熱等靜壓

熱等靜壓（Hot IsostaticPressing，簡稱HIP）工藝是將製品放置到密閉的容器中，向製品施 加各向同等的壓力，同時施以高溫，在高溫高壓的作用下，製品得以燒結和緻密化。熱等靜壓是高性能材料生產和新材料開發不可或缺的手段；熱等靜壓可以直接粉末成型，粉末裝入包套中（類似模具作用），包套可以採用金屬或陶瓷製作（低碳鋼、Ni、Mo、玻璃等），然後使用氮氣、氬氣作加壓介質，使粉末直接加熱加壓燒結成型的粉末冶金工藝；或者將成型後的鑄件；包括鋁合金；鈦合金；高溫合金等縮松縮孔的鑄件進行熱緻密化處理，通過熱等靜壓處理後，鑄件可以達到100%緻密化，提高鑄件的整體力學性能。

基本介紹

• 中文名：熱等靜壓
• 外文名：Hot IsostaticPressin
• 優點：集熱壓和等靜壓的優點於一身
• 套用領域：海洋，航空，航天，汽車等領域
• 學科：材料科學
• 裝置組成：水冷壓力容器、加熱爐等

簡史

第一台熱壁螺紋式結構的HIP裝置是美國巴蒂爾（Battelle）研究所1955年研製成功的。該設備內徑僅4.76mm，壓力13.78MPa，溫度816℃。1956年出現了冷壁HIP裝置。60年代初瑞典艾西亞（ASEA）公司研製成功了預應力鋼絲（帶）纏繞結構框架式HIP裝置。之後，該公司批量生產容積為φ1290mm×2500mm，溫度為1450℃，壓力為320MPa的大型HIP裝置。80年代以來，單純擴大HIP裝置尺寸的趨勢衰減，向單功能、特殊套用的方向發展。例如，超高溫（最高達3000℃）、超高壓（最高達980MPa）、快速、浸漬、使用多種氣體的HIP裝置相繼出現。為了滿足液相燒結的需要（如燒結硬質合金）又發展了低壓熱等靜壓裝置（又稱為超壓燒結爐、燒結-熱等靜壓機等），壓力僅為9.8～30MPa。這種裝置將硬質合金生產中的排蠟、預燒和燒結在一道工序中完成。我國60年代曾製造過三台熱壁HIP裝置；1972年開始製造冷壁HIP裝置，1975年投入使用，1979年建造了第一台鋼絲纏繞HIP裝置。

目前，先進的熱等靜壓機為預應力鋼絲纏繞的框架式結構，高壓容器的端蓋與缸體間的連線為無螺紋連線。因筒體和框架均採用鋼絲預應力纏繞，所獲的負預應力可通過計算確定，即使裝置處於工作的最大壓力狀態時，其強大的應力也是由預應力纏繞鋼絲所承受，即應力被集中消除，承載區域獨立安全，同時鋼絲纏繞還起到防爆和屏障的作用。

裝置組成

熱等靜壓裝置主要由水冷壓力容器、與壓力容器絕熱的加熱爐以及控制、安全、操縱等附加設施所組成。壓力容器有兩種密封方式：螺紋式和框架式。螺紋密封只能從頂部開、合和載入。框架式密封如圖所示，可以從頂部和底部同時開、合。壓力容器和框架均可用鋼絲（帶）纏繞，以承受高壓。傳壓介質一般用氬氣，其導熱率比氦低，容易使溫區達到所需溫度和使溫區溫度均勻。同時氬比氦便宜。由於壓力容器冷壁和加熱爐之間壓縮氣體的對流，使壓坯溫度分布不均勻，這是HIP的困難所在。可以在發熱體與冷壁之間，以及在發熱體與工件之間設定適當的絕熱保溫層將壓制空間間隔起來，從而克服這一困難。

操作步驟

HIP的基本操作步驟是：將粉末或粉末壓坯裝入包套中；抽去吸附在粉末表面、粉末間空隙和包套內的氣體；將包套真空密封后置於有加熱爐的壓力容器中；密封壓力容器後泵入惰性氣體（即傳壓介質）至一定壓力；然後升溫至所需溫度，因氣體體積膨脹，容器內的壓力也升至所需壓力。在高溫、高壓共同作用下完成成形和燒結。之後，用機械或酸浸方法除去包套，得到製品。金屬粉末的包套常用經過嚴格檢漏的鋼板焊接而成。任何微小的滲漏都會引起產品中的熱誘導孔隙。包套材料也可以用在燒結溫度下具有均勻粘性流動的玻璃或陶瓷。例如，石英在高溫下就具有必要的粘性，適於壓制高溫合金。玻璃包套可用粉漿成形和燒結方法製得。

套用與發展

在發動機製造中，熱等靜壓機已用於粉末高溫合金渦輪盤和壓氣盤的成型。把高溫合金粉末裝入抽真空的薄壁成形包套中，焊封后進行熱等靜壓，除去包套即可獲得緻密的、接近所需形狀的盤件。粉末熱等靜壓材料一般具有均勻的細晶粒組織，能避免鑄錠的巨觀偏析，提高材料的工藝性能和機械性能。粉末高溫合金熱等靜壓或熱等靜壓加鍛造的盤件已在多種高推重比航空發動機上套用。同樣，熱等靜壓還用於製造粉末鈦合金風扇盤和飛機上的粉末鋁合金和粉末鈦合金承力構件。在太空飛行器製造工業中，熱等靜壓主要用於製造緻密的碳質結構件，如火箭的舵面和固體火箭發動機噴管喉襯等。

各種合金的精密鑄件，如高溫合金渦輪葉片，鑄鈦機匣以及渦輪增壓器的鋁合金鑄件等，經熱等靜壓緻密化處理可消除內部疏鬆和縮孔，提高性能、可靠性和使用壽命。熱等靜壓還是返修舊件以延長使用壽命的一種有效方法。

熱等靜壓技術優點在於集熱壓和等靜壓的優點於一身，成形溫度低，產品緻密，性能優異，故是高性能材料製備的必要手段；目前在美國，日本，已經歐洲都實現了產業化，在海洋，航空，航天，汽車等領域套用；我國起步較晚，20世紀60年代，國內一些科研單位，開展了一系列的研究，包括熱等靜壓設備的開發，航空高溫合金粉末渦輪盤的開發，熱等靜壓高性能材料的研發，取得了一系列的研究成果及科學技術進步獎；我國開展熱等靜壓的產業化起步較晚，目前此技術在我國的普及率極低，由於沒有規模化，產業化，故生產成本較高，目前主要還技術集中在航空航天高性能材料的研發及鑄件的緻密化處理；但是隨著經濟的發展，建設創新性國家的需求，以及一些高性能材料的開發，國內某些單位依託科研院所的研究成果，開展了熱等靜壓產業化的工作；為我國的新材料開發，以及熱等靜壓的普及工作作出了卓有成效的工作。