國之重器關鍵技術！一文讀懂什么是熱等靜壓（HIP）材料成型

作者|iVacuum 來源|iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)

熱等靜壓法作為材料現代成型技術的一種，是等靜壓技術一個分支。等靜壓是粉末冶金領域的一種技術，已有近百年歷史。等靜壓技術按其成型和固結溫度的高低，通常劃分為冷等靜壓、溫等靜壓、熱等靜壓三種。

近幾十年來，隨著科學技術的進步，特別是熱等靜壓的發展，等靜壓技術不再只是粉末冶金的專用技術，它的應用已經擴大到了原子能工業、制陶工業、鑄造工業、工具制造、塑料和石墨等生產部門。隨著其應用范圍日益擴大，作用和經濟效益的不斷提高，熱等靜壓法已經成為一種極其重要的材料現代成型技術 。

什么是熱等靜壓  

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP）是在高溫高壓密封容器中，以高壓氣體為介質，對其中的粉末或待壓實的燒結坯料（或零件）施加各向均等靜壓力，形成高致密度坯料（或零件）的方法。

該法采用金屬、陶瓷包套（低碳鋼、Ni、Mo、玻璃等），使用氮氣、氬氣作加壓介質，使粉末直接加熱加壓燒結成型；或者將成型后的鑄件，包括鋁合金、鈦合金、高溫合金等縮松縮孔的鑄件進行熱致密化處理。通過熱等靜壓處理后，鑄件可以達到100%致密化，提高鑄件的整體力學性能。其成型過程如下圖： 

▲熱等靜壓法成型過程

由于熱等靜壓法在高溫下對工件施加各向均等靜壓力成型，使其與傳統工藝相比如下優點： 

丨在很低的溫度下粉末便可固結到很高的密度

丨可以壓縮形成型狀復雜的工件

丨經過熱等靜壓的工件具有一致的密度

丨高的氣體密度可以促進熱交換，提高加熱速度，縮短循環時間

丨由于非常一致的加熱，脆性材料也可被壓縮成型

工作過程與原理  

熱等靜壓法的一般工藝周期如下：

● 將粉末或粉末壓坯裝入包套中，抽去吸附在粉末表面、粉末間空隙和包套內的氣體；

● 將包套真空密封后置于有加熱爐的壓力容器中；

● 密封壓力容器后泵入惰性氣體（即傳壓介質）至一定壓力；

● 升溫至所需溫度，因氣體體積膨脹，容器內的壓力也升至所需壓力，在高溫、高壓共同作用下完成成形和燒結；

● 用機械或酸浸方法除去包套，得到制品。

粉末填充一般在真空或惰性氣體氛圍中進行。為了提高填充粉末的密度，包套要不停的震動。為了得到統一的收縮，則需要填充粉末的密度應不低于理論密度的68%。填充后包套要抽真空并密封，這是因為熱等靜壓過程是通過壓差來固結被成型粉末和材料的，一旦包套密封不嚴，氣體介質進入包套，將影響粉末的燒結成型。

另外，真空密封可以去除空氣和水，防止氧化反應和阻礙燒結過程。

▲熱等靜壓工藝處理材料前后對比

熱等靜壓法的主要原理是帕斯卡原理，即在一個密封的容器內，作用在靜態液體或氣體的外力所產生的靜壓力，將均勻地在各個方向上傳遞，在其作用的表面積上所受到的壓力與表面積成正比。在高溫高壓作用下，熱等靜壓爐內的包套軟化并收縮，擠壓內部粉末使其與自己一起運動。 

高溫高壓同時作用下的粉末的致密化過程與一般無壓燒結或常溫壓制有很大差異。其致密化過程大致分為以下三個階段： 

▲粉末致密化過程

? 粒子靠近及重排階段 

在加溫加壓開始之前，松散粉末粒子之間存在大量孔隙，同時由于粉末粒子形狀不規則及表面凹凸不平，他們之間多呈點狀接觸，所以與一個粒子直接接觸的其它粒子數（粒子配位數）很少。當向粉末施加外力時，在壓應力作用下，粉末體可能發生下列各種情況：隨機堆疊的粉末將發生平移或轉動而相互靠近；某些粉末被擠進臨近空隙之中；一些較大的搭橋孔洞將坍塌等。由于上述變化的結果，粒子的臨近配位數明顯增大，從而使粉末體的空隙大大減少，相對密度迅速提高。 

? 塑性變形階段 

第一階段的致密化使粉末體的密度已有了很大的提高，粒子之間的接觸面積急劇增大，粒子之間相互抵觸或相互楔住。這是要使粉末體繼續致密化，可以提高外加壓力以增加粒子接觸面上的壓應力，也可升高溫度以降低不利于粉末發生塑性流動的臨界切應力。如果同時提高壓力和溫度，對繼續致密化將更加有效。當粉末體承受的壓應力超過其屈服切應力時，粒子將以滑移方式產生塑性變形。 

? 擴散蠕變階段 

粉末粒子發生大量塑性流動后，粉末體的相對密度迅速接近理論密度值。這時，粉末粒子基本上連成一片整體，殘留的氣孔已經不再連通，而是彌散分布在粉末基體之中，好像懸浮在固體介質中的氣泡。這些氣孔開始是以不規則的狹長形態存在，但在表面張力作用下，將球化而成圓形。殘存氣孔在球化過程中其所占體積分數也將不斷減小。粒子間的接觸面積增大到如此程度，使得粉體承受的有效壓應力不再超過其臨界切應力，這時以大量原子團滑移而產生塑性變形的機制將不再起主要作用，致密化過程主要單個原子或空穴的擴散蠕變來完成，因此整個粉末體的致密化過程緩慢下來，最后趨近于以最大終端密度值 。

值得注意的是上述三個階段并不是截然分開的，在熱等靜壓過程中它們往往同時起作用而促進粉體的致密化，只是當粉末體在不同收縮階段，由不同的致密化過程起主導作用。 

熱等靜壓設備  

1965年美國Battelle研究所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。

熱等靜壓設備由高壓容器、加熱爐、壓縮機、真空泵、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。 

▲熱等靜壓設備系統原理示意圖

熱等靜壓應用領域及發展  

在發動機制造中，熱等靜壓機已用于粉末高溫合金渦輪盤和壓氣盤的成型：把高溫合金粉末裝入抽真空的薄壁成形包套中，焊封后進行熱等靜壓，除去包套即可獲得致密的、接近所需形狀的盤件。粉末熱等靜壓材料一般具有均勻的細晶粒組織，能避免鑄錠的宏觀偏析，提高材料的工藝性能和機械性能。粉末高溫合金熱等靜壓或熱等靜壓加鍛造的盤件已在多種高推重比航空發動機上應用。

同樣，熱等靜壓還用于制造粉末鈦合金風扇盤和飛機上的粉末鋁合金和粉末鈦合金承力構件。在航天器制造工業中，熱等靜壓主要用于制造致密的碳質結構件，如火箭的舵面和固體火箭發動機噴管喉襯等。

各種合金的精密鑄件，如高溫合金渦輪葉片，鑄鈦機匣以及渦輪增壓器的鋁合金鑄件等，經熱等靜壓致密化處理可消除內部疏松和縮孔，提高性能、可靠性和使用壽命。熱等靜壓還是返修舊件以延長使用壽命的一種有效方法。

在美國、日本以及歐洲，熱等靜壓工藝都實現了產業化，在海洋，航空，航天，汽車等領域應用。我國該技術起步較晚，普及率仍然較低，主要集中在航空航天高性能材料的研發及鑄件的致密化處理。

2005年，川西機器公司采用國內領先的高溫高壓快速冷卻、真空與超高壓隔離、超高壓工作缸等13種關鍵技術，經過3年多的刻苦研制和技術攻關，成功地交付當時國內最大的熱等靜壓機。該熱等靜壓機的投入使用，填補了國內大型熱等靜壓技術的空白，為航空、航天、核工業、電子、冶金、船舶等領域的高溫高強合金、功能陶瓷、復合材料、超硬材料等高新技術材料制品的研制和生產創造了條件。 

2008年7月份，由鋼鐵研究總院制造的亞洲最大的熱等靜壓機(φ1250x2500mm，1350℃，150MPa)安裝調試成功，并正式投入運行。

與此同時，國外也在不斷創新熱等靜壓設備，向著更大更精的方向邁進。2012年，瑞典的 Avure Technologies 在橫濱舉行的粉末冶金世界大會和展覽會上，宣布了下一代大型熱等靜壓系統：TeraPi。該系統的首個模型具有超過3m的有效熱區直徑和5m的高度。  

2021年，由江豐電子和川西機器聯合自主研制的超大規格熱等靜壓設備投產，設備有效熱區工作高度4.5米，直徑1.25米，最高加熱溫度可達1500℃，最大壓力可達2000個大氣壓，相關技術參數均達到國際先進水平，成為制備高端液晶面板用大尺寸鉬合金靶材、粉末冶金材料及航空航天等關鍵材料必備的國之重器。

隨著材料科學的不斷發展，熱等靜壓技術在現代生產技術中已經占據了越來越大的比重。人們越來越多地采用HIP技術進行新材料的制備，如金屬基陶瓷、碳/碳復合材料、硬質合金、鎢鉬制品、稀有難熔金屬等產品等。熱等靜壓技術也越來越多地滲透到更多的技術領域，并憑借其特有優勢，將會在新材料、新能源的發展空間中發揮更為廣闊的作用。 

參考文獻

[1] Avure Technologies launches its new TeraPi Hot Isostatic Press,a Tera-sized HIP,at World PM2012 Yokohama,source：Powder Metallurgy Review；

[2]  材料加工方法——熱等靜壓法簡述，作者：賽億快速制造；

[3]  江豐電子超大規格熱等靜壓設備正式投產，來源：搜狐新聞；

[4]  圖片及部分文字來源于百度百科

編者按：本文轉載自微信公眾號：iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)，作者：iVacuum