Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КОМПАКТИРОВАНИЯ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к способам компактирования порошковых материалов, а более точно к способам получения монолитных и прочных объектов путем воздействия динамического импульса на порошковые материалы.

Известно, что нагружение веществ ударными волнами приводит к реализации в них высоких динамических давлений и высоких температур, что позволяет получать и сохранять фазы высокого давления [1]. Ударное сжатие порошков сопровождается их уплотнением (взрывное уплотнение). Таким образом, удалось достичь самых высоких плотностей изделия [2].

Известен способ компактирования порошков с помощью баллистического пресса. Исходный образец помещается в прочную стальную матрицу. Варьируется начальная плотность запрессовки порошка при неизменной скорости плунжера (лайнера) [3] . Недостатком данного способа является невысокий конечный размер компактных образцов (десятые доли мм).

Известен способ получения компактного и прочного вещества, в котором испытываемый материал (порошок) помещается в прочные металлические ампулы сохранения, в корпусе которых генерируют ударные волны детонацией заряда взрывчатого вещества (ВВ), находящегося в контакте с корпусом ампулы, или ударом о стенки ампулы лайнера, разгоняемого продуктами взрыва (ПВ) до больших скоростей [4].

Под воздействием высоких динамических давлений и температур осуществляется компактирование исходного порошка. Недостатком данного способа является невысокий конечный размер компактных образований (единицы мм).

Известен способ взрывного компактирования вещества, в котором исследуемый порошок помещается внутрь тонкостенной металлической трубки. Вокруг трубки и сверху располагается ВВ. Подрыв происходит сверху. Генерируется плоская детонационная волна. Высокое давление ударной волны приводит к сжатию трубки и, тем самым, к уплотнению порошка. Схождение волны от стенок цилиндра к его оси приводит к увеличению давления и скорости (цилиндрическая кумуляция) [2].

Известен способ компактирования порошкообразного материала, включающий взрывное сжатие помещенного в контейнер порошкового материала, осуществляемое при одноточечном инициировании взрывчатого вещества (ВВ), размещенного на наружной поверхности контейнера, при этом используют контейнер осесимметричной формы, внутри на его оси предварительно помещают геометрически подобную инертную массу, а при инициировании ВВ в точке на поверхности слоя ВВ происходит возбуждение и распространение детонации в скользящем режиме (С.С. Кипарисов и др. Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1991, с.335, рис. 150 (г)). Данный способ принят за ближайший аналог.

Недостатком данного способа является то, что результат прессования решающим образом зависит от выбранных параметров взрывного воздействия. Так, использование самых высоких давлений не приводит к самым высоким плотностям изделия; для каждого порошкообразного материала необходимо подбирать оптимальные параметры.

Решаемая техническая задача заключается в достижении оптимальных динамических условий для реализации устойчивого компактирования порошкового материала.

Решение этой технической задачи позволит существенно увеличить выход конечного продукта, его геометрические размеры, а также получать компактные образования определенной заданной формы.

Технический результат достигается тем, что в предложенном способе, включающем взрывное сжатие порошкового материала, помещенного в контейнер, скользящей детонационной волной, возбуждаемой одноточечным инициированием слоя взрывчатого вещества, размещенного на наружной поверхности контейнера, на оси которого помещена геометрически подобная инертная масса, согласно изобретению используют контейнер осесимметричной формы в виде сферы, а инициирование осуществляют в точке на боковой поверхности слоя взрывчатого вещества, размещенного на всей наружной поверхности контейнера, причем слой взрывчатого вещества выполняют равно- или разнотолщинньм в радиальном направлении.

В металлический контейнер осесимметричной формы (сферический, цилиндрический и т.п.), внутри которого на его оси стационарно размещается геометрически подобная форме контейнера сплошная металлическая инертная масса меньшего размера, засыпается порошковый материал. Порошковый материал равномерно распределяется между инертной массой и стенками контейнера. Затем на всю внешнюю поверхность контейнера накладывается слой ВВ. Это могут быть две осесимметричные половины твердого ВВ, плотно контактирующие по торцу, слой порошкообразного, пастообразного или жидкого ВВ, равномерно заполняющий пространство между внешней поверхностью контейнера и внутренней поверхностью кожуха большего размера, предназначенного для сохранения требуемой формы порошкообразного, пастообразного или жидкого ВВ, причем данный слой ВВ может быть выполнен равнотолщинным или разнотолщинным в радиальном направлении. Контейнер в сборе устанавливается на открытой площадке, предназначенной для подрывов зарядов ВВ, перед ящиком с пористым материалом (обычно опилками). Инициирование слоя ВВ осуществляется в одной точке на боковой поверхности контейнера для возбуждения и распространения детонации в скользящем режиме. Под действием взрывного импульса контейнер летит и улавливается слоем пористого материала. Параметры заряда ВВ выбирают из условий получения давления и температуры ударной волны в порошковом материале, достаточных для реализации более плотной фазы по известным правилам.

Указанный технический результат достигается за счет следующих существенных отличий:
1. При скользящей детонации слоя ВВ, помещенного на наружную поверхность осесимметричного контейнера, осуществляемой инициированием в точке на боковой поверхности, реализуется сложное неодномерное длительное движение стенок контейнера по направлению к инертной массе. Стенки контейнера движутся как к геометрическому центру (движение по нормали), так и в боковом направлении (тангенциальное движение). Реализуется одновременное движение порошка к центру, и его сжатие, и тангенциальное перетекание частиц. Однако сдвиговое (тангенциальное) течение облегчает прохождение фазовых переходов [1] (в данном случае - переход от пористого вещества к сплошному). В известных способах используется длительное нагружение ударноволновым импульсом. Однако во всех этих способах осуществляется одномерное сжатие порошкового материала - по нормали к движущейся поверхности.

Таким образом, положительным моментом для процесса компактирования является неодномерность нагружения.

2. Осесимметричная форма контейнера в виде сферы способствует оптимальному деформированию и сжатию порошкового материала в радиальном и тангенциальном направлениях. Отсутствие резких изменений формы контейнера (острые и прямые углы) позволяет избежать аномально высокого сжатия и деформирования порошкового материала, которые приводят к потере требуемых свойств компактируемого материала, и повысить конечный выход продукта.

3. Слой ВВ, размещаемый на поверхности контейнера, может быть выполнен переменной толщины в радиальном направлении - под точкой инициирования этот слой толще, с противоположной стороны этот слой тоньше. Такой технологический прием позволяет понизить или вообще устранить отрицательное воздействие повышенного давления, реализующегося при столкновении детонационных волн, на стенку контейнера. Тем самым повышается степень сохранности контейнера. Размещенный на поверхности контейнера слой может представлять собой состав из твердого, порошкообразного, пастообразного или жидкого ВВ.

Техническую осуществимость данного способа можно проиллюстрировать на следующем примере. В сферический контейнер из стали 10 (две полуоболочки толщиной 5 мм, радиусом 100 мм свинчиваются по резьбе), геометрический центр которого стационарно заполнен инертной массой (шар из стали 12Х18Н10Т радиусом 50 мм крепится тремя шпильками к полуоболочкам), через отверстие засыпался стеклопорошок ШОС-125, изготовленный по ТУ 6-48-00204949-15-92. Размер отдельных частиц стеклопорошка 1 мкм≤Δ≤10 мкм. Засыпка была выполнена до насыпной плотности ρ≈1.4 г/см³ (весь рабочий объем контейнера был заполнен стеклопорошком). Затем засыпное отверстие закрывалось пробкой по резьбовому соединению. На внешнюю поверхность контейнера накладывался слой ВВ (две полуоболочки из тротила общей массой m≈9 кг плотно соединялись по торцу). Инициировался слой ВВ накладным зарядом в одной точке. Была реализована скользящая детонация слоя ВВ. Расчетно-экспериментальными методами показано, что полуоболочки сжимают стеклопорошок достаточно долго (t≈500 мкс), обеспечивая в нем давление Р≈30 ГПа. После подрыва ВВ контейнер улавливался в ящике с опилками, предварительно выставленном по оси инициирования слоя ВВ. Затем контейнер вскрывался. Материал извлекался из контейнера. После сложного двумерного динамического деформирования материал представляет собой компактный образец (несколько фрагментов размером 50...100 мм•50...100 мм, толщиной ~20 мм) плотностью ρ≈2.45 г/см³.

Скомпактированное вещество имеет белый непрозрачный цвет, его плотность соответствует плотности обыкновенного стекла, обладает твердостью выше твердости обыкновенного стекла (оставляет царапины на стекле). Достигнутый в экспериментах максимальный размер скомпактированного вещества существенно больше, чем достигаемый в опытах по одномерному нагружению, отличающихся сложностью постановки.

Используемый для компактирования порошкового материала контейнер может иметь цилиндрическую, сферическую или иную осесимметричную форму. Соответственно геометрически подобную форму будет иметь инертная масса, помещаемая внутри контейнера на его оси. При этом также достигается высокий положительный эффект.

Слой ВВ, размещаемый на поверхности контейнера, может быть выполнен переменной толщины в радиальном направлении. Этот слой может представлять собой состав из твердого, порошкообразного, пастообразного или жидкого ВВ.

ЛИТЕРАТУРА
1. Я. Б. Зельдович, Ю.П. Райзер "Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений" Москва, Главная редакция физико-математической литературы, 1966, с.688.

2. Р. Прюммер "Обработка порошкообразных материалов взрывом" Москва, Мир, 1990, с.128.

3. Э. Э. Лин, С.А. Новиков, В.Г. Куропаткин, В.А. Медведкин, В.И. Сухаренко "Динамическое компактирование ультрадисперсных алмазов" ФГВ, 1995, т. 31. 5, с.136-142.

4. Ю.Н. Рябинин "Сублимация кристаллической решетки под действием сильной ударной волны" ДАН СССР, 1956, т.109, с.289-291.