熱等靜壓技術(shù)在粉末冶金和擴(kuò)散連接領(lǐng)域中的應(yīng)用

蔡永軍 楊勇

(中國工程物理研究院,四川綿陽 621700)

熱等靜壓技術(shù)在粉末冶金和擴(kuò)散連接領(lǐng)域中的應(yīng)用

蔡永軍 楊勇

(中國工程物理研究院,四川綿陽 621700)

熱等靜壓是一種對制品同時進(jìn)行高溫高壓作用的現(xiàn)代成型技術(shù)。本文介紹了熱等靜壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能,重點闡述了熱等靜壓技術(shù)在粉末冶金和擴(kuò)散連接領(lǐng)域中的應(yīng)用。

熱等靜壓 粉末冶金 擴(kuò)散連接

熱等靜壓(hot isostatic pressing，簡稱HIP)是粉末冶金領(lǐng)域等靜壓技術(shù)的一個分支，現(xiàn)已成為一種重要的現(xiàn)代材料成型技術(shù)。該技術(shù)將制品放置到密閉的容器中，以密閉容器中的惰性氣體或氮氣為傳壓介質(zhì)，向制品施加各向同等壓力的同時施以高溫(加熱溫度通常為1000～2000℃，工作壓力可達(dá)200MPa。)，使得制品在高溫、高壓的作用下得以燒結(jié)和致密化。

隨著熱等靜壓設(shè)備性能的不斷改進(jìn)完善，HIP技術(shù)現(xiàn)已在硬質(zhì)合金燒結(jié)、鎢鋁鈦等難熔金屬及合金的致密化、產(chǎn)品的缺陷修復(fù)，大型及異形構(gòu)件的近凈成形，復(fù)合材料及異種材料擴(kuò)散連接等方面得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)發(fā)展成為一種極其重要的材料現(xiàn)代成型技術(shù)。

1 熱等靜壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)

熱等靜壓設(shè)備主要由高壓容器、加熱爐、壓縮機(jī)、真空泵、冷卻系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)組成。圖1為典型熱等靜壓系統(tǒng)的示意圖。

高壓容器是由無螺紋、底部封閉鋼絲纏繞的預(yù)應(yīng)力筒體和鋼絲纏繞及預(yù)應(yīng)力框架組成。加熱爐提供熱等靜壓所必需的熱量，通常為電阻式加熱爐，可視不同溫度檔的要求，采用不同的電阻材料，如最高工作溫度為1450℃條件時可用鉬絲加熱爐，為2000℃條件時可用石墨加熱爐。HIP設(shè)備通常采用非注入式電動液壓壓縮機(jī)可給熱等靜壓提供高達(dá)200MPa的高壓氣體。真空泵采用旋轉(zhuǎn)葉輪，在產(chǎn)品燒結(jié)中用于真空抽吸，同時抽除容器內(nèi)的氧、水汽和其它雜質(zhì)。冷卻系統(tǒng)采用內(nèi)外循環(huán)回路設(shè)計；內(nèi)循環(huán)通過管道內(nèi)冷卻水的流動與壓力容器外殼間進(jìn)行熱交換，為了保護(hù)冷卻系統(tǒng)，冷卻水的質(zhì)量很重要，需采用去離子水，管路也需進(jìn)行防銹處理；外循環(huán)則通過換熱器將內(nèi)循環(huán)的熱量帶出。計算機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)溫度、壓力、真空的程序控制，并顯示所有工作狀態(tài)，可編制控制器提供安全可靠的聯(lián)鎖。

圖1 熱等靜壓系統(tǒng)示意圖

圖2 粉末熱等靜壓固結(jié)工藝

2 熱等靜壓技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 粉末冶金領(lǐng)域

粉末冶金是用粉末作為原材料，經(jīng)過成形、燒結(jié)和后處理將粉末固結(jié)成產(chǎn)品的工藝，能生產(chǎn)特殊性能的多孔制件、復(fù)合材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，其產(chǎn)品具有組織成分均勻、力學(xué)性能優(yōu)越的特點。采用熱等靜壓(HIP)進(jìn)行粉末固結(jié)是將粉末采用金屬、陶瓷包套(低碳鋼、Ni、Mo、玻璃等)或不采用包套置于熱等靜壓設(shè)備中，以高壓氮氣、氬氣作傳壓介質(zhì)對粉末施加各向均等靜壓力，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)部粉末使其經(jīng)歷粒子靠近及重排階段、塑性變形階段擴(kuò)散蠕變階段三個階段實現(xiàn)制品的致密化。

圖2為粉末熱等靜壓固結(jié)工藝。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，包套要不停的振動。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，這是因為熱等靜壓過程是通過壓差來固結(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)過程。

熱等靜壓是在高溫下對工件施加各向均等靜壓力，與傳統(tǒng)粉末冶金工藝相比有如下優(yōu)點；

(1)制件密度高。通過金屬粉末HIP致密化成形的制件密度分布均勻，可以消除材料內(nèi)部的孔隙，制造出理論密度的致密體零件。

(2)晶粒細(xì)小。包套受到等靜壓力的作用，可抑制粉末的晶?？焖僭鲩L，得到良好晶粒尺寸的制件。

圖3 12Cr合金鋼蒸氣室及鈦合金葉輪、壓氣機(jī)盤軸支撐架

(3)力學(xué)性能好。由于通過金屬粉末HIP致密化成形的制件晶粒各向同性且均勻細(xì)小，能閉合材料內(nèi)部孔隙和疏松等缺陷，提高材料的性能可提高制件宏觀力學(xué)性能的均勻性，有助于提高制件的疲勞壽命，增強(qiáng)延展性、抗沖擊強(qiáng)度及蠕變性能。

(4)實用范圍廣。可以對難加工材料(如鈦合金、高溫合金、鎢合金、金屬陶瓷等材料)以粉末HIP的方式成形和致密化。

(5)材料利用率高。包套與粉末在HIP過程中均勻變性，可以實現(xiàn)復(fù)雜零部件的近凈成形，減少昂貴材料的浪費，達(dá)到節(jié)約成本的目的。

HIP成形能得到全致密的粉末冶金制品，其抗拉強(qiáng)度、延伸率、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能優(yōu)于燒結(jié)制品，因而HIP成形工藝在粉末冶金成形工藝中占有十分重要的地位，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

高速鋼是一種化學(xué)成分復(fù)雜的高合金鋼。在采用傳統(tǒng)的熔煉-鍛造法生產(chǎn)高速鋼時，由于鑄錠尺寸大，冷卻緩慢、不可避免的產(chǎn)生碳化物偏析。這種偏析組織不僅給鍛、軋等熱加工造成困難，損害了產(chǎn)品的各種性能，而且限制了合金含量的進(jìn)一步增加，阻礙了高速鋼的發(fā)展。HIP技術(shù)的問世，使許多高速鋼可以采取粉末冶金工藝來制造，從而克服了熔鑄鋼中碳化物偏析這類缺陷，把粉末冶金技術(shù)成功引入了致密鋼材和合金鋼的生產(chǎn)領(lǐng)域。

硬質(zhì)合金是粉末冶金產(chǎn)品的代表作，通常采用氫氣燒結(jié)或者真空燒結(jié)進(jìn)行合金化；相比之下引入HIP技術(shù)制備硬質(zhì)合金具備以下優(yōu)點；1)殘余孔隙幾乎完全消除，相對密度達(dá)到99．999%；2)制造大型或長徑比大的制品時，廢品率低，表面缺陷大幅降低，拋光后可得到光潔度極高的表面；3)制品性能大幅度提高。

鈦合金因具有高強(qiáng)度、高韌性、抗氧化及耐腐蝕的特性，廣泛應(yīng)用于航天、航空、航母和化工等領(lǐng)域。鈦制品的傳統(tǒng)制造工藝復(fù)雜，二次加工材料損失大。用HIP技術(shù)制備的粉末鈦合金，不僅簡化了熔煉工藝和切削工序，而且合金組織更趨均勻，性能明顯改善。

陶瓷材料的特點是熔點高、彈性模量大、硬度高、密度低、熱膨脹小及耐磨、耐腐蝕等。通常采用粉末壓制成型和燒結(jié)或熱壓，通常制品孔隙度較大，性能較差。HIP工藝提供了生產(chǎn)高性能、高均勻程度、高致密度陶瓷或陶瓷金屬復(fù)合材料的手段。在加工過程中，由于原料粉末直接進(jìn)入包套，不再添加傳統(tǒng)工藝所需的有機(jī)成型劑，所以原材料在整個工藝過程中不受污染，這樣生產(chǎn)的材料是一種純潔的勻質(zhì)材料，具有均勻的細(xì)晶粒和接近100%的密度。而且，等靜壓技術(shù)將高壓惰性氣體和高溫同時作用于產(chǎn)品，能夠有效地去除內(nèi)部空隙，并在整個材料中形成強(qiáng)的冶金結(jié)合，極大地解決了陶瓷或陶瓷金屬復(fù)合材料制備的困難，特別在制備大尺寸、復(fù)雜形狀的陶瓷材料方面有較大的優(yōu)勢。

另外，HIP工藝能生產(chǎn)基本不需要機(jī)加工的近終形部件。一個熱等靜壓的近終形部件，由于可做成最終尺寸或接近最終的制品尺寸，因此用料少。據(jù)統(tǒng)計，采用HIP近終成形工藝制得的產(chǎn)品，其材料的利用率一般可達(dá)到80%～90%，其價格比常規(guī)工藝制得的產(chǎn)品低20%以上，同時顯著減少了機(jī)加工的時間和成本。HIP近終成形技術(shù)中使用的模具已經(jīng)可以用鋼板焊接而成，其形狀可以任意變化，部件的設(shè)計自由度較大。由于可制作各種異型體及整體部件，減少了焊接的數(shù)目，也提高了制品整體的可靠性。HIP近終成形技術(shù)可提高原材料的使用率和機(jī)加工效率，常用于整體成形許多常規(guī)方法難以成形的零件，特別適合于航空航天、船舶、武器設(shè)備、核設(shè)施、發(fā)電設(shè)備等關(guān)系國計民生的重大應(yīng)用領(lǐng)域。

CFM國際公司生產(chǎn)的CFM56發(fā)動機(jī)中有2個擋板通過粉末HIP近凈成形，截止2007年12月31日，有17532臺CFM56發(fā)動機(jī)在役，已裝備7150架飛機(jī)。俄羅斯使用EI1698P鎳基高溫合金粉末HIP近凈成形，為地面渦輪裝置生產(chǎn)大尺寸盤型零件，其強(qiáng)度和塑形比鑄、鍛件提高了10%～15%，近凈成形的盤類零件直徑可達(dá)1100mm(圖3)。Bjurstrom等利用HIP近凈成形方法成功制造了高壓泵體，并將泵的支撐、關(guān)口、凸緣等部位與泵體一起整體成形，不僅顯著縮短了部件的制造周期，且明顯提高了制件的力學(xué)性能。瑞典Stephen等將板材焊接拼合成復(fù)雜包套的外殼與內(nèi)部模芯，對APM2218粉末HIP近凈成形，成功制造了復(fù)雜的蒸汽管路系統(tǒng)。他們還以超級雙相不銹鋼粉末為原料，采用HIP近凈成形技術(shù)制備出深海下使用的高壓閥體，完全克服了傳統(tǒng)鑄、鍛件的缺陷，綜合性能明顯提高。法國Baccino等采用HIP近凈成形技術(shù)制備出鎳基高溫合金、鈦合金、不銹鋼類非常復(fù)雜的零件，如直升飛機(jī)發(fā)動機(jī)的渦輪軸、葉輪等制件，還制造出尺寸達(dá)1m的大型不銹鋼件。

我國在粉末HIP近凈成形領(lǐng)域的研究工作開展較少，目前主要由北京航空材料研究院、航天材料及工藝研究所、中南大學(xué)、北京科技大學(xué)、西北有色金屬研究院等單位開展了相關(guān)研究工作，尚處于研究初期，與國外先進(jìn)水平相比，還有很大差距。

2.2 擴(kuò)散連接

擴(kuò)散連接是一種新型的焊接工藝，對于難于焊接的金屬以及異種材料之間進(jìn)行固態(tài)連接具有很大的應(yīng)用價值。熱等靜壓擴(kuò)散連接是將兩種材料表面磨平和拋光后，用某種液體或氣體介質(zhì)在各個方向加力將兩種材料緊密地壓在一起，然后加熱到熔點以下的某個溫度，并保溫保壓一段時間，使材料通過原子間相互擴(kuò)散實現(xiàn)連接。熱等靜壓擴(kuò)散連接涉及到的材料可以是金屬-金屬、金屬-非金屬、非金屬-非金屬，在核工業(yè)、航天等多個領(lǐng)域方面值得應(yīng)用推廣的一項較好技術(shù)。

從上世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外采用熱等靜壓擴(kuò)散連接的方法對鈹/鋼，鈹/銅合金，銅合金/鋼，銅合金/銅合金，銅合金/Al合金連接進(jìn)行了大量的研究，實現(xiàn)了鈹/ HR-1不銹鋼、Al-Si合金/HR-2不銹鋼、Be/CuCrZr合金W/Cu、V-4Cr-4Ti/HR2鋼的熱等靜壓擴(kuò)散連接。

王錫勝等采用熱等靜壓(HIP)技術(shù)實現(xiàn)了進(jìn)行擴(kuò)散連接，研究表明中間過渡層及連接工藝參數(shù)對接頭性能存在明顯影響。在580℃，140MPa下Be與CuCrZr直接擴(kuò)散連接以及采用Ti(Be上PVD鍍層)/Cu(CuCrZr上PVD鍍層)作過渡層的間接擴(kuò)散連接均達(dá)到了較好的連接效果。表面采用Ti鍍層的間接擴(kuò)散連接，可有效阻止Be與Cu形成脆性相。另外，中間層或擴(kuò)散阻礙層材料對連接成功與否或質(zhì)量高低有著重要的影響，其選擇原則是在設(shè)定的溫度下，盡可能阻止Be的擴(kuò)散，減少脆性金屬間化合物的生成，同時又能緩和接頭的內(nèi)應(yīng)力。國內(nèi)外研究了多種材料作為Be/Cu連接的中間層或阻礙層，如Ag、Ti、Cu、Al、BeCu合金以及復(fù)合層Ti/Ni、Ti/Cu、Cr/Cu、Al/Ni/Cu等。

在核聚變反應(yīng)裝置中，偏濾器面對等離子一面的材料要求有很好的耐高溫性能和良好的熱傳導(dǎo)性能?，F(xiàn)有的單一材料不能同時滿足兩種需要，因而設(shè)計了W-Cu復(fù)合材料。鎢具有很高的熔點，可作為面對等離子一側(cè)的耐高溫材料，銅具有很好的導(dǎo)熱性能，作為基體材料能滿足導(dǎo)熱和冷卻的要求。吳繼紅等采用熱等靜壓實現(xiàn)了核聚變反應(yīng)裝置中偏濾器面對等離子一面的銅和鎢進(jìn)行連接，焊接性能滿足了偏濾器工作需要。

釩合金作為聚變堆結(jié)構(gòu)材料的候選材料，在作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用時，須與不銹鋼等金屬進(jìn)行連接。冷邦義等以AuNi合金作為過渡層材料，采用熱等靜壓(HIP)方法進(jìn)行V-4Cr-4Ti/HR2鋼擴(kuò)散連接。

3 結(jié)語

熱等靜壓設(shè)備和工藝日益改善，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，目前熱等靜壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、運輸、電工、電子、化工和冶金等行業(yè)。熱等靜壓技術(shù)能使粉末冶金件在高溫高壓的作用下實現(xiàn)全致密化，晶粒細(xì)小，大幅度提高制品的宏觀力學(xué)性能的均勻性，有助于提高制件的疲勞壽命，增強(qiáng)延展性、抗沖擊強(qiáng)度及蠕變性能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)近凈成型，是制備新型材料的重要手段。

對于難以焊接或材料性能相差較大的異種材料，熱等靜壓方法能夠通過異種材料間的原子擴(kuò)散形成性能較為滿意的連接接頭。因此，熱等靜壓擴(kuò)散連接是一種可在多個領(lǐng)域推廣的技術(shù)方法。

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