Введение. 
Изостатическое прессование

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[1].

Изостатическое прессование

изостатический прессование барометрический газ Изостатическое прессование, как правило, используется для производства больших порошковых деталей близкой к заданной формы различной сложности. В отличие от обычной порошковой металлургии, в которой порошок прессуют при непосредственном контакте с оснасткой, изостатическое прессование ограничивает металлический порошок гибкой мембраной или герметичным контейнером, который действует как барьер давления между порошком и средой, жидкостью или газом, которая окружает его. Использование этой системы передачи давления обеспечивает равномерное давление прессования всей массы порошка и равномерное распределение плотности в конечном продукте. Для холодного (или при комнатной температуре) изостатического прессования (CIP), контейнер, как правило, из резины или эластомерного материала, средой передающей давление является жидкостью, такая как вода или масло. Без силы трения пресс-формы, прессуемый порошок достигает более высокой и более равномерной плотности, чем была бы получена с использованием обычных пресс-форм для холодного уплотнения при том же давлении. В CIP обработке детали должны спекаться (подвергаться твердотельной диффузии) после извлечения из формы.

Для горячего изостатического прессования (HIP), герметичный контейнер для порошка из металла или стекла, а средой передачи давления является газ (инертный аргон или гелий). При повышенных температурах в процессе используют герметичный контейнер, который пластически деформируется для уплотнения порошка в нем. Сочетание высокой температуры и давления в процессе устраняет необходимость в дополнительном этапе спекания. Удаление HIP «банки» (контейнере) после обработки дополнительное требование, которое не встречаются в других технологиях порошковой металлургии.

Преимущества изостатического прессования заключаются в возможности производить детали гораздо больших размеров, чем это возможно с другими технологиями ПМ, с практически неограниченными возможностями для сложных форм и геометрических характеристик. Более того, оно применимо к трудным для прессования и дорогим материалам, таким как жаропрочные сплавы, титан, инструментальные стали, нержавеющие стали и бериллий, с высокой эффективностью использования материала. И в результате использования горячего изостатического прессования, могут быть изготовлены детали, которые предлагают полностью плотные материалы с изотропными механическими свойствами равными или более высокими, чем у литейных и кованых материалов[2].

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[1].