烧结结合陶瓷制品的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种烧结陶瓷制品，其包括碳化硅管和碳化硅基底部件，所述基底部件外接环绕管的至少一部分并与管烧结结合。管和基底部件之间的烧结结合定义为界面结合且不包含结合材料。该界面结合具有以下性能特征的至少之一：不小于约25MPa的剪切强度，不大于10％的氮密封性，不大于10％的氦密封性，和/或不大于10％的真空密封性。
【专利说明】烧结结合陶瓷制品
【技术领域】
[0001] 本发明涉及烧结结合陶瓷体，特别是用于热交换器的陶瓷体或陶瓷组件，热交换 器，及其形成方法。
【发明内容】
[0002] 烧结陶瓷制品包括第一部件和第二部件，第二部件外接环绕第一部件的至少一部 分并与第一部件烧结结合。在一个实施方案中，第一和第二部件包括碳化硅。在一个实施 方案中，第一部件为管。在该实施方案中，管与第二部件之间的烧结结合限定为界面结合或 过盈结合，且不包括结合材料。界面结合具有下述性能特征的至少之一：剪切强度不低于约 25MPa，氮密封性不高于10%，氦密封性不高于10%，和/或真空密封性不高于10%。
[0003] 烧结陶瓷制品的制造方法包括预烧结第一碳化硅部件和提供未烧结第二碳化硅 部件生坯以外接环绕第一碳化硅部件。然后，第一和第二碳化硅部件共烧结以在第一和第 二碳化硅部件之间提供烧结结合或过盈结合。碳化硅材料生坯烧结时产生一定程度的收 缩，过盈结合的品质至少部分取决于未烧结第二碳化硅部件生坯尺寸的选择。过盈结合的 品质还可归因于从第一预烧结碳化硅部件表面去除污染物的准备。
【专利附图】
【附图说明】
[0004] 参考附图，可更好地理解本发明，使本领域技术人员清楚其诸多特征和优势。
[0005] 图1显示包括与法兰烧结结合的管的陶瓷制品的实施方案。
[0006] 图2显示夹持在热交换器中包括具有烧结结合法兰的管的陶瓷制品的实施方案。
[0007] 图3显示根据本发明一个实施方案的陶瓷制品，该陶瓷制品可形成热交换器的构 建单元，包括管板、多个管和端盖体。
[0008] 图4显示根据本发明一个实施方案的热交换器组件，该热交换器组件包括图3所 示陶瓷构建单元。
[0009] 图5显示具有陶瓷制品的热交换器的另一个实施方案，该陶瓷制品包括远端与管 板烧结结合的管，其中该陶瓷制品容纳于壳体中。
[0010] 图6显示一个陶瓷制品的实施方案，该陶瓷制品包括管、法兰和盖体，其中法兰或 盖体的至少之一与管烧结结合。
[0011] 图7显示另一个陶瓷制品的实施方案，该陶瓷制品包括管和两个法兰，其中一个 法兰置于管的一端，另一个法兰沿管长放置。
[0012] 图8显示各自由碳化硅形成的预烧结部件与烧结结合部件之间的烧结结合界面。
[0013] 图9显示陶瓷制品的一个实施方案在200psi下的压力测试图。
[0014] 图10显示陶瓷制品的三个实施方案在20°C下的压力测试图。
[0015] 图11显示图10的三个实施方案在1000°C下的压力测试图。
[0016] 图12显示陶瓷制品实施方案通过五次热循环的压力测试的压力相对于温度的 图。
[0017] 图13显示陶瓷制品的三个实施方案在20°C下的压力测试图。
[0018] 图14显示图13的三个实施方案在1000°C下的压力测试图。
[0019] 图15显示陶瓷制品的三个实施方案的长持续时间测试的压力相对于温度的图。
[0020] 图16显示根据一个实施方案的坩埚的顶部透视图。
[0021] 图17显示图16的坩埚的底部透视图。
[0022] 在不同的附图中使用相同的标记表示相似或相同的要素。
【具体实施方式】
[0023] 本发明的实施方案总体上涉及陶瓷制品和陶瓷制品的形成方法。具体而言，在一 个实施方案中，烧结陶瓷制品包括第一部件和外接环绕第一部件的至少一部分的第二部 件。第一和第二部件各自可为管、盖体、法兰、管板、圆柱体或套管。第一和第二部件可包括 碳化硅，在某些实施方案中主要包括碳化硅，使得碳化硅为管的主要组成物质，通常大于至 少约70wt%，例如大于至少约80wt%或大于至少约90wt%。在另一个实施方案中，管可包 括量为大于至少约91wt%，例如大于至少约99. 85wt%的碳化娃。
[0024] 基底部件或第二部件（"基底部件"和"第二部件"在本文中可互换使用）可外接 环绕第一部件的至少一部分，并且通常与第一部件烧结结合。在一个实施方案中，第一部件 可外接环绕第二部件的至少一部分，并且通常与第二部件烧结结合。在一个实施方案中，第 一和第二部件之间的界面表现出不低于约25MPa、不低于约40MPa、不低于约50MPa、不低于 约75MPa、不低于约lOOMPa、不低于约120MPa、不低于约140MPa、不低于约170MPa或不低于 约200MPa的剪切强度。在一个实施方案中，第一和第二部件之间的界面表现出不高于约 lOOOMPa，例如不高于约700MPa、不高于约500MPa或不高于约300MPa的剪切强度。
[0025] 如本文所用，所提及的为特定剪切强度值的剪切强度通过在负载下测试标准尺寸 样品测得。具体而言，所述剪切强度通过如下制备及测试标准样品测得。样品由长度各自 为76. 2mm的陶瓷管和陶瓷环制得。陶瓷管具有14mm的外径（0Dt)和11mm的内径（IDt)。 陶瓷环具有20_的外径（0?)和14_的内径（1?)。陶瓷环环绕陶瓷管放置，以使各自的 端部齐平，然后使管-环组件共烧结。冷却之后，从烧结组件上切下横截面中段并将厚度磨 至3mm的最终厚度（t)。所述中段包括从陶瓷管上切下的内环和从陶瓷环上切下的外环。 内环与外环之间的接触面积代表总结合面积（Ab)，并根据下式计算：
[0026] Ab = n ? 0Dt ? t (式 I)
[0027] 在室温下使用Instron 8562采用lOOkN的载荷传感器（load cell)以0? 05mm/ min的速度，由此对内环和外环分别施加大小相等但方向相反的力，对中段样品的剪切强度 进行测试。将所施加的力逐渐增大直至环断开。使环断开所需的力（F)以牛顿为单位测量。 根据下式得到剪切强度（t )值：
[0028] t = F ? Ab ? 106 (式 II)
[0029] 应当理解的是，如本文所述的陶瓷制品可具有各种尺度和整体尺寸，但剪切强度 值基于如上所述标准几何体和测试方法。因而，验证具有大于或小于上述标准样品的不同 尺度样品的剪切强度需要在与所述具有不同尺度的样品在组成和加工条件一致的情况下 制造标准样品。
[0030] 尽管可采用各种成型技术制造管或者第一或第二部件，例如注浆成型、等静压成 型、机加工大块物料及其它成型技术，但可根据具体实施方案采用挤出。挤出是一种所期望 的具有成本效益的代表性制造方法，用于制造多种要求不同长度和直径的管的制品。就此 而言，管的直径可在大范围内变化，例如外径为1/4英寸至12英寸甚或更大尺寸。长度也 可变化，自1-2英尺变化至15、20英尺，甚至达到30英尺及以上的长度。关于长度（L)与 外径（OD)的关系（在本文中称为长宽比），通常管的长宽比不小于约10,例如不小于约20， 例如不小于约30或不小于约40。通常，长宽比具有限制，因为加长管难以处理和完全烧结。 因而，长宽比通常不大于300。
[0031] 如上所述，第一和第二部件可由陶瓷形成，例如碳化硅，例如主要为碳化硅。根 据某些实施方案使用一种特定形式的碳化硅，即在此全文引入作为参考的美国专利 第4, 179, 299号中所述已知的HEXOLOY?牌碳化硅（由美国马萨诸塞州伍斯特的 Saint-Gobain Advanced Ceramics Corporation制造）。合适的碳化娃通常包含量为大于 至少约91wt%例如大于至少约99. 85wt%的碳化娃、至多约5. Owt%的碳化有机物、至少约 0. 15wt%至不大于约3. Owt%的硼、至多约1. Owt%的另外的碳。"碳化有机物"为单体碳或 形成陶瓷管的过程中用作原料的有机物碳化原位产生的未结合碳。可用于形成陶瓷管的可 碳化有机物包括但不限于酚醛树脂、煤焦油浙青、聚亚苯基或聚甲基亚苯基。
[0032] 根据一个实施方案，碳化硅烧结陶瓷体的特征可在于主要为等轴的微结构，这意 味着存在长宽比小于3:1的晶粒（即晶体微结构的晶粒最大尺度与晶体微结构的晶粒最 小尺度之比小于3 : 1)。另外，碳化硅包含至少约95wt%、例如至少约99wt%的a-相非 立方晶态碳化硅。
[0033] 根据一个实施方案，碳化硅的密度为至少约2. 40g/cm3,例如至少约2. 90g/cm3或 至少约 3. 05g/cm3。
[0034] 根据一个实施方案的碳化硅烧结陶瓷体可由陶瓷体从生坯状态至完全烧结状态 的收缩量来表征。例如，根据一个实施方案的碳化硅陶瓷体生坯在完全烧结时可自其初始 尺寸收缩大于约10%、大于约12%、大于约15%、大于约17%，小于约25%、小于约20%、 小于约17%、小于约15%。在一个具体实施方案中，碳化硅陶瓷体生坯在完全烧结时可自 其初始尺寸收缩近17%。当组合预烧结第一部件例如管与外接环绕预烧结第一部件的第二 部件生坯例如法兰时，可如下表示收缩率关系和过盈结合量。
[0035] IDf,FS = 0Dt-A，其中
[0036] IDf,FS为完全烧结法兰的内径（ID)，0D t为预烧结管的外径（0D)，A为过盈量（法 兰尺寸不足）。例如，预烧结管具有2. 0"（即0Dt = 2. 0)的结合表面或外径。第二体5% 的过盈结合（即A =5%)要求完全烧结法兰比0Dt小0.10"（即2. 0X5% =0.10)或为 1.90"（即IDf,FS = 0D「A或1.90" = 2.0"-0. 10"）。因而，为使预烧结管上的完全烧结 法兰达到5%的过盈，要使法兰生坯具有1. 90"的理论完全烧结内径（在其单独烧结的情况 下）。
[0037] 此外，可如下表示第二部件生坯的ID。
[0038] IDusAl-Rs) = IDf，其中
[0039] IDf为第二部件生坯或法兰的内径，Rs为第二部件的收缩率（以小数表示）。因 而，根据以上实例，并假定第二部件的收缩率为17.0%，法兰生坯的内径（IDf)可按照 1. 9+ (1-. 170) = 2. 289" 计算得到。
[0040] 转而论述第二部件，第二部件可由各种几何体中的任一种形成。这些几何体包括 盖体（可覆盖管的一端，良好地提供完全气密密封）、法兰（通常完全外接环绕管）、圆柱体 (可与管共轴以基本上提供双层结构）、双层结构或管板。在法兰的情况下，根据一个实施 方案，法兰围绕管的外径外接环绕管，该法兰具有终止于一定位置以限定其外部尺寸的径 向伸出壁。在法兰与管共轴的情况下，法兰可限定比管的标称外径大的外径。例如，法兰的 外径可不小于约1. 2x(管的外径）、不小于1. 3x(管的外径）或不小于1. 4x(管的外径）。 法兰的径向伸出壁的取向可相对管的纵轴基本上成任意投射角。然而，通常所述壁相对管 的纵轴垂直伸出。另外，径向伸出壁可具有平坦表面。可采用平坦表面，以通过提供另外的 针对其形成密封和建立不同于管内环境的管外环境的表面积，提高陶瓷制品集成为更大结 构件时的烧结性能。这种高质量密封的建立在各种应用例如在本文的热交换器中意义重 大。
[0041] 在管板的情况下，提供具有多个孔洞或通孔的陶瓷圆盘以容置多个陶瓷管。将每 根管的一端插入管板的一个孔洞或通孔之中，其中陶瓷管可与管板沿各自孔洞内表面处的 界面烧结结合。可利用盖体使相对端彼此相互连接，所述盖体使相邻的管彼此桥接并为相 邻的管之间提供流体连通。或者，可将每根管的各端插入各自的管板，所述管板具有内部相 对的孔洞或通孔镜像构型。各管端可与两个管板之一沿该端所插孔洞的内表面处的界面烧 结结合。所述单或双管板布置可另外配置壳体以装入多个陶瓷管和一个或多个管板。这种 组件具有多种用途，例如在本文中用于热交换器。
[0042] 在盖体的情况下，根据一个实施方案，盖体可具有不大于管内径的外周，以使盖体 可置于管孔内。盖体可在沿轴向管长的任意位置处封闭管的内孔。
[0043] 根据氮密封性测试确定氮密封性，其中以给定的初始正压将氮施加于密封界面， 通过压力计测量压力损失。氮密封性为例如200psi的外加表压下历经2小时的时间段在密 封界面上出现的压降百分比。本文的实施方案达到不大于200PSI (表压）初始压差的10%、 9 %,8%,7 %,6 %,5 %,4%,3 %,2%U. 9 %U. 8 %U. 7 %U. 6 %U. 5 %U. 4%U. 3 %, 1. 2%、1. 1%、1. 0%、0? 9%、0. 8%、0. 7%、0. 6%、0. 5%、0. 4%、0. 3%、0. 2%或 0? 1% 的氮 密封性。
[0044] 根据氦密封性测试确定氦密封性，其中以给定的初始正压将氦施加于密封界面 并通过压力表测量压力损失。如果历经2小时的时间段在密封界面上出现的压降不大于 87PSI (表压）初始压差、约200psi (约13. 8bar)初始压差或约6barg(bar表）初始压差 的 10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、L 9%、1. 8%、1. 7%、1. 6%、1. 5%、1. 4%、 1. 3 %、1. 2 %、1. 1 %、1. 0 %、0? 9 %、0? 8 %、0? 7 %、0? 6 %、0? 5 %、0? 4 %、0? 3 %、0? 2 % 或 0. 1 %,则达到氦密封性。
[0045] 根据真空密封性测试确定真空密封性。在真空密封性测试中，将真空施加于密封。 然后，管内的氮气气压从1ATM(760托）降至10托的压力，从而具有750托的压差。如果历 经2小时的时间段在密封表面上出现的管内增压不高于所述压差（750托）的lO%』％、 8%,7%,6%,5%,4%,3%,2%U. 9%U. 8%U. 7%U. 6%U. 5%U. 4%U. 3%U. 2%, 1. 1%、1. 0%、0? 9%、0. 8%、0. 7%、0. 6%、0. 5%、0. 4%、0. 3%、0. 2%或 0? 1%，则达到真空 密封性。
[0046] 在各密封性测试中，结合或界面经受上述压差。根据部件的几何形状，内部空间加 压或减压，并且将孔洞堵塞。在外部密封的情况下，例如在管上的法兰的情况下，设置端盖 以覆盖法兰和管的开孔，所述端盖偏离孔以允许径向延伸直至结合区域的流体连通（并从 而造成压力/真空）。盖/塞可具有各种几何形状以配合经受测试的部件，并可使用真空润 滑油密封以保证压力密封、气密密封。图16和图17示出了一种此类几何形状的盖/塞，其 中盖/塞装配在管或圆筒内以密封管或圆筒的端部。图16和图17的制品可称为坩埚。在 诸如图16和图17所示的实施方案中，应当理解的是，盖/塞为第一部件，管或圆筒为第二 部件。因而，应当理解的是，根据上述方法，使坩埚的圆筒在预烧结盖/塞周围烧结收缩，以 提供与盖/塞的过盈结合。
[0047] 尽管以上参照第二部件进行了描述，但应当认识到可沿管长结合第三或若干基底 部件。例如，诸如第二部件和第三部件的基底部件可为法兰形式，所述法兰置于第一部件如 管的相对轴向端，各法兰围绕管的外径外接环绕管，并且各法兰具有各自的径向伸出壁，所 述径向伸出壁终止于一定位置以限定法兰的外径，可有利地利用所述法兰以能够与外部环 境流体密封或气密密封。
[0048] 如本文所述的烧结陶瓷制品可通过多步烧结法形成。例如，通过任意一种合适的 成型技术，例如模塑、注浆、等静压、机加工，特别是挤出，来形成陶瓷管生坯。如本领域通常 所知，陶瓷管生坯一般包含混有各种加工助剂和粘结剂的水或有机液相。关于组成细节的 更多信息，可参考全文引入本文作为参考的美国专利第4, 179, 299号。
[0049] 第一部件陶瓷生坯成型完成后，第一部件进行预烧结步骤以形成烧结第一部件。 预烧结可在任意一种已知熔炉中进行，包括以恒定或可变速度平移工件（在本文中为管） 通过熔炉的连续炉。预烧结通常在高于2000°C (例如高于2050°C )但通常2400°C以下 (例如2300°C以下、例如2250°C以下）的温度下进行。在碳化硅的情况下烧结第一部件陶 瓷生坯的合适目标范围可落于2100-2200°C范围内。烧结时间可不同并主要取决于第一部 件的热质。然而，通常烧结时间范围为15分钟至10小时，例如不短于约30分钟，例如不短 于约1小时，例如不短于约1. 5小时。尽管大型高质管或基底部件可能需要延长的烧结时 间，但通常烧结时间不超过30小时，例如不长于20小时，例如不长于10小时。在烧结步骤 完成之后，对烧结第一部件的外表面或内表面的至少一部分进行表面清洁。在一个实施方 案中，至少对预烧结第一部件将与第二部件（第一部件将与其烧结）接触的部分进行表面 清洁。就此方面而言，已发现预烧结第一部件的外表面可能携带污染物，例如烧结工艺过程 中沉积的污染物，或烧结工艺产生的污染物并改变第一部件的结晶及组成结构。例如，组成 中的粘结剂可能烧尽，在第一部件的外表面上留下含碳残余物。这种通常为单体碳形式的 含碳残余物可对第一与第二部件之间的结合质量造成不良影响，从而阻碍气密密封。
[0050] 表面清洁之后，在一个实施方案中，设置第二或基底部件以沿经表面清洁的部分 外接环绕部分或完全烧结第一部件。此处，第二部件处于未烧结状态或部分烧结状态。在 部分烧结状态的情况下，通常第二部件还未烧结收缩达到其最终尺寸。在放置第二部件之 后，在第二部件与陶瓷管接触放置的情况下再次烧结第一部件。这种情况可称为共烧结。在 共烧结工艺过程中，第二部件收缩达到其最终尺寸并可将压缩负载施加于第一部件，并且 与第一部件的外表面接触。然而，压缩负载不仅造成机械过盈配合，还造成结晶学或化学结 合。此时，在升高的烧结温度下第二部件的内表面及与其接触的第一部件的外表面导致形 成烧结结合部，沿该烧结结合部各部件材料之间形成强结晶学或化学结合。如上所述的表 面清洁有助于促进强烧结结合的形成，从而形成具有高水平机械强度的气密密封。
[0051] 根据本发明的实施方案，陶瓷制品的成型工艺流程还可包括机加工操作，在该操 作过程中第一部件（例如管）或第二部件（例如盖体、法兰、管板、圆柱体或套管）的外表 面在预烧结之前进行机加工。还应当理解的是，第一部件可包括盖体、法兰、管板、圆柱体或 套管，第二部件可包括管。在一个实施方案中，机加工操作可包括在预烧结之前对部件外表 面进行周向机加工或纵向机加工。换言之，该机加工步骤可在生坯状态下进行，其中第一或 第二部件处于比烧结状态更易去除材料的状态。另外，机加工可有效减少甚或完全去除第 一或第二部件生坯的尺度（不圆度）或表面不规则之处。例如，在挤出的情况下，第一或第 二部件生坯可能具有沿第一或第二部件整个长度部分延伸或完全延伸的特征刻痕线。这些 刻痕线可能妨碍强界面烧结结合以及气密密封的形成。在其它成型技术情况下，可能仍需 要机加工。例如，在等静压或模塑情况下，可能在第一或第二部件生坯上留下特征瑕疵，例 如喷溉（flashing)。
[0052] 表面清洁和机加工步骤两者均可通过机械打磨工艺进行。机械打磨可包括使用无 研磨颗粒研磨剂（例如研磨楽）、涂布研磨剂或固定研磨剂的机加工。选择研磨剂产品的种 类以避免不期望出现的与管或基底部件的化学相互作用或者管或基底部件上的外来沉积 物，同时还提供足够的材料去除速度。一般而言，在碳化硅的情况下，避免诸如氧化铝等研 磨剂材料，使用诸如碳化硅和超硬研磨剂（特别是包括立方氮化硼（CBN)和金刚石）等材 料。在生坯状态下，可使用碳化硅进行机加工，在烧结状态下可使用碳化硅或超硬研磨剂材 料进行表面清洁。实际上，实施方案使用涂布研磨剂，例如涂布在固定于砂带磨光机的闭环 砂带上的碳化硅、CBN或金刚石研磨剂。
[0053] 尽管结合部件特别是第一或第二部件的外表面对上述清洁步骤进行了说明，但还 可针对部件的内表面，特别是第一部件将与第二部件（将与其烧结结合）接触部分处的内 表面或者第二部件将与第一部件（将与其烧结结合）接触部分处的内表面，进行前述清洁 操作。
[0054] 结合附图对具体实施方案进行描述。
[0055] 转向图1，示出了包括管110和法兰120形式基底部件的陶瓷制品100。如图所示， 法兰120具有径向伸出壁130,径向伸出壁130具有平坦表面140。如本文所述，管进行预 烧结，法兰120与管烧结结合。
[0056] 图2示出了集成于一种热交换器中的陶瓷制品200的另一个实施方案。如图所示， 陶瓷制品200包括管210、第一法兰220形式的基底部件和第二法兰230。尽管在横截面中 未示出，但法兰220和230围绕管的外径大致外接环绕、通常完全外接环绕所述管。各法兰 的高度限定自管径向向外延伸的径向伸出壁的厚度。第一法兰220包括平坦表面240,第二 法兰230包括平坦表面260。围绕放置第一法兰220的第一端与上游管道结构270连接。 该上游管道结构270与陶瓷制品200借由偏置工具（此处以夹具280为示）保持流体密封 接合。垫圈290插于管道结构270与第一法兰220之间。如图中箭头235所示，通过陶瓷 制品200的第一端将流体送入陶瓷制品200的管210中。类似地，下游管道结构205设置 有夹具215以保持管道结构与陶瓷制品的流体密封连通，还设置有第二垫圈225。使用时， 法兰220与法兰230之间的距离通常代表热反应区，热反应区上游的流体流代表供料区，热 反应区下游的流体流代表冷却区。
[0057] 转向图3和图4,示出了另一种热交换器的组件。图3示例了通过盖体320相互连 接的第一和第二管310,盖体320使第一和第二管310之间保持流体连通。如上所述，盖体 与管烧结结合。另外，示出了具有多个孔洞340的圆盘形管板330,管板330容纳多对管，发 挥使管之间保持空间关系的作用并在与盖体相对的管的一端提供气密密封。类似地，管板 330为一种基底部件并可与管烧结结合。
[0058] 图4示出了完整的热交换器组件400。具有盖体420的多对（在此情况下为六对） 管410与管板430集成为一体。该热交换器组件可进一步装入壳体（未示出）用于工业应 用。
[0059] 图5不出了再一种热交换器布置。此处，由管520和管板530、540构成的陶瓷制 品510装于壳体550内。如伸入管入口 560的箭头所示，可将流体例如腐蚀性气体或液体 送入管520的内部并通过管出口 570排出。该热交换器还包括其自身的壳体入口 580和壳 体出口 590,与来自所述管管的腐蚀性气体流隔开。由此，热交换器体内环境与通过管520 的流动气体或液体环境之间可交换热量。在图5所示该具体实施方案中，管未使用法兰，而 使用了相对管板530和540。然而，替换性实施方案可使用盖体，例如图3和图4所示的那 些，来代替管板540以使气体或流体迂回流动而不是如图5所示直线流动。
[0060] 图6示出了陶瓷制品600,该陶瓷制品600包括具有第二部件（法兰620)和第三 部件（盖体630)的管610。如上所述，法兰620与盖体630各自与管610烧结结合。管610 在与盖体和法兰烧结结合（例如管、法兰和盖体共烧结）之前进行预烧结。
[0061] 图7示出了陶瓷制品的又一个实施方案，该陶瓷制品包括具有相对法兰702和704 的管700。在该具体实施方案中各法兰与预烧结的管700烧结结合。
[0062] 图8是SEM横截面图，示出了预烧结碳化硅管800与基底部件802之间的界面结 合。部件800与802之间具有界面804,其提供部件800与802之间的气密密封。尽管在该 附图中可容易得看到所述界面，但应当指出的是，无色或白色图景使界面的部分不明显。这 些区域表示界面上出现晶粒生长的区域，从而发挥强化和提高界面上气密密封的作用。换 言之，由两个部件各自的晶体形成的晶粒（例如结晶晶粒）联接并生长在一起以致延伸穿 过并跨越界面，从而在界面上形成强化学或结晶学结合。因而，所述结合比通常的摩擦配合 直接结合结构更复杂，同时包括力学和结晶学要素以改善界面的坚固性。
[0063] 实施例1
[0064] 成型若干陶瓷制品，以包括如下陶瓷管与陶瓷法兰之间的过盈结合。按照上述方 法制造14mm 0D陶瓷管。封盖管的一端，按照上述方法对管和盖进行预烧结以提供具有封 闭端和开放端的预烧结管。按照上述方法制造若干陶瓷法兰生坯以安装在预烧结管的开放 端之上。陶瓷法兰生坯经设计具有比14mm管（例如过盈）的0D小约0%至约15%的完全 烧结ID。陶瓷法兰生坯设置于预烧结管的开口端并与预烧结管共烧结，以按照上述方法提 供过盈结合。
[0065] 陶瓷制品成型之后，通过在过盈结合的一侧提供200psi (约13. 8bar)的氦气（He) 对其进行压力测试，以确定各陶瓷制品的过盈结合的整体性。图9示出了大多数未能保持 压力的具有法兰的陶瓷制品样品，所述法兰经设计具有约〇%至约5%的完全烧结ID。图9 还示出了大多数成功保持压力的具有法兰的陶瓷制品样品，所述法兰经设计具有约5%至 约15%的完全烧结ID。具体而言，图9旨在示意成功保持压力的阈值为约5%。
[0066] 实施例2
[0067] 按照上述方法制造并预烧结具有100mm 0D管的陶瓷制品，并安装经设计完全烧结 ID比预烧结管小3%的法兰生坯。按照上述方法，使管和法兰共烧结以形成具有过盈结合 的陶瓷制品，于20°C下对过盈结合的一侧使用6barg(bar表）的氦气对压力进行测试，以确 定陶瓷制品过盈结合的整体性。该陶瓷制品历经12小时损失约0. 2bar。
[0068] 实施例3
[0069] 按照上述方法制造并预烧结三个具有35mm 0D管的陶瓷制品，并各自安装法兰生 坯，随后按照上述方法共烧结以形成具有过盈结合的陶瓷制品。第一个陶瓷制品包括经设 计完全烧结ID比预烧结管小3%的法兰，第二个陶瓷制品包括经设计完全烧结ID比预烧结 管小5%的法兰，第三个陶瓷制品包括经设计完全烧结ID比预烧结管小11%的法兰。三个 陶瓷制品经受五次自20°C至1000°C的热循环，使用6barg的氦气对过盈结合的一侧施压， 以确定各陶瓷制品过盈结合的整体性。每次热循环重复均在20°C和1000°C下获取各陶瓷 制品的压力读数。20°C的读数结果示于图10，1000°C的结果示于图11，其中样品"A"为3% 样品并以三角表示，样品"B"为5%样品并以菱形表示，样品"C"为11%样品并以方形表示。
[0070] 如图10所示，样品A和B在20°C下损失小于0? 1(-0. l)bar/H。20°C下样品A的 平均压力损失小于约〇. 〇3bar/H，20°C下样品B的平均压力损失小于约0. 01bar/H。图10 还示出了在每次热循环于20°C下获取读数的情况下压力损失逐渐增大。样品C读数显示连 续压力损失的原因不明，这与对该样品的预期相反。
[0071] 转向图11，样品A(3%样品）实际上在每次热循环于1000°C下获取读数的情况下 表现出压力升高。l〇〇〇°C下样品A压力升高的原因不明。于KKKTC下获取时样品A的平 均增压为约〇. 〇6bar/H。在图11中，样品B(5%样品）表现出小于0. 2(-0. 2)bar/H的压力 损失。于l〇〇〇°C下获取时样品B的平均压力损失小于约0. 03bar/H。图11还示出了样品 C(ll%样品）每次热循环压力损失连续增加，与图10的数据一致。图10和图11的热循环 压力读数结果旨在表明样品B(5%样品）与样品A或C相比提供更紧密的过盈结合。
[0072] 实施例4
[0073] 按照以上实施例3中的样品B (5%样品）制造陶瓷制品，通过使用2barg的氦气对 陶瓷制品过盈结合的一侧施压并同时加热陶瓷制品直至l〇〇〇°C，来测试中间温度下的压力 损失。如图12所示，在约KKTC至约900°C之间的热循环过程中在若干温度下进行频繁测 量。同样如图12所示，管内压力（以barg测量）在整个热循环过程中保持在约2barg至 2. 5barg之间。该实施例的结果表明整个热循环过程中过盈结合的紧密度几乎没有损失或 下降，还表明，由于第二部件（盖、法兰等）与管具有相同或近乎相同的热膨胀系数（CTE)， 因而两种部件良好地结合。还应当指出的是，尽管未在附图中示出，但已知若干样品在高于 约KKKTC、高于约1300°C、甚至高于2000°C下使用并随后在KKKTC下或KKKTC以下进行测 试时没有可测得的压力损失增加。
[0074] 实施例5
[0075] 按照以上实施例3制造三个陶瓷制品（样品A、B和C)，并在各样品过盈结合的一 侧提供6barg氦气的同时进行五次自20°C至100°C的热循环重复测试。结果示于图13和图 14。如图13所示，样品A(3%样品）在20°C下具有约0? 05bar/H的平均压力损失，样品B(5% 样品）在20°C下具有约0? 03bar/h的平均压力损失，样品C(ll%样品）具有约0? 13bar/H 的平均压力损失。图14表明样品B往往在1000°C下产生压力增大。样品B在1000°C下管 内压力增大的原因不明。然而，图13和图14看似表明与其它样品相比样品B提供最紧密 的过盈结合，因而在热循环时提供更高的压力保持度。
[0076] 实施例6
[0077] 按照以上实施例3制造三个陶瓷制品（样品A、B和C)，并于1000°C下在各样品过 盈结合的一侧使用6barg的氦气进行长时间（约72-80小时）的压力测试。长时间压力测 试的结果示于图15。如图15所示，样品B(5%样品）在长时间测试结束、在近72小时时损 失全部压力。所述结果异常，据信样品B未完全达到气密密封。
【权利要求】
1. 一种烧结陶瓷制品，其包括： a) 包括碳化娃的第一部件； b) 包括碳化硅的第二部件，所述第二部件外接环绕所述第一部件的至少一部分；和 c) 所述第一部件和所述第二部件之间的界面，所述界面为烧结结合并具有至少一种选 自以下的性能特征： i) 不小于约25MPa的剪切强度； ii) 不大于10 %的氮密封性； iii) 不大于10 %的氦密封性； iv) 不大于10%的真空密封性。
2. 根据权利要求1所述的烧结陶瓷制品，其中所述剪切强度不小于约40MPa，例如不小 于约50MPa、不小于约75MPa。
3. 根据权利要求1所述的烧结陶瓷制品，其中所述第一部件和所述第二部件的结晶晶 粒延伸穿过并跨越所述界面。
4. 根据权利要求1所述的烧结陶瓷制品，其中所述第一部件包括管。
5. 根据权利要求4所述的烧结陶瓷制品，其中所述第一部件具有外径（OD)和长度 (L)，长宽比L : OD不小于约10 : 1，例如不小于约20 : 1、不小于约30 : 1、不小于约 40 : 1，且不大于300 : 1。
6. 根据权利要求1所述的烧结陶瓷制品，其中所述第一部件和所述第二部件包括：量 为至少约91wt%至不大于约99. 85wt%的碳化娃，其中所述碳化娃的至少约95wt%为α 相。
7. 根据权利要求6所述的烧结陶瓷制品，其中所述碳化硅还包括量为不大于约 5. Owt %的碳化有机物，量为至少约0. 15wt %至不大于约3. Owt %的硼，和量为不大于约 1. Owt%的另外的碳；且主要为等轴的微结构。
8. 根据权利要求1所述的烧结陶瓷制品，其中所述第二部件为盖体、法兰、圆柱体或管 板。
9. 根据权利要求8所述的烧结陶瓷制品，其中所述第二部件为法兰，所述第一部件为 管，所述法兰围绕所述管的外径外接环绕所述管，所述法兰具有终止于一定位置以限定所 述法兰的外部尺寸的径向伸出壁。
10. 根据权利要求9所述的烧结陶瓷制品，其中所述法兰具有圆形外轮廓，所述外部尺 寸为外径，所述外径不小于约1. 2x (所述管的外径），例如不小于1. 3x (所述管的外径）或 不小于1.4x(所述管的外径）。
11. 根据权利要求9所述的烧结陶瓷制品，其中所述径向伸出壁具有至少一个平坦表 面。
12. 根据权利要求11所述的烧结陶瓷制品，其中所述至少一个平坦表面沿垂直于所述 管的纵轴的平面延伸。
13. 根据权利要求1所述的烧结陶瓷制品，其中所述界面为气密密封。
14. 根据权利要求1所述的烧结陶瓷制品，其中所述界面具有不大于约 6 %,5 %,4%,3 %,2 %U. 9 %U. 8 %U. 7 %,1. 6 %U. 5 %U. 4%U. 3 %U. 2 %U. 1 %> 1. 0%、0· 9%、0. 8%、0. 7%、0. 6%、0. 5%、0. 4%、0. 3%、0. 2%或 0· 1% 的氮密封性、氦密封 性或真空密封性。
15. 根据权利要求1所述的烧结陶瓷制品，其中所述界面具有不大于4%的氦密封性。
16. 根据权利要求4所述的烧结陶瓷制品，其还包括第三部件，所述第二部件和所述第 三部件设置于所述管的相对轴向端，其中所述第二部件和所述第三部件为围绕所述管的外 径外接环绕所述管的法兰，各法兰具有终止于一定位置以限定所述法兰的外部尺寸的径向 伸出壁。
17. -种烧结陶瓷制品，其包括： 多个陶瓷管； 具有孔洞的管板； 其中所述多个陶瓷管中的各个管沿所述管板各自孔洞内表面处的界面与所述管板烧 结结合，所述多个陶瓷管中的各个陶瓷管之间的界面不含结合材料，且 其中各界面具有至少一种选自以下的性能特征： i) 不小于约25MPa的剪切强度； ii) 不大于10 %的氮密封性； iii) 不大于10 %的氦密封性； iv) 不大于10%的真空密封性。
18. 根据权利要求17所述的烧结陶瓷制品，其还包括装入所述多个陶瓷管和所述管板 的壳体，所述壳体包括流体入口和流体出口。
19. 一种烧结陶瓷制品的形成方法，所述方法包括： 形成第一部件生坯； 预烧结所述第一部件生坯以形成烧结第一部件； 表面清洁所述烧结第一部件的外表面的至少一部分以从其除去表面污染物； 布置第二部件以沿经受表面清洁的所述部分外接环绕所述烧结第一部件，所述第二部 件处于未烧结状态或部分烧结状态；和 一同烧结所述第一部件和所述第二部件以在所述第一部件和所述第二部件之间形成 烧结结合。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中所述第一部件和所述第二部件的至少之一包括 碳化娃。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中所述碳化硅包括： 含量为至少约91wt %至不大于约99. 85wt %的碳化娃，其中所述碳化娃的至少约 95wt%为 α 相。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述碳化硅还包括量为不大于约5. Owt%的碳 化有机物；量为至少约0. 15wt %至不大于约3. Owt %的硼；和量为不大于约1. Owt %的另外 的碳；且主要为等轴的微结构。
23. 根据权利要求19所述的方法，其中一同烧结所述第一部件和所述第二部件以形成 烧结结合致使形成所述第一部件和所述第二部件各自的结晶晶粒，所述结晶晶粒延伸穿过 并跨越所述第一部件和所述第二部件之间的烧结结合界面。
24. 根据权利要求19所述的方法，其中烧结形成所述烧结第一部件和所述第二部件之 间的化学和机械结合，所述结合具有不小于约40MPa，例如不小于约50MPa、不小于约75MPa 的剪切强度。
25. 根据权利要求19所述的方法，其中所述第一部件通过挤出形成。
26. 根据权利要求19所述的方法，其还包括在预烧结之前周向机加工所述第一部件的 外表面。
27. 根据权利要求25所述的方法，其中挤出形成沿所述第一部件的外表面的纵向刻痕 线，所述周向机加工有效地至少部分去除所述纵向刻痕线。
28. 根据权利要求19所述的方法，其中表面清洁包括使用无研磨颗粒研磨剂、涂布研 磨剂或固定研磨剂。
29. 根据权利要求19所述的方法，其中表面清洁包括使用碳化硅或超硬研磨剂。
30. 根据权利要求29所述的方法，其中所述超硬研磨剂包括金刚石、立方氮化硼或其 组合。
31. 根据权利要求19所述的方法，其中所述第一部件具有长度L和外径OD，长宽比 L : OD不小于约10 : 1，例如不小于约20 : 1、不小于约30 : 1、不小于约40 : 1，且不大 于 300 : 1。
32. 根据权利要求19所述的方法，其中表面清洁通过机械打磨进行。
33. 根据权利要求32所述的方法，其中机械打磨使用无研磨颗粒研磨剂、涂布研磨剂 或固定研磨剂进行。
34. 根据权利要求33所述的方法，其中机械打磨使用碳化硅或超硬研磨剂进行。
35. 根据权利要求34所述的方法，其中所述超硬研磨剂包括金刚石、立方氮化硼或其 组合。
36. 根据权利要求19所述的方法，其中所述表面污染物包括单体碳。
37. 根据权利要求19所述的方法，其中所述第一部件为陶瓷管，且其中所述第二部件 为盖体、法兰、圆柱体、管或管板。
38. 根据权利要求37所述的方法，其中所述第二部件为法兰。
39. 根据权利要求37所述的方法，其中所述第二部件为包括用于容纳多个陶瓷管的多 个孔洞的管板。
40. 根据权利要求1所述的烧结陶瓷制品，其中所述第一部件和所述第二部件之间的 界面不含结合材料。
41. 根据权利要求4所述的烧结陶瓷制品，其中所述第一部件包括挤出管。
42. 根据权利要求16所述的烧结陶瓷制品，其中各法兰适于承受夹持力以促使所述烧 结陶瓷制品各端与管道结构流体密封接合。
【文档编号】C04B35/64GK104271534SQ201380023993
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年3月22日 优先权日:2012年3月22日
【发明者】L·M·巴拿赫, J·M·贝维拉夸, S·W·兰佐恩 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司