Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Методы горячего компактирования порошков

28.01.2020

Как уже было отмечено, традиционные методы порошковой металлургии, как правило, не применимы к порошкам жаропрочных сплавов. Холодное прессование заготовок из порошка возможно только в том случае, если его частицы имеют неправильную форму, как например, частицы порошков, полученных хладоструйным измельчением. В противном случае отсутствие прессуемости, характерное для порошков жаропрочных сплавов, резко ограничивает возможности их холодного компактирования. Кроме того, порошки жаропрочных сплавов плохо спекаются из-за наличия в их составе Al, Cr, Ti и других активных элементов, которые, окисляясь при T спекания, уменьшают тем самым движущую силу процесса. Поскольку порошки, получаемые известными в настоящее время методами, как правило, грубодисперсны (и обладают пониженной спекаемостью), для их компактирования приходится применять другие способы, основанные на одновременном воздействии на материал давления и температуры.

Ниже будут рассмотрены следующие разновидности горячего компактирования: горячее прессование, включая электроискровое спекание; горячее изостатическое прессование и родственные ему процессы; горячая штамповка порошковых заготовок; горячая экструзия.

Горячее прессование. Горячее прессование в вакууме. Горячее прессование в вакууме с успехом применялось для компактирования порошков жаропрочных сплавов. Материалом для изготовления пресс-форм чаще всего служил графит. Для предотвращения взаимодействия графита с порошком могут использоваться прокладки из фольги тугоплавкого металла. Еще более эффективно горячее прессование в пресс-форме из молибденового сплава, например сплава марки TZM, который не взаимодействует с порошками жаропрочных сплавов и способен выдерживать более высокое давление, чем графит (600 МПа для сплава TZM по сравнению с 35 МПа для графита). Давление на материал передается при помощи одного или двух пуансонов, изготовленных из того же материала, что и пресс-форма. В процессе прессования в заготовке создается квазиизостатическое давление, не уступающее по величине давлению при ТИП, что дает возможность получать близкие по плотности и механическим свойствам материалы. Хотя горячее прессование в вакууме является, по-видимому, самым дешевым и быстрым из лабораторных методов компактирования жаропрочных сплавов, оно не нашло промышленного применения как из-за высокой стоимости технологической оснастки, так и вследствие быстрого развития технологии ГИП.

К существенным недостаткам горячего прессования в вакууме относится низкая стойкость пресс-форм (из-за низкой прочности графита), ограничивающая количество деталей, которые могут быть получены этим способом. Горячее прессование деталей сложной конфигурации в пресс-формах из молибденового сплава могло бы составить конкуренцию горячему изостатическому прессованию и изотермической штамповке при условии, что будут решены проблемы заполнения пресс-формы порошком в вакууме, исключения поверхностного загрязнения прессовки материалами смазки и извлечения готовой детали.

Электроискровое спекание. Этот метод использовали главным образом для горячего компактирования бериллиевых порошков, однако имеются сообщения и о его применении к порошкам жаропрочных сплавов. Свободно насыпанный порошок прессуют в цилиндрической пресс-форме и при помощи графитовых пуансонов, служащих электродами, подвергают ускоренному нагреву пропусканием больших токов низкого напряжения. При этом из-за низкой прочности материала пресс-формы не всегда удается достичь теоретической плотности, но по микроструктуре такой сплав, по-видимому, аналогичен сплавам, получаемым другими методами горячего компактирования.

Горячее изостатическое прессование (ГИП). Метод ГИП состоит в воздействии на помещенный в оболочку порошок изо-статическим давлением, создаваемым с помощью газовой среды, при повышенной температуре. ГИП как способ компактирования порошков явился развитием технологии диффузионной сварки, применявшейся для соединения деталей реактора. Принципы, на которых основаны разработка и использование оборудования для ГИП, освещены в ряде обзоров. На рис. 3.7 и 3.8 показаны два основных конструктивных варианта установок для ГИП. В настоящее время принято располагать нагреватель внутри сосуда высокого давления. Такая конструкция, называемая «автоклавом с холодными стенками», связана с увеличением размеров сосуда, однако позволяет создавать высокие температуры и давления и обеспечивает быструю загрузку и разгрузку газостата. Наиболее серьезные проблемы, обусловливающие конструктивные различия установок, связаны с устройством торцовых крышек газостата и наличием конвективных тепловых потоков в объеме горячего газа. Крышка может удерживаться в нужном положении либо за счет резьбы, выполненной в самом сосуде, либо при помощи внешней рамы. Возможности установок для ГИП с точки зрения размеров заготовки, достигаемых температур и давлений на протяжении последних 15 лет быстро возрастали. Одновременно расширялась область их применения, в результате чего горячее изостатическое прессование стало одной из наиболее быстро развивающихся современных технологий. Наиболее крупные установки, используемые для компактирования жаропрочных сплавов, имеют следующие размеры и характеристики:
Методы горячего компактирования порошков

Оборудование для ГИП часто используется в составе производственных линий. Капсулы с материалом нагреваются в отдельных печах, а камера газостата в промежутках между циклами прессования поддерживается в горячем состоянии, что возможно до температур ~1250°С, для которых существуют стойкие к окислению нагреватели. В промышленных установках применяется как верхняя, так и нижняя загрузка. Одно из преимуществ загрузки снизу заключается в том, что нагретый Ar не вытекает из камеры, собираясь в ее верхней части. Длительность производственного цикла установок ГИП колеблется от 3 до 8 ч. ГИП используют как для получения заготовок простой геометрической формы (например, цилиндрической), предназначенных для последующей обработки давлением, так и для производства полуфабрикатов сложной конфигурации или готовых изделий, не требующих механической обработки.

Методы капсулирования. Методами порошковой металлургии пытаются получать изделия различных размеров и формы, как это видно из рис. 3.9, где приведена классификация по группам сложности деталей газотурбинного двигателя, изготавливаемых из порошка сплава Rene 95. Детали разных групп требуют для своего изготовления разных технологий формования. На воспроизводимость формы оказывают влияние конструкция и материал капсулы, а также режим изменения давления и T при прессовании.

Существуют различные методы капсулирования (заключения порошковой заготовки в оболочки-капсулы для ГИП), каждый из которых обладает определенными преимуществами и недостатками.

1. Капсулы из листового металла. В подавляющем большинстве случаев материалом для изготовления капсул служит листовой металл, обычно малоуглеродистая или нержавеющая сталь. Металлическому листу тем или иным способом, например, выдавливанием или листовой штамповкой в условиях сверхпластичности, придают форму требуемой детали с учетом усадки при компактировании. Капсулу заполняют порошком, откачивают и заваривают Откачку осуществляют при 300—500 °C и разрежении 1—2 Па. Перед заваркой каждую капсулу необходимо тщательно проверить на Отсутствие течи (например, проверяя с помощью гелиевого течеискателя герметичность всех сварных швов). Эта операция является обязательной при серийном производстве. Было показано, что неполная десорбция Ar оказывает вредное влияние на такие механические свойства материала, как высокотемпературная пластичность и вязкость разрушения. Даже небольшое количество остаточного Ar приводит к образованию в компактном материале газовой пористости. Термическая обработка при повышенных температурах вызывает расширение этих закрытых пор вследствие возрастания внутреннего давления. Эта так называемая термически активируемая газовая пористость представляет собой одну из основных проблем, связанных с горячим изостатическим прессованием жаропрочных сплавов. Процесс ГИП осуществляют при таких значениях температуры и давления, при которых капсула пластически деформируется и сжимает порошок, превращая его в плотное, однородное и изотропное тело. После компактирования металлическая капсула может быть удалена при помощи механической обработки или химического травления.

2. Стеклянные капсулы. Фирма «Kelsey-Hayes» разработала технологию капсулирования, основанную на использовании стекол, размягчающихся при температуре ГИП. При изготовлении капсул для порошков жаропрочных сплавов можно использовать стекло марки «Vycar». Капсулы с толщиной стенки в несколько мм получают, заливая шликер, приготовленный из порошка молотого стекла, в формы соответствующей конфигурации. После испарения жидкой части шликера порошок подвергают обжигу. Капсулы вакуумируют, заполняют дегазированным порошком, заваривают и нагревают в отдельной печи. В процессе остывания после ГИП стеклянная капсула растрескивается вследствие различия в термических коэффициентах расширения и отделяется от металлической детали.

3. Керамические капсулы. Размягчаясь при повышенной температуре, стеклянная капсула не способна выдержать большую массу порошка, что ведет к искажениям формы. Дальнейшим развитием технологии, позволившим преодолеть этот существенный недостаток, явилось применение капсул из керамики, которые дали возможность получать изделия очень сложной конфигурации.

Технология, разработанная фирмой «Crucible», аналогична методу формовки по выплавляемым моделям при точном литье (рис. 3.10) и включает следующие операции:

1. Изготовление восковой модели, по форме соответствующей требуемой детали (с учетом усадки). Это может быть сделано путем механической обработки или, при больших объемах производства, методом литья под давлением.

2. Нанесение слоя керамики поверх восковой формы способом многократного окунания в шликер и сушки.

3. Удаление воска путем нагрева.

4. Обжиг для получения твердой (но по-прежнему пористой) внутренней поверхности.

5. Установка формы в больший по размерам стальной контейнер, который затем заполняется мелким порошком оксида алюминия, служащим средой для передачи давления.

6. Заполнение капсулы металлическим порошком с применением вибрации для увеличения плотности укладки частиц.

7. Холодная и горячая дегазация и герметизация капсул.

8. ГИП.

В процессе ГИП давление газа непосредственно воздействует на стенки металлического контейнера, а затем, через посредство промежуточной среды, передается керамической капсуле. Такая технология широко используется для получения изделий особо сложной формы (в том числе из жаропрочных сплавов и титана — рис. 3.11).

9. ГИП с использованием твердых вставок. Этот метод предполагает применение газонепроницаемых капсул, внутри которых, однако, размещены формообразующие элементы, неспособные деформироваться при температуре ГИП (рис. 3.12). После окончания компактирования твердые вставки удаляют.

Методы компактирования, близкие к ГИП. Компактирование атмосферным давлением (САР). Способ компактирования, применяемый фирмой «Universal Cyclops», представляет собой вакуумное спекание, осуществляемое при дополнительном воздействии небольшого давления (0,1 МПа против 100 МПа при обычном ГИП) на поверхность имеющей сложную форму стеклянной капсулы. Для интенсификации спекания используют мелкие порошки (от -60 до -150 меш) и дополнительно активируют поверхность частиц, добавляя небольшие количества борной кислоты. В процессе выдержки при T спекания стеклянная капсула размягчается и подвергается сжатию под воздействием разности внешнего (атмосферного) и внутреннего давления. Полученная в изостатических условиях заготовка по форме соответствует исходной стеклянной оболочке и имеет плотность от 98 до 99% от теоретической и выше. Она может быть окончательно уплотнена путем штамповки, прокатки или ГИП. Очевидно, что основная цель этой технологии заключается в снижении затрат на компактирование по сравнению с обычным методом ГИП. Способ был опробован на порошках большей части жаропрочных сплавов. Результаты показывают, что содержание дефектов в компактных заготовках с контролируемой структурой, полученных методом компактирования атмосферным давлением с последующей горячей деформацией из порошка сплава Rene 95 крупностью —60 меш, в среднем в четыре раза выше, чем в том же сплаве, полученном путем ГИП.

Метод прессования в «жидкой матрице». В 1976 г. фирма «Kelsey-Hayes» разработала еще один вариант технологии компактирования, не требующий применения дорогостоящего оборудования для ГИП (рис. 3.13). Внутри металлической матрицы размещается вставка из плотного несжимаемого материала, в которой имеется полость соответствующей конфигурации, заполняемая порошком. Будучи более массивной, чем обычная капсула, матрица способна выдерживать большие вибрации, которым ее подвергают в процессе заполнения, чтобы обеспечить равномерное распределение порошка в полости. При T компактирования материал матрицы размягчается, становясь почти жидким, и передает давление, приложенное к ее внешней поверхности, порошку, который при этом уплотняется (рис. 3.14). Хотя компактирование может осуществляться и в газостате, основное преимущество процесса заключается в возможности его реализации по схеме обычной объемной штамповки. При этом давление может быть в 6—10 раз больше, чем при ГИП, и материал полностью уплотняется менее чем за секунду.

С начала 1979 года применяются частично восстанавливаемые матрицы из сплава Ni—Cu. Поскольку эти металлы образуют непрерывный ряд твердых растворов, точка плавления, а соответственно и интервал рабочих температур матрицы, могут быть подобраны в соответствии с составом порошка. По сообщениям, не менее 90% материала матрицы может быть использовано повторно. Поскольку материал подвергается обработке в течение короткого времени при более низких, чем при ГИП, температурах (~ 1000 °С вместо 1150 °C), но значительно более высоких давлениях, прессование «в жидкой матрице» дает возможность получать плотные изделия с мелкозернистой структурой, мало отличающейся от структуры исходного порошка, что делает этот метод особенно привлекательным при компактировании быстрозакаленных порошков. Прессованием «в жидкой матрице» получали детали из сплавов LC Astroloy, Rene 95, MERL 76, однако до настоящего времени основным применением этой технологии было получение вставок из материала Stellite 21, ранее изготовлявшихся методом точного литья.

Горячая ковка свободно насыпанных порошков. Если требования к точности воспроизведения формы изделия не очень высоки, его можно получить ковкой свободно насыпанного порошка в стальной капсуле. По отношению к порошкам жаропрочных сплавов систематические исследования этого метода не проводились, хотя отдельные попытки их компактирования предпринимались. Гессингер и Купер применили его к крупному сферическому порошку нержавеющей стали, полученному распылением вращающегося электрода. На рис. 3.15 показана специальная конструкция прессового инструмента, впервые предложенная Левенштайном, которая предотвращает коробление капсулы и обеспечивает равномерное заполнение ее порошком.

Экструзия. Экструзия, сочетая в себе горячее компактирование и обработку давлением, позволяет получать плотный деформированный материал. Большую роль при горячей экструзии играют силы трения, порождающие сдвиговую компоненту деформации, которая приводит к межчастичному скольжению, разрушению исходных и формированию новых контактов между частицами. В то же время большая гидростатическая составляющая тензора напряжений обеспечивает полное уплотнение материала.

Экструзии могут подвергаться порошки, свободно засыпанные в капсулу, прессованные или плотные заготовки. При непосредственной экструзии порошка, помещаемого в капсулу без предварительного прессования, капсулу снабжают откачной трубкой, при помощи которой осуществляется дегазация порошка при комнатной и повышенной температурах (~300—500 °С), после чего капсулу герметизируют и подвергают нагреву под экструзию. Это надежно предотвращает загрязнение сплава, обусловленное его взаимодействием с атмосферой в процессе экструзии. После дегазации капсулу с порошком экструдируют как обычную заготовку, либо предварительно компактируют в глухой матрице, а затем с помощью экструзии или ковки полученной плотной заготовке придают требуемую форму. Схема такого процесса представлена на рис. 3.16. После компактирования заготовку механическим или химическим путем освобождают от оболочки и используют для получения изделий заданной формы по обычной технологии.

Бафферд, проанализировав различные виды дефектов, возникающих при экструзии порошков в капсуле, предложил способ экструзии порошков малой плотности с помощью частично проникающего поршня. Он рекомендует также использовать капсулы из нержавеющей стали, деформационные свойства которых близки к свойствам порошков жаропрочных сплавов.

С помощью экструзии с успехом получают плотные прутки из большого числа жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта. Важнейшим условием успешного осуществления экструзии порошков жаропрочных сплавов является понимание взаимосвязи параметров процесса (Г, коэффициента вытяжки, напряжения течения, скорости прессования) с микроструктурой получаемого материала. Значения параметров экструзии для разных сплавов различны, однако систематическим образом они до сих пор не изучены. Основное внимание уделялось получению плотного материала. Применяемые температуры экструзии колеблются от 1000 до 1200 °C при вытяжках от 4 до 15.

Неполное уплотнение может иметь место как при слишком низких температурах, так и при недостаточных вытяжках. В обоих случаях отношение уплотняющего напряжения к пределу текучести материала оказывается недостаточным для достижения теоретической плотности.

Большие вытяжки (до 25) могут достигаться с помощью метода экструзии «составной заготовки». Этот метод можно использовать для получения сложных профилей как сплошного сечения, так и с внутренними полостями практически любой геометрии (рис. 3.17). Внутри заготовки под экструзию, полученной из обычного материала, например низкоуглеродистой стали, и имеющей круглое сечение, выполняется полость, по форме повторяющая (в увеличенном масштабе) требуемый профиль. Полость заполняют порошком, после чего полученную составную заготовку экструдируют через коническую матрицу, получая пруток, внутри которого находится желаемый профиль. Стальная оболочка удаляется механическим или химическим путем. Этим методом были получены профили из таких сплавов, как Inconel 718, Waspaloy, Rene 41 с максимальным размером в сечении от 0,76 до 6,35 мм при допуске ±0,254 мм для малых сечений.

Микроструктура заготовок после экструзии, как правило, мелкозернистая. Поэтому для повышения сопротивления высокотемпературной ползучести их необходимо подвергать термической обработке, обеспечивающей рост зерна. Экструдированные заготовки можно далее обрабатывать путем ковки, горячей прокатки и т. п.

Достоинство экструзии как метода компактирования состоит в том, что она не требует дополнительных капитальных затрат, так как может осуществляться на имеющихся прессах и печах нагрева. Кроме того, этот процесс отличается высокой производительностью. Крупнейший в США пресс экструзии принадлежит фирме «Cameron Iron Works». На этом прессе экструдируют заготовки из жаропрочных сплавов массой от 450 до 590 кг.

Тем не менее, тот факт, что экструзия является промежуточной операцией и в стоимость конечного изделия входят затраты на последующий передел, ограничивает возможности этого способа компактирования. Все же для многих сплавов эти дополнительные затраты оказываются оправданными благодаря повышению качества продукции.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: