热等静压高压热处理对粉末冶金（PM）工件加工的增效

热等静压（HIP）是一项经过60多年发展和完善的成熟技术。这项技术通过高温和高压气体的结合，可以实现金属和陶瓷粉末的固化，也可以减小工件体积。该项技术的后续进一步发展包括快速冷却和快速淬火，以实现更高的生产率和高压热处理。

热等静压工艺介绍

热等静压工艺（HIP）在容纳高压气体（通常是氩气）时，有两种不同的设计，这两种方法分别称为整块技术（有时也称为单体技术）和预应力绕线技术。预应力绕线薄壁容器的示例见下图 1。

预应力薄壁圆筒

图1：预应力薄壁绕线容器设计。无压力（左）和最大压力（右）。

热等静压工艺运行机制

首先，高温和高压气体相结合，通过机械变形、蠕变和扩散从而固化金属和陶瓷粉末，愈合内部空隙，进而大幅度提高材料的强度。需要注意的是，温度的高低取决于HIP处理的材料。例如，铝的熔化温度（650°C）就低于钢（1,550°C）。图2举例说明了热等静压（HIP）和材料空隙愈合的效果。

图2：HIP前（左）和HIP后（右）的人工孔隙。

均匀快速冷却（URC^®）与均匀快速淬火（URQ^®）技术结合带来更大优势。

HIP工艺降本增效更上一层楼

均匀快速冷却

有效缩短HIP循环时间

如前所述，HIP循环工艺本身在很大程度上取决于温度和压力参数。但在大多数应用中，时间也是一个至关重要的影响因素。因此，在过去的几十年里，人们一直在努力优化并尽量缩短总的循环时间。

均匀快速冷却技术（URC）的引入大大缩短了HIP循环时间，并使HIP的操作人员能够优化循环，使之能够适合操作人员和所使用的的材料。并可将HIP和热处理结合起来。下图3举例说明了有无URC的HIP循环区别。

图3：不快速冷却和快速冷却的典型HIP循环时间。

均匀快速淬火

免额外后处理

引入了均匀快速淬火（URQ）技术是HIP工艺的最新发展之一。拥有URQ的HIP炉可进行气淬，冷却速度高达3,000 K/分钟。这样，用户就可以在HIP过程中进行高压热处理，从而避免退火、回火或沉淀硬化等额外的后处理步骤。HIP-URQ循环的示例见下图4。

图4：HIP-URQ 循环示例。

降本增效

对高压热处理的研究结果

以往的研究表明，Fe-C系统的热力学动力学会因外部压力高达5,000bar而有很显著的降低，为了研究在典型的HIP压力下是否能看到同样影响，Quintus对URQ淬火过程中的高外部压力如何影响钢的热力学进行了研究。

这项研究选用的材料是4340钢（EN 34CrNiMo6 或 SS2541），这种材料是一种常见的淬火和回火建筑钢材。其标称化学成分如下表1所示。

表1：4340钢的标称化学成分。

这些试验的HIP循环在850°C的温度下进行，有足够的运行时间（15分钟），以确保材料能够均匀地达到奥氏体化的温度。然后迅速淬火至热处理温度650°C，并在一定的工作压力和温度下保持25分钟。见图5。

图5：在1,700 bar和650°C下热处理25分钟的HIP对数曲线。

进行了两个不同的HIP循环，工作压力分别为100bar和1,700bar。微观结构的变化见图6。

图6：100 bar压力下25分钟（左）和 1,700 bar压力下25分钟（右）的微观结构。

对不同样品的珠光体含量和硬度进行了测量。测试显示，100 bar压力试验时，硬度为344 HV，珠光体含量为70%。在1700 bar压力试验时，硬度为 497 HV，珠光体含量为26%。

这些结果表明，HIP淬火时的高外部压力足以影响钢的相变动力学。这也就意味着珠光体鼻部在TTT图中会被延长至更多时间，材料在HIP中淬火时的淬透性也会得到提高。淬透性的提高带来了更好的耐磨性能，这可以用在高磨损条件下的应用。

热等静压（HIP）是一项经过 60多年发展和完善的成熟工艺，在全球范围内均有安全记录。通过上述研究的分析探讨，我们可以得知，使用预应力绕线的热等静压工艺（HIP）来固结金属粉末和陶瓷粉末具有多种优势。同时，通过快速冷却/快速淬火的工艺，也可以实现高生产率。此外，高压热处理（HPHT）还可以极大限度地缩短总加工时间，显著节约成本，降低废品率，提高工件质量，从而最大限度地提高工件的材料性能。

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