Lektion 9.3UrformenKapitel 9 · Pulver und Keramik

Heißisostatisches Pressen (HIP)

Von allen Seiten mit heißem Argon pressen, um Poren zu schließen

Beim Heißisostatischen Pressen (HIP) kommen fertige oder fast fertige Teile in einen Druckbehälter und werden mit heißem Argongas gepresst. Der Druck wirkt gleichmäßig aus allen Richtungen („isostatisch“), sodass verborgene Poren kollabieren und zuschweißen, während die Form gleich bleibt. Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken und 3D-gedruckte Titanimplantate werden routinemäßig so behandelt.

Foto: Quintus Technologies, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Heißisostatisches Pressen · Behälterquerschnitt, sich schließende Poren, ein ZyklusDer Behälter ist halbiert gezeichnet; der Ausschnitt zoomt in ein Teil, und der kleine Graph skizziert einen Zyklus. Die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten.

So funktioniert es

Laden und verschließen. Die Teile kommen auf einer Vorrichtung hinein, und der Behälter wird mit dicken Stahlstopfen verschlossen; bei großen Anlagen hält ein schwerer Rahmen die Stopfen an Ort und Stelle. Die Ladung können Gussteile, 3D-gedruckte Teile oder in einer Stahlkapsel verschlossenes Metallpulver sein.
Mit Argon füllen. Die Luft wird abgepumpt, und ein Kompressor pumpt Argon ein, ein Inertgas, das nicht mit heißem Metall reagiert.
Erhitzen und Druck aufbauen. Ein Ofen in einem Hitzeschild bringt die Teile bei Stählen, Titan und Nickellegierungen auf etwa 900–1.250 °C (bei Aluminium um 500 °C). Das Erhitzen des eingeschlossenen Gases erhöht seinen Druck auf meist 100–200 MPa, etwa das 1.000- bis 2.000-Fache des Atmosphärendrucks.
Halten. Meist 2–4 Stunden lang ist das heiße Metall weich genug, um in seine Poren zu kriechen (sehr langsam zu fließen). Die Porenwände berühren sich und verbinden sich durch Diffusion (Atome wandern hinüber), sodass festes Metall zurückbleibt. Poren, die zur Oberfläche offen sind, können sich nicht schließen, weil das Gas in sie gelangt.
Abkühlen und entladen. Der Ofen kühlt ab, das Argon wird zur Wiederverwendung zurückgewonnen, und die Teile kommen mit gleicher Form und im Wesentlichen voller Dichte heraus. Pulverkapseln werden dann durch Bearbeiten oder Säure entfernt.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Gussteile und 3D-gedruckte Teile aus Titan, Nickellegierungen, Stählen und Aluminium; Metallpulver in verschlossenen Kapseln; technische Keramik
Typische Teile: Turbinenschaufeln, medizinische Implantate, Ventilgehäuse, Werkzeugstahlblöcke, gedruckte Metallteile
Bauteilgröße: Von kleinen Implantaten bis zu Teilen von mehreren Tonnen; die größten Behälter fassen Ladungen von etwa 2 m Durchmesser
Präzision: Die Form bleibt erhalten; Teile schrumpfen nur um ihr Porenvolumen, bei Gussteilen meist ein winziger Bruchteil eines Prozents
Oberfläche: Bleibt, wie sie war: HIP berührt die Oberfläche nicht
Geeignete Losgröße: Beliebig: ein Teil oder eine volle Ofenladung, oft von spezialisierten HIP-Dienstleistern gefahren
Werkzeug- und Maschinenkosten: Kein bauteilspezifisches Werkzeug; Maschinen kosten von hunderttausenden Dollar (Laboranlagen) bis zu vielen Millionen (Produktionsanlagen)
Geschwindigkeit: Ein Zyklus dauert meist 6–12 Stunden einschließlich Erwärmen und Abkühlen; weniger bei Anlagen mit schneller Abkühlung

Stärken und Grenzen

Stärken

Beseitigt innere Poren und erreicht im Wesentlichen 100 % Dichte
Große Gewinne bei Ermüdungslebensdauer (Widerstand gegen wiederholte Belastung) und Zuverlässigkeit
Kein bauteilspezifisches Werkzeug: Jede Form funktioniert, wenn sie in den Behälter passt
Kann Pulver zu einem festen Teil machen oder zwei Metalle verbinden

Grenzen

Kann Poren, die mit der Oberfläche verbunden sind, nicht schließen
Lange, teure Zyklen, meist ein zusätzlicher Schritt nach Guss oder Druck
Sehr teure Maschinen, daher nutzen die meisten Firmen einen Dienstleister
Pulverkapseln verursachen Kosten und müssen bearbeitet oder aufgelöst werden

Wo es eingesetzt wird

Luft- und RaumfahrtGegossene Turbinenschaufeln und Leitschaufeln, strukturelle Triebwerksgussteile
MedizinHüft- und Knieimplantate aus gegossenem oder 3D-gedrucktem Titan und Kobalt-Chrom
Additive FertigungStandard-Nachbehandlung für gedruckte Teile aus Titan und Nickellegierungen
Öl, Gas und EnergieVentilgehäuse, Pumpenteile und Verteiler, per HIP aus Pulver gefertigt
WerkzeugbauPulver-Werkzeugstähle und Schnellarbeitsstähle mit feinem, gleichmäßigem Gefüge

So erkennen Sie es

HIP hinterlässt keine sichtbare Spur: Das Teil sieht genauso aus wie der Guss oder Druck, der es war.
Der Beweis liegt im Inneren: Ein geschnittener und polierter Schliff oder eine Röntgenaufnahme zeigt keine Poren.
Große, per HIP aus Pulver gefertigte Teile zeigen ringsum bearbeitete Flächen, weil die Stahlkapsel weggeschnitten wurde; Zeichnungen und Zeugnisse vermerken oft „HIPed“.

Im Vergleich mit

Pulvermetallurgie9.1presst kaltes Pulver in einer Matrize aus zwei Richtungen und hinterlässt Poren; HIP presst heiß von allen Seiten und beseitigt sie.Spark-Plasma-Sintern9.4kombiniert ebenfalls Hitze und Druck, presst aber entlang einer Achse in einer Graphitmatrize, in Minuten statt Stunden.Feinguss1.2kommt oft direkt vor HIP: Gegossene Turbinenschaufeln werden per HIP behandelt, um Schrumpfungsporen zu schließen.

Ansehen

Everyday Metallurgy · Warum Hitze plus gleichmäßiger Druck innere Poren schließt

Quintus Technologies · Der Behälter, der Ofen und der Argonzyklus, von einem Maschinenbauer

Hiperbaric · Eine Animation eines kompletten Zyklus aus Erhitzen, Druck und Abkühlen

TWI Ltd · Wie in einer Kapsel verschlossenes Pulver zu einem festen, endkonturnahen Teil wird

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Heißisostatisches Pressen — Geschichte, typische Drücke, Temperaturen und Anwendungen; wenige Fotos
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

HIP presst Teile mit heißem Argon von allen Seiten zugleich, sodass die Form erhalten bleibt.
Es schließt innere Poren und liefert im Wesentlichen volle Dichte und eine viel längere Ermüdungslebensdauer.
Es ist ein langer, teurer Chargenschritt, der dort genutzt wird, wo ein Teil nicht versagen darf.