Технология HIP берет свое начало в работе лаборатории Battelle в Колумбусе в 1950-х годах. Первоначальное применение заключалось в соединении циркониевой оболочки с урановыми тепловыделяющими элементами для ранних водо-водяных реакторов-этой нишевой проблемы, которая привела к появлению широко полезной технологии производства. Crucible Steel и Kennametal переняли эту технологию в 1960-х годах для применения в порошковой металлургии, и постепенно в 1970-х и 1980-х годах она стала стандартной практикой для ответственного литья в аэрокосмической отрасли. Физика с тех пор особо не изменилась, хотя оборудование стало существенно больше и быстрее.

Основы процесса

Концепция достаточно проста. Детали находятся в сосуде под давлением, в то время как газ аргон (иногда азот, но больший атомный радиус аргона работает лучше) создает давление где-то между 100 и 200 МПа при повышенной температуре. Для ферросплавов MIM это обычно означает 1065 градусов или около того; кобальт-хром нагревается до температуры около 1220 градусов; Титановые сплавы обрабатываются при температуре ниже около 900 градусов. Время выдержки составляет от 2 до 4 часов в зависимости от толщины среза и материала.

В этих условиях одновременно происходят три вещи. Пластическая деформация разрушает пустоты, поскольку предел текучести падает с температурой, а внешнее давление остается постоянным. Ползучесть продолжает уплотнение, поскольку движение дислокаций компенсирует изменение объема. Диффузия атомов через разрушенные поверхности пустот создает настоящие металлургические связи-этот последний механизм отличает ГИП от простого горячего прессования и гарантирует, что пористость не будет открываться повторно.

Эффекты механических свойств

Улучшения свойств от HIP сильно различаются в зависимости от того, что вы измеряете. Прочность на разрыв и твердость скромны-, ничего такого, что само по себе не оправдывает добавленную стоимость. Реальный выигрыш проявляется в свойствах, чувствительных к внутренним дефектам.

Данные об ударной вязкости нержавеющей стали 17-4PH иллюстрируют это. При использовании предварительно-порошкового сырья значения Шарпи увеличились примерно с 5,4 джоулей при-спекании до 9,5 джоулей после ГИП. Маршруты из мастер-сплава показали еще большие скачки: в некоторых исследованиях от 6,8 джоулей до более 20 джоулей. В этом разница между хрупким режимом разрушения и пластичным для многих приложений. Увеличение усталостного срока службы происходит по аналогичной схеме.-Устранение внутренних концентраторов напряжений увеличивает количество циклов до отказа в 5–10 раз при испытаниях на многоцикловую усталость.

Для материалов класса имплантатов-наибольшую роль играют показатели пластичности. Кобальт-хром по стандарту ASTM F75 требует значений удлинения около 20 %, чтобы соответствовать спецификациям хирургических имплантатов, чего при-спеченном MIM обычно невозможно достичь. Обработка HIP закрывает этот пробел. Ti-6Al-4V для F2885 показывает, что предел текучести фактически увеличивается примерно с 870 МПа до 960 МПа после HIP, сохраняя при этом удлинение, что противоречит здравому смыслу, пока вы не вспомните, что пористость отрицательно влияет на оба свойства.

Одно практическое преимущество, которое не отображается в таблицах свойств материалов: существенно улучшается согласованность партий-между-партиями. Градиенты температуры в печи для спекания создают различия в плотности по всей загрузке-детали возле нагревательных элементов уплотняются иначе, чем детали в центре. После HIP все сходится к теоретической плотности, независимо от отправной точки. Для производителей литья металлов под давлением, осуществляющих статистический контроль процесса, это жесткое распределение часто имеет такое же значение, как и абсолютный выигрыш в собственности.

Производственные реалии

Большинство поставщиков услуг по литью металлов под давлением передают HIP специализированным переработчикам, а не привносят эти возможности в свои-собственные компании. Оборудование дорогое, коэффициенты использования одной операции MIM редко оправдывают выделенные мощности, а оперативный опыт не сильно пересекается с основными компетенциями в области спекания и формования. Bodycote, Quintus и несколько других контрактных переработчиков обрабатывают большую часть коммерческого объема.

Экономика цикла во многом зависит от эффективности загрузки. Производственный резервуар HIP может иметь горячую зону диаметром 1,5 метра и высотой 3 метра-значительный объем, который необходимо продуктивно заполнить, учитывая продолжительность цикла от 4 до 8 часов. Небольшие детали MIM можно плотно крепить; более крупные компоненты со сложной геометрией сложнее эффективно упаковать. Это отражается в контрактных ценах: затраты на-деталь значительно снижаются при увеличении объемов.

 

Загрязнение поверхности — постоянная головная боль при использовании сервисных центров-сплавов. Предприятия, которые обрабатывают никелевые суперсплавы, инструментальные стали и титан на одном и том же оборудовании, неизбежно оставляют следы отложений, которые могут перейти на поверхности деталей MIM. Соединения хрома и кремния проявляются в виде зеленоватого или коричневатого цвета. Обычно они поверхностные и удаляются путем легкой шлифовки или химической очистки, но их стоит заранее обсудить с переработчиком для косметических или биосовместимых приложений,-критических. В некоторых программах OEM-производителей нестандартных деталей MIM предусмотрены специальные циклы HIP, чтобы полностью избежать перекрестного-загрязнения.

Изменения размеров во время HIP требуют внимания при проектировании детали. Закрытие пористости вызывает равномерную усадку, пропорциональную увеличению плотности-, что позволяет легко прогнозировать и компенсировать это. Более проблематичными являются градиенты плотности, унаследованные от литья под давлением. Более высокая плотность упаковки возле литника по сравнению с более тонкими секциями дальше создает дифференциальную усадку во время HIP, которая может исказить сложную геометрию. Опытные поставщики литья металлов под давлением проводят циклы испытаний на ранних этапах разработки, чтобы охарактеризовать и компенсировать эти эффекты, прежде чем приступить к работе с оснасткой.

Где HIP имеет экономический смысл

Добавленная стоимость обработки означает, что HIP указывается там, где это оправдано требованиями производительности, а не в качестве шага по умолчанию. Компоненты аэрокосмической отрасли-лопасти турбин, конструктивные кронштейны, летное-критическое оборудование-обычно проходят проверку HIP в рамках стандартной практики в соответствии с требованиями системы качества AS9100. Медицинские имплантаты аналогичны; нормативные акты для устройств класса III по существу требуют использования материала полной-плотности для всего, что подвергается циклической нагрузке in vivo.

Применение в автомобилестроении расширяется, поскольку электрификация предъявляет требования к управлению температурным режимом. Сильноточные-медные шины и корпуса силовой электроники все чаще используют HIP, чтобы обеспечить соответствие теплопроводности расчетным показателям. Прецизионные передачи для электрических трансмиссий выигрывают от улучшенных усталостных характеристик. Несколько поставщиков металлических компонентов для литья под давлением, принимавших участие в недавних выставках Chinaplas, выделили детали, обработанные HIP-для электромобилей, как область роста.

Для коммерческих деталей MIM, где преобладает ценовое давление, а требования к свойствам остаются в пределах-спеченных возможностей, HIP увеличивает расходы, но не приносит соразмерной выгоды. Эта технология находит свое применение в той части требовательных приложений, где полная плотность напрямую обеспечивает производительность продукта-и где клиенты понимают, что целостность материала требует повышенного внимания.