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热等静压——不仅仅是一种高效的成型技术！

来源：时间：2023-12-03 15:52:19 浏览：5917次

01

热等静压设备与技术原理

1 .热等静压工艺与设备

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。图1为热等静压系统示意图。

图1热等静压系统示意图

热等静压技术的工艺是：将制品放置到高压容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化，图2为热等静压工艺原理图。

图2热等静压工艺原理图

2 .热等静压的致密化作用机理

通常来说，合金在热等静压机中高温高压作用下内部疏松等孔洞类缺陷会发生塑性变形及蠕变行为，进而在塌陷区表面发生扩散行为完成孔洞愈合，使合金更加致密。

Wasielewski等认为热等静压处理过程是一个蠕变——扩散相结合的过程，首先应力引起蠕变变形而消除孔隙，孔隙表面相互接触，随后发生扩散结合，但是对于具体的闭合过程没有展开分析。张善勇等认为热等静压的致密化过程不是扩散蠕变机制占主导作用，占优势的致密化机制是位错蠕变机制。根据位错理论，在高的压力和内部存在空洞的条件下，位错将移向内部空洞的内表面，由于位错逸出而造成原子空缺，则空缺两侧的原子所受到的力不能保持平衡，微孔将逐渐压缩减小。此外，微孔附近区域内，材料受力并不是各向相等的，而是存在指向微孔的不为零的合力，同样也能引起位错向微孔表面运动，从而达到致密化的目的^[3]。

02

热等静压技术的应用

目前热等静压工艺已经在制取高性能粉末冶金及陶瓷制品和提高铸件致密化方面获得了确认。表1为现阶段热等静压技术的应用领域和涉及到的材料。

表1热等静压技术应用领域和涉及到的材料

1 .热等静压在粉末冶金中的应用

1.1 镍基合金领域

（1）随着航空发动机技术的快速发展，要求等轴晶高温合金铸件组织细晶化、均匀化、低缺陷以及高精度。然而传统精密铸造工艺使铸件在获得细小均匀的等轴晶的同时容易引起欠铸、疏松、晶粒粗大等缺陷，合格率降低。因此，热等静压处理便成为消除等轴晶高温合金铸件疏松、提高其性能的最好措施之一。等轴晶高温合金出现后诞生了定向凝固高温合金，通过控制铸型中合金熔体凝固方向，生成的几乎相互平行的柱状晶定向凝固高温合金的力学性能较普通多晶铸造高温合金已实现大幅提高，但是铸造过程形成的微孔缺陷依然损害着合金的综合性能，从而热等静压技术在镍基定向凝固高温合金应用也愈加广泛。

（2）镍基单晶高温合金是目前先进航空发动机和燃气轮机涡轮叶片的主要材料，相较其他铸造高温合金，采用熔模精密铸造及定向凝固方式成型的单晶高温合金完全消除了晶界，显著降低铸件内部疏松形成倾向，但是生成的孔洞缺陷依然会在合金服役时发展为裂纹源而降低合金力学性能。目前国外采用热等静压技术提升单晶高温合金铸件致密性的研究相对成熟，并且热等静压技术在二代单晶高温合金上得以工程化应用，而国内在此领域的热等静压技术研究与应用还较少。

1.2 钛基合金领域

选取高性能的钛合金粉末，并加以严格的生产工艺控制，最终得到的热等静压粉末冶金钛合金构件的力学性能已经接近或部分优于锻造钛合金。优异的力学性能一方面由于在高温均质压力下，零件致密度高、均匀性好；另一方面烧结温度在β相相变点以下，可以将钛合金粉末制备过程中快速凝固形成的细小组织充分保留，最终得到的材料晶粒细小均匀。

粉末冶金热等静压技术由于其较高的材料利用率、接近锻件的综合力学性能受到了国外学者的广泛关注。但受到技术水平的限制，核心技术主要集中在欧美、俄罗斯、日本等发达国家手中。我国在钛合金热等静压粉末冶金领域起步较晚，但随着航空航天和军事领域的迫切需求，北京航空材料研究院、航天材料及工艺研究所、中科院金属所、华中科技大学等科研院校近几年在粉末冶金热等静压领域取得了大量的成果。

1.3 钨基合金领域

钨及其合金具有许多优异的特点，如密度大、耐高温、易导热、热膨胀系数小以及耐腐蚀等，因此，钨及其合金在航空、航天、国防军工及电子等领域得到了大范围的应用。

（1）热等静压工艺能够明显提高铸件的致密化程度，提升合金的性能，适用于钨合金等高熔点材料。通过热等静压技术能够更好地强化钨合金，得到晶粒更小的钨晶粒，使其具有更好的性能。Martínez等通过机械合金化和随后的热等静压固结，获得了含有La₂O₃或Y₂O₃的超细晶高密度W–Ti和W–V合金，这些合金拥有更高的弯曲强度和断裂韧性。刘国辉等利用热等静压技术对90WNiFe复合粉末进行处理，得到了粒度小于5μm、相对密度达99.82%的钨合金材料。除此之外，研究人员还发现相对于常规钨合金，通过热等静压技术制备的细晶钨合金拥有更优的动态力学性能。

（2）热等静压扩散连接是固相扩散连接的一种，连接过程中不发生材料的熔化，因此可以将两种熔点相差很大的材料连接起来。由于温度和压力的作用，材料表面的原子相互扩散，在界面处产生了局部变形，从而实现材料在固态下连接到一起。热等静压扩散连接工艺能够实现钨合金与高性能材料的连接，但目前关于钨合金热等静压扩散连接领域的研究集中在工艺参数对接头组织的性能影响和连接之后接头的性能强度测试方面。关于热等静压扩散连接系统性的理论研究还有待进一步发展。

2.热等静压在陶瓷中的应用

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，使材料的孔隙度明显降低，从而提高了材料的性能，并为制造陶瓷材料提供了更多方法，这些方法主要有：多孔陶瓷的高温浸渍、扩散粘结、烧结+热等静压、热等静压固结粉末和热等静压锻造。

热等静压烧结与无压烧结和热压烧结相比，具有许多突出的优点：

①可以直接从粉体制得大尺寸和形状复杂的陶瓷制品；

②能制备出微观结构均匀且几乎不含气孔的致密陶瓷，可显著改善陶瓷的各种性能，尤其是高温强度、抗蠕变性和耐氧化性等；

③可以降低烧结温度，并能有效地抑制材料在高温下发生很多不利的反应或变化，例如晶粒的二次结晶和高温分解等。

李树先、朱德贵对常压预烧结(1350℃×4h)后的3Y－TZP陶瓷试样进行热等静压烧结，系统研究烧结温度和压力对陶瓷的烧结性能、力学性能以及相组成的影响。

结果表明，在高温、高压下对3Y－TZP陶瓷进行热等静压烧结，温度比压力的影响更显著。从而得到一个最佳的热等静压烧结制度：1300℃，1h，压力150MPa，此时试样达到最佳力学性能。

3.热等静压在聚合物成型中的应用

采用传统的模压、挤出等工艺成型聚合物材料时，材料内部有粒子边界的存在，不能成型出各向同性的均质制品；同时，成型时的剪切应力也会减小材料的平均分子量，严重地影响材料的性能。采用热等静压成型时，温度和压力的交互作用使材料内部出现微小的流动，消除材料内部的孔隙和裂纹，避免了取向性熔融流动，消除了残余应力因而得到了性能良好的产品。

4.热等静压在铸件的致密化处理中的应用

热等静压在铸件致密化处理方面的应用研究开发较早，是热等静压应用较成熟和完善的领域。通过热等静压处理，可以不破坏铸件本身，并能有效地去除铸件内的缺陷和孔隙。1976年，Howmet公司首先开始把热等静压技术用于宇航工业，因为热等静压处理的铸件能满足关键、高应力场合的应用。如今天，热等静压技术的应用领域已经迅速扩大到航空领域应用的发动机，发电工业应用的汽轮机透平、涡轮等重要零部件，飞机或民用的铝合金、钛合金结构件，汽车（涡轮增压轮、柴油机阀杆和传感器支座），医药（置换器），石油（阀体），以及化学加工，生物工程中人工关节的铸件致密化处理方面。热等静压工艺应用的迅速发展，也导致了燃气轮机工业标准的深化，这些标准要求消除精铸件中的收缩气孔率，如日益复杂的叶片翼型生产。涉及到的材料包括钛及钛合金、铝及铝合金、不锈钢铸件、高温合金铸件等。

5 其它应用

除了上述的主要应用领域外，热等静压技术还包括如下应用：①在多孔材料方面，由于采用氮气作为介质，在高温下生成氮化物，使得热等静压对多孔材料也产生作用；②在等离子喷涂方面，可以通过热等静压技术或者烧结——热等静压技术来排除少量残余气孔以满足高性能需求。

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