【原创】大国重器与“粉体变形记”

中国粉体网讯  近期，由中国钢研科技集团有限公司（以下简称“中国钢研”）自主研制的我国首台套超大型热等静压装备HIPEX1850获得了广泛关注。据报道，这是目前国内最大、世界第二大尺寸的热等静压装备，可应用于我国航空航天等领域大型核心零部件的加工处理。该装备的发布，标志着我国热等静压装备研制技术在设备尺寸、加工参数、模块化设计、智能化控制、设备稳定性等方面均已达到世界领先水平。

图源：中国钢研

热等静压技术的原理是什么？有哪些重点应用领域？该技术及其装备的发展历程又是怎样的？下面，中国粉体网小编将与大家一起学习了解在高精尖领域不可或缺、极具战略意义的这一“大国重器”。

热等静压技术的原理

热等静压（Hot Isostatic Pressing，简称HIP）近净成形技术的原理是将粉体材料装入到设计好的包套中，然后将惰性气体(主要为氮气或氩气)作为压力传输介质向包套四周施加同等大小的压力，同时辅以高温使粉体致密化。在高温高压的作用下，包套内粉体得以一边致密化，一边成形，最终得到近终形制件。

因此，它是一种在一次操作步骤中即可完成粉体致密化和成形的制造工艺，后续只需经过少量的机加工便可得到最终产品。此外，该技术在生产复杂形状的部件具有独特的优势，将材料利用率从过去的20%-30%提高到80%以上，极大地提高了原材料的利用率。

热等静压设备由高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、储气罐、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。

典型热等静压系统的示意图

通常，粉体通过真空封装在包套中，并在热等静压高温高压环境下致密化，这是一种大变形过程，涉及到复杂的热-力耦合。粉体在热等静压过程的致密化机理主要包括以下几个过程：

(1)粉体在封装时经过振实处理，具有较高的松装密度，此时粉体之间处于点接触状态。在热等静压加压过程中，粉体在包套的驱动下发生移动或翻转，小尺寸的粉体被填充到了大尺寸粉体颗粒间隙中。在这个过程中，粉体的致密度显著提高。

(2)当压力进一步提高，大于粉体的屈服强度时，粉体会发生变形。这个过程可以通过提高热等静压机内的压力或者温度来实现，在这个过程中，粉体受到的压力超过其临界剪切应力，部分粉体发生变形并挤入相邻的孔隙中，进一步提高粉体的致密度。

(3)粉体经过大变形后，粉体的密度已经接近材料的理论密度。与此同时，部分残存的气孔分布在基体中，呈圆形。在此阶段，原子扩散作用增强，孔洞附近的原子经过缓慢的扩散与蠕变，进入残余的孔隙中。

显然，以上三种致密化过程并没有明显的时序界限，它们共同促进粉体颗粒的致密化过程。由于在热等静压过程中，粉末受到的作用力是各个方向均相同的静压力，因此，成形出来的产品具有致密度高、组织均匀性好、没有明显各向异性等特点。

热等静压技术的工艺流程

热等静压近净成形技术在制备高性能复杂结构部件方面具有很多的优势，但该技术的发展也面临一些难题，特别是对于复杂结构部件包套的设计以及制备上。复杂零件的包套制作费用高、时间长，严重阻碍的该技术的发展。

过去，通常使用多次试错的方法找到适合净形状部件的容器几何形状。因此，必须在成功之前制造几个原型包套。现在随着计算机技术的发展，很好地辅助了包套的设计，进一步解决了该工艺存在的一些问题。其次，不同成分的材料在热等静压工艺参数上都有差异，需要针对不同粉体原料的热等静压工艺参数展开独立的研究。

热等静压技术的主要应用领域

高性能陶瓷制品的制备

陶瓷因具有良好的化学惰性、稳定性和优秀的高强高耐热性能，在机械、电力等重要行业有广泛的应用。热等静压技术提供了生产高性能陶瓷材料的手段，在制备过程中，利用高温高压复合能场特点，能够获得高致密的陶瓷或陶瓷金属复合材料制件，有效地解决了陶瓷和陶瓷金属复合材料难制备的问题。

热等静压氮化硅陶瓷球（图源：中国建材集团有限公司）

其中，烧结陶瓷类制品的热等静压机具有以下特点：

1）烧结温度高。对于试验用烧结热等静压机，一般烧结温度高于2000℃，可达2300℃，采用了光学测温方式。

2）多功能。在装备中，为了获得更多的参数，一般装备有膨胀仪，以准确地测量收缩，确定充压时机和加压压力的大小。

3）操作方便，自动化程度高。作为高温烧结热等静压机，其烧结温度及压力均要求较高，这就要求操作方便，控制精确。一般装备有微机、智能仪表、PLC等，实现全面自动控制。国外烧结热等静压技术应用十分广泛，凡在烧结工艺中出现液相的制品(如WC＋Co、Si₃N₄等)均可采用此工艺，例如：结构陶瓷、功能陶瓷生产，如系列Si₃N₄制品、Al₂O₃、TZP、ZrO₂、TiC等。

材料的扩散连接

热等静压扩散连接技术是在高温高压下，通过原子相互扩散从而实现宏观连接。该技术可用于同种或异种材料的连接，属于微观技术领域。与常规的连接方法相比，热等静压扩散连接存在焊接部位结合强度高、界面性能优于母材等特点。因此这项技术也广泛用于高性能复合材料的制备。

采用HIP工艺进行连接和复合的特点有：1）对于相同或不同的材料，能产生很强的连接界面；2）看不出界面，弥散均匀；3）界面力学性能达到母材的性能，产生均匀的显微组织；4）不需要熔化母材，连接温度一般为50％～70％熔点，同时不产生由母材熔化所引起的其它缺陷；5）可处理几何形状复杂的零件。

高性能复杂零件的整体成形

结合模具控形技术及计算机模拟技术，利用热等静压工艺可以制备出不需要机加工的近终形部件。目前，热等静压整体成形技术主要用于制备高性能难加工零件。使用该技术制备获得的零件，材料利用率可以达到80~90%，能够有效降生产成本。同时，经高温高压压制后，零件的整体力学性能和可靠性能都得到了提升。

铸件的致密化处理

受生产工艺限制，大型铸件内部往往会产生松弛变形或者孔隙等缺陷，这些宏观缺陷会显著降低材料的使用性能和安全性能。利用热等静压技术可以在高温高压下有效地去除铸件内部的缺陷，提高其整体力学性能。热等静压技术发展初期主要用于铸件的致密化，发展至今，其技术已经相对成熟。

其他新领域的应用

1）在多孔材料方面的应用，由于采用氮气作为介质，在高温下生成氮化物，使得HIP对多孔材料也产生作用；

2）HIP技术与渗氮等表面处理相结合，扩大HIP功能；

3）悬浮熔炼工艺制备高纯材料可采用HIP技术，因为高压气体密度增加，可使熔炼物悬浮起来，实现无坩埚熔炼，从而极大地提高熔炼纯度；

4）食品工业采用HIP技术，向食品施加高压可使食品在营养不被破坏且保持原色原味的情况下达到杀菌消毒的目的。

热等静压技术已应用的重要工程项目

在军工配套关键材料及工程化方面

热等静压是制造航空航天使用的粉末高温合金涡轮盘必须采用的工艺，同时还是其高温合金叶片、高温合金扩压器以及其他相关高温合金制件致密化过程中不可或缺的工艺。

在大型飞机领域

大型飞机中所有的钛、铝合金支板、机匣等重要部件必须要经过热等静压处理方能达到高性能的使用要求。

图源：中国钢研

在近海油气田开发方面

瑞典粉末冶金公司根据北海油田的合同，采用HIP技术生产各种海下及海面平台上的部件，有法兰盘、接头、阀体、管道等。

在核聚变反应堆中

核聚变反应堆中的铍合金、铜合金、316LN不锈钢以及核聚变反应堆（快中子增殖反应堆）核燃料包套等材料，很多是采用热等静压制备的。如西欧、北美、日本和俄罗斯共同建造了一个2000MW的核聚变反应堆，为了保证其高可靠性，在选材和制备中广泛采用了固态热等静压（即准态HIP）、粉末HIP、铸件HIP、CIP（冷等静压）+HIP等技术。

在航天飞机中

据报道，美国飞出地球轨道的航天飞机上的所有钛基复合材料均是按美国航天飞机的要求（NASP项目）研制的。此种航天飞机可以从机场起飞直接飞出地球轨道，它的初速可达2.448×10⁴km/h，该飞机需要大量代镍基合金的板材及支撑结构材料用于飞机的蒙皮及壳体材料，具体部件已由McDonneII Douglas公司开发出来，它们是由Ti-15-3箔材与SCS-SiC纤维网交替层组成，最终采用HIP处理。

在汽车工业上

HIP钛件主要用作汽车上的阀件及增压叶轮，用作阀件，可以使工作温度提高，使反复运动件的质量降低，这样燃料的使用效率更高；用TiAl叶轮代替高温合金部件，质量变轻，叶轮起动的速度更快，可减少加速时的废气量。

在大规模集成电路制造技术和高清晰度大屏幕平板显示器等方面

磁控溅射镀膜技术是必不可少的，而磁控溅射所用到的细晶粒、高纯度靶材只能通过热等静压技术获得。

热等静压技术的发展

HIP技术研究始于1955年，由美国Battelle研究所为研制核反应堆材料而开展的，首先用于原子能反应过程中燃料元素的扩散粘结，基于此应用，当时被叫做“气压粘结”。

1963年该技术被传入欧洲，瑞典ASEA公司用预应力钢丝缠绕结构制造高压容器，其结构紧凑、安全可靠，奠定了HIP技术大力发展的坚实基础。后经肯纳金属公司、北京钢铁研究总院、美国AE公司等多家机构的不断改善，大大地拓展了HIP设备的发展及应用。

HIP工艺在粉末冶金材料制备、铸件致密化、宇航和工业燃气轮机部件、火箭发动机、卫星和宇航机体铸件、复合连接、近终成形技术等诸多方面的生产应用需求与日剧增，它在高性能特种材料的制备方面表现出其他技术所无法匹敌的优势。正是由于HIP技术具有如此优越的特性和广泛的发展前景，世界各国竞相开展了这方面的工作，HIP装置也逐年迅速增加。

据资料报道，1983年全球拥有HIP装置350台、1984年约450台、1988年达到800台，特别是日本，从1980年到1989年的10年中，HIP装置由15台猛增到190台。我国热等静压设备近年来数量也在突飞猛进，1980年前仅有8台，而到了2010年已经发展到近百台。

我国的钢研院自1972年开始研究中国第一台热等静压机，至今已有50多年的历史。2008年7月份，由钢研院为其控股公司安泰科技股份有限公司制造的当时国内最大尺寸的热等静压机（Φ1250mm×2500mm，1350℃，150M Pa）投入运行。另一热等静压设备厂商四川航空工业川西机器有限责任公司在装备的研制和生产也开展了大量卓越的工作。

据介绍，近期报道的我国首台套超大型热等静压装备HIPEX1850采用国际最先进的技术与设计理念，其热区尺寸可达Φ1850*3500毫米，能够在极端高温高压环境下，对大型、复杂形状的材料进行全方位的致密化和性能优化。

这一创新技术的应用，将极大提升航空航天、核电能源、重型燃气轮机、轨道交通等高端领域关键材料的制备水平，为这些领域的快速发展提供强有力的技术支撑。全国首台套超大型特种装备的迅速落地，也标志着我国热等静压事业进入全新篇章。

参考来源：

[1]科技日报：重大进展！这一装备让材料性能更强大

[2]中国冶金报：我国首台套超大型热等静压装备HIPEX1850正式发布

[3]刘慧渊等：热等静压技术的发展与应用，安泰科技股份有限公司

[4]尚文静：热等静压（HIP）技术和设备的发展及应用，中国瑞林工程技术有限公司

[5]杨乐彪：粉末高温合金FGH4096M直接热等静压近净成形影响因素及机理研究，北京科技大学

[6]滕庆：热等静压制备镍基粉末高温合金的工艺与组织性能研究，华中科技大学

[7]中国钢研

（中国粉体网编辑整理/平安）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！