化学气相渗透导流设备及利用其制备陶瓷复材管件的方法与流程

1.本发明涉及一种化学气相渗透导流设备及其使用方法，尤其涉及一种制备陶瓷复合材料细长管件的化学气相渗透导流设备及利用其制备陶瓷复合材料细长管件的方法。


背景技术：

2.化学气相渗透工艺是将一种或几种气态化合物经高温分解、化合之后将固态产物沉积在多孔介质内部的材料制备方法。经过几十年的技术发展，化学气相渗透工艺被国际公认为是连续纤维增强陶瓷基复合材料(以下简称“陶瓷复材”)的最佳方法之一。
3.由于陶瓷复材具有低密度、耐高温、高强韧、抗氧化、耐腐蚀、抗辐照等综合性能优势，使得其逐渐在航空、航天、核电等热防护技术领域得到广泛应用。其中，陶瓷复材细长管件是一类典型的热防护结构件，如高超声速飞行器舵轴、航空发动机燃料雾化器保护套管、脉冲爆震发动机爆震燃烧室、核反应堆堆芯燃料包壳管和控制棒包壳管及高温炉热电偶保护套管等，在军用和民用装备具有大量应用。这类陶瓷复材细长管件的内径一般为7-80mm，长径比一般可超过30。
4.然而在采用化学气相渗透工艺进行制备的过程中，由于细长管件对流场的干扰作用，导致管件内部空间的气流通量远小于外部，进而导致管件外壁的沉积量过大，而内壁沉积量不足。上述现象的存在，通常引起管件沿壁厚方向呈现明显的密度梯度，导致制备的管件性能不均匀、内部存在残余应力等问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种化学气相渗透导流设备及利用其制备陶瓷复材管件的方法，以解决采用现有化学气相沉积工艺制备的陶瓷复材细长管件存在密度梯度、性能不均和残余应力等问题。将本发明设备与化学气相渗透炉结合，可以显著改善陶瓷复材细长管件的密度均匀性，进而提高性能均匀性，消除残余应力。
6.本发明的技术方案是：
7.一种化学气相渗透导流设备，其特殊之处在于：包括混气室和导流管；上述混气室用于将化学气相反应气体混合均匀；上述混气室的顶部开设进气口，进气口用于与化学气相渗透炉位于炉体内部的进气口相连；混气室的底部开设导流管安装孔；靠近混气室底部的侧壁上开设多个第一导流孔，第一导流孔用于连通混气室内腔和化学气相渗透炉炉膛；
8.上述导流管一端固定在混气室的导流管安装孔内；导流管管壁开设多个第二导流孔，用于将导流管内腔和待加工陶瓷复材细长管件内腔连通；导流管轴向长度为待加工陶瓷复材细长管件轴向长度的0.7-1.0倍；导流管外径为待加工陶瓷复材细长管件内径的0.3-0.7倍；导流管壁厚为1-5mm；第二导流孔直径为2-8mm，第二导流孔中心轴线与化学气相渗透炉中轴线的夹角为10-45
°
。
9.进一步地，为保证进入待加工陶瓷复材细长管件外部和内部气流分配比例相当，第一导流孔的开孔面积之和与导流管内截面积相同。
10.进一步地，第二导流孔均布在导流管管壁上。
11.进一步地，导流管长度为陶瓷复材细长管件轴向长度的0.75倍，外径为陶瓷复材细长管件内径的0.4倍，壁厚为2.5mm；第二导流孔直径为3mm，第二导流孔中心轴线与化学气相渗透炉中轴线的夹角为45
°
。
12.进一步地，为了确保气流均匀混合，上述混气室的内壁面为光滑的圆弧面。
13.进一步地，上述混气室包括圆锥筒形腔室、位于圆锥筒形腔室较大开口端的圆筒型腔室、位于圆筒型腔室开口端的圆环形盖板及位于圆环形盖板内孔位置的圆筒形固定端；
14.圆锥筒形腔室、圆筒型腔室、圆环形盖板及圆筒形固定端的各个连接部位通过圆弧光滑过渡连接为一体；
15.上述圆锥筒形腔室的较小开口端即为导流管安装孔；多个第一导流孔沿圆锥筒形腔室侧壁周向排布为一组导流单元；多组导流单元沿圆锥筒形腔室轴向排布；
16.上述圆筒形固定端的内孔即为进气口。
17.进一步地，上述第一导流孔直径为2-8mm，第一导流孔中心轴线与化学气相渗透炉中轴线的夹角为10-45
°
。
18.进一步地，上述第一导流孔的直径为5mm，第一导流孔中心轴线与化学气相渗透炉中轴线的夹角为25
°
。
19.进一步地，上述圆锥筒形腔室由对称的两个半圆锥筒形腔室对接而成；圆筒型腔室由对称的两个半圆筒形腔室对接而成；圆环形盖板由对称的两个半圆环形盖板对接而成；圆筒形固定端均由对称的两个半圆筒对接而成；所有对接部位均位于同一平面，对接后，在对接部位通过连接件紧固。
20.进一步地，混气室和连接件的材质均为耐高温材料，如电极石墨或高纯石墨；导流管的材质为耐高温材料，如电极石墨、高纯石墨、石墨纸、陶瓷复材或均质陶瓷等。
21.进一步地，导流管可以由多个分段式导流管组合而成。
22.本发明还提供一种用于制备陶瓷复材细长管件的化学气相渗透炉，其特殊之处在于：包括化学气相渗透炉本体及位于化学气相渗透炉本体内部的至少一个上述化学气相渗透导流设备；化学气相渗透导流设备的进气口与化学气相渗透炉本体位于炉体内的进气口连通，导流管的自由端朝向化学气相渗透炉本体中的托料盘。
23.本发明还提供一种利用上述设备制备陶瓷复材细长管件的工艺方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
24.步骤1、确定待制备的陶瓷复材细长管件内径尺寸；
25.步骤2、根据步骤1确定的参数，确定导流管外径和混气室中第一导流孔开孔面积；
26.导流管外径：确保导流管能够插入陶瓷复材细长管件中，并确保二者之间具有均匀的径向间隙；
27.混气室中第一导流孔开孔面积：多个第一导流孔的开孔面积之和与导流管内截面积相同；
28.步骤3、根据步骤2确定的尺寸参数以及其余设定参数，采用机械加工的方法加工混气室和导流管；
29.步骤4、将导流管固定在混气室的导流管安装孔内；
30.步骤5、将待制备陶瓷复材细长管件固定在化学气相渗透炉内部的托料盘上，将步骤4组装完成的导流设备上的导流管插入陶瓷复材细长管件中，并确保二者之间具有均匀的径向间隙；
31.步骤6、将导流设备的进气口与化学气相渗透炉位于炉体内部的进气口连通；
32.步骤7、按照工艺流程执行化学气相渗透工序。
33.本发明的有益效果是：
34.1、本发明通过特定结构的导流设备，将化学气相渗透炉中的反应混合气中的一部分直接引入陶瓷复材细长管件芯部，大大提升了细长管件内部的沉积效率。
35.2、根据陶瓷复材细长管件的尺寸特征和使用要求，可通过调节混气室锥部导流孔的方式，调节进入细长管件内部和外部的气流比例，从而达到细长管件外壁和内壁均匀沉积的效果，减小或消除材料内部的密度梯度。
36.3、通过设置多个导流设备，可在一个化学气相渗透炉内实现多工件的同时制备，在保证产品质量的同时提升生产效率。
附图说明
37.图1为本发明导流设备的结构示意图；
38.图2为本发明导流设备中混气室的结构示意图；
39.图3为本发明导流设备中导流管的结构示意图；
40.图4为本发明导流设备与化学气相渗透炉的装配示意图；
41.图5为图4中a处的放大结构示意图；
42.图中附图标记为：
43.1-混气室，2-导流管，21-第二导流孔，3-螺母，4-螺栓，5-化学气相渗透炉，6-化学气相渗透炉位于炉体内部的进气口，7-托料盘，8-出气口，9-陶瓷复材细长管件；
44.11-进气口，12-第一导流孔，13-导流管安装孔，14-圆锥筒形腔室，15-圆筒型腔室，16-圆环形盖板，17-圆筒形固定端；
具体实施方式
45.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
46.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
47.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
48.再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不
应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
49.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、或第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
50.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.实施例1
52.如图1及图2所示，本实施例化学气相渗透导流设备包括混气室1与导流管2，导流管2固定在混气室1底部，并与混气室1连通，整体形成类似长颈漏斗的结构，顶部为进气口11，用于与化学气相渗透炉位于炉体内部的进气口6相连。当然，在其他实施例中，混气室1还可以采用球形、椭球形等形状，确保其内壁是光滑的弧面即可。
53.为了便于描述本实施例混气室1的整体结构，结合图2，可以将混气室1从下至上依次划分为：圆锥筒形腔室14、位于圆锥筒形腔室14较大开口端的圆筒型腔室15、位于圆筒型腔室15开口端的圆环形盖板16及位于圆环形盖板内孔位置的圆筒形固定端17。上述导流管2即安装在圆锥筒形腔室14的较小开口端，在圆锥筒形腔室14的侧壁上开设多个第一导流孔12，第一导流孔12的直径为2-8mm，第一导流孔中心轴线与化学气相渗透炉中轴线的夹角为10-45
°
，优选第一导流孔12的直径为5mm，导流孔中心轴线与化学气相渗透炉中轴线的夹角为25
°
，多个第一导流孔12沿圆锥筒形腔室14侧壁周向排布为一组导流单元；多组导流单元沿圆锥筒形腔室14轴向排布。多个第一导流孔12的开孔面积之和与导流管2内截面积相同。
54.混气室1采用耐高温材料，如电极石墨或高纯石墨，采用机械加工的方法加工，为了便于制造及组装，本实施例中混气室1为两个左右对称的半壳体相互对接，利用螺钉4穿过其翻边法兰孔，利用螺母3紧固完成装配。具体地，圆锥筒形腔室14可由对称的两个半圆锥筒形腔室14对接而成；圆筒型腔室15可由对称的两个半圆筒形腔室对接而成；圆环形盖板16可由对称的两个半圆环形盖板对接而成；圆筒形固定端17由对称的两个半圆筒对接而成，所有对接部位均位于同一平面；对接后，在对接部位通过螺钉4、螺母3紧固。
55.结合图3可以看出，本实施例导流管2管壁均匀开设多个第二导流孔21，用于将导流管2内腔和待加工的陶瓷复材细长管件9内腔连通；导流管2轴向长度为待加工陶瓷复材细长管件9轴向长度的0.75倍，外径为陶瓷复材细长管件9内径的0.4倍，壁厚为2.5mm；第二导流孔21的直径为3mm，导流孔中心轴线与化学气相渗透炉中轴线的夹角为45
°
。在其他实施例中，导流管2轴向长度为待加工陶瓷复材细长管件9轴向长度的0.7-1.0倍；导流管2外径为陶瓷复材细长管件9内径的0.3-0.7倍；导流管2壁厚为1-5mm；第二导流孔21直径为2-8mm，第二导流孔21中心轴线与化学气相渗透炉中轴线的夹角为10-45
°
。导流管2可以由多个分段式导流管2组合而成。
56.基于上述导流设备，可采用下述过程实现陶瓷复材细长管件9的制备：
57.步骤1、确定待制备的陶瓷复材细长管件9内径尺寸；
58.步骤2、根据步骤1确定的参数，确定导流管2外径和混气室1中第一导流孔12开孔面积，并设定其余相关参数：
59.步骤3、根据步骤2确定的尺寸参数，采用机械加工的方法加工出混气室1、导流管2和连接件；混气室1和连接件的材质采用高纯石墨，导流管2的材质为陶瓷复材。
60.步骤4、组装导流设备；
61.将两个半壳体对接，采用连接件连接，同时将导流管2夹持于混气室1底部的导流管安装孔13，加持时，确保第二导流孔21的中心轴线方向朝向化学气相渗透炉的出气口8方向。本步骤完成后，获得导流设备。
62.步骤5、如图4及图5所示，将导流设备的导流管2插入至陶瓷复材细长管件9内部，导流管2不得与细长管件接触，并尽量保持均匀的径向间距。陶瓷复材细长管件9底部固定在化学气相渗透炉5内的托料盘7上。之后将导流设备的混气室1上部与化学气相渗透炉5的进气口11相连，可以采用上述连接件辅助固定。
63.步骤6、按照工艺流程执行化学气相渗透工序。
64.通过设置多个导流设备，可在一个化学气相渗透炉5内实现多工件的同时制备，在保证产品质量的同时提升生产效率。
65.采用本实施例导流设备后，细长管件沿壁厚方向密度梯度有所降低，管材环向强度大于100mpa，比现有技术提高20～30％。