熱等靜壓技術和設備的應用與發展（二）

3 熱等靜壓技術的主要應用
3．1 在硬質合金中的應用
    20世紀60年代末，HIP技術在硬質合金生產中開始得到實際應用。人們在傳統真空燒結的基礎上，對硬質合金進行HIP處理，形成了真空燒結+HIP工藝。該工藝將相對密度高于92％的燒結制品，在熱等靜壓機中于壓力為80-150MPa、溫度為1320-1400℃條件下處理一定時間，使制品的致密度明顯提高，孔隙度降至HIP處理前的1/20－1/100甚至更低，抗彎強度及使用壽命均顯著改善。但HIP設備的設計和控制費用昂貴，維護和操作也較復雜，因此在硬質合金中應用尚不普遍。
    隨著科學技術的不斷進步，于20世紀80年代初開發了一種所需壓力低于10MPa的燒結－熱等靜壓工藝，又被稱為低壓熱等靜壓或過壓燒結。在燒結－熱等靜壓這一新工藝中，將硬質合金生產的成形劑脫除、燒結和HIP致密化合并在同一設備中完成，即先用氫氣作載體或通過真空分壓脫除成形劑，然后于真空狀態升溫到燒結溫度，并保溫一定時間，隨即通入壓力為3-6MPa的氬氣，再保溫一定時間后進行冷卻。由于燒結一熱等靜壓所需壓力僅為真空燒結+熱等靜壓的十幾分之一甚至幾十分之一，且數道工序合為一體，因此生產成本大為降低。更為重要的是，燒結一熱等靜壓新工藝比HIP處理更能有效提高產品質量，故現已成為生產高質量硬質合金的主要手段。
熱等靜壓在大尺寸硬質合金制品的生產中具有明顯優勢。如對于單壓源人造金剛石壓機用的直徑大于lOOmm的硬質合金頂錘，用常規粉末冶金方法很難保證質量，而經HIP處理后性能大為提高，其中D113mm×92mm的硬質合金六面頂錘的平均使用壽命由原來的407次/個提高到次/個。采用燒結一熱等靜壓工藝，株洲硬質合金廠已成功地生產出單件質量為118kg、尺寸為D外285mm×D內66mm×l45mm的硬質合金大制品。
    此外，利用HIP技術還可實現硬質合金與鋼基復合材料的擴散連接。如將YGl5(WC-15Co)與鋼基復合并在1050℃、100 MPa條件下處理2h，兩者即可很好地結合在一起，若在界面再加一鎳片作中間過渡層，不但避免了η相的產生，斷裂位置也發生了改變，即由界面處移至YGl5合金中，使材料的強度大為提高。

3．2 在鎢、鉬、鈦等難熔金屬中的應用
    鎢合金因具有高密度、高強度、熱膨脹系數低等良好的綜合性能，在高科技領域中得到廣泛應用，如W-Ni-Cu系鎢合金因其非磁性而被廣泛用作陀螺儀的外緣轉子材料。隨著導航技術的不斷提高，陀螺轉速從2×104r/min提高到10×104r/min。故對用作外緣轉子材料的W-Ni-Cu系鎢基高密度合金也提出了更高的物理、力學性能要求。由于鎢基高密度合金與硬質合金燒結制品類似。同屬典型的液相燒結，因此經HIP處理可有效改善和提高其物理、力學性能。中南大學粉末冶金國家重點實驗室的研究表明，對于82W-Ni-Cu(Ⅱ)合金，將燒結態制品在1120℃(即略高于合金中低熔點組分Cu的熔點1083℃)、150 MPa(傳壓介質為氮氣)條件下進行30min的HIP處理，可使其密度提高2．9％。抗拉強度提高8．2％o
    W-Cu常用作高壓觸頭及電極材料，若致密度不高則影響其抗電弧燒蝕、抗熔焊性及導電、導熱性。采用HIP對W-Cu進行處理，能消除材料內部的孔隙，改善材料性能。
    鉬是一種高熔點、導熱導電性好、力學性能優良、耐蝕性強的金屬材料，廣泛用作化工、電子、稀土冶金、玻璃等行業的電極及攪拌棒等。有關研究表明，鉬材經過適當的熱等靜壓(1300℃，100－110MPa)處理，在致密度提高的基礎上，可獲得細小均勻的晶粒組織(晶粒度為7級)，其抗拉強度為530 MPa，延伸率達25％，強度和韌性均得到提高。
    HIP在提高鈦合金鑄件質量方面效果顯著。眾所周知，鈦具有比強度高、溫度適應范圍寬、耐蝕性強等特點，是航空、航天工業中不可缺少的重要材料，如Ti6-A1-4V合金常用作飛機發動機過渡罩、發動機風扇等大型結構件。為了提高鈦合金鑄件性能，波音公司、洛克希德公司及道格拉斯公司等的研究表明，鈦合金精密鑄件在HIP后再經適當的熱處理可使其性能達到鍛件水平(包括塑性和抗疲勞性能)。

3．3 在特種陶瓷等新材料中的應用
    特種陶瓷包括結構陶瓷和功能陶瓷。為增強陶瓷的韌性，通常在陶瓷基體中引入纖維或晶須，然而在傳統的燒結過程中因需要很高的燒結溫度和較長的燒結時問，往往會使纖維和晶須發生表面強度的退化，甚至與基體發生化學反應，失去補強增韌的作用。采用熱等靜壓燒結工藝，則大大降低了燒結溫度和保溫時間，可獲得性能優異的纖維或晶須補強陶瓷基復合材料。如采用熱等靜壓燒結工藝，在1085℃即獲得相對密度高達91．5％的SiC晶須補強SiC陶瓷，其室溫抗彎強度和斷裂韌性分別達到595MPa和6．7MPa•mm1/2。此外，在陶瓷
基體中加入第二相粒子也可提高陶瓷的斷裂韌性，但燒結時因形成內應力造成燒結困難并引起缺陷，熱等靜壓燒結使這一問題得到解決，如對TiO粒子補強A1203陶瓷進行熱等靜壓燒結，已成功地制備出完全致密的復合陶瓷。
    采用熱等靜壓工藝，上海硅酸鹽研究所已制備出單相和復相納米結構陶瓷。其研究表明，在溫度為1850℃、壓力為200MPa條件下燒結lh，可獲得晶粒尺寸<100nm，且結構均勻致密的單相SiC納米陶瓷；而在溫度為1750℃、壓力為150 MPa條件下燒結lh，則可獲得晶粒尺寸50nm左右、結構致密均勻的復相Si3N4／SiC納米陶瓷。美國Rutgers大學通過燒結－熱等靜壓工藝開展的有關Si3N4納米陶瓷制備研究，也已取得較好效果。
    為提高金屬的耐高溫性能和抗腐蝕性，利用等離子技術在金屬表面涂覆一層陶瓷所形成的金屬一陶瓷復合材料，因界面主要為機械結合，且涂層內存在大量氣孔，故影響材料的抗沖擊性能和抗腐蝕性。如果將表面噴涂有陶瓷涂層的金屬材料加上包套并真空密封后進行熱等靜壓處理,不僅可實現陶瓷涂層的完全致密，而且在陶瓷涂層與金屬基體面由于擴散作用將形成一層金屬陶瓷相，從而實現涂層與金屬問的冶金結合，使得該復合材料具有理想的結合強度和優良的綜合性能。
4前景展望
    近年來隨著國際問交流合作的不斷加強，HIP技術在應用開發和設備改進方面均不斷取得新的進展。
    經過30多年的努力，我國HIP技術從無到有、從小到大得到了迅速發展。在成形燒結、金屬致密化及擴散連接等方面做了大量的研究開發工作，應用規模不斷擴大。用于研究和生產的HIP設備由1980年的僅8臺增至2000年的約80臺，且隨著對引進設備和技術的消化吸收，現已具備設計和制作“雙兩千”(即200MPa，2000℃)中型HIP設備的能力。但從總體水平分析，我國HIP技術與發達國家相比仍存在一定差距，主要表現為：HIP致密化過程的基礎理論研究、凈成形技術研究、計算機軟件開發等方面，起步較晚，明顯落后；應用水平較為有限，除在硬質合金方面的應用已具規模且較成熟外，高溫合金、特種陶瓷及復合材料等領域的應用開發基本還處于試驗階段；HIP設備的設計制造水平，包括設備功能、自控水平、輔助系統的配套等，目前的差距也仍然較大。
    筆者認為，為趕超國際先進水平，充分發揮HIP技術在我國新材料研究和生產中的作用，應重視以下幾方面的工作：
    (1)在HIP技術的致密化基礎理論、凈成形技術、計算機軟件開發等研究方面，加大人力、物力的投入，密切與國外研究院所、制造公司的聯系和協作，盡快縮小差距，力爭有所突破，為我國的HIP技術的發展奠定堅實基礎。
    (2)加強國內HIP技術研究和應用單位之間的交流，通過多種形式加強對HIP技術的介紹宣傳，使相關生產企業對HIP技術有更多的了解，加快將HIP的實驗研究成果轉化成工業化規模生產。
    (3)進一步改進和完善HIP設備，如增加爐內裝料容量，開發大尺寸HIP設備，建立組合式結構，以縮短生產周期等，提高設備利用率，降低生產成本，有效促進HIP技術的推廣應用。

5 結語
    我國經濟正處于穩定增長的有利時期，材料領域的發展也有了一定的基礎和規模，提高硬質合金、鎢鉬制品、稀有難熔金屬等產品的技術含量，開發更多、更好的新型產品更顯得尤為重要。有理由相信，通過科研技術人員的不懈努力，HIP技術在我國可得到快速發展，其研究和應用將大有可為，前景廣闊。