Leçon 9.3FaçonnerChapitre 9 · Poudres et céramiques

Compression isostatique à chaud (HIP)

Presser avec de l'argon chaud de tous côtés pour fermer les pores

La compression isostatique à chaud (HIP) place des pièces finies ou presque finies dans une enceinte sous pression et les comprime avec de l'argon chaud. La pression pousse également dans toutes les directions (« isostatique »), donc les pores cachés s'effondrent et se soudent tandis que la forme reste la même. Les aubes de turbines de moteurs d'avions et les implants en titane imprimés en 3D sont couramment traités ainsi.

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

Compression isostatique à chaud · coupe de l'enceinte, pores qui se ferment, un cycleL'enceinte est dessinée coupée en deux ; l'encadré zoome sur une pièce, et le petit graphique esquisse un cycle. Les numéros cerclés correspondent aux étapes.

Comment ça marche

Charger et fermer. Les pièces entrent sur un montage, et l'enceinte est fermée avec d'épais bouchons d'acier ; dans les grandes unités un lourd bâti maintient les bouchons en place. La charge peut être des pièces coulées, des pièces imprimées en 3D, ou de la poudre métallique scellée dans une boîte en acier.
Remplir d'argon. L'air est pompé, et un compresseur injecte de l'argon, un gaz inerte qui ne réagit pas avec le métal chaud.
Chauffer et mettre sous pression. Un four dans un écran thermique porte les pièces à environ 900–1 250 °C pour les aciers, le titane et les alliages de nickel (environ 500 °C pour l'aluminium). Chauffer le gaz piégé élève sa pression à typiquement 100–200 MPa, soit environ 1 000–2 000 fois la pression atmosphérique.
Maintenir. Pendant typiquement 2–4 heures, le métal chaud est assez mou pour fluer (s'écouler très lentement) dans ses pores. Les parois des pores se touchent et se lient par diffusion (des atomes qui migrent à travers), laissant du métal plein. Les pores ouverts vers la surface ne peuvent pas se fermer, car le gaz y pénètre.
Refroidir et décharger. Le four refroidit, l'argon est récupéré pour être réutilisé, et les pièces ressortent avec la même forme à pleine densité pour l'essentiel. Les boîtes de poudre sont ensuite retirées par usinage ou à l'acide.

Chiffres clés

Matériaux: Pièces coulées et imprimées en 3D en titane, alliages de nickel, aciers et aluminium ; poudres métalliques en boîtes scellées ; céramiques techniques
Pièces typiques: Aubes de turbines, implants médicaux, corps de vannes, blocs d'acier à outils, pièces métalliques imprimées
Taille de pièce: De petits implants à des pièces de plusieurs tonnes ; les plus grandes enceintes accueillent des charges d'environ 2 m de large
Précision: La forme est conservée ; les pièces ne rétrécissent que de leur volume de pores, en général une infime fraction de pourcent pour les pièces coulées
État de surface: Laissée telle quelle : le HIP ne touche pas à la surface
Taille de série adaptée: Toutes : une pièce ou une charge de four complète, souvent traitée par des sociétés de services HIP spécialisées
Coût d'outillage et de machine: Pas d'outillage propre à la pièce ; machines de centaines de milliers de dollars (unités de laboratoire) à plusieurs millions (unités de production)
Vitesse: Un cycle prend typiquement 6–12 heures avec chauffage et refroidissement ; moins dans les unités à refroidissement rapide

Atouts et limites

Atouts

Élimine les pores internes, atteignant pour l'essentiel 100 % de densité
Gains importants en durée de vie en fatigue (résistance aux charges répétées) et en fiabilité
Pas d'outillage propre à la pièce : toute forme convient si elle tient dans l'enceinte
Peut transformer de la poudre en pièce solide, ou lier deux métaux ensemble

Limites

Ne peut pas fermer les pores qui communiquent avec la surface
Cycles longs et coûteux, généralement une étape supplémentaire après la coulée ou l'impression
Machines très coûteuses, donc la plupart des entreprises font appel à un prestataire
Les boîtes de poudre ajoutent du coût et doivent être usinées ou dissoutes

Où on l'utilise

AéronautiqueAubes et directrices de turbines coulées, pièces de structure de moteurs coulées
MédicalImplants de hanche et de genou en titane et en cobalt-chrome coulés ou imprimés en 3D
Fabrication additivePost-traitement standard des pièces imprimées en titane et en alliages de nickel
Pétrole, gaz et énergieCorps de vannes, pièces de pompes et collecteurs faits à partir de poudre par HIP
OutillageAciers à outils et aciers rapides issus de poudre, à structure fine et régulière

Comment le reconnaître

Le HIP ne laisse aucune marque visible : la pièce ressemble exactement à la pièce coulée ou imprimée qu'elle était.
La preuve est à l'intérieur : une coupe polie, ou une radiographie, ne montre aucun pore.
Les grosses pièces faites de poudre par HIP montrent des surfaces usinées partout, car la boîte en acier a été enlevée ; les plans et les certificats disent souvent « HIPé ».

À comparer avec

Métallurgie des poudres9.1presse de la poudre froide dans une matrice dans deux directions et laisse des pores ; le HIP presse à chaud de tous côtés et les élimine.Frittage flash (SPS)9.4combine aussi chaleur et pression, mais presse selon un seul axe dans une matrice en graphite, en minutes au lieu d'heures.Fonderie à cire perdue1.2vient souvent juste avant le HIP : les aubes de turbines coulées sont traitées par HIP pour fermer les porosités de retrait.

À regarder

Everyday Metallurgy · Pourquoi la chaleur plus une pression égale ferme les pores internes

Quintus Technologies · L'enceinte, le four et le cycle d'argon, par un fabricant de machines

Hiperbaric · Une animation d'un cycle complet de chauffage, de pression et de refroidissement

TWI Ltd · Comment de la poudre scellée dans une boîte devient une pièce solide, presque à la cote finale

Voir de vraies photos

Wikipédia : Compression isostatique à chaud — histoire, pressions et températures typiques et usages ; peu de photos
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Le HIP comprime les pièces avec de l'argon chaud de tous côtés à la fois, donc la forme est conservée.
Il ferme les pores internes, donnant une densité pratiquement complète et une bien plus longue durée de vie en fatigue.
C'est une longue étape par lots, coûteuse, utilisée là où une pièce ne doit pas défaillir.