中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近期，由中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)鋼研”）自主研制的我國(guó)首臺(tái)套超大型熱等靜壓裝備HIPEX1850獲得了廣泛關(guān)注。據(jù)報(bào)道，這是目前國(guó)內(nèi)最大、世界第二大尺寸的熱等靜壓裝備，可應(yīng)用于我國(guó)航空航天等領(lǐng)域大型核心零部件的加工處理。該裝備的發(fā)布，標(biāo)志著我國(guó)熱等靜壓裝備研制技術(shù)在設(shè)備尺寸、加工參數(shù)、模塊化設(shè)計(jì)、智能化控制、設(shè)備穩(wěn)定性等方面均已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
圖源：中國(guó)鋼研
熱等靜壓技術(shù)的原理是什么？有哪些重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域？該技術(shù)及其裝備的發(fā)展歷程又是怎樣的？下面，中國(guó)粉體網(wǎng)小編將與大家一起學(xué)習(xí)了解在高精尖領(lǐng)域不可或缺、極具戰(zhàn)略意義的這一“大國(guó)重器”。
熱等靜壓技術(shù)的原理
熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡(jiǎn)稱(chēng)HIP）近凈成形技術(shù)的原理是將粉體材料裝入到設(shè)計(jì)好的包套中，然后將惰性氣體(主要為氮?dú)饣驓鍤?作為壓力傳輸介質(zhì)向包套四周施加同等大小的壓力，同時(shí)輔以高溫使粉體致密化。在高溫高壓的作用下，包套內(nèi)粉體得以一邊致密化，一邊成形，最終得到近終形制件。
因此，它是一種在一次操作步驟中即可完成粉體致密化和成形的制造工藝，后續(xù)只需經(jīng)過(guò)少量的機(jī)加工便可得到最終產(chǎn)品。此外，該技術(shù)在生產(chǎn)復(fù)雜形狀的部件具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將材料利用率從過(guò)去的20%-30%提高到80%以上，極大地提高了原材料的利用率。
熱等靜壓設(shè)備由高壓容器、加熱爐、壓縮機(jī)、真空泵、儲(chǔ)氣罐、冷卻系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中高壓容器為整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵裝置。
典型熱等靜壓系統(tǒng)的示意圖
通常，粉體通過(guò)真空封裝在包套中，并在熱等靜壓高溫高壓環(huán)境下致密化，這是一種大變形過(guò)程，涉及到復(fù)雜的熱-力耦合。粉體在熱等靜壓過(guò)程的致密化機(jī)理主要包括以下幾個(gè)過(guò)程：
(1)粉體在封裝時(shí)經(jīng)過(guò)振實(shí)處理，具有較高的松裝密度，此時(shí)粉體之間處于點(diǎn)接觸狀態(tài)。在熱等靜壓加壓過(guò)程中，粉體在包套的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生移動(dòng)或翻轉(zhuǎn)，小尺寸的粉體被填充到了大尺寸粉體顆粒間隙中。在這個(gè)過(guò)程中，粉體的致密度顯著提高。
(2)當(dāng)壓力進(jìn)一步提高，大于粉體的屈服強(qiáng)度時(shí)，粉體會(huì)發(fā)生變形。這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)提高熱等靜壓機(jī)內(nèi)的壓力或者溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)過(guò)程中，粉體受到的壓力超過(guò)其臨界剪切應(yīng)力，部分粉體發(fā)生變形并擠入相鄰的孔隙中，進(jìn)一步提高粉體的致密度。
(3)粉體經(jīng)過(guò)大變形后，粉體的密度已經(jīng)接近材料的理論密度。與此同時(shí)，部分殘存的氣孔分布在基體中，呈圓形。在此階段，原子擴(kuò)散作用增強(qiáng)，孔洞附近的原子經(jīng)過(guò)緩慢的擴(kuò)散與蠕變，進(jìn)入殘余的孔隙中。
顯然，以上三種致密化過(guò)程并沒(méi)有明顯的時(shí)序界限，它們共同促進(jìn)粉體顆粒的致密化過(guò)程。由于在熱等靜壓過(guò)程中，粉末受到的作用力是各個(gè)方向均相同的靜壓力，因此，成形出來(lái)的產(chǎn)品具有致密度高、組織均勻性好、沒(méi)有明顯各向異性等特點(diǎn)。
熱等靜壓技術(shù)的工藝流程
熱等靜壓近凈成形技術(shù)在制備高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件方面具有很多的優(yōu)勢(shì)，但該技術(shù)的發(fā)展也面臨一些難題，特別是對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件包套的設(shè)計(jì)以及制備上。復(fù)雜零件的包套制作費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重阻礙的該技術(shù)的發(fā)展。
過(guò)去，通常使用多次試錯(cuò)的方法找到適合凈形狀部件的容器幾何形狀。因此，必須在成功之前制造幾個(gè)原型包套�，F(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很好地輔助了包套的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步解決了該工藝存在的一些問(wèn)題。其次，不同成分的材料在熱等靜壓工藝參數(shù)上都有差異，需要針對(duì)不同粉體原料的熱等靜壓工藝參數(shù)展開(kāi)獨(dú)立的研究。
熱等靜壓技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域
高性能陶瓷制品的制備
陶瓷因具有良好的化學(xué)惰性、穩(wěn)定性和優(yōu)秀的高強(qiáng)高耐熱性能，在機(jī)械、電力等重要行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。熱等靜壓技術(shù)提供了生產(chǎn)高性能陶瓷材料的手段，在制備過(guò)程中，利用高溫高壓復(fù)合能場(chǎng)特點(diǎn)，能夠獲得高致密的陶瓷或陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料制件，有效地解決了陶瓷和陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料難制備的問(wèn)題。
熱等靜壓氮化硅陶瓷球（圖源：中國(guó)建材集團(tuán)有限公司）
其中，燒結(jié)陶瓷類(lèi)制品的熱等靜壓機(jī)具有以下特點(diǎn)：
1）燒結(jié)溫度高。對(duì)于試驗(yàn)用燒結(jié)熱等靜壓機(jī)，一般燒結(jié)溫度高于2000℃，可達(dá)2300℃，采用了光學(xué)測(cè)溫方式。
2）多功能。在裝備中，為了獲得更多的參數(shù)，一般裝備有膨脹儀，以準(zhǔn)確地測(cè)量收縮，確定充壓時(shí)機(jī)和加壓壓力的大小。
3）操作方便，自動(dòng)化程度高。作為高溫?zé)Y(jié)熱等靜壓機(jī)，其燒結(jié)溫度及壓力均要求較高，這就要求操作方便，控制精確。一般裝備有微機(jī)、智能儀表、PLC等，實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)控制。國(guó)外燒結(jié)熱等靜壓技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，凡在燒結(jié)工藝中出現(xiàn)液相的制品(如WC＋Co、Si3N4等)均可采用此工藝，例如：結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷生產(chǎn)，如系列Si3N4制品、Al2O3、TZP、ZrO2、TiC等。
材料的擴(kuò)散連接
熱等靜壓擴(kuò)散連接技術(shù)是在高溫高壓下，通過(guò)原子相互擴(kuò)散從而實(shí)現(xiàn)宏觀連接。該技術(shù)可用于同種或異種材料的連接，屬于微觀技術(shù)領(lǐng)域。與常規(guī)的連接方法相比，熱等靜壓擴(kuò)散連接存在焊接部位結(jié)合強(qiáng)度高、界面性能優(yōu)于母材等特點(diǎn)。因此這項(xiàng)技術(shù)也廣泛用于高性能復(fù)合材料的制備。
采用HIP工藝進(jìn)行連接和復(fù)合的特點(diǎn)有：1）對(duì)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(shí)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。
高性能復(fù)雜零件的整體成形
結(jié)合模具控形技術(shù)及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，利用熱等靜壓工藝可以制備出不需要機(jī)加工的近終形部件。目前，熱等靜壓整體成形技術(shù)主要用于制備高性能難加工零件。使用該技術(shù)制備獲得的零件，材料利用率可以達(dá)到80~90%，能夠有效降生產(chǎn)成本。同時(shí)，經(jīng)高溫高壓壓制后，零件的整體力學(xué)性能和可靠性能都得到了提升。
鑄件的致密化處理
受生產(chǎn)工藝限制，大型鑄件內(nèi)部往往會(huì)產(chǎn)生松弛變形或者孔隙等缺陷，這些宏觀缺陷會(huì)顯著降低材料的使用性能和安全性能。利用熱等靜壓技術(shù)可以在高溫高壓下有效地去除鑄件內(nèi)部的缺陷，提高其整體力學(xué)性能。熱等靜壓技術(shù)發(fā)展初期主要用于鑄件的致密化，發(fā)展至今，其技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。
其他新領(lǐng)域的應(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(duì)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?yàn)楦邏簹怏w密度增加，可使熔煉物懸浮起來(lái)，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(yíng)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。
熱等靜壓技術(shù)已應(yīng)用的重要工程項(xiàng)目
在軍工配套關(guān)鍵材料及工程化方面
熱等靜壓是制造航空航天使用的粉末高溫合金渦輪盤(pán)必須采用的工藝，同時(shí)還是其高溫合金葉片、高溫合金擴(kuò)壓器以及其他相關(guān)高溫合金制件致密化過(guò)程中不可或缺的工藝。
在大型飛機(jī)領(lǐng)域
大型飛機(jī)中所有的鈦、鋁合金支板、機(jī)匣等重要部件必須要經(jīng)過(guò)熱等靜壓處理方能達(dá)到高性能的使用要求。
圖源：中國(guó)鋼研
在近海油氣田開(kāi)發(fā)方面
瑞典粉末冶金公司根據(jù)北海油田的合同，采用HIP技術(shù)生產(chǎn)各種海下及海面平臺(tái)上的部件，有法蘭盤(pán)、接頭、閥體、管道等。
在核聚變反應(yīng)堆中
核聚變反應(yīng)堆中的鈹合金、銅合金、316LN不銹鋼以及核聚變反應(yīng)堆（快中子增殖反應(yīng)堆）核燃料包套等材料，很多是采用熱等靜壓制備的。如西歐、北美、日本和俄羅斯共同建造了一個(gè)2000MW的核聚變反應(yīng)堆，為了保證其高可靠性，在選材和制備中廣泛采用了固態(tài)熱等靜壓（即準(zhǔn)態(tài)HIP）、粉末HIP、鑄件HIP、CIP（冷等靜壓）+HIP等技術(shù)。
在航天飛機(jī)中
據(jù)報(bào)道，美國(guó)飛出地球軌道的航天飛機(jī)上的所有鈦基復(fù)合材料均是按美國(guó)航天飛機(jī)的要求（NASP項(xiàng)目）研制的。此種航天飛機(jī)可以從機(jī)場(chǎng)起飛直接飛出地球軌道，它的初速可達(dá)2.448×104km/h，該飛機(jī)需要大量代鎳基合金的板材及支撐結(jié)構(gòu)材料用于飛機(jī)的蒙皮及殼體材料，具體部件已由McDonneII Douglas公司開(kāi)發(fā)出來(lái)，它們是由Ti-15-3箔材與SCS-SiC纖維網(wǎng)交替層組成，最終采用HIP處理。
在汽車(chē)工業(yè)上
HIP鈦件主要用作汽車(chē)上的閥件及增壓葉輪，用作閥件，可以使工作溫度提高，使反復(fù)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量降低，這樣燃料的使用效率更高；用TiAl葉輪代替高溫合金部件，質(zhì)量變輕，葉輪起動(dòng)的速度更快，可減少加速時(shí)的廢氣量。
在大規(guī)模集成電路制造技術(shù)和高清晰度大屏幕平板顯示器等方面
磁控濺射鍍膜技術(shù)是必不可少的，而磁控濺射所用到的細(xì)晶粒、高純度靶材只能通過(guò)熱等靜壓技術(shù)獲得。
熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展
HIP技術(shù)研究始于1955年，由美國(guó)Battelle研究所為研制核反應(yīng)堆材料而開(kāi)展的，首先用于原子能反應(yīng)過(guò)程中燃料元素的擴(kuò)散粘結(jié)，基于此應(yīng)用，當(dāng)時(shí)被叫做“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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。后經(jīng)肯納金屬公司、北京鋼鐵研究總院、美國(guó)AE公司等多家機(jī)構(gòu)的不斷改善，大大地拓展了HIP設(shè)備的發(fā)展及應(yīng)用。
HIP工藝在粉末冶金材料制備、鑄件致密化、宇航和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)部件、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、衛(wèi)星和宇航機(jī)體鑄件、復(fù)合連接、近終成形技術(shù)等諸多方面的生產(chǎn)應(yīng)用需求與日劇增，它在高性能特種材料的制備方面表現(xiàn)出其他技術(shù)所無(wú)法匹敵的優(yōu)勢(shì)。正是由于HIP技術(shù)具有如此優(yōu)越的特性和廣泛的發(fā)展前景，世界各國(guó)競(jìng)相開(kāi)展了這方面的工作，HIP裝置也逐年迅速增加。
據(jù)資料報(bào)道，1983年全球擁有HIP裝置350臺(tái)、1984年約450臺(tái)、1988年達(dá)到800臺(tái)，特別是日本，從1980年到1989年的10年中，HIP裝置由15臺(tái)猛增到190臺(tái)。我國(guó)熱等靜壓設(shè)備近年來(lái)數(shù)量也在突飛猛進(jìn)，1980年前僅有8臺(tái)，而到了2010年已經(jīng)發(fā)展到近百臺(tái)。
我國(guó)的鋼研院自1972年開(kāi)始研究中國(guó)第一臺(tái)熱等靜壓機(jī)，至今已有50多年的歷史。2008年7月份，由鋼研院為其控股公司安泰科技股份有限公司制造的當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大尺寸的熱等靜壓機(jī)（Φ1250mm×2500mm，1350℃，150M Pa）投入運(yùn)行。另一熱等靜壓設(shè)備廠(chǎng)商四川航空工業(yè)川西機(jī)器有限責(zé)任公司在裝備的研制和生產(chǎn)也開(kāi)展了大量卓越的工作。
據(jù)介紹，近期報(bào)道的我國(guó)首臺(tái)套超大型熱等靜壓裝備HIPEX1850采用國(guó)際最先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)計(jì)理念，其熱區(qū)尺寸可達(dá)Φ1850*3500毫米，能夠在極端高溫高壓環(huán)境下，對(duì)大型、復(fù)雜形狀的材料進(jìn)行全方位的致密化和性能優(yōu)化。
這一創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，將極大提升航空航天、核電能源、重型燃?xì)廨啓C(jī)、軌道交通等高端領(lǐng)域關(guān)鍵材料的制備水平，為這些領(lǐng)域的快速發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。全國(guó)首臺(tái)套超大型特種裝備的迅速落地，也標(biāo)志著我國(guó)熱等靜壓事業(yè)進(jìn)入全新篇章。
參考來(lái)源：
[1]科技日?qǐng)?bào)：重大進(jìn)展！這一裝備讓材料性能更強(qiáng)大
[2]中國(guó)冶金報(bào)：我國(guó)首臺(tái)套超大型熱等靜壓裝備HIPEX1850正式發(fā)布
[3]劉慧淵等：熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，安泰科技股份有限公司
[4]尚文靜：熱等靜壓（HIP）技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展及應(yīng)用，中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司
[5]楊樂(lè)彪：粉末高溫合金FGH4096M直接熱等靜壓近凈成形影響因素及機(jī)理研究，北京科技大學(xué)
[6]滕慶：熱等靜壓制備鎳基粉末高溫合金的工藝與組織性能研究，華中科技大學(xué)
[7]中國(guó)鋼研
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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