La tecnología HIP se remonta al trabajo en el laboratorio Columbus de Battelle en la década de 1950. La aplicación original fue unir revestimientos de circonio a elementos combustibles de uranio para los primeros reactores de agua a presión-un problema específico que resultó en una técnica de fabricación muy útil. Crucible Steel y Kennametal adoptaron la tecnología en la década de 1960 para aplicaciones de pulvimetalurgia y gradualmente se convirtió en una práctica estándar para fundiciones aeroespaciales críticas durante las décadas de 1970 y 1980. La física no ha cambiado mucho desde entonces, incluso si el equipo se ha vuelto sustancialmente más grande y más rápido.

Fundamentos del proceso

El concepto es bastante simple. Las piezas se colocan en un recipiente a presión mientras que el gas argón (a veces nitrógeno, pero el radio atómico más grande del argón funciona mejor) se presuriza a entre 100 y 200 MPa a temperatura elevada. Para las aleaciones ferrosas MIM, eso normalmente significa aproximadamente 1065 grados; el cobalto-cromo se calienta alrededor de 1220 grados; Las aleaciones de titanio se procesan a niveles más bajos, cerca de 900 grados. Los tiempos de espera son de 2 a 4 horas dependiendo del espesor de la sección y del material.

En esas condiciones suceden tres cosas simultáneamente. La deformación plástica colapsa los huecos porque el límite elástico disminuye con la temperatura mientras que la presión externa se mantiene constante. La fluencia continúa la densificación a medida que el movimiento de dislocación se adapta al cambio de volumen. Y la difusión atómica a través de las superficies vacías colapsadas crea enlaces metalúrgicos reales.-Este último mecanismo es lo que distingue al HIP del simple prensado en caliente y garantiza que la porosidad no se vuelva a abrir.

Efectos de propiedades mecánicas

Las mejoras a la propiedad de HIP varían bastante según lo que se mida. La resistencia a la tracción y la dureza aumentan modestamente-nada que justifique el costo adicional por sí solo. Las verdaderas ganancias se manifiestan en propiedades sensibles a defectos internos.

Los datos de resistencia al impacto del acero inoxidable 17-4PH ilustran este punto. Utilizando materia prima en polvo pre-aleado, los valores de Charpy pasaron de alrededor de 5,4 julios como-sinterizado a 9,5 julios después de HIP. Las rutas de aleación maestra mostraron saltos aún mayores: de 6,8 julios a más de 20 julios en algunos estudios. Ésa es la diferencia entre un modo de falla frágil y uno dúctil para muchas aplicaciones. Las mejoras en la vida útil ante la fatiga siguen patrones similares.-La eliminación de los concentradores de tensión internos extiende los ciclos hasta la falla en factores de 5 a 10 en pruebas de fatiga de ciclos altos.

En el caso de los materiales de grado-para implantes, las cifras de ductilidad son las más importantes. El cobalto-cromo según ASTM F75 necesita valores de alargamiento de alrededor del 20 % para cumplir con las especificaciones de implantes quirúrgicos, que como-MIM sinterizado normalmente no puede lograr. El procesamiento HIP cierra esa brecha. Ti-6Al-4V según F2885 muestra que el límite elástico en realidad aumenta de aproximadamente 870 MPa a 960 MPa después de HIP mientras mantiene el alargamiento, lo cual es contrario a la intuición hasta que se recuerda que la porosidad afecta ambas propiedades negativamente.

Un beneficio práctico que no aparece en las tablas de propiedades de materiales: la coherencia entre lotes-a-mejora sustancialmente. Los gradientes de temperatura del horno de sinterización crean variaciones de densidad a lo largo de una carga.-Las piezas cercanas a los elementos calefactores se densifican de forma diferente que las piezas en el centro. Después de HIP, todo converge hacia la densidad teórica independientemente del punto de partida. Para los fabricantes de moldeo por inyección de metal que ejecutan un control estadístico de procesos, esta distribución estricta a menudo es tan importante como las ganancias absolutas de propiedad.

Realidades de producción

La mayoría de los proveedores de servicios de moldeo por inyección de metal subcontratan HIP a procesadores especializados en lugar de incorporar la capacidad-internamente. El equipo es costoso, las tasas de utilización para una sola operación MIM rara vez justifican una capacidad dedicada y la experiencia operativa no se superpone mucho con las competencias centrales de sinterización y moldeo. Bodycote, Quintus y un puñado de otros procesadores por contrato manejan la mayor parte del volumen comercial.

La economía del ciclo depende en gran medida de la eficiencia de carga. Un recipiente HIP de producción podría tener una zona caliente de 1,5 metros de diámetro y 3 metros de alto-un volumen sustancial que debe llenarse productivamente en tiempos de ciclo de 4 a 8 horas. Las piezas MIM pequeñas se pueden fijar densamente; Los componentes más grandes con geometría compleja son más difíciles de empaquetar de manera eficiente. Los precios de los contratos reflejan esto: los costos por-piezas caen significativamente en volúmenes más altos.

 

La contaminación de las superficies es un dolor de cabeza recurrente cuando se utilizan centros de servicio de aleaciones múltiples. Las instalaciones que procesan superaleaciones de níquel, aceros para herramientas y titanio a través del mismo equipo inevitablemente dejan rastros de depósitos que pueden transferirse a las superficies de las piezas MIM. Los compuestos de cromo y silicio se muestran como una decoloración verde o marrón. Por lo general, es superficial y se puede quitar mediante un pulido ligero o una limpieza química, pero vale la pena consultarlo con el procesador con anticipación para aplicaciones cosméticas o de biocompatibilidad-críticas. Algunos programas OEM de piezas MIM personalizadas especifican ciclos HIP dedicados para evitar-la contaminación cruzada por completo.

Los cambios dimensionales durante HIP requieren atención durante el diseño de la pieza. El cierre de la porosidad provoca una contracción uniforme proporcional al aumento de la densidad-fácil de predecir y compensar. Más problemáticos son los gradientes de densidad heredados del moldeo por inyección. Una mayor densidad de empaquetamiento cerca de la puerta versus secciones más delgadas más alejadas crea una contracción diferencial durante el HIP que puede distorsionar geometrías complejas. Los proveedores experimentados de moldeo por inyección de metal ejecutan ciclos de prueba en las primeras etapas del desarrollo para caracterizar y compensar estos efectos antes de comprometer las herramientas.

Donde HIP tiene sentido económico

El costo de procesamiento adicional significa que HIP se especifica cuando los requisitos de desempeño lo justifican, no como un paso predeterminado. Los componentes aeroespaciales-palas de turbinas, soportes estructurales y -hardware crítico para el vuelo-pasan rutinariamente por HIP como práctica estándar según los requisitos del sistema de calidad AS9100. Los implantes médicos son similares; Las vías regulatorias para los dispositivos de Clase III esencialmente exigen material de densidad total-para cualquier cosa que experimente carga cíclica in vivo.

Las aplicaciones automotrices se están expandiendo a medida que la electrificación aumenta los requisitos de gestión térmica. Las barras colectoras de cobre de alta-corriente y las carcasas de componentes electrónicos de potencia especifican cada vez más HIP para garantizar que la conductividad térmica cumpla con los objetivos de diseño. Los engranajes de precisión para transmisiones eléctricas se benefician de un rendimiento de fatiga mejorado. Varios proveedores de componentes de moldeo por inyección de metal que expusieron en ferias recientes de Chinaplas han destacado las piezas procesadas con HIP-para aplicaciones de vehículos eléctricos como un área de crecimiento.

Para las piezas MIM comerciales donde domina la presión de los costos y los requisitos de propiedad se mantienen dentro de las capacidades-sinterizadas, HIP agrega gastos sin un beneficio proporcional. La tecnología encuentra su papel en ese subconjunto de aplicaciones exigentes donde la densidad total permite directamente el rendimiento del producto-y donde los clientes reconocen que la integridad del material exige una prima.