[科普中国]-热等静压结法

热等静压结法是一种冶金的专业术语。热等静压法是一种先进的材料成形技术，可用于制造形状复杂的金属基复合材料零件。

原理把装入特制容器(称为包套)内的粉末或压坯，或直接将密度超过93%TD、无开口气孔的烧结体放入热等静压机的高压容器中。然后，以高压Ar或N，等气体为压力介质均匀作川于陶瓷材料，借助于高温和高压的共同作用使陶瓷材料达到致密化的过程称为热等静压烧结(HIP)。热等静压烧结致密化机理与热压烧结基本相同，即在高温和外力作用下材料发生塑性变形和扩散蠕变等。

由于热等静压烧结不需要刚性模具来传递压力(如热压烧结中的石墨模具)，不受模具强度的限制，可以选择更高的斥力。热等静压烧结的压力是热压烧结压力的5—10倍，且坯体不与模壁存在任何的摩擦力，因此热等静压烧结可获得比热压烧结更加高的致密度。例如，利用热等静压可以烧结不添加任何助剂的高纯Si，N。陶瓷，以及含有较高比例品须和纤维的陶瓷复合材料。

发展热等静压( HIP)技术是在高温下将高压气体均匀地作用于粉末坯体或制品上。在高温高压的均匀压力作用下，使粉末体固结，均匀收缩，完成烧结工艺，达到100%的理论密度。热等静压1955年起源于美国巴蒂尔研究所，当时是为了解决核燃料的包套问题。热等静压用于工业生产是从硬质合金开始的，那就是1967年美国肯纳金属公司所安装的第一台年产50t的热等静压机。HIP技术可消除其缩孔、空洞、裂纹等。因此，HIP技术已成为粉末冶金固结、致密化处理的一种有效的、迅速发展的先进工艺技术。据报道，1983年全世界171台热等静压机中有55台是用于硬质合金工业的。硬质合金工业曾经是热等静压机的最大应用领域。1

热等静压烧结最早是由美国Battelle Columbus实验室研制成功，随后瑞典ASEA公司和美国ABB公司生产出商业用热等静压设备。20世纪60年代，热等静压烧结首先应用于粉末冶金领域特别是硬质合金制品的生产。20世纪70年代，随着热等静压机的温度和压力不断提高，开始应用于陶瓷产品制备。2

工艺热等静压烧结有包套式和无包套式两种。

包套式热等静压是指将陶瓷粉末或压坯放于包套材料内，再真空密封，然后在高温高压条件下实现致密化的过程。对包套材料的要求是：耐高温，在烧结温度下不与陶瓷材料发生反应，冷却后容易与陶瓷脱离，具有优异的可焊性且密封可靠，在高温下有良好的可变形性以便有效地传递压力；在高温下有足够大的黏度以便在包套软化时不至于渗入烧结体内。当热等静压烧结温度低于1500℃时，常用低碳钢薄板做包套材料，也可用石英玻璃封
装形状复杂的坯体，玻璃包套的经济性比低碳钢要好。封装后包套内的残余气体会影响最终致密化，因此除气和封装应在真空中进行，或用排气管抽出粉末中的气体，再把排气管压扁，采用快速焊接熔化封口。完成烧结后采用机械喷砂方法除去包套，取出陶瓷产品。

1．粉末包套HIP烧结

采用粉末包套HIP烧结，产品的形状取决于包套形状，一般只能制备形状比较简单的产品很难制各形状非常复杂的产品。

2．压坯包套HIP烧结

压坯包套HIP烧结对于制备形状非常复杂的陶瓷产品是十分有利的。首先将陶瓷粉末与黏结剂混合均匀、造粒和压制成形，并在≤800℃较低温度下脱脂，然后用粉末状玻璃进行包覆。

热等静压设备HIP装置主要是由高压容器和承力框架、加热系统、隔热系统、冷却系统、供气及气体回收系统、装料系统、液压系统、真空系统、供电系统、控制系统、测温系统、气动系统、安全保护系统、气体纯度分析系统以及快速冷却系统和辅助系统组成。

采用钼或钼合金作为发热体，适用于1000—1500℃的HIP处理。当HIP温度不高于1400℃，介质形式为氩气、氮气或Ar+N2，可选用双铂铑热电偶。气体压缩机为高压气体发生装置，它有三个主要指标：进气压力、排气压力和排量。气体压缩机可分为两种：一种为柱塞式压缩机；另外一种为膜片式压缩机。对于应用于金属材料的热等静压装备其工作压力一般为140—200MPa，工作温度在1250～1500℃，工作室尺寸的范围很宽，为100mmx120mm—2000mmx4000mm，乃至更大，这种类型的热等静压装备的发热、隔热材料一般选用金属材料制成。

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学