热等静压研究进展

材料利用率高。
可以实现复杂零部件进行近净成形，减少昂贵材料的浪费，达 到节约成本的目的。
热等静压技术的发展



1955年美国巴特尔(Battelle)研究所为美国原子能委员 会研制核燃料元件而提出，首先应用于核燃料元素的 扩散粘结研究，当时被称为“气压粘结” 。 整体筒式结构的高压缸部分是用锻压整体成形，在工 作过程中，直接通过冷却水对整个筒体进行冷却，整 体筒的筒壁较厚，冷却效果差，长期使用，容易产生 破坏，存在安全隐患，安全性差。 预应力钢丝缠绕框架式结构，当设备处于最大工作压 力状态，缠绕钢丝的预应力可以消除框架承受的工作 应力，并使炉体保持轻微的压紧状态。更加安全可靠， 结构更加紧凑 。
超高温热等静压设备 ：最高使用温度为3000℃
日本神户钢铁公司

超高压热等静压设备


1.0GPa×1600°C 直径70mm X 高150mm
3000°C×196MPa 直径250mm X高600mm
超高压热等静压设备

超高温热等静压设备

超高温热等静压设备
国内HIP供应商

中国钢研科技集团有限公司(CISRI) 四川航空工业川西机器有限责任公司

应用



压力

热等静压（Hold Isostatic Pressing, HIP ）

原理

在高温和高压同时作用下，使物料经受等静压的工艺技术 粉末体的固结．使传统粉末冶金工艺成型与烧结两步作业一 并完成 扩散粘结 铸件缺陷的消除 高性能复杂零件的近净成形 温度500-2200℃，压力100-320MPa 惰性气体（氩气、氦气），通常用氩气 通常用软钢或玻璃
应用 主要目的 典型材料应用 铸件致密化 消除宏、微观孔隙 高温合金、Ti合金、Al合金、Cu合金、钢铁等
预烧结件致密化
获得全致密材料，避免晶粒过度长大
WC、Si3N4、Al2O3、ZrO2等陶瓷、Be合金等
粉末致密化
获得全致密材料，避免成分偏析，防止晶粒过度长大
高速钢、陶瓷、金属间化合物、磁性材料、陶 瓷超导材料等

特点与应用

1 2 3 4 5 6 7

工况


介质

8

包套

粉末热等静压致密化成形原理示意图
9
1 －上密封盖； 2 －高压缸；3－屏蔽罩；4 －压力介质；5 －加 热体；6－包套；7－粉末；8－下密封盖；9－泵
热等静压工艺优点


制件密度高Βιβλιοθήκη Baidu
制件密度分布均匀，制造出理论密度的致密体零件；
热等静压研究进展
粉末成形
粉末体


致密化？
零件（多孔或致密体）
90 85 80 75 70 65 百分比
对象－－粉末材料
金属、陶瓷、核原料、硬 质合金、难加工材料等
航空、航天 汽车、摩托车 输油管道 ……

粉末冶金成形的重要用途

日本
西欧
北美
汽车产业占粉末冶金总量比例
粉末冶金的应用
轻型汽车中使用粉末冶金零件的质量进展
粉末冶金成形方法
粉末成形方法
传统方法
模 压 + 烧 结 模 压 + 烧 结 + 热 等 静 压 冷 等 静 压 + 烧 结 压 坯 + 热 等 静 压 热 等 静 压 粉 末 锻 造 注 射 成 形 温 压
新技术
流 动 温 压
高 速 压 制 技 术
动 力 磁 性 压 制
放 电 等 离 子 烧 结
爆 炸 压 制

可实现超过100℃/min的均匀快速冷却 冷却时间短，可用于热等静压淬火工艺 降低了制造成本，提高生产效率，更节 能环保
HIP设备发展
世界上第一台HIP设备
当前世界上最大的HIP设备（Giga-HIP）
Giga-HIP


制造：美国 Avure公司 使用： 2010年 6月在日本 Kinzoku Giken 公司正式投入 使用
扩散连接
同质、异质材料的扩散连接；涂层连接与致密化
青铜-钢、镍合金-钢、陶瓷-金属
其它应用
消除光学材料的孔隙、化合物的合成
ZnS、Sn-In-O、金属间化合物
典型应用(Avure Co. )
预成形+HIP的陶瓷件
铸件处理 近净成形
异质材料连接
核原料
医学器械
镍基高温合金蠕变性能比较
测试条件 合金 加工条件 温度 (K) 铸造 IN738 铸造＋HIP 铸造 René77 铸造＋HIP 铸造 IN792 铸造＋HIP 铸造 René80 铸造＋HIP 1143 310 507.6 11.5 11.7 1143 1143 310 310 1018.8 149.4 12.1 2.5 22.0 2.5 1253 1143 152 310 244.8 630.0 22.0 9.2 55.0 6.5 1253 1253 152 152 189.0 183.6 20.5 19.4 20.6 37.0 1253 应力 (MPa) 152 寿命 (×103 s) 延伸率 (%) 断面收缩率 (%)
68.4
11.8
20.2
谢谢！



以惰性气体（氩气或氮气）或氮气为传力介质 大量使用钼和石墨为加热材料 钼具有成形方便、安装简便、易于维护等优点而得 到广泛使用，炉腔最高温度为1450℃ 当需要更高的加热温度时，则可使用石墨作为加热 元件，但是该种设备需要低电压、高电流的电源 需要在升温前完成物料的装填
HIP快速冷却
CISRI的典型HIP设备型号
型号 HIP100-II HIP200-II HIP350-II HIP500-II HIP800-II HIP1000-II HIP1250-I HIP1600-I 炉腔尺寸(mm) Φ100×120 Φ200×300 Φ350×600 Φ500×1000 Φ800×2000 Φ1000×2000 Φ1250×2500 Φ1600×3500 最高温度(℃) 2000 2000 2000 2000 2000 1250或1350 1250或1350 1600 最高压力(MPa) 200 200 200 200 200 150 150 160 气体介质 氩，氮 氩，氮 氩 氩 氩 氩 氩 氩
设备总量

全球

1983年有HIP装置350台、1984年约450台、 1988年达到800台。日本从1980年到1989年 的10年中，HIP设备由15台猛增到190台 1980年前仅有8台，1988年25台，1998年则 达到63台，而到了2010年已经发展到近百台

国内

热等静压的典型应用


晶粒细小
等静压力可抑制晶粒快速增长，得到具有良好晶粒尺寸的制件


力学性能好
晶粒各向同性且均匀细小，可提高制件宏观力学性能的均匀性， 有助于提高制件的疲劳寿命，增强延展性、抗冲击强度及蠕变 性能。


实用范围广
可以对难加工材料（如钛合金、高温合金、钨合金、金属陶瓷 等材料）以粉末热等静压的方式成形和致密化。

特点



冷等静压（Cold Isostatic Pressing, CIP ）

原理

常温下，用橡胶或塑料作包套 模具材料，以液体为压力介质 对粉体材料成型 为后续烧结、锻造或热等静压 工序提供坯体 破坏菌体蛋白中的非共价键， 超高压杀菌，食品加工 介质－－水、油 100~ 700MPa
选 择 性 激 光 熔 化
粉末成形优势
据欧洲粉末冶金协会(EPMA)资料显示


粉末冶金原材料的利用率高达95％以上，远高 于传统加工方式 消耗的能量为传统锻造和机械加工的43％左右
多种致密化成形方法成本对比
粉末锻造

原理

将粉末烧结的预成形坯经加 热后，在闭式模中锻造成零 件的成形工艺方法 可得到较细的晶粒组织 具有传统粉末冶金和精密锻 造的优势 可制造接近理论密度的零件， 大于98％相对密度 性能达到甚至超过普通锻造 成形精度高，材料利用率高， 能耗少
HIP炉腔

一般使用电阻式加热元件 两种类型炉腔

高温状态含氧气氛的炉腔

常以抗氧化的镍铬合金或铬铝钴合金为加热元件 最高使用温度1200℃ 可以允许用户在高温状态对工件进行填料和卸料 热等静压周期，达到提高加工效率的优点 使用温度较低的缺点
HIP炉腔

高温状态惰性气氛的炉腔
美国Avure公司


前身ABB公司 是世界上最早生产热等 静压设备的厂商，该公 司生产的热等静压系统 具有高安全性、高可靠 性和高效率、规格多样 化等特点
日本神户钢铁公司
型号 HP560 HP800 炉腔尺寸(mm) Φ380×600 Φ600×1300 Φ700×2500 HP900 Φ700×2500 HP1070 HP1450 HP1500 Φ850×3700 Φ1220×2000 Φ1200×1200 1400 1400 850 950 196 147 98 29 钼 钼 铁铬铝合金 铁铬铝合金 氩 氩 氮 氩，氩＋氧 最高温度(℃) 2000 1500 1200 最高压力(MPa) 196 98 118 加热材料 石墨 石墨 铁铬铝合金 气体介质 氩，氮 氩，氮 氩，氩＋氧