等靜壓技術及其應用

1、等靜壓技術及應用1.等靜壓技術21.1等靜壓技術的介紹及發(fā)展情況21.2等靜壓技術的應用42.冷等靜壓技術42.1冷等靜壓在陶瓷中的應用52.2在粉末冶金中的應用62.3冷等靜壓技術在食品加工行業(yè)中的應用83.熱等靜壓93.1熱等靜壓技術在硬質合金中的應用103.2在粉末冶金中的應用113.3在陶瓷中的應用12等靜壓技術1.1等靜壓技術的介紹及發(fā)展情況等靜壓成形技術是一種利用密閉高壓容器內零件受到各向均等的超高壓壓力狀態(tài)進行成形的先進制造技術，根據(jù)靜壓力基本方程(p=p+pgh)，盛放在密閉容器內的液體，其外加壓強p。發(fā)生變化時，只要液體仍保持其原來的靜止狀態(tài)不變，液體中任一點的壓強均將發(fā)生同

2、樣大小的變化。這就是說，在密閉容器內，施加于靜止液體上的壓強將以等值同時傳到各點，這就是等靜壓成形的原理。目前等靜壓技術的應用領域主要集中在粉末高壓固化燒結、擴散連接及組件擴散連接等領域。其分類也根據(jù)產品成形溫度的不同分為冷等靜壓技術（常溫，一般使用壓力為100 630MPa）、溫等靜壓技術（溫度一般在80120下，壓力為300MPa左右）熱等靜壓技術（工作溫度一般為10002200 ，工作壓力常為100200MPa。）。等靜壓技術作為一種先進成形技術，與傳統(tǒng)的成形技術相比具有明顯的優(yōu)勢，主要集中在：第一等靜壓成形的產品，具有密度高而分布均勻、產品內部不存在氣泡、成品晶粒間顯微孔隙度很低，其力

3、學性能與電性能均比別的成形方法好。第二等靜壓制品幾乎無內應力，壓坯可以直接進窯燒結，不會翹曲與開裂。第三制作長徑比（長度與直徑之比）很大的產品是輕而易舉的事，而其他方法是則是事倍功半或者無法實現(xiàn)。第四制作高熔點、高硬度材料的大型產品及形狀復雜的產品。第五等靜壓成形的坯體比其他成形方法制得坯體燒成溫度低并且不會污染高純度的壓坯材料由于等靜壓技術有著傳統(tǒng)材料成形方法所無法比擬的優(yōu)點，并且隨著新材料新工藝的不斷出現(xiàn)，使得等靜壓設備的需求不斷增加，其產品的應用領域不斷擴大，特別是1955 年美國巴特爾研究所為了研制核反應堆的材料而開發(fā)了熱等靜壓應用技術以來，經過7080年代，各國開始的高技術熱潮也有力

4、地推動了HIP 技術的發(fā)展，將熱等靜壓技術作為陶瓷、高溫合金、復合材料成形的一種重要的工藝手段。 在美國、日本、瑞典等國都已進行工業(yè)化生產。為了適應新工藝的要求, 同時開發(fā)出了高溫HIP、超高壓HIP、O2 HIP、浸漬H IP、燒結HIP等多種特殊用途的HIP 設備。由于HIP 技術的迅速發(fā)展, 在80 年代世界各國投入使用的HIP 設備迅速增長。據(jù)統(tǒng)計, 從19551975 年的20 年間, 全世界HIP 設備臺數(shù)共為99 臺, 而19831988 年的5年間, 平均每年投入使用的HIP 設備達90 臺。這也從一個側面反映了HIP 迅猛發(fā)展之趨勢。等靜壓產品也開始進入了重要的工程項目，例如

5、，近海油氣田的開發(fā)中，瑞典粉冶公司向北海油田提供了1500 噸HIP 產品，西歐、北美、日本和俄羅斯共同建造的2000兆瓦核聚變反應堆廣泛采用了HIP 制品，其中僅第一壁的結構重量就達4100 噸。我國等靜壓技術的研究起步較晚，熱等靜壓技術的研制與開發(fā)始于60 年代。經過30 多年的努力, 今天在研究、開發(fā)與應用方面均已形成一定的規(guī)模。在粉冶高溫合金、粉末高速鋼以及高溫合金鑄件的致密化處理等領域，國內的有關科研機構做了大量的基礎性研究，同時用于研究和生產的HIP 設備也迅速地加了, 以不低于152%的速度從1988 年的25 臺躍增至1998 年的63 臺，30 多年來, 我國等靜壓技術雖取得

6、了可喜的成績和得到了迅速的發(fā)展，但在總體水平上仍落后于西方發(fā)達國家。圖1 HIP設備的應用領域1高溫合金, 2硬質合金, 3陶瓷, 4合成材料5擴散粘結, 6鑄件致密化, 7Be 材, 8其他圖2 HIP ( 包括燒結- HIP ) 設備數(shù)量的增長1.2等靜壓技術的應用等靜壓技術初期主要應用于粉末冶金的粉體成型；尤其是發(fā)動機整體葉盤制造，在航空航天領域具有重要的意義?，F(xiàn)代航空發(fā)動機的結構設計和制造技術是發(fā)動機研制、發(fā)展、使用中的一個重要環(huán)節(jié)，21世紀，高推重比發(fā)動機要求減輕結構重量，降低研制和制造成本，為滿足這一苛刻的要求，必須更新制造技術和改善加工工藝，在提高發(fā)動機可靠性和維護性的同時，盡可

7、能提高發(fā)動機的推力和推重比，減輕重量。超高壓等靜壓成型技術為利用特種輕質高性能材料實現(xiàn)發(fā)動機整體、輕量化成型提供了契機，為我國以F119、F120、EJ200 為標志第四代戰(zhàn)斗機和大型飛機制造給予重要的技術支持。如圖3 為利用等靜壓技術壓制的粉末鈦合金葉輪。同樣，等靜壓技術在民用油泵等葉輪的制造上發(fā)揮出色，顯著提高葉輪在低溫下的力學性能。此外，等靜壓技術可廣泛應用于陶瓷、鑄造、原子能、工具制造、塑料和石墨等領域，在零件致密化處理和復合、連接方面具有卓越的表現(xiàn)。圖3等靜壓技術制造的粉末鈦合金葉輪2.冷等靜壓技術冷等靜壓技術是在常溫下實現(xiàn)等靜壓制的技術，通常以橡膠或者塑料作為包套的模具材料，以液體

8、或彈性體（塑料、橡膠）為壓力介質，壓力可以達到600MPa。冷等靜壓技術克服了普通模壓技術產生形狀畸變等弊端，使冷等靜壓的壓坯密度高而且均勻，收縮量小，形狀也容易控制，其應用范圍已經從難容金屬、硬質合金擴大到其他的粉末冶金領域。由于冷等靜壓工藝成形壓坯的尺寸只受高壓缸內腔尺寸的限制，不需要受到普通模壓壓力機總壓力的控制，所以采用冷等靜壓技術可以成形大尺寸的壓坯。利用冷等靜壓技術通過塑性包套的模腔或者剛性模件構成的模腔可以成形復雜形狀的壓坯。2.1冷等靜壓在陶瓷中的應用目前，冷等靜壓技術已經應用在陶瓷工業(yè)中，包括耐火磚、陶瓷管、氧化鋁燈管、氧化鋁研磨球等，如圖4所示。 a） b）c) d)圖4

9、冷等靜壓成形的陶瓷產品 （a 氧化鋁研磨球b 鈦酸鋁生液管 c 高壓電磁絕緣子 d 陶瓷真空滅弧室）其國內應用的產品如下表所示表一名稱材料尺寸批量備注97%氧化鋁陶瓷天線罩Al2O3陶瓷外徑 210，孔徑 200，高500(mm)圓錐形，壁厚為45mm (變化值)，公差尺寸0.03mm國內可批量生產經冷等靜壓成形帶傘棱的97 氧化鋁陶瓷高頻端子絕緣瓷套Al2O3陶瓷200×470×100(ram)(外徑×孔徑×高度)國內可批量生產采用冷等靜壓成型，經燒結，切削修坯，高溫 1 730燒成，磨削加工高鋁陶瓷熱電偶保護管長達 l000mm壁厚 lmm，外徑 2

10、550mm經冷等靜壓成形高壓鈉蒸氣放電燈管Al2O3陶瓷長為250ram，壁厚只有0.6mm 冷等靜壓成形壁厚公差控制在01mm以內多孔陶瓷管平均粒徑220m的剛玉粉60mm×40mm×1000mm山東理工大學研制采用冷等靜壓成型法，經過1400燒成熱電偶保護套管氮化硅陶瓷長為700mm，外徑28mm，內徑16mm西北工業(yè)大學研制冷等靜壓成形，采用階梯式燒結2.2在粉末冶金中的應用冷等靜壓技術廣泛用來制做尺寸大，形狀復雜，性能要求嚴格的硬質合金軋輥，人造金剛石用頂錘，硬質合金刀具等。還廣泛用來成形高徑比大的各類粉末材料，如鎢、高速鋼、鈹、鋁等棒狀、管狀不同尺寸形狀的坯件，從

11、而保證了這些材料的性能，發(fā)揮了粉末冶金與冷等靜壓技術相結合的優(yōu)越性。如圖5所示為用金屬粉末采用冷等靜壓法所壓制成的各種高精度刀具預制成形毛坯。圖5 金屬粉末采用冷等靜壓法所壓制成的各種高精度刀具預制成形毛坯。其在粉末冶金方面的應用如下表所列表二 名稱材料尺寸批量備注高速鋼復合軋輥2. 5C-5Cr-M o-V系400500x700國內可生產經冷等靜壓成形硬質合金六面頂錘YC6硬質合金粉末l13×92mm， l02×102mm國內可生產經冷等靜壓成形，經整形后，用常規(guī)粉末 冶金方法燒結雙金屬管外徑34 146mm 壁厚3.5mm，襯里厚度2mm。用氣體噴霧法得到的粉末封裝，冷

12、等靜壓壓制，再進行熱擠壓。粉末冶金鈦過濾管鈦粉末90mm×5mm×800mm經冷等靜壓成形電流引線Bi-22230.27cm×0.86cm×5.5cm采用CIP和熱壓結合制造2.3冷等靜壓技術在食品加工行業(yè)中的應用用于食品的低溫殺菌和滅酶，采用冷等靜壓高靜壓處理，只對蛋白質和酶類的分子立體結構中非共價鍵的結合產生影響，對其它的風味物質、色素、維生素等沒有影響，在殺菌和滅酶的同時保持了食品原有的味道和色澤。如：高靜壓加工后的果汁保持了95以上的維生素含量，而熱加工后的果汁只有72一78。開發(fā)新型食品方面，由于高靜壓處理對食品的蛋白質、脂類、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，生產出屬性不同的新型食品。食品中的蛋白質經過高靜壓處理后發(fā)生變性，形成凝膠，其組織結構、凝膠強度、外觀、口感均比熱處理形成的凝膠要好。如：雞蛋經500MPa壓力處理后產生凝固，與熱處理煮熟的雞蛋不同，味道特別鮮美，蛋黃富有彈性，且呈鮮黃色，營養(yǎng)成分幾乎沒有變化；將鱈魚糜、青鱈和拉丁魚在400MPa下處理10min，均可制成外觀細膩、口感很好的魚糕；高靜壓還可以使牛肉組織嫩化，可以考慮利用高靜壓的冷加工特色，將魚肉、豬肉、牛肉、羊肉等肉片加壓處理，一方面殺菌，另一方面使之肉類組織結構和形狀得到改善，生產出便于食用的方便食品(可佐以微波烹調、或簡單加熱)。 圖6

14、 超高壓飲料、海產品等食品加工3.熱等靜壓作為等靜壓成形技術的一種，超高壓熱等靜壓技術是在高溫下利用各向均等的靜壓力進行壓制的工藝方法，是一種重要的材料成形手段。該方法采用金屬或陶瓷包套（低碳鋼、Ni、Mo、玻璃等），使用氮氣、氬氣作加壓介質，使材料熱致密化。優(yōu)點在于集熱壓和等靜壓的優(yōu)點于一身，成形溫度低，產品致密，性能優(yōu)良。同時該技術具有生產周期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點。目前，熱等靜壓主要應用于：熱等靜壓粉末的固結，包括高速鋼粉末、高溫合金粉末、鈦合金粉末、陶瓷材料粉末等；熱等靜壓鑄件的處理，主要包括高溫合金鑄件、鋁合金鑄件、鈦合金鑄件；熱等靜壓的擴散連接，主要包括同種金屬的粘結

15、、異種金屬的粘結、金屬與金屬氧化物的粘結以及金屬基復合材料的制備。熱等靜壓成形技術有著極大地應用潛力，在復雜形狀零件或者近凈形狀零件的加工、新合金的制備、非晶態(tài)材料及復合材料的處理以及金屬表面涂層等方面，將會很有前途。在發(fā)動機制造中，熱等靜壓機已用于粉末高溫合金渦輪盤和壓氣盤的成型。把高溫合金粉末裝入抽真空的薄壁成形包套中，焊封后進行熱等靜壓，除去包套即可獲得致密的、接近所需形狀的盤件。粉末熱等靜壓材料一般具有均勻的細晶粒組織，能避免鑄錠的宏觀偏析，提高材料的工藝性能和機械性能。粉末高溫合金熱等靜壓或熱等靜壓加鍛造的盤件已在多種高推重比航空發(fā)動機上應用。同樣，熱等靜壓還用于制造粉末鈦合金風扇盤

16、和飛機上的粉末鋁合金和粉末鈦合金承力構件。在航天器制造工業(yè)中，熱等靜壓主要用于制造致密的碳質結構件，如火箭的舵面和固體火箭發(fā)動機噴管喉襯等。經熱等靜壓致密化處理可消除各種合金的精密鑄件，如高溫合金渦輪葉片和鑄鈦機匣等內部疏松和縮孔，提高性能、可靠性和使用壽命。熱等靜壓還是返修舊件以延長使用壽命的一種有效方法。大多數(shù)生產型熱等靜壓機的加熱溫度通常為10002000，最大壓力在100200MPa(10002000大氣壓)之間。a) b）圖7 熱等靜壓的產品 （a通過熱等靜壓復合擴散連接制備的大尺寸復合軋輥 b通過熱等靜壓覆層技術制備的復合材料）3.1熱等靜壓技術在硬質合金中的應用20世紀60年代末

17、，HIP技術在硬質合金生產中開始得到實際應用。人們在傳統(tǒng)的真空燒結基礎上，對硬質合金進行了熱等靜壓處理，形成了真空燒結+HIP工藝。該工藝將相對密度高于92%的燒結制品，在熱等靜壓機中于壓力為80150MPa、溫度為13201400條件下處理一段時間，使制品的致密度明顯提高，孔隙度降至HIP處理前的1/201/100,甚至更低，抗彎強度及使用壽命均明顯改善。但HIP的設備設計和控制費用昂貴，維護和操作也比較復雜，因此在硬質合金中的應用尚不普遍。其產品應用如下：表三名稱材料尺寸批量備注硬質合金六面頂錘YC6硬質合金粉末l13×92mm， l02×102mm國內可生產經冷等靜壓

18、成形，經整形后，用常規(guī)粉末 冶金方法燒結硬質合金壓缸YC10硬質合金粉末內徑50，外形173×144mm國內可生產熱等靜壓成形，處理的溫度為13401360，壓力80100MPa，在氨氣氛 中保溫保壓 2h硬質合金復合輥環(huán)碳化鎢粉和鈷粉450真空脫氣1.5小時，封焊后100MPa，1150下保溫保壓2小時硬質合金釬頭K61040四川滬沽鐵礦熱等靜壓工藝 3.2在粉末冶金中的應用粉末高速鋼的研制成功被稱之為冶金領域的重大事件，現(xiàn)已經成為高速鋼的新分支，60年代中期，瑞典ASEAStora公司就采用ASP工藝生產出全致密化高速鋼錠，每個鋼錠重達3噸以上，該公司建立了自己的高速鋼系列，這些

19、材料特別適合用做高性能刀具、模具和精細刀具；在粉末高溫合金成形領域中由于一系列的粉末冶金技術，如無污染的霧化技術、熱等靜壓、等溫鍛造、快速冷凝、機械合金化等在這個領域的應用，使其工藝相當成熟，前景一派光明，MA6000E等型號的粉末合金的高溫性能，已經超過了最好的泵葉片材料其應用的產品如下表四名稱材料尺寸批量備注高速鋼復合軋輥2. 5C-5Cr-M o-V系400500x700國內可生產加熱溫度在1000以上, 壓力控100MPa以上Vinci液氫渦輪泵葉輪Ti-6Al-4V葉輪抽液速度為600 m/s,渦輪在20 K、14 MPa壓力下旋轉速度為100000r/minAubert & Duval公司熱等靜壓成形3.3在陶瓷中的應用陶瓷材料具有力學強度大，抗氧化性強，耐磨損性好，熱膨脹系數(shù)小、硬度高以及耐高溫抗熱震和耐化學腐蝕等優(yōu)良特性，因此在工業(yè)中得到了廣泛的使用，機械行業(yè)中已被成功的用作各種軸承、切削刀具和機械密封部件。但是對于碳化物、氮化物和硼化物等非氧化性工程陶瓷，由于其強的共價鍵，使得燒結時擴散速率非常低，因而可燒結性很差。隨著熱等靜壓技術的不斷發(fā)展，很好的克服了陶瓷材料在成形時存在的難點問題，引起了許多陶瓷工作者的極大興趣。熱等靜壓技術在陶瓷材料中的應用如下表五名稱材料備注鐵氧體