熱等靜壓法作為材料現(xiàn)代成型技術(shù)的一種，是等靜壓技術(shù)一個(gè)分支。等靜壓是粉末冶金領(lǐng)域的一種技術(shù)，已有近百年歷史。等靜壓技術(shù)按其成型和固結(jié)溫度的高低，通常劃分為冷等靜壓、溫等靜壓、熱等靜壓三種。
近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是熱等靜壓的發(fā)展，等靜壓技術(shù)不再只是粉末冶金的專用技術(shù)，它的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)大到了原子能工業(yè)、制陶工業(yè)、鑄造工業(yè)、工具制造、塑料和石墨等生產(chǎn)部門。隨著其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，作用和經(jīng)濟(jì)效益的不斷提高，熱等靜壓法已經(jīng)成為一種極其重要的材料現(xiàn)代成型技術(shù) 。
什么是熱等靜壓
熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡(jiǎn)稱HIP）是在高溫高壓密封容器中，以高壓氣體為介質(zhì)，對(duì)其中的粉末或待壓實(shí)的燒結(jié)坯料（或零件）施加各向均等靜壓力，形成高致密度坯料（或零件）的方法。
該法采用金屬、陶瓷包套（低碳鋼、Ni、Mo、玻璃等），使用氮?dú)狻鍤庾骷訅航橘|(zhì)，使粉末直接加熱加壓燒結(jié)成型；或者將成型后的鑄件，包括鋁合金、鈦合金、高溫合金等縮松縮孔的鑄件進(jìn)行熱致密化處理。通過(guò)熱等靜壓處理后，鑄件可以達(dá)到高度致密化，提高鑄件的整體力學(xué)性能。其成型過(guò)程如下圖：
▲熱等靜壓法成型過(guò)程
由于熱等靜壓法在高溫下對(duì)工件施加各向均等靜壓力成型，使其與傳統(tǒng)工藝相比如下優(yōu)點(diǎn)：
丨在很低的溫度下粉末便可固結(jié)到很高的密度
丨可以壓縮形成型狀復(fù)雜的工件
丨經(jīng)過(guò)熱等靜壓的工件具有一致的密度
丨高的氣體密度可以促進(jìn)熱交換，提高加熱速度，縮短循環(huán)時(shí)間
丨由于非常一致的加熱，脆性材料也可被壓縮成型
工作過(guò)程與原理
熱等靜壓法的一般工藝周期如下：
● 將粉末或粉末壓坯裝入包套中，抽去吸附在粉末表面、粉末間空隙和包套內(nèi)的氣體；
● 將包套真空密封后置于有加熱爐的壓力容器中；
● 密封壓力容器后泵入惰性氣體（即傳壓介質(zhì)）至一定壓力；
● 升溫至所需溫度，因氣體體積膨脹，容器內(nèi)的壓力也升至所需壓力，在高溫、高壓共同作用下完成成形和燒結(jié)；
● 用機(jī)械或酸浸方法除去包套，得到制品。
粉末填充一般在真空或惰性氣體氛圍中進(jìn)行。為了提高填充粉末的密度，包套要不停的震動(dòng)。為了得到統(tǒng)一的收縮，則需要填充粉末的密度應(yīng)不低于理論密度的68%。填充后包套要抽真空并密封，這是因?yàn)闊岬褥o壓過(guò)程是通過(guò)壓差來(lái)固結(jié)被成型粉末和材料的，一旦包套密封不嚴(yán)，氣體介質(zhì)進(jìn)入包套，將影響粉末的燒結(jié)成型。
另外，真空密封可以去除空氣和水，防止氧化反應(yīng)和阻礙燒結(jié)過(guò)程。
▲熱等靜壓工藝處理材料前后對(duì)比
熱等靜壓法的主要原理是帕斯卡原理，即在一個(gè)密封的容器內(nèi)，作用在靜態(tài)液體或氣體的外力所產(chǎn)生的靜壓力，將均勻地在各個(gè)方向上傳遞，在其作用的表面積上所受到的壓力與表面積成正比。在高溫高壓作用下，熱等靜壓爐內(nèi)的包套軟化并收縮，擠壓內(nèi)部粉末使其與自己一起運(yùn)動(dòng)。
高溫高壓同時(shí)作用下的粉末的致密化過(guò)程與一般無(wú)壓燒結(jié)或常溫壓制有很大差異。其致密化過(guò)程大致分為以下三個(gè)階段：
▲粉末致密化過(guò)程
? 粒子靠近及重排階段
在加溫加壓開(kāi)始之前，松散粉末粒子之間存在大量孔隙，同時(shí)由于粉末粒子形狀不規(guī)則及表面凹凸不平，他們之間多呈點(diǎn)狀接觸，所以與一個(gè)粒子直接接觸的其它粒子數(shù)（粒子配位數(shù)）很少。當(dāng)向粉末施加外力時(shí)，在壓應(yīng)力作用下，粉末體可能發(fā)生下列各種情況：隨機(jī)堆疊的粉末將發(fā)生平移或轉(zhuǎn)動(dòng)而相互靠近；某些粉末被擠進(jìn)臨近空隙之中；一些較大的搭橋孔洞將坍塌等。由于上述變化的結(jié)果，粒子的臨近配位數(shù)明顯增大，從而使粉末體的空隙大大減少，相對(duì)密度迅速提高。
? 塑性變形階段
一階段的致密化使粉末體的密度已有了很大的提高，粒子之間的接觸面積急劇增大，粒子之間相互抵觸或相互楔住。這是要使粉末體繼續(xù)致密化，可以提高外加壓力以增加粒子接觸面上的壓應(yīng)力，也可升高溫度以降低不利于粉末發(fā)生塑性流動(dòng)的臨界切應(yīng)力。如果同時(shí)提高壓力和溫度，對(duì)繼續(xù)致密化將更加有效。當(dāng)粉末體承受的壓應(yīng)力超過(guò)其屈服切應(yīng)力時(shí)，粒子將以滑移方式產(chǎn)生塑性變形。
? 擴(kuò)散蠕變階段
粉末粒子發(fā)生大量塑性流動(dòng)后，粉末體的相對(duì)密度迅速接近理論密度值。這時(shí)，粉末粒子基本上連成一片整體，殘留的氣孔已經(jīng)不再連通，而是彌散分布在粉末基體之中，好像懸浮在固體介質(zhì)中的氣泡。這些氣孔開(kāi)始是以不規(guī)則的狹長(zhǎng)形態(tài)存在，但在表面張力作用下，將球化而成圓形。殘存氣孔在球化過(guò)程中其所占體積分?jǐn)?shù)也將不斷減小。粒子間的接觸面積增大到如此程度，使得粉體承受的有效壓應(yīng)力不再超過(guò)其臨界切應(yīng)力，這時(shí)以大量原子團(tuán)滑移而產(chǎn)生塑性變形的機(jī)制將不再起主要作用，致密化過(guò)程主要單個(gè)原子或空穴的擴(kuò)散蠕變來(lái)完成，因此整個(gè)粉末體的致密化過(guò)程緩慢下來(lái)，后趨近于以大終端密度值 。
值得注意的是上述三個(gè)階段并不是截然分開(kāi)的，在熱等靜壓過(guò)程中它們往往同時(shí)起作用而促進(jìn)粉體的致密化，只是當(dāng)粉末體在不同收縮階段，由不同的致密化過(guò)程起主導(dǎo)作用。
熱等靜壓設(shè)備
1965年美國(guó)Battelle研究所臺(tái)熱等靜壓機(jī)的問(wèn)世，標(biāo)志著熱等靜壓技術(shù)設(shè)備的誕生。
熱等靜壓設(shè)備由高壓容器、加熱爐、壓縮機(jī)、真空泵、冷卻系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中高壓容器為整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵裝置。
▲熱等靜壓設(shè)備系統(tǒng)原理示意圖
熱等靜壓應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展
在發(fā)動(dòng)機(jī)制造中，熱等靜壓機(jī)已用于粉末高溫合金渦輪盤和壓氣盤的成型：把高溫合金粉末裝入抽真空的薄壁成形包套中，焊封后進(jìn)行熱等靜壓，除去包套即可獲得致密的、接近所需形狀的盤件。粉末熱等靜壓材料一般具有均勻的細(xì)晶粒組織，能避免鑄錠的宏觀偏析，提高材料的工藝性能和機(jī)械性能。粉末高溫合金熱等靜壓或熱等靜壓加鍛造的盤件已在多種高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用。
同樣，熱等靜壓還用于制造粉末鈦合金風(fēng)扇盤和飛機(jī)上的粉末鋁合金和粉末鈦合金承力構(gòu)件。在航天器制造工業(yè)中，熱等靜壓主要用于制造致密的碳質(zhì)結(jié)構(gòu)件，如火箭的舵面和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯等。
各種合金的精密鑄件，如高溫合金渦輪葉片，鑄鈦機(jī)匣以及渦輪增壓器的鋁合金鑄件等，經(jīng)熱等靜壓致密化處理可消除內(nèi)部疏松和縮孔，提高性能、可靠性和使用壽命。熱等靜壓還是返修舊件以延長(zhǎng)使用壽命的一種有效方法。
在美國(guó)、日本以及歐洲，熱等靜壓工藝都實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，在海洋，航空，航天，汽車等領(lǐng)域應(yīng)用。我國(guó)該技術(shù)起步較晚，普及率仍然較低，主要集中在航空航天高性能材料的研發(fā)及鑄件的致密化處理。
2005年，川西機(jī)器公司采用國(guó)內(nèi)的高溫高壓快速冷卻、真空與超高壓隔離、超高壓工作缸等13種關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)過(guò)3年多的刻苦研制和技術(shù)攻關(guān)，成功地交付當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)大的熱等靜壓機(jī)。該熱等靜壓機(jī)的投入使用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型熱等靜壓技術(shù)的空白，為航空、航天、核工業(yè)、電子、冶金、船舶等領(lǐng)域的高溫高強(qiáng)合金、功能陶瓷、復(fù)合材料、超硬材料等高新技術(shù)材料制品的研制和生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。
2008年7月份，由鋼鐵研究總院制造的亞洲大的熱等靜壓機(jī)(φ1250x2500mm，1350℃，150MPa)安裝調(diào)試成功，并正式投入運(yùn)行。
與此同時(shí)，國(guó)外也在不斷創(chuàng)新熱等靜壓設(shè)備，向著更大更精的方向邁進(jìn)。2012年，瑞典的 Avure Technologies 在橫濱舉行的粉末冶金世界大會(huì)和展覽會(huì)上，宣布了下一代大型熱等靜壓系統(tǒng)：TeraPi。該系統(tǒng)的模型具有超過(guò)3m的有效熱區(qū)直徑和5m的高度。
隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，熱等靜壓技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)中已經(jīng)占據(jù)了越來(lái)越大的比重。人們?cè)絹?lái)越多地采用HIP技術(shù)進(jìn)行新材料的制備，如金屬基陶瓷、碳/碳復(fù)合材料、硬質(zhì)合金、鎢鉬制品、稀有難熔金屬等產(chǎn)品等。熱等靜壓技術(shù)也越來(lái)越多地滲透到更多的技術(shù)領(lǐng)域，并憑借其特有優(yōu)勢(shì)，將會(huì)在新材料、新能源的發(fā)展空間中發(fā)揮更為廣闊的作用。