УСТАНОВКА ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ПЛАВКИ
PLANT FOR PLASMA-ARC MELTING

Предлагаемое изобретение относится к области вакуумных установок для плазменной обработки металлов, в частности, для плазменной дуговой плавки металлов и сплавов в космосе, и предназначена для проведения экспериментов преимущественно по плавке наиболее перспективных металлов (вольфрам, ниобий) и композитов на металлической основе в условиях микрогравитации.
Известны установки (электропечи сопротивления) типа «Сплав» и «Кристалл», а также универсальная электропечь, применявшаяся на американской космической станции «Скайлэб», которые располагаются в отвакуумированном технологическом блоке и имеют полости, куда помещаются герметичные патроны (ампулы), содержащие переплавляемое вещество [1]. («Космическое материаловедение и технология», 1977. «Орбитальная станция «Скайлэб», Д.Бэлью, Э.Стулингер, 1977, стр.200).
Температура таких печей сопротивления, как правило, не превышает 1000-1200°С, однако, во-первых, этого недостаточно для плавки целого ряда металлов и сплавов, а, во-вторых, при более высоких температурах трудно или невозможно подобрать материал ампулы, вследствие взаимодействия его с переплавляемым веществом.
Известно также устройство для плазменной обработки материалов в дуговом разряде, принятое за прототип, представляющее собой, плазматрон [2], содержащий анод, полый термоэмиссионный катод, соединенный с узлом подачи рабочего тела (газа), источник электропитания.
Недостатком этого устройства является необходимость в дорогой системе откачки большой производительности при использовании его для плавки в дуговом разряде и невысокое качество переплавляемого материала.
Целью предлагаемого изобретения является снижение стоимости установки за счет исключения дорогой системы откачки, увеличение качества переплавляемого материала, а также повышение техники безопасности при проведении плавки в космическом пространстве в обитаемом космическом корабле и снижение веса возвращаемого на Землю объекта, включающего переплавленный материал.
Для достижения указанной цели установка для плазменно-дуговой плавки, содержащая источник электропитания и дуговую плавильную печь, состоящую из анода и катода, сообщенного с источником рабочего тела, включает технологический блок с системой вакуумирования и нагреватель в виде стержня, смонтированный внутри технологического блока, при этом источник рабочего тела заполнен щелочным металлом, например литием, и выполнен в виде герметичной ампулы, сообщенной с катодом, причем анод, катод и ампула размещены в герметичной, отвакуумированной капсуле, а нагреватель контактирует с капсулой со стороны катода.
На фиг.1 изображен общий вид предложенной установки.
Технологический блок 1 имеет загрузочный люк 2, патрубок 3 для подключения к системе вакуумирования 4 или для сообщения внутреннего объема технологического блока с забортным космосом. В технологическом блоке 1 расположена герметичная, отвакуумированная капсула 5, выполненная из тугоплавкого металла, например молибдена. В капсуле 5 смонтированы: анод 6, выполненный из переплавляемого материала, пористый катод 7 и источник рабочего тела - ампула 8, образующие плавильную печь. Расположенная внутри катода и содержащая щелочной металл (литий) ампула 8 имеет калиброванное отверстие 16, обращенное в сторону катода 7.
Анод 6 и пористый катод 7 электрически изолированы от стенки капсулы 5 с помощью изоляторов из окиси алюминия 9, соединенных с пористым катодом 7, анодом 6 и корпусом капсулы 5 методом высокотемпературной пайки. При этом корпус капсулы 5 со стороны катода 7 выполнен полым. Пусковой нагреватель 10 катода 7 выполнен в виде стержня из материала на основе нитрида бора, на наружной цилиндрической поверхности которого в спиральных канавках уложен нагревательный элемент 15, выполненный из вольфрам-рениевой проволоки. Нагреватель 10 с помощью кронштейна 12 и изолятора 11 крепится к технологическому блоку 1. Капсула 5 со стороны пористого катода 7 устанавливается на пусковой нагреватель 10 и крепится к нему накидной гайкой 13 через изолятор 14.
Установка работает следующим образом. Соединяют объем технологического блока 1 с системой вакуумирования 4, включают пусковой нагреватель 10 и разогревают пористый катод 7 и ампулу с литием 8. Литий испаряется и поступает через отверстие в ампуле 8 и пористый термоэмиссионный элемент катода 7 в межэлектродный промежуток (промежуток между анодом 6 и катодом 7) капсулы 5. Подают напряжение между анодом 6 и катодом 7 и зажигают разряд, увеличивают ток разряда и производят расплавление анода 6 в литиевой плазме низкого давления.
Анод 6 выполнен в виде цилиндра из несмачивающихся в условиях гравитации элементов, например, ниобия, легированного одним из редкоземельных элементов. Плавку проводят по заданной циклограмме.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность получения сверхпроводящего сплава с рекордной температурой перехода сплава в сверхпроводящее состояние.
Кроме того, в предложенной установке предполагается проведение плавок композиционных материалов на основе бериллия.
После проведения плавки капсулу 5 снимают с нагревателя 10 и возвращают на Землю.
Положительный эффект установки для плазменно-дуговой плавки в космосе достигается за счет проведения плавки в условиях микрогравитации в дуговом разряде низкого давления в плазме лития, в закрытой, герметичной, отвакуумированной капсуле. В результате чего за счет сильных восстановительных свойств литиевой плазмы увеличивается чистота переплавляемых материалов, возрастает ресурс катода плазмотрона, а также повышается техника безопасности, исключается попадание вредных аэрозольных соединений лития в атмосферу обитаемого космического корабля. При этом плавка проводится в низковольтной (15-20 Вольт) дуге низкого давления, что также повышает технику безопасности (по сравнению с плавкой электронным лучом) и значительно упрощает установку. Следует также отметить, что возвращаемая на Землю капсула имеет малую массу из-за исключения из возвращаемых на Землю элементов установки для плазменно-дуговой плавки технологического блока 1, пускового нагревателя 10 и узлов крепления 11, 12, 13 и 14 капсулы 5 на технологическом блоке.
Использованная литература
1. Д.Бэлью, Э.Стулингер. «Орбитальная станция «Скайлэб». «Космическое материаловедение и технология», 1977, стр.200.
2. Заявка на изобретение №2004138506/06 от 28.12.2004, опубликованная 10.06.2006. МПК Н05Н 1/24.