熱等靜壓技術(shù)在材料致密化中的應(yīng)用

□王勇兵　□劉慧淵　□范幫勇寧夏銀鈦科技股份有限公司　銀川　750001

熱等靜壓技術(shù)在材料致密化中的應(yīng)用

□王勇兵□劉慧淵□范幫勇
寧夏銀鈦科技股份有限公司銀川750001

介紹了熱等靜壓致密化基本原理，同時(shí)綜述了熱等靜壓致密化技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用及所取得的研究成果，并對(duì)熱等靜壓致密化技術(shù)的發(fā)展提出展望。

材料致密化是使材料內(nèi)部的缺陷和孔隙總體積減少、密度增大、提升材料性能的一種方法，通過(guò)致密化后，能使材料獲得高致密度和優(yōu)異的綜合性能。傳統(tǒng)致密化工藝是通過(guò)制品形變來(lái)達(dá)到材料致密，如軋制、鍛造、熱擠壓、楔形壓制等，對(duì)于已經(jīng)成型的鑄件、陶瓷和硬質(zhì)合金等脆性材料及制品是無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行致密化的。而采用熱等靜壓致密化處理后，能夠使以上脆性材料及制品在形狀、尺寸幾乎沒(méi)有變化的前提下，消除內(nèi)部缺陷、孔隙，使致密度達(dá)到理論密度的99.7%～99.9%，極大地提升材料的綜合性能。

1　熱等靜壓致密化技術(shù)及原理

熱等靜壓設(shè)備由高壓容器、加熱爐、壓縮機(jī)、真空泵、儲(chǔ)氣罐、冷卻系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中高壓容器為整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵裝置，圖1所示為典型熱等靜壓系統(tǒng)示意圖。熱等靜壓致密化工藝是將制品放置到密閉的容器中，通過(guò)壓縮機(jī)將高壓的氬氣輸入容器內(nèi)，同時(shí)通過(guò)容器內(nèi)的加熱爐進(jìn)行加熱，使制品同時(shí)在高溫高壓的作用下，得以致密化。圖2所示為熱等靜壓技術(shù)原理圖，熱等靜壓致密化過(guò)程可以分為兩個(gè)階段，第一階段是內(nèi)部缺陷和孔隙在外界壓力大于材料高溫強(qiáng)度的條件下發(fā)生塑性變形，缺陷和孔隙被破壞，致使內(nèi)表面相互接觸在一起；第二階段在外界壓力低于材料高溫強(qiáng)度時(shí)，材料發(fā)生高溫蠕變，同時(shí)接觸在一起的合金表面相互滲透、擴(kuò)散黏結(jié)，徹底消除缺陷和孔隙。通過(guò)這種處理，材料致密度基本接近理論密度，圖3所示為鑄件熱等靜壓致密化處理前后的對(duì)比照片。

2　熱等靜壓致密化的應(yīng)用

圖1　典型熱等靜壓系統(tǒng)示意圖

圖2　熱等靜壓技術(shù)原理圖

圖3　鑄件熱等靜壓致密化處理前后的對(duì)比照片

2.1鑄件致密化處理的應(yīng)用

鑄件內(nèi)部一般都存在著縮松、疏松、氣孔等缺陷，使其力學(xué)性能和使用可靠性比鍛件低。采用熱等靜壓技術(shù)處理鑄件，能減少鑄件內(nèi)部裂紋、缺陷和焊接后的裂紋，最大程度改善了鑄件的性能。目前，這種缺陷修復(fù)工藝已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用于鈦合金、高溫合金、不銹鋼、鋁合金等材質(zhì)的鑄件中，經(jīng)致密化處理的鑄件廣泛應(yīng)用于航空航天、核電、艦船、汽車(chē)工業(yè)、生物工程等領(lǐng)域。

中國(guó)航天工業(yè)總公司史鴻培［1］等人研究了鈦合金后封頭，采用溫度為910℃、壓力為100 MPa、時(shí)間為2 h的熱等靜壓致密化處理后，內(nèi)部缺陷完全消除。北京航空材料研究院南海［2］等人研究了大型復(fù)雜薄壁類(lèi)鈦合金鑄件，采用溫度為920℃、壓力為110 MPa、保持時(shí)間為2 h的熱等靜壓致密化處理后，使鑄件內(nèi)部的封閉氣孔、縮松被壓實(shí)閉合，性能得到改善。上海交通大學(xué)材料學(xué)院何樹(shù)先［3］等人研究了K4169高溫合金薄壁鑄件，采用溫度為1160℃、壓力為130 MPa、保持時(shí)間為4 h的熱等靜壓致密化處理后，并經(jīng)過(guò)熱處理（1 095℃均勻化+955℃固溶+720℃時(shí)效），室溫和高溫（650℃）拉伸性能均明顯提高，尤其是屈服強(qiáng)度提高了10%以上，持久壽命提高了3倍。CCChama［4］采用熱等靜壓處理鋁－硅鑄造合金，工藝條件為：溫度為500～550℃，壓力為68.95 MPa，時(shí)間大約2 h，消除了鋁－硅鑄造合金的宏觀(guān)孔隙和微觀(guān)洞，同時(shí)增加了鑄件的密度。

2.2陶瓷制品致密化處理的應(yīng)用

陶瓷制品不僅具有較高的硬度、耐磨性、紅硬性、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和與金屬間極低的摩擦因數(shù)，而且還有一定的韌性和強(qiáng)度。陶瓷制品一般存在5%～10%的氣相孔隙，降低了制品的韌性、強(qiáng)度。減少氣相孔隙，提高致密度，能夠顯著改善陶瓷制品的性能，目前，熱等靜壓致密化處理是提高陶瓷制品致密度最佳的工藝手段。

北京科技大學(xué)張勇［5］等人研究了氮化硅泡沫陶瓷，采用溫度為1600～1750℃、壓力為134～188MPa、保持時(shí)間為1～2 h的熱等靜壓致密化工藝，密度由2.674 g/cm3提高至3.332 g/cm3，抗壓強(qiáng)度提高了近3倍。南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的于海軍［6］等人研究了Ti（C，N）基金屬陶瓷，采用溫度為1 370℃、壓力為150 MPa、保持時(shí)間為1 h的熱等靜壓致密化處理后，材料組織均勻，晶粒細(xì)小，機(jī)械性能得到較大的提高。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所余繼紅［7］等人研究了SiC和Al2O3陶瓷，采用溫度為1 850℃、壓力為200 MPa、保持時(shí)間為1 h的熱等靜壓致密化處理后，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別由582 MPa和 5.7 MPa·m1/2提高到 907 MPa和 8.4 MPa·m1/2。

2.3硬質(zhì)合金致密化處理的應(yīng)用

硬質(zhì)合金的主要缺陷之一是合金中存在孔隙。目前，消除孔隙的有效方法是采用熱等靜壓致密化處理，處理后在合金耐磨性不降低的情況下，能有效減少孔隙，提高合金強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命。

鋼鐵研究總院任秋鳳［8］等人研究了WC-6%Co、WC-11%Co硬質(zhì)合金，采用溫度為1 360～1 380℃、壓力為100 MPa、保持時(shí)間為1.5 h的熱等靜壓致密化處理后，WC-6%Co合金的孔隙度由0.040%減少至0.010%，抗彎強(qiáng)度約由1 760 MPa提高到2 180 MPa；WC-11%Co合金的孔隙度由0.214%減少至0.147%，抗彎強(qiáng)度約由2 600 MPa提高到3 050 MPa。中南工業(yè)大學(xué)何平［9］等人研究了硬質(zhì)合金頂錘，采用溫度為1 350～1 375℃、壓力為80～100 MPa、保持時(shí)間為2 h的熱等靜壓致密化處理后，能有效減少合金中的孔隙，提高抗彎強(qiáng)度，使用壽命普遍延長(zhǎng)3～4倍。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)符夷雄［10］等人研究了硬質(zhì)合金釬頭，采用溫度為1 380℃、壓力為100 MPa、保持時(shí)間為1.2 h的熱等靜壓致密化處理后，合金孔隙率明顯降低，抗彎強(qiáng)度提高約20%。中南大學(xué)熊擁軍［11］等人研究了TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金，合金采用溫度為1 260℃、壓力為140 MPa、保持時(shí)間為0.5 h的熱等靜壓致密化處理后，孔隙度由0.42%減小到0.26%，硬度提高14.9%，抗彎強(qiáng)度提高34.4%，綜合性能明顯提高。

2.4其它方面的應(yīng)用

難熔金屬鎢鉬釩。中南大學(xué)湯金芝［12］等人研究了82W-Ni-Cu和82W-Ni-Cu-A g合金，采用溫度為1 120℃和1 020℃、壓力為150 MPa、保持時(shí)間為3 h的熱等靜壓致密化處理后，減少了合金表面微裂紋與孔隙，使合金的密度分別提高2.889%、0.676%，拉伸強(qiáng)度分別提高8.191%、3.279%。長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院詹志洪［13］研究了鉬材，經(jīng)過(guò)采用溫度為1 300℃、壓力為100～110 MPa、保持時(shí)間為1 h的熱等靜壓致密化處理后，可獲得細(xì)小均勻的晶粒組織（晶粒度為7級(jí)），抗拉強(qiáng)度為530 MPa，延伸率達(dá)25%，強(qiáng)度和韌性均得到提高。中國(guó)工程物理研究院謝東華［14］等人研究了純釩塊材，采用溫度為1 200℃、壓力為120 MPa、保持時(shí)間為1 h的熱等靜壓致密化處理后，制備的試樣相對(duì)密度達(dá)99.7%，防止了VC、V2O5等脆化物生成，呈板條狀馬氏體結(jié)構(gòu)，晶粒結(jié)合緊密，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)552 MPa和20%。

噴射成形材料。材料內(nèi)部孔隙率問(wèn)題一直是限制噴射成形制品大規(guī)模使用的瓶頸，隨著熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展，噴射成形材料致密化工藝也得到了迅速的發(fā)展。北京航空材料研究所梁志凱［15］等人研究了噴射成形K17高溫合金制品（采用溫度為1 180℃、壓力為150 MPa、保持時(shí)間為3 h）和噴射成形GH742高溫合金制品（采用溫度為1 150℃，壓力為150 MPa，保持時(shí)間為3 h）的熱等靜壓致密化處理后，K17致密度由98.6%提高至99.5%，GH742致密度由98.5%提高至99.4%，機(jī)械性能顯著提高，特別是延伸率提高近一倍。

金屬間化合物。福建工程學(xué)院陳文哲［16］等研究了Ti-48Al-2Mn-2Nb金屬間化合物，采用溫度為1 250℃、壓力為150 MPa、保持時(shí)間為4 h的熱等靜壓致密化處理后，致密度由98%增加至99.6%～99.9%，拉伸強(qiáng)度提高了約15%。

物理氣相沉積鍍層。表面物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張羽廷［17］等人研究了鈾表面磁控濺射鈦鍍層，采用溫度為600℃、壓力為150 MPa、保持時(shí)間為0.5 h的熱等靜壓致密化處理后，鍍層致密性提高，膜基結(jié)合強(qiáng)度也提高，U、Ti在界面的擴(kuò)散受到壓力的抑制。

激光快速成形材料：西北工業(yè)大學(xué)趙曉明［18］等人研究了激光快速成形Rene88DT粉末盤(pán)，采用溫度為1 160℃、壓力為200 MPa、保持時(shí)間為2 h的熱等靜壓致密化處理后，熱影響區(qū)裂紋得到明顯的愈合修復(fù)，在原裂紋附近析出MC型碳化物。

3　結(jié)束語(yǔ)及展望

采用熱等靜壓致密化技術(shù)不僅能夠大幅度提升鑄件的綜合性能，同時(shí)在傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)致密化的陶瓷、硬質(zhì)合金等脆性材料的致密化方面也顯示出無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)HIP技術(shù)致密化的基礎(chǔ)理論、相關(guān)數(shù)據(jù)的積累、熱變形的有限元模擬、制件變形控制等方面與國(guó)外差距較大，需加強(qiáng)此類(lèi)基礎(chǔ)研究。其次，國(guó)內(nèi)HIP致密化主要集中在鈦合金、高溫合金等鑄件方面，對(duì)于陶瓷、硬質(zhì)合金、難熔金屬、復(fù)合材料、鋁鎂輕質(zhì)合金等高端材料領(lǐng)域，還需要加大研究力度。同時(shí)國(guó)際上對(duì)熱等靜壓致密化處理已經(jīng)有了非常全面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而國(guó)內(nèi)HIP致密化技術(shù)尚缺乏權(quán)威的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，急需建立規(guī)范的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。相信隨著技術(shù)的不斷完善，熱等靜壓致密化技術(shù)將會(huì)滲透到更多的應(yīng)用領(lǐng)域，并憑借其特有優(yōu)點(diǎn)，在新材料發(fā)展空間中，發(fā)揮更為廣闊的作用。

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Introduced the basic principles of HIP densification while presenting an overview on applications of HIP densification technology in various fields and research achievements，and in addition，the development of HIP densification technology is prospected.

致密化；熱等靜壓；應(yīng)用

Densification；Hot Isostatic Pressure（HIP）；Application

TG306

B

1672-0555（2015）03-017-04

2015年6月

王勇兵（1978年-）男，工程師，主要從事粉末冶金和熱等靜壓技術(shù)應(yīng)用等工作