CN111735306A - 一种高压多预制件反应熔渗装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高压多预制件反应熔渗装置，由循环水冷炉体、炉内可视系统、感应加热系统、反应腔室、残余物存放腔室、局部密闭装置、高压气体控制回路和真空控制系统组成。循环水冷炉体构成密闭的烧结炉内空间，反应腔室、残余物存放腔室位于炉内，局部密闭装置连通反应腔室与残余物存放腔室，感应加热系统与反应腔室和局部密闭装置连接；感应加热系统与局部密闭装置组合，可使金属熔液在熔渗过程中不会通过管道流入残余物存放腔室；高压气体控制回路、真空控制系统、炉内可视系统与循环水冷炉体连接，以控制炉内反应压力以及真空度，且能够对炉内反应进行实时观测。本发明结构简单，通过气压施加压力使熔渗速率提升，且能使多个预制件同时进行，生产效率高，材料利用率高，以及通过线圈加热能够实现精准控温，可实现碳陶复合材料的高压熔渗以及近净成型。

Description

一种高压多预制件反应熔渗装置
技术领域
本发明涉及碳陶复合材料压力浸渗成形技术领域，具体属于一种高压多预制件反应熔渗装置。
背景技术
碳陶复合材料由于具有强度高、密度小、耐高温、摩擦系数高且稳定、使用寿命长、对外界环境介质（霉菌和油污、潮湿等）不敏感等一系列优异的性能特征，在高速、高能载、苛刻环境制动系统上具有广泛的应用前景。但碳陶复合材料制备工艺复杂、造价昂贵、制备周期长。
常用的碳陶复合材料制备工艺有化学气相渗透法(CVI)、先驱体浸渍裂解法（PIP）、反应熔体浸渗法（RMI）等，其中与其它工艺相比，RMI工艺对设备要求相对较低，工艺简单，制造成本较低且制备周期短，是一种有效的碳陶复合材料制备工艺。RMI工艺主要是指在高温下金属熔体通过毛细管力或施加外力作用下向多孔碳预制件渗透，并且与多孔碳预制件中的碳基体发生反应，从而制备出所设计的碳陶复合材料。但现有的RMI工艺中，通常采用电阻加热，温度相对较低、热滞后较大；制备时多采用单一预制件熔渗，较难实现多个预制件同时进行熔渗，生产效率低，且预制件尺寸形状受限制；反应熔渗过程中，熔渗高度有限，尤其是润湿性一般的金属溶体，渗透效果较差；此外，反应熔渗结束后，熔渗金属残余物易与所制备的碳陶复合材料粘黏，难以实现产品的近净成形。。
发明内容
(一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种基于线圈加热的、气压加压的、满足多预制件同时制备碳陶复合材料的高压多预制件反应熔渗装置，以克服现有技术中反应熔渗装置中不易精确控温、生产效率低、预制件尺寸形状受限、设备成本高、工艺复杂、难以实现材料近净成型的不足。
（二）技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种高压多预制件反应熔渗装置，所述高压多预制件反应熔渗装置由循环水冷炉体、炉内可视系统、感应加热系统、反应腔室、残余物存放腔室、局部密闭装置、高压气体控制回路和真空控制系统组成；
感应加热系统由局部密闭加热线圈、反应腔室加热线圈、控制加热仪器组成，局部密封加热线圈与流通管道连接，反应腔室加热线圈与反应腔室连接，控制加热仪器通过控制线圈的加热，对反应腔室以及局部密闭装置进行控温。
反应腔室提供预制件熔渗场所，可放入预制件和熔渗金属，且不受预制件的尺寸形状限制，以及能够允许多个预制件同时进行反应熔渗。
优选地，反应腔室所用材料为高强石墨材料。
反应物腔室与残余物存放腔室通过流通管道连接，两者存在高低放置差，可使金属熔渗液因重力趋势通过流通管道流入残余物存放腔室。
局部密闭装置由流通管道和远程开关组成，与局部密闭加热线圈配合使用，可实现近净成形。
优选地，流通管道所用材料为高强石墨材料。
炉内可视系统由石英密封隔热玻璃、耐高温摄像头和显示器组成，耐高温摄像头设在循环水冷炉体上方，可观察到反应腔室内的情况，石英密封隔热玻璃设在耐高温摄像头前端，阻隔压力和高温。
高压气体控制回路、真空控制系统与循环水冷炉体连接，以控制烧结炉内的压力和真空度；
进一步，所述感应加热系统可控温度范围在500℃～3000℃。
进一步，所述流通管道存在一个坡度，坡度为58%，便于熔渗金属液流入残余存放腔室。
进一步，所述局部密闭装置中的流通管道，在局部密闭加热线圈处于低温或关闭状态时，能使熔渗金属液固化，达到密封的效果。
循环水冷炉体上设有循环水冷进水口和循环水冷出水口。
所述高压气体控制回路由惰性高压气瓶和压力表组成，实现烧结炉内可控压强范围在0.1MPa～10MPa。
（三）有益效果
本发明提供的高压多预制件反应熔渗装置采用线圈感应加热，使用寿命长，易更换，能够精确控温；采用气压加压，为熔渗反应提供压力，加快反应熔渗速率，有效缩短了反应熔渗工艺的消耗时间，且反应腔室容积大呈桶状结构，可同时容下多个预制件同时反应浸渗，不受预制件的尺寸形状限制，工业适应性强；该装置能够实现材料的近净成型，节约材料；本发明提供的高压多预制件反应熔渗装置结构简单，实用性强。
附图说明
图1为本发明的高压多预制件反应熔渗装置的示意图。
图中，1.局部密闭加热线圈，2.流通管道，3.预制件，4.熔渗金属，5.惰性高压气瓶，6.反应腔室，7.压力计，8.循环水冷出水口，9.显示器，10.耐高温摄像头，11.石英密封隔热玻璃，12.循环水冷炉体，13.真空度测量表，14.真空泵，15.反应腔室加热线圈，16.远程开关，17.残余物存放腔室，18.控制加热仪器,19循环水冷进水口。
图2为本发明的高压多预制件反应熔渗装置的反应腔室与残余物存放腔室放置示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
本发明提供了一种高压多预制件反应熔渗装置，其结构示意图如图1所示，包括循环水冷炉体、炉内可视系统、感应加热系统、反应腔室、残余物存放腔室、局部密闭装置、高压气体控制回路和真空控制系统。
循环水冷炉体上设有循环水冷进水口和循环水冷出水口，循环水冷进水口位于炉体下端，循环水冷出水口位于炉体上端。
循环水冷炉体内装载反应腔室、加热线圈、残余物存放腔室、局部密闭装置。
感应加热系统由局部密闭加热线圈、反应腔室加热线圈、控制加热仪器组成，局部密闭加热线圈与流通管道连接，反应腔室加热线圈与反应腔室连接，控制加热仪器通过控制线圈的加热，对反应腔室以及局部密闭装置进行控温，可控温度范围在500℃～3000℃。
反应腔室内设大容量，呈桶状结构，反应物腔室与残余物存放腔室通过流通管道连接，两者存在高低放置差，局部密封装置中的流通管道，在局部密闭加热线圈处于低温或关闭状态时，能使熔渗金属液固化，达到密封的效果。反应腔室与流通管道由高强石墨材料制成。
炉内可视系统的耐高温摄像头设在循环水冷炉体上方，可观察到反应腔室内的情况，石英密封隔热玻璃设在耐高温摄像头前端，阻隔压力和高温。
高压气体控制回路、真空控制系统与循环水冷炉体连接，以控制烧结炉内的压力和真空度。其中高压气体控制回路由惰性高压气瓶和压力表组成，实现烧结炉内可控压强范围在0.1MPa～10MPa。
本发明装置的使用过程如下:
步骤1.将预制体以及金属熔渗物放入反应腔室中，密封炉体。
步骤2.关闭远程开关，打开真空气阀，接通真空泵对炉内抽取真空。
步骤3.开启反应腔室加热线圈，以一定的功率对反应腔室进行预热，预热后，真空度达到实验要求后关闭真空气阀。
步骤4.继续提高反应腔室加热线圈的加热温度，待温度达到实验预设温度时，金属熔化，保温一定，由于反应腔室与流通管道存在温度差，部分金属熔渗液在流通管道中固化密封管道；
步骤5.打开高压气阀，输出高压气体，达到一定压力，保压。
步骤6.一定时间后，泄压至常压，开启局部密闭加热线圈，加热到实验预设温度，使管道内固化的金属液化，打开远程开关，使金属熔渗液流入残余物存放腔室。
步骤7.金属熔渗液全部流入残余物存放腔室后，关闭反应腔室加热线圈和局部密闭加热线圈，循环水冷进水口进水，对炉体进行降温。
步骤8.实验样品冷却后，打开循环水冷炉体，取出实验样品。

Claims (8)

1.一种高压多预制件反应熔渗装置，其特征在于，所述反应熔渗装置由循环水冷炉体、炉内可视系统、感应加热系统、反应腔室、残余物存放腔室、局部密闭装置、高压气体控制回路和真空控制系统组成；
循环水冷炉体（12）设有循环水冷进水口（19）和循环水冷出水口（8），对炉体进行水冷循环，提供炉内降温功能；
感应加热系统由局部密闭加热线圈（1）、反应腔室加热线圈（15）、控制加热仪器（18）组成，控制加热仪器通过控制线圈的加热，对反应腔室以及局部密闭装置进行控温；
反应腔室（6）提供预制件熔渗场所，可放入预制件（3）和熔渗金属（4），且不受预制件的尺寸形状限制，以及能够允许多个预制件同时进行反应熔渗；
残余物存放腔室（17）用于存放反应熔渗后的熔渗金属残余物；
局部密闭装置由流通管道（2）和远程开关（16）组成，与局部密闭加热线圈（1）配合使用，可达到近净成形的作用；
炉内可视系统由石英密封隔热玻璃（11）、耐高温摄像头（10）和显示器（9）组成，耐高温摄像头设在循环水冷炉体(12)上方，可观察到反应腔室内的情况，石英密封隔热玻璃设在耐高温摄像头前端，阻隔压力和高温；
高压气体控制回路由惰性高压气瓶（5）和压力表（7）组成，与循环水冷炉体（12）连接，以控制炉内压力；
真空控制系统由真空泵（14）以及真空度测量表（13）组成，与循环水冷炉体（12）连接，以控制炉内真空度。
2.如权利要求1所述的一种高压多预制件反应熔渗装置，其特征在于，所述感应加热系统采用中频或高频加热，可控温度在500℃～3000℃。
3.如权利要求1所述的一种高压多预制件反应熔渗装置，其特征在于，所述感应加热系统中，局部密闭加热线圈对流通管道进行控温，反应腔室加热线圈对反应腔室进行控温。
4.如权利要求1所述的一种高压多预制件反应熔渗装置，其特征在于，所述反应腔室与残余物存放腔室存在高低放置差，残余物存放腔室顶部与反应腔室底部差10cm以上，便于熔渗金属液因重力趋势通过流通管道流入残余物存放腔室。
5.如权利要求1所述的一种高压多预制件反应熔渗装置，其特征在于，所述局部密封装置中的流通管道，向下倾斜度为30°，便于熔渗金属液流入残余存放腔室。
6.如权利要求1所述的一种高压多预制件反应熔渗装置，其特征在于，所述反应腔室呈桶状结构，内空间可容入多个预制件以及熔渗金属，且不受预制件的尺寸形状限制。
7.如权利要求1所述的一种高压多预制件反应熔渗装置，其特征在于，所述局部密封装置中的流通管道，在局部密闭加热线圈处于低温或关闭状态时，能使熔渗金属液固化，达到密封的效果。
8.如权利要求1所述的一种高压多预制件反应熔渗装置，其特征在于，所述高压气体控制回路，能够实现烧结炉内可控压强范围在0.1MPa～10MPa。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114131022A (zh) * 2021-12-15 2022-03-04 航天特种材料及工艺技术研究所 一种熔渗设备和熔渗方法

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