1.2. Горячее изостатическое прессование

Горячее изостатическое (газостатическое) прессование (ГИП) (Hot Isostatic Processing) основано на одновременном воздействии на заготов­ку высокой температуры и высокого давления газа (обычно аргона). Эта технология получает широкое применение в производстве деталей ГТД, обеспечивая:

снижение пористости и устранение усадочных раковин в отливках;

спекание порошковых материалов;

реакционное спекание конструкционных керамик;

диффузионную сварку одноименных и разнородных материалов; получение композиционных материалов с керамической и металличе­ской матрицей;

поверхностное физико-химическое модифицирование и др.

Изостатическое прессование производится в специальных камерах (газостатах) (рис. 4) при температурах порядка 0,5 ... 0,8 Т_пл и давлении газа 100 ... 200 МПа. Ускоренное горячее изостатическое прессование выполняется при повышенных давлениях (500 ... 550 МПа). Такая обра­ботка может осуществляться при более низких температурах и за более короткий цикл, чем традиционное ГИП.

Рис. 4. Конструкция газостата ASEA:

1 - рабочая камера; 2 - предварительно напряженные обмотки; 3 - ярмо; 4, 5 - верхняя и нижняя пробки соответственно; 6 - теплоизоляция; 7 - нагревательные элементы; 8 - обрабатываемое изделие; 9 - трубопровод подвода газа под высоким давлением

Для реализации столь высоких давлений (2000 атм и более) рабочая камера 1 упрочняется предварительно напряженной намоткой 2. Анало­гичная намотка выполнена на ярме 3, обеспечивающем жесткое положе­ние пробок 4 и 5. Внутри камеры 7, в которую устанавливают обрабаты­ваемое изделие 6, имеется печь 7 и система теплоизоляции 6. Подвод газа выполняется через нижнюю пробку 5 по трубопроводу 9.

Основными параметрами, оп­ределяющими эффективность изостатического прессования, являют­ся температура процесса, давление и вид газовой среды, время обра­ботки. Типовой цикл газостатирования приведен на рис. 5.

Далее рассмотрено несколько применений газостатического прес­сования.

Обработка отливок. Благодаря горячему изостатическому прессо­ванию литых деталей можно уменьшить или устранить порис­тость, в том числе усадочную по­ристость, удалить растворенные при затвердевании газы. В литом материале происходят фазовые и структурные изменения, аналогичные наблюдаемым при обработке методами пластической деформации. ГИП позволяет улучшить механические свойства материала, включая ста­тическую прочность, вязкость, сопротивление усталости и ползучести. Достоинством технологии ГИП является равномерность действия давления на поверхности отливок. Хорошие результаты получены по повышению качественных характеристик отливок из никелевых и титановых сплавов.

0 60 120 180 240 300 360 420 480

Время, мин

Рис. 5. Типовой цикл изостатического прессования

Для обеспечения требуемой точности при изостатическом прессовании в эластичных формах необходим учет величины усадки материала и изме­нения формы детали. Такие расчеты производятся, в частности, с исполь­зованием дилатометрии, т.е. определения объема и плотности материала.

Прессование порошковых материалов в пластичных оболочках. Обычно порошковой металлургией получают материалы и изделия из них, которые сложно изготовить традиционными способами (литьем и давлением) вследствие выделения нежелательных фаз в процессе затвер­девания, роста зерен, различий в температурах плавления компонентов, образования трещин и др.

Как и в других случаях, основными параметрами процесса являются температура, давление и время. Например, интерметаллидный порошок TiAl спекают в цилиндры диаметром 25 мм и длиной 40 мм при темпера­туре 1250 °С и давлении 150 МПа в течение 4 часов. Условия для спека­ния заготовок других размеров могут отличаться.

Спекание заготовок, например, монолитных рабочих колес, осуществ­ляют в процессе горячего изостатического прессования в стеклянной оболочке. Оболочка образуется из стеклянного порошка, в засыпку кото­рого помещают заготовку. При нагреве частицы стекла плавятся и обра­зуют газонепроницаемую оболочку. Технология горячего изостатическо­го прессования в термопластичной оболочке обеспечивает прессование и спекание материала в условиях всестороннего сжатия при повышенных температурах, что дает возможность получать порошковые, гранульные и керамические детали с высокими прочностными характеристиками и достаточно низкой шероховатостью поверхности. Горячим изостатическим прессованием изготовляют лопатки с тонкими (0,3 мм) выходными кромками пера.

На рис. 6 показана структура стеллита после изостатического прес­сования в газостате.

Рис. б. Структура материала после изостатического прессования в газостате (а) и исходный порошок стеллита (б)

Диффузионная сварка деталей. Диффузионная сварка - это процесс со­единения деталей в твердом состоянии при сжатии деталей, когда микро­пластические деформации составляют не более нескольких процентов. Процесс может быть разделен на две основные стадии. На первой стадии путем сжатия осуществляется начальный контакт поверхностей. Следует отметить, что из-за неровностей фактическая площадь контакта весьма мала. На второй стадии в процессе диффузии, сопровождаемой явлениями ползучести, в зоне контакта поверхностей формируется сварное соединение.

Технологию ГИП для диффузионной сварки целесообразно использо­вать для тонкостенных деталей и деталей, которые сложно обжимать другими способами. На рис. 7 приведен пример сварки венца зубчатого колеса с корпусом, а на рис. 8 - зона сварки нержавеющих сталей.

Рис. 7. Венец зубчатого колеса с внутренним зацеплением, сваренный с корпусом методом ГИП

Рис. 8. Зона диффузионной сварки деталей из нержавеющей стали

Одно из важных перспективных применений газостатирования - это технологии создания соединений лопаток с диском для получения моно­колес, например монокристаллических лопаток турбины с диском из по­рошков или гранул.

Модифицирование поверхности с использованием реакционных газо­вых сред. На основе ГИП разрабатываются технологии азотирования, нитроцементации и цементации поверхностей. По экспериментальным и теоретическим данным некоторых исследователей, эти технологии при высоких давлениях смесей инертных и реакционных газов позволяют активизировать процесс насыщения поверхности деталей из сталей и ти­тановых сплавов. Кроме того, они обеспечивают равномерность по глу­бине упрочнения деталей сложной формы и депассивацию поверхностей в процессе ХТО. Особый интерес представляет использование ГИП для упрочнения азотированием поверхностей деталей из титановых сплавов и интерметаллидных сплавов y-TiAl с целью повышения износостойкости. На поверхности в этом случае формируется композиционный слой, со­стоящий из соединений TiN и Ti₂AlN.