Prezentare generală a tehnologiei de presare izostatică la cald [1,2]
Presarea izostatică la cald (HIP) este un proces în care un mediu gazos inert (cum ar fi argonul sau azotul) este utilizat pentru a aplica presiune egală în toate direcțiile unui material la temperatură înaltă (900–2000 grade) și presiune înaltă (50–200 MPa), realizând astfel densificare.
Cercetarea HIP a început în 1955, când Institutul Battelle din Statele Unite a efectuat lucrări pentru dezvoltarea materialelor pentru reactoare nucleare. A fost folosit pentru prima dată pentru legarea prin difuzie a elementelor combustibile în reacțiile de energie atomică; pe baza acestei aplicații, s-a numit apoi „legare la presiunea gazului”. În 1963, tehnologia a fost introdusă în Europa. Compania suedeză ASEA a folosit o structură înfăşurată din sârmă de oţel precomprimată pentru a fabrica vase de înaltă presiune. Structura sa compactă, sigură și fiabilă a pus o bază solidă pentru dezvoltarea viguroasă a tehnologiei HIP. Ulterior, prin îmbunătățiri continue realizate de instituții precum Kennametal, Institutul Central de Cercetare a Fierului și Oțelului din Beijing (denumit în continuare CISRI) și Compania AE din Statele Unite, dezvoltarea și aplicarea echipamentelor HIP au fost mult extinse.
Cererea de procese HIP în aplicații de producție, cum ar fi pregătirea materialelor din metalurgia pulberilor, densificarea turnării, componente ale turbinelor cu gaz aerospațiale și industriale, motoare de rachete, sateliți și turnări ale corpului navelor spațiale, îmbinarea compozitelor și modelarea aproape-net a crescut pe zi ce trece. La prepararea materialelor speciale performante, prezinta avantaje neegalate de alte tehnologii.
Dezvoltarea tehnologiei de presare izostatică la cald acasă și în străinătate
2.1 Dezvoltarea internă a tehnologiei de presare izostatică la cald [3,4]
CISRI a început să cerceteze prima presă izostatică la cald din China în 1972. Prin mulți ani de cercetare și dezvoltare, CISRI a stăpânit tehnologiile cheie ale preselor izostatice la cald: tehnologia de înaltă temperatură și de înaltă presiune. În ceea ce privește siguranța, fiabilitatea și stabilitatea echipamentelor, a atins standardul US ASEM, iar principalii indicatori tehnici ai preselor izostatice la cald pe care le-a produs au atins nivelul preselor izostatice la cald existente de la compania suedeză AVURE.
În iulie 2008, cea mai mare presă izostatică domestică la acea vreme (Φ1250 mm × 2500 mm, 1350 grade, 150 MPa), fabricată de CISRI pentru holdingul său Advanced Technology & Materials Co., Ltd., a fost instalată, depanată și pusă oficial în funcțiune cu succes. Punerea în funcțiune a acestui echipament a umplut golul în tehnologia de presare izostatică la scară largă în China și a creat condiții pentru dezvoltarea și producerea de aliaje de înaltă temperatură, de înaltă rezistență, ceramică funcțională, materiale compozite, materiale superdure și alte produse de înaltă tehnologie pentru aerospațiu, industria nucleară, electronică și metalurgie, nave și alte domenii.
În iulie 2024, China Iron & Steel Research Institute Group Co., Ltd. a lansat oficial primul set din China de echipamente de presare izostatică la cald ultra-mari, HIPEX1850. Acesta este în prezent cel mai mare echipament de presare izostatică la cald din China și al doilea ca mărime din lume în ceea ce privește dimensiunea și poate fi utilizat pentru prelucrarea componentelor de bază mari în domenii precum industria aerospațială a Chinei. Lansarea acestui echipament marchează că tehnologia de fabricare a echipamentelor de presare izostatică la cald din China a atins un nivel de lider mondial în ceea ce privește dimensiunea echipamentului, parametrii de procesare, design modular, control inteligent, stabilitatea echipamentului și alte aspecte. Echipamentul adoptă o structură bobinată din sârmă de oțel precomprimată, cu o greutate totală a sârmei de oțel de 350 t și o lungime totală de aproximativ 6.000 km. Are o capacitate de încărcare a materialului de 30 t per cuptor și poate efectua o prelucrare eficientă și precisă de presare izostatică la cald pe componente de bază, cum ar fi carcasele ultra-mari ale motorului aero, lamele de motor, duzele de combustibil și discuri de turbină.
2.2 Dezvoltarea externă a tehnologiei de presare izostatică la cald
În 1965, a luat ființă prima presă izostatică la cald dezvoltată de Institutul Battelle din Statele Unite, marcând nașterea echipamentelor de presare izostatică la cald [5]. În cele mai vechi echipamente de presare izostatică la cald, legătura dintre capacul de capăt și corpul cilindrului vasului de înaltă presiune a fost filetată, iar siguranța și funcționarea nu puteau fi garantate. După mulți ani de cercetare și proiectare, presele izostatice la cald avansate de astăzi au o structură de cadru bobinat din sârmă de oțel precomprimată, iar legătura dintre capacul de capăt și corpul cilindrului vasului de înaltă presiune este fără filet.
În prezent, principalii producători de echipamente străine de presare la cald izostatic includ Quintus din Suedia, EPSI din Belgia, AIP din Statele Unite, Bodycote din Regatul Unit și Kobe Steel din Japonia. Printre aceștia, Quintus este acum o subsidiară deținută în totalitate de Kobe Steel, Japonia. Echipamentul de presare izostatică la cald de la Quintus adoptă o structură bobinată din sârmă de oțel precomprimată și se află într-o poziție de lider în domeniul de ultra-înaltă presiune. De când a fabricat prima sa presă izostatică QUINTUS® în 1965, a livrat aproape 1.000 de cilindri și componente bobinate din sârmă de oțel precomprimate în întreaga lume, a furnizat aproximativ 60% din echipamentele de presare izostatică la cald și aproximativ 80% din aceste echipamente au un diametru efectiv mai mare de 1 m. De asemenea, a dezvoltat cel mai mare echipament de presare izostatică la cald din lume (zonă fierbinte efectivă: Ø2050 mm × 4200 mm; temperatura și presiunea maximă de lucru: 1350 grade /118 MPa), care a fost livrat cu succes companiei MTC din Japonia [6].
Aplicarea tehnologiei de presare izostatică la cald în ceramica avansată
În perioada sa de început, deoarece costul total al echipamentului a fost relativ mare, dezvoltarea tehnologiei de presare izostatică la cald a fost lentă, iar aplicațiile sale au fost concentrate doar în câteva domenii precum industria militară și reacțiile nucleare. În ultimii ani, odată cu progresul continuu al științei și tehnologiei, diverse domenii au impus cerințe din ce în ce mai stricte privind utilizarea materialelor. Tehnologia de presare izostatică la cald ocupă o poziție avantajoasă în prepararea materialelor cu proprietăți complete excelente, cum ar fi densitate ridicată, puritate ridicată, uniformitate ridicată și duritate ridicată. Această tehnologie a devenit astăzi o tehnologie practică în producția multor materiale de înaltă performanță și este, de asemenea, o nouă tehnologie indispensabilă pentru dezvoltarea de noi materiale [3].
3.1 Îmbunătățirea densității
Ceramica avansată este materiale anorganice nemetalice de înaltă performanță, preparate prin proiectare și inginerie precise. Ele posedă proprietăți unice, cum ar fi rezistența la temperatură ridicată, izolarea ridicată, rezistența la uzură și coroziune și biocompatibilitatea. Ele sunt salutate drept „materialele supreme pentru medii extreme” și sunt, de asemenea, materiale strategice de bază pentru semiconductori, putere de calcul AI, vehicule cu energie nouă, aerospațială și stomatologie medicală. Cu toate acestea, produsele ceramice avansate conțin în general 5%-10% pori gazoși, care reduc duritatea și rezistența produselor. Prin urmare, reducerea porilor gazoși și îmbunătățirea densității pot îmbunătăți semnificativ performanța produselor ceramice. În prezent, tratamentul de densificare prin presare izostatică la cald este cel mai bun proces pentru îmbunătățirea densității produselor ceramice.
Procesul de densificare prin presare izostatică la cald plasează produsul într-un vas etanș. Un compresor alimentează vas cu argon de înaltă presiune, în timp ce un cuptor de încălzire din interiorul vasului îl încălzește, astfel încât produsul să fie densificat sub acțiunea combinată a temperaturii ridicate și a presiunii ridicate. Procesul poate fi împărțit în două etape. În prima etapă, defectele interne și porii suferă deformare plastică cu condiția ca presiunea externă să fie mai mare decât rezistența la temperatură ridicată a materialului. Defectele și porii sunt distruși, determinând suprafețele lor interne să intre în contact unele cu altele. În a doua etapă, când presiunea exterioară este mai mică decât rezistența la temperatură înaltă a materialului, materialul suferă fluaj la temperatură înaltă și, în același timp, suprafețele aliajului de contact se infiltrează reciproc și se leagă de difuzie, eliminând complet defectele și porii. Prin acest tratament, densitatea materialului se apropie practic de densitatea teoretică [7].
Zhang Yong şi colab. de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Beijing [8] a studiat ceramica spumă cu nitrură de siliciu. Folosind un proces de densificare prin presare izostatică la cald la o temperatură de 1600–1750 grade, o presiune de 134–188 MPa și un timp de menținere de 1–2 ore, densitatea a crescut de la 2,674 g/cm³ la 3,332 g/cm³, iar rezistența la compresiune a crescut de aproape trei ori.
3.2 Eliminarea porozității și a defectelor
Legăturile chimice ale ceramicii transparente sunt în mare parte covalente sau ionice. Fără aplicarea unei presiuni auxiliare, este dificil să le sinterezi până la densitatea maximă, iar porii reziduali vor afecta transmisia optică a ceramicii. Tehnologia HIP este un instrument puternic pentru dezvoltarea și producerea ceramicii transparente de înaltă calitate optică [9]. Această tehnologie folosește un gaz inert ca mediu; temperatura ridicată și presiunea ridicată reduc puterea de curgere a materialului și îmbunătățesc deformarea plastică și capacitatea de difuzie atomică. Este o tehnologie eficientă pentru eliminarea porilor, omogenizarea compoziției și stabilizarea proprietăților materialului.
Caracteristica presării izostatice la cald fiind capabilă să elimine porii închiși în materialele policristaline îndeplinește exact cerințele ceramicii transparente pentru cât mai puțini pori și transmitanță optică ideală. Deoarece temperatura de sinterizare a ceramicii transparente este în general mai mare de 1300 de grade, este dificil să sinterizați direct pulberea ceramică încărcată într-o manta de metal. În schimb, corpurile ceramice verzi pot fi pre-sinterizate doar până când porii devin închiși și apoi se realizează densificarea prin presare izostatică la cald [10]. Cel mai important rol al post-tratamentului prin presare izostatică la cald pentru ceramica transparentă este că, la temperaturi ridicate și presiune înaltă, capacitatea de difuzie atomică este îmbunătățită, determinând porii din ceramică să migreze la granițele granulelor sau la suprafața piesei de prelucrat, reducând și eliminând astfel porii.
Toci şi colab. [11] a folosit sinterizarea în vid și presarea izostatică la cald pentru a prepara 3 at.% Yb:Sc2O3 ceramică transparentă cu laser. Comparând cele două probe, dimensiunea granulelor probei după presarea izostatică la cald a crescut ușor la 2,8 μm, aproape niciun pori nu s-au putut vedea în interiorul boabelor, iar transmitanța tuturor probelor la 1100 nm a depășit 70%. Acest lucru indică faptul că presarea izostatică la cald poate elimina porii produși prin sinterizarea în vid fără creșterea semnificativă a granulelor. Pentru a obține ceramică cu granulație fină, temperatura de sinterizare în vid nu trebuie să fie prea mare. Presinterizarea în vid la 1650 de grade combinată cu presarea izostatică la cald la 1800 de grade este procesul optim pentru acest material ceramic transparent.
3.3 Rafinarea cerealelor
Prin efectul sinergic al temperaturii ridicate și al presiunii ridicate, HIP realizează densificarea ceramicii la o temperatură relativ mai scăzută, inhibând în același timp creșterea anormală a granulelor în ceramică și reducând oportunitățile de existență a granițelor gemene și a granițelor cu unghi mic [12]. Prin urmare, prin folosirea de materii prime ultrafine sau de dimensiuni nanometrice și adoptarea unor temperaturi de presinterizare relativ scăzute și de presare izostatică la cald, pot fi obținute granule fine și limite de granule cu o lățime mai îngustă.
3.4 Modelarea aproape netă a ceramicii de dimensiuni mari și neregulate
Tehnologia de presare izostatică la cald aplică simultan gaz inert de înaltă presiune și temperatură ridicată produsului. Poate elimina eficient golurile interne și poate forma legături metalurgice puternice pe tot materialul, rezolvând foarte mult dificultățile de preparare a ceramicii sau materialelor compozite ceramică-metal și are avantaje semnificative în special în prepararea materialelor ceramice de dimensiuni mari și de formă complexă. În plus, o caracteristică foarte proeminentă a sinterizării prin presare izostatică la cald este că camera cuptorului este foarte mare. În combinație cu caracteristicile sale de presare izostatică, poate finaliza sinterizarea pieselor neregulate complexe de dimensiuni mari, iar produsele sinterizate nu necesită prelucrare mecanică ulterioară.
Pe lângă funcțiile de mai sus, o altă aplicație tipică a post-tratării prin presare izostatică la cald este acoperirile ceramice. Acoperirile produse prin pulverizare termică sunt predispuse la două defecte: în primul rând, rezistență slabă de aderență la substrat; în al doilea rând, este posibil să apară pori în acoperire, rezultând o densitate scăzută, ceea ce face ca stratul să se desprindă cu ușurință. Prin post-tratament prin presare izostatică la cald, densitatea acoperirii poate fi îmbunătățită, în timp ce forța de lipire cu substratul crește, delaminarea dispare, iar stratul și substratul devin un întreg integrat.