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热等静压技术的前世今生

来源：世展网分类：陶瓷行业资讯 2023-06-27 16:58 阅读：11229

2025年佛山潭洲陶瓷展UNICERAMICS EXPO

2025-04-18-04-22

展会结束

热等静压是一种利用高温高压同时作用使金属或陶瓷制品经受各向同等压力从而使制件得以烧结和致密化的工艺技术。它具有化学成分稳定、力学性能各向同性、结构适应性好、成本较低的优点。

热等静压的前世——高温气压粘结

热等静压技术（HIP）的研究始于1955年，由美国Battelle研究所为研制核反应堆材料而开展的，首先用于原子能反应过程中燃料元素的扩散粘结，基于此应用，当时的研究人员赋予它一个非常普通却直观的名字——高温气压粘结。1963年该技术被传入欧洲，瑞典ASEA公司用预应力钢丝缠绕结构制造高压容器，其结构紧凑、安全可靠，奠定了HIP技术大力发展的坚实基础。在热等静压技术诞生10年后，第一台热等静压机的问世，标志着热等静压技术设备的诞生。20世纪60年代，研究人员利用热等静压工艺，成功的将锆合金和不锈钢等材料包覆在二氧化铀上，同时实现了粘结和致密化，获得了良好的效果，这是热等静压技术在工业中的首次应用。20世纪60年代中期，气体雾化法生产粉末的研制成功，对热等静压技术的发展起了推动作用。

热等静压与高压气淬复合真空炉，来源：湖南顶立科技有限公司

热等静压的今生——高效的近净成形/致密化技术

在后面的几十年中，各国竞相开发和应用等静压设备，瑞典于1965年开发出结构紧凑、重量轻、体积小、安装方便和安全可靠的热等静压机后，这种现状尤为活跃。

时至今日，热等静压设备越来越智能化、自动化、大型化，热等静压技术也越来越先进，成为了一种简单、高效的近净成形致密化技术。

热等静压设备及致密化原理

热等静压设备由高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、储气罐、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，下图所示为典型热等静压系统示意图。

热等静压系统示意图热等静压致密化工艺是将制品放置到密闭的容器中，通过压缩机将高压的氩气输入容器内，同时通过容器内的加热炉进行加热，使制品同时在高温高压的作用下，得以致密化。

热等静压技术原理图热等静压致密化过程可以分为两个阶段，第一阶段是内部缺陷和孔隙在外界压力大于材料高温强度的条件下发生塑性变形，缺陷和孔隙被破坏，致使内表面相互接触在一起；第二阶段在外界压力低于材料高温强度时，材料发生高温蠕变，同时接触在一起的合金表面相互渗透、扩散黏结，彻底消除缺陷和孔隙。通过这种处理，材料致密度基本接近理论密度。

热等静压技术的应用

热等静压技术目前不仅在铸件处理、粉末冶金、陶瓷工业中应用，还在多孔材料、近净成形、材料粘结、等离子喷涂、制造高端石墨等领域应用。

热等静压技术应用领域和涉及到的材料1、铸件致密化处理一般来说，铸件内部都有收缩疏松和孔隙的问题，这些缺陷使材料的性能和可靠性降低，尤其是在合金材料中，这些倾向尤为突出。用热等静压技术基本可以消除这些缺陷，要消除此类缺陷，还得借用包套作为传压介质。热等静压处理铸件的意义主要体现在下面几方面：(1)热等静压处理后，能减少铸件在X射线检查和表面透射检查时的报废率；(2)与未处理的铸件相比，经热等静压处理的铸件在焊接后产生的裂纹较少，因而减少了修补焊的成本；(3)采用热等静压处理，可提高铸造参数范围和扩大新的铸造合金品种；(4)改善了疲劳强度和延性的热等静压铸件可取代价格昂贵的锻件。2、在粉末冶金中的应用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，越来越多的粉末冶金制品采用热等静压工艺进行成型及致密化。如粉末冶金高速钢；不锈钢，如AISI－304不锈钢；粉末冶金高温合金，如飞机发动机涡轮盘；各种放射用靶材；汽车用粉末冶金零件；化工用泵、阀及多通道分配管等。粉末冶金(PM)加HIP处理后的制品性能与冶炼、热加工常规工艺的制品相比具有以下优点：(1)材料均匀性好，无偏析，力学性能、抗腐性能好，各向同性。同时各批材料的稳定性也好。(2)采用PM－HIP工艺制得材料的晶粒比采用常规工艺加工的细，因此可以方便地使用超声波无损探伤进行检验。(3)由于可做成最终尺寸的制品，因此用料少。据统计，采用PM－HIP工艺制得的产品其价格比常规工艺制得的产品低20%以上。(4)由于目前PM－HIP工艺中使用的模具已经可以用钢板焊接而成，其形状可以任意变化，部件的设计自由度较大。3、在陶瓷材料中的应用

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、HIP覆层和HIP复合扩散连接热等静压覆层和热等静压复合扩散连接是热等静压的另一重要应用。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。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。5、其他新领域除了上述的主要应用领域外，HIP技术还包括如下应用：（1）在多孔材料方面的应用，由于采用氮气作为介质，在高温下生成氮化物，使得HIP对多孔材料也产生作用；（2）HIP技术与渗氮等表面处理相结合，扩大HIP功能；（3）悬浮熔炼工艺制备高纯材料可采用HIP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；（4）食品工业采用HIP技术，向食品施加高压可使食品在营养不被破坏且保持原色原味的情况下达到杀菌消毒的目的，为食品加工提供了一条新的途径；（5）材料粘结。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；（6）制造高端石墨产品，它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。

总结

采用热等静压致密化技术不仅能够大幅度提升铸件的综合性能，同时在传统工艺无法实现致密化的陶瓷、硬质合金等脆性材料的致密化方面也显示出无可替代的优势。总之，经过近70年的发展，热等静压得到十足的发展，它广泛的应用国民的生产生活中。特别是在人们对新材料、新能源高度需求的今天，HIP技术发挥了其独特的优势，为各行各业的科技技术水平带来质的飞跃。参考来源：[1]刘慧渊等.热等静压技术的发展与应用[2]王勇兵等.热等静压技术在材料致密化中的应用[3]施辉献等.热等静压技术的若干应用及发展趋势