熱等靜壓研究進(jìn)展

1、熱等靜壓研究進(jìn)展粉末成形n對(duì)象粉末材料n金屬、陶瓷、核原料、硬質(zhì)合金、難加工材料等n粉末冶金成形的重要用途n航空、航天n汽車、摩托車n輸油管道n粉末體零件（多孔或致密體）致密化？汽車產(chǎn)業(yè)占粉末冶金總量比例粉末冶金的應(yīng)用輕型汽車中使用粉末冶金零件的質(zhì)量進(jìn)展粉末冶金成形方法粉末成形方法傳統(tǒng)方法新技術(shù)模壓+燒結(jié)冷等靜壓+燒結(jié)壓坯+熱等靜壓模壓+燒結(jié)+熱等靜壓熱等靜壓溫壓高速壓制技術(shù)動(dòng)力磁性壓制放電等離子燒結(jié)流動(dòng)溫壓爆炸壓制選擇性激光熔化粉末鍛造注射成形粉末成形優(yōu)勢(shì)n粉末冶金原材料的利用率高達(dá)95以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)加工方式n消耗的能量為傳統(tǒng)鍛造和機(jī)械加工的43左右 據(jù)歐洲粉末冶金協(xié)會(huì)(EPMA)資料顯示

2、多種致密化成形方法成本對(duì)比粉末鍛造n原理n將粉末燒結(jié)的預(yù)成形坯經(jīng)加熱后，在閉式模中鍛造成零件的成形工藝方法n特點(diǎn)n可得到較細(xì)的晶粒組織n具有傳統(tǒng)粉末冶金和精密鍛造的優(yōu)勢(shì)n可制造接近理論密度的零件，大于98相對(duì)密度n性能達(dá)到甚至超過(guò)普通鍛造n成形精度高，材料利用率高，能耗少冷等靜壓（Cold Isostatic Pressing, CIP ）n原理n常溫下，用橡膠或塑料作包套模具材料，以液體為壓力介質(zhì)對(duì)粉體材料成型n應(yīng)用n為后續(xù)燒結(jié)、鍛造或熱等靜壓工序提供坯體n破壞菌體蛋白中的非共價(jià)鍵，超高壓殺菌，食品加工 n壓力n介質(zhì)水、油n100 700MPa 熱等靜壓（Hold Isostatic Pre

3、ssing, HIP ）n原理n在高溫和高壓同時(shí)作用下，使物料經(jīng)受等靜壓的工藝技術(shù) n特點(diǎn)與應(yīng)用n粉末體的固結(jié)使傳統(tǒng)粉末冶金工藝成型與燒結(jié)兩步作業(yè)一并完成n擴(kuò)散粘結(jié)n鑄件缺陷的消除n高性能復(fù)雜零件的近凈成形 n工況n溫度500-2200，壓力100-320MPan介質(zhì)n惰性氣體（氬氣、氦氣），通常用氬氣n包套n通常用軟鋼或玻璃 粉末熱等靜壓致密化成形原理示意圖1上密封蓋； 2高壓缸；3屏蔽罩；4壓力介質(zhì)；5加熱體；6包套；7粉末；8下密封蓋；9泵123456897熱等靜壓工藝優(yōu)點(diǎn) n制件密度高n制件密度分布均勻，制造出理論密度的致密體零件；n晶粒細(xì)小n等靜壓力可抑制晶?？焖僭鲩L(zhǎng)，得到具有良好晶

4、粒尺寸的制件n力學(xué)性能好n晶粒各向同性且均勻細(xì)小，可提高制件宏觀力學(xué)性能的均勻性，有助于提高制件的疲勞壽命，增強(qiáng)延展性、抗沖擊強(qiáng)度及蠕變性能。 n實(shí)用范圍廣n可以對(duì)難加工材料（如鈦合金、高溫合金、鎢合金、金屬陶瓷等材料）以粉末熱等靜壓的方式成形和致密化。n材料利用率高。n可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件進(jìn)行近凈成形，減少昂貴材料的浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)約成本的目的。 熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展n1955年美國(guó)巴特爾(Battelle)研究所為美國(guó)原子能委員會(huì)研制核燃料元件而提出，首先應(yīng)用于核燃料元素的擴(kuò)散粘結(jié)研究，當(dāng)時(shí)被稱為“氣壓粘結(jié)” 。n整體筒式結(jié)構(gòu)的高壓缸部分是用鍛壓整體成形，在工作過(guò)程中，直接通過(guò)冷卻水對(duì)整個(gè)筒體進(jìn)行

5、冷卻，整體筒的筒壁較厚，冷卻效果差，長(zhǎng)期使用，容易產(chǎn)生破壞，存在安全隱患，安全性差。n預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞框架式結(jié)構(gòu)，當(dāng)設(shè)備處于最大工作壓力狀態(tài)，纏繞鋼絲的預(yù)應(yīng)力可以消除框架承受的工作應(yīng)力，并使?fàn)t體保持輕微的壓緊狀態(tài)。更加安全可靠，結(jié)構(gòu)更加緊湊 。 HIP爐腔 n一般使用電阻式加熱元件 n兩種類型爐腔n高溫狀態(tài)含氧氣氛的爐腔 n常以抗氧化的鎳鉻合金或鉻鋁鈷合金為加熱元件 n最高使用溫度1200 n可以允許用戶在高溫狀態(tài)對(duì)工件進(jìn)行填料和卸料n熱等靜壓周期，達(dá)到提高加工效率的優(yōu)點(diǎn) n使用溫度較低的缺點(diǎn) HIP爐腔n高溫狀態(tài)惰性氣氛的爐腔 n以惰性氣體（氬氣或氮?dú)猓┗虻獨(dú)鉃閭髁橘|(zhì) n大量使用鉬和石墨為加

6、熱材料 n鉬具有成形方便、安裝簡(jiǎn)便、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛使用，爐腔最高溫度為1450 n當(dāng)需要更高的加熱溫度時(shí)，則可使用石墨作為加熱元件，但是該種設(shè)備需要低電壓、高電流的電源 n需要在升溫前完成物料的裝填 HIP快速冷卻 n可實(shí)現(xiàn)超過(guò)100/min的均勻快速冷卻 n冷卻時(shí)間短，可用于熱等靜壓淬火工藝 n降低了制造成本，提高生產(chǎn)效率，更節(jié)能環(huán)保 HIP設(shè)備發(fā)展世界上第一臺(tái)HIP設(shè)備當(dāng)前世界上最大的HIP設(shè)備（Giga-HIP）Giga-HIPn制造：美國(guó)Avure公司n使用： 2010年6月在日本Kinzoku Giken公司正式投入使用美國(guó)Avure公司n前身ABB公司n是世界上最早生產(chǎn)熱

7、等靜壓設(shè)備的廠商，該公司生產(chǎn)的熱等靜壓系統(tǒng)具有高安全性、高可靠性和高效率、規(guī)格多樣化等特點(diǎn) 日本神戶鋼鐵公司 型號(hào)爐腔尺寸(mm)最高溫度()最高壓力(MPa)加熱材料氣體介質(zhì)HP5603806002000196石墨氬，氮HP8006001300150098石墨氬，氮HP90070025001200118鐵鉻鋁合金氬，氬氧70025001400196鉬氬HP107085037001400147鉬氬HP14501220200085098鐵鉻鋁合金氮HP15001200120095029鐵鉻鋁合金氬，氬氧超高溫?zé)岬褥o壓設(shè)備 ：最高使用溫度為3000 日本神戶鋼鐵公司n超高壓熱等靜壓設(shè)備n1.0GP

8、a1600C n直徑70mm X 高150mm n超高溫?zé)岬褥o壓設(shè)備 n3000C196MPan直徑250mm X高600mm 超高壓熱等靜壓設(shè)備超高溫?zé)岬褥o壓設(shè)備國(guó)內(nèi)HIP供應(yīng)商n中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司(CISRI) n四川航空工業(yè)川西機(jī)器有限責(zé)任公司 型號(hào)爐腔尺寸(mm)最高溫度()最高壓力(MPa)氣體介質(zhì)HIP100-II1001202000200氬，氮HIP200-II2003002000200氬，氮HIP350-II3506002000200氬HIP500-II50010002000200氬HIP800-II80020002000200氬HIP1000-II10002000125

9、0或1350150氬HIP1250-I125025001250或1350150氬HIP1600-I160035001600160氬CISRI的典型HIP設(shè)備型號(hào)設(shè)備總量n全球n1983年有HIP裝置350臺(tái)、1984年約450臺(tái)、1988年達(dá)到800臺(tái)。日本從1980年到1989年的10年中，HIP設(shè)備由15臺(tái)猛增到190臺(tái) n國(guó)內(nèi)n1980年前僅有8臺(tái)，1988年25臺(tái)，1998年則達(dá)到63臺(tái)，而到了2010年已經(jīng)發(fā)展到近百臺(tái) 熱等靜壓的典型應(yīng)用 應(yīng)用主要目的典型材料應(yīng)用鑄件致密化消除宏、微觀孔隙高溫合金、Ti合金、Al合金、Cu合金、鋼鐵等預(yù)燒結(jié)件致密化獲得全致密材料，避免晶粒過(guò)度長(zhǎng)大WC

10、、Si3N4、Al2O3、ZrO2等陶瓷、Be合金等粉末致密化獲得全致密材料，避免成分偏析，防止晶粒過(guò)度長(zhǎng)大高速鋼、陶瓷、金屬間化合物、磁性材料、陶瓷超導(dǎo)材料等擴(kuò)散連接同質(zhì)、異質(zhì)材料的擴(kuò)散連接；涂層連接與致密化青銅-鋼、鎳合金-鋼、陶瓷-金屬其它應(yīng)用消除光學(xué)材料的孔隙、化合物的合成ZnS、Sn-In-O、金屬間化合物典型應(yīng)用(Avure Co. )醫(yī)學(xué)器械異質(zhì)材料連接 近凈成形 鑄件處理 預(yù)成形+HIP的陶瓷件核原料鎳基高溫合金蠕變性能比較 合金加工條件測(cè)試條件壽命 (103 s)延伸率 (%)斷面收縮率 (%)溫度 (K)應(yīng)力 (MPa)IN738鑄造125315268.411.820.2鑄造HIP1253152189.020.52