hip(国之重器关键技术！一文读懂什么是热等静压（HIP）材料成型)

国之重器重要武艺！一文读懂什么是热等静压（HIP）质料成型

热等静压法作为质料古代成型武艺的一种，是等静压武艺一个分支。等静压是粉末冶金范畴的一种武艺，已有近百年汗青。等静压武艺按其成型和固结温度的上下，通常区分为冷等静压、温等静压、热等静压三种。

近几十年来，随着封建武艺的提高，特别是热等静压的提高，等静压武艺不再只是粉末冶金的自用武艺，它的使用以前扩展到了原子能产业、制陶产业、铸造产业、东西制造、塑料和石墨等消费部分。随着其使用范围日益扩展，作用和经济效益的不休提高，热等静压法以前成为一种极度紧张的质料古代成型武艺 。

什么是热等静压

热等静压（Hot Isostatic Pressing，简称HIP）是在低温高压密封容器中，以高压气体为介质，对此中的粉末或待压实的烧结坯料（或零件）施加各向均等静压力，构成高致密度坯料（或零件）的办法。

该法接纳金属、陶瓷包套（低碳钢、Ni、Mo、玻璃等），使用氮气、氩气作加压介质，使粉末直接加热加压烧结成型；大概将成型后的铸件，包含铝合金、钛合金、低温合金等缩松缩孔的铸件举行热致密化处理。经过热等静压处理后，铸件可以到达100%致密化，提高铸件的整精力学功能。其成型历程如下图：

▲ 热等静压法成型历程

由于热等静压法在低温下对工件施加各向均等静压力成型，使其与传统工艺相好比下优点：

丨在很低的温度下粉末便可固结到很高的密度

丨可以紧缩构成型状繁复的工件

丨颠末热等静压的工件具有一律的密度

丨高的气体密度可以促进热互换，提高加热速率，延长循环时间

丨由于十分一律的加热，脆性质料也可被紧缩成型

事情历程与原理

热等静压法的寻常工艺周期如下：

● 将粉末或粉末压坯装入包套中，抽去吸附在粉末外表、粉末间清闲和包套内的气体；

● 将包套真空密封后置于有加热炉的压力容器中；

● 密封压力容器后泵入惰性气体（即传压介质）至一定压力；

● 升温至所需温度，因气体体积变大，容器内的压力也升至所需压力，在低温、高压协同作用下完成成形和烧结；

● 用机器或酸浸办法撤除包套，取得制品。

粉末添补寻常在真空或惰性气体气氛中举行。为了提高添补粉末的密度，包套要不休的震动。为了取得一致的紧缩，则必要添补粉末的密度应不低于实际密度的68%。添补后包套要抽真空并密封，这是由于热等静压历程是经过压差来固结被成型粉末和质料的，一旦包套密封不严，气体介质进入包套，将影响粉末的烧结成型。

别的，真空密封可以去除氛围和水，避免氧化反响和拦阻烧结历程。

▲ 热等静压工艺处理质料前后比力

热等静压法的主要原理是帕斯卡原理，即在一个密封的容器内，作用在静态液体或气体的外力所产生的静压力，将匀称地在各个朝向上转达，在其作用的外表积上所遭到的压力与外表积成恰比。在低温高压作用下，热等静压炉内的包套硬化并紧缩，挤压内里粉末使其与本人一同活动。

低温高压同时作用下的粉末的致密化历程与寻常无压烧结或常温克制有很大差别。其致密化历程大抵分为以下三个阶段：

▲ 粉末致密化历程

? 粒子接近及重排阶段

在加温加压开头之前，松懈粉末粒子之间存在多量孔隙，同时由于粉末粒子外形不端正及外表凹凸不屈，他们之间多呈点状交往，以是与一个粒子直接交往的别的粒子数（粒子配位数）很少。当向粉末施加外力时，在压应力作用下，粉末体约莫产生下列种种情况：随机堆叠的粉末将产平生移或转动而互相接近；某些粉末被挤进临近清闲之中；一些较大的搭桥孔洞将坍塌等。由于上述厘革的后果，粒子的临近配位数分明增大，从而使粉末体的清闲大大变小，相对密度敏捷提高。

? 塑性变形阶段

第一阶段的致密化使粉末体的密度已有了很大的提高，粒子之间的交往面积急剧增大，粒子之间互相冲突或互相楔住。这是要使粉末体持续致密化，可以提高外加压力以增长粒子交往面上的压应力，也可上升温度以低落拦阻于粉末产生塑性活动的临界切应力。假如同时提高压力和温度，对持续致密化将愈加好效。当粉末体承受的压应力凌驾其屈从切应力时，粒子将以滑移办法产生塑性变形。

? 分散蠕变阶段

粉末粒子产生多量塑性活动后，粉末体的相对密度敏捷接近实际密度值。这时，粉末粒子基本上连成一片全体，残留的气孔以前不再连通，而是弥散分布在粉末基体之中，仿佛悬浮在固体介质中的气泡。这些气孔开头是以不端正的狭长外形存在，但在外表张力作用下，将球化而成圆形。残存气孔在球化历程中其所占体积分数也将不休减小。粒子间的交往面积增大到云云水平，使得粉体承受的好效压应力不再凌驾其临界切应力，这时以多量原子团滑移而产生塑性变形的机制将不再起主要作用，致密化历程主要单个原子或空穴的分散蠕变来完成，因此整个粉末体的致密化历程缓慢下去，最初趋近于以最大终端密度值 。

值得注意的是上述三个阶段并不是截然分开的，在热等静压历程中它们屡屡同时起作用而促进粉体的致密化，只是当粉末体在不同紧缩阶段，由不同的致密化历程起主导作用。

热等静压装备

1965年美国Battelle研讨所第一台热等静压机的问世，标志着热等静压武艺装备的诞生。

热等静压装备由高压容器、加热炉、紧缩机、真空泵、冷却体系和盘算机控制体系构成，此中高压容器为整个装备的紧张安装。

▲ 热等静压装备体系原理表现图

热等静压使用范畴及提高

在倡导机制造中，热等静压机已用于粉末低温合金涡轮盘和压气盘的成型：把低温合金粉末装入抽真空的薄壁成形包套中，焊封后举行热等静压，撤除包套即可取得致密的、接近所需外形的盘件。粉末热等静压质料寻常具有匀称的细晶粒构造，能制止铸锭的大局偏析，提高质料的工艺功能和机器功能。粉末低温合金热等静压或热等静压加铸造的盘件已在多种高推重比航空倡导机上使用。

相反，热等静压还用于制造粉末钛合金电扇盘和飞机上的粉末铝合金和粉末钛合金承力构件。在航天器制造产业中，热等静压主要用于制造致密的碳质布局件，如火箭的舵面和固体火箭倡导机喷管喉衬等。

种种合金的精密铸件，如低温合金涡轮叶片，铸钛机匣以及涡轮增压器的铝合金铸件等，经热等静压致密化处理可消弭内里疏松和缩孔，提高功能、可靠性和使用寿命。热等静压照旧返修旧件以延伸使用寿命的一种好效办法。

随着质料封建的不休提高，热等静压武艺在古代消费武艺中以前占据了越来越大的比重。人们越来越多地接纳HIP武艺举行新质料的制备，如金属基陶瓷、碳/碳复合质料、硬质合金、钨钼制品、有数难熔金属等产物等。热等静压武艺也越来越多地浸透到更多的武艺范畴，并依靠其特有上风，将会在新质料、新动力的提天空间中发扬更为宽广的作用。

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