Горячее изостатическое прессование порошков – особенности технологии, тепловые процессы, сфера применения услуги

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.

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

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:

  1. Печи (камеры, рабочего объёма) высокого давления, предназначенной для нагрева прессовки и осуществления цикла прессования;
  2. Оборудования, предназначенного для перераспределения и закачивания рабочих газов. Так же он предназначается для нагнетания давления, требующегося для осуществления цикла;
  3. Питающей электросистемы, цель которой заключается в управлении и контроле за происходящим циклом;
  4. Охлаждающего оборудования с замкнутым контуром, выполняющей роль компрессорного охладителя;
  5. Гидросистемы привода основания крышки.

Нюансы оборудования

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:

  1. Усиленный теплоизолированный корпус;
  2. Нагреватель, изготовленный из графита или молибдена и работающий в многозонном диапазоне;
  3. 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 1 450 ᴼ С.

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

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.

Кроме этого:  Рулевая рейка Эволюция е30 e36 e46 e30 m3 BMW 3 series л года на DRIVE2

Сфера назначения

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:

  1. Закупорки пористости;
  2. Устранения результатов внутренней усадки;
  3. 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:

  1. Посредством использования сварки;
  2. Помещением в термические камеры;
  3. Покрытием защитным слоем;
  4. ГИП.

В результате обработки осуществляется устранение таких дефектов:

  1. Охрупчивание;
  2. Пустоты;
  3. Межзёренные микротрещины, распространяющиеся по принципу ползучести.

В итоге, на выходе появляется готовое к эксплуатации изделие, обладающее свойствами новой детали.

Источник



Технология изостатического прессования

Изостатическое прессование, изостат, газостат, гидростат

Процесс компактирования порошка является наиболее значимым. Не зависимо от точности и параметров спекания, деталь требуемого качества невозможно получить из плохо подготовленного компакта.

Разработанная в 50х годах 20го века методика изостатического прессования стремительно развивалась и получила широкое распространение во многих областях промышленности. Применение изостатического прессование используется для производства комплексных заготовок с более плотной и равномерной структурой, чем при компактировании другим способом. Изостатическое прессование позволяет точно формовать внутренние полости как простых, так и сложных текстур. Оно сводит к минимуму или полностью отменяет дальнейшую обработку и экономит ценные материалы

Технология изостатического прессования

Изостатическое прессование (формование) – барометрическая обработка изделий посредством сжатого газа или жидкости в специальных аппаратах высокого давления.

Сущность процесса изостатического прессования – в изменении первоначального объема взятого материала: до получения более компактной его формы. Происходит это за счет уменьшения пустот между отдельными фракциями, а также за счет пластической деформации частиц. В зависимости от заданной плотности компакта, подбирают нужные значения давления, периода воздействия (выдержки) и температуры. В результате произведенных действий получают заготовку, обладающую высокой технологической плотностью и не разрушающуюся при последующих обработках.

— практически 100 % уплотнение материалов при малых потерях их изначального объема, что особенно важно при обработке дорогостоящих либо радиоактивных материалов;

— получение изделий различной, близкой к конечной формы. Минимизация последующей обработки

— изготовление составных конструкций различной сложности с внутренними полостями.

— гибкость технологии, возможность быстрого перехода на новый вид изделия.

Устройства для изостатического прессования разделяют на холодные гидростаты (CIP) и горячие газостаты (HIP).

Холодное изостатическое прессование (CIP)

Обработка материала осуществляется в жидкой среде гидростата без дополнительного нагрева. Различают жидкостное и сухое методы прессования. Жидкостное позволяет получать изделия сложные по форме и большие по размеру. Когда контакт заготовки с рабочей жидкостью нежелателен, применяют сухое прессование. Прессование порошка происходит в герметичной эластичной форме, что обеспечивает равномерное сжатие всего объема и, как следствие, устранение локальных плоскостей концентрации деформаций и условий к нарушению структуры. Применение сухой формы позволяет автоматизировать процесс, что вкупе с небольшой длительностью цикла обеспечивает значительную производительность. Ограничения по форме и размеру изделия обуславливают применение сухого метода для производства несложных малогабаритных изделий.

CIP в основном используют при работе с порошковыми материалами, в том числе с графитом, керамикой, пластиком. Перед прессованием они проходят предварительное формование. Для этого в них подмешивают специальные связующие вещества, скрепляющие частицы между собой. Впоследствии эти вещества удаляются из сформованной заготовки посредством выжигания, при этом плотность материала увеличивается.

Метод применяют для производства:

— огнеупорной керамики и тонкокерамических изделий;

— металлических фильтров и изделий из редкоземельных металлов;

— политетрафторэтиленовых соединений и тефлона;

— изделий конечной формы из карбида вольфрама;

Горячее изостатическое прессование (HIP)

В газостатах материал подвергается обработке давлением при высоком температурном режиме в среде инертного газа. Технологический процесс обработки HIP может быть как самостоятельным, включающим в себя этапы холодного прессования и спекания, так и дополнительным этапом обработки изделий, полученных другими методами. Комбинация высокой температуры и высокого давления способствует достижению исключительных свойств материалов, максимально уплотняя заготовку. Такое воздействие обеспечивает наивысшее качество структуры, а полученные таким образом изделия, обладающие уникальными свойствами, проявляют отличные эксплуатационные характеристики. Технология HIP позволяет наделить обычные изделия новыми качествами, расширяя области их применения.

Кроме этого:  Транспортные средства их состав

Источник

Горячее изостатическое прессование металлических порошков

Приведены примеры порошковых изделий из высоколегированных сталей и сплавов, изготовленных с применением технологии ГИП, и обладающих преимуществами по отношению к стандартным аналогам. Сделан вывод об эффективности и перспективах технологии ГИП для производства массивных порошковых изделий. Представлена информация о развитии работ с применением ГИП.

Горячее изостатическое прессование (ГИП) металлических порошков – сложный технологический процесс, включающий следующие основные операции: проектирование и изготовление капсул; засыпку порошка в капсулы; герметизацию капсул сваркой; изостатическое прессование порошков в капсулах при высоких температурах и давлениях; удаление остатков капсул; финишные операции (механообработка, термическая обработка и др.). Для ГИП чаще всего применяют распыленные порошки сферической формы из разнообразных металлических сплавов.

Капсулы представляют собой тонкостенные оболочки, близкие по форме к прессованным изделиям. Такие изделия могут иметь как простые формы цилиндрического или плоского слитка для последующей ковки, или прокатки, так и сложные формы фасонных деталей, которым не требуется дополнительная деформация. Обычно капсулы изготавливают из хорошо сваривающейся низкоуглеродистой листовой стали.

Процесс ГИП протекает в газостатах. Газостат представляет собой сосуд высокого давления с системами подачи и нагрева газа. На рис 1 показана схема рабочей камеры газостата. После загрузки капсулы с порошком рабочая камера газостата закрывается и из нее откачивается воздух.

Затем включается нагрев и подача аргона. Высокое давление в камере газостата создается компрессором. После достижения расчетных значений температура и давление поддерживаются на постоянном уровне в течение всего времени выдержки. Затем капсула с порошком охлаждается со снижением давления.

Процесс ГИП порошков происходит при давлении 100-200 МПа и температурах от 900 до 2250°С. Высокое газовое давление действует равномерно во всех направлениях, что обеспечивает 100% плотность и изотропные свойства прессованных материалов. Температура газостатирования, как правило, ниже температуры солидуса обрабатываемого материала примерно на 20%, чтобы предотвратить возможную ликвацию легирующих элементов и образование жидкой фазы. Цикл процесса ГИП для стальных порошков показан на рис.2.

После газостатирования оболочка капсулы обычно удаляется механообработкой. Полученная компактная прессовка может подвергаться дополнительным операциям, например прокатке, термической обработке, финишной механообработке.ГИП сравнительно новый технологический процесс. Первые разработки лабораторного оборудования и технологии были выполнены в США и Швеции в середине прошлого века. Вначале газостаты имели низкую производительность и были опасны в эксплуатации. Поскольку газостат представляет собой сосуд высокого давления, аккумулирующий большой запас энергии, он является взрывоопасным агрегатом.

Для повышения надежности конструкции цилиндр и станину газостата, воспринимающие основные нагрузки, стали упрочнять обмоткой из напряженной высокопрочной стальной ленты. Вероятность взрыва рабочей камеры современного газостата минимальна, поскольку к настоящему времени разработаны достаточно прочные и надежные конструкции газостатов, однако остается реальной взрывоопасность капсул. Дело в том, что при наличии несплошностей в капсуле в нее под высоким давлением проникает газ. При завершении цикла газостатировани, в процессе стравливания газа, давление в цилиндре газостата снижается быстрее, чем в капсуле. Разница давлений в капсуле и газостате может стать настолько значительной, что капсула раздувается, а иногда может и взорваться. Недопустимы даже самые мелкие несплошности в сварных швах капсулы, поскольку проникновение аргона в капсулу (аргон не растворяется в металле) является причиной газовой пористости и брака прессовок. Для предотвращения несплошностей необходим надежный контроль герметичности капсул.

Низкая производительность первых газостатов была связана с малым объемом рабочей камеры и длительностью цикла газостатирования. Для повышения производительности оборудования созданы и работают новые конструкции промышленных газостатов с диаметром рабочей камеры до 2 м и высотой до 4,2 м . На протяжении многих лет ведутся работы по сокращению цикла газостатирования за счет уменьшения продолжительности вспомогательных операций. В частности, разработана система предварительного нагрева капсул перед посадкой их в газостат, а также принудительное охлаждение рабочего газа путем установки в газостат внутреннего теплообменника. Это позволяет сократить время подготовительных и заключительных операций газостатирования. Одним из вариантов «быстрого» ГИП является загрузка в газостат горячей капсулы и впрыск жидкого азота в цилиндр высокого давления. Этим достигается резкий рост газового давления в цилиндре. Значительно сокращается цикл газостатирования и улучшается структура прессованной заготовки, поскольку консолидация порошка протекает за счет пластического течения, а не ползучести. Совершенствование оборудования и технологии позволили значительно снизить стоимость газостатирования. В 1998 г. стоимость обработки в газостате 1 кг порошка составляла 0,9 евро, а в 2014 г – 0,3 евро . Это существенно повысило конкурентные преимущества ГИП по отношению к традиционным металлургическим технологиям.

За рубежом технология ГИП широко применяется в разнообразные отрасли техники. В 1953-1965 годах с применением ГИП создано производство синтетических алмазов, элементов ядерного топлива, изделий из порошков бериллия и спеченных карбидов. Затем ГИП стали применять при производстве порошковых быстрорежущих и штамповых сталей, в форме заготовок для последующей ковки и прокатки, а также при производстве фасонных изделий из жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов. В 1980-е годы развернулись работы по изготовлению способом ГИП заготовок, близких по форме к готовым изделиям, из порошков нержавеющей стали и титана.

Кроме этого:  Туннельный диализный катетер ВДК VectorFlow в сравнении с ВМТ палиндрома

В СССР в 1970-е годы были начаты работы по металлургии гранул с использованием технологии ГИП применительно к изготовлению изделий из жаропрочных никелевых сплавов . Примерно в это же время проводились исследования по разработке порошковых инструментальных сталей, которые завершились созданием на заводе «Днепроспецсталь» производства порошковых быстрорежущих сталей. Это производство базируется на шведском оборудовании и технологии ГИП .

Важно отметить, что микроструктура прессованных изделий из распыленных металлических порошков отличается особо высокой дисперсностью и однородностью, а прессованный материал повышенной прочностью и вязкостью. В качестве примера на рис.3 сопоставляются микроструктуры стандартной и порошковой быстрорежущей стали.

Металлорежущий инструмент из порошковых сталей превосходит по стойкости в 2-6 раз аналоги из стандартных сталей того же химического состава. За рубежом созданы новые марки порошковых быстрорежущих сталей с повышенным содержанием углерода, азота, ванадия и кобальта, которые невозможно изготовить из слитков. Такие стали успешно конкурируют с твердыми сплавами.

Анализ и обобщение достигнутых за рубежом результатов позволяют считать, что ГИП является исключительно эффективным и перспективным технологическим процессом порошковой металлургии для производства массивных изделий из высоколегированных металлических сплавов. Если традиционные процессы порошковой металлургии – одноосное прессование, спекание, ковка позволяют производить порошковые изделия массой до 10 кг, то с применением технологии ГИП можно получать высококачественные изделия массой в 10 т и более.

Надо признать, что наша страна пока отстает в развитии передовых технологий порошковой металлургии, в том числе и технологии ГИП. За последнее время значительно возросла зависимость отечественного машиностроения от импорта высококачественного металлорежущего инструмента. В связи с этим, по инициативе фирмы ООО «Гранком» и Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ) разработан проект создания импортозамещающего производства порошковых быстрорежущих сталей и других высоколегированных сплавов на базе промышленной технологии горячего изостатического прессования порошков. Дальнейшее развитие работ в этом направлении во многом зависит от поддержки проекта инструментальными заводами и машиностроительными предприятиями.

Проект ориентирован на имеющийся современный газостатический комплекс ABB-ASEA QIH-345, который имеет следующие технические характеристики:

Источник

Установки горячего изостатического прессования

Производитель: ЦЭЛТ
Оборудование пресса предназначено для горячего изостатического прессования капсул с металлическими гранулами (порошком), а так же обработки заготовок из фасонного в том числе титанового и алюминиевого литья, обработки деталей полученных методом 3D-печати.

Установка газостатического прессования

Установка газостатического прессования

  • Давление от 100 до 3100 бар
  • Размеры от D150 мм до D1200 мм
  • Устранение пористости (и одновременная термическая обработка)
  • Залечивание микро-трещин
  • Улучшение механических свойств, таких как, повышенная ударная вязкость, улучшенная усталостная прочность и более длительный срок службы
  • Восстановление ресурса материала от усталостных повреждений
  • Компактирование металлического порошка
  • Пост-уплотнение после спекания
  • Соединение материалов и инфильтрация в сочетании с уплотнением

Конструкция и функционал установки позволяет обеспечить следующие технологические процессы:

  • -горячее изостатическое прессование капсул с металлическими гранулами с целью получения деталей близких по форме и размерам к конечной форме готового изделия (near net shape);
  • -обработка литых заготовок, в том числе фасонных отливок с целью уплотнения внутренней структуры и устранения внутренних микропор и трещин;
  • -обработка деталей полученных методом 3D-печати с целью уплотнения внутренней структуры, залечивания микро-трещин и пор, улучшения механических свойств.

Применение аддитивных технологий в сочетании с ГИП позволяет получить следующее улучшения:

  • Возможность изготовления тонкостенных деталей в т.ч. с полостями и решетчатого типа с повышенными мех. свойствами с помощью ГИП
  • Укрупнение: изготовление одной цельной детали вместо двух или более сборных

Размер внутреннего рабочего пространства контейнера, диаметр, мм

Размер внутреннего рабочего пространства контейнера, высота, мм

В отличие от намотанных конструкций силовых агрегатов газостата (фирмы Quintus, ВНИИМЕТМАШ, CICRI, China) данная технология обеспечивает отсутствие растягивающих осевых напряжений в силовом цилиндре (концепция «ареста трещин») и, тем самым, его безопасную работу

Исследование качества заготовок в сыром состоянии и после ГИП

Влияние ГИП на пористость и микро-трещины

Схема работы

Предлагаемая конструкция основана на схеме нижней загрузки, что
обеспечивает безопасность персонала от отравления аргоном, причине,
унесшей немало жизней за всю историю существования ГИП;

Конструкция печи IFI при том же диаметре рабочей зоны в 1600 мм
обеспечивает значительно меньший диаметр контейнера газостата и,
соответственно снижает осевую загрузку и напряжения на крышках на 34%.

Технология

Горячее изостатическое прессование капсул с металлическими гранулами (порошком), прессование заготовок из фасонного в том числе титанового и алюминиевого литья, прессование деталей полученных методом 3D-печати

Источник