热等静压技术的主要应用

       

在特种陶瓷等新材料中的应用

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。

在钨、钼、钛等难熔金属中的应用

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1ri6一Al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)。

在硬质合金中的应用

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。