Bài 9.3Tạo hình ban đầuChương 9 · Bột và gốm

Ép đẳng tĩnh nóng (HIP)

Ép từ mọi phía bằng argon nóng để đóng các lỗ xốp

Ép đẳng tĩnh nóng (HIP) đặt chi tiết đã hoàn thành hoặc gần hoàn thành vào bình áp suất và ép chúng bằng khí argon nóng. Áp lực đẩy đều từ mọi hướng (“đẳng tĩnh”), nên các lỗ xốp ẩn xẹp xuống và hàn kín trong khi hình dạng không đổi. Cánh tuabin động cơ phản lực và implant titan in 3D thường được xử lý như vậy.

Ảnh: Quintus Technologies, CC BY-SA 4.0, qua Wikimedia Commons

Ép đẳng tĩnh nóng · mặt cắt bình, lỗ xốp đóng lại, một chu kỳBình được vẽ cắt đôi; hình phụ phóng to một chi tiết, và đồ thị nhỏ phác một chu kỳ. Các số trong vòng tròn khớp với các bước.

Cách hoạt động

Nạp và bịt kín. Chi tiết vào trên đồ gá, và bình được đóng bằng các nút thép dày; ở máy lớn, một khung nặng giữ các nút tại chỗ. Mẻ có thể là vật đúc, chi tiết in 3D, hoặc bột kim loại bịt kín trong lon thép.
Nạp argon. Không khí được bơm ra, và máy nén bơm argon vào, một khí trơ không phản ứng với kim loại nóng.
Gia nhiệt và tăng áp. Lò bên trong tấm chắn nhiệt đưa chi tiết đến khoảng 900–1.250 °C với thép, titan và hợp kim niken (khoảng 500 °C với nhôm). Gia nhiệt khí bị giữ làm tăng áp suất của nó đến thường 100–200 MPa, khoảng 1.000–2.000 lần áp suất khí quyển.
Giữ. Thường trong 2–4 giờ, kim loại nóng đủ mềm để rão (chảy rất chậm) vào các lỗ xốp. Thành lỗ xốp chạm nhau và liên kết nhờ khuếch tán (nguyên tử trôi qua), để lại kim loại đặc. Lỗ xốp hở ra bề mặt không đóng được, vì khí lọt vào chúng.
Làm nguội và dỡ. Lò nguội đi, argon được thu hồi để tái sử dụng, và chi tiết ra với cùng hình dạng, về cơ bản đặc hoàn toàn. Lon chứa bột sau đó được loại bỏ bằng gia công hoặc axit.

Thông số chính

Vật liệu: Vật đúc và chi tiết in 3D bằng titan, hợp kim niken, thép và nhôm; bột kim loại trong lon kín; gốm kỹ thuật
Chi tiết thường gặp: Cánh tuabin, implant y tế, thân van, khối thép dụng cụ, chi tiết kim loại in
Kích thước chi tiết: Từ implant nhỏ đến chi tiết nặng vài tấn; bình lớn nhất chứa mẻ rộng khoảng 2 m
Độ chính xác: Hình dạng được giữ; chi tiết chỉ co theo thể tích lỗ xốp, thường là một phần rất nhỏ của một phần trăm với vật đúc
Bề mặt hoàn thiện: Giữ nguyên như cũ: HIP không chạm đến bề mặt
Số lượng phù hợp: Bất kỳ: một chi tiết hoặc cả mẻ lò, thường do các công ty dịch vụ HIP chuyên nghiệp thực hiện
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Không cần khuôn dụng cụ riêng cho chi tiết; máy tốn từ hàng trăm nghìn đô la (loại phòng thí nghiệm) đến nhiều triệu (loại sản xuất)
Tốc độ: Một chu kỳ thường mất 6–12 giờ gồm gia nhiệt và làm nguội; ít hơn ở máy làm nguội nhanh

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Loại bỏ lỗ xốp bên trong, đạt gần như 100% khối lượng riêng
Cải thiện lớn tuổi thọ mỏi (khả năng chịu tải lặp lại) và độ tin cậy
Không cần khuôn dụng cụ riêng: mọi hình dạng đều được nếu lọt vừa bình
Có thể biến bột thành chi tiết đặc, hoặc liên kết hai kim loại với nhau

Hạn chế

Không đóng được lỗ xốp thông ra bề mặt
Chu kỳ dài, tốn kém, thường là bước thêm sau đúc hoặc in
Máy rất đắt, nên hầu hết các công ty dùng nhà cung cấp dịch vụ
Lon chứa bột tốn thêm chi phí và phải gia công hoặc hòa tan bỏ đi

Ứng dụng

Hàng không vũ trụCánh tuabin đúc và cánh dẫn hướng, vật đúc kết cấu động cơ
Y tếImplant khớp háng và đầu gối bằng titan và côban–crôm đúc hoặc in 3D
Sản xuất bồi đắpXử lý sau tiêu chuẩn cho chi tiết titan và hợp kim niken in
Dầu khí và năng lượngThân van, chi tiết bơm và ống góp làm từ bột bằng HIP
Dụng cụThép dụng cụ và thép gió từ bột với cấu trúc mịn, đều

Cách nhận biết

HIP không để lại dấu nhìn thấy: chi tiết trông y như vật đúc hay bản in ban đầu.
Bằng chứng nằm bên trong: mặt cắt đã cắt và đánh bóng, hoặc ảnh X-quang, cho thấy không có lỗ xốp.
Chi tiết lớn làm từ bột bằng HIP có bề mặt gia công khắp nơi, vì lon thép đã bị cắt bỏ; bản vẽ và chứng nhận thường ghi “HIPed”.

So sánh với

Luyện kim bột9.1ép bột nguội trong khuôn từ hai hướng và để lại lỗ xốp; HIP ép nóng từ mọi phía và loại bỏ chúng.Thiêu kết plasma tia lửa9.4cũng kết hợp nhiệt và áp lực, nhưng ép theo một trục trong khuôn than chì, trong vài phút thay vì vài giờ.Đúc mẫu chảy1.2thường đến ngay trước HIP: cánh tuabin đúc được HIP để đóng các lỗ xốp co ngót.

Xem video

Everyday Metallurgy · Vì sao nhiệt cộng áp lực đều đóng được lỗ xốp bên trong

Quintus Technologies · Bình, lò và chu kỳ argon, từ một nhà sản xuất máy

Hiperbaric · Hoạt hình một chu kỳ đầy đủ gia nhiệt, tăng áp và làm nguội

TWI Ltd · Cách bột bịt kín trong lon trở thành chi tiết đặc, gần thành phẩm

Xem ảnh thật

Wikipedia: Ép đẳng tĩnh nóng — lịch sử, áp suất, nhiệt độ điển hình và công dụng; ít ảnh
Tìm ảnh trên Wikimedia Commons

Ghi nhớ

HIP ép chi tiết bằng argon nóng từ mọi phía cùng lúc, nên hình dạng được giữ.
Nó đóng các lỗ xốp bên trong, cho khối lượng riêng gần như đầy đủ và tuổi thọ mỏi dài hơn nhiều.
Đây là bước theo mẻ dài, tốn kém, dùng khi chi tiết không được phép hỏng.