MX2014003617A - Un dispositivo para cargar sustratos porosos de forma tridimensional a fin de ser densificados mediante infiltracion quimica de vapor en flujo dirigido. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de carga (10) para densificación a través de infiltración química en fase de vapor en flujo dirigido, en una cámara de reacción de un horno de infiltración, de sustratos porosos tridimensionales (20) que se extienden básicamente en una dirección longitudinal, comprendiendo tal dispositivo un nivel de carga anular (11) formado mediante unidades verticales, anulares, primera y segunda, (110, 111) distribuidas de manera concéntrica en relación entre sí y delimitando entre unas y otras un área de carga anular (13) para que se densifiquen los sustratos porosos. Las placas, primera y segunda, (112, 113), cubren respectivamente el elemento inferior y el elemento superior del área de carga anular (13). Las unidades verticales, anulares, primera y segunda, (110, 111), comprenden cada una miembros de soportes (1100, 1110) distribuidos en el área de carga anular (13) de tal manera que se definan celdas de carga de unidad (14) entre ellos, siendo el propósito de cada celda de carga de unidad el recibir un sub-estrato por densificarse. Adicionalmente, el dispositivo comprende orificios de suministro de gas (1102) y orificios de evacuación de gas (1112) en la inmediación de cada celda de carga de unidad (14).

Description

UN DISPOSITIVO PARA CARGAR SUSTRATOS POROSOS DE FORMA TRIDIMENSIONAL A FIN DE SER DENSIFICADOS MEDIANTE INFILTRACIÓN QUÍMICA DE VAPOR EN FLUJO DIRIGIDO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a las técnicas de infiltración química de vapor que se utilizan en particular cuando se hacen partes de material compuesto termoestructural . La invención se refiere más particularmente a densificar sustratos porosos de forma tridimensional compleja tales como preformas de fibra para usarse en la fabricación de cuchillas de motor aeronáutico, los sustratos densificándose al depositar una matriz en los mismos .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Para fabricar partes de material compuesto, y en particular partes hechas de material compuesto termoestructural constituidas por preforma de fibra refractaria (utilizando fibras de carbono o cerámica, por ejemplo) que se densifica por una matriz refractaria (por ejemplo, hecha de carbono y/o cerámica), es de práctica común utilizar métodos de infiltración química de vapor. Ejemplos de tales partes son boquillas propulsoras hechas de compuesto de carbono-carbono (C-C) , discos de freno, en particular para frenos de aviones, hechos de compuestos C- C, o cuchillas hechas de compuestos de matriz cerámica "(CMCs) .

La densificación de sustratos porosos por medio de infiltración química de vapor consiste en colocar los sustratos en una cámara de reacción de una instalación de infiltración al utilizar herramientas de soporte, y después al admitir un gas reactivo en la cámara, con uno o más ingredientes del gas reactivo siendo precursores del material que está por depositarse dentro de los sustratos para densificarlos. Las condiciones de infiltración, y en particular la composición y la velocidad de flujo del gas reactivo, y también la temperatura y la presión dentro de la cámara, se seleccionan para permitir que el gas se difundan dentro de los poros internos accesibles de los sustratos para depositar el material deseado en los mismos, como un resultado de uno de los ingredientes de la descomposición de gas, o de una reacción teniendo lugar entre una pluralidad de sus ingredientes. Es de práctica común que el gas reactivo se precaliente al pasar el gas a través de una zona de precalentamiento situada en la cámara de reacción y hacia la cual se abre la entrada de gas de reacción. Ese método corresponde al método de infiltración química de vapor de flujo libre.

En una instalación industrial para infiltración química de vapor, es de práctica común cargar la cámara de reacción con una pluralidad de sustratos o preformas que están por densificarse simultáneamente para incrementar el rendimiento del método de densificación, y consecuentemente incrementar los factores de carga de las cámaras de reacción.

Los métodos e instalaciones para densificar sustratos anulares porosos por infiltración química de vapor se describen en particular en los documentos: US 2004/237898 y US 5 904 957. Sin embargo, esos métodos se refieren esencialmente a densificar sustratos de forma anular distribuidos en pilas y no son adecuados para densificar sustratos que presentan formas que no son asimétricas .

Documento US 2008/0152803 describe el uso de herramienta de carga comprendiendo un conducto tubular instalado entre placas, primera y segunda y teniendo sustratos delgados con la forma de la placa que está por densificarse, distribuidos radialmente alrededor del mismo. La herramienta ya que se carga en esta manera se coloca entonces dentro de una cámara de reacción de un horno de infiltración que tiene su entrada de admisión de gas reactivo conectada al conducto tubular para permitir que se admita un gas reactivo en el conducto, el cual distribuye entonces el gas a lo largo de las caras principales de los sustratos en una dirección de flujo que es esencialmente radial .

Sin embargo, esa herramienta de carga permanece limitada a densificación de flujo dirigido de sustratos que son delgados y simples en forma tales como placas rectangulares delgadas, y no es posible obtener densificación uniforme de sustratos que son de forma tridimensional compleja tales como preformas de fibra para cuchillas. El flujo de una corriente de gas sobre sustratos que son de forma tridimensional compleja es más difícil de controlar. La falta de control sobre el flujo del gas reactivo sobre el conjunto de sustratos a densificarse conduce a la aparición de gradientes de densificación en los sustratos. Sin embargo, es la uniformidad con la cual un sustrato se densifica lo que determina el desempeño mecánico de la parte resultante.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un objetivo de la invención es proporcionar una solución de carga que permite que los sustratos porosos se densifiquen, en particular sustratos delgados de forma tridimensional compleja extendiéndose principalmente en una dirección longitudinal, con una alta capacidad de carga, y hacer esto mientras se minimizan los gradientes de densificación en los sustratos.

Este objetivo se logra con un dispositivo de carga comprendiendo: al menos un nivel de carga anular formado por unidades verticales anulares, primera y segunda, distribuidas de manera concéntrica en relación entre si y definiendo entre ellas un área de carga anular para que se densifiquen los sustratos porosos; placas, primera y segunda cubriendo respectivamente el elemento inferior y el elemento superior del área de carga anular; cada una de las unidades verticales anulares, primera y segunda incluyendo miembros de soporte distribuidos en el área de carga anular, los miembros de soporte de las unidades verticales anulares, primera y segunda, estando en alineación radial para definir entre ellas celdas de carga unitaria cada una para recibir un sustrato respectivo a densificarse; y el dispositivo también incluye al menos un orificio de suministro de gas y al menos un orificio de evacuación de gas en la inmediación de cada celda de carga unitaria .

El dispositivo de carga de la invención hace posible optimizar el número de sustratos que pueden densificarse simultáneamente en una instalación dada mientras se controla simultáneamente la dirección de flujo del gas reactivo en cada sustrato para densificarlo uniformemente. Tal densificación en grandes números no pueden obtenerse con sustratos que están tan cercanos entre si como cuando no se dirige el flujo.

Consecuentemente, el método de la invención hace posible densificar sustratos delgados porosos, y hacer esto mientras se incrementa tanto la calidad de las partes que se obtienen como también el volumen de la cámara de reacción que se carga.

Una vez que el dispositivo de carga de la invención se ha colocado en una cámara de reacción, actúa como un mini-reactor en el cual el flujo de gas está bajo control. Con este dispositivo, puede prepararse una carga de sustratos por adelantado lejos de la instalación de densificación, y puede transportarse fácilmente sin arriesgar la cámara de reacción. Esto sirve para reducir el tiempo requerido para cargar y descargar cámaras.

En una modalidad del dispositivo de la invención, la primer unidad vertical anular de cada nivel de carga incluye al menos un orificio de suministro de gas en la inmediación de cada celda de carga unitaria, mientras la segunda unidad vertical anular de cada nivel de carga incluye al menos un orificio de evacuación de gas en la inmediación de cada celda de carga unitaria.

En un aspecto de la invención, el dispositivo de carga incluye una pluralidad de niveles de carga anulares apilados uno sobre otro y distribuidos entre las placas, primera y segunda.

En otra modalidad del dispositivo de la invención, la primera placa tiene orificios de suministro de gas en registro con cada celda de carga unitaria, mientras la segunda placa tiene orificios de evacuación de gas en registro con cada celda de carga unitaria.

En un aspecto de la invención, el dispositivo de carga incluye una pluralidad de niveles de carga anulares apilados uno sobre otro y distribuidos entre las placas, primera y segunda.

En otro aspecto de la invención, el dispositivo de carga incluye además una pluralidad de niveles de carga anulares de diferentes dimensiones radiales, dichos niveles distribuidos de manera concéntrica en relación entre si.

La invención también proporciona una instalación para densificar sustratos porosos por infiltración química de vapor, los sustratos porosos siendo de forma tridimensional extendiéndose principalmente en una dirección longitudinal, la instalación comprendiendo una cámara de reacción, un tubo de admisión de gas reactivo situado en un primer extremo de la cámara, y un tubo de evacuación situado en la inmediación de un segundo extremo de la cámara alejado del primero, la instalación caracterizándose en que la cámara contiene una pluralidad de sustratos porosos de forma tridimensional extendiéndose principalmente en una dirección longitudinal, dichos sustratos distribuyéndose en un dispositivo de carga comprendiendo una pluralidad de niveles de carga de la invención, el (los) orificio (s) de suministro de gas de dicho dispositivo suministrándose con gas reactivo a través del tubo de admisión de gas reactivo de la cámara.

La invención también proporciona una instalación para densificar sustratos porosos por infiltración química de vapor, los sustratos porosos siendo de forma tridimensional extendiéndose principalmente en una dirección longitudinal, la instalación comprendiendo una cámara de reacción, una pluralidad de tubos de admisión de gas reactivo situados en un primer extremo de la cámara, y al menos un tubo de evacuación situado en la inmediación de un segundo extremo de la cámara alejado del primero, la instalación caracterizándose en que la cámara contiene una pluralidad de sustratos porosos de forma tridimensional extendiéndose principalmente en una dirección longitudinal, dichos sustratos distribuyéndose en uno o más dispositivos de carga, cada uno comprendiendo una pluralidad de niveles de carga anulares apilados y/o distribuidos de manera concéntrica en relación entre sí y teniendo sus orificios de suministro y evacuación de gas formados respectivamente en las placas, primera y segunda, el (los) orificio (s) de suministro de gas de cada dispositivo suministrándose con gas reactivo a través del tubos de admisión de gas reactivo de la cámara.

En particular, los dispositivos de carga pueden tener el mismo diámetro y pueden distribuirse en manera yuxtapuesta en la cámara de reacción, o pueden ser de diámetro decreciente y apilarse uno sobre otro en una estructura de pirámide.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Otras características y ventajas de la invención aparecen de la siguiente descripción de modalidades particulares de la invención dadas como ejemplos no limitantes y con referencia a las figuras acompañantes, en las cuales: Figuras 1 y 2 son vistas en perspectiva de un dispositivo de carga de acuerdo con una modalidad de la invención; Figura 3 es una vista en corte parcial que muestra el dispositivo de las Figuras 1 y 2 mientras se densifican los sustratos porosos; Figura 4 es una vista en perspectiva de un dispositivo de carga de acuerdo con otra modalidad de la invención; Figura 5 es una vista en corte parcial que muestra el dispositivo de la Figura 4 mientras se densifican los sustratos porosos; Figura 6 es una vista en perspectiva de un dispositivo de carga comprendiendo una pluralidad de niveles de carga apilados de acuerdo con otra modalidad de la invención; Figura 7 es una vista en corte parcial que muestra el dispositivo de la Figura 6 mientras se densifican los sustratos porosos; Figura 8 es una vista en perspectiva de un dispositivo de carga comprendiendo una pluralidad de niveles de carga apilados de acuerdo con otra modalidad de la invención; Figura 9 es una vista en corte parcial que muestra el dispositivo de la Figura 8 mientras se densifican los sustratos porosos; Figura 10 es una vista en perspectiva de un dispositivo de carga comprendiendo una pluralidad de niveles de carga concéntricos de acuerdo con otra modalidad de la invención; Figura 11 es una vista en perspectiva de un dispositivo de carga comprendiendo una pluralidad de niveles de carga que son concéntricos y se apilan de acuerdo con otra modalidad de la invención; Figura 12 es una vista esquemática en corte que muestra una instalación para densificación por infiltración química de vapor en la cual los sustratos se cargan por medio de un dispositivo de carga comprendiendo una pluralidad de niveles de carga apilados de la invención del tipo mostrado en la Figura 6; Figura 13 es una vista esquemática en corte que muestra una instalación para densificación por infiltración quimica de vapor en la cual los sustratos se cargan por medio de un dispositivo de carga comprendiendo una pluralidad de niveles de carga apilados de la invención del tipo mostrado en la Figura 8; Figura 14 es una vista esquemática en corte que muestra una distribución de pirámide de una pluralidad de dispositivos de carga, cada uno comprendiendo una pluralidad de niveles de carga apilados en una instalación de la invención para densificación por infiltración quimica de vapor; y Figura 15 es una vista esquemática en corte que muestra una distribución en superposición de una pluralidad de dispositivos de carga comprendiendo una pluralidad de niveles de carga apilados en una instalación de la invención para densificación por infiltración quimica de vapor .

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Figuras 1 a 3 muestran un dispositivo de carga o herramienta 10 que, una vez cargado con sustratos para densificar, está por insertarse en una cámara de reacción en una instalación industrial para infiltración química de vapor. En el ejemplo actualmente descrito, la herramienta 10 se destina a recibir preformas de fibra 20 para cuchillas de motor aeronáutico.

Cada preforma 20 se extiende en una dirección longitudinal entre dos extremos 21 y 22 y incluye una pala 120 y una raíz 130 formada por una porción de mayor grosor, por ejemplo, teniendo una sección en forma de foco que se extiende por una zanco 132 (Figura 3) . La pala 120 se extiende en una dirección longitudinal entre su raíz 130 y su punta 121 y en sección transversal presenta un perfil curvo de grosor variable que define dos caras 122 y 123 que corresponden respectivamente al lado de succión y al lado de presión de la pala 120. En el ejemplo actualmente descrito, la pala 120 también tiene una plataforma interior 140 para la cuchilla y una plataforma exterior 160 para la cuchilla .

El dispositivo de carga 10 actualmente descrito incluye un nivel de carga anular 11 (Figura 2) elaborado de una primer unidad vertical anular, interior 110 y una segunda unidad vertical anular, exterior 111. Las unidades 110 y 111 se mantienen de manera concéntrica en relación entre sí por espaciadores 12 para definir entre ellas un área anular 13 para cargar las preformas 20. Cada unidad vertical se proporciona con elementos de soporte para recibir uno de los extremos 21 y 22 de las preformas de cuchilla 20. De manera más precisa, la unidad vertical anular, interior 110 tiene muescas 1100 distribuidas uniformemente sobre la periferia exterior de la unidad 110. Las muescas 1100 se diseñan para recibir los extremos 21 de las preformas 20. La unidad vertical anular, exterior 111 tiene un anillo 1110 sujeto a los elementos inferiores de los espaciadores 12. El anillo 1110 es para soportar los extremos 22 de las preformas 20. En el ejemplo actualmente descrito, el anillo 1110 también incluye una pluralidad de pares de paredes divisorias 1111 para separar los extremos 22 de las cuchillas adyacentes. Cada par de paredes divisorias 1111 está en alineación radial con una muesca 1100 para definir una célula de carga unitaria 14 (Figura 2) que es para recibir una preforma 20. Una vez que las preformas 20 se han colocado en el dispositivo de carga 10, se extienden radialmente entre las unidades 110 y 111, sirviendo de esta manera para optimizar la capacidad de carga de la herramienta. Además, el uso de medios de soporte en las unidades verticales anulares hace posible minimizar las áreas de contacto entre el dispositivo de carga y los sustratos para densificar, y consecuentemente optimizar el área que es accesible para infiltración por el gas reactivo.

De acuerdo con una primera modalidad de la invención, cada una de las unidades 110 y 111 tiene una pluralidad de orificios para pasar gas. De manera más precisa, la unidad vertical anular, interior 110 tiene orificios 1102 cada uno distribuido entre dos muescas adyacentes para suministrar a dos celdas de carga unitaria adyacentes 14 simultáneamente. La unidad vertical anular, exterior 111 tiene orificios 1112 cada uno distribuido en registro con una célula de carga unitaria.

El área de carga anular 13 definida entre las unidades 110 y 111 se cierra en su elemento inferior por una primer placa 112 y en su elemento superior por una segunda placa 113. La segunda placa 113 presenta una abertura central 1130 para su conexión a un tubo para suministrar un gas reactivo a una cámara de reacción de una instalación de densificación u horno para suministrar a los orificios 1102 gas reactivo. Para asegurar buen sellado del área de carga anular 13, la unidad vertical anular, interior 110 tiene dos tapas anulares 1103 y 1104 colocadas respectivamente en sus bordes, inferior y superior, mientras la unidad vertical anular, exterior 111 del mismo modo tiene dos tapas anulares 1113 y 1114 colocadas respectivamente en sus bordes, inferior y superior.

Figura 3 muestra el dispositivo de carga 10 en su configuración de densificación, es decir, con las preformas 20 cargadas y con las placas 112 y 113 montadas 1 respectivamente en los bordes, inferior y superior, de las unidades 110 y 111. Como se describe en mayor detalle abajo, el dispositivo de carga 10 se coloca en una cámara de reacción de una instalación de infiltración química de vapor u horno en la cual se admite una corriente de gas reactivo Fg. La corriente de gas reactivo Fg se introduce en el área de carga anular 13 a través de los orificios 1102 en la unidad vertical anular, interior 110. El gas residual se evacúa a través de los orificios 1112 en la unidad vertical anular, exterior 111. Debido a la distribución radial de las preformas 20 en el dispositivo de carga 10, y debido a la presencia de orificios para pasar gas 1102 y 1112 en registro con cada celda de carga unitaria, es posible dirigir la corriente de gas reactivo por la longitud entera de las preformas 20 a densificar y tan cercana como sea posible a ellas, obteniendo así densificación uniforme de las preformas.

Figuras 4 y 5 muestran un dispositivo de carga 30 que difiere del dispositivo 10 arriba descrito en que los orificios para pasar un flujo de gas reactivo a través del área de carga anular se proporcionan en la placa anular para cerrar el área de carga.

Como para el dispositivo 10 mostrado en las Figuras 1 y 2, el dispositivo de carga 30 tiene un nivel de carga anular 31 formado por una primer unidad vertical anular, interior 310 y una segunda unidad vertical anular, exterior 311 que se mantienen de manera concéntrica en relación entre si por espaciadores 32 para definir entre ellas un área anular 33 para cargar las preformas 20. La unidad vertical anular, interior 310 tiene muescas 3100, mientras la unidad vertical anular, exterior 311 tiene un anillo 3110 sujeto en los elementos inferiores de los separadores 32 y proporcionados con una pluralidad de pares de paredes divisorias 3111. El espacio que está presente entre cada par de paredes divisorias 3111 y la muesca hacia adelante 3100 forma una célula de carga unitaria 34 para una preforma 20. Las preformas 20 se distribuyen en la célula de carga unitaria 34 y se extienden radialmente entre las unidades 310 y 311.

El área de carga anular 33 definida entre las unidades 310 y 311 se cierra en su elemento inferior por una primer placa anular 312 y en su elemento superior por una segunda placa anular 313, con tapas anulares 3103, 3104, 3113, y 3114 proporcionando buen sellado entre las placas 312 y 313 y las unidades 310 y 311.

En la modalidad actualmente descrita, cada una de las placas 312 y 313 tiene orificios para pasar un gas reactivo a través del área de carga anular 33. De manera más precisa, cada una de las placas anulares 312 y 313 tiene una pluralidad de series de orificios 3120 y 3132 extendiéndose radialmente por debajo o arriba de cada célula de carga unitaria 34. En el ejemplo actualmente descrito, la placa anular inferior 312 tiene una serie de nueve orificios bajo cada célula de carga unitaria 34. Del mismo modo, la placa anular superior 313 tiene una serie de nueve orificios sobre cada célula de carga unitaria 34.

En el dispositivo de carga 30, la corriente de gas reactivo Fg se introduce en el área de carga anular de los orificios 3120 o 3132 y sus residuos se evacúan a través de los orificios 3132 o 3120 (Figura 5) . En cada célula de carga unitaria 34, esto sirve para crear una pluralidad de trayectorias de flujo de gas reactivo que se distribuyen uniformemente a lo largo de la celda de carga, permitiendo asi que la preforma entera se cubra y haciendo posible obtener densificación uniforme de la misma.

Los dispositivos de carga arriba descritos incluyen un nivel de carga único, es decir, un área de carga anular única. Sin embargo, el dispositivo de carga de la invención puede tener una pluralidad de niveles de carga distribuidos en relación entre si en una manera que se optimiza en términos de ocupación dentro de la instalación de infiltración.

En un primer aspecto de la invención, el dispositivo de carga tiene una pluralidad de niveles de carga anulares apilados uno sobre otro.

Figuras 6 y 7 muestran un dispositivo de carga 200 comprendiendo una pluralidad de niveles de carga anulares 210, 220, 230, 240, y 250 que se apilan uno sobre otro y que se forman respectivamente por unidades verticales anulares, interiores 2100, 2200, 2300, 2400, y 2500, y unidades verticales anulares, exteriores 2101, 2201, 2301, 2401, y 2501, y que definen entre ellas áreas de carga anulares respectivas 2102, 2202, 2302, 2402, y 2502. Cada uno de los niveles 210, 220, 230, 240, y 250 presenta una estructura similar a la estructura del nivel 11 descrita arriba con referencia a las Figuras 1 y 2 y para propósitos de simplificación no se describe de nuevo en detalle.

Tapas anulares 260 y 261 se distribuyen en los bordes superiores de las unidades verticales anulares, interiores, respectivas 2200, 2300, 2400, y 2500, y unidades verticales anulares, exteriores 2201, 2301, 2401, y 2501 para proporcionar sellado entre los niveles de carga anulares 210, 220, 230, 240, y 250.

El elemento inferior del dispositivo de carga 200 constituido por el nivel de carga anular 250 se cierra por una primer placa anular 270 con dos tapas anulares 262 y 263 interponiéndose entre ella y los bordes inferiores de las unidades verticales anulares, interior y exterior, 2500 y 2501 del nivel 250, mientras el elemento superior del dispositivo de carga 200 constituido por el nivel de carga anular 210 se cierra por una segunda placa anular 271 con dos tapas anulares 264 y 265 interponiéndose entre ella y los bordes superiores de las unidades verticales anulares, interior y exterior, 2100 y 2101 del nivel 210.

Una vez que los niveles 210, 220, 230, 240, y 250 se han cargado con preformas de fibra de cuchilla 40, la pila constituida por el dispositivo de carga 200 se alimenta en su centro con un gas reactivo de manera que la corriente Fg de gas reactivo penetra en las áreas de carga anulares 2102, 2202, 2302, 2402, y 2502 de los niveles respectivos 210, 220, 230, 240, y 250 a través de los orificios 2110, 2210, 2310, 2410, y 2510 de las unidades verticales anulares, interiores 2100, 2200, 2300, 2400, y 2500. Después de pasar a través de las áreas de carga anulares 2102, 2202, 2302, 2402, y 2502, los residuos de gas reactivo se extraen a través de los orificios 2111, 2211, 2311, 2411, y 2511 de las unidades verticales anulares, exteriores 2101, 2201, 2301, 2401, y 2501.

Figuras 8 y 9 muestran un dispositivo de carga 400 comprendiendo una pluralidad de niveles de carga anulares 410, 420, 430, 440, y 450 que se apilan uno sobre otro para definir áreas de carga anulares respectivas 4102, 4202, 4302, 4402, y 4502. Las preformas de fibra de cuchilla 50 se distribuyen en cada una de estas áreas de carga anulares como se describe arriba. Cada uno de los niveles 410, 420, 430, 440, y 450 presenta una estructura similar a la estructura del nivel 31 descrita con referencia a la Figura 4 y para propósitos de simplificación no se describe de nuevo en detalle.

Tapas anulares 460 y 461 se distribuyen en los bordes superiores de las unidades verticales anulares, exteriores e interiores, respectivas 4200, 4300, 4400, & 4500 y 4201, 4301, 4401, & 4501, para proporcionar sellado entre los niveles de carga anulares 410, 420, 430, 440, y 450.

El elemento inferior del dispositivo de carga 400 constituido por el nivel de carga anular 450 se cierra por una primer placa anular 470 con dos tapas anulares 462 y 463 interponiéndose entre ella y los bordes inferiores de las unidades verticales anulares, interior y exterior, 4500 y 4501 del nivel 410, mientras el elemento superior del dispositivo de carga 400 constituido por el nivel de carga anular 410 se cierra por una segunda placa anular 471 con dos tapas anulares 464 y 465 interponiéndose entre ella y los bordes superiores de las unidades verticales anulares, interior y exterior, 4100 y 4101 del nivel 410.

Cada placa 470 y 471 tiene una pluralidad respectiva de series de orificios 4701 y 4711 extendiéndose radialmente a lo largo de las placas. Durante la densificación de las preformas de fibra 50 en el dispositivo de carga 400, se introduce una corriente de gas reactivo Fg, por ejemplo, de los orificios 4711 y pasa sucesivamente a través de las áreas de carga anulares 4102, 4202, 4302, 4402, y 4502. Bajo tales circunstancias, los residuos de gas reactivo se evacúan del dispositivo de carga 400 a través de los orificios 4701. Naturalmente, podría causarse que el gas reactivo fluya a través del dispositivo en la dirección opuesta, es decir, podría introducirse en el dispositivo a través de los orificios 4701 y evacuarse a través de los orificios 4711.

Cuando se densifican las preformas de fibra de cuchilla con un dispositivo de carga comprendiendo una pluralidad de niveles de carga anulares alimentados con gas reactivo a través de orificios en las placas de cierre, como en el dispositivo de carga 400, el Solicitante ha observado que se obtiene un mejor flujo de gas reactivo cuando las palas de las preformas de cuchilla están en diferentes orientaciones en dos niveles de carga adyacentes. De manera más precisa, y como se muestra en la Figura 9, las preformas de cuchilla 50 presentes en los niveles de carga anulares 410, 430, y 450 se distribuyen en los mismos con las caras laterales de succión 522 de sus palas 520 dando en el sentido de las manecillas del reloj en el área de carga anular correspondiente, mientras las preformas de cuchilla 50 presentes en los niveles 420 y 440 se distribuyen en los mismos con las caras laterales de succión 522 de sus palas 520 dando en el sentido contrario a las manecillas del reloj en el área de carga anular correspondiente. Al causar que las caras laterales de presión (o laterales de succión) de las preformas de cuchilla miren en alternación en una dirección en el sentido de las manecillas del reloj y en una dirección en el sentido contrario a las manecillas del reloj al ir de un nivel de carga a otro en la pila, el gas se distribuye mejor entre las preformas situadas más cercanas a la entrada de gas reactivo en el dispositivo de carga y las preformas situadas más alejadas de dicha entrada, de esta manera haciendo posible, consecuentemente, obtener la densificación de las preformas en el dispositivo de carga que es más uniforme.

En un segundo aspecto de la invención, el dispositivo de carga incluye una pluralidad de niveles de carga anulares que se distribuyen de manera concéntrica en relación entre si.

Figura 10 muestra un dispositivo de carga 500 comprendiendo una pluralidad de niveles de carga anulares 510, 520, y 530 presentando diferentes diámetros y distribuidos de manera concéntrica en relación entre sí. Cada uno de los niveles 510, 520, y 530 presenta una estructura similar a la estructura del nivel 31 descrita arriba con referencia a la Figura 4 y para propósitos de simplificación no se describe de nuevo en detalle. En el ejemplo actualmente descrito, el dispositivo de carga tiene cuatro unidades verticales anulares 5100, 5200, 5300, y 5301 presentando diámetros decrecientes respectivos. El nivel 510 tiene un área de carga anular 513 definida por las unidades verticales anulares 5100 y 5200. El nivel 520 incluye un área de carga anular 523 definida por las unidades verticales anulares 5200 y 5300. Finalmente, el nivel 530 incluye un área de carga anular 533 definida por las unidades verticales anulares 5300 y 5301. Las preformas de fibra de cuchilla 60 se cargan en cada una de las áreas de carga anulares 513, 523, y 533 respectivamente de los niveles 510, 520, y 530.

El elemento inferior del dispositivo de carga 500 se cierra por una primera placa 502 mientras el elemento superior del dispositivo de carga 500 se cierra por una segunda placa 503 que es anular. Como se describe arriba para el dispositivo de carga 30 de la Figura 4, cada una de las placas 502 y 503 tiene orificios para permitir que un gas reactivo pase en el área de carga anular.

De manera más precisa, como se muestra en la Figura 10, la placa 503 tiene una primer pluralidad de series de orificios 5030 que se distribuyen alrededor del área de carga anular 513 del nivel 510, cada una de las series extendiéndose radialmente sobre cada célula de carga unitaria 514. Del mismo modo, la placa 503 tiene una segunda pluralidad de series de orificios 5031 que se distribuyen alrededor del área de carga anular 523 del nivel 520, cada una de las series extendiéndose radialmente sobre cada célula de carga unitaria 524. Finalmente, la placa 503 tiene una tercer pluralidad de series de orificios 5032 que se distribuyen alrededor del área de carga anular 523 del nivel 520, cada una de las series extendiéndose radialmente sobre cada célula de carga unitaria 524. La primera, segunda, y tercera series de orificios de flujo de gas se hacen una manera similar en la placa 502 (no mostrada en la Figura 10) .

Para el dispositivo de carga 500, la corriente de gas reactivo se introduce en las áreas de carga anulares 513, 523, y 533 a través de orificios de flujo de gas formados en la placa 502 o en la placa 503, y sus residuos se evacúan a través de los orificios de flujo de gas formados en la placa 503 o en la placa 502.

En una modalidad variante, el dispositivo de carga tiene una pluralidad de niveles de carga anulares presentando diferentes diámetros y distribuidos de manera concéntrica en relación entre si como se muestra en la Figura 10, pero con cada uno de los niveles concéntricos presentando una estructura similar a la estructura del nivel 11 descrita arriba con referencia a la Figura 2. Bajo tales circunstancias, los orificios para pasar gas de las unidades verticales anulares comunes para dos niveles de carga adyacentes se colocan para abrirse hacia celdas de carga unitaria de dos niveles adyacentes. Bajo tales circunstancias, se incrementa la cantidad de gas reactivo que se introduce en el primer nivel de carga de manera que permanece una cantidad suficiente de gas en todos los otros niveles concéntricos a través de los cuales fluye.

El dispositivo de carga de la invención también puede incluir una pluralidad de niveles de carga anulares, algunos de los cuales se distribuyen para ser concéntricos en relación entre si y otros de los cuales se apilan uno sobre otro como se muestra en la Figura 11, que muestra un dispositivo de carga 600 comprendiendo cinco sub-dispositivos de carga 610, 620, 630, 640, y 650 similares al dispositivo de carga 500 de la Figura 10, es decir, cada uno constituido por al menos tres niveles de carga distribuidos de manera concéntrica en relación entre si. Los cinco sub-dispositivos de carga 610, 620, 630, 640, y 650 también se apilan uno sobre otro, el elemento inferior de la pila constituida por el nivel 650 cerrándose por una placa 602 que tiene tres series de orificios de flujo de gas 6020, 6021, y 6022 distribuidos alrededor del área de carga anular del nivel 650, cada una de las series extendiéndose radialmente sobre cada célula de carga unitaria. Del mismo modo, el elemento superior de la pila constituida por el nivel 610 se cierra por una placa 603 que tiene tres series de orificios de flujo de gas 6030, 6031, y 6032 distribuidos alrededor del área de carga anular del nivel 610, cada una de las series extendiéndose radialmente sobre cada célula de carga unitaria.

El dispositivo de carga de la invención, sin considerar si tiene uno o más niveles de carga anulares que se apilan uno sobre otro o distribuyen de manera concéntrica en relación entre si, se comporta como un mini-reactor que permite que los sustratos que contiene se densifiquen en manera independiente. Consecuentemente, cuando la capacidad de la cámara de reacción del horno de densificación o instalación hace esto posible, puede distribuirse una pluralidad de dispositivos en una cámara única. De esta manera pueden contemplarse numerosas configuraciones de carga.

Figura 12 es un diagrama que muestra una cámara de reacción 70 de una instalación de infiltración química de vapor u horno que tiene sustratos para cargarlos por densificación en la misma. La cámara 70 generalmente es cilindrica en forma.

Para densificar los sustratos, un gas reactivo que contiene uno o más precursores para el material de la matriz que está por depositarse, se introduce en la cámara 70. Por ejemplo, cuando el material es carbono, se utilizan compuestos de hidrocarburo gaseoso, típicamente propano, o metano, o una mezcla de ambos. Cuando el material es cerámico, por ejemplo, tal como carburo de silicio (SiC) , es posible en una manera conocida utilizar metiltriclorosilano (MTS) como un precursor para SiC.

En una manera conocida, los sustratos porosos se densifican al depositar material matriz dentro de ellos, este material produciéndose por descomposición del precursor contenido en el gas reactivo que se difunde dentro de los poros internos accesibles de los sustratos. Las condiciones de temperatura y presión necesarias para obtener una variedad de depósitos matriz por infiltración química de vapor se conocen por ellos mismos.

En el ejemplo mostrado, el gas reactivo se transmite por un tubo de admisión 71 que conduce al elemento superior de la cámara. El gas residual se evacúa del elemento inferior de la cámara a través de un tubo de evacuación 72 que se conecta a medios de succión (no mostrados) .

El interior de la cámara se calienta por un susceptor 73 de grafito que forma un circuito secundario que se acopla electromagnéticamente con una bobina de inducción (no mostrada) . El susceptor 73 coopera con la tapa 70a a través de la cual pasa el tubo 71 y la parte inferior 70b a través de la cual pasa el tubo 72 para definir el volumen interior 74 de la cámara. Del mismo modo la parte inferior y la tapa se hacen de grafito.

Para densificar sustratos porosos, tales como preformas de fibra de cuchilla, por ejemplo, las preformas se cargan en el volumen interior 74 de la cámara 70 por medio de un dispositivo de carga 75 hecho de una pluralidad de niveles de carga 751 distribuidos entre una placa inferior 752 y una placa superior 753. La estructura y la operación del dispositivo de carga 75 son similares a la estructura y la operación del dispositivo 200 descrito con referencia a las Figuras 6 y 7. La abertura central 7530 en la placa superior 753 se conecta al tubo de admisión de gas reactivo 71 para suministrar los niveles de carga 751 del dispositivo 75 a través de los orificios de suministro de gas 7511 presentes en las unidades internas 7510 de dichos niveles. El gas residual evacuado a través de los orificios de evacuación 7513 presentes en las unidades exteriores 7512 de los niveles de carga 751 del dispositivo 75 se evacúa de la cámara a través de un tubo de evacuación 72. El flujo de la corriente de gas reactivo a través del dispositivo de carga 75 es como se muestra en la Figura 7.

Figura 13 es un diagrama de una cámara de reacción 80 de una instalación de infiltración química de vapor u horno que tiene su volumen interior 84 definido por un susceptor 83, una tapa 80a teniendo una pluralidad de tubos de suministro de gas reactivo 81 que pasa a través de la misma, y una parte inferior 80b que tiene un tubo de evacuación 82 que pasa a través de la misma. Sustratos porosos, tales como preformas de fibra de cuchilla, por ejemplo, se cargan dentro de la cámara 80 por medio de un dispositivo de carga 85 hecho de una pluralidad de niveles de carga 851 instalados entre una placa inferior 852 y una placa superior 853. La estructura y la operación del dispositivo de carga 85 son similares a la estructura y la operación del dispositivo 400 descrito con referencia a las Figuras 8 y 9. Los orificios de suministro en la placa superior 853 se conectan a tubos de admisión de gas reactivo 81 para suministrar los niveles de carga 851 del dispositivo 85. El gas residual evacuado a través de los orificios de evacuación (no mostrados en la Figura 13) presente en la placa inferior 852 se evacúa de la cámara a través de un tubo de evacuación 82. El flujo de la corriente de gas reactivo a través del dispositivo de carga 85 tiene lugar como se muestra en la Figura 9.

La cámara de reacción 80 igualmente podría cargarse bien con sustratos porosos, tales como preformas de fibra de cuchilla, por ejemplo, al utilizar un dispositivo de carga similar a aquel de la Figura 11.

Figura 14 muestra otra configuración de carga posible utilizando una estructura de pirámide. Esta configuración consiste en apilar una pluralidad de dispositivos de carga en una cámara de reacción 90 de una instalación de infiltración química de vapor u horno, habiendo tres dispositivos de carga 91, 92, y 93 de diámetro decrecientes en este ejemplo. La estructura y la operación de los dispositivos de carga 91, 92, y 93 son similares a la estructura y la operación del dispositivo 400 descrito con referencia a las Figuras 8 y 9. El gas reactivo se introduce en los dispositivos de carga 91, 92, y 93 a través de tubos de admisión respectivos 95a, 96a, y 97a. El gas residual que viene de los dispositivos de carga 91, 92, y 93 se evacúa a través de tubos de evacuación respectivos 95b, 96b, y 97b.

En todavía otra configuración de carga posible como se muestra en la Figura 15, una pluralidad de dispositivos de carga se apila en una cámara de reacción 800 de una instalación de infiltración química de vapor u horno, habiendo cuatro dispositivos de carga 801 a 804 del mismo diámetro en este ejemplo. La estructura y la operación de los dispositivos de carga 801 a 804 son similares a la estructura y la operación del dispositivo 400 descrito con referencia a las Figuras 8 y 9. El gas reactivo se introduce en los dispositivos de carga 801 a 804 a través de tubos de admisión respectivos 805a, 806a, 807a, y 808a. El gas residual que viene de los dispositivos de carga 801 a 804 se evacúa a través de tubos de evacuación respectivos 805b, 806b, 807b, y 808b.

A manera de ejemplo, todos los elementos del dispositivo de carga de la invención (unidades, placas, elementos de soporte de sustrato, ... ) pueden hacerse de grafito, de grafito expandido, de un material compuesto C/C.

Con carga múltiple hecha de una pluralidad de dispositivos de carga, cada uno de ellos posiblemente comprendiendo una pluralidad de niveles de carga, la adaptación de la instalación de densificación consiste meramente en suministrar gas reactivo a cada mini-reactor constituido por uno de los dispositivos. Las tasas de flujo de gas reactivo se multiplican meramente por el número de dispositivos a suministrarse y el número de niveles de carga per dispositivo. Además, los problemas de flujo en zonas muertas que se encuentran al utilizar métodos de flujo libre en cámaras de reacción de gran tamaño, se eliminan al utilizar dispositivos de carga de la invención.

El dispositivo de carga de la invención también presenta la ventaja de permitir que la carga se prepare por adelantado, es decir, lejos de las premisas que contienen el horno de infiltración, y para los sustratos que son para densificarse para transportarse con bajo riesgo hacia la cámara de reacción, en contraste con la herramienta estándar que se utiliza convencionalmente con un flujo libre. El tiempo requerido para cargar y descargar hornos de infiltración química de vapor de esta manera se acorta y se hace más fácil el manejo.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de carga para cargar sustratos porosos de formas tridimensionales extendiéndose principalmente en una dirección longitudinal hacia una cámara de reacción de un horno de infiltración para densificación de las preformas por infiltración química de vapor en flujo dirigido, el dispositivo comprendiendo: al menos un nivel de carga anular formado por unidades verticales anulares, primera y segunda, distribuidas de manera concéntrica en relación entre sí y definiendo entre ellas un área de carga anular para que se densifiquen los sustratos porosos; placas, primera y segunda cubriendo respectivamente el elemento inferior y el elemento superior del área de carga anular; cada una de las unidades verticales anulares, primera y segunda, incluyendo miembros de soporte distribuidos en el área de carga anular, los miembros de soporte de las unidades verticales anulares, primera y segunda, estando en alineación radial para definir entre ellas celdas de carga unitaria cada una para recibir un sustrato respectivo a densificarse; y el dispositivo también incluye al menos un orificio de suministro de gas y al menos un orificio de evacuación de gas en la inmediación de cada celda de carga unitaria.

2. Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, en donde la primer unidad vertical anular de cada nivel de carga incluye al menos un orificio de suministro de gas en la inmediación de cada celda de carga unitaria, y en que la segunda pared vertical anular de cada nivel de carga incluye al menos un orificio de evacuación de gas en la inmediación de cada celda de carga unitaria.

3. Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 2, comprendiendo una pluralidad de niveles de carga anulares apilados uno sobre otro y distribuidos entre las placas, primera y segunda.

4. Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, en donde la primer placa tiene orificios de suministro de gas en registro con cada celda de carga unitaria, y en que la segunda placa tiene orificios de evacuación de gas en registro con cada celda de carga unitaria.

5. Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 4, comprendiendo una pluralidad de niveles de carga anulares apilados uno sobre otro y distribuidos entre las placas, primera y segunda.

6. Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 4 o 5, incluyendo además una pluralidad de niveles de carga anulares de diferentes dimensiones radiales, dichos niveles distribuidos de manera concéntrica en relación entre si.

7. Una instalación para densificar sustratos porosos por infiltración química de vapor, los sustratos porosos siendo de forma tridimensional extendiéndose principalmente en una dirección longitudinal, la instalación comprendiendo una cámara de reacción, un tubo de admisión de gas reactivo situado en un primer extremo de la cámara, y un tubo de evacuación situado en la inmediación de un segundo extremo de la cámara alejado del primero, en donde la cámara contiene una pluralidad de sustratos porosos de forma tridimensional extendiéndose principalmente en una dirección longitudinal, dichos sustratos distribuyéndose en un dispositivo de carga según cualquiera de las reivindicaciones 3, 5, y 6, el (los) orificio (s) de suministro de gas de dicho dispositivo suministrándose con gas reactivo a través del tubo de admisión de gas reactivo de la cámara.

8. Una instalación de conformidad con la reivindicación 7, en donde los sustratos porosos son preformas de fibra para cuchillas de motor aeronáutico.

9. Una instalación para densificar sustratos porosos por infiltración química de vapor, los sustratos porosos siendo de forma tridimensional extendiéndose principalmente en una dirección longitudinal, la instalación comprendiendo una cámara de reacción, una pluralidad de tubos de admisión de gas reactivo situados en un primer extremo de la cámara, y al menos un tubo de evacuación situado en la inmediación de un segundo extremo de la cámara alejado del primero, en donde la cámara contiene una pluralidad de sustratos porosos de forma tridimensional extendiéndose principalmente en una dirección longitudinal, dichos sustratos distribuyéndose en al menos un dispositivo de carga de conformidad con la reivindicación 5 o 6, el (los) orificio (s) de suministro de gas de cada dispositivo suministrándose con gas reactivo a través de los tubos de admisión de gas reactivo de la cámara .

10. Una instalación de conformidad con la reivindicación 9, en donde la cámara contiene una pluralidad de dispositivos de carga de diámetro decreciente apilados uno sobre otro.

11. Una instalación de conformidad con la reivindicación 9, en donde la cámara contiene una pluralidad de dispositivos de carga del mismo diámetro apilados uno sobre otro.

12. Una instalación de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en donde los sustratos porosos son preformas de fibra para cuchillas de motor aeronáutico.