Способ изготовления катодного нагревателя

 

Способ изготовления катодного нагревателя включает проведение вакуумного отжига спирали при температуре (0,5-0,6)tпл в вакууме не хуже 13,310-4 Па в течение 10-30 мин с охлаждением со скоростью 0,5-3°С/с до 800-900°С, навивку спирали на держатели, которую осуществляют с диаметральным натягом, и фиксацию спирали на держателе по меньшей мере в одном месте электронно-лучевой сваркой путем расплавления легкоплавкого материала, температура которого ниже температуры плавления материала спирали. Вольфрамо-рениевую спираль изготавливают с соотношением диаметра проволоки к диаметру навивки не более 1: 8. В зоне фиксации спирали на держателе формируют спиральную направляющую канавку глубиной 0,6-0,9 диаметра проволоки, на длине 1-1,5 шага спирали. Вакуумный отжиг спирали проводят на резьбовой керамической оправке из термостойкой керамики с шагом резьбы, равным шагу спирали нагревателя. Перед вакуумным отжигом спирали проводят электролитическое снятие смазки-аквадака с поверхности проволоки в течение 10-40 с. Технический результат заключается в улучшении качества и ресурса работы катодного нагревателя в условиях жесткого теплового разогрева и термоциклирования в процессе эксплуатации. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технологии изготовления прецизионных деталей из тугоплавких материалов, а более конкретно - катодных элементов энергетических установок, и может найти применение в электротехнике, электронике и приборостроении.

Известен плазменный катод-компенсатор, принятый за прототип, катодный нагреватель которого изготовлен путем закрепления спирали на держателе при помощи свинчивания и с одним поддерживающим кольцом [1].

В соединении за счет свинчивания закладывается зазор между сопрягаемыми деталями, что при различных термических условиях хранения и эксплуатации приводит к изменениям контактного сопротивления в местах закрепления спирали и, как следствие, к изменению основных рабочих параметров процесса нагрева (тока и напряжения накала), что в свою очередь, приводит к нестабильности процессов запуска катодов. Такой способ крепления спирали ограниченно применим, не универсален, не позволяет исключить разрушения спирального нагревателя при вибронагрузках.

При создании изобретения решалась задача повышения прочности и надежности катодного нагревателя проволочной спирали, навиваемой и фиксируемой на держателях, исключения трещинообразования и деформации, улучшения качества и ресурса работы катодного нагревателя в условиях жесткого теплового разогрева и термоциклирования в процессе эксплуатации.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном способе изготовления катодного нагревателя, состоящего из проволочной спирали и держателей, включающем навивку спирали на держатели, согласно изобретению перед навивкой проводят вакуумный отжиг спирали при температурах (0,5-0,6)tпл. с выдержкой в течение 10-30 мин в вакууме не хуже 13,310-4 Па с последующим охлаждением до 800-900oC со скоростью 0,5-3oC/с, навивку осуществляют с диаметральным натягом и по меньшей мере в одном месте фиксируют спираль на держателе электронно-лучевой сваркой путем расплавления легкоплавкого материала, температура плавления которого ниже температуры плавления материала спирали.

Вольфрамо-рениевую спираль изготавливают с соотношением диаметра проволоки к диаметру навивки не более 1:8. В зоне фиксации спирали на держателе формируют спиральную направляющую канавку глубиной 0,6-0,9 диаметра проволоки, на длине 1-1,5 шага спирали. Кроме этого, вакуумный отжиг спирали проводят на резьбовой керамической оправке из термостойкой керамики с шагом резьбы, равным шагу спирали нагревателя. Перед вакуумным отжигом спирали проводят электролитическое снятие смазки-аквадака с поверхности проволоки в течение 10-40 с.

Температура отжига выбрана из условий обеспечения полной рекристаллизации и релаксации напряжений, возникающих при навивке высокопрочной вольфрамо-рениевой или вольфрамо-молибденовой проволоки, время выдержки и давление вакуума выбраны из условий максимальной дегазации и очистки поверхностей, а скорость охлаждения - из условий исключения тепловой и структурной деформаций.

Выбранные условия последующей навивки на держатели с расплавлением в зонах концевой навивки более легкоплавкого материала-фиксатора расплавлением электронно-лучевой или лазерной сваркой выбраны из условий наиболее стабильного "грибкового" оплавления с перекрытием по крайней мере двух витков спирали на каждом держателе. Оба высококонцентрированных метода нагрева ЭЛУ и лазер позволяют исключить зонный перегрев, а также окисление и охрупчивание поверхностных зон теплового воздействия на проволочных нагревателях в обеих зонах навивки и фиксации сваркой на держателях.

Выбор соотношения диаметров проволоки нагревателя к диаметру витой спирали произведен из условий обеспечения максимальной остойчивости и возможного минимального коробления спирали по шагу при высокотемпературных нагревах, а шаг канавок на держателях, отличающийся от шага проволочной спирали на 0,1-0,2 мм, обеспечивает более надежную фиксацию спирали до момента оплавления фиксаторов.

Кроме того, выбор протяженности спиральных направляющих канавок в 1-1,5 шага, а также глубина канавок на держателях в 0,6-0,9 диаметра проволоки одновременно с видом, формой и размерами оплавленных фиксаторов на держателях, составляющими не менее 1,5 шагов спирали, позволяет получить жесткую фиксацию, исключает консольные и изгибовые нагрузки в зонах схода проволочной спирали с держателей, предотвращает разрушение спирали при знакопеременных термических деформациях и вибронагрузках.

Предварительное снятие перед вакуумным отжигом смазки с поверхности витой спирали электролитическим травлением исключает поверхностное охрупчивание проволоки, а получаемая полированная поверхность практически не имеет концентраторов напряжений в виде рисок, царапин, наволакиваний, что повышает усталостную прочность материала спирали.

В конечном счете, все выбранные технологические и конструктивные особенности, режимы, последовательность выполнения операций позволяют получить катодный нагреватель с качественно новыми эксплуатационными свойствами.

На фиг. 1 изображен осевой разрез плазменного катода-компенсатора с нагревателем; На фиг. 2 изображено соединение проволочной спирали и держателя с наплавленным материалом-фиксатором, вид А; На фиг. 3 представлена фотография внешнего вида зоны электронно-лучевого оплавления фиксатора спирали на держателе (при 10-ти кратном увеличении), вид А; На фиг. 4 представлен рентгеновский снимок геометрии спирального нагревателя из материала ВР-273В, изготовленного и обработанного по предложенной технологии и прошедшего ресурсные испытания (1:1), вид сбоку.

Катодный нагреватель плазменного катода-компенсатора содержит проволочную спираль 1, держатели 2 и фиксаторы 3.

При практическом осуществлении способа в нескольких катодных узлах электрореактивных двигателей малой тяги (ЭРД МТ) и технологических источниках плазмы витые проволочные спирали изготовляли из проволоки ВР-27ВП по ТУ 48-19-274-91, ВР-27-ЗВП по ТУ 48-19-190-82, диаметр проволоки брали 0,6 мм и 1,0 мм вольфрамо-рениевого сплава, содержащего 26,5-27,5% рения. Тугоплавкие держатели изготовляли из молибденовых прутков сплавов ЦМ10-ВД по ТУ 14-1-2952-80 и МИ5-ВД по ТУ 14-1- 3739-84 и сплава 4604 по ТУ 1-809-544-89.

Вакуумный отжиг спиралей проводили в двухколпаковых вакуумных электропечах СГВ-2.4/15-И2 и шахтных СШВЛ-1.2/2.5 с автоматическим регулированием и записью температур по лекалам и пишущим потенциометрам. Оплавление фиксаторов из сплавов ниобия и молибдена осуществляли при помощи лазерной сварки на установках "Квант-15" и "Квант-16", а также на специальных установках электронно-лучевой сварки и зонной термической обработки.

Пример 1. Катодный нагреватель ЭРД МТ изготовляли и обрабатывали по предложенной технологии: витую спираль из проволоки ВР-273ВП вначале подвергали вакуумному отжигу в печи СГВ-2.4/15-И2 в вакууме 10-4 Па по десять спиралей в одной садке, каждая на керамической оправке. Температура вакуумного отжига была 1500oC, время выдержки 15 минут, охлаждение со скоростью 2oC/с до 800oC, далее с печью произвольно.

После отжига крайними витками спираль устанавливали в держатели с заданным шагом канавок, а фиксацию витков на держателях осуществляли оплавлением штырька из сплава молибдена ЦМ-10 электронным лучом. Внешний вид зоны оплавления электронным лучом с фиксацией начальных двух витков спирали приведен на фиг. 3, а взаимное расположение элементов спирального нагревателя после окончательной сборки приведено на фиг. 4 (фотоснимок с рентгенографической пленки контроля качества сборки).

Как показали результаты ресурсных и контрольных испытаний катодного нагревателя изделия М-100, предложенная технология и конструкторско-технологическое исполнение двухсторонней фиксации витой спирали обеспечила надежную работу изделия в течение более 5000 часов или в 1,5 раза выше, чем в известном варианте изготовления и обработки. Практически исключено разрушение спирали при термоциклировании и форсированных нагревах до температур 1700-1900oC, также не наблюдалось образования трещин при виброиспытаниях по полному циклу нагружения изделия.

Одновременно сохранялась геометрия спирали по стреле прогиба в пределах 0,1-0,2 мм, не происходило искажение и изменение шага спирали при нагревах и охлаждениях до минус 80oC, что практически было невыполнимо в известных технологических решениях.

Пример 2. Катодные нагреватели изделия М-100 изготовляли по следующей технологической схеме: спираль из проволоки ВР-27ВП диаметром 0,6 мм навивали на токарном станке 16К20 и подвергали отжигу в вакууме на керамических оправках из керамики ВК-94-1 с заданным шагом, соответствующим чертежному шагу спирали перед сборкой. Температура отжига была 1600oC, время выдержки 10 минут, охлаждение со скоростью 0,5oC/с до 900oC.

Фиксацию крайних витков спирали на держателях из ниобия с применением ниобиевых штырей проводили оплавлением электронным лучом выступающих кромок штырей с формированием каплеобразного наплава. При этом на держателях предусматривалась винтовая канавка глубиной 0,5 мм на длине 1,5 шага спирали.

Как показали результаты рентгенографического контроля зон оплавления, в межвитковой области не наблюдалось образования непроплавов, трещин и утонения спирали, характерного для известных методов крепления спирали. Аналогичных дефектов и преждевременного разрушения не наблюдалось также при проведении ресурсных и виброиспытаний. Суммарная наработка изделия превысила 6000 часов.

Во всех случаях обработки и изготовления нагревателей при условиях за пределами параметров, заявляемых в формуле, качество изготовленных узлов снижалось, в частности, наблюдалось изменение шага и деформация нагревательной спирали при термоциклировании и в различных режимах форсированного разогрева катодного нагревателя.

Источники информации Патент РФ N 2012946, кл. 5 H 01 J 37/077 - прототип.

Формула изобретения

1. Способ изготовления катодного нагревателя, состоящего из проволочной спирали и держателей, включающий навивку спирали на держатели и ее фиксацию, отличающийся тем, что перед навивкой проводят вакуумный отжиг спирали при температуре (0,5 - 0,6)tпл с выдержкой в течение 10 - 30 мин в вакууме не хуже 13,3 10-4 Па с последующим охлаждением до 800 - 900oC со скоростью 0,5 - 3oC/c, навивку осуществляют с диаметральным натягом и по меньшей мере в одном месте фиксируют спираль на держателе электронно-лучевой сваркой путем расплавления легкоплавкого материала, температура которого ниже температуры плавления материала спирали.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вольфраморениевую спираль изготавливают с соотношением диаметра проволоки к диаметру навивки не более 1 : 8.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на держателе в зоне фиксации спирали формируют спиральную направляющую канавку глубиной 0,6 - 0,9 диаметра проволоки на длине 1 - 1,5 шага спирали.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вакуумный отжиг спирали проводят на резьбовой керамической оправке из термостойкой керамики с шагом резьбы, равным шагу спирали нагревателя.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед вакуумным отжигом спирали проводят электролитическое снятие смазки-аквадака с поверхности проволоки в течение 10 - 40 с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к материалам электронной техники, а более конкретно к электродным материалам для полевой эмиссии

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении эмиссионных материалов для катодов электровакуумных и газоразрядных приборов на основе сложных соединений щелочноземельных металлов (Ba, Sr и Ca)

Изобретение относится к электронной технике и касается термоэмиссионных катодов для электронных устройств с эмиттером из гексаборида лантана

Изобретение относится к сплавам для электронной техники и приборостроения, в частности для термоэмиттеров поверхностно-ионизационных детекторов аминов, гидразинов и их производных

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении карбидированных катодов

Изобретение относится к электронной технике, в частности к изготовлению вакуумных электронных приборов с доступным для визуального наблюдения оксидным катодом, и может быть использовано для определения эмиссионной активности последнего

Изобретение относится к вакуумной электронике и электровакуумному производству и может быть использовано как средство контроля и улучшения качества катодов выпускаемых изделий с целью раннего обнаружения эмиссионных браков, прогнозирования долговечности и снижения рекламационного возврата

Изобретение относится к производству электровакуумных приборов, а именно к технологии изготовления высокоэффективных термоэмиттеров, например, оксидных и импрегнированных катодов

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно - к миниатюрным металлопористым катодам торцового типа для кинескопов и электронно-лучевых трубок и способу их изготовления

Изобретение относится к изготовлению полуфабрикатов из отходов титана и его сплавов

Изобретение относится к области металлургии, к прокатному производству и предназначено, в частности, для изготовления изделий из циркониевых и титановых сплавов

Изобретение относится к изготовлению труб и трубных полуфабрикатов из циркониевых бинарных, а также многокомпонентных сплавов

Изобретение относится к способам получения в сплавах титана инварных свойств

Изобретение относится к продуктам на основе циркония и способам их получения

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам титана, обладающим высокими демпфирующими свойствами и хорошей пластичностью при механической обработке для использования их в качестве конструкционных материалов

Изобретение относится к металлургии, в частности, к способам термической обработки титановых сплавов и может быть использовано при производстве специальных устройств и датчиков

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам подготовки мелкокристаллической глобулярной структуры в полуфабрикатах - и ( + )-титановых сплавов путем интенсивной пластической деформации

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления стержневых деталей с головками из титановых сплавов путем изменения физической структуры сплавов, и может быть использовано в авиационно-космической технике, а также химическом машиностроении и судостроении

Способ изготовления катодного нагревателя

Наверх