Tehnologia HIP datează din anii 1950 la laboratorul Columbus al lui Battelle. Aplicația inițială a fost legarea învelișului de zirconiu cu elementele combustibile cu uraniu pentru reactoarele cu apă sub presiune timpurie-o problemă de nișă care s-a întâmplat să producă o tehnică de fabricație foarte utilă. Crucible Steel și Kennametal au preluat tehnologia în anii 1960 pentru aplicațiile de metalurgie a pulberilor și a devenit treptat o practică standard pentru turnarea aerospațială critică prin anii 1970 și 1980. Fizica nu s-a schimbat prea mult de atunci, chiar dacă echipamentul a devenit substanțial mai mare și mai rapid.

Fundamentele procesului

Conceptul este destul de simplu. Piesele stau într-un vas sub presiune în timp ce gazul de argon (uneori azot, dar raza atomică mai mare a argonului funcționează mai bine) presurizează undeva între 100 și 200 MPa la temperatură ridicată. Pentru aliajele feroase MIM, asta înseamnă de obicei 1065 de grade sau cam asa ceva; cobalt-cromul este mai fierbinte în jur de 1220 de grade; aliajele de titan proces mai jos aproape de 900 de grade. Timpul de reținere durează 2 până la 4 ore, în funcție de grosimea secțiunii și de material.

Trei lucruri se întâmplă simultan în aceste condiții. Deformarea plastică prăbușește golurile deoarece limita de curgere scade odată cu temperatura, în timp ce presiunea externă rămâne constantă. Fluajul continuă densificarea, deoarece mișcarea de dislocare se adaptează la modificarea volumului. Și difuzia atomică pe suprafețele goale prăbușite creează legături metalurgice reale-acest ultim mecanism este cel care distinge HIP de simpla presare la cald și asigură că porozitatea nu se redeschide.

Efectele proprietății mecanice

Îmbunătățirile proprietății de la HIP variază destul de mult în funcție de ceea ce măsurați. Rezistența la tracțiune și duritatea crește modest-nimic care să justifice singur costul adăugat. Câștigurile reale apar în proprietățile sensibile la defecte interne.

Datele de rezistență la impact pe inox 17-4PH ilustrează ideea. Folosind materie primă de pulbere pre-aliată, valorile Charpy au trecut de la aproximativ 5,4 jouli sinterizat-la 9,5 jouli după HIP. Rutele de aliaje principale au arătat salturi și mai mari: de la 6,8 jouli la peste 20 de jouli în unele studii. Aceasta este diferența dintre un mod de defectare fragil și unul ductil pentru multe aplicații. Îmbunătățirea duratei de viață la oboseală urmează modele similare-eliminarea concentratoarelor interne de stres extinde ciclurile până la eșec cu factori de 5 până la 10 în testele de oboseală cu ciclu înalt.

Pentru materialele de tip-implant, numerele de ductilitate contează cel mai mult. Cobaltul-crom conform ASTM F75 are nevoie de valori de alungire de aproximativ 20% pentru a îndeplini specificațiile pentru implanturi chirurgicale, ceea ce, ca-MIM sinterizat, de obicei, nu le poate realiza. Procesarea HIP închide acest decalaj. Ti-6Al-4V per F2885 arată că puterea de curgere crește de fapt de la aproximativ 870 MPa la 960 MPa după HIP, menținând în același timp alungirea contraintuitivă până când vă amintiți că porozitatea afectează negativ ambele proprietăți.

Un beneficiu practic care nu apare în tabelele de proprietăți ale materialelor: consistența lot-la-se îmbunătățește substanțial. Gradienții de temperatură ale cuptorului de sinterizare creează variații de densitate la nivelul unei încărcări-piesele din apropierea elementelor de încălzire se densifică diferit față de părțile din centru. După HIP, totul converge către densitatea teoretică, indiferent de punctul de plecare. Pentru producătorii de turnare prin injecție de metal care efectuează controlul statistic al procesului, această distribuție strânsă contează adesea la fel de mult pe cât câștigă proprietatea absolută.

Realități de producție

Majoritatea furnizorilor de servicii de turnare prin injecție a metalelor externalizează HIP către procesoare de specialitate, mai degrabă decât să aducă în casă capacitatea-. Echipamentul este scump, ratele de utilizare pentru o singură operațiune MIM rareori justifică capacitatea dedicată, iar expertiza operațională nu se suprapune prea mult cu competențele de bază de sinterizare și turnare. Bodycote, Quintus și o mână de alți procesatori contractuali se ocupă de cea mai mare parte a volumului comercial.

Economia ciclului depinde în mare măsură de eficiența încărcării. Un vas HIP de producție poate avea o zonă fierbinte de 1,5 metri în diametru și 3 metri înălțime-volum substanțial care trebuie umplut productiv, având în vedere cicluri de 4 până la 8 ore. Piesele MIM mici pot fi fixate dens; componentele mai mari cu geometrie complexă sunt mai greu de împachetat eficient. Prețul contractului reflectă acest lucru, costurile per-parte scad semnificativ la volume mai mari.

 

Contaminarea suprafeței este o durere de cap recurentă atunci când utilizați centre de service cu mai multe-aliaje. Instalațiile care procesează superaliaje de nichel, oțeluri pentru scule și titan prin același echipament lasă inevitabil urme de depozite care se pot transfera pe suprafețele pieselor MIM. Compușii de crom și siliciu apar ca decolorare verde sau maronie. De obicei superficial și detașabil prin șlefuire ușoară sau curățare chimică, dar merită discutat cu procesorul în avans pentru aplicații cosmetice sau de biocompatibilitate-critice. Unele programe personalizate pentru piese MIM OEM specifică cicluri HIP dedicate pentru a evita complet contaminarea încrucișată.

Modificările dimensionale în timpul HIP necesită atenție în timpul proiectării piesei. Închiderea porozității cauzează o contracție uniformă proporțională cu creșterea densității-facil de prezis și compensat. Mai problematici sunt gradienții de densitate moșteniți de la turnarea prin injecție. Densitatea mai mare de împachetare în apropierea porții față de secțiunile mai subțiri mai îndepărtate creează o contracție diferențială în timpul HIP care poate distorsiona geometriile complexe. Furnizorii cu experiență de turnare prin injecție a metalelor rulează cicluri de testare la începutul dezvoltării pentru a caracteriza și compensa aceste efecte înainte de a utiliza scule.

Unde HIP are sens economic

Costul de procesare adăugat înseamnă că HIP este specificat acolo unde cerințele de performanță o justifică, nu ca pas implicit. Componentele aerospațiale-lamele de turbină, suporturile structurale, hardware-ul-critice pentru zbor-trec în mod obișnuit prin HIP ca practică standard conform cerințelor sistemului de calitate AS9100. Implanturile medicale sunt similare; căile de reglementare pentru dispozitivele de clasă III impun, în esență, material cu densitate completă-pentru orice înregistrează încărcare ciclică in vivo.

Aplicațiile auto se extind pe măsură ce electrificarea împinge cerințele de management termic. Barele colectoare de cupru cu curent ridicat-și carcasele electronice de putere specifică din ce în ce mai mult HIP pentru a se asigura că conductivitatea termică îndeplinește obiectivele de proiectare. Angrenajele de precizie pentru transmisiile electrice beneficiază de performanța îmbunătățită la oboseală. Mai mulți furnizori de componente de turnare prin injecție de metal care au expus la recentele expoziții Chinaplas au evidențiat piesele procesate HIP-pentru aplicații EV ca zonă de creștere.

Pentru piesele MIM comerciale în care presiunea costurilor domină și cerințele de proprietate rămân în limitele-funcțiilor sinterizate, HIP adaugă cheltuieli fără beneficii pe măsură. Tehnologia își găsește rolul în acel subset de aplicații solicitante în care densitatea completă permite direct performanța produsului-și în care clienții recunosc că integritatea materialului impune o primă.