×
29.05.2019
219.017.6320

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ МАССИВНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области модификации поверхностных слоев материалов импульсными электронными пучками и может быть использовано для улучшения их физико-химических свойств (коррозионной стойкости, жаростойкости и др.). Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик обрабатываемых изделий, например массивных кристаллизаторов, электродов высоковольтных вакуумных выключателей и др. Устройство содержит сильноточную электронную пушку, содержащую взрывоэмиссионный катод 1, кольцевой анод 2, импульсный соленоид 3, обеспечивающий транспортировку электронного пучка и обрабатываемое электронным пучком изделие. Установка перед обрабатываемым изделием (6.1-6.2) дополнительного постоянного магнита 7 в виде рамки или кольца, при этом направление вектора магнитной индукции на поверхности магнита, обращенной к катоду пушки, противоположно направлению вектора магнитной индукции поля, создаваемого импульсным соленоидом, позволяет устранить дефокусировку пучка, вызванную частичным вытеснением импульсного ведущего магнитного поля из обрабатываемого изделия вследствие скин-эффекта, обеспечивая плотность энергии электронного пучка, достаточную для импульсного плавления поверхностного слоя изделия. 3 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Предлагаемое изобретение относится к области модификации поверхностных слоев материалов импульсными электронными пучками и может быть использовано для улучшения их физико-химических свойств (коррозионной стойкости, жаростойкости и др.) с конечной целью повышения эксплуатационных характеристик различных изделий, например, массивных кристаллизаторов, используемых в установках непрерывной разливки стали, электродов высоковольтных вакуумных выключателей и др.

Известны устройства, представляющие собой сильноточные электронные пушки, содержащие взрывоэмиссионный катод, кольцевой анод, коллектор, на котором могут располагаться обрабатываемые сильноточным электронным пучком металлические изделия, и импульсный соленоид, обеспечивающий предварительное (до подачи импульса ускоряющего напряжения на катод) формирование плазменного анода и транспортировку пучка к изделию (мишени) в ведущем магнитном поле [1, 2]. Положительный эффект (например, повышение коррозионной стойкости изделий, их жаростойкости, снижение шероховатости и повышение электрической прочности вакуумных промежутков, образованных металлическими электродами) в этих устройствах достигается за счет очистки и сглаживания поверхности обрабатываемых изделий в процессе ее импульсного оплавления сильноточным электронным пучком. Импульсное оплавление поверхности позволяет также эффективно формировать поверхностные сплавы с заданными свойствами.

Наиболее близким по сущности к заявляемому изобретению является устройство на базе сильноточной электронной пушки, описанное в [3]. В этой пушке, как и в [1, 2], имеются взрывоэмиссионный катод, кольцевой анод, коллектор (он же держатель изделий, подвергаемых обработке) и импульсный соленоид. Пучок электронов формируется в двойном слое между взрывоэмиссионной катодной плазмой и анодной плазмой, создаваемой в пеннинговском разряде между анодом и катодами разряда, роль которых играют коллектор пучка и катод пушки. Ведущее магнитное поле, создаваемое импульсным соленоидом, обеспечивает не только транспортировку пучка к коллектору, на котором располагается обрабатываемое изделие, но и зажигание пеннинговского разряда [4].

Недостатком вышеупомянутых устройств поверхностной обработки является дефокусировка электронного пучка при обработке массивных изделий, обусловленная импульсным характером ведущего магнитного поля соленоида. Действительно, если толщина обрабатываемого изделия превышает глубину скин-слоя, характеризующую проникновение импульсного магнитного поля внутрь изделия, то это магнитное поле частично вытесняется из него, т.е. магнитные силовые линии обтекают изделие. Это расхождение силовых линий приводит к дефокусировке пучка, падению плотности его энергии, т.е. к невозможности осуществить плавление поверхностного слоя. Поскольку глубина скин-слоя уменьшается с увеличением электропроводности материала, то наиболее ярко дефокусировка пучка проявляется на материалах с высокой электропроводностью (медь, алюминий и т.п.). Учитывая также, что для большинства металлов и сплавов теплопроводность прямо пропорциональна электропроводности, то достичь плавления поверхностного слоя на таких материалах становится весьма затруднительно.

Задачей заявляемого изобретения является повышение плотности энергии пучка на поверхности обрабатываемого массивного металлического изделия.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в устранении дефокусировки пучка, вызванной импульсным характером ведущего магнитного поля, и в обеспечении тем самым плотности энергии электронного пучка, достаточной для плавления поверхностного слоя.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для поверхностной обработки массивных металлических изделий, включающем сильноточную электронную пушку, содержащую катод, анод, импульсный соленоид, обеспечивающий транспортировку электронного пучка и обрабатываемое электронным пучком изделие, согласно изобретению, на выходе электронной пушки перед обрабатываемой поверхностью изделия дополнительно размещен постоянный магнит в виде рамки или кольца, при этом, направление вектора магнитной индукции на поверхности магнита, обращенной к катоду пушки, противоположно направлению вектора магнитной индукции поля, создаваемого импульсным соленоидом.

Кроме того, обрабатываемое изделие имеет толщину, сравнимую или большую глубины проникновения импульсного магнитного поля внутрь изделия.

При такой установке магнита силовые линии его поля, практически беспрепятственно проникающего внутрь обрабатываемого изделия, имеют компоненту, параллельную вектору импульсного ведущего магнитного поля соленоида (в области не искажаемой присутствием изделия), которая компенсирует расхождение силовых линий импульсного магнитного поля, вызываемое скин-эффектом.

Пример 1. На Фиг. 1 схематично показано устройство, на котором проводились эксперименты. Электронная пушка включает в себя взрывоэмиссионный катод 1, кольцевой анод 2, импульсный соленоид 3, держатель обрабатываемого изделия 4 и корпус 5. Для удобства и экономии материалов, в экспериментах для моделирования обработки массивных изделий использовались составные мишени из меди (порог плавления около 6,4 Дж/см2) и дюралюминия Д16Т (порог плавления около 3,5 Дж/см2). Мишень состояла из диска 6.1 диаметром 120 мм и толщиной 20 мм в случае меди и 30 мм в случае Д16Т, поверх которого накладывались сменные квадратные пластины 6.2 размерами 120×120 мм и толщиной 1 мм из материала, соответствующего материалу диска. На этих пластинах и фиксировались автографы пучка. Длительность импульса тока через соленоид составляла ~ 20 мс, и, следовательно, толщина скин-слоя для меди составляла ~ 9 мм, а для Д16Т ~ 13 мм), т.е. существенно меньше толщины мишени. Постоянный магнит 7, устанавливавшийся перед мишенью использовались двух типов: кольцо ∅130×∅110×15 мм и квадратная рамка размерами 110×90×15 мм. Материал магнитов - Nd-Fe-B, индукция магнитного поля на их поверхности - 0,3 Тл.

Устройство работает следующим образом. После откачки объема пушки и напуска рабочего газа (обычно аргон при давлениях 0,03-0,06 Па), внутри нее создается внешнее ведущее магнитное поле с помощью соленоида 3, питаемого импульсным током от предварительно заряженной конденсаторной батареи. Время нарастания тока в соленоиде до максимума составляет 5 мс (т.е. период колебаний составляет 20 мс, а частота 50 Гц). При достижения максимума тока в соленоиде на анод 2 подается импульс положительной полярности амплитудой около 5 кВ. Благодаря этому, в пространстве между взрывоэмиссионным катодом 1 и заземленной мишенью 6.2 зажигается сильноточный отражательный разряд (разряд типа Пеннинга) и в течение 30-40 мкс пространство между взрывоэмиссионным катодом и мишенью оказывается заполненным плазмой с концентрацией около (2-3)×1012 см-3. Данный столб плазмы и представляет собой плазменный анод. После формирования плазменного анода на взрывоэмиссионный катод подается импульс ускоряющего напряжения амплитудой 20-35 кВ с фронтом 10-50 нс. На катоде возбуждается взрывная эмиссия с образованием сгустков катодной плазмы -эмиттера электронов. Эмитированные электроны ускоряются в двойном слое между катодной и анодной плазмой и транспортируются в ведущем магнитном поле индукцией 0,1-0,15 Тл сквозь анодную плазму к обрабатываемой мишени 6.2, являющейся одновременно коллектором пучка. Характерные параметры пучка: энергия электронов - до 30 кэВ, ток пучка - до 25 кА, длительность импульса - 2,5-3 мкс, плотность энергии -до 9 Дж/см2 (без фокусировки или дефокусировки).

На Фиг. 2 приведены автографы пучка на медных пластинах-мишенях, полученные в различных конфигурациях: без диска (суммарная толщина мишени - 1 мм) и без постоянного магнита (Фиг. 2а); с диском (суммарная толщина мишени - 21 мм) и без постоянного магнита (Фиг. 2б); с диском (суммарная толщина мишени также 21 мм) и при наличии кольцевого постоянного магнита вблизи поверхности мишени, обращенной к пучку (Фиг. 2в); с диском (суммарная толщина мишени также 21 мм) и при наличии рамочного постоянного магнита вблизи поверхности пластины, обращенной к пучку (Фиг. 2г). Из данных, представленных на Фиг. 2, видно, что установка постоянного магнита вблизи поверхности мишени (при этом вектор магнитного поля на поверхности постоянного магнита противоположен вектору магнитного поля соленоида, но зато внутри рамки имеет значительную компоненту, направленную в ту же сторону) обеспечивает достаточно ровное плавление поверхностного слоя на диаметре до 11 см для кольцевого магнита и в квадрате 9×9 см (за исключением угловых участков) для рамочного магнита (Фиг. 2в и 2г). Напротив, при отсутствии магнита плавление не сплошное, а очаговое, слабое и неоднородное; диаметр автографа пучка увеличен, что эквивалентно падению плотности энергии. Отметим также, что если магнит перевернуть так, чтобы вектор магнитного поля на его поверхности был направлен в ту же сторону, что и вектор магнитного поля соленоида, плавление практически отсутствует из-за существенной деформации пучка. Эта деформация, очевидно, вызвана тем, что магнитное поле вблизи мишени становится, фактически, не ведущим, а приобретает конфигурацию типа "касп", которая характерна для катушек, включенных навстречу, т.е. создающих противоположно направленные магнитные поля. В таком магнитном поле пучок просто не может транспортироваться к мишени, по крайней мере, без существенных потерь в плотности энергии (тока).

Пример 2. На Фиг. 3 приведена аналогичная серия автографов пучка, полученных для мишеней из дюралюминия Д16Т: (а) - автограф на тонкой мишени из Д16Т (120×120×1 мм), постоянный магнит отсутствует; (б) - автограф на толстой мишени из Д16Т (120×120×31 мм), постоянный магнит отсутствует; (в) - автограф на толстой мишени из Д16Т (120×120×31 мм), постоянный (рамочный) магнит присутствует. Эти автографы также подтверждают положительный эффект действия постоянного магнита.

Приведенные примеры показывают технический результат, достигаемый в предложенном изобретении.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение.

1. K. Uemura, S. Uehara, P. Raharjo, D.I. Proskurovsky, G.E. Ozur, V.P. Rotshtein, Surface modification process on metal dentures, products produced thereby, and incorporated system thereof// US Patent: US 6,863,531, B2, Date: March 8, 2005, prior publication data; US 2003/0019850 A1 Jan. 30, 2003.

2. Батраков A.B., Озур Г.Е., Проскуровский Д.И., Ротштейн В.П. Способ обработки электродов изолирующих промежутков высоковольтных электровакуумных приборов // Патент РФ №2384911 от 20.03.2010 г., БИ №8. МПК: H01J 19/44, G01R 31/12 (заявка 2008149392/28 от 15.12.2008 г.).

3. Озур Г.Е., Марков А.Б., Падей А.Г. Устройство для формирования поверхностных сплавов // Патент на полезную модель. RU 97005 U1 от 23.04.2010. Опубликовано 20.08.2010 г. Бюл. №23.

4 Г.Е. Озур, Д.И. Проскуровский, К.В. Карлик. Источник широкоапертурных низкоэнергетических сильноточных электронных пучков с плазменным анодом на основе отражательного разряда // Приборы и техника эксперимента, 2005, №6, с. 58-65.

Устройство для поверхностной обработки массивных металлических изделий, включающее сильноточную электронную пушку, содержащую катод, анод, импульсный соленоид, обеспечивающий транспортировку электронного пучка к обрабатываемому изделию, отличающееся тем, перед изделием дополнительно размещен постоянный магнит в виде рамки или кольца, при этом направление вектора магнитной индукции на поверхности магнита, обращенной к катоду пушки, противоположно направлению вектора магнитной индукции поля, создаваемого импульсным соленоидом.
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-9 из 9.
10.01.2015
№216.013.1b2e

Вакуумный диод

Изобретение относится к области электронной техники. Вакуумный диод для получения сильноточных электронных пучков большого сечения для возбуждения мощных газовых лазеров, решения задач радиационной технологии, плазмохимии, защиты окружающей среды. Для получения пучка применены взрывоэмиссионные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002538386
Дата охранного документа: 10.01.2015
27.01.2015
№216.013.2144

Способ определения стойкости к дугообразованию элементов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов

Изобретение относится к технике испытаний и может быть использовано при наземной экспериментальной отработке радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов в диапазоне давлений окружающей среды от атмосферного до соответствующего глубокому вакууму. Технический результат - повышение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002539964
Дата охранного документа: 27.01.2015
10.05.2015
№216.013.493b

Способ определения чувствительности штаммов pseudomonas aeruginosa к антибиотикам

Изобретение относится к области микробиологии, в частности к методам определения чувствительности штаммов Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) к антибиотикам. Способ определения чувствительности по спектрам флуоресценции включает культивацию штаммов P. aeruginosa на питательных средах,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002550254
Дата охранного документа: 10.05.2015
10.02.2016
№216.014.cddc

Способ создания активной среды krf лазера

Способ создания активной среды KrF лазера включает в себя зажигание объемного разряда в лазерной смеси после подачи импульсного напряжения на разрядный промежуток, включение искровой предыонизации, создающей предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке, и пробой разрядного промежутка....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002575142
Дата охранного документа: 10.02.2016
25.08.2017
№217.015.b25b

Способ контроля сплошности диэлектрического покрытия на элементах радиоэлектронной аппаратуры

Использование: для тестирования в финальной стадии изготовления радиоэлектронной аппаратуры, элементы которой покрыты защитным диэлектриком. Сущность изобретения заключается в том, что способ содержит сканирование элементов радиоэлектронной аппаратуры контролируемого объекта плазменной струей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613571
Дата охранного документа: 17.03.2017
04.04.2018
№218.016.2eed

Способ испытания радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов на стойкость к вторичному дугообразованию

Изобретение относится к технике испытаний и может быть использовано при наземной экспериментальной отработке и при приемочных испытаниях радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов на стойкость к инициированию вторичной дуги при работе аппаратуры на напряжениях, превышающих падение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002644455
Дата охранного документа: 12.02.2018
30.08.2018
№218.016.817b

Способ обработки электродов изолирующих промежутков высоковольтных электровакуумных приборов

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к технике электрической изоляции в вакууме, и может использоваться в высоковольтных энергоустановках и электровакуумных приборах для повышения эксплуатационных характеристик. Способ обработки электродов заключается в том, что...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002665315
Дата охранного документа: 29.08.2018
01.04.2020
№220.018.1231

Способ модификации поверхности изделий из титана

Изобретение относится к металлургии, а именно к способу модификации поверхности, а именно к электронно-пучковой обработке и нанесению тонких пленок, и может быть использовано в авиационной, машиностроительной и других областях промышленности, а также в медицине. Способ модификаций обработки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002718028
Дата охранного документа: 30.03.2020
22.04.2023
№223.018.50fa

Малогабаритный источник излучения, возбуждаемый барьерным разрядом

Изобретение относится к источникам спонтанного излучения, возбуждаемым барьерным разрядом, у которых малое поперечное сечение выходного пучка ≈10 мм и менее. Технический результат - повышение плотности мощности коротковолнового излучения при малом поперечном сечении выходного пучка....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002794206
Дата охранного документа: 12.04.2023
Показаны записи 1-2 из 2.
14.09.2018
№218.016.87f1

Способ синтеза рентгеноконтрастного поверхностного ti-ta-ni сплава с аморфной или аморфно-нанокристаллической структурой на подложке из tini сплава

Изобретение относится к химико-фармацевтической промышленности и представляет собой способ синтеза рентгеноконтрастного поверхностного Ti-Ta-Ni сплава с аморфной или аморфно-нанокристаллической структурой на подложке из TiNi сплава, осуществляемый аддитивным методом путем многократного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002666950
Дата охранного документа: 13.09.2018
09.06.2019
№219.017.7a14

Сильноточная электронная пушка

Изобретение относится к технике генерирования сильноточных электронных пучков и может быть использовано для создания импульсных сильноточных электронных ускорителей, а также для поверхностной обработки материалов и изделий. Сильноточная электронная пушка, размещенная во внешнем ведущем...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002313848
Дата охранного документа: 27.12.2007
+ добавить свой РИД