Изостатическое прессование

Изостатическое прессование, понятие и технологии

Достижения в области теоретической физики и развитие технологий производства аппаратуры высокого давления позволили создать в середине XX века методику, принципом работы которой являлась барометрическая обработка изделий в среде сжатого газа или жидкости. Эта методика получила название изостатического прессования.

Параметрами изостатического прессования являются давление, температура и время. Их подбирают в зависимости от поставленной на производстве или в лаборатории задачи – так, чтобы объект изостатической обработки приобретал в результате их воздействия максимальную плотность.

Изостатическое прессование относится к наиболее быстро прогрессирующим технологиям. Это связано с неоспоримыми преимуществами этих методов по сравнению с традиционными технологиями обработки материалов высоким давлением и температурой, а также с быстрым развитием аппаратуры высокого давления.

Одним из главных достоинств изостатического прессования являются высокие физико-механические характеристики получаемых материалов:

  • равномерные, легко регулируемые: плотность, структура, химический состав, текстура;
  • любой сложности форма получаемых изделий, требующих минимальной механической обработки после прессования, либо вообще обходящихся без такой обработки;
  • практически 100% уплотнение материалов;
  • малые потери (что особенно важно для обработки дорогостоящих, токсичных и радиоактивных материалов);
  • возможность получения уникальных композиционных и составных конструкций, в том числе с внутренними полостями и из разных материалов.

Существует два вида изостатического прессования:

— холодное изостатическое прессование (CIP) – барометрическая обработка без использования высоких температур;

— горячее изостатическое прессование (HIP) –барометрическая обработка в условиях высоких температур, проходящая в среде инертного газа.

В свою очередь холодное изостатическое прессование подразделяется на жидкостное изостатическое прессование и сухое изостатическое прессование.

Жидкостное изостатическое прессование требуется для получения больших, сложных по форме деталей (например сопло, труба, фильтр).

Сухое изостатическое прессование применяется для получения деталей несложной формы и небольших размеров.

Холодным изостатическим прессованием чаще всего обрабатываются (компактируются) материалы, которые по тем или иным причинам не могут быть подвергнуты непосредственной обработке при высокой температуре.  В основном таковыми являются изделия из порошковых материалов. При этом осуществляется их предварительное формование с использованием связующих материалов, которые в дальнейшем, в целях конечной консолидации получаемых деталей, выжигаются в процессе спекания. При спекании удается достигнуть очень высокой плотности материала, добиваясь контролируемой анизотропии его свойств.

При горячем изостатическом прессовании одновременно осуществляются технологические процессы, происходящие при холодном изостатическом прессовании и спекании. Кроме того, эти процессы могут выполняться при значительном времени экспозиции. Горячее изостатическое прессование может также использоваться в качестве дополнительной обработки материалов после холодного изостатического прессования и спекания. В процессе HIP плотность и однородность обрабатываемого материала становятся окончательно возможными. Обработка материалов равным со всех сторон давлением приводит к изотропности их свойств. Фактор одновременности воздействия температуры и давления позволяет достичь максимальной плотности обрабатываемого материала при значительно более низких температурах (в сравнении с  обычным спеканием). Благодаря этому горячее изостатическое прессование позволяет достичь наилучшей микроструктуры материала и, как следствие, — непревзойденных эксплуатационных характеристик обрабатываемых деталей.

В настоящее время с применением горячего изостатического прессования удается достигнуть  целого ряда уникальных свойств материалов и решить различные технологические задачи:

— сохранение мелкозернистой кристаллической структуры изделий из металлов и керамики, которая определяет их механические свойства;

— применение высокой скорости охлаждения обработанных изделий и возможность применения закалки, достигаемых высокой теплопроводностью газа, находящегося под высоким давлением;

— исключение неоднородности отливок, возникающей при обычном литье и вызванной диффундированием слоев изделий в связи большой продолжительностью их остывания;

— удаление усадки и внутренних трещин, образующихся в процессе остывания металла;

— удаление пористости металлов, в том числе вблизи поверхности отливок, что существенно улучшает качество механически обработанной поверхности, придает улучшенную износостойкость и понижает трение в процессе эксплуатации деталей;

— сообщение металлам свойств, ранее получаемых только при их деформационной обработке;

— улучшение сопротивления газовому давлению в местах сварки, уменьшение числа центров, инициирующих коррозию;

— удаление микротрещин, появляющихся при восстановительной сварке, например, при восстановлении лопаток для турбин.

Учитывая изложенное, а также то, что методом горячего изостатического прессования можно оптимизировать многие традиционные технологические процессы, а также создавать детали, которые не могут изготавливаться другими способами, метод HIP в настоящее время является наиболее перспективным направлением в обработке материалов.