מדוע הפכה לחיצה איזוסטטית חמה ל"נשק הסודי של צפיפות" עבור קרמיקה מתקדמת?

סקירה כללית של טכנולוגיית לחיצה איזוסטטית חמה [1,2]

לחיצה איזוסטטית חמה (HIP) הוא תהליך שבו נעשה שימוש בתווך גז אינרטי (כגון ארגון או חנקן) כדי להפעיל לחץ שווה לכל הכיוונים על חומר בטמפרטורה גבוהה (900-2000 מעלות) ולחץ גבוה (50-200 MPa), ובכך להשיג ציפוף.

מחקר HIP החל בשנת 1955, כאשר מכון באטל בארצות הברית ביצע עבודה לפיתוח חומרי כור גרעיני. הוא שימש לראשונה לחיבור דיפוזיה של יסודות דלק בתגובות אנרגיה אטומית; בהתבסס על יישום זה, זה נקרא אז "חיבור לחץ גז". בשנת 1963, הטכנולוגיה הוצגה לאירופה. החברה השוודית ASEA השתמשה במבנה מלופף חוטי פלדה דחוס לייצור מכלי לחץ גבוה. המבנה הקומפקטי, הבטוח והאמין שלו הניח בסיס איתן לפיתוח נמרץ של טכנולוגיית HIP. מאוחר יותר, באמצעות שיפורים מתמשכים על ידי מוסדות כגון Kennametal, המכון המרכזי למחקר ברזל ופלדה בבייג'ינג (להלן CISRI), וחברת AE של ארצות הברית, הורחבו מאוד הפיתוח והיישום של ציוד HIP.

הדרישה לתהליכי HIP ביישומי ייצור כגון הכנת חומרי אבקת מתכות, צפיפות יציקה, רכיבי טורבינת גז תעופה וחלל תעשייתית, מנועי רקטות, לוויינים ויציקות גוף של חלליות, הצטרפות מרוכבים ועיצוב כמעט נטו גדלה מיום ליום. בהכנת חומרים מיוחדים בעלי ביצועים גבוהים, הוא מראה יתרונות שאין דומה להם בטכנולוגיות אחרות.

פיתוח טכנולוגיית לחיצה איזוסטטית חמה בבית ומחוצה לה

2.1 פיתוח מקומי של טכנולוגיית כבישה איזוסטטית חמה [3,4]

CISRI החלה לחקור את המכבש האיזוסטטי החם הראשון של סין בשנת 1972. במהלך שנים רבות של מחקר ופיתוח, CISRI שלטה בטכנולוגיות המפתח של מכבשים איזוסטטיים חמים: טכנולוגיית טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה. מבחינת בטיחות, אמינות ויציבות הציוד, הוא הגיע לתקן ASEM האמריקאי, והאינדיקטורים הטכניים העיקריים של המכבשים האיזוסטטיים החמים שייצרה הגיעו לרמה של המכבשים האיזוסטטיים החמים הקיימים של חברת AVURE השוודית.

ביולי 2008, המכבש האיזוסטטי החם הביתי הגדול ביותר באותה תקופה (Φ1250 מ"מ × 2500 מ"מ, 1350 מעלות, 150 MPa), שיוצר על ידי CISRI עבור חברת האחזקות Advanced Technology & Materials Co., Ltd. הזמנת ציוד זה מילאה את הפער בטכנולוגיית כבישה איזוסטטית חמה בקנה מידה גדול בסין ויצרה תנאים לפיתוח וייצור של סגסוגות בטמפרטורה גבוהה, חוזק גבוה, קרמיקה פונקציונלית, חומרים מרוכבים, חומרים סופר-קשים ומוצרי חומרי היי-טק אחרים לתעופה וחלל, תעשייה גרעינית, אלקטרוניקה ומטלורגיה, ספינות ותחומים נוספים.

ביולי 2024, China Iron & Steel Research Institute Group Co., Ltd פרסמה רשמית את הסט הראשון של סין של ציוד לחיצה איזוסטטי חם במיוחד, HIPEX1850. זהו כיום ציוד הכבישה האיזוסטטי החם הגדול ביותר בסין והשני בגודלו בעולם מבחינת גודלו, והוא יכול לשמש לעיבוד רכיבי ליבה גדולים בתחומים כמו התעשייה האווירית של סין. שחרורו של ציוד זה מציין שטכנולוגיית ייצור ציוד הכבישה האיזוסטטי החם של סין הגיעה לרמה מובילה בעולם בגודל ציוד, פרמטרי עיבוד, עיצוב מודולרי, בקרה חכמה, יציבות ציוד והיבטים נוספים. הציוד מאמץ מבנה מלופף חוטי פלדה, עם משקל חוטי פלדה כולל של 350 ט' ואורך כולל של כ-6,000 ק"מ. יש לו קיבולת עומס חומר של 30 ט' לכל תנור והוא יכול לבצע עיבוד כבישה איזוסטטית חמה יעילה ומדויקת על רכיבי ליבה כגון מארזי מנוע אווירי גדולים במיוחד, להבי מנוע, חרירי דלק ודיסקיות טורבינה.

2.2 פיתוח זר של טכנולוגיית כבישה איזוסטטית חמה

בשנת 1965, הוקם המכבש האיזוסטטי החם הראשון שפותח על ידי מכון באטל בארצות הברית, שסימן את לידתו של ציוד לחיצה איזוסטטי חם [5]. בציוד הכבישה האיזוסטטי החם המוקדם ביותר, הושחל החיבור בין מכסה הקצה לגוף הצילינדר של כלי הלחץ הגבוה, ולא ניתן היה להבטיח בטיחות ותפעול. לאחר שנים רבות של מחקר ותכנון, למכבשים איזוסטטיים חמים המתקדמים של ימינו יש מבנה מסגרת מלופפת חוט פלדה דחוס, והחיבור בין מכסה הקצה לגוף הצילינדר של כלי הלחץ הגבוה הוא ללא הברגה.

נכון לעכשיו, היצרנים העיקריים של ציוד לחיצה איזוסטטי זר כוללים את Quintus משבדיה, EPSI מבלגיה, AIP מארצות הברית, Bodycote מבריטניה וקובי סטיל מיפן. ביניהם, קווינטוס היא כיום חברה בת בבעלות מלאה של קובי סטיל, יפן. ציוד הלחיצה האיזוסטטי החם של קווינטוס מאמץ מבנה מלופף חוטי פלדה דחוס ונמצא בעמדה מובילה בתחום הלחץ הגבוה במיוחד. מאז שיצרה את המכבש האיזוסטטי הראשון של QUINTUS® בשנת 1965, היא סיפקה כמעט 1,000 צילינדרים ורכיבים מלופפים חוטי פלדה דחוסים ברחבי העולם, סיפקו כ-60% מציוד הכבישה האיזוסטטי החם, וכ-80% מהציוד הזה הוא בעל קוטר יעיל של יותר מ-1 מטר. היא גם פיתחה את ציוד הכבישה האיזוסטטי החם הגדול בעולם (אזור חם יעיל: Ø2050 מ"מ × 4200 מ"מ; טמפרטורת עבודה ולחץ מקסימליים: 1350 מעלות /118 MPa), אשר נמסר בהצלחה לחברת MTC ביפן [6].

יישום טכנולוגיית כבישה איזוסטטית חמה בקרמיקה מתקדמת

בתקופתו המוקדמת, מכיוון שהעלות הכוללת של הציוד הייתה גבוהה יחסית, התפתחות טכנולוגיית הכבישה האיזוסטטית החמה הייתה איטית, ויישומיה התרכזו רק בתחומים מעטים כמו תעשייה צבאית ותגובות גרעיניות. בשנים האחרונות, עם התקדמות מתמשכת של המדע והטכנולוגיה, תחומים שונים הטילו דרישות מחמירות יותר ויותר לשימוש בחומרים. טכנולוגיית כבישה איזוסטטית חמה תופסת עמדה מועילה בהכנת חומרים בעלי תכונות מקיפות מצוינות כגון צפיפות גבוהה, טוהר גבוה, אחידות גבוהה וקשיחות גבוהה. טכנולוגיה זו הפכה לטכנולוגיה מעשית בייצור חומרים רבים בעלי ביצועים גבוהים כיום והיא גם טכנולוגיה חדשה הכרחית לפיתוח חומרים חדשים [3].

3.1 שיפור צפיפות

קרמיקה מתקדמת היא חומרים אנאורגניים שאינם מתכתיים בעלי ביצועים גבוהים שהוכנו באמצעות עיצוב והנדסה מדויקים. יש להם תכונות ייחודיות כמו עמידות בטמפרטורה גבוהה, בידוד גבוה, עמידות בפני שחיקה וקורוזיה ותאימות ביולוגית. הם נחשבים כ"חומרים האולטימטיביים לסביבות קיצוניות" והם גם חומרי ליבה אסטרטגיים עבור מוליכים למחצה, כוח מחשוב בינה מלאכותית, רכבי אנרגיה חדשים, תעופה וחלל ורפואת שיניים רפואית. עם זאת, מוצרי קרמיקה מתקדמים מכילים בדרך כלל 5%-10% נקבוביות גזיות, המפחיתות את הקשיחות והחוזק של המוצרים. לכן, הפחתת נקבוביות גזים ושיפור הצפיפות יכולים לשפר משמעותית את הביצועים של מוצרי קרמיקה. כיום, טיפול ציפוף לחיצה איזוסטטית חמה הוא התהליך הטוב ביותר לשיפור הצפיפות של מוצרי קרמיקה.

תהליך דחיסה איזוסטטית חמה מכניס את המוצר לכלי אטום. מדחס מזין ארגון בלחץ גבוה לתוך הכלי, בעוד תנור חימום בתוך הכלי מחמם אותו, כך שהמוצר מצטמצם בפעולה משולבת של טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה. ניתן לחלק את התהליך לשני שלבים. בשלב הראשון, פגמים ונקבוביות פנימיים עוברים דפורמציה פלסטית בתנאי שהלחץ החיצוני גדול מחוזק החומר בטמפרטורה גבוהה. הפגמים והנקבוביות נהרסים, מה שגורם למשטחים הפנימיים שלהם לבוא במגע זה עם זה. בשלב השני, כאשר הלחץ החיצוני נמוך מחוזק החומר בטמפרטורות גבוהות, החומר עובר זחילה בטמפרטורה גבוהה, ובמקביל משטחי הסגסוגת הנוגעים במגע חודרים הדדית ומתחברים בדיפוזיה, ומבטלים פגמים ונקבוביות באופן יסודי. באמצעות טיפול זה, צפיפות החומר מתקרבת בעצם לצפיפות התיאורטית [7].

ג'אנג יונג ואחרים. מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה בייג'ינג [8] למד קרמיקה מוקצפת סיליקון ניטריד. באמצעות תהליך דחיסה איזוסטטית חמה בטמפרטורה של 1600-1750 מעלות, לחץ של 134-188 MPa וזמן החזקה של 1-2 שעות, הצפיפות גדלה מ-2.674 גרם/ס"מ ל-3.332 גרם\\ס"מ³, וחוזק הלחיצה גדל כמעט פי שלושה.

3.2 ביטול נקבוביות ופגמים

הקשרים הכימיים של קרמיקה שקופה הם בעיקר קשרים קוולנטיים או יוניים. ללא הפעלת לחץ עזר, קשה לסנן אותם לצפיפות מלאה, ושאריות הנקבוביות ישפיעו על השידור האופטי של הקרמיקה. טכנולוגיית HIP היא כלי רב עוצמה לפיתוח וייצור קרמיקה שקופה באיכות אופטית גבוהה [9]. טכנולוגיה זו משתמשת בגז אינרטי כמדיום; טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה מפחיתים את חוזק התפוקה של החומר ומשפרים את העיוות הפלסטי ואת יכולת הדיפוזיה האטומית. זוהי טכנולוגיה יעילה לחיסול נקבוביות, הרכבה הומוגנית וייצוב תכונות החומר.

המאפיין של כבישה איזוסטטית חמה להיות מסוגל לסלק נקבוביות סגורות בחומרים רב-גבישיים עונה בדיוק על הדרישות של קרמיקה שקופה לכמה שפחות נקבוביות ומעבר אופטי אידיאלי. מכיוון שטמפרטורת הסינטר של קרמיקה שקופה היא בדרך כלל גבוהה מ-1300 מעלות, קשה לסנטר ישירות אבקת קרמיקה שהועמסה לתוך מעטפת מתכת. במקום זאת, גופים ירוקים קרמיים יכולים להיות מסוננים מראש רק עד שהנקבוביות נסגרות, ואז מתבצעת ציפוף לחיצה איזוסטטית חמה [10]. התפקיד הגדול ביותר של לאחר טיפול לחיצה איזוסטטית חמה עבור קרמיקה שקופה הוא שתחת טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה, יכולת הדיפוזיה האטומית משופרת, מה שמניע את הנקבוביות בקרמיקה לנדוד לגבולות התבואה או למשטח העבודה, ובכך להקטין ולחסל את הנקבוביות.

Toci et al. [11] השתמשו בסינטר ואקום ובלחיצה איזוסטטית חמה להכנת קרמיקה שקופה בלייזר של 3 at.% Yb:Sc2O3. בהשוואה בין שתי הדגימות, גודל הגרגירים של הדגימה לאחר לחיצה איזוסטטית חמה גדל מעט ל-2.8 מיקרומטר, כמעט לא ניתן היה לראות נקבוביות בתוך הגרגרים, והשידור של כל הדגימות ב-1100 ננומטר עלתה על 70%. זה מצביע על כך שכבישה איזוסטטית חמה יכולה לחסל נקבוביות המיוצרות על ידי סינטר ואקום ללא צמיחת גרגרים משמעותית. על מנת להשיג קרמיקה עדינה, טמפרטורת סינטר הוואקום לא צריכה להיות גבוהה מדי. טרום הינטה בוואקום ב-1650 מעלות בשילוב עם לחיצה איזוסטטית חמה ב-1800 מעלות הוא התהליך האופטימלי לחומר קרמי שקוף זה.

3.3 זיקוק דגנים

באמצעות ההשפעה הסינרגטית של טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה, HIP משיגה ציפוף של קרמיקה בטמפרטורה נמוכה יחסית, תוך עיכוב צמיחת גרגירים חריגה בקרמיקה וצמצום הזדמנויות לקיומם של גבולות תאומים וגבולות גרגרים עם זווית נמוכה [12]. לכן, על ידי שימוש בחומרי גלם בגודל אולטרה-דק או ננו ואימוץ טמפרטורות טרום-הלבנה נמוכות יחסית וכבישה איזוסטטית חמה, ניתן להשיג גרגירים עדינים וגבולות גרגרים ברוחב צר יותר.

3.4 עיצוב כמעט נטו של קרמיקה בגודל גדול ולא סדיר

טכנולוגיית לחיצה איזוסטטית חמה מחילה בו זמנית גז אינרטי בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה על המוצר. זה יכול להסיר ביעילות חללים פנימיים וליצור קשר מתכתי חזק בכל החומר, פותר רבות את הקשיים בהכנת קרמיקה או חומרים מרוכבים קרמיקה-מתכת, ויש לו יתרונות משמעותיים במיוחד בהכנת חומרים קרמיים בגודל גדול ומורכב. בנוסף, תכונה בולטת מאוד של סינטר לחיצה איזוסטטית חמה היא שתא התנור שלו עשוי גדול מאוד. בשילוב עם מאפייני הלחיצה האיזוסטטיים שלו, זה יכול להשלים את הסינטר של חלקים מורכבים לא סדירים בגדלים גדולים, והמוצרים המסונטים אינם דורשים עיבוד מכני לאחר מכן.

בנוסף לפונקציות שלעיל, יישום אופייני נוסף של לאחר טיפול לחיצה איזוסטטית חמה הוא ציפויים קרמיים. ציפויים המיוצרים על ידי ריסוס תרמי מועדים לשני פגמים: הראשון, חוזק מליטה ירוד למצע; שנית, סביר להניח שיופיעו נקבוביות בציפוי, וכתוצאה מכך צפיפות נמוכה, מה שגורם לציפוי להתקלף בקלות. באמצעות לאחר טיפול לחיצה איזוסטטית חמה, ניתן לשפר את צפיפות הציפוי, בעוד כוח ההדבקה עם המצע גדל, הדלמינציה נעלמת והציפוי והמצע הופכים למכלול משולב.