فناوری پرس کاری ایزواستاتیک داغ (Hot Isostatic Pressing - HIP) یک فرآیند عملیات حرارتی و فشاری پیشرفته است که به طور گسترده در متالورژی پودر و تولید قطعات با کارایی بالا استفاده می‌شود. نقش حیاتی HIP در صنعت تولید افزودنی (پرینت سه‌بعدی فلزات) تضمین می‌کند که قطعات نهایی دارای چگالی کامل، خواص مکانیکی عالی و عمر خستگی طولانی باشند.
۱. اصول علمی و فرآیند HIP
الف) تعریف و مکانیزم
HIP فرآیندی است که طی آن مواد در یک محفظه فشار بالا و دمای بالا، تحت فشار ایزواستاتیک (همسانگرد) قرار می‌گیرند. هدف اصلی این فرآیند حذف تخلخل‌های داخلی (Porosity) و بهبود چشمگیر ریزساختار قطعات است.
- دما: قطعه در دمایی نزدیک به نقطه ذوب خود قرار می‌گیرد (0.5 تا 0.9 برابر دمای ذوب مطلق). این حرارت باعث فعال شدن مکانیزم‌های خزش (Creep) و نفوذ اتمی (Diffusion) می‌شود.
- فشار: یک گاز بی‌اثر (معمولاً آرگون) به عنوان واسطه فشار استفاده می‌شود و فشار از تمام جهات به طور یکسان (ایزواستاتیک) به قطعه اعمال می‌شود (معمولاً 100 تا 200 مگاپاسکال).
- نتیجه: در اثر ترکیب فشار و دمای بالا، دیواره‌های منافذ به یکدیگر فشرده شده، پیوندهای فلزی جدید شکل می‌گیرند و تخلخل‌ها به طور دائم حذف می‌شوند.
ب) معادله کلیدی
حذف تخلخل در HIP بر اساس قانون نفوذ اتمی و تغییر شکل پلاستیک مواد در دمای بالا است. این فرآیند به طور مؤثری تمام تخلخل‌های داخلی بسته را از بین می‌برد، در حالی که تخلخل‌های باز (متصل به سطح) ابتدا باید بسته شوند.
۲. کاربرد HIP در قطعات پرینت سه‌بعدی فلزات
قطعات تولید شده با روش‌های پرینت سه‌بعدی فلزات (مانند SLM یا DMLS) همواره دارای مقداری تخلخل داخلی (میکروپروسیتی) هستند که معمولاً بین 0.05 تا 1 درصد است. این تخلخل‌ها می‌توانند به طور جدی عمر خستگی و استحکام نهایی قطعه را کاهش دهند.
الف) دلایل نیاز قطعات AM به HIP
- حذف ریزتخلخل‌ها: فرآیند ذوب و انجماد سریع لیزری در SLM می‌تواند باعث به دام افتادن گازها یا ذوب ناقص پودر شود و ریزتخلخل‌های کروی یا نامنظم ایجاد کند. HIP این عیوب را حذف می‌کند.
- بهبود خواص مکانیکی: حذف این ریزتخلخل‌ها و همچنین همگن‌سازی ریزساختار ناهمگون، منجر به افزایش موارد زیر می‌شود:
- استحکام تسلیم و کششی
- چگالی نهایی (رسیدن به چگالی 99.9 درصد یا بیشتر)
- مهم‌تر از همه: افزایش عمر خستگی، که برای قطعات حیاتی در صنایع هوافضا (جایی که قطعات تحت بارهای چرخه‌ای قرار دارند) ضروری است.
- ترک‌های داخلی: HIP می‌تواند ترک‌های کوچک و داخلی ناشی از تنش‌های حرارتی بالای فرآیند AM را نیز ترمیم کند.
ب) فرآیند HIP پس از چاپ
- جدا کردن قطعه: قطعه پرینت شده از صفحه ساخت جدا می‌شود.
- ماشین‌کاری اولیه (اختیاری): سطح قطعه ممکن است برای حذف مناطق پرخطر یا بسته شدن تخلخل‌های سطحی باز، ماشین‌کاری شود.
- عملیات حرارتی (HIP Cycle): قطعه وارد کوره HIP شده و سیکل فشار و دمای لازم بر اساس نوع آلیاژ اعمال می‌شود.
- عملیات نهایی: پس از HIP، ممکن است عملیات حرارتی استاندارد (مانند آنیل کردن یا کوئنچ و تمپر) برای دستیابی به ریزساختار نهایی مورد نظر انجام شود.
۳. مواد و صنایع کلیدی
آلیاژ | کاربرد اصلی HIP در AM | دلیل نیاز به HIP |
آلیاژهای تیتانیوم (Ti6Al4V) | هوافضا، ایمپلنت‌های پزشکی | رسیدن به چگالی کامل برای تحمل بارهای بالا و بهبود عمر خستگی حیاتی. |
آلیاژهای نیکل (سوپرآلیاژها) | پره‌های توربین، قطعات موتور جت | بهبود عملکرد در دمای بالا و عمر خزش (Creep life) با حذف تخلخل‌ها. |
فولاد ضدزنگ (مثلاً 316L) | کاربردهای صنعتی و غذایی | افزایش مقاومت در برابر خوردگی و بهبود خواص مکانیکی برای قطعات تحت تنش. |
آلیاژهای کبالت-کروم | ایمپلنت‌های دندانی و ارتوپدی | تضمین زیست‌سازگاری و مقاومت مکانیکی بالا. |
۴. چالش‌ها و چشم‌انداز آینده
- هزینه عملیاتی: HIP فرآیندی با مصرف انرژی بالا و سیکل زمانی طولانی است که هزینه کلی قطعات AM را افزایش می‌دهد.
- تأثیر بر ریزساختار: تنظیم دقیق پارامترهای HIP (به ویژه دما و زمان) برای جلوگیری از رشد بیش از حد دانه‌ها (Grain Growth) یا تغییر فازهای نامطلوب در آلیاژهای حساس (مانند سوپرآلیاژها) حیاتی است.
- توسعه فرآیند: در حال حاضر، تلاش‌ها بر روی توسعه کوره‌های HIP با سیکل سریع و ادغام عملیات حرارتی با سیکل HIP متمرکز شده تا زمان کل فرآیند تولید کاهش یابد.
به طور خلاصه، HIP یک مرحله اجباری در فرآیند تولید قطعات فلزی پرینت سه‌بعدی است که در کاربردهای با عملکرد حیاتی، مانند صنایع هوافضا و پزشکی، استفاده می‌شود تا ضعف ذاتی تخلخل ناشی از تولید افزودنی را جبران کرده و قطعه را به سطح استاندارد متالورژیکی مورد نیاز برساند.
