热等静压（HIP）技术应用

摘要

热等静压（HIP）技术的进步正在创造新一代的应用机遇，以提升关键零部件和材料的性能与耐久性。新型压机与炉体设计、均匀快速冷却能力以及数字控制技术显著缩短了工艺周期。过去十年间，热等静压机的尺寸几乎翻倍，大幅降低了单件处理成本。甚至更大型的系统也即将出现，其尺寸仅受运输条件限制。这将能够实现更大型产品和批次的致密化，从而降低成本并帮助客户增长其竞争优势。对于全球各行业具有竞争力的制造商日益需求的坚固、耐用产品的生产而言，如今的热等静压技术比以往任何时候都更加可行和经济。

背景介绍

20世纪50年代中期，Battelle纪念研究所（俄亥俄州哥伦布市实验室）的研究人员提出了气体压力粘结的概念，即现在的热等静压（HIP）。这些科学家当时面临的挑战是开发一种将锆粘结到锆-铀合金上的方法，用于制造核燃料元件。这种包壳的性能要求无法通过当时现有的常规方法满足。这项研究导致了气体压力粘结首次在西屋公司（Westinghouse）投入生产，用于压水堆的平板型燃料元件。

大约在同一时期，瑞典的ASEA公司采用超高压工艺制造出世界上第一批人造金刚石，在接近100万psi（7000 MPa）的压力下将石墨转变为金刚石。随后开发出了绕丝式容器和框架，1962年，ASEA的Baltzar Von Platen获得了这项创新压力容器概念的专利。

20世纪60年代，许多公司认识到采用HIP工艺商业化改善粉末部件的潜力。Crucible Steel深入研究了此应用，并于1967年安装了他们的第一台生产型HIP设备，生产其高速工具钢的全致密坯料。同时，Kennametal开始了一项旨在消除烧结碳化钨预成形件内部 pits（凹坑）和缺陷的测试计划，并于1967年购买了他们的第一套HIP系统。自此以后，HIP已被许多公司采用来处理高性能部件。

HIP基础

热等静压是一种使用加热气体（最常见的是氩气或氮气）在超高压下进行成形和致密化的工艺。与从一个或两个方向机械压缩工件不同，等静压力均匀地作用在物体的所有侧面，在不改变其净形状的前提下消除内部孔隙。该工艺可用于处理预成形的金属、陶瓷或复合材料部件，以及封装粉末形状的压实。最大标准操作压力可从10到310 MPa（约1500到45,000 psi）。温度最高可达2000°C。针对特殊应用，可提供更高的压力和温度。

图1. 1956年由巴特尔研究所安装并运行的首台冷壁式气体压力结合容器（现称为HIP）

图2. HIP装置

HIP的优势

多年来，HIP已证明其能显著改善高应力应用环境下部件的物理性能，提供以下具体优势：

• 将铸件和粉末金属部件固结至100%理论密度

• 消除内部缺陷和孔隙

• 改善机械性能。包括提高抗疲劳性、抗冲击性、耐磨性和抗磨损性，并改善延展性。

• HIP通常带来更高效的生产。近净形成形以达到精确公差意味着很少或无需二次机加工或人工返工，并且通常表面光洁度更好。性能测试数据的分散带变窄，废品损失减少。

图3. Bodycote Powdermet AB公司采用金属粉末生产的近净形状零件示例

应用领域

目前，铸件的缺陷修复是HIP技术的最大市场领域，但粉末固结正在增长。

铸件致密化

HIP工艺广泛用于改善铸造金属部件的性能和耐久性。内部孔隙被消除，经HIP处理的铸件通常具有与成本更高的变形或锻造产品相当的疲劳寿命和机械性能。

HIP致密化最常见的用途是在航空航天、医疗和发电行业，涉及高性能金属如钛、镍基超级合金和不锈钢。熔模铸造的涡轮叶片、关节植入物和发动机部件通常因凝固过程中的收缩而含有内部空洞和缺陷。这些缺陷在HIP过程中得到修复。
对更轻、更燃油高效车辆的追求导致汽车工业中铸造铝合金部件的使用日益增长。HIP技术在该领域的首次应用是针对赛车发动机部件，如今已扩展到高性能商用汽车市场。更大、更快的压机和低成本专用设备的出现，使Howmet和Bodycote等合同处理商能够为汽车制造商及其供应商提供成本高效的铸件致密化服务。

图4. 铸件通常经过HIP处理以去除内部孔隙

图5. 镍基高温合金HIP处理前后的微观结构对比

图6. 经HIP处理的气缸盖（图片由Eck Industries, Inc.提供）

粉末冶金（PM）

HIP固结粉末冶金部件正日益成为替代长交货期和高成本锻件的可行方案，并且相对于传统方法具有独特优势：

• 全致密部件，结构均匀，导致各向同性性能和形状自由度

• 封装粉末的清洁处理

• 近净形或净形设计的灵活性，适合小批量经济生产

• 固结和烧结同时进行。采用先进炉型，还可进行固溶处理。

• 能够在单一周期内处理大量不同形状和尺寸的部件

• 优异的尺寸稳定性和可磨削性

• 可生产具有优化材料性能的复合或包覆产品

图7. 用于海上应用的高合金奥氏体和双相钢阀体（图片由Metso Powdermet AB提供）

图8. 由316LN不锈钢粉末经HIP制成的偶极低温磁体端盖，工作于-268°C（-450°F）的低温环境。（图片由Bodycote HIP-Surahammar提供）

图9. 采用PM-HIP近净形成形的12%铬蒸汽轮机缸体

图10. 完全致密的硬质合金辊和耐磨零件

两种基本HIP方法用于压实粉末部件：

直接HIP：涉及将密度低于约92%的气雾化粉末放入气密性金属或玻璃容器中进行固结，使粉末与工艺气体隔离。容器制造并经过泄漏测试后，在抽真空和加热的同时通过填充杆填充粉末。然后密封填充杆，容器内的粉末即可进行HIP固结。应用包括工具钢制造、近净形海上油气设备部件、蒸汽轮机等许多产品。工具钢和其他合金粉末坯料经HIP处理后，可用作进一步加工（如挤压）的预成形件。

后HIP (Post-HIP)：通过粉末预压和烧结至92%或更高密度来消除封装需求，然后进行HIP。预压方法包括注射成型、粉浆浇注、冷等静压或单向压制。预压坯通常经过粗加工、烧结、HIP处理和精加工。后HIP可应用于各种粉末，但可能最适合较高熔点的材料，如碳化物和陶瓷。

溅射靶材

靶材由高纯度金属和陶瓷粉末制成，用于从建筑玻璃到集成电路再到平板显示器等产品的薄膜沉积。热等静压将这些昂贵的封装粉末固结成均匀、100%致密的结构，无偏析效应，且不损失所需纯度。在某些情况下，HIP还用于实现靶材与冷却背板之间的牢固结合。

图11：通过直接HIP不锈钢粉末近净形制成的650公斤蒸汽轮机转子（图片由阿尔斯通电力瑞典公司提供）

图12：许多靶材受益于HIP能够提供致密、均匀结构且不损失纯度的能力。（图片由Material Science International, Inc.提供）

金刚石切割工具

近年来，HIP已成为制造用于线锯的金刚石串珠和用于切割轮的金刚石节块日益流行的技术。热等静压已被证明是一种高效的方法，可将金属基体与 impregnated（镶嵌的）金刚石固结在一起，与传统使用的单向烧结压机相比具有主要优势。这些优势包括产量显著提高、压实至100%理论密度、金刚石分布均匀且脱落减少、硬度提高、以及金刚石表面的晶粒长大和石墨化程度降低。

图13. 经HIP处理的金刚石串珠

图14. 经HIP处理的切割轮刀头

扩散粘结（HIP包覆）

Battelle实验室最初开发的HIP受原子能委员会委托用于粘结核燃料元件的组件。如今，扩散粘结仍然是HIP处理高性能部件的常见应用。通过将一层耐腐蚀或耐磨合金包覆到双金属部件的基材上，可以形成冶金结合的金属部件。可以施加厚或薄的层，并且可以通过仅在选定的高磨损部位使用高成本材料来节省成本。粉末合金通常包覆到固体金属上，但固体与固体之间的粘结有时在经济上是可行的。

图15. 通过扩散连接与阀体结合的耐腐蚀合金内衬

先进陶瓷

HIP长期用于致密化工程陶瓷产品，如氮化硅滚珠轴承和导线器、氮化硼注射喷嘴和控制杆销、化学工业用绝缘体、电极和泵部件。陶瓷既可以玻璃封装进行HIP，也可以采用后HIP工艺。
许多HIP处理陶瓷的新应用已经出现，包括：

• 使用尖晶石和ALON的防弹玻璃

• 复合关节假体，结合金属股骨柄与烧结并HIP处理的粉末陶瓷球臼

• 军用和执法人员的防弹衣

• 氧化锆和氧化铝牙科植入物

金属注射成型（MIM）

这是一种不断发展的技术，用于生产小型、大批量的黑色或有色金属粉末和合金产品。MIM部件通常具有95%至98%的密度，并且可以模制成各种复杂形状。部件往往较小（约50克左右），因此可以通过成本较低的压机（如Avure MiniHIPper®）经济地进行HIP处理以达到100%密度。

图16. 采用HIP氮化硅球的混合轴承使用寿命显著超过传统轴承。（图片由Norton/St. Gobain提供）

图17. 经HIP处理的先进陶瓷材料在越来越多的关键应用中取代金属。（图片由Norton/St. Gobain提供）

图18. HIP增强了陶瓷防弹衣的韧性

更高的效率

“千兆HIP”（Giga-HIPs）

降低处理部件单位成本的一个明显方法是每个周期处理更多的部件。HIP设备正变得越来越大，其中最大的一台最近由日本的合同处理商金属技研株式会社（Kinzoku Giken Co. Ltd.）向瑞典韦斯特罗斯的Avure Technologies AB订购。这台巨型压机计划于2009年安装在该公司位于姬路的工厂，其高度将超过41英尺（12.5米），重量超过600美吨。巨大的工作区直径达79英寸，高度近14英尺（2 x 4.27米）。

瑞典Surahammar的Bodycote公司即将运行一台炉膛区域直径为71英寸、高度为10.8英尺（1.8 x 3.3米）的HIP设备，这是该公司在全球安装的几台大型压机中的最新一台。密歇根州Whitehall的Howmet Castings公司也拥有几台大型HIP设备，包括最近订购的一台42英寸 x 65英寸高（1.07 x 1.65米）的型号。
大容量HIP设备还有一个额外优势，即能够处理非常大的部件。设计师可以创建复杂的单体铸件，现在可以整体进行HIP处理，从而消除了对紧固件或焊缝的需求。航空航天工业已经使用HIP处理大型机身段和发动机机匣。

图19. 世界上最大的热等静压机，正在Avure Technologies AB建造中

图20. 自1987年起在瑞典Surahammar的Bodycote投入运行的完整HIP系统示意图

更快循环

根据所处理材料的特性和敏感性，以前的HIP周期可能长达24小时。现在已取得巨大进展，可将时间缩短至仅5小时，这再次降低了处理部件的单位成本。这种周期缩短是通过提高压机的设计加热和冷却速率，并在先前经验和结果证明合理的情况下减少工艺保温时间来实现的。

许多HIP压机可以配备先进的快速冷却炉，在某些情况下，总循环时间缩短了一半或更多。在某些应用中，例如小型铝铸件，时间已减少到仅仅2小时。可编程变速风扇将较冷的气体均匀地循环到整个工作区。冷却速率可以精确控制，以避免热敏陶瓷部件开裂。此功能不仅缩短了循环时间，还增加了将HIP工艺与金属合金的固溶热处理相结合的可能性。

图21a. 均匀快速冷却（URC）炉示意图；b. 使用URC功能的循环曲线图（示意图）

先进过程控制

在过去十年中，用于调节HIP周期的计算机控制系统取得了显著改进。这些系统提供更精确的温度控制，并在新型HIP炉中使用的多个区域内实现更均匀的加热。这带来了更高质量部件的吞吐量和更少的废品损失。设定点周围的温度波动也更小，避免了信号“抖动”时工艺气体的浪费性进入和排放。

图22. 循环参数可在系统计算机上输入和显示

压机构型

HIP设备有两种基本尺寸类别：

1. 实验室/有限生产规模：这些是小型紧凑的压机，通常集成在单个模块中，用于HIP研究和原型研究。工作区尺寸范围从3英寸直径 x 5英寸高（0.076 x 0.126米）到10英寸直径 x 30英寸高（0.255 x 0.762米）。其中较大的设备也用于中试工厂和小批量/小零件生产。

2. 生产规模：大型HIP设备处理更大量产品，通常集成到工厂的制造系统中。目前运行的此类设备约有一半由合同服务设施或“收费HIP处理商（toll HIPpers）”拥有。工作区范围从12英寸直径 x 35英寸高（0.305 x 0.891米）到正在建造的世界最大HIP设备（见第7页），其尺寸将为79英寸直径 x 14英尺高（2 x 4.27米）。

安全考量

HIP工艺中的气体加压流体比水具有更大的可压缩性，因此显著增加了压力容器内的内能。这些能量必须在容器的整个设计疲劳寿命内安全可靠地被包容。整体式（Monoblock）容器用于某些HIP设备，但预应力绕丝式容器和框架（yoke frames）被公认为是有史以来最安全的压力包容系统。框架将无螺纹的容器端盖固定到位，消除了本体中的应力集中和拉伸载荷。

绕丝系统设计用于内部冷却容器，以最小化容器壁中的热应力，这在选择快速冷却炉时尤为重要。这种内部冷却特性有助于容器满足“泄漏而非破裂（leak-rather-than-break）”的标准。绕丝式HIP系统可以计算和建造为几乎无限的疲劳寿命，通常按20,000到30,000次循环建造，这通常远超过整个系统的技术使用寿命。

现代计算机控制系统也通过内置互锁、发出压力循环异常信号报警以及在需要时自动停机来促进操作安全。

图23. 钢丝缠绕式容器和框架示意图

前景展望

向更大、更具成本效益的HIP系统发展的趋势仍在继续，甚至正在加速。建造比目前生产中最大设备尺寸大一倍以上的压机的技术已经存在。这些巨大的容量，加上更短的循环时间，将从根本上改变许多产品的设计和制造方式。

由多个经HIP处理的组件组成的大型子组件可能很快能够作为单个铸造或模制单元进行处理，从而消除许多二次操作，同时增强整体性能完整性。常见的HIP处理物品可以做得更大，从而增加最终产品（如喷气发动机、气体压缩机和发电设备）的尺寸和运行效率。较小零件的批量大小可以呈指数级增长，显著降低HIP的单位成本。

结论

热等静压（HIP）长期以来一直是生产关键应用领域高性能铸件和PM部件的重要工艺。得益于近年来在更高容量、更短周期和精确控制系统方面的发展，如今的HIP成本效益显著提高，并且未来会更加如此。因此，这种经过验证的技术对越来越多的制造商来说变得经济合理，创新性的新应用也在不断被测试和采用。

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