熱等靜壓的設(shè)備改進(jìn)和技術(shù)發(fā)展探析

摘 要：熱等靜壓技術(shù)是于20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的一項新型加工技術(shù)，最早用于核反應(yīng)堆材料的加工選擇，隨著技術(shù)的深入發(fā)展，熱等靜壓以其簡便的操作工藝、高質(zhì)量的產(chǎn)品等特點(diǎn)，逐漸在航空、航天、軍事、海洋、汽車等行業(yè)擴(kuò)大了應(yīng)用，也帶動了一大批新型復(fù)合材料的出現(xiàn)。該文簡述了熱等靜壓技術(shù)的原理與特點(diǎn)，從發(fā)展歷史、設(shè)備改進(jìn)、技術(shù)應(yīng)用等方面對其發(fā)展現(xiàn)狀做了討論，并提出了未來技術(shù)發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：熱等靜壓 發(fā)展現(xiàn)狀 設(shè)備改進(jìn) 應(yīng)用 發(fā)展趨勢

中圖分類號：TFl24.31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0080-02

1 熱等靜壓概述

1.1 熱等靜壓原理與特點(diǎn)

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP）技術(shù)實(shí)現(xiàn)于一個密閉容器空間中，將所需制品的材料放置其中，施加高溫高壓條件，將材料燒融并重新固結(jié)致密化，該技術(shù)的一個重要特點(diǎn)是壓力的均衡施加，因此得到的成品均勻性好。按照材料利用情況和制品要求，熱等靜壓技術(shù)可以分為3類：第一，對粉末（狀）材料的壓實(shí)固結(jié)，最終使其趨近于成品的形狀和結(jié)構(gòu)；第二，制品本身存在裂痕、孔隙、變形等缺陷，通過高溫和加壓使其重新致密并規(guī)范制品形狀，消除上述缺陷；第三，應(yīng)不同的功能要求，需將不同的材料進(jìn)行拼接與焊合，利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)材料界面的擴(kuò)散與拼合。

相比于傳統(tǒng)純粹的高溫高壓技術(shù)，熱等靜壓在高溫壓的前提下，增加了等靜壓的特點(diǎn)，材料在加工過程中受壓均衡，得到的成品各向同性好，致密程度高，缺陷少，總體性能優(yōu)異。因此，對于航空航天、海洋、汽車等對材料性能要求高的行業(yè)領(lǐng)域，該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用空間。同時該技術(shù)的興起，也使得過去高精度儀器設(shè)備的制作變得方便，大大縮減了工序和加工時間。

1.2 國內(nèi)外熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀（600）

1955年，美國Battelle研究所在尋找合適的核反應(yīng)堆材料時，利用高溫和等靜壓技術(shù)條件實(shí)現(xiàn)原子核反應(yīng)時元素的擴(kuò)散結(jié)合，由此，拉開了熱等靜壓技術(shù)發(fā)展的序幕。彼時，等靜壓的施加主要依靠惰性氣體來實(shí)現(xiàn)，且主要用于元素的粘結(jié)，因此該技術(shù)最初稱作“氣壓粘結(jié)”技術(shù)。60年代初，該項技術(shù)逐漸被美國其他公司利用并不斷改善，隨著其傳入歐洲和北京，熱等靜壓技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了大幅度的拓寬。

2 熱等靜壓的設(shè)備改進(jìn)

2.1 熱等靜壓機(jī)相關(guān)裝備及工藝流程

熱等靜壓機(jī)主要包括了加熱爐、高壓容器、壓縮機(jī)、真空泵、冷卻系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等，整個操作工藝流程大致分為5個階段：加工材料的清理與入爐、充氣加壓升溫、加工過程的保溫保壓、降溫泄壓、出爐。其中溫度和壓力的控制是操作的關(guān)鍵。

加熱爐和高壓容器是熱等靜壓機(jī)的核心設(shè)備，用于提供生產(chǎn)加工過程中所需的高溫高壓條件。為了保證均勻預(yù)熱和快速升溫，如今的設(shè)備在加熱區(qū)布局上，通常采用底部和側(cè)面的多面分布，采用鉬絲、石墨等不同電阻材質(zhì)的電阻元件在加熱爐中安裝多個獨(dú)立的控制區(qū)，根據(jù)所需加工的成品的性質(zhì)和用途，設(shè)置不同的溫度檔，可以實(shí)現(xiàn)不同的加熱溫度要求。熱等靜壓機(jī)高壓的均勻施加通過充注惰性氣體來實(shí)現(xiàn)，通常采用裝配了防震、自調(diào)功能的非注油式電動液壓壓縮機(jī)，它具有過壓保護(hù)性能，能夠充注近200 MPa的高壓惰性氣體。

目前生產(chǎn)的儀器具備自動化控制功能，利用計算機(jī)系統(tǒng)可預(yù)先設(shè)定相關(guān)的溫度壓力參數(shù)，輸入相關(guān)操作程序，從而實(shí)現(xiàn)自動加工生產(chǎn)。除此之外，儀器還配備了用于抽吸雜質(zhì)的真空泵，用于降溫保護(hù)的冷卻系統(tǒng)等。

2.2 熱等靜壓機(jī)設(shè)備的改進(jìn)

熱等靜壓技術(shù)的出現(xiàn)為高質(zhì)量產(chǎn)品的生產(chǎn)帶來了生機(jī)，但也出現(xiàn)了安全性、生產(chǎn)成本、能耗等方面的問題，一項技術(shù)的完善需要相關(guān)設(shè)備的及時跟進(jìn)，從生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，該文主要從提高生產(chǎn)效率和成品質(zhì)量、節(jié)約能耗3方面展開，對熱等靜壓機(jī)設(shè)備的改進(jìn)提出相關(guān)的見解。

2.2.1 提高生產(chǎn)效率

工程生產(chǎn)講究成本節(jié)約和投資盈利，提高生產(chǎn)效率是獲取更大經(jīng)濟(jì)效益的根本途徑，而創(chuàng)新和發(fā)展技術(shù)設(shè)備成為提高生產(chǎn)效率的不二途徑。對于熱等靜壓技術(shù)而言，由于加工過程需要在高溫條件下進(jìn)行，因此生產(chǎn)上面臨的最大問題是儀器的冷卻降溫。傳統(tǒng)設(shè)備的冷卻速度普遍較慢，經(jīng)常需要花上數(shù)個小時的時間，為了縮短工作周期，應(yīng)發(fā)展快速冷卻技術(shù)。在技術(shù)原理上，充分利用高壓容器的氣體循環(huán)，通過內(nèi)部和外部兩套冷卻循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的雙重降溫。另外，安裝強(qiáng)力風(fēng)扇和控制內(nèi)部對流也是快速降溫的重要途徑。

2.2.2 提高成品質(zhì)量

制品質(zhì)量的控制關(guān)鍵在于加工過程中溫度和壓力條件是否合適，包括了溫壓參數(shù)的取值，受熱和施壓是否均勻及設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性等方面。目前在溫度控制方面通過增加受熱面積和設(shè)置分區(qū)獨(dú)立加熱單元，基本實(shí)現(xiàn)了制品的均勻受熱和實(shí)時控制；惰性氣體充注也保證了施壓的均衡性。

2.2.3 節(jié)約能耗

熱等靜壓機(jī)高壓的產(chǎn)生主要通過惰性氣體的充注來實(shí)現(xiàn)，因此其主要能耗來自于電能和熱能。制作工藝中高溫高壓條件決定了其高能耗的特點(diǎn)，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的熱能，其中大部分的熱能都通過熱交換器散失，節(jié)約能耗的最有效措施就是充分利用這部分熱能。通過在高壓熔爐外設(shè)置氣體循環(huán)路線，一方面能利用這部分余熱加熱鍋爐，另一方面也加速了設(shè)備的冷卻，提高了工作效率。

3 熱等靜壓技術(shù)的應(yīng)用

3.1 陶瓷制品中的應(yīng)用

陶瓷是近年來在材料領(lǐng)域新興崛起的一種材料類型，鑒于其具有良好的化學(xué)惰性、穩(wěn)定性、高強(qiáng)度、高耐熱性，其在電力、機(jī)械等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，甚至取代了金屬的地位。

3.2 金屬冶煉中的應(yīng)用

熱等靜壓技術(shù)為粉末冶金提供了新的思路，利用高溫高壓煉制得到的冶金材料在尺寸和性能結(jié)構(gòu)上都接近最終成品，因此，這種方法得到的制品所需的后續(xù)加工工序大為縮減，同時提高了材料的利用率。

3.3 鑄件內(nèi)部缺陷修復(fù)

由于最初制造工藝的限制或是使用時間過長，都會在鑄體內(nèi)部產(chǎn)生松弛變形或者孔隙等缺陷，這種損傷的出現(xiàn)降低了材料的性能，同時其使用壽命和安全性問題都會逐漸凸顯。鑄體致密化和內(nèi)部損傷的修復(fù)是熱等靜壓技術(shù)早期應(yīng)用的領(lǐng)域，發(fā)展至今，相關(guān)技術(shù)已相對成熟。

3.4 熱等靜壓擴(kuò)散連接

熱等靜壓擴(kuò)散連接屬于微觀技術(shù)領(lǐng)域，它在宏觀高溫高壓條件下，內(nèi)部原子發(fā)生擴(kuò)散移動，彼此進(jìn)入，完成宏觀焊接的任務(wù)。具體而言，整個過程大致劃分為3個階段：第一，接觸界面的形成，當(dāng)外加高壓作用于材料時，材料發(fā)生塑性變形，隨著變形程度的加劇，在需要焊接表面就會形成越來越多的凸起，這些凸起增加了焊接表面的接觸面積，逐漸形成了一個含有較多孔隙的接觸界面；第二，平衡界面的形成，該階段原子在初始接觸界面的基礎(chǔ)上發(fā)生大規(guī)模的移動和擴(kuò)散，界面處孔隙基本消除，殘留部分孔隙，隨著原子的擴(kuò)散逐漸趨于一個平衡狀態(tài)，原始接觸界面被新的平衡界面所取代；第三，原子體積擴(kuò)散，承接第二階段的變化，原子發(fā)生體積擴(kuò)散，孔隙被全部充填而消除，焊接界面處接觸完全。利用熱等靜壓擴(kuò)散技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)同種材料、不同材料間的各種焊接，焊接部位結(jié)合度高，制品性能優(yōu)于最初母材，因此，該項技術(shù)常常用于合金冶煉、高性能符合材料的制作。

3.5 其他方面的應(yīng)用

熱等靜壓技術(shù)還可以應(yīng)用于多孔材料（例如濾波器、磨輪等）的制作，只需在原料中加入造孔劑或?qū)υ线M(jìn)行松裝處理，就可以得到開孔率高、性能優(yōu)良的多孔材料，造孔劑在其中主要起到了固定制品形狀和產(chǎn)生規(guī)則尺寸孔隙的作用。

4 熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展趨勢

相比于傳統(tǒng)的產(chǎn)品加工手段，熱等靜壓技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，從目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和產(chǎn)品市場分析大致可預(yù)測其具有如下發(fā)展趨勢。

（1）用于不同工藝制品的合成與連接。針對不同用途所需的材料性質(zhì)不同，材料領(lǐng)域復(fù)合高性能材料逐漸成為主導(dǎo)，利用熱等靜壓技術(shù)制得的成品致密化程度高，均質(zhì)性強(qiáng)，為不同材質(zhì)成品間的連接與合成提供了方便。這不僅節(jié)省了工藝流程和材料使用，同時也提高了制品的質(zhì)量。

（2）加熱和冷卻速度的雙重提升。提高生產(chǎn)效率是工程制造中降低生產(chǎn)成本的重要措施。熱等靜壓技術(shù)中加熱和加壓是核心工藝，也是提高生產(chǎn)效率的重要著力點(diǎn)。目前已出現(xiàn)了一種熱等靜壓—淬火技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了加熱與施壓的一體化，壓力充注氣體選用傳熱系數(shù)較高的氣體，以保證氣體和設(shè)備之間最小的溫差，冷卻降溫逐漸實(shí)現(xiàn)自動化控制，利用計算機(jī)系統(tǒng)能有效把控降溫時間。

（3）開辟新的工藝模式。傳統(tǒng)的熱等靜壓設(shè)備加熱時間長、能耗高，現(xiàn)通過快速熱等靜壓法，將預(yù)熱膜盒壓擠到粘塑壓力介質(zhì)（潤滑油等油脂類介質(zhì)）中，能夠?qū)⒅破饭探Y(jié)時間從原來的數(shù)小時縮短至幾分鐘，這種方法不同于傳統(tǒng)的熱等靜壓技術(shù)，但仍然利用了熱等靜壓原理，而得到的成品完全具備高度致密化和均質(zhì)性的特點(diǎn)，因此，利用快速熱等靜壓法等類似的技術(shù)，節(jié)約能耗、縮短工藝流程，同時得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，類似模式將為熱等靜壓的利用開辟新的應(yīng)用方向。

（4）采用無包套技術(shù)工藝。包套技術(shù)在熱等靜壓中廣泛應(yīng)用，制品的高純度和強(qiáng)均質(zhì)性很大一部分原因在于包套的使用。然而包套工藝操作復(fù)雜、成本較高，包套的選擇需與產(chǎn)品尺寸相配合，因此在利用上嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率的提高。國外已推出了無包套熱等靜壓技術(shù)工藝，包括了兩種方式：燒結(jié)和熱等靜壓在不同的鍋爐內(nèi)進(jìn)行，或在同一加熱爐內(nèi)進(jìn)行。無包套技術(shù)得到的工藝制品在質(zhì)量上基本趨近于有包套熱等靜壓。

（5）壓力充注氣體選擇的多樣化。熱等靜壓技術(shù)中高壓的施加通過充注惰性氣體來實(shí)現(xiàn)，過去氬和氦是兩種主要的充注氣體，尤其是氬氣，價格便宜且穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)。隨著近年來產(chǎn)品類型的激增，不同產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中有不同的工藝要求，例如陶瓷制品中含有較多的氮化物，此時常常選用氮?dú)庾鳛閴毫Τ渥怏w，因?yàn)榈獨(dú)饪梢匝泳彽锏姆纸猓欣谔岣咛沾芍破返闹旅芏取?/p>

5 結(jié)語

綜上所述，熱等靜壓技術(shù)利用高溫高壓條件得到高度致密化、強(qiáng)度高、均質(zhì)性好的高性能制品，加上其操作工藝簡單、能耗低等特點(diǎn)，使其在陶瓷制作、金屬冶煉、鑄體修復(fù)甚至食品包裝等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。加熱爐和高壓容器是熱等靜壓機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，為了提高工作效率，應(yīng)著力于加快加熱與冷卻時間。未來熱等靜壓將向著無包套、多樣化的壓力氣體、自動化控制等方向發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于制品的合成與焊接。國內(nèi)應(yīng)緊跟國際領(lǐng)先水平，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)熱等靜壓設(shè)備與技術(shù)的共同進(jìn)步。

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