Początki technologii HIP sięgają lat pięćdziesiątych XX wieku w laboratorium Battelle w Columbus. Pierwotnym zastosowaniem było łączenie okładziny cyrkonowej z elementami paliwa uranowego we wczesnych reaktorach wodnych ciśnieniowych-było to niszowe zadanie, które doprowadziło do powstania szeroko przydatnej techniki produkcyjnej. Crucible Steel i Kennametal przejęły tę technologię w latach sześćdziesiątych XX wieku do zastosowań w metalurgii proszków, a w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku stała się ona stopniowo standardową praktyką w przypadku krytycznych odlewów lotniczych. Od tego czasu fizyka nie zmieniła się zbytnio, mimo że sprzęt stał się znacznie większy i szybszy.

Podstawy procesu

Koncepcja jest dość prosta. Części znajdują się w naczyniu ciśnieniowym, podczas gdy argon (czasami azot, ale większy promień atomowy argonu działa lepiej) osiąga ciśnienie od 100 do 200 MPa w podwyższonej temperaturze. W przypadku stopów żelaza MIM oznacza to zazwyczaj około 1065 stopni; kobalt-chrom nagrzewa się w temperaturze około 1220 stopni; stopy tytanu przetwarzają się w temperaturze niższej, bliskiej 900 stopni. Czas przetrzymania wynosi od 2 do 4 godzin, w zależności od grubości przekroju i materiału.

W tych warunkach trzy rzeczy dzieją się jednocześnie. Odkształcenie plastyczne zapada puste przestrzenie, ponieważ granica plastyczności spada wraz z temperaturą, podczas gdy ciśnienie zewnętrzne pozostaje stałe. Pełzanie kontynuuje zagęszczanie, gdy ruch dyslokacyjny dostosowuje się do zmiany objętości. Dyfuzja atomów przez zapadnięte puste powierzchnie tworzy rzeczywiste wiązania metalurgiczne-ten ostatni mechanizm odróżnia HIP od zwykłego prasowania na gorąco i zapewnia, że ​​porowatość nie otworzy się ponownie.

Skutki właściwości mechanicznych

Ulepszenia właściwości wynikające z HIP różnią się znacznie w zależności od tego, co mierzysz. Wytrzymałość na rozciąganie i twardość nieznacznie rosną-, co samo w sobie nie uzasadnia dodatkowego kosztu. Prawdziwe korzyści pojawiają się we właściwościach wrażliwych na wady wewnętrzne.

Dane dotyczące udarności stali nierdzewnej 17-4PH ilustrują tę kwestię. Przy zastosowaniu-prestopowego surowca w postaci proszku wartości Charpy’ego wzrosły z około 5,4 dżuli-w procesie spiekania do 9,5 dżuli po HIP. W niektórych badaniach trasy ze stopów głównych wykazały jeszcze większe skoki: od 6,8 ​​dżuli do ponad 20 dżuli. Na tym polega różnica między kruchym trybem zniszczenia a ciągliwym w wielu zastosowaniach. Poprawa trwałości zmęczeniowej przebiega według podobnego schematu.-Wyeliminowanie wewnętrznych koncentratorów naprężeń wydłuża cykle aż do awarii o współczynniki od 5 do 10 w testach zmęczenia wysokocyklowego.

W przypadku materiałów-do implantów największe znaczenie mają plastyczność. Kobalt-chrom według ASTM F75 wymaga wartości wydłużenia około 20%, aby spełnić specyfikacje implantów chirurgicznych, czego zazwyczaj nie można osiągnąć w przypadku-spiekanego MIM. Przetwarzanie HIP wypełnia tę lukę. Ti-6Al-4V na F2885 wykazuje faktycznie rosnącą granicę plastyczności z około 870 MPa do 960 MPa po HIP, przy jednoczesnym zachowaniu wydłużenia, co jest sprzeczne z intuicją, dopóki nie przypomnimy sobie, że porowatość wpływa negatywnie na obie właściwości.

Jedna praktyczna korzyść, która nie jest widoczna w tabelach właściwości materiałów: spójność poszczególnych partii-do-znacznie się poprawia. Gradienty temperatury w piecu do spiekania powodują zmiany gęstości wsadu.-Części w pobliżu elementów grzejnych mają inną gęstość niż części w środku. Po HIP wszystko zmierza w kierunku gęstości teoretycznej, niezależnie od punktu początkowego. Dla producentów zajmujących się formowaniem wtryskowym metali prowadzących statystyczną kontrolę procesu ten zawężony rozkład często ma takie samo znaczenie, jak bezwzględne zyski z właściwości.

Realia produkcyjne

Większość dostawców usług formowania wtryskowego metali zleca HIP wyspecjalizowanym przetwórcom, zamiast udostępniać tę funkcję-we własnym zakresie. Sprzęt jest drogi, wskaźniki wykorzystania pojedynczej operacji MIM rzadko uzasadniają wydzieloną wydajność, a wiedza operacyjna nie pokrywa się zbytnio z kompetencjami w zakresie spiekania i formowania rdzeni. Większość wolumenu komercyjnego obsługuje firma Bodycote, Quintus i kilku innych przetwórców kontraktowych.

Ekonomika cyklu zależy w dużym stopniu od wydajności ładowania. Zbiornik produkcyjny HIP może mieć strefę gorącą o średnicy 1,5 metra i wysokości-3 metrów,-o znacznej objętości, którą należy napełnić w sposób produktywny, biorąc pod uwagę cykle trwające od 4 do 8 godzin. Małe części MIM można gęsto mocować; większe komponenty o złożonej geometrii są trudniejsze do wydajnego spakowania. Odzwierciedlają to ceny kontraktowe, przy czym koszty-części znacznie spadają przy większych ilościach.

 

Zanieczyszczenie powierzchni to powracający problem związany z korzystaniem z centrów serwisowych zajmujących się-stopami wielostopowymi. Zakłady przetwarzające nadstopy niklu, stale narzędziowe i tytan za pomocą tego samego sprzętu nieuchronnie pozostawiają śladowe osady, które mogą przenosić się na powierzchnie części MIM. Związki chromu i krzemu objawiają się zielonymi lub brązowawymi przebarwieniami. Zwykle jest powierzchowny i można go usunąć poprzez lekkie szlifowanie lub czyszczenie chemiczne, ale warto omówić to z procesorem w przypadku zastosowań kosmetycznych lub{4}}krytycznych pod względem biokompatybilności. Niektóre programy OEM dotyczące niestandardowych części MIM określają dedykowane cykle HIP, aby całkowicie uniknąć-zanieczyszczeń krzyżowych.

Zmiany wymiarowe podczas HIP wymagają uwagi podczas projektowania części. Zamknięcie porowatości powoduje równomierny skurcz proporcjonalny do wzrostu gęstości-, który można łatwo przewidzieć i skompensować. Bardziej problematyczne są gradienty gęstości odziedziczone po formowaniu wtryskowym. Większa gęstość upakowania w pobliżu przewężki w porównaniu z cieńszymi sekcjami znajdującymi się dalej powoduje zróżnicowany skurcz podczas HIP, który może zniekształcić złożone geometrie. Doświadczeni dostawcy formowania wtryskowego metali przeprowadzają cykle testowe na wczesnym etapie rozwoju, aby scharakteryzować i skompensować te efekty przed wykonaniem oprzyrządowania.

Gdzie HIP ma sens ekonomiczny

Dodatkowy koszt przetwarzania oznacza, że ​​HIP jest określany tam, gdzie uzasadniają to wymagania wydajnościowe, a nie jako krok domyślny. Komponenty lotnicze-łopatki turbin, wsporniki konstrukcyjne,-sprzęt lotniczy-rutynowo przechodzą przez HIP w ramach standardowej praktyki zgodnie z wymaganiami systemu jakości AS9100. Implanty medyczne są podobne; ścieżki regulacyjne dla urządzeń klasy III zasadniczo wymagają materiału o pełnej-gęstości dla wszystkiego, co wykazuje cykliczne ładowanie in vivo.

Zastosowania motoryzacyjne rozwijają się, ponieważ elektryfikacja zwiększa wymagania w zakresie zarządzania ciepłem. Wysokoprądowe szyny zbiorcze-miedziane i obudowy energoelektroniki coraz częściej wymagają technologii HIP, aby zapewnić przewodność cieplną zgodną z założeniami projektowymi. Precyzyjne przekładnie do elektrycznych układów napędowych korzystają z lepszych parametrów zmęczeniowych. Kilku dostawców komponentów do formowania wtryskowego metali wystawiających się na ostatnich targach Chinaplas wskazało części przetworzone w technologii HIP-do zastosowań w pojazdach elektrycznych jako obszar wzrostu.

W przypadku komercyjnych części MIM, gdzie dominuje presja kosztowa, a wymagania dotyczące właściwości mieszczą się w-możliwościach spiekanych, HIP zwiększa koszty bez współmiernych korzyści. Technologia ta sprawdza się w podzbiorze wymagających zastosowań, w których pełna gęstość bezpośrednio umożliwia wydajność produktu-i gdzie klienci uznają, że integralność materiałowa jest najważniejsza.