CN115181960B - 一种薄壁尖锥回转件的cvi导流装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄壁尖锥回转件的CVI导流装置及其使用方法，该装置包括：支架、外壁导流锥筒和内壁导流截锥；支架包括外壳和中央横板，中央横板上设置有放置孔，放置孔上设置有若干凸起；外壁导流锥筒的小端直径大于凸起所形成的空心圆直径，大端接触外壳内侧壁，高度小于中央横板上表面至外壳顶部的距离；内壁导流截锥包括截锥段和直环段，截锥段高度小于外壳顶部至中央横板上表面的距离，直环段内径小于外壁导流锥筒的大端直径，直环段外径大于外壳内径。该装置可以改善陶瓷基复合材料薄壁尖锥回转件内壁和外壁沉积密度均一性，进而提高性能均匀性，消除残余应力，同时缩短致密化周期，并提高最终构件密度和质量。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷基复合材料薄壁尖锥回转件制备技术领域，具体涉及一种薄壁尖锥回转件的CVI导流装置及其使用方法。
背景技术
化学气相渗透(CVI)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。陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料，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、航天等热防护技术领域得到广泛应用，化学气相渗透被国际公认为是连续纤维增强陶瓷基复合材料的最佳方法之一。
陶瓷基复合材料薄壁尖锥回转件是一类典型的热防护结构件，如高超声速飞行器头锥、高推重比航空发动机加力燃烧室内锥体等，在军用和民用装备具有大量应用，其呈薄壁尖锥回转体结构，且一端封闭。在采用CVI工艺进行陶瓷基复合材料致密化的过程中，由于尖锥回转件一端封闭，当尖锥回转件内壁处于反应物气流的迎风面时，气流会在锥体内部形成很大的回流区，不仅化学反应产生的的废气在锥体内部滞留，而且反应物气体无法输送至锥体外壁进行反应和沉积，只能通过扩散的方式进行物质传输，沉积速度低，致密化效率低；当尖锥回转件外壁处于反应气流的迎风面时，气流从圆锥头部均匀分散至外壁，外壁的沉积质量好，但是，当气流输送至锥体底部后，会在尖锥回转件中心或中上方位置形成气流的驻点，仍会形成滞留区，导致锥体内壁沉积粗糙，出现麻坑、纤维裸露等缺陷，沉积质量差。上述现象的存在，通常引起薄壁尖锥回转件致密化周期长且最终密度达不到要求，同时，尖锥回转件内、外壁沉积质量不一，壁厚方向存在较大的密度梯度，导致制备的陶瓷基复合材料薄壁尖锥回转件性能不均匀，陶瓷基复合材料内部存在较大的残余应力等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种薄壁尖锥回转件的CVI导流装置及其使用方法，以解决现有技术制备的陶瓷基复合材料薄壁尖锥回转件性能不均匀，内部存在较大残余应力的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种薄壁尖锥回转件的CVI导流装置，包括：支架、外壁导流锥筒和内壁导流截锥；支架包括外壳和中央横板，中央横板水平设置于外壳内，中央横板上设置有放置孔，放置孔上设置有若干凸起；外壁导流锥筒的小端和中央横板上表面齐平，小端直径大于凸起所形成的空心圆直径，外壁导流锥筒的大端接触外壳内侧壁，外壁导流锥筒的高度小于中央横板上表面至外壳顶部的距离；内壁导流截锥包括截锥段和直环段，直环段设置于截锥段的大端外，截锥段高度小于外壳顶部至中央横板上表面的距离，直环段内径小于外壁导流锥筒的大端直径，直环段外径大于外壳内径。
本发明的有益效果为：将本发明外壁导流锥筒和内壁导流截锥的小端同时同轴放入外壳内时，直环段能够和外壳侧壁顶部接触，同时直环段下表面、外壳内侧壁、外壁导流锥筒和内壁导流截锥之间形成了气流腔道，当将薄壁尖锥回转件的尖锥端伸入放置孔内时，由于放置孔上设置有若干凸起，可以将薄壁尖锥回转件卡住，当进行化学气相渗透时，反应气体从内壁导流截锥的小端流入，进入薄壁尖锥回转件的尖锥内部，然后反应气体经过导流，贴着薄壁尖锥回转件内壁逆流而上，之后在所形成的气流腔道封闭端，反应气体再次经过导流，贴着薄壁尖锥回转件外壁顺流而下，穿过放置孔，到达薄壁尖锥回转件的尖锥外部，最后流出化学气相渗透炉。
采用本发明的装置进行化学气相渗透，可以显著改善陶瓷基复合材料薄壁尖锥回转件内壁和外壁沉积密度均一性，进而提高性能均匀性，消除残余应力，同时可以显著缩短致密化周期，并提高最终薄壁尖锥回转件的密度和质量。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，外壳内侧壁上设置有第一弧形环槽，第一弧形环槽上沿和外壳顶部齐平，第一弧形环槽下沿和外壁导流锥筒的大端齐平；直环段下表面设置有第二弧形环槽，第二弧形环槽靠近截锥段；第一弧形环槽和第二弧形环槽吻合形成平滑环槽。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：平滑环槽更有利于化学气相渗透时反应气体从薄壁尖锥回转件内壁导流至外壁，不会因为有棱角而造成反应气体滞留。
进一步，第一弧形环槽和第二弧形环槽的弧度均为90°。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：第一弧形环槽和第二弧形环槽的弧度均为90°时，所形成的平滑环槽为180°，更有利于反应气体顺利导流。
进一步，外壁导流锥筒和截锥段的锥度相同。
进一步，外壁导流锥筒和截锥段的锥度均比薄壁尖锥回转件的锥度大0-15°。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：外壁导流锥筒和截锥段的锥度均比薄壁尖锥回转件的锥度大0-15°时，当反应气体贴着薄壁尖锥回转件内壁逆流而上时，路径逐渐变窄，更有利于反应气体紧贴内壁流动；当反应气体再次经过导流贴着薄壁尖锥回转件外壁顺流而下时，路径逐渐变窄，更有利于反应气体紧贴外壁流动，如此，能够提高沉积均匀性及沉积效率。
进一步，截锥段至外壁导流锥筒的垂直距离为80-120mm。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：截锥段至外壁导流锥筒的垂直距离为80-120mm时，薄壁尖锥回转件与外壁导流锥筒或内壁导流截的距离均为40-60mm，这样的距离保证了反应气体在CVI导流装置中的流动空间，使反应更加充分。
进一步，截锥段小端直径为80-120mm。
进一步，外壳上设置有第一通孔，第一通孔远离外壳顶部，且位于外壁导流锥筒的大端和外壳内侧壁接触点以下；中央横板上设置有第二通孔，第二通孔位于放置孔外。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：镂空设计能够减轻装置的重量，使其更轻便。
进一步，支架、外壁导流锥筒和内壁导流截锥材质均为耐高温材料。
进一步，耐高温材料为电极石墨、高纯石墨、陶瓷基复合材料或均质陶瓷耐高温材料。
本发明还提供上述薄壁尖锥回转件的CVI导流装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)将支架竖直放置于化学气相渗透炉内多孔环板上中央，将外壁导流锥筒的小端伸入外壳内，同轴放置于中央横板上，然后将薄壁尖锥回转件的尖锥端伸入外壳内，同轴放置于放置孔内，再将截锥段同轴伸入外壳内，直环段和外壳吻合；
(2)进行化学气相渗透反应；
(3)反应结束后，先取出内壁导流截锥，再取出反应完成的薄壁尖锥回转件。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明装置能够提高薄壁尖锥回转件内壁和外壁沉积均一性，大大提高了尖锥回转件的沉积质量，解决了现有CVI工艺制备的陶瓷基复合材料薄壁尖锥回转件致密化周期长、最终密度低、内壁和外壁沉积质量不一致以及壁厚方向存在较大的密度梯度等问题。
2、使用本发明装置时，反应气体主要通过流动的方式进行物质传输，而不仅仅通过扩散的方式进行物质传输，大大提升了的沉积效率，缩短了致密化周期。
3、本发明装置结构简单，安装、使用和拆卸方便，可多次反复使用。
4、使用本发明装置进行CVI反应后，制得在陶瓷基复合材料薄壁尖锥回转件最终密度增长至2.6g/cm3以上，达到标准密度要求，同时，从密度为1.5g/cm3增长至2.6g/cm3，周期缩短40％；此外，内壁和外壁沉积表面粗糙度降低，无明显颗粒状附着物，沉积质量明显改善，将制得的样品进行常温三点弯强度测试，测得其强度大于580MPa，达到标准强度水平。
附图说明
图1为使用CVI导流装置进行化学气相渗透时气流流动示意图；
图2为CVI导流装置等轴侧剖示意图；
图3为放置薄壁尖锥回转件的CVI导流装置轴截面示意图；
图4为薄壁尖锥回转件的轴截面示意图；
图5为支架整体示意图；
图6为支架俯视图；
图7为支架镂空整体示意图；
图8为外壁导流锥筒的轴截面示意图；
图9为外壁导流锥筒的俯视图；
图10为内壁导流截锥的轴截面示意图；
图11为内壁导流截锥的俯视图；
其中，1、支架；2、外壳；3、中央横板；4、放置孔；5、凸起；6、外壁导流锥筒；7、内壁导流截锥；8、截锥段；9、直环段；10、第一弧形环槽；11、第二弧形环槽；12、第一通孔；13、第二通孔；14、薄壁尖锥回转件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例：
请参考图1-11。一种薄壁尖锥回转件的CVI导流装置，包括：支架1、外壁导流锥筒6和内壁导流截锥7；支架1包括外壳2和中央横板3，中央横板3水平设置于外壳2内，中央横板3上设置有放置孔4，放置孔4上设置有若干凸起5；外壁导流锥筒6的小端和中央横板3上表面齐平，小端直径大于凸起5所形成的空心圆直径，外壁导流锥筒6的大端接触外壳2内侧壁，外壁导流锥筒6的高度小于中央横板3上表面至外壳2顶部的距离；内壁导流截锥7包括截锥段8和直环段9，直环段9设置于截锥段8的大端外，截锥段8高度小于外壳2顶部至中央横板3上表面的距离，直环段9内径小于外壁导流锥筒6的大端直径，直环段9外径大于外壳2内径。将外壁导流锥筒6和内壁导流截锥7的小端同时同轴放入外壳2内时，直环段9能够和外壳2侧壁顶部接触，同时直环段9下表面、外壳2内侧壁、外壁导流锥筒6和内壁导流截锥7之间形成了气流腔道，当将薄壁尖锥回转件14的尖锥端伸入放置孔4内时，由于放置孔4上设置有若干凸起5，可以将薄壁尖锥回转件14卡住，当进行化学气相渗透时，反应气体从内壁导流截锥7的小端流入，进入薄壁尖锥回转件14的尖锥内部，然后反应气体经过导流贴着薄壁尖锥回转件14内壁逆流而上，之后在所形成的气流腔道封闭端，反应气体再次经过导流贴着薄壁尖锥回转件14外壁顺流而下，穿过放置孔4，到达薄壁尖锥回转件14的尖锥外部，最后流出化学气相渗透炉。采用本发明的装置进行化学气相渗透，可以显著改善陶瓷基复合材料薄壁尖锥回转件14内壁和外壁沉积密度均一性，进而提高性能均匀性，消除残余应力，同时可以显著缩短致密化周期，并提高最终薄壁尖锥回转件14的密度和质量。
为使反应气体导流更加通畅，外壳2内侧壁上设置有第一弧形环槽10，第一弧形环槽10上沿和外壳2顶部齐平，第一弧形环槽10下沿和外壁导流锥筒6的大端齐平；直环段9下表面设置有第二弧形环槽11，第二弧形环槽11靠近截锥段8；第一弧形环槽10和第二弧形环槽11吻合形成平滑环槽。平滑环槽更有利于化学气相渗透时反应气体从薄壁尖锥回转件14内壁导流至外壁，不会因为有棱角而造成反应气体滞留。
第一弧形环槽10和第二弧形环槽11的弧度均为90°。通过这种设置所形成的平滑环槽为180°，更有利于反应气体顺利导流。
为了提高沉积效率和均匀性，外壁导流锥筒6和截锥段8的锥度相同。外壁导流锥筒6和截锥段8的锥度均比薄壁尖锥回转件14的锥度大0-15°。外壁导流锥筒6和截锥段8的锥度均比薄壁尖锥回转件14的锥度大0-15°时，当反应气体贴着薄壁尖锥回转件14内壁逆流而上时，路径逐渐变窄，更有利于反应气体紧贴内壁流动；当反应气体再次经过导流贴着薄壁尖锥回转件14外壁顺流而下时，路径逐渐变窄，更有利于反应气体紧贴外壁流动，如此，能够提高沉积均匀性及沉积效率。
通过设置截锥段8至外壁导流锥筒6的垂直距离为80-120mm，实现了薄壁尖锥回转件14与外壁导流锥筒6或内壁导流截的距离均为40-60mm，这样的距离保证了反应气体在CVI导流装置中的流动空间，使反应更加充分。
为使反应气体顺利流入，截锥段8小端直径为80-120mm。
为使装置轻便，外壳2上设置有第一通孔12，第一通孔12远离外壳2顶部，且位于外壁导流锥筒6的大端和外壳2内侧壁接触点以下；中央横板3上设置有第二通孔13，第二通孔13位于放置孔4外。镂空设计能够减轻装置的重量，使其更轻便。
CVI反应需要在高温下反应，因此支架1、外壁导流锥筒6和内壁导流截锥7均为耐高温材料制得。具体为电极石墨、高纯石墨、陶瓷基复合材料或均质陶瓷耐高温材料。
本发明还提供上述薄壁尖锥回转件的CVI导流装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)将支架1竖直放置于化学气相渗透炉内多孔环板上中央，将外壁导流锥筒6的小端伸入外壳2内，同轴放置于中央横板3上，然后将薄壁尖锥回转件14的尖锥端伸入外壳2内，同轴放置于放置孔4内，再将截锥段8同轴伸入外壳2内，直环段9和外壳2吻合；
(2)进行化学气相渗透反应；
(3)反应结束后，先取出内壁导流截锥7，再取出反应完成的薄壁尖锥回转件14。
使用本发明装置进行CVI反应后，制得在陶瓷基复合材料薄壁尖锥回转件最终密度增长至2.6g/cm3以上，达到标准密度要求，同时，从密度为1.5g/cm3增长至2.6g/cm3，周期缩短40％；此外，内壁和外壁沉积表面粗糙度降低，无明显颗粒状附着物，沉积质量明显改善，将制得的样品进行常温三点弯强度测试，测得其强度大于580MPa，达到标准强度水平。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种薄壁尖锥回转件的CVI导流装置，其特征在于，包括：支架(1)、外壁导流锥筒(6)和内壁导流截锥(7)；所述支架(1)包括外壳(2)和中央横板(3)，所述中央横板(3)水平设置于所述外壳(2)内，所述中央横板(3)上设置有放置孔(4)，所述放置孔(4)上设置有若干凸起(5)；所述外壁导流锥筒(6)的小端和中央横板(3)上表面齐平，所述小端直径大于所述凸起(5)所形成的空心圆直径，所述外壁导流锥筒(6)的大端接触外壳(2)内侧壁，所述外壁导流锥筒(6)的高度小于中央横板(3)上表面至外壳(2)顶部的距离；所述内壁导流截锥(7)包括截锥段(8)和直环段(9)，所述直环段(9)设置于所述截锥段(8)的大端外，所述截锥段(8)高度小于外壳(2)顶部至中央横板(3)上表面的距离，所述直环段(9)内径小于外壁导流锥筒(6)的大端直径，所述直环段(9)外径大于外壳(2)内径。
2.根据权利要求1所述的薄壁尖锥回转件的CVI导流装置，其特征在于，所述外壳(2)内侧壁上设置有第一弧形环槽(10)，所述第一弧形环槽(10)上沿和外壳(2)顶部齐平，所述第一弧形环槽(10)下沿和外壁导流锥筒(6)的大端齐平；所述直环段(9)下表面设置有第二弧形环槽(11)，所述第二弧形环槽(11)靠近所述截锥段(8)；所述第一弧形环槽(10)和第二弧形环槽(11)吻合形成平滑环槽。
3.根据权利要求2所述的薄壁尖锥回转件的CVI导流装置，其特征在于，所述第一弧形环槽(10)和第二弧形环槽(11)的弧度均为90°。
4.根据权利要求1所述的薄壁尖锥回转件的CVI导流装置，其特征在于，所述外壁导流锥筒(6)和所述截锥段(8)的锥度相同。
5.根据权利要求1或4所述的薄壁尖锥回转件的CVI导流装置，其特征在于，所述外壁导流锥筒(6)和所述截锥段(8)的锥度均比薄壁尖锥回转件(14)的锥度大0-15°。
6.根据权利要求1所述的薄壁尖锥回转件的CVI导流装置，其特征在于，所述截锥段(8)至所述外壁导流锥筒(6)的垂直距离为80-120mm。
7.根据权利要求1所述的薄壁尖锥回转件的CVI导流装置，其特征在于，所述截锥段(8)小端直径为80-120mm。
8.根据权利要求1所述的薄壁尖锥回转件的CVI导流装置，其特征在于，所述外壳(2)上设置有第一通孔(12)，所述第一通孔(12)远离外壳(2)顶部，且位于外壁导流锥筒(6)的大端和外壳(2)内侧壁接触点以下；所述中央横板(3)上设置有第二通孔(13)，所述第二通孔(13)位于所述放置孔(4)外。
9.根据权利要求1所述的薄壁尖锥回转件的CVI导流装置，其特征在于，所述支架(1)、外壁导流锥筒(6)和内壁导流截锥(7)材质均为耐高温材料。
10.权利要求1-9任一项所述的薄壁尖锥回转件的CVI导流装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述支架(1)竖直放置于化学气相渗透炉内多孔环板上中央，将所述外壁导流锥筒(6)的小端伸入所述外壳(2)内，同轴放置于所述中央横板(3)上，然后将所述薄壁尖锥回转件(14)的尖锥端伸入所述外壳(2)内，同轴放置于所述放置孔(4)内，再将所述截锥段(8)同轴伸入所述外壳(2)内，所述直环段(9)和所述外壳(2)吻合；
(2)进行化学气相渗透反应；
(3)反应结束后，先取出所述内壁导流截锥(7)，再取出反应完成的薄壁尖锥回转件(14)。
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