Ħarsa ġenerali tat-Teknoloġija tal-Ippressar Isostatiku sħun [1,2]
Hot Isostatic Pressing (HIP) huwa proċess li fih mezz ta 'gass inert (bħal argon jew nitroġenu) jintuża biex japplika pressjoni ugwali fid-direzzjonijiet kollha għal materjal taħt temperatura għolja (900-2000 grad) u pressjoni għolja (50-200 MPa), biex b'hekk tinkiseb densifikazzjoni.
Ir-riċerka HIP bdiet fl-1955, meta l-Istitut Battelle fl-Istati Uniti wettaq xogħol għall-iżvilupp ta 'materjali ta' reatturi nukleari. L-ewwel intuża għat-twaħħil tad-diffużjoni ta 'elementi tal-fjuwil f'reazzjonijiet ta' enerġija atomika; ibbażat fuq din l-applikazzjoni, imbagħad kien imsejjaħ "irbit tal-pressjoni tal-gass." Fl-1963, it-teknoloġija ġiet introdotta fl-Ewropa. Il-kumpanija Żvediża ASEA użat struttura tal-wajer tal-azzar ippressat minn qabel biex timmanifattura reċipjenti bi pressjoni għolja. L-istruttura kompatta, sigura u affidabbli tagħha stabbiliet pedament sod għall-iżvilupp qawwi tat-teknoloġija HIP. Aktar tard, permezz ta 'titjib kontinwu minn istituzzjonijiet bħal Kennametal, l-Istitut Ċentrali ta' Riċerka tal-Ħadid u l-Azzar ta 'Beijing (minn hawn 'il quddiem imsejħa CISRI), u AE Company ta' l-Istati Uniti, l-iżvilupp u l-applikazzjoni ta 'tagħmir HIP ġew estiżi ħafna.
Id-domanda għall-proċessi HIP f'applikazzjonijiet ta 'produzzjoni bħall-preparazzjoni tal-materjal tal-metallurġija tat-trab, densifikazzjoni tal-ikkastjar, komponenti ta' turbini tal-gass aerospazjali u industrijali, magni rokit, satelliti u kkastjar tal-ġisem tal-vetturi spazjali, tgħaqqid kompost, u iffurmar kważi nett ilu jiżdied jum b'jum. Fil-preparazzjoni ta 'materjali speċjali ta' prestazzjoni għolja, turi vantaġġi mhux imqabbla minn teknoloġiji oħra.
Żvilupp tat-Teknoloġija tal-Ippressar Isostatiku Hot fid-dar u barra
2.1 Żvilupp Domestiku tat-Teknoloġija tal-Ippressar Isostatiku Hot [3,4]
CISRI beda jirriċerka l-ewwel pressa iżostatika sħuna taċ-Ċina fl-1972. Permezz ta 'ħafna snin ta' riċerka u żvilupp, CISRI mhaddma t-teknoloġiji ewlenin ta 'presses iżostatiċi sħun: teknoloġija ta' temperatura għolja u pressjoni għolja. F'termini ta 'sikurezza, affidabbiltà u stabbiltà tat-tagħmir, laħqet l-istandard ASEM tal-Istati Uniti, u l-indikaturi tekniċi ewlenin tal-preses iżostatiċi sħun li pproduċiet laħqu l-livell ta' preses iżostatiċi sħun eżistenti mill-kumpanija Svediża AVURE.
F'Lulju 2008, l-akbar istampa iżostatika sħuna domestika f'dak iż-żmien (Φ1250 mm × 2500 mm, 1350 grad, 150 MPa), immanifatturata minn CISRI għall-kumpanija holding tagħha Advanced Technology & Materials Co., Ltd., ġiet installata b'suċċess, debugged, u bdiet topera uffiċjalment. L-ikkummissjonar ta 'dan it-tagħmir imla l-vojt fit-teknoloġija tal-ippressar iżostatiku sħun fuq skala kbira fiċ-Ċina u ħoloq kundizzjonijiet għall-iżvilupp u l-produzzjoni ta' temperatura għolja, ligi ta 'saħħa għolja, ċeramika funzjonali, materjali komposti, materjali superhard, u prodotti oħra ta' materjal ta 'teknoloġija għolja għall-ajruspazju, l-industrija nukleari, elettronika u metallurġija, vapuri, u oqsma oħra.
F'Lulju 2024, iċ-Ċina Iron & Steel Research Institute Group Co., Ltd ħarġet uffiċjalment l-ewwel sett taċ-Ċina ta 'tagħmir għall-ippressar iżostatiku sħun ultra-kbar, HIPEX1850. Bħalissa dan huwa l-akbar tagħmir ta 'ippressar iżostatiku sħun fiċ-Ċina u t-tieni l-akbar fid-dinja f'termini ta' daqs, u jista 'jintuża għall-ipproċessar ta' komponenti ewlenin kbar f'oqsma bħall-industrija aerospazjali taċ-Ċina. Ir-rilaxx ta 'dan it-tagħmir jimmarka li t-teknoloġija tal-manifattura tat-tagħmir tal-ippressar iżostatiku sħun taċ-Ċina laħqet livell ewlieni fid-dinja fid-daqs tat-tagħmir, parametri tal-ipproċessar, disinn modulari, kontroll intelliġenti, stabbiltà tat-tagħmir, u aspetti oħra. It-tagħmir jadotta struttura tal-ferita tal-wajer tal-azzar prestressed, b'piż totali tal-wajer tal-azzar ta '350 t u tul totali ta' madwar 6,000 km. Għandu kapaċità ta 'tagħbija materjali ta' 30 t għal kull forn u jista 'jwettaq proċessar effiċjenti u preċiż ta' ippressar iżostatiku sħun fuq komponenti ewlenin bħal kisi ta 'magni aero-magni ultra-kbar, xfafar tal-magni, żennuni tal-fjuwil u diski tat-turbini.
2.2 Żvilupp Barrani tat-Teknoloġija tal-Ippressar Isostatiku Hot
Fl-1965, l-ewwel pressa iżostatika sħuna żviluppata mill-Istitut Battelle fl-Istati Uniti daħlet, li mmarkat it-twelid ta 'tagħmir tal-ippressar iżostatiku sħun [5]. Fl-aktar tagħmir bikri tal-ippressar iżostatiku sħun, il-konnessjoni bejn l-għata tat-tarf u l-korp taċ-ċilindru tar-reċipjent bi pressjoni għolja kienet bil-kamin, u s-sigurtà u l-operabbiltà ma setgħux jiġu ggarantiti. Wara ħafna snin ta 'riċerka u disinn, il-preses iżostatiċi sħan avvanzati tal-lum għandhom struttura tal-qafas tal-ferita tal-wajer tal-azzar prestressed, u l-konnessjoni bejn il-qoxra tat-tarf u l-korp taċ-ċilindru tar-reċipjent bi pressjoni għolja hija mingħajr ħajt.
Fil-preżent, il-manifatturi ewlenin tat-tagħmir tal-ippressar iżostatiku sħun barrani jinkludu Quintus tal-Isvezja, EPSI tal-Belġju, AIP tal-Istati Uniti, Bodycote tar-Renju Unit, u Kobe Steel tal-Ġappun. Fosthom, Quintus issa hija sussidjarja għal kollox ta' Kobe Steel, il-Ġappun. It-tagħmir tal-ippressar iżostatiku sħun ta 'Quintus jadotta struttura tal-ferita tal-wajer tal-azzar prestressed u jinsab f'pożizzjoni ta' tmexxija fil-qasam ta 'pressjoni ultra-għolja. Mill-manifattura tal-ewwel pressa iżostatika QUINTUS® tagħha fl-1965, ikkunsinnat kważi 1,000 ċilindru u komponenti tal-wajer tal-azzar prestressed mad-dinja kollha, fornew madwar 60% tat-tagħmir tal-ippressar iżostatiku sħun, u madwar 80% ta 'dak it-tagħmir għandu dijametru effettiv akbar minn 1 m. Żviluppa wkoll l-akbar tagħmir tal-ippressar iżostatiku sħun fid-dinja (żona sħuna effettiva: Ø2050 mm × 4200 mm; temperatura massima tax-xogħol u pressjoni: 1350 grad /118 MPa), li ġiet ikkunsinnata b'suċċess lill-Kumpanija MTC fil-Ġappun [6].
Applikazzjoni tat-Teknoloġija tal-Ippressar Isostatiku sħun f'Ċeramika Avvanzata
Fil-perjodu bikri tiegħu, minħabba li l-ispiża ġenerali tat-tagħmir kienet relattivament għolja, l-iżvilupp tat-teknoloġija tal-ippressar iżostatiku sħun kien bil-mod, u l-applikazzjonijiet tiegħu kienu kkonċentrati biss fi ftit oqsma bħall-industrija militari u reazzjonijiet nukleari. F'dawn l-aħħar snin, bl-avvanz kontinwu tax-xjenza u t-teknoloġija, diversi oqsma imponew rekwiżiti dejjem aktar stretti fuq l-użu tal-materjali. It-teknoloġija tal-ippressar iżostatika sħuna tokkupa pożizzjoni vantaġġuża fit-tħejjija ta 'materjali bi proprjetajiet komprensivi eċċellenti bħal densità għolja, purità għolja, uniformità għolja u toughness għolja. Din it-teknoloġija saret teknoloġija prattika fil-produzzjoni ta 'ħafna materjali ta' prestazzjoni għolja llum u hija wkoll teknoloġija ġdida indispensabbli għall-iżvilupp ta 'materjali ġodda [3].
3.1 Titjib tad-Densità
Iċ-ċeramika avvanzata hija materjali inorganiċi mhux metalliċi ta 'prestazzjoni għolja ppreparati permezz ta' disinn u inġinerija preċiżi. Huma jippossjedu proprjetajiet uniċi bħal reżistenza għat-temperatura għolja, insulazzjoni għolja, reżistenza għall-ilbies u l-korrużjoni, u bijokompatibilità. Huma mfaħħra bħala "l-materjali aħħarija għal ambjenti estremi" u huma wkoll materjali strateġiċi ewlenin għal semikondutturi, qawwa tal-kompjuters AI, vetturi tal-enerġija ġodda, aerospazjali u dentistrija medika. Madankollu, prodotti taċ-ċeramika avvanzati ġeneralment fihom 5%-10% pori gassużi, li jnaqqsu t-toughness u s-saħħa tal-prodotti. Għalhekk, it-tnaqqis tal-pori tal-gass u t-titjib tad-densità jistgħu jtejbu b'mod sinifikanti l-prestazzjoni tal-prodotti taċ-ċeramika. Fil-preżent, it-trattament ta 'densifikazzjoni tal-ippressar iżostatiku sħun huwa l-aħjar proċess għat-titjib tad-densità tal-prodotti taċ-ċeramika.
Il-proċess ta 'densifikazzjoni tal-ippressar iżostatiku sħun ipoġġi l-prodott f'reċipjent issiġillat. Kompressur idaħħal argon bi pressjoni għolja fil-bastiment, filwaqt li forn tat-tisħin ġewwa l-bastiment jissaħħan, sabiex il-prodott ikun densifikat taħt l-azzjoni magħquda ta 'temperatura għolja u pressjoni għolja. Il-proċess jista 'jinqasam f'żewġ stadji. Fl-ewwel stadju, id-difetti interni u l-pori jgħaddu minn deformazzjoni plastika taħt il-kondizzjoni li l-pressjoni esterna hija akbar mis-saħħa tat-temperatura għolja tal-materjal. Id-difetti u l-pori jinqerdu, u b'hekk l-uċuħ interni tagħhom jiġu f'kuntatt ma 'xulxin. Fit-tieni stadju, meta l-pressjoni esterna hija aktar baxxa mill-qawwa tat-temperatura għolja tal-materjal, il-materjal jgħaddi minn creep f'temperatura għolja, u fl-istess ħin l-uċuħ tal-liga li jikkuntattjaw jinfiltraw b'mod reċiproku u t-twaħħil tad-diffużjoni, jeliminaw bir-reqqa difetti u pori. Permezz ta 'dan it-trattament, id-densità tal-materjal bażikament toqrob lejn id-densità teoretika [7].
Zhang Yong et al. mill-Università tax-Xjenza u t-Teknoloġija ta 'Beijing [8] studja ċ-ċeramika bil-fowm tan-nitrur tas-silikon. Bl-użu ta 'proċess ta' densifikazzjoni tal-ippressar iżostatiku sħun f'temperatura ta '1600-1750 grad, pressjoni ta' 134-188 MPa, u ħin ta 'żamma ta' 1-2 h, id-densità żdiedet minn 2.674 g/cm³ għal 3.332 g/cm³, u s-saħħa kompressiva żdiedet bi kważi tliet darbiet.
3.2 L-eliminazzjoni tal-porożità u d-difetti
Ir-rabtiet kimiċi taċ-ċeramika trasparenti huma l-aktar rabtiet kovalenti jew joniċi. Mingħajr ma tapplika pressjoni awżiljarja, huwa diffiċli li sinterhom għal densità sħiħa, u l-pori residwi jaffettwaw it-trażmissjoni ottika taċ-ċeramika. It-teknoloġija HIP hija għodda qawwija għall-iżvilupp u l-produzzjoni taċ-ċeramika trasparenti bi kwalità ottika għolja [9]. Din it-teknoloġija tuża gass inert bħala l-mezz; temperatura għolja u pressjoni għolja jnaqqsu s-saħħa tar-rendiment tal-materjal u jtejbu d-deformazzjoni tal-plastik u l-kapaċità tad-diffużjoni atomika. Hija teknoloġija effettiva għall-eliminazzjoni tal-pori, l-omoġenizzazzjoni tal-kompożizzjoni u l-istabbilizzazzjoni tal-proprjetajiet tal-materjal.
Il-karatteristika tal-ippressar iżostatiku sħun li tkun kapaċi telimina l-pori magħluqa f'materjali polikristallini eżattament tissodisfa r-rekwiżiti ta 'ċeramika trasparenti għall-inqas pori possibbli u trasmittanza ottika ideali. Minħabba li t-temperatura tas-sinterizzazzjoni taċ-ċeramika trasparenti hija ġeneralment ogħla minn 1300 grad, huwa diffiċli li t-trab taċ-ċeramika sinterizzat direttament mgħobbi f'għatt tal-metall. Minflok, il-korpi ħodor taċ-ċeramika jistgħu jiġu sinterizzati minn qabel biss sakemm il-pori jingħalqu, u mbagħad titwettaq densifikazzjoni tal-ippressar iżostatika sħuna [10]. L-akbar rwol ta 'post-trattament ta' ippressar iżostatiku sħun għal ċeramika trasparenti huwa li, taħt temperatura għolja u pressjoni għolja, il-kapaċità ta 'diffużjoni atomika tissaħħaħ, u tħeġġeġ il-pori fiċ-ċeramika biex jemigraw lejn il-konfini tal-qamħ jew il-wiċċ tal-biċċa tax-xogħol, u b'hekk inaqqas u jelimina l-pori.
Toci et al. [11] uża s-sinterizzazzjoni bil-vakwu u l-ippressar iżostatiku sħun biex jipprepara 3 at.% Yb:Sc2O3 ċeramika trasparenti tal-laser. Meta tqabbel iż-żewġ kampjuni, id-daqs tal-qamħa tal-kampjun wara l-ippressar iżostatiku sħun żdied ftit għal 2.8 μm, kważi l-ebda pori ma setgħu jidhru ġewwa l-ħbub, u t-trażmissjoni tal-kampjuni kollha f'1100 nm qabżet is-70%. Dan jindika li l-ippressar iżostatiku sħun jista 'jelimina l-pori prodotti minn sinterizzazzjoni bil-vakwu mingħajr tkabbir sinifikanti tal-qamħ. Sabiex tinkiseb ċeramika ta 'qamħa fina, it-temperatura tas-sinterizzazzjoni bil-vakwu m'għandhiex tkun għolja wisq. Pre-sinterizzazzjoni bil-vakwu f'1650 grad flimkien ma 'pressar iżostatiku sħun f'1800 grad huwa l-aħjar proċess għal dan il-materjal taċ-ċeramika trasparenti.
3.3 Qmuħ tar-raffinar
Permezz tal-effett sinerġistiku ta 'temperatura għolja u pressjoni għolja, HIP jikseb densifikazzjoni taċ-ċeramika f'temperatura relattivament aktar baxxa, filwaqt li jinibixxi t-tkabbir anormali tal-qamħ fiċ-ċeramika u jnaqqas l-opportunitajiet għall-eżistenza ta' konfini tewmin u konfini tal-qamħ b'angolu baxx [12]. Għalhekk, bl-użu ta 'materja prima ultrafine jew nano-daqs u l-adozzjoni ta' temperaturi relattivament baxxi ta 'sinterizzazzjoni minn qabel u ta' tagħfas iżostatika sħuna, jistgħu jinkisbu ħbub fini u konfini tal-qamħ b'wisa 'aktar dejqa.
3.4 Formar Kważi Nett ta 'Ċeramika ta' Daqs Kbir u Irregolari
It-teknoloġija tal-ippressar iżostatiku sħun fl-istess ħin tapplika gass inert bi pressjoni għolja u temperatura għolja għall-prodott. Jista 'jneħħi b'mod effettiv vojt interni u jifforma twaħħil metallurġiku qawwi fil-materjal kollu, u jsolvi ħafna d-diffikultajiet fil-preparazzjoni taċ-ċeramika jew materjali komposti taċ-ċeramika-metall, u għandu vantaġġi sinifikanti speċjalment fil-preparazzjoni ta' materjali taċ-ċeramika ta 'daqs kbir u b'forma kumplessa. Barra minn hekk, karatteristika prominenti ħafna tas-sinterizzazzjoni tal-ippressar iżostatika sħuna hija li l-kamra tal-forn tagħha hija magħmula kbira ħafna. Magħquda mal-karatteristiċi tal-ippressar iżostatiku tagħha, tista 'tlesti s-sinterizzazzjoni ta' partijiet irregolari kumplessi ta 'daqs kbir, u l-prodotti sinterizzati ma jeħtiġux makkinar mekkaniku sussegwenti.
Minbarra l-funzjonijiet ta 'hawn fuq, applikazzjoni tipika oħra ta' post-trattament tal-ippressar iżostatiku sħun hija kisjiet taċ-ċeramika. Kisjiet prodotti mill-bexx termali huma suxxettibbli għal żewġ difetti: l-ewwel, saħħa fqira ta 'twaħħil mas-sottostrat; it-tieni, il-pori x'aktarx jidhru fil-kisi, li jirriżulta f'densità baxxa, li tikkawża li l-kisja titqaxxar faċilment. Permezz ta 'wara l-ippressar iżostatiku sħun, id-densità tal-kisi tista' titjieb, filwaqt li l-forza ta 'twaħħil mas-substrat tiżdied, id-delaminazzjoni tisparixxi, u l-kisi u s-sottostrat isiru sħaħ integrat.