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 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 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. Губина канала равна высоте пуансона минус 10 миллиметров (из условия неразрушения пуансона в процессе спекания), а дно канала - плоское, для обеспечения измерения температуры на этой поверхности средством измерения температуры - пирометром [Salvatore Grasso, Johannes Poetschke, Volkmar Richer, Giovanni Maizza, Yoshio Sakka, and Michael J. Reece Low-Temperature Spark Plasma Sintering of Pure Nano WC Powder. J. Am. Ceram. Soc, Volume 96, Issue 6, 1702-1705. DOI: 10.1111/jace.l2365, 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 импульсов и т.п.).
К недостаткам прототипа, как и известных из уровня техники аналогов, 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.
Полезная модель направлена на решение задачи контроля/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, 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 призматической вставки с входной, выходной и отражающей гранями, размещенной так, что ее отражающая грань обращена к зоне спекания, входная и выходная грани обращены в канал, средство измерения температуры выполнено в виде лазера, предназначенного для генерации лазерного луча через канал на входную грань, и регистратора разности фаз выходных лучей, при этом призматическая вставка выполнена из тугоплавкого оптически прозрачного материала с эффектом двулучепреломления и с переменным в тепловых пределах режимов спекания коэффициентом преломления и коэффициентом поглощения, возможно регистратор разности фаз выходных лучей выполнять в виде интерферометра, желательно призматическую вставку сопрягать с пуансоном по сферической поверхности, оптимально матрицу и пуансоны выполнять из графита, а призматическую вставку выполнять из лейкосапфира.
Полезная модель поясняется следующими изображениями:
- Фиг. 1 - принципиальная схема устройства для получения изделий из композиционных порошков;
- Фиг. 2 - призматическая вставка;
- Фиг. 3 - 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 - призматическая вставка;
5 - лазер;
6 - регистратор;
7 - система управления;
8 - генератор импульсов тока.
Основное отличие заявленного технического решения от прототипа заключается в замене перемычки (см. прототип) на призматическую вставку 4, выполненную из тугоплавкого оптически прозрачного материала с эффектом двулучепреломления и переменным в тепловых пределах режимов спекания коэффициентом преломления и коэффициентом поглощения, и включающую входную 9, выходную 10 и отражающую 11 поверхности, размещенную так, что ее отражающая поверхность 11 обращена к зоне спекания 12, а входная 9 и выходная 10 поверхности обращены в канал 13. За счет эффекта двулучепреломления призмы 4, входящий в нее опорный лазерный луч 14 расщепляется на два луча (обыкновенный 15 и необыкновенный 16), которые испытывают внутреннее отражение от отражающей поверхности 11 и выходят из призмы 4 через поверхность 10 две лучи разной поляризации, имеющие разность фаз. Разности фаз обыкновенного 15 и необыкновенного 16 луча от опорного луча 14 зависят от коэффициента преломления линзы 4 отдельно для каждого выходящего луча. Коэффициент преломления и коэффициент поглощения призмы в свою очередь зависит от температуры в зоне спекания 12 и таким образом величина разности фаз является функцией температуры зоны спекания 12. Сдвиг фаз обыкновенного 15 и необыкновенного 16 луча по сравнению с опорным лучом 14 в частотном интервале также зависит от температуры и является показателем температуры в зоне спекания 12.
На этом эффекте основано применение интерферометра в качестве регистратора 6 для измерения температуры, мощности и интенсивности, по величине ширины линии, расстояния между максимумами, минимумами, интерференционной картины образованной сведением обыкновенного и необыкновенного луча на приемную апертуру интерферометра.
Поскольку в зоне спекания рабочее давление весьма высоко, сопряжение призматической вставки 4 с ответным пазом 17 пуансона 3 оптимально осуществлять по сферической поверхности - 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 призматической вставке 4, оптимально выполнять матрицу 1 и пуансоны 2, 3 из графита, а призматическую вставку - из лейкосапфира.
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 12. Призма 4 устанавливается с натягом в ответный паз 17 пуансона 3 таким образом, что входная 9 и выходная 10 грани призмы 4 были обращены в канал 13. Следом пуансон 3 устанавливается в матрицу 1 так, что отражающая грань 11 призмы 4 сопрягалась с зоной спекания 12. 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 входная 9 и выходная 10 грани призмы 4 должны быть обращены к продолжению канала 13 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 12 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 12 до температуры спекания. При этом лазер 5 излучает свет в виде опорного лазерного луча 14. Лазерный луч 14 проходит внутрь призмы 4 через входную грань 9 и за счет двулучепредломления призмы 4 лазерный опорный луч 14 расщепляется на два луча (обыкновенный 15 и необыкновенный 16), которые испытывают полное внутреннее отражение от отражающей поверхности 11 и выходят из призмы 4 через поверхность 10 две лучи разной поляризации, имеющие разность фаз. Разности фаз обыкновенного 15 и необыкновенного 16 луча от опорного луча 14 зависят от коэффициента преломления линзы 4 отдельно для каждого выходящего луча. Коэффициент преломления в свою очередь зависит от температуры в зоне спекания 12, таким образом величина разности фаз является функцией температуры зоны спекания 12. Сдвиг фаз обыкновенного 15 и необыкновенного 16 луча по сравнению с опорным лучом в частотном интервале также зависит от температуры и является показателем температуры в зоне спекания 12. Лучи 15 и 16 выходят обратно из призмы через выходную грань 10, и через канал 13 попадают в регистратор 6, для измерения температуры, мощности и интенсивности, по величине ширины линии, расстояния между максимумами, минимумами, интерференционной картины образованной сведением обыкновенного 15 и необыкновенного 16 луча. Примером регистратора 6 является интерферометр. Регистратор 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 (эталонного) диапазона, гарантирующего качественное спекание изделия.
Точно так же устройство работает, будучи включенным в состав установки горячего прессования.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - контроль/измерение 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.