陶瓷的热等静压与冷等静压技术介绍

HIP(热等静压)和CIP(冷等静压)技术的出现已有50多年历史，在今天已被视作许多领域的标准生产途径。热等静压工艺通过惰性气体(如氩气或氮气)向加工部件的外表面施加高压(50-200MPa)和高温(400-2000℃)，升高的温度和压力使材料通过塑性流动和扩散消除了表面下的空隙。热等静压目前面临的技术挑战是如何在保持生产率的同时，使加工部件达到最高的理论密度。

热等静压工艺通过薄壁预应力绕线单元可以实现均匀快速的冷却过程，与自然冷却过程相比生产效率提高了70%，密度提高到了许多合金近乎100%的理论密度。对于大型热等静压生产系统，根据材料的不同，达到这种密度的附加成本亦不相同。

冷等静压工艺可以对陶瓷或金属粉末施加更高的压力，在室温或稍高的温度(<93℃)下可达100-600MPa，以获得具有足够强度的“生坯”部件进行处理和加工，并烧结至最终强度。热等静压与冷等静压技术让陶瓷制造商能够在控制材料性能的前提下提高生产率。

热等静压技术出现于上世纪50年代初，从那时起，许多应用领域都十分看好这项技术。热等静压技术是一种致密化铸造的生产过程，从金属粉末的固结(如金属注射成型、工具钢、高速钢)，到陶瓷的压实环节，再到增材制造(3D打印技术)等更多的应用领域，都可以见到热等静压技术的身影。

目前，约50%的热等静压单元用于铸件的固结和热处理。典型的合金包括Ti-6Al-4V、TiAl、铝、不锈钢、镍超级合金、贵金属(如金、铂)，以及重金属和耐火材料(如钼、钨)。由于航空航天和汽车领域近年来对陶瓷增材制造的兴趣逐步增加，未来热等静压将可能快速拓展更多的应用范围。

首先，热等静压部件需要在升高的压力或真空中进行加热，同时提前引入气体，使其膨胀并有效建立热等静压炉中的压力气氛，而这个启动程序要视材料成分和热等静压循环而定。

使用纯氩气在热等静压中施加的压力一般在100-200MPa之间。然而有时其它气体如氮气和氦气也会用到，而氢气和二氧化碳这类气体则很少使用。有时候也会用到不同气体的组合。无论是较低还是较高的压力均可用于一些特殊的领域，最终由应用领域来确定哪些气体该用于哪些目的。因氦气、氩气、氮气相对昂贵，而氢气在错误浓度下又易爆，所以使用时需特别注意。

热等静压技术的主要优点有：增加制品密度，改善制品机械性能，提高生产效率，降低了废品率和损耗。经过热等静压处理的铸件，内部孔隙缺陷得以修补，设计更轻巧，产品拥有更好的延展性和韧性，性能波动减少，使用寿命更长(依靠合金系统，零件疲劳寿命增加近10倍)，能在不同材料之间形成冶金结合(扩散结合)。

冷等静压技术使用液体介质(例如水或油或乙二醇混合液体)，以向粉末施加压力。粉末被放置在固定形状的模具中，模具可防止液体渗入粉末。对于金属，冷等静压技术可以实现约100%的理论密度，而更难压缩的陶瓷粉末可以达到约95%的理论密度。

极高的压力使得粉末中的空隙变小甚至消失，高压下，金属粉末由于其延展性而产生变形，陶瓷粉末则可能稍微破碎，密度得以增加，最终形成可以处理、加工和烧结的“生坯”零件。(见图1)典型的压力范围为100-600MPa，温度通常为室温，如果需要较高的温度，热交换器可以将温度升至约93℃。然而由于水被压缩时温度会增加，每增加100MPa约升高4℃，因此在较高温度下沸腾的风险会随之增加。

冷等静压的常见应用包括陶瓷粉末的固结、石墨、耐火材料、电绝缘体，以及高级陶瓷的压缩。材料包括氮化硅，碳化硅，氮化硼，碳化硼，硼化钛，尖晶石等。该技术正在向新的应用领域拓展，例如溅射靶的压制、发动机中用来降低气缸磨损的阀部件的涂层、电信、电子、航空航天和汽车领域等。

冷等静压技术拥有如下优点：提高制品的固结程度，增加产品的机械性能，生产环节数据相对集中，能更安全地控制生产，腐蚀性非常低，高效率低成本。

冷等静压工艺中的减压过程也决定了“生坯”压块的质量。由于金属或陶瓷粉末被压实，气体被困在颗粒之间，压强在加工过程中随着外部施加的压力增加而增大。金属压块具有非常高的强度和延展性，在冷等静压流程之后，将自然释放夹带的空气。

然而由于陶瓷“生坯”压块更脆，如果压力以过快的速度和不可控的方式释放，则陶瓷压块很可能在空气不能逸出的地方破裂。避免这种情况的方式是通过微调减压系统以可控方式释放所施加的压力，这在较低压力下尤其重要，当施加的压力等于内部气体压力时，截留的空气会影响到内应力。

工业的需求一直趋向于缩短生产周期，提高热等静压单元的生产效率。在有效移除炉中产生的热量，提高冷却速率方面，热等静压压力容器本身非常重要。

绕线技术通过薄壁预应力缠绕圆筒，绕线和内部水冷却管道在气体-气体和气体-水之间产生了有效的热交换器。没有这种薄壁的解决方案，冷却速率将显著降低，无法实现真正的快速冷却。均匀冷却可以减少炉的磨损，从而也显著降低了维护成本和更换磨损部件的采购成本。

超过3000℃/ min的气体冷却速率被称为均匀快速冷却。在整个冷却时间内需要控制和维持压力的稳定。在冷却之后，温度可以再次升高对材料热处理，并且在进行最终部件冷却之前实现最佳晶粒生长。在整个循环期间保持压力，将有助于实现最佳的晶粒尺寸并降低开裂和剥落的风险。

通过这种方法，热处理在软化、退火和甚至回火方面变得十分有效。最终生产出质量更好的材料，并通过减少废品率来降低成本，减少重复工作。此外，部件可以在同一炉中进行热处理，从而去掉了用于热处理(如加热和急冷)的单独步骤，这也降低了总资金投入及运行成本。

在许多金属合金系统中，要特别注意避免有害相出现(如不锈钢中的σ相、钛中α相和β相之间的相变)。一般通过将部件快速冷却到相图的安全区域来避免有害相的出现，而在没有快速冷却的情况下，增加的混合相将对材料性质、晶粒生长以及在晶界处的氧化物、碳化物和氮化物的形成产生负面影响。

由于陶瓷比金属更脆弱，延展性更差，所以控制冷却率和冷却曲线与控制冷却速度同样甚至更为重要。陶瓷部件的脆性使得在冷等静压工艺中需要给陶瓷粉末的裂化和再堆叠留足时间，以使孔隙率低于40%。为了形成颈缩和孔封闭，热等静压中也需要足够的时间，使密度可以增加到接近理论密度。

热等静压工艺通过均匀的快速冷却可以实现相当短的循环时间，通过降低加工成本和延长投资折旧时间，循环时间可以减少多达70%。例如，对于中小型热等静压单元，可以节省一倍的时间，并且还有时间在热等静压中实现热处理。此外，在同一设备中结合热等静压和热处理能够带来短时间、高性能的产品，同时可以节约加工和投资成本。