热等静压研究进展

1、热等静压研究进展粉末成形n对象粉末材料n金属、陶瓷、核原料、硬质合金、难加工材料等n粉末冶金成形的重要用途n航空、航天n汽车、摩托车n输油管道n粉末体零件（多孔或致密体）致密化？汽车产业占粉末冶金总量比例粉末冶金的应用轻型汽车中使用粉末冶金零件的质量进展粉末冶金成形方法粉末成形方法传统方法新技术模压+烧结冷等静压+烧结压坯+热等静压模压+烧结+热等静压热等静压温压高速压制技术动力磁性压制放电等离子烧结流动温压爆炸压制选择性激光熔化粉末锻造注射成形粉末成形优势n粉末冶金原材料的利用率高达95以上，远高于传统加工方式n消耗的能量为传统锻造和机械加工的43左右 据欧洲粉末冶金协会(EPMA)资料显示

2、多种致密化成形方法成本对比粉末锻造n原理n将粉末烧结的预成形坯经加热后，在闭式模中锻造成零件的成形工艺方法n特点n可得到较细的晶粒组织n具有传统粉末冶金和精密锻造的优势n可制造接近理论密度的零件，大于98相对密度n性能达到甚至超过普通锻造n成形精度高，材料利用率高，能耗少冷等静压（Cold Isostatic Pressing, CIP ）n原理n常温下，用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质对粉体材料成型n应用n为后续烧结、锻造或热等静压工序提供坯体n破坏菌体蛋白中的非共价键，超高压杀菌，食品加工 n压力n介质水、油n100 700MPa 热等静压（Hold Isostatic Pre

3、ssing, HIP ）n原理n在高温和高压同时作用下，使物料经受等静压的工艺技术 n特点与应用n粉末体的固结使传统粉末冶金工艺成型与烧结两步作业一并完成n扩散粘结n铸件缺陷的消除n高性能复杂零件的近净成形 n工况n温度500-2200，压力100-320MPan介质n惰性气体（氩气、氦气），通常用氩气n包套n通常用软钢或玻璃 粉末热等静压致密化成形原理示意图1上密封盖； 2高压缸；3屏蔽罩；4压力介质；5加热体；6包套；7粉末；8下密封盖；9泵123456897热等静压工艺优点 n制件密度高n制件密度分布均匀，制造出理论密度的致密体零件；n晶粒细小n等静压力可抑制晶粒快速增长，得到具有良好晶

4、粒尺寸的制件n力学性能好n晶粒各向同性且均匀细小，可提高制件宏观力学性能的均匀性，有助于提高制件的疲劳寿命，增强延展性、抗冲击强度及蠕变性能。 n实用范围广n可以对难加工材料（如钛合金、高温合金、钨合金、金属陶瓷等材料）以粉末热等静压的方式成形和致密化。n材料利用率高。n可以实现复杂零部件进行近净成形，减少昂贵材料的浪费，达到节约成本的目的。 热等静压技术的发展n1955年美国巴特尔(Battelle)研究所为美国原子能委员会研制核燃料元件而提出，首先应用于核燃料元素的扩散粘结研究，当时被称为“气压粘结” 。n整体筒式结构的高压缸部分是用锻压整体成形，在工作过程中，直接通过冷却水对整个筒体进行

5、冷却，整体筒的筒壁较厚，冷却效果差，长期使用，容易产生破坏，存在安全隐患，安全性差。n预应力钢丝缠绕框架式结构，当设备处于最大工作压力状态，缠绕钢丝的预应力可以消除框架承受的工作应力，并使炉体保持轻微的压紧状态。更加安全可靠，结构更加紧凑 。 HIP炉腔 n一般使用电阻式加热元件 n两种类型炉腔n高温状态含氧气氛的炉腔 n常以抗氧化的镍铬合金或铬铝钴合金为加热元件 n最高使用温度1200 n可以允许用户在高温状态对工件进行填料和卸料n热等静压周期，达到提高加工效率的优点 n使用温度较低的缺点 HIP炉腔n高温状态惰性气氛的炉腔 n以惰性气体（氩气或氮气）或氮气为传力介质 n大量使用钼和石墨为加

6、热材料 n钼具有成形方便、安装简便、易于维护等优点而得到广泛使用，炉腔最高温度为1450 n当需要更高的加热温度时，则可使用石墨作为加热元件，但是该种设备需要低电压、高电流的电源 n需要在升温前完成物料的装填 HIP快速冷却 n可实现超过100/min的均匀快速冷却 n冷却时间短，可用于热等静压淬火工艺 n降低了制造成本，提高生产效率，更节能环保 HIP设备发展世界上第一台HIP设备当前世界上最大的HIP设备（Giga-HIP）Giga-HIPn制造：美国Avure公司n使用： 2010年6月在日本Kinzoku Giken公司正式投入使用美国Avure公司n前身ABB公司n是世界上最早生产热

7、等静压设备的厂商，该公司生产的热等静压系统具有高安全性、高可靠性和高效率、规格多样化等特点 日本神户钢铁公司 型号炉腔尺寸(mm)最高温度()最高压力(MPa)加热材料气体介质HP5603806002000196石墨氩，氮HP8006001300150098石墨氩，氮HP90070025001200118铁铬铝合金氩，氩氧70025001400196钼氩HP107085037001400147钼氩HP14501220200085098铁铬铝合金氮HP15001200120095029铁铬铝合金氩，氩氧超高温热等静压设备 ：最高使用温度为3000 日本神户钢铁公司n超高压热等静压设备n1.0GP

8、a1600C n直径70mm X 高150mm n超高温热等静压设备 n3000C196MPan直径250mm X高600mm 超高压热等静压设备超高温热等静压设备国内HIP供应商n中国钢研科技集团有限公司(CISRI) n四川航空工业川西机器有限责任公司 型号炉腔尺寸(mm)最高温度()最高压力(MPa)气体介质HIP100-II1001202000200氩，氮HIP200-II2003002000200氩，氮HIP350-II3506002000200氩HIP500-II50010002000200氩HIP800-II80020002000200氩HIP1000-II10002000125

9、0或1350150氩HIP1250-I125025001250或1350150氩HIP1600-I160035001600160氩CISRI的典型HIP设备型号设备总量n全球n1983年有HIP装置350台、1984年约450台、1988年达到800台。日本从1980年到1989年的10年中，HIP设备由15台猛增到190台 n国内n1980年前仅有8台，1988年25台，1998年则达到63台，而到了2010年已经发展到近百台 热等静压的典型应用 应用主要目的典型材料应用铸件致密化消除宏、微观孔隙高温合金、Ti合金、Al合金、Cu合金、钢铁等预烧结件致密化获得全致密材料，避免晶粒过度长大WC

10、、Si3N4、Al2O3、ZrO2等陶瓷、Be合金等粉末致密化获得全致密材料，避免成分偏析，防止晶粒过度长大高速钢、陶瓷、金属间化合物、磁性材料、陶瓷超导材料等扩散连接同质、异质材料的扩散连接；涂层连接与致密化青铜-钢、镍合金-钢、陶瓷-金属其它应用消除光学材料的孔隙、化合物的合成ZnS、Sn-In-O、金属间化合物典型应用(Avure Co. )医学器械异质材料连接 近净成形 铸件处理 预成形+HIP的陶瓷件核原料镍基高温合金蠕变性能比较 合金加工条件测试条件寿命 (103 s)延伸率 (%)断面收缩率 (%)温度 (K)应力 (MPa)IN738铸造125315268.411.820.2铸造HIP1253152189.020.52