熱等靜壓的設備改進和技術發展探析

摘 要：熱等靜壓技術是于20世紀50年代出現的一項新型加工技術，最早用于核反應堆材料的加工選擇，隨著技術的深入發展，熱等靜壓以其簡便的操作工藝、高質量的產品等特點，逐漸在航空、航天、軍事、海洋、汽車等行業擴大了應用，也帶動了一大批新型復合材料的出現。該文簡述了熱等靜壓技術的原理與特點，從發展歷史、設備改進、技術應用等方面對其發展現狀做了討論，并提出了未來技術發展的趨勢。

關鍵詞：熱等靜壓 發展現狀 設備改進 應用 發展趨勢

中圖分類號：TFl24.31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0080-02

1 熱等靜壓概述

1.1 熱等靜壓原理與特點

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP）技術實現于一個密閉容器空間中，將所需制品的材料放置其中，施加高溫高壓條件，將材料燒融并重新固結致密化，該技術的一個重要特點是壓力的均衡施加，因此得到的成品均勻性好。按照材料利用情況和制品要求，熱等靜壓技術可以分為3類：第一，對粉末（狀）材料的壓實固結，最終使其趨近于成品的形狀和結構；第二，制品本身存在裂痕、孔隙、變形等缺陷，通過高溫和加壓使其重新致密并規范制品形狀，消除上述缺陷；第三，應不同的功能要求，需將不同的材料進行拼接與焊合，利用該技術實現材料界面的擴散與拼合。

相比于傳統純粹的高溫高壓技術，熱等靜壓在高溫壓的前提下，增加了等靜壓的特點，材料在加工過程中受壓均衡，得到的成品各向同性好，致密程度高，缺陷少，總體性能優異。因此，對于航空航天、海洋、汽車等對材料性能要求高的行業領域，該技術具有廣泛的應用空間。同時該技術的興起，也使得過去高精度儀器設備的制作變得方便，大大縮減了工序和加工時間。

1.2 國內外熱等靜壓技術的發展現狀（600）

1955年，美國Battelle研究所在尋找合適的核反應堆材料時，利用高溫和等靜壓技術條件實現原子核反應時元素的擴散結合，由此，拉開了熱等靜壓技術發展的序幕。彼時，等靜壓的施加主要依靠惰性氣體來實現，且主要用于元素的粘結，因此該技術最初稱作“氣壓粘結”技術。60年代初，該項技術逐漸被美國其他公司利用并不斷改善，隨著其傳入歐洲和北京，熱等靜壓技術的應用領域也得到了大幅度的拓寬。

2 熱等靜壓的設備改進

2.1 熱等靜壓機相關裝備及工藝流程

熱等靜壓機主要包括了加熱爐、高壓容器、壓縮機、真空泵、冷卻系統、自動控制系統等，整個操作工藝流程大致分為5個階段：加工材料的清理與入爐、充氣加壓升溫、加工過程的保溫保壓、降溫泄壓、出爐。其中溫度和壓力的控制是操作的關鍵。

加熱爐和高壓容器是熱等靜壓機的核心設備，用于提供生產加工過程中所需的高溫高壓條件。為了保證均勻預熱和快速升溫，如今的設備在加熱區布局上，通常采用底部和側面的多面分布，采用鉬絲、石墨等不同電阻材質的電阻元件在加熱爐中安裝多個獨立的控制區，根據所需加工的成品的性質和用途，設置不同的溫度檔，可以實現不同的加熱溫度要求。熱等靜壓機高壓的均勻施加通過充注惰性氣體來實現，通常采用裝配了防震、自調功能的非注油式電動液壓壓縮機，它具有過壓保護性能，能夠充注近200 MPa的高壓惰性氣體。

目前生產的儀器具備自動化控制功能，利用計算機系統可預先設定相關的溫度壓力參數，輸入相關操作程序，從而實現自動加工生產。除此之外，儀器還配備了用于抽吸雜質的真空泵，用于降溫保護的冷卻系統等。

2.2 熱等靜壓機設備的改進

熱等靜壓技術的出現為高質量產品的生產帶來了生機，但也出現了安全性、生產成本、能耗等方面的問題，一項技術的完善需要相關設備的及時跟進，從生產實踐出發，該文主要從提高生產效率和成品質量、節約能耗3方面展開，對熱等靜壓機設備的改進提出相關的見解。

2.2.1 提高生產效率

工程生產講究成本節約和投資盈利，提高生產效率是獲取更大經濟效益的根本途徑，而創新和發展技術設備成為提高生產效率的不二途徑。對于熱等靜壓技術而言，由于加工過程需要在高溫條件下進行，因此生產上面臨的最大問題是儀器的冷卻降溫。傳統設備的冷卻速度普遍較慢，經常需要花上數個小時的時間，為了縮短工作周期，應發展快速冷卻技術。在技術原理上，充分利用高壓容器的氣體循環，通過內部和外部兩套冷卻循環系統，實現設備的雙重降溫。另外，安裝強力風扇和控制內部對流也是快速降溫的重要途徑。

2.2.2 提高成品質量

制品質量的控制關鍵在于加工過程中溫度和壓力條件是否合適，包括了溫壓參數的取值，受熱和施壓是否均勻及設備運行的穩定性等方面。目前在溫度控制方面通過增加受熱面積和設置分區獨立加熱單元，基本實現了制品的均勻受熱和實時控制；惰性氣體充注也保證了施壓的均衡性。

2.2.3 節約能耗

熱等靜壓機高壓的產生主要通過惰性氣體的充注來實現，因此其主要能耗來自于電能和熱能。制作工藝中高溫高壓條件決定了其高能耗的特點，生產過程中會產生大量的熱能，其中大部分的熱能都通過熱交換器散失，節約能耗的最有效措施就是充分利用這部分熱能。通過在高壓熔爐外設置氣體循環路線，一方面能利用這部分余熱加熱鍋爐，另一方面也加速了設備的冷卻，提高了工作效率。

3 熱等靜壓技術的應用

3.1 陶瓷制品中的應用

陶瓷是近年來在材料領域新興崛起的一種材料類型，鑒于其具有良好的化學惰性、穩定性、高強度、高耐熱性，其在電力、機械等行業得到了廣泛的應用，甚至取代了金屬的地位。

3.2 金屬冶煉中的應用

熱等靜壓技術為粉末冶金提供了新的思路，利用高溫高壓煉制得到的冶金材料在尺寸和性能結構上都接近最終成品，因此，這種方法得到的制品所需的后續加工工序大為縮減，同時提高了材料的利用率。

3.3 鑄件內部缺陷修復

由于最初制造工藝的限制或是使用時間過長，都會在鑄體內部產生松弛變形或者孔隙等缺陷，這種損傷的出現降低了材料的性能，同時其使用壽命和安全性問題都會逐漸凸顯。鑄體致密化和內部損傷的修復是熱等靜壓技術早期應用的領域，發展至今，相關技術已相對成熟。

3.4 熱等靜壓擴散連接

熱等靜壓擴散連接屬于微觀技術領域，它在宏觀高溫高壓條件下，內部原子發生擴散移動，彼此進入，完成宏觀焊接的任務。具體而言，整個過程大致劃分為3個階段：第一，接觸界面的形成，當外加高壓作用于材料時，材料發生塑性變形，隨著變形程度的加劇，在需要焊接表面就會形成越來越多的凸起，這些凸起增加了焊接表面的接觸面積，逐漸形成了一個含有較多孔隙的接觸界面；第二，平衡界面的形成，該階段原子在初始接觸界面的基礎上發生大規模的移動和擴散，界面處孔隙基本消除，殘留部分孔隙，隨著原子的擴散逐漸趨于一個平衡狀態，原始接觸界面被新的平衡界面所取代；第三，原子體積擴散，承接第二階段的變化，原子發生體積擴散，孔隙被全部充填而消除，焊接界面處接觸完全。利用熱等靜壓擴散技術可以實現同種材料、不同材料間的各種焊接，焊接部位結合度高，制品性能優于最初母材，因此，該項技術常常用于合金冶煉、高性能符合材料的制作。

3.5 其他方面的應用

熱等靜壓技術還可以應用于多孔材料（例如濾波器、磨輪等）的制作，只需在原料中加入造孔劑或對原料進行松裝處理，就可以得到開孔率高、性能優良的多孔材料，造孔劑在其中主要起到了固定制品形狀和產生規則尺寸孔隙的作用。

4 熱等靜壓技術的發展趨勢

相比于傳統的產品加工手段，熱等靜壓技術具有其獨特的優點，從目前技術發展現狀和產品市場分析大致可預測其具有如下發展趨勢。

（1）用于不同工藝制品的合成與連接。針對不同用途所需的材料性質不同，材料領域復合高性能材料逐漸成為主導，利用熱等靜壓技術制得的成品致密化程度高，均質性強，為不同材質成品間的連接與合成提供了方便。這不僅節省了工藝流程和材料使用，同時也提高了制品的質量。

（2）加熱和冷卻速度的雙重提升。提高生產效率是工程制造中降低生產成本的重要措施。熱等靜壓技術中加熱和加壓是核心工藝，也是提高生產效率的重要著力點。目前已出現了一種熱等靜壓—淬火技術，實現了加熱與施壓的一體化，壓力充注氣體選用傳熱系數較高的氣體，以保證氣體和設備之間最小的溫差，冷卻降溫逐漸實現自動化控制，利用計算機系統能有效把控降溫時間。

（3）開辟新的工藝模式。傳統的熱等靜壓設備加熱時間長、能耗高，現通過快速熱等靜壓法，將預熱膜盒壓擠到粘塑壓力介質（潤滑油等油脂類介質）中，能夠將制品固結時間從原來的數小時縮短至幾分鐘，這種方法不同于傳統的熱等靜壓技術，但仍然利用了熱等靜壓原理，而得到的成品完全具備高度致密化和均質性的特點，因此，利用快速熱等靜壓法等類似的技術，節約能耗、縮短工藝流程，同時得到高質量的產品，類似模式將為熱等靜壓的利用開辟新的應用方向。

（4）采用無包套技術工藝。包套技術在熱等靜壓中廣泛應用，制品的高純度和強均質性很大一部分原因在于包套的使用。然而包套工藝操作復雜、成本較高，包套的選擇需與產品尺寸相配合，因此在利用上嚴重制約了生產效率的提高。國外已推出了無包套熱等靜壓技術工藝，包括了兩種方式：燒結和熱等靜壓在不同的鍋爐內進行，或在同一加熱爐內進行。無包套技術得到的工藝制品在質量上基本趨近于有包套熱等靜壓。

（5）壓力充注氣體選擇的多樣化。熱等靜壓技術中高壓的施加通過充注惰性氣體來實現，過去氬和氦是兩種主要的充注氣體，尤其是氬氣，價格便宜且穩定，實用性強。隨著近年來產品類型的激增，不同產品在生產過程中有不同的工藝要求，例如陶瓷制品中含有較多的氮化物，此時常常選用氮氣作為壓力充注氣體，因為氮氣可以延緩氮化物的分解，有利于提高陶瓷制品的致密度。

5 結語

綜上所述，熱等靜壓技術利用高溫高壓條件得到高度致密化、強度高、均質性好的高性能制品，加上其操作工藝簡單、能耗低等特點，使其在陶瓷制作、金屬冶煉、鑄體修復甚至食品包裝等領域得到了廣泛的應用。加熱爐和高壓容器是熱等靜壓機的關鍵設備，為了提高工作效率，應著力于加快加熱與冷卻時間。未來熱等靜壓將向著無包套、多樣化的壓力氣體、自動化控制等方向發展，并廣泛應用于制品的合成與焊接。國內應緊跟國際領先水平，加強技術創新，實現熱等靜壓設備與技術的共同進步。

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