Устройство и способ для спекания порошкового материала
Изобретение относится к устройству и способу спекания порошкового материала. Указанное устройство содержит рабочую камеру, пресс для уплотнения спекаемого порошка, соединенный с верхним электродом и нижним электродом, при этом оно выполнено с возможностью размещения в пресс-форме между упомянутыми электродами спекаемого порошка, причем к верхнему и нижнему электродам подсоединен емкостный контур с блоком питания и с сильноточным переключателем для замыкания упомянутого емкостного контура через спекаемый образец. Емкостный контур выполнен в виде конденсаторной батареи с эквивалентной емкостью в диапазоне 50-1000 мкФ и напряжением 0,5-15 кВ, а сильноточный переключатель представляет собой транзисторный переключатель. Спекание порошка осуществляют с использованием емкостного контура в виде конденсаторной батареи с эквивалентной емкостью в диапазоне 50-1000 мкФ и напряжении 0,5-15 кВ, при этом спекаемый порошок подвергают одновременному воздействию давления в диапазоне 1-200 МПа и уплотнению импульсами электрического тока интенсивностью 1-80 кА, повторяемыми с частотой от 0,1 до 100 Гц и генерируемыми путем открывания и закрывания сильноточного переключателя, представляющего собой транзисторный переключатель. Обеспечивается спекание порошковых материалов с возможностью точного и быстрого управления температурой, а в случае спекания материалов на основе алмаза процесс осуществляется без их графитизации. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.
[1] Изобретение относится к устройству для спекания широкой группы нанокристаллических, субмикронных и микронных порошков, в частности для производства композитных материалов с включениями частиц, например совместно или отдельно, алмаза, кубического нитрида бора, Al2O3, SiC, Si3N4, WC, Та, ZrO2, TiC, TiN и других подобных, в матрице из твердого материала, например, из спеченных карбидов или материалов с высокой теплопроводностью, например, совместно или отдельно, вольфрама, молибдена, алюминия, меди.
[2] Процесс спекания, проявляющийся в переходе пористого набора порошковых частиц в твердый материал, связан с переносом массы в пористом наборе частиц. Одной из технологий производства материалов является порошковая металлургия, в которой при спрессовке порошка обычно применяется: свободное спекание, горячее прессование и горячее изостатическое прессование.
[3] Спекание традиционными способами часто приводит к росту зерен и, как результат, к потере свойств по причине роста зерен в отверждаемом материале. Это происходит, в частности, в случае уплотнения материалов с субкристаллическим и нанокристаллическим размером зерен. Особо значительный рост зерен в ходе спекания нанокристаллических материалов наблюдается после достижения критической плотности, равной 90% от значения у твердого материала. В результате, традиционными способами спекания затруднительно получить одновременно материал с размером зерен менее 100 нм и плотностью, приближенной к теоретической.
[4] За последние 10-20 лет произошло значительное развитие способов спекания, активируемого электрическим полем. Данные способы позволяют проводить процесс спекания за очень короткое время - от нескольких минут до двенадцати минут и выше, с ограничением, таким образом, роста зерен в отверждаемом материале. В литературе для их обозначения используется термин «электроразрядное уплотнение» (ЭРУ). Данные способы в целом относятся к способам с активацией электрическим полем. В этих технологиях, также как в традиционном горячем прессовании, процесс спекания реализуется совместно с однонаправленным давлением. Значительным недостатком горячего прессования является высокая температура, длительное время обработки и малая эффективность нагревания уплотняемого порошка. Кроме этого, высокая температура и длительное время обработки при отверждении неблагоприятны для получения материалов с нанокристаллической микроструктурой. Способы с активацией электрическим полем также различаются по техникам передачи тепловой энергии в спекаемый материал.
[5] В традиционном спекании тепловую энергию подают посредством излучения и переноса тепла, что вызывает нагрев спекаемого материала от его верха в сердцевине. В результате данный способ нагревания имеет малую скорость и эффективность нагревания.
[6] В способах спекания с активацией электрическим полем, таких как ЭРУ, тепловую энергию разряжают непосредственно в весь объем спекаемого материала. В таких способах нагревания обеспечивается высокая энергетическая эффективность вследствие малых потерь энергии в окружающую среду. Хотя нагревание пресс-формы импульсами тока не отличается от нагревания постоянным током в традиционных способах, нагревание порошка является гораздо более сложным. Это вызвано многими возможными ветвями протекания тока через спекаемый порошок. В этих способах происходят многие явления, активирующие процесс спекания. Искровые разряды удаляют слой оксидов и адсорбированных газов с поверхности частиц и формируют новые контакты и перешейки посредством дуговых разрядов. Локально, вследствие генерирования джоулева тепла формируются контакты и перешейки, с дополнительным улучшением уплотнения в процессе спекания.
[7] В типовом ЭРУ источник энергии представляет собой конденсатор или конденсаторную батарею, рассчитанную на напряжение от несколько тысяч до десятков тысяч вольт. Такое решение раскрыто, например, в международных патентных заявках US 4929415, 5084088, в которых, как показано, использована конденсаторная батарея, имеющая емкость 240 мкФ, и рабочее напряжение от 3 до 30 кВ. В соответствии с этим раскрытием и уровнем техники в области способов спекания с использованием ЭРУ приложение высокого напряжения порядка несколько тысяч вольт является критичным, в частности, на начальной фазе процесса спекания и связано с явлениями искровых разрядов между зернами спекаемого порошка. При заряде и разряде электрической энергии между порошковыми частицами происходят разряды высокотемпературных искр или плазмы. Импульсная плазма активирует поверхность спекаемых частиц и удаляет слой оксидов. При удалении оксидов при спекании с активацией электрическим полем и позже соединение между частицами происходит вследствие различных явлений резистивного нагрева - от термического и электрического пробоя изолирующей пленки до дуговых разрядов. Возрастающая разность потенциалов между двумя частицами становится достаточной высокой для генерирования искры и запуска процесса ионизации. Плазма, сгенерированная между частицами, служит для активации их поверхности путем удаления оксидов и других примесей.
[8] Преимуществами способа ЭРУ являются:
- низкая температура процесса спекания,
- более короткое время процесса спекания,
- скорость нагревания, недостижимая для других методов спекания,
- высокая тепловая эффективность, определяемая способом нагревания, причем электрический ток прикладывается непосредственно к образцу и к электропроводящей пресс-форме,
- возможность спекания порошковых материалов, которые не могут быть изготовлены классическими способами.
[9] В процессе ЭРУ используется колебательный разряд конденсаторной батареи для генерирования бросков тока с первой полуволновой амплитудой порядка десятков кА и со временем полного разряда около 1 мс. Рабочий цикл включает в себя заряжание конденсаторной батарею до заданного значения напряжения (от нескольких до десятков кВ), затем разряжение с колебательным импульсом в контур нагрузки. Процесс ЭРУ используют для уплотнения порошковых материалов (журнал "Материал сайенс инжиниринг Р" 63 127, 2009; Орру Р., Ликьери Р., Лоччи А.М., Цинкотти А. и Гао Г.), причем источник энергии представляет собой конденсатор большой емкости, имеющий емкость в сотни микрофарад. ЭРУ основано на высоковольтном разряде (до 30 кВ), высокой плотности импульсного тока, подаваемой непосредственно от конденсаторной батареи с внешним давлением на спекаемый материал, благодаря чему достигается быстрое увеличение температуры и очень быстрый процесс спекания. В данных способах энергию, хранимую в конденсаторной батарее, подают в спекаемый порошок, размещенный в пресс-форме, и подвергают одновременному процессу прессования. Цикл заряда конденсаторной батареи и последующего разряда повторяется с частотой, ограниченной, с одной стороны, мощностью блока питания, заряжающего батарею, и, с другой стороны, параметрами искрового промежутка, замыкающего разрядный контур конденсатора или конденсаторной батареи. До сих пор в процессах с использованием пульсового электрического разряда импульсы инициировали путем запуска системы, содержащей пусковой модуль и переключатель с воздушным зазором, замыкающий электрический контур. Пусковой модуль обеспечивает образование электрической дуги между инициирующим электродом и приемным электродом. Наличие дуги позволяет получить надлежащий разряд между основными электродами, который, вследствие интенсивности тока в десятки тысяч ампер, приводит к быстрому износу рабочих поверхностей обоих электродов. Описываемый процесс является особенно интенсивным на краях электродов вследствие очень высоких плотностей тока. В результате происходит ускоренный износ электродов и, таким образом, значительное снижение износостойкости разрядной контурной схемы, содержащей искровые промежутки. Также ограничена их максимальная рабочая частота, что вызвано наличием ионизированного воздуха после каждого разряда. Следующий разряд может произойти лишь после удаления ионизированного воздуха из пространства между электродами, что занимает, в зависимости от конструкции искрового промежутка и рабочего напряжения по меньшей мере 0.3 с. Это время значительно ограничивает частоту работы искровых промежутков.
[10] Проблема, ограничивающая коммерческое использование способов спекания по типу ЭРУ, состоит в зависимости напряжения пробоя искрового промежутка от условий окружающей среды, в частности от влажности воздуха. При возрастании влажности происходит уменьшение напряжения пробоя, что, в свою очередь, приводит к потере повторяемости технологического процесса и отражается на качестве изготавливаемого изделия. Данная проблема может быть решена путем размещения установки в помещении с кондиционированием воздуха - с автоматической стабилизацией уровня влажности, что создает повышенные производственные затраты и является затруднительным в производственных условиях.
[11] Искровые промежутки также представляют проблему по достижению правильной скорости и точности управления параметрами технологического процесса, что связано, например, с необходимостью изменения от бросков тока с большим значением до низкого значения с одновременным увеличением частоты данных бросков. В контурах колебательного разряда конденсаторной батареи подобное изменение достигается путем модификации напряжения заряда данной батареи. Для появления разряда между электродами искрового промежутка необходимо модифицировать расстояние между ними, что требует перерыва в технологическом процессе.
[12] Несмотря на то, что более 20 лет назад в патентном документе US 5084088 раскрыто устройство с фиг. 1а, и многочисленные преимущества способа ЭРУ, до сих пор способ уплотнения с использованием энергии, хранимой в конденсаторной батарее, не используется в промышленном масштабе. Проблема низкой износостойкости устройств была частично решена в заявке на устройство согласно международной патентной заявке WO 2010/070623. В этом устройстве использована конденсаторная батарея, заряжаемая источником питания и разряжаемая через нагреваемый образец. Быстрое изнашивание электродов, обычно изготовленных из вольфрама, молибдена или меди, не позволяет полностью использовать преимущества способов ЭРУ. Решение по WO 2010/070623 состояло в использовании трансформатора напряжения с фиг. 1b, соединенного между переключателем для закорачивания конденсаторной батареи и спекаемым образцом. Использование трансформатора напряжения позволяет обеспечить более продолжительное функционирование без сбоев, но одновременно увеличивает продолжительность импульса тока и снижает максимальное значение данного импульса - импульс тока согласно уровню техники изображен на фиг. 2; значение tf составляет около 30 мс - это делает невозможным использование преимуществ идеи процесса ЭРУ.
[13] Настоящее изобретение направлено на создание спекающего устройства, позволяющего точно и быстро управлять температурой в ходе процесса спекания, выполненного с возможностью подачи на образец высоких и узких импульсов тока, повторяемых с высокой частотой, с одновременным обеспечением продолжительного безотказного функционирования, и способа спекания порошковых материалов, осуществляемого, в случае материалов на основе алмаза, без их графитизации.
[14] Данная задача изобретения решена в устройстве для спекания порошкового материала, содержащем рабочую камеру, пресс для уплотнения спекаемого порошка, соединенный с верхним электродом и нижним электродом, и выполненное с возможностью размещения в пресс-форме между упомянутыми электродами спекаемого порошка. К верхнему и нижнему электродам подсоединен емкостный контур с блоком питания и с сильноточным переключателем для замыкания упомянутого емкостного контура через спекаемый образец. Сильноточный переключатель представляет собой транзисторный переключатель.
[15] Транзисторный переключатель предпочтительно содержит восемь транзисторов, соединенных параллельно.
[16] Транзисторный переключатель (7) предпочтительно выполнен с возможностью формирования прямоугольных импульсов и, наиболее предпочтительно, выполнен с возможностью подачи в спекаемый набор энергии в форме коротких импульсов с одинаковой и высокой амплитудой, а также с возможностью подачи той же энергии в форме циклической колебательной затухающей волны разряда конденсаторной батареи в зависимости от формы волны управляющего сигнала.
[17] Каждый транзистор в транзисторном переключателе предпочтительно подсоединен к отдельному управляющему контуру, содержащему ветвь с регулируемой задержкой на включение и ветвь с регулируемой задержкой на выключение.
[18] Предпочтительно спекающее устройство дополнительно снабжено средствами измерения температуры.
[19] Средства измерения температуры предпочтительно содержат термопару.
[20] Средства измерения температуры предпочтительно содержат пирометр.
[21] Средства измерения температуры предпочтительно содержат термографическую камеру.
[22] Электроды предпочтительно гальванически изолированы от рабочей камеры.
[23] Заявленное устройство предпочтительно снабжено средствами охлаждения электродов охлаждающей средой.
[24] Заявленное устройство предпочтительно снабжено средствами визуализации процесса спекания.
[25] Согласно изобретению, емкостный контур выполнен в виде конденсаторной батареи с эквивалентной емкостью в диапазоне 50-1000 мкФ и максимальным рабочим напряжением 15 кВ.
[26] Задача изобретения также решена в способе спекания порошковых материалов, в котором спекаемый порошок размещают в пресс-форме между двумя электродами, соединенными с прессом, оказывающим давление на порошок, уплотняемый посредством штампов. При этом к электродам прикладывают напряжение с использованием емкостного контура с источником питания, замыкаемым транзисторным переключателем. Порошковый материал подвергают одновременному воздействию прессового давления в диапазоне от 1 до 200 МПа и уплотнению посредством сильноточных электрических импульсов с интенсивностью в диапазоне от 1 до 80 кА, повторяемых с частотой в диапазоне от 0,1 до 100 Гц, в зависимости от напряжения заряда конденсаторной батареи, вызванных открытием транзисторного переключателя. Импульсы электрического тока предпочтительно получать путем разряда батареи конденсаторов в емкостный контур, заряжаемый до напряжения 0,5-15 кВ.
[27] На транзисторный переключатель предпочтительно подавать управляющий сигнал, разъединяющий контур разряда конденсаторной батареи в ходе разряда, наиболее предпочтительно так, чтобы достигался прямоугольный импульс разрядного тока конденсаторной батареи.
[28] Предпочтительно порошковый материал предварительно подвергать воздействию прессовой нагрузки в диапазоне 1-200 МПа при атмосферном давлении или при пониженном давлении (1⋅10-8 Па) в нейтральном газе или в другом рабочем газе до того, как подвергнуть его воздействию импульсов электрического тока.
[29] Уплотнение предпочтительно выполнять при температуре в диапазоне от 0,5 до 0,8 от температуры плавления уплотняемого материала или от температуры плавления матрицы уплотняемого материала.
[30] В качестве порошкового материала предпочтительно использовать порошковые материалы, представляющие собой металлические материалы, керамические материалы, интерметаллические материалы, композиты, содержащие металлическую матрицу и диспергированные неметаллические частицы и смеси перечисленного.
[31] В качестве порошкового материала предпочтительно использовать, совместно или отдельно: алмаз, кубический нитрид бора, Al2O3, SiC, Si3N4, WC, Та, ZrO2, TiC, TiN, в матрице из твердого материала, например, из спеченных карбидов или материалов с высокой теплопроводностью, например, совместно или отдельно, вольфрама, молибдена, алюминия, меди.
Замена искровых промежутков на транзисторный переключатель приносит следующие преимущества:
- существенное улучшение износостойкости переключателя,
- повторяемость бросков тока,
- повышенную рабочую частоту переключателя (недостижимую для вакуумных переключателей и переключателей с воздушным промежутком),
- уменьшение расходов на техническое обслуживание (не надо менять изношенные электроды).
[32] Преимущество заявленного спекающего устройства состоит в возможности получения уникального набора параметров спекания, в частности, комбинации любой регулируемой формы и интенсивности разрядного тока в пределах диапазона 1-80 кА, с возможностью повторения разряда с частотой до 100 Гц.
[33] Преимущество заявленного спекающего устройства состоит также в возможности выключения транзисторного переключателя в любое время (без необходимости колебательного разряда батареи). Такое решение позволяет формировать прямоугольные импульсы продолжительностью в сотни микросекунд и с регулируемой интенсивностью уже от нескольких кА. Возможность формирования импульсов тока не достигается при использовании других известных полупроводниковых переключателей или механических переключателей.
[34] Преимущество заявленного спекающего устройства состоит также в возможности циклической подачи энергии в спекаемый набор:
- либо в форме коротких импульсов с одинаковой высокой амплитудой,
- либо в подаче той же энергии, но в форме циклической колебательной затухающей волновой форме разряда конденсаторной батареи, то есть в слабозатухающей волновой форме.
[35] Изобретение иллюстрируется на примерах вариантов его осуществления на фигурах чертежей: где на фиг. 1а изображена блок-схема спекающего устройства с конденсаторной батарей; на фиг. 1b изображена блок-схема модифицированного устройства; на фиг. 2 изображен график формы волны импульса тока в известном из уровня техники устройстве; на фиг. 3 изображена блок-схема привода согласно изобретению; на фиг. 4 в табличной форме приведены параметры устройства согласно изобретению, а на фиг. 5 изображен график формы волны импульса тока в устройстве согласно изобретению.
[36] На фиг. 3 приведена блок-схема спекающего порошок устройства. Цикл спекания происходит следующим образом: источник питания заряжает конденсаторы, разряжаемые затем через спекаемый порошок, размещенный в графитовой пресс-форме между двумя штампами, соединенными с конденсаторной батарей. Для управляемого разряда конденсаторной батареи используют транзисторный переключатель. Для процесса спекания необходимо определенное количество циклов разряда конденсаторов с установленной частотой и их напряжением заряда. Интенсивность тока, протекающего через спекаемый порошок в ходе разряда конденсаторов, достигает значения от нескольких до десятков кА, а продолжительность составляет порядка сотен микросекунд. Очень короткая продолжительность импульса тока по отношению к разделению следующих импульсов от доли секунды до нескольких секунд создает специфические условия нагревания и охлаждения спекаемого порошка. В ходе протекания тока происходит нагрев спекаемого порошка до высокой температуры, а после его прекращения происходит очень быстрое охлаждение спекаемого порошка до определенной температуры спекания. Продолжительность импульса тока разряда конденсаторной батареи определяется и непосредственно проистекает из параметров эквивалентного контура системы. Возможность снижения разделения импульсов по отношению к длительности импульсов зависит от частоты, с которой может быть включен и выключен переключатель.
[37] Устройство согласно изобретению снабжено гидравлическим прессом 1, прикладывающим давление в процессе спекания и в процессе охлаждения спекаемого порошка, когда между штампами этого пресса размещен спекаемый порошок 6. Образец 6 находится между верхним электродом 4 и нижним электродом 3 внутри графитовой пресс-формы 9. Графитовая пресс-форма 9, штампы 12а, 12b и спекаемый порошок 6 закрыты в рабочей камере 2, что обеспечивает возможность проведения процесса спекания при атмосферном давлении или при пониженном давлении (1⋅10-8 Па) в нейтральном газе или в другом рабочем газе, непрерывно подаваемом в камеру. Проведение процессов спекания при атмосферном давлении позволяет получить нанокристаллические спекаемые материалов с чистыми границами зерен без слоя оксидов или адсорбированных газов из порошков с нанокристаллическими размерами. Проведение процессов спекания в рабочем газе, например, в водороде, позволяет получить сильно восстановительную атмосферу.
[38] Камера спекания изготовлена из слабомагнитной нержавеющей стали и открыта с одной стороны. На боковой стороне и на задней стороне расположены впускные отверстия рабочего газа и подключения к вакуумной системе. На чертежах средства дозирования газа не изображены. Система вакуумного насоса (не показана) содержит вакуумные помпы для работы в промышленных условиях, устойчивые к внезапным падениям глубокого вакуума. Вакуумная камера имеет вакуумную плотность по меньшей мере 10-8 Па. Электроды 3, 4, прессующие спекаемый порошок, помещенный в графитовую пресс-форму, представляют собой электроды одновременного сильноточного разряда, электрически изолированные от обрабатывающей камеры и подвижных вакуумных каналов. Электроды 3, 4 охлаждаются охлаждающей средой и изолированы от камеры 2, охлаждаемой охлаждающей средой. Охлаждающая среда в общем случае представляет собой воду или трансформаторное масло. Электроды 3, 4 подсоединены к конденсаторной батарее 8. Охлаждение электродов 3, 4 защищает вакуумное уплотнение от воздействия высокой температуры. В ходе спекания давление действует на штампы 12а, 12b через электроды 3, 4 посредством гидравлического пресса 1.
[39] Нижний электрод 3 выполнен с возможностью грубого перемещения для определения первоначальной высоты спекаемого набора (механическое перемещение). В ходе процесса спекания давление получают путем перемещения верхнего электрода 4 (гидравлическое перемещение). На электродах расположены накладки (на фиг. 3 не изображены), изготовленные, в общем случае, из стали и смонтированные с помощью болтов, что позволяет их быстро заменять. Электроды 3, 4 электрически изолированы от заземленной рабочей камеры 2 посредством набора керамически-тефлоновых уплотнений (на фиг. 3 не изображены).
[40] Нижний и верхний электроды 3, 4 подсоединены к системе питания, содержащей: емкостный контур 8 с конденсаторной батарей и транзисторный переключатель 7, замыкающий емкостный контур через спекаемый образец. Параллельно конденсаторной батарее подсоединен блок 5 высоковольтного питания.
[41] Блок 5 высоковольтного питания обеспечивает на выходе подходящие ток и напряжение для заряда конденсаторной батареи. Блок 5 высоковольтного питания работает в качестве импульсного высоковольтного блока питания с ограничением тока. Блок 5 питания оборудован системой измерения напряжения конденсаторной батареи, обеспечивающей возможность их синхронного заряда и разряда, и группу средств защиты, в том числе защиты от короткого замыкания во внутреннем контуре блока питания, датчиком температуры внутреннего теплопоглотителя с силовыми компонентами, защитой от короткого замыкания на выходе блока питания. В устройстве согласно изобретению о перебое в работе сообщается на дисплее, который также служит для установки рабочих параметров блока питания. Данные параметры могут быть установлены посредством ПЛК программного модуля.
[42] Емкостный контур 8 представляет собой конденсаторную батарею с эквивалентной емкостью в диапазоне 50-1000 мкФ, предпочтительно равную 250 мкФ, с максимальным рабочим напряжением 15 кВ. Он содержит конденсаторы малой индуктивности в последовательно-параллельном соединении, каждый конденсатор из которых предназначен для функционирования с интенсивностью тока в десятки кА и при крутизне резких подъемов примерно в десять кА/мкс.
[43] Разряды электрических импульсов, прикладываемые к образцу 6, инициируются транзисторным переключателем 7, замыкающим электрический контур. Транзисторный переключатель 7 построен из восьми транзисторов, соединенных параллельно. Транзисторы расположены в многослойной структуре, с обеспечением равномерного давления сжимающей силы. Транзисторные переключатели в общем случае не используются для переключения таких высоких токов и напряжений как в емкостном контуре согласно изобретению. Это происходи, в основном, из-за использования единственного транзистора с относительно низким максимальным током. Таким образом, для конструкции транзисторного переключателя, выполненного для работы с напряжением на уровне 15 кВ и токах в десятки килоампер, необходимо использовать последовательно-параллельный контур из множества транзисторов и строить специальную управляющую систему. В результате транзисторный переключатель имеет немного пониженную эффективность по сравнению с доступными на рынке альтернативными решениями. Однако обнаружено, что использование прямоугольных импульсов вместо колебательного разряда конденсаторной батареи позволяет достичь лучшего управление над процессом спекания, вследствие более точной установки времени, продолжительности и энергии, передаваемой в спекаемой образец путем протекания тока. Так, неожиданным образом, оказалось, что решение с пониженной эффективностью и более сложной конструкцией обладает преимуществами.
[44] В конструкции транзисторного переключателя 7 предусмотрены:
- выбор транзисторов биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ), с учетом характеристик прямого напряжения в функции проводимого тока,
- монтаж транзисторов на общей жидкостно-охлаждаемой термоплате (термоплата в виде прямоугольного кубоида, где транзисторы смонтированы на обеих его больших сторонах). Данная конструкция обеспечивает возможность последовательного соединения модулей переключения,
- каждый транзистор имеет специальный контур подавления броска (жидкостно-охлаждаемый диод и резистор) и диод "срезания" индуктивности нагрузки,
- управляющий сигнал, передаваемый от управляющей системы в управляющие контуры транзисторов посредством оптико-волоконных линий,
- передающие диоды линии, соединенные последовательно и управляемые одним транзистором,
- питание управляющих контуров посредством силового преобразователя (первичная обмотка в виде петли высоковольтного проводника, проходящей через вторичную обмотку, намотанную на ферритовые тороидальные сердечники),
- токовые выводы всех транзисторов и диодов "срезания" индуктивности нагрузки, соединенные посредством жидкостно-охлаждаемых медных рельсов,
- между оптико-волоконными линиями и управляющими контурами соответствующих транзисторов подсоединены так называемые "драйверы" - электронные контуры с возможностью индивидуального регулирования задержки на включение транзистора и регулируемой задержки выключения транзистора. Такое решение защищает транзистор от повреждения в ходе выключения нагрузочного тока (наиболее медленный транзистор выключает весь ток). Задержки устанавливают так, чтобы обеспечить взаимное "перекрытие" форм кривых напряжения на транзисторах в ходе включения и выключения.
[45] Блок-схема подобного контура представлена на фиг. 6. Контур снабжен ветвью 61 с регулируемой задержкой на включение и ветвью 62 с регулируемой задержкой на выключение. Ветвь 61 с регулируемой задержкой на включение отвечаем на восходящий край сигнала S1, общий для всех транзисторов в переключателе. В ответ на этот восходящий край генерируется короткий отрицательный импульс в сигнале S2. Сигналы S1 и S2 подаются на вентиль И, выход из которого подается через диод на транзистор (не изображен на фиг. 6) в форме сигнала S4. Выходной сигнал из вентиля И равен 0, когда значение сигнала S2 равно нулю. Поскольку сигнал S2 инициирован восходящим краем сигнала S1, он синхронизирован с его началом. Таким образом, соединение указанных сигналов с вентилем И создает сигнал с восходящим краем, задержанный относительно восходящего края сигнала S1 на продолжительность отрицательного импульса в сигнале S2. Ветвь с регулируемой задержкой на выключение содержит контур, ответный к ниспадающему краю сигнала S1. Данный контур генерирует в своей выходной секции S3 положительный импульс, который добавляется через диод в сигнал из другой ветви и вызывает задержку ниспадающего края в сигнале S4 относительно ниспадающего края в сигнале S1 на продолжительность положительного импульса в сигнале S3. Такая конфигурация обеспечивает возможность индивидуальной задержки транзистора на включение и выключение. Указанная возможность используется для компенсации производственного разброса их времени ответа на управляющий сигнал. Примеры форм волны сигналов S1, S2, S3, S4 изображены на фиг. 7.
[46] Транзисторный переключатель, содержащий последовательное соединение восьми транзисторов, рассчитанных на максимальный импульсный ток 5 кА, может включать и выключать ток с максимальной интенсивностью 32 кА.
[47] Транзисторный переключатель 7 расположен непосредственно у каркаса емкостного контура в виде конденсаторной батареи 8 для минимизации индуктивности нагрузки, когда в ходе возрастания разрядного импульса происходит аккумулирование значительной энергии, причем скорость возрастания достигает нескольких тысяч ампер в микросекунду.
[48] Предпочтителен монтаж транзисторов на общей жидкостно-охлаждаемой термоплате (термоплата в виде прямоугольного кубоида, транзисторы смонтированы на обеих его больших сторонах, такая конструкция обеспечивает возможность последовательного соединения модулей переключения).
[49] Спекающее устройство согласно изобретению снабжено системами измерения: силы прессования, давления, температуры, изменений размеров электродов / штампов / структуры уплотненного порошка (измерение усадки и расширения), мониторинга формы волны импульса тока с использованием пояса Роговоского и осциллоскопа, а мониторинга процесса спекания путем применения ПЗС-камеры. Измерение температуры выполняется двумя путями: с использованием термоэлемента 11, расположенного непосредственно в графитовой пресс-форме 9 и/или с использованием пирометра 10 на поверхности графитовой пресс-формы 9, в которой проводят процесс спекания. Все параметры процесса, в том числе температуру, силу прессования, форму волны тока и ход процесса спекания записывается в реальном времени и представляется в графической форме в ходе процесса спекания.
[50] Форма волны разрядного импульса, индуцированного путем закрытия и открытия транзисторного переключателя в устройстве согласно изобретению, изображена на фиг. 5 в двух вариантах осуществления. В первом варианте осуществления переключатель открывается и закрывается управляющим сигналом U1, который представлен на фиг. 5 в форме сигнала двоичной логики. Переключатель открывается на всю продолжительность колебательного разрядного импульса конденсаторной батареи. Образец нагревается током с формой волны I1. Во втором варианте осуществления переключатель управляется логическим сигналом U2. Контур разряда конденсаторной батареи разъединяется после первой положительной половины колебаний разрядного импульса. Затем спекаемый образец нагревается током 12 с волновой формой, близкой к прямоугольной. Кроме того, все параметры, связанные с рабочими условиями устройства согласно изобретению, непрерывно модифицируются с местоположения компьютерной панели управления. Параметры описанного спекающего устройства собраны в таблице с фиг. 4.
[51] Управляющая система устройства согласно изобретению содержит центральный программируемый логический контроллер (ПЛК) - основной контроллер, собирающий данные от нескольких вторичных контроллеров - подчиненных контроллеров. Вторичные контроллеры отвечают за контроль и управление соответствующими подсистемами: автономным блоком высоковольтного питания, автоматикой вакуумной системы. Центральный контроллер управляет работой соответствующих контроллеров подчиненного типа:
- контроллер блока питания, обеспечивающий возможность контроля и установки в реальном времени параметров блока питания, и отвечающий за контроль технического состояния конструкции путем применения мониторинговой и управляющей системы для детектирования, локализации, идентификации и прогноза развития повреждения, которое может привести к неправильной работе блока питания;
- автоматика вакуумной системы, управляемая отдельным ПЛК контроллером; данный контроллер отвечает непосредственно за цифровое управление элементами, мониторинг параметров и обеспечение безопасности;
- наблюдательная подсистема, реализованная в отдельном ПЛК контроллере; назначение данной подсистемы состоит в мониторинге локальных датчиков и сигнализации о чрезвычайных ситуациях.
Компьютерная панель управления позволяет генерировать:
- временные диаграммы для анализа данных, коррелированных с временными рядами,
- графики событий для поиска и представления данных в соответствии с другими, отличными от времени, критериями, например, с серийным номером, номером используемой установки,
- табличные данные для представления данных из любого источника в виде таблицы с возможностью фильтрации,
- комментариев для добавления, хранения и рассылки пояснений аномалии процесса или других производственных событий.
[52] Способ согласно изобретению представлен выше на примерах его применения.
[53] Для специалиста в данной области техники будет очевидно, что представленные варианты осуществления изобретения и примеры применения способа согласно изобретению отражают лишь возможную реализацию изобретения. Дальнейшее развитие транзисторных технологий сделает возможной замену системы из восьми транзисторов меньшим количеством элементов, рассчитанных на более высокое напряжение и более высокий рабочий ток как в технологии БТИ3-транзисторов, так и в технологии МОП-транзисторов.
1. Устройство для спекания порошкового материала, содержащее рабочую камеру, пресс для уплотнения спекаемого порошка, соединенный с верхним электродом и нижним электродом, и выполненное с возможностью размещения в пресс-форме между упомянутыми электродами спекаемого порошка, причем к верхнему и нижнему электродам подсоединен емкостный контур с блоком питания и с сильноточным переключателем для замыкания упомянутого емкостного контура через спекаемый образец, отличающееся тем, что емкостный контур выполнен в виде конденсаторной батареи с эквивалентной емкостью в диапазоне 50-1000 мкФ и напряжением 0,5-15 кВ, а сильноточный переключатель представляет собой транзисторный переключатель (7).
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочая камера (2) имеет вакуумное уплотнение и снабжена вакуумной системой для спекания при пониженном окружающем давлении, причем электроды (3) и (4) изолированы от рабочей камеры (2).
3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что рабочая камера (2) имеет вакуумное уплотнение и дополнительно снабжена средствами дозирования газа при спекании порошка в рабочем газе.
4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что транзисторный переключатель (7) содержит восемь транзисторов, соединенных параллельно.
5. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что транзисторный переключатель (7) выполнен с возможностью формирования прямоугольных импульсов.
6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что транзисторный переключатель (7) выполнен с возможностью подачи энергии к спекаемому порошку в форме коротких импульсов с одинаковой высокой амплитудой и с возможностью подачи той же энергии в форме циклической колебательной затухающей волны разряда конденсаторной батареи, в зависимости от формы волны управляющего сигнала.
7. Устройство по любому из пп. 1-2, 6, отличающееся тем, что транзистор в транзисторном переключателе (7) подсоединен к управляющему контуру (60), содержащему ветвь (61) с регулируемой задержкой на включение и ветвь (62) с регулируемой задержкой на выключение.
8. Устройство по любому из пп. 1-2, 6, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено средствами (10, 11) измерения температуры.
9. Способ спекания порошкового материала, включающий размещение спекаемого порошка в пресс-форме между двумя электродами, соединенными с прессом для уплотнения спекаемого порошка, приложение к электродам напряжения через емкостный контур с блоком питания, замыкаемый сильноточным переключателем, отличающийся тем, что спекание порошка осуществляют с использованием емкостного контура в виде конденсаторной батареи с эквивалентной емкостью в диапазоне 50-1000 мкФ и напряжении 0,5-15 кВ, при этом спекаемый порошок подвергают одновременному воздействию давления в диапазоне 1-200 МПа и уплотнению импульсами электрического тока интенсивностью 1-80 кА, повторяемыми с частотой от 0,1 до 100 Гц и генерируемыми путем открывания и закрывания сильноточного переключателя, представляющего собой транзисторный переключатель (7).
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что на транзисторный переключатель подают управляющий сигнал, разъединяющий контур разряда конденсаторной батареи в ходе разряда, а момент выключения транзистора выбирают с получением прямоугольного импульса тока разряда конденсаторной батареи.
11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что уплотнение спекаемого порошка выполняют при температуре в диапазоне от 0,5 до 0,8 от температуры плавления уплотняемого материала или от температуры плавления матрицы уплотняемого материала.
12. Способ по п. 9, отличающийся тем, что используют спекаемый порошок, выбранный из группы порошковых материалов, представляющих собой металлические материалы, керамические материалы, интерметаллические материалы и композиты, содержащие металлическую матрицу и диспергированные неметаллические частицы, или смеси перечисленных материалов.
13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что используют порошковый материал, выбранный из группы, содержащей алмаз, кубический нитрид бора, Al2O3, SiC, Si3N4, WC, Та, ZrO2, TiC, TiN и их смеси, а матрицу композита выполняют из материала с высокой теплопроводностью, выбранного из группы, содержащей вольфрам, молибден, алюминий, медь или их смеси.
