热等静压技术

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1、热等静压技术热等静压(hot isostatic pressing，简称HIP)是一种集高温、高压于一体的工 艺生产技术，加热温度通常为1000 2000C，通过以密闭容器中的高压惰性气 体或氮气为传压介质，工作压力可达200MPa。在高温高压的共同作用下，被加 工件的各向均衡受压。故加工产品的致密度高、均匀性好、性能优异。同时该技 术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点。目录发展史热等静压设备的结构性能热等静压技术的主要应用前景展望发展史热等静压设备的结构性能热等静压技术的主要应用前景展望展开冬编辑本段发展史的缺陷修复、大型及异形构 工等方面得到了广泛应用。自20世纪50年代中期

2、美国巴蒂尔(Battelle)研究所为研制核反应材 料而开发HIP技术以来。由于其在生产加工难 度较大且质量要求较高的材 料及构件中展现出独特优势，受到了人们的广 泛关注。经过近半个世纪的 发展，随着热等静压设备性能的 不断改进完善，HIP技术现已在硬质合金烧 结、钨铝钛等难熔金属及合金的致密化、产品 件的近净成形、复合材料及特种材料的生产加编辑本段热等静压设备的结构性能压缩机、真空泵、冷却系统 设备的关键装置。目前。先 构。高压容器的端盖与缸体 用钢丝预应力缠绕，所获的 作的最大压力状态时，其强 力被集中消除，承载区域独热等静压设备主要由高压容器、加热炉、 和计算机控制系统组成，其中高压容器

3、为整个 进的热等静压机为预应力钢丝缠绕的框架式结 间的连接采用无螺纹设计，因简体和框架均采 负预应力可通 过计算确定，即使当装置处于工 大的应力也是由预应力缠绕钢丝所承受，即应其它挥发性杂质。通过管道内冷却水的流动与 统，冷却水的质量很重要， 循环则通过换热器将内循环 静压过程所需的各种程序， 控制。该系统还配有人机对立安全。同时钢丝缠绕还起到防爆和屏障的作 用。因此，这种结构的热等 静压机在高温高压（2000摄氏度200MPa）的工作条件下，无需外加任何特殊 的防护装置，与老式的螺纹连接结构（端盖与缸体间）的热等静压机相比， 不但设备的结构紧凑，而且有效地保证了生产的安全性。加热炉负责提供

4、热等静压所必需的热量，通常为电阻式加热炉，可视不同温度档的要求， 采用不同的电阻材料，如最高工作温度 为1450C条件时可用钼丝加 热炉， 为2000 %条件时可用石墨加热炉。目前在先进的热等静压设备中，加热炉 的安装方式为插入式，加热区分布于底部和侧部，可实现快速升温和均匀 加热，将温差控制在15E甚至忍10C的范围。压缩系统通常采用非注油 式电动液压压缩机.并配置有过压保护、防振装置和自动调节部件，可给 热等静压提供高达200MPa的高压气体。真空泵则采用旋转叶轮式，用于设 备的抽空排气，同时可去除容器内水气、氧和冷却系统采用内外循环回路设计。内循环 压力容器外壳间进行热交换。为了保护冷却

5、系 需采用去离子水。管路也需进行防锈处理。外 的热量带出。计算机控制系统可预先存储热等 实现温度、压力、时间等基本工艺参数的自动备多方面的安全保护设计， 高压阀和高压管路均能承受 发生，在高压介质气体管路 力容器过压及过热、加热炉 进行声光报警，同时切断压 安全联锁等。话的PC机监视子系统，用于显示在线的工作状态、故障的监测报警等。并 可在循环过程中进行程序修改。对热等静压设 可确保其在高温、高压条件下的安全运行。如 最大工作压力两倍的压力；为防止过压情况的 中设置了多级减压阀。并配有报警装置；当压 过热、冷却水的流量过小或水压过低时，均可 缩机和加热炉。电源：采用可靠的电气、机械编辑本段热等

6、静压技术的主要应用1在硬质合金中的应用20世纪60年代末。HIP技术在硬质合金 生产中开始得到实际应用。人 们在传统真空烧结的基础上，对硬质合金进行HIP处理，形成了真空烧结 +HIP工艺。该工艺将相对密度高 于92%的烧结制品。在热等静压机中于压力为80150MPa、温度为13201400C条件下处 理一定时间，使制品的致密度明 显提高，孔隙度降至HIP处理前的1/ 20 1 / 100甚至更低，抗弯强度及使用寿 命均显著改善。但HIP设备的设计和 控制费用昂贵，维护和操作也较复杂，因此在 硬质合金中应用尚不普遍。 随着科学技术的不断进步，于20世纪80年代初开发了一种所需压力低于 10MP

7、a的烧结一热等静压工艺，又被称为低压热等静压或过压烧结。在烧结 一热等静压这一新工艺中，将硬质合金生产的成形剂脱除、烧结和HIP致密化合并在同一设备中完成，即先用氢气作载体或通过真空分压脱除成形 剂，然后于真空状态升温到烧结温度。并保温一定时间，随即通人压力为 36MPa的氩气，再保温一定时间后进行冷却。由于烧结一热等静压所需压 力仅为真空烧结+热等静压的十几分之一甚至几十分之一，且数道工序合为 一体。因此生产成本大为降低。更为重要的是，烧结一热等静压新工艺比 HIP处理更能有效提高产品质量，故现已成为生产高质量硬质合金的主要手 段。热等静压在大尺寸硬质合金制品的生产中 具有明显优势翻。如对于

8、单 压源人造金刚石压机用的直径大于100mm的硬质合金顶锤，用常规粉末冶金方法很难保证质量， 而经HIP处理后性能大为提高，其中D1 13mmx92mm的硬质合金六面顶锤的 平均使用寿命由原来的407次，个提高到754次/爪。采用烧结一热等静压工艺，株洲硬质合金厂已成 功地生产出单件质量为1 18kg、尺寸为D外285mmxD内66mmx145mm的硬质合金大制品。此外。利用 HIP技术还可实现硬质合金与钢基复合材料的扩散连接。如将YG15（wc 一 15Co）与钢基复合并在1050摄氏度、100 MPa条件下处理2h，两者即可很 好地结合在一起，若在界面再加一竦片中间过 渡层，不但避免了相的

9、产生， 断裂位置也发生了改变。即由界面处移至YG15合金中，使材料的强度大为 提高。2.在钨、钼、钛等难熔金属中的应用钨合金因具有高密度、高强度、热膨胀系数低等良好的综合性能。在 高科技领域中得到广泛应用。如wNi cu系钨合金因其非磁性而被广泛 用作陀螺仪的外缘转子材料。随着导航技术的不断提高，陀螺转速从2xl04r / rain提高到10xl04r / rain。故对用作外缘转子材料的w一Ni一Cu系钨 基高密度合金也提出了更高的物理、力学性能 要求。由于钨基高密度合金 与硬质合金烧结制品类似，同属典型的液相烧结，因此经HIP处理可有效 改善和提高其物理、力学性能。中南大学粉末 冶金国家重

10、点实验室的研究 表明阁，对于82WNi Cu（II）合金，将烧结态制 品在1120C（即略高于合 金中低熔点组分Cu的熔点1083摄氏度、150 MPa（传压介质为氮气）条件下 进行30min的HIP处理，可使其密度提高2. 9%，抗拉强度提高8. 2%W-Cu 常用作高压触头及电极材料，若致密度不高则影响其抗电孤烧蚀、抗熔焊 性及导电、导热性。采用HIP对w Cu进行处理，能消除材料内部的孔隙， 改善材料性能。铜是一种高熔点、导热导电性好、力学性能优良、耐蚀性 强的金属材料，广泛用作化工、电子、稀土冶 金、玻璃等行业的电极及搅 拌棒等。有关研究表明，铜材经过适当的热等 静压（1300摄氏度.

11、100 110MPa）处理，在致密度提高 的基础上，可获得细小均匀的晶 粒组织（品粒 度为7级），其抗拉强度为530 MPa，延伸率达25%，强度和韧性均得到提 高。HIP在提高钛合金铸件质量方面效果显著。众所周知，钛具有比强度 高、温度适应范围宽、耐蚀性强等特点，是航 空、航天工业中不可缺少的 重要材料。如1ri6 一 Al 一 4v合金常用作飞机发动机过渡罩、发动机风扇 等大型结构件。为了提高钛合金铸件性能，波 音公司、洛克希德公司及道 格拉斯公司等的研究表明，钛合金精密铸件 在HIP后再经适当的热处理可 使其性能达到锻件水平（包括塑性和抗疲劳性能）。3在特种陶瓷等新材料中的应用强陶瓷的韧

12、性，通常在陶瓷 程中因需要很高的烧结温度 表面强度的退化，甚至与基 热等静压烧结工艺，则大大 的纤维或晶须补强陶瓷基复特种陶瓷包括结构陶瓷和功能陶瓷。为增 基体中引入纤维或晶须，然而在传统的烧结过 和较长的烧结时间，往往会使纤维和晶须发生 体发生化学反应，失去补强增韧的作用。采用 降低了烧结温度和保温时间，可获得性能优异合材料。如采用热等静压烧结 工艺，在1085摄氏度获得相对密度高达91.5% 的SiC晶须补强SiC陶瓷，其室温抗弯强度和断裂韧性分别达到595MPa和 6. 7MPam。此外，在陶瓷基体中加入第二相粒子也可提高陶瓷的断裂韧起缺陷，热等静压烧结使这 陶瓷进行热等静压烧结，已成性

13、，但烧结时因形成内应力造成烧结困难并引 一问题得到解决，如对TiO粒子补强AL2O3， 功地制备出完全致密的复合陶瓷。制备出单相和复相纳米结构采用热等静压工艺。上海硅酸盐研究所已 陶瓷。其研究表明，在温度 为1850摄氏度、压力为200MPa条件下烧结1h。 可获得晶粒尺寸100nm，且结构均匀致密的单相SiC纳米陶瓷；而在温度 为1750oC、压力为150 MPa条件下烧结1h，则可获得晶粒 尺寸50nm左右、 结构致密均匀的复相SirN4 / SiC纳米陶瓷。美国Rutgers大学通过烧结一 热等静压工艺开展的有关si3N纳米陶瓷制备研究，也已取得较好 效果。用等离子技术在金属表面涂 界面

14、主要为机械结合，且涂 和抗腐蚀性。如果将表面喷 后进行热等静压处理。不仅 与金属基体间由于扩散作用 间的冶金结合，使得该复合为提高金属的耐高温性能和抗腐蚀性，利 覆一层陶瓷所形成的金属一陶瓷复合材料，因 层内存在大量气孔，故影响材料的抗冲击性能 涂有陶瓷涂层的金属材料加上包套并真空密封 可实现陶瓷涂层的完全致密，而且在陶瓷涂层 将形成一层金属陶瓷相。从而实现涂层与金属 材料具有理想的结合强度和优良的综合性能。编辑本段前景展望经过30多年的努力，我国HIP技术从无到有、从小到大得到了迅速发 展。在成形烧结、金属致密化及扩散连接等 方面做了大量的研究开发工作， 应用规模不断扩大。用于研究和生产的H

15、IP设备由1980年的仅8台增至2000年的约8O台。且随着对引进设备和技术的消化吸收，现已具备设计和制作双两千” 200MPa,2000C中型HIP设备的能力。但从总体水平分析，我主要表现为：HIP致密化过程 件开发等方面，起步较晚， 方面的应用已具规模且较成 的应用开发基本还处于试验国HIP技术与发达国家相比仍存在一定差距 的基础理论研究、净成形技术研究、计算机软 明显落后：应用水平较为有限，除在硬质合金 熟外。高温合金、特种陶瓷及复合材料等领域 阶段；HIP设备的设计制造水平，包括设 备功能、自控水平、辅助系统的配 套等，目前的差距也仍然较大。扩展阅读：詹志洪长沙有色冶金设计研究院热等静压技术和设备的应用与发展作者简介：詹志洪(1954-)。女，湖南桃江人，高级工程师，从事稀有金属材料的工程设计及研究 工作。戏开放分类:超高压，粉末冶金，等静压技术，等静压，超高压技术