化学蒸汽渗透和沉积工艺用的设备的制作方法

专利名称：化学蒸汽渗透和沉积工艺用的设备的制作方法
技术领域：
本发明是关于用在化学蒸汽渗透和沉积(CVI/CVD)中的设备。本发明特别是关于在CVI/CVD炉内加热反应气体的一种预热器，和用压力梯度CVI/CVD工艺在许多多孔骨架中沉积粘结材料的一种夹具。
化学蒸汽渗透和沉积(CVI/CVD)是将粘结材料沉积在多孔骨架内的一种公知的工艺。“化学蒸汽沉积”(CVD)通常是指表面涂料的沉积，但它也用于粘结材料在多孔骨架内的渗透和沉积，正如在这里所采用的CVI/CVD规定为粘结材料在多孔骨架内的渗透和沉积。在技术特别适用于通过碳质或陶瓷的粘结材料在碳或陶瓷的骨架内的沉积，制作高温结构复合材料，获得象碳/碳飞机制动板和陶瓷燃烧室或透平部件等非常有用的构件。通常CVI/CVD工艺可分为以下四类等温、温度梯度、压力梯度和胍冲流。参见W.V.Kotlensky，热分解在多孔固体内的沉积，碳的化学和物理8，173，190-203(1973)；W.J.Lackey用于纤维增强陶瓷复合材料制造的化学蒸汽渗透工艺的综述、现状和将来，Ceram，Eng.Sci.Proc.10[7-8]577，577-81(1989)(W.J.Lackey将压力梯度工艺归为“等温加压流”)。在等温CVI/CVD工艺中，反应气体在绝对压力低于几个毫乇下环绕热的多孔骨架而过，由于浓度梯度使气体扩散进入多孔骨架内，并热解使粘结材料沉积。此种工艺也称为常规CVI/CVD。多孔骨架被加热到大体均匀的温度，但实际上这是用词不当的。由于不均匀的加热(在绝大多数炉子内是不可避免的)，反应气流造成某些部位的冷却，以及反应热引起其他部分的加热或冷却，多孔骨架内温度的波动是不可避免的。实质上，等温意味着主要不是靠形成温度梯度来使粘结材料沉积。这种工艺适合同时致密大量多孔制品，也特别适用于制作碳/碳制动板。以恰当的工艺条件，能使具有所希望的物理性质的粘结材料沉积。但是，为了达到有效的密度，常规CVI/CVD可能需要连续操作数周，而且表面层首先被压实形成“密封层”阻止反应气体进入多孔骨架内部而进一步沉积。因此，这种工艺通常要求间断致密过程的多表面加工操作。
在温度梯度CVI/CVD工艺中，按产生急剧温度梯度的方式加热多孔骨架，使多孔骨架的需要的部位发生沉积。温度梯度可以由只加热多孔骨架的一个表面来形成(例如，将多孔骨架面对感应器的壁放置)，并能通过冷却相反的另一个表面而得到强化(例如，将多孔骨架的相反的表面对着液体冷却壁)，粘结材料从热表面逐步到冷却面依次沉积。温度梯度工艺的设备趋向于复杂、昂贵，而且难于实现相对大量的多孔骨架的致密。
在压力梯度CVI/CVD工艺中，在多孔骨架一个表面到相对的另一个表面间形成的压力梯度作用下，反应气体受压通过多孔骨架。反应气体的流动速率比等温和温度梯度工艺中大很多，这使得粘结材料沉积速度增加，这种工艺被称为加压流动CVI/CVD。原有的压力梯度CVI/CVD设备趋于复杂、昂贵，并难于实现大量多孔骨架的致密。例如，S.Kamura，N.Takase，S.Kasuya和E.Yasuda在碳纤维/CVD碳复合材料的断裂行为，Carbon’80(德国陶瓷协会)(1980)中提供的沿单向纤维束的纵向形成轴向压力梯度的工艺。再如，美国专利4,212,906和4,134,360中提供的使环形多孔器壁致密的形成纯径向压力梯度的工艺。这两个专利所报导的环形多孔器壁可能是大量层叠环形板(用于做制动板)或一个整体管状骨架。对厚壁骨架复合材料，纯径向压力梯度工艺产生一个从环形多孔器壁的内圆柱面到外圆柱面的很大的，不希望有的密度梯度。也即高压端的表面很快被致密，造成表面密封并阻止反应气体向低密度区渗透，这严重地限制了纯径向压力梯度工艺的应用。
最后，胍冲流包括对内装热多孔骨架的容器快速交替充入和抽出反应气体。交替作用促使反应气体渗入多孔骨架和从多孔骨架移走反应气体的热解副产物。实现这种工艺的设备是复杂的、昂贵的和难以维护的。这种工艺很难实现对大量多孔骨架的致密。
许多本领域技术人员将温度梯度和压力梯度工艺合并成“温度梯度-加压流动”工艺。两种工艺的联合克服了每种单一工艺的缺点，并导致多孔骨架很快地致密。然而，两种工艺的联合也引起双倍的复杂性，因为必须提供形成控制在一定程度的温度和压力两种梯度的装置和设备。美国专利4,580,524报导了一种按温度梯度-加压流动方法压实小板和管子的工艺；也见于A.J.Caputo和W.J.Lackey，化学蒸汽渗透纤维增强陶瓷的制造，这是OAK RIDGE国家实验室为美国能源部No.DE-AD05-840 R21400(1984)合同所制造的。按照此工艺，一个纤维坯件被摆放在水冷夹套内，坯件顶部被加热。气体加压流至坯件的加热部分，并且热解和使粘结材料沉积。美国专利4,895,108报导了一种在管状多孔骨架内沉积粘结材料的工艺，按照这种工艺管状多孔骨架的外圆柱面被加热，其内圆柱面用水夹套冷却，反应气体被导入内圆柱面。T.Hunh，C.V.Burk Iand和B.Bustamante，用CVI工艺致密碳化硅烷粘结厚板，Ceram.Eng.Sci.proc 12[9-10]pp.2005-2014(1991)；T.M.Besmann，R.A.Lowden，D.P.Stinton和T.L.Starr，陶瓷复合材料快速蒸汽渗透方法，J.D.Physique，Colloque C5，Supplemeutau n 5，Tome50(1989)；T.D.Gulden，J.L.Kaae和K.P.Norton，陶瓷粘结复合材料的加压流动温度梯度化学蒸汽渗透(CVI)，Proc.-Electrochemical Society(1990)，90-12(Proc.Int.Conf.Chem.Vap.Deposition，11th，1990)546-52。披露了制造各种产品的相似的加压流动-温度梯度工艺，这些报导所叙述的工艺都是每次仅压制一个多孔制品，这对同时处理大量的象碳/碳制动片那样的复合材料制品是不实用的。
尽管有这些进步，但一般仍需要大规模地实现改进CVI/CVD工艺的设备。这样的设备将完全有能力在一个CVI/CVD工艺中同时致密大量的(多达数百个)单独多孔骨架。
按照本发明的一种情况，提供一种用于CVI/CVD炉中从一个气体入口接受反应气体的气体预热器，包括一个安在炉内的密封导流构架(baffle structure)，此密封导流构架有一个导流构架入口和一个导流构架出口；和一个安在炉内的密封槽骨架(duct structure)，此密封槽骨架围着气体入口和密封导流构架封固以使几乎全部从气体管线来的反应气体直接并强制流过密封导流构架而达到导流构架出口。
按照本发明的另一种情况，提供一种使反应气体从气体入口导入一个CVI/CVD炉的工艺，包括以下步骤从气体入口将反应气体导入一个安装在CVI/CVD炉内的气体预热器中，此气体预热器包括一个安装在此CVI/CVD炉内并具有一个导流构架入口和一个导流构架出口的密封导流构架，以及一个围着气体入口和导流构架入口封固的密封槽骨架；和从气体入口将反应气体导入此导流构架入口、通过此密封导流构架，并流出此导流构架出口。
按照本发明的又一种情况，提供一种夹具，它具有在一炉中用压力梯度CVI/CVD致密的多孔骨架，包括一堆多孔骨架，每个多孔骨架有穿孔；一块适于紧固在炉内的底板，此底板有一个底板穿孔；一块与底板隔开和相对的顶板；位于底板和顶板之间的一个支撑架(space structure)，此支撑架连接底板和顶板。一堆多孔骨架位于底板和顶板之间，其中一个多孔骨架和底板相邻，另一个多孔骨架和顶板相邻；和在此堆多孔骨架内至少有一个环形垫片放在两个相邻的多孔骨架之间，此环形垫片包围此相邻的多孔骨架的孔；其中，底板、多孔骨架堆和至少一个环形垫片界定了一个由底板孔伸展的包括每个多孔骨架孔并终止于顶板的密封腔。
按照本发明的又一种情况，装备一个夹具和一组待CVI/CVD致密的多孔骨架的工艺，包括下列步骤以在相邻两个多孔骨架之间装入一个环形垫圈的方式将一组多孔骨架装配成一堆(stack)；将此多孔骨架堆安放在一块底板和一块顶板之间，此底板有一个底板孔。在其中，底板、多孔骨架和至少一个环形垫片界定一个从底板孔伸展的包括每个多孔骨架孔，并终止于顶板的密封腔。
在底板和顶板之间围着多孔骨架堆安装一个支撑架，此支撑架连接底板和顶板。


图1示出包括本发明一种情况的设备的一个CVI/CVD炉的剖面简图。
图2示出按本发明一种情况的一个预热器的透视图。
图3示出沿图2的3-3线的剖视图。
图4示出按本发明一种情况的另一个预热器的透视图。
图5示出图4预热器的顶视。
图6示出沿图5的6-6线的剖视图。
图7示出图4预热器侧视的一部分。
图8示出相邻两个孔板的细部。
图9示出按本发明一种情况的一个带一堆多孔骨架的夹具。
图10示出沿图9的10-10线的剖视图。
图11示出沿图10的11-11线的剖视图。
图12A示出按本发明一种情况的一个密封结构。
图12B示出按本发明一种情况的一个密封结构。
图13A示出按本发明一种情况的一个密封结构。
图13B示出按本发明一种情况的一个密封结构。
图14A示出按本发明一种情况的一个密封结构。
图14B示出按本发明一种情况的一个密封结构。
图15A示出按本发明一种情况的一个密封结构。
图15B示出按本发明一种情况的一个密封结构。
图16示出一种调节堆高度的方法和机构。
图17示出另一种调节堆高度的方法和机构。
图18示出一种调节隔断结构的方法和机构。
图19A示出按本发明一种情况装配一个夹具的一种方法。
图19B示出按本发明一种情况装置一个夹具的一种方法。
图20示出按本发明一种情况的另一种带多孔骨架的夹具。
图21示出按本发明一种情况的另一种带多孔骨架的夹具。
图22示出按本发明一种情况交替使用“ID”和“OD”垫片的另一种带多孔骨架的夹具。
图23示出按本发明一种情况全为“ID”垫片的另一种带多孔骨架的夹具。
图24示出按本发明一种情况与一个预热器配用的一个具排孔的盖板。
图1到图24示出了本发明及各种实施方案。在其中，同样的数字标记有相同的说明，在此，“常规CVI/CVD”是指前面所述的等温CVI/CVD工艺。“压力梯度CVI/CVD”是指前述的压力梯度CVI/CVD或加压流动工艺，并且明确地不包括前述的那些有意地造成影响沉积工艺的温度梯度的温度梯度工艺和温度梯度-加压流动工艺。
现在参照图1，示出了按照本发明的一种情况，具有一个气体予热炉50的一个CVI/CVD炉10的简单描述。炉10有一个界定内表面12的炉壳13，内表面12界定一个炉体14。图10按箭头24从一根气体进口管16得到一种反应物。予预热器50以及许多多孔骨架22安放在炉10内。多孔骨架22被将此多孔骨架实施方案在炉体内的夹具(未画出)所支撑。用压力梯度CVI/CVD工艺致密多孔骨架的合适夹具在技术上已经很好的知道了，任何一种适合的夹具均可和预热器50配用。按本发明的另一种情况，如将对图9-24所作的更详细地说明那样，夹具可以按类配用。炉10可以被感应加热、电阻加热、微波加热或技术上已知的相当的方法所加热。按照一种最佳的实施方案，炉10被感应加热并包括一个安装在炉10内的感应器30。感应器30最好包括一个大致为圆柱形的感应器壁464和一个感应器底板18，一个第一感应线圈466，一个第二感应线圈468，和一个第三感应线圈470围绕着此感应器壁464。绝缘隔离体31设置在感应器壁464和感应线圈466，468和470之间。感应器30有一个界定反应器空间88的内表面86，并包含在炉体14中。多孔骨架安放在反应器空间88中，并且主要被来自感应器30的辐射所加热。
预热器接受气体，并在气体被导入反应器空间88之前升高气体温度。预热器50包括位于炉10中的一个密封导流构架58和一个密封槽骨架52。导流构架58包括一个导流构架入口54和一个导流构架出口56。密封槽骨架52被围着气体入口16和导流构架入口54密封，因而几乎全部来自气体入口的反应气体直接强制按箭头36所指的方向流过密封导流构架58到达导流构架出口56。实际上，预热器50可加热至温度达1700°F以上。在这样高的温度下保持完好的密封是困难的，少量的泄漏是允许的，而且也是不可避免的。“几乎全部气体”意味着允许少量泄漏，90％以上或者更好些95％以上的气体被强制通过导流构架58。导流构架58包括一组杆、管、孔板或分布气流和增加从导流构架50到反应气体对流热的相应结构。
进入反应器空间88后，反应气体绕过或通过多孔骨架22并按箭头28经由排气口32离开炉体14。气体渗透多孔骨架22，并在每个多孔骨架22中沉积粘结材料。本发明的各种情况可用于沉积任何类型CVI/CVD粘结材料，包括但并不限于碳或陶瓷粘结材料沉积在碳或陶瓷基质多孔骨架22内。本发明特别适用于在碳基质多孔骨架内沉积碳粘结材料，尤其是制造象飞机制动板那样的碳/碳复合材料骨架。按最好的实施方案，在导流构架出口56之上安有一个至少有一个孔的盖板60，此盖板很好地围着导流构架出口56封固，因而几乎所有来自导流构架出口56的气体直接通过至少一个孔64。
现在参照图2，示出了一个预热器500，它是预热器50的一个具体实施方案。预热器500包括一个密封槽骨架502和一个密封导流构架508。密封槽骨架502置于感应器底板18上，并包括一组板516，518，520，522和524。这些板形成一组密封接缝526，528，530，532和534。这些密封接缝526，528，530，532和534包括柔性填料和/或固化的液体粘结剂或密封材料。图3示出预热器500沿3-3线的剖视。密封导流构架508最好置于密封槽骨架502之下。密封槽骨架板516，518，520和522可提供536和538这类凸像，它们接合导流构架508。气体入口16可封固在槽骨架板524的底部。按照一个最好的实施方案，密封导流构架508包括一组相互隔开的孔板540。底部孔板540包括一个导流构架入口504，顶部孔板540包括一个导流骨架出口506。每块孔板540包括一组孔542，一块孔板540上的一组孔542同相邻的另一块孔板540上的一组孔542相互交叉排列。导流构架508最好由包括一组堆在一起的有共同边缘的孔板540，它们界定了一个孔板周边544(用深黑色线标出)。一组第一柔性垫片546沿着孔板周边544排放在两块相邻孔板540之间，起着封固和隔开孔板540的两个作用。一个第二柔性垫片548放在凸缘536和538同密封导流构架508之间。气体按箭头24所示经气体入口16导入预热器。密封槽骨架502允许气体按箭头550膨胀和分布，并将气体引向导流构架入口504。几乎全部气体被强制通过导流构架508而分布，并按箭头552所示离开导流构架出口506。再参看图2，一块盖板510放在导流构架出口508之上，具有至少一个孔514。盖板510最好围着导流构架出口508封固，因而几乎全部从导流构架出口508来的气体，直接流过至少一个孔514。同时让密封槽骨架高出导流构架出口一点，并放置一个柔性垫片在盖板510和密封槽骨架502之间。
现在参照图4，示出一个预热器100，它是预热器50的一个最佳实施方案。放在炉10内的预热器100包括一个密封槽骨架102和一个密封导流构架108。预热器100从气体入口16(图1)接受气体。在此例中，密封导流构架108包括一组相互间隔的孔板128和129，以及一块包括一个导流构架入口104的底孔板和一块包括一个导流出口106的顶孔板。密封槽骨架102围着气体入口16(图1)和导流构架入口104封固，因而几乎全部从气体入口来的反应气体直接强制流过密封导流构架108到达密封构架出口106。密封槽骨架102和密封导流构架108相互封固，致使流经密封导流构架108的气体，在进入其余的反应器空间88(图1)之前不能泄漏。在此实施方案中，密封槽骨架102被封固在感应器底板18上，以防止气体从预热器100漏向反应器空间88而不经过密封导流构架108。几乎所有从入口16进入槽骨架102的气体被强制流入导流构架108中。
按照一种最佳实施方案，密封槽骨架102至少两块，它们形成一组接缝。图4中的预热器100的板包括支撑杆119，120和121，上环122和下环123，它们一起形成多条接缝124，125，166，168，170，172和174。支撑杆119，120和121以及下环123很好地支撑密封导流构架108的重量。接缝166，168，170，172和174很好地用一种后来固化的液体粘结剂封固。位于上环122和下环123以及密封导流构架108之间的接缝124和125最好用一种图6所述柔性垫片126和138封固。位于上环122和支撑杆119和121之间的接缝166和174最好用图7所述的一种柔性垫片176封固。位于下环123和支撑杆121之间的接缝172最好用图7所述的一种柔性垫片178封固(在下环123和支撑杆119之间放置类似垫片)。如图6所述，在密封槽骨架102和感应器底板18间的密封包括一个位于周边骨架102和感应器底板18之间的柔性垫片118。特别是垫片118可以放在下环123和感应器底板18之间，以及支撑杆119，120和121同感应器底板18之间。一种液体粘结剂可以用来增强此密封，柔性垫片材料是特别适用的，因为它吸收由于包括在密封槽骨架102中的各个零件的热膨胀应变。
现在参照图4，盖板110最好在导流构架出口106的上方和密封槽骨架102相接。盖板110起支撑多孔骨架夹具的作用。盖板110适合于和压力梯度CVI/CVD工艺配用，并带有孔114和116。示出在图24中的另一种盖板具有排孔153，它适合于和常规CVI/CVD工艺配用。在那时气体通过反应器空间88时需要一种基本上平稳的分布。按照本发明的预热器同样可用于常规或压力梯度CVI/CVD工艺。固定多孔骨架22的夹具最好安放在盖板110或152的上面。参看图4，盖板110围着导流构架出口106封固，所以，几乎全部来自导流构架出口106的气体被导向孔114和116，如图5和图6所示。通过在密封槽骨架102和盖板110之间的接缝中放置柔性垫片111而将盖板110封固在密封槽骨架102上。在这种情况下，密封槽骨架102伸展于密封导流构架108之上。
再参照图4，密封导流构架108至少包括一块孔板128。按照一种更好的实施方案，一组孔板128和129相互平行并且隔开。按一种更好的实施方案，板128和129具有共同边界并叠成一堆，这界定了一个导流构架周边132(在图5和图6中用黑线示出)。每块密封导流构架板128包括一排排孔130，如图8所示，一块孔板128的排孔130和相邻的另一块孔板129的排孔131相互交叉。每个板128上的孔正好被相邻板129上的四个孔等距离包围。同样，每个板129上的孔也正好被相邻板128上的四个孔等距离包围。再参照图4，导流构架周边132是被封固的，并包括了每一块孔板128和129的外表面界限。导流构架周边132最好象图5，6和7所示出的那样用沿着导流构架周边132在每个相邻孔板128和129之间安放一个柔性垫片134的方法来封固。柔性垫片134起两个作用封固导流构架134和将孔板128和129一个个地隔开。如图6所描绘的，导流构架108的紧贴着感应器壁464的一部分109被画出。这样的结构非常有利于通过辐射从感应器壁464向孔板128和129传热。热通过沿板128和129传导，并通过对流传给气体。
如图4，6和7所示，密封槽骨架108界定了一个凸缘136，密封导流骨架108就放于其上。在示出的实施方案中，支撑杆119，120和121和下环123一起界定凸缘。在凸缘136和密封导流构架108之间放一个柔性垫片138，这使得密封导流构架108和密封槽构架102之间得以封固。现在参照图6，一组支柱140进一步支撑密封导流构架108。每根支柱140包括一个限定一个支座的扩大部分142。密封导流构架108安在支座144上。每根支柱140带一顶孔146，它延伸到密封导流构架108的上方，在每一个长形孔中可插入一个环首螺栓，使加上一个适当的吊带，用于提升和移动密封导流构架108。如前所述，通过安装支撑杆119，120和121，以及位于底板部分18上的下环123，加上适当的密封，气体预热器100被安装好，然后，密封导流构架108安装在支柱140上加以适当的密封，落入炉10内并和凸缘136咬合。上环122配上适当的垫片，并粘在此导流构架108的顶上。盖板110或152落入炉10中并和密封槽骨架102咬合。盖板110或152提供一组顶孔113让环首螺栓插入其中。在环首螺栓上加上一个适当的吊带以便提升和移动密封导流构架108和盖板110或152。支柱140象指出的那样，进一步提供对盖板110或152的支撑。如图6所示，在感应器壁464和密封槽骨架102之间安入一个楔子，为了防止上环122和下环123从支撑杆119和121脱开。
预热器50，100和500的各个部件最好用整块石墨制成。需要形成和增加密封处可采用石墨水泥作为液体粘结剂。可以用下述柔性石墨制成各种柔性垫片EGC Thermafoil或Thermabraid牌柔性石墨板和条束，它们可从EGC Enterprises Incorporated，Mentor，Ohio，U.S.A.获得。从UCAR Carbon Company Inc.，Clereland，Ohio，U.S.A.也能获得类似的材料。
图6中示出一种按本发明的一种情况，将气体从出口导进一个CVI/CVD炉的工艺。此工艺首先按箭头24和34将气体从入口16导入密封槽骨架。入口16包括一系列空心入口支管17和19，它们将气体在进入密封导流构架108之前分布于密封槽骨架102中。其次，几乎所有从入口16导入的气体，直接进入密封导流构架入口104，通过密封导流构架108，并从导流构架出口108出去。如前述的密封预热器结构的优点，气体在到达其余的反应器空间88之前，被强制通过密封导流构架108。所以，气体是不允许直接流向反应器空间86，气体必需首先通过密封导流构架108。按一个最佳实施方案，气体被强制象箭头36那样在密封导流构架108内若干孔板128和129之间迂回流动。强制气体迂回流动增加从密封孔板128和129间气体的热传导，并提高热效率。如果采用压力梯度CVI/CVD工艺，盖板110从导流构架出口106引导气体按箭头29所指的方向通过孔114。如图4所示，盖板110可以有多个孔。按照某一种实施方案，一个约每小时900标准立方英尺的反应气流在约800°F进入预热器100，反应器空间压力约为10乇，在预热器中停留时间约0.06到0.07秒后，在大约1750-1800° F下通过盖板孔114和116中的一个离开预热器100。按照本发明，反应气体在预热器中的停留时间范围为0.05到0.10秒。
再参照图1，如果炉10至少有一根第二气体入口20，则至少要有一个第二气体预热器70。如箭头26所指，一股反应气体通过第二气体入口20进入炉10中。如同预热器50，第二预热器70接受气体，并在气体导入剩余反应器空间86之前升高气体温度。第二预热器70包括在炉中的一个第二密封导流构架78和一个第二密封槽骨架72。第二导流构架78包括一个第二导流构架入口74和一个第二导流构架出口76。第二密封槽骨架72围着第二气体入口20和第二导流构架入口74封固，以使几乎全部从第二气体入口来的反应气体如箭头37那样向着并被强制通过第二密封导流构架78而达到第二导流构架出口76。第二导流构架78被加热到比在第二导流构架入口处74的反应气体要高的温度，并在反应气体通过第二导流骨架出口76，进入剩余反应器空间86之前加热它。进入反应器空间88后，气体围绕或穿过多孔骨架22，按箭头28经排气口32离开炉体14。按一种最佳实施方案，盖板80安在导流构架出口76的上面，并且带有至少一个孔84，盖板很好地围着导流构架出口76封固，以使几乎全部反应气体通过至少一个孔84。预热器50和第二预热器70最好相互封住，为了阻止气体在相邻的预热器之间迁移，第三和其余的预热器可以用不同的排列方式放在炉10内，这基本上和预热器50和第二预热器70类似。
如图5所示，其余的预热器154，156和158可安放在预热器100的旁边，各个密封槽骨架可以共同相邻预热器间的骨架。如果炉子是圆柱形的，一组扇形的外侧预热器围着一台位于炉底中心的多边形预热器摆放。在此例中，中心预热器是方的，可向每个密封槽骨架提供各自的气体入口。
再参照图1，用一个第一温度传感器490在导流构架出口56处测量此反应气体流的最初的气体温度。通过增加或减少预热器的加热，可调节预热器的温度达到所需气体温度。在图1中，感应器壁464包括一个第一感应器壁部分467，一个第二感应器壁部分469，和一个第三感应器壁部分471。第一感应线圈466以将电能从第一感应线圈466转变为第一感应器壁部分467的热能的方式和第一感应器壁感应耦合。这同样也适用于第二感应器壁部分469和第二感应线圈468，以及第三感应器部分471和第三感应线圈470。预热器50主要由被来自和第一感应线圈466相耦合的第一感应器部分467来的辐射能所加热。所以，第一预热器的温度可通过调节供给第一感应线圈466的电功率来调节。第二感应线圈468和第三感应线圈470的电功率按照保持所需要的沿炉子长度的方向(一般即气流方向)的多孔骨架温度分布方式来调节。第一预热器50最好位于贴近第一感应器壁部分467处，这加强了辐射热能传导。由第一温度传感器490测得的温度，经由第一温度传感器线路494传递给控制器415，控制器可自动或手动，按照气流在离开导流构架出口56时需要达到的温度调节供给第一感应线圈466的电功率。第二温度传感器492提供类似的离开第二导流构架出口76时气体的温度的测量。由第二温度传感器492测得的温度经由第二温度传感器线路496传输给控制器415。如前所述，多个预热器可设置或一个或一个以上的预热器被其他紧贴感应器壁464的预热器所包围，这堵截辐射热能传向中心预热器。在此情况下，中心预热器主要由那里辐射加热的预热器感应加热。所以，中心预热器被辐射间接加热，而且中心预热器的温度可被改变第一感应线圈466的功率所控制。预热器也可电阻加热，这将允许直接控制供给每个预热器的热能，这样的变更被认为在本发明权限之内。
图9示出一个带有在炉中以压力梯度CVI/CVD致密的多孔骨架22的夹具200。多孔骨架22叠成一堆202，此夹具包括一块底板204，一个支撑骨架206和一块顶板208。顶板208有一个任选的被盖板212和重物214封固的孔210。按此种选择，盖板密封213最好放在盖板212和顶板208之间，它围着顶板孔210。每个多孔骨架22有一个孔23，带多孔骨架22的夹具200放在CVI/CVD炉的反应器空间88中(图1)。现在参照图10，示出夹具200沿图9的10-10线的剖面图。底板204用来固定炉CVI/CVD炉10(图1)内各物于盖板110上的象图6的预热器100那样，盖板110是被封固在预热器上。仍参照图10，底板204有一底板孔216和盖板孔114或116连通。底板被一组圆锥形销钉226定位在盖板110上的相配的圆锥形孔228内。底板204有相配的圆锥形底板孔230，圆锥形销钉226对准并插入其中。这样的结构有利于对准底板孔216和盖板孔114或116。底板204很好地被封固在盖板114或116上。为此在底板204和盖板110之间可放一柔性垫片280。夹具200也可按类似的方法和其他密封预热器包括预热器500(图2和3)配用。
顶板208与底板204相互隔开并相对。支撑骨架206位于底板204和顶板208之间，并使它们结合。在此示出的实施方案中，支撑骨架包括一组支撑杆218，位于填入底板204和顶板208之间的一堆多孔骨架的四周。在每根杆每一端带有插头220，它们分别插入底板204的孔222和顶板208的孔224中。支撑骨架206包括至少三根杆218。支撑骨架202也可做成整体，一个象有孔的圆柱形或等效的骨架。其他接合底板204和顶板208的结构也是可能的。这些均被认为在本发明的权限之内。
多孔骨架堆202放在底板204和顶板208之间，多孔骨架22之一和底板204相邻，另一个多孔骨架22和顶板208相邻。在多孔骨架堆202中，每两个相邻的多孔骨架22之间至少要放一个环形垫片234。环形垫片234围着多孔骨架孔23。在底板204和与之相邻的一个多孔骨架22之间至少要放一个环形垫片234，在顶板208和与之相邻的一个多孔骨架22之间至少安放一个环形垫片234。与邻接顶板208和底板204的环形垫片相似，也可以在底板204和顶板208内整体地做成一个环形结构，这就没有必要再需要这些环形垫片了。底板204，多孔骨架堆202和至少一个环形垫片234界定了一个起始于底板孔216，包括每个多孔骨架孔23，终止于顶板208处的封闭腔236。如果在多孔骨架堆202顶部的顶板208有顶板孔210，则封闭腔236到盖板212和盖板密封213为止。
夹具200特别适用于压力梯度CVI/CVD工艺，但也能在采用适当的冷却夹套后，也能用于前面所述的温度梯度-加压流动CVI/CVD工艺。仍参照图10，一个气体按箭头29通过盖板孔114或116导入封闭腔236，此流动是由于在反应器空间88(图1)和封闭腔236之间建立一个压力差而引起的。气流按箭头242的方向通过封闭腔236，按箭头244的方向进入每个多孔骨架，并按箭头246流出每个多孔骨架。按箭头28通过排气口32流出炉体14(见图1)。通过降低炉体14和反应器空间88内的压力为真空压力，并在较大压力下输送气体到封闭腔236，通过一个密封预热器骨架，即如前所述，在多孔结构的两侧形成一个压力梯度的受压气体，分布或流过多孔骨架22。每个环形多孔骨架22，有一个表面积238(在图10和11中用加黑线画出)。表面积238的部分被环形垫片复盖而没有暴露在进入或离开多孔骨架22的气体中，较好的情况是多孔骨架22的大部分(50％以上)表面积238暴露在进入或离开多孔骨架22的气体中，表面积238要尽可能多地暴露。实际上，多孔骨架22和环形垫片可具有多种形状，例如，椭圆形，方形，多边形等。任何一种形状都认为是属于本发明的权限之内。但是，用于制作飞机制动板的多孔骨架22多半是环形，并具有两个背向平面的。所以，再参照图10，环形多孔骨架堆202和夹具200界定了一个环形多孔壁240，反应气体从多孔骨架壁的两侧进出CVI/CVD炉。
现在参照图11，示出沿图10 11-11线的剖视图。按照一个最佳实施方案，每个多孔骨架孔23界定了一个多孔骨架内径42，每个环形垫片界定一个垫片内径235，而且每个多孔骨架内径42小于垫片内径235。为了更好地尽可能多地将多孔骨架表面积暴露在反应气体中，多孔骨架22界定一个外径44，而且垫片内径235稍小于多孔骨架外径44。在这种情况下，环形垫片234通常和多孔骨架外径235是相邻接的。垫片内径235和多孔骨架外径的差值必须大到足以方便装配，而要小到足以使在致密工艺后环形垫片和多孔骨架22之间的应力最小。垫片外径233最好大到在环形垫片234和多孔骨架间形成一个撬动点，以便于在致密工艺后移走环形垫片234，而同时又紧凑到能最大限度地利用炉子的空间。按某种实施方案，对于处理外径约21英寸的环形多孔骨架22，垫片外径233约为21.9英寸，垫片内径235约为19.9英寸，环形垫片一般至少厚0.25英寸。
图14A和14B示出环形垫片234的细部图和一对相邻多孔骨架22之间的内表面情况。每个环形垫片234包括两个通常平行的相互分开并面向邻近多孔骨架22的垫片的侧面252和254。如果多孔骨架22是柔性的，多孔骨架22可按箭头250所示的对着环压紧，这会使多孔骨架22稍稍变形并构筑一个封口。压紧相邻的多孔骨架和环形垫片234，使每个多孔骨架的环形垫片234相互密封，阻止气体不经过多孔骨架22而漏入反应器空间。具有用热解碳封固的光滑环形垫片侧面252和254的环形垫片234在致密后和多孔骨架22脱开。按照一个最佳的实施方案，环形垫片234由片状石墨加工制成。环形垫片侧面252，和252的最大表面粗糙度为125RMS微英寸。这是一个惊人的发现，因为它不再需要多孔骨架和垫片间的密封填产，并且极大地简化了多孔骨架堆的安装。
图15A和15B示出了环形垫片234的另一种实施方案。此实施方案中，至少一个环形柔性填料256和258放在邻接每个垫片侧面252和254处，并且每个柔性填料256和258按箭头250方向压紧邻近的多孔骨架22，这使柔性填料256和258变形贴着环形垫片234并形成一个封口。此种实施方案对多孔骨架22没有柔性(例如已被部分致密)时是最好的，仅仅将多孔骨架22压紧在环形垫片234(如图14A和14B)是不能形成一个满意的封口。
参照图12A和12B，示出环形垫片234和底板204或顶板208相接的细部图。顶板208，底板204和环形垫片234都是用非柔性材料制成，所以，在环形垫片234和顶板208之间，或者和底板204之间放入一个环形柔性填料260。如果多孔骨架22是柔性的，它可以象箭头250所示的紧压环形垫片234，此时多孔骨架22变形并形成一个封口。把多孔骨架22压紧环形垫片234有效地防止气体不通过多孔骨架22而从封闭腔236漏入反应器空间。图13A和13B示出另一种实施方案，这种实施方案适合于多孔骨架22是相对刚性而非柔性时，在环形垫片234和多孔骨架22之间再加一个环形柔性填料262，其后受到由箭头250所示的压力。填料260和262是完全柔性的。
按本发明，夹具200的各个部件均用片状石墨制成，各柔性填料可用柔性石墨制作。如EGC Thermafoil牌柔性石墨板和EGC EnterprisesIncorporated，Mentor，Ohio，U.S.A.提供的条束，UCAR Carbon CompanyInc.，Cleveland，Ohio，U.S.A.提供类似的材料。象似石墨或陶瓷基水泥和糊等其他种类的密封材料也可用在本发明中。显然，在此提出的密封材料是经济实用的，并有利于致密前夹具200和多孔骨架堆202的装配，以及致密后夹具200和多孔骨架堆202的拆卸。多孔骨架堆202用所要求的密封制成，并放在底板204和顶板208之间，致密之后，移走顶板208并拆卸多孔骨架堆以进行后续工艺。环形垫片234和组成夹具200的其他部件基本上可再次用于致密其他多孔骨架22。
现在参看图19A和19B，示出一个装置夹具200的工艺。按照一种实施方案，支撑骨架206可拆卸地和顶板208连接，因而允许顶板208从支撑骨架206移走。如前所述，这通过带插头200的支撑杆218和带容纳插头200的顶板孔224的顶板208在夹具200中实现。插头220以滑动配合和顶板孔224相结合，因而顶板208能自由地安到或搬离支撑骨架206。支撑骨架206和多孔骨架堆202排好，以使得在顶板208安装前(多孔骨架202安放在相对的杆204和208间之后)多孔骨架确定一个相对于底板204上表面的高度A，支撑骨架确定一个相对于底板204上表面的高度B，这里A大于B。然后顶板208放在多孔骨架堆202上面，并压向底板204直到它紧贴支撑骨架206。如图19B所示，这压紧了多孔骨架堆202趋向于高度B。顶板208置于由杆218确定的地方。所以，将夹具200和多孔骨架堆202装配的工艺包括通过压缩板204和208的相对距离(A减去B)将多孔骨架堆放入板204和208之间，由于压缩降低了多孔骨架堆202的高度。多孔骨架堆202的压紧引起封闭腔236借助于前面在图12A-15B所说的紧密排列而变得密封。再参照图19A和19B，底板204，支撑骨架206和顶板208的排列方向使顶板208靠动的正压在底板204上，并防止顶板208从支撑骨架206滑脱。如果顶板缺乏足够的质量来压紧多孔骨架堆202到高度B的话，则无论有无顶板孔210，都可以在顶板208上放置一个重物214。如前所述，如果顶板208有顶板孔210，可采用盖板212。重物214和/或盖板212安放在顶板208上，并按重力定向。重物214可由石墨板，难熔金属或其他耐高温材料制成。为了容纳重物214，盖板212可为盘形。
多孔骨架堆202被压缩的距离(A减去B)要予先定的。装配夹具200的工艺包括为了达到所需的压缩调节A与B之差。如图18所示，高度B可以通过用楔片266调整杆264来调节。如果支撑骨架206采用圆柱形的杆218，楔片266是环形的，楔片可以放在杆218一头或两头的插头220上。不同厚度和多个楔子可用来精确地调节高度B。高度A如图16所示可通过在相邻两个多孔骨架22间放入一个以上环形垫片234来调整。为了提供一个适当的密封，在相邻的环形垫片234之间可放入柔性环形垫填料268。如图17所示，和环形垫片234厚度不同的另一种环形垫片270也可以用来调整高度A。高度A和高度B可调整性到精确地提供一个予定的压缩量。按一种最好的实施方案，支撑骨架206设计成和具有已知高度A的多孔骨架堆配用，调整距离(A-B)受制于以楔片调整杆264。此方法极大地简化了装配夹具200和多孔骨架堆202的工艺。按某种实施方案，对于B约为16英寸时，距离(A-B)约为1/4英寸。
参照图20，示出一个适于压力梯度CVI/CVD致密大量多孔骨架22的夹具201。支撑骨架207包括位于底板204和顶板208之间的一块以上的分隔多孔骨架堆203的中间板272。在其他方面，夹具201基本上和夹具200相同。每块中间板272有一个中间板孔274，夹在一对多孔骨架22中间。密封腔236进而包括每一个中间板孔274。至少一个环形垫片234可放在中间板272和多孔骨架22之间的中间板272的某一侧，并且采用图12A到13B的密封结构。多个夹具201可以堆叠，在此情况下，一个夹具201的底板204与位于下面的一个夹具201的顶板208相连。上面的夹具的底板孔216和下面夹具的顶板孔210对准连通。所以，密封腔从一个夹具201延伸至下一个直到终止于位于最上部顶板孔210上面的盖板212为止。
图21示出的夹具199，借此一个，两个或更多的多孔骨架堆可以一个挨一个地排放。依靠一个支撑骨架282，一组相邻的多孔骨架堆202放置在一块顶板209和一块底板205之间。支撑骨架282包括一组杆218。顶板209上对每个多孔骨架堆202有一个顶板孔211，它们可用盖板212和重物214封固。底板上对每个堆202有一个底板孔217，盖板110上对每个堆202有一个盖板孔。在其他方面，夹具199很接近于夹具200，并按图19A和19B所述的相同方式装配。此外，支撑骨架282可包括分隔堆202的中间板。多个夹具199也可以象图20的夹具201那样一个一个叠起来。所以，夹具199和201的特点可以结合起来，使得能够用压力梯度致密很大数量的多孔骨架22。
参照图22，示出压力梯度致密多孔骨架块302的另一种夹具300。除了堆302，包括放在沿每个多孔骨架22的外径处的“OD”(外径)环形垫片234和相同的放在沿每个多孔骨架内径“ID”(内径)外的环形垫片284之外，夹具300基本上和夹具200相同。OD环形垫片234有一个稍小于多孔骨架外径44的内径233，以及一个通常和多孔骨架外径44接近的外径235。ID环形垫片284有一个稍大于多孔骨架内径42的外径554，以及一个通常和多孔骨架内径42接近的内径546(554)。就ID环形垫片284来说，多孔骨架外径44大于环形垫片284的上述外径556。为了使气体进出多孔骨架22时有尽可能多的多孔骨架表面积暴露在反应气体中，每个环形垫片234和284的壁厚尽可能地小。图22的ID/OD相间排列也可以用在夹具199和201。参照图23，示出了另一种压力梯度致密多孔骨架堆303的又一种夹具301。除了堆303，全为放在沿每个多孔骨架内径的“ID”环形垫片284外，夹具301和夹具200基本上相同。图23的全用ID的结构也可用于夹具199和201。夹具300和301的各个接缝可用前面图12A到15B所述的方法密封。堆高和支撑骨架可象图16到19B所述的调节。
这证明不脱离下述权利规定的本发明的范围可能有许多变化。
权利要求
1.在一个炉内压力梯度CVI/CVD致密的一种带多孔骨架的夹具，包括一个多孔骨架堆，每个多孔骨架有一个贯穿孔；一块适宜于固定在炉内的底板，该底板有一个贯穿孔；一块和上述底板隔开但相对的顶板；一个位于底板和顶板间的支撑架，该支撑架同上述底板和顶板接合，上述多孔骨架堆位于上述底板和顶板之间，其中一个多孔骨架和该底板相邻，另一个和该顶板相邻；和上述多孔骨架堆中每对相邻多孔骨架之间至少放有一个环形垫片，该垫片围绕着相邻多孔骨架孔；其中上述底板、上述多孔骨架堆和上述至少一个环形垫片界定一个封闭腔，该封闭腔从上述底板孔伸展，包括每个多孔骨架孔，到上述顶板为止。
2.权利要求1的夹具，其中在上述底板和上述与该底板相邻的多孔骨架间围着上述底板孔至少放有一块上述环形垫片。
3.权利要求1的夹具，其中在上述顶板和与该顶板相邻的多孔骨架间至少放有一块上述环形垫片。
4.权利要求1的夹具，其中上述顶板有一个顶板孔。还包括一块盖在上述顶板孔上的盖板和位于该盖板和上述顶板之间围着上述顶板孔的盖板密封，上述盖板和盖板密封位于封闭腔的末端。
5.权利要求1的夹具，其中上述多孔骨架是柔性的，每个环形垫片包括两个相互隔开并分别面向上述与之相邻的多孔骨架的通常平行的环形侧面，上述与之相邻的多孔骨架紧压在该环形垫片上。
6.权利要求1的夹具，其中每个环形垫片包括两个通常平行的、相互隔开并分别面向上述与之相邻的多孔骨架的环形侧面，还包括一组柔性石墨垫片，至少一个柔性垫片放在邻接每个环形侧面并紧压在上述相邻的多孔骨架上。
7.权利要求1的夹具，其中上述多孔骨架是柔性的。该多孔骨架堆是压紧在上述底板和顶板之间。
8.权利要求1的夹具，其中上述支撑架包括位于多孔骨架堆四周、延伸到上述底板和顶板。
9.权利要求1的夹具，其中上述支撑架分别和上述顶板连接，因而允许将该顶板从上述支撑架上移走，和其中调正上述底板，上述支撑架和上述顶板因重力使上述顶板对准上述底板，防止该顶板从上述支撑架上移动。
10.权利要求1的夹具，还包括安放在上述顶板上的一个重物。
11.权利要求1的夹具，还包括至少一个第二多孔骨架堆，每个第二多孔骨架有一个第二多孔骨架贯穿孔，和其中上述底板有至少一个第二底板贯穿孔，上述第二多孔骨架堆位于上述底板和顶板之间，并且上述多孔骨架之一和上述底板邻接、另一个和上述顶板邻接，和在上述第二多孔骨架堆内每一对相邻第二多孔骨架之间至少放有一个环形垫片，该环形垫片围着上述相邻第二多孔骨架孔；其中上述底板，上述第二多孔骨架堆和上述至少一个第二环形垫片界定一个第二封闭腔，该封闭腔从上述底板孔伸展，包括一个第二多孔骨架孔、终止于上述顶板。
12.权利要求1的夹具，其中上述支撑架包括一块位于上述底板和上述顶板之间的中间板，该中间板分隔此多孔骨架堆，每块中间板夹在一对多孔骨架之间并具有一个孔，和其中中间板孔成为封闭腔的一部分。
13.权利要求12的夹具，还包括至少一个位于上述中间板和上述多孔骨架之间的上述中间板任意一侧的上述环形垫片。
14.权利要求1的夹具，其中每个多孔骨架确定一个多孔骨架外径，并且每个环形垫片确定一个垫片外径，上述多孔骨加的外径大于上述环形垫片的外径。
15.权利要求1的夹具，其中每个多孔骨架孔确定一个多孔骨架内径，并且每个环形垫片孔确定一个垫片内径，该多孔骨架内径小于上述环形垫片的内径。
16.权利要求1的夹具，其中每个多孔骨架确定一个多孔骨架内径和每个环形垫片确定一个垫片内径，每个多孔骨架内径小于上述垫片内径。
17.权利要求2的夹具，其中每个多孔骨架确定一个多孔骨架外径，上述垫片内径稍大于该多孔骨架外径。
18.权利要求1的夹具，其中每个多孔骨架是环形的并确定一个多孔骨架外径和一个多孔骨架内径，上述多孔骨架堆包括交替放置的内径环形垫片和外径环形垫片，每个外径垫片有一个稍小于多孔骨架外径的内径和一个通常和多孔骨架外径有共同边界的外径，每个内径垫片有一个稍大于多孔骨架内径的外径和一个通常和多孔骨架内径有共同边界的内径。
19.权利要求1的夹具，其中每个多孔骨架是环形的并确定一个多孔骨架内径，上述多孔骨架堆包括全部内径环形垫片，每个内径环形垫片有一个稍大于多孔骨架内径的外径和一个同多孔骨架内径通常有共同边界的内径。
20.一种装配夹具和大量多孔骨架进行CVI/CVD致密的工艺，每个多孔骨架有一个孔，该工艺包括的步骤有通过在每对相邻多孔骨架间放入一个环形垫片，将上述大量多孔骨架和环形垫片叠成一堆；将上述多孔骨架堆放在一块底板和一块顶板之间，此底板有一底板孔，其中该底板、上述多孔骨架堆和至少一个上述环形垫片界定一个封闭腔，该封闭腔从上述底板孔伸展，包括每一个多孔骨架孔，到上述顶板为止；在多孔骨架堆周围安装一个支撑架位于上述底板和上述顶板之间，该支撑架和上述底板及顶板连接。
21.权利要求20的工艺，其中每个多孔骨架确定一个外径，每个环形垫片包括一个和上述外径有共同边界的环。
22.权利要求20的工艺，其中上述多孔骨架堆是柔性的，上述多孔骨架在多孔骨架堆放入上述两块板之间前确定一个堆的高度，并包括通过压紧两块板之间的距离以降低上述堆的高度将上述多孔骨架堆紧压入上述两块板之间。
23.权利要求22的工艺，其中上述支撑架确定一个销钉限制的距离。
24.权利要求23的工艺，其中上述距离是预先确定的，还包括调节上述销钉达到该距离的步骤。
25.权利要求24的工艺，还包括用楔片调节销钉的步骤。
26.权利要求20的工艺，其中每个多孔骨架是环形的并确定一个多孔骨架外径，上述多孔骨架堆包括全部外径环形垫片，每个外径垫片有一个稍小于多孔骨架外径的内径和一个通常同多孔骨架外径有共同边界的外径。
27.权利要求20的工艺，其中每个多孔骨架是环形的并确定一个多孔骨架外径和一个多孔骨架内径，上述多孔骨架堆包括交替排列的内径环形垫片和外径环形垫片，每个外径环形垫片有一个稍小于多孔骨架外径的内径和一个通常同多孔骨架具相同边界的外径，每个内径环形垫片有一个稍大于多孔骨架内径的外径和一个通常用多孔骨架内径有共同边界的内径。
28.权利要求20的工艺，其中每个多孔骨架是环形的并确定一个多孔骨架内径，上述多孔骨架堆包括全部内径环形垫片，每个内径环形垫片有一个稍大于多孔骨架内径的外径和一个通常同多孔骨架内径有相同边界的内径。
全文摘要
本发明是关于用在化学蒸汽渗透和沉积(CVI/CVD)中的设备。本发明特别是关于在CVI/CVD炉内加热反应气体的一种预热器，和用压力梯度CVD/CVD工艺在许多多孔骨架中沉积粘结材料的一种夹具。
文档编号F27B9/00GK1528949SQ200310118099
公开日2004年9月15日 申请日期1995年11月16日 优先权日1994年11月16日
发明者J·W·鲁多尔夫, M·J·普迪, L·D·伯克, J W 鲁多尔夫, 伯克, 普迪 申请人:B·F·谷德里奇公司, B F 谷德里奇公司