热等静压修复

合集下载

金属热等静压

金属热等静压简介

金属热等静压是一种先进的金属成形工艺，主要用于制造高强度、高韧性、金属复合材料等。

金属热等静压工艺是将金属坯料置于高压容器中，通过高压下的热等静压成形，使金属材料的晶粒细化、组织均匀化，从而提高材料的强度、韧性和耐腐蚀性能。在金属热等静压工艺中，金属坯料被放置在高压容器中，容器内部充满了惰性气体，然后通过高压泵将气体压缩，使容器内部的压力达到数千兆帕，接着通过加热的方式将金属坯料加热至高温，最后施加压力进行成形。

金属热等静压工艺具有以下优点：

1.提高材料的强度和韧性：金属热等静压工艺可以使金属材料的晶粒细化，从而提高材料的强度和韧性。

2.提高材料的耐腐蚀性能：金属热等静压工艺可以使金属材料的组织均匀化，从而提高材料的耐腐蚀性能。

3 节约材料和能源：金属热等静压工艺可以使金属材料的浪费减少到最小，同时可以节约能源。

4.生产高精度和高复杂度的零件：金属热等静压工艺可以制造高精度和高复杂度的金属零件，适用于航空航天、汽车、船舶等领域。

总之，金属热等静压是一种高效、精密的金属成形工艺，具有广泛的应用前景。

热等静压技术

在工程实践中，静压技术是把原料以及高温燃气在封闭容器中进行高温、大压力加热

后反应到达所需产物的工艺过程。它是一种无毒，无火焰，安全可靠的工艺，可以有效的

满足工业的精度要求，干净的完成各种能源的转化。

静压加热技术应用广泛。其中，有制造压克力等塑料、火药、放射性化学品、危险

化学品等，还可用于能源转化、海洋油气开发、聚合物反应等。

静压加热技术利用反应过程中化学能量的释放，可以将原料转化成所需的产物，因此

不仅降低了热能的损失，而且具有很高的反应速率，这也是它受欢迎的原因之一。

静压加热技术需要采用完善的设备和详细的操作规程，才能充分发挥作用。装有高温

燃气的静压容器必须定期检查，并确保它们保持完好的状态。而且，对工作压力和温度还

必须定期进行测量，以确保反应质量。

此外，维护和检验准备好的静压技术设备还需满足安全性要求，我们要求设备严格按

照安全标准进行设计，为了保护工人和环境，特别注意使用特殊的材料和正确的安全装置，杜绝产生有害气体等危害。

总之，静压加热技术应用极广，具有安全可靠的特点，以及快速的反应过程，但要保

证它的安全，必须采取恰当的设备操作，遵循安全规则并定期检查以确保工作正常。

热等静压技术的发展和应用

热等静压技术的发展与应用

摘要：热等静压法作为材料现代成型技术的一种，是等静压技术一个分支。目前热等静压技术已广泛应用于航空、航天、能源、运输、电工、电子、化工和冶金等行业，用于生产高质量产品和制备新型材料。本文主要介绍了热等静压技术的发展、工作原理及其应用范围。

关键词：热等静压，高压容器，加热炉，扩散连接，粉末冶金

The Development and Applications of Hot Isostatic Pressing Abstract：Hot isostatic pressing method as a kind of modern molding technology, is a branch of isostatic pressing technology. Hot isostatic pressing technique has been widely used both in aviation, aerospace, energy, transportation, electrical, electronics, chemical industry and metallurgy and other industries, and in the production of high quality products and the preparation of new materials. This article mainly introduced the development of hot isostatic pressing technology, working principle and its application range.

热等静压工艺(HotIsostaticPressing,简写为HIP)是将粉末

（1）陶瓷材料的致密化可以在比无压烧结或热压烧结低得多的温度下完成，可以有效地抑制材料在高温下发生很多不利的发应或变化；（2）能够在减少甚至无烧结添加剂的条件下，制备出微观结构均匀且几乎不含气孔的致密陶瓷烧结体；（3）可以减少乃至消除烧结体中的剩余气孔，愈合表面裂纹，从而提高陶瓷材料的密度、强度；（4）能够精确控制产品的尺寸与形状，而不必使用费用高的金刚石切割加工，理想条件下产品无形状改变。
金属和陶瓷的固结金刚石刀具的烧结铸件质量的修复和改善高性能磁性材料及靶材的致密五热等静压1陶瓷材料的致密化可以在比无压烧结或热压烧结低得多的温度下完成可以有效地抑制材料在高温下发生很多不利的发应或变化
五、热等静压
热等静压工艺（Hot Isostatic Pressing，简写为HIP）是将粉末压坯或装入包套的粉料装入高压容器中，使粉料经受高温和均衡压力的作用，被烧结成致密件。其基本原理是：以气体作为压力介质，使材料（粉料、坯体或烧结体）在加热过程中经受各向均衡的压力，借助高温和高压的共同作用促进材料的致密化。目前，热等静压技术的主要应用有：金属和陶瓷的固结，金刚石刀具的烧结，铸件质量的修复和改善，高性能磁性材料及靶材的致密化。
后HIP工艺流程图
Байду номын сангаас
直接HIP工艺流程图

热等静压技术

百科名片

热等静压(hot isostatic pressing，简称HIP)是一种集高温、高压于一体的工艺生产技术，加热温度通常为1000 ~2000℃，通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质，工作压力可达200MPa。在高温高压的共同作用下，被加工件的各向均衡受压。故加工产品的致密度高、均匀性好、性能优异。同时该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点。

发展史

热等静压设备的结构性能

热等静压技术的主要应用

前景展望

发展史

热等静压设备的结构性能

热等静压技术的主要应用

前景展望

展开

编辑本段发展史

自20世纪50年代中期美国巴蒂尔(Battelle)研究所为研制核反应材料而开发HIP技术以来。由于其在生产加工难度较大且质量要求较高的材料及构件中展现出独特优势，受到了人们的广泛关注。经过近半个世纪的发展，随着热等静压设备性能的不断改进完善，HIP技术现已在硬质合金烧结、钨铝钛等难熔金属及合金的致密化、产品的缺陷修复、大型及异形构件的近净成形、复合材料及特种材料的生产加工等方面得到了广泛应用。

编辑本段热等静压设备的结构性能

热等静压法综述

材料加工方法——热等静压法简述

前言

热等静压法作为材料现代成型技术的一种，是等静压技术一个分支。等静压是粉末冶金领域的一种技术，已有近百年历史。等静压技术按其成型和固结温度的高低，通常划分为冷等静压、温等静压、热等静压三种。近几十年，来随着科学技术的进步，特别是热等静压的发展，等静压技术不再只是粉末冶金的专用技术，它的应用已经扩大到了原子能工业、制陶工业、铸造工业、工具制造、塑料和石墨等生产部门。随着其应用范围日益扩大，作用和经济效益的不断提高，热等静压法已经成为一种及其重要的材料现代成型技术

1. 热等静压法定义和特点

热等静压（HIP）是在高温高压密封容器中，以高压气体为介质，对其中的粉末或待压实的烧结坯料(或零件)施加各向均等静压力，形成高致密度坯料(或零件)的方法。该法采用金属、陶瓷包套（低碳钢、Ni、Mo、玻璃等）或不采用，使用氮气、氩气作加压介质，使材料热致密化。其成型过程如图一：

加热装置

包套法玻璃浴法直接法

图一：热等静压法成型过程

由于热等静压法在高温下对工件施加各向均等静压力成型，使其与传统工艺相比如下优点：

1）在很低的温度下粉末便可固结到很高的密度。

2）可以压缩形成型状复杂的工件。

3）经过热等静压的工件具有一致的密度

4) 高的气体密度可以促进热交换，提高加热速度缩，短循环时间。

5）由于非常一致的加热，脆性材料也可被压缩成型

2. 工艺过程及工作原理

由于热等静压法用于粉末固结更具用代表性，下面以粉末固结过程介绍热等静压法的工艺工程和原理。热等静压法在其他领域的应用的工艺与原理与上述相似，只是省略部分阶段，故不再赘述

液态金属加工中的热等静压技术

液态金属加工中的热等静压技术是一种先进的材料加工技术，它通过在高温高压环境下，对材料进行整体加压，以实现材料的致密化、增强和增韧。这种技术具有许多优点，如加工周期短、效率高、材料利用率高等，因此在许多领域得到了广泛的应用。

热等静压技术的工作原理是通过将待加工材料置于高温高压的环境中，利用惰性气体循环来保持恒温恒压，从而实现对材料的整体加压。与传统的压力机相比，热等静压技术可以对材料进行更加均匀和精确的压力控制，从而实现更高的加工精度和更好的性能。

在液态金属加工中，热等静压技术的应用范围非常广泛。例如，它可以用于制造高温合金、陶瓷、金属基复合材料等高端材料。这些材料在高温、高压、腐蚀性环境等特殊条件下具有优异的性能，因此广泛应用于航空航天、石油化工、汽车制造等领域。通过热等静压技术，这些材料的性能可以得到进一步的提升和优化。

此外，热等静压技术还可以用于修复和改性已经成型但存在缺陷的材料。通过在高温高压环境下对材料进行加压，可以消除材料内部的缺陷，提高材料的强度和韧性。同时，热等静压技术还可以对材料进行改性处理，如增强材料的耐腐蚀性、耐磨性等性能。这为解决材料腐蚀、磨损等问题提供了新的思路和方法。

最后，值得注意的是，热等静压技术的实施需要精确的控制技术和先进的设备支持。同时，对材料的性能要求也相对较高，因此需要在专业的实验室或生产环境中进行实施和应用。这也要求从事液态金属加工的热等静压技术研究人员具备丰富的专业知识和实践经验。

总之，热等静压技术作为一种先进的材料加工技术，在液态金属加工中具有广泛的应用前景。它不仅可以用于制造高端材料，还可以用于修复和改性已经成型但存在缺陷的材料。然而，该技术的应用也需要具备一定的专业知识和设备支持，并且对材料的性能要求也相对较高。因此，未来的研究和发展应着重于提升设备的精度和效率，提高对材料的认识和掌控能力，从而进一步拓展该技术的应用领域。

热等静压(hip)技术在硬质合金及陶瓷材料中的应用

热等静压(ＨＩＰ)技术一直是开发高性能陶瓷材料及复合材料致密制品的主要手段之一。陶瓷材料、尤其是非氧化物陶瓷材料多为强共价键化合物。其自扩散系数很小,采用常规烧结工艺难于得到性能优良、形状复杂的致密制品。在每届国际ＨＩＰ会议上,陶瓷材料的研究论文都占有主要的位置,下面是1999年北京ＨＩＰ国际会议关于ＨＩＰ技术在硬质合金和陶瓷材料中的应用情况介绍。1硬质合金ＨＩＰ技术在硬质合金中的应用始于70年代初。硬质合金经ＨＩＰ处理后,其抗弯强度与使用寿命大幅度提高,加工后制品的表面光洁度也大大提高,许多采用常规工艺难以生产的部件,在采用ＨＩＰ技术后也可以顺利生产。多年的试验研究表明,要想得到全致密的硬质合金产品,并不需要太高(一般只需要几个ＭＰａ)的压力。80年代初开发了一种低压烧结技术, 即低压烧结ＨＩＰ技术,此项新工艺把硬质合金生产中的脱蜡-烧结-ＨＩＰ致密化合为一体在同一设备内完成。由于所需压力成10倍的下降,使ＨＩＰ设备的制造成本大幅度降低。几道工序合为一体不但降低了制品的生产成本,同时由于此工艺更加合理而提高了产品的质量。目前烧结ＨＩ技术已成为世界各硬质合金厂生产高质量硬质合金的主要手段。近年来我国各主要硬质合金生产厂都引进了多台先进的烧结热等静压设备,本届ＨＩＰ会议发表了数篇有关报道。其中,株洲硬质合金厂采用平均粒度为08μｍ的ＷＣ粉、钴粉为原料及加入少量ＶＣ、Ｃｒ3Ｃ2制备了ＨＲＡ≥90、抗弯强度≥3000ＭＰａ的系列产品<1>;株洲硬质合金厂还采用烧结ＨＩＰ工艺生产了外285ｍｍ/内66ｍｍ×145ｍｍ的大件,其单件质量为118ｋｇ;他们对采用此工艺与采用常规真空烧结工艺制品的性能进行了比较(表1)<2>表1烧结ＨＩＰ工艺及常规真空烧结工艺制品性能的比较①烧结工艺密度/ｇｃｍ3硬度(ＨＲＡ)抗弯强度/ＭＰａ抗压强度/ /ＭＰａ晶粒尺寸/μｍ烧结ＨＩＰ14228923710555012真空烧结141188 92730468014①合金成分:ＷＣ+13Ｃｏ(质量分数)。2Ｓｉ3Ｎ4材料Ｓｉ3Ｎ4陶瓷是最主要且应用最广的工程陶瓷材料之一。由于Ｓｉ3Ｎ4陶瓷材料自身几乎不可能烧结成制品,故在生产Ｓｉ3Ｎ4陶瓷制品时都加入一定数量的烧结助剂如:ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3等。由于烧结助剂与Ｓｉ3Ｎ4表面ＳｉＯ2形成低熔点共晶而进行液相烧结,αＳｉ3Ｎ4粒子溶于液相后,从液相析出针状βＳｉ3Ｎ4,这样的组织结构有利于提高Ｓｉ3Ｎ4 陶瓷材料的力学性能,因而常压烧结Ｓｉ3Ｎ4制品在80年代后得到广泛的应用。为进一步提高材料的力学性能,近年来大多采用低压ＨＩＰ烧结技术(又称为气压烧结———ＧＰＳ),且在加压工艺上各国都进行了大量研究。清华大学采用先在1800℃、01ＭＰａ下烧结2ｈ(材料中含5%Ｙ2Ｏ3、3%Ａｌ2Ｏ3及5%ＴｉＣ(质量分数)),然后在1900℃、10ＭＰａ下烧结2ｈ的工艺,得到了抗弯强度为714ＭＰａ,断裂韧性为74ＭＰａ·ｍ1/2的材料< 3>。上海材料所认为,最好的工艺是先在1850℃及1ＭＰａ下烧结05～2ｈ,然后进行高压处理(温度为1750～1850℃,压力为150ＭＰａ<4>)。对ＨＩＰ高压处理致密化的机理研究表明,虽然制品的密度随ＨＩＰ处理温度的提高而提高,但若预烧工艺选择不当,也可使其中心部位的致密化受到影响。澳大利亚学者与中国学者的研究结果表明<5>,若在01～1 ＭＰａ及1750℃下烧结1ｈ,然后再立即加压至100ＭＰａ并保持1ｈ,则可以得到很细的晶粒。他们对Ｓｉ3Ｎ4/ＳｉＣ·ＺＴＡ·Ｍｇ-ＡＴ(Ｍｇ-Ａｌ钛酸盐)等又进行了一系列的试验,得到了同样的结论(表2)。表2一些陶瓷材料在压力烧结(ＰＳ)与高压烧结(ＳＨ)后晶粒尺寸等性能的对比<5>材料组成(质量分数)/%烧结条件相对密度/%开孔率/%总气孔率/%平均晶粒尺寸/μｍＳｉ3Ｎ4Ｓｉ3Ｎ4(90%),ＣａＯ(2%),Ｙ2Ｏ3( 3%),Ｌａ2Ｏ3(5%)ＰＳ(1750℃,2ｈ,Ｎ2,0.1ＭＰａ)66.533.5 33.59.2±1.8ＳＨ(1750℃,2ｈ,Ｎ2,100ＭＰａ)99.50.30.5 4.9±2.2Ｓｉ3Ｎ4/ＳｉＣＳｉ3Ｎ4(58.4%),ＳｉＣ(14.6%),ＳｉＯ2(3%),Ｙ2Ｏ3(9%),Ｌａ2Ｏ3(15%)ＰＳ(1750℃,2ｈ,Ｎ2,0.1 ＭＰａ)73.225.126.81.9±0.4ＳＨ(1750℃,2ｈ,Ｎ2,100ＭＰａ)99.70.000.31.6±0.3ＺＴＡＺｒＯ2(15%),Ａｌ2Ｏ3(85%) ＰＳ(1600℃,2ｈ,空气,0.1ＭＰ

热等静压烧结

热等静压烧结是一种先进的粉末冶金技术，其具有高效、高质、高精度等优点，在制造高性能零件方面占有重要地位。

一、工艺原理

热等静压烧结的工艺过程可以分为三个部分：预热、等静压、烧结。预热是将锆杂氧化锆粉末在高温下进行热处理，以淀积出更细小的晶粒；等静压是将热处理后的粉末放入等静压机中，通过高温高压的作用，使粉末形成密实均匀的基体；烧结是在高温下将已形成的基体中的结晶颗粒继续生长并结晶，形成具有特定性能的材料。

二、优点

热等静压烧结技术具有高效、高质、高精度等优点。首先，它比其它的烧结方法更为高效，制品的表面光洁度高、光泽度好，不会产生压模痕迹和织构。其次，其制品具有更高的密度，并且斑纹组织明显，颗粒尺寸小，而且还具有均匀的组织结构和性能，表现出优异的物理机械性能，例如超强的硬度和抗磨性。此外，其材料结晶粒子尺寸均匀，无粒度分布偏差，这意味着材料的性能不仅稳定性佳，而且还有更好的静态和动态力学性能。

三、应用领域

热等静压烧结技术由于其制品性能稳定和均匀，因此广泛应用于制造精密机械零件和高空间科技领域，如航空航天、汽车、核工业、医疗器械、电子工业、能源等领域。例如，飞机发动机叶片、汽车发动机

摩擦材料、核反应堆非常规燃料等，在接受热等静压烧结技术处理后，都具有了更加优异的性能参数，可以有效地提高产品的附加值。

总之，热等静压烧结技术在材料学的领域内范围广泛，且有广泛的应

用前景。通过科学彻底的工艺控制，使这种技术在制造高性能零件方

面得到了优异的成果。

热等静压技术

铸件的致密化处理主要应用于比较重要的场合，例如：航空领域应用的发动机，发电工业应用的汽轮机透平、涡轮等重要的零部件，飞机或民用的铝、钛结构件，汽车的重要零部件，生物工程中人工关节的致密化处理等。
HIP扩散粘结技术
热等静压复合扩散连接是将2种或2种以上的不同材料，在高温高压作用下进行扩散连接的一种新技术，涉及到的材料可以是金属-金属、金属-非金属、非金属非金属，它是近几年发展起来的，特别是在民用方面值得应用推广的一项较好技术。
模具设计包括密封部分、控形型芯部分、抽气部分、模腔部分等设计。此外,模具的焊接、检漏、装粉填充等过程均是影响热等静压零件性能的关键工序。
有限元模拟是热等静压整体近净成形技术中模具及工艺优化的有效方法。
粉末冶金制品的HIP近净成形技术
与铸造、锻造等传统工艺相比, 具有以下优点:
制件性能好,具有锻件的综合机械性能料利用率高,可超过90%,几乎不存在废料
以氮气、氩气等惰性气体为传压介质
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
简介
热等静压设备的特点大型化多功能、多气氛快速冷却自动化程度高，生产工艺稳定
ຫໍສະໝຸດ Baidu
发展
1955年美国Battelle研究所为研制
核反应堆材料开展HIP 技术研究，

热等静压技术

百科名片

发展史

热等静压设备的结构性能

热等静压技术的主要应用

前景展望

发展史

热等静压设备的结构性能

热等静压技术的主要应用

前景展望

展开

编辑本段发展史

编辑本段热等静压设备的结构性能

HIP热等静压工艺处理

热等静压(HIP———Hot Isostatic Pressing)工艺:

是一种以氮气、氩气等惰性气体为传压介质,将制品放置到密闭的容器中,在900～2000℃温度和100~200 MPa压力的共同作用下,向制品施加各向同等的压力,对制品进行压制烧结处理的技术。HIP技术研究是1955年由美国Battelle研

------------**---------------

百科名片

--------------**--------------

发展史

编辑本段热等静压设备的结构性能

热等静压设备主要由高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、冷却系统和计算机控制系统组成，其中高压容器为整个设备的关键装置。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采用无螺纹设计，因简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，即使当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。因此，这种结构的热等静压机在高温高压(2000摄氏度200MPa)的工作条件下，无需外加任何特殊的防护装置，与老式的螺纹连接结构(端盖与缸体间)的热等静压机相比，不但设备的结构紧凑，而且有效地保证了生产的安全性。加热炉负责提供热等静压所必需的热量，通常为电阻式加热炉，可视不同温度档的要求，采用不同的电阻材料，如最高工作温度为1450℃条件时可用钼丝加热炉，为2000％条件时可用石墨加热炉。目前在先进的热等静压设备中，加热炉的安装方式为插入式，加热区分布于底部和侧部，可实现快速升温和均匀加热，将温差控制在≤15~E甚至≤10℃的范围。压缩系统通常采用非注油式电动液压压缩机．并配置有过压保护、防振装置和自动调节部件，可给热等静压提供高达200MPa的高压气体。真空泵则采用旋转叶轮式，用于设备的抽空排气，同时可去除容器内水气、氧和其它挥发性杂质。冷却系统采用内外循环回路设计。内循环通过管道内冷却水的流动与压力容器外壳间进行热交换。为了保护冷却系统，冷却水的质量很重要，需采用去离子水。管路也需进行防锈处理。外循环则通过换热器将内循环的热量带出。计算机控制系统可预先存储热

热等静压的原理

热等静压技术是现代高温高压工艺中不可或缺的一部分，其基本原理是在高温条件下通过加热压缩气体来实现材料的加工和成型。这一技术广泛应用于航空航天、汽车工业、高速列车等领域，成为推进现代工业技术发展的重要手段。

1. 基本原理

热等静压技术是利用热膨胀率与压缩率的不等来实现工件的成型。当加热气体时，分子热运动加快，导致分子之间的相互作用减弱，压缩率降低；同时，气体分子的自由程缩短，引起热膨胀率增大。因此，加热气体可以通过黏性作用和热膨胀的作用来实现材料的加工和成型。

热等静压系统由加热器、承载装置、测量和控制装置等组成。在工作过程中，将工件装入容器中，然后将气体加热到高温状态，再根据所需的成型要求进行静压加工，直至得到最终成型产品。

2. 工艺特点

热等静压技术的加工过程具有以下几个特点：

（1）高温效应。在高温下，气体的黏度减小，轻易流动，故可以实现工艺物料的高温形变，增加成型的可塑性。

（2）均匀加压。静压过程中，气体和工件受到的压力是完全均匀的。而采用其他方法进行成型时，由于材料的结构和形状，只有部分区域受到了热膨胀和压缩，导致肉眼可见的缺陷和误差。

（3）成型精度高。在热等静压过程中，工件的体积大小和形状可以被精确控制。与传统的挤压成型和注塑成型相比，热等静压工艺对工件的尺寸和形状的限制更小，因此可以实现更高的成型精度。

（4）适用范围广。热等静压技术适用于多种金属、合金、无机材料的加工和成型。在航空航天制造、汽车和火车制造、核能和船舶制造等行业中，热等静压技术都有着广泛的应用。

3. 应用领域

热等静压工艺参量对ZTC4钛合金组织的影响规律

２８
材料工程／２ｌ０１年９期
［］ＬＩＲＩ．Ｉｆｅｃｆｐｏｅｓｇｏｃｏｔｕｔｒｎ３ＵＴＥＮＧＧｎｌｎｅｏｒｃｓｉｎｍｉｓｒｃｕｅａｄｕｎｒ
压后的组织要小于１５ａ热等静压的组织。虽然２ＭＰ１０ａ的组织生长较为缓慢，是相对于未进行４ＭＰ下但热等静压的Ｚ４铸板来说，织还是粗化了，晶粒ＴＣ组ｊ３
选材料之一ｒ］由于钛合金铸件容易产生缩松、】。气
孔等缺陷，了消除这些缺陷，常采用热等静压为通
（ｔｓｓｔｒｓｉｇＨＩ）理技术，高温高压ＨｏｏｔｉＰｅｓ，Ｐ处Ｉａｃｎ在下，铸件内部的气孔、松被压实闭合，扩散结使缩并合成致密的组织，铸Fra Baidu bibliotek件的缺陷得到修复，能得到使性
ＵｎｖｒｉｙＢｅｉｇ１０９，ｉａｉｎｎｔｕｅｏｉｅｓｔ，ｉｎ０１１Ｃｈｎ；２ＢｅｊｇＩｓｉｔｆｊｉｔ
ＡｅｏａｔｃｌＭａｅｉｌ，ｉｎ００５，ｉａｒｎｕｉａｔｒａｓＢｅｊｇ１０９Ｃｈｎ）ｉ

热等静压的应用领域

关于热等静压的应用

热等静压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

达到高度致密化，提高铸件的整体力学性能。

关于热等静压的应用

1.热等静压在航空发动机中的应用

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。热等

静压的应用领域已经扩大到航空领域应用的发动机，发电工业应用

的汽轮机透平、涡轮等重要零部件，飞机或民用的铝合金、钛合金

结构件，汽车（涡轮增压轮、柴油机阀杆和传感器支座），医药

（置换器），石油（阀体），以及化学加工，生物工程中人工关节

的铸件致密化处理方面。热等静压工艺应用的迅速发展，也导致了

燃气轮机工业标准的深化，这些标准要求消除精铸件中的收缩气孔

率，如叶片翼型生产。涉及到的材料包括钛及钛合金、铝及铝合金、不锈钢铸件、高温合金铸件等。

热等静压技术

军工民品科技信息

热等静压技术

热等静压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。已成为当今许多高性能材料生产中一项实用技术,也是新材料开发不可缺少的一种新技术。

热等静压技术的主要应用领域为铸件的致密化处理,例如:航空领域应用的发动机;发电工业应用的汽轮机透平、涡轮等重要的零部件;飞机或民用的铝、钛结构件;汽车的重要零部件;生物工程中人工关节的致密化处理等。

为了获得均匀而细化的组织,减少材料损耗,减少后续机加工等工序,越来越多的粉末冶金制品采用了热等静压工艺进行成型及致密化,如粉未冶金高速钢;不锈钢;粉未冶金高温合金,飞机发动机涡轮盘;各种放射用靶材;汽车用粉未冶金零件;化工用泵、阀及多通道分配管等。

热等静压连接和复合连接是热等静压的主要应用之一,采用热等静压连接两种不同的材料,可以是金属-金属,金属-非金属,非金属-非金属,它是近几年发展起来的,特别是在民用方面应用推广的一项较好的技术。近年来,一些国家,特别是美国等工业发达国家逐渐将其推广应用到许多工业领域。热等静压(HIP )技术已进入重要工程项目,如各种海下及海面平台上的部件,有法兰盘、接头、阀体,管道等。

在核聚变反应堆中的铍合金、铜合金、316L N 不锈钢等,核聚变反应堆(快中子增殖反应堆)核燃料包套材料,该材料在原子辐射条件下有很好的显微组织稳定性,并保持良好的高温强度。

航天飞机所有钛基,镍基合金的板材及支撑结构材料用于飞机的蒙皮及壳体材料。2种材料的热膨胀系数不一样,H IP 处理时必须在保持部件的整体性的同时还需保持纤维的空间。

相关主题

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
叶片服役温度的估算
根据LSW理论，γ’相的粗化动力学过程
r 3 - r0 3 = Kt
r0和r分别为γ’相粗化前和粗化后的平均半径，t为粗化时间，K 为与γ’粗化激活能Q有关的参数
热等静压 (HIP) 叶片造价昂贵
腐蚀损伤点腐蚀高温腐蚀
TCP相
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
K002高温合金
Ni基铸造合金某型航空发动机II级涡轮叶片热处理制度：870℃,16h，空冷
服役状态：未服役、400h和650h
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
服役400h叶片γ’相形貌特征参数
叶片部位叶顶进气边叶身半高进气边叶根进气边叶顶排气边叶身半高排气边等效直径 /nm 形状因子 γ’相体积分数/%
516.2 581.3 568.1 610.3 557.6
修复效果的评估
不同状态下的显微硬度
密度的测试：流体静力学称重法
1190℃和1250℃进行HIP修复后共晶的体积分数分别为6.16%和3.76%
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
HIP处理后的碳化物
HIP处理后的晶界
有必要采用HIP后的恢复热处理
0.708 0.666 0.681 0.639 0.605
48.9 47.7 47.9 48.6 54.7
叶根排气边
551.3
0.652
41.6
服役400h叶片γ’相的尺寸频率分布
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
服役650h叶片γ’相形貌特征参数
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
主要内容
研究背景与意义
涡轮叶片的服役损伤行为
固溶热处理中组织的变化
HIP过程对合金损伤的修复
恢复热处理的探索
结论
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
恢复热处理温度的影响
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
元素 wt% Ti 7.93 Cr 0.74 Co 1.34 Ni 7.25 Hf 31.22 Ta 46.74 W 4.76
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
主要内容
研究背景与意义
涡轮叶片的服役损伤行为
固溶热处理中组织的变化
枝晶间区生成MC(百度文库)型碳化物
元素 wt% Al 0.42 Ti 9.78 Cr 2.52 Co 1.51 Ni 8.86 Hf 26.63 Ta 36.76 W 13.51
共晶体积分数与服役时间呈直线关系服役后的碳化物
Pearson指数 r = 0.99979
无M6C型与M23C6型碳化物生成无TCP相生成
叶片部位叶顶进气边叶身半高进气边叶根进气边 K值/(nm3/s) 13.724 49.359 40.819 51.442 78.626 31.403 服役温度/K 1119 1173 1164 1174 1194 1153
ln(KT ) = A叶身半高排气边 - Q / RT
叶根排气边
叶顶排气边
结论
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
高温合金服役特性
高温复杂应力
疲劳损伤高周疲劳低周疲劳热机械疲劳蠕变损伤显微组织退化蠕变空洞形成碳化物分解
航空发动机用Ni基高温合金
γ’ 相退化力学性能下降服役寿命缩短蠕变空洞
Institute of Failure Analysis and Prevention
未服役叶片
枝晶干区
枝晶干与枝晶间过渡区
原始态显微组织碳化物能谱结果
元素 wt% Al 0.59 Ti 13.31 Cr 1.25 Ni 2.89 Hf 14.34 Ta 44.65 W 22.97
MC(1)型碳化物合金中的碳化物
叶根排气边
613.3
0.631
51.3
服役650h叶片γ’相的尺寸频率分布
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
三种服役状态叶片的比较
γ’ 相体积分数 γ’ 等效直径
显微硬度 γ’ 形状因子
γ’粒子尺寸增大形状因子下降显微硬度下降
北京航空航天大学2012年硕士学位论文答辩
K002高温合金蠕变损伤修复技术
答辩人：董键指导教师：张峥教授
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
主要内容
研究背景与意义
涡轮叶片的服役损伤行为
固溶热处理中组织的变化
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
蠕变空洞的形成
蠕变空洞特征：尺寸小于铸造疏松，约为 1~4μm 具有较为规则的几何外形形成于第二相（共晶、碳化物）与基体的界面
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
2 8ΓVm Ce D K= 9RT
Γ为γ基体与γ’相的界面能，Vm为析出相的摩尔体积，Ce为与半径为∞的析出相平衡的溶质原子浓度，R和T分别为气体常数和绝对温度，D是溶质原子在基体中的扩散系数
Q D = D 0 exp () RT
ln(KT ) = A - Q / RT
ln(KT)与1/T存在直线关系，斜率为Q/R
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
主要内容
研究背景与意义
涡轮叶片的服役损伤行为
固溶热处理中组织的变化
HIP过程对合金损伤的修复
恢复热处理的探索
结论
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
涡轮叶片的服役损伤行为
定量分析方法
利用图像分析软件IPP统计γ’粒子、共晶、铸造疏松等的面积、周长，计算等效直径与形状因子等效直径形状因子
Feret Diam eter
Shape Fact or
4 Area π
2
4 πArea Perimeter
IPP软件示意图
失效分析与预防研究所
HIP过程对合金损伤的修复
恢复热处理的探索
结论
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
HIP过程对损伤修复的研究
HIP试验参数
编号 1 2 温度/℃ 1250 1190 压力/Mpa 200 200 时间/h 4 4
经HIP处理后未愈合的铸造疏松尺寸约为11μm
形状因子
γ’相体积分数/% 46.4 53.6 51.3 47.7 57.8
0.759 0.753 0.752 0.758 0.752
叶根排气边
539.7
0.749
51.2
未服役叶片γ’相的尺寸频率分布
正方形的形状因子为0.79
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
服从显著性水平为0.05的伽马分布
叶片部位叶顶进气边叶身半高进气边叶根进气边叶顶排气边叶身半高排气边
等效直径 /nm 495.1 531.3 498.9 491.7 541.6
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
叶片服役温度的估算
• Al在Ni中的体扩散激活能Q=270kJ/mol • 假设叶身半高进气边温度为1173K
ln(KT ) = 38.6517- 32475/ T
叶片温度分布不同服役状态γ’等效直径均值
叶片宏观图
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
1190℃HIP处理后未愈合的蠕变空洞 1190 ℃HIP过程中的同心筏排
负的点阵错配度 N型筏排空洞向中心生长
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
不同冷却方式的显微硬度
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
固溶处理中的碳化物
生成M6C型碳化物
元素
wt%
Ti
7.22
Ni
5.76
Hf
13.04
Ta
29.55
W
40.20
MC + γ → M6 C + γ'
共晶组织中生成次生MC(2)型碳化物
叶片部位叶顶进气边叶身半高进气边叶根进气边叶顶排气边叶身半高排气边等效直径 /nm 形状因子 γ’相体积分数/%
535.4 642.7 603.4 620.8 699.9
0.685 0.567 0.627 0.608 0.596
47.6 47.4 48.3 45.9 51.4
主要内容
研究背景与意义
涡轮叶片的服役损伤行为
固溶热处理中组织的变化
HIP过程对合金损伤的修复
恢复热处理的探索
结论
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
固溶热处理中组织的变化
合金的固溶热处理制度序号 1 2 3 4 5 6 7 8 温度/℃ 1110 1130 1150 1170 1190 1210 1230 1250 时间/h 1 1 1 1 1 1 1 1 冷却方式 WQ WQ WQ WQ WQ/AC WQ WQ/AC WQAC
铸造疏松
尺寸频率分布与形状因子频率分布具有双峰函数特征
铸造疏松尺寸频率分布
铸造疏松形状因子分布
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
服役叶片的组织退化
γ’ 相粗化机制： Ostwald熟化粒子聚合
枝晶干区
枝晶间区
2 2 2 2
4
4 4
6
6 6
1170℃
1190℃
1230℃
1250℃
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
固溶热处理温度、时间、冷速的影响
一次γ’尺寸与固溶处理温度的关系
一次γ’体积分数与固溶温度的关系
合金恢复热处理的探索
恢复热处理试验参数
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 固溶方案 1190℃，4h，AC/WQ 1210℃，4h，AC/WQ 1230℃，4h，AC/WQ 1250℃，4h，AC/WQ 1250℃，4h，AC 1250℃，4h，AC 1190℃，2h，AC 1225℃，2h，AC 时效方案 870℃，16h，AC 870℃，16h，AC 870℃，16h，AC 870℃，16h，AC 920℃，16h，AC 970℃，16h，AC 870℃，16h，AC/FC 1030℃，8h，FC+870℃，8h，FC
HIP过程对合金损伤的修复
恢复热处理的探索
结论
失效分析与预防研究所
Institute of Failure Analysis and Prevention
主要内容
研究背景与意义
涡轮叶片的服役损伤行为
固溶热处理中组织的变化
HIP过程对合金损伤的修复
恢复热处理的探索