СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2013 года по МПК C01B31/00 C04B35/536 C04B35/84 

Изобретение относится к способам изготовления герметичных изделий, предназначенных для работы в химической, химико-металлургической и других отраслях промышленности.

Известен способ изготовления герметичных изделий из углеграфитового материала, включающий изготовление пористой заготовки из углеграфитового материала и ее герметизацию путем пропитки фурановыми соединениями с последующим их отверждением в порах материала [Химия твердого топлива, 1974, №2, с.126-132].

Недостатком известного способа является недостаточный ресурс работы в химически агрессивных средах, а также невозможность применения его при изготовлении изделий, предназначенных для работы при температурах более 150-200°С.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ изготовления герметичных изделий из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), включающий изготовление пористой заготовки из УУКМ и ее герметизацию путем формирования на ее предварительно мехобработанных поверхностях шликерного покрытия на основе углеродного порошка и временного безусадочного и невспенивающегося связующего, провязки его пироуглеродом при низком парциальном давлении углеродсодержащего газа и последующего формирования прироуглеродного покрытия [патент РФ №2006493 от 30.01.1994 г.]. Данный способ принят за прототип.

Способ позволяет повысить ресурс работы изделий в химически агрессивных средах, в том числе и при температурах более 150-200°С. И тем не менее ресурс работы герметичных изделий из УУКМ, изготовленных с применением способа-прототипа, еще недостаточно высок из-за механического и химического нарушения целостности пироуглеродного покрытия, что приводит к потере герметичности изделия.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа - изготовление пористой заготовки из УУКМ; герметизация заготовки путем формирования на ее предварительно механически обработанных поверхностях шликерного покрытия на основе углеродного порошка и временного безусадочного связующего, провязки его пироуглеродом при низком парциальном давлении углеродсодержащего газа и последующего формирования пироуглеродного покрытия.

Задачей изобретения является повышение ресурса работы герметичных изделий, работающих в химически агрессивных средах при высоких температурах и давлениях.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе изготовления герметичных изделий из УККМ, включающем изготовление пористой заготовки из УУКМ и ее герметизацию путем формирования на ее предварительно механически обработанных поверхностях шликерного покрытия на основе углеродного порошка и временного безусадочного и невспенивающегося связующего, провязки его пироуглеродом при низком парциальном давлении углеродсодержащего газа и последующего формирования пироуглеродного покрытия, сначала изготавливают пористую заготовку неполной, например половинной, толщины - внутреннюю оболочку, герметизуют ее путем формирования на ее наружной или на ее внутренней и наружной поверхностях герметичного покрытия, затем нарабатывают по ней каркас наружной оболочки, дополняющий ее до полной толщины, насыщают его пироуглеродом, механически обрабатывают по наружной поверхности и формируют по ней герметичное покрытие, при этом в качестве УУКМ наружной оболочки, дополняющей заготовку до полной толщины, используют тот же материал, что и для внутренней оболочки.

В предпочтительном варианте выполнения способа герметичное покрытие на внутренней поверхности внутренней оболочки формируют в процессе формирования герметичного покрытия на наружной поверхности полной толщины заготовки.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - сначала изготавливают пористую заготовку неполной, например половинной, толщины - внутреннюю оболочку; герметизуют заготовку путем формирования на ее наружной или на ее внутренней и наружной поверхностях герметичного покрытия; затем нарабатывают по ней каркас наружной оболочки, дополняющий заготовку до полной толщины; насыщают его пироуглеродом, механически обрабатывают по наружной поверхности и формируют по ней герметичное покрытие; в качестве УУКМ наружной оболочки, дополняющей заготовку до полной толщины, используют тот же материал, что и для внутренней оболочки; формируют герметичное покрытие на внутренней поверхности внутренней оболочки в процессе формирования герметичного покрытия на наружной поверхности полной толщины заготовки.

Изготовление сначала пористой заготовки неполной толщины наружной оболочки и ее герметизация путем формирования герметичного покрытия на наружной поверхности создают предпосылки для того, чтобы это покрытие осталось внутри заготовки по ее толщине.

Наработка на заготовке (неполной толщины со сформированным по ее наружной поверхности герметичным покрытием, т.е. по внутренней оболочке) каркаса, дополняющего ее до полной толщины, его насыщение пироуглеродом позволяют расположить пироуглеродное покрытие внутри заготовки по ее толщине.

Использование в качестве УУКМ наружной оболочки, дополняющей заготовку до полной толщины, того же материала, что и для внутренней оболочки, позволяет сохранить, как при изготовлении, так и при использовании изделия, целостность, а значит, герметичность пироуглеродного покрытия.

Механическая обработка заготовки по наружной поверхности и последующее формирование по ней пироугеродного покрытия, а также формирование герметичного покрытия со стороны внутренней поверхности заготовки позволяет создать дополнительные барьеры на пути диффузии химически агрессивной среды внутрь материала.

Формирование герметичного покрытия на внутренней поверхности заготовки в процессе формирования его на ее наружной поверхности позволяет дополнительно доуплотнить пироуглеродом материал заготовки неполной толщины, т.е. внутреннюю оболочку, и тем самым позволяет создать дополнительные барьеры на пути диффузии химически агрессивной среды внутрь материала.

В новой совокупности существенных признаков изобретения появляется новое свойство: способность существенно уменьшить химическое воздействие в целом на материал изделия и на расположенный внутри по толщине материала герметичный слой пироуглерода, а также существенно уменьшить передаваемое на наружное герметичное покрытие давление и исключить механическое повреждение расположенного внутри по толщине изделия герметичного пироуглеродного покрытия и тем самым сохранить длительное время герметичность изделия под избыточным давлением.

Новое свойство позволяет повысить ресурс работы герметичных изделий, работающих в химически агрессивных средах при высоких температурах и давлениях.

Способ осуществляют следующим образом.

Одним из известных способов изготавливают пористую заготовку из УУКМ неполной, например половинной, толщины (внутреннюю оболочку). После этого герметизуют ее путем формирования на ее предварительно механически обработанной наружной или на ее внутренней и наружной поверхности герметичного покрытия. Герметизацию осуществляют путем формирования на ее предварительно мехобработанных поверхностях шликерного покрытия на основе углеродного порошка и временного безусадочного и невспенивающегося связующего, провязки его пироуглеродом при низком парциальном давлении углеродсодержащего газа и последующего формирования пироуглеродного покрытия.

Затем на наружной поверхности внутренней оболочки нарабатывают каркас наружной оболочки, дополняющий заготовку до полной толщины. После этого каркас насыщают пироуглеродом. Полученную при этом наружную оболочку механически обрабатывают по наружной поверхности и формируют по ней герметичное покрытие. При этом в качестве УУКМ наружной оболочки, дополняющей заготовку до полной толщины, используют тот же материал, что и для внутренней оболочки.

В итоге получают заготовку из УУКМ, имеющую герметичное пироуглеродное покрытие как со стороны внутренней и наружной поверхности, так и внутри по ее толщине.

Примеры конкретного выполнения способа изготовления герметичных изделий из УУКМ.

Во всех примерах изготавливали деталь одних и тех же размеров ⌀_вн 30 × ℓ 400 × δ 10-12 мм.

Пример 1.

Деталь изготавливали из низкомодульной ткани типа УРАЛ.

Сначала изготавливали внутреннюю оболочку заготовки ⌀_вн 30 × ℓ 400 × δ 5-6 мм, для чего тканиевый каркас насытили пироуглеродом термоградиентным методом. После этого произвели мехобработку внутренней и наружной поверхности оболочки. УУКМ внутренней оболочки имел плотность 1,49 г/см³ и открытую пористость 8,9%. Затем внутреннюю оболочку герметизовали. Для этого по наружной и внутренней поверхности оболочки сформировали шликерное покрытие толщиной 0,3-0,5 мм на основе композиции из графитового порошка марки ГС-1 с размером частиц до 63 мкм и 4%-ного водного раствора поливинилового спирта (ПВС). Шликерное покрытие провязали пироуглеродом в течение 160 час вакуумным изотермическим методом при ступенчатом подъеме температуры с 920-930°С до 970°С, после чего в течение 200 часов сформировали пироуглеродное покрытие (в одном технологическом цикле с провязкой) при температуре 980-1000°С.

Затем произвели исследования герметичности внутренней оболочки, используя диагностику по аммиачному отклику (ДАО-технологию).

После получения герметичной внутренней оболочки по ее наружной поверхности наработали из ткани УРАЛ-Т-22 каркас наружной оболочки. Затем уплотнили каркас пироуглеродом термоградиентным методом. После этого произвели мехобработку его наружной поверхности.

Таким образом, в качестве материала наружной оболочки был использован тот же материал, что и для внутренней оболочки. Для проверки целостности пироуглеродного слоя, расположенного в центральной части по толщине заготовки, использовали ДАО-технологию. При этом водный раствор аммиака наносили на внутреннюю поверхность заготовки, а индикаторную бумагу размещали со стороны наружной поверхности.

По отсутствию окрашивания бумаги судили о сохранении целостности пироуглеродного слоя. Целостность пироуглеродного слоя подтвердилась.

Затем сформировали по наружной поверхности заготовки герметичное покрытие. Для этого сформировали по ней шликерное покрытие, провязали его пироуглеродом и осадили из газовой фазы пироуглеродное покрытие. Все эти операции проводили аналогично герметизации внутренней оболочки. Затем провели проверку сформированного по наружной поверхности заготовки пироуглеродного покрытия на герметичность.

Проверку проводили с использованием ДАО-технологии. Для этого наружную поверхность заготовки помазали водным раствором аммиака. Через 15 мин приложили к наружной поверхности индикаторную бумагу. Герметичность покрытия подтвердилась.

Пример 2.

Деталь изготавливали аналогично примеру 1 с той лишь существенной разницей, что шликерное покрытие нанесли лишь на наружную поверхность внутренней оболочки. В таком случае во время провязки его пироуглеродом и формирования пироуглеродного покрытия происходило доуплотнение пироуглеродом материала внутренней оболочки благодаря диффузии метана в поры материала со стороны ее внутренней поверхности. Это позволило уменьшить проницаемость материала внутренней оболочки.

Пример 3.

Для проведения сравнительных испытаний была изготовлена в соответствии со способом-прототипом таких же размеров трубка, не имеющая герметичного пироуглеродного покрытия в средней части по ее толщине.

Все трубки (по 3 шт для каждого из примеров) были подвергнуты довольно жестким испытаниям, а именно: помещены в смесь плавиковой и азотной кислот и выдержаны в ней суммарно в течение 60 суток при температуре 160°С. Для упрощения испытаний трубки давлением не нагружали. После этого была проведена оценка их герметичности под избыточным давлением воздуха до 10 ати с шагом в 1 ати.

В результате испытаний установлено, что трубки, изготовленные в соответствии с примерами 1 и 2 заявляемого способа, а также в соответствии со способом-прототипом, потеряли герметичность при давлении 6,4; 8,3 ати и 2,9 ати соответственно.

Это свидетельствует о том, что материал трубок, изготовленных предлагаемым способом, был менее подвержен воздействию химически агрессивной среды.

Изобретение может быть использовано в химической и химико-металлургической промышленности. Изготавливают пористую заготовку из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) неполной, например половинной, толщины - внутреннюю оболочку. Герметизуют ее путем формирования на ее предварительно механически обработанной наружной или на ее внутренней и наружной поверхностях шликерного покрытия на основе углеродного порошка и временного безусадочного и невспенивающегося связующего, провязки его пироуглеродом при низком парциальном давлении углеродсодержащего газа и последующего формирования пироуглеродного покрытия. Затем на наружной поверхности внутренней оболочки нарабатывают каркас наружной оболочки, дополняющий заготовку до полной толщины, насыщают его пироуглеродом, механически обрабатывают по наружной поверхности и формируют герметичное покрытие. В качестве УУКМ наружной оболочки, дополняющей заготовку до полной толщины, используют тот же материал, что и для внутренней оболочки. Повышается ресурс работы герметичных изделий, работающих в химически агрессивных средах при высоких температурах и давлениях. 1 з.п. ф-лы, 3 пр.

1. Способ изготовления герметичных изделий из углерод-углеродного композиционного материала, включающий изготовление пористой заготовки из углерод-углеродного композиционного материала и ее герметизацию путем формирования на ее предварительно механически обработанных поверхностях шликерного покрытия на основе углеродного порошка и временного безусадочного и невспенивающегося связующего, провязки его пироуглеродом при низком парциальном давлении углеродсодержащего газа и последующего формирования пироуглеродного покрытия, отличающийся тем, что сначала изготавливают пористую заготовку неполной, например половинной, толщины - внутреннюю оболочку, герметизуют ее путем формирования на ее наружной или на ее внутренней и наружной поверхностях герметичного покрытия, затем нарабатывают по ней каркас наружной оболочки, дополняющий ее до полной толщины, насыщают его пироуглеродом, механически обрабатывают по наружной поверхности и формируют по ней герметичное покрытие, при этом в качестве углерод-углеродного композиционного материала наружной оболочки, дополняющей заготовку до полной толщины, используют тот же материал, что и для внутренней оболочки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что герметичное покрытие на внутренней поверхности внутренней оболочки формируют в процессе формирования герметичного покрытия на наружной поверхности полной толщины заготовки.