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熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

來源：時(shí)間：2023-12-03 15:56:02 瀏覽：6563次

熱等靜壓法作為材料現(xiàn)代成型技術(shù)的一種，是等靜壓技術(shù)一個(gè)分支。目前熱等靜壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、運(yùn)輸、電工、電子、化工和冶金等行業(yè)，用于生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品和制備新型材料。本文主要介紹了熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展、工作原理及其應(yīng)用范圍。

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP)工藝是一種以氮?dú)狻鍤獾榷栊詺怏w為傳壓介質(zhì)，將制品放置到密閉的容器中，在900～2000℃溫度和100～200MPa壓力的共同作用下，向制品施加各向同等的壓力，對制品進(jìn)行壓制燒結(jié)處理的技術(shù)。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。故加工產(chǎn)品的致密度高、均勻性好、性能優(yōu)異。同時(shí)該技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點(diǎn)。

1.1國外熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展

HIP技術(shù)研究始于1955年，由美國Battelle究所為研制核反應(yīng)堆材料而開展的。1965年美國Battelle研究所研制的第一臺熱等靜壓機(jī)的問世，標(biāo)志著熱靜壓技術(shù)設(shè)備的誕生。1972年，在美國與瑞典實(shí)現(xiàn)了高速工具鋼的大量熱等靜壓。在1970～1980年，美國空軍材料實(shí)驗(yàn)室將HIP工藝擴(kuò)展到了制造鎳基高溫合金與鈦合金粉的預(yù)成形坯和近終形鍛件。在20世紀(jì)70年代，還發(fā)現(xiàn)可用HIP處理鑄件，在鑄件的主要形狀特征不變形的條件下，使復(fù)雜形狀鑄件內(nèi)部的孔隙永久愈合。

目前，先進(jìn)的熱等靜壓機(jī)為預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式結(jié)構(gòu)，高壓容器的端蓋與缸體間的連接為無螺紋連接。因筒體和框架均采用鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞，所獲的負(fù)預(yù)應(yīng)力可通過計(jì)算確定，即使裝置處于工作的最大壓力狀態(tài)時(shí)，其強(qiáng)大的應(yīng)力也是由預(yù)應(yīng)力纏繞鋼絲所承受，即應(yīng)力被集中消除，承載區(qū)域獨(dú)立安全，同時(shí)鋼絲纏繞還起到防爆和屏障的作用。因此，這種結(jié)構(gòu)的熱等靜壓設(shè)備在高溫高壓（2000℃和200 MPa）的工作條件下，無需外加任何特殊的防護(hù)裝置，與老式的螺紋連接結(jié)構(gòu)(端蓋與缸體間)的熱等靜壓機(jī)相比，不但設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊，而且有效地保證了生產(chǎn)的安全性。

1.2 國內(nèi)熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展

鋼鐵研究總院從1972年開始研究中國第一臺熱等靜壓機(jī)，并于1986年獲勞動部頒發(fā)的熱等靜壓機(jī)設(shè)計(jì)資格證書。鋼鐵研究總院生產(chǎn)的熱等靜壓機(jī)已經(jīng)系列化，目前該院可為用戶提供三個(gè)系列不同型號（從實(shí)驗(yàn)室用小型熱等靜壓機(jī)到大型生產(chǎn)用熱等靜壓機(jī)）的熱等靜壓機(jī)。1999年6月在北京成功地舉辦了HIP’99熱等靜壓技術(shù)國際會議，與會代表來自瑞典、美國、德國、英國、法國、日本、俄羅斯等13個(gè)國家。國際同行對鋼鐵研究總院生產(chǎn)的熱等靜壓機(jī)的水平給予高度的評價(jià)。

2005年7月，川西機(jī)器公司采用國內(nèi)領(lǐng)先的高溫/高壓快速冷卻、真空與超高壓隔離、超高壓工作缸等13種關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過3年多的刻苦研制和技術(shù)攻關(guān)，成功地交付給貴州航空工業(yè)集團(tuán)貴州安吉精鑄公司1臺國內(nèi)最大的熱等靜壓機(jī)。該熱等靜壓機(jī)的投入使用，填補(bǔ)了國內(nèi)大型熱等靜壓技術(shù)的空白，為航空、航天、核工業(yè)、電子、冶金、船舶等領(lǐng)域的高溫高強(qiáng)合金、功能陶瓷、復(fù)合材料、超硬材料等高新技術(shù)材料制品的研制和生產(chǎn)創(chuàng)造了條件^[6]。

2008年7月份，由鋼鐵研究總院制造的亞洲最大的熱等靜壓機(jī)(φ1250×2500 mm，1350℃，150 MPa)已安裝調(diào)試成功，并正式投入運(yùn)行。目前己使用該設(shè)備生產(chǎn)出合格的高品質(zhì)粉末渦輪盤。該設(shè)備的研制成功，標(biāo)志著鋼鐵研究總院在熱等靜壓設(shè)備的研發(fā)、制造及使用領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2 熱等靜壓設(shè)備及工作原理

2.1 熱等靜壓設(shè)備特點(diǎn)

熱等靜壓設(shè)備由高壓容器、加熱爐、壓縮機(jī)、真空泵、儲氣罐、冷卻系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中高壓容器為整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵裝置。熱等靜壓燒結(jié)示意圖如圖2.1所示。

圖2.1 熱等靜壓燒結(jié)示意圖

2.1.1高壓容器

目前先進(jìn)的熱等靜壓設(shè)備是由無螺紋、底部封閉鋼絲纏繞的預(yù)應(yīng)力筒體和鋼絲纏繞及預(yù)應(yīng)力框架組成。鋼絲是矩形截面、冷軋彈簧鋼帶，筒體經(jīng)鍛造和熱處理，框架由兩個(gè)橫架和兩個(gè)立柱組成，金屬外殼包裝，施加了預(yù)應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：

（1）筒體在切線方向均衡壓縮，可防止軸向斷裂；

（2）框架壓縮均衡，可防止切向斷裂；可靠安全，承載區(qū)域獨(dú)立；

（3）壓力容器各點(diǎn)應(yīng)力能計(jì)算精確；應(yīng)力集中被消除；

（4）筒體、框架沒有承受任何拉力負(fù)載；鋼絲纏繞起防爆、屏障作用。

2.2.2 加熱爐

高質(zhì)量加熱爐是先進(jìn)的熱等靜壓設(shè)備不可缺少的關(guān)鍵部件。目前，加熱爐先進(jìn)安裝方式是插入式，有兩個(gè)加熱區(qū)，可設(shè)計(jì)3擋最高工作溫度1200℃（用于Fe-Cr-Al加熱爐）、1450℃（用于Mo加熱爐），2000℃（用于石墨加熱爐）和不同氣氛的多臺加熱爐，由于是插入式，用戶可根據(jù)燒結(jié)溫度、氣氛要求，方便地更換加熱爐，每種加熱爐可實(shí)現(xiàn)快速升溫，快速冷卻，爐內(nèi)溫差小于±15℃。石墨加熱爐是由碳精和石墨混合、纖維補(bǔ)強(qiáng)的混合材料制成，其強(qiáng)度、可靠性、安全性優(yōu)于常規(guī)純石墨，具有高電阻率，極適用于真空和低電壓工作。

2.2.3 壓縮機(jī)和真空泵

熱等靜壓設(shè)備通常采用非注油式電動液壓壓縮機(jī)，省去了壓縮空氣裝置，配置有過壓保護(hù)、防振裝置、自動調(diào)節(jié)部件。真空泵采用旋轉(zhuǎn)葉輪，在產(chǎn)品燒結(jié)中用于真空抽吸，同時(shí)抽除容器內(nèi)的氧、潮氣（水分）和其它雜質(zhì)。

2.2.4 冷卻裝置

冷卻水通過再生冷卻回路，管道內(nèi)冷卻水與壓力容器外殼進(jìn)行熱交換，采用去離子水和防銹劑，以確保冷卻水的質(zhì)量和保護(hù)冷卻系統(tǒng)。

2.2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

它是由IBM兼容PC、軟盤驅(qū)動、彩色SYGA監(jiān)視器、鍵盤、IBM兼容打印機(jī)輸出、數(shù)據(jù)采集、控制軟件及手動控制支持的臺式部件等組成。在熱等靜壓工藝過程中，可實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、真空的程序控制，并顯示所有工作狀態(tài)。在程序控制和手動控制之間，可編程控制器提供安全可靠的聯(lián)鎖。

2.2 熱等靜壓工藝流程

熱等靜壓工藝有三種，即先升壓后升溫，適用于金屬包套工件的制造；先升溫后升壓，適用于玻璃包套制造符合材料；同時(shí)升溫升壓，適用于低壓成型、裝入量大、保溫時(shí)間長的工件制造。其工藝流程如圖2.2所示。

圖2.2 熱等靜壓工藝流程圖

2.3 熱等靜壓工作原理

根據(jù)帕斯卡原理，在一個(gè)密封的容器內(nèi)，作用在靜態(tài)液體或氣體的外力所產(chǎn)生的靜壓力，將均勻地在各個(gè)方向上傳遞，在其作用的表面積上所受到的壓力與表面積成正比。在高溫高壓作用下，熱等靜壓爐內(nèi)的包套軟化并收縮，擠壓內(nèi)部粉末使其與自己一起運(yùn)動。高溫高壓同時(shí)作用下的粉末的致密化過程與一般無壓燒結(jié)或常溫壓制有很大差異。其致密化過程如圖2.3所示，大致分為以下三個(gè)階段：

圖2.3 粉末致密化過程

（1）粒子靠近及重排階段

在加溫加壓開始之前，松散粉末粒子之間存在大量孔隙，同時(shí)由于粉末粒子形狀不規(guī)則及表面凹凸不平，他們之間多呈點(diǎn)狀接觸，所以與一個(gè)粒子直接接觸的其它粒子數(shù)（粒子配位數(shù)）很少。當(dāng)向粉末施加外力時(shí)，在壓應(yīng)力作用下，粉末體可能發(fā)生下列各種情況：隨機(jī)堆疊的粉末將發(fā)生平移或轉(zhuǎn)動而相互靠近；某些粉末被擠進(jìn)臨近空隙之中；一些較大的搭橋孔洞將坍塌等。由于上述變化的結(jié)果，粒子的臨近配位數(shù)明顯增大，從而使粉末體的空隙大大減少，相對密度迅速提高。

（2）塑性變形階段

第一階段的致密化使粉末體的密度已有了很大的提高，粒子之間的接觸面積急劇增大，粒子之間相互抵觸或相互楔住。這是要使粉末體繼續(xù)致密化，可以提高外加壓力以增加粒子接觸面上的壓應(yīng)力，也可升高溫度以降低不利于粉末發(fā)生塑性流動的臨界切應(yīng)力。如果同時(shí)提高壓力和溫度，對繼續(xù)致密化將更加有效。當(dāng)粉末體承受的壓應(yīng)力超過其屈服切應(yīng)力時(shí)，粒子將以滑移方式產(chǎn)生塑性變形。

（3）擴(kuò)散蠕變階段

粉末粒子發(fā)生大量塑性流動后，粉末體的相對密度迅速接近理論密度值。這時(shí)，粉末粒子基本上連成一片整體，殘留的氣孔已經(jīng)不再連通，而是彌散分布在粉末基體之中，好像懸浮在固體介質(zhì)中的氣泡。這些氣孔開始是以不規(guī)則的狹長形態(tài)存在，但在表面張力作用下，將球化而成圓形。殘存氣孔在球化過程中其所占體積分?jǐn)?shù)也將不斷減小。粒子間的接觸面積增大到如此程度，使得粉體承受的有效壓應(yīng)力不再超過其臨界切應(yīng)力，這時(shí)以大量原子團(tuán)滑移而產(chǎn)生塑性變形的機(jī)制將不再起主要作用，致密化過程主要單個(gè)原子或空穴的擴(kuò)散蠕變來完成，因此整個(gè)粉末體的致密化過程緩慢下來，最后趨近于以最大終端密度值值得注意的是上述三個(gè)階段并不是截然分開的，在熱等靜壓過程中它們往往同時(shí)起作用而進(jìn)粉體的致密化，只是當(dāng)粉末體在不同收縮階段，由不同的致密化過程起主導(dǎo)作用。

3 熱等靜壓技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

熱等靜壓技術(shù)經(jīng)過近60年的發(fā)展已日臻成熟，目前已廣泛用于核材料、航空航天材料、硬質(zhì)合金、高溫合金與陶瓷材料等領(lǐng)域，是研制與處理材料、提高材料性能的一種先進(jìn)生產(chǎn)工藝與手段，己成為當(dāng)今許多高性能材料生產(chǎn)中一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)，也是新材料開發(fā)不可缺少的一種新技術(shù)。

3.1 鑄件的致密化處理

熱等靜壓在鑄件致密化處理方面的應(yīng)用研究開發(fā)較早，是熱等靜壓應(yīng)用較成熟和完善的領(lǐng)域。熱等靜壓法不僅可以使新的鑄件致密化，而且還可以用以修復(fù)正在使用的鑄件，使鑄件在使用中降低的性能得以恢復(fù)。鑄件在指定的溫度和應(yīng)力條件下，具有一定的計(jì)算壽命值，使用一段時(shí)間后，將不斷產(chǎn)生微觀缺陷，并產(chǎn)生晶間的相對運(yùn)動，在晶界出現(xiàn)缺陷。這些類似常見縮孔的內(nèi)部缺陷就可采用熱等靜壓法進(jìn)行治愈。用這樣的處理方法，能夠使使用中的發(fā)動機(jī)零件的機(jī)械性能和疲勞性能恢復(fù)到新鑄件的水品。

用熱等降壓處理鑄件的效用和意義可歸納如下：

（1）熱等靜壓處理后，能減少鑄件在X射線檢查和表面投射檢查的報(bào)廢率；

（2）與未處理的鑄件相比，經(jīng)熱等靜壓處理的鑄件在焊接后產(chǎn)生的裂紋較少，因而減少了補(bǔ)焊的成本；

（3）采用熱等靜壓處理，可提高鑄造參數(shù)范圍和擴(kuò)大新的鑄造合金品種；

（4）改善了疲勞強(qiáng)度和延性的熱等靜壓鑄件可取代價(jià)格昂貴的鍛件。

3.2 熱等靜壓覆層和熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接

熱等靜壓覆層和熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接是熱等靜壓的另一重要應(yīng)用。熱等靜壓覆層技術(shù)是采用熱等靜壓技術(shù)在一種材料上制備一種具有特殊物理或化學(xué)性能的覆層，以提高其綜合性能的新技術(shù)，熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接是將兩種或兩種以上的不同材料，在高溫高壓作用下進(jìn)行擴(kuò)散連接的一種新技術(shù)，涉及到的材料可以是金屬一金屬、金屬一非金屬、非金屬一非金屬，它是近幾年發(fā)展起來的，特別是在民用方面值得應(yīng)用推廣的一項(xiàng)較好技術(shù)^[12]。與一般連接方法相比，熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

（1）連接材料具有母材特性，在焊點(diǎn)無熔化區(qū)，因而消除了是焊點(diǎn)性能衰減的晶粒長大；

（2）可以連接通常不能連接的異種金屬，在高熱等靜壓壓力下能阻止柯肯達(dá)爾空位的形成；

（3）不受固定模具的限制，能加工和處理任何復(fù)雜形狀的制件；

（4）能連接脆性材料或低延性材料而不產(chǎn)生斷裂；

（5）溫度限制較??；

（6）能連接復(fù)合材料，并對復(fù)合材料中的纖維破壞很少。

3.3 熱等靜壓粉末固結(jié)

3.3.1 高溫合金粉末固結(jié)

高合金化鎳基高溫合金鑄錠偏析嚴(yán)重，熱加工性能差，很難變形，傳統(tǒng)鑄鍛造技術(shù)很難保證大尺寸零件性能的均勻性，采用粉末冶金工藝解決了此類問題?？焖倌填A(yù)合金粉末+HIP固結(jié)技術(shù)為高合金化鎳基高溫合金材料的生產(chǎn)開辟了新的方向。粉末冶金高溫合金廣泛應(yīng)用于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)和地面燃機(jī)等關(guān)鍵部件。

3.3.2 硬質(zhì)合金熱等靜壓

熱等靜壓處理可以有效地消除燒結(jié)硬質(zhì)合金中的內(nèi)部孔隙等缺陷；熱等靜壓處理溫度低于硬質(zhì)合金燒結(jié)溫度可防止碳化物晶粒的粗化；經(jīng)熱等靜壓處理后的大尺寸硬質(zhì)合金制品，其綜合性能獲得大幅度提高，使用壽命和使用可靠性顯著提高。熱等靜壓硬質(zhì)合金與常規(guī)燒結(jié)硬質(zhì)合金相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）參與空隙幾乎完全消除，密度可有原來的99.8%理論密度提高到99.999%理論密度。

（2）制造大型或高徑比大的制品時(shí)，廢品率低，表面缺陷大幅降低，拋光后可得到光潔度極高的表面。

（3）由于制品中的孔隙體積明顯減小，消除了斷裂源，使制品的性能和壽命大幅度提高。

3.3.3 高速鋼粉末固結(jié)

高速鋼是一種化學(xué)成分復(fù)雜的高合金鋼。在采用傳統(tǒng)的熔鑄-鍛造法生產(chǎn)高速鋼時(shí)，由于鑄錠尺寸大，冷卻緩慢、不可避免的產(chǎn)生碳化物偏析。這種偏析組織不僅給鍛、軋等熱加工造成困難，損害了產(chǎn)品的各種性能，而且限制了合金含量的進(jìn)一步增加，阻礙了高速鋼的發(fā)展。

熱等靜壓技術(shù)的問世，使許多高合金高速鋼可以采取粉末冶金工藝來制造，從而克服了熔鑄鋼中碳化物偏析這類缺陷，把粉末冶金技術(shù)成功引入了致密剛才和合金鋼的生產(chǎn)領(lǐng)域。

3.3.4 陶瓷材料粉末固結(jié)

在金屬陶瓷的制備中，通常有固態(tài)法和液態(tài)法兩大類型制備工藝，熱等靜壓工藝的應(yīng)用不但可以用來實(shí)現(xiàn)在固態(tài)法中成型與燒結(jié)一起進(jìn)行，而且還可以對液態(tài)法制備的金屬陶瓷進(jìn)行熱處理，提高制品的性能。采用熱等靜壓工藝制備金屬陶瓷具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）大大降低了燒結(jié)金屬陶瓷的溫度，細(xì)化晶粒；

（2）提高制品的致密度，改善金屬陶瓷的各種性能；

（3）可直接制備形狀復(fù)雜和大尺寸的工程部件，減少甚至避免昂貴的機(jī)械加工；

（4）降低冷卻時(shí)的殘余應(yīng)力，減少反應(yīng)層的成型，控制界面反應(yīng)。

3.3.5 鈦合金粉末固結(jié)

鈦合金因具有高強(qiáng)度、高韌性、抗氧化及耐腐蝕的特性，廣泛由于航天、航空、航海和化工等領(lǐng)域。然而，鈦制品的昂貴價(jià)格，限制了它的應(yīng)用。鈦制品成本高的主要原因是傳統(tǒng)制造工藝復(fù)雜，二次加工的材料損失大。通常，鈦的熔煉和加工工藝包括：海綿鈦壓成電極；兩次真空電弧爐熔煉；精密鑄造或鍛、軋加工以及機(jī)加工等。粉末鈦合金被認(rèn)為是進(jìn)一步提高鈦合金性能和降低其價(jià)格的出路。用熱等靜壓工藝生產(chǎn)粉末鈦合金，不僅簡化了熔煉工藝和切削工序，而且因細(xì)粉末晶粒有利于合金組織均勻化，從而使制品性能獲得改善。

3.4 熱等靜壓工藝在新領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）在多孔材料方面的應(yīng)用：由于采用氮?dú)庾鳛榻橘|(zhì)，在高溫下生成氮化物，使得HIP對多孔材料也產(chǎn)生作用；

（2）HIP技術(shù)與滲氮等表面處理相結(jié)合，擴(kuò)大HIP功能；

（3）懸浮熔煉工藝制備高純材料可采用HIP技術(shù)。因?yàn)楦邏簹怏w密度增加，可使熔煉物懸浮起來，實(shí)現(xiàn)無坩堝熔煉，從而極大地提高熔煉純度。

（4）食品工業(yè)采用HIP技術(shù)：向食品施加高壓可使食品在營養(yǎng)不被破壞且保持原色原味的情況下，達(dá)到殺菌消毒的目的，為食品加工提供了一條新的途徑。

4 結(jié)論

隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，熱等靜壓技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)中已經(jīng)占據(jù)了越來越大的比重。而且人們越來越多地采用熱等靜壓技術(shù)進(jìn)行新材料的制備，如金屬基陶瓷、碳/碳復(fù)合材料、硬質(zhì)合金、鎢鉬制品、稀有難熔金屬等產(chǎn)品等。熱等靜壓技術(shù)也越來越多地滲透到更多的技術(shù)領(lǐng)域，并憑借其特有優(yōu)勢，將會在新材料、新能源的發(fā)展空間中發(fā)揮更為廣闊的作用。

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