热等静压法综述

材料加工方法——热等静压法简述前言热等静压法作为材料现代成型技术的一种，是等静压技术一个分支。等静压是粉末冶金领域的一种技术，已有近百年历史。等静压技术按其成型和固结温度的高低，通常划分为冷等静压、温等静压、热等静压三种。近几十年，来随着科学技术的进步，特别是热等静压的发展，等静压技术不再只是粉末冶金的专用技术，它的应用已经扩大到了原子能工业、制陶工业、铸造工业、工具制造、塑料和石墨等生产部门。随着其应用范围日益扩大，作用和经济效益的不断提高，热等静压法已经成为一种及其重要的材料现代成型技术1.热等静压法定义和特点热等静压（HIP）是在高温高压密封容器中，以高压气体为介质，对其中的粉末或待压实的烧结坯料(或零件)施加各向均等静压力，形成高致密度坯料(或零件)的方法。该法采用金属、陶瓷包套（低碳钢、Ni、Mo、玻璃等）或不采用，使用氮气、氩气作加压介质，使材料热致密化。其成型过程如图一：由于热等静压法在高温下对工件施加各向均等静压力成型，使其与传统工艺相比如下优点：1）在很低的温度下粉末便可固结到很高的密度。2）可以压缩形成型状复杂的工件。3）经过热等静压的工件具有一致的密度4)高的气体密度可以促进热交换，提高加热速度缩，短循环时间。5）由于非常一致的加热，脆性材料也可被压缩成型图一：热等静压法成型过程包套法玻璃浴法直接法加热装置2.工艺过程及工作原理由于热等静压法用于粉末固结更具用代表性，下面以粉末固结过程介绍热等静压法的工艺工程和原理。热等静压法在其他领域的应用的工艺与原理与上述相似，只是省略部分阶段，故不再赘述2.1热等静压法的工艺过程热等静压法的一般工艺周期如下：粉末填充一般在真空或惰性气体氛围中进行。为了提高填充粉末的密度，包套要不停的震动。为了得到统一的收缩，则需要填充粉末的密度应不低于理论密度的68%。填充后包套要抽真空并密封，这是因为热等静压过程是通过压差来固结被成型粉末和材料的，一旦包套密封不严，气体介质进入包套，将影响粉末的烧结成型。另外，真空密封可以去除空气和水，防止氧化反应和阻碍烧结过程其中升温升压、保压、降温减压阶段被称为高温高压循环。根据升温、升压的先后顺序不同可以分为四种不同的循环方式（如图二），并具有各自的优点。分别为：图二：热等静压循环剥去包套模具取出包套模具热等静压成品保压开缸用气压泵抽回气体降温降压升温升压粉末填充包套密封将工件装入热等静压炉内抽空并氩洗炉循环一：冷加载循环升压力先于升温，并且两者同时达到各自的峰值。这种方式有利于更好的控制薄壁金属包套的几何形状。循环二：热加载循环当温度达到一定值后再升压。这种方式在使用玻璃包套时尤为重要，过早的加压会使脆性的玻璃破裂。循环三：后热循环这种方式与冷加载循环相似，亦为升压力先于升温，不同的是升压到峰值后才开始升温，并保压。这种方式通过塑性变形促进粉末粒子的再结晶，从而降低成型温度。循环四：最有效循环同时升温升压，从而缩短热等静压时间，获得最高的效率2.2热等静压法的工作原理根据帕斯卡原理，在一个密封的容器内，作用在静态液体或气体的外力所产生的静压力，将均匀地在各个方向上传递，在其作用的表面积上所受到的压力与表面积成正比。在高温高压作用下，热等静压炉内的包套软化并收缩，挤压内部粉末使其与自己一起运动。高温高压同时作用下的粉末的致密化过程与一般无压烧结或常温压制有很大差异。其致密化过程（图三）大致分为以下三个阶段：（1）粒子靠近及重排阶段在加温加压开始之前，松散粉末粒子之间存在大量孔隙，同时由于粉末粒子形状不规则及表面凹凸不平，他们之间多呈点状接触，所以与一个粒子直接接触的其它粒子数（粒子配位数）很少。当向粉末施加外力时，在压应力作用下，粉末体可能发生下列各种情况：随机堆叠的粉末将发生平移或转动而相互靠近；某些粉末被挤进临近空隙之中；一些较大的搭桥孔洞将坍塌等。由于上述变化的结果，粒子的临近配位数明显增大，从而使粉末体的空隙大大减少，相对密度迅速提高。（2）塑性变形阶段第一阶段的致密化使粉末体的密度已有了很大的提高，粒子之间的接触面积急剧增大，粒子之间相互抵触或相互楔住。这是要使粉末体继续致密化，可以提高外加压力以增加粒子接触面上的压应力，也可升高温度以降低不利于粉末发生塑性流动的临界切应力。如果同时提高压力和温度，对继续致密化将更加有图三：粉末致密化过程效。当粉末体承受的压应力超过其屈服切应力时，粒子将以滑移方式产生塑性变形。（3）扩散蠕变阶段粉末粒子发生大量塑性流动后，粉末体的相对密度迅速接近理论密度值。这时，粉末粒子基本上连成一片整体，残留的气孔已经不再连通，而是弥散分布在粉末基体之中，好像悬浮在固体介质中的气泡。这些气孔开始是以不规则的狭长形态存在，但在表面张力作用下，将球化而成圆形。残存气孔在球化过程中其所占体积分数也将不断减小。粒子间的接触面积增大到如此程度，使得粉体承受的有效压应力不再超过其临界切应力，这时以大量原子团滑移而产生塑性变形的机制将不再起主要作用，致密化过程主要单个原子或空穴的扩散蠕变来完成，因此整个粉末体的致密化过程缓慢下来，最后趋近于以最大终端密度值值得注意的是上述三个阶段并不是截然分开的，在热等静压过程中它们往往同时起作用而促进粉体的致密化，只是当粉末体在不同收缩阶段，由不同的致密化过程起主导作用。3.热等静压设备热等静压设备通常包括五个主要组成部分，即高压缸、热等静压炉、气体加压系统、电气和辅助系统，如图四所示。图四：4.应用领域4.1热等静压粉末固结4.1.1高速钢粉末固结高速钢是一种化学成分复杂的高合金钢。在采用传统的熔铸-锻造法生产高速钢时，由于铸锭尺寸大，冷却缓慢、不可避免的产生碳化物偏析。这种偏析组织不仅给锻、轧等热加工造成困难，损害了产品的各种性能，而且限制了合金含量的进一步增加，阻碍了高速钢的发展。热等静压技术的问世，使许多高合金高速钢可以采取粉末冶金工艺来制造，从而克服了熔铸钢中碳化物偏析这类缺陷，把粉末冶金技术成功引入了致密刚才和合金钢的生产领域。4.1.2硬质合金热等静压热等静压硬质合金与常规烧结硬质合金相比具有以下优点：（1）参与空隙几乎完全消除，密度可有原来的99.8%理论密度提高到99.999%理论密度。（2）制造大型或高径比大的制品时，废品率低，表面缺陷大幅降低，抛光后可得到光洁度极高的表面。（3）由于制品中的孔隙体积明显减小，消除了断裂源，使制品的性能和寿命大幅度提高。4.1.3高温合金粉末固结高温合金是一种在500~1200℃高温和动负荷高应力作用下工作的高性能合金，属于超耐热合金，故有“超合金”之称。用热等静压法制备粉末高温合金是高温合金生产中的一大改进，研究表明，热等静压粉末高温合金的性能可与铸锻合金相媲美，并具有独特的优点。4.1.4钛合金粉末固结钛合金因具有高强度、高韧性、抗氧化及耐腐蚀的特性，广泛由于航天、航空、航海和化工等领域。然而，钛制品的昂贵价格，限制了它的应用。钛制品成本高的主要原因是传统制造工艺复杂，二次加工的材料损失大。通常，钛的熔炼和加工工艺包括：海绵钛压成电极；两次真空电弧炉熔炼；精密铸造或锻、轧加工以及机加工等。粉末钛合金被认为是进一步提高钛合金性能和降低其价格的出路。用热等静压工艺生产粉末钛合金，不仅简化了熔炼工艺和切削工序，而且因细粉末晶粒有利于合金组织均匀化，从而使制品性能获得改善。4.1.5陶瓷材料粉末固结陶瓷材料包括金属氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等。这类材料的特点是熔点高、弹性模量大、硬度高、密度低、热膨胀小以及耐磨、耐腐蚀等。陶瓷材料的常规制备方法是粉末压制成型和烧结或热压。由于陶瓷粉末的熔点和硬度高，成型和烧结都很困难，因此，陶瓷材料通常都有较大的孔隙度和脆性。热等静压技术用于陶瓷材料的生产，改善了成型和烧结条件，使材料的空隙度明显降低，从而提高了材料的性能，并为制造特种陶瓷提供了有效方法。4.2热等静压铸件处理铸造，特别是精密铸造，具有合金化程度高、工艺和设备较简单、成本低和容易得到复杂形状等优点，因而应用很普遍。但由于铸件内部存在大量的缩孔、疏松、成分偏析，因而在性能方面一般不如变形合金制件。热等静压技术的出现，为消除铸件内的疏松创造了条件。用热等降压处理铸件的效用和意义可归纳如下：（1）热等静压处理后，能减少铸件在X射线检查和表面投射检查的报废率；（2）与未处理的铸件相比，经热等静压处理的铸件在焊接后产生的裂纹较少，因而减少了补焊的成本；（3）采用热等静压处理，可提高铸造参数范围和扩大新的铸造合金品种；（4）改善了疲劳强度和延性的热等静压铸件可取代价格昂贵的锻件。热等静压法不仅可以使新的铸件致密化，而且还可以用以修复正在使用的铸件，使铸件在使用中降低的性能得以恢复。铸件在指定的温度和应力条件下，具有一定的计算寿命值，使用一段时间后，将不断产生微观缺陷，并产生晶间的相对运动，在晶界出现缺陷。这些类似常见缩孔的内部缺陷就可采用热等静压法进行治愈。用这样的处理方法，能够使使用中的发动机零件的机械性能和疲劳性能恢复到新铸件的水品。4.3热等静压连接热等静压连接是热等静压技术的最原始应用。热等静压连接使用的设备与压实粉末的热等压机相同。热等静压技术在连接方面的应用，虽然不像在粉末固结和铸件处理方面的应用广泛，但与一般连接方法相比，具有以下一些优点：（1）连接材料具有母材特性，在焊点无熔化区，因而消除了是焊点性能衰减的晶粒长大；（2）可以连接通常不能连接的异种金属，在高热等静压压力下能阻止柯肯达尔空位的形成；（3）不受固定模具的限制，能加工和处理任何复杂形状的制件；（4）能连接脆性材料或低延性材料而不产生断裂；（5）温度限制较小；（6）能连接复合材料，并对复合材料中的纤维破坏很少。4.4在新领域的应用（1）HIP在多孔材料方面的应用：由于采用氮气作为介质，在高温下生成氮化物，使得HIP对多孔材料也产生作用；（2）HIP技术与渗氮等表面处理相结合，扩大HIP功能；（3）悬浮熔炼工艺制备高纯材料可采用HIP技术。因为高压气体密度增加，可使熔炼物悬浮起来，实现无坩埚熔炼，从而极大地提高熔炼纯度。（4）食品工业采用HIP技术：向食品施加高压可使食品在营养不被破坏且保持原色原味的情况下，达到杀菌消毒的目的，为食品加工提供了一条新的途径。5.国内外发展应用状况5.1国外发展应用状况1965年美国Battelle研究所第一台热等静压机的问世，标志着热等静压技术设备的诞生。热等静压设备由高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、冷却系统和计算机控制系统组成，其中高压容器为整个设备的关键装置。目前，先进的热等静压机为预应力钢丝缠绕的框架式结构，高压容器的端盖与缸体间的连接为无螺纹连接。因筒体和框架均采用钢丝预应力缠绕，所获的负预应力可通过计算确定，即使装置处于工作的最大压力状态时，其强大的应力也是由预应力缠绕钢丝所承受，即应力被集中消除，承载区域独立安全，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设备在高温高压（2000℃和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l450℃时，可用钼丝加热炉，2000℃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，将温差控制在不超过15℃甚至不超过10℃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，同时可去除容器内的水气、氧和其它挥发性杂质。冷却系统采用内外循环回路设计。为了保护冷却系统，冷却水的质量很重要，需要采用去离子水，管路也需进行防锈处理。外循环则通过换热器将内循环的热量带出。计算机控制系统可预先存储热等静压过程所需的各种程序，实现温度、压力、时间等基本工艺参