Растет интерес к использованию технологии горячего изостатического прессования (ГИП) для производства высокопроизводительных компонентов, в первую очередь из-за ее способности производить детали полной плотности, близкие к заданной форме, в том числе крупногабаритные и сложной геометрии.
Напротив, обычные детали, полученные методом порошковой металлургии, обычно имеют плотность ниже 95%, как правило, в диапазоне от 85% до 93%, в то время как детали, полученные методом литья под давлением, достигают более высокой плотности, как правило, в диапазоне от 94% до 99%.
Содержание:
Что такое горячее изостатическое прессование?
Горячее изостатическое прессование (ГИП) — это производственный процесс, при котором одновременно применяется высокая температура (обычно от 800 до 1350 °C) и высокое давление (100–200 МПа) во всех направлениях для уплотнения порошковых материалов или уменьшения пористости в литых и спеченные детали.
История горячего изостатического прессования
Горячее изостатическое прессование было изобретено в 1955 году компанией Battelle Laboratories, которая использовала его для диффузионного связывания ядерного сырья. Сегодня горячее изостатическое прессование широко используется для уплотнения порошковой металлургии и спекания керамических деталей.
Процесс горячего изостатического прессования
Порошковое производство
Диаметр частиц порошка, используемых в горячем изостатическом прессовании, не должен быть слишком грубым или слишком мелким. Размер частиц металлического порошка обычно составляет D50 40-90 мкм.
Газораспыленный порошок чаще всего используется в HIP, потому что:
- сферическая форма порошка
- высокая плотность наполнения порошком
- узкий диапазон размеров частиц порошка
- высокая чистота порошка и низкое содержание кислорода
Производство контейнеров
Контейнер или банка, используемые для инкапсуляции металлического порошка, претерпевают значительную усадку объема по мере того, как материал затвердевает, принимая свою окончательную форму.
Чтобы сохранить размерную стабильность и допустить пластическую деформацию в процессе такого уменьшения, материал банки должен обладать как высокой прочностью, так и хорошей пластичностью.
По этой причине для капсульных банок обычно используют нержавеющую сталь и низкоуглеродистую сталь, поскольку они обладают хорошим сочетанием прочности и пластичности.
Наполнение порошком и дегазация
Порошок высыпают в емкость с толщиной стенок 2-3 мм, нагревают до температуры 300-500°С.
Перед горячим изостатическим прессованием металлический порошок, заключенный в стальной контейнер, дегазируется. Дегазация заключается в откачке воздуха из контейнера с помощью вакуумного насоса для десорбции загрязняющих адсорбированных молекул металлического порошка.
Инкапсуляция.
После дегазации отверстие контейнера запечатывается, а затем герметизируется электросваркой. Этот процесс называется инкапсуляцией.
Процесс HIP
Запечатанная банка нагревается в нагревательной камере и подвергается давлению аргоном или азотом. Наконец, контейнер извлекается с помощью обработки на станке с ЧПУ или химических методов.
Температуры и давления
В следующей таблице приведены температуры и давления, необходимые для обычных материалов, используемых при горячем изостатическом прессовании.
| Материал | Температура/°C | Давление / МПа |
|---|---|---|
| Алюминиевый сплав | 500 | 100 |
| Медный сплав | 800-950 | 100 |
| Нержавеющая сталь | 1150 | 100 |
| Никель 718 | 1185 | 100 |
| Ti-6Al-4V | 950 | 100 |
| WC-Co | 1700 | 100 |
| вольфрама | 1350 | 100 |
| бериллий | 900 | 100 |
| Молибден | 1350 | 100 |
| Чистое железо | 950-1160 | 100 |
| Чистый никель | 1100-1280 | 100-140 |
Преимущества и недостатки горячего изостатического прессования
Преимущества горячего изостатического прессования
Хорошие свойства растяжения
Свойства на растяжение деталей, изготовленных методом горячего изостатического прессования и спекания, обычно равны или превосходят свойства деталей, изготовленных традиционными методами литья, ковки или прокатки.
Гибкость дизайна
Технология HIP позволяет изготавливать детали, которые невозможно изготовить с помощью традиционных производственных процессов, в том числе детали сложной трехмерной формы.
Уменьшить сварку
HIP может производить полностью консолидированные детали, сводя к минимуму необходимость в дорогостоящих сварных соединениях. Это сокращает время производства и снижает общие производственные затраты.
Экономьте материальные затраты
HIP — это процесс производства, близкий к чистой форме, с высоким коэффициентом использования материала и без необходимости вторичной обработки. По сравнению с механической обработкой это экономит материальные затраты и снижает производственные издержки.
Равномерная плотность
Горячий изостатический пресс оказывает равномерное давление на металлический порошок со всех сторон, что обеспечивает равномерную плотность и микроструктуру по всей площади сырой прессовки.
Недостатки горячего изостатического прессования
Горячее изостатическое прессование обладает вышеуказанными преимуществами, но также имеет некоторые недостатки, включая высокую стоимость оборудования, ограниченные объемы производства и низкую скорость обработки.
Высокая стоимость оборудования
Оборудование HIP стоит дорого, поэтому требует больших первоначальных вложений.
Ограниченное количество продукции
ГИП обычно подходит для мелкосерийного производства.
Медленная скорость обработки
По сравнению с другими методами формования порошков, такими как традиционные процессы порошковой металлургии, производственный цикл ГИП обычно длиннее, а эффективность производства ниже.
Постобработки
Детали, произведенные методом HIP, могут потребовать постобработки для достижения жестких допусков. Это увеличивает общую стоимость и время производства.
Ограничение по части Aize
Размер детали ограничен производительностью оборудования для горячего изостатического прессования.
Применение горячего изостатического прессования
Атомная энергетика
Горячее изостатическое прессование имеет широкий спектр применения при производстве компонентов атомных электростанций (АЭС), таких как крупные детали, используемые при изготовлении корпуса реактора (КР).
Порошковая металлургия
HIP используется для уплотнения порошковая металлургия спеченных деталей и устранения их остаточной пористости.
Диффузионная сварка
Соединение горячим изостатическим прессованием является формой диффузионной сварки, где одновременно применяются высокая температура и давление для обеспечения быстрого движения атомов. Это позволяет близко соприкасающимся поверхностям соединяться в твердом состоянии, не образуя жидкую фазу.
Производители керамической посуды
ГИП используется в обработке керамики для повышения плотности и улучшения механических свойств, что делает ее пригодной для высокопроизводительных применений.
Кастинг
В отливках часто образуются микропоры, когда высокотемпературная жидкость затвердевает при комнатной температуре, что является причиной трещин низкого напряжения или усталостных повреждений.
ГИП позволяет устранить микропоры в металлических отливках и повысить усталостную долговечность.
Машина горячего изостатического прессования
Горячий изостатический пресс в основном состоит из трех частей:
- Корпус камеры давления
- Система давления
- Система отопления
Максимальная рабочая зона горячего изостатического пресса может достигать 2 метров в диаметре и 4.2 метра в высоту. В системе нагрева обычно используется сплав Fe-Ar-Al, вольфрам или графит, что позволяет порошку достигать температур до 1350°C, 1600°C или даже 2200°C. В горячем изостатическом прессе используется газ высокого давления, обычно аргон или азот, для приложения гидростатического давления 100–200 МПа к порошку.
Холодное изостатическое прессование против горячего изостатического прессования
В следующей таблице показана разница между горячим изостатическим прессованием и холодное изостатическое прессование.
| Аспект | Холодное изостатическое прессование (CIP) | Горячее изостатическое прессование (HIP) |
|---|---|---|
| Температура | Комнатная температура | Высокая температура (обычно 800–1350 °C) |
| Среднее давление | Жидкость (обычно вода или масло) | Газ (обычно аргон) |
| Диапазон давлений | 34.5–690 МПа | 100–200 МПа |
| Результирующая часть | Зеленый компакт (требует спекания) | Полностью плотный |
| Материалы обработаны | Металлические, керамические, пластиковые порошки | В основном металлы, сплавы, керамика |
| Инструменты | Гибкие формы (резиновые или полиуретановые) | Жесткие канистры |
| Производственное использование | Небольшая партия или этап предварительного спекания | Окончательное уплотнение |
FAQ
В чем разница между горячим изостатическим прессованием и горячим прессованием?
При горячем изостатическом прессовании используется давление газа для приложения давления изостатическим образом (во всех направлениях), при этом горячее прессование использует пуансон для создания одноосного давления (в одном направлении).
Что такое Sinter-HIP?
Sinter-HIP разработан на основе вакуумного спекания и горячего изостатического прессования и в основном используется для спекания жидкого цементированного карбида. В печи спекания HIP. Сначала заготовка нагревается до температуры спекания традиционными методами, а на этапе изоляции применяется давление от 0.1 до 30 МПа.
Это происходит потому, что между порошками находится немного жидкости, что снижает трение, поэтому давление не должно быть слишком высоким для достижения полного уплотнения деталей.