[科普中国]-热等静压

热等静压（Hot IsostaticPressing，简称HIP）工艺是将制品放置到密闭的容器中，向制品施 加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。热等静压是高性能材料生产和新材料开发不可或缺的手段；热等静压可以直接粉末成型，粉末装入包套中（类似模具作用），包套可以采用金属或陶瓷制作（低碳钢、Ni、Mo、玻璃等），然后使用氮气、氩气作加压介质，使粉末直接加热加压烧结成型的粉末冶金工艺；或者将成型后的铸件；包括铝合金；钛合金；高温合金等缩松缩孔的铸件进行热致密化处理，通过热等静压处理后，铸件可以达到100%致密化，提高铸件的整体力学性能。

简史第一台热壁螺纹式结构的HIP装置是美国巴蒂尔（Battelle）研究所1955年研制成功的。该设备内径仅4.76mm，压力13.78MPa，温度816℃。1956年出现了冷壁HIP装置。60年代初瑞典艾西亚（ASEA）公司研制成功了预应力钢丝（带）缠绕结构框架式HIP装置。之后，该公司批量生产容积为φ1290mm×2500mm，温度为1450℃，压力为320MPa的大型HIP装置。80年代以来，单纯扩大HIP装置尺寸的趋势衰减，向单功能、特殊应用的方向发展。例如，超高温（最高达3000℃）、超高压（最高达980MPa）、快速、浸渍、使用多种气体的HIP装置相继出现。为了满足液相烧结的需要（如烧结硬质合金）又发展了低压热等静压装置（又称为超压烧结炉、烧结-热等静压机等），压力仅为9.8～30MPa。这种装置将硬质合金生产中的排蜡、预烧和烧结在一道工序中完成。我国60年代曾制造过三台热壁HIP装置；1972年开始制造冷壁HIP装置，1975年投入使用，1979年建造了第一台钢丝缠绕HIP装置。1

目前，先进的热等静压机为预应力钢丝缠绕的框架式结构，高压容器的端盖与缸体间的连接为无螺纹连接。因筒体和框架均采用钢丝预应力缠绕，所获的负预应力可通过计算确定，即使装置处于工作的最大压力状态时，其强大的应力也是由预应力缠绕钢丝所承受，即应力被集中消除，承载区域独立安全，同时钢丝缠绕还起到防爆和屏障的作用。

装置组成热等静压装置主要由水冷压力容器、与压力容器绝热的加热炉以及控制、安全、操纵等附加设施所组成。压力容器有两种密封方式：螺纹式和框架式。螺纹密封只能从顶部开、合和加载。框架式密封如图所示，可以从顶部和底部同时开、合。压力容器和框架均可用钢丝（带）缠绕，以承受高压。传压介质一般用氩气，其导热率比氦低，容易使温区达到所需温度和使温区温度均匀。同时氩比氦便宜。由于压力容器冷壁和加热炉之间压缩气体的对流，使压坯温度分布不均匀，这是HIP的困难所在。可以在发热体与冷壁之间，以及在发热体与工件之间设置适当的绝热保温层将压制空间间隔起来，从而克服这一困难。2

操作步骤HIP的基本操作步骤是：将粉末或粉末压坯装入包套中；抽去吸附在粉末表面、粉末间空隙和包套内的气体；将包套真空密封后置于有加热炉的压力容器中；密封压力容器后泵入惰性气体（即传压介质）至一定压力；然后升温至所需温度，因气体体积膨胀，容器内的压力也升至所需压力。在高温、高压共同作用下完成成形和烧结。之后，用机械或酸浸方法除去包套，得到制品。金属粉末的包套常用经过严格检漏的钢板焊接而成。任何微小的渗漏都会引起产品中的热诱导孔隙。包套材料也可以用在烧结温度下具有均匀粘性流动的玻璃或陶瓷。例如，石英在高温下就具有必要的粘性，适于压制高温合金。玻璃包套可用粉浆成形和烧结方法制得。

应用与发展在发动机制造中，热等静压机已用于粉末高温合金涡轮盘和压气盘的成型。把高温合金粉末装入抽真空的薄壁成形包套中，焊封后进行热等静压，除去包套即可获得致密的、接近所需形状的盘件。粉末热等静压材料一般具有均匀的细晶粒组织，能避免铸锭的宏观偏析，提高材料的工艺性能和机械性能。粉末高温合金热等静压或热等静压加锻造的盘件已在多种高推重比航空发动机上应用。同样，热等静压还用于制造粉末钛合金风扇盘和飞机上的粉末铝合金和粉末钛合金承力构件。在航天器制造工业中，热等静压主要用于制造致密的碳质结构件，如火箭的舵面和固体火箭发动机喷管喉衬等。

各种合金的精密铸件，如高温合金涡轮叶片，铸钛机匣以及涡轮增压器的铝合金铸件等，经热等静压致密化处理可消除内部疏松和缩孔，提高性能、可靠性和使用寿命。热等静压还是返修旧件以延长使用寿命的一种有效方法。

热等静压技术优点在于集热压和等静压的优点于一身，成形温度低，产品致密，性能优异，故是高性能材料制备的必要手段；目前在美国，日本，已经欧洲都实现了产业化，在海洋，航空，航天，汽车等领域应用；我国起步较晚，20世纪60年代，国内一些科研单位，开展了一系列的研究，包括热等静压设备的开发，航空高温合金粉末涡轮盘的开发，热等静压高性能材料的研发，取得了一系列的研究成果及科学技术进步奖；我国开展热等静压的产业化起步较晚，目前此技术在我国的普及率极低，由于没有规模化，产业化，故生产成本较高，目前主要还技术集中在航空航天高性能材料的研发及铸件的致密化处理；但是随着经济的发展，建设创新性国家的需求，以及一些高性能材料的开发，国内某些单位依托科研院所的研究成果，开展了热等静压产业化的工作；为我国的新材料开发，以及热等静压的普及工作作出了卓有成效的工作。

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学