Устройство для получения изделий из композиционных порошков искровым плазменным спеканием
DEVICE FOR OBTAINING ARTICLES FROM COMPOSITE POWDERS WITH SPARK PLASMA SINTER

Изобретение относится к обработке материалов давлением, в частности к устройствам для искрового плазменного спекания (ИПС) композиционных порошков под давлением.
Известно устройство для получения изделий из композиционных порошков, содержащее верхний и нижний пуансоны-токоподводы, выполненные с возможностью подключения к источнику питания, и выполненную из токопроводящего материала матрицу с изоляционной втулкой, выполненной из неэлектропроводного материала, и верхней и нижней втулками (см. RU № 2103113, 1996).
К недостаткам известного устройства относится неоднородность структуры изделия из-за неравномерного распределения температуры по сечению получаемого изделия, что влечет за собой низкое качество получаемого изделия.
Известно также устройство для получения изделий из композиционных порошков искровым плазменным спеканием, содержащее выполненные из огнеупорного в пределах режимов спекания композиционных порошков матрицу и установленные внутри нее, с образованием зоны спекания и возможностью формирования в ней прессующего усилия, рабочие элементы, выполненные с возможностью подключения к источнику питания с прохождением электрического тока через композиционный порошок (см. RU № 2555303, МПК B22F 3/14, B30B 15/02, 2015).
К недостаткам известного устройства относится использование пресс-форм на основе прессованного графита, который имеет недостатки, существенно снижающие эксплуатационные возможности ИПС технологии:
- в ходе спекания углерод подвержен активной диффузии (уносу) с поверхности пресс-форм и ее составных частей в объем спекаемого материала, что приводит к загрязнению получаемого изделия примесью углерода, а также возникновению нежелательных химических реакций углерода со спекаемым веществом (карботермическое восстановление), приводящее к изменению химического состава изделия (B.B. Bokhonov, A.V. Ukhina, D.V. Dudina, A.G. Anisimov, V.I. Mali, I.S. Batraev. Carbon uptake during Spark Plasma Sintering: investigation through the analysis of the carbide «footprint» in a Ni–W alloy // RCS Advance. – 2015. – Vol. 5, Iss. 98. – P. 80228-80237; A. Bertrand, J. Carreaud, G. Delaizir, J.R. Duclère, M. Colas, J. Cornette, M. Vandenhende, V. Couderc, P. Thomas, A comprehensive study of the carbon contamination in tellurite glasses and glass-ceramics sintered by spark plasma sintering (SPS) // J. Am. Ceram. Soc. – 2014. – Vol. 97. – 163-172.; G. Bernard-Granger, N. Benameur, C. Guizard, M. Nygren, Influence of graphite contamination on the optical properties of transparent spinel obtained by spark plasma sintering, Scr. Mater. – 2009. – Vol. 60. P. 164-167);
- механическая прочность графита лимитирована конкретной величиной, которая определяется его промышленной маркой, что в ряде случаев недостаточно для достижения максимальной плотности получаемого изделия (Веселовский В. С, Угольные и графитовые конструкционные материалы, М. : Наука, 1966. - 226 c.);
- после неоднократного воздействия высоких температур графит становится хрупким, что значительно снижает рабочий ресурс пресс-форм (выдерживает ограниченное число циклов нагрева и охлаждения) (Веселовский В. С, Угольные и графитовые конструкционные материалы, М.: Наука, 1966. - 226 c.).
Изобретение направлено на расширение эксплуатационных возможностей ИПС технологии.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи – исключение загрязнения получаемых изделий примесью углерода, и эффекта карботермического восстановления, приводящего к изменению химического состава изделия, повышение механической прочности пресс-форм и достижение более высокой плотности получаемого изделия.
Поставленная задача решается тем, что устройство для получения изделий из композиционных порошков искровым плазменным спеканием, содержащее выполненные из огнеупорного в пределах режимов спекания композиционных порошков матрицу и установленные внутри нее, с образованием зоны спекания и возможностью формирования в ней прессующего усилия, рабочие элементы, выполненные с возможностью подключения к источнику питания с прохождением электрического тока через композиционный порошок, отличается тем, что матрица и ее рабочие элементы выполнены из спеченного порошка карбида вольфрама.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков изобретения обеспечивает достижение заявленного технического результата, а признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующей функциональной задачи.
Признак «…матрица и ее рабочие элементы выполнены из спеченного порошка карбида вольфрама…» обеспечивает альтернативную замену пресс-форм на основе графита с повышением их эксплуатационных характеристик.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами где на фиг 1 представлен продольный разрез устройства; на фиг.2 представлены возможные варианты устройства для изготовления деталей разных типов.
На чертежах показаны матрица 1, верхний 2 и нижний 3 пуансоны, спекаемый композиционный порошок 4, цилиндрическая полость 5 матрицы 1, продольная ось 6 матрицы 1, полости 7 и 8 пуансонов 2 и 3, цилиндрический вкладыш 9, торец 10 верхнего и торец 11 нижнего пуансонов 2 и 3, средство 12 формирования продольного прессующего усилия 13.
В качестве примера показана пресс-форма, обеспечивающая изготовление деталей типа втулок и содержащая матрицу 1, с рабочими элементами: верхним 2, нижним 3 пуансонами и цилиндрическим вкладышем 9. Все они выполнены из жаропрочного токопроводящего материала - из спеченного порошка карбида вольфрама.
Матрица 1 выполнена в виде цилиндрической пустотелой обечайки, при этом, размеры ее цилиндрической полости 5 обеспечивают возможность плотного прилегания к ее поверхности внешней поверхности пуансонов 2 и 3, соосных с продольной осью 6 матрицы 1 и с возможностью продольного перемещения вдоль нее, что обеспечивает возможность формирования прессующего усилия на спекаемый в деталь композиционный порошок 4. Кроме того, верхний 2 и нижний 3 пуансоны, выполнены с возможностью подключения к источнику электропитания (на чертежах не показан), с возможностью прохождения электрического тока через спекаемый композиционный порошок 4. Верхний 2 и нижний 3 пуансоны выполнены в виде цилиндрических втулок.
Полости 7 и 8 пуансонов 2 и 3, соосны с продольной осью 6 матрицы 1, выполнены цилиндрическими и имеют размеры обеспечивающие возможность плотного прилегания к их поверхностям внешней поверхности цилиндрического вкладыша 9, соосного с продольной осью 6 матрицы 1. При этом, длина вкладыша 9 больше расстояния между обращенными друг к другу торцами 10 и 11 верхнего 2 и нижнего 3 пуансонов, предпочтительно равна высоте матрицы 1. причем, цилиндрический вкладыш 9 установлен с возможностью перемещения вдоль продольной оси 6 матрицы 1.
В качестве средства 12 формирования продольного прессующего усилия 13 используют прессовую установку известной конструкции, раздвижность плит которой позволяет вертикально разместить между ними сборку, включающую матрицу 1 с выступающими из нее пуансонами 2 и 3, и развивающую прессовое усилие до 120 Мпа, скорость разогрева до 400ºС/мин и рабочую температуру до 2200ºС.
Устройство работает следующим образом.
В матрицу 1 устанавливается с натягом нижний 3 пуансон, затем в его полость 8 вставляют с натягом соосно с продольной осью 6 матрицы 1, цилиндрический вкладыш 9. Далее в открытый торец 10 верхнего пуансона 2 засыпают порцию композиционного порошка 4, после чего, вставляют верхний пуансон 2 с натягом по отношению к полости матрицы 1 и цилиндрическому вкладышу 9. После подпрессовки пуансонами 2 и 3 (в средстве 12 формирования продольного прессующего усилия 13) собранную конструкцию зажимают в установке искрового плазменного спекания (на чертежах не показана), таким образом, чтобы пуансоны 2 и 3 опирались на токоподводы пресса (не показаны), через которые подводят ток от источника питания (не показан) и одновременно увеличивают усилие на порошок до 60 МПа. При подаче напряжения электрический ток проходит через верхнюю часть верхнего пуансона 2, матрицу 1, нижний пуансон 3. Проходя через матрицу 1, электрический ток разогревает ее, обеспечивая таким образом предварительный нагрев порошка 4. При достижении определенной температуры порошка или достижении пропускания электронов через порошок, подвод тока через верхний пуансон 2 отключается и одновременно нижний пуансон 3 подключается к источнику питания. Таким образом, ток протекает через нижний пуансон 3, и обрабатываемое изделие (объем композиционного порошка 4). Проход электронов через порошок разогревает его до температуры спекания, как минимум до 1900ºС, при скорости нагрева 100ºС/мин. Величина и продолжительность приложения давления определяется в зависимости от технологических режимов.
По окончанию процесса выпрессовываются цилиндрический вкладыш 9, верхний 2 и нижний 3 пуансоны и извлекается готовое изделие.
Использование пресс-формы из спеченного порошка карбида вольфрама исключает загрязнение получаемых изделий примесью углерода, исключает эффект карботермического восстановления, приводящий к изменению химического состава изделия, обеспечивает повышение механической прочности пресс-форм и на этой основе, достижение более высокой плотности получаемого изделия.