Descripción general de la tecnología de prensado isostático en caliente [1,2]
El prensado isostático en caliente (HIP) es un proceso en el que se utiliza un medio de gas inerte (como argón o nitrógeno) para aplicar presión igual en todas las direcciones a un material a alta temperatura (900 a 2000 grados) y alta presión (50 a 200 MPa), logrando así la densificación.
La investigación del HIP comenzó en 1955, cuando el Instituto Battelle de Estados Unidos llevó a cabo trabajos para el desarrollo de materiales para reactores nucleares. Se utilizó por primera vez para enlaces por difusión de elementos combustibles en reacciones de energía atómica; basándose en esta aplicación, se denominó entonces "unión por presión de gas". En 1963, la tecnología se introdujo en Europa. La empresa sueca ASEA utilizó una estructura enrollada de alambre de acero pretensado para fabricar recipientes de alta presión. Su estructura compacta, segura y confiable sentó una base sólida para el vigoroso desarrollo de la tecnología HIP. Posteriormente, gracias a las continuas mejoras realizadas por instituciones como Kennametal, el Instituto Central de Investigación del Hierro y el Acero de Beijing (en adelante, CISRI) y la Compañía AE de los Estados Unidos, se amplió enormemente el desarrollo y la aplicación de los equipos HIP.
La demanda de procesos HIP en aplicaciones de producción como preparación de materiales de pulvimetalurgia, densificación de piezas fundidas, componentes de turbinas de gas industriales y aeroespaciales, motores de cohetes, piezas fundidas de cuerpos de satélites y naves espaciales, unión de compuestos y conformación casi neta ha ido aumentando día a día. En la preparación de materiales especiales de alto rendimiento, muestra ventajas incomparables con otras tecnologías.
Desarrollo de tecnología de prensado isostático en caliente en el país y en el extranjero
2.1 Desarrollo nacional de la tecnología de prensado isostático en caliente [3,4]
CISRI comenzó a investigar la primera prensa isostática en caliente de China en 1972. A través de muchos años de investigación y desarrollo, CISRI dominó las tecnologías clave de las prensas isostáticas en caliente: tecnología de alta temperatura y alta presión. En términos de seguridad, confiabilidad y estabilidad del equipo, alcanzó el estándar ASEM de EE. UU., y los principales indicadores técnicos de las prensas isostáticas en caliente que produjo alcanzaron el nivel de las prensas isostáticas en caliente existentes de la empresa sueca AVURE.
En julio de 2008, se instaló, depuró y puso oficialmente en funcionamiento con éxito la prensa isostática en caliente doméstica más grande en ese momento (Φ1250 mm × 2500 mm, 1350 grados, 150 MPa), fabricada por CISRI para su holding Advanced Technology & Materials Co., Ltd. La puesta en servicio de este equipo llenó el vacío en la tecnología de prensado isostático en caliente a gran escala en China y creó las condiciones para el desarrollo y la producción de aleaciones de alta temperatura y alta resistencia, cerámicas funcionales, materiales compuestos, materiales superduros y otros productos materiales de alta tecnología para la industria aeroespacial, la industria nuclear, la electrónica y la metalurgia, los barcos y otros campos.
En julio de 2024, China Iron & Steel Research Institute Group Co., Ltd. lanzó oficialmente el primer conjunto de equipos de prensado isostático en caliente ultragrandes de China, HIPEX1850. Actualmente, este es el equipo de prensado isostático en caliente más grande de China y el segundo más grande del mundo en términos de tamaño, y puede usarse para el procesamiento de grandes componentes centrales en campos como la industria aeroespacial de China. El lanzamiento de este equipo marca que la tecnología de fabricación de equipos de prensado isostático en caliente de China ha alcanzado un nivel líder mundial en tamaño de equipo, parámetros de procesamiento, diseño modular, control inteligente, estabilidad del equipo y otros aspectos. El equipo adopta una estructura enrollada de alambre de acero pretensado, con un peso total de alambre de acero de 350 toneladas y una longitud total de aproximadamente 6.000 kilómetros. Tiene una capacidad de carga de material de 30 toneladas por horno y puede realizar un procesamiento de prensado isostático en caliente eficiente y preciso en componentes centrales como carcasas de motores de aviones ultragrandes, palas de motores, boquillas de combustible y discos de turbinas.
2.2 Desarrollo extranjero de la tecnología de prensado isostático en caliente
En 1965, surgió la primera prensa isostática en caliente desarrollada por el Instituto Battelle en los Estados Unidos, lo que marcó el nacimiento del equipo de prensado isostático en caliente [5]. En los primeros equipos de prensado isostático en caliente, la conexión entre la tapa del extremo y el cuerpo del cilindro del recipiente de alta presión estaba roscada y no se podía garantizar la seguridad y el funcionamiento. Después de muchos años de investigación y diseño, las prensas isostáticas en caliente avanzadas de hoy tienen una estructura de marco enrollado de alambre de acero pretensado y la conexión entre la cubierta del extremo y el cuerpo del cilindro del recipiente de alta presión no tiene rosca.
En la actualidad, los principales fabricantes extranjeros de equipos de prensado isostático en caliente incluyen a Quintus de Suecia, EPSI de Bélgica, AIP de Estados Unidos, Bodycote del Reino Unido y Kobe Steel de Japón. Entre ellos, Quintus es ahora una subsidiaria de propiedad total de Kobe Steel, Japón. El equipo de prensado isostático en caliente de Quintus adopta una estructura enrollada de alambre de acero pretensado y se encuentra en una posición de liderazgo en el campo de presión ultra alta. Desde que fabricó su primera prensa isostática QUINTUS® en 1965, ha entregado cerca de 1000 cilindros y componentes bobinados con alambre de acero pretensado en todo el mundo, ha suministrado aproximadamente el 60 % de los equipos de prensado isostático en caliente y aproximadamente el 80 % de esos equipos tiene un diámetro efectivo superior a 1 m. También ha desarrollado el equipo de prensado isostático en caliente más grande del mundo (zona caliente efectiva: Ø2050 mm × 4200 mm; temperatura y presión máximas de trabajo: 1350 grados/118 MPa), que se entregó con éxito a MTC Company en Japón [6].
Aplicación de la tecnología de prensado isostático en caliente en cerámica avanzada
En su período inicial, debido a que el costo total del equipo era relativamente alto, el desarrollo de la tecnología de prensado isostático en caliente fue lento y sus aplicaciones se concentraron sólo en unos pocos campos, como la industria militar y las reacciones nucleares. En los últimos años, con el continuo avance de la ciencia y la tecnología, diversos campos han impuesto requisitos cada vez más estrictos en el uso de materiales. La tecnología de prensado isostático en caliente ocupa una posición ventajosa en la preparación de materiales con excelentes propiedades integrales, como alta densidad, alta pureza, alta uniformidad y alta tenacidad. Esta tecnología se ha convertido hoy en día en una tecnología práctica en la producción de muchos materiales de alto rendimiento y también es una nueva tecnología indispensable para el desarrollo de nuevos materiales [3].
3.1 Mejora de la densidad
Las cerámicas avanzadas son materiales inorgánicos no metálicos de alto rendimiento preparados mediante un diseño e ingeniería precisos. Poseen propiedades únicas como resistencia a altas temperaturas, alto aislamiento, resistencia al desgaste y a la corrosión y biocompatibilidad. Son aclamados como "los materiales definitivos para entornos extremos" y también son materiales estratégicos centrales para semiconductores, potencia informática de IA, vehículos de nueva energía, aeroespacial y odontología médica. Sin embargo, los productos cerámicos avanzados generalmente contienen entre un 5% y un 10% de poros gaseosos, que reducen la dureza y resistencia de los productos. Por tanto, reducir los poros gaseosos y mejorar la densidad puede mejorar significativamente el rendimiento de los productos cerámicos. En la actualidad, el tratamiento de densificación por prensado isostático en caliente es el mejor proceso para mejorar la densidad de los productos cerámicos.
El proceso de densificación por prensado isostático en caliente coloca el producto en un recipiente sellado. Un compresor alimenta argón a alta presión al recipiente, mientras que un horno de calentamiento dentro del recipiente lo calienta, de modo que el producto se densifica bajo la acción combinada de alta temperatura y alta presión. El proceso se puede dividir en dos etapas. En la primera etapa, los defectos internos y los poros sufren deformación plástica bajo la condición de que la presión externa sea mayor que la resistencia del material a alta temperatura. Los defectos y poros se destruyen, provocando que sus superficies internas entren en contacto entre sí. En la segunda etapa, cuando la presión externa es menor que la resistencia a alta temperatura del material, el material sufre fluencia a alta temperatura y, al mismo tiempo, las superficies de aleación en contacto se infiltran mutuamente y se unen por difusión, eliminando completamente defectos y poros. Mediante este tratamiento, la densidad del material se aproxima básicamente a la densidad teórica [7].
Zhang Yong et al. de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing [8] estudiaron cerámicas espumadas de nitruro de silicio. Utilizando un proceso de densificación por prensado isostático en caliente a una temperatura de 1600 a 1750 grados, una presión de 134 a 188 MPa y un tiempo de retención de 1 a 2 h, la densidad aumentó de 2,674 g/cm³ a 3,332 g/cm³, y la resistencia a la compresión aumentó casi tres veces.
3.2 Eliminación de porosidades y defectos
Los enlaces químicos de las cerámicas transparentes son en su mayoría enlaces covalentes o iónicos. Sin aplicar presión auxiliar, es difícil sinterizarlos hasta alcanzar su densidad total y los poros residuales afectarán la transmitancia óptica de la cerámica. La tecnología HIP es una poderosa herramienta para desarrollar y producir cerámicas transparentes con alta calidad óptica [9]. Esta tecnología utiliza un gas inerte como medio; las altas temperaturas y las altas presiones reducen el límite elástico del material y mejoran la deformación plástica y la capacidad de difusión atómica. Es una tecnología eficaz para eliminar poros, homogeneizar la composición y estabilizar las propiedades del material.
La característica del prensado isostático en caliente de poder eliminar los poros cerrados en materiales policristalinos cumple exactamente con los requisitos de las cerámicas transparentes de tener el menor número de poros posible y una transmitancia óptica ideal. Debido a que la temperatura de sinterización de las cerámicas transparentes es generalmente superior a 1300 grados, es difícil sinterizar directamente el polvo cerámico cargado en una funda metálica. En cambio, los cuerpos cerámicos verdes sólo se pueden presinterizar hasta que los poros se cierren y luego se lleva a cabo una densificación por prensado isostático en caliente [10]. La función más importante del postratamiento por prensado isostático en caliente para cerámicas transparentes es que, a alta temperatura y alta presión, se mejora la capacidad de difusión atómica, lo que hace que los poros de la cerámica migren a los límites de los granos o a la superficie de la pieza de trabajo, reduciendo y eliminando así los poros.
Toci et al. [11] utilizaron sinterización al vacío y prensado isostático en caliente para preparar cerámicas transparentes con láser al 3 % de Yb:Sc2O3. Al comparar las dos muestras, el tamaño de grano de la muestra después del prensado isostático en caliente aumentó ligeramente a 2,8 μm, casi no se pudieron ver poros dentro de los granos y la transmitancia de todas las muestras a 1100 nm superó el 70%. Esto indica que el prensado isostático en caliente puede eliminar los poros producidos por la sinterización al vacío sin un crecimiento significativo del grano. Para obtener cerámicas de grano fino, la temperatura de sinterización al vacío no debe ser demasiado alta. La presinterización al vacío a 1650 grados combinada con el prensado isostático en caliente a 1800 grados es el proceso óptimo para este material cerámico transparente.
3.3 Refinación de granos
A través del efecto sinérgico de la alta temperatura y la alta presión, HIP logra la densificación de la cerámica a una temperatura relativamente más baja, al tiempo que inhibe el crecimiento anormal del grano en la cerámica y reduce las oportunidades para la existencia de límites gemelos y límites de grano de ángulo bajo [12]. Por lo tanto, al utilizar materias primas ultrafinas o de tamaño nanométrico y adoptar temperaturas de presinterización y prensado isostático en caliente relativamente bajas, se pueden obtener granos finos y límites de grano con un ancho más estrecho.
3.4 Conformación casi neta de cerámicas irregulares y de gran tamaño
La tecnología de prensado isostático en caliente aplica simultáneamente gas inerte a alta presión y alta temperatura al producto. Puede eliminar eficazmente los huecos internos y formar uniones metalúrgicas fuertes en todo el material, resolviendo en gran medida las dificultades en la preparación de cerámicas o materiales compuestos de cerámica y metal, y tiene ventajas significativas, especialmente en la preparación de materiales cerámicos de gran tamaño y formas complejas. Además, una característica muy destacada de la sinterización por prensado isostático en caliente es que la cámara del horno es muy grande. Combinado con sus características de prensado isostático, puede completar la sinterización de piezas irregulares complejas de gran tamaño y los productos sinterizados no requieren mecanizado mecánico posterior.
Además de las funciones anteriores, otra aplicación típica del postratamiento por prensado isostático en caliente son los recubrimientos cerámicos. Los recubrimientos producidos por pulverización térmica son propensos a sufrir dos defectos: primero, mala fuerza de unión al sustrato; en segundo lugar, es probable que aparezcan poros en el recubrimiento, lo que da como resultado una baja densidad, lo que hace que el recubrimiento se desprenda fácilmente. Mediante el postratamiento por prensado isostático en caliente, se puede mejorar la densidad del recubrimiento, mientras que la fuerza de unión con el sustrato aumenta, la delaminación desaparece y el recubrimiento y el sustrato se convierten en un todo integrado.