等静压技术及其应用

1、等静压技术及应用1.等静压技术21.1等静压技术的介绍及发展情况21.2等静压技术的应用42.冷等静压技术42.1冷等静压在陶瓷中的应用52.2在粉末冶金中的应用62.3冷等静压技术在食品加工行业中的应用83.热等静压93.1热等静压技术在硬质合金中的应用103.2在粉末冶金中的应用113.3在陶瓷中的应用12等静压技术1.1等静压技术的介绍及发展情况等静压成形技术是一种利用密闭高压容器内零件受到各向均等的超高压压力状态进行成形的先进制造技术，根据静压力基本方程(p=p+pgh)，盛放在密闭容器内的液体，其外加压强p。发生变化时，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，液体中任一点的压强均将发生同

2、样大小的变化。这就是说，在密闭容器内，施加于静止液体上的压强将以等值同时传到各点，这就是等静压成形的原理。目前等静压技术的应用领域主要集中在粉末高压固化烧结、扩散连接及组件扩散连接等领域。其分类也根据产品成形温度的不同分为冷等静压技术（常温，一般使用压力为100 630MPa）、温等静压技术（温度一般在80120下，压力为300MPa左右）热等静压技术（工作温度一般为10002200 ，工作压力常为100200MPa。）。等静压技术作为一种先进成形技术，与传统的成形技术相比具有明显的优势，主要集中在：第一等静压成形的产品，具有密度高而分布均匀、产品内部不存在气泡、成品晶粒间显微孔隙度很低，其力

3、学性能与电性能均比别的成形方法好。第二等静压制品几乎无内应力，压坯可以直接进窑烧结，不会翘曲与开裂。第三制作长径比（长度与直径之比）很大的产品是轻而易举的事，而其他方法是则是事倍功半或者无法实现。第四制作高熔点、高硬度材料的大型产品及形状复杂的产品。第五等静压成形的坯体比其他成形方法制得坯体烧成温度低并且不会污染高纯度的压坯材料由于等静压技术有着传统材料成形方法所无法比拟的优点，并且随着新材料新工艺的不断出现，使得等静压设备的需求不断增加，其产品的应用领域不断扩大，特别是1955 年美国巴特尔研究所为了研制核反应堆的材料而开发了热等静压应用技术以来，经过7080年代，各国开始的高技术热潮也有力

4、地推动了HIP 技术的发展，将热等静压技术作为陶瓷、高温合金、复合材料成形的一种重要的工艺手段。 在美国、日本、瑞典等国都已进行工业化生产。为了适应新工艺的要求, 同时开发出了高温HIP、超高压HIP、O2 HIP、浸渍H IP、烧结HIP等多种特殊用途的HIP 设备。由于HIP 技术的迅速发展, 在80 年代世界各国投入使用的HIP 设备迅速增长。据统计, 从19551975 年的20 年间, 全世界HIP 设备台数共为99 台, 而19831988 年的5年间, 平均每年投入使用的HIP 设备达90 台。这也从一个侧面反映了HIP 迅猛发展之趋势。等静压产品也开始进入了重要的工程项目，例如

5、，近海油气田的开发中，瑞典粉冶公司向北海油田提供了1500 吨HIP 产品，西欧、北美、日本和俄罗斯共同建造的2000兆瓦核聚变反应堆广泛采用了HIP 制品，其中仅第一壁的结构重量就达4100 吨。我国等静压技术的研究起步较晚，热等静压技术的研制与开发始于60 年代。经过30 多年的努力, 今天在研究、开发与应用方面均已形成一定的规模。在粉冶高温合金、粉末高速钢以及高温合金铸件的致密化处理等领域，国内的有关科研机构做了大量的基础性研究，同时用于研究和生产的HIP 设备也迅速地加了, 以不低于152%的速度从1988 年的25 台跃增至1998 年的63 台，30 多年来, 我国等静压技术虽取得

6、了可喜的成绩和得到了迅速的发展，但在总体水平上仍落后于西方发达国家。图1 HIP设备的应用领域1高温合金, 2硬质合金, 3陶瓷, 4合成材料5扩散粘结, 6铸件致密化, 7Be 材, 8其他图2 HIP ( 包括烧结- HIP ) 设备数量的增长1.2等静压技术的应用等静压技术初期主要应用于粉末冶金的粉体成型；尤其是发动机整体叶盘制造，在航空航天领域具有重要的意义。现代航空发动机的结构设计和制造技术是发动机研制、发展、使用中的一个重要环节，21世纪，高推重比发动机要求减轻结构重量，降低研制和制造成本，为满足这一苛刻的要求，必须更新制造技术和改善加工工艺，在提高发动机可靠性和维护性的同时，尽可

7、能提高发动机的推力和推重比，减轻重量。超高压等静压成型技术为利用特种轻质高性能材料实现发动机整体、轻量化成型提供了契机，为我国以F119、F120、EJ200 为标志第四代战斗机和大型飞机制造给予重要的技术支持。如图3 为利用等静压技术压制的粉末钛合金叶轮。同样，等静压技术在民用油泵等叶轮的制造上发挥出色，显著提高叶轮在低温下的力学性能。此外，等静压技术可广泛应用于陶瓷、铸造、原子能、工具制造、塑料和石墨等领域，在零件致密化处理和复合、连接方面具有卓越的表现。图3等静压技术制造的粉末钛合金叶轮2.冷等静压技术冷等静压技术是在常温下实现等静压制的技术，通常以橡胶或者塑料作为包套的模具材料，以液体

8、或弹性体（塑料、橡胶）为压力介质，压力可以达到600MPa。冷等静压技术克服了普通模压技术产生形状畸变等弊端，使冷等静压的压坯密度高而且均匀，收缩量小，形状也容易控制，其应用范围已经从难容金属、硬质合金扩大到其他的粉末冶金领域。由于冷等静压工艺成形压坯的尺寸只受高压缸内腔尺寸的限制，不需要受到普通模压压力机总压力的控制，所以采用冷等静压技术可以成形大尺寸的压坯。利用冷等静压技术通过塑性包套的模腔或者刚性模件构成的模腔可以成形复杂形状的压坯。2.1冷等静压在陶瓷中的应用目前，冷等静压技术已经应用在陶瓷工业中，包括耐火砖、陶瓷管、氧化铝灯管、氧化铝研磨球等，如图4所示。 a） b）c) d)图4

9、冷等静压成形的陶瓷产品 （a 氧化铝研磨球b 钛酸铝生液管 c 高压电磁绝缘子 d 陶瓷真空灭弧室）其国内应用的产品如下表所示表一名称材料尺寸批量备注97%氧化铝陶瓷天线罩Al2O3陶瓷外径 210，孔径 200，高500(mm)圆锥形，壁厚为45mm (变化值)，公差尺寸0.03mm国内可批量生产经冷等静压成形带伞棱的97 氧化铝陶瓷高频端子绝缘瓷套Al2O3陶瓷200×470×100(ram)(外径×孔径×高度)国内可批量生产采用冷等静压成型，经烧结，切削修坯，高温 1 730烧成，磨削加工高铝陶瓷热电偶保护管长达 l000mm壁厚 lmm，外径 2

10、550mm经冷等静压成形高压钠蒸气放电灯管Al2O3陶瓷长为250ram，壁厚只有0.6mm 冷等静压成形壁厚公差控制在01mm以内多孔陶瓷管平均粒径220m的刚玉粉60mm×40mm×1000mm山东理工大学研制采用冷等静压成型法，经过1400烧成热电偶保护套管氮化硅陶瓷长为700mm，外径28mm，内径16mm西北工业大学研制冷等静压成形，采用阶梯式烧结2.2在粉末冶金中的应用冷等静压技术广泛用来制做尺寸大，形状复杂，性能要求严格的硬质合金轧辊，人造金刚石用顶锤，硬质合金刀具等。还广泛用来成形高径比大的各类粉末材料，如钨、高速钢、铍、铝等棒状、管状不同尺寸形状的坯件，从

11、而保证了这些材料的性能，发挥了粉末冶金与冷等静压技术相结合的优越性。如图5所示为用金属粉末采用冷等静压法所压制成的各种高精度刀具预制成形毛坯。图5 金属粉末采用冷等静压法所压制成的各种高精度刀具预制成形毛坯。其在粉末冶金方面的应用如下表所列表二 名称材料尺寸批量备注高速钢复合轧辊2. 5C-5Cr-M o-V系400500x700国内可生产经冷等静压成形硬质合金六面顶锤YC6硬质合金粉末l13×92mm， l02×102mm国内可生产经冷等静压成形，经整形后，用常规粉末 冶金方法烧结双金属管外径34 146mm 壁厚3.5mm，衬里厚度2mm。用气体喷雾法得到的粉末封装，冷

12、等静压压制，再进行热挤压。粉末冶金钛过滤管钛粉末90mm×5mm×800mm经冷等静压成形电流引线Bi-22230.27cm×0.86cm×5.5cm采用CIP和热压结合制造2.3冷等静压技术在食品加工行业中的应用用于食品的低温杀菌和灭酶，采用冷等静压高静压处理，只对蛋白质和酶类的分子立体结构中非共价键的结合产生影响，对其它的风味物质、色素、维生素等没有影响，在杀菌和灭酶的同时保持了食品原有的味道和色泽。如：高静压加工后的果汁保持了95以上的维生素含量，而热加工后的果汁只有72一78。开发新型食品方面，由于高静压处理对食品的蛋白质、脂类、多糖等主要成分有

13、不同程度的作用，可以改善其功能特性，生产出属性不同的新型食品。食品中的蛋白质经过高静压处理后发生变性，形成凝胶，其组织结构、凝胶强度、外观、口感均比热处理形成的凝胶要好。如：鸡蛋经500MPa压力处理后产生凝固，与热处理煮熟的鸡蛋不同，味道特别鲜美，蛋黄富有弹性，且呈鲜黄色，营养成分几乎没有变化；将鳕鱼糜、青鳕和拉丁鱼在400MPa下处理10min，均可制成外观细腻、口感很好的鱼糕；高静压还可以使牛肉组织嫩化，可以考虑利用高静压的冷加工特色，将鱼肉、猪肉、牛肉、羊肉等肉片加压处理，一方面杀菌，另一方面使之肉类组织结构和形状得到改善，生产出便于食用的方便食品(可佐以微波烹调、或简单加热)。 图6

14、 超高压饮料、海产品等食品加工3.热等静压作为等静压成形技术的一种，超高压热等静压技术是在高温下利用各向均等的静压力进行压制的工艺方法，是一种重要的材料成形手段。该方法采用金属或陶瓷包套（低碳钢、Ni、Mo、玻璃等），使用氮气、氩气作加压介质，使材料热致密化。优点在于集热压和等静压的优点于一身，成形温度低，产品致密，性能优良。同时该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点。目前，热等静压主要应用于：热等静压粉末的固结，包括高速钢粉末、高温合金粉末、钛合金粉末、陶瓷材料粉末等；热等静压铸件的处理，主要包括高温合金铸件、铝合金铸件、钛合金铸件；热等静压的扩散连接，主要包括同种金属的粘结

15、、异种金属的粘结、金属与金属氧化物的粘结以及金属基复合材料的制备。热等静压成形技术有着极大地应用潜力，在复杂形状零件或者近净形状零件的加工、新合金的制备、非晶态材料及复合材料的处理以及金属表面涂层等方面，将会很有前途。在发动机制造中，热等静压机已用于粉末高温合金涡轮盘和压气盘的成型。把高温合金粉末装入抽真空的薄壁成形包套中，焊封后进行热等静压，除去包套即可获得致密的、接近所需形状的盘件。粉末热等静压材料一般具有均匀的细晶粒组织，能避免铸锭的宏观偏析，提高材料的工艺性能和机械性能。粉末高温合金热等静压或热等静压加锻造的盘件已在多种高推重比航空发动机上应用。同样，热等静压还用于制造粉末钛合金风扇盘

16、和飞机上的粉末铝合金和粉末钛合金承力构件。在航天器制造工业中，热等静压主要用于制造致密的碳质结构件，如火箭的舵面和固体火箭发动机喷管喉衬等。经热等静压致密化处理可消除各种合金的精密铸件，如高温合金涡轮叶片和铸钛机匣等内部疏松和缩孔，提高性能、可靠性和使用寿命。热等静压还是返修旧件以延长使用寿命的一种有效方法。大多数生产型热等静压机的加热温度通常为10002000，最大压力在100200MPa(10002000大气压)之间。a) b）图7 热等静压的产品 （a通过热等静压复合扩散连接制备的大尺寸复合轧辊 b通过热等静压覆层技术制备的复合材料）3.1热等静压技术在硬质合金中的应用20世纪60年代末

17、，HIP技术在硬质合金生产中开始得到实际应用。人们在传统的真空烧结基础上，对硬质合金进行了热等静压处理，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80150MPa、温度为13201400条件下处理一段时间，使制品的致密度明显提高，孔隙度降至HIP处理前的1/201/100,甚至更低，抗弯强度及使用寿命均明显改善。但HIP的设备设计和控制费用昂贵，维护和操作也比较复杂，因此在硬质合金中的应用尚不普遍。其产品应用如下：表三名称材料尺寸批量备注硬质合金六面顶锤YC6硬质合金粉末l13×92mm， l02×102mm国内可生产经冷等静压

18、成形，经整形后，用常规粉末 冶金方法烧结硬质合金压缸YC10硬质合金粉末内径50，外形173×144mm国内可生产热等静压成形，处理的温度为13401360，压力80100MPa，在氨气氛 中保温保压 2h硬质合金复合辊环碳化钨粉和钴粉450真空脱气1.5小时，封焊后100MPa，1150下保温保压2小时硬质合金钎头K61040四川沪沽铁矿热等静压工艺 3.2在粉末冶金中的应用粉末高速钢的研制成功被称之为冶金领域的重大事件，现已经成为高速钢的新分支，60年代中期，瑞典ASEAStora公司就采用ASP工艺生产出全致密化高速钢锭，每个钢锭重达3吨以上，该公司建立了自己的高速钢系列，这些

19、材料特别适合用做高性能刀具、模具和精细刀具；在粉末高温合金成形领域中由于一系列的粉末冶金技术，如无污染的雾化技术、热等静压、等温锻造、快速冷凝、机械合金化等在这个领域的应用，使其工艺相当成熟，前景一派光明，MA6000E等型号的粉末合金的高温性能，已经超过了最好的泵叶片材料其应用的产品如下表四名称材料尺寸批量备注高速钢复合轧辊2. 5C-5Cr-M o-V系400500x700国内可生产加热温度在1000以上, 压力控100MPa以上Vinci液氢涡轮泵叶轮Ti-6Al-4V叶轮抽液速度为600 m/s,涡轮在20 K、14 MPa压力下旋转速度为100000r/minAubert & Duval公司热等静压成形3.3在陶瓷中的应用陶瓷材料具有力学强度大，抗氧化性强，耐磨损性好，热膨胀系数小、硬度高以及耐高温抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，因此在工业中得到了广泛的使用，机械行业中已被成功的用作各种轴承、切削刀具和机械密封部件。但是对于碳化物、氮化物和硼化物等非氧化性工程陶瓷，由于其强的共价键，使得烧结时扩散速率非常低，因而可烧结性很差。随着热等静压技术的不断发展，很好的克服了陶瓷材料在成形时存在的难点问题，引起了许多陶瓷工作者的极大兴趣。热等静压技术在陶瓷材料中的应用如下表五名称材料备注铁氧体