热等静压技术的发展和应用.docx

热等静压技术的发展与应用 摘要：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目前 热等静压技术已广泛应用于航空、航天、能源、运输、电工、电子、化工和冶金 等行业， 用于生产高质量产品和制备新型材料 本文主要介绍了热等静压技术的 发展、工作原理及其应用范围关键词：热等静压，高压容器，加热炉，扩散连接，粉末冶金The Development and Applications of Hot Isostatic PressingAbstract: Hot isostatic press ing method as a ki nd of modern moldi ng tech no logy, is a branch of isostatic press ing tech no logy. Hot isostatic press ing tech nique has bee n widely used both in aviation, aerospace, energy, transportation, electrical, electronics, chemical in dustry and metallurgy and other in dustries, and in the producti on of high quality products and the preparation of new materials. This article mainly introduced the developme nt of hot isostatic press ing tech no logy, work ing prin ciple and its applicati on ran ge.Keywords： Hot Isostatic Pressing High Pressure Vessel, Heating Furnace, DiffusionBonding, Powder Metallurgy目录1引言 11.1 国外热等静压技术的发展 11.2 国内热等静压技术的发展 12 热等静压设备及工作原理 32.1 热等静压设备特点 32.1.1 高压容器 32.2.2 加热炉 32.2.3 压缩机和真空泵 42.2.4 冷却装置 42.2.5 计算机控制系统 42.2 热等静压工艺流程 42.3 热等静压工作原理 53 热等静压技术的主要应用领域 73.1 铸件的致密化处理 73.2 热等静压覆层和热等静压复合扩散连接 73.3 热等静压粉末固结 83.3.1 高温合金粉末固结 83.3.2 硬质合金热等静压 83.3.3 高速钢粉末固结 83.3.4 陶瓷材料粉末固结 93.3.5 钛合金粉末固结 93.4 热等静压工艺在新领域的应用 94 结论 10参考文献 11致谢 12 热等静压技术的发展与应用1 引言热等静压（Hot Isostatic Pressing简称HIP）工艺是一种以氮气、氩气等惰性 气体 为传压介质，将制品放置到密闭的容器中，在 900〜2000 E温度和ioo〜200MPa压力的共同作用下，向制品施加各向同等的压力，对制品进行压制烧结处理的技 术。

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1.1 国外热等静压技术的发展HIP技术研究始于1955年由美国Battelle究所为研制核反应堆材料而开展的⑴1965年美国Battelle研究所研制的第一台热等静压机的问世，标志着热静压技术设备的诞 生⑵ 1972年,在美国与瑞典实现了高速工具钢的大量热等静压 在 1970〜1980 年，美 国空军材料实验室将HIP工艺扩展到了制造镍基高温合金与钛合金粉的预成形坯和近终形 锻件在20世纪70年代，还发现可用HIP处 理铸件，在铸件的主要形状特征不变形的 条件下， 使复杂形状铸件内部的孔隙永久愈合［3］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 ⑷ 因此，这种结构的热等静压设备在高温高压（2000C和200 MPa）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。

1.2国内热等静压技术的发展钢铁研究总院从1972年开始研究中国第一台热等静压机，并于 1986年获劳 动部颁 发的热等静压机设计资格证书钢铁研究总院生产的热等静压机已经系列 化，目前该院可 为用户提供三个系列不同型号（从实验室用小型热等静压机到大 型生产用热等静压机）的 热等静压机 1999年 6月在北京成功地举办了 HIP' 99热等静压技术国际会议，与会代表来自瑞典、美国、德国、英国、法国、日本、 俄罗斯等 13 个国家［5］国际同行对钢铁研究总院生产的热等静压机的水平给予 高度的评价2005年 7月，川西机器公司采用国内领先的高温/高压快速冷却、真空与超 高压隔 离、超高压工作缸等13种关键技术，经过 3年多的刻苦研制和技术攻关， 成功地交付给 贵州航空工业集团贵州安吉精铸公司 1 台国内最大的热等静压机 该热等静压机的投入使用，填补了国内大型热等静压技术的空白，为航空、航天、 核工 业、电子、冶金、船舶等领域的高温高强合金、功能陶瓷、复合材料、超硬 材料等高新技 术材料制品的研制和生产创造了条件 ⑹2008年 7月份，由钢铁研究总院制造的亚洲最大的热等静压机 ((|1250>2500mm, 1350C 150 MPa )已安装调试成功，并正式投入运行。

目前己使用该设备生产出合 格的咼品质粉末涡轮盘(7)该设备的研制成功，标志着钢铁研究总院在热等静压设备的 研发、制造及使用领域达到国际先进水平2 热等静压设备及工作原理2.1 热等静压设备特点热等静压设备由高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、储气罐、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 热等静压烧结示意 图如图 2.1 所示冷却液进门减压阀放气阀图2.1热等静压烧结示意图2.1.1 高压容器目前先进的热等静压设备是由无螺纹、底部封闭钢丝缠绕的预应力筒体和钢 丝缠绕 及预应力框架组成钢丝是矩形截面、冷轧弹簧钢带，筒体经锻造和热处 理，框架由两 个横架和两个立柱组成，金属外壳包装，施加了预应力，其结构特 点是：（1） 筒体在切线方向均衡压缩，可防止轴向断裂；（2） 框架压缩均衡，可防止切向断裂；可靠安全，承载区域独立；（3） 压力容器各点应力能计算精确；应力集中被消除；（4） 筒体、框架没有承受任何拉力负载；钢丝缠绕起防爆、屏障作用2.2.2 加热炉——高质量加热炉是先进的热等静压设备不可缺少的关键部件 目前，加热炉先进安装方式是插入式，有两个加热区，可设计 3挡最高工作温度 12000（用于Fe-Cr-AI加热炉）、1450° （用于Mo加热炉），20000 （用于石墨加热炉）和不同气 氛的多台加热炉，由于是插入式，用户可根据烧结温度、气氛要求，方便地 更换加热 炉，每种加热炉可实现快速升温，快速冷却，炉内温差小于 土5°⑹。

石墨加热炉是由碳精和石墨混合、纤维补强的混合材料制成，其强度、可靠性、 安全性 优于常规纯石墨，具有高电阻率，极适用于真空和低电压工作2.2.3 压缩机和真空泵热等静压设备通常采用非注油式电动液压压缩机， 省去了压缩空气装置，配 置有过压保护、防振装置、自动调节部件真空泵采用旋转叶轮，在产品烧结中 用于真 空抽吸，同时抽除容器内的氧、潮气（水分）和其它杂质2.2.4 冷却装置冷却水通过再生冷却回路，管道内冷却水与压力容器外壳进行热交换， 采用 去离子 水和防锈剂，以确保冷却水的质量和保护冷却系统2.2.5 计算机控制系统它是由IBM兼容PC、软盘驱动、彩色SYGA监视器、键盘、IBM兼容打印机输出、数据采集、控制软件及手动控制支持的台式部件等组成在热等静压 工艺过程中， 可实现温度、压力、真空的程序控制，并显示所有工作状态在程 序控制和手动控制之 间，可编程控制器提供安全可靠的联锁 ⑶2.2 热等静压工艺流程热等静压工艺有三种，即先升压后升温，适用于金属包套工件的制造；先升 温后升压，适用于玻璃包套制造符合材料；同时升温升压，适用于低压成型、装 入量大、保温 时间长的工件制造其工艺流程如图 2.2 所示。

图 2.2 热等静压工艺流程图第4页/共 12页2.3热等静压工作原理根据帕斯卡原理，在一个密圭寸的容器内，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［10］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如图 2.3 所示，大致分为以下三 个阶段：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(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――热等静压技术的发展与应用3 热等静压技术的主要应用领域热等静压技术经过近 60 年的发展已日臻成熟，目前已广泛用于核材料、航 空航天 材料、。