La tecnologia HIP risale al lavoro del laboratorio Battelle Columbus negli anni '50. L'applicazione originale consisteva nell'incollare rivestimenti in zirconio a elementi combustibili di uranio per i primi reattori ad acqua pressurizzata-un problema di nicchia che ha prodotto una tecnica di produzione ampiamente utile. Crucible Steel e Kennametal adottarono la tecnologia negli anni '60 per applicazioni di metallurgia delle polveri e gradualmente divenne una pratica standard per le fusioni aerospaziali critiche negli anni '70 e '80. La fisica non è cambiata molto da allora, anche se l'attrezzatura è diventata sostanzialmente più grande e più veloce.

Fondamenti del processo

Il concetto è abbastanza semplice. Le parti si trovano in un recipiente a pressione mentre il gas argon (a volte azoto, ma il raggio atomico maggiore dell'argon funziona meglio) pressurizza a una temperatura compresa tra 100 e 200 MPa a temperatura elevata. Per le leghe ferrose MIM, ciò significa in genere 1065 gradi circa; il cobalto-cromo diventa più caldo intorno ai 1220 gradi; processo di leghe di titanio inferiore vicino a 900 gradi. I tempi di attesa vanno da 2 a 4 ore a seconda dello spessore della sezione e del materiale.

Tre cose accadono contemporaneamente in quelle condizioni. La deformazione plastica fa collassare i vuoti perché la resistenza allo snervamento diminuisce con la temperatura mentre la pressione esterna rimane costante. Il creep continua la densificazione poiché il movimento della dislocazione si adatta al cambiamento di volume. E la diffusione atomica attraverso le superfici dei vuoti collassati crea veri e propri legami metallurgici-quest'ultimo meccanismo è ciò che distingue l'HIP dalla semplice pressatura a caldo e garantisce che la porosità non si riapra.

Effetti delle proprietà meccaniche

I miglioramenti delle proprietà derivanti dall'HIP variano notevolmente in base a ciò che stai misurando. La resistenza alla trazione e la durezza aumentano leggermente-niente che giustifichi di per sé il costo aggiuntivo. I veri guadagni si manifestano nelle proprietà sensibili ai difetti interni.

I dati sulla resistenza all'impatto sull'acciaio inossidabile 17-4PH illustrano il punto. Utilizzando materia prima in polvere pre-legata, i valori Charpy sono passati da circa 5,4 joule dopo la-sinterizzazione a 9,5 joule dopo l'HIP. I percorsi delle leghe madri hanno mostrato salti ancora maggiori: da 6,8 joule a oltre 20 joule in alcuni studi. Questa è la differenza tra una modalità di guasto fragile e una duttile per molte applicazioni. I miglioramenti della durata a fatica seguono modelli simili-l'eliminazione dei concentratori di stress interni estende i cicli fino al cedimento di fattori da 5 a 10 nei test di fatica ad alto numero di cicli.

Per i materiali di grado-per impianti, i valori di duttilità contano di più. Il cobalto-cromo secondo ASTM F75 necessita di valori di allungamento intorno al 20% per soddisfare le specifiche degli impianti chirurgici, che in genere come-MIM sinterizzato non è possibile ottenere. L’elaborazione HIP colma questa lacuna. Ti-6Al-4V per F2885 mostra un carico di snervamento effettivamente in aumento da circa 870 MPa a 960 MPa dopo HIP, mantenendo l'allungamento – controintuitivo finché non si ricorda che la porosità influisce negativamente su entrambe le proprietà.

Un vantaggio pratico che non viene visualizzato nelle tabelle delle proprietà dei materiali: la coerenza tra batch-a-lotto migliora sostanzialmente. I gradienti di temperatura del forno di sinterizzazione creano variazioni di densità all'interno del carico-le parti vicine agli elementi riscaldanti si densificano in modo diverso rispetto alle parti al centro. Dopo l’HIP, tutto converge verso la densità teorica indipendentemente dal punto di partenza. Per i produttori di stampaggio a iniezione di metalli che eseguono controlli statistici del processo, questa distribuzione ristretta spesso conta tanto quanto i guadagni in termini assoluti di proprietà.

Realtà produttive

La maggior parte dei fornitori di servizi di stampaggio a iniezione di metalli affidano l'HIP a trasformatori specializzati invece di portare la capacità internamente-. Le attrezzature sono costose, i tassi di utilizzo per una singola operazione MIM raramente giustificano la capacità dedicata e l'esperienza operativa non si sovrappone molto alle competenze principali di sinterizzazione e stampaggio. Bodycote, Quintus e una manciata di altri processori a contratto gestiscono la maggior parte del volume commerciale.

L’economia del ciclo dipende fortemente dall’efficienza di carico. Un recipiente HIP di produzione potrebbe avere una zona calda di 1,5 metri di diametro e 3 metri di altezza-un volume sostanziale che deve essere riempito in modo produttivo con tempi di ciclo da 4 a 8 ore. Le piccole parti MIM possono essere fissate densamente; i componenti più grandi con geometria complessa sono più difficili da imballare in modo efficiente. I prezzi contrattuali riflettono questa situazione, con-costi per pezzo che diminuiscono in modo significativo a volumi più elevati.

 

La contaminazione della superficie è un problema ricorrente quando si utilizzano centri di assistenza multi-leghe. Gli impianti che lavorano superleghe di nichel, acciai per utensili e titanio attraverso la stessa attrezzatura lasciano inevitabilmente tracce di depositi che possono trasferirsi sulle superfici delle parti MIM. I composti di cromo e silicio si presentano come una colorazione verde o brunastra. Solitamente superficiale e rimovibile mediante leggera molatura o pulizia chimica, ma vale la pena discuterne anticipatamente con l'addetto al trattamento per applicazioni cosmetiche o critiche per la biocompatibilità-. Alcuni programmi OEM di parti MIM personalizzate specificano cicli HIP dedicati per evitare completamente la contaminazione incrociata.

Le modifiche dimensionali durante l'HIP richiedono attenzione durante la progettazione della parte. La chiusura della porosità provoca un restringimento uniforme proporzionale all'aumento della densità-da prevedere e compensare in modo semplice. Più problematici sono i gradienti di densità ereditati dallo stampaggio a iniezione. Una maggiore densità di impaccamento vicino al punto di iniezione rispetto alle sezioni più sottili più lontane crea un restringimento differenziale durante l'HIP che può distorcere geometrie complesse. I fornitori esperti di stampaggio a iniezione di metalli eseguono cicli di test nelle prime fasi dello sviluppo per caratterizzare e compensare questi effetti prima di impegnare le attrezzature.

Dove l’HIP ha senso economico

Il costo di elaborazione aggiuntivo fa sì che l'HIP venga specificato laddove i requisiti prestazionali lo giustificano, non come passaggio predefinito. I componenti aerospaziali-pale di turbine, staffe strutturali,-hardware critici per il volo-vengono regolarmente sottoposti a HIP come pratica standard in base ai requisiti del sistema di qualità AS9100. Gli impianti medici sono simili; i percorsi normativi per i dispositivi di Classe III impongono essenzialmente materiale a piena-densità per qualsiasi cosa veda un carico ciclico in vivo.

Le applicazioni automobilistiche si stanno espandendo poiché l’elettrificazione spinge i requisiti di gestione termica. Le sbarre collettrici in rame ad alta-corrente e gli alloggiamenti per l'elettronica di potenza specificano sempre più l'HIP per garantire che la conduttività termica soddisfi gli obiettivi di progettazione. Gli ingranaggi di precisione per le trasmissioni elettriche beneficiano delle migliori prestazioni a fatica. Diversi fornitori di componenti metallici per stampaggio a iniezione che hanno esposto alle recenti fiere Chinaplas hanno evidenziato che le parti lavorate HIP-per applicazioni di veicoli elettrici rappresentano un'area di crescita.

Per le parti MIM commerciali in cui prevale la pressione sui costi e i requisiti di proprietà rimangono entro i limiti delle-capacità sinterizzate, l'HIP aggiunge spese senza vantaggi commisurati. La tecnologia trova il suo ruolo in quel sottoinsieme di applicazioni impegnative in cui la piena densità consente direttamente le prestazioni del prodotto-e dove i clienti riconoscono che l'integrità dei materiali richiede un premio.