Lição 9.3MoldarCapítulo 9 · Pós e cerâmicas

Prensagem isostática a quente (HIP)

Espreme com argônio quente de todos os lados para fechar poros

A prensagem isostática a quente (HIP) coloca peças prontas ou quase prontas em um vaso de pressão e as espreme com gás argônio quente. A pressão empurra igualmente em todas as direções (“isostática”), então os poros ocultos colapsam e se soldam enquanto a forma permanece a mesma. Pás de turbinas de motores a jato e implantes de titânio impressos em 3D são tratados assim rotineiramente.

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

Prensagem isostática a quente · corte do vaso, poros se fechando, um cicloO vaso é desenhado cortado ao meio; o detalhe amplia uma peça, e o pequeno gráfico esboça um ciclo. Os números circulados correspondem às etapas.

Como funciona

Carregue e sele. As peças entram em um dispositivo, e o vaso é fechado com grossos tampões de aço; em unidades grandes, um quadro pesado mantém os tampões no lugar. A carga pode ser peças fundidas, peças impressas em 3D ou pó de metal selado em uma lata de aço.
Encha de argônio. O ar é bombeado para fora, e um compressor injeta argônio, um gás inerte que não reage com metal quente.
Aqueça e pressurize. Um forno dentro de uma blindagem térmica leva as peças a cerca de 900–1.250 °C para aços, titânio e ligas de níquel (cerca de 500 °C para alumínio). Aquecer o gás confinado eleva sua pressão a normalmente 100–200 MPa, cerca de 1.000–2.000 vezes a pressão atmosférica.
Mantenha. Por normalmente 2–4 horas, o metal quente fica mole o bastante para fluir (escoar muito devagar) para dentro dos seus poros. As paredes dos poros se tocam e se unem por difusão (átomos migrando através), deixando metal maciço. Os poros abertos para a superfície não conseguem fechar, porque o gás entra neles.
Esfrie e descarregue. O forno esfria, o argônio é recuperado para reutilização e as peças saem com a mesma forma e densidade essencialmente total. As latas de pó são então removidas por usinagem ou ácido.

Dados-chave

Materiais: Peças fundidas e impressas em 3D de titânio, ligas de níquel, aços e alumínio; pós metálicos em latas seladas; cerâmicas técnicas
Peças típicas: Pás de turbinas, implantes médicos, corpos de válvulas, blocos de aço-ferramenta, peças metálicas impressas
Tamanho da peça: De pequenos implantes a peças de várias toneladas; os maiores vasos comportam cargas de cerca de 2 m de diâmetro
Precisão: A forma é mantida; as peças encolhem só o volume dos poros, normalmente uma minúscula fração de um por cento em peças fundidas
Acabamento superficial: Como estava: a HIP não toca a superfície
Tamanho de lote adequado: Qualquer: uma peça ou uma carga cheia de forno, muitas vezes feita por empresas especializadas em serviços de HIP
Custo de ferramental e máquinas: Sem ferramental específico para a peça; as máquinas custam de centenas de milhares de dólares (unidades de laboratório) a muitos milhões (unidades de produção)
Velocidade: Um ciclo normalmente leva 6–12 horas, incluindo aquecimento e resfriamento; menos em unidades com resfriamento rápido

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Remove poros internos, chegando essencialmente a 100% de densidade
Grandes ganhos de vida em fadiga (resistência a cargas repetidas) e de confiabilidade
Sem ferramental específico para a peça: qualquer forma serve se couber no vaso
Pode transformar pó em uma peça maciça, ou unir dois metais

Limites

Não fecha poros que se ligam à superfície
Ciclos longos e caros, normalmente uma etapa extra depois da fundição ou da impressão
Máquinas muito caras, então a maioria das empresas usa um prestador de serviço
As latas de pó aumentam o custo e precisam ser usinadas ou dissolvidas

Onde é usado

AeroespacialPás e palhetas de turbina fundidas, peças fundidas estruturais de motores
MedicinaImplantes de quadril e joelho em titânio e cobalto-cromo fundidos ou impressos em 3D
Manufatura aditivaPós-tratamento padrão para peças impressas de titânio e de ligas de níquel
Petróleo, gás e energiaCorpos de válvulas, peças de bombas e coletores feitos de pó por HIP
FerramentariaAços-ferramenta e aços rápidos em pó com estrutura fina e uniforme

Como reconhecê-lo

A HIP não deixa marca visível: a peça parece exatamente a fundição ou a impressão que era.
A prova está por dentro: uma seção cortada e polida, ou um raio X, não mostra poros.
Grandes peças feitas de pó por HIP mostram superfícies usinadas por todo lado, porque a lata de aço foi cortada fora; desenhos e certificados muitas vezes dizem “HIPed”.

Compare com

Metalurgia do pó9.1prensa pó frio em uma matriz em duas direções e deixa poros; a HIP prensa a quente de todos os lados e os remove.Sinterização por plasma de faísca9.4também combina calor e pressão, mas prensa ao longo de um eixo em uma matriz de grafite, em minutos em vez de horas.Fundição de precisão1.2muitas vezes vem logo antes da HIP: pás de turbina fundidas passam por HIP para fechar poros de contração.

Assista

Everyday Metallurgy · Por que calor mais pressão igual fecham os poros internos

Quintus Technologies · O vaso, o forno e o ciclo de argônio, por um fabricante de máquinas

Hiperbaric · Uma animação de um ciclo completo de aquecimento, pressão e resfriamento

TWI Ltd · Como o pó selado em uma lata vira uma peça maciça, quase na forma final

Veja fotos reais

Wikipedia: Prensagem isostática a quente — história, pressões e temperaturas típicas e usos; poucas fotos
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

A HIP espreme as peças com argônio quente de todos os lados ao mesmo tempo, então a forma é mantida.
Fecha poros internos, dando densidade essencialmente total e vida em fadiga muito maior.
É uma etapa de lote longa e cara, usada onde uma peça não pode falhar.