RU180550U1 - Устройство для получения изделий из композиционных порошков - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области высокотемпературного спекания различных порошковых композиций, в частности к устройствам для получения изделий из композиционных порошков горячим прессованием или искровым плазменным спеканием. В устройстве для получения изделий из композиционных порошков, содержащем 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 снабжен цилиндрическим каналом, предназначенным для взаимодействия входящего в устройство средства измерения параметров зоны спекания с дном канала, выполненным в виде установленной в ответном пазе пуансона тугоплавкой и проницаемой для инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания вставки с плоскопараллельными торцевыми поверхностями, сопряженной с установленным в упомянутом канале оптическим элементом с плоскопараллельными рабочими поверхностями, оптический элемент выполнен в виде трех призм - одной центральной и двух боковых, сопряженных между собой так, что центральная призма одной гранью образует рабочую поверхность, обращенную к упомянутой вставке, а двумя другими гранями сопряжена с гранями боковых призм с образованием двух призм Глана-Тейлора, причем по одной грани боковых призм совместно образуют рабочую поверхность оптического элемента, обращенную к упомянутому средству измерения, при этом упомянутое средство измерения выполнено в виде источника оптического излучения, установленного так, что его излучение направлено на оптический элемент перпендикулярно его рабочим поверхностям, и регистратора, установленного с возможностью улавливания преломленного призмами Глана-Тейлора лазерного излучения, возможно источник оптического излучения выполнять в виде лазера, оптимально призму выполнять из корунда, рубина или плавленого кварца, желательно регистратор выполнять в виде интерферометра. Технический результат - повышение качества получаемых изделий. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Полезная модель относится к области высокотемпературного спекания различных порошковых 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. 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 композиционных порошков графитового материала матрицу и установленные внутри нее 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, выполненным в виде установленной в ответном пазе пуансона тугоплавкой и проницаемой для инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания вставки с плоскопараллельными торцевыми поверхностями, причем оно дополнительно снабжено установленной в упомянутом цилиндрическом канале призмой Глана-Тейлора с плоскопараллельными рабочими поверхностями, одна из которых прилегает к поверхности упомянутой вставки, а другая обращена к средству измерения температуры (RU №173525, опубл. 30.08.2017).

К недостаткам прототипа следует отнести относительно низкую интенсивность оптического излучения исходящего от поверхности спекаемого объема, проходящего через лейкосапфировую вставку, что приводит к снижению точности измерения температуры в зоне спекания. По этой причине данная конструкция может работать только с применением высокочувствительного приемника излучения.

Полезная модель направлена на решение задачи повышения точности измерения реальной температуры в зоне спекания в заявленном устройстве.

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 композиционных порошков графитового материала матрицу и установленные внутри нее 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 параметров зоны спекания с дном канала, выполненным в виде установленной в ответном пазе пуансона тугоплавкой и проницаемой для инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания вставки с плоскопараллельными торцевыми поверхностями, сопряженной с установленным в упомянутом канале оптическим элементом с плоскопараллельными рабочими поверхностями, оптический элемент выполнен в виде трех призм - одной центральной и двух боковых, сопряженных между собой так, что центральная призма одной гранью образует рабочую поверхность, обращенную к упомянутой вставке, а двумя другими гранями сопряжена с гранями боковых призм с образованием двух призм Глана-Тейлора, причем по одной грани боковых призм совместно образуют рабочую поверхность оптического элемента, обращенную к упомянутому средству измерения, при этом упомянутое средство измерения выполнено в виде источника оптического излучения, установленного так, что его излучение направлено на оптический элемент перпендикулярно его рабочим поверхностям, и регистратора, установленного с возможностью улавливания преломленного призмами Глана-Тейлора лазерного излучения, возможно источник оптического излучения выполнять в виде лазера, оптимально призму выполнять из корунда, рубина или плавленого кварца, желательно регистратор выполнять в виде интерферометра.

Полезная модель поясняется следующими изображениями:

- Фиг. 1 - принципиальная схема устройства для получения изделий из композиционных порошков;

- Фиг. 2 - составная призма;

- Фиг. 3 - держатель и составная призма в сборе;

- Фиг. 4 - пуансон с каналом;

- Фиг. 5 - траектория электромагнитных волн.

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 - составная призма;

5 - вставка-подложка;

6 - цилиндрический держатель составной призмы и вставки-подложки;

7 - регистратор;

8 - система управления;

9 - генератор импульсов тока.

Представленное устройство для получения изделий из композиционных порошков отличается от прототипа, введением в него источника оптического излучения 10, для зондирования температурно-чувствительной составной призмы 4 мощным опорным лазерным излучением 11 с целью получения интерференционной картины линии излучения, которая обуславливает повышение точности измерения температуры в зоне спекания, за счет применения методов интерференционной спектроскопии. Предложенная составная призма 4, содержащая три отдельные призмы 12, 13 и 14, отличается от известной в линейной оптике поляризационной призмы Глана-Тейлора тем, что позволяет сформировать обратный ход зондирующего лазерного излучения и пространственно разделить входной и выходной пучок зондирующего лазерного излучения 11. Кроме того, составная призма 4 преобразует выходящее из вставки 5 некогерентное и не поляризованное электромагнитное излучение 15 в полностью линейно-поляризованное излучение 16 (см. Фиг. 5), что в совокупности с обратным ходом зондирующего лазерного излучения, позволяет с минимальными диэлектрическими потерями и потерями на излучение провести точное измерение температуры в зоне спекания 17.

Применение различных средств для преобразования некогерентного и неполяризованного электромагнитного излучения 15 из зоны спекания 17 в полностью линейно-поляризованное излучение 16 известны из уровня техники (см., например, Apparatus for measuring state of polarization of a lightwave - патент US 20030075676, опубл. 24.04.2003).

Составная призма 4 состоит из отделенных друг от друга воздушным зазором (на рисунке не указан) трех призм 12, 13 и 14, образующие две сформированные ими призмами Глана-Тейлора 18 и 19 (на Фиг. 2 указаны пунктирными линями). Границы раздела, где присутствуют воздушные зазоры (на рисунке не указаны), между призмами 12, 13 и 13, 14 обладают поляризационными свойствами призм Глана-Тейлора. Данные поляризационные свойства составной призмы 4 зависят от температуры, а также от коэффициента показателя преломления, поляризации и величин воздушного зазора между призмами 12, 13 и 13, 14. Таким образом, составная призма 4 способна образовать обратный ход поляризованного зондирующего лазерного излучения и одновременно пропускать и формировать поляризационное излучение от поверхности зоны спекания, свойства которых подобны свойствам поляризационной лазерной призмы Глана-Тейлора.

Составная призма 4 устанавливается внутри держателя 6. Держатель 6 может быть выполнен в виде цилиндрического тела с, например, квадратным пазом (на рисунке не указано), куда устанавливается составная призма 4. При этом, поверхности 20 и 21 призм 14 и 12 соответственно, совпадают с одним торцом цилиндрического держателя 6 (см. Фиг. 3), а поверхность 22 призмы 13 плотно сопряжена с выходной поверхностью 23 вставки 5. Входная поверхность 24 вставки 5, совпадает со вторым торцом цилиндрического держателя 6 и установлена вровень с ним.

При нагреве зоны спекания 17 из нее исходит излучение некогерентных и неполяризованных электромагнитных волн, которые входят, через поверхность 24, во вставку 5 в виде неколлимированного пучка света 27, проходит сквозь нее и выходит через поверхность 23 как световой пучок 15 (см. Фиг. 5).

Входящие в составную призму 4 электромагнитные волны 15 образуют два луча: обыкновенный и необыкновенный луч (на рисунке не указаны) за счет эффекта двулучепреломления на границе входящей поверхности 22 призмы 13. На границе раздела двух призм 13 и 14, за счет эффекта полного внутреннего отражения призмы 13 обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение (на рисунке не указан) и не проходит внутрь второй призмы 14, а полностью поляризованный необыкновенный луч (на рисунке не указан) проходит через воздушный зазор в призму 14 и выходит из нее через поверхность 20 сохраняя свое первоначальное поляризованное направление. Таким образом, выходящее излучение 16 из поверхности 20 призмы 14 является полностью линейно-поляризованным. Подобное явление точно повторяется на границе раздела для призм 12 и 13.

Призмы 12, 13, 14 и вставка 5 пропускают весь ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный спектр излучения, что дает возможность измерения температуры в УФ, видимом и ИК диапазоне длин волн соответствующим регистратором поляризованного излучения. Кроме того, интенсивность (для инфракрасного диапазона) или амплитудно-частотные характеристики (спектр для видимого диапазона или ультрафиолетового диапазона) выходящего излучения 16 является функцией температуры на поверхности зоны спекания 17. На зависимости комплексного показателя преломления вещества призм 12, 13 и 14 от температуры основано применение в качестве регистратора температуры пирометра, а также болометра и тепловизора для электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне, а также спектрометра или спектрофотометра для электромагнитных волн в видимом диапазоне или ультрафиолетового спектрометра для электромагнитных волн в ультрафиолетовом диапазоне, при использовании призм 12, 13, 14, и вставки 5, проницаемых для электромагнитных волн в соответствующих диапазонах.

Одновременно, опорный лазерный пучок 11 проходит через поверхность 21 призмы 12 и преломляется на границе раздела призм 12 и 13. За счет явления полного внутреннего отражения опорный лазерный пучок отражается от поверхности 22 и преломляется на границе раздела призм 13 и 14. Опорный лазерный пучок выходит из призмы 14 через поверхность 20 и попадает в регистратор 7. В этом случае, целесообразно использовать интерферометр в качестве регистратора 7 разности фаз входных и выходных лучей.

С точки зрения подобия физико-механических свойств, что важно для одинакового поведения элементов в процессе взаимной работы, с учетом оптических требований к составной призме 4 и вставке 5 (проницаемые для электромагнитных волн, в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах), оптимально выполнять матрицу 1 и пуансоны 2, 3 из графита, цилиндрический держатель 6 тоже из графита или черной высокотемпературной керамики, а вставку 5 и составной призмы 4 - из лейкосапфира, корунда, рубина или плавленого кварца. Вставка 5 может быть выполнена в виде полуволновой или четвертьволновой пластинки.

Устройство для получения изделий из композиционных порошков (на примере установки для искрового плазменного спекания) работает следующим образом: В матрицу 1 устанавливается с натягом пуансон 2. В полости между матрицей 1 и пуансоном 2 засыпается порошковый материал, который формирует зону спекания 17. Собранный цилиндрический держатель 6 с составной призмой 4 и вставкой 5 устанавливается с натягом в ответный паз 26 пуансона 3 таким образом, чтобы поверхности 20 и 21 призм 12 и 14 были обращены в канал 27 пуансона 3, а входная поверхность 24 вставки 5 была обращена в торец пуансона 3, который контактирует с зоной спекания 17. Следом пуансон 3 устанавливается в матрицу 1 так, что входная поверхность 24 вставки 5 сопрягалась с зоной спекания 17. Далее осуществляется подпрессовка порошкового материала пуансонами 2 и 3, после чего собранная конструкция зажимается в установке, например, искрового плазменного спекания (на чертеже не показана), таким образом, чтобы пуансоны 2 и 3 опирались на токоподводы пресса (на чертеже не показаны), при этом поверхности 20 и 21 призм 12 и 14 были обращены в продолжение канала 26 внутри установки искрового плазменного спекания (на чертеже не показано). Через токоподводы пресса (на чертеже не показаны), подводят импульсы тока от генератора 9 и одновременно увеличивается давление в зоне спекания 17 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 17 до температуры спекания. При нагреве зоны спекания 17, неколлимированный пучок света 27 из некогерентных и не поляризованных электромагнитных волн входит во вставку 5 через поверхность 24 и проходит сквозь нее и выходит через поверхность 23 как световой пучок 15. Некогерентный и не поляризованный световой пучок 15 попадает в входную поверхность 22 призмы 13 и внутри нее происходит преобразование электромагнитного пучка 15 в полностью линейно-поляризованное электромагнитное излучение 16, которое выходит через поверхность 20 призмы 14. Световой пучок 16 попадает через канал 27 в регистратор 7, и оно передает сигнал в систему управления 8 для сравнения и контроля реальной температуры с требуемой (эталонной температурой) для качественного процесса спекания. Одновременно, зондирующий опорный лазерный пучок 11 от источника оптического излучения 10 проходит обратный путь через призмы 12, 13 и 14 и попадает через канал 27 в устройство регистрации 7. После обработки двух сигналов, а именно опорного лазерного пучка 11 и излучения 16 в поляризованном виде, система управления 8 контролирует работу генератора 9 и вводит поправки для поддержания температуры в заданном (эталонном) диапазоне спекания, что позволяет получить качественно спеченное изделие.

Точно так же устройство работает, будучи включенным в состав установки горячего прессования.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - повышение точности измерения реальной температуры в зоне спекания в заявленном устройстве, 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.

Claims (6)

1. Устройство 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 снабжен цилиндрическим каналом, предназначенным для взаимодействия входящего в устройство средства измерения параметров зоны спекания с дном канала, выполненным в виде установленной в ответном пазе пуансона тугоплавкой и проницаемой для инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов электромагнитных волн в тепловых пределах режимов спекания вставки с плоскопараллельными торцевыми поверхностями, сопряженной с установленным в упомянутом канале оптическим элементом с плоскопараллельными рабочими поверхностями, отличающееся тем, что оптический элемент выполнен в виде трех призм - одной центральной и двух боковых, сопряженных между собой так, что центральная призма одной гранью образует рабочую поверхность, обращенную к упомянутой вставке, а двумя другими гранями сопряжена с гранями боковых призм с образованием двух призм Глана-Тейлора, причем по одной грани боковых призм совместно образуют рабочую поверхность оптического элемента, обращенную к упомянутому средству измерения, при этом упомянутое средство измерения выполнено в виде источника оптического излучения, установленного так, что его излучение направлено на оптический элемент перпендикулярно его рабочим поверхностям, и регистратора, установленного с возможностью улавливания преломленного призмами Глана-Тейлора лазерного излучения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник оптического излучения выполнен в виде лазера.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что призмы выполнены из корунда.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что призмы выполнены из рубина.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что призмы выполнены из плавленного кварца.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что регистратор выполнен в виде интерферометра.

Images