熱等靜壓技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用與發(fā)展（二）

3 熱等靜壓技術(shù)的主要應(yīng)用 　　3．1 在硬質(zhì)合金中的應(yīng)用 20世紀(jì)60年代末，HIP技術(shù)在硬質(zhì)合金生產(chǎn)中開始得到實(shí)際應(yīng)用。人們在傳統(tǒng)真空燒結(jié)的基礎(chǔ)上，對硬質(zhì)合金進(jìn)行HIP處理，形成了真空燒結(jié)+HIP工藝。該工藝將相對密度高于92％的燒結(jié)制品，在熱等靜壓機(jī)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(qiáng)度及使用壽命均顯著改善。但HIP設(shè)備的設(shè)計和控制費(fèi)用昂貴，維護(hù)和操作也較復(fù)雜，因此在硬質(zhì)合金中應(yīng)用尚不普遍。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，于20世紀(jì)80年代初開發(fā)了一種所需壓力低于10MPa的燒結(jié)－熱等靜壓工藝，又被稱為低壓熱等靜壓或過壓燒結(jié)。在燒結(jié)－熱等靜壓這一新工藝中，將硬質(zhì)合金生產(chǎn)的成形劑脫除、燒結(jié)和HIP致密化合并在同一設(shè)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(tài)升溫到燒結(jié)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(jìn)行冷卻。由于燒結(jié)一熱等靜壓所需壓力僅為真空燒結(jié)+熱等靜壓的十幾分之一甚至幾十分之一，且數(shù)道工序合為一體，因此生產(chǎn)成本大為降低。更為重要的是，燒結(jié)一熱等靜壓新工藝比HIP處理更能有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，故現(xiàn)已成為生產(chǎn)高質(zhì)量硬質(zhì)合金的主要手段。 　　熱等靜壓在大尺寸硬質(zhì)合金制品的生產(chǎn)中具有明顯優(yōu)勢。如對于單壓源人造金剛石壓機(jī)用的直徑大于lOOmm的硬質(zhì)合金頂錘，用常規(guī)粉末冶金方法很難保證質(zhì)量，而經(jīng)HIP處理后性能大為提高，其中D113mm×92mm的硬質(zhì)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(jié)一熱等靜壓工藝，株洲硬質(zhì)合金廠已成功地生產(chǎn)出單件質(zhì)量為118kg、尺寸為D外285mm×D內(nèi)66mm×l45mm的硬質(zhì)合金大制品。 　　此外，利用HIP技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金與鋼基復(fù)合材料的擴(kuò)散連接。如將YGl5(WC-15Co)與鋼基復(fù)合并在1050℃、100 MPa條件下處理2h，兩者即可很好地結(jié)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(chǎn)生，斷裂位置也發(fā)生了改變，即由界面處移至YGl5合金中，使材料的強(qiáng)度大為提高。 　　3．2 在鎢、鉬、鈦等難熔金屬中的應(yīng)用 　　鎢合金因具有高密度、高強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)低等良好的綜合性能，在高科技領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)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(zhuǎn)子材料。隨著導(dǎo)航技術(shù)的不斷提高，陀螺轉(zhuǎn)速從2×104r/min提高到10×104r/min。故對用作外緣轉(zhuǎn)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(xué)性能要求。由于鎢基高密度合金與硬質(zhì)合金燒結(jié)制品類似。同屬典型的液相燒結(jié)，因此經(jīng)HIP處理可有效改善和提高其物理、力學(xué)性能。中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究表明，對于82W-Ni-Cu(Ⅱ)合金，將燒結(jié)態(tài)制品在1120℃(即略高于合金中低熔點(diǎn)組分Cu的熔點(diǎn)1083℃)、150 MPa(傳壓介質(zhì)為氮?dú)?條件下進(jìn)行30min的HIP處理，可使其密度提高2．9％?？估瓘?qiáng)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(dǎo)電、導(dǎo)熱性。采用HIP對W-Cu進(jìn)行處理，能消除材料內(nèi)部的孔隙，改善材料性能。 　　鉬是一種高熔點(diǎn)、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、力學(xué)性能優(yōu)良、耐蝕性強(qiáng)的金屬材料，廣泛用作化工、電子、稀土冶金、玻璃等行業(yè)的電極及攪拌棒等。有關(guān)研究表明，鉬材經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒岬褥o壓(1300℃，100－110MPa)處理，在致密度提高的基礎(chǔ)上，可獲得細(xì)小均勻的晶粒組織(晶粒度為7級)，其抗拉強(qiáng)度為530 MPa，延伸率達(dá)25％，強(qiáng)度和韌性均得到提高。 　　HIP在提高鈦合金鑄件質(zhì)量方面效果顯著。眾所周知，鈦具有比強(qiáng)度高、溫度適應(yīng)范圍寬、耐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，是航空、航天工業(yè)中不可缺少的重要材料，如Ti6-A1-4V合金常用作飛機(jī)發(fā)動機(jī)過渡罩、發(fā)動機(jī)風(fēng)扇等大型結(jié)構(gòu)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(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砜墒蛊湫阅苓_(dá)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(yīng)用 　　特種陶瓷包括結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。為增強(qiáng)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(tǒng)的燒結(jié)過程中因需要很高的燒結(jié)溫度和較長的燒結(jié)時問，往往會使纖維和晶須發(fā)生表面強(qiáng)度的退化，甚至與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，失去補(bǔ)強(qiáng)增韌的作用。采用熱等靜壓燒結(jié)工藝，則大大降低了燒結(jié)溫度和保溫時間，可獲得性能優(yōu)異的纖維或晶須補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。如采用熱等靜壓燒結(jié)工藝，在1085℃即獲得相對密度高達(dá)91．5％的SiC晶須補(bǔ)強(qiáng)SiC陶瓷，其室溫抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)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(jié)時因形成內(nèi)應(yīng)力造成燒結(jié)困難并引起缺陷，熱等靜壓燒結(jié)使這一問題得到解決，如對TiO粒子補(bǔ)強(qiáng)A1203陶瓷進(jìn)行熱等靜壓燒結(jié)，已成功地制備出完全致密的復(fù)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(fù)相納米結(jié)構(gòu)陶瓷。其研究表明，在溫度為1850℃、壓力為200MPa條件下燒結(jié)lh，可獲得晶粒尺寸<100nm，且結(jié)構(gòu)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(jié)lh，則可獲得晶粒尺寸50nm左右、結(jié)構(gòu)致密均勻的復(fù)相Si3N4／SiC納米陶瓷。美國Rutgers大學(xué)通過燒結(jié)－熱等靜壓工藝開展的有關(guān)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(shù)在金屬表面涂覆一層陶瓷所形成的金屬一陶瓷復(fù)合材料，因界面主要為機(jī)械結(jié)合，且涂層內(nèi)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(jìn)行熱等靜壓處理,不僅可實(shí)現(xiàn)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(kuò)散作用將形成一層金屬陶瓷相，從而實(shí)現(xiàn)涂層與金屬問的冶金結(jié)合，使得該復(fù)合材料具有理想的結(jié)合強(qiáng)度和優(yōu)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(qiáng)，HIP技術(shù)在應(yīng)用開發(fā)和設(shè)備改進(jìn)方面均不斷取得新的進(jìn)展。 　　經(jīng)過30多年的努力，我國HIP技術(shù)從無到有、從小到大得到了迅速發(fā)展。在成形燒結(jié)、金屬致密化及擴(kuò)散連接等方面做了大量的研究開發(fā)工作，應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。用于研究和生產(chǎn)的HIP設(shè)備由1980年的僅8臺增至2000年的約80臺，且隨著對引進(jìn)設(shè)備和技術(shù)的消化吸收，現(xiàn)已具備設(shè)計和制作“雙兩千”(即200MPa，2000℃)中型HIP設(shè)備的能力。但從總體水平分析，我國HIP技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比仍存在一定差距，主要表現(xiàn)為：HIP致密化過程的基礎(chǔ)理論研究、凈成形技術(shù)研究、計算機(jī)軟件開發(fā)等方面，起步較晚，明顯落后；應(yīng)用水平較為有限，除在硬質(zhì)合金方面的應(yīng)用已具規(guī)模且較成熟外，高溫合金、特種陶瓷及復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)基本還處于試驗(yàn)階段；HIP設(shè)備的設(shè)計制造水平，包括設(shè)備功能、自控水平、輔助系統(tǒng)的配套等，目前的差距也仍然較大。 　　筆者認(rèn)為，為趕超國際先進(jìn)水平，充分發(fā)揮HIP技術(shù)在我國新材料研究和生產(chǎn)中的作用，應(yīng)重視以下幾方面的工作： 　　(1)在HIP技術(shù)的致密化基礎(chǔ)理論、凈成形技術(shù)、計算機(jī)軟件開發(fā)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(lián)系和協(xié)作，盡快縮小差距，力爭有所突破，為我國的HIP技術(shù)的發(fā)展奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。 　　(2)加強(qiáng)國內(nèi)HIP技術(shù)研究和應(yīng)用單位之間的交流，通過多種形式加強(qiáng)對HIP技術(shù)的介紹宣傳，使相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)對HIP技術(shù)有更多的了解，加快將HIP的實(shí)驗(yàn)研究成果轉(zhuǎn)化成工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。 　　(3)進(jìn)一步改進(jìn)和完善HIP設(shè)備，如增加爐內(nèi)裝料容量，開發(fā)大尺寸HIP設(shè)備，建立組合式結(jié)構(gòu)，以縮短生產(chǎn)周期等，提高設(shè)備利用率，降低生產(chǎn)成本，有效促進(jìn)HIP技術(shù)的推廣應(yīng)用。 　　5 結(jié)語 　　我國經(jīng)濟(jì)正處于穩(wěn)定增長的有利時期，材料領(lǐng)域的發(fā)展也有了一定的基礎(chǔ)和規(guī)模，提高硬質(zhì)合金、鎢鉬制品、稀有難熔金屬等產(chǎn)品的技術(shù)含量，開發(fā)更多、更好的新型產(chǎn)品更顯得尤為重要。有理由相信，通過科研技術(shù)人員的不懈努力，HIP技術(shù)在我國可得到快速發(fā)展，其研究和應(yīng)用將大有可為，前景廣闊。