中國粉體網(wǎng)訊  熱等靜壓是一種利用高溫高壓同時作用使金屬或陶瓷制品經(jīng)受各向同等壓力從而使制件得以燒結(jié)和致密化的工藝技術(shù)。它具有化學(xué)成分穩(wěn)定、力學(xué)性能各向同性、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。

熱等靜壓的前世——高溫氣壓粘結(jié)

熱等靜壓技術(shù)（HIP）的研究始于1955年，由美國Battelle研究所為研制核反應(yīng)堆材料而開展的，首先用于原子能反應(yīng)過程中燃料元素的擴(kuò)散粘結(jié)，基于此應(yīng)用，當(dāng)時的研究人員賦予它一個非常普通卻直觀的名字——高溫氣壓粘結(jié)。

1963年該技術(shù)被傳入歐洲，瑞典ASEA公司用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)制造高壓容器，其結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠，奠定了HIP技術(shù)大力發(fā)展的堅實(shí)基礎(chǔ)。

在熱等靜壓技術(shù)誕生10年后，第一臺熱等靜壓機(jī)的問世，標(biāo)志著熱等靜壓技術(shù)設(shè)備的誕生。

20世紀(jì)60年代，研究人員利用熱等靜壓工藝，成功的將鋯合金和不銹鋼等材料包覆在二氧化鈾上，同時實(shí)現(xiàn)了粘結(jié)和致密化，獲得了良好的效果，這是熱等靜壓技術(shù)在工業(yè)中的首次應(yīng)用。20世紀(jì)60年代中期，氣體霧化法生產(chǎn)粉末的研制成功，對熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展起了推動作用。

熱等靜壓與高壓氣淬復(fù)合真空爐，來源：湖南頂立科技有限公司

熱等靜壓的今生——高效的近凈成形/致密化技術(shù)

在后面的幾十年中，各國競相開發(fā)和應(yīng)用等靜壓設(shè)備，瑞典于1965年開發(fā)出結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、安裝方便和安全可靠的熱等靜壓機(jī)后，這種現(xiàn)狀尤為活躍。

時至今日，熱等靜壓設(shè)備越來越智能化、自動化、大型化，熱等靜壓技術(shù)也越來越先進(jìn)，成為了一種簡單、高效的近凈成形致密化技術(shù)。

熱等靜壓設(shè)備及致密化原理

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)和計算機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中高壓容器為整個設(shè)備的關(guān)鍵裝置，下圖所示為典型熱等靜壓系統(tǒng)示意圖。

熱等靜壓系統(tǒng)示意圖

熱等靜壓致密化工藝是將制品放置到密閉的容器中，通過壓縮機(jī)將高壓的氬氣輸入容器內(nèi)，同時通過容器內(nèi)的加熱爐進(jìn)行加熱，使制品同時在高溫高壓的作用下，得以致密化。

熱等靜壓技術(shù)原理圖

熱等靜壓致密化過程可以分為兩個階段，第一階段是內(nèi)部缺陷和孔隙在外界壓力大于材料高溫強(qiáng)度的條件下發(fā)生塑性變形，缺陷和孔隙被破壞，致使內(nèi)表面相互接觸在一起；第二階段在外界壓力低于材料高溫強(qiáng)度時，材料發(fā)生高溫蠕變，同時接觸在一起的合金表面相互滲透、擴(kuò)散黏結(jié)，徹底消除缺陷和孔隙。通過這種處理，材料致密度基本接近理論密度。

熱等靜壓技術(shù)的應(yīng)用

熱等靜壓技術(shù)目前不僅在鑄件處理、粉末冶金、陶瓷工業(yè)中應(yīng)用，還在多孔材料、近凈成形、材料粘結(jié)、等離子噴涂、制造高端石墨等領(lǐng)域應(yīng)用。

熱等靜壓技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域和涉及到的材料

1、鑄件致密化處理

一般來說，鑄件內(nèi)部都有收縮疏松和孔隙的問題，這些缺陷使材料的性能和可靠性降低，尤其是在合金材料中，這些傾向尤為突出。用熱等靜壓技術(shù)基本可以消除這些缺陷，要消除此類缺陷，還得借用包套作為傳壓介質(zhì)。熱等靜壓處理鑄件的意義主要體現(xiàn)在下面幾方面：

(1)熱等靜壓處理后，能減少鑄件在X射線檢查和表面透射檢查時的報廢率；

(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，因而減少了修補(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格昂貴的鍛件。

2、在粉末冶金中的應(yīng)用

為了獲得均勻而細(xì)化的組織，減少材料損耗，減少后續(xù)機(jī)加工等，越來越多的粉末冶金制品采用熱等靜壓工藝進(jìn)行成型及致密化。如粉末冶金高速鋼；不銹鋼，如AISI－304不銹鋼；粉末冶金高溫合金，如飛機(jī)發(fā)動機(jī)渦輪盤；各種放射用靶材；汽車用粉末冶金零件；化工用泵、閥及多通道分配管等。粉末冶金(PM)加HIP處理后的制品性能與冶煉、熱加工常規(guī)工藝的制品相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)材料均勻性好，無偏析，力學(xué)性能、抗腐性能好，各向同性。同時各批材料的穩(wěn)定性也好。

(2)采用PM－HIP工藝制得材料的晶粒比采用常規(guī)工藝加工的細(xì)，因此可以方便地使用超聲波無損探傷進(jìn)行檢驗。

(3)由于可做成最終尺寸的制品，因此用料少。據(jù)統(tǒng)計，采用PM－HIP工藝制得的產(chǎn)品其價格比常規(guī)工藝制得的產(chǎn)品低20%以上。

(4)由于目前PM－HIP工藝中使用的模具已經(jīng)可以用鋼板焊接而成，其形狀可以任意變化，部件的設(shè)計自由度較大。

3、在陶瓷材料中的應(yīng)用

熱等靜壓技術(shù)用于陶瓷材料的生產(chǎn)，改善了成型和燒結(jié)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有效方法，這些方法主要有：多孔陶瓷的高溫浸漬、擴(kuò)散粘結(jié)、燒結(jié)+熱等靜壓、熱等靜壓固結(jié)粉末和熱等靜壓鍛造。

4、HIP覆層和HIP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2種或2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-金屬、金屬-非金屬、非金屬-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)用推廣的一項較好技術(shù)。

采用熱等靜壓覆層和熱等靜壓復(fù)合擴(kuò)散連接的特點(diǎn)是：

（1）對于相同或不同的材料，能產(chǎn)生很強(qiáng)的連接界面；

（2）看不出界面，彌散均勻；

（3）界面力學(xué)性能達(dá)到母材的性能，產(chǎn)生均勻的顯微組織；

（4）不需要熔化母材，連接溫度一般為50％～70％熔點(diǎn)，同時不產(chǎn)生由母材熔化所引起的其它缺陷；

（5）可處理幾何形狀復(fù)雜的零件。

5、其他新領(lǐng)域

除了上述的主要應(yīng)用領(lǐng)域外，HIP技術(shù)還包括如下應(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)，因為高壓氣體密度增加，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；

（5）材料粘結(jié)。材料粘結(jié)是熱等靜壓技術(shù)的最原始應(yīng)用，曾獲得美國焊接學(xué)會的認(rèn)可。在熱等靜壓工藝條件下能使兩種以上的同種材料或異種材料牢固的粘結(jié)在一起，成為一個整體。該粘結(jié)工藝的優(yōu)點(diǎn)是加工費(fèi)用低，粘結(jié)溫度較低，粘結(jié)區(qū)的性能與基體的性能相近；

（6）制造高端石墨產(chǎn)品，它把成型和焙燒合二為一，簡化了工藝步驟，節(jié)約了生產(chǎn)成本，降低了焙燒浸漬的次數(shù)。

總結(jié)

采用熱等靜壓致密化技術(shù)不僅能夠大幅度提升鑄件的綜合性能，同時在傳統(tǒng)工藝無法實(shí)現(xiàn)致密化的陶瓷、硬質(zhì)合金等脆性材料的致密化方面也顯示出無可替代的優(yōu)勢�？傊�，經(jīng)過近70年的發(fā)展，熱等靜壓得到十足的發(fā)展，它廣泛的應(yīng)用國民的生產(chǎn)生活中。特別是在人們對新材料、新能源高度需求的今天，HIP技術(shù)發(fā)揮了其獨(dú)特的優(yōu)勢，為各行各業(yè)的科技技術(shù)水平帶來質(zhì)的飛躍。

參考來源：

[1]劉慧淵等.熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

[2]王勇兵等.熱等靜壓技術(shù)在材料致密化中的應(yīng)用

[3]施輝獻(xiàn)等.熱等靜壓技術(shù)的若干應(yīng)用及發(fā)展趨勢

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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