等静压技术冷等静压设备

冷等静压成塑有湿袋法和干袋法两种.相应地等静压机的结构也有所不同。

将粉末装入塑性袋，直接打入液体压力介质，和液体相接触.因此称湿袋法。这种方法可任意改变塑性包套的形状和尺寸.制品灵活性很大.适用于小规模生产。每次都要进行装袋、卸袋操作，生产效率不高，不能连续进行大规模生产。

橡皮袋首先放在缸内.工作时不取出，粉末装入另外的成型塑性袋后.放进加压橡皮袋内，与液体不相接触.因此称为干袋法。这种方法可连续操作，即把上盖打开.从料斗装料.然后盖好上盖加压成受.出料时.把上盖打开.通过底部的顶棒把压坯从上边顶出去。操作周期短，适用于成批生产.但产品规格受限制.因为加压塑性模不能经常更换。由于大量使用的主要是湿袋法.因此下面着重介绍湿袋冷等静压设备结构。

超高压容器是冷等静压技术的主要设备，是压制粉末或其他物品的工作室.必须要有足够的强度和可靠的密封性。容器缸体的结构.常采用螺纹式结构和框架式结构。 螺纹式结构:缸体是一个上边开口的坩埚状圆筒筒体，为了安全可靠.在外面常装加固钢箍(热套和钢筒).形成双层缸体结构。缸筒的上口用带螺纹的塞头连接和密封。这种结构制造起来较简单.但螺纹易损坏，安全可靠性较差.工作效率较低。为了操作方便.有的设计成开口螺纹结构，塞头装入后，旋转45'，上端另有液压压紧装置。

框架式缸体结构:缸体为一个圆筒，用高强度钢制成.或用高强度钢丝带绕制，简体内的上、下塞是活动的，无螺纹连接。缸体的轴向力靠框架来承受。这佯，避免了螺纹结构的应力集中，工作起来安全可靠。对于缸体直径大、压力高的情况，更具有优越性，但投资较高。

向容器内注入高压液体.是通过高压泵以及相应的管道、阀门来实现的。高压泵有柱塞高压泵(一般由电机皮带轮带动曲轴推动柱塞做往复运动)、超高压倍增器(由大面积活塞缸推动小面积柱塞高压缸做往复式运动)等。

为了使等静压机高效率地工作，必须配备辅助设备。自动冷等静压机的辅助设备主要有开、闭缸盖移动框架.模具装卸.粉末充填振动，压坯脱模.压力侧量和操作系统等装置。

等静压工作原理为帕斯卡定律:"在密闭容器内的介质(液体或气体)压强，可以向各个方向均等地传递。" 等静压技术已有70多年的历史，初期主要应用于粉末冶金的粉体成型;近20年来，等静压技术已广泛应用于陶瓷铸造、原子能、工具制造、塑料、超高压食品灭菌和石墨、陶瓷、永磁体、高压电磁瓷瓶、生物药物制备、食品保鲜、高性能材料、军工等领域。

冷等静压技术，(Cold Isostatic Pressing,简称CIP)

是在常温下，通常用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质 主要用于粉体材料成型，为进一步烧结，煅造或热等静压工序提供坯体。一般使用压力为100~ 630MPa。

温等静压技术，压制温度一般在80~120℃下.也有在250~450℃下，使用特殊的液体或气体传递压力，使用压力为300MPa左右。主要用于粉体物料在室温条件下不能成型的石墨、聚酰胺 橡胶材料等。以使能在升高的温度下获得坚实的坯体。

热等静压技术(hot isostatic pressing，简称HIP)

HIP ，是一种在高温和高压同时作用下，使物料经受等静压的工艺技术，它不仅用于粉末体的固结.传统粉末冶金工艺成型与烧结两步作业一并完成，而且还用于工件的扩散粘结，铸件缺陷的消除，复杂形状零件的制作等。在热等静压中，一般采用氩、氨等惰性气体作压力传递介质，包套材料通常用金属或玻璃。工作温度一般为1000~2200℃ ，工作压力常为100~200MPa。

等静压技术作为一种成型工艺，与常规成型技术相比，具有以下特点: a.等静压成型的制品密度高，一般要比单向和双向模压成型高5 ~l5 。热等静压制品相对密度可达99 8%~99.09% 。

b.压坯的密度均匀一致。在模压成型中，无论是单向、还是双向压制，都会出现压坯密度分布不均现象。这种密度的变化在压制复杂形状制品时，往往可达到10% 以上。这是由于粉料与钢模之间的摩擦阻力造成的。等静压流体介质传递压力，在各方向上相等。包套与粉料受压缩大体一致，粉料与包套无相对运动，它们之间的摩擦阻力很少，压力只有轻微地下降，这种密度下降梯度一般只有1% 以下，因此，可认为坯体密度是均匀的。

c-因为密度均匀.所以制作长径比可不受限制，这就有利于生产棒状、管状细而长的产品。

d.等静压成型工艺，一般不需要在粉料中添加润滑剂，这样既减少了对制品的污染，又简化了制造工序。

e.等静压成型的制品，性能优异，生产周期短，应用范围广。等静压成型工艺的缺点是，工艺效率较

低，设备昴贵。本文着重介绍冷等静压技术的应用，以及冷等静压设备的一些情况。

一般情况液体或气体压力在0.1mpa~1.6mpa称为低压，1.6mpa~10mpa称为中压，10~100MPa称为高压，100MPa以上称为超高压.本文阐述的UHP技术的压力通常在100~1000MPa.或更高。而把液体或气体加压到100MPa以上的技术称为"超高压技术"(ultra-high pressure, 简称UHP)

注:1. 1工程大气压(at)=1公斤力/厘米2.

2. 用水柱表示的压力，是以纯水在4oC时的密度值为标准的.

1兆帕(MPa)=145磅/英寸2(psi)=10.2千克/厘米2(kg/cm2)=10巴(bar)=9.8大气压(at m)

1磅/英寸2(psi)=0.006895兆帕(MPa)=0.0703千克/厘米2(kg/cm2)=0.0689巴(bar)=0.068大气压(at m)

1巴(bar)=0.1兆帕(MPa)=14.503磅/英寸2(psi)=1.0197千克/厘米2(kg/cm2)=0.987大气压(at m)

1大气压(at m)= 101.325千帕(KPa)=0.101325兆帕(MPa)=14.696磅/英寸2(psi)=1.0333千克/厘米2(kg/cm2)=1.0133巴(bar)

1兆帕(MPa)= 106Pa=7500.63mmHg

1Gpa=1000Mpa(此单位用于金刚石压机和地心压力，所以不常用)

真空度以mmHg(Torr)或Kpa、Pa为单位时，指的是绝压，又称残压、压力，剩余压力或吸入压力。

当以Mpa为单位时，指的是弹簧真空表的表压，例:-0.078Mpa。那么绝压应为0.1-0.078=0.022Mpa。

经过30多年的努力，我国HIP技术从无到有、从小到大得到了迅速发展。在成形烧结、金属致密化及扩散连接等方面做了大量的研究开发工作，应用规模不断扩大。用于研究和生产的HIP设备由1980年的仅8台增至2000年的约8O台。且随着对引进设备和技术的消化吸收，现已具备设计和制作"双两千"200MPa，2000℃中型HIP设备的能力。但从总体水平分析，我国HIP技术与发达国家相比仍存在一定差距，主要表现为:HIP致密化过程的基础理论研究、净成形技术研究、计算机软件开发等方面，起步较晚，明显落后:应用水平较为有限，除在硬质合金方面的应用已具规模且较成熟外。高温合金、特种陶瓷及复合材料等领域的应用开发基本还处于试验阶段;HIP设备的设计制造水平，包括设备功能、自控水平、辅助系统的配套等，目前的差距也仍然较大。

20世纪60年代末。HIP技术在硬质合金生产中开始得到实际应用。人们在传统真空烧结的基础上，对硬质合金进行HIP处理，形成了真空烧结+HIP工艺。该工艺将相对密度高于92%的烧结制品。

在热等静压机中于压力为80~150MPa、温度为1320~1400~C条件下处理一定时间，使制品的致密度明显提高，孔隙度降至HIP处理前的1/20~1/100甚至更低，抗弯强度及使用寿命均显著改善。但HIP设备的设计和控制费用昂贵，维护和操作也较复杂，因此在硬质合金中应用尚不普遍。随着科学技术的不断进步，于20世纪80年代初开发了一种所需压力低于10MPa的烧结一热等静压工艺，又被称为低压热等静压或过压烧结。在烧结一热等静压这一新工艺中，将硬质合金生产的成形剂脱除、烧结和HIP致密化合并在同一设备中完成，即先用氢气作载体或通过真空分压脱除成形剂，然后于真空状态升温到烧结温度。并保温一定时间，随即通人压力为3~6MPa的氩气，再保温一定时间后进行冷却。由于烧结一热等静压所需压力仅为真空烧结+热等静压的十几分之一甚至几十分之一，且数道工序合为一体。因此生产成本大为降低。更为重要的是，烧结一热等静压新工艺比HIP处理更能有效提高产品质量，故现已成为生产高质量硬质合金的主要手段。热等静压在大尺寸硬质合金制品的生产中具有明显优势翻。如对于单压源人造金刚石压机用的直

径大于100mm的硬质合金顶锤，用常规粉末冶金方法很难保证质量，而经HIP处理后性能大为提高，其中D1 13mmx92mm的硬质合金六面顶锤的平均使用寿命由原来的407次，个提高到754次/爪。采

用烧结一热等静压工艺，株洲硬质合金厂已成功地生产出单件质量为1 18kg、尺寸为D外285mmxD内66mmx145mm的硬质合金大制品。此外。利用HIP技术还可实现硬质合金与钢基复合材料的扩散连接。如将YG15(wc一15Co)与钢基复合并在1050摄氏度、100 MPa条件下处理2h，两者即可很好地结合在一起，若在界面再加一镍片中间过渡层，不但避免了 相的产生，断裂位置也发生了改变。即由界面处移至YG15合金中，使材料的强度大为提高。

钨合金因具有高密度、高强度、热膨胀系数低等良好的综合性能。在高科技领域中得到广泛应用。如w-Ni-cu系钨合金因其非磁性而被广泛用作陀螺仪的外缘转子材料。随着导航技术的不断提高，陀螺转速从2xl04r/rain提高到10xl04r/rain。故对用作外缘转子材料的w-Ni-Cu系钨基高密度合金也提出了更高的物理、力学性能要求。由于钨基高密度合金与硬质合金烧结制品类似，同属典型的液相烧结，因此经HIP处理可有效改善和提高其物理、力学性能。中南大学粉末冶金国家重点实验室的研究表明阁，对于82W-Ni-Cu(Ⅱ)合金，将烧结态制品在1120~C(即略高于合金中低熔点组分Cu的熔点1083摄氏度、150 MPa(传压介质为氮气)条件下进行30min的HIP处理，可使其密度提高2.9%，抗拉强度提高8.2%W-Cu常用作高压触头及电极材料，若致密度不高则影响其抗电弧烧蚀、抗熔焊性及导电、导热性。采用HIP对w-Cu进行处理，能消除材料内部的孔隙，改善材料性能。钼是一种高熔点、导热导电性好、力学性能优良、耐蚀性强的金属材料，广泛用作化工、电子、稀土冶金、玻璃等行业的电极及搅拌棒等。有关研究表明，钼材经过适当的热等静压(1300摄氏度.100~110MPa)处理，在致密度提高的基础上，可获得细小均匀的晶粒组织(晶粒度为7级)，其抗拉强度为530 MPa，延伸率达25%，强度和韧性均得到提高。

HIP在提高钛合金铸件质量方面效果显著 。众所周知，钛具有比强度高、温度适应范围宽、耐蚀性强等特点，是航空、航天工业中不可缺少的重要材料。如Ti一6Al一4v合金常用作飞机发动机过渡罩、发动机风扇等大型结构件。为了提高钛合金铸件性能，波音公司、洛克希德公司及道格拉斯公司等的研究表明，钛合金精密铸件在HIP后再经适当的热处理可使其性能达到锻件水平(包括塑性和抗疲劳性能)。

特种陶瓷包括结构陶瓷和功能陶瓷。为增强陶瓷的韧性，通常在陶瓷基体中引入纤维或晶须，然而在传统的烧结过程中因需要很高的烧结温度和较长的烧结时间，往往会使纤维和晶须发生表面强度的退化，甚至与基体发生化学反应，失去补强增韧的作用。采用热等静压烧结工艺，则大大降低了烧结温度和保温时间，可获得性能优异的纤维或晶须补强陶瓷基复合材料。如采用热等静压烧结工艺，在1085摄氏度获得相对密度高达91.5%的SiC晶须补强SiC陶瓷，其室温抗弯强度和断裂韧性分别达到595MPa和6.7MPa·m 。此外，在陶瓷基体中加入第二相粒子也可提高陶瓷的断裂韧性，但烧结时因形成内应力造成烧结困难并引起缺陷，热等静压烧结使这一问题得到解决，如对TiO粒子补强AL2O3，陶瓷进行热等静压烧结，已成功地制备出完全致密的复合陶瓷。

采用热等静压工艺。上海硅酸盐研究所已制备出单相和复相纳米结构陶瓷。其研究表明，在温度为1850摄氏度、压力为200MPa条件下烧结1h。可获得晶粒尺寸<100nm，且结构均匀致密的单相SiC纳米陶瓷;而在温度为1750oC、压力为150 MPa条件下烧结1h，则可获得晶粒尺寸50nm左右、结构致密均匀的复相SirN4/SiC纳米陶瓷。美国Rutgers大学通过烧结一热等静压工艺开展的有关si3N 纳米陶瓷制备研究，也已取得较好效果。

为提高金属的耐高温性能和抗腐蚀性，利用等离子技术在金属表面涂覆一层陶瓷所形成的金属一陶瓷复合材料，因界面主要为机械结合，且涂层内存在大量气孔，故影响材料的抗冲击性能和抗腐蚀性。如果将表面喷涂有陶瓷涂层的金属材料加上包套并真空密封后进行热等静压处理。不仅可实现陶瓷涂层的完全致密，而且在陶瓷涂层与金属基体间由于扩散作用将形成一层金属陶瓷相。从而实现涂层与金属间的冶金结合，使得该复合材料具有理想的结合强度和优良的综合性能。