熱等靜壓結法

熱等靜壓結法是一種冶金的專業術語。熱等靜壓法是一種先進的材料成形技術，可用於製造形狀複雜的金屬基複合材料零件。

基本介紹

• 中文名：熱等靜壓結法
• 外文名：Hot isostatic pressing method
• 用途：材料成型
• 發明機構：美國Battelle Columbus實驗室
• 套用領域：粉末冶金等
• 分類：有包套式和無包套式

原理

把裝入特製容器(稱為包套)內的粉末或壓坯，或直接將密度超過93%TD、無開口氣孔的燒結體放入熱等靜壓機的高壓容器中。然後，以高壓Ar或N，等氣體為壓力介質均勻作川於陶瓷材料，藉助於高溫和高壓的共同作用使陶瓷材料達到緻密化的過程稱為熱等靜壓燒結(HIP)。熱等靜壓燒結緻密化機理與熱壓燒結基本相同，即在高溫和外力作用下材料發生塑性變形和擴散蠕變等。

由於熱等靜壓燒結不需要剛性模具來傳遞壓力(如熱壓燒結中的石墨模具)，不受模具強度的限制，可以選擇更高的斥力。熱等靜壓燒結的壓力是熱壓燒結壓力的5—10倍，且坯體不與模壁存在任何的摩擦力，因此熱等靜壓燒結可獲得比熱壓燒結更加高的緻密度。例如，利用熱等靜壓可以燒結不添加任何助劑的高純Si，N。陶瓷，以及含有較高比例品須和纖維的陶瓷複合材料。

發展

熱等靜壓( HIP)技術是在高溫下將高壓氣體均勻地作用於粉末坯體或製品上。在高溫高壓的均勻壓力作用下，使粉末體固結，均勻收縮，完成燒結工藝，達到100%的理論密度。熱等靜壓1955年起源於美國巴蒂爾研究所，當時是為了解決核燃料的包套問題。熱等靜壓用於工業生產是從硬質合金開始的，那就是1967年美國肯納金屬公司所安裝的第一台年產50t的熱等靜壓機。HIP技術可消除其縮孔、空洞、裂紋等。因此，HIP技術已成為粉末冶金固結、緻密化處理的一種有效的、迅速發展的先進工藝技術。據報導，1983年全世界171台熱等靜壓機中有55台是用於硬質合金工業的。硬質合金工業曾經是熱等靜壓機的最大套用領域。

熱等靜壓燒結最早是由美國Battelle Columbus實驗室研製成功，隨後瑞典ASEA公司和美國ABB公司生產出商業用熱等靜壓設備。20世紀60年代，熱等靜壓燒結首先套用於粉末冶金領域特別是硬質合金製品的生產。20世紀70年代，隨著熱等靜壓機的溫度和壓力不斷提高，開始套用於陶瓷產品製備。

工藝

熱等靜壓燒結有包套式和無包套式兩種。

包套式熱等靜壓是指將陶瓷粉末或壓坯放於包套材料內，再真空密封，然後在高溫高壓條件下實現緻密化的過程。對包套材料的要求是：耐高溫，在燒結溫度下不與陶瓷材料發生反應，冷卻後容易與陶瓷脫離，具有優異的可焊性且密封可靠，在高溫下有良好的可變形性以便有效地傳遞壓力；在高溫下有足夠大的黏度以便在包套軟化時不至於滲入燒結體內。當熱等靜壓燒結溫度低於1500℃時，常用低碳鋼薄板做包套材料，也可用石英玻璃封
裝形狀複雜的坯體，玻璃包套的經濟性比低碳鋼要好。封裝後包套內的殘餘氣體會影響最終緻密化，因此除氣和封裝應在真空中進行，或用排氣管抽出粉末中的氣體，再把排氣管壓扁，採用快速焊接熔化封口。完成燒結後採用機械噴砂方法除去包套，取出陶瓷產品。

1．粉末包套HIP燒結

採用粉末包套HIP燒結，產品的形狀取決於包套形狀，一般只能製備形狀比較簡單的產品很難制各形狀非常複雜的產品。

2．壓坯包套HIP燒結

壓坯包套HIP燒結對於製備形狀非常複雜的陶瓷產品是十分有利的。首先將陶瓷粉末與黏結劑混合均勻、造粒和壓製成形，並在≤800℃較低溫度下脫脂，然後用粉末狀玻璃進行包覆。

熱等靜壓設備

HIP裝置主要是由高壓容器和承力框架、加熱系統、隔熱系統、冷卻系統、供氣及氣體回收系統、裝料系統、液壓系統、真空系統、供電系統、控制系統、測溫系統、氣動系統、安全保護系統、氣體純度分析系統以及快速冷卻系統和輔助系統組成。

採用鉬或鉬合金作為發熱體，適用於1000—1500℃的HIP處理。當HIP溫度不高於1400℃，介質形式為氬氣、氮氣或Ar+N₂，可選用雙鉑銠熱電偶。氣體壓縮機為高壓氣體發生裝置，它有三個主要指標：進氣壓力、排氣壓力和排量。氣體壓縮機可分為兩種：一種為柱塞式壓縮機；另外一種為膜片式壓縮機。對於套用於金屬材料的熱等靜壓裝備其工作壓力一般為140—200MPa，工作溫度在1250～1500℃，工作室尺寸的範圍很寬，為100mmx120mm—2000mmx4000mm，乃至更大，這種類型的熱等靜壓裝備的發熱、隔熱材料一般選用金屬材料製成。