Trosolwg o Dechnoleg Gwasgu Isostatig Poeth [1,2]
Mae Gwasgu Isostatig Poeth (HIP) yn broses lle mae cyfrwng nwy anadweithiol (fel argon neu nitrogen) yn cael ei ddefnyddio i roi pwysau cyfartal i bob cyfeiriad ar ddeunydd o dan dymheredd uchel (900-2000 gradd) a gwasgedd uchel (50-200 MPa), a thrwy hynny gyflawni dwysedd.
Dechreuodd ymchwil HIP ym 1955, pan wnaeth Sefydliad Battelle yn yr Unol Daleithiau waith ar gyfer datblygu deunyddiau adweithyddion niwclear. Fe'i defnyddiwyd gyntaf ar gyfer bondio tryledu elfennau tanwydd mewn adweithiau ynni atomig; yn seiliedig ar y cais hwn, fe'i galwyd wedyn yn "bondio pwysau nwy." Ym 1963, cyflwynwyd y dechnoleg i Ewrop. Defnyddiodd y cwmni o Sweden ASEA strwythur clwyfau gwifren ddur rhagbwys i gynhyrchu llongau pwysedd uchel. Roedd ei strwythur cryno, diogel a dibynadwy yn gosod sylfaen gadarn ar gyfer datblygiad egnïol technoleg HIP. Yn ddiweddarach, trwy welliannau parhaus gan sefydliadau megis Kennametal, Sefydliad Ymchwil Haearn a Dur Canolog Beijing (y cyfeirir ati yma wedi hyn fel CISRI), a Chwmni AE yr Unol Daleithiau, ehangwyd datblygiad a chymhwysiad offer HIP yn fawr.
Mae'r galw am brosesau HIP mewn cymwysiadau cynhyrchu fel paratoi deunydd meteleg powdr, dwysedd castio, cydrannau tyrbinau nwy awyrofod a diwydiannol, peiriannau roced, lloerennau a chastiadau cyrff llongau gofod, uno cyfansawdd, a siapio ger-rhwyd wedi bod yn cynyddu o ddydd i ddydd. Wrth baratoi deunyddiau arbennig perfformiad uchel, mae'n dangos manteision heb eu hail gan dechnolegau eraill.
Datblygu Technoleg Gwasgu Isostatig Poeth Gartref a Thramor
2.1 Datblygiad Cartref Technoleg Gwasgu Isostatig Poeth [3,4]
Dechreuodd CISRI ymchwilio i wasg isostatig poeth gyntaf Tsieina ym 1972. Trwy flynyddoedd lawer o ymchwil a datblygu, meistrolodd CISRI dechnolegau allweddol gweisg isostatig poeth: technoleg tymheredd uchel a gwasgedd uchel. O ran diogelwch offer, dibynadwyedd a sefydlogrwydd, cyrhaeddodd safon ASEM yr Unol Daleithiau, a chyrhaeddodd prif ddangosyddion technegol y gweisg isostatig poeth a gynhyrchodd lefel y gweisg isostatig poeth presennol gan y cwmni o Sweden ABURE.
Ym mis Gorffennaf 2008, gosodwyd y wasg isostatig poeth domestig fwyaf ar y pryd (Φ1250 mm × 2500 mm, 1350 gradd, 150 MPa), a weithgynhyrchwyd gan CISRI ar gyfer ei gwmni daliannol Advanced Technology & Materials Co., Ltd., yn llwyddiannus, ei ddadfygio, a'i roi ar waith yn swyddogol. Llenwodd comisiynu'r offer hwn y bwlch mewn technoleg gwasgu isostatig poeth ar raddfa fawr yn Tsieina a chreu amodau ar gyfer datblygu a chynhyrchu aloion tymheredd uchel, cryfder uchel, cerameg swyddogaethol, deunyddiau cyfansawdd, deunyddiau caled, a chynhyrchion deunydd uwch-dechnoleg eraill ar gyfer awyrofod, y diwydiant niwclear, electroneg a meteleg, llongau, a meysydd eraill.
Ym mis Gorffennaf 2024, rhyddhaodd China Iron & Steel Research Institute Group Co, Ltd yn swyddogol set gyntaf Tsieina o offer gwasgu isostatig poeth iawn, HIPEX1850. Ar hyn o bryd dyma'r offer gwasgu isostatig poeth mwyaf yn Tsieina a'r ail fwyaf yn y byd o ran maint, a gellir ei ddefnyddio ar gyfer prosesu cydrannau craidd mawr mewn meysydd fel diwydiant awyrofod Tsieina. Mae rhyddhau'r offer hwn yn nodi bod technoleg gweithgynhyrchu offer gwasgu isostatig poeth Tsieina wedi cyrraedd lefel sy'n arwain y byd o ran maint offer, paramedrau prosesu, dyluniad modiwlaidd, rheolaeth ddeallus, sefydlogrwydd offer, ac agweddau eraill. Mae'r offer yn mabwysiadu strwythur clwyfau gwifren ddur rhagbwys, gyda chyfanswm pwysau gwifren ddur o 350 t a chyfanswm hyd o tua 6,000 km. Mae ganddo gapasiti llwyth materol o 30 t fesul ffwrnais a gall berfformio prosesu gwasgu isostatig poeth effeithlon a manwl gywir ar gydrannau craidd megis casinau aero-injan ultra-mawr, llafnau injan, nozzles tanwydd, a disgiau tyrbin.
2.2 Datblygiad Tramor Technoleg Gwasgu Isostatig Poeth
Ym 1965, daeth y wasg isostatig boeth gyntaf a ddatblygwyd gan Sefydliad Battelle yn yr Unol Daleithiau i fodolaeth, gan nodi genedigaeth offer gwasgu isostatig poeth [5]. Yn yr offer gwasgu isostatig poeth cynharaf, cafodd y cysylltiad rhwng y clawr diwedd a chorff silindr y llong pwysedd uchel ei edafu, ac ni ellid gwarantu diogelwch a gweithrediad. Ar ôl blynyddoedd lawer o ymchwil a dylunio, mae gan weisg isostatig poeth datblygedig heddiw strwythur ffrâm clwyfau gwifren ddur wedi'i ragbwyso, ac mae'r cysylltiad rhwng y clawr diwedd a chorff silindr y llong pwysedd uchel yn ddi-edau.
Ar hyn o bryd, mae prif wneuthurwyr offer gwasgu isostatig poeth tramor yn cynnwys Quintus o Sweden, EPSI Gwlad Belg, AIP yr Unol Daleithiau, Bodycote y Deyrnas Unedig, a Kobe Steel o Japan. Yn eu plith, mae Quintus bellach yn is-gwmni sy'n eiddo llwyr i Kobe Steel, Japan. Mae offer gwasgu isostatig poeth Quintus yn mabwysiadu strwythur clwyfau gwifren ddur dan bwysau ac mae mewn sefyllfa flaenllaw yn y maes pwysedd uchel iawn. Ers gweithgynhyrchu ei wasg isostatig QUINTUS® gyntaf ym 1965, mae wedi darparu bron i 1,000 o silindrau a chydrannau clwyfau gwifren ddur rhagbwysol ledled y byd, wedi cyflenwi tua 60% o offer gwasgu isostatig poeth, ac mae gan tua 80% o'r offer hwnnw ddiamedr effeithiol sy'n fwy nag 1 m. Mae hefyd wedi datblygu offer gwasgu isostatig poeth mwyaf y byd (parth poeth effeithiol: Ø2050 mm × 4200 mm; tymheredd a phwysau gweithio uchaf: 1350 gradd /118 MPa), a gyflwynwyd yn llwyddiannus i MTC Company yn Japan [6].
Cymhwyso Technoleg Gwasgu Isostatig Poeth mewn Serameg Uwch
Yn ei gyfnod cynnar, oherwydd bod cost gyffredinol yr offer yn gymharol uchel, roedd datblygiad technoleg gwasgu isostatig poeth yn araf, a dim ond mewn ychydig o feysydd megis diwydiant milwrol ac adweithiau niwclear y canolbwyntiodd ei gymwysiadau. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, gyda datblygiad parhaus gwyddoniaeth a thechnoleg, mae gwahanol feysydd wedi gosod gofynion cynyddol llym ar y defnydd o ddeunyddiau. Mae technoleg gwasgu isostatig poeth mewn sefyllfa fanteisiol wrth baratoi deunyddiau gyda phriodweddau cynhwysfawr rhagorol megis dwysedd uchel, purdeb uchel, unffurfiaeth uchel, a chaledwch uchel. Mae'r dechnoleg hon wedi dod yn dechnoleg ymarferol wrth gynhyrchu llawer o ddeunyddiau perfformiad uchel heddiw ac mae hefyd yn dechnoleg newydd anhepgor ar gyfer datblygu deunyddiau newydd [3].
3.1 Gwella Dwysedd
Mae cerameg uwch yn ddeunyddiau anfetelaidd anorganig perfformiad uchel a baratoir trwy ddylunio a pheirianneg manwl gywir. Mae ganddynt briodweddau unigryw megis ymwrthedd tymheredd uchel, inswleiddio uchel, ymwrthedd gwisgo a chorydiad, a biocompatibility. Fe'u gelwir yn "ddeunyddiau eithaf ar gyfer amgylcheddau eithafol" ac maent hefyd yn ddeunyddiau strategol craidd ar gyfer lled-ddargludyddion, pŵer cyfrifiadurol AI, cerbydau ynni newydd, awyrofod, a deintyddiaeth feddygol. Fodd bynnag, mae cynhyrchion ceramig uwch yn gyffredinol yn cynnwys mandyllau nwyol 5% -10%, sy'n lleihau caledwch a chryfder y cynhyrchion. Felly, gall lleihau mandyllau nwyol a gwella dwysedd wella perfformiad cynhyrchion ceramig yn sylweddol. Ar hyn o bryd, triniaeth densification gwasgu isostatig poeth yw'r broses orau ar gyfer gwella dwysedd cynhyrchion ceramig.
Mae'r broses dwysedd gwasgu isostatig poeth yn gosod y cynnyrch mewn llestr wedi'i selio. Mae cywasgydd yn bwydo argon pwysedd uchel i'r llong, tra bod ffwrnais gwresogi y tu mewn i'r llong yn ei gynhesu, fel bod y cynnyrch yn cael ei ddwysáu o dan weithred gyfunol tymheredd uchel a phwysedd uchel. Gellir rhannu'r broses yn ddau gam. Yn y cam cyntaf, mae diffygion mewnol a mandyllau yn cael eu dadffurfio plastig o dan yr amod bod y pwysau allanol yn fwy na chryfder tymheredd uchel y deunydd. Mae'r diffygion a'r mandyllau yn cael eu dinistrio, gan achosi i'w harwynebau mewnol ddod i gysylltiad â'i gilydd. Yn yr ail gam, pan fo'r pwysau allanol yn is na chryfder tymheredd uchel y deunydd, mae'r deunydd yn mynd trwy ymgripiad tymheredd uchel, ac ar yr un pryd mae'r arwynebau aloi cyswllt yn ymdreiddio i'r naill ochr a'r llall ac yn tryledu-bond, gan ddileu diffygion a mandyllau yn drylwyr. Trwy'r driniaeth hon, mae'r dwysedd deunydd yn y bôn yn agosáu at y dwysedd damcaniaethol [7].
Dywedodd Zhang Yong et al. o Brifysgol Gwyddoniaeth a Thechnoleg Beijing [8] astudio serameg ewynog nitrid silicon. Gan ddefnyddio proses dwysedd gwasgu isostatig poeth ar dymheredd o 1600-1750 gradd, pwysedd o 134-188 MPa, ac amser dal o 1-2 h, cynyddodd y dwysedd o 2.674 g / cm³ i 3.332 g / cm³, a chynyddodd y cryfder cywasgol bron i dair gwaith.
3.2 Dileu Mandylledd a Diffygion
Bondiau cofalent neu ïonig yw bondiau cemegol cerameg dryloyw yn bennaf. Heb gymhwyso pwysau ategol, mae'n anodd eu sinter i ddwysedd llawn, a bydd mandyllau gweddilliol yn effeithio ar drosglwyddiad optegol y cerameg. Mae technoleg HIP yn arf pwerus ar gyfer datblygu a chynhyrchu cerameg dryloyw gydag ansawdd optegol uchel [9]. Mae'r dechnoleg hon yn defnyddio nwy anadweithiol fel cyfrwng; mae tymheredd uchel a gwasgedd uchel yn lleihau cryfder cynnyrch y deunydd ac yn gwella dadffurfiad plastig a gallu trylediad atomig. Mae'n dechnoleg effeithiol ar gyfer dileu mandyllau, homogeneiddio cyfansoddiad, a sefydlogi eiddo materol.
Mae nodwedd gwasgu isostatig poeth yn gallu dileu mandyllau caeedig mewn deunyddiau polygrisialog yn cwrdd yn union â gofynion cerameg dryloyw ar gyfer cyn lleied o fandyllau â phosibl a throsglwyddiad optegol delfrydol. Oherwydd bod tymheredd sintro cerameg dryloyw yn gyffredinol yn uwch na 1300 gradd, mae'n anodd sintro powdr ceramig yn uniongyrchol wedi'i lwytho i wain metel. Yn lle hynny, dim ond hyd nes y bydd y mandyllau'n cau y gall cyrff gwyrdd ceramig gael eu sintio ymlaen llaw, ac yna bydd dwysedd gwasgu isostatig poeth yn cael ei wneud [10]. Rôl fwyaf gwasgu isostatig poeth ôl-driniaeth ar gyfer cerameg dryloyw yw bod, o dan dymheredd uchel a gwasgedd uchel, gallu trylediad atomig yn cael ei wella, gan annog mandyllau yn y cerameg i fudo i ffiniau grawn neu arwyneb y darn gwaith, a thrwy hynny leihau a dileu mandyllau.
Mae Toci et al. [11] defnyddio sintro gwactod a gwasgu isostatig poeth i baratoi 3 ar.% Yb:Sc2O3 cerameg laser tryloyw. O gymharu'r ddau sampl, cynyddodd maint grawn y sampl ar ôl gwasgu isostatig poeth ychydig i 2.8 μm, ni ellid gweld bron unrhyw fandyllau y tu mewn i'r grawn, ac roedd trosglwyddiad yr holl samplau ar 1100 nm yn fwy na 70%. Mae hyn yn dangos y gall gwasgu isostatig poeth ddileu mandyllau a gynhyrchir gan sintro gwactod heb dwf grawn sylweddol. Er mwyn cael cerameg mân, ni ddylai'r tymheredd sintro gwactod fod yn rhy uchel. Cyn-sintering gwactod ar 1650 gradd ynghyd â gwasgu isostatig poeth ar 1800 gradd yw'r broses optimaidd ar gyfer y deunydd cerameg tryloyw hwn.
3.3 Coethi Grawn
Trwy effaith synergaidd tymheredd uchel a gwasgedd uchel, mae HIP yn cyflawni dwysedd cerameg ar dymheredd cymharol is, tra'n atal twf grawn annormal yn y ceramig a lleihau cyfleoedd ar gyfer bodolaeth ffiniau deuol a ffiniau grawn ongl isel [12]. Felly, trwy ddefnyddio deunyddiau crai ultrafine neu nano-maint a mabwysiadu tymheredd gwasgu isostatig cyn-sintering cymharol isel a poeth, gellir cael grawn mân a ffiniau grawn gyda lled culach.
3.4 Siapio Gerameg o Faint Mawr ac Afreolaidd
Mae technoleg gwasgu isostatig poeth ar yr un pryd yn cymhwyso nwy anadweithiol pwysedd uchel a thymheredd uchel i'r cynnyrch. Gall gael gwared ar wagleoedd mewnol yn effeithiol a ffurfio bondio metelegol cryf trwy'r deunydd cyfan, gan ddatrys yn fawr yr anawsterau wrth baratoi cerameg neu ddeunyddiau cyfansawdd ceramig-metel, ac mae ganddo fanteision sylweddol yn enwedig wrth baratoi deunyddiau cerameg siâp mawr a chymhleth. Yn ogystal, nodwedd amlwg iawn o sintering gwasgu isostatig poeth yw bod ei siambr ffwrnais yn cael ei wneud yn fawr iawn. Wedi'i gyfuno â'i nodweddion gwasgu isostatig, gall gwblhau sintro rhannau afreolaidd cymhleth mawr, ac nid oes angen peiriannu mecanyddol dilynol ar y cynhyrchion sintered.
Yn ogystal â'r swyddogaethau uchod, cymhwysiad nodweddiadol arall o ôl-driniaeth gwasgu isostatig poeth yw haenau ceramig. Mae haenau a gynhyrchir gan chwistrellu thermol yn dueddol o ddau ddiffyg: yn gyntaf, cryfder bondio gwael i'r swbstrad; yn ail, mae mandyllau yn debygol o ymddangos yn y cotio, gan arwain at ddwysedd isel, sy'n achosi'r cotio i blicio'n hawdd. Trwy ôl-driniaeth gwasgu isostatig poeth, gellir gwella dwysedd y cotio, tra bod y grym bondio gyda'r swbstrad yn cynyddu, mae delamination yn diflannu, ac mae'r cotio a'r swbstrad yn dod yn gyfanwaith integredig.