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。

2.热等静压在粉末合金精密铸件中的应用
热等静压可用于各种合金的精密铸件的制造，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。

铸件的致密
化处理热等静压在铸件致密化处理方面的应用研究开发较早，是热
等静压应用较成熟和完善的领域。

通过热等静压处理，可以不破坏
铸件本身，并能有效地去除铸件内的缺陷和孔隙。

粉末冶金材料制品通过热等静压制备工艺，可实现期望的高密度、细晶粒、高性能和特殊粉末冶金材料与制件的手段。

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，如发
动机涡轮盘、各种高纯度溅射靶材、汽车用粉未冶金零件、化工用泵、阀及多通道分配管等。

涉及到的材料也已经非常广泛，如粉未
高速钢、粉末不锈钢、粉末高温合金、硬质合金、难熔金属、金属铍、铜合金，超导材料以及各种复合材料等。

与冶炼、热加工常规
工艺的制品相比，热等静压工艺制备的粉末冶金制品具有一系列的
优点，其材料均匀性好、无偏析，力学性能、抗腐性能在各个方向
上都是相同的，同时各批材料的稳定性也好。

而且材料的晶粒比采
用常规工艺加工的细，可以方便地使用超声波无损探伤进行检验，
产品的可靠性高。

3.热等静压在陶瓷材料中的应用
陶瓷材料包括金属氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等。

这些
材料的特点是熔点高、弹性模量大、硬度高、密度低、热膨胀小以
及耐磨耐腐蚀等。

陶瓷材料的常规制备方法是粉末压制成型和烧结
或热压。

由于陶瓷粉末的熔点和硬度高，成型和烧结都很困难，因此，陶瓷材料通常都具有较大的孔隙度和脆性。

热等静压技术用于
陶瓷材料的生产，改善了成型和烧结条件，使材料的孔隙度明显降低，从而提高了材料的性能，并为制造陶瓷材料提供了有效方法，
这些方法主要有: 多孔陶瓷的高温浸渍、扩散粘结、烧结、热等静压、热等静压固结粉末和热等静压锻造。

4.热等静压在多孔材料方面的应用
在热等静压设备中，在高温高压的作用下原料中加入造孔剂或
采用松装原料的方式都可以制造多孔材料。

相对于传统的烧结方法，热等静压是一种可获得高开孔率、高机械强度、窄孔尺寸分布和高
渗透率的方法，它主要应用于金属和陶瓷材料，例如: 多孔材料、
滤波器、磨轮、多孔电极等。

采用无包套热等静压技术和造孔剂 ( NH4HCO3) 制造高孔隙率
和大孔隙尺寸的 Ni、Ti 变形记忆合金。

Ti、Ni和 NH4HCO3混合球磨 4 h，之后在100MPa的压力下冷压成直径15mm和高度25mm的圆
柱体，然后生坯在惰性气体Ar的保护下，温度200℃的热处理炉里
分解造孔剂 30 min，后在1050℃，50MPa的热等静压炉里处3h。

最后在450℃的温度下老化2h，再在冰水中猝火。

结果表明: 一定
量的造孔剂 ( NH4HCO3) 不仅可以促进冷压成型，还可以形成更均
一的孔洞分布。

它增加了孔隙率和孔径，提高了孔的特性，但对孔
的微观结构没有改变，制造的多孔合金的孔隙率随着碳酸氢氨的加
入线性增加，几乎高达50%，大多数孔径超过300μm。

5.热等静压在等离子喷涂中的应用
喷涂是耐磨材料有选择性的结合在各种基体表面。

在金属表面
镀一薄层金属粉末以产生缓冲。

仅在这些金属在需要的地方替代昂
贵的、耐磨性的材料来降低成本。

在没有增加不必要的成本负担的
情况下提高了材料的耐磨性。

喷镀的附加效益是不相容的金属、金
属间化合物和陶瓷材料可以结合牢固。

对于少量残余气孔的绝大部
分应用，不会损坏产品性能。

然而，在高性能的应用方面，产品只
能通过热等静压技术或者烧结、热等静压技术来满足。

用温度为750～950℃，压力为50～200MPa，时间为1h的热等
静压处理工艺处理等离子喷涂的Ni－5Al，Ni－20Al和NiCrAl涂层。

结果表明: 涂层的孔隙度接近零，随着热等静压温度压力的增加，
涂层的显微结构改变，显微硬度增加。

直到750℃，相比喷涂态涂层，热等静压处理的涂层弹性模量变好。

用热等静压技术处理一序列羟基磷灰石/HA复合等离子喷涂涂
层的微孔，其中复合涂层含HA的质量分数为20%、33%和80%。

结果
表明: 热等静压后，涂层的气孔可以大大降低，含20%和33%HA涂
层的储能模量增加，储能模量随使用热等静压的温度增加而相应增加。

同时增强了基体和涂层之间的粘合力，使它们之间结合得更加
牢固。

6. 热等静压技术在近净形状成形中的应用
等静压采用包套技术，粉末在包套内等比例收缩，在确定粉末
的三维流动行为后，选择合适的包套，可以获得纯净度高，夹杂少，
各向同性，易于进行超声波检测，加工余量小的复杂制件。

近净成形技术主要应用于制造燃气涡轮、蒸发器、离心选矿器、深海及海上部件以及刀具。

采用玻璃包套的热等静压适合生产各种类型的近净形高温(HT)陶瓷。

在易变形的玻璃包套中注射粉末，可以得到高温性能好，形状高精密的整体性涡轮轮子。

7. 热等静压技术在材料粘结方面的应用
材料粘结是热等静压技术的最原始应用，曾获得美国焊接学会的认可。

在热等静压工艺条件下能使两种以上的同种材料或异种材料牢固的粘结在一起，成为一个整体。

该粘结工艺的优点是加工费用低，粘结温度较低，粘结区的性能与基体的性能相近。

热等静压粘结技术在美国的应用很广泛，也具有很强的代表性。

电子方面，如栅极; 交通运输方面，如汽车发动机、飞机发动机、舰用核燃料; 化工方面，如泵、阀、过滤装置等;冶金方面，如轧辊等。

8.热等静压技术在制造高端石墨产品方面的应用
把成型和焙烧合二为一，简化了工艺步骤，节约了生产成本，降低了焙烧浸渍的次数。

一种通过热等静压用难熔金属包套制备高密高纯石墨的方法，其热等静压工艺为:温度2200℃，压力
206.8MPa，压力介质为Ar，压制时间2h。

得到的压坯密度为
2.10g/cm3。

9. 热等静压技术在悬浮熔炼工艺制备的应用
高纯材料可采用热等静压技术，因为高压气体密度增加，可使熔炼物悬浮起来，实现无坩埚熔炼，从而极大地提高熔炼纯度。

10. 热等静压覆层和热等静压复合扩散连接
热等静压覆层技术是采用热等静压技术在一种材料上制备一种
具有特殊物理或化学性能的覆层，以提高其综合性能的新技术；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。

近年来，一些国家特别是
美国等工业发达国家逐渐将热等静压覆层和热等静压复合扩散连接
技术推广应用到许多工业领域。

采用热等静压覆层和热等静压复合
扩散连接的特点是:①对于相同或不同的材料，能产生很强的连接界面;②看不出界面，弥散均匀;③界面力学性能达到母材的性能，产
生均匀的显微组织;④不需要熔化母材，连接温度一般为50％～70％熔点，同时不产生由母材熔化所引起的其它缺陷;⑤可处理几何形状
复杂的零件。

热等静压覆层和热等静压复合扩散连接技术在全球的
应用很广泛，也具有很强的代表性，在电子方面，如用于栅极;在交
通运输方面，如用于汽车发动机、飞机发动机、舰用核燃料;在化工
方面，如用于泵、阀、过滤装置等；在冶金方面，如用于复合轧辊等；还包括高性能靶材方面的异种靶材扩散焊接等。

热等静压覆层
和热等静压复合扩散连接技术具有广阔的应用前景，应予以高度重视。