Устройство для получения изделий из композиционных порошков

Полезная модель относится к области высокотемпературного спекания различных порошковых композиций, в частности к устройствам для получения изделий из композиционных порошков горячим прессованием или искровым плазменным спеканием.
Процесс горячего прессования предназначен для получения изделий из порошков, которые не поддаются формованию или спеканию иными способами. Как известно, горячее прессование производят в закрытых пресс-формах, при высоких температурах и давлении, которые возрастают до заданной величины. В результате данного процесса получаются материалы, обладающие свойствами компактных металлов, плотность которых приближается к теоретической, при этом механические свойства материала повышаются.
Искровое плазменное спекание предназначено для более эффективного получения изделий из порошков за счет экономии энергии и времени по сравнению с горячим прессованием. Суть данного процесса заключается в совместном воздействии на порошковый материал импульсного постоянного тока и механического давления.
Как правило, для реализации вышеописанных методов используются устройства для получения изделий из композиционных порошков, содержащие схожие основные элементы, а именно: выполненные из огнеупорного в пределах режимов спекания материала матрицу и установленные внутри матрицы с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные пуансоны (см., например, RU №115719 U1, опубл. 10.05.2012).
К недостаткам аналога следует отнести низкое качество получаемых изделий, обусловленное невозможностью установить оптимальную температуру из-за отсутствия контроля/измерения реальной температуры в зоне спекания (внутри матрицы между пуансонами).
Наиболее близким решением к заявленному - прототипом - является устройство для получения изделий из композиционных порошков, содержащее выполненные из огнеупорного графитового в пределах режимов спекания материала матрицу и установленные внутри матрицы с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные графитовые пуансоны, один из которых снабжен цилиндрическим каналом, предназначенным для взаимодействия входящего в устройство средства измерения температуры с дном канала, отличающееся тем, что дно канала выполнено в виде установленной в ответном пазе пуансона тугоплавкой и проницаемой для электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания лейкосапфирной вставки с плоскопараллельными торцевыми поверхностями. (RU №163891, опубл. 25.06.2016).
К недостаткам прототипа следует отнести недостаточную точность при измерении температуры в зоне спекания, обусловленную невозможностью получать на выходе вставки полностью поляризованное и когерентное электромагнитное излучение, которое позволяет с минимальными потерями провести точное измерение температуры. Кроме того, конструкция прототипа является дорогостоящей из-за применения в ней сложной по форме и размеров лейкосапфирной вставки, у которой процесс изготовления является трудным и экономически затратным.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения точности измерения реальной температуры в зоне спекания.
Технический результат - повышение качества получаемых изделий.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения изделий из композиционных порошков, содержащем выполненные из огнеупорного в пределах режимов спекания композиционных порошков графитового материала матрицу и установленные внутри нее с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные графитовые пуансоны, один из которых снабжен цилиндрическим каналом, предназначенным для взаимодействия входящего в устройство средства измерения температуры с дном канала, выполненным в виде установленной в ответном пазе пуансона тугоплавкой и проницаемой для инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания вставки с плоскопараллельными торцевыми поверхностями, причем оно дополнительно снабжено установленной в упомянутом цилиндрическом канале призмой Глана-Тейлора с плоскопараллельными рабочими поверхностями, одна из которых прилегает к поверхности упомянутой вставки, а другая обращена к средству измерения температуры, возможно средство измерения температуры выполнять в виде пирометра, резонансного болометра или тепловизора для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, также возможно средство измерения температуры выполнять в виде спектрометра или спектрофотометра для электромагнитных волн в видимом диапазоне, или возможно средство измерения температуры выполнять в виде ультрафиолетового спектрометра для электромагнитных волн в ультрафиолетовом диапазоне, оптимально призму Глана-Тейлора выполнять из лейкосапфира, корунда или рубина.
Полезная модель поясняется следующими изображениями:
фиг. 1 - принципиальная схема устройства для получения изделий из композиционных порошков;
фиг. 2 - пуансон с каналом;
фиг. 3 - держатель и призмы Глана-Тейлора в сборе;
фиг. 4 - траектория электромагнитных волн.
Устройство для получения изделий из композиционных порошков в соответствии со схемой на фиг. 1 включает (но не ограничивается указанными) следующие элементы:
1 - матрица;
2 - пуансон монолитный;
3 - пуансон с каналом;
4 - призма Глана-Тейлора;
5 - вставка;
6 - цилиндрический держатель для призмы и вставки;
7 - средство измерения температуры;
8 - система управления;
9 - генератор импульсов тока.
Принципиально представленное устройство для получения изделий из композиционных порошков не отличается от прототипа, однако введение в него средства преобразования выходящего из вставки 5 излучения 10 (см. фиг. 4) преобразует характерное для прототипа выходящее некогерентное и не поляризованное электромагнитное излучение в когерентное и полностью линейно-поляризованное 11 (см. фиг. 4), что позволяет с минимальными потерями провести точное измерение температуры в зоне спекания 12. Аналогичные решения применения различных средств преобразования некогерентного и не поляризованного электромагнитного излучения 10 в когерентное и полностью линейно-поляризованное 11 известны из уровня техники в применении, например, призмы Глана-Тейлора для измерения состояния поляризации световых волн (см., например, Apparatus for measuring state of polarization of a lightwave - патент US 20030075676 A1, опубл. 24.04.2003). Призма Глана-Тейлора 4 состоит из отделенных друг от друга воздушным зазором (на рисунке не указан) двух призм 13 и 14 (см. фиг. 3), образующих прямоугольный параллелограмм, который устанавливается внутри держателя 6. Держатель 6 может быть выполнен в виде цилиндрического тела с пазом прямоугольного или квадратного (в зависимости от конфигурации покупной призмы) сечения (на рисунке не указано), внутрь паза устанавливается призма 4. При этом выходная поверхность 15 призмы 4 совпадает с одним торцом цилиндрического держателя (см. фиг. 3), а входная поверхность 16 призмы 4 плотно сопряжена с выходной поверхностью 17 вставки 5. Входная поверхность 18 вставки 5, совпадает со вторым торцом цилиндрического держателя и установлена вровень с ним. Входящие в призму электромагнитные волны 10 образуют два луча: обыкновенный и необыкновенный луч (на рисунке не указаны) за счет эффекта двулучепреломления на границе входящей поверхности 16 призмы 4. На границе раздела двух призм 13 и 14 посредством воздушного зазора за счет эффекта полного внутреннего отражения призмы 13 обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение (на рисунке не указан) и не проходит внутрь второй призмы 14, а полностью поляризованный необыкновенный луч (на рисунке не указан) проходит через воздушный зазор в призму 14 и выходит из нее через выходную поверхность 15, сохраняя свое первоначальное поляризованное направление. Таким образом, выходящее излучение 11 из выходной поверхности 15 призмы 4 является когерентным и полностью линейно-поляризованным, причем призма 4 и вставка 5 пропускают весь ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный спектр излучения, что дает возможность измерения температуры в УФ, видимом и ИК диапазоне длин волн соответствующим регистратором. Кроме того, интенсивность (для инфракрасного диапазона) или спектр (для видимого диапазона или ультрафиолетового диапазона), а также поляризация выходящего излучения 11 является функцией температуры на поверхности зоны спекания 12. На этом эффекте и на функциональной зависимости комплексного показателя преломления вещества призмы 4 от температуры основано применение в качестве средства измерения температуры пирометра, а также резонансного болометра или тепловизора для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, а также спектрометра или спектрофотометра для электромагнитных волн в видимом диапазоне или ультрафиолетового спектрометра для электромагнитных волн в ультрафиолетовом диапазоне с использованием призмы 4 и вставки 5, проницаемых для электромагнитных волн в указанных диапазонах.
С точки зрения подобия физико-механических свойств, что важно для одинакового температурного поведения элементов в процессе взаимной работы, с учетом оптических требований к призме 4 и вставке 5 (проницаемые для электромагнитных волн в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах), оптимально выполнять матрицу 1 и пуансоны 2, 3 из графита, цилиндрический держатель 6 тоже из графита или черной высокотемпературной керамики, а вставку 5 и призму 4 - из лейкосапфира, корунда или рубина.
Устройство для получения изделий из композиционных порошков (на примере установки для искрового плазменного спекания) работает следующим образом. В матрицу 1 устанавливается с натягом пуансон 2. В полости между матрицей 1 и пуансоном 2 засыпается порошковый материал, который формирует зону спекания 12. Собранный цилиндрический держатель 6 с призмой 4 и вставкой 5 устанавливается с натягом в ответный паз 19 пуансона 3 таким образом, чтобы выходная поверхность 15 призмы 4 была обращена в канал 20, а входная поверхность 18 вставки 5 была обращена в торец пуансона 3, который контактирует с зоной спекания 12. Следом пуансон 3 устанавливается в матрицу 1 так, чтобы входная поверхность 18 вставки 5 сопрягалась с зоной спекания 12. Далее осуществляется подпрессовка порошкового материала пуансонами 2 и 3, после чего собранная конструкция зажимается в установке, например, искрового плазменного спекания (на чертеже не показана) таким образом, чтобы пуансоны 2 и 3 опирались на токоподводы пресса (на чертеже не показаны), при этом выходная поверхность 15 призмы 4 должна быть обращена в продолжение канала 20 внутри установки искрового плазменного спекания (на чертеже не показано). Через токоподводы пресса (на чертеже не показаны) подводят импульсы тока от генератора 9, и одновременно увеличивается давление в зоне спекания 12 за счет встречного движения пуансонов 2 и 3. При подаче напряжения электрический ток проходит через верхний токоподвод пресса (на чертеже не показан), пуансон 3, матрицу 1, пуансон 2 и нижний токоподвод пресса (на чертеже не показан). Проходя через эти графитовые элементы, электрический ток нагревает их, обеспечивая, таким образом, нагрев зоны спекания 12 до температуры спекания. При нагреве зоны спекания 12 из нее происходит излучение некогерентных и не поляризованных электромагнитных волн и входящий во вставку 5 не коллимированный пучок света 21 проходит сквозь нее. Некогерентный и не поляризованный световой пучок 10 попадает в входную поверхность 16 призмы 4, и внутри нее происходит преобразование электромагнитного пучка 10 в когерентное и полностью линейно-поляризованное электромагнитное излучение 11, которое выходит через выходную поверхность 15 призмы 4. Световой пучок 11 попадает через канал 20 в средство измерения температуры 7, и оно передает сигнал в систему управления 8 для сравнения и контроля реальной температуры с требуемой табулированной температурой (эталонной температурой) для качественного процесса спекания. После обработки сигнала, система управления 8 контролирует работу генератора 9 и вводит поправки для поддержания температуры в заданном табулированном (эталонном) диапазоне спекания, что позволяет получить качественно спеченное изделие.
Точно так же устройство работает, будучи включенным в состав установки горячего прессования.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - повышение точности измерения реальной температуры в зоне спекания, а заявленный технический результат - повышение качества получаемых изделий - достигнут.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области высокотемпературного спекания различных порошковых материалов и композиций, в частности к устройствам для получения изделий из композиционных порошков горячим прессованием или искровым плазменным спеканием;
для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.