FILMS e la pressatura isostatica a caldo

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01 Agosto 2018

La pressatura isostatica a caldo (Hot Isostatic Pressing, HIP) venne sviluppata a metà degli anni ’50 del secolo scorso al Battelle Memorial Istitute di Columbus, Ohio, nell’ambito del Navy Nuclear Program.

FILMS ed HIP

FILMS si dotò del suo primo impianto HIP all’inizio degli anni ‘80 del secolo scorso. Da allora, ha sviluppato al suo interno una notevole esperienza nell’HIPping, applicato ad un ampio spettro di materiali e prodotti differenti, dagli acciai speciali al titanio e l’alluminio, dai metalli duri alle perle diamantate, dalle tenute meccaniche in nitruro di silicio, ai compositi ceramici e i riporti metallici.

L’impianto attualmente in FILMS, il terzo della sua storia, è di produzione Quintus, ha un contenitore in pressione ad avvolgimento di filo e può raggiungere 2000 bar e 2000 °C in una camera di 250 mm di diametro e 750 mm di altezza.

Come nacque la pressatura HIP

Negli anni’50 i ricercatori del Battelle avevano l’esigenza di placcare zirconio metallico su una lega zirconio-uranio, per produrre una barra di elemento di combustibile nucleare [1,2]. Per ottimizzare il contatto del materiale di placcatura con il contenuto della barra, pensarono di usare la pressione isostatica esercitata da un gas. I primi risultati furono subito promettenti: in particolare, si osservò una “densificazione” del combustibile a base di uranio. La tecnica venne brevettata con il nome di “gas pressure bonding” (alligazione mediante gas in pressione) [3].

Sull’onda dei primi risultati, incominciò una corsa a progettare nuove soluzioni che migliorassero l’idea iniziale. Questa attività portò allo sviluppo di una tecnologia che, oltre a consentire “l’alligazione per diffusione”, come inizialmente previsto, era in grado di rimuovere la porosità in getti da fusione e sinterizzati, consentendo di raggiungere il 100% della densità teorica e di migliorare proprietà meccaniche quali la duttilità, la tenacità, la resistenza a trazione ed a fatica.

Nella produzione di getti da fusione, la porosità si forma durante il raffreddamento in seguito al ritiro dei metalli ed alla diminuzione della solubilità dei gas, mentre nella metallurgia delle polveri la porosità è presente sin da quando i pezzi sono pressati.

Come funziona il processo HIP

Durante il processo HIP, il materiale in trattamento viene riscaldato in maniera uniforme, mentre una pressione isostatica è applicata a tutte le superfici. Il mezzo impiegato per esercitare la pressione nella maggior parte dei casi è un gas inerte (argon o elio), ma per alcune applicazioni si può usare azoto o aria. Il valore di pressione richiesto è raggiunto mediante un compressore. Il forno che riscalda i pezzi è contenuto nel recipiente in pressione, che è protetto dalla radiazione e dalla convenzione del calore grazie a schermi e ad un circuito di raffreddamento.

L’innovazione derivante dall’uso di HIP

Il successo del processo HIP dipende dalla corretta scelta dei valori di temperatura, pressione e durata del trattamento. Al raggiungimento della temperatura desiderata, il materiale si comporta in maniera plastica ed è proprio la deformazione plastica del materiale che consente di chiudere le porosità. Il fenomeno è descritto da modelli dinamici che correlano la resistenza del materiale alle velocità di deformazione [4,5]. Il processo HIP consente di impiegare temperature di densificazione inferiori a quelle di sinterizzazione e di evitare modificazioni eterogenee della geometria dei pezzi, permettendo in tal modo di trattare pezzi aventi già geometria definitiva. Gli impianti attuali consentono inoltre di effettuare trattamenti termici di dissoluzione dei carburi, nitruri e ossidi.

Oggi il trattamento HIP è applicato a pezzi ottenuti mediante Produzione Additiva (Additive Manufacturing, AM), un processo che spesso lascia un livello inaccettabile di porosità. In questi casi il trattamento HIP consente di migliorare di molti ordini di grandezza la qualità della microstruttura.

Bibliografia

[1] C.B. Boyer, Historical Review of HIP Equipment, in Hot Isostatic Pressing – Theory and Applications, Koizumi M. eds., Springer, Dordrecht (1992)

[2] E. Cerrai, Dispense del Corso di Tecnologie dei Materiali per Impianti Nucleari, Politecnico di Milano, Milano (1988)

[3] H.A. Saller, S.J. Paprocki, R.W. Dayton, E.S. Hodge, A Method of Bonding, U.S. Patent 687-842 (classified). H.A. Saller, E.S. Hodge, S.J. Paprocki, R.W. Dayton, Method of bonding, US Patent 4709848, 1987-12-01, US Energy

[4] H. Gegel, in Synthesis of atomistics and continuum modelling to describe microstructure, Proc. Conf. Computer Simulation in Material Science, R.J. Arsenault et al. eds., ASM International, Materials Park (OH), 1989, 291

[5] M.C. Zhang, Z.J. Luo, F.C. Zeng, J. Mater. Process. Technol. 72 (1997) 262

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