Способ заполнения капсул гранулами порошка Российский патент 2023 года по МПК B22F3/15 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам горячего изостатического прессования из порошковых материалов в герметичных капсулах.

Технология горячего изостатического прессования (далее ГИП) состоит из отдельных этапов: заполнение контейнера порошковым материалом, вакуумную термическую дегазацию порошка в капсуле, герметизацию капсулы путем заварки загрузочного отверстия и последующее горячее уплотнение в условиях всестороннего сжатия.

В большинстве случаев капсулу и ее конструктивные элементы изготавливают из низкоуглеродистой листовой стали толщиной примерно 2 мм путем последовательного раскроя, его гибки и сварки. Таким способом изготавливают длинные цилиндрические капсулы (l/D - 10…15) [Леушин И.О., Романов А.С., Леушина Л.И., Явтушенко П.М. Конструктивные элементы капсул горячего изостатического прессования металлических порошков: современные тренды // Теория и технология металлургического производства. 2020. №3(34). С. 26-30]. В верхней части капсулы предусматривается ввариваемая трубка внутренним диаметром не более 20 мм для заполнения порошком. Так же существуют варианты изготовления капсул, методом вытяжки металла и его последующей сварки [Контейнер для прессования порошка для получения заготовки (варианты) и способ улучшения использования материала во время горячего изостатического прессования. RU 2538249 С9, опубл. 27.02.2012].

Изготовленную капсулу устанавливают на вибрационную платформу для ее заполнения порошком из контейнера, который расположен выше. Во время или после заполнения капсулы следует операция виброуплотнения которая занимает время более 30-ти секунд. Применение вибрации позволяет получить дополнительное уплотнение порошковой формовки.

Известно, что наиболее интенсивное уплотнение наблюдается в течение первых 20-30 с вибрирования. Более длительное приложение вибрации на изменение общей плотности формовки влияет незначительно, но приводит к сегрегации частиц по размерам или по насыпной плотности, а также к существенному возрастанию внутренних напряжений в прессовке, что является нежелательным [Способ горячего изостатического прессования изделий из металлических порошков. RU 2007275 С1, опубл. 15.02.1994].

Приложение незначительного статического давления в пределах 0,5-5,0 МПа к порошковой засыпке во время ее вибрирования способствует увеличению плотности порошковой формовки без значительных деформаций и хрупкого разрушения порошковых частиц.

Следует отметить, что рассмотренная схема изготовления капсул для ГИП исключает возможность приложения небольшого давления в верхней точке капсулы из-за малого диаметра отверстия для засыпки.

Таким образом рассматриваемый технологический процесс вибрационного заполнения капсул приводит к сегрегации частиц по размерам в процессе вибрирования,

что приводит к неравномерной относительной плотности по высоте капсул. Отсутствие приложения небольшого давления в верхней точке капсулы приводит к получению не равномерно распределенных и пониженных значений относительной плотности порошковой засыпки по высоте капсулы.

Однако плотность и однородность распределения порошка может быть увеличена, если после свободного виброуплотнения уплотняемую формовку нагрузить небольшим статическим давлением и на короткое время повторно включить вибрирование.

После заполнения капсулу подвергают горячей вакуумной дегазации в вакууме при подъеме температуры до 650°С со скоростью 60…100°С/час. Трубку для засыпки порошка подключают к вакуумной системе, а корпус капсулы помещают в термическую печь и проводят ее нагрев с непрерывной откачкой газов. Дегазация необходима для удаления газов, поглощенных поверхностью порошка при их изготовлении и последующих технологических операциях в связи с их большой удельной поверхностью, и как следствие, повышенной химической активностью. Влияние газовых примесей на свойства получаемых сплавов негативное и приводит к снижению механических свойств. Газы в компактах, полученных ГИП, образуют простые химические соединения - оксиды, карбиды, нитриды, а также более сложные, например, окси-карбо-нитриды. После выполнения цикла дегазации капсулу герметизируют сваркой трубки для заполнения порошка в нескольких точках с последующим контролем герметичности неразрушающими методами.

Из уровня техники известен способ заполнения капсул гранулами порошка, принимаемый за первый прототип, включающий размещение капсул на вибростоле, порционную подачу гранул через загрузочный патрубок капсулы через воронку, периодическое виброуплотнение. После подачи каждой порции гранул применяют пульсирующее давление с плоской торцевой поверхностью. При этом давление составляет 0,2 - 0,8 кг/мм², а частота пульсации стержня равна 0,1 - 0,3 Гц [Способ заполнения капсул гранулами порошка труднодеформирумых сплавов. RU 2002578 С1, опубл. 15.11.1993].

Такой способ уплотнения требует применения сложного механизма, предназначенного для ввода, вибрирующего тонкого, нежесткого стержня в полость капсулы, через загрузочный патрубок для вибрирования каждой порции засыпаемого порошка.

Из уровня техники известен способ заполнения капсул гранулами порошка, принимаемый за второй прототип, включающий размещение капсул на вибростоле входящий в состав сложной установки. Повышение общей относительной плотности засыпки в капсуле достигается за счет применения композиции из различных по размеру гранул, которые засыпают поочередно в капсулу [Установка для получения герметичных капсул с металлическим порошком для горячего изостатического прессования (ГИП) изделий и способ получения герметичных капсул с металлическим порошком для ГИП изделий. RU 2650375 С1, опубл. 11.04.2018].

Такой способ получения засыпок капсул является нецелесообразным т.к. при изготовлении порошков для ГИП получают порошок широкого фракционного состава и переработка или рассев его на различные фракции достаточно экономически затратный.

Технический результат предлагаемого решения заключается в получении цилиндрических капсул (1/D - 10…15) для ГИП из сферического порошка широкого гранулометрического состава которые имеют максимально возможную плотную упаковку сферических, а также близкий гранулометрический состав и относительную плотность порошковой формовки в верхней и нижней части капсулы, что обеспечивает минимальную и хорошо прогнозируемую усадку формовок после ГИП.

Технический результат достигается тем, что в способе получения заполненных порошком капсул для горячего изостатического прессования, включающем использование эластичной капсулы для заполнения ее порошком при одновременном приложении вибрации для ее уплотнения и приложении механического давления на полученную порошковую формовку, согласно изобретению используют эластичную капсулу, состоящую из двух частей – цилиндрической, имеющей отверстие диаметром от 100 до 300 мм и дно, и отдельного оголовка с патрубком для дегазации и заглушкой, предназначенного для осуществления механического давления на порошковой формовку при проведении вибрации, вибрацию порошка к капсуле производят в два этапа – предварительную, при одновременном быстром заполнении эластичной капсулы порошком в пределах 10-20 секунд, и кратковременную окончательную в течении 5-10 секунд, при приложении механического давления 0,5-5,0 МПа на порошковую формовку за счет установки на верх капсулы оголовка для ее заглушения и нагружающего устройства.

Для исключения рассмотренных недостатков при вибрационном уплотнении капсул разработана конструкция съемного оголовка капсулы (фиг. 1: 1 - заглушка, 2 - загрузочный патрубок, 3 - сварное соединение). Съемный оголовок обеспечивает возможность приложения незначительного статического давления на порошковую формовку. Оголовок представляет собой сварную конструкцию в патрубок для дегазации которой установлена заглушка. Заглушку после вибрирования и приварки оголовка удаляют.

Использование капсулы со съемным оголовком позволяет проводить засыпку капсулы через отверстие диаметром 100 и более миллиметров с большой скоростью при одновременном приложении вибрации, что исключает сегрегацию порошковой шихты. Время засыпки порошка и его вибрации не превышает 10…20 секунд.

После этого на верх капсулы с порошком устанавливаются съемный оголовок с заглушкой на него оказывается небольшое давление 0,5-5,0 МПа и вновь включают вибрацию на 5…10 секунд добиваясь совмещения мест для сварки оголовка и стенки капсулы (фиг. 2). При повторной вибрации с приложением небольшого давления в капсулы формируется максимально возможная относительная плотность порошковой засыпки и ее благоприятное ее распределение по высоте капсулы.

Далее выполняется кольцевой шов для объединения оголовка и капсулы в единое изделие, удаляется заглушка и через патрубок в оголовке производится контроль герметичности полученной капсулы (фиг. 3).

После того как получены подтверждение герметичности капсулы она передается на вакуумное термическую дегазацию и производится цикл ГИП.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к заполнению капсул для горячего изостатического прессования. Способ включает заполнение эластичной капсулы порошком при одновременном приложении вибрации для ее уплотнения и приложении механического давления на полученную порошковую формовку. При этом используют эластичную капсулу, состоящую из двух частей – цилиндрической, имеющей отверстие диаметром от 100 до 300 мм и дно, и отдельного оголовка с патрубком для дегазации и заглушкой, предназначенного для осуществления механического давления на порошковую формовку при проведении вибрации. Вибрацию порошка к капсуле производят в два этапа – предварительную, при одновременном быстром заполнении эластичной капсулы порошком в пределах 10-20 с, и кратковременную окончательную в течение 5-10 с, при приложении механического давления 0,5-5,0 МПа на порошковую формовку за счет установки на верх капсулы оголовка для ее заглушения и нагружающего устройства. Обеспечивается получение капсул с максимально плотной упаковкой и минимальной усадкой формовок после горючего изостатического прессования. 3 ил.

Способ получения заполненных порошком капсул для горячего изостатического прессования, включающий использование эластичной капсулы для заполнения ее порошком при одновременном приложении вибрации для ее уплотнения и приложении механического давления на полученную порошковую формовку, отличающийся тем, что используют эластичную капсулу, состоящую из двух частей - цилиндрической, имеющей отверстие диаметром от 100 до 300 мм и дно, и отдельного оголовка с патрубком для дегазации и заглушкой, предназначенного для осуществления механического давления на порошковую формовку при проведении вибрации, вибрацию порошка в капсуле проводят в два этапа - предварительную, при одновременном быстром заполнении эластичной капсулы порошком в пределах 10-20 с, и кратковременную окончательную в течение 5-10 с, при приложении механического давления 0,5-5,0 МПа на порошковую формовку за счет установки на верх капсулы оголовка для ее заглушения и нагружающего устройства.