热等静压机工作缸内温度场分析控制(韩晟).pdf

热等静压机工作缸内温度场分析控制韩晟【摘要】近几十年来，随着科学技术的进步，特别是热等静压技术的发展，等静压技术不再只是粉末冶金的专用技术，它的应用已经扩大到航空航天制造业等生产部门。随着其应用范围的不断扩大，作用和经济效益的不断提高，等静压技术开始越来越受到人们的重视。热等静压应用过程中，炉温的均匀性要求对制品的性能影响很大，因此提出了本课题。首先介绍了热等静压技术的基本应用，回顾了热等静压技术国内外在此方面的研究现状及趋势，提出了本课题。然后选定了研究对象，通过分析热等静压机工作缸内温度场分布情况，提出了测试方案。同时对试验过程中采集的数据进行分析和整理，对热等静压机工作缸内实际温度场分布进行了验证。关键词：热等静压，炉温，温度均匀性1一、绪论等静压是粉末冶金领域中的一种技术，已有将近百年的历史。在现代工业生产中，等静压技术主要用于粉料的成型和固结。近几十年来，随着科学技术的进步，特别是热等静压技术的发展，等静压技术不再只是粉末冶金的专用技术，它的应用已经扩大到航空航天制造业等生产部门。随着其应用范围的不断扩大，作用和经济效益的不断提高，等静压技术开始越来越受到人们的重视。其基本概念和分类如下：在粉末冶金技术领域内，“等静压”(isostaticpressing)一词的实际意义是指在各个方向上对表面密闭的物料同时施加相等的压力状态。根据帕斯卡原理，在一个封闭的容器内，作用在静态液体或气体上的外力所产生的静压力，将均匀的在各个方向上传递，在其所作用的表面上所受到的压力与表面的面积成正比。在等静压技术中，作为传递压力的介质，必须与待压制工件的外轮廓有一个不相渗漏的分接口，只有在这个前提下，采用等静压技术才能达到成型与固结密实的目的。由此可见，流体介质各向同时均等传递压力是等静压技术的基础，而确立物料与压力介质之间互不渗漏的分接口是等静压技术的关键。按成型和固结时温度的高低，通常划分为冷等静压、温等静压、热等静压。热等静压技术是一种在高温和高压同时作用下使物料经受等静压制的工艺技术。它不但用于粉末体的固结，使传统粉末冶金工艺的成型与烧结两步作业合并成一步作业，而且还用于工件的扩散粘结、铸件缺陷的消除和复杂形状零件的制作等。在热等静压制中，一般采用惰性气体(氩、氦)作为压力传递介质。也可以采用液体金属或固体颗粒作热等静压的压力传递介质，同时也可称为是均衡压制。热等静压技术是近20多年来发展起来的，热等静压包封待压物料用的包套通常使用金属或玻璃材料。现代热等静压机大多为冷壁式结构，即加热器安放在高压缸内，工作温度通常为1000～2200℃，若采用石墨作发热体，其最高温度可达到2600℃。工作压力通常为100～200MPa。它是将粉末或被压材料(简称“工件”)放置于热等静压机中，升温到烧结温度(通常为材料主成分熔点的2／3)的同时，对粉末或被压材料施以各向均等的高压压力，使其热致密化到理论密度。是在冷等静压和热压技术的基础上发展起来的综合工艺。将粉末装入包套内(即成为“工件”)，放入带有加热炉的密闭高压炉体内，并抽出包内空气，压入惰性气体(如Ar气)，通电加热，使工件达到烧结温度(此时，气体热膨胀升压)，借助于高温和各向均等的高压使粉末体固结成全致密的材料。热等静压技术的基本特点是：几乎能使粉末材料致密化到理论密度，使金属材料致密化到理论密度的99.99%；由于等静压力作用于高温粉末上，故烧结温度比常规冷压—烧结工艺低，得到的制品晶粒细小而均匀，性能良好；用热等静压技术制取的制品，可避免传统冶金工艺中存在的化学成分偏析，并可以制得更高合金含量的优质冶金产品；可以直接得到形状复杂的大型冶金部件(如飞机涡轮盘、蜂窝构件等)，与传统冶金工艺比较，节约原材料，减少冶金或机加工过程，节约能源，从而降低产成本；使用热等静压技术生产有毒粉末或放射性材料时，由于包套是密闭的，可以大大地减少对操作人员的危害，改善劳动条件。粉末热等静压技术可以制得无残留孔隙，如全致密的高速钢、高温合金等制品。目前最大用户是汽车工业，如用于北美汽车的粉末冶金零件达到1000种以上。福特公司每辆车粉末冶金零件平均已达17.5kg，已有使用2500万件粉末锻造(PF)发动机连杆无一损坏的记录，正在迅速取代传统的铸造和锻造的连杆。在一些特殊材料的生产中，如高温合金、高速钢、不锈钢、特种铝合金等，热等静压粉末冶金工业性大规模生产方法已比较成熟。最大的粉末高温合金涡轮盘，直径约为1m。单重数百公斤的核电站热能主回路高压耐蚀阀体、直径达1m的薄壁高温合金无缝管与超大复合无缝管等，都是用热等静压粉末冶金方法制备的。最大的粉末高速钢锭重为3吨。热等静压工艺设备投资大，只对具有特殊性能要求的高合金产品才能显示其优越性。此外还可利用热等静压技术还可用来消除铸件、锻件的内部疏松、孔洞和裂纹等缺