پرس ایزواستاتیک گرم

فشار ایزواستاتیک داغ یک فرایند ساخت است، که در آن ذرات پودر شده فلزات، آلیاژها و سرامیک‌ها تحت فشار ایزواستاتیک و حرارت بالا به همدیگر می‌چسبند و یک جز واحد را تشکیل می‌دهند. این روش برای کاهش تخلخل فلزات و افزایش چگالی بسیاری از سرامیک‌ها به کار می‌رود. این فرایند خواص مکانیکی ماده اولیه و کارپذیری آن را افزایش می‌دهد. با استفاده از این فرایند آلیاژهایی که تولید می‌کنند که خواص مکانیک عناصر مختلف را در آن واحد باهم دارند، این فرایند یکی از فرایندهای به کار رفته در متالوژی پودر است.

تاریخچه پرس ایزواستاتیک گرم

این روش بیش از ۸۰ سال پیش اختراع و به کار گرفته شد، در ابتدا برای تولید الماس مصنوعی به کار می‌رفت. سپس در اواسط دهه ۱۹۵۰، محققان آزمایشگاه Battelle Columbus پیوند با فشار گاز اختراع کردند. آن‌ها در حال حل مشکل پیوند زیرکونیم به آلیاژ اورانیوم و زیرکونیوم بودن، این پیوند یک تلاش برای رسیدن به یک روکش دهی مطلوب بود. این مشکل در برنامه هسته‌ای نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا مطرح شده بود، در اینجا بود که اولین بار ایده ایجاد پیوند توسط فشار ایزواستاتیک و فشار مطرح شد. در این برنامه از فشار ۱۳۷٫۸ اتمسفری و دما ۹۰۰ درجه سانتی گرادی استفاده شد. این روش توسط ۴ دانشمند آزمایشگاه Battelle Columbus ثبت شد. در سال‌های بعد با پیشرفت ابزار و ماشین آلات و همچنین ساخت آلیاژهای گوناگون که در برابر فشار و دما مقاوم بودند قطعات بیشتر و پیشرفته تر با این روش تولید شدند تا جایی که امروز توانایی تولید قطعات گوناگون از اجزا کوچک ساعت‌های دستی تا پره‌های ۱ متری توربین‌ها و پمپ را دارد..

فرایند پرس ایزواستاتیک گرم

در این فرایند ابتدا قالب قطعه‌ای مورد نیاز است طراحی می‌شود این قالب باید بتواند فشار و دما بالا را تحمل کند و این خود قیمت آن را افزایش می‌دهد سپس موادی که قرار است با هم ترکیب شده و آلیاژ نهایی را ایجاد کنند به صورت پودر در می‌آیند برای پودر کردن مواد روش‌ها گوناگی از جمله عبور مذاب از یک نازل و ذره ذره کردن آن با استفاده از فشار هوا وجود دارد برای مواد با استحکام بالاتر مانند تیتانیوم از یک دیسک دوار مسی که جریان از آن می‌گذرد استفاده می‌شود و میله تیتانیومی با با برخورد با آن دیسک هربار خورد شده و پودر ایجاد می‌شود. پس اینکه پودرها آماده شد به نسبت مورد نیاز با هم ترکیب شده و چند ساعت را در همزن‌ها سپری می‌کنند تا به خوبی مخلوط شوند. پس از این مرحله پودر داخل قالب ریخته شده و داخل محفظه قرار می‌گیرد سپس با افزایش دما و فشار اتفاقی که می‌افتد آن است که در دماهای بالاتر با افزایش دامنه نوسانی اتمها بیشتر شده و این باعث بیشتر شدن نفوذ اتمی می‌شوند و اینگونه مواد در یکدیگر نفوذ کرده و ذرات به هم می‌چسبند. در این فرایند فشار یکسان در همه جهات باعث می‌شود تا خواص نهایی ایزوتروپیک باشد (همسانگرد) و تخلخلی وجود نداشته باشد. در این روش فشارهای بالایی به کار می‌رود (۱۰۰ تا 200 Mpa) که نیازمند استفاده از آلیاژها مستحکم برای مخازن آن است همچنین دما بسته به نوع پودرها از ۹۰۰ تا ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد متغیر است.

تجهیزات فرایند پرس ایزواستاتیک گرم

تجهیزات به کار رفته در این فرایند باید بتوانند دمای بالا و فشار زیادی را برای مدت زمان معلومی تحمل کنند، امروزه بیشتر تجهیزات به کار رفته در این فرایند شامل دیوار سرد، کوره خلأ است. اختلاف فشار با محیط توسط دیواره سر تحمل می‌شود و به همین خاطر باید از آلیاژهای مستحکم ساخته شود، دمای موردنیاز توسط کوره الکتریکی ایجاد می‌شود. داخل کوره خلأ که فشار آن تا ۱۰ مرتبه کمتر از فشار هوا محیط است فقط تنها عامل انتقال حرارت تابش است، در محفظه فشار چگالی گازهایی که برای ایجاد فشار به کار می‌رود به قدری زیاد می‌شود که ممکن است چگالی آن از آب بیشتر شود، در این ناحیه تفاوت چگالی و ویسکوزیته پایین گاز باعث می‌شود تا احتمال به وجود آمدن مکانیزم جابجایی برای انتقال حرارت بسیار زیاد شود. کنترل این مکانیزم بسیار حیاتی است، برای این کار از یک دیواره عایق نازک استفاده می‌کنند، نازک بودن این عایق به این خاطر است که محفظه تحت فشار بیش از حد کوچک نشود. ضخامت این دیواره بر اساس انتقال حرارتی که مکانیزم جابجایی منجر می‌شود تعیین می‌شود. آلیاژهای به کار رفته در این دیواره عایق و کوره دارای مولیبدن هستند که آستانه گرمایی آن‌ها را افزایش می‌دهد، همچنین در آن‌ها ممکن است از گرافیت، صفحات گرافیتی استفاده شود. در محیط‌هایی که اندکی اکسیژن موجود است از پلاتین هم ممکن است استفاده شود. برای تنظیم دما در این کوره‌ها از ترموکوپل‌های پلاتین-رادیم استفاده می‌شود که می‌توانند تا دمای ۱۷۵۰ درجه سانتی گراد را تشخیص دهند. هرچه دمای کاری بالاتر باشد عمر ترموکوپل کمتر شده و دقت دمایی که گزارش می‌کند کاهش می‌یابد. سیستم کوره و کنترل دمای آن حساس‌ترین و مهم‌ترین بخش تجهیزات پرس ایزواستاتیک گرم است. معمولاً محفظه تحت فشار برای امنیت بیشتر ۴ لایه‌ای است تا بتواند فشار بالا را تحمل کند.

قابلیت تولید قطعه با روش پرس ایزواستاتیک گرم

قطعات تولیدی در این روش طیف گسترده‌ای را شامل می‌شوند، با این روش می‌توان قطعات بزرگی را با دقت فوق‌العاده‌ای تولید کرد مانند قطعات صنایع نفت که گاهی وزنی در حدود ۳۰ تن دارند یا پره‌های توربین با قطرهای ۱ متری، در مقابل قطعات بزرگ این فرایند می‌توان قطعات کوچکی همچون تیغچه‌ها ابزارهای تراشکاری (HSS) یا مته‌های دریل را تولید کند. با این توانایی‌ها این روش در سال‌های اخیر به یکی از روش‌های پرکاربرد در تولید قطعات تبدیل شده‌است.