Visão geral da tecnologia de prensagem isostática a quente [1,2]
A prensagem isostática a quente (HIP) é um processo no qual um meio de gás inerte (como argônio ou nitrogênio) é usado para aplicar pressão igual em todas as direções a um material sob alta temperatura (900–2000 graus) e alta pressão (50–200 MPa), alcançando assim a densificação.
A pesquisa HIP começou em 1955, quando o Instituto Battelle, nos Estados Unidos, realizou trabalhos para o desenvolvimento de materiais para reatores nucleares. Foi usado pela primeira vez para ligação por difusão de elementos combustíveis em reações de energia atômica; com base nesta aplicação, foi então chamada de "ligação por pressão de gás". Em 1963, a tecnologia foi introduzida na Europa. A empresa sueca ASEA utilizou uma estrutura enrolada em fio de aço protendido para fabricar vasos de alta pressão. Sua estrutura compacta, segura e confiável estabeleceu uma base sólida para o vigoroso desenvolvimento da tecnologia HIP. Mais tarde, através de melhorias contínuas por parte de instituições como a Kennametal, o Instituto Central de Pesquisa de Ferro e Aço de Pequim (doravante denominado CISRI) e a AE Company dos Estados Unidos, o desenvolvimento e a aplicação de equipamentos HIP foram bastante expandidos.
A demanda por processos HIP em aplicações de produção, como preparação de materiais de metalurgia do pó, densificação de fundição, componentes aeroespaciais e industriais de turbinas a gás, motores de foguetes, satélites e peças fundidas de naves espaciais, uniões compostas e modelagem quase-rede tem aumentado dia a dia. Na preparação de materiais especiais de alto desempenho, apresenta vantagens incomparáveis com outras tecnologias.
Desenvolvimento de tecnologia de prensagem isostática a quente no país e no exterior
2.1 Desenvolvimento Interno de Tecnologia de Prensagem Isostática a Quente [3,4]
O CISRI começou a pesquisar a primeira prensa isostática a quente da China em 1972. Através de muitos anos de pesquisa e desenvolvimento, o CISRI dominou as principais tecnologias das prensas isostáticas a quente: tecnologia de alta temperatura e alta pressão. Em termos de segurança, confiabilidade e estabilidade do equipamento, atingiu o padrão ASEM dos EUA, e os principais indicadores técnicos das prensas isostáticas a quente que produziu atingiram o nível das prensas isostáticas a quente existentes da empresa sueca AVURE.
Em julho de 2008, a maior prensa isostática a quente doméstica da época (Φ1250 mm × 2500 mm, 1350 graus, 150 MPa), fabricada pela CISRI para sua holding Advanced Technology & Materials Co., Ltd., foi instalada, depurada e oficialmente colocada em operação com sucesso. O comissionamento deste equipamento preencheu a lacuna na tecnologia de prensagem isostática a quente em larga escala na China e criou condições para o desenvolvimento e produção de ligas de alta temperatura e alta resistência, cerâmica funcional, materiais compósitos, materiais superduros e outros produtos de materiais de alta tecnologia para a indústria aeroespacial, a indústria nuclear, a electrónica e a metalurgia, os navios e outros campos.
Em julho de 2024, o China Iron & Steel Research Institute Group Co., Ltd. lançou oficialmente o primeiro conjunto de equipamentos de prensagem isostática a quente ultragrandes da China, HIPEX1850. Este é atualmente o maior equipamento de prensagem isostática a quente da China e o segundo maior do mundo em termos de tamanho, e pode ser usado para o processamento de grandes componentes principais em áreas como a indústria aeroespacial da China. O lançamento deste equipamento marca que a tecnologia de fabricação de equipamentos de prensagem isostática a quente da China atingiu um nível líder mundial em tamanho de equipamento, parâmetros de processamento, design modular, controle inteligente, estabilidade de equipamento e outros aspectos. O equipamento adota uma estrutura enrolada em fio de aço protendido, com peso total de fio de aço de 350 t e comprimento total de cerca de 6.000 km. Ele tem uma capacidade de carga de material de 30 t por forno e pode realizar processamento de prensagem isostática a quente eficiente e preciso em componentes principais, como carcaças de motores aeronáuticos ultragrandes, pás de motores, bicos de combustível e discos de turbinas.
2.2 Desenvolvimento estrangeiro de tecnologia de prensagem isostática a quente
Em 1965, surgiu a primeira prensa isostática a quente desenvolvida pelo Battelle Institute nos Estados Unidos, marcando o nascimento do equipamento de prensagem isostática a quente [5]. Nos primeiros equipamentos de prensagem isostática a quente, a conexão entre a tampa da extremidade e o corpo do cilindro do recipiente de alta pressão era rosqueada e a segurança e a operabilidade não podiam ser garantidas. Depois de muitos anos de pesquisa e design, as prensas isostáticas a quente avançadas de hoje têm uma estrutura de estrutura enrolada em fio de aço protendido e a conexão entre a tampa da extremidade e o corpo do cilindro do vaso de alta pressão não tem rosca.
Atualmente, os principais fabricantes de equipamentos estrangeiros de prensagem isostática a quente incluem Quintus da Suécia, EPSI da Bélgica, AIP dos Estados Unidos, Bodycote do Reino Unido e Kobe Steel do Japão. Entre eles, a Quintus é agora uma subsidiária integral da Kobe Steel, no Japão. O equipamento de prensagem isostática a quente da Quintus adota uma estrutura enrolada em fio de aço protendido e está em uma posição de liderança no campo de ultra-alta pressão. Desde a fabricação de sua primeira prensa isostática QUINTUS® em 1965, ela entregou cerca de 1.000 cilindros e componentes enrolados em fio de aço protendido em todo o mundo, forneceu cerca de 60% de equipamentos de prensagem isostática a quente e cerca de 80% desses equipamentos têm um diâmetro efetivo superior a 1 m. Também desenvolveu o maior equipamento de prensagem isostática a quente do mundo (zona quente efetiva: Ø2050 mm × 4200 mm; temperatura e pressão máximas de trabalho: 1350 graus/118 MPa), que foi entregue com sucesso à MTC Company no Japão [6].
Aplicação da tecnologia de prensagem isostática a quente em cerâmica avançada
No seu período inicial, porque o custo global do equipamento era relativamente elevado, o desenvolvimento da tecnologia de prensagem isostática a quente foi lento e as suas aplicações concentraram-se apenas em alguns campos, como a indústria militar e as reacções nucleares. Nos últimos anos, com o avanço contínuo da ciência e da tecnologia, vários campos têm imposto requisitos cada vez mais rigorosos ao uso de materiais. A tecnologia de prensagem isostática a quente ocupa uma posição vantajosa na preparação de materiais com excelentes propriedades abrangentes, como alta densidade, alta pureza, alta uniformidade e alta tenacidade. Esta tecnologia tornou-se hoje uma tecnologia prática na produção de muitos materiais de alto desempenho e também é uma nova tecnologia indispensável para o desenvolvimento de novos materiais [3].
3.1 Melhorando a Densidade
Cerâmicas avançadas são materiais inorgânicos não metálicos de alto desempenho preparados por meio de projeto e engenharia precisos. Eles possuem propriedades únicas, como resistência a altas temperaturas, alto isolamento, resistência ao desgaste e à corrosão e biocompatibilidade. Eles são aclamados como “os materiais definitivos para ambientes extremos” e também são materiais estratégicos essenciais para semicondutores, poder de computação de IA, novos veículos de energia, aeroespacial e odontologia médica. No entanto, os produtos cerâmicos avançados geralmente contêm 5% a 10% de poros gasosos, o que reduz a tenacidade e a resistência dos produtos. Portanto, reduzir os poros gasosos e melhorar a densidade pode melhorar significativamente o desempenho dos produtos cerâmicos. Atualmente, o tratamento de densificação por prensagem isostática a quente é o melhor processo para melhorar a densidade dos produtos cerâmicos.
O processo de densificação por prensagem isostática a quente coloca o produto em um recipiente selado. Um compressor alimenta o recipiente com argônio de alta pressão, enquanto um forno de aquecimento dentro do recipiente o aquece, de modo que o produto é densificado sob a ação combinada de alta temperatura e alta pressão. O processo pode ser dividido em duas etapas. No primeiro estágio, defeitos internos e poros sofrem deformação plástica sob a condição de que a pressão externa seja maior que a resistência do material a altas temperaturas. Os defeitos e poros são destruídos, fazendo com que suas superfícies internas entrem em contato umas com as outras. No segundo estágio, quando a pressão externa é inferior à resistência a altas temperaturas do material, o material sofre fluência em alta temperatura e, ao mesmo tempo, as superfícies de liga em contato se infiltram mutuamente e se ligam por difusão, eliminando completamente defeitos e poros. Através deste tratamento, a densidade do material aproxima-se basicamente da densidade teórica [7].
Zhang Yong et al. da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim [8] estudou cerâmica espumosa de nitreto de silício. Usando um processo de densificação por prensagem isostática a quente a uma temperatura de 1600–1750 graus, uma pressão de 134–188 MPa e um tempo de retenção de 1–2 h, a densidade aumentou de 2,674 g/cm³ para 3,332 g/cm³, e a resistência à compressão aumentou quase três vezes.
3.2 Eliminando Porosidade e Defeitos
As ligações químicas da cerâmica transparente são principalmente ligações covalentes ou iônicas. Sem aplicar pressão auxiliar, é difícil sinterizá-los até a densidade total e os poros residuais afetarão a transmitância óptica da cerâmica. A tecnologia HIP é uma ferramenta poderosa para desenvolver e produzir cerâmicas transparentes com alta qualidade óptica [9]. Esta tecnologia utiliza um gás inerte como meio; alta temperatura e alta pressão reduzem o limite de escoamento do material e melhoram a deformação plástica e a capacidade de difusão atômica. É uma tecnologia eficaz para eliminar poros, homogeneizar a composição e estabilizar as propriedades do material.
A característica da prensagem isostática a quente ser capaz de eliminar poros fechados em materiais policristalinos atende exatamente aos requisitos da cerâmica transparente para o menor número possível de poros e transmitância óptica ideal. Como a temperatura de sinterização da cerâmica transparente é geralmente superior a 1300 graus, é difícil sinterizar diretamente o pó cerâmico carregado em uma bainha de metal. Em vez disso, os corpos cerâmicos verdes só podem ser pré-sinterizados até que os poros se fechem e, em seguida, é realizada a densificação por prensagem isostática a quente [10]. O maior papel do pós-tratamento por prensagem isostática a quente para cerâmicas transparentes é que, sob alta temperatura e alta pressão, a capacidade de difusão atômica é aprimorada, fazendo com que os poros da cerâmica migrem para os limites dos grãos ou para a superfície da peça, reduzindo e eliminando assim os poros.
Toci et al. [11] usaram sinterização a vácuo e prensagem isostática a quente para preparar cerâmica transparente a laser com 3 at.% Yb:Sc2O3. Comparando as duas amostras, o tamanho do grão da amostra após a prensagem isostática a quente aumentou ligeiramente para 2,8 μm, quase nenhum poro pôde ser visto dentro dos grãos e a transmitância de todas as amostras a 1100 nm excedeu 70%. Isto indica que a prensagem isostática a quente pode eliminar os poros produzidos pela sinterização a vácuo sem crescimento significativo de grãos. Para obter cerâmica de granulação fina, a temperatura de sinterização a vácuo não deve ser muito alta. A pré-sinterização a vácuo a 1650 graus combinada com a prensagem isostática a quente a 1800 graus é o processo ideal para este material cerâmico transparente.
3.3 Refino de Grãos
Através do efeito sinérgico de alta temperatura e alta pressão, o HIP atinge a densificação da cerâmica a uma temperatura relativamente mais baixa, ao mesmo tempo que inibe o crescimento anormal de grãos na cerâmica e reduz as oportunidades para a existência de limites gêmeos e limites de grãos de baixo ângulo [12]. Portanto, usando matérias-primas ultrafinas ou nanométricas e adotando temperaturas relativamente baixas de pré-sinterização e prensagem isostática a quente, grãos finos e limites de grãos com largura mais estreita podem ser obtidos.
3.4 Modelagem Near-Net de Cerâmicas de Grande Porte e Irregulares
A tecnologia de prensagem isostática a quente aplica simultaneamente gás inerte de alta pressão e alta temperatura ao produto. Ele pode efetivamente remover vazios internos e formar uma forte ligação metalúrgica em todo o material, resolvendo grandemente as dificuldades na preparação de cerâmica ou materiais compósitos cerâmico-metal, e tem vantagens significativas, especialmente na preparação de materiais cerâmicos de grande porte e formatos complexos. Além disso, uma característica muito proeminente da sinterização por prensagem isostática a quente é que a câmara do forno é muito grande. Combinado com suas características de prensagem isostática, pode completar a sinterização de peças irregulares complexas de grande porte, e os produtos sinterizados não requerem usinagem mecânica subsequente.
Além das funções acima, outra aplicação típica do pós-tratamento por prensagem isostática a quente são os revestimentos cerâmicos. Os revestimentos produzidos por aspersão térmica são propensos a dois defeitos: primeiro, baixa resistência de ligação ao substrato; segundo, é provável que apareçam poros no revestimento, resultando em baixa densidade, o que faz com que o revestimento se descasque facilmente. Através do pós-tratamento por prensagem isostática a quente, a densidade do revestimento pode ser melhorada, enquanto a força de ligação com o substrato aumenta, a delaminação desaparece e o revestimento e o substrato tornam-se um todo integrado.