一种炭/炭复合材料制动盘致密化方法

摘要

本发明涉及一种炭/炭复合材料制动盘致密化方法，涉及炭/炭复合材料制动盘制备领域。包括CVI前期致密化、粗加工、CVI后期致密化、高温热处理、最终精加工五个步骤，本发明在CVI前期致密化和CVI后期致密化中，在目标温度下，采用循环抽真空‑进气保压操作替代常规刹车盘生产过程中的同时进、抽气操作，致使沿制动盘径向形成显著压差，使得炉膛内的碳源气能够充分裂解，提高了碳源气的利用率，最大限度地降低了碳源气的浪费，节约了炭/炭复合材料制动盘的制备成本。

权利要求

1.一种炭/炭复合材料制动盘致密化方法，其特征在于步骤如下：步骤1：CVI前期致密化

步骤11：预制体装炉：将圆环形预制体叠放在沉积炉底板上，使得沉积炉底板上的进气口位于预制体料柱中心，预制体料柱顶部放置石墨盖板，在进气情况下对料柱内部气路进行封堵，使气体沿圆环形预制体半径方向形成压差；

步骤12：抽真空：装炉完成后对炉体进行抽真空，真空度小于等于0.3Kpa时停泵并关闭抽气管道阀门；

步骤13：加热升温：启动电源对炉体进行加热升温，当温度升至900‑1100℃时保温；

步骤14：通气保压：向炉腔内通入天然气至炉内进口压力为2.5‑3MPa时，停止通气并在

900‑1100℃下保温30‑40min，使气体充分裂解沉积，对预制体进行致密化；

3

步骤15：重复步骤12、14循环500‑700次，直至密度达到1.60g/cm以上；

步骤2：粗加工

将满足密度要求的炭/炭制动盘进行表面粗加工处理，打开炭/炭制动盘表面闭合的孔隙；

步骤3：CVI后期致密化

步骤31：预制体装炉：将圆环形预制体按要求叠放在沉积炉底板上，使得沉积炉底板上的进气口位于预制体料柱中心，预制体料柱顶部放置石墨盖板，在进气情况下对料柱内部气路进行封堵，使气体沿圆环形预制体半径方向形成压差；

步骤32：抽真空：装炉完成后对炉体进行抽真空，真空度小于等于0.3Kpa时停泵并关闭抽气管道阀门；

步骤33：加热升温：启动电源对炉体进行加热升温，当温度升至900‑1100℃时保温；

步骤34：通气保压：向炉腔内通入天然气至炉内进口压力为2.5‑3MPa时，停止通气并在

900‑1100℃下保温30‑40min，使气体充分裂解沉积，对预制体进行致密化；

3

步骤35：重复步骤32、34循环500‑700次，直至密度达到1.74g/cm以上；

步骤4：高温热处理

将满足密度要求的炭/炭制动盘置于高温热处理炉中进行2000‑2500℃、1‑5h的高温热处理；

步骤5：最终精加工

将完成高温热处理的炭/炭制动盘按照相关图纸进行最终精加工，获得最终炭/炭复合材料制动盘。

2.根据权利要求1所述的一种炭/炭复合材料制动盘致密化方法，其特征在于所述的石墨盖板为10kg。

说明书

一种炭/炭复合材料制动盘致密化方法

技术领域

[0001] 本发明涉及炭/炭复合材料制动盘制备领域，具体是一种炭/炭复合材料制动盘致密化方法。

背景技术

[0002] 炭/炭复合材料是以碳纤维及其织物增强的碳基复合材料，因具有高的比强度、高的比热容、优良的导热、低的膨胀系数、稳定的摩擦磨损性能及低密度等一系列优点而被广泛应用于航空航天领域。相比传统的钢制动盘，炭/炭复合材料制动盘重量轻、承载能力高、抗热冲击性能好，可在高温下工作且不易产生变形、掉块、粘结，使用寿命长，可维护性好，因此已成为飞机制动盘的首选材料。

[0003] 以复合针刺准3D碳纤维预制体为增强体的炭/炭复合材料制动盘主要的致密化方法有液相浸渍法与化学气相渗透法（CVI）两种。液相浸渍法是将炭/炭预制体浸渍在树脂等有机物中，通过热处理方式使得树脂等有机物在惰性气氛中转化为碳，从而填补预制体孔隙、实现坯体致密化的过程，该工艺过程繁杂、制品易产生显微裂纹、分层等缺陷。相比于液相浸渍，化学气相渗透法工艺简单，增密过程易于控制，所获炭/炭复合材料制动盘具有优异的热物理性能、力学性能及摩擦磨损性能，是目前炭/炭复合材料制动盘致密化最主要的方法。

[0004] 化学气相渗透法（CVI）是通过碳氢气体（天然气、丙烯等）在一定温度下受热裂解并在预制体孔隙中形成沉积碳的工艺方法。201510555712.4公布了一种炭/炭刹车盘的制备方法，该专利公布的CVI致密化过程并未进行抽真空‑进气保压操作，仅对炉内压力作简单要求，沉积时间较长。

发明内容

[0005] 要解决的技术问题

[0006] 为了解决目前炭/炭复合材料制动盘化学气相渗透周期长，密度增长缓慢，生产成本高的问题，本发明在现有工艺基础上进行了优化、改进，提出了一种炭/炭复合材料制动盘致密化方法，不仅提高了产品的增密效率、缩短了沉积时间、降低了生产成本，而且提高了炭/炭复合材料制动盘的密度均匀性，有助于延长制动盘的使用寿命。

[0007] 技术方案

[0008] 一种炭/炭复合材料制动盘致密化方法，其特征在于步骤如下：

[0009] 步骤1：CVI前期致密化

[0010] 步骤11：预制体装炉：将圆环形预制体叠放在沉积炉底板上，使得沉积炉底板上的进气口位于预制体料柱中心，预制体料柱顶部放置石墨盖板，在进气情况下对料柱内部气路进行封堵，使气体沿圆环形预制体半径方向形成压差；

[0011] 步骤12：抽真空：装炉完成后对炉体进行抽真空，真空度小于等于0.3Kpa时停泵并关闭抽气管道阀门；

[0012] 步骤13：加热升温：启动电源对炉体进行加热升温，当温度升至900‑1100℃时保温；

[0013] 步骤14：通气保压：向炉腔内通入天然气至炉内进口压力为2.5‑3MPa时，停止通气并在900‑1100℃下保温30‑40min，使气体充分裂解沉积，对预制体进行致密化；

[0014] 步骤15：重复步骤12、14循环500‑700次，直至密度达到1.60g/cm3以上；

[0015] 步骤2：粗加工

[0016] 将满足密度要求的炭/炭制动盘进行表面粗加工处理，打开炭/炭制动盘表面闭合的孔隙；

[0017] 步骤3：CVI后期致密化

[0018] 步骤31：预制体装炉：将圆环形预制体按要求叠放在沉积炉底板上，使得沉积炉底板上的进气口位于预制体料柱中心，预制体料柱顶部放置石墨盖板，在进气情况下对料柱内部气路进行封堵，使气体沿圆环形预制体半径方向形成压差；

[0019] 步骤32：抽真空：装炉完成后对炉体进行抽真空，真空度小于等于0.3Kpa时停泵并关闭抽气管道阀门；

[0020] 步骤33：加热升温：启动电源对炉体进行加热升温，当温度升至900‑1100℃时保温；

[0021] 步骤34：通气保压：向炉腔内通入天然气至炉内进口压力为2.5‑3MPa时，停止通气并在900‑1100℃下保温30‑40min，使气体充分裂解沉积，对预制体进行致密化；

[0022] 步骤35：重复步骤32、34循环500‑700次，直至密度达到1.74g/cm3以上；

[0023] 步骤4：高温热处理

[0024] 将满足密度要求的炭/炭制动盘置于高温热处理炉中进行2000‑2500℃、1‑5h的高温热处理；

[0025] 步骤5：最终精加工

[0026] 将完成高温热处理的炭/炭制动盘按照相关图纸进行最终精加工，获得最终炭/炭复合材料制动盘。

[0027] 所述的石墨盖板为10kg。

[0028] 有益效果

[0029] 传统的CVI法制备刹车盘采用一边进气、一边抽气的方式进行沉积，该方法致密效率低、工艺周期长、生产成本高。本发明在此基础上进一步进行改进，即将炉膛升温至目标温度后，循环进行抽真空‑进气保压操作，致使沿制动盘径向形成显著压差，从而显著提高了制盘的沉积效率，缩短了沉积时间。本发明的有益效果如下：

[0030] 1、本发明在目标温度下，采用循环抽真空‑进气保压操作替代常规刹车盘生产过程中的同时进、抽气操作，致使沿制动盘径向形成显著压差，使得炉膛内的碳源气能够充分裂解，提高了碳源气的利用率，最大限度地降低了碳源气的浪费，节约了炭/炭复合材料制动盘的制备成本。

[0031] 2、本发明在目标温度下，采用循环抽真空‑进气保压操作替代常规刹车盘生产过程中的同时进、抽气操作，致使沿制动盘径向形成显著压差，有效延缓了制动盘表面封孔速率，提高了碳盘密度均匀性，并且提升了增密效率，缩短了沉积周期。

[0032] 3、专利201510555712.4公布了一种炭/炭刹车盘的制备方法，该专利公布的CVI致密化过程并未进行抽真空‑进气保压循环操作，仅对炉内压力作简单要求，相比于该专利公布的三个CVI阶段、两次表面加工过程，使用本发明提出的致密化方法制备炭/炭复合材料制动盘仅需两个CVI阶段及一次表面加工即可使炭/炭制动盘达到相同的最终密度，使得炭/炭制动盘的总沉积时间减少（250‑400）h，极大地降低了碳盘的生产成本。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0034] 为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

[0035] 实施例1

[0036] 本实施例是一种炭/炭复合材料制动盘致密化方法，具体步骤如下：

[0037] 步骤1：CVI前期致密化

[0038] 步骤11：预制体装炉。将圆环形预制体按要求叠放在沉积炉底板上，使得沉积炉底板上的进气口位于预制体料柱中心，预制体料柱顶部放置具有一定重量的石墨盖板，在进气情况下对料柱内部气路进行封堵，使气体沿圆环形预制体半径方向形成压差。

[0039] 步骤12：抽真空。装炉完成后对炉体进行抽真空，真空度为0.3Kpa时停泵并关闭抽气管道阀门。

[0040] 步骤13：加热升温。启动电源对炉体进行加热升温，当温度升至900℃时进行保温操作。

[0041] 步骤14：通气保压。向炉腔内通入天然气至炉内进口压力为3MPa时，停止通气并在900℃下保温30min，使气体充分裂解沉积，对预制体进行致密化。

[0042] 步骤15：重复上述步骤12、14循环700次，直至密度达到1.60g/cm3以上。

[0043] 步骤2：粗加工

[0044] 将满足密度要求的炭/炭制动盘进行表面粗加工处理，打开炭/炭制动盘表面闭合的孔隙。

[0045] 步骤3：CVI后期致密化

[0046] 步骤31：预制体装炉。将圆环形预制体按要求叠放在沉积炉底板上，使得沉积炉底板上的进气口位于预制体料柱中心，预制体料柱顶部放置具有一定重量的石墨盖板，在进气情况下对料柱内部气路进行封堵，使气体沿圆环形预制体半径方向形成压差。

[0047] 步骤32：抽真空。装炉完成后对炉体进行抽真空，真空度为0.3Kpa时停泵并关闭抽气管道阀门。

[0048] 步骤33：加热升温。启动电源对炉体进行加热升温，当温度升至900℃时进行保温操作。

[0049] 步骤34：通气保压。向炉腔内通入天然气至炉内进口压力为3MPa时，停止通气并在900℃下保温30min，使气体充分裂解沉积，对预制体进行致密化。

[0050] 步骤35：重复上述32、34循环500次，直至密度达到1.74g/cm3以上。

[0051] 步骤4：高温热处理

[0052] 将满足密度要求的炭/炭制动盘置于高温热处理炉中进行2000℃、5h的高温热处理。

[0053] 步骤5：最终精加工

[0054] 将完成高温热处理的炭/炭制动盘按照相关图纸进行最终精加工，获得最终炭/炭复合材料制动盘。

[0055] 实施例2

[0056] 本实施例是一种炭/炭复合材料制动盘致密化方法，具体步骤如下：

[0057] 步骤1：CVI前期致密化

[0058] 步骤11：预制体装炉。将圆环形预制体按要求叠放在沉积炉底板上，使得沉积炉底板上的进气口位于预制体料柱中心，预制体料柱顶部放置具有一定重量的石墨盖板，在进气情况下对料柱内部气路进行封堵，使气体沿圆环形预制体半径方向形成压差。

[0059] 步骤12：抽真空。装炉完成后对炉体进行抽真空，真空度为0.28Kpa时停泵并关闭抽气管道阀门。

[0060] 步骤13：加热升温。启动电源对炉体进行加热升温，当温度升至1100℃时进行保温操作。

[0061] 步骤14：通气保压。向炉腔内通入天然气至炉内进口压力为2.5MPa时，停止通气并在1100℃下保温40min，使气体充分裂解沉积，对预制体进行致密化。

[0062] 步骤15：重复步骤12、14循环700次，直至密度达到1.60g/cm3以上。

[0063] 步骤2：粗加工

[0064] 将满足密度要求的炭/炭制动盘进行表面粗加工处理，打开炭/炭制动盘表面闭合的孔隙。

[0065] 步骤3： CVI后期致密化

[0066] 步骤31：预制体装炉。将圆环形预制体按要求叠放在沉积炉底板上，使得沉积炉底板上的进气口位于预制体料柱中心，预制体料柱顶部放置具有一定重量的石墨盖板，在进气情况下对料柱内部气路进行封堵，使气体沿圆环形预制体半径方向形成压差。

[0067] 步骤32：抽真空。装炉完成后对炉体进行抽真空，真空度为0.28Kpa时停泵并关闭抽气管道阀门。

[0068] 步骤33：加热升温。启动电源对炉体进行加热升温，当温度升至1100℃时进行保温操作。

[0069] 步骤34：通气保压。向炉腔内通入天然气至炉内进口压力为2.5MPa时，停止通气并在1100℃下保温40min，使气体充分裂解沉积，对预制体进行致密化。

[0070] 步骤35：重复上述步骤32、34 循环700次，直至密度达到1.74g/cm3以上。

[0071] 步骤4：高温热处理

[0072] 将满足密度要求的炭/炭制动盘置于高温热处理炉中进行2000℃、5h的高温热处理。

[0073] 步骤5：最终精加工

[0074] 将完成高温热处理的炭/炭制动盘按照相关图纸进行最终精加工，获得最终炭/炭复合材料制动盘。

[0075] 实施例3

[0076] 本实施例是一种炭/炭复合材料制动盘致密化方法，具体步骤如下：

[0077] 步骤1：CVI前期致密化

[0078] 步骤11：预制体装炉。将圆环形预制体按要求叠放在沉积炉底板上，使得沉积炉底板上的进气口位于预制体料柱中心，预制体料柱顶部放置具有一定重量的石墨盖板，在进气情况下对料柱内部气路进行封堵，使气体沿圆环形预制体半径方向形成压差。

[0079] 步骤12：抽真空。装炉完成后对炉体进行抽真空，真空度为0.3Kpa时停泵并关闭抽气管道阀门。

[0080] 步骤13：加热升温。启动电源对炉体进行加热升温，当温度升至900℃时进行保温操作。

[0081] 步骤14：通气保压。向炉腔内通入天然气至炉内进口压力为3MPa时，停止通气并在900℃下保温30min，使气体充分裂解沉积，对预制体进行致密化。

[0082] 步骤15：重复上述步骤12、14循环700次，直至密度达到1.60g/cm3以上。

[0083] 步骤2：粗加工

[0084] 将满足密度要求的炭/炭制动盘进行表面粗加工处理，打开炭/炭制动盘表面闭合的孔隙。

[0085] 步骤3：CVI后期致密化

[0086] 步骤31：预制体装炉。将圆环形预制体按要求叠放在沉积炉底板上，使得沉积炉底板上的进气口位于预制体料柱中心，预制体料柱顶部放置具有一定重量的石墨盖板，在进气情况下对料柱内部气路进行封堵，使气体沿圆环形预制体半径方向形成压差。

[0087] 步骤32：抽真空。装炉完成后对炉体进行抽真空，真空度为0.3Kpa时停泵并关闭抽气管道阀门。

[0088] 步骤33：加热升温。启动电源对炉体进行加热升温，当温度升至900℃时进行保温操作。

[0089] 步骤34：通气保压。向炉腔内通入天然气至炉内进口压力为3MPa时，停止通气并在900℃下保温30min，使气体充分裂解沉积，对预制体进行致密化。

[0090] 步骤35：重复上述32、34 循环500次，直至密度达到1.74g/cm3以上。

[0091] 步骤4：高温热处理

[0092] 将满足密度要求的炭/炭制动盘置于高温热处理炉中进行2500℃、1h的高温热处理。

[0093] 步骤5：最终精加工

[0094] 将完成高温热处理的炭/炭制动盘按照相关图纸进行最终精加工，获得最终炭/炭复合材料制动盘。

[0095] 实施例4

[0096] 本实施例是一种炭/炭复合材料制动盘致密化方法，具体步骤如下：

[0097] 步骤1：CVI前期致密化

[0098] 步骤11：预制体装炉。将圆环形预制体按要求叠放在沉积炉底板上，使得沉积炉底板上的进气口位于预制体料柱中心，预制体料柱顶部放置具有一定重量的石墨盖板，在进气情况下对料柱内部气路进行封堵，使气体沿圆环形预制体半径方向形成压差。

[0099] 步骤12：抽真空。装炉完成后对炉体进行抽真空，真空度为0.28Kpa时停泵并关闭抽气管道阀门。

[0100] 步骤13：加热升温。启动电源对炉体进行加热升温，当温度升至1100℃时进行保温操作。

[0101] 步骤14：通气保压。向炉腔内通入天然气至炉内进口压力为2.5MPa时，停止通气并在1100℃下保温40min，使气体充分裂解沉积，对预制体进行致密化。

[0102] 步骤15：重复上述步骤12、14循环700次，直至密度达到1.60g/cm3以上。

[0103] 步骤2：粗加工

[0104] 将满足密度要求的炭/炭制动盘进行表面粗加工处理，打开炭/炭制动盘表面闭合的孔隙。

[0105] 步骤3：CVI后期致密化

[0106] 步骤31：预制体装炉。将圆环形预制体按要求叠放在沉积炉底板上，使得沉积炉底板上的进气口位于预制体料柱中心，预制体料柱顶部放置具有一定重量的石墨盖板，在进气情况下对料柱内部气路进行封堵，使气体沿圆环形预制体半径方向形成压差。

[0107] 步骤32：抽真空。装炉完成后对炉体进行抽真空，真空度小于等于0.28Kpa时停泵并关闭抽气管道阀门。

[0108] 步骤33：加热升温。启动电源对炉体进行加热升温，当温度升至1100℃时进行保温操作。

[0109] 步骤34：通气保压。向炉腔内通入天然气至炉内进口压力为0.25MPa时，停止通气并在1100℃下保温40min，使气体充分裂解沉积，对预制体进行致密化。

[0110] 步骤35：重复上述步骤32、34循环500次，直至密度达到1.74g/cm3以上。

[0111] 步骤4：高温热处理

[0112] 将满足密度要求的炭/炭制动盘置于高温热处理炉中进行2500℃、1h的高温热处理。

[0113] 步骤5：最终精加工

[0114] 将完成高温热处理的炭/炭制动盘按照相关图纸进行最终精加工，获得最终炭/炭复合材料制动盘。

[0115]CVI方法 沉积时间/h
改进前 900‑1200
改进后 600‑900

[0116] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。