устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги

Формула изобретения

Устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащее сопло, центральный и наружный высоковольтные электроды, изолированные друг от друга и установленные коаксиально, и средний цилиндрический высоковольтный электрод, установленный между центральным и наружным электродами коаксиально им и изолированный от них, отличающееся тем, что оно снабжено механически прочным диэлектрическим цилиндром, сопло выполнено в виде сопла Лаваля с внешней фаской, средний высоковольтный электрод выполнен в виде кольца, на торцевой поверхности которого симметрично по образующей закреплены металлические стойки, выполненные в виде сегментов полого цилиндра, при этом механически прочный диэлектрический цилиндр выполнен со сквозными отверстиями для установки центрального и среднего высоковольтных электродов и с профилем и размерами торца, аналогичными профилю и размерам взрывающейся фольги, которая выполнена в виде трапециевидной чашки с донной частью, имеющей сквозные отверстия с профилем, соответствующим профилю центрального электрода и стойкам среднего электрода, установленной на торце механически прочного диэлектрического цилиндра, центральный высоковольтный электрод выполнен в виде стержня со сквозным соосным каналом и установлен в центральном сквозном отверстии механически прочного диэлектрического цилиндра, наружный высоковольтный электрод выполнен в виде полого цилиндра с внутренней фаской на торце, в стенке которого продольно и симметрично оси выполнены сквозные каналы, внутри каждой стойки среднего высоковольтного электрода параллельно ее боковым поверхностям выполнен сквозной канал с выходным отверстием в виде раструба, кольцо среднего электрода расположено на периферийной части донной и боковой поверхностей трапециевидной чашки взрывающейся фольги, наружный высоковольтный электрод расположен на боковой поверхности диэлектрического цилиндра, периферийная часть боковой поверхности трапециевидной чашки взрывающейся фольги расположена на поверхности внутренней фаски наружного высоковольтного электрода, диэлектрический цилиндр, взрывающаяся фольга и электроды установлены на торце сопла Лаваля, причем поверхность внешней фаски сопла Лаваля, периферийная часть боковой поверхности трапециевидной чашки взрывающейся фольги и поверхность внутренней фаски наружного высоковольтного электрода являются сопряженными, в торце сопла Лаваля под углом к боковой поверхности выполнены сквозные каналы, которые соответствуют каналам наружного высоковольтного электрода, а сквозные каналы высоковольтных электродов предназначены для подачи газа в полость сопла Лаваля.

Описание изобретения к патенту

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 увеличения 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, установленные коаксиально в изоляции, и дополнительный цилиндрический высоковольтный электрод, установленный между основными электродами коаксиально им и изолированный 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 в предлагаемом устройстве для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащем сопло, центральный и наружный высоковольтные электроды, изолированные друг от друга и установленные коаксиально, и средний цилиндрический высоковольтный электрод, установленный между центральным и наружным электродами, коаксиально им и изолированный от них, оно снабжено механически прочным диэлектрическим цилиндром, сопло выполнено в виде сопла Лаваля с внешней фаской, средний высоковольтный электрод выполнен в виде кольца, на торцевой поверхности которого симметрично по образующей закреплены металлические стойки, выполненные в виде сегментов полого цилиндра, при этом механически прочный диэлектрический цилиндр выполнен со сквозными отверстиями для установки центрального и среднего высоковольтных электродов и с профилем и размерами торца, аналогичными профилю и размерам взрывающейся фольги, которая выполнена в виде трапециевидной чашки с донной частью, имеющей сквозные отверстия с профилем, соответствующим профилю центрального электрода и стойкам среднего электрода, установленной на торце механически прочного диэлектрического цилиндра, центральный высоковольтный электрод выполнен в виде стержня со сквозным соосным каналом и установлен в центральном сквозном отверстии механически прочного диэлектрического цилиндра, наружный высоковольтный электрод выполнен в виде полого цилиндра с внутренней фаской на торце, в стенке которого продольно и симметрично оси выполнены сквозные каналы, внутри каждой стойки среднего высоковольтного электрода параллельно ее боковым поверхностям выполнен сквозной канал с выходным отверстием в виде раструба, кольцо среднего электрода расположено на периферийной части донной и боковой поверхности трапециевидной чашки взрывающейся фольги, наружный высоковольтный электрод расположен на боковой поверхности диэлектрического цилиндра, периферийная часть боковой поверхности трапециевидной чашки взрывающейся фольги расположена на поверхности внутренней фаски наружного высоковольтного электрода, диэлектрический цилиндр, взрывающаяся фольга и электроды установлены на торце сопла Лаваля, причем поверхность внешней фаски сопла Лаваля, периферийная часть боковой поверхности трапециевидной чашки взрывающейся фольги и поверхность внутренней фаски наружного высоковольтного электрода являются сопряженными, в торце сопла Лаваля под углом к боковой поверхности выполнены сквозные каналы, которые соответствуют каналам наружного высоковольтного электрода, а сквозные каналы высоковольтных электродов 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 донной поверхности взрывающейся фольги в виде трапециевидной чашки 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 боковой поверхности взрывающейся фольги путем создания прижимного усилия сопряженных поверхностей внутренней фаски наружного высоковольтного электрода, периферийной части большего диаметра взрывающейся фольги и внешней фаски торца сопла Лаваля. Наличие в стенке наружного высоковольтного электрода сквозных каналов, выполненных продольно и симметрично относительно оси, обеспечивает протекание газа в полость сопла Лаваля.

Применение среднего высоковольтного электрода в виде кольца, на поверхности которого симметрично закреплены по образующей кольца металлические стойки, позволяет осуществить надежный электрический контакт с периферийной донной и боковой частью взрывающейся фольги со средним высоковольтным электродом путем создания прижимного усилия сопряженных поверхностей кольца электрода, взрывающейся фольги и торца диэлектрического цилиндра. Наличие металлических стоек, выполненных в виде сегментов полого цилиндра, обеспечивает надежную фиксацию электрода в теле диэлектрического цилиндра с использованием резьбового соединения. Наличие сквозного канала внутри каждой стойки, расположенного параллельно ее боковым поверхностям, обеспечивает протекание газа в полость сопла Лаваля. Выполнение выходных отверстий каналов в виде раструбов обеспечивает формирование однородного газового потока.

Выполнение взрывающейся фольги в виде трапециевидной чашки повышает технологичность процесса и обеспечивает взрыв фольги как целого, что влечет за собой повышение дисперсности металлического порошка вследствие создания квазиоднородного взрыва фольги и высокоскоростного ударного взаимодействия потоков дисперсного металла, возникающих от соответствующих частей взрывающейся фольги, распространяющихся под углом друг к другу. При непосредственном взаимодействии между собой мелкодисперсных металлических частиц, находящихся в расплавленном, парожидкостном состоянии, происходит дальнейшее дробление и диспергирование последних, уносимых газовым потоком.

Механически прочный диэлектрический цилиндр предназначен для размещения всей электродной системы. В нем имеются центральное сквозное отверстие для центрального электрода и симметрично выполненные относительно главной оси диэлектрического цилиндра сквозные отверстия, профиль которых соответствует профилю стойкам среднего электрода, в которых они устанавливаются. Профиль и размеры торца диэлектрического цилиндра аналогичны профилю и размерам взрывающейся фольги в виде трапециевидной чашки, что влечет за собой формирование самоприжатого электрического взрыва фольги, обеспечивающего повышение дисперсности частиц.

Поверхность внешней фаски сопла Лаваля, периферийной части боковой поверхности трапециевидной чашки взрывающейся фольги большего диаметра и поверхность внутренней фаски наружного высоковольтного электрода являются сопряженными, что обеспечивает надежный электрический контакт между наружным высоковольтным электродом и взрывающейся фольгой.

Наличие в торце сопла Лаваля сквозных каналов, выполненных под углом к боковой поверхности, соответствующих отверстиям каналов наружного высоковольтного электрода, позволяют сформировать локальное завихрение газового потока, при попадании в который мелкодисперсных частиц способствует увеличению их траектории и преобразованию в ее спиралевидную форму, тем самым уменьшается количество осаждаемых частиц на стенке сопла Лаваля. 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 дисперсности, 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 средний высоковольтный электрод корончатой конфигурации, на фиг.3 представлена технология сборки узла среднего электрода, в котором взрывающаяся фольга выполнена за одно целое в виде трапециевидной чашки.

Взрывающаяся фольга, выполненная за одно целое в виде трапециевидной чашки 1, располагается на торце диэлектрического цилиндра 2. Центральный высоковольтный электрод 3 в виде стержня со сквозным соосным каналом 4 устанавливается в центральном сквозном отверстии 5 диэлектрического цилиндра 2, при этом обеспечивается каким-либо известным способом надежный электрический контакт со взрывающейся фольгой в виде трапециевидной чашки 1. Средний высоковольтный электрод 6 корончатой конфигурации, выполненный в виде кольца 7, на поверхности которого симметрично закреплены металлические стойки 8, выполненные в виде сегментов полого цилиндра, внутри каждой стойки имеется сквозной канал 9, расположенный параллельно ее боковым поверхностям, причем выходные отверстия каналов выполнены в виде раструба 10. Металлические стойки 8 устанавливаются в соответствующих, предварительно выполненных отверстиях в трапециевидной чашке 1 взрывающейся фольги в сквозных отверстиях 11, симметрично расположенных относительно главной оси диэлектрического цилиндра 2. Кольцо 7 располагается на донной и боковой поверхностях взрывающейся фольги 1, образуя прижимным усилием к торцу диэлектрического цилиндра 2 надежный электрический контакт. Наружный высоковольтный электрод 12, выполненный в виде полого цилиндра с внутренней фаской 13 на торце и со сквозными каналами 14, устанавливается на боковой поверхности цилиндрического диэлектрика 2 таким образом, что периферийная часть боковой поверхности взрывающейся фольги 1 располагается на поверхности внутренней фаски 13 наружного высоковольтного электрода 12.

Представленная конструкция устанавливается на торце сопла Лаваля 15, имеющего внешнюю фаску 16, таким образом, что при наличии прижимного усилия обеспечивается надежный электрический контакт периферийной части боковой поверхности взрывающейся фольги в виде трапециевидной чашки 1 с наружным высоковольтным электродом 12 и соплом Лаваля 15. Кроме того, на торце диэлектрического цилиндра 2 имеется кольцевая выточка, в которой запрессовано заподлицо металлическое кольцо 17 для обеспечения надежного электрического контакта. Высоковольтные электроды 3, 6 и 12 включены в электрическую схему, состоящую из двух разрядных контуров, причем средний высоковольтный электрод 6 заземлен, а высоковольтные электроды 3 и 12 имеют положительный потенциал относительно земли.

Устройство работает следующим образом. Через сквозной канал 4 в центральном высоковольтном электроде 3 и сквозные каналы 9 в металлических стойках 8 среднего высоковольтного электрода 6 в полость сопла Лаваля 15 подается от внешнего источника газ (на фиг.1 показаны стрелками) и формируется стационарный газовый поток. При подаче высокого напряжения на электроды 3 и 6 от первого емкостного накопителя энергии возникает разрядный ток, проходящий радиально через донную часть взрывающейся фольги в виде трапециевидной чашки 1. При подаче высокого напряжения на электроды 12 и 6 от второго емкостного накопителя энергии возникает разрядный ток, проходящий радиально через боковую поверхность взрывающейся фольги в виде трапециевидной чашки 1. Одновременная подача высокого напряжения вызывает одновременное возникновение и протекание разрядных токов. Физические процессы, происходящие в донной и боковой частях взрывающейся фольги 1, будут происходить параллельно и одновременно при соответствующих параметрах электрических контуров и геометрических размерах взрывающейся фольги 1, и, следовательно, протекание электрического взрыва донной и боковой частей взрывающейся фольги 1 также будет проходить одновременно. Взаимодействие распространяющихся под углом друг к другу продуктов взрыва фольги 1 в виде мелкодисперсных металлических частиц способствует их дальнейшему диспергированию и созданию однородного металлического потока. Мелкодисперсные частицы металлического порошка вовлекаются в предварительно созданный стационарный газовый поток в полости сопла Лаваля 15, 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.