CS209154B1

CS209154B1 - A method for producing high temperature graphite articles and apparatus for making the same

Info

Publication number: CS209154B1
Application number: CS729476A
Authority: CS
Inventors: Pavel Sefl
Original assignee: Pavel Sefl
Priority date: 1976-11-12
Filing date: 1976-11-12
Publication date: 1981-11-30

Abstract

Vynález řeší problém výroby předmětů z grafitu běžné obchodní jakosti, které dosud bylo možno vyrábět pouze z grafitu, získaného kondenzací uhlíku z parní fáze rozštěpených uhlovodíků, tedy postupem velmi nákladným a nadmíru pracným. Podstata vynálezu spočívá v tom, že na předmět, vyrobený z grafitu běžné obchodní jakosti, se působí prostředím par rozštěpených uhlovodíků při teplotě 750 až 2500 °C po dobu 90 minut až 60 hodin. Doba tohoto působení se volí tak, aby byla vytvořena vrstva pyrolytického uhlíku nebo pyrolytického grafitu požadované tloušťky, která zároveň proniká krystalickou mřížkou materiálu. Zařízení dle vynálezu spočívá z vakuové komory, do níž je vložen vyjímatelný gragitový susceptorse snímatelným víkem, které má otvor a v susceptoru je stojan z grafitu s otvory, opatřenými osazením, na které dosedají opracovávané předměty, přičemž dnem susceptoru a dnem vakuové komory prochází trubice s pracovní částí, která je ve dně vakuové komory hermeticky utěsněna.The invention solves the problem of manufacturing objects from graphite of ordinary commercial quality, which until now could only be manufactured from graphite obtained by condensation of carbon from the vapor phase of split hydrocarbons, i.e. by a very expensive and extremely laborious process. The essence of the invention lies in the fact that an object made from graphite of ordinary commercial quality is exposed to an environment of split hydrocarbon vapors at a temperature of 750 to 2500 °C for a period of 90 minutes to 60 hours. The duration of this exposure is chosen so that a layer of pyrolytic carbon or pyrolytic graphite of the required thickness is formed, which at the same time penetrates the crystal lattice of the material. The device according to the invention consists of a vacuum chamber into which a removable graphite susceptor with a removable lid having an opening is inserted, and in the susceptor there is a graphite stand with openings provided with a shoulder on which the processed objects rest, whereby a tube with a working part passes through the bottom of the susceptor and the bottom of the vacuum chamber, which is hermetically sealed in the bottom of the vacuum chamber.

Description

(54) Způsob výroby grafitových předmětů, vystavených působení vysokých teplot a zařízení k provádění tohoto způsobu(54) A method for producing graphite articles exposed to high temperatures and apparatus for performing the method

ANOTACEANNOTATION

Vynález řeší problém výroby předmětů z grafitu běžné obchodní jakosti, které dosud bylo možno vyrábět pouze z grafitu, získaného kondenzací uhlíku z parní fáze rozštěpených uhlovodíků, tedy postupem velmi nákladným a nadmíru pracným.The present invention solves the problem of producing commercially available graphite articles which have hitherto only been made from graphite obtained by condensation of carbon from the vapor phase of the split hydrocarbons, a very costly and extremely laborious process.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že na předmět, vyrobený z grafitu běžné obchodní jakosti, se působí prostředím par rozštěpených uhlovodíků při teplotě 750 až 2500 °C po dobu 90 minut až 60 hodin. Doba tohoto působení se volí tak, aby byla vytvořena vrstva pyrolytického uhlíku nebo pyrolytického grafitu požadované tloušťky, která zároveň proniká krystalickou mřížkou materiálu.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to treat an article made of commercial grade graphite with a vaporized hydrocarbon vapor environment at a temperature of 750 to 2500 ° C for 90 minutes to 60 hours. The duration of this action is chosen so as to form a layer of pyrolytic carbon or pyrolytic graphite of desired thickness, which at the same time penetrates the crystalline lattice of the material.

Zařízení dle vynálezu spočívá z vakuové komory, do níž je vložen vyjímatelný gragitový susceptor se snímatelným víkem, které má otvor a v susceptoru je stojan z grafitu s otvory, opatřenými osazením, na které dosedají opracovávané předměty, přičemž dnem susceptoru a dnem vakuové komory prochází trubice s pracovní částí, která je ve dně vakuové komory hermeticky utěsněna.The device according to the invention consists of a vacuum chamber in which a removable gragit susceptor with a removable lid having an opening is inserted and in the susceptor there is a graphite rack with openings provided with a stepped surface on which workpieces abut. with a working part which is hermetically sealed in the bottom of the vacuum chamber.

Vynález se týká způsobu výroby grafitových předmětů, zejména trysek turbin a raket pro speciální výrobu, které jsou vystaveny působení vysokých teplot a zařízení k jeho provádění.The present invention relates to a process for the production of graphite articles, in particular turbine nozzles and rockets for special manufacture, which are subjected to high temperatures and to apparatus for carrying it out.

Předměty, zejména trysky turbin a raket, se k uvedeným účelům dosud vyrábějí z vysoce jakostního tzv. pyrolytického grafitu, tj. z grafitu, získaného kondenzací uhlíku z parní fáze rozštěpených uhlovodíků. Desky pyrolytického grafitu o tloušťce cca 10 mm se mechanicky, tedy soustružením nebo frézováním, obrábějí na příslušné tvarované formy, pro trysky na prstence o požadovaném průměru, které se na sebe skládají do konečného tvaru předmětu, např. trysky. Tvarované prstence jsou sevřeny a na sobě drženy v kovovém tělese, příp. držáky trysky či jiným předmětem. Po upnutí prstenců v tělese resp. v držáku se provádí konečné obrobení vnitřního průměru, u trysky výtokového kanálu.The objects, in particular turbine and rocket nozzles, have so far been made from high-quality so-called pyrolytic graphite, i.e. graphite obtained by condensation of carbon from the vapor phase of the split hydrocarbons. The pyrolytic graphite sheets with a thickness of about 10 mm are machined, by turning or milling, into the appropriate shaped molds for ring nozzles of the desired diameter, which are superimposed on each other in the final shape of the object, for example a nozzle. The shaped rings are clamped and held together in a metal body or in a metal body. nozzle holders or other object. After clamping the rings in the body respectively. in the holder, the inside diameter is machined at the nozzle of the outlet channel.

Nevýhodou tohoto postupu je nadměrná pracnost, svízelná obrobitelnost pyrolytického grafitu, náročnost na přesné obrobení, vysoká cena pyrografitu, velké ztráty při obrábění a velmi nízká pracovní produktivita. Grafit běžné komerční jakosti nelze k danému účelu použít, poněvadž podléhá rychlému a vysokému opálu, kterým se mění profil a tvar vnitřní formy předmětu, u trysky profil a tvar výtokového kanálu, takže předmět se stává ve velmi krátké době nepoužitelným.The disadvantages of this process are excessive labor, difficult machinability of pyrolytic graphite, exact machining demands, high cost of pyrographite, high machining losses and very low labor productivity. Normal commercial grade graphite cannot be used for this purpose, since it undergoes rapid and high opal, which changes the profile and shape of the internal form of the article, the nozzle profile and shape of the discharge channel, so that the article becomes unusable in a very short time.

Uvedené nedostatky jsou odstraněny způsobem výroby grafitových předmětů, vystavených působení vysokých teplot, podle vynálezu, který spočívá v tom, že na grafitový předmět se působí prostředím par rozštěpených uhlovodíků při teplotě od 750 °C do 2500 °C po dobu 90 min až 60 h. Na povrchu grafitového předmětu, který může být vyroben z grafitu běžné komerční jakosti a je opracován na hotovo, po vnitřní i vnější straně a v jeho pórech dojde ke kondenzaci uhlíku, takže předmět se opatří povlakem pyrolytického uhlíku, probíhá-li proces při teplotě pod cca 1800 °C, nebo pyrolytického grafitu, probíhá-li proces při teplotě nad cca 1800 °C. Pyrolytický uhlík, resp. pyrolytický grafit, při tom pronikne krystalickou mřížkou materiálu, z nějž je předmět vyroben a to do hloubky, která je odvislá od doby, po kterou se grafitový předmět působením par rozštěpených uhlovodíků podrobí a která je podle účelu konečného použití dána dobou tohoto působení, v roz-, mezí od 90 min do 60 h. Na době tohoto působení rovněž závisí tloušťka vrstvy pyrolytického uhlíku resp. pyrolytického grafitu a proto se doba tohoto působení volí tak, aby byla vytvořena vrstva požadované tloušťky.These drawbacks are overcome by the high temperature process for producing graphite articles according to the invention, which comprises treating the graphite article with a hydrocarbon vapor environment at a temperature of from 750 ° C to 2500 ° C for 90 minutes to 60 hours. Carbon condensation occurs on the surface of the graphite article, which can be made of commercial grade quality graphite and is finished, internal and external, and pore-coated in its pores, so that the article is coated with pyrolytic carbon when the process is at a temperature below about 1800 ° C or pyrolytic graphite if the process is carried out at a temperature above about 1800 ° C. Pyrolytic carbon, respectively. pyrolytic graphite, penetrating the crystalline lattice of the material from which the article is made, to a depth that depends on the time the graphite article undergoes the action of the vapors of the split hydrocarbons, depending on the purpose of the end use, The thickness of the pyrolytic carbon layer and the pyrolytic carbon layer depends on the duration of the action. of pyrolytic graphite and therefore the duration of this action is chosen so as to form a layer of desired thickness.

Takto vytvořená vrstva pyrouhlíku nebo pyrografitu je bezporézní, naprosto homogenní, zakotvená v tělese předmětu a zajišťuje potřebnou životnost předmětu po dobu pracovního použití, ježto opal probíhá mnohonásobně pomaleji, naprosto rovnoměrně a po dobu pracovního použití nedojde ke změně profilu a tvaru, u trysky ke změně profilu a tvaru výtokového kanálu, která by ovlivnila funkci trysky. Trysky takto zhotovené odolávají velmi dobře vysokým teplotám plynů i erozi v oxidačním prostředí a jejich životnost dosahuje až 10 min, takže je lze plně použít pro účely turbinové a raketové techniky. Při tom kryštalizace pyrouhlíku resp. pyrografitu nastává v ideálních podmínkách z plynné fáze a narostlá vrstva zajišťuje potřebnou životnost při minimálních výrobních nákladech. ₍ The pyramid or pyrographite layer thus formed is non-porous, completely homogeneous, anchored in the body of the article and ensures the necessary service life of the article during working time, since the opal is much slower, evenly uniform. profile and shape of the outlet channel, which would affect the nozzle function. Nozzles made in this way withstand very high gas temperatures and erosion in an oxidizing environment and have a service life of up to 10 minutes, so that they can be fully used for the purpose of turbine and rocket technology. In this case, crystallization of the pyrocarbon resp. Pyrographite occurs in ideal conditions from the gas phase and the grown layer ensures the necessary service life at minimum production costs. ₍

Způsob výroby dle vynálezu lze provozovat! hromadně na zařízení, které je rovněž předmětem vynálezu. Jeho podstatou je, že ve vakuové komoře je vložen výjimatelný grafitový susceptor se snímatelným víkem, které má otvor a v susceptoru je stojan z grafitu s otvory, opatřenými osazením, na které dosedávají opracovávané předměty, zejména trysky s výtokovými kanály, přičemž dnem susceptoru a dnem vakuové komory prochází trubice ; s pracovní částí z grafitu a která je ve dně vakuové komory hermeticky utěsněná. Vakuová komora je vytápěna indukčně nebo odporově.The production method according to the invention can be operated! in bulk on a device which is also an object of the invention. It is based on the fact that in the vacuum chamber there is inserted an exceptional graphite susceptor with a removable lid having an opening and in the susceptor there is a graphite rack with openings provided with a stepped bearing on which workpieces abut, especially nozzles with outlet channels. a vacuum chamber passes through the tube; with a graphite working part and which is hermetically sealed in the bottom of the vacuum chamber. The vacuum chamber is inductively or resistively heated.

Zařízení dle vynálezu umožňuje hromadnou výrobu grafitových předmětů, vystavených půso- ; bení vysokých teplot, s povlakem pyrolytického uhlíku nebo pyrolytického grafitu prakticky v libovolné tloušťce podle účelu konečného použití, je zcela jednoduché, investičně nenákladné a technicky vysoce účinné.The device according to the invention allows the mass production of graphite articles exposed to soil; The high temperature treatment, with a coating of pyrolytic carbon or pyrolytic graphite in virtually any thickness according to the end-use purpose, is quite simple, inexpensive and technically highly efficient.

Na výkrese je znázorněno zařízení podle vynálezu ve svislém řezu.The drawing shows the device according to the invention in vertical section.

Sestává z vakuové komory 1, ze susceptoru 2,; z přívodní trubice 3a, ze stojanu 4, vloženého do susceptoru 2, který je v horní desce opatřen otvory 5. Susceptor 2 je uzavřen víkem 6. Otvory 5 ve stojanu 4 jsou shora opatřeny osazením 7. Víko 6 susceptoru 2 má otvor 8. V otvorech 5 stojanu jsou trysky 9 vložené do osazení 7. Tryskami procházejí výtokové kanály 10.It consists of a vacuum chamber 1, a susceptor 2; from the supply tube 3a, from the rack 4 inserted into the susceptor 2, which is provided with holes 5 in the top plate. The Susceptor 2 is closed by a lid 6. The openings 5 in the rack 4 are provided with a step 7. The nozzles 9 are inserted into the shoulder 7 of the openings 5 of the stand.

Trysky 9 z grafitu běžné obchodní jakosti, vyrobené na hotovo, se vkládají do otvorů 5 stojanu 4 tak, že zapadnou do osazení 7. Počet otvorů v desce stojanu 4 je dán velikostí této desky a velikostí opracovávaných grafitových dílců. Stojan 4 je vložen do susceptoru 2, který je uzavřen víkem 6. V komoře 1 se vytvoří vakuum a současně se susceptor 2 vyhřeje na pracovní teplotu a vakuum v komoře 1 přívodní trubicí 3 nasává uhlovodík v odměřených dávkách. Působením pracovní teploty a vakua dojde k rozkladu uhlovodíku a rozštěpený uhlovodík proniká otvory 5 po vnitřním i vnějším povrchu opracovávaných předmětů, v daném případě trysek 9 a jejich výtokovými kanály 10 k otvoru 8 ve víku 6 susceptoru 2. Otvorem 8 proniká do vakuové komory 1, z níž je odčerpáván vývěvou. Při průchodu vnitřními kanály opracovávaných předmětů, v daném případě kanály 10 trysek 9 a při pronikání podél vnějšího povrchu dochází ke kondenzaci uhlíku a jeho průniku dó pórů a krystalické mřížky grafitu opracovávaného předmětu, v daném případě trysky 9 a k vytvoření povlaku, který je v tělese předmětu dokonale zakotven. Je-li pracovní teplota v susceptoru pod hranici 1800 °C, dochází ke kondenzaci uhlíku ve formě pyrolytického uhlíku, při pracovní teplotě nad cca 1800 °C, dochází ke kondenzaci uhlíku ve formě pyrolytického uhlíku, při pracovní teplotě nad cca 1800 °C dochází ke kondenzaci uhlíku ve formě pyrolytického grafitu.Finished commercially available graphite nozzles 9 are inserted into the holes 5 of the rack 4 so that they fit into the shoulder 7. The number of holes in the rack 4 is determined by the size of the board and the size of the graphite workpieces to be worked. The stand 4 is inserted into the susceptor 2, which is closed by the lid 6. A vacuum is created in the chamber 1 and at the same time the susceptor 2 is heated to working temperature and the vacuum in the chamber 1 sucks the hydrocarbon in measured doses. Working temperature and vacuum cause decomposition of the hydrocarbon and the split hydrocarbon penetrates through openings 5 on the inner and outer surface of the workpieces, in this case nozzles 9 and their outflow channels 10 to the opening 8 in the lid 6 of the susceptor 2. from which it is pumped by a vacuum pump. As it passes through the inner channels of the workpieces, in this case the nozzle channels 10, and penetrates along the outer surface, carbon condensation and its penetration into the pores and crystal lattice of the workpiece graphite, in this case nozzle 9, results in coating. perfectly anchored. If the working temperature in the susceptor is below 1800 ° C, the condensation of carbon in the form of pyrolytic carbon occurs, at the working temperature above about 1800 ° C, the condensation of carbon occurs in the form of pyrolytic carbon, at the working temperature above about 1800 ° C condensation of carbon in the form of pyrolytic graphite.

Příklad:Example:

Z grafitu běžné kortierční jakosti byla vyrobena série trysek pro raketový motor s Lawallovým tvarem výtokového profilu, který byl soustružením opracován na hotovo. Trysky byly vloženy na grafitový stojan v susceptoru indukčně vytápěném, který byl umístěn ve vakuové komoře. V komoře byto. vytvořeno vakuum 10 Pa a susceptor byl vyhřát na 1450 °C. Po ustálení teploty, která byla kontrolována a regulována fotopyrometrem, byl přívodní trubicí s jehlovým ventilem do prostoru susceptoru vháněn uhlovodík a to propanbutan, v množství 10 Nl/h po dobu 6 h. Poté byly trysky vyjmuty a kontrolou bylo ověřeno, že jsou opatřeny po celém vnitřním i vnějším povrchu rovnoměrným povlakem pyrolytického uhlíku o tloušťce 5 μπι, naprosto homogenním, pevně zakotveným v krystalické mřížce materiálu. Tyto trysky bylyA series of nozzles for a rocket engine with Lawall's shape of the outflow profile, which was finished by turning, were made from normal Cortite quality graphite. The nozzles were placed on a graphite stand in an induction-heated susceptor that was placed in a vacuum chamber. Byte in the chamber. a 10 Pa vacuum was created and the susceptor was heated to 1450 ° C. After stabilizing the temperature, which was controlled and controlled by a photopyrometer, a hydrocarbon, propane-butane, was injected into the susceptor chamber at a rate of 10 Nl / h for 6 h. The nozzles were then removed and checked to ensure that throughout the interior and exterior with a uniform 5 μπι pyrolytic carbon coating, completely homogeneous, firmly anchored in the crystalline lattice of the material. These jets were

Claims

SUBJECT

A process for the production of graphite articles exposed to high temperatures, characterized in that the graphite article is treated with a vaporous hydrocarbon vapor environment at a temperature of from 750 ° C to 2500 ° C for 90 minutes to 60 hours.

2. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, comprising a vacuum chamber which is inductively or resistively heated, characterized in that in the vacuum chamber (1) removable graphite209154 is placed, subjected to opal tests and firing tests which have been verified to satisfy all requirements of special technology in terms of durability and function of rocket engines and turbines.

On the device according to the invention, it is possible to coat pyrolytic carbon or pyrolytic graphite, in particular with nozzles of turbines and rockets, but also of other shaped parts and articles which are exposed to high temperatures and made of graphite of common commercial quality or quality. Also, ceramic materials such as cap nuts, bolts, small fittings and the like and which by the process according to the invention acquire the desired physical properties, which resist opal, even at very high temperatures, retain the profile μ shape and have a corresponding service life. On the device according to the invention, it is possible simultaneously to produce as many nozzles and other objects as can be placed on the stand plate by the process according to the invention. At the same time, it is possible to use a commercially quality grader for the production of bars and other articles, without the product being affected by the high temperatures in any way. Particular applications are possible with nozzles, nuts, fittings, etc. for turbines and rockets in special technology.

SUMMARY OF THE INVENTION A susceptor (2) having a removable lid (6) having an opening (8) and in the susceptor (2) is a graphite stand (4) with openings (5) provided with a shoulder (7) on which workpieces rest. in particular nozzles (9) with outflow channels (10), wherein a tube (3) with a graphite working part passes through the bottom of the susceptor (2) and the bottom of the vacuum chamber (1) and hermetically sealed in the bottom of the vacuum chamber (1).

1 drawing

209 154

Printed by Moravian Printing Works, plant 12, Leninova 21, Olomouc

Price: 2,40 Kčs