中國粉體網訊  熱等靜壓是一種利用高溫高壓同時作用使金屬或陶瓷制品經受各向同等壓力從而使制件得以燒結和致密化的工藝技術。它具有化學成分穩定、力學性能各向同性、結構適應性好、成本較低的優點。

熱等靜壓的前世——高溫氣壓粘結

熱等靜壓技術（HIP）的研究始于1955年，由美國Battelle研究所為研制核反應堆材料而開展的，首先用于原子能反應過程中燃料元素的擴散粘結，基于此應用，當時的研究人員賦予它一個非常普通卻直觀的名字——高溫氣壓粘結。

1963年該技術被傳入歐洲，瑞典ASEA公司用預應力鋼絲纏繞結構制造高壓容器，其結構緊湊、安全可靠，奠定了HIP技術大力發展的堅實基礎。

在熱等靜壓技術誕生10年后，第一臺熱等靜壓機的問世，標志著熱等靜壓技術設備的誕生。

20世紀60年代，研究人員利用熱等靜壓工藝，成功的將鋯合金和不銹鋼等材料包覆在二氧化鈾上，同時實現了粘結和致密化，獲得了良好的效果，這是熱等靜壓技術在工業中的首次應用。20世紀60年代中期，氣體霧化法生產粉末的研制成功，對熱等靜壓技術的發展起了推動作用。

熱等靜壓與高壓氣淬復合真空爐，來源：湖南頂立科技有限公司

熱等靜壓的今生——高效的近凈成形/致密化技術

在后面的幾十年中，各國競相開發和應用等靜壓設備，瑞典于1965年開發出結構緊湊、重量輕、體積小、安裝方便和安全可靠的熱等靜壓機后，這種現狀尤為活躍。

時至今日，熱等靜壓設備越來越智能化、自動化、大型化，熱等靜壓技術也越來越先進，成為了一種簡單、高效的近凈成形致密化技術。

熱等靜壓設備及致密化原理

熱等靜壓設備由高壓容器、加熱爐、壓縮機、真空泵、儲氣罐、冷卻系統和計算機控制系統組成，其中高壓容器為整個設備的關鍵裝置，下圖所示為典型熱等靜壓系統示意圖。

熱等靜壓系統示意圖

熱等靜壓致密化工藝是將制品放置到密閉的容器中，通過壓縮機將高壓的氬氣輸入容器內，同時通過容器內的加熱爐進行加熱，使制品同時在高溫高壓的作用下，得以致密化。

熱等靜壓技術原理圖

熱等靜壓致密化過程可以分為兩個階段，第一階段是內部缺陷和孔隙在外界壓力大于材料高溫強度的條件下發生塑性變形，缺陷和孔隙被破壞，致使內表面相互接觸在一起；第二階段在外界壓力低于材料高溫強度時，材料發生高溫蠕變，同時接觸在一起的合金表面相互滲透、擴散黏結，徹底消除缺陷和孔隙。通過這種處理，材料致密度基本接近理論密度。

熱等靜壓技術的應用

熱等靜壓技術目前不僅在鑄件處理、粉末冶金、陶瓷工業中應用，還在多孔材料、近凈成形、材料粘結、等離子噴涂、制造高端石墨等領域應用。

熱等靜壓技術應用領域和涉及到的材料

1、鑄件致密化處理

一般來說，鑄件內部都有收縮疏松和孔隙的問題，這些缺陷使材料的性能和可靠性降低，尤其是在合金材料中，這些傾向尤為突出。用熱等靜壓技術基本可以消除這些缺陷，要消除此類缺陷，還得借用包套作為傳壓介質。熱等靜壓處理鑄件的意義主要體現在下面幾方面：

(1)熱等靜壓處理后，能減少鑄件在X射線檢查和表面透射檢查時的報廢率；

(2)與未處理的鑄件相比，經熱等靜壓處理的鑄件在焊接后產生的裂紋較少，因而減少了修補焊的成本；

(3)采用熱等靜壓處理，可提高鑄造參數范圍和擴大新的鑄造合金品種；

(4)改善了疲勞強度和延性的熱等靜壓鑄件可取代價格昂貴的鍛件。

2、在粉末冶金中的應用

為了獲得均勻而細化的組織，減少材料損耗，減少后續機加工等，越來越多的粉末冶金制品采用熱等靜壓工藝進行成型及致密化。如粉末冶金高速鋼；不銹鋼，如AISI－304不銹鋼；粉末冶金高溫合金，如飛機發動機渦輪盤；各種放射用靶材；汽車用粉末冶金零件；化工用泵、閥及多通道分配管等。粉末冶金(PM)加HIP處理后的制品性能與冶煉、熱加工常規工藝的制品相比具有以下優點：

(1)材料均勻性好，無偏析，力學性能、抗腐性能好，各向同性。同時各批材料的穩定性也好。

(2)采用PM－HIP工藝制得材料的晶粒比采用常規工藝加工的細，因此可以方便地使用超聲波無損探傷進行檢驗。

(3)由于可做成最終尺寸的制品，因此用料少。據統計，采用PM－HIP工藝制得的產品其價格比常規工藝制得的產品低20%以上。

(4)由于目前PM－HIP工藝中使用的模具已經可以用鋼板焊接而成，其形狀可以任意變化，部件的設計自由度較大。

3、在陶瓷材料中的應用

熱等靜壓技術用于陶瓷材料的生產，改善了成型和燒結條件，使材料的孔隙度明顯降低，從而提高了材料的性能，并為制造陶瓷材料提供了有效方法，這些方法主要有：多孔陶瓷的高溫浸漬、擴散粘結、燒結+熱等靜壓、熱等靜壓固結粉末和熱等靜壓鍛造。

4、HIP覆層和HIP復合擴散連接

熱等靜壓覆層和熱等靜壓復合擴散連接是熱等靜壓的另一重要應用。熱等靜壓覆層技術是采用熱等靜壓技術在一種材料上制備一種具有特殊物理或化學性能的覆層，以提高其綜合性能的新技術；熱等靜壓復合擴散連接是將2種或2種以上的不同材料，在高溫高壓作用下進行擴散連接的一種新技術，涉及到的材料可以是金屬-金屬、金屬-非金屬、非金屬-非金屬，它是近幾年發展起來的，特別是在民用方面值得應用推廣的一項較好技術。

采用熱等靜壓覆層和熱等靜壓復合擴散連接的特點是：

（1）對于相同或不同的材料，能產生很強的連接界面；

（2）看不出界面，彌散均勻；

（3）界面力學性能達到母材的性能，產生均勻的顯微組織；

（4）不需要熔化母材，連接溫度一般為50％～70％熔點，同時不產生由母材熔化所引起的其它缺陷；

（5）可處理幾何形狀復雜的零件。

5、其他新領域

除了上述的主要應用領域外，HIP技術還包括如下應用：

（1）在多孔材料方面的應用，由于采用氮氣作為介質，在高溫下生成氮化物，使得HIP對多孔材料也產生作用；

（2）HIP技術與滲氮等表面處理相結合，擴大HIP功能；

（3）懸浮熔煉工藝制備高純材料可采用HIP技術，因為高壓氣體密度增加，可使熔煉物懸浮起來，實現無坩堝熔煉，從而極大地提高熔煉純度；

（4）食品工業采用HIP技術，向食品施加高壓可使食品在營養不被破壞且保持原色原味的情況下達到殺菌消毒的目的，為食品加工提供了一條新的途徑；

（5）材料粘結。材料粘結是熱等靜壓技術的最原始應用，曾獲得美國焊接學會的認可。在熱等靜壓工藝條件下能使兩種以上的同種材料或異種材料牢固的粘結在一起，成為一個整體。該粘結工藝的優點是加工費用低，粘結溫度較低，粘結區的性能與基體的性能相近；

（6）制造高端石墨產品，它把成型和焙燒合二為一，簡化了工藝步驟，節約了生產成本，降低了焙燒浸漬的次數。

總結

采用熱等靜壓致密化技術不僅能夠大幅度提升鑄件的綜合性能，同時在傳統工藝無法實現致密化的陶瓷、硬質合金等脆性材料的致密化方面也顯示出無可替代的優勢。總之，經過近70年的發展，熱等靜壓得到十足的發展，它廣泛的應用國民的生產生活中。特別是在人們對新材料、新能源高度需求的今天，HIP技術發揮了其獨特的優勢，為各行各業的科技技術水平帶來質的飛躍。

參考來源：

[1]劉慧淵等.熱等靜壓技術的發展與應用

[2]王勇兵等.熱等靜壓技術在材料致密化中的應用

[3]施輝獻等.熱等靜壓技術的若干應用及發展趨勢

（中國粉體網編輯整理/山川）

注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除