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TECHNICAL ARTICLES热等静压技术
热等静压(hot isostatic pressing,简称HIP)是一种集高温、高压于一体的工艺生产技术,加热温度通常为1000 ~
自20世纪50年代中期美国巴蒂尔(Batle)研究所为研制核反应材料而开发HIP技术以来。由于其在生产加工难度较大且质量要求较高的材料及构件中展现出*优势,受到了人们的广泛关注。经过近半个世纪的发展,随着热等静压设备性能的不断改进完善,HIP技术现已在硬质合金烧结、钨铝钛等难熔金属及合金的致密化、产品的缺陷修复、大型及异形构件的近净成形、复合材料及特种材料的生产加工等方面得到了广泛应用。
热等静压设备的结构性能
热等静压设备主要由高压容器、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采用无螺纹设计,因简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,即使当装置处于工作的zui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机在高温高压(
冷却系统采用内外循环回路设计。内循环通过管道内冷却水的流动与压力容器外壳间进行热交换。为了保护冷却系统,冷却水的质量很重要,需采用去离子水。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、时间等基本工艺参数的自动控制。该系统还配有人机对话的PC机监视子系统,用于显示在线的工作状态、故障的监测报警等。并可在循环过程中进行程序修改。对热等静压设备多方面的安全保护设计,可确保其在高温、高压条件下的安全运行。如高压阀和高压管路均能承受zui大工作压力两倍的压力;为防止过压情况的发生,在高压介质气体管路中设置了多级减压阀。并配有报警装置;当压力容器过压及过热、加热炉过热、冷却水的流量过小或水压过低时,均可进行声光报警,同时切断压缩机和加热炉。电源:采用可靠的电气、机械安全联锁等。
热等静压技术的主要应用
1 在硬质合金中的应用
20世纪60年代末。HIP技术在硬质合金生产中开始得到实际应用。人们在传统真空烧结的基础上,对硬质合金进行HIP处理,形成了真空烧结+HIP工艺。该工艺将相对密度高于92%的烧结制品。
在热等静压机中于压力为80~150MPa、温度为1320~1400~C条件下处理一定时间,使制品的致密度明显提高,孔隙度降至HIP处理前的1/20~1/100甚至更低,抗弯强度及使用寿命均显著改善。但HIP设备的设计和控制费用昂贵,维护和操作也较复杂,因此在硬质合金中应用尚不普遍。随着科学技术的不断进步,于20世纪80年代初开发了一种所需压力低于10MPa的烧结一热等静压工艺,又被称为低压热等静压或过压烧结。在烧结一热等静压这一新工艺中,将硬质合金生产的成形剂脱除、烧结和HIP致密化合并在同一设备中完成,即先用氢气作载体或通过真空分压脱除成形剂,然后于真空状态升温到烧结温度。并保温一定时间,随即通人压力为3~6MPa的氩气,再保温一定时间后进行冷却。由于烧结一热等静压所需压力仅为真空烧结+热等静压的十几分之一甚至几十分之一,且数道工序合为一体。因此生产成本大为降低。更为重要的是,烧结一热等静压新工艺比HIP处理更能有效提高产品质量,故现已成为生产高质量硬质合金的主要手段。热等静压在大尺寸硬质合金制品的生产中具有明显优势翻。如对于单压源人造金刚石压机用的直
径大于
用烧结一热等静压工艺,株洲硬质合金厂已成功地生产出单件质量为1
2.在钨、钼、钛等难熔金属中的应用
钨合金因具有高密度、高强度、热膨胀系数低等良好的综合性能。在高科技领域中得到广泛应用。如w—Ni—cu系钨合金因其非磁性而被广泛用作陀螺仪的外缘转子材料。随着导航技术的不断提高,陀螺转速从2xl04r/rain提高到10xl04r/rain。故对用作外缘转子材料的w—Ni—Cu系钨基高密度合金也提出了更高的物理、力学性能要求。由于钨基高密度合金与硬质合金烧结制品类似,同属典型的液相烧结,因此经HIP处理可有效改善和提高其物理、力学性能。中南大学粉末冶金国家重点实验室的研究表明阁,对于82W—Ni—Cu(Ⅱ)合金,将烧结态制品在1120~C(即略高于合金中低熔点组分Cu的熔点
HIP在提高钛合金铸件质量方面* 。*,钛具有比强度高、温度适应范围宽、耐蚀性强等特点,是航空、航天工业中*的重要材料。如1ri6一Al一4v合金常用作飞机发动机过渡罩、发动机风扇等大型结构件。为了提高钛合金铸件性能,波音公司、洛克希德公司及道格拉斯公司等的研究表明,钛合金精密铸件在HIP后再经适当的热处理可使其性能达到锻件水平(包括塑性和抗疲劳性能)。
3 在特种陶瓷等新材料中的应用
特种陶瓷包括结构陶瓷和功能陶瓷。为增强陶瓷的韧性,通常在陶瓷基体中引入纤维或晶须,然而在传统的烧结过程中因需要很高的烧结温度和较长的烧结时间,往往会使纤维和晶须发生表面强度的退化,甚至与基体发生化学反应,失去补强增韧的作用。采用热等静压烧结工艺,则大大降低了烧结温度和保温时间,可获得性能优异的纤维或晶须补强陶瓷基复合材料。如采用热等静压烧结工艺,在
采用热等静压工艺。上海硅酸盐研究所已制备出单相和复相纳米结构陶瓷。其研究表明,在温度为
为提高金属的耐高温性能和抗腐蚀性,利用等离子技术在金属表面涂覆一层陶瓷所形成的金属一陶瓷复合材料,因界面主要为机械结合,且涂层内存在大量气孔,故影响材料的抗冲击性能和抗腐蚀性。如果将表面喷涂有陶瓷涂层的金属材料加上包套并真空密封后进行热等静压处理。不仅可实现陶瓷涂层的*致密,而且在陶瓷涂层与金属基体间由于扩散作用将形成一层金属陶瓷相。从而实现涂层与金属间的冶金结合,使得该复合材料具有理想的结合强度和优良的综合性能。
前景展望
经过30多年的努力,我国HIP技术从无到有、从小到大得到了迅速发展。在成形烧结、金属致密化及扩散连接等方面做了大量的研究开发工作,应用规模不断扩大。用于研究和生产的HIP设备由1980年的仅8台增至2000年的约8O台。且随着对引进设备和技术的消化吸收,现已具备设计和制作“双两千”200MPa,