» » Горячее изостатическое прессование
15.01.2016

Изостатическое формование представляет собой метод компактирования металлического порошка в эластичной или деформируемой оболочке в условиях всестороннего сжатия.
Горячее изостатическое прессование заключается в воздействии при повышенной температуре на помещенный в капсулу порошок изостатического давления, создаваемого с помощью газовой среды.
ГИП осуществляется в специальных установках — газостатах. Существуют различные варианты конструкций газостатов, в частности различающиеся по размещению нагревателя, по способу крепления крышки.
Метод ГИП применяется как для получения заготовок простой формы (например, цилиндрической), предназначенных для последующей обработки давлением, так и изделий сложной формы с минимальными допусками. Горячее изостатическое формование позволяет получать из быстрозакаленных порошков сферической формы (гранул) крупногабаритные заготовки, полуфабрикаты и изделия с большим отношением длины к диаметру (ширине) и тонкими стенками, обладающие однородной плотностью и дисперсной структурой.
Горячее изостатическое прессование

На рис. 8.3 приведена наиболее распространенная конструкция «автоклава с холодными стенками», в которой нагреватель расположен внутри сосуда — рабочей камеры с газом высокого давления, а крышка удерживается при помощи внешней силовой рамы. При такой конструкции увеличиваются размеры сосуда, однако она позволяет создавать высокие температуры и давления, а также обеспечивает быструю загрузку и разгрузку газостата. Рабочий газ (аргон) заполняет камеру, после чего компрессор повышает давление газа в ней (рабочая камера может быть холодной, нагретой или нагреваться одновременно с закачкой в него газа). Нагреватель создает равномерную зону нагрева в камере и обеспечивает быстрый нагрев газа до заданной температуры. Безопасность работы газостата обеспечивается применением рабочей камеры из высокопрочной стали, обмотанной предварительно напряженной высокопрочной проволокой. В качестве капсул для формования порошка используют тонкие металлические оболочки (аустенитная нержавеющая сталь, алюминий, малоуглеродистая сталь и др.), форма которых может быть простой или сложной, максимально приближенной к форме готового изделия.
Капсулирование для проведения ГИП, т.е. заключение порошковой заготовки в оболочку — капсулу, полученную выдавливанием или штамповкой металлического листа, осуществляют свободной засыпкой порошка с виброуплотнением. После этого капсулу откачивают при температуре 300—500 °С и герметично заваривают. Неполная десорбция аргона из капсулы оказывает вредное влияние, так как является причиной газовой пористости. ГИП проводится при температуре и давлении, при которых капсула пластически деформируется и порошок уплотняется в однородную изотропную деталь. После компактирования металлическая капсула удаляется механической обработкой или химическим травлением.
Для производства изделий особо сложной формы разработан метод капсулирования с использованием капсул из керамики, изготовляемых по выплавляемым моделям. Капсула с компактируемым порошком помещается в больший по размерам стальной контейнер, заполненный порошком окисла алюминия, служащим средой, передающей давление.
Горячее изостатическое прессование

Конструктивные различия установок для ГИП связаны с устройством торцовых крышек газостата и наличием конвективных тепловых потоков в объеме горячего газа. Крышка может удерживаться в нужном положении либо благодаря резьбе, выполненной в самом сосуде, либо при помощи внешней рамы. Возможности установок с точки зрения размеров заготовки, достигаемых температур и давлений быстро возрастают. Установка отечественного производства представлена на рис. 8.4. Одновременно расширяется область применения установок для ГИП, в результате чего горячее изостатическое прессование стало одной из наиболее быстро развивающихся современных технологий. Промышленная установка для ГИП приведена на рис. 8.5.
Горячее изостатическое прессование

Современные установки для компактирования гранул жаропрочных сплавов имеют следующие параметры: внутренний диаметр - 1235 мм, высота сосуда высокого давления 2500 мм, давление до 200 МПа, температура до 1450 °С.
Методом ГИП при 1350 °С и давлении 100 МПа были спрессованы порошки молибдена, твердого сплава ВК10, оксида алюминия, диборида циркония до плотности 99,8—99,9 % от теоретической.
Жаропрочные никелевые сплавы компактируют обычно при температуре - 1200 °С и давлении 120 МПа. На рис. 8.6 приведена микроструктура компактного полуфабриката из сплава Rene 95, полученного компактированием в двухфазной (у+γ)- и высокотемпературной однофазной у-областях. ГИП при более низкой температуре в двухфазной (у+γ)-области приводит к формированию микроструктуры с мелким рекристаллизованным зерном и сохранением участков литой дендритно-ячеистой структуры. При более высокой температуре в у-области формируется дисперсная рекристаллизованная структура.
Горячее изостатическое прессование

Технология операции ГИП состоит в предварительном нагреве капсулы с компактируемым и гранулами жаропрочных сплавов к последующей загрузке в газостат (температура - 1200 °С) обычно через нижний затвор для устранения вытекания горячего аргона. Нагрев газостата поддерживается непрерывно за счет применения стойких к окислению нагревателей. Длительность ГИП составляет 3-8 ч.
Среди методов компактирования, близких по схеме реализуемого напряженного состояния к изостатическому, следует выделить прессование в «жидкой» матрице, не требующее применения дорогостоящего оборудования (рис. 8.7).
Горячее изостатическое прессование

Сущность метода заключается в использовании при прессовании вставки из плотной (несжимаемой) металлической матрицы, в которой имеется полость соответствующей конфигурации, заполняемая компактируемым порошком. При температуре компактирования материал матрицы размягчается и становится вязким «жидким» и передает гидростатическую компоненту давления на порошок. Преимущество метода состоит и возможности его реализации по схеме обычной объемной штамповки при высоком давлении — в 6—10 раз более высоком, чем при использовании ГИП, и малом времени компактирования.
В качестве материала «жидкой» матрицы перспективно применение сплавов системы Ni—Сu. Поскольку сплавы этой системы образуют непрерывный ряд твердых растворов, точка плавления и интервал рабочих температур матрицы могут быть подобраны в соответствии с составом компактируемого порошка. При этом не менее 90% отходов материала матрицы может быть использовано повторно.
Компактирование порошков при более низких температурах (- 1000 °С вместо 1150 °С), меньшем времени, чем при обычном ГИП, и более высоких давлениях обеспечивает получение плотных изделий с мелкозернистой структурой. Минимальная степень структурных изменений исходного порошка делает этот метод особенно привлекательным при компактировании быстрозакаленных порошков, способствует достижению высокого уровня характеристик компактных заготовок и изделий. Прессованием в «жидкой» матрице получены изделия из жаропрочных сплавов LC Astroloy, Rene 95, ЭП109 и др.