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, которое необходимо для уплотнения порошка, обратно пропорциональна уровню температуры, то есть с ее увеличением оно 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, 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.
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, как и известных из уровня техники аналогов, следует отнести невозможность проведения внутриволноводной спектроскопии, поверхностной спектроскопии излучения веществ, соединений на поверхности зоны спекания.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения точности контроля/измерения реальной температуры в зоне спекания и измерения концентрации оптических веществ и соединений на поверхности зоны спекания, путем использования новых приложений методов волноводной спектроскопии.
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 композиционных порошков графитового материала матрицу и установленные внутри нее с образованием зоны спекания и возможностью встречного перемещения оппозитно расположенные графитовые пуансоны, один из которых выполнен с пазом на торце, обращенном к зоне спекания, и размещенной в упомянутом пазе оптической деталью, взаимодействующей с входящим в устройство средством измерения параметров зоны спекания, дополнительно содержащее источник оптического излучения, пуансон с пазом в торце снабжен двумя сквозными каналами, оптическая деталь выполнена в виде волновода из тугоплавкого и проницаемого для электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания материала, размещенного в пазе торца так, что его окончания пропущены через упомянутые каналы, и одно из них оптически соединено с источником оптического излучения, а другое - со средством измерения параметров зоны спекания, при этом средство измерения параметров зоны спекания выполнено в виде регистратора параметров упомянутого оптического излучения, желательно, чтобы волновод был выполнен из сапфира или из плавленого кварца, волновод может быть выполнен в виде змейкового волновода, петли или плоской спирали, оптимально источник оптического излучения может быть выполнен в виде лазера, а регистратор параметров оптического излучения – в виде интерферометра эталона Фабри-Перо, спектрофотометра, фотодиода, фотоприемной матрицы или резонансного болометра (или пирометра).
Полезная модель поясняется следующими изображениями:
- Фиг. 1 - принципиальная схема устройства для получения изделий из композиционных порошков;
- Фиг. 2 - пуансон со змейковым волноводом;
- Фиг. 3 - пуансон с волноводом в виде петли;
- Фиг. 4 - пуансон с волноводом в виде спирали.
Устройство для получения изделий из композиционных порошков в соответствии со схемой на Фиг. 1 включает (но не ограничивается указанными) следующие элементы:
1 - матрица;
2 - первый пуансон с двумя каналами;
3 - второй пуансон;
4 - волновод;
5 - регистратор параметров оптического излучения;
6 - система управления;
7 - источник питания;
8 - область спекания;
9 - лазер.
Основное отличие заявленного технического решения от прототипа заключается в замене перемычки (см. прототип) на тугоплавкий и проницаемый для электромагнитных волн в пределах режимов спекания одномодовый или двухмодовый замкнутый волновод 4, который устанавливается в соответствующий паз 10 на торце пуансона 2, и при встречном перемещении пуансонов волновод соприкасается с поверхностью зоны спекания 8. При этом паз 10 может быть выполнен в виде концентричного, с пуансоном 2, цилиндра для размещения внутри него змейковой или спиральной части волновода, а также в виде цилиндрического канала с перпендикулярной осью к оси пуансона 2 для размещения внутри него часть петли волновода. Выход 11 волновода 4 необходимо выполнять в виде фокусирующей линзы и должен быть сопряжен к средству измерения 5, для уменьшения потерь выходного сигнала, а вход 12 волновода 4 необходимо сопрягать с выходной апертурой лазера 9 для пропускания через него мощного опорного излучения лазерного пучка, которое приведет к возбуждению в волноводе 4 электромагнитных мод, как объемных, так и поверхностных с большим запасом энергии.
Волновод 4, находясь в контакте с зоной спекания 8, является оптическим аналогом зонда Ленгмюра, и его поверхность способна пропускать электромагнитное и тепловое излучения спекаемого порошка, энергетические характеристики которого, а именно интенсивность, мощность (для инфракрасного диапазона) и их спектральная плотность или спектр (для видимого диапазона), а также частотное положение парциальных волн волновода, являются функцией температуры на поверхности зоны спекания.
Кроме того, при контакте волновода 4 с поверхностью зоны спекания 8 паз 10 на торце пуансона 2 заполняется спекаемым материалом и создает равномерное распределение давления по поверхности волновода 4 для исключения искажения измерения температуры и спектроскопического анализа.
В видимом диапазоне длин волн, опорное лазерное излучение возбуждает в волноводе 4 парциальные волны, при этом в нагреваемой части волновода, помещенной в паз пуансона 2, изменяются собственные частоты и амплитуды возбужденных парциальных волн за счет температурной зависимости комплексного показателя преломления вещества волновода 4. Температурный сдвиг собственной частоты парциальной волны в волноводе 4, в зависимости от условий теплообмена на границе нагреваемой части волновода 4, помещенной в паз пуансона 2, изменяет амплитуды и ширину парциальных волн. Линейный или линеаризованный в заданном температурном интервале, температурный сдвиг собственных частот определяет температуру на границе контакта волновода 4 и зоны спекания 8, а уширение линии парциальной волны определяет концентрацию оптически активных химических веществ на границе области спекания. Для измерения температурного сдвига собственной частоты парциальной волны используется интерферометр, эталон Фабри-Перо, а для измерения температурного изменения амплитуды парциальной волны и, вследствие того измерение температуры в зоне спекания 8, используется спектрофотометр, а также фотодиод или фотоприемная матрица. Концентрация оптических активных веществ определяется по ширине и температурному уширению линий парциальных волн волновода. Рамановский (комбинационный) сдвиг частоты лазерной накачки в волноводе и ширина Рамановской (комбинационной) линии излучения молекул на поверхности волновода измеряется спектрометром и спектрофотометром. По измеренному спектру Рамановского излучения определяется концентрация химических примесей на поверхности волновода 4. Следует отметить, что в англоязычной литературе используется термин рамановское рассеяние, а в русскоязычной литературе и в научных школах по нелинейной оптике вместо вышеупомянутого термина используется термин "комбинационное рассеяние". При этом, не ограничивая общности термин "комбинационный сдвиг" имеет более широкий физический смысл, поскольку включает в себя еще и стрикционное возбуждение парциальных волн, температурное возбуждение парциальных волн, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, нелинейное возбуждение парциальных волн. Метод измерения температуры по амплитуде и уширению возбужденных линий, не зависит от метода нелинейного рассеяния в волноводе и является общим для перечисленного набора нелинейных оптических процессов и свойств волновода.
Для измерения температуры в инфракрасном диапазоне длин волн излучения от 1.0 микрона до 10.0 микрон, входящих в волновод и возбуждающих парциальные волны, используется пирометр. Амплитуда, ширина и форма линий парциальных волн зависит от граничных условий теплопереноса между волноводом 4, поверхностью пуансона 2, и зоной спекания 8. По линейной зависимости или линеаризованной зависимости величины суммарных амплитуд возбужденных парциальных волн определяется температура внутри части волновода, размещенного в пуансоне 2 и, в том числе, на контактирующей с пуансоном 2 зоны спекания 8. Пирометр измеряет суммарные амплитуды и частотные характеристики парциальных волн, возбуждаемых в волноводе 4 излучением, исходящем с зоны спекания 8, и проходящем через поверхность волновода 4. Величина температуры внутри нагретой части волновода 4 измеряется как пирометром, так и резонансным болометром, и определяется по величинам амплитуд парциальных волн волновода, а также по их частотному положению в выходном спектре излучения волновода 4.
Эффект зависимости комплексного показателя преломления вещества волновода 4 от температуры, частотный сдвиг собственных частот и амплитуд парциальных волн обусловливает применение пирометра или резонансного болометра в качестве регистратор параметров оптического излучения 5 (энергии, мощности, интенсивности) для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне с использованием волновода 4, выполненного из материала с высокой степенью проницаемости и прозрачности, с низким коэффициентом экстинкции для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне. Также этот эффект обусловливает применение спектрометра или спектрофотометра для электромагнитных волн в видимом диапазоне с использованием волновода 4, выполненного из оптически прозрачного материала с заданным окном прозрачности и сверхнизкой мнимой частью комплексного показателя преломления для электромагнитных волн в видимом диапазоне, и сверхнизким коэффициентом поглощения, или УФ-спектрометр для измерения распределения интенсивности излучения в зависимости от длины волны в УФ диапазоне с использованием волновода 4, выполненного из оптически прозрачного материала с выделенным требуемым окном прозрачности в области ультрафиолетовых длин волн.
С точки зрения близости физико-механических свойств, что важно для одинакового поведения элементов в процессе взаимной работы, с учетом оптических требований к волноводу 4 (температурные зависимости диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь для парциальных электромагнитных волн в ИК, УФ и в видимом диапазонах длин волн), оптимально выполнять матрицу 1 и пуансоны 2, 3 из графита, а волновод 4 - из сапфира (см., например, http://rscf.ru/ru/node/2148) или плавленого кварца (см., например, с. 67 книги Шкуратник В.Л., Новиков Е.А, Вознесенский А.С, Винников В.А. Термостимулированная акустическая эмиссия в геоматериалах. - М.: Издательство «Горная книга», 2015,- 241 с.).
Устройство для получения изделий из композиционных порошков работает следующим образом: в матрицу 1 устанавливается с натягом пуансон 3. В полости между матрицей 1 и пуансоном 3 засыпается порошковый материал, который формирует зону спекания 8. Волновод 4 устанавливается с натягом в паз 10 на торце пуансона 2 так, что вход 12 и выход 11 волновода 4 устанавливались в соответствующих отверстиях 13 и 14 пуансона 2. Следом пуансон 2 устанавливается в матрицу 1 так, что он мог перемещаться беззазорно и его торцевая поверхность с пазом 10, где установлен волновод 4, сопрягалась с зоной спекания 8. Далее осуществляется подпрессовки порошка зоны спекания 8 пуансонами 2 и 3. После подпрессовки собранная конструкция зажимается в установке искрового плазменного спекания (на чертеже не показано), таким образом, чтобы пуансоны опирались на токоподводы пресса (на чертеже не показаны), через которые подводят ток от источника питания 7 и одновременно увеличивают усилие на порошок. При подаче напряжения электрический ток проходит через верхний токоподвод пресса (на чертеже не показаны), пуансон 2, матрицу 1, пуансон 3 и нижний токоподвод пресса (на чертеже не показаны). Проходя через матрицу 1, электрический ток нагревает ее, обеспечивая, таким, нагрев порошка в зоне спекания 8 до температуры спекания.
При нагреве порошка, область спекания 8 излучает электромагнитные волны и формирует тепловые потоки в широком спектре длин волн и входящий в волновод 4 опорный лазерный пучок света от лазера 9 возбуждает собственные моды волновода 4, и одновременно, излучение из зоны спекания 8 испытывает множественные переотражения внутри волновода 4, включая множество полных внутренних отражений. Поэтому пучок света на выходе 11 волновода 4, имеет либо Лоренцевскую либо Гауссову форму пространственного распределения интенсивности в зависимости от пространственных характеристик волновода, количества возбуждаемых парциальных волн и геометрической формы поперечного сечения волновода 4. За счет линейной зависимости комплексного коэффициента показателя преломления вещества волновода от температуры в широком температурном интервале вплоть до 2000°С (для сапфира) и до 1700°С (для плавленого кварца) происходит температурный сдвиг собственных частот и амплитуд парциальных волн волновода. На выходе 11 волновода 4 получается уширенное со сдвигом по частоте выходное когерентное излучение, которое сравнивается по величине амплитуд парциальных волн и частоте собственных парциальных волн с опорным лазерным пучком на входе волновода. Изменение амплитуды парциальной волны в волноводе 4 происходит за счет увеличения мнимой части комплексного показателя преломления вещества волновода, которая определяет диэлектрические потери энергии в волноводе, а сдвиг по частоте происходит за счет увеличения вещественной части комплексного показателя преломления, которая определяет частотное положение собственных парциальных волн в спектре излучения на выходе 11 волновода 4. По линейному частотному сдвигу опорного лазерного пучка на выходе 11 волновода 4 определяется температура на поверхности зоны спекания 8. В связи с тем, что материалы для волновода обладают высокой степенью прозрачности и низким уровнем диэлекрических потерь, то по ширине и температурному уширению линии пространственного и частотного распределения интенсивности амплитуд парциальных волн определяются температура, концентрации веществ и соединений на поверхности зоны спекания 8.
При пропускании через волновод 4 мощного опорного излучения лазерного пучка, то в волноводе 4 будут возбуждаться электромагнитные моды как объемные, так и поверхностные моды с большим запасом энергии в модах, таким образом в волноводе 4 будет наблюдаться множество нелинейных процессов, таких как комбинационное (Рамановское) рассеяние, рассеяние Мандельштамма-Бриллюэна, флюоресценция. Физический процесс измерения температуры и концентрации оптически активных примесей на поверхности зоны спекания 8 по сдвигу амплитуд парциальных волн на выходе 11 волновода 4 для комбинационного рассеяния, рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, флюоресценции полностью аналогичен вышеописанному.
Лазерный луч, после прохождения через волновод 4, попадает через выход 11 в регистратор параметров оптического излучения 5, и оно передает сигнал в систему управления 6 для контроля реальной температуры при процессе спекания. После обработки сигнала система управления 6 контролирует работу источника питания 7 и вводит поправки для поддержания температуры в необходимых значениях спекания.
Величина и длительность приложения давления, скорость нагрева, максимальное значение температуры нагрева, выдержка максимальной температуры в процессе спекания определяются в зависимости от технологических режимов для каждого материала.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - повышения точности контроля/измерения реальной температуры в зоне спекания и измерения концентрации оптических веществ и соединений на поверхности зоны спекания, путем использования новых приложений методов волноводной спектроскопии - 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.