散布并且通過(guò)管狀管道ll排出。在這種情況下，如圖5所示，裝 載工具10置于反應(yīng)室120內(nèi)部，該反應(yīng)室與前面描述的反應(yīng)室20的 不同之處在于，反應(yīng)氣體通過(guò)導(dǎo)管122被導(dǎo)入反應(yīng)室的內(nèi)部空間124， 并且通過(guò)連接至工具10的管道11的導(dǎo)管123排出。在這種結(jié)構(gòu)下， 通過(guò)導(dǎo)管122導(dǎo)入反應(yīng)室的反應(yīng)氣體在反應(yīng)室的內(nèi)部空間124內(nèi)流動(dòng)， 并通過(guò)外殼16上的小孔161滲透進(jìn)入工具的內(nèi)部空間17。然后氣體沿
基片的表面以大致徑向的方向流動(dòng)。氣體經(jīng)由管道11通過(guò)管道上的小 孔111從空間17內(nèi)排出。因此，采用根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)氣相滲透的密實(shí)方法，與自由流動(dòng)方法比較，基片結(jié)構(gòu)的更好的滲透得以實(shí)現(xiàn)。圖8A和8B分別顯示使 用一種自由流動(dòng)的化學(xué)氣相滲透密實(shí)方法(圖8A)進(jìn)行化學(xué)氣相滲透 密實(shí)之后所得到的結(jié)果以及使用一種根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)氣相滲透密實(shí) 方法(圖8B)進(jìn)行的化學(xué)氣相滲透密實(shí)之后所得到的結(jié)果。對(duì)由編織 碳纖維結(jié)構(gòu)(woven carbon fiber texture)制成的以"噴嘴擋板"類(lèi)的平 面矩形零件(230mmX 110mm)為形式的相同的基片執(zhí)行測(cè)試，基片 內(nèi)產(chǎn)生的沉積物的成分也是同樣的。圖8A和8B中基片上給出的數(shù)字 表示到中心(core)的總體厚度(以u(píng)m為單位)，這些是在基片上的 不同位置測(cè)得的。能夠看出，圖8B (使用本發(fā)明的方法)中到基片的 中心的厚度平均起來(lái)比圖8A (自由流動(dòng))中到基片的中心的厚度要大 很多。此外，圖8B的基片中密實(shí)度的分散度小于圖8A的基片中密實(shí) 度的分散度。裝載工具的作用象小型反應(yīng)器，使得密實(shí)參數(shù)以獨(dú)立的方式被優(yōu) 化。從而，在反應(yīng)室的容量使其成為可能的時(shí)候，多個(gè)工具設(shè)備能夠 在單個(gè)反應(yīng)室內(nèi)重疊放置和/或并列放置。圖6顯示反應(yīng)室200，多個(gè) 工具設(shè)備100以多個(gè)堆的方式置于該反應(yīng)室中。實(shí)際上，工具設(shè)備100 的結(jié)構(gòu)和操作都與前面描述的工具10的結(jié)構(gòu)和操作類(lèi)似。不同之處在 于，工具100的管狀管道110向外通向工具的兩側(cè)，從而一個(gè)指定堆 中的所有的管道在管道之間相互配合，以使得反應(yīng)氣體能夠散布通過(guò) 工具設(shè)備里所有的反應(yīng)區(qū)域。每一堆的頂部的設(shè)備通過(guò)其管道110的 頂端連接至用于接納反應(yīng)氣體進(jìn)入反應(yīng)室的導(dǎo)管210。剩余氣體通過(guò)反 應(yīng)室底部的導(dǎo)管220排出?？蛇x擇地，如同前面以圖5為參考所解釋 的一樣，反應(yīng)氣體的流向可以倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，從而使氣體從基片的外側(cè)邊 緣流向內(nèi)側(cè)邊緣。在這種情況下，堆的頂部的工具管道的頂端連接至 反應(yīng)室的排氣導(dǎo)管。對(duì)于由多個(gè)工具設(shè)備組成的復(fù)合裝載，本方法僅有的改變是將反 應(yīng)氣體送入每一由工具設(shè)備構(gòu)成的小型反應(yīng)器。反應(yīng)氣體的流速僅僅 乘上需要輸入氣體的工具設(shè)備數(shù)量。此外，使用本發(fā)明的裝載工具設(shè)
備可以消除與在死區(qū)流動(dòng)相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，而這些問(wèn)題對(duì)于大尺寸反應(yīng) 室里的自由流動(dòng)方法來(lái)說(shuō)是會(huì)碰到。通過(guò)化學(xué)氣相滲透的本發(fā)明的密實(shí)方法特別適用于多孔基片或預(yù) 制品，這種基片或預(yù)制品具有薄形外形，即厚度相對(duì)于它們的其它尺 寸(表面的長(zhǎng)度/寬度)來(lái)說(shuō)較小。通過(guò)例子，這種基片可以是矩形或正方形的零件，實(shí)質(zhì)上為平面的或具有類(lèi)似圖6和7中所示的基片101的曲線，該基片在其端部具有下降的邊緣。本發(fā)明的密實(shí)方法能夠被特別使用于制造陶瓷基復(fù)合(CMC)材料的薄形零件，例如用于飛行 目的的噴嘴擋板。本發(fā)明的裝載工具也具有使得裝載能夠預(yù)先準(zhǔn)備的優(yōu)點(diǎn)，也就是 遠(yuǎn)離包含滲透爐的地基，對(duì)于被運(yùn)送至反應(yīng)室密實(shí)的基片來(lái)說(shuō)可以減 小風(fēng)險(xiǎn)，而不同于傳統(tǒng)上使用自由流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)工具。因此，對(duì)用于化 學(xué)氣相滲透的爐子進(jìn)行裝載/卸載所需要的時(shí)間也減少了，并且操作變 得更容易。對(duì)位于工具的管道內(nèi)或者位于在反應(yīng)室的內(nèi)部空間內(nèi)的氣體的預(yù) 熱使得省略預(yù)熱區(qū)域成為可能，其中這個(gè)內(nèi)部空間在反應(yīng)室的內(nèi)壁和 工具的外殼之間，傳統(tǒng)上這種預(yù)熱區(qū)域用在自由流動(dòng)化學(xué)氣相滲透方 法中。于是反應(yīng)室的工作空間增大了，因此使得爐子能夠以增大的填 充密度裝載。
權(quán)利要求
1.一種用于密實(shí)薄形多孔基片(1)的化學(xué)氣相滲透方法，該方法使用沉積在該薄形多孔基片中的材料，該方法包括在滲透爐的反應(yīng)室(20)內(nèi)部裝載用于密實(shí)的基片(1)；在靠近反應(yīng)室的第一縱向端部(21)處導(dǎo)入包含待沉積的材料的至少一個(gè)前體的反應(yīng)氣體；以及通過(guò)位于靠近反應(yīng)室的與其第一端部相對(duì)的縱向端部處的出口(22)排出剩余氣體，所述方法的特征在于，該基片(1)圍繞縱向管道(11)徑向布置，然后所述反應(yīng)氣體沿基片(1)的主要表面以實(shí)質(zhì)上為徑向的流動(dòng)方向散布。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，導(dǎo)入反應(yīng)室(20)內(nèi)的該反應(yīng)氣體從縱向管道(11)散布出來(lái)。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該反應(yīng)氣體從基片的外端部排出，盡可能靠近基片(1)的主要表面。
4. 如權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在沿基 片(1)散布之前，該反應(yīng)氣體在縱向管道(11)中預(yù)熱。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，導(dǎo)入反應(yīng)室(20)的 該反應(yīng)氣體從基片(1)的外邊緣散布，該反應(yīng)氣體通過(guò)縱向管道(11) 排出。
6. 如權(quán)利要求1到5其中之一所述的方法，其特征在于，所述基 片(1)之間設(shè)置有楔形插件(30)。
7. 如權(quán)利要求1到6其中之一所述的方法，其特征在于，該方法 進(jìn)一步包括在反應(yīng)室(200)內(nèi)重疊放置的圍繞縱向管道(110)徑向 布置的一組或多組基片(101)， 一組基片的每一縱向管道與它所重疊的一組基片的縱向管道相配合。
8. 如權(quán)利要求1到7其中之一所述的方法，其特征在于，該方法 進(jìn)一步包括在反應(yīng)室(200)內(nèi)并列放置的圍繞縱向管道(110)徑向 布置的多組基片(101)， 一組基片限定出的每一縱向管道接收或排出 導(dǎo)入反應(yīng)室(200)的反應(yīng)氣體的一部分。
9. 如權(quán)利要求1到8其中之一所述的方法，其特征在于，該方法 進(jìn)一步包括并列放置至少一基片的附加行，該附加行的每一基片與鄰 近行的基片處于相同的徑向平面。
10. —種用于通過(guò)化學(xué)氣相滲透在滲透爐的反應(yīng)室(20)內(nèi)密實(shí)薄 形多孔基片(1)的裝載設(shè)備(10)，該設(shè)備的特征在于，它包括置于 第一和第二平板(12、 13)之間管狀管道(11)，該管狀管道(11)在 至少一個(gè)平板(12)的表面上開(kāi)口，以使得反應(yīng)氣體能夠被導(dǎo)入所述管道或從所述管道排出，每一平板包括用于圍繞所述管道(11)在徑 向位置保持基片(1)的裝置，并且在那個(gè)管狀管道上具有用于沿基片 (1)的主要表面以實(shí)質(zhì)上徑向的流動(dòng)方向散布或排出反應(yīng)氣體的多個(gè) 小孔(111)。
11. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述管狀管道上的 小孔(111)的布置方式使得反應(yīng)氣體沿基片(1)的表面散布或排出。
12. 如權(quán)利要求10或權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè) 備進(jìn)一步包括包圍基片(1)的外部圓筒形外殼(16)，該外殼繞管狀 管道(11)同心布置，該外殼包括用于排出或散布反應(yīng)氣體的多個(gè)小 孔(161)。
13. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，所述圓筒形外殼(16) 中的小孔(161)被置于盡可能靠近基片的外邊緣。
14. 如權(quán)利要求10到13其中之一所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè) 備進(jìn)一步包括置于所述基片(1)之間的楔形插件(30)。
15. 如權(quán)利要求10到14其中之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述 第一和第二平板(12、 13)中的每一個(gè)都具有繞管狀管道徑向布置的 多個(gè)滑道(14、 15)，基片與滑道接合。
16. 如權(quán)利要求10到15其中之一所述的設(shè)備，其特征在于，第一 和第二平板中的每一個(gè)都具有兩個(gè)同心圓環(huán)(15'、 15")，這兩個(gè)圓環(huán) 具有徑向成對(duì)對(duì)齊的相同數(shù)量的凹口，基片與凹口接合。
17. —種用于通過(guò)化學(xué)氣相滲透密實(shí)薄形多孔基片(1)的設(shè)施， 該設(shè)施包括反應(yīng)室(20)、基座(23)、反應(yīng)氣體的進(jìn)氣入口 (21) 以及排氣出口 (22)，其中反應(yīng)室里有用于裝載待密實(shí)基片的區(qū)域， 基座限定反應(yīng)室并與加熱裝置相聯(lián)，進(jìn)氣入口位于反應(yīng)室的第一縱向 端部，排氣出口位于靠近反應(yīng)室的與其第一端部相對(duì)的縱向端部處，該設(shè)施的特征在于反應(yīng)室(20)包括置于至少一個(gè)如權(quán)利要求10 到16其中之一所述的裝載設(shè)備(10)內(nèi)的多個(gè)薄形多孔基片(1)， 設(shè)備的管狀管道(11)連接至反應(yīng)室(20)的反應(yīng)氣體的進(jìn)氣入口 (21) 或排氣出口 (22)。
18. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)施，其特征在于，反應(yīng)室(200)包含 一個(gè)堆在另一個(gè)上面的多個(gè)裝載裝置(100)， 一個(gè)裝載裝置(100) 的管狀管道(110)與堆放在它下面的設(shè)備的管狀管道相配合，位于該 堆基片頂部的裝載設(shè)備的管狀管道連接至反應(yīng)室的反應(yīng)氣體進(jìn)氣入口(210)或排氣出口 (220)。
19. 如權(quán)利要求17或權(quán)利要求18所述的設(shè)施，其特征在于，該反 應(yīng)室(200)包含多個(gè)并列放置的裝載設(shè)備(100)，每一裝載設(shè)備(100) 的管狀管道(110)連接至反應(yīng)室的反應(yīng)氣體進(jìn)氣入口 (210)或排氣 出口 (220)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過(guò)氣相化學(xué)滲透對(duì)薄形多孔基片(1)進(jìn)行密實(shí)的方法。本發(fā)明包括裝載工具(19)的使用，該工具包括管狀管道(11)，該管道布置于第一和第二平板(12、13)之間，在管道附近用于密實(shí)的薄形基片以徑向方式布置。以該方式被裝載后，該工具就被布置于滲透爐的反應(yīng)室(20)的內(nèi)部，該滲透爐具有連接至管狀管道(11)的反應(yīng)氣體進(jìn)口(21)，以使得反應(yīng)氣體能夠進(jìn)入管道，該管道沿基片(1)的主要表面的長(zhǎng)度沿流動(dòng)的本質(zhì)上徑向的方向散布?xì)怏w。反應(yīng)氣體也可以以相反的方向流動(dòng)，即可以從其外殼(16)導(dǎo)入工具(10)并且可以通過(guò)管道(11)排出。
文檔編號(hào)C23C16/04GK101120116SQ200680005271
公開(kāi)日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2006年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月17日
發(fā)明者A·卡約, F·巴吉萊, F·拉穆魯, S·古雅爾, S·貝特朗, S·馬澤羅 申請(qǐng)人:斯奈克瑪動(dòng)力部件公司