Урок 9.3Придать формуГлава 9 · Порошки и керамика

Горячее изостатическое прессование (HIP)

Сжатие горячим аргоном со всех сторон закрывает поры

Горячее изостатическое прессование (HIP) помещает готовые или почти готовые детали в сосуд высокого давления и сжимает их горячим аргоном. Давление действует одинаково со всех сторон («изостатически»), поэтому скрытые поры схлопываются и завариваются, а форма остаётся прежней. Лопатки турбин реактивных двигателей и титановые импланты, напечатанные на 3D-принтере, обычно обрабатывают именно так.

Фото: Quintus Technologies, CC BY-SA 4.0, через Wikimedia Commons

Горячее изостатическое прессование · разрез сосуда, закрывающиеся поры, один циклСосуд нарисован в разрезе; врезка увеличивает одну деталь, а небольшой график схематично показывает один цикл. Цифры в кружках соответствуют шагам.

Как это работает

Загрузить и закрыть. Детали помещают на оснастке, а сосуд закрывают толстыми стальными заглушками; в больших установках тяжёлая рама удерживает заглушки на месте. Загрузкой могут быть отливки, детали, напечатанные на 3D-принтере, или металлический порошок, запечатанный в стальной капсуле.
Заполнить аргоном. Воздух откачивают, а компрессор закачивает аргон — инертный газ, не реагирующий с горячим металлом.
Нагреть и поднять давление. Печь внутри теплового экрана доводит детали до примерно 900–1 250 °C для сталей, титана и никелевых сплавов (около 500 °C для алюминия). Нагрев запертого газа поднимает его давление обычно до 100–200 МПа, примерно в 1 000–2 000 раз выше атмосферного.
Выдержать. Обычно 2–4 часа горячий металл достаточно мягок, чтобы ползти (течь очень медленно) в свои поры. Стенки пор соприкасаются и соединяются диффузией (атомы перетекают через границу), оставляя сплошной металл. Поры, выходящие на поверхность, закрыться не могут, потому что газ проникает в них.
Остудить и выгрузить. Печь остывает, аргон собирают для повторного использования, а детали выходят с той же формой и практически полной плотностью. Капсулы с порошком затем удаляют обработкой резанием или кислотой.

Ключевые факты

Материалы: Отливки и детали, напечатанные на 3D-принтере, из титана, никелевых сплавов, сталей и алюминия; металлические порошки в запечатанных капсулах; техническая керамика
Типичные детали: Лопатки турбин, медицинские импланты, корпуса клапанов, блоки из инструментальной стали, напечатанные металлические детали
Размер детали: От небольших имплантов до деталей массой в несколько тонн; самые большие сосуды вмещают загрузки около 2 м в поперечнике
Точность: Форма сохраняется; детали усаживаются только на объём пор, обычно крошечную долю процента для отливок
Качество поверхности: Остаётся как было: HIP не затрагивает поверхность
Подходящая партия: Любая: одна деталь или полная загрузка печи, часто выполняется специализированными сервисными компаниями HIP
Стоимость оснастки и оборудования: Оснастка под конкретную деталь не нужна; машины стоят от сотен тысяч долларов (лабораторные) до многих миллионов (производственные)
Скорость: Один цикл обычно занимает 6–12 часов, включая нагрев и охлаждение; меньше в установках с быстрым охлаждением

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Удаляет внутренние поры, достигая практически 100 % плотности
Большой выигрыш в усталостной долговечности (стойкости к повторным нагрузкам) и надёжности
Оснастки под деталь нет: подходит любая форма, если она помещается в сосуд
Может превратить порошок в твёрдую деталь или соединить два металла

Ограничения

Не может закрыть поры, выходящие на поверхность
Долгие дорогие циклы, обычно дополнительный шаг после литья или печати
Очень дорогие машины, поэтому большинство компаний пользуются услугами сервис-провайдера
Капсулы для порошка добавляют стоимость и их нужно обработать резанием или растворить

Где применяется

АвиацияЛитые лопатки турбин и направляющие аппараты, конструкционные отливки двигателей
МедицинаТазобедренные и коленные импланты из литого или напечатанного титана и кобальт-хрома
Аддитивное производствоСтандартная постобработка напечатанных деталей из титана и никелевых сплавов
Нефть, газ и энергетикаКорпуса клапанов, детали насосов и коллекторы, сделанные из порошка методом HIP
ОснасткаПорошковые инструментальные и быстрорежущие стали с мелкой равномерной структурой

Как узнать процесс

HIP не оставляет видимого следа: деталь выглядит точно так же, как отливка или печать, из которой она сделана.
Доказательство внутри: срез, разрезанный и отполированный, или рентген не показывает пор.
Большие детали, сделанные из порошка методом HIP, имеют обработанные поверхности по всей детали, потому что стальную капсулу срезали; на чертежах и в сертификатах часто пишут «HIPed».

Сравните с

Порошковая металлургия9.1прессует холодный порошок в матрице с двух направлений и оставляет поры; HIP прессует горячим со всех сторон и убирает их.Спекание искровой плазмой9.4тоже сочетает нагрев и давление, но прессует вдоль одной оси в графитовой матрице, за минуты вместо часов.Литьё по выплавляемым моделям1.2часто идёт непосредственно перед HIP: литые лопатки турбин подвергают HIP, чтобы закрыть усадочные поры.

Смотрите

Everyday Metallurgy · Почему нагрев плюс равное давление закрывают внутренние поры

Quintus Technologies · Сосуд, печь и цикл с аргоном — от производителя оборудования

Hiperbaric · Анимация одного полного цикла нагрева, давления и охлаждения

TWI Ltd · Как порошок, запечатанный в капсуле, становится твёрдой деталью, близкой к окончательной

Смотреть реальные фото

Википедия: горячее изостатическое прессование — история, типичные давления, температуры и применение; мало фотографий
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

HIP сжимает детали горячим аргоном со всех сторон сразу, поэтому форма сохраняется.
Он закрывает внутренние поры, давая практически полную плотность и намного более долгий усталостный ресурс.
Это долгий дорогой пакетный шаг, используемый там, где деталь не должна выйти из строя.