等静压成形（精选四篇）
等静压成形 篇1
涡轮盘 (turbine disk) 是航空发动机、火箭发动机、燃气轮机的核心热端部件, 其结构复杂, 工作条件恶劣, 要求材料具有优良的力学性能、理化性能和热工艺性能。镍基高温合金因其具有良好的断裂韧性、抗疲劳性能、抗热腐蚀性能和良好的高温强度, 成为上述高温热端部件不可替代的成形材料[1,2]。然而, 镍基高温合金复杂的合金化导致在铸、锻过程中成分偏析严重、力学性能分散、热工艺性能恶化。如果采用机械加工方法, 不但制造困难而且会浪费掉大量的贵重材料, 复杂结构甚至无法制造。利用粉末冶金方法可整体成形复杂涡轮盘, 而且具有良好的综合机械性能[3,4]。
热等静压近净成形技术 (near-net-shaping hot isostatic pressing, NNS-HIP) 结合粉末冶金与模具工艺, 利用高温高压复合载荷, 在模具控形作用下, 将粉末致密化为复杂结构的高性能零件[5,6]。该方法的材料利用率超过90%, 特别适用于钛基、镍基高温合金等难加工贵重材料。国外对HIP工艺制造高温粉末盘有较为广泛的研究, 其中俄罗斯采用该工艺生产的粉末高温合金涡轮盘已超过25 000个, 涡轮盘的工作时间达10 000h[7]。
在HIP近净成形过程中, 粉末初始密度较低, 压坯体积收缩超过30%, 并伴随有不规则变形, 给HIP模具设计及工艺制定增加了难度。传统的试错法 (trial and error) 将显著增加制造成本和交货时间[8], 采用模拟式设计 (design based on simulation) 可以对粉末致密化过程及模具变形提供科学预测, 达到确定HIP工艺和验证模具结构的目的。但是, HIP过程中粉末的力学行为非常复杂, 包括粉末流动、热量传输、压力传递和边界摩擦等情况, 致密化和变形过程涵盖了材料非线性、几何非线性和接触非线性等复杂问题[9,10,11], 目前尚没有统一的HIP数值模型。因国内鲜有研究涉及NNS-HIP的数值模拟和工艺流程, HIP技术在国内依然主要被用于处理铸件和成形高温合金原材料。为了探索NNS-HIP直接成形零件的工艺, 以数值模拟为基础的模拟式设计方法尤为重要。本文以Inconel625镍基高温合金粉末为成形材料, 探讨了NNS-HIP过程的有限元模型, 并用模拟式设计方法模拟了多种模具控形方案下, HIP近净成形复杂涡轮盘中的模具变形和粉末致密化规律, 利用最优方案试验成形出涡轮盘零件, 并以此验证了模拟预测的准确性, 获得了合适的NNS-HIP工艺。
1 材料本构关系
粉末材料为气雾化Inconel625合金 (Hoganas, Belgium) , 理论密度为8.44g/cm3, 熔点为1290~1350℃。粉末颗粒呈规则球形 (图1) , 流动性好, 经测定流率为12.2s/50g。激光粒径分析获得粉末粒度分布如表1所示, 平均粒度小于45μm。经过EDAX能谱仪分析仪测得粉末化学成分如表2所示。
HIP过程中粉末颗粒间存在孔隙, 粉末在塑性变形的同时也发生体积收缩。随着HIP的推进, 粉末颗粒发生塑性屈服并在接触面处固结, 其力学性质与烧结体材料的力学性质相近, 可视为可压缩连续介质。文献[12-13]基于连续介质塑性理论提出粉末烧结材料屈服准则, 通式表达如下:
式中, F为屈服函数;I1为应力张量第一不变量;J2为应力偏张量第二不变量;A、B和δ均为与基体材料相对密度D有关的参数;Y0、Y分别为基体材料在D=1和D<1时的屈服应力, 与温度相关。
Shima等[14]对不同致密度的铜粉烧结体进行实验, 得出了一个基于连续介质塑性理论, 适用于一般金属多孔材料的屈服准则, 表达式如下:
式中, γ为粉体名义流动应力与基体实际流动应力的比值, 是相对密度的函数;为等效屈服强度;σ1、σ2、σ3为主应力;p为静水压力;β为静水压力对粉末体屈服面的影响程度, 是相对密度的函数。
该屈服准则经过Abouaf修正, 成功应用于316L不锈钢的HIP模拟[15], 修正后的形式如下:
式中, σy为单轴屈服应力, 与温度和相对密度有关;σd为偏应力。
函数F中对主应力σ1、σ2、σ3分别求偏导后可以得到主应变增量dε1、dε2、dε3:
塑性应变增量可表示为
单位体积粉末体的塑性功增量可表示为
将式 (4) 代入式 (6) , 并重新排列, 得到
消去式 (4) 、式 (5) 中的静水压力p并重新排列, 将σ1、σ2、σ3用dε1、dε2、dε3和dεv表示, 代入式 (6) , 联立屈服准则 (式 (2) ) , 得到应力应变关系如下:
该本构方程中所需确立主要参数为β和γ, 假设:
随着粉末的致密化, D将趋近于1, 此时材料满足Von Mises屈服准则;相关参数a1~a4和b1~b4可通过对不同致密度的粉末压坯实施单轴压缩, 所得数据用最小二乘法拟合得到。Inconel625粉末的β和γ分别为
HIP过程中, 随着温度的上升, 粉末的材料参数发生变化。Inconel625粉末的杨氏模量E、泊松比μ、热导率κ、质量热容c、热膨胀系数α等参数通过相关资料获得[16], 如下所示:
模具中, 包套材料选用较软的45钢, 预期大变形驱动粉末致密, 型芯材料选用304不锈钢, 预期不变形或小变形, 控制流道形状。两种材料在HIP中的力学行为通过弹塑性材料模型和von Mises屈服准则描述, 相关材料参数在有限元程序MSC.Marc中预先加载。
2 HIP过程模拟与试验
2.1 涡轮盘零件与模具设计
研究的涡轮盘零件如图2a所示, 其主要尺寸在图2b中标出。利用HIP近净成形该零件时, 首要目标是保证无后续加工的内部流道精度及性能, 外部结构可预留一定的加工余量, 仅需少量机加工即可。为此, 本研究设计了两套模具控形方案:方案一 (图2c) 为随形模具, 以涡轮盘零件的外形作为模具设计的标准, 型芯由底部厚包套固定, 目标是节约粉末材料。方案二 (图2d) 为上下对称模具方案, 型芯由上下包套固定, 目标是使粉末上下均匀受压, 获得好的致密度, 所需材料较多。
2.2 HIP过程有限元模拟
为减小计算量, 只对结构的1/4进行循环对称分析。HIP之前, 上下包套已被焊接为一体, 在划分网格的时候可以将其视为整体。模具和粉体均采用4节点的四面体实体单元进行离散, 网格平均尺寸为2mm, 并在接触区域划分相对密集的网格, 单元的数值通过节点的线性差值得到, 两种方案的计算网格模型如图3所示。HIP过程中, 模型的边界条件包括位移边界、温度边界和压力边界。模型的两个截面在垂直于该截面方向均不发生位移。温度和压力均直接加载在包套的外表面, 具体为2h内, 温度由室温上升到1100℃, 气体压强由0上升到110MPa, 保温保压3h后, 随炉冷却。粉末和模具之间的接触采用直接约束的接触算法进行分析, 接触摩擦处理选用Coulomb反正切摩擦模型。因HIP为大应变、大位移的热机耦合问题, MSC.Marc采用Updated Lagrange技术处理热机耦合方程。为增强求解过程收敛性, 同时提高计算精度, 将工况划分为200步, 采用Newton-Raphson法求解总刚方程, 残余力判据与位移判据相结合定义收敛容差。
2.3 HIP实物试验
包套采用机加工完成。内部型芯结构复杂, 机加工较为困难。为此, 本研究采用快速成形结合熔模铸造[17]来整体成形复杂型芯 (图4) 。
将型芯与包套装配并封焊, 在填粉口充填Inconel625合金粉末, 振实后测得初始松装相对密度为0.67。经氦质谱仪检漏后用真空泵抽真空到10-3Pa, 在600℃下保温抽气, 直至真空度达10-5Pa时将填粉口封焊密封。采用QIH-15热等静压机 (美国ABB公司) 完成HIP处理。以9.2℃/min和0.92MPa/min的速率同时升温升压, 经2h后达到1100℃和110MPa保温保压3h, 之后随炉冷却到常温常压。
3 结果与分析
3.1 模具变形分析
方案一的模拟结果如图5所示, 其中:包套X方向最大变形为3.1mm, 型芯X方向收缩明显, 变形量从0.29~2.41mm不等。粉末体的相对密度A区达到1, B区在0.93~0.95之间, C区叶片处的相对密度差异较大, 从0.87~0.93不等, 平均值为0.89。
方案二的模拟结果如图6所示, 其中, 包套X方向最大变形为3.5mm, Y方向最大变形为6.6mm;型芯X方向最大变形为0.1mm, Y方向变形可忽略。粉末体的相对密度A区达到1, B区在0.95~0.96之间, C区叶片处相对密度分布不均匀, 从0.89~0.95不等, 其平均值为0.91。
对比两种方案的模拟结果:方案一无法实现粉末盘内部流道的精确控形, 原因是包套的结构不对称导致上下变形差别较大, 型芯的受力状态复杂, 难以控制, 而型芯的外缘缺少轴向的定位, 导致其在Y方向也发生少量变形。此外, B区粉末的致密化受底部厚包套影响, 相对密度的最大值仅为0.95。方案二中型芯的变形可忽略不计, 且B区、C区粉体的相对密度略高于方案一, 为较合理方案。
3.2 粉末致密化规律
Ashby[18]从微观角度指出, 粉末在HIP过程中的致密化分为颗粒重排、塑性屈服、幂率蠕变、晶格与晶界扩散4个阶段。本研究采用多孔材料塑性理论宏观模型, 可从不同时刻密度分布描述致密化过程。图6c中3个区域粉末相对密度随时间的变化如图7所示。在加载开始阶段, 粉末相对密度反而有降低趋势。这主要是由于此刻炉内气压低, 粉末受热膨胀所致。随着炉内温度和压力上升, 粉体的相对密度快速增大, 压坯的压缩变形不断增大, 此阶段粉末的致密化速率最快, 连通孔洞被打散, 颗粒发生重排, 颗粒接触区发生塑性屈服。进入保温保压阶段, 粉体的相对密度继续增大, 但致密化速率先升后降, 说明粉末的流动性逐渐减弱, 幂率蠕变和扩散成为致密化主导因素。卸载阶段, 粉体的相对密度依然增大, 但速率缓慢, 主要是温度下降引起压坯收缩所致。
3.3 试验验证
对方案二实施HIP, 得到的结果如图8所示。在HIP过程中, 包套在高温高压下发生大变形, 促使粉末发生流动。由图8a可以看出HIP后压坯体积明显变小。为得到包套和型芯在HIP后的变形规律, 将压坯切开, 绘制出包套和型芯的截面轮廓 (图8b) , 并测量特征尺寸 (包套半径R1、型芯半径R2、包套长L1、型芯长L2) 。试验的最终形状显示, 在HIP后, 包套整体大量收缩, 且上部收缩量大于下部, 其原因是包套变形量取决于型腔中的粉体孔隙多少, 在下端型腔中, 型芯占据了一部分空间, 粉体的收缩量有限, 导致包套的收缩有限;型芯在HIP后X方向发生少量收缩, Y方向基本无变形, 原因是型芯为不可压缩体, 在HIP过程中的受力状态近似为等静压状态, 包套的上下对称结构使型芯在Y方向上受到压力平衡, 而型芯中心处存在可压缩的粉体, 其收缩导致了型芯在X方向发生了少量塑性变形。试验和模拟结果的特征尺寸变化对照情况见表3 (表中模拟尺寸误差为模拟尺寸与试验尺寸的差值与试验尺寸的比值) , 包套X、Y方向的总体收缩量的模拟结果均大于试验结果, 最大模拟误差为3.57%, 这主要是由包套加工误差、尺寸测量误差以及模拟中忽略包套各处倒角和抽气管的影响产生的误差引起。此外, 用于计算的粉末模型与真实情况仍会存在差异。型芯X方向收缩量的模拟结果小于试验结果, 模拟误差为2%, 主要原因是为节省计算量, 用于模拟的模型为实际压坯的1/4, 其两个对称面上的边界条件难以完全准确获得, 导致模拟误差偏大。
图9所示为HIP后粉末压坯经过酸洗去除了包套和型芯后的轴截面切片 (3mm厚) 。从切片上A、B、C三个区域分别取2块样品用阿基米德法测量相对密度, 再与模拟结果对比, 结果如表4所示 (表中ρ1、ρ2、分别为包套密度、型芯密度、平均密度, 模拟密度误差为模拟密度与试验密度的差值与试验密度的比值) 。结果显示:A区相对密度最大, C区最低。分析其原因:A区无阻碍结构, 外部包套受压发生向内收缩, 驱使内部粉末向B区和C区流动;B区粉末所受压力部分被周围型芯屏蔽, 其流动应力小于A区;C区结构最为复杂, 粉末流动通道狭窄, 阻力大, 导致相对密度低。对比相对密度的试验与模拟结果, 最大误差为2.57%。C区相对密度模拟误差最大, 实际值较模拟结果大。这主要是由于模拟中忽略了HIP早期粉末颗粒的宏观移动与重排等行为所致。
将压坯A区制成截面为6mm×2mm的条状拉伸试样, 分别进行退火和固溶处理, 其室温拉伸性能与美国ASTM (B564-200a) 标准锻件对比结果如表5所示。HIP压坯强度高于ASTM同质锻件标准, 但塑性差。固溶处理能显著提升HIP压坯延伸率, 接近ASTM标准水平。
4 结论
(1) 对两种粉末盘HIP近净成形模具方案进行了数值模拟, 结果表明:随形模具方案型芯变形较大, 无法精确控制粉末盘内部形状, 且粉末盘中心区域致密化困难。上下对称模具方案能精确控制粉末盘内部形状并获得高的粉体致密度。
(2) 对为上下对称的模具方案进行HIP试验, 模具的变形结果显示:薄壁包套压缩变形大, 驱动粉末致密化;型芯变形小, 起到了控制流道形状的目的。粉体致密化模拟结果显示:粉体先膨胀后分段致密化。模拟结果与试验结果符合较好, 最大变形误差为3.57%, 最大密度误差为2.57%。采用数值模拟能准确描述模具的变形以及粉末的致密化过程, 为设计复杂结构的HIP模具提供参考, 从而实现复杂零件的近净成形。
(3) 粉末盘HIP近净成形复杂模具采用快速成形结合熔模铸造方法能一次成形, 节约成本。Inconel625合金HIP后压坯的抗拉强度达到1086MPa, 非比例屈服强度达到578MPa, 均高于ASTM锻件标准。通过固溶处理, 可以显著提升其塑性, 接近ASTM锻件标准。
热等静压技术的发展和应用 篇2
——热等静压技术的发展与应用
热等静压技术的发展与应用
摘要：热等静压法作为材料现代成型技术的一种，是等静压技术一个分支。目前热等静压技术已广泛应用于航空、航天、能源、运输、电工、电子、化工和冶金等行业，用于生产高质量产品和制备新型材料。本文主要介绍了热等静压技术的发展、工作原理及其应用范围。
关键词：热等静压，高压容器，加热炉，扩散连接，粉末冶金
The Development and Applications of Hot Isostatic Pressing Abstract：Hot isostatic pressing method as a kind of modern molding technology, is a branch of isostatic pressing technology.Hot isostatic pressing technique has been widely used both in aviation, aerospace, energy, transportation, electrical, electronics, chemical industry and metallurgy and other industries, and in the production of high quality products and the preparation of new materials.This article mainly introduced the development of hot isostatic pressing technology, working principle and its application range.Keywords：Hot Isostatic Pressing，High Pressure Vessel, Heating Furnace, Diffusion Bonding, Powder Metallurgy
材料加工原理作业
——热等静压技术的发展与应用
目录 引言………………………………………………………………………………1
1.1 国外热等静压技术的发展………………………………………………1
1.2 国内热等静压技术的发展………………………………………………1 2 热等静压设备及工作原理………………………………………………………3
2.1 热等静压设备特点………………………………………………………3
2.1.1 高压容器……………………………………………………………3
2.2.2 加热炉………………………………………………………………3
2.2.3 压缩机和真空泵……………………………………………………4
2.2.4 冷却装置……………………………………………………………4
2.2.5 计算机控制系统……………………………………………………4
2.2 热等静压工艺流程………………………………………………………4
2.3 热等静压工作原理………………………………………………………5 3 热等静压技术的主要应用领域…………………………………………………7
3.1 铸件的致密化处理………………………………………………………7
3.2 热等静压覆层和热等静压复合扩散连接………………………………7
3.3 热等静压粉末固结………………………………………………………8
3.3.1 高温合金粉末固结…………………………………………………8
3.3.2 硬质合金热等静压…………………………………………………8
3.3.3 高速钢粉末固结……………………………………………………8
3.3.4 陶瓷材料粉末固结………………………………………………9
3.3.5 钛合金粉末固结…………………………………………………9
3.4 热等静压工艺在新领域的应用…………………………………………9 4 结论………………………………………………………………………………10 参考文献……………………………………………………………………………11 致谢…………………………………………………………………………………12
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材料加工原理作业
——热等静压技术的发展与应用 引言
热等静压（Hot Isostatic Pressing，简称HIP)工艺是一种以氮气、氩气等惰性气体为传压介质，将制品放置到密闭的容器中，在900～2000℃温度和100～200MPa压力的共同作用下，向制品施加各向同等的压力，对制品进行压制烧结处理的技术。在高温高压的共同作用下，被加工件的各向均衡受压。故加工产品的致密度高、均匀性好、性能优异。同时该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点。1.1 国外热等静压技术的发展
HIP技术研究始于1955年，由美国Battelle究所为研制核反应堆材料而开展的[1]。1965年美国Battelle研究所研制的第一台热等静压机的问世，标志着热静压技术设备的诞生[2]。1972年，在美国与瑞典实现了高速工具钢的大量热等静压。在1970～1980年，美国空军材料实验室将HIP工艺扩展到了制造镍基高温合金与钛合金粉的预成形坯和近终形锻件。在20世纪70年代，还发现可用HIP处理铸件，在铸件的主要形状特征不变形的条件下，使复杂形状铸件内部的孔隙永久愈合[3]。
目前，先进的热等静压机为预应力钢丝缠绕的框架式结构，高压容器的端盖与缸体间的连接为无螺纹连接。因筒体和框架均采用钢丝预应力缠绕，所获的负预应力可通过计算确定，即使装置处于工作的最大压力状态时，其强大的应力也是由预应力缠绕钢丝所承受，即应力被集中消除，承载区域独立安全，同时钢丝缠绕还起到防爆和屏障的作用[4]。因此，这种结构的热等静压设备在高温高压（2000℃和200 MPa）的工作条件下，无需外加任何特殊的防护装置，与老式的螺纹连接结构(端盖与缸体间)的热等静压机相比，不但设备的结构紧凑，而且有效地保证了生产的安全性。1.2 国内热等静压技术的发展
钢铁研究总院从1972年开始研究中国第一台热等静压机，并于1986年获劳动部颁发的热等静压机设计资格证书。钢铁研究总院生产的热等静压机已经系列化，目前该院可为用户提供三个系列不同型号（从实验室用小型热等静压机到大型生产用热等静压机）的热等静压机。1999年6月在北京成功地举办了HIP’99
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——热等静压技术的发展与应用
热等静压技术国际会议，与会代表来自瑞典、美国、德国、英国、法国、日本、俄罗斯等13个国家[5]。国际同行对钢铁研究总院生产的热等静压机的水平给予高度的评价。
2005年7月，川西机器公司采用国内领先的高温/高压快速冷却、真空与超高压隔离、超高压工作缸等13种关键技术，经过3年多的刻苦研制和技术攻关，成功地交付给贵州航空工业集团贵州安吉精铸公司1台国内最大的热等静压机。该热等静压机的投入使用，填补了国内大型热等静压技术的空白，为航空、航天、核工业、电子、冶金、船舶等领域的高温高强合金、功能陶瓷、复合材料、超硬材料等高新技术材料制品的研制和生产创造了条件[6]。
2008年7月份，由钢铁研究总院制造的亚洲最大的热等静压机(φ1250×2500 mm，1350℃，150 MPa)已安装调试成功，并正式投入运行。目前己使用该设备生产出合格的高品质粉末涡轮盘[7]。该设备的研制成功，标志着钢铁研究总院在热等静压设备的研发、制造及使用领域达到国际先进水平。
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——热等静压技术的发展与应用 热等静压设备及工作原理
2.1 热等静压设备特点
热等静压设备由高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、储气罐、冷却系统和计算机控制系统组成，其中高压容器为整个设备的关键装置。热等静压烧结示意图如图2.1所示。
图2.1 热等静压烧结示意图
2.1.1 高压容器
目前先进的热等静压设备是由无螺纹、底部封闭钢丝缠绕的预应力筒体和钢丝缠绕及预应力框架组成。钢丝是矩形截面、冷轧弹簧钢带，筒体经锻造和热处理，框架由两个横架和两个立柱组成，金属外壳包装，施加了预应力，其结构特点是：
（1）筒体在切线方向均衡压缩，可防止轴向断裂；
（2）框架压缩均衡，可防止切向断裂；可靠安全，承载区域独立；（3）压力容器各点应力能计算精确；应力集中被消除；
（4）筒体、框架没有承受任何拉力负载；钢丝缠绕起防爆、屏障作用。2.2.2 加热炉
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——热等静压技术的发展与应用
高质量加热炉是先进的热等静压设备不可缺少的关键部件。目前，加热炉先进安装方式是插入式，有两个加热区，可设计3挡最高工作温度1200℃（用于Fe-Cr-Al加热炉）、1450℃（用于Mo加热炉），2000℃（用于石墨加热炉）和不同气氛的多台加热炉，由于是插入式，用户可根据烧结温度、气氛要求，方便地更换加热炉，每种加热炉可实现快速升温，快速冷却，炉内温差小于±15℃[8]。石墨加热炉是由碳精和石墨混合、纤维补强的混合材料制成，其强度、可靠性、安全性优于常规纯石墨，具有高电阻率，极适用于真空和低电压工作。2.2.3 压缩机和真空泵
热等静压设备通常采用非注油式电动液压压缩机，省去了压缩空气装置，配置有过压保护、防振装置、自动调节部件。真空泵采用旋转叶轮，在产品烧结中用于真空抽吸，同时抽除容器内的氧、潮气（水分）和其它杂质。2.2.4 冷却装置
冷却水通过再生冷却回路，管道内冷却水与压力容器外壳进行热交换，采用去离子水和防锈剂，以确保冷却水的质量和保护冷却系统。2.2.5 计算机控制系统
它是由IBM兼容PC、软盘驱动、彩色SYGA监视器、键盘、IBM兼容打印机输出、数据采集、控制软件及手动控制支持的台式部件等组成。在热等静压工艺过程中，可实现温度、压力、真空的程序控制，并显示所有工作状态。在程序控制和手动控制之间，可编程控制器提供安全可靠的联锁[9]。2.2 热等静压工艺流程
热等静压工艺有三种，即先升压后升温，适用于金属包套工件的制造；先升温后升压，适用于玻璃包套制造符合材料；同时升温升压，适用于低压成型、装入量大、保温时间长的工件制造。其工艺流程如图2.2所示。
图2.2 热等静压工艺流程图
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——热等静压技术的发展与应用
2.3 热等静压工作原理
根据帕斯卡原理，在一个密封的容器内，作用在静态液体或气体的外力所产生的静压力，将均匀地在各个方向上传递，在其作用的表面积上所受到的压力与表面积成正比[10]。在高温高压作用下，热等静压炉内的包套软化并收缩，挤压内部粉末使其与自己一起运动。高温高压同时作用下的粉末的致密化过程与一般无压烧结或常温压制有很大差异。其致密化过程如图2.3所示，大致分为以下三个阶段：
图2.3 粉末致密化过程
（1）粒子靠近及重排阶段
在加温加压开始之前，松散粉末粒子之间存在大量孔隙，同时由于粉末粒子形状不规则及表面凹凸不平，他们之间多呈点状接触，所以与一个粒子直接接触的其它粒子数（粒子配位数）很少。当向粉末施加外力时，在压应力作用下，粉末体可能发生下列各种情况：随机堆叠的粉末将发生平移或转动而相互靠近；某些粉末被挤进临近空隙之中；一些较大的搭桥孔洞将坍塌等。由于上述变化的结果，粒子的临近配位数明显增大，从而使粉末体的空隙大大减少，相对密度迅速提高。
（2）塑性变形阶段
第一阶段的致密化使粉末体的密度已有了很大的提高，粒子之间的接触面积急剧增大，粒子之间相互抵触或相互楔住。这是要使粉末体继续致密化，可以提高外加压力以增加粒子接触面上的压应力，也可升高温度以降低不利于粉末发生
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塑性流动的临界切应力。如果同时提高压力和温度，对继续致密化将更加有效。当粉末体承受的压应力超过其屈服切应力时，粒子将以滑移方式产生塑性变形。
（3）扩散蠕变阶段
粉末粒子发生大量塑性流动后，粉末体的相对密度迅速接近理论密度值。这时，粉末粒子基本上连成一片整体，残留的气孔已经不再连通，而是弥散分布在粉末基体之中，好像悬浮在固体介质中的气泡。这些气孔开始是以不规则的狭长形态存在，但在表面张力作用下，将球化而成圆形。残存气孔在球化过程中其所占体积分数也将不断减小。粒子间的接触面积增大到如此程度，使得粉体承受的有效压应力不再超过其临界切应力，这时以大量原子团滑移而产生塑性变形的机制将不再起主要作用，致密化过程主要单个原子或空穴的扩散蠕变来完成，因此整个粉末体的致密化过程缓慢下来，最后趋近于以最大终端密度值 值得注意的是上述三个阶段并不是截然分开的，在热等静压过程中它们往往同时起作用而进粉体的致密化，只是当粉末体在不同收缩阶段，由不同的致密化过程起主导作用。
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——热等静压技术的发展与应用 热等静压技术的主要应用领域
热等静压技术经过近60年的发展已日臻成熟，目前已广泛用于核材料、航空航天材料、硬质合金、高温合金与陶瓷材料等领域，是研制与处理材料、提高材料性能的一种先进生产工艺与手段，己成为当今许多高性能材料生产中一项实用技术，也是新材料开发不可缺少的一种新技术。3.1 铸件的致密化处理
热等静压在铸件致密化处理方面的应用研究开发较早，是热等静压应用较成熟和完善的领域。热等静压法不仅可以使新的铸件致密化，而且还可以用以修复正在使用的铸件，使铸件在使用中降低的性能得以恢复。铸件在指定的温度和应力条件下，具有一定的计算寿命值，使用一段时间后，将不断产生微观缺陷，并产生晶间的相对运动，在晶界出现缺陷。这些类似常见缩孔的内部缺陷就可采用热等静压法进行治愈[11]。用这样的处理方法，能够使使用中的发动机零件的机械性能和疲劳性能恢复到新铸件的水品。
用热等降压处理铸件的效用和意义可归纳如下：
（1）热等静压处理后，能减少铸件在X射线检查和表面投射检查的报废率；（2）与未处理的铸件相比，经热等静压处理的铸件在焊接后产生的裂纹较少，因而减少了补焊的成本；
（3）采用热等静压处理，可提高铸造参数范围和扩大新的铸造合金品种；
（4）改善了疲劳强度和延性的热等静压铸件可取代价格昂贵的锻件。3.2 热等静压覆层和热等静压复合扩散连接
热等静压覆层和热等静压复合扩散连接是热等静压的另一重要应用。热等静压覆层技术是采用热等静压技术在一种材料上制备一种具有特殊物理或化学性能的覆层，以提高其综合性能的新技术，热等静压复合扩散连接是将两种或两种以上的不同材料，在高温高压作用下进行扩散连接的一种新技术，涉及到的材料可以是金属一金属、金属一非金属、非金属一非金属，它是近几年发展起来的，特别是在民用方面值得应用推广的一项较好技术[12]。与一般连接方法相比，热等静压复合扩散连接具有以下一些优点：
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材料加工原理作业
——热等静压技术的发展与应用
（1）连接材料具有母材特性，在焊点无熔化区，因而消除了是焊点性能衰减的晶粒长大；
（2）可以连接通常不能连接的异种金属，在高热等静压压力下能阻止柯肯达尔空位的形成；
（3）不受固定模具的限制，能加工和处理任何复杂形状的制件；（4）能连接脆性材料或低延性材料而不产生断裂；（5）温度限制较小；
（6）能连接复合材料，并对复合材料中的纤维破坏很少。3.3 热等静压粉末固结 3.3.1 高温合金粉末固结
高合金化镍基高温合金铸锭偏析严重，热加工性能差，很难变形，传统铸锻造技术很难保证大尺寸零件性能的均匀性，采用粉末冶金工艺解决了此类问题。快速凝固预合金粉末+HIP固结技术为高合金化镍基高温合金材料的生产开辟了新的方向。粉末冶金高温合金广泛应用于航空燃气涡轮发动机、火箭发动机和地面燃机等关键部件。3.3.2 硬质合金热等静压
热等静压处理可以有效地消除烧结硬质合金中的内部孔隙等缺陷；热等静压处理温度低于硬质合金烧结温度可防止碳化物晶粒的粗化；经热等静压处理后的大尺寸硬质合金制品，其综合性能获得大幅度提高，使用寿命和使用可靠性显著提高。热等静压硬质合金与常规烧结硬质合金相比具有以下优点：
（1）参与空隙几乎完全消除，密度可有原来的99.8%理论密度提高到99.999%理论密度。
（2）制造大型或高径比大的制品时，废品率低，表面缺陷大幅降低，抛光后可得到光洁度极高的表面。
（3）由于制品中的孔隙体积明显减小，消除了断裂源，使制品的性能和寿命大幅度提高。3.3.3 高速钢粉末固结
高速钢是一种化学成分复杂的高合金钢。在采用传统的熔铸-锻造法生产高速钢时，由于铸锭尺寸大，冷却缓慢、不可避免的产生碳化物偏析。这种偏析组
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织不仅给锻、轧等热加工造成困难，损害了产品的各种性能，而且限制了合金含量的进一步增加，阻碍了高速钢的发展。
热等静压技术的问世，使许多高合金高速钢可以采取粉末冶金工艺来制造，从而克服了熔铸钢中碳化物偏析这类缺陷，把粉末冶金技术成功引入了致密刚才和合金钢的生产领域。3.3.4 陶瓷材料粉末固结
在金属陶瓷的制备中，通常有固态法和液态法两大类型制备工艺，热等静压工艺的应用不但可以用来实现在固态法中成型与烧结一起进行，而且还可以对液态法制备的金属陶瓷进行热处理，提高制品的性能。采用热等静压工艺制备金属陶瓷具有如下优点：
（1）大大降低了烧结金属陶瓷的温度，细化晶粒；（2）提高制品的致密度，改善金属陶瓷的各种性能；
（3）可直接制备形状复杂和大尺寸的工程部件，减少甚至避免昂贵的机械加工；
（4）降低冷却时的残余应力，减少反应层的成型，控制界面反应。3.3.5 钛合金粉末固结
钛合金因具有高强度、高韧性、抗氧化及耐腐蚀的特性，广泛由于航天、航空、航海和化工等领域。然而，钛制品的昂贵价格，限制了它的应用。钛制品成本高的主要原因是传统制造工艺复杂，二次加工的材料损失大。通常，钛的熔炼和加工工艺包括：海绵钛压成电极；两次真空电弧炉熔炼；精密铸造或锻、轧加工以及机加工等[13]。粉末钛合金被认为是进一步提高钛合金性能和降低其价格的出路。用热等静压工艺生产粉末钛合金，不仅简化了熔炼工艺和切削工序，而且因细粉末晶粒有利于合金组织均匀化，从而使制品性能获得改善。3.4 热等静压工艺在新领域的应用
（1）在多孔材料方面的应用：由于采用氮气作为介质，在高温下生成氮化物，使得HIP对多孔材料也产生作用；
（2）HIP技术与渗氮等表面处理相结合，扩大HIP功能；
（3）悬浮熔炼工艺制备高纯材料可采用HIP技术。因为高压气体密度增加，可使熔炼物悬浮起来，实现无坩埚熔炼，从而极大地提高熔炼纯度。
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（4）食品工业采用HIP技术：向食品施加高压可使食品在营养不被破坏且保持原色原味的情况下，达到杀菌消毒的目的，为食品加工提供了一条新的途径。结论
随着材料科学的不断发展，热等静压技术在现代生产技术中已经占据了越来越大的比重。而且人们越来越多地采用热等静压技术进行新材料的制备，如金属基陶瓷、碳/碳复合材料、硬质合金、钨钼制品、稀有难熔金属等产品等。热等静压技术也越来越多地渗透到更多的技术领域，并凭借其特有优势，将会在新材料、新能源的发展空间中发挥更为广阔的作用。
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参 考 文 献
[1] 谌启明，橱靖，单先裕等．热等静压技术的发展及应用[J].稀有金属及硬质合金，2003，31(2)：33～38．
[2] 关明鑫．热等静压在粉末冶金中的应用[J]．天津冶金，2001(5)：40～42． [3] 韩凤麟.热等静压工艺模型化进展[J].粉末冶金工业，2005，15（1）：12～13.[4] 刘慧渊，何如松，周武平.热等静压技术的发展与应用[J].新材料产业，2010，11：13～14.[5] Conway J J，Nettleship I．McA R J and Loehlein ES．Experimental Validation of Ashby HIP 6.0 Model Using Interrupted HIP Cycles of P/M LC Astroloy．Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials, 2002．9:121～129.[6] 詹志洪．热等静压技术和设备的应用与发展[J]．中国钨业，2005，20(1)：23～24．
[7] 向长淑．瑞典人赢得日本最大热等静压机合同[J]．稀有金属快报，2007．7：32～37.[8] 张义文．热等静压技术新进展[J]．粉末冶金工业，2009，19(4)：32～39． [9] 尚文静．热等静压(HIP)技术和设备的发展及应用[J]．有色冶金设计与研完，2010，31(1)：18～21．
[10] Brian Mc Tiernam．Applications for Large Scale Pre-alloyed HIP PM Materials[A]．Mashi S J．Proceeding of the 2008 International Conference on Hot Isostatic Pressing(HIP 708)[C]．Huntington Beach，California，USA，2008：3～12．
[11] 王声宏．热等静压技术在硬质合金及陶瓷材料中的应用[J]．粉末冶金工业，2000，10：7～11.[12] 徐强，张幸红，曲伟等．金属陶瓷的研究进展[J]．硬质合金，2002．19：22l～225.第 11页 /共 12页
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[13] 熊计，沈保罗．超细TiCr017N013金属陶瓷的烧结工艺研究[J]．粉末冶金技术，2004，122(13)：164～167.第 12页 /共 12页
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致
谢
感谢张老师的激情授课！张老师渊博的知识以及严谨的治学态度让我受益匪浅。通过张老师深入浅出的讲解，使我在短时间内对材料各种加工方法及原理有了初步认识，为以后的深入学习及实验打下良好基础。在此，向张老师致以最诚挚的谢意！
热等静压在铸造高温合金领域的应用 篇3
热等静压(HIP)技术起源于20世纪50年代,是利用高温高压同时作用使部件经受三向等静压制的工艺技术,可以实现复杂形状的粉末冶金产品的全致密化成形及生产一些传统方法难以制备成形的制品。随着航空航天技术、原子能工业等的发展,热等静压技术的应用范围和普及程度都发生了质的飞跃,成为许多高端和重要产品制造的常规和例行工艺环节,广泛应用于各种金属、陶瓷、金属陶瓷、金属-纤维复合材料的制备,以及固态粘结和钛合金、铝合金、高温合金等铸造产品内部冶金缺陷的消除[1,2]。
随着燃气涡轮发动机工作温度和使用安全性能的不断提高,所使用零件的集成化、复杂化程度和对力学性能的要求越来越高。采用无余量精密铸造技术生产的铸造高温合金产品在航空航天、地面燃气轮机和其他动力能源领域的苛刻条件下的应用越来越广泛[3]。由于高温合金熔体凝固时体积减小,最后凝固部位往往得不到液态金属补缩,而产生缩孔和疏松缺陷。铸造技术的进步及工艺控制的精准只能减轻而不能完全消除疏松等冶金缺陷,疏松含量一般达到体积的0.4%以上。先进航空发动机叶片几乎都采用定向凝固或者单晶叶片,定向凝固过程中液固界面顺序推进,合金液能不断补充到凝固界面,因此定向凝固和单晶叶片铸件的显微疏松程度一般要小得多,但也占体积的0.2%左右,通常位于枝晶根部。这些疏松往往成为裂纹萌生的根源,导致蠕变或者疲劳失效[4,5]。
1972年在美国召开的第二届国际高温合金会议上,首次公开了用热等静压工艺来闭合高温合金铸造过程中产生的显微疏松缺陷的技术[6]。随后研究者对Rene′77、Rene′80、In738C、In713C和In718C等合金的热等静压工艺展开研究,获得了普遍的成功,使上述合金的循环疲劳寿命、持久强度、塑性和性能稳定性等得到显著提高,其中循环疲劳寿命可以延长2倍以上[7,8,9,10]。目前对航空航天发动机用关键等轴晶高温合金精铸件进行热等静压处理已经成为国际上的通行做法,作为必要的工序固定下来。据报道,对铸件的热等静压处理已经占HIP生产任务量的50%以上。20世纪80年代末开始,国内外开始对定向凝固及单晶合金开展热等静压研究工作,也取得了积极成果[4,11,12,13]。
1 热等静压的致密化作用机理
目前,关于热等静压处理对铸件产品疏松等冶金缺陷闭合效果及对合金的综合力学性能影响方面已经得到广泛研究,具体合金的热等静压处理工艺也相当成熟,国内也开展了较多的研究工作,但对热等静压处理的致密化过程及作用机理等方面的研究甚少。
Wasielewski等认为热等静压处理过程是一个蠕变-扩散相结合的过程,首先应力引起蠕变变形而消除孔隙,孔隙表面相互接触,随后发生扩散结合,但是对于具体的闭合过程没有展开分析[6]。张善勇等认为热等静压的致密化过程不是扩散蠕变机制占主导作用,占优势的致密化机制是位错蠕变机制[14]。根据位错理论,在高的压力和内部存在空洞的条件下,位错将移向内部空洞的内表面,由于位错逸出而造成原子空缺,则空缺两侧的原子所受到的力不能保持平衡,微孔将逐渐压缩减小。此外,微孔附近区域内,材料受力并不是各向相等的,而是存在指向微孔的不为零的合力,同样也能引起位错向微孔表面运动,从而达到致密化的目的。
随着温度的升高,合金屈服强度降低,有利于蠕变过程进行,研究表明温度是影响疏松闭合效果最关键的影响因素。对于In738C合金而言,在1093~1176℃范围内,只能使50%~80%的孔隙闭合,如果将温度升高到1204℃,就能达到100%的致密度,如果温度没有达到,仅仅提高压力,对疏松闭合影响甚小。对K418合金的热等静压研究也有类似的结果。热等静压处理后合金力学性能的提高依赖于缩孔和疏松缺陷的冶金闭合而不是机械闭合,将疏松严重、持久寿命极低的试样热等静压处理后,合金持久性能大幅度提高,持久断口未再现疏松,说明疏松内表面达到完全的冶金结合[15]。
2 普通等轴晶铸造高温合金的热等静压处理
对正常铸造的等轴晶高温合金铸件进行热等静压处理取得了很大的成功,在某Rene′120合金涡轮叶片生产中,没有经过热等静压处理的铸造叶片由于疏松超标,产品废品率为28%,经过1219℃/101MPa的4h的HIP后,废品率降低到4%,同时合金疲劳寿命有较大幅度延长[16]。另外Rene′80合金和Inconel-738C合金以及Inconel-718C合金经过适当的热等静压处理后,疲劳性能及塑韧性也得到显著提高,其中Inconel-738C合金704℃低周疲劳性能提高3~10倍,中温持久寿命延长1倍以上[17]。通过密度测量发现, K405合金在HIP处理前平均密度为8.149g/cm3,经HIP处理后平均密度为8.158g/cm3,提高了约0.1%[18]。
通过晶粒细化技术生产具有细小的等轴晶粒、高度弥散分布的碳化物质点和细小而均匀的γ′相分布的细晶铸造高温合金零件,可以大大提高合金在等强温度以下的综合力学性能[19],但是采用整体晶粒细化技术生产的铸件,往往含有大量的显微疏松缺陷,而消除疏松、提高性能的最好措施就是热等静压处理[20]。
涡轮叶片在服役过程中会产生组织退化和形成蠕变空洞,通过热等静压完全闭合了这些孔洞,配合采用热处理可以恢复叶片的大部分使用性能。采用HIP+热处理的方法处理服役一段时间的In713C合金涡轮叶片,可以发现叶片的内部微观组织和力学性能类似于新的涡轮叶片[21]。但也有研究表明,虽然IN738LC合金在蠕变过程中产生的微观缺陷经过热等静压处理后得到了有效闭合,但是所恢复的蠕变性能只相当于在没有压力条件下的再热处理对性能的恢复,也即热等静压处理并未收到预期效果[22]。另外,普通铸造的GTD-111合金叶片服役一段时间经过热等静压修复后,叶片的退化速度很快[23,24]。
等轴晶铸造高温合金的热等静压处理应尽可能采用较高的温度,一般选择在1160~1220℃之间[25],过高易造成合金晶粒长大,尤其是采用晶粒细化方法生产的细晶铸件,一般需要有差别地选择热等静压温度[26]。差热分析显示合金的初熔温度比实际的熔点要低,且随偏析程度的增加而更加显著。对偏析严重的合金,需要在热等静压前按台阶升温的方法做均匀化预处理。铸件的热等静压压力的选择依据是能使材料产生塑性流动,一般可选择的范围为98~200MPa之间[25,27]。
3 定向及单晶高温合金的热等静压处理
国外从20世纪80年代末开始研究定向和单晶高温合金的热等静压处理。由于定向凝固和单晶铸件的凝固界面顺序推进,具有较好的凝固冷却条件,产生的显微疏松缺陷较少,只占体积的0.2%左右。然而,在闭合这些疏松的同时可能会带来再结晶的问题。再结晶前后的组织形貌完全不同,再结晶形成的带有横向晶界的等轴晶粒与基体的柱状晶存在本质差别,极大降低了合金的性能,尤其是高温持久、疲劳等性能[28]。采用热等静压处理带有宏观缩孔的高温合金或者是TiAl合金时,均在闭合缩孔的同时产生了明显的再结晶[29]。关于热等静压处理定向凝固和单晶铸件,其显微疏松部位产生再结晶及再结晶产生的临界空洞尺寸,尚未有系统研究,但至少具有这种潜在风险。这将从根本上消除热等静压所带来的对性能有益之处。
从20世纪80年代开始,陆续出现了热等静压应用到定向凝固和单晶合金方面的报道[4,30],但关于热等静压对定向凝固及单晶合金组织和力学性能的影响的研究报告相对较少。目前定向凝固及单晶合金的热等静压工艺过程主要包括:采用固溶处理温度进行热等静压,热等静压后的固溶及时效处理。已有的研究表明,采用适当的热等静压工艺提高了合金的力学性能而没有产生再结晶问题[5]。在对第一代、 第二代单晶高温合金中的热等静压应用研究过程中,发现热等静压可有效消除单晶合金枝晶间的疏松和缩孔等缺陷,且显著提高合金疲劳性能。对CMSX-4合金的热等静压处理工艺研究表明,由于热等静压处理后的冷却速度限制,造成合金γ′相的尺寸和分布不合理,需要采用热处理来全面恢复合金的力学性能。CMSX-4合金铸态+热处理态和铸态+热等静压+热处理的950℃/355MPa持久寿命分别为72.72h和134.38h,持久寿命延长幅度达到185%[12]。通过适当热等静压处理,有效延长了PWA1480合金的高周疲劳寿命和蠕变寿命,蠕变寿命的延长或许归因于延迟蠕变第三阶段的开始,没有疏松和细小γ′数量的增加[31]。M.T Kim等采用与GTD-111合金标准热处理制度相同的温度和时间的热等静压工艺,将热等静压和热处理工艺同步开展,使合金获得了优良的力学性能,简化了生产工艺[12]。
4 热等静压对铸造高温合金组织的影响
热等静压采用气体介质传递压力,一般选择高纯Ar,含有一定量的有害杂质。研究表明,镍基合金铸件在含有20×10-6有害杂质的高压介质中处理时,铸件不受污染;有害杂质含量达到35×10-6时,污染稍有发生;杂质含量达到200×10-6时,会产生一个从表面开始的50μm污染层[32]。
高的压力还将对合金的固态相变产生深远的影响。如进行正火处理,在常压条件下,铁素体抗蠕变钢中的Cr含量超过10%(质量分数)时就会产生δ铁素体;而在4GPa压力条件下,含15%Cr(甚至20%)的铁素体抗蠕变钢也未产生δ铁素体[11]。热等静压所造成的高压条件也会对合金元素扩散产生很大影响。以Ni-Cr扩散偶为研究对象,得出了压力与扩散系数的关系式D=nAp。在1140℃、作用时间为4h的条件下,扩散带宽度由真空条件下的68μm增加到200MPa条件下的200μm[33]。在高应力作用下,元素的互扩散是由空位和位错混合机制所控制的扩散类型。对正常热处理和不同应力条件下热等静压处理的试样位错密度分析研究表明,在相同温度条件下,热等静压处理后位错密度有了较大幅度提高。位错密度随压力增加而提高,与正常热处理态相比较,有数量级的变化,位错密度的提高对扩散的增强作用进一步得到促进。
K417合金经过热等静压处理后,枝晶轴、枝晶间、共晶心、共晶边缘等处的元素和组织趋于均匀化,抑制了有害的σ相析出[34]。可能源于合金元素扩散系数的提高及相变受高压力的影响,热等静压条件下K418合金的γ′相的完全溶解温度比常压条件下γ′相的完全溶解温度低20℃左右[33]。热等静压处理+标准热处理后的K488合金显微组织与铸态+标准热处理状态相比,γ′相形态变得更加不规则,尺寸变大[35]。对熔铸的TiAl合金进行热等静压处理时,高温相区移向低温区,以致于在1300℃时TiAl合金就处于无序的六方晶系α相区内[36]。热等静压处理的NiAl合金基体中存在一些Cr(Mo)颗粒沉淀,且有的Heusler 颗粒沉淀在Cr(Mo) 颗粒中,Heusler 相颗粒与Cr(Mo)已失去共格,且有界面位错存在,而此现象从未被观察到[37,38]。
赵京晨等发现In718合金经过热等静压处理后形成了网状亚结构,属于一种位错亚结构,将原始铸造晶粒分割成细小的亚晶粒结构。完全热处理后则在网状界面上分布成串的盘状γ″相。实验结果表明,经过热等静压处理后的In718合金,采用标准热处理制度处理的强度和蠕变寿命均远低于标准要求,主要缘于γ″相尺寸细小,需要调整热处理制度来改善组织和提高性能[39]。
In713C合金热等静压过程中晶界碳化物没有发生显著变化[40],In100合金的MC碳化物不稳定,热等静压处理时部分分解成为M23C6,Mar-M-246合金也发生了明显的MC到M6C碳化物转变,且这些碳化物反应无法通过后续热处理进行逆转,这对中温性能有一定损害。研究表明,热等静压过程中是否发生碳化物转变反应很大程度上取决于W和Mo元素的含量[15]。对钴基X-45合金也是如此,热等静压过程沉淀出针状钴铬碳化物。
定向凝固合金及单晶合金在蠕变过程中γ′相会产生筏化现象。对GTD111合金的研究表明,正常热处理的试样沿着载荷方向,伴随着强烈的γ′相筏化,而采用适当热等静压处理且不经过后续热处理的试样则几乎没有观察到筏化现象。虽然γ′相筏化对合金力学性能的影响有所争议,但定向凝固镍基合金γ′相筏化倒是一个普遍的现象。热等静压处理后的试样没有发生筏化的现象是不寻常的,也许与性能的改善有很大的关系。研究认为高的压力限制了合金元素在相变过程中的扩散,产生了一个细小和均匀的显微结构,这样的显微结构对性能是有利的,导致弹性模量提高和筏化的抑制[12]。
热等静压工艺可完全消除DD3 合金的显微疏松缺陷,但经热等静压+标准热处理后,合金中γ′相更为粗大,立方化和排列整齐程度变差,且热等静压温度越高,影响越显著。合金的中、高温持久和蠕变性能有所降低,对 900℃ 拉伸性能无明显影响[41]。也许只有热等静压和热处理工艺间的良好匹配,才能提高DD3合金的性能。单晶DD8合金经热等静压处理后,合金的微观组织形貌发生了很大变化,不同于一般热处理状态的γ′相,大部分的γ′相呈现田字形和凸字形,其具体、深入的原因亦未见报道[42]。
5 热等静压技术的发展
热等静压工艺过程一般效率很低,而以Avure 公司为代表的设备制造商采用预热热等静压工艺和均匀的快速冷却(URC) 系统,使生产周期减半,一个生产周期降低到5h以下,同时对炉型结构、装卸系统、过程控制和辅助系统等方面开展优化设计,大大降低设备的运行成本,在过去的15 年内使热等静压产品的生产成本降低了65%。先进的直径800mm、高2500mm的热等静压机可年处理制品1800t,运转成本降低到0.19欧元/kg。在更大型的热等静压机中,还可以进一步降低单位生产成本。目前大型热等静压设备中均已经广泛采用URC技术,Avure等公司已经可以制造直径达3m的热等静压机[43]。近年发展起来的液态介质热等静压技术(LHIP)利用熔盐类物质为工作介质,MC-USA和Teksid-Italy 在此领域取得突破性进展,能够用很短的时间达到所设定的工作压力和温度,极大提高生产效率和热等静压的安全性能,降低设备和生产成本。
6 结语
等静压成形 篇4
ITO粉末的成形是现今社会研究的热点, 制备出致密度高、组织均匀的ITO素坯是制备高性能ITO靶材的关键。这就需要探究出合适的ITO粉末的成形工艺。冷等静压成形是现在ITO粉末成形的主要方法, 其具体工艺是将ITO粉体装在真空包套内, 利用流体介质不可压缩的性质为传递压力介质, 置于高压容器中, 从各个方向对试样均匀加压的一种成形方法[5]。其制备的ITO素坯密度高且均匀一致。但冷等静压成形工艺操作过程复杂, 在生产大尺寸的靶材的时候容易出现稳定性较差, 成品率低, 还易出现分层和开裂等问题。因此, 进一步探究冷等静压法, 选择最佳的冷等静压工艺参数具有重要的意义。本研究不同冷等静压压力对ITO靶材的影响, 确定合适冷等静压压力。
1 实验部分
1.1 原料和设备
采用等离子电弧法制备的纳米ITO粉末为原料, 其形貌见图1。其中氧化铟与氧化锡的质量比为9∶1, 平均粒径为150nm, 纯度大于99.99%。分散剂为聚丙烯酸和氨水自配的聚丙烯酸氨, 消泡剂为正辛醇, 粘结剂为聚乙烯醇。用实验室搅拌磨球磨机制备浆料, 用LX-8型离心喷雾干燥机造粒, 用Cr12MoV-70型模压成形模具预压, 用RXL-12型的箱式电阻炉进行脱脂, 用KJYS150型冷等静压机压制制备素坯。
1.2 冷等静压工艺
在超声波振动辅助压制最佳工艺 (压制力55MPa, 保压时间4min, 超声波功率1.5kW) 下制备4个ITO素坯, 并用1、2、3、4对他们进行编号。然后将1、2、3、4号样品同时放入RXL-12型箱式电阻炉进行脱脂, 再将脱脂后的样品用橡胶包套封好, 分别在100、150、200、250MPa压力下进行冷等静压。
1.3 性能的检测
制备的ITO靶材致密度的测定采用排水法测量, 测样设备AX205型固体密度计, 测量过程保持恒定的20℃下, 并将测试容器抽真空处理, 除去水中和样品表面的气泡对测试结果的影响。计算公式见式 (1) 。
式1中, ρ为体积密度 (g/cm3) ;ρ0w为实验中所用的液体密度, 采用的水为去离子水;m为干燥式样空气中的质量;m2为液体式样的浮重。
相对密度由公式见式 (2) 。
式2中, ρ理论为式样的理论密度。
通过完全固溶体ITO结构的晶格常数计算得结果, 见式 (3) 。
2 结果与讨论
由表1可知, 通过冷等静压成形后ITO素坯的致密度有所提高, 不同冷等静压成形压力对致密度的提高效果不等, 这就说明复合压制对提高ITO素坯的致密度效果显著。
图2为不同冷等静压成形压力对ITO素坯致密度提高值得变化图。由图2可看出随着冷等静压成形压力的提高, ITO素坯的致密度均有显著提高, 并且随着压力的增加致密度的提高值也在增加, 当100MPa时在模压的基础上提高了4.2%, 当压力增加到250MPa时, ITO素坯致密度的提高值增加到10.5%。采用超声波振动辅助压制 (最佳工艺:压制力为55MPa, 保压时间为4min, 超声波功率为1.5kW) 和冷等静压成形 (成形压力为250MPa, 保压1min) 的复合压制工艺制备的ITO素坯表面完整、成分均匀和致密度高 (最高可达62.7%) , 完全可满足气氛烧结法对ITO素坯的要求[6]。
[ (a) 100MPa; (b) 150MPa; (c) 200MPa; (d) 200MPa]
图3为不同冷等静压成形压力制备的ITO素坯的SEM图, 由图3可知, 经过100MPa的冷等静压成形后, ITO素坯中粉体部分颗粒呈现造粒后的颗粒形状, 颗粒间明显可以看到间隙;当压制力增加到150MPa后, ITO素坯中只有很少的粉体保持造粒前的颗粒形状, 颗粒间的间隙减少, 大部分造粒粉已被压碎, 颗粒间的间隙被压碎的ITO粉末所填充[7], 从微观结构上可以看出致密化程度比100MPa已有所提高;当成形压制压力增加到200MPa后, ITO素坯已看不到造粒前的颗粒形状, 在200MPa的压力下ITO造粒粉已被完全压碎, 压制前的颗粒间隙已全部被压碎的ITO粉填充, 致密化程度进一步提高, 但在SEM图中依然可看到断面存在微小的孔洞;当成形压力提高到250MPa后, 从断面显微结构可以看出ITO素坯没有出现之前的间隙和微孔, 且成分均匀, 这说明在250MPa的压制力下ITO素坯的致密化程度已经很高了。结合图2和图3可得出, 冷等静压成形后对ITO素坯的致密化程度提高显著, 当成形压力为250MPa时ITO素坯的致密度提高到了62.7%, 结合ITO素坯的致密度和显微结构可得出, 制备的ITO素坯已完全满足气氛烧结高致密度ITO靶材的需求。
3 结论
(1) 研究了冷等静压对ITO素坯致密度影响, 结果表明冷等静压对ITO素坯致密度提高显著, 随着冷等静压成形压力的增加, 致密度逐渐提高, 当冷等静压成形压力为250MPa时, ITO素坯的致密度提高到了62.7%, 从ITO素坯的显微结构图可看出ITO素坯致密化程度已经很高, 未出现裂纹、微孔等缺陷。
(2) 将传统的冷等静压后脱脂改为脱脂后冷等静压成形, 不仅保证了ITO素坯的纯度, 而且缩小了ITO素坯内部的间隙, 提高了ITO粉与粉之间的接触面, 能促进下一步的ITO靶材烧结的致密化。
参考文献
[1]吴晓飞, 郗雨林.IT0薄膜性能应用及其磁控溅射制备技术的研究[J].热加工工艺, 2013, 42 (2) :88-90.
[2]向光, 王友乐.ITO的制备与发展趋势[J].中国玻璃, 2013, 4 (4) :41-44.
[3]李音波, 李卫华, 闫琳, 等.ITO靶材的研究现状与发展趋势[J].功能材料, 2004, 35 (z1) :996-1000.
[4]张智强.ITO溅射靶材国内外研究状况[J].材料开发与应用, 2010, 25 (1) :66-68.
[5]张元松, 熊爱臣, 谭翠, 等.ITO靶材成形工艺的研究新进展[J].湖南有色金属, 2014, 30 (2) :44-48.
[6]刘心宇, 李海麒, 江民红.常压固相烧结法制备ZAO靶材及其性能的研究[J].湖南科技大学学报:自然科学版, 2008, 23 (1) :27-30.