Разработка технологии получения волокон и пористых материалов из жаростойких сплавов методом экстракции висящей капли расплава тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.06, кандидат технических наук Борисов, Борис Вячеславович

• Борисов, Борис Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Борисов, Борис Вячеславович

Перечень принятых сокращений и обозначений

Введение

Глава 1 Обзор литературы по состоянию вопроса

1.1 Волочильные методы получения металлических волокон

1.2 Методы получения волокон резанием

1.3 Литейные методы получения волокон

1.3.1 Экструзия расплава

1.3.2 Метод центробежной закалки

1.3.3 Спиннингование расплава

1.3.4 Вытягивание расплава в оболочке (метод Улитовского-Тейлора)

1.3.5 Метод экстракции расплава

1.4 Методы формирования холстов на основе металлических волокон

1.4.1 Методы порошковой металлургии

1.4.2 Механическое холстоформирование

1.4.3 Аэродинамическое холстоформирование

1.4.4 Жидкостное холстоформирование

1.5 Методы скрепления волокон в холсте 42 1.5.1 Иглопробивная обработка 43 Заключение по литературному обзору и постановка задач исследований

Глава 2 Объекты и методы исследования

2.1 Способ получения волокон

2.2 Оборудование для получения волокон

2.2.1 Установка ЭВКР-ЭЛУ

2.2.2 Установка ЭВКР-РН

2.3 Методы Исследования волокон и ПВМ

2.3.1 Изготовление шлифов и металлографические исследования

2.3.2 Исследование ПВМ 61 Выводы по главе

Глава 3 Исследование влияния параметров процесса ЭВКР на формообразование продукции.

3.1 Влияние скорости экстракции на геометрические параметры поперечного сечения волокон

3.2 Влияние скорости подачи расплава на формообразование волокон

3.3 Влияние типа источника нагрева на устойчивость процесса экстракции

3.4 Исследование геометрических параметров дискретных волокон 85 Выводы по главе

Глава 4 Формирование пористого холста методом ЭВКР

4.1 Способ формирования пористого холста методом ЭВКР

4.2 Механизмы взаимодействия волокон в пористом холсте, формируемом методом ЭВКР

4.2.1 Температура волокна при формировании ПВМ

4.2.2 Механическое сцепление волокон в ПВМ

4.2.3 Припекание волокон в ПВМ

4.3 Свойства пористых холстов, получаемых в процессе ЭВКР 108 Выводы по главе

Глава 5 Применение волокон и пористых холстов на их основе

5.1 Пористые волокновые материалы для звукопоглощающих и уплотнительтных конструкций

5.2 Носители катализаторов на основе ПВМ

5.3 Фильтры на основе металлических волокон 120 Выводы по главе 5 126 Основные выводы 127 Список используемой литературы 129 Приложение

Перечень принятых сокращений и обозначений

Е - нормальный модуль упругости материала волокна

I - момент инерции п - число полуволн изгиба волокна

Рк - критическая сила в формуле Эйлера

8 - толщина слоя расплава

У - плотность ПВМ ук - плотность материала волокна у - кинематическая вязкость расплава

П - пористость

Э - относительная плотность ПВМ

ВЗР - высокоскоростное затвердевание расплава

ГТД - газотурбинный двигатель

ПВМ - пористый волокновый материал

ЭВКР - экстракция висящей капли расплава

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии получения волокон и пористых материалов из жаростойких сплавов методом экстракции висящей капли расплава»

Одним из эффективных направлений повышения основных параметров современных газотурбинных двигателей (ГТД) является уменьшение радиальных зазоров в компрессоре и турбине. Уменьшение радиальных зазоров ведет к повышению вероятности соприкосновения венцов лопаток с деталями статора вследствие перегрузок при взлете и маневрах самолета, колебаниях ротора и корпуса двигателя при работе на нерасчетных режимах и др. Контакт f венцов лопаток и поверхности статора, происходящий на высоких скоростях, приводит к значительному повышению температуры и дополнительным нагрузкам на лопатки, что может послужить причиной их износа, а иногда и поломки.

Наиболее рациональным способом устранения износа или поломки лопатки вследствие взаимодействия со статором, является применение специальных уплотнительных материалов, одним из основных свойств которых является способность к истиранию при контактном взаимодействии. Наряду с этим к уплотнительным материалам предъявляются требования по эрозионной стойкости и ряд других требований.

Одним из наиболее перспективных направлений создания таких уплотнительных материалов является создание высокопористой структуры из металлического порошка без включения твердых смазок. Однако, использование металлического порошка и традиционного газо-плазменного напыления, применяемого для формирования уплотнительного материала, накладывает определенные ограничения на повышение пористости уплотнительного материала при сохранении его механической прочности и эрозионной стойкости.

В ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ совместно с «МАТИ» - Российским государственным университетом им. К.Э. Циолковского проводятся работы по созданию высокопористых волокнистых материалов из тонких дискретных металлических волокон методами порошковой металлургии. Проведены предварительные эксперименты, показывающие принципиальную возможность создания высокопористого материала из тонких дискретных волокон, изготовленных на основе сплавов традиционно применяемых для формирования покрытий уплотнительных материалов турбины и компрессора. Развитие этого направления позволит создать новый класс уплотнительных материалов, с исключительно высокими служебными свойствами, и технологии их изготовления.

Дальнейшее развитие данного направления требует создания конкурентоспособной технологии изготовления тонких дискретных волокон и способа формирования на их основе заготовок в виде пористого холста для уплотнительного материала.

Материалы, применяемые для изготовления таких волокон, накладывают значительные ограничения на применимость традиционных методов получения волокон, таких как резание или волочение. Кроме того, при производстве волокон резанием минимальный размер волокна редко удается получить менее 80 мкм. Волочением возможно получение нитей диаметром до 1 мкм, однако стоимость таких волокон резко возрастает, так как технологический процесс может включать в себя до 100 и более операций.

Наиболее перспективными методами производства волокон представляются методы получения волокон непосредственно из расплава (литейные методы). К таким методам, кроме прочих, относятся метод высокоскоростного затвердевания расплава (ВЗР), а также его разновидность -метод экстракции висящей капли расплава (далее по тексту - метод ЭВКР). Основным преимуществом метода ЭВКР перед другими литейными методами получения волокон является применение бестигельной плавки распыляемого материала, что позволяет получать волокна из широкого спектра материалов. Для получения дискретных волокон методом ЭВКР рабочая поверхность диска-теплоприемника изготавливается в виде У-образной кромки с поперечными насечками определенной формы. Дискретизация волокна происходит в процессе его получения, путем прерывания процесса экстракции. Однако, из-за значительных колебаний капли расплава, возникающих вследствие • возмущений, вносимых в расплав насечками диска-теплоприемника, продукция, получаемая таким способом, не соответствует высоким требованиям по однородности, предъявляемым к материалам для истираемых уплотнений, так как имеет существенный разброс значений толщины волокна по длине.

Научная новизна

Установлены механизмы взаимодействия волокон в ПВМ, формируемом методом ЭВКР, которые включают:

- образование механического сцепления волокон вследствие, их перегибов;

- образование очагов припекания волокон из-за наличия на их поверхности расплава.

Установлено влияние параметров процесса на плотность и прочность пористого материала, формируемого методом ЭВКР. Показано, что рост скорости экстракции при снижении эквивалентного диаметра волокна, приводит к повышению плотности получаемого материала.

Показано, что высота зоны контакта волокон с принимающей поверхностью является функцией модуля упругости материала волокна, его температуры, скорости экстракции и дистанции пролета волокна.

Практическая ценность

Разработан способ формирования ПВМ на основе металлических волокон, который заключается в формировании пористого холста на подложке, перемещаемой относительно зоны падения волокна.

Разработано оборудование для производства ПВМ шириной 600 мм, длиной 1200 мм из металлических волокон.

Разработана методика оценки возможности формирования ПВМ, включающая оценку возможности образования механического зацепления и припекания волокон в зависимости от параметров процесса ЭВКР.

Разработаны технологические рекомендации на изготовление пористого материала из пластичных металлических волокон из сплава Х23Ю5ВИ и сплава системы Fe-Cr-Al-Y.

Результаты работы были использованы:

- ООО «Стальные фильтрующие материалы» при освоении производства дискретных металлических волокон для истираемых уплотнительных материалов на основе стали Х23Ю5ВИ;

- ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ при освоении производства пористых материалов из жаростойких сталей и сплавов и выпуске технических условий на металлические дискретные волокна для истираемых уплотнительных материалов №1-595-3-894-2005;

- в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности «Порошковая металлургия и композиционные материалы».

Апробация работы

Материалы диссертации доложены на 8 научно-технических конференциях, в том числе: на Всероссийских с международным участием научно-технических конференциях «Быстрозакаленные материалы и покрытия», Всероссийских научно-технических конференциях «Новые материалы и технологии» (г. Москва), на симпозиуме в Институте порошковой металлургии ГНПО ПМ HAH Беларуси, Минск.

По теме диссертации опубликовано 15 работ (в том числе патент на изобретение и 2 статьи в журналах из перечня ВАК РФ). Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Заключение диссертации по теме «Порошковая металлургия и композиционные материалы», Борисов, Борис Вячеславович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 На основании проведенных исследований было показано, что для скрепления волокон ПВМ в процессе его формирования методом ЭВКР необходимо наличие любого из двух механизмов взаимодействия волокон в ПВМ - механическое зацепление или припекание.

2 Установлено, что условием образования механического зацепления волокон в процессе формирования ПВМ методом ЭВКР является пластическая деформация волокон при их ударе о принимающую поверхность. Причем чем выше степень деформации волокна, тем выше прочность ПВМ в целом. Оценку возможности образования механического зацепления в ПВМ возможно проводить сопоставлением силы, необходимой для изгиба волокна определяемой по формуле Эйлера для критической силы, и силы удара волокна о принимающую поверхность.

3 Показано, что условием образования очагов припекания волокон в ПВМ, формируемом методом ЭВКР, является наличие жидкого расплава на поверхности волокон в момент их контакта в формируемом ПВМ.

4 Установлено, что структура ПВМ определяется соотношением скорости перемещения подложки и скорости экстракции, а также направлением вектора перемещения подложки относительно пятна контакта, образуемого при ударе волокна о подложку. При этом геометрические параметры пятна контакта зависят от параметров процесса экстракции - при неизменной ширине, высота , пятна контакта (угол разброса в плоскости вращения теплоприемника) зависит „ от скорости экстракции и дистанции пролета волокна. С увеличением скорости экстракции высота пятна контакта уменьшается. Уменьшение высоты пятна контакта происходит и при сокращении дистанции пролета волокна.

5 Задание граничных условий при расчете температурных полей в волокне при экстракции расплава методом ЭВКР можно проводить на основе трех стадийной модели ВЗР, исключив из нее стадию охлаждения волокна на теплоприемнике после извлечения волокна из расплава. Отсутствие второй стадии может объяснить и значительная величина жидкой фазы на поверхности волокна в момент отрыва от теплоприемника (до 50% от общей толщины волокна). Охлаждение волокна после отрыва от диска-теплоприемника только за счет излучения способствует длительному сохранению жидкой фазы на поверхности волокон.

6 Разработано и изготовлено оборудование для получения методом ЭВКР дискретных волокон и пористых волокновых материалов из коррозионностойких сталей и сплавов.

7 Разработанным способом формирования ПВМ получены пористые заготовки из длинных или дискретных волокон на основе сталей и сплавов, различного назначения.

8 Форма ПВМ, получаемых методом ЭВКР определяется формой принимающей поверхности и направлением и скоростью ее перемещения относительно пятна контакта волокна.

9 Получаемый ПВМ на основе волокон стали системы Ре-Сг-А1 может использоваться как исходный материал для изготовления звукопоглощающих конструкций, уплотнений турбин и компрессора ГТД, катализаторов и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведенный анализ методов получения волокон и способов формирования на их основе заготовок для дальнейшего использования при изготовлении изделий различного назначения позволяет сделать следующие выводы:

- способы получения волокон резанием применимы только для ограниченного числа материалов и не пригодны для получения волокон из жаропрочных сплавов;

- получение волокон непосредственно из расплавов, на основе труднодеформируемых материалов к которым относятся жаропрочные сплавы, позволяют существенно сократить их стоимость в сравнении с тянутыми волокнами, что обеспечивается за счет сокращения количества операций;

- наиболее перспективным методом получения волокон из жаропрочных сплавов представляется метод ЭВКР, так как в нем реализована бестигельная плавка диспергируемого материала, что обеспечивает возможность получения волокон из сплавов, содержащих высокоактивные компоненты, такие как Т1, А1 и др.;

- существующие методы холстоформирования в сочетании с последующей иглопробивной обработкой, необходимой для придания механической прочности формируемому холсту, накладывают существенные ограничения на применимость их для формирования холстов из волокон на основе труднодеформируемых сплавов, так как при иглопробивной обработке происходит разрушение волокон, что приводит к значительным потерям волокон при формировании ПВМ.

Таким образом, задача разработки новых методов холстоформирования из волокон на основе труднообрабатываемых материалов является актуальной.

Целью настоящей работы являлось разработка научно обоснованного технологического процесса получения металлических волокон жаростойких сталей и сплавов и способа формирования ПВМ в процессе получения волокон методом ЭВКР. Для достижения цели предполагалось решить следующие задачи:

- исследовать влияние параметров процесса ЭВКР на формообразование волокна;

- разработать способ формирования ПВМ в процессе получения волокон методом ЭВКР;

- провести исследование процесса формирования ПВМ и определить механизмы взаимодействия волокон в ПВМ;

- определить параметры процесса, управление которыми обеспечит создание ПВМ с заданными свойствами.

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОН

Схема процесса получения волокна методом ЭВКР показана на рисунке 18. В качестве диспергируемой заготовки используется стержень, нижний конец которого оплавляется посредством резистивного нагревателя или электронного луча. Расплав, образованный в результате оплавления стержня, подается в зону экстракции - происходит контакт нижней части капли расплава с рабочей кромкой диска-теплоприемника, перемещающейся относительно капли расплава. В результате контакта расплава с охлаждаемой рабочей кромкой диска-теплоприемника, на последней, происходит затвердевание расплава в виде волокна. Под действием усадочных напряжений и центробежной силы волокно отделяется от диска-теплоприемника.

Для получения дискретных волокон процесс экстракции расплава прерывается посредством поперечных насечек, нанесенных на рабочую поверхность диска-теплоприемника.

Существенным преимуществом метода ЭВКР перед другими литейными методами является применение бестигельной плавки диспергируемого материала, что не только позволяет получать волокна из высокоактивных материалов, но и без существенных затрат на подбор футеровок и пр., получать волокна из широкого спектра материалов.

К недостаткам метода ЭВКР зубчатым диском-теплоприемником можно отнести сложность обеспечения устойчивости капли расплава. Колебания в капле расплава возникают главным образом из-за непостоянства контакта расплава с рабочей поверхностью зубчатого диска-теплоприемника. В результате колебаний капли расплава происходит изменение геометрических параметров продукции, кроме того, процесс экстракции проходит неустойчиво - возможно как прерывание процесса из-за подъема капли, так и заглубления диска в расплав до критических значений, при которых происходит отрыв капли от оплавляемого стержня.

Рисунок 18 - Схема метода ЭВКР.

Геометрические параметры волокон, получаемых методами экстракции расплава, и в частности методом ЭВКР зависят от используемого оборудования, следовательно разработка технологии получения волокон требует исследования зависимости геометрических параметров продукции от параметров процесса экстракции.

2.2 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОН

Исследование влияния параметров процесса ЭВКР на формообразования продукции проводилось на установках, разработанных в «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского.

Выбор для исследований оборудования с различными типами источников нагрева обоснован наличием у каждого из способов нагрева отличительных особенностей, позволяющих компенсировать те или иные ограничения метода ЭВКР. Так резистивный нагрев позволяет вести процесс получения волокон в среде защитных газов в широком диапазоне давлений, что может использоваться для повышения скоростей охлаждения волокна после отрыва от диска-теплоприемника, а также для снижения испарения материала при получении волокон из материалов с высокой упругостью паров расплава. Кроме того, ведение процесса экстракции газовой атмосферы может быть использовано для повышения устойчивости капли расплава путем формирования на поверхности капли расплава окисной пленки.

Повышения устойчивости капли расплава при электронно-лучевом нагреве можно добиться путем формирования капли расплава с меньшим, чем при резистивном нагреве, относительном объемом капли, что обеспечивается локальным нагревом диспергируемой заготовки.

2.2.1 Установка ЭВКР-ЭЛУ

Экспериментальная установка ЭВКР-ЭЛУ (см. рисунок 19) представляет собой реализацию метода ЭВКР с электронно-лучевым нагревом диспергируемой заготовки. Установка ЭВКР-ЭЛУ позволяет получать волокна из различных материалов с температурой плавления до 3500°С при разряжении в рабочей камере до 5х10-4Па.

Общая схема установки представлена на рисунке 20. Установка включает в себя следующие узлы и системы: рабочая камера, система откачки (вакуумная система), шпиндель, питатель (система подачи исходного материала-прутка), щетка, сборник волокна, электронно-лучевая пушка, отклоняющая система, стойка питания электронно-лучевой пушки, шкаф управления.

Вакуумная рабочая камера предназначена для обеспечения разряжения, необходимого для работы электронно-лучевой пушки при ведении процесса получения волокон. Кроме того, рабочая камера выполняет несущие функции -в ней размещаются основные узлы установки: шпиндель, электронно-лучевая пушка, отклоняющая система, питатель, щетка, высоковакуумный насос. л

Камера представляет собой куб объемом 0.25 м , лицевая сторона которого выполнена в качестве двери, что обеспечивает удобный доступ к узлам установки, расположенным в вакуумной камере при обслуживании установки. Вакуумная камера установки изготовлена из немагнитной нержавеющей стали. Для наблюдения за процессом получения волокна, в двери рабочей камеры имеется смотровое окно. На левой от оператора стенке камеры расположен фланец крепления паромасляного насоса диаметром 420 мм и фланец крепления электронной пушки. К задней стенке камеры крепится сборник продукции. На правой стенке расположен фланец крепления шпинделя. На верхнем фланце камеры установлен питатель. В потолочной части камеры закреплено отклоняющее устройство.

Рисунок 19 - Установка ЭВКР-ЭЛУ

1 Вакуумная рабочая камера

2 Питатель

3 Привод питателя

4 Диск-теплоприемник

5 Шпиндель

6 Двигатель привода шпинделя

7 Щетка

8 Форвакуумный насос

9 Высоковакуумный насос

Рисунок 20 - Общая схема установки ЭВКР-ЭЛУ

Вакуумная система обеспечивает возможность создания разряжения в рабочей камере и в электронно-лучевой пушке до 5-10"4 Па. В состав вакуумной системы входят: форвакуумный насос золотникового типа НВЗ-20, быстрота откачки 20 л/с., который обеспечивает разряжение в вакуумной камере 10 Па, потребляемая мощность 2.2 кВт; агрегат вакуумный АВП-5, быстрота откачки 1200 л/с., обеспечивает разряжение в вакуумной камере 5-10"4 Па, потребляемая мощность 3 кВт; клапан вакуумный магнитный КВМ-63, служит для отсечки от форвакуумной линии АВП-5 в случае аварийного отключения электропитания; вакуумметр блокировочный 13ВТЭ-003, используется для контроля за степенью разряжения в камере в интервале давлений от 1 до 10'5 Па; вакуумметр блокировочный ВМБ-14, используется для контроля за степенью разряжения в камере в интервале давлений от.МО"5 до 1 Па. Управление работой вакуумной системы осуществляется с пульта управления. ;

В установке используется шпиндель консольного типа. Корпус, вал и головка шпинделя имеют полости для охлаждения водой, что обеспечивает надежную работу подшипников и вакуумных уплотнений шпинделя и стабильный отвод тепла от рабочей поверхности диска. Кроме того, головка шпинделя выполнена разборной, что позволят менять рабочую часть (обод) диска-теплоприемника, если возникнет необходимость, в случае износа или если требуется замена материала диска-теплоприемника при смене диспергируемого материала. На головке шпинделя установлен диск-теплоприемник, имеющий три рабочих кромки. Скорость вращения диска регулируется в пределах от 50 до 5000 об/мин, что позволяет изменять скорость экстракции от 0,5 до 50 м/с. Привод вращения шпинделя осуществляется асинхронным двигателем мощностью 1,5 кВт, питание которого производится через управляемый преобразователь частоты (инвертер).

Питатель предназначен для регулируемой подачи заготовки, а также для позиционирования распыляемой заготовки относительно диска-теплоприемника. Он представляет собой вакуумный ввод, передающий поступательное движение диспергируемой заготовке от асинхронного двигателя. В питателе предусмотрена регулировка положения питателя относительно продольной оси шпинделя, что дает возможность получать продукцию на любой из трех рабочих кромок диска-теплоприемника, которые могут быть выполнены в виде непрерывного обода для получения непрерывного волокна, или иметь насечки для получения частиц игольчатой формы. Питатель позволяет устанавливать до трех заготовок диаметром от 5 до 20 мм и длиной до одного метра.

Щетка предназначена для удаления с рабочей кромки диска-теплоприемника фрагментов закристаллизовавшегося расплава, не покинувших кромку диска под действием центробежных сил. В установке используется щетка, рабочий элемент которой вращается в плоскости перпендикулярной плоскости вращения диска-теплоприемника. Прижим щетки к диску обеспечивается стальной пружинящей полоской. В качестве материала щетки используется войлок.

Система нагрева предназначена для локального нагрева диспергируемого образца с целью получения расплава в виде висящей капли. Система нагрева ч включает в себя электронно-лучевую пушку, отклоняющую систему, стойку питания и управления электронно-лучевой пушкой. Используемая в установке электронно-лучевая пушка с косвенным подогревом эмиттера, позволяет получать луч диаметром 5 мм, мощностью до 20 кВт. Для защиты от потока частиц, испаряемых с поверхности расплавляемого материала, электроннолучевая пушка установлена в углублении выполненном в камере, таким образом, что ось пушки расположена под углом 90° к направлению движения потока испаряемых частиц. Для поворота луча на 90° в камере установлена дополнительная отклоняющая система, которая представляет собой соленоид с двумя полюсами, изготовленными из стальных пластин. Данная схема расположения электронно-лучевой пушки обеспечивает удобство визуального наблюдения за фокусировкой и юстировкой электронного луча. Стойка питания электронно-лучевой пушки позволяет работать с тремя значениями ускоряющего напряжения 6, 8, 10 кВ, при силе тока в луче до 2 А.

Обеспечивается фокусировка луча диаметром до 5 мм. Стойка питания электронно-лучевой пушки имеет выносной пульт управления фокусировкой, юстировкой и мощностью луча, что обеспечивает удобства ведения процесса.

Для обеспечения возможности получения волокон, более чем из одной заготовки, проведена доработка сканирующей системы электронно-лучевой пушки, путем оснащения ее микропроцессорным управлением. Доработанная система сканирования позволяет проводить нагрев от 1 до 8 заготовок, при этом обеспечивается возможность регулирования мощности луча на каждой заготовке.

Установка ЭВКР-ЭЛУ оснащена устройством формирования ПВМ, представляющим собой реализацию предлагаемого в работе способа формирования ПВМ. Устройство, схема которого показана на рисунке 21, размещено в вакуумной камере (см. рисунок 22), присоединенной с помощь фланца к камере установки. Привод перемещения барабана устройства формирования позволяет в широких пределах проводить изменение скорости перемещения барабана, независимо от скорости его вращения, что обеспечивает возможность задания толщины слоя и другие параметры формирования ПВМ.

Устройство позволяет формировать полотно шириной до 600 мм и длиной до 1200 мм.

2.2.2 Установка ЭВКР-РН

Установка ЭВКР-РН (см. рисунок 24) представляет собой опытно-промышленную установку, в которой реализован метод ЭВКР с резистивным нагревом диспергируемой заготовки. Установка ЭВКР-РН позволяет получать волокна из различных материалов с температурой плавления до 1600°С в среде инертных газов или в вакууме (при разряжении до 1-10"5 Па). В качестве деспергируемой заготовки возможно применение прутков диаметром от 8 до 12 мм длиной до 1 метра. Одновременно возможно получение волокна из 3 заготовок. Нагрев и оплавление заготовок осуществляется одним резистивным нагревателем.

В состав установки входят: вакуумная охлаждаемая камера; газовакуумная система; водоохлаждаемый диск-теплоприемник с вакуумным вводом вращения; устройство очистки диска; питатель; система нагрева; пульт управления; устройство формирования ПВМ, схема которого показана на I рисунке 23.

Вакуумная камера представляет собой водоохлаждаемый модульный корпус объёмом 0,8 м3. С передней стороны камеры расположены две дверцы, которые служат для обслуживания установки и загрузки диспергируемых заготовок. С тыльной стороны камеры расположена дверца для извлечения готовой продукции. Камера оснащена иллюминаторами, служащими для наблюдения за процессом.

Газо-вакуумная система предназначена ведения процесса ЭВКР, как в л « вакууме (до 10 Па), так и в атмосфере защитного газа давлением до 1(Г Па. Кроме этого, возможно ведение процесса в токе защитного газа. В состав газовакуумной системы входят: вакуумная система и система напуска газа.

Вакуумная система содержит: паромасляный насос, производительностью 160 л/с, позволяющий получить разряжение в камере до 10"2 Па; механический насос НВР-16Д, позволяющий получить разряжение до 0,5 Па; механический насос НВЗ-20, обеспечивающий разряжение в камере до 5 Па. Он используется для предварительной откачки перед включением насоса НВР-16Д и в качестве форвакуумного насоса при работе паромасляного насоса. Входная магистраль насоса НВЗ-20 оснащена дроссельным вентилем, позволяющим регулировать скорость откачки, для обеспечения возможности ведения процесса в токе защитного газа. Для подсоединения насосов с камерой используются металлизированные вакуумные шланги; электромагнитные клапаны, служащие для отсечки насосов НВЗ-20 и НВР-16Д от вакуумного объёма; электромагнитные вентили для связи насосов НВЗ-20 и НВР-16Д с вакуумной камерой; электромагнитный клапан для напуска воздуха в насос \НВЗ-20; ручной вентиль для напуска воздуха в камеру. Разряжение в ' камере контролируется с помощью вакуумметров блокировочных ИВТЗ-ООЗ и ВМБ-14. Система напуска газа включает в себя: баллон с защитным газом; газовый редуктор; вакуумный шланг; игольчатый вентиль, обеспечивающий возможность точной регулировки скорости подачи защитного газа при получении волокон в среде инертных газов; ручной вентиль, служащий для подключения/отключения системы напуска газа.

Водоохлаждаемый диск-теплоприемник установлен на двухопорном валу с вакуумным вводом вращения (шпинделем) служит для формирования волокна из капли расплава. Шпиндель соединён посредством ременной передачи с двигателем мощностью 2,2 кВт. Плавная регулировка позволяет изменять скорость вращения шпинделя до 5000 об/мин. Частота вращения вала шпинделя изменяется с помощью инверторного преобразователя частоты фирмы Отгоп. Торцевое и радиальное биение диска не превышают 10 мкм, что обеспечивается возможностью проточки рабочих кромок диска-теплоприемника без снятия его с вала шпинделя. Конструкция диска-теплоприемника позволяет, при необходимости, заменять его рабочую часть - обод. С помощью шлифовки на рабочей поверхности кромок достигается шероховатость порядка 2-Т-4 мкм. Конструкция шпинделя предусматривает охлаждение проточной водой опор у подшипников и фланцев крепления шпинделя к корпусу установки.

Так как в процессе экстракции на рабочей кромке диска-теплоприемника возможно налипание частиц диспергируемого материала, установка оснащена устройством очистки диска. Усилие прижима чистящего элемента устройства очистки возможно изменять непосредственно во время работы.

Питатель обеспечивает возможность независимой подачи трех прутков длиной до 0,6 м в зону плавления. Скорость подачи прутков регулируется электронным приводом управления в пределах от 1 до 10 мм/мин. Все приводы и редуктора питающего устройства расположены вне вакуумного объёма, что обеспечивает более «чистую» атмосферу в рабочем объеме камеры, а также защищает привод питающего устройства от попадания волокон в процессе их получения. Поступательное движение передаётся в камеру через вакуумное уплотнение с помощью штока. - '

Система нагрева предназначена для оплавления торца заготовки диспергируемого материала. В состав системы нагрева входят:

- нагревательный блок, состоящий из графитового нагревателя мощностью 10 кВт;

- высокотемпературная теплоизоляция (коксовата), служащая ' для уменьшения тепловых потерь;

- корпус с керамическими направляющими, обеспечивающими фиксацию прутков в заданном положении относительно нагревателя и изоляции их от корпуса;

- электронный регулятор мощности, позволяющий поддерживать температуру на нагревателе с точностью до 5 °С;

- трехфазный трансформатор;

- медные шины и водоохлаждаемые токовводы.

Оборудование, используемое в экспериментах, позволяло в широких диапазонах изменять основные параметры процесса получения волокон.

2.3 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛОКОН И ПВМ

В качестве заготовок для получения волокон и пористых материалов методом ЭВКР, использовали прутки диаметром 12 мм из технически чистого никеля марки Н-0 (химический состав по ГОСТ 849-97), из сплавов систем Бе-СгА1-У и Ре(№)-СгА1-У (требования к химическому составу волокон приведены в таблице 1), из меди М1 (химический состав ГОСТ 859-2001), Х23Ю5ВИ и никелида титана 55 мас.%№.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Борисов, Борис Вячеславович, 2011 год

1. С.В.Белов Пористые проницаемые материалы /Справочник М.Металлургия, 1987 г., 337с.

2. Шпирнов В.А. Тонкие нити. М.: Моск. Рабочий, 1980. -152с., с ил.

3. Справочник волочильщика проволоки. М.Б. Горловский, В.Н. Меркачев. -М.: Металлургия, 1993, 336 с.

4. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения М.: Металлургия, 1971. -448 с.

5. Битков В.В. Технология и машины для производства проволоки. Екатеринбург: УрО РАН, 2004.

6. Новые материалы. Колл. Авторов. Под научной редакцией Ю.С. Карабасова.- М. МИСИС. 2002 - 736 с.

7. Высокоскоростное затвердевание расплава (теория, технология и материалы). Васильев В.А., Митин Б.С., Пашков H.H., Серов М.М., СкуридинА.А, Лукин А. А, Яковлев В.Б ./Под ред. Б.С. Митина. М.: «СП ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ». 1998. - 400 с.

8. А.И. Манохин, Б.С. Митин, В.А. Васильев, A.B. Ревякин /Аморфные сплавы- М.; Металлургия, 1984. 160с.

9. Армарего И. Дж., Браун Р.Х. Обработка металлов резанием. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1977. 325 с.

10. Ю.Серов М.М. Технология получения волокон кристаллических материалов методом экстракции висящей капли расплава вращающимся диском. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М. 1999 г.

11. КацГ.С. Наполнители для полимерных композиционных материалов. Справочное пособие. Пер. с англ.- М.: Химия, 1981, 736с.

12. И.Митин B.C., Васильев B.A. Порошковая металлургия аморфных и микрокристаллических материалов М.: Металлургия. 1992. - 128с.

13. М.Солдатенко В.А., Митин B.C., Васильев В.А., Кошкин К.Н. и др. Устройство для диспергирования расплава. Авторское свидетельство СССР № 1026938, опубл. 07.07.83г. Бюллетень изобретений № 25.

14. Способ изготовления прутков или проволоки припоя. Патент РФ № 2069480, 1996г.

15. Способ получения проволоки присадочного материала. Патент РФ №2060859, 1996г.

16. Митин B.C., Серов М.М. Устройство для диспергирования материала экстракцией расплава / Патент на изобретение РФ №2088377, Бюл. № 24 от27.08.97г.

17. Митин B.C., Серов М.М. Установка для производства волокна из неорганических материалов / Патент на изобретение РФ № 2148477, 10.05. 2000 Бюл. № 13

18. Серов М.М. Разработка оборудования для производства металлических волокон медом экстракции висящей капли расплава./ Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского. Вып 4 (76). М.: Издательство «Латмэс», 2001, с. 171174.

19. Митин Б. С., Васильев В. А. Успехи в разработке аморфных порошковых материалов. /В кн.: Проблемы порошковой металлургии. Л.: Наука, 1982, с. 59-62.

20. Пашков И.Н., Родин И.В., Шокин C.B., Васильев В.А. патент РФ 2066588, опубл. 20.09.96г. Бюл. № 26.

21. Бадинтер Е.Я. Литой микропровод и его свойства. Кишинев: Штиница. 1973. -318с.

22. Чешуйки и волокна из коррозионностойкой стали /Черметинформация, № 1839. Пер. Ст. из журнала Токускко, 1985, т. 34, № 5, с. 18,19.

23. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, область применения: Справочник/И.М. Федорченко, И.Н. Францевич, И. Д. Радомысельский и др.; Отв. Ред. И.М. Федорченко. Киев: Наук. Думка, 1985. -624 с.

24. Порошковая металлургия жаропрочных сплавов. Гессингер Г.Х./Пер. с англ. -Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988,320 с.

25. Способы металлографического травления: Справ. Изд.: Пер. с нем. Беккерт М., Клемм X. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1988. С. 400 с. ил.

26. Тепляков H.H. Получение и свойства микрокристаллических порошковых волокон никелевых сплавов /Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 1989 (ДСП).

27. Пашков И.Н. Технология получения непрерывной продукции методом высокоскоростного затвердевания расплава. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва 1998г. (ДСП).

28. Архангельский В.М., Серов М.М. Получение аморфных порошков методом экстракции расплава из висящей капли /Очерки по физико-химии и материаловедению. Сборник научных трудов. Под научной редакцией Б.С. Митина. "СП интермет инжиниринг". 1998 с.391 400.

29. В.Н. Анциферов, А.М. Шмаков, Н.В. Терешин Закономерности формирования микрокристаллических волокон металлов методом экстракции расплава из подвешенной капли /Физика и химия обработки материалов 1994, № 2, с. 132-134.

30. Палеха K.K, Васильев В.А. Формирование дисперсных частиц на диске при высокоскоротном затвердевании расплава /В кн.: Труды VII научно -техн. конф. молодых ученых и специалистов. М.: МАТИ, 1983, с. 21-25.

31. Палеха К. К., Васильев В. А. Теоретический расчет толщины дисперсных материалов, получаемых методом ВЗР /Физика и химия обраб. материалов. -1984.-№6.-с. 97-101.

32. Васильев В.А. Теоретические основы и технология получения дисперсных материалов методом высокоскоростного затвердевания расплава /Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук М. 1994 (ДСП).

33. Митин Б.С., Серов М.М., Струков К.Э., Васильев В.А., Зимаков В.П. / Порошковые сплавы для авиационной техники. Тезисы докладов отраслевой научно-технической конференции М.: МАТИ им. К.Э. Циолковского 1988. с. 10.

34. В.А. Васильев, A.A. Лозован, И.Н. Пашков, Серов М.М. Научные предпосылки и практика производства метастабильных материалов. М.: «МАТИ» РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2002. - 206 с

35. Скуридин A.A. Получение аморфных магнитомягких волокон и порошков методом высокоскоростного затвердевания расплава /Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1986 (ДСП).

36. Скуридин A.A., Бушуев Ю.Г., Васильев В.А. и др. Способ получения волокон и порошков из расплава /A.c. СССР № 1186396,1985.

37. Скуридин A.A., Кошкин К.Н., Васильев В.А. Устройство для получения волокнистых материалов из расплава /A.c. СССР №1090502 1984.

38. Скуридин A.A., Митин Б.С., Васильев В.А. Способ получения дисперсных аморфных порошков /A.c. СССР №1135555 1984.

39. Верещагин, Михаил Николаевич. Разработка научных основ технологии формообразования металлических волокон и лент с микрокристаллической и аморфной структурой и создание оборудования для ее реализации: Дис. д-ра техн. наук: 05.16.06 Гомель , 1993 557 с.

40. С.И. Иголкин. Поверхностное натяжение и проблемы прочности жидких капель. Спб: БГТУ, 2004. с. 21-30.

41. Методы измерения удельной поверхности. В кН. Дж. Андерсон. «Структура металлических катализаторов» Пер. с англ. К.х.н. Э.Э. Рачковского. Под ред. Акад. Г.К. Берескова. Изд. «Мир». М., 1978. -482 с. с. 295-299.

42. Филонов М.Р., Аникин Ю.А., Левин Ю.Б. Теоретические основы производства аморфных и нанокристаллических сплавов методом сверхбыстрой закалки. М.: МИСИС. 2006. - 328 с.

43. А.А. Белоусов, С.Г. Бахвалов, С.Н. Алешина и др., Физико-химические свойства жидкой меди и ее сплавов, справочник, Екатеринбург, 1967.

44. Касторнов А.Г. Проницаемые металлические волокновые материалы. К.: Техшка, 1983 -128 с. ил -Библиогр.: с 122 -127.

45. Блох А.Г. и др. Теплообмен излучением: Справочник / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков -М.: Энергоатомиздат, 1991. 432 е.: ил.

46. Ерченко Г.Н., Гусев А.И. Конвективный теплообмен и теплообмен излучением: Учеб. пособие. СПб: Изд-во ПИМаш, 1995. 80 с.

47. Физические величины: Справочник/ А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под. Ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.; Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

48. Ватрушкин Л.С., Осинцев В.Г., Козырев A.C. Бескислородная медь. М.: Металлургия, 1982. 192 с.

49. Машиностроение. Энциклопедия. Цветные металлы м сплавы. Композиционные металлические материалы. TII-3 /Под общ. ред. И.Н. Фридляндера. М.: Машиностроение, 2001. 880 с.

50. Саранин В.А. Равновесие жидкостей и его устойчивость. Простая теория и доступные опыты. Москва: Институт компьютерных исследований, 2002, 144 стр.

51. Рукалин H.H., Углов A.A., Зуев И.В. и др. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1985. 495 с.

52. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 544 е., ил.

53. Мэтьюз, Джон, Г., Финг, Куртис. Д. Численные методы. Использование MATLAB, 3-е издание.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2001. 720 е.: ил. -Парал. тит. англ.

54. Multiphysics modeling using COMSOL : a first principles approach / Roger W. Pryor. 2011.

55. J. Juo, Numerical Simulation of Stress-Induced Crystallization of Injection Molded Semicrystalline Thermoplastics, PHD Degree, Faculty of New Jersey Institute of Technology, (2001).

56. В.И. Егоров. Применение ЭВМ для решения задач теплопроводности. Учебное пособие. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2006. 77 с.

57. Г. Циглер. Основы теории устойчивости конструкций. Пере, с англ. М.: Мир, 1971, 192 с.

58. Светлицкий В.А. Механика стержней: Учеб. для вузов. В 2-х ч. Ч. II. Динамика. -М.: Высш. шк., 1987.-304 е.: ил.

59. Мармер Э.Н., Мурованной С.Г., Васильева Ю.Э. Электропечи для термовакуумных процессов М.: Энергоатомиздат, 1991,—232с.

60. Мармер Э.Н. Материалы для высокотемпературных установок. М. ФИЗМАТЛИТ. 2007 152 с. - ISBN 978-5-9221-0823-2.

61. Сплавы для нагревателей. / Жуков Л.Л., Племянникова И.М., Миронова М.Н., Баркая Д.С., Шумков Ю.В. -М.: Металлургия, 1985. 144 с.

62. Грин X., Лейн Н. Аэрозоли пыли, дымы, туманы. Л., Химия, 1969.

63. Порошковая металлургия сталей и сплавов. М., «Металлургия», 1978, 264 с. Авт.: Дзнеладзе Ж.И., Щеголева Р.П., Голубева Л.С., Рабинович Е.М., Борок Б.А.

64. А.Г. Косторнов, Л.Е. Лунин, В.П. Семенец, Л.И. Чернышев Сравнительное исследование проницаемых материалов из металлических порошков и волокон. /Порошковая металлургия, 1983, N3, с. 49 51.

65. А.Г. Косторнов, М.С. Шевчук, И.М. Федорченко Свойства некоторых металлических волокон и материалов на их основе /Порошковая металлургия, 1975, N11 с. 41 -48.

66. Расчет на прочность деталей машин: Справочник/ И. А. Биргер, Б. Ф. Шорр, Г. Б. Иосилевич. 4-е изд., перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1993. -640 е.: ил.

67. Манжосов В. К. Модели продольного удара / В. К. Манжосов. Ульяновск: УлГТУ, 2006.-160 с.

68. Recent advances in the catalytic properties of metastable materials. Koji Hashimoto. Institute for Materials Research? Tohoku University? Sendai 980-77, Japan / Materials Science and Engineering A226-228 (1997) 891-899.

69. Пасечник M.C. Разработка металловолокнистого катализатора» на основе никеля и технологии его получения методом высокоскоростного затвердевания расплава. Дисс. На соискание ученой степени к.т.н. МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского. М. 2003. 168 с.

70. Гатушкин A.A., Косторнов А.Г. Исследование волокновых фильтровых материалов /Порошковая металлургия 1969 N8(80)

71. Штанов E.H., Штанова И.А. Цветные металлы и сплавы. Справочник. Н. Новгород: Вента-2. 2001.-277 с.

72. Жаропрочные стали и сплавы. Справочное издание. Масленков С.Б. М.: Металлургия, 1983.192 с.

73. Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: Справ, изд. / А.П. Шлямлев. и др.- М.: «Интермет Инжиниринг». 2000.- 232 с.

74. К. Уорден. Новые интеллектуальные сплавы и конструкции. Свойства и применение. Москва: Техносфера, 2006. 224 с.

75. Архангельский В.М., Васильев В.А., Михальченков А.Н. / Новые материалы и технологии машиностроения. М.; МГАТУ, 1993. С. 210

76. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна. Балыпин М.Ю. Изд-во «Металлургия», 1972. с. 336.