CC BY
14
электрофизические и электрохимические методы обработки_
УДК 621.791.722; 621; 621.762.04
Установка для реализации ионной химико-термической обработки порошков
Ю. А. Соколов, Н. В. Павлушин
Рассматривается операция ионной химико-термической обработки в целях получения высококачественного порошка. В результате операции образуются карбиды, бориды, нитриды тугоплавких металлов и сплавов, что обеспечивает необходимый комплекс теплофизических и механических свойств. Процесс проводится в среде одного или смеси газов: азота, фтора, углекислого газа, ацетилена, фтористого бора и др. Рассмотрена конструкция специализированной установки для реализации химико-термической обработки.
Ключевые слова: порошок, химико-термическая обработка, специализированное оборудование, функции, система управления.
Развитие авиационной, ракетно-космической и других областей техники невозможно без создания новых конструкционных и инструментальных материалов. Существующие сегодня традиционные технологические решения для увеличения прочности, твердости, износостойкости, теплостойкости материалов (напыление, наплавка защитных покрытий и т. д.) не всегда обеспечивают требуемый ресурс изделий. Новые возможности по созданию перспективных изделий сложной геометрической формы (многокомпонентные магниты, композиционные материалы для противоударной защиты военных объектов и др.) предоставляет порошковая металлургия.
Получение композиционных изделий с необходимым комплексом прочностных и пластических свойств обеспечивается различным сочетанием основного и упрочняющего порошка. В качестве последнего может использоваться порошок химически активных тугоплавких металлов, которые позволяют реализовать различные многокомпонентные системы: карбиды, бориды, нитриды титана, молибдена, вольфрама, гафния, тантала, ниобия.
Для придания порошку необходимого комплекса теплофизических и механических свойств
целесообразно проведение химико-термической обработки в плазме тлеющего разряда. В результате операции можно получить различные многокомпонентные системы. Процесс проводится в среде одного или смеси газов: азота, фтора, углекислого газ, ацетилена, фтористого бора и др.
Ионная химико-термическая обработка (ИХТО) обеспечивает механическую имплантацию ионов газа в порошок, формирование диффузионного слоя, распространение внедрившихся ионов по всему объему порошка. Причем глубина насыщения порошка ионами газа зависит от времени обработки и значения ионного тока.
Разработка технологии ИХТО и проектирование специализированного технологического оборудования для обработки порошка открывают новые возможности в создании композиционных изделий из порошка различного химического состава, получении изделий с заранее прогнозируемыми свойствами.
В настоящей статье для реализации ИХТО рассматривается специализированная установка (рис. 1). ИХТО происходит в специальной камере, в которой перед напуском газа предварительно получают вакуум.
К основным элементам установки, оснащенной шлюзовыми камерами для подачи исход-
111ЕТ^1100БРАШ1«
электрофизические и электрохимические методы обработки
Рис. 1. Установка для реализации ИХТО
ного и сбора обработанного порошка, относятся следующие узлы и механизмы:
• камера;
• шлюзовая камера для подачи исходного порошка;
• шлюзовая камера для сбора обработанного порошка;
• источник плазмы тлеющего разряда с ключом;
• рабочий стол;
• ультразвуковой вибратор;
• нагреватели;
• тепловая изоляция;
• устройство перемещения порошка;
• устройство подачи порошка (шнековый дозатор);
• система газовой подготовки;
• система управления;
• вакуумная система.
Порошок подается в рабочую камеру шне-ковым дозатором 3 (рис. 1), регулирующим скорость подачи порошка путем изменения скорости вращения шнека. Частота вращения шнека однозначно определяет количество подаваемых частиц порошка. Дозагрузка производится без развакуумирования установки, так как дозатор имеет шлюзовую промежуточную загрузочную камеру с вакуумной откачкой. Из дозатора порошок подается на рабочий стол, который с одной стороны жестко соединен со звукопроводом ультразвукового
вибратора 1, а с другой — с тягами 7. Ультразвуковой вибратор обеспечивает равномерное распределение порошка по поверхности стола, его хаотическое вращение вокруг своей оси, стабильное перемещение порошка по столу при его наклоне тягами.
На рабочий стол 2 подается электрический потенциал от источника постоянного напряжения 13. Напряжение может регулироваться в пределах 300— 1000 В. Ключ 14 с регулируемой частотой 2—5 кГц может прерывать подачу напряжения для более равномерного облучения порошка ионами. В этом случае часть пути ионы будут проходить по инерции, а не вдоль силовых линий электростатического поля. Кроме этого, ключ обеспечивает исключение пробоев, так как возникающие дуги гасятся на этапе их возникновения. Под воздействием электрического потенциала вокруг стола возникают тлеющий разряд и плазма 10. Ионы из этой плазмы притягиваются и ускоряются до энергии 300—1000 эВ потенциалом стола. Попадая на порошок, ионы механически внедряются в его поверхность, так как энергия удержания атомов в решетке частиц порошка составляет всего 3—7 эВ. Распространение ионов по всему объему порошка осуществляется за счет диффузии. Для интенсификации процесса используется косвенный подогрев нагревателями 9. Рабочий объем камеры окружен многослойной экранно-вакуумной тепловой изоляцией 8. Контроль и управление температурой в рабочем объеме камеры двухуровневый. На первом уровне, с малой тепловой инерцией, контроль и управление осуществляются по термопарам, расположенным вблизи от нагревателей, на втором, контрольном, — по термопарам, препарированным непосредственно в стол (температура порошка). Количество ионов, приходящееся на одну частицу порошка, определяется временем обработки и значением ионного тока, которые регулируется как подаваемым на рабочий стол потенциалом, так и плотностью плазмы. Плотность плазмы, в свою очередь,
■10
№ 1 (91)/2016
электрофизические и электрохимические методы обработки
ЧЕТАППООЕ
зависит от скорости натекания рабочего газа из системы газовой подготовки 4 и скорости его откачки вакуумной системой 6. Этими процессами управляет система 5 в автоматическом режиме. Обработанный ионами газа порошок ссыпается в бункер и выводится за пределы камеры устройством 12 через шлюзовую камеру 11 без напуска воздуха в рабочую камеру.
Вакуумная система установки откачивает воздушную среду из камеры с помощью низко- и высоковакуумного насосов и запорной аппаратуры. Давление в камере и рабочих точках контролируется вакуумными датчиками. Вакуумная система выполняет следующие технологические операции:
• получение в рабочей камере низкого вакуума;
• подготовка высоковакуумного насоса к работе;
• отключение низковакуумной линии;
• включение высоковакуумного насоса на камеру и получение высокого вакуума;
• последовательное отключение высоковакуумной линии по окончании синтеза;
• напуск атмосферного давления в рабочую камеру.
Управление системой откачки и контроль состояния осуществляются в автоматическом режиме программируемым контроллером. Программное обеспечение контроллера обеспечивает последовательное управление исполнительными элементами вакуумной системы в соответствии с заданным режимом работы (подготовка вакуумной системы к работе, создание рабочего вакуума, проверка натекания, окончание работы). Электрическое управление включает набор блокировок, гарантирующих безопасную работу и эксплуатацию установки, в том числе аварийную программу.
Вычислительный потенциал системы управления, реализованной на базе индустриального компьютера и программируемого логического контроллера, обеспечивает возможность интеграции функций проектирования технологии в машинном масштабе времени и управление ИХТО в реальном масштабе времени.
Функции системы управления установки можно определить через совокупность ее внешних взаимодействий:
• перемещение порошка по рабочему столу (геометрическая задача^;
• последовательно-параллельное управление дискретными механизмами, элементами вакуумной системы (логическая задача);
• взаимосвязанное управление источником питания, системой подготовки и подачи газа, плотностью плазмы (остаточным давлением газа) (технологическая задача);
• организация интерфейса с оператором (терминальная задача);
• идентификация состояния технологической системы, формирование файлов состояния элементов технологической системы, файлов событий и аварийных ситуаций (диагностическая задача);
• документирование технологического процесса синтеза изделий (архивная задача);
• математическое моделирование технологического процесса (задача оптимизации);
• диспетчеризация приведенных выше задач (системная задача).
Для реализации технологического процесса используется источник с регулируемым напряжением от 400 до 1000 В и максимальным током до 50 А. Для устранения пробоев между источником и нагрузкой устанавливается электронный ключ с регулируемой частотой. При рабочей длине 1500 мм и ширине 500 мм обработка одного слоя частиц диаметром 100 мк составляет около 24 ч, что позволяет получить 400 г титанового порошка. Следует отметить, что эта установка непрерывного действия.
Таким образом, реализация ИХТО позволяет получить порошок заданного химического состава с заранее прогнозируемыми свойствами. Введение этой операции позволит в дальнейшем формировать композиционные материалы с повышенными теплофизическим и механическими свойствами.
Кроме этого, дальнейшее развитие получают аддитивные технологии: на их базе возможно получение принципиально новых композиционных порошковых изделий.
