Горячее изостатическое прессование – технология, применяемая для изготовления высокопрочных и качественных изделий из порошков металлов. Также методика используется для ремонта вышедших из строя технически сложных изделий, залечивании продуктов дефектного литья, заваривании микротрещин и иного брака металлической структуры, в том числе и внутренней.
Содержание:
Принцип работы
Тепловые процессы горячего изостатического прессования (ГИП) подразумевают выполнение сложных технологических циклов, использующихся для получения, допрессовки и восстановления объектов из металлов и металлических порошков. После окончания цикла, изделие получает законченный вид, способный выступать в роли готового изделия или передаваться на дальнейшую обработку.
При осуществлении ГИП на заготовку воздействует инертный газ, большое давление и высокие температуры, в итоге появляется возможность создания окончательного или практически окончательного вида и конфигурации объекта при производстве сложноформовых элементов из металла, керамики или керамо-металлического соединения. Значение максимальной изотропности достигается за счёт равномерной нагрузки, которая оказывается на весь объём обрабатываемого объекта. Хотя, применение высоких нагрузок гарантирует получение максимальной плотности уже при достижении температуры, значение которой находится ниже, чем это требуется при обычных способах запекания.
Принцип работы
Ввиду таких особенностей с помощью ГИП возможно организация более точных нагрузок на микроструктуру заготовок из-за чего изделия, полученные таким образом имеют более непревзойдённые свойства эксплуатационного характера.
Также методика ГИП успешно используется в допрессовках спечённых изделий, залечивании дефектных литых заготовок, диффузной сварке металлов и производстве композитов.
Нюансы оборудования
С учётом индивидуальных потребностей потребителей, производители горячих изостатических прессов предусматривают различные модификации оборудования, отличающегося как техническими характеристиками, так и формой, конфигурацией печи. Тем не менее стандартная комплектация ГИП выстраивается из следующих составляющих:
- Печи (камеры, рабочего объёма) высокого давления, предназначенной для нагрева прессовки и осуществления цикла прессования;
- Оборудования, предназначенного для перераспределения и закачивания рабочих газов. Так же он предназначается для нагнетания давления, требующегося для осуществления цикла;
- Питающей электросистемы, цель которой заключается в управлении и контроле за происходящим циклом;
- Охлаждающего оборудования с замкнутым контуром, выполняющей роль компрессорного охладителя;
- Гидросистемы привода основания крышки.
Нюансы оборудования
Объём рабочей камеры может отличаться в зависимости от запросов потребителя. Аналогичны условия касаются и вариантов загрузки капсул, установки комплектуются вертикальной или горизонтальной системой размещения прессовок. Ещё одной разновидностью объёмов является возможность загрузки холодной или горячей капсулы. Кроме этого, в комплектацию стандартной печи входят такие элементы:
- Усиленный теплоизолированный корпус;
- Нагреватель, изготовленный из графита или молибдена и работающий в многозонном диапазоне;
- Термопара для осуществления контроля за температурой.
Устройство ГИП может выглядеть как стационарная установка или представлено в виде модульной, с технологическим присоединением посредством использования контактных гнёзд.
Дополнительные элементы установки (подкачивающий насос, автоматизированная система управления от ПК, газохранилище и многое другое) возможны на усмотрение заказчика.
Особенности методики
Стандартный размер установок для горячего изостатического прессования порошков металлов составляет следующие значения:
- Диаметр внутреннего радиуса – 1 235 мм;
- Высота сосуда с высоким давлением – 2 500 мм;
- Величина рабочего давления – до 200 МПа;
- Значение максимальной температуры – до 1 450ᴼС.
Особенность технологии заключается в том, что предварительно разогретая (или нет, в зависимости от методики) капсула с порошком, помещается в газостат. В большинстве случаев это осуществляется через затвор, расположенный в нижней части блока. Это предотвращает возможность вытекания разогретого аргона. Нагревание рабочей ёмкости осуществляется в непрерывном цикле благодаря нагревателям, обработанным покрытием, делающих их стойкими в окиси. Продолжительность процесса составляет от трёх до восьми часов.
Особенности методики - Компактирование в «жидком матричном коплексе»
Из всех методов горячего прессования следует отметить компактирование в «жидком матричном коплексе», которое не требует использования дорогого оборудования. Принцип способа заключается в применении вставки из твёрдой (несжимающейся) металлической матрицы, в которой обустроена специальная полость соответствующей формы, заполняющаяся обрабатывающимися порошками. Под воздействием высокого температурного значения, обрабатываемый металл смягчается, становится менее рыхлым и более вязким. Начинается процесс передачи гидростатической нагрузки на металлический порошок.
Сфера назначения
Характерной особенностью горячего изостатического прессования порошков является использование меньшего нагрева, требующегося для обработки. За счет этого получается необходимое значение разряжения. Это отличие объясняет востребованность методики со стороны обработки материалов (металлы, керамические поверхности). После прохождения барометрической обработки, мелкозернистая кристаллическая структура подвергается минимальным изменениям, что гарантирует определение их технологических характеристик.
Наиболее востребованы услуги горячего изостатического прессования в консолидациях порошков металлов. Происходит это за счёт значительного преимущество над классическими технологиями плавления. К примеру, в результате отливки металлов в непрерывном литье, необходимо значительное время, требующееся для остывания слитков. Таким образом, в молекулярной структуре слитка осуществляется диффузия частиц из центральной к поверхностным слоям. Такие процессы способствуют образованию неоднородных участков, ухудшению химических составов и микроструктур слитка, что негативно отражается на физико-механических характеристиках металла.
Сфера назначения
Технология ГИП успешно используется в производстве сложноформовых объектов с большим количеством внутренних полостей и каналов. Наиболее популярен способ при изготовлении объёмных изделий с характерным снижением массы не менее, чем на 60%.
Не менее востребована методика ГИП в лечении бракованных заготовок, полученных в результате некачественного литья. В следствие того, что консолидация порошка относится к наиболее популярным направлениям технологии, улучшение качества литого изделия относится к необходимому этапу производственной сферы. Методика часто используется для устранения дефектов внутренней структуры металла:
- Закупорки пористости;
- Устранения результатов внутренней усадки;
- Заделывания междендритных трещин, которые образуются в результате твердения металла.
Принцип лечения построен на том, что прессование смыкает стенки пустот за счёт механизмов ползучести и пластификации, отображающейся в процессах деформации. Результатом становится полностью готовая, плотная, гомогенная структура высококачественного изделия.
Пример лечения
Для наглядного ознакомления с методикой ГИП для устранения дефектов можно рассмотреть способ лечения вращательной турбинной лопатки, которая в ходе эксплуатации подвергается постоянным воздействиям высоких температур и механических напряжений.
Ремонт структуры может происходить одним из нескольких способов:
- Посредством использования сварки;
- Помещением в термические камеры;
- Покрытием защитным слоем;
- ГИП.
В результате обработки осуществляется устранение таких дефектов:
- Охрупчивание;
- Пустоты;
- Межзёренные микротрещины, распространяющиеся по принципу ползучести.
В итоге, на выходе появляется готовое к эксплуатации изделие, обладающее свойствами новой детали.