Способ и устройство для горячего изостатического прессования

 

Изобретение относится к прессу для горячего изостатического прессования, снабженному средствами быстрого охлаждения обработанных изделий. Предложен изостатический пресс для горячего изостатического прессования, содержащий сосуд (1) высокого давления, в котором расположена печная камера (2) так, что между ней и стенками указанного сосуда (1) имеется пространство (3). Печная камера (2) имеет теплоизоляционный кожух и теплоизоляционные верхнюю и нижнюю стенки, в которых расположены проходы (5, 6). Среду, передающую давление, удаляют непосредственно из внутренней зоны печной камеры (2), одновременно охлаждая обработанные изделия и понижая давление указанной среды. Техническим результатом является возможность быстрого охлаждения изделий до температуры, при которой с ними можно обращаться вручную. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Область применения Изобретение относится к прессу для горячего изостатического прессования, снабженному средствами быстрого охлаждения обработанных изделий после прессования путем удаления находящегося под давлением газа из печной камеры.

Предпосылки изобретения Известно применение прессов для горячего изостатического прессования для различных конечных операций, в том числе для уплотнения изделий, изготовленных из порошков, повышения плотности отливок, а также для газового соединения изделий. Такой пресс для горячего изостатического прессования (ГИП) обычно работает в широком диапазоне температур и давлений, а именно от 400 до 2000^oС и от 30 до 200 МПа (от 300 до 2000 бар). В качестве среды, передающей давление, обычно используют газообразный аргон, но также возможно применение других текучих сред, включая жидкости.

По существу, пресс для ГИП содержит сосуд высокого давления, в котором расположена печь. Обычно такая печь разогревается электрическими нагревательными элементами, расположенными вокруг ее наружных стенок. Нагревательные элементы в качестве альтернативы могут быть установлены в нижней части печи. Обычно электрические нагревательные элементы окружены теплоизоляционным кожухом. Верхняя и нижняя части печи каждая снабжены теплоизоляционным слоем с образованием печной камеры, имеющей теплоизоляционные стенки. Между теплоизоляционной печной камерой и стенками сосуда высокого давления имеется пространство, в котором находится среда, передающая давление. Температура среды, передающей давление, в пространстве, окружающем печную камеру, обычно ниже температуры этой же среды в печной камере, так как стенки сосуда высокого давления обычно охлаждаются окружающей средой, если для этого не предусмотрена охлаждающая система.

Для получения определенных свойств материалов во многих применениях желательно быстро охлаждать печную камеру. Для достижения кратковременного производственного цикла также как правило желательно как можно быстрее удалять обработанные изделия. В результате этого трудно охлаждать изделия до температуры, при которой было бы удобно с ними обращаться, и кроме этого достичь кратковременного производственного цикла.

В патенте США 4217087 описан способ ускорения охлаждения печной камеры пресса для ГИП путем циркуляции некоторого количества более холодного инертного газа из пространства, окружающего печную камеру, внутрь нее. Этот способ обеспечивает уменьшение времени охлаждения, но требует использования клапана с подвижными частями, встроенного в стенки сосуда высокого давления. Выполнение и установка клапанов, содержащих движущиеся части, внутри сосуда высокого давления пресса для ГИП является трудным и дорогим процессом из-за сильных напряжений, вызванных большим давлением в сочетании с высокой температурой.

В патенте США 5251880 описано охлаждающее устройство для пресса для ГИП, включающее отверстия в стенках между печной камерой и окружающим сосудом высокого давления и связанные с ними открывающие и закрывающие механизмы. В этом документе описаны отверстия, расположенные в верхней части печной камеры. Охлаждение способствует циркуляции газа, окружающего печную камеру, внутрь нее. Это устройство также содержит клапан с подвижными частями, выполнение и установка которого, аналогично клапану в патенте США 4217087, является трудным и дорогим процессом из-за сильных напряжений, вызванных большим давлением в сочетании с высокой температурой.

Из патента США 5123832 известен способ быстрого охлаждения печной камеры пресса для ГИП путем циркуляции через нее более холодной среды, передающей давление. В этом устройстве для охлаждения изделий и соответствующем способе в нижней части сосуда высокого давления и на нижней части печной камеры расположены один или несколько насосов или вентиляторов. Время охлаждения уменьшено путем циркуляции частей более холодного газа из пространства между стенками печной камеры и стенками сосуда высокого давления в печную камеру посредством насосов или вентиляторов. Однако недостаток этого устройства заключается в том, что сначала происходит охлаждение, за которым следует понижение давления, что способствует некоторому увеличению длительности производственного цикла. Охлаждение изделий до достаточно низкой температуры, позволяющей довольно просто обращаться с ними вручную, также несколько затягивается.

В Европейском патентном документе ЕР 0395884, опубликованном 17.11.1990 г., описан изостатический пресс для обработки изделий горячим изостатическим прессованием, содержащий сосуд высокого давления, в котором расположена печная камера так, что между ней и стенками сосуда высокого давления имеется пространство, при этом печная камера имеет теплоизоляционный кожух и теплоизоляционную нижнюю стенку, а в стенках печной камеры расположены проходы. Этот пресс также имеет недостаток, заключающийся в том, что при охлаждении обработанных в нем изделий сначала происходит охлаждение, а затем следует понижение давления, что способствует увеличению длительности производственного цикла.

В этом же Европейском патентном документе ЕР 0395884 описан способ быстрого охлаждения обработанных изделий в прессе для горячего изостатического прессования путем удаления среды, передающей давление, из внутренней зоны печной камеры, которая расположена в сосуде высокого давления изостатического пресса и имеет по меньшей мере один проход в пространство между стенками сосуда высокого давления и печной камерой. Этот способ также имеет недостаток, заключающийся в том, что сначала осуществляют охлаждение, а затем осуществляют понижение давления, что способствует увеличению длительности производственного цикла.

Краткое описание изобретения Задачей данного изобретения является создание пресса для горячего изостатического прессования и способа быстрого охлаждения обработанных изделий в таком прессе, которые обеспечивают быстрое охлаждение обработанных изделий, так чтобы их можно было удалять из пресса при температуре, при которой с ними было бы удобно обращаться. Еще одной задачей изобретения является обеспечение усовершенствованного регулирования скорости охлаждения обработанных изделий.

Решение поставленной задачи обеспечивается созданием изостатического пресса для обработки изделий горячим изостатическим прессованием, содержащего сосуд высокого давления, в котором расположена печная камера так, что между ней и стенками сосуда высокого давления имеется пространство, причем печная камера имеет теплоизоляционный кожух и теплоизоляционную нижнюю стенку, а в стенках печной камеры расположены проходы, при этом предлагаемый пресс отличается тем, что печная камера имеет теплоизоляционную верхнюю стенку, а в стенке сосуда высокого давления расположено средство для выпуска среды, передающей давление, причем по меньшей мере одно средство для выпуска среды, передающей давление, проходит во внутреннюю зону печной камеры с обеспечением создания непосредственного прохода для среды, передающей давление, из внутренней зоны печной камеры во внешнюю зону по отношению к сосуду высокого давления.

Благодаря наличию средств для выпуска среды, передающей давление, из внутренней зоны печной камеры непосредственно во внешнюю зону по отношению к сосуду высокого давления, горячий газ из внутренней зоны печной камеры вытекает из пресса через указанные средства, присоединенные, например, к приспособлению для приема газа, расположенному снаружи сосуда высокого давления. Более холодный газ из пространства между стенками печной камеры и сосуда высокого давления протекает в печную камеру через проходы в стенках печной камеры, охлаждая таким образом обработанные изделия перед последующим выходом из печной камеры через средство для выпуска среды. Весь имеющийся газ, а именно более горячий газ, находящийся в печной камере в момент начала охлаждения, а также более холодный газ в пространстве между печной камерой и стенками сосуда высокого давления, который протекает в печную камеру, последовательно расширяется, так как давление в печной камере падает. В результате весь газ, находящийся внутри пресса, создает эффект адиабатического охлаждения с дополнительным охлаждением изделий в печной камере. И охлаждение, и понижение давления происходят одновременно, что приводит к сокращению длительности производственного цикла.

Средство для выпуска среды, передающей давление, может содержать трубу, проходящую во внутреннюю зону печной камеры.

Изостатический пресс может содержать устройство для принудительной циркуляции, расположенное во внутренней зоне печной камеры.

Средство для выпуска среды, передающей давление, может быть присоединено к регулирующему устройству для регулирования потока указанной среды из печной камеры, которое может содержать клапан для регулирования потока среды, передающей давление, из печной камеры.

Средство для выпуска среды, передающей давление, внутри печной камеры может быть размещено с обеспечением потока указанной среды вокруг и/или между нескольких изделий одного типа и/или размера или различных типов и/или размеров.

Во внутренней зоне печной камеры могут быть расположены несколько средств для выпуска среды, передающей давление, которые расположены по отношению к одному изделию или между изделиями с обеспечением необходимого потока среды, передающей давление.

Предлагаемый изостатический пресс может быть предназначен для быстрого охлаждения изостатически обработанных изделий.

Решение поставленной задачи обеспечено также созданием способа быстрого охлаждения обработанных изделий в прессе для горячего изостатического прессования путем удаления среды, передающей давление, из внутренней зоны печной камеры, которая расположена в сосуде высокого давления изостатического пресса и имеет по меньшей мере один проход в пространство между стенками сосуда высокого давления и печной камерой, причем в предлагаемом способе среду, передающую давление, удаляют непосредственно из внутренней зоны печной камеры во внешнюю зону по отношению к сосуду высокого давления через средство для выпуска среды, передающей давление, расположенное в стенке сосуда высокого давления и проходящее во внутреннюю зону печной камеры, таким образом одновременно охлаждают обработанные изделия потоком среды, передающей давление, через проходы из указанного пространства между стенками сосуда высокого давления и печной камерой и понижают давление указанной среды.

Следовательно, и охлаждение, и понижение давления происходят одновременно, что приводит к сокращению длительности производственного цикла.

В предлагаемом способе скорость, с которой среду, передающую давление, удаляют из печной камеры через средство для выпуска указанной среды, могут регулировать регулирующим устройством с возможностью ее изменения.

Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что обработанные изделия могут быть быстро охлаждены. Это дает техническое преимущество, заключающееся в большем контроле над свойствами материалов, и экономическое преимущество, связанное с сокращением производственного цикла, которое достигается благодаря одновременному выполнению двух операций, а именно охлаждению обработанных изделий и понижению давления газа. Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что оно является более эффективным. Во-первых, обработанные изделия внутри печной камеры охлаждаются потоком более холодного газа, втекающего в печную камеру из окружающего ее пространства. Во-вторых, большая доля эффекта адиабатического охлаждения, связанного с понижением давления газа, поглощается в печной камере, дополнительно охлаждая обработанные изделия. Кроме того, еще одно преимущество заключается в том, что изостатически обработанные и быстро охлажденные изделия при одном применении изобретения охлаждаются до температуры около 250^oС, так что их удобно брать руками в защитных перчатках. Быстрое охлаждение обработанных изделий путем удаления газа из внутренней зоны печной камеры также позволяет более точно измерять температуру в печной камере по измерениям температуры потока газа. Поток газа мимо изделий также находится под более непосредственным контролем, чем в обычных способах, в которых обеспечивают циркуляцию газа из пространства, окружающего печную камеру и содержащего более холодный газ, и удаляют газ из него же. Изобретение имеет также преимущество, заключающееся в том, что нет необходимости в подвижных частях, например в клапанах, расположенных в печной камере или вблизи нее. Это упрощает конструкцию и снижает стоимость предлагаемого изостатического пресса для ГИП, что совместно с сокращением длительности производственного цикла значительно снижает стоимость обработки изделий при горячем изостатическом прессовании.

Краткое описание чертежей Настоящее изобретение ниже более подробно описано с использованием прилагаемых чертежей, на которых: фиг. 1 схематично изображает предлагаемый пресс для горячего изостатического прессования и фиг. 2 схематично изображает усовершенствование предлагаемого пресса для горячего изостатического прессования.

Описание предпочтительного варианта выполнения Фиг. 1 схематично изображает предлагаемый пресс для горячего изостатического прессования. Сосуд 1 высокого давления содержит печную камеру 2, при этом между стенками камеры 2 и стенками сосуда 1 имеется пространство 3. Теплоизоляционные стенки камеры 2 могут иметь теплоизоляционный кожух. Изделия 11, предназначенные для обработки горячим изостатическим прессованием, располагают во внутренней зоне 4 камеры 2. В нижней стенке камеры 2 расположены проходы 5, 6. На фиг.1 показано средство для выпуска газа из внутренней зоны камеры 2 в соответствии с изобретением, выполненное в виде трубы 7, которая через регулирующее устройство, например, клапан 8, присоединена к газовой системе 9, расположенной за пределами сосуда 1.

На фиг.2, изображающей усовершенствование в соответствии с изобретением, показано устройство 10 для принудительной циркуляции, расположенное внутри камеры 2.

Изделия 11 после обработки горячим изостатическим прессованием в соответствии с изобретением быстро охлаждают путем приведения в действие регулирующего устройства, например, путем открытия клапана 8 для обеспечения выхода газа непосредственно из внутренней зоны камеры 2. Горячий газ из внутренней зоны камеры 2 вытекает через средство для выпуска газа, такое как труба 7. Более холодный газ из пространства 3 между стенками камеры 2 и сосуда 1 протекает в печную камеру через проходы, например, 5, 6, охлаждая таким образом обработанные изделия 11 перед последующим выходом из камеры 2 через трубу 7. Весь имеющийся газ, а именно более горячий газ, находящийся в камере 2 в момент начала охлаждения, а также более холодный газ в пространстве 3 между камерой 2 и стенками сосуда 1, который протекает в камеру 2, последовательно расширяется, так как давление в камере 2 падает. В результате весь газ, находящийся внутри пресса для ГИП, создает эффект адиабатического охлаждения с дополнительным охлаждением изделий 11 в камере 2. И охлаждение, и понижение давления происходят одновременно, что приводит к сокращению длительности производственного цикла.

На фиг.2 показано предлагаемое усовершенствование, в соответствии с которым в камере 2 для обеспечения равномерного распределения температуры может быть расположено устройство 10 для принудительной циркуляции, например вентилятор, мешалка или насос. Во время быстрого охлаждения обработанных изделий 11 использование устройства 10 может быть объединено с таким расположением средства для выпуска газа, изображенного на фиг.2 в виде трубы 7, при котором вход в него, который в этом примере является отверстием на конце трубы 7, расположен в месте, находящемся несколько ниже во внутренней зоне камеры 2, другими словами, несколько ближе к нижней стенке камеры 2, чем по существу к ее центру.

Изобретение не ограничено описанным выше вариантом выполнения, а имеет множество понятных для специалистов модификаций, возможных в пределах объема формулы изобретения. Так, например, на фиг.1 средство для выпуска газа, предназначенное для удаления газа из внутренней зоны печной камеры, изображено как труба 7. В других случаях вместо трубы, такой как труба 7, внутри камеры 2 в качестве средств для выпуска газа могут быть расположены каналы или проходы других видов. Средство для выпуска газа может быть расположено во внутренней зоне камеры 2 в таком положении по отношению к изделию или изделиям 11, при нахождении в котором обеспечено необходимое распределение потока газа между изделиями 11 или, при необходимости, вокруг единственного изделия. Для обеспечения необходимого распределения потока газа во время охлаждения во внутренней зоне камеры 2 могут быть расположены несколько средств для выпуска газа, включая множество средств для выпуска газа, расположенных с обеспечением равномерного распределения потока газа между многочисленными изделиями 11, а также включая множество средств для выпуска газа, расположенных с обеспечением распределения потока газа вокруг единственного изделия, например, вокруг большой отливки, для получения требуемой скорости охлаждения различных частей отливки, или, например, в случае, когда при переменной толщине поперечного сечения необходимо регулировать поток газа. В другом варианте наравне с проходами 5, 6 в нижней стенке камеры 2, показанными на фиг. 1 и 2, или вместо них в верхней стенке камеры 2 может (могут) быть расположен (расположены) один или несколько проходов.

При использовании данного изобретения в качестве среды, передающей давление, используют газообразный азот. Изделия 11, изготовленные из сплава на основе алюминия, обрабатывают с применением процесса горячего изостатического прессования при давлении от 30 до 200 МПа (300 до 2000 бар) и затем быстро охлаждают. Обработанные изделия 11 после быстрого охлаждения до температуры около 250^oС извлекают из пресса для ГИП вручную с использованием защитных перчаток. В этом процессе изделия 11 подвергают воздействию температуры в диапазоне около 500-520^oС, при этом достаточно, что средство для выпуска выполнено в виде трубы из нержавеющей стали.

Для процессов горячего изостатического прессования при температурах выше 500-550^oС могут использоваться сплавы на основе никеля, например, Иконел (Iconel). Другие сплавы на основе никеля, такие как оксидные дисперсионно-упрочненные сплавы (ОДУС), например РМ1000, также подходят для использования при высоких температурах. При температурах, намного превышающих 550^oС, также могут использоваться сплавы из металлов с более высокой термостойкостью, таких как титан. В процессах при температуре около 1000^oС данное изобретение может использоваться при наличии средств для выпуска газа, выполненных из доступных в настоящее время металлов и/или сплавов, обладающих высокой термостойкостью, и/или из комбинации частей из керамики и облицовочного материала, и/или в сочетании с системами охлаждения для охлаждения средств для выпуска газа.

Данное изобретение в равной степени применимо для горячего изостатического прессования изделий с использованием в качестве среды, передающей давление, других газов, а также жидкостей, таких как масла, солевые растворы или рабочие жидкости.

Формула изобретения

1. Изостатический пресс для обработки изделий (11) горячим изостатическим прессованием, содержащий сосуд (1) высокого давления, в котором расположена печная камера (2) так, что между ней и стенками сосуда (1) высокого давления имеется пространство (3), при этом печная камера (2) имеет теплоизоляционный кожух и теплоизоляционную нижнюю стенку, а в стенках печной камеры (2) расположены проходы (5, 6), отличающийся тем, что печная камера (2) имеет теплоизоляционную верхнюю стенку, в стенке сосуда (1) высокого давления расположено по меньшей мере одно средство для выпуска среды, передающей давление, причем по меньшей мере одно средство для выпуска среды, передающей давление, проходит во внутреннюю зону печной камеры (2) с обеспечением создания непосредственного прохода для среды, передающей давление, из внутренней зоны печной камеры (2) во внешнюю зону по отношению к сосуду (1) высокого давления.

2. Изостатический пресс по п.1, отличающийся тем, что средство для выпуска среды, передающей давление, содержит трубу (7), проходящую во внутреннюю зону печной камеры (2).

3. Изостатический пресс по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит устройство (10) для принудительной циркуляции, расположенное во внутренней зоне печной камеры (2).

4. Изостатический пресс по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что средство для выпуска среды, передающей давление, присоединено к регулирующему устройству (8) для регулирования потока указанной среды из печной камеры (2).

5. Изостатический пресс по п.4, отличающийся тем, что регулирующее устройство (8) содержит клапан для регулирования потока среды, передающей давление, из печной камеры (2).

6. Изостатический пресс по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что средство (7) для выпуска среды, передающей давление, внутри печной камеры (2) размещено с обеспечением потока указанной среды вокруг и/или между несколькими изделиями (11) одного типа и/или размера или различных типов и/или размеров.

7. Изостатический пресс по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что во внутренней зоне печной камеры (2) расположены несколько средств для выпуска среды, передающей давление, которые расположены по отношению к одному изделию (11) или между изделиями (11) с обеспечением необходимого потока среды, передающей давление.

8. Изостатический пресс по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что он предназначен для быстрого охлаждения изостатически обработанных изделий.

9. Способ быстрого охлаждения обработанных изделий в прессе для горячего изостатического прессования путем удаления среды, передающей давление, из внутренней зоны печной камеры (2), которая расположена в сосуде (1) высокого давления указанного пресса и имеет по меньшей мере один проход (5, 6) в пространство (3) между стенками сосуда (1) высокого давления и печной камерой (2), отличающийся тем, что среду, передающую давление, удаляют непосредственно из внутренней зоны печной камеры (2) во внешнюю зону по отношению к сосуду (1) высокого давления через средство для выпуска среды, передающей давление, расположенное в стенке сосуда (1) высокого давления и проходящее во внутреннюю зону печной камеры (2), таким образом одновременно охлаждают обработанные изделия (11) потоком среды, передающей давление, через проходы (5, 6) из указанного пространства (3) между стенками сосуда (1) высокого давления и печной камерой (2) и понижают давление указанной среды.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что скорость, с которой среду, передающую давление, удаляют из печной камеры (2) через средство для выпуска указанной среды, регулируют регулирующим устройством (8) с возможностью ее изменения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2