हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग टेक्नोलॉजी का अवलोकन [1,2]
हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग (एचआईपी) एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें उच्च तापमान (900-2000 डिग्री) और उच्च दबाव (50-200 एमपीए) के तहत किसी सामग्री पर सभी दिशाओं में समान दबाव लागू करने के लिए एक अक्रिय गैस माध्यम (जैसे आर्गन या नाइट्रोजन) का उपयोग किया जाता है, जिससे घनत्व प्राप्त होता है।
एचआईपी अनुसंधान 1955 में शुरू हुआ, जब संयुक्त राज्य अमेरिका में बैटल इंस्टीट्यूट ने परमाणु रिएक्टर सामग्री के विकास के लिए काम किया। इसका उपयोग पहली बार परमाणु ऊर्जा प्रतिक्रियाओं में ईंधन तत्वों के प्रसार बंधन के लिए किया गया था; इस एप्लिकेशन के आधार पर, इसे तब "गैस प्रेशर बॉन्डिंग" कहा जाता था। 1963 में, प्रौद्योगिकी को यूरोप में पेश किया गया था। स्वीडिश कंपनी ASEA ने उच्च दबाव वाले जहाजों के निर्माण के लिए एक प्रीस्ट्रेस्ड स्टील-वायर घाव संरचना का उपयोग किया। इसकी कॉम्पैक्ट, सुरक्षित और विश्वसनीय संरचना ने एचआईपी प्रौद्योगिकी के जोरदार विकास के लिए एक ठोस आधार तैयार किया। बाद में, केन्नामेटल, बीजिंग सेंट्रल आयरन एंड स्टील रिसर्च इंस्टीट्यूट (बाद में सीआईएसआरआई के रूप में संदर्भित), और संयुक्त राज्य अमेरिका की एई कंपनी जैसे संस्थानों द्वारा निरंतर सुधार के माध्यम से, एचआईपी उपकरणों के विकास और अनुप्रयोग का काफी विस्तार हुआ।
पाउडर धातुकर्म सामग्री की तैयारी, कास्टिंग सघनीकरण, एयरोस्पेस और औद्योगिक गैस टरबाइन घटकों, रॉकेट इंजन, उपग्रहों और अंतरिक्ष यान बॉडी कास्टिंग, समग्र जुड़ाव और निकट-नेट आकार देने जैसे उत्पादन अनुप्रयोगों में एचआईपी प्रक्रियाओं की मांग दिन-ब-दिन बढ़ रही है। उच्च प्रदर्शन वाली विशेष सामग्रियों की तैयारी में, यह अन्य तकनीकों से बेजोड़ फायदे दिखाता है।
घर और विदेश में हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग प्रौद्योगिकी का विकास
2.1 हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग प्रौद्योगिकी का घरेलू विकास [3,4]
सीआईएसआरआई ने 1972 में चीन की पहली हॉट आइसोस्टैटिक प्रेस पर शोध शुरू किया। कई वर्षों के अनुसंधान और विकास के माध्यम से, सीआईएसआरआई ने हॉट आइसोस्टैटिक प्रेस की प्रमुख प्रौद्योगिकियों में महारत हासिल की: उच्च तापमान और उच्च दबाव प्रौद्योगिकी। उपकरण सुरक्षा, विश्वसनीयता और स्थिरता के संदर्भ में, यह यूएस एएसईएम मानक तक पहुंच गया, और इसके द्वारा उत्पादित हॉट आइसोस्टैटिक प्रेस के मुख्य तकनीकी संकेतक स्वीडिश कंपनी AVURE के मौजूदा हॉट आइसोस्टैटिक प्रेस के स्तर तक पहुंच गए।
जुलाई 2008 में, अपनी होल्डिंग कंपनी एडवांस्ड टेक्नोलॉजी एंड मटेरियल्स कंपनी लिमिटेड के लिए सीआईएसआरआई द्वारा निर्मित उस समय का सबसे बड़ा घरेलू हॉट आइसोस्टैटिक प्रेस (Φ1250 मिमी × 2500 मिमी, 1350 डिग्री, 150 एमपीए) सफलतापूर्वक स्थापित किया गया, डिबग किया गया और आधिकारिक तौर पर परिचालन में लाया गया। इस उपकरण के चालू होने से चीन में बड़े पैमाने पर गर्म आइसोस्टैटिक दबाव प्रौद्योगिकी में अंतर भर गया और एयरोस्पेस, परमाणु उद्योग, इलेक्ट्रॉनिक्स और धातु विज्ञान, जहाजों और अन्य क्षेत्रों के लिए उच्च तापमान, उच्च शक्ति मिश्र धातु, कार्यात्मक सिरेमिक, मिश्रित सामग्री, सुपरहार्ड सामग्री और अन्य उच्च तकनीक सामग्री उत्पादों के विकास और उत्पादन के लिए स्थितियां तैयार हुईं।
जुलाई 2024 में, चाइना आयरन एंड स्टील रिसर्च इंस्टीट्यूट ग्रुप कंपनी लिमिटेड ने आधिकारिक तौर पर चीन के अल्ट्रा-बड़े हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग उपकरण, HIPEX1850 का पहला सेट जारी किया। यह वर्तमान में चीन में सबसे बड़ा हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग उपकरण है और आकार के मामले में दुनिया में दूसरा सबसे बड़ा उपकरण है, और इसका उपयोग चीन के एयरोस्पेस उद्योग जैसे क्षेत्रों में बड़े कोर घटकों के प्रसंस्करण के लिए किया जा सकता है। इस उपकरण के जारी होने से पता चलता है कि चीन की हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग उपकरण निर्माण तकनीक उपकरण आकार, प्रसंस्करण मापदंडों, मॉड्यूलर डिजाइन, बुद्धिमान नियंत्रण, उपकरण स्थिरता और अन्य पहलुओं में विश्व-अग्रणी स्तर पर पहुंच गई है। उपकरण एक प्रीस्ट्रेस्ड स्टील-वायर घाव संरचना को अपनाता है, जिसमें कुल स्टील वायर का वजन 350 टन और कुल लंबाई लगभग 6,000 किमी है। इसकी सामग्री भार क्षमता 30 टन प्रति भट्ठी है और यह अल्ट्रा-बड़े एयरो-इंजन केसिंग, इंजन ब्लेड, ईंधन नोजल और टरबाइन डिस्क जैसे मुख्य घटकों पर कुशल और सटीक गर्म आइसोस्टैटिक दबाव प्रसंस्करण कर सकता है।
2.2 हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग प्रौद्योगिकी का विदेशी विकास
1965 में, संयुक्त राज्य अमेरिका में बैटल इंस्टीट्यूट द्वारा विकसित पहला हॉट आइसोस्टैटिक प्रेस अस्तित्व में आया, जिससे हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग उपकरण का जन्म हुआ [5]। शुरुआती गर्म आइसोस्टैटिक दबाव उपकरण में, उच्च दबाव वाले पोत के अंतिम कवर और सिलेंडर बॉडी के बीच कनेक्शन को पिरोया गया था, और सुरक्षा और संचालन क्षमता की गारंटी नहीं दी जा सकती थी। कई वर्षों के अनुसंधान और डिजाइन के बाद, आज के उन्नत हॉट आइसोस्टैटिक प्रेस में एक प्रीस्ट्रेस्ड स्टील-वायर घाव फ्रेम संरचना होती है, और उच्च दबाव वाले बर्तन के अंतिम कवर और सिलेंडर बॉडी के बीच का कनेक्शन थ्रेडलेस होता है।
वर्तमान में, विदेशी हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग उपकरण के मुख्य निर्माताओं में स्वीडन का क्विंटस, बेल्जियम का ईपीएसआई, संयुक्त राज्य अमेरिका का एआईपी, यूनाइटेड किंगडम का बॉडीकोट और जापान का कोबे स्टील शामिल हैं। उनमें से, क्विंटस अब कोबे स्टील, जापान की पूर्ण स्वामित्व वाली सहायक कंपनी है। क्विंटस का हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग उपकरण एक प्रीस्ट्रेस्ड स्टील-वायर घाव संरचना को अपनाता है और अल्ट्रा-हाई-प्रेशर क्षेत्र में अग्रणी स्थिति में है। 1965 में अपने पहले क्विंटस® आइसोस्टैटिक प्रेस के निर्माण के बाद से, इसने दुनिया भर में लगभग 1,000 प्रीस्ट्रेस्ड स्टील-वायर घाव सिलेंडर और घटकों की आपूर्ति की है, लगभग 60% गर्म आइसोस्टैटिक प्रेसिंग उपकरण की आपूर्ति की है, और उस उपकरण का लगभग 80% का प्रभावी व्यास 1 मीटर से अधिक है। इसने दुनिया का सबसे बड़ा गर्म आइसोस्टैटिक दबाव उपकरण (प्रभावी गर्म क्षेत्र: Ø2050 मिमी × 4200 मिमी; अधिकतम कार्य तापमान और दबाव: 1350 डिग्री /118 एमपीए) भी विकसित किया है, जिसे जापान में एमटीसी कंपनी को सफलतापूर्वक वितरित किया गया था [6]।
उन्नत सिरेमिक में हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग तकनीक का अनुप्रयोग
इसकी प्रारंभिक अवधि में, क्योंकि उपकरण की कुल लागत अपेक्षाकृत अधिक थी, गर्म आइसोस्टैटिक दबाव प्रौद्योगिकी का विकास धीमा था, और इसके अनुप्रयोग केवल कुछ क्षेत्रों जैसे सैन्य उद्योग और परमाणु प्रतिक्रियाओं में ही केंद्रित थे। हाल के वर्षों में, विज्ञान और प्रौद्योगिकी की निरंतर प्रगति के साथ, विभिन्न क्षेत्रों ने सामग्रियों के उपयोग पर तेजी से कठोर आवश्यकताएं लगा दी हैं। उच्च घनत्व, उच्च शुद्धता, उच्च एकरूपता और उच्च कठोरता जैसे उत्कृष्ट व्यापक गुणों वाली सामग्री तैयार करने में हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग तकनीक एक लाभप्रद स्थान रखती है। यह तकनीक आज कई उच्च प्रदर्शन वाली सामग्रियों के उत्पादन में एक व्यावहारिक तकनीक बन गई है और नई सामग्रियों के विकास के लिए एक अपरिहार्य नई तकनीक भी है [3]।
3.1 घनत्व में सुधार
उन्नत सिरेमिक सटीक डिजाइन और इंजीनियरिंग के माध्यम से तैयार की गई उच्च प्रदर्शन वाली अकार्बनिक गैर-धातु सामग्री हैं। उनमें उच्च तापमान प्रतिरोध, उच्च इन्सुलेशन, घिसाव और संक्षारण प्रतिरोध और जैव अनुकूलता जैसे अद्वितीय गुण होते हैं। इन्हें "चरम वातावरण के लिए सर्वोत्तम सामग्री" के रूप में प्रतिष्ठित किया जाता है और ये अर्धचालक, एआई कंप्यूटिंग शक्ति, नई ऊर्जा वाहन, एयरोस्पेस और चिकित्सा दंत चिकित्सा के लिए मुख्य रणनीतिक सामग्री भी हैं। हालाँकि, उन्नत सिरेमिक उत्पादों में आम तौर पर 5% -10% गैसीय छिद्र होते हैं, जो उत्पादों की कठोरता और ताकत को कम करते हैं। इसलिए, गैसीय छिद्रों को कम करने और घनत्व में सुधार करने से सिरेमिक उत्पादों के प्रदर्शन में काफी सुधार हो सकता है। वर्तमान में, सिरेमिक उत्पादों के घनत्व में सुधार के लिए गर्म आइसोस्टैटिक दबाव घनत्व उपचार सबसे अच्छी प्रक्रिया है।
गर्म आइसोस्टैटिक दबाव घनत्वीकरण प्रक्रिया उत्पाद को एक सीलबंद बर्तन में रखती है। एक कंप्रेसर बर्तन में उच्च दबाव वाले आर्गन को भरता है, जबकि बर्तन के अंदर एक हीटिंग भट्ठी इसे गर्म करती है, ताकि उत्पाद उच्च तापमान और उच्च दबाव की संयुक्त कार्रवाई के तहत सघन हो जाए। इस प्रक्रिया को दो चरणों में विभाजित किया जा सकता है। पहले चरण में, आंतरिक दोष और छिद्र प्लास्टिक विरूपण से गुजरते हैं, इस शर्त के तहत कि बाहरी दबाव सामग्री की उच्च तापमान ताकत से अधिक है। दोष और छिद्र नष्ट हो जाते हैं, जिससे उनकी आंतरिक सतहें एक-दूसरे के संपर्क में आ जाती हैं। दूसरे चरण में, जब बाहरी दबाव सामग्री की उच्च-तापमान शक्ति से कम होता है, तो सामग्री उच्च-तापमान रेंगने से गुजरती है, और साथ ही संपर्क करने वाली मिश्र धातु की सतहें पारस्परिक रूप से घुसपैठ और प्रसार-बंधन करती हैं, जिससे दोष और छिद्र पूरी तरह से समाप्त हो जाते हैं। इस उपचार के माध्यम से, सामग्री घनत्व मूल रूप से सैद्धांतिक घनत्व तक पहुंचता है [7]।
झांग योंग एट अल. विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय बीजिंग से [8] ने सिलिकॉन नाइट्राइड फोमयुक्त सिरेमिक का अध्ययन किया। 1600-1750 डिग्री के तापमान, 134-188 एमपीए के दबाव और 1-2 घंटे के धारण समय पर गर्म आइसोस्टैटिक दबाव घनत्व प्रक्रिया का उपयोग करके, घनत्व 2.674 ग्राम/सेमी³ से बढ़कर 3.332 ग्राम/सेमी³ हो गया, और संपीड़न शक्ति लगभग तीन गुना बढ़ गई।
3.2 सरंध्रता और दोषों को दूर करना
पारदर्शी सिरेमिक के रासायनिक बंधन अधिकतर सहसंयोजक या आयनिक बंधन होते हैं। सहायक दबाव लागू किए बिना, उन्हें पूर्ण घनत्व तक सिंटर करना मुश्किल है, और अवशिष्ट छिद्र सिरेमिक के ऑप्टिकल संप्रेषण को प्रभावित करेंगे। एचआईपी तकनीक उच्च ऑप्टिकल गुणवत्ता वाले पारदर्शी सिरेमिक के विकास और उत्पादन के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है [9]। यह तकनीक माध्यम के रूप में एक अक्रिय गैस का उपयोग करती है; उच्च तापमान और उच्च दबाव सामग्री की उपज शक्ति को कम करते हैं और प्लास्टिक विरूपण और परमाणु प्रसार क्षमता में सुधार करते हैं। यह छिद्रों को ख़त्म करने, संरचना को समरूप बनाने और भौतिक गुणों को स्थिर करने के लिए एक प्रभावी तकनीक है।
पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्रियों में बंद छिद्रों को खत्म करने में सक्षम गर्म आइसोस्टैटिक दबाव की विशेषता यथासंभव कम छिद्रों और आदर्श ऑप्टिकल ट्रांसमिशन के लिए पारदर्शी सिरेमिक की आवश्यकताओं को पूरा करती है। क्योंकि पारदर्शी सिरेमिक का सिंटरिंग तापमान आम तौर पर 1300 डिग्री से अधिक होता है, धातु के आवरण में लोड किए गए सिरेमिक पाउडर को सीधे सिंटर करना मुश्किल होता है। इसके बजाय, सिरेमिक हरे निकायों को केवल तब तक पूर्व-सिंटर किया जा सकता है जब तक कि छिद्र बंद न हो जाएं, और फिर गर्म आइसोस्टैटिक दबाव घनत्व किया जाता है [10]। पारदर्शी सिरेमिक के लिए उपचार के बाद गर्म आइसोस्टैटिक दबाव की सबसे बड़ी भूमिका यह है कि, उच्च तापमान और उच्च दबाव के तहत, परमाणु प्रसार क्षमता को बढ़ाया जाता है, जिससे सिरेमिक में छिद्रों को अनाज की सीमाओं या वर्कपीस की सतह पर स्थानांतरित करने के लिए प्रेरित किया जाता है, जिससे छिद्र कम हो जाते हैं और समाप्त हो जाते हैं।
टॉसी एट अल. [11] 3 at.% Yb:Sc2O3 लेजर पारदर्शी सिरेमिक तैयार करने के लिए वैक्यूम सिंटरिंग और गर्म आइसोस्टैटिक प्रेसिंग का उपयोग किया गया। दो नमूनों की तुलना करने पर, गर्म आइसोस्टैटिक दबाव के बाद नमूने का अनाज का आकार थोड़ा बढ़कर 2.8 μm हो गया, अनाज के अंदर लगभग कोई छिद्र नहीं देखा जा सका, और 1100 एनएम पर सभी नमूनों का संप्रेषण 70% से अधिक हो गया। यह इंगित करता है कि गर्म आइसोस्टैटिक दबाव महत्वपूर्ण अनाज वृद्धि के बिना वैक्यूम सिंटरिंग द्वारा उत्पन्न छिद्रों को खत्म कर सकता है। महीन दाने वाले सिरेमिक प्राप्त करने के लिए, वैक्यूम सिंटरिंग तापमान बहुत अधिक नहीं होना चाहिए। 1650 डिग्री पर वैक्यूम प्री-सिंटरिंग और 1800 डिग्री पर गर्म आइसोस्टैटिक दबाव इस पारदर्शी सिरेमिक सामग्री के लिए इष्टतम प्रक्रिया है।
3.3 अनाज का शोधन
उच्च तापमान और उच्च दबाव के सहक्रियात्मक प्रभाव के माध्यम से, एचआईपी अपेक्षाकृत कम तापमान पर सिरेमिक का घनत्व प्राप्त करता है, जबकि सिरेमिक में असामान्य अनाज वृद्धि को रोकता है और जुड़वां सीमाओं और निम्न-कोण अनाज सीमाओं के अस्तित्व के अवसरों को कम करता है [12]। इसलिए, अल्ट्राफाइन या नैनो-आकार के कच्चे माल का उपयोग करके और अपेक्षाकृत कम प्री-सिंटरिंग और गर्म आइसोस्टैटिक दबाव तापमान को अपनाकर, एक संकीर्ण चौड़ाई के साथ बारीक अनाज और अनाज की सीमाएं प्राप्त की जा सकती हैं।
3.4 बड़े आकार और अनियमित सिरेमिक का लगभग-नेट आकार देना
हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग तकनीक एक साथ उत्पाद पर उच्च दबाव वाली अक्रिय गैस और उच्च तापमान लागू करती है। यह प्रभावी ढंग से आंतरिक रिक्तियों को हटा सकता है और पूरी सामग्री में मजबूत धातुकर्म बंधन बना सकता है, जिससे सिरेमिक या सिरेमिक-धातु मिश्रित सामग्री तैयार करने में आने वाली कठिनाइयों को काफी हद तक हल किया जा सकता है, और विशेष रूप से बड़े आकार और जटिल आकार की सिरेमिक सामग्री तैयार करने में इसके महत्वपूर्ण फायदे हैं। इसके अलावा, हॉट आइसोस्टैटिक प्रेसिंग सिंटरिंग की एक बहुत प्रमुख विशेषता यह है कि इसका भट्टी कक्ष बहुत बड़ा बनाया जाता है। अपनी आइसोस्टैटिक दबाव विशेषताओं के साथ संयुक्त, यह बड़े आकार के जटिल अनियमित भागों के सिंटरिंग को पूरा कर सकता है, और सिंटर किए गए उत्पादों को बाद में यांत्रिक मशीनिंग की आवश्यकता नहीं होती है।
उपरोक्त कार्यों के अलावा, उपचार के बाद गर्म आइसोस्टैटिक दबाव का एक और विशिष्ट अनुप्रयोग सिरेमिक कोटिंग्स है। थर्मल छिड़काव द्वारा उत्पादित कोटिंग्स में दो दोष होने का खतरा होता है: पहला, सब्सट्रेट से खराब संबंध शक्ति; दूसरा, कोटिंग में छिद्र दिखाई देने की संभावना होती है, जिसके परिणामस्वरूप घनत्व कम होता है, जिससे कोटिंग आसानी से निकल जाती है। उपचार के बाद गर्म आइसोस्टैटिक दबाव के माध्यम से, कोटिंग के घनत्व में सुधार किया जा सकता है, जबकि सब्सट्रेट के साथ संबंध बल बढ़ता है, प्रदूषण गायब हो जाता है, और कोटिंग और सब्सट्रेट एक एकीकृत संपूर्ण बन जाते हैं।