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熱等靜壓——不僅僅是一種高效的成型技術！

來源：時間：2023-12-03 15:52:19 瀏覽：8487次

01

熱等靜壓設備與技術原理

1 .熱等靜壓工藝與設備

熱等靜壓設備主要由高壓容器、加熱爐、壓縮機、真空泵、冷卻系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)組成，其中，高壓容器為整個設備的關鍵裝置。圖1為熱等靜壓系統(tǒng)示意圖。

圖1熱等靜壓系統(tǒng)示意圖

熱等靜壓技術的工藝是：將制品放置到高壓容器中，向制品施加各向同等的壓力，同時施以高溫，在高溫高壓的作用下，制品得以燒結和致密化，圖2為熱等靜壓工藝原理圖。

圖2熱等靜壓工藝原理圖

2 .熱等靜壓的致密化作用機理

通常來說，合金在熱等靜壓機中高溫高壓作用下內(nèi)部疏松等孔洞類缺陷會發(fā)生塑性變形及蠕變行為，進而在塌陷區(qū)表面發(fā)生擴散行為完成孔洞愈合，使合金更加致密。

Wasielewski等認為熱等靜壓處理過程是一個蠕變——擴散相結合的過程，首先應力引起蠕變變形而消除孔隙，孔隙表面相互接觸，隨后發(fā)生擴散結合，但是對于具體的閉合過程沒有展開分析。張善勇等認為熱等靜壓的致密化過程不是擴散蠕變機制占主導作用，占優(yōu)勢的致密化機制是位錯蠕變機制。根據(jù)位錯理論，在高的壓力和內(nèi)部存在空洞的條件下，位錯將移向內(nèi)部空洞的內(nèi)表面，由于位錯逸出而造成原子空缺，則空缺兩側的原子所受到的力不能保持平衡，微孔將逐漸壓縮減小。此外，微孔附近區(qū)域內(nèi)，材料受力并不是各向相等的，而是存在指向微孔的不為零的合力，同樣也能引起位錯向微孔表面運動，從而達到致密化的目的^[3]。

02

熱等靜壓技術的應用

目前熱等靜壓工藝已經(jīng)在制取高性能粉末冶金及陶瓷制品和提高鑄件致密化方面獲得了確認。表1為現(xiàn)階段熱等靜壓技術的應用領域和涉及到的材料。

表1熱等靜壓技術應用領域和涉及到的材料

1 .熱等靜壓在粉末冶金中的應用

1.1 鎳基合金領域

（1）隨著航空發(fā)動機技術的快速發(fā)展，要求等軸晶高溫合金鑄件組織細晶化、均勻化、低缺陷以及高精度。然而傳統(tǒng)精密鑄造工藝使鑄件在獲得細小均勻的等軸晶的同時容易引起欠鑄、疏松、晶粒粗大等缺陷，合格率降低。因此，熱等靜壓處理便成為消除等軸晶高溫合金鑄件疏松、提高其性能的最好措施之一。等軸晶高溫合金出現(xiàn)后誕生了定向凝固高溫合金，通過控制鑄型中合金熔體凝固方向，生成的幾乎相互平行的柱狀晶定向凝固高溫合金的力學性能較普通多晶鑄造高溫合金已實現(xiàn)大幅提高，但是鑄造過程形成的微孔缺陷依然損害著合金的綜合性能，從而熱等靜壓技術在鎳基定向凝固高溫合金應用也愈加廣泛。

（2）鎳基單晶高溫合金是目前先進航空發(fā)動機和燃氣輪機渦輪葉片的主要材料，相較其他鑄造高溫合金，采用熔模精密鑄造及定向凝固方式成型的單晶高溫合金完全消除了晶界，顯著降低鑄件內(nèi)部疏松形成傾向，但是生成的孔洞缺陷依然會在合金服役時發(fā)展為裂紋源而降低合金力學性能。目前國外采用熱等靜壓技術提升單晶高溫合金鑄件致密性的研究相對成熟，并且熱等靜壓技術在二代單晶高溫合金上得以工程化應用，而國內(nèi)在此領域的熱等靜壓技術研究與應用還較少。

1.2 鈦基合金領域

選取高性能的鈦合金粉末，并加以嚴格的生產(chǎn)工藝控制，最終得到的熱等靜壓粉末冶金鈦合金構件的力學性能已經(jīng)接近或部分優(yōu)于鍛造鈦合金。優(yōu)異的力學性能一方面由于在高溫均質壓力下，零件致密度高、均勻性好；另一方面燒結溫度在β相相變點以下，可以將鈦合金粉末制備過程中快速凝固形成的細小組織充分保留，最終得到的材料晶粒細小均勻。

粉末冶金熱等靜壓技術由于其較高的材料利用率、接近鍛件的綜合力學性能受到了國外學者的廣泛關注。但受到技術水平的限制，核心技術主要集中在歐美、俄羅斯、日本等發(fā)達國家手中。我國在鈦合金熱等靜壓粉末冶金領域起步較晚，但隨著航空航天和軍事領域的迫切需求，北京航空材料研究院、航天材料及工藝研究所、中科院金屬所、華中科技大學等科研院校近幾年在粉末冶金熱等靜壓領域取得了大量的成果。

1.3 鎢基合金領域

鎢及其合金具有許多優(yōu)異的特點，如密度大、耐高溫、易導熱、熱膨脹系數(shù)小以及耐腐蝕等，因此，鎢及其合金在航空、航天、國防軍工及電子等領域得到了大范圍的應用。

（1）熱等靜壓工藝能夠明顯提高鑄件的致密化程度，提升合金的性能，適用于鎢合金等高熔點材料。通過熱等靜壓技術能夠更好地強化鎢合金，得到晶粒更小的鎢晶粒，使其具有更好的性能。Martínez等通過機械合金化和隨后的熱等靜壓固結，獲得了含有La₂O₃或Y₂O₃的超細晶高密度W–Ti和W–V合金，這些合金擁有更高的彎曲強度和斷裂韌性。劉國輝等利用熱等靜壓技術對90WNiFe復合粉末進行處理，得到了粒度小于5μm、相對密度達99.82%的鎢合金材料。除此之外，研究人員還發(fā)現(xiàn)相對于常規(guī)鎢合金，通過熱等靜壓技術制備的細晶鎢合金擁有更優(yōu)的動態(tài)力學性能。

（2）熱等靜壓擴散連接是固相擴散連接的一種，連接過程中不發(fā)生材料的熔化，因此可以將兩種熔點相差很大的材料連接起來。由于溫度和壓力的作用，材料表面的原子相互擴散，在界面處產(chǎn)生了局部變形，從而實現(xiàn)材料在固態(tài)下連接到一起。熱等靜壓擴散連接工藝能夠實現(xiàn)鎢合金與高性能材料的連接，但目前關于鎢合金熱等靜壓擴散連接領域的研究集中在工藝參數(shù)對接頭組織的性能影響和連接之后接頭的性能強度測試方面。關于熱等靜壓擴散連接系統(tǒng)性的理論研究還有待進一步發(fā)展。

2.熱等靜壓在陶瓷中的應用

熱等靜壓技術用于陶瓷材料的生產(chǎn)，改善了成型和燒結條件，使材料的孔隙度明顯降低，從而提高了材料的性能，并為制造陶瓷材料提供了更多方法，這些方法主要有：多孔陶瓷的高溫浸漬、擴散粘結、燒結+熱等靜壓、熱等靜壓固結粉末和熱等靜壓鍛造。

熱等靜壓燒結與無壓燒結和熱壓燒結相比，具有許多突出的優(yōu)點：

①可以直接從粉體制得大尺寸和形狀復雜的陶瓷制品；

②能制備出微觀結構均勻且?guī)缀醪缓瑲饪椎闹旅芴沾桑娠@著改善陶瓷的各種性能，尤其是高溫強度、抗蠕變性和耐氧化性等；

③可以降低燒結溫度，并能有效地抑制材料在高溫下發(fā)生很多不利的反應或變化，例如晶粒的二次結晶和高溫分解等。

李樹先、朱德貴對常壓預燒結(1350℃×4h)后的3Y－TZP陶瓷試樣進行熱等靜壓燒結，系統(tǒng)研究燒結溫度和壓力對陶瓷的燒結性能、力學性能以及相組成的影響。

結果表明，在高溫、高壓下對3Y－TZP陶瓷進行熱等靜壓燒結，溫度比壓力的影響更顯著。從而得到一個最佳的熱等靜壓燒結制度：1300℃，1h，壓力150MPa，此時試樣達到最佳力學性能。

3.熱等靜壓在聚合物成型中的應用

采用傳統(tǒng)的模壓、擠出等工藝成型聚合物材料時，材料內(nèi)部有粒子邊界的存在，不能成型出各向同性的均質制品；同時，成型時的剪切應力也會減小材料的平均分子量，嚴重地影響材料的性能。采用熱等靜壓成型時，溫度和壓力的交互作用使材料內(nèi)部出現(xiàn)微小的流動，消除材料內(nèi)部的孔隙和裂紋，避免了取向性熔融流動，消除了殘余應力因而得到了性能良好的產(chǎn)品。

4.熱等靜壓在鑄件的致密化處理中的應用

熱等靜壓在鑄件致密化處理方面的應用研究開發(fā)較早，是熱等靜壓應用較成熟和完善的領域。通過熱等靜壓處理，可以不破壞鑄件本身，并能有效地去除鑄件內(nèi)的缺陷和孔隙。1976年，Howmet公司首先開始把熱等靜壓技術用于宇航工業(yè)，因為熱等靜壓處理的鑄件能滿足關鍵、高應力場合的應用。如今天，熱等靜壓技術的應用領域已經(jīng)迅速擴大到航空領域應用的發(fā)動機，發(fā)電工業(yè)應用的汽輪機透平、渦輪等重要零部件，飛機或民用的鋁合金、鈦合金結構件，汽車（渦輪增壓輪、柴油機閥桿和傳感器支座），醫(yī)藥（置換器），石油（閥體），以及化學加工，生物工程中人工關節(jié)的鑄件致密化處理方面。熱等靜壓工藝應用的迅速發(fā)展，也導致了燃氣輪機工業(yè)標準的深化，這些標準要求消除精鑄件中的收縮氣孔率，如日益復雜的葉片翼型生產(chǎn)。涉及到的材料包括鈦及鈦合金、鋁及鋁合金、不銹鋼鑄件、高溫合金鑄件等。

5 其它應用

除了上述的主要應用領域外，熱等靜壓技術還包括如下應用：①在多孔材料方面，由于采用氮氣作為介質，在高溫下生成氮化物，使得熱等靜壓對多孔材料也產(chǎn)生作用；②在等離子噴涂方面，可以通過熱等靜壓技術或者燒結——熱等靜壓技術來排除少量殘余氣孔以滿足高性能需求。

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