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 Richter, 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. 12365, 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, содержащем 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 вставки из тугоплавкого оптически прозрачного материала с эффектом двулучепреломления и переменным в температурном диапазоне спекания коэффициентом преломления с входной и выходной поверхностями, размещенной так, что ее входная поверхность обращена к зоне спекания, выходная поверхность обращена в канал, а средство измерения температуры выполнено в виде регистратора разности фаз выходных лучей, при этом вставка может быть выполнена в виде пластины с плоскопараллельными входной и выходной поверхностями или в виде стержня с плоскопараллельными входной и выходной торцевыми поверхностями, оптимально, когда вставка выполнена в виде сферической линзы с плоской входной и выпуклой выходной поверхностями, при этом регистратор разности фаз выходных лучей выполнен в виде интерферометра, кроме того матрица и пуансоны выполнены из графита, а вставка в виде сферической линзы выполнена из лейкосапфира.
Полезная модель поясняется следующими изображениями:
- Фиг. 1 - принципиальная схема устройства для получения изделий из композиционных порошков;
- Фиг. 2 - сферическая линза;
- 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 - сферическая линза;
5 - канал;
6 - регистратор;
7 - система управления;
8 - генератор импульсов тока.
Основное отличие заявленного технического решения от прототипа заключается в замене перемычки (см. прототип) на вставку, выполненную из тугоплавкого оптически прозрачного материала с эффектом двулучепреломления и переменным в температурном диапазоне спекания коэффициентом преломления с входной и выходной поверхностями. Вставка может быть выполнена в виде пластины с плоскопараллельными входной и выходной поверхностями или в виде стержня с плоскопараллельными входной и выходной торцевыми поверхностями. Оптимально, когда вставка выполнена в виде сферической линзы 4, включающей плоскую входную 9 и выпуклую выходную 10 поверхность, размещенной так, что ее входная поверхность 9 обращена в зону спекания 11, а выходная поверхность 10 обращена в канал 5. За счет эффекта двулучепреломления вставки, входящее в линзе 4 излучение 12 из зоны спекания 11 расщепляется на два луча (обыкновенный 13 и необыкновенный 14) и из линзы 4 выходят через поверхность 10 две лучи разной поляризации. Сферическая линза 4 способна дополнительно фокусировать выходящие обыкновенный 13 и необыкновенный 14 лучи в плоскость параллельно нормали апертуры регистратора 6, имеющие разность фаз. Разность фаз обыкновенного 13 и необыкновенного 14 луча зависит от коэффициента преломления линзы 4 отдельно для каждого выходящего луча. Коэффициент преломления в свою очередь зависит от температуры в зоне спекания 11, таким образом величина разности фаз является функцией температуры зоны спекания 11. Сдвиг фаз обыкновенного и необыкновенного луча в частотном интервале также зависит от температуры и является показателем температуры в зоне спекания 11.
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 для электромагнитных волн в видимом диапазоне с использованием линзы 4, проницаемой для электромагнитных волн в видимом диапазоне.
Поскольку в зоне спекания рабочее давление весьма высоко, сопряжение линзы 4 с ответным пазом 15 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 линзе 4, оптимально выполнять матрицу 1 и пуансоны 2, 3 из графита, а линзу - 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 11. Линза 4 устанавливается с натягом в ответный паз 15 пуансона 3 таким образом, что выпуклая выходная поверхность 10 линзы 4 была обращена в канал 5. Следом пуансон 3 устанавливается в матрицу 1 так, что плоская входная поверхность 9 линзы 4 сопрягалась с зоной спекания 11. 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 выходная поверхность 10 линзы 4 должна быть обращена к продолжению канала 5 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 11 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 11 до температуры спекания. При нагреве, зона спекания 11 излучает электромагнитные волны в широком спектре длин волн и входящий в линзу 4 через входную поверхность 9 коллимированный пучок 12 видимого света расщепляется на два луча (обыкновенный 13 и необыкновенный 14) и из линзы 4 выходят через поверхность 10 две лучи разной поляризации. Линза 4 фокусирует излучения из зоны спекания 11 в плоскость параллельно нормали апертуры регистратора 6 через канал 5. При изменении температуры в зоне спекания 11 изменяется коэффициент преломления линзы и появляется изменение разности фаз обыкновенного 13 и необыкновенного 14 луча, а также сдвиг фаз в частотном диапазоне. Регистратор 6 фиксирует амплитуды интерференционных линий, их ширину и расстояние между максимумами (минимумами) линий интерференционной картины сведения обыкновенного 13 и необыкновенного 14 луча. Данные характеристики интерференционной картины зависят от температуры и являются характеристиками температуры зоны спекания 11. Регистратор 6 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.