專(zhuān)利名稱(chēng)：：利用化學(xué)氣相滲透致密化制造合成材料件的方法和襯底以及獲得的合成材料件的制作方法利用化學(xué)氣相滲透致密化制造合成材料件的方法和襯底以及獲得的合成材料件
背景技術(shù)：
：本發(fā)明涉及，通過(guò)形成纖維襯底并通過(guò)基體(matrix)致密化該襯底來(lái)制造合成材料件，該基體本身由化學(xué)氣相滲透(CVI)型方法形成。本發(fā)明的一個(gè)特定但不唯一的應(yīng)用領(lǐng)域是用碳/碳(C/C)合成材料制造剎車(chē)盤(pán)，特別是包含一套共軸的交替的固定盤(pán)和旋轉(zhuǎn)盤(pán)的飛機(jī)剎車(chē)。然而，本發(fā)明還可以用于用碳/碳合成材料或者其它合成材料(特別是陶瓷基體復(fù)合(CMC)材料制造其它零件。利用CVI型方法致密化多孔襯底(例如纖維襯底或者預(yù)成品(preforms))已經(jīng)廣為人知。在傳統(tǒng)CVI工藝中，將用于致密化處理的襯底放置于爐中。將反應(yīng)氣體引入爐中，在設(shè)定的溫度和壓力條件下通過(guò)分解反應(yīng)氣體的一種或多種成分，或者通過(guò)多種成分之間的反應(yīng)將構(gòu)成基體的材料沉積在襯底的孔中。另外一種已知方法是將用于致密化處理的襯底放置于反應(yīng)器中，同構(gòu)成基體材料的前驅(qū)物(precursor)—起加熱。前驅(qū)物在反應(yīng)器中呈液態(tài)，通入電流或者利用線(xiàn)圈進(jìn)行電磁耦合將襯底加熱，襯底由導(dǎo)電纖維(比如碳纖維)制成。這種工藝在美國(guó)專(zhuān)利4472454、5397595或5389152有著詳細(xì)描述，有時(shí)也被稱(chēng)作加熱致密化(densificationbycalefaction)。因?yàn)榍膀?qū)物在熱襯底上(并且與襯底接觸)蒸發(fā)，所以在這里將這種工藝視為CVI型的致密化工藝。換言之，在本說(shuō)明書(shū)以及權(quán)利要求中的術(shù)語(yǔ)"CVI型工藝"或者"化學(xué)氣相滲透型工藝"涵蓋傳統(tǒng)化學(xué)氣相滲透工藝以及加熱致密化工藝。這種CVI型工藝的主要困難在于最小化襯底中致密化梯度(densificationgradient)以使所得零件在整個(gè)體積內(nèi)具有盡可能均勻的性質(zhì)。因?yàn)橐r底的表面部分首先與反應(yīng)氣體接觸，所以基體優(yōu)先沉積在襯底的表面部分。因此，計(jì)劃擴(kuò)散到襯底核心的氣體就會(huì)耗盡，襯底表面部分的孔也會(huì)過(guò)早封閉，這樣就逐漸減弱了氣體擴(kuò)散到核心的能力。這會(huì)導(dǎo)致在襯底的表面部分和核心之間出現(xiàn)致密化梯度。這就是為什么在實(shí)踐中(特別是制造較厚的零件時(shí))當(dāng)達(dá)到一定程度的致密化時(shí)需要中斷該工藝并且除去部分致密化(partially-densified)的襯底的原因，這是為了在一個(gè)稱(chēng)作"除去表層"(scalping)的操作中加工上述襯底的表面，以重新打開(kāi)表面的孔。然后繼續(xù)進(jìn)行致密化處理，這樣反應(yīng)氣體就更容易擴(kuò)散到襯底的核心。例如，制造剎車(chē)盤(pán)時(shí)，通常進(jìn)行至少兩個(gè)CVI致密化周期(周期I1和12)以及一次中間的除去表層操作。然而在實(shí)踐中，最終得到的零件還是會(huì)出現(xiàn)致密梯度。為了避免產(chǎn)生致密梯度，進(jìn)而可能避免除去表層的操作，已知的方法是執(zhí)行包含溫度梯度的CVI致密方法，即以非均勻的方式加熱襯底。文獻(xiàn)US5846611以及EP0946461描述了通過(guò)感應(yīng)線(xiàn)圈與一個(gè)或多個(gè)環(huán)形襯底之間直接耦合的非均勻加熱進(jìn)行致密化。在一些不太容易接觸到氣體的襯底區(qū)域內(nèi)，通過(guò)相比于襯底其它區(qū)域升高這些區(qū)域的溫度來(lái)促進(jìn)基體的沉積。然而，這種技術(shù)局限于某些特定形狀和種類(lèi)的襯底以及襯底在爐中的放置方式。美國(guó)專(zhuān)利5405560提出了一種促進(jìn)反應(yīng)氣體進(jìn)入由環(huán)形纖維預(yù)成品構(gòu)成的襯底內(nèi)部的方法，該預(yù)成品用于由碳/碳復(fù)合材料制成的剎車(chē)盤(pán)，該方法在預(yù)成品相對(duì)的兩個(gè)表面之間提供穿過(guò)預(yù)成品的孔作為通道。通過(guò)插入針推開(kāi)預(yù)成品中的纖維來(lái)形成孔，并且不會(huì)破壞預(yù)成品。在CVI致密化過(guò)程中，氣孔為反應(yīng)氣體到達(dá)預(yù)成品的中心部分提供了更短的路徑。然而，如下所述，申請(qǐng)人進(jìn)行的測(cè)試顯示該技術(shù)在最小化致密化梯度方面具有局限性。比較文獻(xiàn)(paralleldocument)FR2616779確實(shí)提到了利用壓力下的液體形成孔的可能性，這種方法可能部分破壞(destroy)纖維，但是該方法推薦避免損傷(damaging)纖維。文獻(xiàn)FR2144329也描述了在由碳/碳復(fù)合材料制成的剎車(chē)盤(pán)中形成孔的方法。然而，該文獻(xiàn)是通過(guò)液體技術(shù)致密化剎車(chē)盤(pán)纖維預(yù)成品，即將碳-前驅(qū)物樹(shù)脂注入預(yù)成品中，樹(shù)脂在預(yù)成品中交叉結(jié)合(cross-linked)(硬化)然后碳化或石墨化從而形成碳基體。孔形成于樹(shù)脂硬化之后、碳化或石墨化之前，孔的作用是在碳化或石墨化過(guò)程中排出揮發(fā)性物質(zhì)，從而避免氣體殘留在碳基體內(nèi)。這是與CVI致密化技術(shù)完全不同的工藝。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的之一是在CVI型致密化工藝中促進(jìn)反應(yīng)氣體的擴(kuò)散，首先為了在合成材料件的制造過(guò)程中獲得幾乎均勻致密化的纖維襯底，其次為了減少致密化周期的次數(shù)(這些周期被中間的除去表層的階段隔開(kāi))，或者甚至可以在單個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)致密化，因?yàn)椴辉傩枰ㄟ^(guò)中間的除去表層的階段重新打開(kāi)孔。通過(guò)一種制造合成材料件的方法可實(shí)現(xiàn)這一目的，該方法包括準(zhǔn)備纖維襯底，從襯底的至少一個(gè)表面開(kāi)始形成在襯底延伸的孔，以及通過(guò)基體致密化該襯底，該基體至少部分通過(guò)化學(xué)氣相滲透型工藝形成，在該方法中，通過(guò)從襯底中移除纖維材料(纖維被破壞)在襯底中形成孔，纖維在帶有孔的預(yù)成品中的排列方式與孔形成之前的初始排列方式相比基本沒(méi)有變化。如下所述，通過(guò)移除材料(纖維被破壞)在襯底中形成孔，可以令人驚訝地獲得幾乎均勻致密化的襯底，然而該結(jié)果與現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)插針形成孔(對(duì)纖維沒(méi)有破壞作用)時(shí)得到的結(jié)果明顯不同。還可以在單個(gè)周期中得到一定程度的致密化，而在現(xiàn)有技術(shù)中，這需要多個(gè)周期(由中間的除去表層過(guò)程隔開(kāi))才能實(shí)現(xiàn)。上述孔可以通過(guò)利用壓力下的高速水流加工形成。在本方法的另一實(shí)現(xiàn)方式中，可以通過(guò)對(duì)纖維材料具有破壞作用的局部熱作用(也可以同時(shí)暴露在氧化介質(zhì)中)形成孔。這可以特別應(yīng)用于碳纖維。局部熱作用可以通過(guò)激光輻射產(chǎn)生。在本方法的其它實(shí)施方式中，也可以使用高速工具(例如鉆頭、鉆孔機(jī)和切割機(jī))加工孔，或者用刀、沖壓機(jī)或模具切割、或者通過(guò)電腐蝕來(lái)形成孔。孔可以貫穿兩個(gè)表面之間的襯底，也可以是在襯底一個(gè)表面開(kāi)口的盲孔。此外，孔可以垂直于其開(kāi)口所處襯底的表面，也可以在不垂直于表面方向上延伸。當(dāng)襯底形成用于剎車(chē)盤(pán)的環(huán)狀預(yù)成品時(shí)，得到的孔可以是在至少一個(gè)垂直于預(yù)成品軸線(xiàn)的主表面上形成開(kāi)口的孔，也可以是在外圓周面并且可能在內(nèi)圓周面上形成開(kāi)口的孔(這樣孔就位于或基本位于徑向上)，或者是以上兩種孔的組合。選擇合適的孔的平均直徑以避免孔在CVI致密化過(guò)程結(jié)束之前由于基體材料沉積而關(guān)閉。比如，孔的平均直徑可選擇在大約0.05毫米到2毫米的范圍內(nèi)。小直徑的孔在致密化之后的使用中就不會(huì)有任何功能，比如不能為剎車(chē)盤(pán)提供任何冷卻功能。為了能夠幾乎均勻地致密化襯底，孔的密度應(yīng)該足夠大從而為反應(yīng)氣體提供到襯底任何部分都比較短的路徑。例如，孔的密度可選擇在大約每平方厘米0.06個(gè)孔(？L/平方厘米)到4孔/平方厘米的范圍內(nèi)，該密度是在襯底的中間平面(midplane)或者中間表面(mid-surface)按照每單位面積內(nèi)的孔數(shù)測(cè)量的。換言之，相鄰孔的軸線(xiàn)之間的距離或者間隔優(yōu)選處于大約0.5厘米到4厘米的范圍內(nèi)。在纖維襯底中孔的密度可以為恒定，從而以相同的方式為反應(yīng)氣體提供到襯底(用于致密化)所有部分的較短的路徑。在本發(fā)明的一個(gè)變化中，孔的密度也可以變化，在這種情況下，在沒(méi)有孔的情況下氣體路徑更長(zhǎng)以及傳輸?shù)揭r底核心的基體材料更少的襯底區(qū)域，可以設(shè)置更高的孔密度；在即使沒(méi)有孔的情況下傳輸?shù)幕w材料仍然足夠多的襯底區(qū)域，孔密度可以更小甚至為零。這樣，對(duì)于用于剎車(chē)盤(pán)(尤其是飛機(jī)剎車(chē)盤(pán))的具有環(huán)形預(yù)成品形式的襯底來(lái)說(shuō)，當(dāng)孔在至少一個(gè)襯底的主面形成開(kāi)口時(shí)，孔的密度可以變化，并且可以在襯底的中心部分(對(duì)應(yīng)于剎車(chē)盤(pán)的摩擦軌道(rubbingtrack))和與襯底內(nèi)、外圓周面相鄰的襯底部分之間減少。也可以?xún)H僅在襯底的中心部分(對(duì)應(yīng)于將來(lái)制造的剎車(chē)盤(pán)的摩擦軌道)形成孔。本發(fā)明還提供一種用于制造合成材料件的纖維襯底，該襯底具有從襯底的至少一個(gè)表面延伸到襯底內(nèi)的孔，其中在孔壁附近的纖維的每單位體積密度與在襯底其它部分的纖維的每單位體積密度相比沒(méi)有顯著增加。根據(jù)襯底的特性，孔被限定在纖維被除去或者破壞的區(qū)域。本發(fā)明還提供了一種合成材料件，包含由至少部分地通過(guò)化學(xué)氣相滲透型工藝得到的基體而致密化的纖維加強(qiáng)件(fiberreinforcement),和從它的至少一個(gè)表面延伸到它內(nèi)部的顯孔，在該合成材料件中，纖維加強(qiáng)件是由以上定義的襯底制成，或者在孔壁附近的加強(qiáng)纖維的每單位體積密度與在該材料件其它部分的纖維的每單位體積密度相比沒(méi)有顯著增加。閱讀以下非限制性的說(shuō)明并參考附圖可以更好地理解本發(fā)明，其中圖1表示在本發(fā)明所述方法的一種實(shí)施方式中制造合成材料件的連續(xù)步驟。圖2是一個(gè)用于制造剎車(chē)盤(pán)的環(huán)形纖維預(yù)成品的透視示意圖，其中己經(jīng)形成了孔。圖3是在圖2的平面III上的更大比例的局部剖面圖。圖4到6是顯示了不同孔的形狀的剖面圖，這些孔在用于剎車(chē)盤(pán)的環(huán)形纖維預(yù)成品的至少一個(gè)主面形成開(kāi)口。圖7到10顯示了孔在纖維襯底表面不同的排列方式。圖11和12顯示了不同形式的孔，這些孔至少在用于剎車(chē)盤(pán)的環(huán)形纖維預(yù)成品的外圓周面形成開(kāi)口。圖13是通過(guò)致密化處理、CVI、以及最后的加工得到的剎車(chē)盤(pán)的示意圖，其中使用了圖2所示的那種預(yù)成品。圖14是用于制造飛機(jī)剎車(chē)旋轉(zhuǎn)盤(pán)的纖維預(yù)成品的俯視圖，其中孔的密度是變化的。圖15是一幅高度簡(jiǎn)化的示意圖，顯示了將用于制造剎車(chē)盤(pán)的環(huán)形纖維預(yù)成品以堆疊的方式放置在CVI致密化爐中。圖16顯示了剎車(chē)盤(pán)(通過(guò)致密化圖14中的預(yù)成品得到)的密度在內(nèi)、外圓周面之間變化的曲線(xiàn)，并與致密化類(lèi)似的但是內(nèi)部沒(méi)有形成孔的預(yù)成品得到的剎車(chē)盤(pán)的密度變化進(jìn)行了比較。具體實(shí)施例方式圖1所示方法的第一步驟io是制造形狀接近于所要得到的合成材料件的三維(3D)纖維襯底或者纖維預(yù)成品。制造這樣的纖維預(yù)成品的技術(shù)已經(jīng)廣為人知。此外，也可以從一維(ID)纖維元件開(kāi)始，一維纖維元件比如線(xiàn)(yams)或繩(tows)，其可繞在模型(former)或者心軸上(mandrel)上，或者通過(guò)三維紡織、針織或編織(weaving、knitting、或者braiding)直接形成三維襯底。還可以從二維(2D)纖維結(jié)構(gòu)開(kāi)始，比如織物(wovenfabrics)、編織物(knits)、扁平編織物(flatbraids)、薄氈、由相互平行的線(xiàn)或繩組成的單向網(wǎng)(unidirectional(UD)webs)、或者由單向網(wǎng)在不同方向上重疊并連接在一起(比如通過(guò)輕型縫紉(lightneedling)或者縫合(stitching))所形成的多向網(wǎng)(multidirectionalwebs)。將由這樣的二維結(jié)構(gòu)組成的網(wǎng)層(plies)繞在模型或心軸上、或者織(drap)在模型或支撐物上使其重疊，并且連接在一起(比如通過(guò)縫紉、縫合、或者插入繩穿過(guò)這些網(wǎng)層)從而得到三維襯底。也可以通過(guò)縫紉隨機(jī)取向的不連續(xù)的纖維制成厚氈的形式獲得三維襯底。以這種方式得到的三維襯底可直接用作制造零件的纖維預(yù)成品。為了得到需要的形狀，也可以切割三維襯底得到所需的纖維預(yù)成品。構(gòu)成預(yù)成品的纖維通常根據(jù)合成材料件的應(yīng)用功能進(jìn)行選擇。對(duì)于熱結(jié)構(gòu)合成材料，即材料具有良好的機(jī)械特性并且能夠在高溫下保持這些特性，材料的纖維加強(qiáng)件中的纖維典型地由碳或陶瓷制成。預(yù)成品可以由這些纖維制成，或者由作為碳或陶瓷的前驅(qū)物的纖維制成，這些纖維更適于進(jìn)行各種紡織操作以制造三維纖維襯底。在這種情況下，制成襯底或預(yù)成品之后，前驅(qū)物通常在熱處理下被轉(zhuǎn)化成碳或陶瓷。本方法的第二步驟12是在預(yù)成品中形成孔，從而在隨后的CVI型致密化過(guò)程中改善反應(yīng)氣體到預(yù)成品中心的路徑。當(dāng)預(yù)成品是由轉(zhuǎn)化前驅(qū)物材料所得到的材料的纖維制成時(shí)，可以在轉(zhuǎn)化前驅(qū)物之前或之后在預(yù)成品中形成孔。如果是在轉(zhuǎn)化之前形成，就應(yīng)該注意在前驅(qū)物的轉(zhuǎn)化過(guò)程中可能出現(xiàn)的任何收縮從而保證孔具有要求的尺寸。圖2和3顯示了由碳纖維材料制成的環(huán)形纖維預(yù)成品20，該預(yù)成品用于制造碳/碳(C/C)材料的剎車(chē)盤(pán)。這種預(yù)成品可以通過(guò)切割平板形狀的三維纖維襯底得到，該纖維襯底例如可以通過(guò)重疊并且縫紉布料層、預(yù)氧化腈綸(PAN)(碳的前驅(qū)物)材料的單向或多向網(wǎng)得到。預(yù)成品也可以通過(guò)重疊并且縫紉從單向或多向的預(yù)氧化腈綸纖維布料或網(wǎng)切割下來(lái)的環(huán)形層得到。使用預(yù)氧化腈綸纖維制成預(yù)成品之后，通過(guò)熱處理將預(yù)氧化腈綸纖維轉(zhuǎn)化成碳。以上可參考美國(guó)專(zhuān)利4790052以及5792715。在預(yù)成品20中，形成的孔22平行于軸線(xiàn)21并且穿過(guò)兩個(gè)主面20a和20b之間的整個(gè)厚度，孔22在兩個(gè)主面形成開(kāi)口，兩個(gè)主面與軸線(xiàn)21垂直。在圖4所示的一個(gè)變化中，在預(yù)成品中形成盲孔22a和22b，孔22a只在面20a形成開(kāi)口，而孔22b只在面20b形成開(kāi)口?？梢杂^察到孔22a和22b穿過(guò)了預(yù)成品整個(gè)厚度的非常大的一部分。在另一個(gè)變化中，孔可以形成在斜向上，即它們的軸線(xiàn)可以與面20a和20b的法線(xiàn)、或者預(yù)成品20的軸線(xiàn)成非零度角，這種情況適用于通孔22'(圖5)或盲孔22'a和22'b(圖6)。在圖2中，沿同心環(huán)等間隔設(shè)置孔22。它們也可以沿螺旋線(xiàn)設(shè)置。此外，無(wú)論纖維預(yù)成品20為環(huán)形還是其它形狀，孔22都可以按照其它圖案設(shè)置，比如設(shè)置在四邊形的頂點(diǎn)(圖7)、四邊形的頂點(diǎn)以及中心(圖8)、六邊形的頂點(diǎn)(圖9)、或者等邊三角形的頂點(diǎn)(圖10)。對(duì)于給定的孔密度，等邊三角形放置是最佳的，它可以使氣體從孔到預(yù)成品內(nèi)所有點(diǎn)的路徑最短。圖11和12顯示了另一個(gè)實(shí)施例，其中孔沒(méi)有在預(yù)成品20的主面20a和20b中的一個(gè)和/或另一個(gè)面形成開(kāi)口，而是在外圓周面20c，可選地，也可以在內(nèi)圓周面20d形成開(kāi)口，孔沿徑向或近似徑向延伸。在圖11中，孔22c形成在盤(pán)的中間部分?？自谕獗砻?0c形成開(kāi)口并沿徑向延伸穿過(guò)表面20c和內(nèi)圓周面20d之間的大部分距離，但是沒(méi)有在內(nèi)圓周面20d形成開(kāi)口。在圖12中，孔22d和22e形成在盤(pán)的中間部分，孔22d是通孔，在表面20c和20d之間沿徑向延伸，而孔22e不是通孔，它們僅僅在表面20c形成開(kāi)口并穿過(guò)表面20c和20d之間的一段(大約一半)距離。孔22e與孔22d交替形成以將表面20c和20d之間孔密度的不均勻性減到最小。基于同樣的原因，有限深度的中間孔(intermediateholes)也可以出現(xiàn)在圖11所示的例子中。盡管在圖11和12中盤(pán)的中間部分只有一排孔，然而很自然地也可以根據(jù)盤(pán)的厚度提供多排孔。根據(jù)本發(fā)明所述方法的特征之一，預(yù)成品中的孔是通過(guò)移除材料形成的。為此，可以使用壓力下的噴射水流進(jìn)行鉆孔的技術(shù)，以形成通孔或者盲孔?？蛇x地，所用水流可以?shī)A雜固體微粒?？梢允褂妹}沖式或連續(xù)的一個(gè)或多個(gè)噴射水流進(jìn)行鉆孔。當(dāng)孔的直徑比噴嘴的直徑更大的時(shí)候，可以采取切割的方式鉆孔，即沿著每一個(gè)要打的孔的圓周切割。根據(jù)所用的鉆孔技術(shù)，孔的形狀可能會(huì)稍微呈截頭圓錐體狀(fmstoconical)，如圖4和6所示。孔的直徑從噴射水流加工的表面開(kāi)始增加，這是因?yàn)閲娚渌髯兊冒l(fā)散，或者主要是因?yàn)閵A雜固體加工碎片的水流更具磨蝕作用。對(duì)于通孔，大約50%的孔從一面加工，其它的孔從另一面加工，從而保證在預(yù)成品的整個(gè)厚度內(nèi)由孔形成的空隙的密度基本均勻。出于同樣的目的，在圖4中，從預(yù)成品的每一面形成大約相同數(shù)目的孔。當(dāng)纖維材料可以通過(guò)熱消除時(shí)，另一種可能的用于形成孔的技術(shù)是產(chǎn)生局部熱作用，特別是通過(guò)激光輻射。尤其是對(duì)于碳纖維，在氧化介質(zhì)(例如空氣)中施加熱作用可以通過(guò)氧化除去纖維材料?？梢允褂酶鞣N激光源，比如二氧化碳型激光器或者釔鋁石榴石(YAG)型激光器。當(dāng)形成非通孔(non-throughhole)時(shí)，使用激光輻射可以控制孔的深度，這使孔能夠通過(guò)切割形成，也可以容易地控制孔的方向。其它技術(shù)也可以通過(guò)移除材料來(lái)形成孔?？梢允褂媒柚咚衮?qū)動(dòng)的工具(比如鉆頭、鉆孔機(jī)、切割機(jī))進(jìn)行加工的技術(shù)，借助刀、沖壓機(jī)切割或模具進(jìn)行切割的技術(shù)，或者借助電腐蝕進(jìn)行加工的技術(shù)。這些加工技術(shù)已經(jīng)廣為人知。以上這些通過(guò)移除材料形成孔的技術(shù)對(duì)預(yù)成品的纖維有破壞作用，然而與形成孔之前纖維的初始排列方式相比，這些技術(shù)不會(huì)改變纖維在孔壁附近的排列方式。因此，起初位于孔形成的位置的纖維被有利地完全移除或者消除，這樣，所形成的孔就被限定在纖維被消除或者破壞的區(qū)域，并且在預(yù)成品中孔壁附近的纖維的每單位體積密度不會(huì)增加，這不同于通過(guò)插入針將纖維向后推入構(gòu)成孔壁的區(qū)域來(lái)形成孔時(shí)所造成的情況。在隨后的CVI型致密化工藝中，當(dāng)反應(yīng)氣體穿過(guò)孔壁時(shí)，同穿過(guò)預(yù)成品的外表面相比，反應(yīng)氣體進(jìn)入纖維預(yù)成品材料的路徑不再受到限制，這不同于在形成孔的過(guò)程中纖維被向后推入孔壁區(qū)域所造成的情況，因?yàn)楹笳邥?huì)導(dǎo)致在孔的表面處纖維的每單位體積密度局部增加以及在致密化過(guò)程中孔壁的過(guò)早封閉(prematureclosingoff)。因此在致密化過(guò)程中避免了會(huì)使孔壁的效力喪失的孔壁的過(guò)早封閉。在預(yù)成品以及經(jīng)過(guò)CVI型工藝致密化之后得到的合成材料件中，孔壁附近的纖維的每單位體積密度與在預(yù)成品或者零件的其它部分的纖維的每單位體積密度相比沒(méi)有顯著增加。因此避免了合成材料特性的不均勻。選擇孔的平均直徑使其足夠大從而避免它們?cè)贑VI型致密化過(guò)程結(jié)束之前封閉，因?yàn)檫@會(huì)阻止它們發(fā)揮功能，然而孔的直徑也要保持在一定的限度以避免影響致密化后得到的合成材料件的表現(xiàn)，特別是當(dāng)孔的直徑超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，對(duì)反應(yīng)氣體的進(jìn)入就不會(huì)再有真正的改善，即使在CVI型工藝的末尾。因此，孔的平均直徑是下列因素的函數(shù)沉積在纖維上的基體的厚度、所要制造的零件的尺寸、以及零件的用途。通常，特別是對(duì)于飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)的預(yù)成品，孔的平均直徑可選擇在大約0.05毫米到2毫米范圍內(nèi)的值。孔的密度也應(yīng)該同孔的直徑一起選擇足夠高，從而在CVI型致密化過(guò)程中為反應(yīng)氣體提供到達(dá)襯底任何部分都比較短的路徑，然而孔的密度也要保持在一定的限度以避免影響致密化后得到的合成材料件的表現(xiàn)。密度可根據(jù)所要制造的零件的尺寸和用途進(jìn)行調(diào)整。通常，特別是對(duì)于飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)的預(yù)成品，孔的密度可選擇在大約0.06孔/平方厘米到4孔/平方厘米范圍內(nèi)的值。在圖2到6中，孔的密度是在預(yù)成品的中間平面測(cè)量的，這樣對(duì)具有盲孔的實(shí)施例也同樣適用。當(dāng)孔都是通孔時(shí)，如圖3和5所示，也可以在一個(gè)表面上測(cè)量孔的密度。在圖11和12中，孔的密度不恒定，這時(shí)就要計(jì)算平均密度。換言之，相鄰孔的軸線(xiàn)之間的距離或者間隔優(yōu)選處于0.5厘米到4厘米范圍內(nèi)的值。在圖11和12的實(shí)施例中，上述的間隔是指平均間隔。在給定的預(yù)成品中，孔的直徑可以相同也可以不同。類(lèi)似地，在給定的預(yù)成品中，孔的密度可以恒定也可以變化。孔形成以后，預(yù)成品通過(guò)CVI型工藝進(jìn)行致密化(步驟14)。使用碳或陶瓷基體的CVI型致密化工藝己廣為人知。根據(jù)所要沉積的基體材料的性質(zhì)選擇使用適當(dāng)?shù)那膀?qū)物。根據(jù)情況，特別是根據(jù)所要致密化的預(yù)成品的厚度和所要達(dá)到的密度的函數(shù)，可選地可能會(huì)需要除去至少預(yù)成品的暴露表面。如果執(zhí)行除去表層的操作，步驟14就包括第一致密化周期I1，隨后對(duì)預(yù)成品表面的加工，以及第二致密化周期I2。圖13顯示了圖2所示的這類(lèi)預(yù)成品經(jīng)過(guò)CVI型致密化之后得到的剎車(chē)盤(pán)26，該剎車(chē)盤(pán)已經(jīng)加工成了最終的尺寸，并且形成了槽口(notches)26c和凸榫(tenons)26d用以機(jī)械固定剎車(chē)盤(pán)。在這個(gè)例子中，剎車(chē)盤(pán)是用于飛機(jī)剎車(chē)的固定盤(pán)，具有兩個(gè)相對(duì)的摩擦面26a和26b。從圖中可以觀察到對(duì)應(yīng)于在預(yù)成品中形成的孔的孔28是可見(jiàn)的。然而，因?yàn)橹睆捷^小，這些孔在隨后剎車(chē)盤(pán)使用時(shí)不起任何作用，比如冷卻作用。在圖2和7所示的例子中，孔分布在整個(gè)體積內(nèi)。在本發(fā)明的一個(gè)變化中，可以?xún)H在預(yù)成品的某些區(qū)域形成孔或者在某些區(qū)域孔的密度更大，比如剎車(chē)盤(pán)中對(duì)應(yīng)于摩擦面的區(qū)域，也可能是對(duì)應(yīng)于凸榫(提供與剎車(chē)盤(pán)的機(jī)械連接)的區(qū)域。圖14是最后加工之前的飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)26'的示意圖，該剎車(chē)盤(pán)是致密化環(huán)形預(yù)成品之后得到的，在該預(yù)成品中孔的密度是變化的，這些孔是平行于剎車(chē)盤(pán)軸線(xiàn)并且在預(yù)成品主面形成開(kāi)口的通孔。如致密化之后剩余的孔28'的排列所示，預(yù)成品中孔的密度在剎車(chē)盤(pán)的摩擦軌道附近(剎車(chē)盤(pán)的中間區(qū)域)最大，上述密度在上述中心部分和和剎車(chē)盤(pán)內(nèi)、外圓周面相鄰的部分之間逐漸減少。這有助于均勻地致密化在剎車(chē)時(shí)用到的剎車(chē)盤(pán)的那一部分。在某些情況下，也可能設(shè)想通過(guò)形成孔促進(jìn)其它部分的致密化，即除了那些對(duì)應(yīng)于剎車(chē)盤(pán)摩擦軌道以外的部分，比如預(yù)成品中對(duì)應(yīng)于凹槽(relief)或者凸榫的部分，這些部分形成在內(nèi)圓周面或外圓周面并為剎車(chē)盤(pán)與固定或旋轉(zhuǎn)元件之間提供機(jī)械連接。盡管以上說(shuō)明是關(guān)于用于制造剎車(chē)盤(pán)的環(huán)形纖維預(yù)成品的，然而可以清楚地看出本發(fā)明適用于制造合成材料件的所有類(lèi)型的預(yù)成品，尤其是較厚的零件，因?yàn)檫@類(lèi)零件會(huì)出現(xiàn)均勻致密化的問(wèn)題。此外，本發(fā)明也適用于不考慮預(yù)成品中纖維以及基體(被沉積用于通過(guò)CVI型工藝致密化預(yù)成品)的性質(zhì)的情況。還應(yīng)該注意到致密化本發(fā)明打孔后的纖維預(yù)成品的過(guò)程，包括使用液體技術(shù)進(jìn)行部分致密化的第一階段和CVI型致密化的第二階段。已廣為人知的通過(guò)液體技術(shù)進(jìn)行的致密化是將液體混合物注入預(yù)成品至少一次，該液體混合物包括用于基體材料的液體前驅(qū)物。典型的前驅(qū)物為樹(shù)脂，比如作為碳的前驅(qū)物的有機(jī)樹(shù)脂。經(jīng)過(guò)干燥除去所有溶劑以及樹(shù)脂聚合后，進(jìn)行熱處理以轉(zhuǎn)化前驅(qū)物。例1用于制造飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)(碳/碳合成材料)的環(huán)形纖維預(yù)成品(由碳纖維制成)的制造過(guò)程如下所述通過(guò)將三個(gè)預(yù)氧化PAN纖維材料的單向網(wǎng)按照彼此之間成土60。夾角的方式重疊并通過(guò)縫紉連接在一起得到多向網(wǎng)。將多向網(wǎng)重疊并隨著重疊逐漸將其縫在一起，最后得到縫好的纖維板(plate)，然后切割纖維板得到預(yù)氧化PAN材料的環(huán)形預(yù)成品。在大約1600°C的溫度下對(duì)預(yù)氧化PAN預(yù)成品進(jìn)行熱處理，以將PAN轉(zhuǎn)化為碳。所得到的碳纖維環(huán)形預(yù)成品的內(nèi)外直徑分別是26厘米和48厘米，厚度為3.5厘米，纖維體積百分比約為23%，纖維體積百分比就是被纖維占據(jù)的預(yù)成品的表觀體積(apparentvolume)的百分比。有些預(yù)成品被平行于軸線(xiàn)的通孔穿透，這些通孔是由力壓下的噴射水流形成的，孔的密度基本恒定，約為1孔/平方厘米。以這種方式得到了一些具有不同直徑的孔的預(yù)成品，其中預(yù)成品Al、A2的直徑約為0.2毫米，預(yù)成品Bl、B2的直徑約為0.5毫米，預(yù)成品Cl、C2的直徑約為1毫米。作為比較，在另外一個(gè)預(yù)成品D中，孔是通過(guò)插入直徑為2毫米的針形成的，其中孔的密度為1孔/平方厘米，針隨后被拔出以進(jìn)行CVI致密化。準(zhǔn)備了環(huán)形堆(stack)形式的預(yù)成品加載(load),這個(gè)環(huán)形堆品基本上由非穿透(non-pierced)的預(yù)成品E組成，其中預(yù)成品Al、A2、Bl、B2、Cl、以及C2被插入在一對(duì)非穿透預(yù)成品E1和E2之間。圖15表示將這個(gè)環(huán)形堆30形式的加載放入CVI致密化爐的反應(yīng)室32中進(jìn)行"導(dǎo)向流"(directedflow)型CVI致密化，如美國(guó)專(zhuān)利5904957所述。簡(jiǎn)單地說(shuō)，通過(guò)在形成了反應(yīng)室的線(xiàn)圈34與石墨基座(susceptor)36之間的感應(yīng)耦合加熱致密化爐，其中在線(xiàn)圈和基座之間填充有絕緣物。反應(yīng)氣體從基座36的底部被引入，穿過(guò)預(yù)加熱區(qū)37，然后被導(dǎo)入環(huán)形堆的內(nèi)部空間31(堆頂被封閉)。氣體穿過(guò)反應(yīng)室32在環(huán)形堆30外面的內(nèi)部空間，通過(guò)位于預(yù)成品之間的由間隔物(spacers)(未顯示)提供的缺口(gaps),并擴(kuò)散通過(guò)缺口。最后用氣泵(該氣泵在反應(yīng)室內(nèi)建立了所需的壓力水平)將廢氣(effluentgas)從基座的罩子(cover)抽出。含有熱解碳(pyrolyticcarbon)基體的襯底的CVI致密化是利用基于天然氣的反應(yīng)氣體在大約5kPa的壓力以及大約1000°C的溫度下進(jìn)行的。致密化是在兩個(gè)周期(II和12)中進(jìn)行的，這兩個(gè)周期被除去表層的操作隔開(kāi)，在這一操作中需要從爐中移出環(huán)形堆加載。在預(yù)訂條件下執(zhí)行周期II，以使預(yù)成品E的相對(duì)密度升高到大約1.6。為了使預(yù)成品的厚度接近所要得到的剎車(chē)盤(pán)的厚度，對(duì)部分致密化的預(yù)成品的主面進(jìn)行加工以除去表層，隨后在預(yù)訂條件下執(zhí)行周期12，以使相對(duì)密度升高到大約1.8。對(duì)于周期I2，將部分致密化的預(yù)成品按照El、Al、A2、Bl、B2、Cl、C2、以及E2的順序放回爐中。同樣的流程可以用于在兩個(gè)周期II和12中致密化由E型襯底組成的堆形加載，除了將襯底D插入堆中并與襯底E3相鄰之外。表1給出了在周期II和12之后測(cè)量盤(pán)Al、A2、Bl、B2、Cl、C2、El以及E2所得到的密度值，以及在周期I2之后測(cè)量E3和D所得到的密度值。從表中可以看出盤(pán)Al、A2、Bl、B2、Cl、以及C2的最終密度明顯大于盤(pán)D、El、以及E2的密度，而且同盤(pán)E3的密度相比，盤(pán)D的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能在周期12結(jié)束時(shí)增加到同樣的水平。<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>為了驗(yàn)證是否存在致密化梯度，在周期I2之后，從盤(pán)A1、El、D、以及E2沿著這些盤(pán)的半徑切下基本上呈矩形的塊。對(duì)于每一塊，在內(nèi)直徑和外直徑之間的不同區(qū)域Zl到Z5(在每一個(gè)區(qū)域的兩個(gè)面的附近以及在徑向的中間部分測(cè)量)測(cè)量密度。表2給出了測(cè)得的密度值。可以看出根據(jù)本發(fā)明制造的盤(pán)Al得到了出色的結(jié)果，它的密度幾乎是均勻的(變化小于1.7%)。對(duì)于從沒(méi)有孔的預(yù)成品制得的盤(pán)El和E3,可以觀察到明顯的密度變化，這說(shuō)明盡管進(jìn)行了中間的除去表層的工作，仍然存在相當(dāng)陡峭的致密化梯度(變化分別為8.1%到7.7%)。盤(pán)D測(cè)得的密度變化為6%，盡管比E1和E3變化小，然而仍然很大。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>因此，本發(fā)明的方法非常出色，因?yàn)樗茉黾又旅芑某潭?這樣對(duì)于給定的目標(biāo)密度，就可以縮短致密化的時(shí)間)，同時(shí)幾乎消除了致密化梯度，這是現(xiàn)有技術(shù)(通過(guò)插針形成孔)無(wú)法達(dá)到的結(jié)果。本流程基本上與例1的流程相同，但是沒(méi)有中間除去表層的過(guò)程，準(zhǔn)備環(huán)形碳纖維預(yù)成品堆形式的加載，該預(yù)成品用于制造固定盤(pán)和旋轉(zhuǎn)盤(pán)，厚度介于24毫米到36毫米之間，該預(yù)成品包含已經(jīng)被加壓噴射水流處理過(guò)的預(yù)成品(孔的直徑為0.5毫米，孔的密度基本恒定，為l孔/平方厘米)，也包含沒(méi)有打孔的預(yù)成品。執(zhí)行CVI致密化周期以提供熱解碳基體，在總時(shí)間的3/4處中斷該周期，以測(cè)量部分致密化預(yù)成品的相對(duì)密度。表3給出了在該周期的總時(shí)間的3/4處以及該周期結(jié)束時(shí)測(cè)得的中間以及最終的平均相對(duì)密度。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>在中間階段沒(méi)有達(dá)到要求的目標(biāo)密度(1.78)，然而有孔的預(yù)成品的密度更大。在致密化周期結(jié)束時(shí)，所有有孔的預(yù)成品都達(dá)到了目標(biāo)密度(加黑字體表示的數(shù)值)，而所有沒(méi)有打孔的預(yù)成品都沒(méi)有達(dá)到這一目標(biāo)。'這個(gè)例子說(shuō)明通過(guò)按照本發(fā)明在預(yù)成品中形成孔，可在單個(gè)周期中得到有密度要求的碳/碳合成材料的剎車(chē)盤(pán)，而無(wú)需中間除去表層的過(guò)程。例3本流程基本上與例1的流程相同，但是沒(méi)有中間除去表層的過(guò)程(幾乎與例2相同的單致密化周期)，形成環(huán)形碳纖維預(yù)成品堆形式的加載，該預(yù)成品用于制造剎車(chē)盤(pán)，該加載包括沒(méi)有打孔的預(yù)成品和具有不同孔密度的打孔的預(yù)成品。所述孔為平行于軸線(xiàn)的通孔，直徑為0.5毫米，利用如圖7所示的方形陣列模板由加壓噴射水流形成。在總時(shí)間的2/3處中斷致密化周期以測(cè)量那時(shí)所達(dá)到的平均中間密度。表4給出了針對(duì)具有不同孔密度的預(yù)成品測(cè)得的中間以及最終平均相對(duì)密度。表4還給出了在中間的暫停和周期結(jié)束之間的密度增長(zhǎng)率(以密度點(diǎn)(densitypoints)/小時(shí)計(jì)算)，這顯示了最后數(shù)小時(shí)的沉積速率。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>例4本流程基本上與例1的流程相同，但是沒(méi)有中間除去表層的過(guò)程，形成環(huán)形碳纖維預(yù)成品堆形式的加載，該預(yù)成品用于制造剎車(chē)盤(pán)，上述加載包括沒(méi)有打孔的預(yù)成品和按照?qǐng)D14所示方式打孔的預(yù)成品。上述打孔的預(yù)成品為旋轉(zhuǎn)盤(pán)預(yù)成品，內(nèi)、外直徑分別為26.7毫米和46.8毫米，厚度為3.5厘米，并且具有576個(gè)直徑為0.5毫米的通孔。這些孔是利用平行于預(yù)成品軸線(xiàn)的加壓噴射水流形成的。圖16中的曲線(xiàn)A顯示了在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的致密化周期(與例2和例3中的致密化周期具有相同的量級(jí))結(jié)束時(shí)測(cè)得的密度是如何作為盤(pán)的半徑的函數(shù)而變化的。作為比較，曲線(xiàn)B顯示了對(duì)由同樣大小但是沒(méi)有打孔的預(yù)成品制得的盤(pán)測(cè)得的密度變化?？梢钥闯鲈陬A(yù)成品的中間部分，更大的孔密度會(huì)導(dǎo)致在這部分的盤(pán)的材料的密度更大，而由沒(méi)有打孔的預(yù)成品制得的剎車(chē)盤(pán)呈現(xiàn)出明顯的密度梯度，其中最小值位于預(yù)成品的中間部分。權(quán)利要求1、一種制造合成材料件的方法，包括準(zhǔn)備纖維襯底，從襯底的至少一個(gè)表面開(kāi)始形成在襯底內(nèi)延伸的孔，以及通過(guò)基體致密化該襯底，該基體至少部分通過(guò)化學(xué)氣相滲透型工藝形成，其中，通過(guò)從襯底中移除纖維材料并破壞纖維在襯底中形成孔，纖維在帶有孔的預(yù)成品中的排列方式與孔形成之前的初始排列方式相比實(shí)質(zhì)上沒(méi)有變化。2、如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)加壓噴射水流加工形成孔。3、如權(quán)利要求l所述的方法，其中通過(guò)對(duì)預(yù)成品的纖維材料施加局部熱作用形成孔。4、如權(quán)利要求3所述的方法，其中在激光的作用下形成孔。5、如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中通過(guò)氧化將纖維材料消除來(lái)形成孔。6、如權(quán)利要求l所述的方法，其中利用高速工具加工形成孔。7、如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)切割形成孔。8、如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過(guò)電腐蝕形成孔。9、如權(quán)利要求1至8的任意一項(xiàng)所述的方法，其中襯底為環(huán)形預(yù)成品，并且孔在預(yù)成品的至少一個(gè)主面形成開(kāi)口。10、如權(quán)利要求1至8的任意一項(xiàng)所述的方法，其中襯底為環(huán)形預(yù)成品，并且孔至少在預(yù)成品的外圓周面形成開(kāi)口。11、如權(quán)利要求1至10的任意一項(xiàng)所述的方法，其中孔的平均直徑在0.05毫米到2毫米的范圍內(nèi)。12、如權(quán)利要求1至11的任意一項(xiàng)所述的方法，其中襯底中孔的密度在0.06孔/平方厘米到4孔/平方厘米的范圍內(nèi)。13、如權(quán)利要求1至12的任意一項(xiàng)所述的方法，其中襯底中孔的密度可變。14、如權(quán)利要求13所述的方法，其中襯底形成用于制造剎車(chē)盤(pán)的環(huán)形預(yù)成品，孔在預(yù)成品的至少一個(gè)主面形成開(kāi)口，孔的密度變化，并且在對(duì)應(yīng)于剎車(chē)盤(pán)的摩擦軌道的襯底的中心部分和與襯底內(nèi)、外圓周面相鄰的襯底部分之間減少。15、如權(quán)利要求1至14的任意一項(xiàng)所述的方法，其中相鄰孔的軸線(xiàn)之間的距離在0.5厘米到4厘米的范圍內(nèi)。16、一種用于制造合成材料件的纖維襯底(20)，該襯底具有從襯底的至少一個(gè)表面延伸到襯底內(nèi)的孔，其中在孔壁附近的纖維的每單位體積密度與在襯底其它部分的纖維的每單位體積密度相比沒(méi)有顯著增加。17、如權(quán)利要求16所述的襯底，其中孔被限定在纖維被除去或者破壞的區(qū)域。18、如權(quán)利要求16或17所述的襯底，其中孔的平均直徑在0.05毫米到2毫米的范圍內(nèi)。19、如權(quán)利要求16至18的任意一項(xiàng)所述的襯底，其中襯底中孔的密度在0.06孔/平方厘米到4孔/平方厘米的范圍內(nèi)。20、如權(quán)利要求16至19的任意一項(xiàng)所述的襯底，其中襯底中孔的密度可變。21、如權(quán)利要求20所述的襯底，該襯底形成用于制造剎車(chē)盤(pán)的環(huán)形預(yù)成品，其中孔在襯底的至少一個(gè)主面形成開(kāi)口。22、如權(quán)利要求21所述的襯底，其中孔的密度可變，并且在對(duì)應(yīng)于剎車(chē)盤(pán)的摩擦軌道的襯底的中心部分和與襯底內(nèi)、外圓周面相鄰的襯底部分之間減少。23、如權(quán)利要求16至20的任意一項(xiàng)所述的襯底，該襯底形成環(huán)形預(yù)成品，其中孔至少在襯底的外圓周面形成開(kāi)口。24、一種合成材料件(26)，包含由至少部分通過(guò)化學(xué)氣相滲透型工藝得到的基體而致密化的纖維加強(qiáng)件，和從它的至少一個(gè)表面延伸到它內(nèi)部的顯孔(28)，上述纖維加強(qiáng)件由權(quán)利要求16至23的任意一項(xiàng)所述的襯底制成。25、一種合成材料件(26)，包含由至少部分通過(guò)化學(xué)ft相滲透型工藝得到的基體而致密化的纖維加強(qiáng)件，和從它的至少一個(gè)表面延伸到它內(nèi)部的顯孔(28)，其中孔壁附近的加強(qiáng)纖維的每單位體積密度與該合成材料件其它部分的纖維的每單位體積密度相比沒(méi)有顯著增加。全文摘要一種按照以下方法制造的合成材料件形成纖維預(yù)成品(20)，形成從預(yù)成品的至少一個(gè)表面延伸到預(yù)成品內(nèi)部的孔(22)以及由至少部分通過(guò)化學(xué)氣相滲透(CVI)型工藝得到的基體來(lái)致密化該預(yù)成品。通過(guò)從預(yù)成品中移除纖維材料并破壞纖維來(lái)形成孔(22)，例如通過(guò)加壓噴射水流加工，纖維在帶有孔的預(yù)成品中的排列方式與孔形成之前的初始排列方式相比基本沒(méi)有變化。這可以顯著降低致密化梯度，而且可以在單個(gè)致密化周期內(nèi)獲得在現(xiàn)有技術(shù)中需要多個(gè)周期(被中間除去表層的過(guò)程隔開(kāi))才能得到的密度。文檔編號(hào)F16D69/02GK101189447SQ200680019660公開(kāi)日2008年5月28日申請(qǐng)日期2006年6月1日優(yōu)先權(quán)日2005年6月2日發(fā)明者B·貝爾納,J·泰博,S·古雅爾,S·貝特朗申請(qǐng)人:斯奈克瑪動(dòng)力部件公司