پرس ایزواستاتیک داغ یک فرآیند تولید و یا تکمیلی است که برای کاهش تخلخل، رفع عیوب ساختاری شامل میکرو ترک ها و افزایش دانسیته بسیاری از مواد فلزی و سرامیکی مورد استفاده قرار می گیرد. پرس ایزواستاتیک داغ باعث افزایش خواص مکانیکی و کارایی مواد می گردد.
از آنجا که فرآیند تحت فشار و دمای بالا انجام می‌گیرد، احتمال واکنش شیمیایی قطعه با گاز‌های داخل محفظه وجود دارد. از این رو عملیات با استفاده از یک گاز بی اثر (معمولا آرگون) انجام می‌شود. معمولا فشار درون مخزن در بازه MPa100 تا MPa300 بوده و دمای آن بین ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد بالا می‌رود. از آنجا که قطعه داخل مخزن از همه جهات تحت فشار یکسانی قرار می‌گیرد (فشار ایزواستاتیک)، در نتیجه قطعه تنها دچار تغییر شکل نخواهد شد.
کاربرد های پرس ایزواستاتیک داغ (HIP) :
پرس ایزواستاتیک داغ کاربرد‌های وسیعی در صنایع گوناگون دارد. از جمله آن‌ها می‌توان به صنایع هوافضایی، پزشکی، انرژی، ساخت افزودنی و انواع ریخته‌گری و متالورژی پودر اشاره داشت. در ادامه درباره هر یک از این موارد توضیحاتی ارایه شده است.
1- ریخته گری (Casting):
ریخته گری یکی از مهمترین روش‌های ساخت قطعات صنعتی است. در این روش فلز مذاب در قالبی باشکل دلخواه ریخته شده و پس از سرد شدن، قطعه مورد نظر از قالب خارج می‌شود. از بزرگترین معایب این روش کاهش حجم ماده طی تغییر فاز از حالت مایع به جامد می‌باشد. این پدیده می‌تواند باعث ایجاد تنش‌های پسماند، حفره و در موارد حاد ترک در قطعه شود. همچنین در عملیات ریخته‌گری میکرو-انقباض‌هایی نیز در قطعه ایجاد می‌گردد. حذف این موارد نیازمند کنترل تغییر فاز مایع به جامد و یا تک کریستال کردن قطعه است که فرآیند ی بسیار گران قیمت بوده و تنها برای کاربرد‌های خاص استفاده می‌گردد. بنابراین، می توان گفت در تمام قطعات حاصل از ریخته گری نقص‌هایی وجود داشته و عدم یکنواختی کیفیت در آن‌ها دیده می شود.
اعمال فشار و دمای بالا می‌تواند سبب حذف عیوب داخلی در قطعات فلزی شود. شرایطی مشابه در فرآیند فورج داغ پیاده سازی می‌شود. با این حال تولید قطعات پیچیده و با جزییات هندسی بالا که می¬تواند توسط ریخته‌گری صورت ‌گیرد، به کمک فورج امکان پذیر نمی‌باشد. پرس ایزواستاتیک داغ می‌تواند با اعمال فشار بر قطعه توسط گاز و در دمای بالا به این مهم دست یابد. فرآیند HIP هیچگونه تغییری در پیکربندی و شکل قطعه حاصل از ریخته گری ایجاد نمی کند و زمانی که فشار اعمالی از نقطه تسلیم قطعه بیشتر گردد، تنها خلل و فرج داخل قطعه از بین می روند. اگر شرایط HIP به درستی انتخاب شوند فلز یک دست می گردد و نمونه ریخته گری شده اصلاح و کامل می شود.
پروسه HIP به عنوان یک فرآیند پساتولیدی بر روی مواد مختلفی انجام می‌شود. از این مواد می‌توان به آلیاژ های ریختگی آلومینیوم، کوبالت، کروم، فولاد ضد زنگ، سوپر آلیاژ‌های پایه نیکل، تیتانیوم و همچنین مواد کامپوزیتی اشاره نمود.
مثال‌هایی از استفاده HIP بر روی قطعات ریخته‌گری شده در صنایع مختلف:
1-1- موتور توربین
1-2- ایمپلنت های ارتوپدی
1-3- موارد دیگر از قطعات ریخته‌گری شده

  1. پره های متحرک
  2. پره های ثابت
  3. محور های دوار

1-1- موتور توربین

hip
hip
hip

یکی از اولین استفاده‌های فرآیند HIP در صنعت برای بهبود خواص مکانیکی پره‌های توربین‌ها بوده که توسط ریخته‌گری تولید می‌شوند. امروزه این فرآیند برای حذف تخلخل در طیف گسترده‌ای از سوپر آلیاژ‌های ریخته‌گری شده و ریخته‌گری دقیق تیتانیوم استفاده می‌شود. از مزایای استفاده از این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
به علت بهبود خواص مکانیکی و استحکام و عمر خستگی مواد، دوره بازبینی قطعات تحت تنش‌های بالا (مانند پره توربین‌ها) طولانی تر خواهد بود که سبب کاهش هزینه‌های نگهداری خواهد شد.
با بکارگیری پرس ایزواستاتیک داغ در فرآیند تولید، محصولات حاصل از ریخته‌گری می‌توانند در نهایت وزن کمتری داشته باشند که سبب کاهش مصرف سوخت و بهبود راندمان سیستم مورد نظر خواهد شد.

  1. ایمپلنت لگن
  2. ایمپلنت زانو
  3. ایمپلنت شانه
  4. ایمپلنت دندانی
  5. ابزارهای جراحی

1-2- ایمپلنت های ارتوپدی

hip
hip
hip
  1. بهبود کیفیت ابزار‌های تنگستنی و الماسه
  2. بهبود کارکرد پروانه و بدنه پمپ‌ها و قطعات شیر فلکه‌ها
  3. بهبود عملکرد محفظه‌های استریل

1-3- موارد دیگر از قطعات ریخته‌گری شده

hip
hip

قطعاتی که توسط ریخته گری تولید شده و به واسطه کارکرد خود به عیب‌های داخلی حساس هستند، با استفاده از فرآیند HIP اصلاح می‌گردند. محصول های فرآیند ریخته‌گری دقیق آلومینیوم که در صنایع الکتریکی، الکترونیکی و ارتباطات استفاده می‌شوند، در داخل دستگاه HIP قرار ‌می‌گیرند. این فرآیند تکمیلی علاوه بر افزایش استحکام قطعات به واسطه حذف تخلخل در آن‌ها، باعث افزایش صافی سطح آن‌ها شده که به درزگیری بهتر و زیبایی شکل نهایی قطعات کمک می‌کند. همچنین در ریخته‌گری تجاری، کاربرد‌های وسیع دیگری نیز وجود دارد

2- فرآیند های ساخت افزودنی(AM) یا پرینت سه بعدی
فرآیند ساخت افزودنی یک تکنولوژی تولید است که قطعات سه بعدی را لایه به لایه مطابق طراحی در کامپیوتر می سازد. بر خلاف دیگر روشهای کلاسیک تولید قطعات مانند که با برداشتن قسمتی از ماده از روی قطعه اولیه به صورت براده شکل نهایی حاصل می‌شود، در این روش قطعات با افزودن تدریجی ماده بر روی قسمت‌های ساخته شده تولید می‌شوند. از مزایای اصلی فرآیند‌های ساخت افزودنی تولید قطعات با هندسه پیچیده است که با تکنولوژی های دیگر امکان¬پذیر نیست.
با رشد فرآیند‌های ساخت افزدونی در سال‌های اخیر، پرینت سه بعدی فلزات (به عنوان پرکاربرد ترین ماده در صنعت) نیز امکان پذیر شده است. در این فرآیند، پودر فلز در محفظه دستگاه قرار گرفته و به کمک فرآیندهای گوناگونی مانند استفاده از لیزر برای ذوب پودر، قطعات مورد نظر از پودر فلز تولید می‌گردد. در تولید قطعات فلزی به کمک AM، تخلخل زیاد و نامطلوب در محصول وجود خواهد داشت که می‌توان با قرار دادن قطعه در HIP، این عیوب را رفع نمود تا استحکام، مقاومت خستگی و چقرمگی قطعه بهبود یابد. در نتیجه با ترکیب روش‌ پرینت سه بعدی و پرس ایزواستاتیک داغ میتوان از پودر فلز قطعاتی پیچیده و با کارایی بالا تولید نمود که توسط روش‌های معمول قابل تولید نمی‌باشند. با این روش، هندسه‌های بسیار متنوع و پیچیده مثل حفره‌های داخلی و دیواره‌های نازک قابل ساخت خواهد بود. همچنین با استفاده از این روش می‌توان مجموعه قطعاتی را مستقیما به صورت مونتاژ شده تولید نمود. در این فرآیند می‌توان از انواع فلز نظیر آلیاژ‌های آلومینیوم، تیتانیوم، کوبالت، فولاد‌های کم آلیاژ، ضد زنگ و فولاد‌های ابزار استفاده نمود.
مثال‌های از قطعات تولید شده به کمک این روش ترکیبی:
• از این فرآیند برای تولید نازل‌های سوخت و محفظه‌های احتراق با هندسه‌های بهینه استفاده می‌شود. همچنین پره‌های توربین همراه با راه‌های پیچیده داخلی جهت خنک کاری پره‌ها با این روش قابل ساخت هستند.
• به کمک این روش در صنعت پزشکی ایمپلنت‌هایی مختص فرد بیمار طراحی و ساخته می‌شود. به عنوان مثال ایمپلنت‌های فک و صورت و کاسه مفاصل از جمله این مورد می‌باشد.

پروتز فلزی پرینت شده  برای استفاده در زانو
hip
hip

3- فرآیند تزریق فلز مایع (Metal Injection Molding (MIM))
قطعات تولید شده با استفاده از فرآیند تزریق فلز مایع معمولا پس از سینتر شدن چگالی معادل 95% چگالی تئوری خود را دارند. در برخی موارد که عملکرد بهتری مورد نیاز است، فرآیند پرس ایزواستاتیک داغ جهت از بین بردن تمام خلل و فرج باقیمانده استفاده می شود که سبب بهبود خواص مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی می گردد.
نمونه هایی از قطعاتی که پس از تزریق فلز مایع، پرس ایزواستاتیک داغ می گردند:
صنایع خودروسازی:
• اجزای سوپاپ تزریق سوخت
• پره های تنظیم توربوشارژر
صنایع پزشکی:
• ابزار عمل جراحی
• ایمپلنت دندانی
مزایای استفاده از پرس ایزواستاتیک داغ در قطعات تولید شده با استفاده از روش MIM:
• طول عمر بالاتر
• عمر قابل پیش بینی
• امکان طراحی سبکتر
• بهبود خواص مکانیکی مانند خوردگی، خزش ، سایش خستگی و چکش خواری
• از بین بردن تنش پسماند در قطعات تولید شده با استفاده از MIM

hip

4- متالورژی پودر (Powder Metallurgy (PM))
در این روش ابتدا کپسولی به شکل قطعه مورد نظر (با تلرانس مشخص کمی بزرگتر از آن) از جنس فولاد معمولی یا فولاد ضد زنگ تولید می-گردد. سپس پودر سرامیک یا فلز درون آن ریخته شده و آب بندی می گردد. کپسول درون پرس ایزواستاتیک داغ قرار گرفته و قطعه با شکل مورد نظر تولید می¬شود. در انتها نیز با استفاده از مواد شیمیایی یا ماشین کاری محفظه برداشته می‌شود. این روش از سال 1970 میلادی در حال استفاده است.
از مزایای این روش تولید می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• بهبود خواص مکانیکی مانند مقاومت به ضربه، عمر خستگی و چکش خواری
• تولید قطعه با خواص ایزوتروپیک
• اطمینان بیشتر به قطعه و امکان پیش بینی دقیق‌تر عمر خستگی
• بهبود مقاومت به خوردگی
• اتصال انتشاری (Diffusion Bonding) بین مواد یکسان و غیر یکسان به صورت پودر
• کاهش تعداد جوشکاری مورد نیاز (قطعات می توانند به شکل یکپارچه طراحی شده و تعداد جوشکاری استفاده شده در آن‌ها به حداقل رسیده و یا حذف گردد)

پروتز فلزی پرینت شده  برای استفاده در زانو
hip

5- روکش¬دهی فلزی و اتصال انتشاری
پرس ایزواستاتیک داغ می تواند برای پوشش دهی فلزی، جوش و اتصال مواد با جنس¬های متفاوت به یکدیگر نیز استفاده گردد.
مزایا:
• پرس ایزواستاتیک داغ پیوند های انتشاری (Diffusion Bond) بدون درز بین مواد یکسان یا غیر یکسان با دماهای ذوب متفاوت ایجاد می‌کند.
• پرس ایزواستاتیک داغ امکان اتصال انتشاری بین مواد متفاوت در فاز جامد را که امکان جوش دادن آنها در حالت عادی وجود ندارد فراهم می آورد.
• توسط پرس ایزواستاتیک چگالی جوشهای انتشاری افزایش می یابد که باعث بهبود خواص مکانیکی و آزاد شدن تنشهای پسماند ناشی از جوش می شود.
موادی که عموما می توانند به وسیله پرس ایزواستاتیک داغ به هم متصل گردند:
• کامپوزیت ها
• الماس (در ابزارهایی با لبه الماسه)
• موادی که لحیم کاری و جوش کاری شده اند
• سوپر آلیاژ ها
• فولاد ضد زنگ
• مواد مقاوم به خوردگی
• آلیاژهای تیتانیوم
• آلیاژهای آلمینیوم

hip