УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА
DEVICE FOR PRODUCING CERAMIC ARTICLES BY SELF-PROPAGATING HIGH-TEMPERATURE SYNTHESIS

Изобретение относится к устройствам для изготовления крупногабаритных сложнопрофильных изделий из композиционных материалов или керамики.
Известно устройство для формования керамических изделий, содержащее матрицу, сердечник в виде эластичной оболочки, механизм деформирования оболочки и обеспечения подпитки (авторское свидетельство СССР 31570900, МКИ В28В 1/26). Недостатком известного устройства является то, что оно позволяет формовать и изготавливать изделия только из водных шликеров.
Известно устройство для формования керамических изделий, содержащее матрицу, сердечник, узлы для их соосной установки, устройство подпитки. Наружная поверхность сердечника имеет покрытие из деформируемого гидрофобного материала, что позволяет компенсировать усадку изделия в процессе подсушки (патент РФ №2191688, В28В 1/26, 2000 г.). Известное устройство имеет низкую производительность. Предназначено для подготовки заготовок только из водных шликеров.
Недостатком известного устройства является то, что устройство не имеет устройств подвода внешней энергии и не позволяет создавать избыточное давление технологических газов в рабочей зоне.
Известно устройство для формования сложнопрофильных керамических изделий, содержащее матрицу, сердечник, узлы для взаимной соосной установки и подпитки (патент РФ №2257291, В28В 1/26, 2003 г.).
Недостатком известного устройства является то, что оно не имеет возможности подвода высокой внешней энергии и не позволяет создавать необходимое давление технологических газов в рабочей зоне. Устройство имеет узкие технологические возможности и позволяет получать заготовки только из водных шликеров, которые требуют дальнейшей обработки. Устройство обладает низкой производительностью и точностью получаемых изделий.
Известно устройство для получения керамики методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, инициируемого, содержащее матрицу с рабочей зоной, сердечник, узлы для их взаимной соосной установки (CN 102876926, кл. С22С 1/05, опубл. 16.01.2013, реф.) - прототип.
Известное устройство имеет достаточно низкие эксплуатационные возможности: большая длительность фокусировки и настройки лазера, низкая точность получаемых изделий, недостаточная производительность.
Техническим результатом изобретения является создание устройства, обладающего более высокими технологическими возможностями, в том числе и для формования изделий методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
Технический результат достигается тем, что устройство для получения керамических изделий методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, инициируемого лазером, содержащее матрицу с рабочей зоной, сердечник, узлы для их взаимной соосной установки, снабжено размещенными в матрице термоэлектрическими нагревателями и горизонтально и параллельно расположенными друг к другу с равномерным шагом газоподводящими каналами, подводящим лазерным световодом, соединенным с рабочей зоной матрицы посредством рабочего световода, при этом подводящий и рабочий световоды соединены между собой соосно с помощью оптического разъема, а узел взаимной соосной установки матрицы и сердечника выполнен в виде равноуглового конического соединения.
Технический результат достигается благодаря тому, что после заполнения рабочей зоны между матрицей и сердечником смесью порошков создается необходимое давление рабочих газов и подается высокотемпературный лазерный импульс, дающий начало высокотемпературному синтезу. В результате существенно повышается производительность (скорость протекания реакции может достигать 10 мм/с) и качество создаваемых изделий из тугоплавких керамических материалов.
На рис. 1 представлен общий вид устройства.
Устройство для формования изделий содержит матрицу 1, сердечник 2, узел 3 их соосной установки. Между матрицей 1 и сердечником 2 образована рабочая зона 4, в нижней части которой соосно вертикальной оси выполнено технологическое отверстие 5. Устройство снабжено источником лазерной энергии 6, который при помощи подводящего световода 7 и рабочего световода 8 через техническое отверстие 5 соединен с рабочей зоной 4. Световоды 7 и 8 соосно соединены при помощи оптического разъема 9. В матрице 1 выполнены с равномерным шагом горизонтальные газопроводящие каналы 10, соединенные трубопроводами с системой подачи технологического газа. В сердечнике 2 выполнены по меньшей мере два сквозных отверстия 11 для подачи компонентов в рабочую зону 4. В матрице 1 равномерно размещены термоэлектрические нагреватели 12, соединенные с источником электрической энергии. Узел 3 взаимной соосной установки матрицы 1 и сердечника 2 выполнен в виде равноуглового конического соединения.
Устройство работает следующим образом.
Устройство собирают в соответствии со схемой, представленной на рис. 1. Соосная установка матрицы 1 и сердечника 2 гарантированно обеспечивается за счет их равноуглового конического соединения, которое фиксируется болтами (показаны условно). Матрица 1 и сердечник 2 контактируют между собой только по коническим поверхностям соединения. В качестве огнеупорного материала для изготовления матрицы и сердечника могут быть использованы огнеупорный кирпич, бетон, кварц, керамическое волокно и др. в зависимости от материалов и режимов протекания процесса. Через сквозные отверстия 11 малыми порциями с большой скоростью подается заранее подготовленная смесь порошков необходимого состава, которая плотно заполняет рабочую зону 4 по всему объему. После этого отверстия 11 закрывают заглушками (не показаны). При наличии технологической необходимости включают термоэлектрические нагреватели 12, которые нагревают смесь порошков до промежуточной температуры (300-500°С). От газогенератора по газоподводящим каналам 10 подается технологический газ, состав и давление которого зависят от используемой смеси порошков и получаемого материала. От источника лазерной энергии 6 по подводящему световоду 7 и рабочему световоду 8 подается высокотемпературный импульс, который фокусируется в малом объеме порошка и инициирует химическую реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, которая перемещается по рабочей зоне 4 со скоростью несколько десятков миллиметров в секунду и преобразует спрессованный порошок в тугоплавкий материал. После того, как фронт экзотермической реакции пройдет по всей рабочей зоне 4, она прекращается, и устройство разбирают, извлекая готовое изделие. Если изделие необходимо закалить, то снимают сердечник 2 и подают хладагент (вода, сжиженный газ и т.п.), резко охлаждая полученное изделие. Рабочий световод 8 является одноразовым, т.к. процесс происходит при температуре до 2500-3000°С, и он разрушается. Оптический разъем 9 позволяет его легко заменить на новый. Установка позволяет изготавливать оболочки двойной кривизны из карбидной, оксидной и нитридной керамики, производительность при этом увеличивается более чем в три раза.