Heet isostatisch persen: soorten, ontwikkeling, selecteren

Heet isostatisch persen (HIP) is een productieproces dat wordt gebruikt om porositeit te elimineren en de dichtheid van metalen, keramiek en andere materialen te verhogen. Dit artikel geeft een overzicht van hoe HIP werkt, de belangrijkste betrokken apparatuur, typische toepassingen en richtlijnen voor het selecteren van HIP-services.

Wat is heet isostatisch persen en hoe werkt het?

Heet isostatisch persen is een verdichtingsproces onder hoge druk en hoge temperatuur dat wordt gebruikt om interne holtes en porositeit in materialen te verwijderen. Het doel is om de mechanische eigenschappen en prestaties te verbeteren door defecten te elimineren.

HIP bereikt hoge drukken via een isostatisch medium, een gas of vloeistof die gelijkmatig in alle richtingen wordt aangebracht. Hierdoor wordt het materiaal van alle kanten aan een gelijke kracht onderworpen, in tegenstelling tot unidirectionele druk. De hoge temperatuur maakt het materiaal week, zodat de druk interne holtes kan doen instorten en defecten kan dichtsmelten.

De combinatie van hitte en druk tijdens HIP leidt tot verdichting en aanzienlijke verbeteringen in breuktaaiheid, vermoeidheid, sterkte, lekkage en andere eigenschappen in behandelde onderdelen.

Het HIP-proces stap voor stap

Heet isostatisch persen omvat meerdere fasen om onderdelen in te kapselen, te verwarmen, onder druk te zetten, af te koelen en los te laten. De belangrijkste stappen zijn:

1. Laden – De onderdelen worden vastgezet en in een HIP-vat geladen. Verschillende kleine onderdelen kunnen in een batch worden samengevoegd.
2. Zegel – Het vat wordt geëvacueerd, afgesloten en op lekkage getest. De onderdelen moeten volledig omsloten zijn.
3. Warmte – Het vat wordt opgewarmd tot de doel-HIP-temperatuur, die afhankelijk is van het materiaal. Dit duurt enkele uren.
4. Onder druk zetten – Eenmaal op temperatuur wordt gas onder hoge druk in het vat gebracht, waardoor de inhoud wordt onderworpen aan een isostatische druk tot 30.000 PSI.
5. Uitstel – Afhankelijk van de vereisten worden de temperatuur en druk gedurende een periode van 1-6 uur vastgehouden.
6. Koel – Na de vasthoudtijd laat men het vat afkoelen voordat de druk wordt opgeheven.
7. Lossen – Het vat wordt geopend, het inkapselingsmateriaal verwijderd en de behandelde delen gelost.

Deze cyclustijden variëren van 4-10 uur, afhankelijk van de vereiste HIP-procesparameters. Onderdelen kunnen indien nodig meerdere HIP-cycli doorlopen.

Tabel 1 schetst de vier belangrijkste procesparameters: temperatuur, druk, tijd en verwarmings-/koelsnelheden.

Tafel 1: Belangrijke procesparameters voor heet isostatisch persen

Hoe HIP de materiaaleigenschappen verbetert

De hoge drukken en temperaturen tijdens HIP maken meerdere veranderingen in het materiaal op microstructureel niveau mogelijk:

• Sluiting van interne poriën en holtes
• Diffusiebinding van poederdeeltjes
• Eliminatie van microscheurtjes
• Verwijderen van gietfouten
• Verbeterde homogenisatie
• Verfijning van het graan

Dit verbetert de dichtheid, sterkte, ductiliteit en andere mechanische eigenschappen aanzienlijk. De belangrijkste voordelen zijn onder meer:

• Verhoogd draagvermogen
• Hogere breuktaaiheid
• Verbeterde levensduur bij vermoeidheid
• Verbeterde corrosieweerstand
• Verminderde variabiliteit in materiaalprestaties
• Lekvrij maken van gas- of vloeistofopvang
• Herstel van ductiliteit in brosse legeringen

HIP wordt vaak gebruikt als nabewerkingsstap na additieve productie om de dichtheid, prestaties en betrouwbaarheid van 3D-geprinte onderdelen te verbeteren.

HIP-apparatuurtypen en systeemcomponenten

Er zijn twee hoofdtypen HIP-systemen:

Gasdruksystemen

• Gebruik een inert gas zoals argon als isostatisch medium.
• Kan hogere drukken bereiken – tot 30.000 PSI.
• Gebruikt voor HIP-cycli bij hogere temperaturen boven 1200°C.
• Geschikt voor reactieve materialen zoals titaniumlegeringen.

Vloeistofdruksystemen

• Gebruik een vloeistof zoals olie als drukmedium.
• Doorgaans beperkt tot een drukcapaciteit van 10.000 PSI.
• Gebruikt voor lagere temperaturen HIP onder 1000°C.
• Zorg voor snellere koelsnelheden dankzij een betere warmteoverdracht.

Naast het hoofddrukvat omvatten HIP-systemen verschillende hulpcomponenten:

• Verwarmingselementen – Grafiet- of metalen weerstandsverwarmers die het vat verwarmen.
• Koelsysteem – Voor actieve koeling via water of olie om snellere koelsnelheden te bereiken.
• Vacuum pompen – Voor initiële ontgassing en evacuatie van het schip.
• Gasboosters – Versterkers om het gas tot het vereiste drukniveau te comprimeren.
• Controle systeem – Voor het programmeren en monitoren van de HIP-cyclus.

Geavanceerde HIP-machines kunnen ook functies bevatten zoals snelle koeling, meertrapscycli, hogere doorvoer en Industrie 4.0-datamogelijkheden.

Tabel 2 vat de verschillende soorten apparatuur en belangrijkste componenten van een HIP-systeem samen:

Tafel 2: Vergelijking van verschillende typen HIP-apparatuur en hoofdcomponenten

Grootte en capaciteit van het HIP-systeem

HIP-machines worden gekenmerkt door de vatgrootte en bruikbare diameter. Typische capaciteiten variëren van 1-100 inch in diameter.

Kleinere laboratoriumeenheden van minder dan 15 cm worden gebruikt voor onderzoek en proefproductie. Middelgrote systemen tussen 18 en 42 inch zijn gebruikelijk voor productietoepassingen. Grote HIP-eenheden met een diameter van meer dan 60 inch worden gebruikt om extreem grote onderdelen te verdichten.

De belangrijkste maatgegevens zijn:

• Diameter van het vat – De binnendiameter van het drukvat in inches. Dit beperkt de maximale grootte van onderdelen.
• Laadgrootte – Het totale volume dat in één cyclus kan worden geladen voor verdichting.
• Doorvoer – De productiesnelheid op basis van de cyclustijd. Kleinere, frequentere batches zorgen voor een hogere doorvoer.

Naast de grootte zijn de belangrijkste factoren bij het selecteren van een HIP-systeem de maximale temperatuur, drukwaarde, koelsnelheid en cyclustijd.

Tabel 3 geeft gangbare scheepsafmetingen en bijbehorende capaciteiten weer.

Tafel 3: Vergelijking van HIP-apparatuurgroottes en capaciteit

HIP-procesnormen en -codes

Er bestaan verschillende normen die procedures en vereisten specificeren voor heet isostatisch persen om een goede verdichting te bereiken. Deze helpen bij het definiëren van de procesparameters, inspectiemethoden, veiligheid en kwalificatieprotocollen.

Enkele van de belangrijkste normen zijn:

• AMS-H-81200 – SAE lucht- en ruimtevaartstandaard voor HIP van onderdelen
• ISO-20421 – Internationale standaard voor HIP van metaalpoeders
• ASTM F-3049 – Standaardgeleider voor HIP voor metalen spuitgietmaterialen
• EN-28401 – Europese norm voor HIP-schepen

Onderdelen die met HIP zijn gemaakt, moeten mogelijk ook voldoen aan industrie- of toepassingsspecifieke normen, bijvoorbeeld in de lucht- en ruimtevaart-, defensie-, nucleaire of olie- en gassector.

Het is belangrijk om alle toepasselijke codes en standaarden te herzien bij het definiëren van een HIP-proces om verdichtingsdoelen te bereiken en tegelijkertijd aan de wettelijke vereisten te voldoen.

Typische HIP-toepassingen en geschikte materialen

Heet isostatisch persen wordt in veel industrieën gebruikt om de eigenschappen van metalen, legeringen, keramiek en composietmaterialen te verbeteren.

Typische toepassingen zijn onder meer:

Lucht- en ruimtevaart

• Turbinebladen, schijven, behuizingen
• Structurele cascocomponenten
• Raketsproeiers en verbrandingskamers

Automobiel

• Motorkleppen en drijfstangen
• Transmissie versnellingen
• Componenten van de ophanging

Energie

• Olieveldgereedschappen en boren
• Kleppen, leidingen en vaten
• Nucleaire brandstofelementen

Industrieel

• Snijgereedschappen en matrijzen
• Gereedschapsstaal voor warm en koud bewerken
• Harde metalen zoals wolfraamcarbide

Additieve productie

• HIP van 3D-geprinte metalen om de dichtheid, sterkte en oppervlakteafwerking te verbeteren

Bijna elk materiaal kan profiteren van HIP-verdichting. De meest voorkomende legeringen en materiaalsoorten zijn:

• Roestvrij staal
• Gereedschapsstaal
• Titanium- en nikkellegeringen
• Superlegeringen – Inconel, Waspaloy
• Wolfraam- en molybdeenlegeringen
• Keramiek – siliciumnitride, aluminiumoxide, zirkonia
• Metaalmatrixcomposieten

Tabel 4 vat enkele toepassingen van heet isostatisch persen samen per materiaal en industrie:

Tabel 4: Heet isostatisch persen per materiaal en industrie

HIP-procesontwikkeling

Het bepalen van de juiste HIP-procesparameters vereist ontwikkelingstests op basis van het materiaal, het onderdeelontwerp en de gewenste eigenschappen.

De belangrijkste stappen in procesontwikkeling zijn:

• Stel verdichtingsdoelen vast – doeldichtheid, eigenschappen
• Karakteriseer het uitgangsmateriaal – samenstelling, defecten, holtes
• Voer een thermische analyse uit om de HIP-temperatuur te bepalen
• Analyseer het ontwerp van de capsule: grootte, bevestiging, ventilatie
• Voer HIP-proeven uit – varieer tijd, temperatuur en druk
• Testmonsters om de dichtheid en eigenschappen te meten
• Optimaliseer de cyclus op basis van resultaten

Deze ontwikkeling heeft tot doel de minimale parameters te definiëren die nodig zijn om volledige verdichting en verbeteringen in breuktaaiheid, vermoeidheid, sterkte en andere mechanische eigenschappen te bereiken.

Snelle procesoptimalisatiemethoden zoals design of experiments (DOE) kunnen de ontwikkeling van HIP-parameters versnellen in vergelijking met traditionele testen met één factor tegelijk.

Ontwerprichtlijnen en overwegingen voor HIP

Er moet rekening worden gehouden met verschillende ontwerpfactoren bij het ontwikkelen van onderdelen die bedoeld zijn voor heet isostatisch persen:

Wanddikte

• Voor dikkere secties van meer dan 5 cm kunnen thermische ontvormcycli nodig zijn
• Gebruik tochthoeken om opgesloten poeder te voorkomen
• Optimaliseer de stroom om ventilatie mogelijk te maken

Oppervlakteafwerking

• As-HIPped-oppervlakken hebben een ruwheid van meer dan 125 micro-inch
• Post-HIP-bewerking is vaak vereist
• Toleranties rond 0,02 inch of lager zijn moeilijk

Geometrie

• Vermijd scherpe hoeken die de verdichting belemmeren
• Ontwerp uniforme secties voor gelijkmatig HIPpen
• Minimaliseer ingesloten volumes

Materialen

• Zorg ervoor dat de samenstelling van de legering overeenkomt met het HIP-temperatuurbereik
• Overweeg HIP-effecten op de microstructuur
• Gebruik compatibele metalen voor assemblages

Door een technische simulatie van het HIP-proces uit te voeren, kunnen probleemgebieden in het ontwerp worden geïdentificeerd die aanpassing vereisen om volledige verdichting mogelijk te maken.

Tabel 5 vat enkele belangrijke ontwerprichtlijnen samen voor onderdelen die heet isostatisch geperst moeten worden:

Tabel 5: Ontwerprichtlijnen voor heet isostatisch persen

Een HIP-dienstverlener selecteren

Bedrijven die niet over interne HIP-mogelijkheden beschikken, kunnen een beroep doen op HIP-serviceproviders om onderdelen te verdichten. Hier zijn de belangrijkste factoren bij het selecteren van een leverancier:

• Apparatuur – Houd rekening met de maximale vereisten op het gebied van temperatuur, druk en onderdeelgrootte.
• Ervaring – Zoek naar expertise in jouw branche en toepassingen.
• Kwaliteit – Zorg ervoor dat certificeringen en procescontroles aanwezig zijn.
• Doorlooptijd – Evalueer de logistiek en typische doorlooptijden.
• Gegevens – Kunnen ze gedetailleerde HIP-rapporten en -kaarten verstrekken?
• R&D-ondersteuning – Vermogen om processen en proeven te ontwikkelen.
• Kosten – Breng de mogelijkheden in evenwicht met prijzen en minimumkosten.

Het wordt ten zeerste aanbevolen een potentiële leverancier te bezoeken om hun processen uit de eerste hand te controleren.

Tabel 6 vat de criteria samen die moeten worden geëvalueerd bij het selecteren van een dienstverlener voor heet isostatisch persen:

Tabel 6: Criteria voor het selecteren van een leverancier van heet isostatisch persen

Voor- en nadelen van heet isostatisch persen

Heet isostatisch persen biedt veel voordelen, maar er zijn ook enkele beperkingen waarmee rekening moet worden gehouden.

Voordelen van HIP:

• Verhoog de dichtheid en verbeter de mechanische eigenschappen
• Sluit interne holtes en voorkom lekkages
• Consolideer poedermaterialen tot definitieve onderdelen
• Verfijn de microstructuur
• Verhelp gietfouten
• Geschikt voor complexe geometrieën
• Combineer meerdere stappen in één (HIP + hittebehandeling)

Nadelen van HIP:

• Hoge investeringskosten voor apparatuur
• Onderdelen vereisen inkapseling en bevestiging
• Beperkte maximale onderdeelgrootte
• Beperkingen rond geometrie, ventilatie, enz.
• Vaak is nabewerking nodig
• Kan de microstructuur in sommige legeringen beïnvloeden
• Cyclustijden zijn doorgaans lang

Voor veel toepassingen maken de prestatieverbeteringen die HIP mogelijk maakt het tot een nuttige verwerkingsstap, ondanks de langere cyclustijd en hogere kosten in vergelijking met andere consolidatiemethoden.

Zorgvuldige procesontwikkeling en ontwerp voor productie zijn van cruciaal belang om HIP effectief te kunnen gebruiken en tegelijkertijd beperkingen op het gebied van onderdeelconfiguratie, systeemcapaciteit en toleranties te vermijden.

FAQ

Hier vindt u antwoorden op enkele veelgestelde vragen over de technologie en processen voor heet isostatisch persen:

Vraag: Welke materialen kunnen worden HIPed?

A: HIP kan de eigenschappen van de meeste legeringen verdichten en verbeteren, waaronder roestvrij staal, titanium, nikkellegeringen, gereedschapsstaal, wolfraamlegeringen, keramiek zoals aluminiumoxide en siliciumnitride, en metaalmatrixcomposieten. Het materiaal moet compatibel zijn met het temperatuurbereik van het HIP-proces.

Vraag: Welke onderdelen kunnen met HIP worden verwerkt?

A: Typische hete isostatische persen variëren van 1 inch tot meer dan 60 inch in diameter. De maximale onderdeelgrootte wordt beperkt door de interne afmetingen van het drukvat. Voor grotere onderdelen kunnen aangepaste HIP-systemen nodig zijn.

Vraag: Hoe lang duurt HIP?

A: Cyclustijden variëren van 4-10 uur, doorgaans gebaseerd op verwarmings-, koel- en houdtijden. Grote onderdelen kunnen meer dan 50 uur in beslag nemen. Voor volledige verdichting kunnen meerdere HIP-cycli worden gebruikt.

Vraag: Wat is een typisch HIP-proces?

A: Een gebruikelijke HIP-cyclus is verwarmen tot 1200°C met 100°C/min, gevolgd door 1-3 uur vasthouden bij 100 MPa druk en afkoelen met 200°C/min. Maar parameters zijn sterk afhankelijk van het materiaal en de toepassing.

Vraag: Wat is het verschil tussen heet isostatisch persen en koud isostatisch persen?

A: HIP gebruikt hoge temperaturen tot 2000°C gecombineerd met hoge druk, terwijl CIP gebruik maakt van kamertemperatuur en meer gematigde druk. HIP bereikt volledige verdichting en vastgoedverbeteringen in plaats van alleen consolidatie met CIP.

Vraag: Vervangt HIP andere processen zoals warmtebehandeling of machinale bewerking?

A: HIP is een aanvulling op andere stappen, zoals warmtebehandeling en machinale bewerking. HIP zorgt voor verdichting, waarna verdere thermische of mechanische stappen helpen bij het bereiken van de uiteindelijke eigenschappen, toleranties en afwerking van het onderdeel.

Vraag: Hoeveel kost heet isostatisch persen?

A: De apparatuur heeft hoge kapitaalkosten. Voor HIP-toldiensten varieert de prijs op basis van de onderdeelgrootte, cyclusparameters, het aantal stuks en andere factoren. Verwacht kosten variërend van honderden tot duizenden dollars per cyclus.

Vraag: Welke normen zijn van toepassing op HIP?

A: De belangrijkste normen zijn onder meer AMS-H-81200 voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen, ISO-20421 voor poeder-HIP, ASTM F-3049 voor metalen spuitgietmaterialen en EN-28401 voor HIP-schepen. Er kunnen ook branchespecifieke codes van toepassing zijn.

ken meer 3D-printprocessen