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. 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 точно установить оптимальную температуру, градиент распределения температуры и энергию спекания из-за отсутствия контроля/измерения реальной температуры и энергии в зоне спекания и на поверхности (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 реальной температуры и отсутствие контроля/измерения энергии излучения в зоне спекания, обусловленные невозможностью получать на входе средства измерения выходящий из зоны спекания концентрированный пучок электромагнитного излучения, который позволяет с минимальными потерями провести точное контроль/измерение температуры и энергии излучения.
Полезная модель направлена на решение задачи наиболее точного контроля/измерения реальной температуры и энергии излучения в зоне спекания.
Технический результат - повышение качества получаемых изделий за счет наиболее точного контроля/измерения реальной температуры и энергии излучения в зоне спекания.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для получения изделий из композиционных порошков, содержащее 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 регистрации излучения и 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, дополнительно снабжено оболочкой, образующей внутреннюю интегрирующую полость с входом и выходом, и двумя оптическими волноводами, один из которых оптически соединяет дно канала с входом интегрирующей полости, а другой оптический волновод оптически соединяет выход интегрирующей полости с упомянутым средством регистрации излучения и измерения температуры, целесообразно цилиндрический канал пуансона формировать в виде полого волновода с тугоплавкой и полированной металлической стенкой, выполненной с возможностью зеркального отражения электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне или в виде полого волновода с тугоплавким и полированными стенками из лейкосапфира, выполненной с возможностью зеркального отражения электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, при этом оболочка может быть выполнена в форме сферы или в форме цилиндра с полусферическими торцами.
Полезная модель поясняется следующими изображениями:
- Фиг. 1 - принципиальная схема устройства для получения изделий из композиционных порошков;
- Фиг. 2 - верхний пуансон с волноводом, подсоединенный к оболочке с интегрирующей полостью.
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 - дно канала
5 - оптический волновод на входе в интегрирующую полость;
6 - оптический волновод на выходе из интегрирующей полости;
7 - регистратор излучения и измеритель температуры;
8 - система управления;
9 - генератор импульсов тока;
10 - зона спекания;
11 - оболочка с интегрирующей полостью.
Для обеспечения измерения температуры и энергии равновесного излучения, исходящей от поверхности области спекания используется метод "интегрирующей полости" или "интегрирующей сферы", где специальная вставка выполняется в виде сферической или цилиндра с полусферическими торцами и соединяется с каналом пуансона.
Интегрирующая полость 11 в виде цилиндра или сферы производится из тугоплавкого металла (Ti, W) и имеет полированную внутреннюю поверхность, высокоотражающую в видимом и инфракрасном диапазоне длин волн [Robin М. Pope and Edward S. Fry. "Absorption spectrum (380-700 nm) of pure water. II. Integrating cavity measurements". Applied Optics Vol. 36, Issue 33, pp. 8710-8723 (1997) https://doi.org/10.1364/AO.36.008710 - для удобства Экспертизы прилагается к материалам заявки].
В измеренное устройством-регистратором 7 значение температуры вводится поправка, учитывающая наличие перемычки между поверхностью дна канала 4, на которой температура и энергия излучения измерена, и зоной спекания 10. С учетом поправки (рассчитывается программными средствами системы управления), в зависимости от определенной температуры и энергии излучения в зоне спекания, осуществляется управление технологическими параметрами спекания (например, давление, плотность тока, частота и скважность импульсов тока и т.п.).
Основное отличие заявленного технического решения от прототипа заключается в дополнительное снабжение канала пуансона волноводом 5, которым сопряжен к интегрирующей полости 11, выполненной из тугоплавкого металлического материала с внутренней полированной стенкой с эффектом зеркального отражения входящего излучения и энергии с минимальными потерями на поглощение.
Оптимально, когда интегрирующая полость 11 выполнена в виде сферической или цилиндрической, с полусферическими торцами, полой формы с металлическими стенками, включающей вход 12 и выход 13 интегрирующей полости, размещенной так, что ее вход интегрирующей полости 12 обращен в зону спекания 10 и сопряжен с оптическим волноводом 5 в пуансоне 3, а выход интегрирующей полости 13 обращен в оптический волновод 6 для связи с регистратором излучения 7.
Выходящее излучение из зоны спекания 10 через дно канала 4 и волновод 5 в пуансоне 3 попадает в интегрирующий объем полости 11. За счет эффекта суммирования энергии всех возбужденных электромагнитных мод и равновесного излучения возбужденных электромагнитных мод интегрирующей полости 11, происходит перераспределение и усреднение энергии всех возбужденных электромагнитных мод на выходе 13 во всем пространственном и частотном интервале входящего излучения.
Функциональная зависимость максимума энергии излучения исходящей из интегрирующей полости 11 соответствует закону излучения М. Планка и, в свою очередь, зависит от температуры в зоне спекания 10, таким образом, величина максимума энергии излучения, регистрируемая с помощью регистратора 7 однозначно зависит от равновесной температуры внутри зоны спекания.
Отдельные зависимости энергии излучения и интенсивности от величины регистрируемой температуры, а также суммарной энергии и интенсивности равновесного состояния возбужденных мод интегрирующей полости на выходе 13, являются линеаризованной функцией температуры зоны спекания 10, удовлетворяющей законам Вина и Стефана-Больцмана.
Таким образом, линеаризованные функции интенсивности и энергии излучения в усредненном пространственном и частотном интервале также зависят от температуры и является показателем равновесной температуры в зоне спекания 10.
Поскольку в зоне спекания рабочее давление весьма высоко, сопряжение пуансона 3 с волноводом 5 оптимально осуществлять по цилиндрической поверхности так как, 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 волноводам 5 и 6, оптимально выполнять матрицу 1 и пуансоны 2, 3 из графита, а волноводы и интегрирующую полость - из тугоплавкого металла, в отдельных случаях, для фиксации излучения в оптическом видимом диапазоне длин волн волноводы могут быть сделаны из лейкосапфира, рубина или корунда.
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 10. Пуансон 3 с волноводом 5 и дно канала 4 устанавливается с натягом в матрицу 1 так, что плоская входная поверхность 15 дно канала 4 сопрягалась с зоной спекания 10, а вход интегрирующей полости 12 сопрягается с волноводом 5.
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). Через токоподводы пресса (на чертеже не показаны), подводят импульсы тока от генератора 9 и одновременно увеличивается давление в зоне спекания 10 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 10 до температуры спекания.
При нагреве, зона спекания 10 излучает электромагнитные волны в широком спектре длин волн от ИК до УФ, которые проходят через дно канала 4 и попадают через волновод 5 и вход 12 в интегрирующую полость 11. Далее электромагнитные излучения выходят из интегрирующей полости 11 через выход 13 и попадают через волновод 6 в средство измерения температуры 7. Регистратор излучения 7 фиксирует зависимости амплитуды интенсивности и энергии излучения из интегрирующей полости от температуры и они являются характеристиками температуры зоны спекания 10, которые определяются из линеаризованных кривых закона М. Планка, Вина и Стефана-Больцмана. Регистратор излучения 7 передает сигнал в систему управления 8 для сравнения и контроля реальной температуры с требуемой при процессе спекания. После обработки сигнала система управления 8 контролирует работу генератора 9 и вводит поправки для поддержания равновесной температуры в пределах заданного (эталонного) диапазона температур, гарантирующего качественное спекание изделия.
Точно так же устройство работает, будучи включенным в состав установки горячего прессования. Достоинство представленного устройства состоит в том, что существует возможность жесткого соединения матрицы 1, пуансонов 2, 3, волноводов 5, 6 и интегрирующей полости 11 в единую конструкцию с упругой посадкой без зазоров, что позволяет исключить неточности/потери при измерении температуры и энергии излучения в зоне спекания.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - наиболее точного контроля/измерения реальной температуры и энергии излучения в зоне спекания - решена, а заявленный технический результат - повышение качества получаемых изделий за счет наиболее точного контроля/измерения реальной температуры и энергии излучения в зоне спекания - 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 и 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.