Prensado isostático en caliente:Tipos,Desarrollo,Selección

Prensado isostático en caliente (HIP) es un proceso de fabricación utilizado para eliminar la porosidad y aumentar la densidad de metales, cerámicas y otros materiales. Este artículo ofrece una visión general de cómo funciona el HIP, los principales equipos implicados, las aplicaciones típicas y las directrices para seleccionar los servicios de HIP.

¿Qué es el prensado isostático en caliente y cómo funciona?

El prensado isostático en caliente es un proceso de densificación a alta presión y alta temperatura utilizado para eliminar los huecos internos y la porosidad de los materiales. El objetivo es mejorar las propiedades mecánicas y el rendimiento eliminando los defectos.

El HIP consigue altas presiones mediante un medio isostático, que es un gas o líquido aplicado uniformemente en todas las direcciones. Esto somete al material a una fuerza igual desde todos los lados, a diferencia de la presión unidireccional. La alta temperatura plastifica el material para que la presión pueda colapsar los huecos internos y fusionar los defectos.

La combinación de calor y presión durante el HIP produce densificación y mejoras significativas en la tenacidad a la fractura, fatiga, resistencia, fugas y otras propiedades en las piezas tratadas.

El proceso HIP paso a paso

El prensado isostático en caliente implica múltiples etapas para encapsular, calentar, presurizar, enfriar y liberar las piezas. Las principales etapas son:

1. Carga - Las piezas se fijan y se cargan en un recipiente HIP. Se pueden agrupar varias piezas pequeñas.
2. Sello - El recipiente se evacua, se cierra herméticamente y se somete a una prueba de estanqueidad. Las piezas deben estar completamente cerradas.
3. Calor - El recipiente se calienta hasta alcanzar la temperatura objetivo de HIP, que depende del material. Esto lleva varias horas.
4. Presurizar - Una vez a temperatura, se introduce gas a alta presión en el recipiente, sometiendo el contenido a una presión isostática de hasta 30.000 PSI.
5. Mantenga - La temperatura y la presión se mantienen entre 1 y 6 horas en función de las necesidades.
6. Genial - Una vez transcurrido el tiempo de mantenimiento, se deja enfriar el recipiente antes de liberar la presión.
7. Descargar - Se abre el recipiente, se retira el material de encapsulación y se descargan las piezas tratadas.

La duración de este ciclo oscila entre 4 y 10 horas en función de los parámetros del proceso HIP requeridos. Las piezas pueden someterse a varios ciclos HIP si es necesario.

La tabla 1 describe los cuatro parámetros clave del proceso: temperatura, presión, tiempo y velocidad de calentamiento/enfriamiento.

Cuadro 1: Parámetros clave del proceso de prensado isostático en caliente

Cómo mejora el HIP las propiedades de los materiales

Las altas presiones y temperaturas durante el HIP facilitan múltiples cambios en el material a nivel microestructural:

• Cierre de poros y vacíos internos
• Unión por difusión de partículas de polvo
• Eliminación de microfisuras
• Eliminación de defectos de fundición
• Mejora de la homogeneización
• Refinamiento del grano

Esto mejora significativamente la densidad, resistencia, ductilidad y otras propiedades mecánicas. Las principales ventajas son:

• Mayor capacidad de carga
• Mayor resistencia a la fractura
• Mayor resistencia a la fatiga
• Mayor resistencia a la corrosión
• Menor variabilidad en el rendimiento de los materiales
• Estanqueidad para la contención de gases o fluidos
• Restauración de la ductilidad en aleaciones fragilizadas

El HIP se utiliza a menudo como paso posterior al proceso de fabricación aditiva para mejorar la densidad, el rendimiento y la fiabilidad de las piezas impresas en 3D.

Tipos de equipos HIP y componentes del sistema

Hay dos tipos principales de sistemas HIP:

Sistemas de presión de gas

• Utilice un gas inerte como el argón como medio isostático.
• Puede alcanzar presiones más altas: hasta 30.000 PSI.
• Se utiliza para ciclos HIP de temperatura superior a 1200°C.
• Adecuado para materiales reactivos como las aleaciones de titanio.

Sistemas de presión de líquidos

• Utilice un líquido como el aceite como medio de presurización.
• Normalmente se limita a una capacidad de presión de 10.000 PSI.
• Se utiliza para HIP a temperaturas inferiores a 1000°C.
• Permiten velocidades de enfriamiento más rápidas gracias a una mejor transferencia de calor.

Además del recipiente a presión principal, los sistemas HIP incluyen varios componentes auxiliares:

• Elementos calefactores - Calentadores de resistencia de grafito o metal que calientan el recipiente.
• Sistema de refrigeración - Para la refrigeración activa mediante agua o aceite para lograr velocidades de refrigeración más rápidas.
• Bombas de vacío - Para la desgasificación inicial y la evacuación del recipiente.
• Impulsores de gas - Intensificadores para comprimir el gas hasta los niveles de presión requeridos.
• Sistema de control - Para la programación y el seguimiento del ciclo HIP.

Las máquinas HIP avanzadas también pueden incorporar características como capacidades de enfriamiento rápido, ciclos multietapa, mayor rendimiento y capacidades de datos de Industria 4.0.

El cuadro 2 resume los distintos tipos de equipos y los principales componentes de un sistema HIP:

Tabla 2: Comparación de los distintos tipos de equipos HIP y sus componentes principales

Tamaño y capacidad del sistema HIP

Las máquinas HIP se caracterizan por el tamaño del recipiente y el diámetro utilizable. Las capacidades típicas oscilan entre 1 y 100 pulgadas de diámetro.

Las unidades de laboratorio más pequeñas, de menos de 6 pulgadas, se utilizan para investigación y producción piloto. Los sistemas de tamaño medio de entre 18 y 42 pulgadas son habituales para aplicaciones de producción. Las grandes unidades HIP de más de 60 pulgadas de diámetro se utilizan para densificar piezas extremadamente grandes.

Las principales métricas de tamaño son:

• Diámetro del recipiente - El diámetro interno del recipiente a presión en pulgadas. Esto limita el tamaño máximo de las piezas.
• Tamaño de la carga - El volumen total que puede cargarse para la densificación en un ciclo.
• Rendimiento - La tasa de producción basada en el tiempo de ciclo. Los lotes más pequeños y frecuentes proporcionan un mayor rendimiento.

Además del tamaño, los factores clave a la hora de seleccionar un sistema HIP son la temperatura máxima, la presión nominal, la velocidad de enfriamiento y la duración del ciclo.

En la Tabla 3 se indican los tamaños de recipiente habituales y las capacidades correspondientes.

Tabla 3: Comparación del tamaño y la capacidad de los equipos HIP

Normas y códigos del proceso HIP

Existen varias normas que especifican los procedimientos y requisitos del prensado isostático en caliente para lograr una densificación adecuada. Estas normas ayudan a definir los parámetros del proceso, los métodos de inspección, la seguridad y los protocolos de cualificación.

Algunas de las principales normas son:

• AMS-H-81200 - Norma aeroespacial SAE para HIP de piezas
• ISO-20421 - Norma internacional para el HIP de polvos metálicos
• ASTM F-3049 - Guía estándar de HIP para materiales metálicos moldeados por inyección
• EN-28401 - Norma europea para buques HIP

Las piezas fabricadas con HIP también pueden tener que cumplir normas específicas de la industria o la aplicación, por ejemplo en los sectores aeroespacial, de defensa, nuclear o del petróleo y el gas.

Es importante revisar todos los códigos y normas aplicables a la hora de definir un proceso de HIP para alcanzar los objetivos de densificación y, al mismo tiempo, cumplir los requisitos normativos.

Aplicaciones típicas del HIP y materiales adecuados

El prensado isostático en caliente se utiliza en muchas industrias para mejorar las propiedades de metales, aleaciones, cerámicas y materiales compuestos.

Las aplicaciones típicas son:

Aeroespacial

• Álabes, discos y carcasas de turbinas
• Componentes estructurales del fuselaje
• Toberas de cohetes y cámaras de combustión

Automoción

• Válvulas del motor y bielas
• Engranajes de transmisión
• Componentes de la suspensión

Energía

• Herramientas y brocas para campos petrolíferos
• Válvulas, tuberías y recipientes
• Elementos combustibles nucleares

Industrial

• Herramientas de corte y troqueles
• Aceros para herramientas para trabajo en frío y en caliente
• Metales duros como el carburo de tungsteno

Fabricación aditiva

• HIP de metales impresos en 3D para mejorar la densidad, la resistencia y el acabado superficial.

Casi cualquier material puede beneficiarse de la densificación HIP. Entre las aleaciones y tipos de material más comunes se incluyen:

• Aceros inoxidables
• Aceros para herramientas
• Titanio y aleaciones de níquel
• Superaleaciones - Inconel, Waspaloy
• Aleaciones de wolframio y molibdeno
• Cerámica - nitruro de silicio, alúmina, circonio
• Materiales compuestos de matriz metálica

La tabla 4 resume algunas aplicaciones del prensado isostático en caliente por material e industria:

Tabla 4: Aplicaciones del prensado isostático en caliente por material e industria

Desarrollo del proceso HIP

La determinación de los parámetros adecuados del proceso HIP requiere pruebas de desarrollo basadas en el material, el diseño de la pieza y las propiedades deseadas.

Los pasos clave en el desarrollo de procesos son:

• Establecer objetivos de densificación: densidad objetivo, propiedades
• Caracterización del material de partida: composición, defectos, huecos
• Realizar un análisis térmico para determinar la temperatura HIP
• Analizar el diseño de la cápsula: tamaño, fijación, ventilación
• Realización de ensayos HIP: variación del tiempo, la temperatura y la presión
• Muestras de ensayo para medir la densidad y las propiedades
• Optimizar el ciclo en función de los resultados

Este desarrollo pretende definir los parámetros mínimos necesarios para lograr una densificación completa y mejoras en la tenacidad a la fractura, la fatiga, la resistencia y otras propiedades mecánicas.

Los métodos de optimización rápida de procesos, como el diseño de experimentos (DOE), pueden acelerar el desarrollo de parámetros HIP en comparación con las pruebas tradicionales de un factor a la vez.

Directrices de diseño y consideraciones para el HIP

A la hora de desarrollar piezas destinadas al prensado isostático en caliente, hay que tener en cuenta varios factores de diseño:

Espesor de pared

• Las secciones más gruesas de más de 5 cm pueden requerir ciclos de desmoldeo térmico.
• Utilice ángulos de tiro para evitar el polvo atrapado
• Optimizar el flujo para permitir la ventilación

Acabado superficial

• Las superficies As-HIPped tienen una rugosidad superior a 125 micropulgadas
• A menudo es necesario un mecanizado posterior al HIP
• Las tolerancias en torno a 0,02 pulgadas o inferiores son difíciles

Geometría

• Evitar las esquinas afiladas que dificultan la densificación
• Diseño de secciones uniformes para un HIPping uniforme
• Minimizar los volúmenes atrapados

Materiales

• Adecuar la composición de la aleación al intervalo de temperatura HIP
• Considerar los efectos del HIP en la microestructura
• Utilizar metales compatibles para los ensamblajes

Realizar una simulación de ingeniería del proceso HIP puede identificar áreas problemáticas en el diseño que requieran modificaciones para permitir una densificación completa.

En la Tabla 5 se resumen algunas directrices de diseño clave para las piezas que se van a someter a prensado isostático en caliente:

Cuadro 5: Directrices de diseño del prensado isostático en caliente

Selección de un proveedor de servicios HIP

Las empresas que no disponen de capacidades internas de HIP pueden recurrir a proveedores de servicios HIP de peaje para densificar las piezas. Estos son los factores clave a la hora de seleccionar un proveedor:

• Equipamiento - Tenga en cuenta las necesidades de temperatura máxima, presión y tamaño de las piezas.
• Experiencia - Busque expertos en su sector y aplicaciones.
• Calidad - Garantizar la existencia de certificaciones y controles de procesos.
• Plazo de entrega - Evalúe la logística y los plazos de entrega habituales.
• Datos - ¿Pueden proporcionar informes y cartografía detallados sobre la HIP?
• Apoyo a la I+D - Capacidad para desarrollar procesos y ensayos.
• Coste - Equilibre las capacidades con los precios y las cargas mínimas.

Es muy recomendable visitar a un proveedor potencial para auditar sus procesos de primera mano.

En el cuadro 6 se resumen los criterios que deben evaluarse al seleccionar un proveedor de servicios de prensado isostático en caliente:

Tabla 6: Criterios de selección de un proveedor de prensado isostático en caliente

Ventajas e inconvenientes del prensado isostático en caliente

El prensado isostático en caliente ofrece muchas ventajas, pero también tiene algunas limitaciones que hay que tener en cuenta.

Ventajas del HIP:

• Aumentar la densidad y mejorar las propiedades mecánicas
• Cierra los huecos internos y evita las fugas
• Consolidar materiales en polvo en piezas finales
• Perfeccionar la microestructura
• Mitigar los defectos de fundición
• Adecuado para geometrías complejas
• Combinar varios pasos en uno (HIP + tratamiento térmico)

Desventajas del HIP:

• Alto coste de inversión en equipos
• Las piezas deben encapsularse y fijarse
• Tamaño máximo limitado de las piezas
• Restricciones en cuanto a geometría, ventilación, etc.
• Suele ser necesario el mecanizado posterior
• Puede influir en la microestructura de algunas aleaciones
• Los ciclos suelen ser largos

Para muchas aplicaciones, las mejoras de rendimiento que permite el HIP lo convierten en un paso de procesamiento beneficioso a pesar de la mayor duración del ciclo y el mayor coste en comparación con otros métodos de consolidación.

El desarrollo cuidadoso de los procesos y el diseño para la fabricación son fundamentales para utilizar la HIP de forma eficaz, evitando al mismo tiempo las limitaciones en torno a la configuración de las piezas, la capacidad del sistema y las tolerancias.

PREGUNTAS FRECUENTES

He aquí las respuestas a algunas preguntas frecuentes sobre la tecnología y los procesos de prensado isostático en caliente:

P: ¿Qué materiales pueden someterse al proceso HIP?

R: El proceso HIP puede densificar y mejorar las propiedades de la mayoría de las aleaciones, incluidos los aceros inoxidables, el titanio, las aleaciones de níquel, los aceros para herramientas, las aleaciones de tungsteno, los materiales cerámicos como la alúmina y el nitruro de silicio, y los compuestos de matriz metálica. El material debe ser compatible con la gama de temperaturas del proceso HIP.

P: ¿Qué tamaño de piezas pueden procesarse con HIP?

R: Las prensas isostáticas en caliente típicas oscilan entre 1 pulgada y más de 60 pulgadas de diámetro. El tamaño máximo de la pieza está limitado por las dimensiones internas del recipiente a presión. Las piezas más grandes pueden requerir sistemas HIP personalizados.

P: ¿Cuánto dura el HIP?

R: Los tiempos de ciclo oscilan entre 4 y 10 horas, en función de los tiempos de calentamiento, enfriamiento y mantenimiento. Las piezas grandes pueden tardar más de 50 horas. Pueden utilizarse varios ciclos HIP para una densificación completa.

P: ¿Qué es un proceso típico de HIP?

R: Un ciclo HIP común es el calentamiento a 1200°C a 100°C/min seguido de 1-3 horas de mantenimiento a 100 MPa de presión y enfriamiento a 200°C/min. Pero los parámetros dependen en gran medida del material y la aplicación.

P: ¿Qué diferencia hay entre el prensado isostático en caliente y el prensado isostático en frío?

R: El HIP utiliza altas temperaturas de hasta 2000°C combinadas con alta presión, mientras que el CIP utiliza temperatura ambiente y presiones más moderadas. El HIP consigue una densificación completa y mejoras en las propiedades frente a la mera consolidación con el CIP.

P: ¿Sustituye el HIP a otros procesos como el tratamiento térmico o el mecanizado?

R: El HIP complementa otros pasos como el tratamiento térmico y el mecanizado. El HIP proporciona densificación y, a continuación, otros pasos térmicos o mecánicos ayudan a conseguir las propiedades, tolerancias y acabado finales de la pieza.

P: ¿Cuánto cuesta el prensado isostático en caliente?

R: El equipo tiene unos costes de capital elevados. En el caso de los servicios HIP de pago, el precio varía en función del tamaño de la pieza, los parámetros del ciclo, el número de piezas y otros factores. Los costes oscilan entre cientos y miles de dólares por ciclo.

P: ¿Qué normas se aplican al HIP?

R: Entre las principales normas se incluyen AMS-H-81200 para aplicaciones aeroespaciales, ISO-20421 para HIP en polvo, ASTM F-3049 para materiales moldeados por inyección de metal y EN-28401 para recipientes HIP. También pueden aplicarse códigos específicos de la industria.

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