Способ стабилизации высокотемпературных проволочных термопреобразователей Советский патент 1992 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления активных элементов термопреобразователей.

Известен способ стабилизации тер- моЭДС термопар, заключающийся в термообработке термоэлектродов термопары в среде аргона при температуре, равной 1/3-1/2 температуры плавления, до образования в структуре материала микрополостей, на которых релакси- руют внутренние локальные напряжения в термоэлектродах 1 .

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ стабилизации высокотемпературных проволочных термопреобразователей, основанный

на рекристаллизационном отжиге протягиваемой в вакууме проволоки 2 . Такой способ сравнительно прост в реализации, но дает лишь незначительное улучшение поверхностных характеристик обрабатываемого материала определенного состава.

Целью изобретения является повышение стабильности метрологических характеристик высокотемпературных проволочных термопреобразователей.

Цель достигается тем, что рекрис- таллизационный отжиг проволоки, находящейся в поступательно-вращательном движении, осуществляют воздействием на нее импульсов лазерного излучения миллисекундной длительности с одновременной подачей в зону облучения инертного газа, при этом плотность

1

:о

я %

31737283

энергии Е лазерного излучения выбира- ют равной (1 ,10-1 ,25)ЕПЛ, а частоту f(o6/c) вращения проволоки и частоту (Гц) следования импульсов выбирают в соответствии с соотношением

г (1)

пороговая плотность энергии плавления поверхности проволоки , Дж/см2;

радиус проволоки, см; диаметр лазерного луча, см.

Установлено, что при миллисекундном ., длительности импульса для определен

,...,- С. ...,.... .„л„л..-, ™- кп.«. . .-- - -

режиме облучения проволоки за время 0,5-6 мс, т.е. порядка 1 мс, поверхность проволоки поддерживается в расплавленном состоянии, что способствует проплавлению ее на достаточную глубину По окончании каждого импульса излучения происходит естественное охлаждение проволоки с образованием монокристаллических, островков.

В зависимости от длины волны лазерного излучения, плотности энергии и длительности миллисекундного импульса глубина проплавления различна, что соответственно будет приводить к различной скорости рекристаллизации расплавленного поверхностного слоя, от которой в конечном итоге и зависит получение монокристаллического слоя на поверхности обрабатываемой проволоки.

На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа; на фиг.2 показано расчетное распределение температуры по глубине вольфрамовой проволоки для импульсов излучения длительностью 1 мс с плотностью энергии 700 Дж/см2 для различных моментов времени (кривая 5 - для 0,5 мс, кривая 6 - для 0,7 мс, кривая 7 - для 1 мс, кривая 8 - для 1,5 мс, кривая 9 - для 2 мс); на фиг. 3 приведена зависимость скорости рекристаллизации вольфрама от длительности импульса излучения для фиксированного значения плотности энергии Дж/см2 на фиг. k представлена зависимость , скорости рекристаллизации вольфрама от плотности энергии лазерного излучения для фиксированной длительности импульса с мс.

Устройство (см. фиг. 1) содержит обрабатываемую проволоку 1, оптичес- i кий квантовый генератор (лазер) 2, механизм 3 поддува инертного газа и механизм k для обеспечения поступаной плотности энергии и уменьшается с ростом плотности энергии для опре деленного времени длительности импульса.

20 При превышении плотности энергии импульсного лазерного излучения ,25 ЕПд наблюдается испарение и возникновение локальных дефектов на поверхности материала. Нижнее гра25 ничное значение 1,1 Епд получено, ис жэдя из теоретических и экспериментальных исследований. При плотности

30

энергии ,1 Епл не достигается проплавления материала на достаточ- ную глубину.

Верхнее граничное значение 0,85 в соотношении (1) выбрано, исходя из экспериментальных исследований, чтобы в результате лазерного воздейст35 вия получить непрерывную проплавленную дорожку. Нижнее граничное значение 0,6 получено, исходя из теоретических и экспериментальных исследований. При уменьшении этого значе40 ния происходит непродуктивное облучение с частичным испарением.

При удовлетворении всех указанных требований происходит равномерное плавление поверхностного слоя обра45 батываемой проволоки со скоростью ре кристаллизации расплава, необходимой для получения монокристаллического слоя на поверхности. I

50 Пример конкретного исполнения.

Производилась обработка вольфрамовой проволоки радиусом мм при использовании лазерного луча диаметром ,2 мм и частотой следования

ее ИМПУЛЬСОВ 100 С рбЖИМОМ облуЧвНИЯ

мс, Е«700 Дж/см2.

Пороговая энергия плавления для данной длительности импульса Елл- сос тавляет 595 Дж/см2.

тельно-вращательного движения проволоки 1.

Как видно из фиг. 1, происходит резкий нагрев поверхностных слоев вольфрама при больших скоростях нагре- вэ и больших градиентах температуры до половины длительности импульса, во второй половине происходит уменьшение скорости нагрева и перераспределение температуры по глубине.

Как видно из графиков на фиг. 3 и 4, скорость рекристаллизации увеличивается при увеличении времени

. . .-- - -

ной плотности энергии и уменьшается с ростом плотности энергии для определенного времени длительности импульса.

При превышении плотности энергии импульсного лазерного излучения ,25 ЕПд наблюдается испарение и возникновение локальных дефектов на поверхности материала. Нижнее граничное значение 1,1 Епд получено, ис- жэдя из теоретических и экспериментальных исследований. При плотности

30

энергии ,1 Епл не достигается проплавления материала на достаточ- ную глубину.

Верхнее граничное значение 0,85 в соотношении (1) выбрано, исходя из экспериментальных исследований, чтобы в результате лазерного воздействия получить непрерывную проплавленную дорожку. Нижнее граничное значение 0,6 получено, исходя из теоретических и экспериментальных исследований. При уменьшении этого значения происходит непродуктивное облучение с частичным испарением.

При удовлетворении всех указанных требований происходит равномерное плавление поверхностного слоя обрабатываемой проволоки со скоростью рекристаллизации расплава, необходимой для получения монокристаллического слоя на поверхности. I

Пример конкретного исполнения.

Производилась обработка вольфрамовой проволоки радиусом мм при . использовании лазерного луча диаметром ,2 мм и частотой следования

ИМПУЛЬСОВ 100 С рбЖИМОМ облуЧвНИЯ(

мс, Е«700 Дж/см2.

Пороговая энергия плавления для данной длительности импульса Елл- составляет 595 Дж/см2.

..

5

Частота вращения проволоки f вы- биралась из соотношения (1) в пределах от U91 до 2,75 об/с.

При данной частоте вращения проволоки, учитывая, что ,2 мм и проволока за один оборот должна продвинут ся не более, чем на величину d,скорость поступательного движения проволоки должна находиться в пределах 0,39-0,55 мм/с.

В нашем случае перекрытие составл ет 0,5 и об/с, скорость поступательного движения проволоки равна 0,3& мм/с, а для соотношения 1,9 ,75 скорость поступательного движения проволоки находится в пределах 0,35-0,51 мм/с.

При вращении проволоки пятно диаметром 0,2 мм при частоте следования импульсов v 100 Гц и частоте вращения об/с за интервал времени между двумя импульсами перемещается на расстояние 0,11 мм, что составляет приблизительно d/2.

При выполнении данных условий и мс скорость рекристаллизации поверхностного слоя составляла UKp 6 см/с, что обеспечивало получение монокристаллического слоя на поверхности материала. Инертный газ продувался в зону обработки под давлением 8000 Па с целью исключения окисления обрабатываемого материала.

Формула изобретения

0

5

0

Способ стабилизации высокотемпературных проволочных термопреобразователей, заключающийся в рекристал- лизационном отжиге протягиваемой проволоки, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности метрологических характеристик термопреобразователей, рекристалли- зационный отжиг осуществляют воздействием на проволоку импульсов лазерного излучения миллисекундной длительности с подачей в зону облучения инертного газа и при протягивании осуществляют вращательное движение проволоки, при этом плотность энергии лазерного излучения выбирают равной (1,10-1,25)ЕПЛ, а частоту вращения , проволоки и частоту следования импульсов выбирают в соответствии с соотношением:

2-, r-f ™Fd

5

Ј0,85,

0

где En)V- пороговая плотность энергии плавления поверхности проволоки , Дж/см2;

г - радиус проволоки, см; f - частота вращения проволоки,

об/с; v - частота следования импульсов,

Гц; d - диаметр лазерного луча, см.

Фиг. 2

13 К 1S .) 2-S-1Q сн

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить стабильность метрологических характеристик высокотемпературных проволочных термоэлектрических и резистивных термопреобразователей. Способ заключается в рекристаллизационном отжиге проволоки, находящейся в поступательно- вращательном движении, в среде инертного газа при воздействии на нее импульсов лазерного излучения с определенной плотностью энергии и частотой следования, которая выбирается из приводимого соотношения в зависимости от частоты вращения проволоки, ее радиуса и диаметра лазерного луча. При таком воздействии поверхностные слои проволоки приобретают монокристаллическую структуру, k ил. г (Л

V(cnfc)

11

Ю- д..

S-7-654

J-I Г

3 35 з с

V(cn/c)

H1-

700 110

т 730

Фиг Л

740 750 760

770 Е(Д#/с)