Устройство для получения изделий из композиционных порошков

Полезная модель относится к области высокотемпературного спекания различных порошковых материалов и порошкообразных 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. Величина давления, необходимого для уплотнения порошка, обратно пропорциональна величине температуры, то есть с ее увеличением давление уменьшается. 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 импульсов тока и механического давления.
Как правило, для реализации вышеописанных методов используются устройства для получения изделий из композиционных порошков, содержащее выполненные из огнеупорного в пределах режимов спекания материала матрицу и установленные внутри матрицы с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные пуансоны, один из которых снабжен цилиндрическим каналом, предназначенным для взаимодействия входящего в устройство средства измерения температуры с плоским дном канала для обеспечения измерения температуры на этой поверхности средством измерения температуры - пирометром [Salvatore Grasso, Johannes Poetschke, Volkmar Richter, Giovanni Maizza, Yoshio Sakka, and Michael J. Reece Low-Temperature Spark Plasma Sintering of Pure Nano JVC Powder. J. Am. Ceram. Soc., Volume 96, Issue 6, 1702-1705. DOI: 10.1111/jace. 12365, 2013]. В измеренное устройством значение температуры вводится поправка, учитывающая наличие перемычки между поверхностью дна канала, на которой температура измерена, и зоной спекания. С учетом поправки (рассчитывается программными средствами системы управления) в зависимости от определенной температуры в зоне спекания, осуществляется управление технологическими параметрами спекания (например, давление, плотность тока, частота и скважность импульсов и т.п.).
К недостаткам аналога следует отнести отсутствие контроля/измерения реальной температуры в зоне спекания (ввиду недоступности зоны спекания, обусловленной конструкцией устройства, и весьма приблизительного значения рассчитываемой поправки), следствием чего является низкое качества полученных изделий из композиционного порошка из-за невозможности точного управления технологическими параметрами спекания.
Наиболее близким решением к заявленному - прототипом - является устройство для получения изделий из композиционных порошков, содержащее выполненные из огнеупорного в пределах режимов спекания материала матрицу и установленные внутри матрицы с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные пуансоны, один из которых снабжен цилиндрическим каналом, предназначенным для взаимодействия входящего в устройство средства измерения температуры с дном канала, дно канала выполнено в виде установленной в ответном пазе пуансона вставки в виде сферической линзы из тугоплавкого оптически прозрачного материала с переменным в температурном диапазоне спекания коэффициентом преломления с плоской входной и выпуклой выходной поверхностями, размещенной так, что ее входная поверхность обращена к зоне спекания, выходная поверхность обращена в канал (см., например, RU №163794; опубл. 10.08.2016).
К недостаткам прототипа, как и известных из уровня техники аналогов, следует отнести отсутствие одновременного использования двух или более возникающих при спекании температурных эффектов для контроля/измерения/проверки реальной температуры в зоне спекания, следствием чего является низкое качества полученных изделий из композиционного порошка из-за невозможности точного управления технологическими параметрами спекания.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения достоверности контроля/измерения/проверки 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, содержащее выполненные из огнеупорного в пределах режимов спекания материала матрицу и установленные внутри матрицы с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные пуансоны, один из которых снабжен цилиндрическим каналом, предназначенным для взаимодействия входящего в устройство средством измерения параметров зоны спекания с дном канала, оно дополнительно содержит источник оптического излучения, дно канала выполнено в виде установленной в ответном пазе пуансона плоско-вогнутой отрицательной (рассеивающей) линзы из тугоплавкого и проницаемого для электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания материала, размещенной так, что ее плоская поверхность обращена к зоне спекания, а вогнутая отражающая поверхность обращена в канал, при этом средство измерения параметров зоны спекания выполнено в виде регистратора параметров проходящего на сквозь линзы и отраженного на вогнутой поверхности оптического излучения, возможно матрицу и пуансоны выполнять из графита, а такжне возможно плоско-вогнутую сферическую линзу выполнять из лейкосапфира или плавленого кварца, также возможно вогнутую поверхность сферической линзы выполнять полупрозрачной или металлизированной, желательно вогнутую поверхность линзы выполнять сферической, гиперболической или параболической, оптимально источник оптического излучения выполнять в виде лазера, желательно регистратор параметров оптического излучения выполнять в виде интерферометра эталона Фабри-Перо, фотодиодной матрицы, спектрофотометра, спектрографа, пирометра, болометра или тепловизора.
Полезная модель поясняется следующими изображениями:
- Фиг. 1 - принципиальная схема устройства для получения изделий из композиционных порошков;
- Фиг. 2 - смеха пути отраженного излучения при калибровке;
- Фиг. 3 - смеха пути отраженного излучения при нагреве;
- Фиг. 4 - схема фокусного расстояния линзы при калибровке;
- Фиг. 5 - схема фокусного расстояния линзы при нагреве;
- Фиг. 6 - пуансон с каналом.
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 - плоско-вогнутая сферическая линза;
5 - источник оптического излучения;
6 - регистратор параметров оптического излучения;
7 - система управления;
8 - генератор импульсов тока.
Основное отличие заявленного технического решения от прототипа заключается в замене перемычки (см. прототип) на плоско-вогнутую сферическую линзу 4, и введение в устройство источник оптического излучения в виде лазера, что одновременно позволяет регистрировать температуру спекания благодаря двум температурным эффектам: изменению кривизны вогнутой поверхности линзы и изменению фокусного расстояния за счет температурной зависимости коэффициента преломления материала линзы. Таким образом, линза в заявленном техническом решении будет работать как собирательная линза излучения от поверхности спекания и одновременно как зеркало, отражающее излучение от прибора оптического излучения 5 (лазер), что позволяет более точно контролировать температурные изменения и регистрировать реальную температуру в зоне спекания по сравнению с известным из уровни техники налогов.
В заявленном техническом решении плоско-вогнутая сферическая линза 4 выполнена из тугоплавкого и проницаемого для электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания материала с температуро-зависимым комплексным показателем преломления и двулучепреломлением, и включает плоскую входную поверхность 9, и вогнутую поверхность 10, которая является одновременно выходной (для излучения из зоны спекания 11) и отражающей (для луча от источника оптического излучения 5). При этом, линза 4 размещается так, что ее входная поверхность 9 обращена в зону спекания 11, а выходная отражающая поверхность 10 обращена в канал 12.
Вогнутая поверхность 10 линзы 4 в зависимости от температурного изменения ее кривизны способна одновременно отражать и отклонять путь отраженного луча 13 источника оптического излучения 5, и изменять пространственного положения фокуса линзы 4 в плоскость параллельно нормали площади апертуры 14 регистратора 6.
Кривизна вогнутой поверхности 10 линзы 4 и длина фокусного расстояния 15 плоско-вогнутой линзы 4 являются зависимыми параметрами от температуры и коэффициента преломления линзы 4, который в свою очередь является функцией температуры зоны спекания 11.
Изменение кривизны вогнутой поверхности 10 линзы 4 в зависимости от температуры приводит к отклонению отраженного излучения 13 от центра юстировки 16 в приемной площади апертуры 14 регистратора 6 (см., фиг. 2 и 3), таким образом плоско-вогнутая сферическая линза 4, в свою очередь, изменяет положение центра распределения интенсивности возбужденной моды лазерного пучка, и приводит к сдвигу центра поперечного сечения интенсивности моды опорного лазерного излучения в зависимости от температуры. В этом случае, в качестве регистратора отклонения отраженного лазерного пучка от центра юстировки приемной апертуры, используется фотоприемная матрица.
Изменение длины фокусного расстояния 15 линзы 4 в зависимости от температуры приводит к варьированию величины площади поперечного сечения 17 области фокусировки (поперечное сечение фокального объема) излучения из зоны спекания 11 (см., фиг. 4 и 5) и, в свою очередь, варьирует величину мощности падающего излучения, в площадь апертуры 14, на единицу площади поперечного сечения 17 области фокусировки. В этом случае, в качестве регистратора оптического излучения 6 для измерения температуры в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне с использованием линзы 4, проницаемой для электромагнитных волн, используется пирометр, резонансный болометр, тепловизор, спектрометра или спектрофотометра с установленным перед площадью апертуры 13 регистратора 6 стандартным полупрозрачным вогнутым или плоским зеркалом, дополнительной рассеивающей полупрозрачной линзой, плоскопаралельной полуволновой или четвертьволновой пластиной, прозрачной для электромагнитных волн в видимом диапазоне, полупроницаемой для электромагнитных волн в видимом, ИК или ультрафиолетовом диапазонах.
Таким образом, заявленное устройство для измерения температуры использует термооптическое устройство, а именно плоско-вогнутую (отрицательную) линзу с температурив зависимыми коэффициентом показателя преломления и кривизной отражающей поверхности, выполнена из двулучепреломляющего кристалла, в следствии этого, оптические свойства рассеивающей линзы, такие как коэффициент отражения, дисперсия, рефракция, становятся температурно зависимыми оптическими параметрами и дают возможность построить управляемую систему измерения температуры с использованием методов регистрации отраженного лазерного излучения и регистрации излучения проходящего через линзу, выходящего из объема спекания.
Поскольку в зоне спекания рабочее давление весьма высоко, сопряжение линзы 4 с ответным пазом 17 пуансона 3 оптимально осуществлять по плоской торцевой и цилиндрической поверхностям линзы 4 - в этом случае практически отсутствуют концентраторы напряжения в зоне их контакта, что делает сопряжение максимально надежным с точки зрения возможности разрушения сопрягаемых элементов.
С точки зрения близости физико-механических свойств, что важно для одинакового поведения элементов в процессе взаимной работы, с учетом оптических требований к линзе 4, оптимально выполнять матрицу 1 и пуансоны 2, 3 из графита, а линзу - из лейкосапфира (см., например, RU №2539682; опубл. 20.01.2015) или плавленного кварца (см., например, http://www.azimp.ru/thorlabs/uv-fused-silica-plano-concave/38433/).
Устройство для получения изделий из композиционных порошков работает следующим образом: в матрицу 1 устанавливается с натягом пуансон 2. В полости между матрицей 1 и пуансоном 2 засыпается порошковый материал, который заполняет зону спекания 11. Линза 4 устанавливается с натягом в ответный паз 18 пуансона 3 таким образом, что вогнутая поверхность 10 линзы 4 была обращена в канал 12. Следом пуансон 3 устанавливается в матрицу 1 так, что плоская входная поверхность 9 линзы 4 сопрягалась с зоной спекания 11. Далее осуществляется подпрессовка порошкового материала пуансонами 2 и 3. После чего, собранная конструкция зажимается, например, в установке искрового плазменного спекания (на чертеже не показана), таким образом, чтобы пуансоны 2 и 3 опирались на токоподводы пресса (на чертеже не показаны), при этом вогнутая поверхность 10 линзы 4 должна быть обращена к продолжению канала 12 внутри установки искрового плазменного спекания (на чертеже не показано). Через токоподводы пресса (на чертеже не показаны), подводят импульсы тока от генератора 8 и одновременно увеличивается давление в зоне спекания 11 за счет встречного движения пуансонов 2 и 3. При подаче напряжения электрический ток проходит через верхний токоподвод пресса (на чертеже не показан), пуансона 3, матрицу 1, пуансона 2 и нижний токоподвод пресса (на чертеже не показан). Проходя через эти графитовые элементы, электрический ток нагревает их, обеспечивая таким образом нагрев зоны спекания 11 до температуры спекания. При нагреве, зона спекания 11 излучает электромагнитные волны в широком спектре длин волн, входящие в линзу 4 через входную поверхность 9. Плоско-вогнутая линза 4 рассеивает излучение, исходящее из зоны спекания 11, и одновременно она отражает и фокусирует отраженное излучение 13 от источника оптического излучения 5 в площадь апертуры 14 регистратора 6, через канал 12.
При изменении температуры в зоне спекания 11, отклонение отраженного излучения 13 от центра юстировки приемной площади апертуры 14 и длина фокусного расстояния 15 линзы 4 тоже изменяется, так как кривизна и коэффициент преломления линзы 4 является функцией температуры зоны спекания 11.
Регистратор 6 фиксирует отклонение отраженного излучения 13 от центра юстировки приемной площади апертуры 14 фотодиодной матрицы и по величине его отклонения определяет температуру зоны спекания 11. При этом, изменение длины фокусного расстояния 15 линзы 4 приводит к варьированию величины площади поперечного сечения 17 области фокусировки линзы 4, что приводит к изменению величины мощности падающего в приемную площадь апертуры 14 регистратора 6 излучения на единицу площади сечения 17 и определяет температуру зоны спекания 11.
Регистратор 6 передает сигнал в систему управления 7 для сравнения и контроля реальной температуры с требуемой при процессе спекания. После обработки сигнала система управления 7 контролирует работу генератора 8 и вводит поправки для поддержания температуры в пределах заданного диапазона, гарантирующего качественное спекание изделия.
Точно так же устройство работает, будучи включенным в состав установки горячего прессования.
Экспериментально установлено, что предложенное техническое решение позволяет существенно повысить качество изготавливаемых изделий, поскольку температура в зоне спекания измеряется на 3-7% точнее, чем в прототипе.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - повышение достоверности контроля/измерения/проверки реальной температуры в зоне спекания - решена, 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.