Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0018

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0018
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Название доклада
Создание электронно-лучевых вневакуумных систем с плазменным эмиттером и разработка на их основе пучковых технологий получения композиционных нанопорошков для электронно - лучевой наплавки износо- коррозионно- и жаростойких покрытий и конструирования трехмерных изделий методами послойного спекания.
Докладчик
Ремпе Николай Гербертович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. Создать энергоэффективное и конкурентноспособное промышленное оборудование - устройство
вывода сфокусированных пучков в атмосферу на основе плазменного эмиттера.
2. Разработать на базе созданного устройства новых вневакуумных технологий производства композиционных нанопорошков, получения износо- коррозионно- и жаростойких покрытий методами электронно-лучевой наплавки порошков, создать подходы к вневакуумным электронно-лучевым технологиям конструирования трехмерных изделий методами послойного спекания порошковых материалов.
Задачи:
Научные: изучение особенностей и условий формирования электронного пучка в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером в условиях повышенного давления газа; изучение методов и подходов к созданию систем транспортировки электронного пучка, сформированного пушкой с плазменным эмиттером, в газ атмосферного давления.
Технические: создание энергоэффективного вневакуумного электронно-лучевого устройства на основе пушки с плазменным эмиттером; создание универсального экспериментального стенда для исследований и отработки режимов работы в вакууме и атмосфере электронно-лучевого оборудования и проведения технологических экспериментов.
Технологические: разработка основ вневакуумной электронно-лучевой технологии получения композиционных нанопорошков, вневакуумной электронно-лучевой технологии наплавки износо-коррозионно- и жаростойких покрытий и создания трехмерных изделий методами послойного спекания порошковых материалов.
Научные, технические и технологические задачи решаются впервые.
Актуальность и новизна исследования
Существуют применения электронного луча, при которых обеспечение вакуума превращается в недостаток из-за роста издержек, связанных с его созданием. Особенно дорого стоит получение вакуума при необходимости обрабатывать крупногабаритные детали. Альтернативой вакуумным технологиям выступают вневакуумные применения луча. Выведенные в атмосферу электроны используется для сварки, резки металлических изделий, для наплавки покрытий и т.д. Существуют две группы устройств с выводом пучков в атмосферу: релятивистские электронные ускорители и устройства с энергией электронов 100–200 кэВ. Ускорители на большие энергии обеспечивают зону использования пучка в несколько сантиметров из-за большого пробега электронов в атмосфере. Однако вневакуумные устройства с пучками низких энергий выгодно отличаются более простой системой электропитания, пониженными требованиями по радиационной защите, дешевой конструкцией.
В большинстве вневакуумных электронно-лучевых устройств применяются пушки с накаленным катодом. В области термокатода поддерживается высокий вакуум, а вывод пучка в атмосферу производится через систему дифференциальной откачки. Система вывода при этом получается сложной по конструкции и дорогостоящей. В наших разработках применяется пушка с плазменным эмиттером. Применение пушек этого типа для вывода пучка в атмосферу представляется особенно выгодным. Для них достаточен невысокий начальный вакуум. Следовательно, простой оказывается система вывода пучка в атмосферу. Работы по созданию систем вывода пучка в атмосферу, базирующихся на пушке с плазменным эмиттером, имеют мировой приоритет. Впервые выполняются технологические эксперименты в атмосфере на созданном оборудовании.
Описание исследования

Для реализации цели исследований решены три группы задач: научные, технические и технологические. Научные задачи были направлены на изучение особенностей и условий формирования электронного пучка в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером в условиях повышенного давления газа; изучение методов и подходов к созданию систем транспортировки электронного пучка, сформированного пушкой с плазменным эмиттером, в газ атмосферного давления. Задачи решены методами моделирования процессов взаимодействия ускоренных электронных пучков с газом различного давления в каналах транспортировки пучка; постановкой экспериментов, созданием и исследованием макетов генератора пучка и системы вывода пучка в атмосферу. В модельных исследованиях и последующих экспериментах использована электронная пушка с плазменным эмиттером, построенная на принципе эмиссии электронов из плазма отражательного разряда с полым катодом в магнитном поле. Разряд существует при давлении газа около 5·10-2 Torr. Такое давление создается дозированным напуском газа с величиной около 10–20 cm3atm/h. Разряд горит в непрерывном режиме с напряжением 300–450V и током от 0.1 до 1.5 A. Эмиссия электронов из плазмы происходит через отверстие в катоде разрядной камеры в область ускоряющего поля между этим катодом и дополнительным электродом - экстрактором.

Сформированный в ускоряющем поле электронный пучок фокусируются электромагнитной линзой и транспортируется через области системы дифференциальной откачки в атмосферу.  Модельные расчеты течения газа и распределения давления в системе транспортировки пучка показали возможность использования для пушки с плазменным эмиттером двухступенчатой системы дифференциальной откачки. Эта система дополнительно содержит канал для формирования поперечной струи газа на входе в первую ступень. В итоге в ускоряющем промежутке пушки создается распределение давления, близкое к распределению в пушке, работающей в вакуумной камере. 

Исследования на макетном варианте электронной пушки с плазменным эмиттером позволили получить данные по следующим трем направлениям:

- транспортировка сфокусированных электронных пучков в газодинамических и плазмонаполненных каналах;

- взаимное влияние газовых разрядов в плазменном эмиттере и плазменных каналах, возможность создания безэлектродных атмосферных каналов транспортировки электронных пучков;

- оптимизация потоков нейтральных частиц в системах дифференциальной откачки.

Результаты экспериментальных исследований высоковольтной эмиссии из пушек с плазменным эмиттером, а также модельные расчеты системы дифференциальной откачки позволили создать устройство, обеспечивающее генерацию сфокусированного электронного пучка и его транспортировку в область с атмосферным давлением.

Технические задачи решены выполнением проектных исследований и созданием макета вневакуумного электронно-лучевого устройства на основе пушки с плазменным эмиттером.  В том числе:

- разработаны принципы построения и конструкция макетного образца электронной пушки с плазменным эмиттером;

- изучены варианты конструкции выводных окон для транспортировки пучка в атмосферу;

- созданы источники электрического питания пушки;

 - разработаны принципы и алгоритмы управления параметрами пушки, системой транспортировки электронного пучка в область с атмосферным давлением и технологическими процессами;

- разработано программное обеспечение для решения задач управления.

Технологическая часть исследований включала большой объем термодинамических расчетов по процессам электронно-лучевой наплавки композиционных порошков для получения износо- коррозионно- и жаростойких покрытий и конструирования трехмерных изделий методами послойного спекания. Расчеты позволили:

- разработать общие принципы и определить область параметров электронного пучка для вневакуумных технологий получения композиционных нанопорошков;

- разработать общие принципы, определить область параметров электронной пушки и режимы сканирования электронного пучка  для создания вневакуумных технологий электронно-лучевой наплавки покрытий, в том числе с применением полученных нанопорошков;

- разработать общие принципы вневакуумных технологий создания трехмерных изделий методами послойного спекания порошковых порошковых материалов из нержавеющей стали и алюминия;

С использованием полученных режимов нанесения покрытий проведены технологические эксперименты. Полученные материалы прошли всестороннее исследования, в том числе в лабораториях зарубежной инфраструктуры.

Научные, технические и технологические задачи решены впервые. 

Результаты исследования

1. Создан экспериментальный стенд, включающий макет электронной пушки с плазменным эмиттером, откачные системы, аппаратуру электропитания, широкий набор диагностического оборудования, устройство транспортировки (вывода) электронного пучка. Цель создания стенда: постановка экспериментов по проверке результатов моделирования, по оптимизации параметров электронной пушки и устройств вывода пучков в область атмосферного давления; проведение технологических экспериментов.

2. Разработана эскизная техническая документация и изготовлен макетный вариант электронной пушки с плазменным эмиттером.

3. Разработана эскизная техническая документация и изготовлен макетный вариант устройства вывода электронного пучка в атмосферу. 

4. На основе электронной пушки и устройства вывода электронного пучка в атмосферу впервые создан макет электронно-лучевой вневакуумной системы с плазменным эмиттером для технологического применения. Внешний вид макета представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Макет электронно-лучевой вневакуумной системы с плазменным эмиттером

5. Разработана и реализована электронно-лучевая технология получения композиционных нанопорошков цинка и окиси цинка в газе с атмосферным давлением (Рисунок 2).

Рисунок 2. Фото нанопорошка ZnO

6. Разработана и реализована технология создания в атмосфере методами электронно-лучевой наплавки износо-коррозионно- и жаростойких покрытий, в том числе с использованием получаемых порошков (Рисунок 3).

Рисунок 3. Структура TiC на поверхности нержавеющей стали.

7. Разработаны и реализованы общие принципы вневакуумных технологий создания трехмерных изделий методами послойного спекания порошковых материалов. 

Технические и технологические результаты получены впервые. Исследования характеристик покрытий, полученных при атмосферном давлении электронно-лучевой наплавкой, показало их соответствие техническому заданию по износо- коррозионно- и жаростойкости. 

Практическая значимость исследования
Результаты научных исследований позволяют существенным образом продвинуть такое научное направление, как плазменная эмиссионная электроника в части более глубокого понимания физики газового разряда, процессов взаимодействия электронных пучков с остаточным газом различного давления, нагрева газа ускоренными электронами в каналах транспортировки пучков.
Техническая разработка - электронно-лучевые вневакуумные системы с плазменным эмиттером - предназначены для применения в индустрии получения нанопорошков, для электронно-лучевой наплавки износо- коррозионно- и жаростойких покрытий. На основе этих технологий разработаны общие принципы создания трехмерных изделий методами послойного спекания порошковых материалов вне вакуума (атмосферные ЕВМ - технологии). Применение этих технологий особенно актуально в авиакосмической, медицинской промышленности, в машиностроении и других отраслях промышленности. Кроме того, выведенный в атмосферу пучок сфокусированных электронов может быть эффективно использован в машиностроении, авиастроении, ядерной промышленности, металлургии и других производствах. Способ использования - оборудование для сварки и резки металлов.