Устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги

Изобретение относится к устройству для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги и может найти применение вобласти нанотехнологий для создания мелкодисперсных и наноразмерных металлических порошков. Техническим результатом изобретения является повышение однородности и улучшение качества наносимого покрытия. В устройстве сопло выполнено в виде сопла Лаваля с внешней фаской. Центральный высоковольтный электрод выполнен в виде стержня со сквозным соосным каналом, наружный высоковольтный электрод выполнен в виде полого цилиндра с внутренней фаской на торце. Дополнительный высоковольтный электрод выполнен в виде кольца с периферийной частью в виде усеченного конуса и симметрично закрепленных на его поверхности стержней со сквозными соосными каналами. Механически прочный диэлектрический цилиндр выполнен со сквозными отверстиями для размещения стержней дополнительного высоковольтного электрода, симметрично расположенными относительно главной оси диэлектрического цилиндра, и с профилем и размерами торца, аналогичными профилю и размерам взрывающейся фольги, которая выполнена в виде плоского кольца с усеченным конусом. Поверхность внешней фаски сопла Лаваля, периферийная часть усеченного конуса взрывающейся фольги и поверхность внутренней фаски наружного высоковольтного электрода являются сопряженными, а сквозные каналы центрального высоковольтного электрода и стержней дополнительного высоковольтного электрода предназначены для подачи газа в полость сопла Лаваля. 3 ил.

 

Изобретение относится к оборудованию в области нанотехнологий для создания мелкодисперсных и наноразмерных металлических порошков, а также к нанесению металлических покрытий и может найти применение в машиностроительной, приборостроительной, радио- и электронной промышленности. На сегодняшний день известны различные устройства для нанесения покрытия электрическим взрывом фольги, в частности №1482246, кл. С23С 14/32, опубл. 1995.02.09.

Сущность изобретения состоит в том, что центральный электрод и межэлектродный изолятор расположены относительно кольцевого электрода на расстоянии h, выбираемом из выражения 0,1R<h<(R-r), где R и r - соответственно внутренний радиус кольцевого электрода и радиус центрального электрода. Благодаря этому снижается неравномерность распределения плотности тока и выделения энергии по радиусу фольги. Это, в свою очередь, способствует более равномерному разрушению фольги и однородности образующихся продуктов взрыва. Наличие сопла Лаваля способствует дальнейшему диспергированию и доиспарению жидкой фазы в пароплазменном потоке. На срезе сопла Лаваля установлен цилиндрический насадок, стенки которого перфорированы. Наличие перфорации способствует выравниванию профиля скоростей потока продуктов взрыва, улучшению равномерности их осаждения на подложке и увеличению площади равномерного по толщине покрытия.

Рассматриваемое устройство предназначено для улучшения качества покрытия за счет повышения равномерности распределения конденсата по поверхности подложки и увеличение площади наносимого покрытия. Но отсутствие надежного электрического контакта между центральным электродом и взрывающейся фольгой не обеспечивает должной стабильности возникновения и протекания электрического взрыва фольги, что, в свою очередь, сказывается на однородности дисперсности металлического порошка и качестве покрытия. Также успешная работоспособность данного устройства возможна при малых геометрических размерах взрывающейся фольги.

Наиболее близким из известных технических решений является устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащее центральный и наружный высоковольтные электроды (ВВЭ), установленные коаксиально в изоляции, и дополнительный цилиндрический высоковольтный электрод, установленный между основными электродами коаксиально им и изолированным от основных электродов. (№2026415 (13), кл. 6 С23С 14/32, опубл. 1995.01.09).

Недостатком данного устройства является невысокая дисперсность получаемых металлических порошков, недостаточная однородность наносимого покрытия в силу того, что заведомо отсутствует надежный электрический контакт между взрывающейся фольгой и дополнительным высоковольтным электродом, образование микродуг носит локальный характер, ток разряда радиально несимметричен, взрыв фольги неоднороден.

Техническим результатом изобретения является увеличение дисперсности металлического порошка, повышение однородности и улучшение качества наносимого покрытия, увеличение производительности процесса за счет создания квазиоднородного взрыва фольги и формирования высокоскоростного однородного потока мелкодисперсного металлического порошка.

Поставленный технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащее центральный и наружный высоковольтные электроды, изолированные друг от друга и установленные коаксиально, дополнительный цилиндрический высоковольтный электрод и сопло, согласно изобретению снабжено механически прочным диэлектрическим цилиндром, сопло выполнено в виде сопла Лаваля с внешней фаской, центральный высоковольтный электрод выполнен в виде стержня со сквозным соосным каналом, наружный высоковольтный электрод выполнен в виде полого цилиндра с внутренней фаской на торце, дополнительный высоковольтный электрод выполнен в виде кольца с периферийной частью в виде усеченного конуса и симметрично закрепленных на его поверхности стержней со сквозными соосными каналами, при этом механически прочный диэлектрический цилиндр выполнен со сквозными отверстиями для размещения стержней дополнительного высоковольтного электрода, симметрично расположенными относительно главной оси диэлектрического цилиндра, и с профилем и размерами торца, аналогичными профилю и размерам взрывающейся фольги, которая выполнена в виде плоского кольца с усеченным конусом, причем взрывающаяся фольга расположена на торце механически прочного диэлектрического цилиндра, дополнительный высоковольтный электрод периферийной частью в виде усеченного конуса расположен на центральной части усеченного конуса взрывающейся фольги, наружный высоковольтный электрод расположен на боковой поверхности диэлектрического цилиндра таким образом, что периферийная часть усеченного конуса взрывающейся фольги расположена на поверхности внутренней фаски наружного высоковольтного электрода, диэлектрический цилиндр с взрывающейся фольгой и электродами установлен на торце сопла Лаваля, причем поверхность внешней фаски сопла Лаваля, периферийная часть усеченного конуса взрывающейся фольги и поверхность внутренней фаски наружного высоковольтного электрода являются сопряженными, а сквозные каналы центрального высоковольтного электрода и стержней дополнительного высоковольтного электрода предназначены для подачи газа в полость сопла Лаваля.

Применение центрального высоковольтного электрода, выполненного в виде стержня со сквозным соосным каналом, позволяет обеспечить надежный электрический контакт с центральной частью взрывающейся фольги в виде плоского кольца и протекание газа через сквозной канал в полость сопла Лаваля.

Выполнение наружного высоковольтного электрода в виде полого цилиндра с внутренней фаской на торце обеспечивает надежный электрический контакт с периферийной частью большего диаметра взрывающейся фольги, выполненной в виде усеченного конуса, путем создания прижимного усилия сопряженных поверхностей внутренней фаски наружного высоковольтного электрода, периферийной частью большего диаметра взрывающейся фольги, и поверхности внешней фаски торца сопла Лаваля.

Применение среднего высоковольтного электрода в виде кольца, на поверхности которого симметрично закреплены стержни со сквозными соосными каналами, образуя корончатую конфигурацию, позволяет осуществить надежный электрический контакт с периферийной частью взрывающейся фольги в виде плоского кольца и центральной частью меньшего диаметра взрывающейся фольги в виде усеченного конуса путем создания прижимного усилия сопряженных поверхностей кольца электрода периферийной частью взрывающейся фольги в виде плоского кольца, центральной частью взрывающейся фольги в виде усеченного конуса и торца диэлектрического цилиндра. Сквозные каналы в стержнях обеспечивают протекание газа в полость сопла Лаваля. Использование среднего электрода корончатой конфигурации позволяет расположить его на торце и в теле диэлектрического цилиндра, не нарушая условий электрической изоляции электродов и диэлектрических свойств цилиндра.

Выполнение взрывающейся фольги, состоящей из двух частей, одна часть которой представляет собой плоское кольцо, другая - усеченный конус, которые, с применением соответствующей прототипу электрической схемы, взрываются одновременно, обеспечивает повышение дисперсности металлического порошка вследствие создания квазиоднородного взрыва фольги и высокоскоростного взаимодействия потоков дисперсного металла от соответствующих частей взрывающейся фольги, распространяющихся под углом друг к другу. При непосредственном взаимодействии между собой мелкодисперсных металлических частиц, находящихся в расплавленном, жидкостном состоянии, происходит дальнейшее дробление и диспергирование последних, уносимых газовым потоком. Использование инертного газа, протекающего через сквозные каналы электродов, позволяет предотвратить окисление частиц металла и создать гетерогенный, газометаллический, однородный поток, обладающий высокой скоростью распространения и равенством профиля скорости потока благодаря наличию сопла Лаваля, что обеспечивает повышение однородности и улучшение качества наносимого покрытия, а также увеличение производительности процесса.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция устройства для нанесения покрытия электрическим взрывом фольги, на фиг.2 представлен внешний вид и конструкция среднего высоковольтного электрода корончатой конфигурации, на фиг.3 представлена технология сборки узла среднего электрода.

Взрывающаяся фольга, состоящая из двух частей, выполненных в виде плоского кольца 1 и в виде усеченного конуса 2, располагается на торце диэлектрического цилиндра 3. Центральный высоковольтный электрод 4 в виде стержня со сквозным соосным каналом 5 устанавливается в центральном сквозном отверстии 6 диэлектрического цилиндра 3, при этом обеспечивается каким-либо известным способом надежный электрический контакт с взрывающейся фольгой в виде плоского кольца 1. Средний высоковольтный электрод 7 корончатой конфигурации, выполненный в виде кольца 8, на поверхности которого симметрично закреплены стержни 9 со сквозными соосными каналами 10, располагается так, что стержни 9 устанавливаются в соответствующих сквозных отверстиях 11, симметрично расположенных относительно главной оси диэлектрического цилиндра 3. Кольцо 8 располагается одновременно на наружной части взрывающейся фольги в виде плоского кольца 1 и периферийной части меньшего диаметра взрывающейся фольги в виде усеченного конуса 2, образуя прижимным усилием к торцу диэлектрического цилиндра 3 надежный электрический контакт. Наружный высоковольтный электрод 12, выполненный в виде полого цилиндра с внутренней фаской 13 на торце, устанавливается на боковой поверхности диэлектрического цилиндра 3 таким образом, что периферийная часть взрывающейся фольги в виде усеченного конуса 2 большего диаметра располагается на внутренней фаске 13 наружного высоковольтного электрода 12. Представленная конструкция устанавливается на торце сопла Лаваля 14, имеющего внешнюю фаску 15, таким образом, что при наличии прижимного усилия обеспечивается надежный электрический контакт периферийной части большего диаметра взрывающейся фольги в виде усеченного конуса 2 с наружным высоковольтным электродом 12 и соплом Лаваля 14. Кроме того, на торце диэлектрического цилиндра 3 имеется кольцевая выточка, в которой запрессовано заподлицо металлическое кольцо 16 для обеспечения надежного электрического контакта между средним высоковольтным электродом 7 и взрывающейся фольгой 1 и 2. Высоковольтные электроды 4, 7 и 12 включены в электрическую схему, состоящую из двух разрядных контуров, причем средний высоковольтный электрод 7 заземлен, а высоковольтные электроды 4 и 12 имеют положительный потенциал относительно земли.

Устройство работает следующим образом. Через сквозной канал 5 в центральном высоковольтном электроде 4 и сквозные каналы 10 в стержнях 9 среднего высоковольтного электрода 7 в полость сопла Лаваля 14 подается от внешнего источника газ (на фиг.1 показаны стрелками) и формируется стационарный газовый поток. При подаче высокого напряжения на электроды 4 и 7 от первого емкостного накопителя энергии возникает разрядный ток, проходящий радиально через взрывающуюся фольгу, выполненную в виде плоского кольца 1. При подаче высокого напряжения на электроды 12 и 7 от второго емкостного накопителя энергии возникает разрядный ток, проходящий радиально через взрывающуюся фольгу, выполненную в виде усеченного конуса 2. Одновременная подача высокого напряжения вызывает одновременное возникновение и протекание разрядных токов. Физические процессы, происходящие в плоском кольце 1 и в усеченном конусе 2 взрывающейся фольги, будут происходить параллельно и одновременно при соответствующих параметрах электрических контуров и геометрических размерах плоского кольца 1 и усеченного конуса 2 взрывающейся фольги, и, следовательно, протекание электрического взрыва взрывающейся фольги, выполненной в виде плоского кольца 1 и усеченного конуса 2, также будет проходить одновременно. Взаимодействие распространяющихся под углом друг к другу продуктов взрыва фольги в виде мелкодисперсных металлических частиц способствует их дальнейшему диспергированию и созданию однородного мелкодисперсного потока. Мелкодисперсные частицы металлического порошка вовлекаются в предварительно созданный стационарный газовый поток в полости сопла Лаваля 14, где происходит выравнивание профиля скоростей потока и увеличение скорости истечения, что способствует повышению качества напыления.

Таким образом, применение данного устройства обеспечивает увеличение дисперсности металлического порошка, повышение однородности и улучшение качества наносимого покрытия, увеличение производительности процесса за счет создания квазиоднородного взрыва фольги и формирования высокоскоростного однородного потока мелкодисперсного металлического порошка.

Устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащее центральный и наружный высоковольтные электроды, изолированные друг от друга и установленные коаксиально, дополнительный цилиндрический высоковольтный электрод и сопло, отличающееся тем, что оно снабжено механически прочным диэлектрическим цилиндром, сопло выполнено в виде сопла Лаваля с внешней фаской, центральный высоковольтный электрод выполнен в виде стержня со сквозным соосным каналом, наружный высоковольтный электрод выполнен в виде полого цилиндра с внутренней фаской на торце, дополнительный высоковольтный электрод выполнен в виде кольца с периферийной частью в виде усеченного конуса и симметрично закрепленных на его поверхности стержней со сквозными соосными каналами, при этом механически прочный диэлектрический цилиндр выполнен со сквозными отверстиями для размещения стержней дополнительного высоковольтного электрода, симметрично расположенными относительно главной оси диэлектрического цилиндра, и с профилем и размерами торца, аналогичными профилю и размерам взрывающейся фольги, которая выполнена в виде плоского кольца с усеченным конусом, причем взрывающаяся фольга расположена на торце механически прочного диэлектрического цилиндра, дополнительный высоковольтный электрод периферийной частью в виде усеченного конуса расположен на центральной части усеченного конуса взрывающейся фольги, наружный высоковольтный электрод расположен на боковой поверхности диэлектрического цилиндра таким образом, что периферийная часть усеченного конуса взрывающейся фольги расположена на поверхности внутренней фаски наружного высоковольтного электрода, диэлектрический цилиндр с взрывающейся фольгой и электродами установлен на торце сопла Лаваля, причем поверхность внешней фаски сопла Лаваля, периферийная часть усеченного конуса взрывающейся фольги и поверхность внутренней фаски наружного высоковольтного электрода являются сопряженными, а сквозные каналы центрального высоковольтного электрода и стержней дополнительного высоковольтного электрода предназначены для подачи газа в полость сопла Лаваля.