Горячее изостатическое прессование: виды, разработка, выбор

Горячее изостатическое прессование (HIP) - это производственный процесс, используемый для устранения пористости и повышения плотности металлов, керамики и других материалов. В данной статье приводится обзор принципов работы HIP, основного оборудования, типичных областей применения, а также рекомендации по выбору услуг HIP.

Что такое горячее изостатическое прессование и как оно работает?

Горячее изостатическое прессование - это процесс уплотнения под высоким давлением и при высокой температуре, используемый для устранения внутренних пустот и пористости в материалах. Цель этого процесса - улучшение механических свойств и эксплуатационных характеристик за счет устранения дефектов.

Высокое давление в HIP достигается за счет изостатической среды, представляющей собой газ или жидкость, приложенные равномерно во всех направлениях. В отличие от однонаправленного давления, материал подвергается одинаковому давлению со всех сторон. Высокая температура пластифицирует материал, поэтому давление может разрушить внутренние пустоты и закрыть дефекты.

Сочетание тепла и давления в процессе HIP приводит к уплотнению и значительному улучшению вязкости разрушения, усталости, прочности, герметичности и других свойств обработанных деталей.

Поэтапный процесс HIP

Горячее изостатическое прессование включает в себя несколько этапов, на которых происходит герметизация, нагрев, нагнетание давления, охлаждение и выпуск деталей. Основными этапами являются:

1. Нагрузка - Детали закрепляются и загружаются в емкость HIP. Несколько небольших деталей могут быть собраны в пакет.
2. Уплотнение - Емкость эвакуируется, герметично закрывается и проверяется на герметичность. Детали должны быть полностью закрыты.
3. Тепло - Сосуд нагревается до заданной температуры HIP, которая зависит от материала. Это занимает несколько часов.
4. Нагнетание давления - После достижения температуры в емкость вводится газ высокого давления, подвергающий содержимое изостатическому давлению до 30 000 PSI.
5. Держать - Температура и давление поддерживаются в течение 1-6 часов в зависимости от требований.
6. Cool - После выдержки емкости дают остыть, а затем сбрасывают давление.
7. Разгрузить - Емкость открывают, удаляют герметизирующий материал и выгружают обработанные детали.

Продолжительность этого цикла составляет от 4 до 10 часов в зависимости от требуемых параметров процесса HIP. При необходимости детали могут проходить несколько циклов HIP.

В табл. 1 приведены четыре основных параметра процесса - температура, давление, время и скорость нагрева/охлаждения.

Таблица 1: Основные параметры процесса горячего изостатического прессования

Как HIP улучшает свойства материалов

Высокие давление и температура в процессе HIP способствуют многочисленным изменениям в материале на микроструктурном уровне:

• Закрытие внутренних пор и пустот
• Диффузионное связывание частиц порошка
• Устранение микротрещин
• Устранение дефектов литья
• Улучшенная гомогенизация
• Рафинирование зерна

Это значительно повышает плотность, прочность, пластичность и другие механические свойства. К основным преимуществам относятся:

• Повышенная несущая способность
• Повышенная вязкость разрушения
• Повышенная усталостная долговечность
• Повышенная коррозионная стойкость
• Снижение вариабельности характеристик материалов
• Защита от утечек для удержания газа или жидкости
• Восстановление пластичности в охрупченных сплавах

HIP часто используется в качестве этапа постобработки после аддитивного производства для повышения плотности, производительности и надежности 3D-печатных деталей.

Типы оборудования и компоненты системы HIP

Существует два основных типа систем HIP:

Системы давления газа

• В качестве изостатической среды используйте инертный газ, например аргон.
• Может достигать более высоких давлений - до 30 000 PSI.
• Используется для высокотемпературных HIP-циклов с температурой выше 1200°C.
• Подходит для реактивных материалов, таких как титановые сплавы.

Системы жидкостного давления

• В качестве среды для нагнетания давления используйте жидкость, например, масло.
• Как правило, ограничивается давлением 10 000 PSI.
• Используется для низкотемпературного HIP ниже 1000°C.
• Обеспечивают более высокую скорость охлаждения за счет лучшей теплопередачи.

Помимо основного сосуда высокого давления, системы HIP включают в себя несколько вспомогательных компонентов:

• Нагревательные элементы - Графитовые или металлические резистивные нагреватели, нагревающие емкость.
• Система охлаждения - Для активного охлаждения через воду или масло для достижения более высокой скорости охлаждения.
• Вакуумные насосы - Для первоначальной дегазации и удаления воздуха из емкости.
• Газовые бустеры - Интенсификаторы для сжатия газа до требуемого уровня давления.
• Система управления - Для программирования и мониторинга цикла HIP.

Усовершенствованные машины HIP могут также включать такие функции, как быстрое охлаждение, многоступенчатые циклы, повышенная производительность и возможности работы с данными Industry 4.0.

В табл. 2 приведены различные типы оборудования и основные компоненты системы HIP:

Таблица 2: Сравнение различных типов оборудования HIP и основных компонентов

Размер и мощность системы HIP

Машины HIP характеризуются размером емкости и полезным диаметром. Типичные емкости находятся в диапазоне 1-100 дюймов в диаметре.

Небольшие лабораторные установки размером менее 6 дюймов используются для исследований и опытного производства. Средние системы диаметром 18-42 дюйма обычно применяются в производстве. Крупные установки HIP диаметром более 60 дюймов используются для уплотнения очень крупных деталей.

Основными размерными метриками являются:

• Диаметр сосуда - Внутренний диаметр сосуда под давлением в дюймах. Это ограничивает максимальный размер деталей.
• Размер заряда - Общий объем, который может быть загружен для денсификации за один цикл.
• Пропускная способность - Скорость производства, основанная на времени цикла. Более мелкие и частые партии обеспечивают более высокую пропускную способность.

Помимо размера, ключевыми факторами при выборе HIP-системы являются максимальная температура, номинальное давление, скорость охлаждения и время цикла.

В табл. 3 указаны распространенные размеры емкостей и соответствующие им объемы.

Таблица 3: Сравнение размеров и мощности оборудования HIP

Стандарты и коды процесса HIP

Существует несколько стандартов, определяющих процедуры и требования к горячему изостатическому прессованию для достижения надлежащего уплотнения. Они позволяют определить параметры процесса, методы контроля, безопасность и квалификационные протоколы.

К числу основных стандартов относятся:

• AMS-H-81200 - Аэрокосмический стандарт SAE для HIP деталей
• ISO-20421 - Международный стандарт на HIP металлических порошков
• ASTM F-3049 - Стандартное руководство по HIP для металлических литьевых материалов
• EN-28401 - Европейский стандарт для судов HIP

Детали, изготовленные с использованием HIP, могут также соответствовать отраслевым или специфическим стандартам, например, в аэрокосмической, оборонной, атомной или нефтегазовой промышленности.

При определении процесса HIP важно проанализировать все применимые нормы и стандарты для достижения целей плотности застройки при соблюдении нормативных требований.

Типичные области применения HIP и подходящие материалы

Горячее изостатическое прессование используется во многих отраслях промышленности для улучшения свойств металлов, сплавов, керамики и композиционных материалов.

Типичные области применения включают:

Аэрокосмическая промышленность

• Лопатки, диски, корпуса турбин
• Конструктивные элементы планера
• Сопла и камеры сгорания ракет

Автомобильная промышленность

• Клапаны и шатуны двигателя
• Шестерни трансмиссии
• Компоненты подвески

Энергия

• Нефтепромысловый инструмент и буровые долота
• Клапаны, трубы и сосуды
• Ядерные тепловыделяющие элементы

Промышленность

• Режущие инструменты и штампы
• Инструментальные стали для горячей и холодной обработки
• Твердые металлы, такие как карбид вольфрама

Аддитивное производство

• HIP 3D-печати металлов для повышения плотности, прочности и качества поверхности

Практически любой материал может быть подвергнут HIP-уплотнению. К наиболее распространенным сплавам и типам материалов относятся:

• Нержавеющие стали
• Инструментальные стали
• Титановые и никелевые сплавы
• Суперсплавы - инконель, сплав Waspaloy
• Вольфрамовые и молибденовые сплавы
• Керамика - нитрид кремния, глинозем, диоксид циркония
• Металломатричные композиты

В табл. 4 приведены некоторые области применения горячего изостатического прессования по материалам и отраслям промышленности:

Таблица 4: Применение горячего изостатического прессования по материалам и отраслям промышленности

Развитие процесса HIP

Определение подходящих параметров процесса HIP требует проведения опытно-конструкторских работ в зависимости от материала, конструкции детали и требуемых свойств.

Основными этапами разработки процесса являются:

• Установление целей плотности застройки - целевая плотность, свойства
• Характеристика исходного материала - состав, дефекты, пустоты
• Проведение термического анализа для определения температуры HIP
• Анализ конструкции капсулы - размер, крепление, вентиляция
• Провести испытания HIP - варьировать время, температуру, давление
• Испытание образцов для измерения плотности, свойств
• Оптимизация цикла на основе полученных результатов

Данная разработка направлена на определение минимальных параметров, необходимых для достижения полного уплотнения и улучшения вязкости разрушения, усталости, прочности и других механических свойств.

Методы быстрой оптимизации процесса, такие как дизайн экспериментов (DOE), могут ускорить разработку параметров HIP по сравнению с традиционными однофакторными испытаниями.

Рекомендации по проектированию и соображения по поводу HIP

При разработке деталей, предназначенных для горячего изостатического прессования, необходимо учитывать ряд конструктивных факторов:

Толщина стенки

• Для более толстых секций толщиной более 2 дюймов могут потребоваться циклы термической распалубки
• Используйте углы тяги, чтобы избежать застревания порошка
• Оптимизация потока для обеспечения вентиляции

Отделка поверхности

• Шероховатость поверхностей, обработанных по технологии As-HIP, составляет более 125 мкм
• Часто требуется обработка после HIP
• Допуски порядка 0,02 дюйма или ниже являются сложными

Геометрия

• Избегать острых углов, препятствующих плотности застройки
• Конструкция однородных секций для равномерного распределения HIP
• Минимизация захваченных объемов

Материалы

• Соответствие состава сплава температурному диапазону HIP
• Рассмотрим влияние HIP на микроструктуру
• Используйте совместимые металлы для сборки

Проведение инженерного моделирования процесса HIP позволяет выявить проблемные места в конструкции, требующие доработки для обеспечения полного уплотнения.

В табл. 5 приведены некоторые основные рекомендации по проектированию деталей, подвергаемых горячему изостатическому прессованию:

Таблица 5: Руководство по проектированию горячего изостатического прессования

Выбор поставщика услуг HIP

Компании, не располагающие собственными силами, могут воспользоваться услугами платных поставщиков HIP-услуг для плотной обработки деталей. Вот ключевые факторы при выборе поставщика:

• Оборудование - Учитывайте максимальную температуру, давление и размеры деталей.
• Опыт работы - Ищите специалистов в своей отрасли и областях применения.
• Качество - Обеспечение наличия сертификатов и контроля процессов.
• Время выполнения заказа - Оценить логистику и типичные сроки выполнения заказа.
• Данные - Могут ли они предоставить подробные отчеты и карты HIP?
• Поддержка НИОКР - Возможность разработки процессов и испытаний.
• Стоимость - Соотношение возможностей с ценой и минимальными расходами.

Настоятельно рекомендуется посетить потенциального поставщика, чтобы лично проверить его технологические процессы.

В табл. 6 приведены критерии, которые необходимо оценить при выборе поставщика услуг горячего изостатического прессования:

Таблица 6: Критерии выбора поставщика услуг горячего изостатического прессования

Плюсы и минусы горячего изостатического прессования

Горячее изостатическое прессование дает много преимуществ, но имеет и ряд ограничений, которые необходимо учитывать.

Преимущества HIP:

• Повышение плотности и улучшение механических свойств
• Закрытие внутренних пустот и предотвращение утечек
• Консолидация порошковых материалов в готовые детали
• Уточнение микроструктуры
• Устранение дефектов литья
• Подходит для сложных геометрических форм
• Объединение нескольких этапов в один (HIP + термообработка)

Недостатки HIP:

• Высокая инвестиционная стоимость оборудования
• Детали требуют герметизации и крепления
• Ограниченный максимальный размер детали
• Ограничения по геометрии, вентиляции и т.д.
• Часто требуется последующая механическая обработка
• Может влиять на микроструктуру некоторых сплавов
• Время цикла, как правило, велико

Для многих приложений повышение производительности, обеспечиваемое HIP, делает его выгодным этапом обработки, несмотря на более длительное время цикла и более высокую стоимость по сравнению с другими методами консолидации.

Тщательная разработка технологического процесса и проектирование производства являются ключевыми факторами для эффективного использования HIP, позволяющими избежать ограничений, связанных с конфигурацией деталей, производительностью системы и допусками.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Здесь представлены ответы на некоторые часто задаваемые вопросы о технологии и процессах горячего изостатического прессования:

Вопрос: Какие материалы могут быть подвергнуты HIP-технологии?

О: HIP может уплотнять и улучшать свойства большинства сплавов, включая нержавеющие стали, титан, никелевые сплавы, инструментальные стали, вольфрамовые сплавы, керамику, например, глинозем и нитрид кремния, а также металломатричные композиты. Материал должен быть совместим с температурным диапазоном процесса HIP.

Вопрос: Детали какого размера можно обрабатывать с помощью HIP?

О: Типичные горячие изостатические прессы имеют диаметр от 1 дюйма до более 60 дюймов. Максимальный размер детали ограничивается внутренними размерами сосуда под давлением. Для деталей большего размера могут потребоваться специализированные системы HIP.

Вопрос: Сколько времени занимает программа HIP?

О: Время цикла составляет от 4 до 10 часов, как правило, с учетом времени нагрева, охлаждения и выдержки. Для крупных деталей может потребоваться более 50 часов. Для полного уплотнения может использоваться несколько циклов HIP.

Вопрос: Что представляет собой типичный процесс HIP?

О: Обычным циклом HIP является нагрев до 1200°C при 100°C/мин, затем 1-3-часовая выдержка под давлением 100 МПа и охлаждение при 200°C/мин. Однако параметры сильно зависят от материала и области применения.

Вопрос: Чем отличается горячее изостатическое прессование от холодного изостатического прессования?

О: При HIP используются высокие температуры до 2000°C в сочетании с высоким давлением, в то время как при CIP - комнатная температура и более умеренное давление. При HIP достигается полное уплотнение и улучшение свойств в отличие от простого уплотнения при CIP.

Вопрос: Заменяет ли HIP другие процессы, такие как термообработка или механическая обработка?

О: HIP дополняет другие этапы, такие как термообработка и механическая обработка. HIP обеспечивает плотность, а последующие термические или механические операции помогают достичь конечных свойств детали, допусков и чистоты обработки.

Вопрос: Сколько стоит горячее изостатическое прессование?

Ответ: Оборудование имеет высокие капитальные затраты. Цены на платные услуги HIP зависят от размера детали, параметров цикла, количества изделий и других факторов. Ожидается, что стоимость одного цикла может составлять от сотен до тысяч долларов.

Вопрос: Какие стандарты применяются к HIP?

О: Основные стандарты включают AMS-H-81200 для аэрокосмической отрасли, ISO-20421 для порошковых HIP, ASTM F-3049 для металлических литьевых материалов и EN-28401 для сосудов HIP. Также могут применяться отраслевые коды.

узнать больше о процессах 3D-печати