УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХПРОЧНОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к получению сверхпрочного материала для обшивок гиперзвуковых самолетов на основе 3D-структуры модифицированного сапфира, насыщенного ниобием. Такой материал работает при температурах до 2000°С.
Известны оболочечные конструкции секций фюзеляжа, изготовленные из объемно-армированных плит на основе наномодифицированных неорганических связующих, а также методы Вернейля, Степанова, Чохральского /1/, позволяющие осуществить однофазную кристаллизацию при выращивании тугоплавких монокристаллов из расплава для получения неорганических связующих.
Таким образом, рассматриваемая задача сводится к следующему:
1. Получению неорганических связующих, в данном случае монокристалла сапфира, который при дендритном росте сохраняет свои механические свойства и теплопроводность и позволяет использовать его как армирующий материал в композиционных сплавах;
2. Формированию неорганических связующих в спирали;
3. Связке спиралей в полотно (3D-структура) (по аналогии с сеткой «рабица»);
4. Насыщению 3D -структуры ниобием.
Наиболее близкой к описываемой полезной модели относится установка А.В.Степанова /1/, использующая капиллярные силы, с помощью которых формируется столбик расплава на поверхности формообразователя.
2
3
2
3
В качестве прототипа выбрана установка А.В.Степанова, содержащая тигель с расплавом АlО и направляющий капилляр, опущенный в тигель с расплавом АlО.
Недостатком данной установки является невозможность быстрой кристаллизации монокристальных изделий из модифицированного сапфира.
Цель изобретения - получение сверхпрочного материала для обшивки гиперзвуковых самолетов.
2
3
2
3
Поставленная цель достигается тем, что в кристаллизационную установку, содержащую тигель с расплавом АlО и направляющий капилляр, опущенный в тигель с расплавом АlО, дополнительно введены блок формирования неорганических связующих, содержащий направляющие трубки для создания формирующего и охлаждающего потоков газокапельных смесей, установленные выше направляющего капилляра, направляющий стержень, формообразователь, на поверхности которого формируется столбик расплава, и вращающийся вокруг направляющего стержня и перемещающийся вдоль него, блок формирования 3D-структуры, вход которого соединен с выходом блока формирования неорганических связующих, блок насыщения ниобием, вход которого соединен с выходом блока формирования 3D-структуры, содержащий тигель с расплавом ниобия, направляющую трубку для создания охлаждающего потока газокапельной смеси, платформу, на которой установлены тигель с расплавом ниобия и направляющая трубка для создания охлаждающего потока газокапельной смеси, перемещающийся в двух направлениях поддон, в котором установлена 3D-структура неорганических связующих.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемая установка отличается наличием новых элементов и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к решению новой задачи создания сверхпрочного материала для обшивки гиперзвуковых самолетов. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг.1 показана схема устройства для получения сверхпрочного материала.
2
3
Установка включает: I - блок формирования неорганических связующих, в составе: 1 - тигель с расплавом АlО, 2 - направляющий капилляр, 3 - направляющая трубка с формирующим потоком газокапельной смеси, 4 - направляющая трубка с охлаждающим потоком газокапельной смеси, 5 - монокристалл сапфира, 6 - формообразователь, 7 - направляющий стержень; II - блок формирования 3D-структуры неорганических связующих; III - блок насыщения ниобием, в составе: 4 - направляющая трубка с охлаждающим потоком газокапельной смеси, 9 - тигель с расплавом ниобия, 8 - платформа, 10 - поддон, 11 - 3D-структура неорганических связующих, 12
- сверхпрочный материал (3D-структура неорганических связующих, насыщенная ниобием).
Установка работает следующим образом.
2
3
0
1
1
K
K
2
3
2
3
1
2
3
2
2
3
2
3
2
В блоке формирования неорганических связующих I расплав АlО при температуре Т за счет капиллярных сил поднимается по направляющему капилляру 2, размер которого лежит в пределах от 100 мкм до 7-8 мм (l), и встречается с формирующим потоком газокапельной смеси, подаваемой в направляющую трубку 3. Газокапельная смесь может представлять собой эмульсию, температура T которой равна T=T+ΔT, где T - температура кристаллизации расплава АlО; ΔT-1-2°С - перегрев. Формирующий поток обеспечивает термостатирование расплава АlО с заданными размерами и геометрией (на фиг.1 размер d, который в 2-3 раза меньше параметра l). Сформированный расплав АlО охлаждается охлаждающим потоком газокапельной смеси (температура T), поступающей по направляющей трубке 4. На поверхности формообразователя 6, расположенного на нижнем по схеме конце направляющего стержня 7, формируется столбик расплава АlО. Ось направляющего стержня 7 совпадает с осью направляющего капилляра 2. Точка формирования столбика расплава АlО смещена на величину e (фиг.1), что способствует при вращении формирователя 6 и его перемещении вдоль направляющего стержня 7 сформировать спиралевидную нить заданной длины, которая в дальнейшем поступает в блок II формирования 3D-структуры неорганических связующих. Внутренний диаметр спирали определяется диаметром d направляющего стержня 7, а шаг h - линейной  и угловой ω скоростями перемещения формообразователя 6 по направляющему стержню 7. На выходе блока I формируется спираль из монокристалла сапфира 5. Чем продуктивней термостатирующий и формирующий потоки газокапельных смесей, тем производительней установка. При этом получается оптически мутный сапфир, но с заданными показателями прочности и теплопроводности.
В блоке II происходит «сшивание» спиралевидных нитей 5 в единое полотно 11 наподобие сетки «рабица».
«Сшитое» полотно 11 поступает в блок III. При этом оно укладывается на перемещающийся в двух направлениях поддон 10, расположенный ниже платформы 8, на которой жестко установлены тигель 9 с расплавом ниобия и направляющая трубка 4 с охлаждающим потоком газокапельной смеси. Через регулируемое отверстие в тигеле 9 расплавленный ниобий проникает в 3D-структуру 11 и насыщает ее. При этом возникающий термоудар не изменяет структуры монокристалла сапфира 5. Охлаждение сформированной 3D-структуры 11, насыщенной ниобием, производится охлаждающим потоком газокапельной смеси направляющей трубки 4, а также хорошей теплоотдачей монокристалла сапфира 5. При этом образуется сверхпрочный материал 12, работающий при температурах до 2000°С.
Таким образом, предлагаемая установка позволяет получить материал из модифицированного сапфира, насыщенного ниобием, с новыми характеристиками, обеспечивающими работу при температурах до 2000°С.
Литература
1. Багдасаров Х.С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава. - М., Физматлит, 2004. - 159 с.