中国粉体网讯 2021年，北美热处理协会公布了当前全球最具发展潜力的三大技术和工艺，分别为热等静压技术、氢燃烧技术和增材制造技术。热等静压技术正以其独特优势在越来越多的行业领域与新材料中得到应用，除可极大地提高材料及产品质量外，所带来的经济效益也受到各国的重视，各领先企业逐步开始布局全球热等静压市场。
热等静压技术概述
热等静压技术(Hot Isostatic Pressing，HIP)是一种通过惰性气体介质(如氩气、氮气)在高温(900~2000℃)高压(50~200 MPa)环境下对材料实施各向同等压力以达到致密化的工艺。
HIP起源于20世纪50年代美国Battelle研究所的核反应堆材料研发，通过高温高压环境实现材料致密化与缺陷修复。早期热等静压设备高压容器的端盖与缸体之间的连接以螺纹连接结构为主，存在安全性差、尺寸受限等问题。1965年瑞典ASEA公司采用预应力钢丝缠绕框架式结构制造高压容器，使设备承压能力和安全性大幅提升，为现代HIP的推广和应用奠定了基础。
随着热等静压装备性能的不断提高，HIP已日臻成熟，广泛应用于铸件致密化处理、粉末冶金烧结和复合材料扩散连接等领域，是生产制备航空、航天、航海等高端装备用零部件的先进生产工艺与手段，也是提升材料性能、保障装备可靠性的关键技术。
热等静压工艺流程
HIP工艺流程操作步骤依次为：首先将检查清理后的工件置于高压容器内，随后进行抽真空处理；接着执行预充气程序(氮气或氩气等惰性气体)并通过压缩机逐步加压，在压力稳定后启动加热系统提升容器温度；当温度与压力参数达到预设值时，进入恒温恒压保持阶段以确保工件充分受热受压；当工件完成高温高压处理后，先通过温控系统逐步降低炉内温度，随后进行泄压操作释放内部压力；最后取出工件并依次进行质量检测与必要的机加工。
HIP工艺流程
热等静压设备系统
据高端装备铸造技术全国重点实验室的研究人员介绍，热等静压工艺的实施依赖于高度集成的设备系统，其关键组件包括高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、储气罐、冷却系统及计算机控制系统。
热等静压装备系统示意图
高压容器作为核心装置，需同时承受高温(通常≤1500℃)与超高压(≤200 MPa)，其结构设计直接影响工艺安全性与可靠性。瑞典AVURE公司首创的预应力钢丝缠绕技术通过多层高强钢丝的等剪应力变张力缠绕，将容器壁中的应力分布均匀化，避免了传统非预应力结构因应力集中引发的疲劳破裂风险。
超高压容器采用高强度钢丝预应力缠绕结构未受力时为预紧压应力状态，受内压作用后仍处于压应力状态，且应力幅度较小，其疲劳抗力、承载能力都非常高，不易损坏，该技术已成为工业标准并推动热等静压设备的大型化与模块化发展。
热等静压装备制造现状
在热等静压装备制造领域，国外的制造厂商主要包括瑞典Quintus、比利时EPSI、美国AIP、英国Bodycote和日本神户制钢等。Quintus已从事HIP研究近80年，凭借着领先的预应力钢丝缠绕技术，已成为全球高温高压技术领域的标杆企业，其技术具有两大核心优势：
（1）超大型装备制造能力，研制出世界上最大的热等静压装备(有效热区直径为⌀2050 mm)；（2）均匀快速冷却技术(URC@)，能将一台中型HIP中的所有负载在不到30 min的时间内从1250℃冷却到300℃，进而缩短循环时间，提高生产率。
四川航空工业川西机器有限责任公司（隶属于中国航空工业集团公司）和钢研昊普科技有限公司(隶属于中国钢研科技集团有限公司)是我国热等静压技术自主创新的中坚力量，前者以军工品质见长，后者以材料装备协同创新著称。国内热等静压装备制造领域还包括：沈阳真空技术研究所有限公司、湖南维尚科技有限公司、湖南顶立科技股份有限公司等。
尽管目前国内已研制出有效热区1850 mm热等静压装备，但在有效热区尺寸、工作温度、工作压力等关键参数上较国外仍有一定差距。
热等静压技术的“特长”
热等静压致密化处理
HIP通过同时施加高温和高压，有效消除了铸件/增材制造件内部的缩松、缩孔等缺陷，使其材料致密化。热等静压处理后的铸件/增材制造件不仅力学性能得到显著提升，还改善了其抗疲劳和抗应力腐蚀性能，延长了使用寿命。
近几年随着对产品性能要求的提高，HIP致密化处理不仅仅限于铸件致密化，已应用于3D打印部件、喷射成形部件、高性能烧结部件等，材料体系从钛合金、高温合金拓展到镁合金、铝合金等，应用领域从航空航天到核电、石油、靶材等领域。
HIP致密化处理材料体系及应用领域
粉末冶金热等静压近净成形
粉末冶金热等静压近净成形技术结合了粉末冶金与热等静压的优势，通过高压和高温将金属粉体直接致密化为接近最终形状的零件，减少了后续机械加工的需求。该技术不仅提高了材料利用率，还显著缩短了生产周期。采用粉末冶金热等静压工艺制备零部件具有以下特点：
（1）材料利用率高：近净成形技术减少了材料浪费，提高了材料利用率。
（2）复杂形状制造能力：能够制造出传统方法难以加工的复杂形状零件。
（3）材料性能高：通过HIP处理，粉末冶金零件可达到或接近锻造材料的性能。（4）后续加工量少：近净成形技术减少了后续机械加工的需求，降低了生产成本。
（5）材料多样性：适用于多种金属和合金粉末，包括高温合金、钛合金等。
热等静压扩散连接技术
热等静压扩散连接技术是一种在高温高压惰性气体环境中，通过材料塑性变形和原子扩散实现两种或多种金属/陶瓷材料间的固-固、固-粉及粉-粉冶金结合的先进连接技术。相较于其他连接技术，该技术的核心优势在于：
（1）连接处微观结构均匀：无传统焊接的热影响区、气孔、裂纹等缺陷，组织均匀。
（2）连接处强度高：该技术能使材料交界处紧密结合且无缺陷，交界处性能与母材无差异；当连接同种性能材料时，因界面无液相生成，界面结合强度与母材相当；连接不同性能材料时，界面可实现良好冶金结合，且性能不低于两种材料中的较低者。
（3）适用性广：可连接陶瓷、金属化合物、非晶态材料等传统方法难以焊接的材料。
（4）几何适应性强：支持复杂形状零件连接，并实现严格尺寸控制。
（5）变形控制精准：材料宏观变形小，适用于精密装配。
正是由于具有以上诸多优点，热等静压扩散连接技术受到了广大科研工作者的关注。目前HIP扩散连接技术在核能、航空航天等工程中得到应用，尤其适合解决异种材料（金属、合金、非金属材料如陶瓷等）的连接问题。
热等静压技术的应用领域
航空航天
美国在军事与航空航天领域长期采用HIP技术，该技术被广泛应用于航天领域核心部件的制造，例如航天飞机发动机(SSME)、Atlas-3与Atlas-5火箭的钛合金涡轮泵、泵壳及阀体等关键构件。在军用航空领域，F-14战斗机的钛合金支撑杆与机身承力支柱、F-15战斗机的Ti-6Al-4V前锥以及F-18战斗机发动机的固定支撑框架均通过热等静压工艺实现高致密高性能成型。
英国发动机制造商罗尔斯罗伊斯(Rolls-Royce)与伯明翰大学合作，采用先进计算机数值模拟+HIP共同研发出航空发动机用钛合金压缩机外壳，这是目前公开报道的通过粉末冶金HIP研制的最大尺寸(直径约600 mm)的钛合金航空结构件。
钛合金航空发动机压缩机外壳
燃气轮机
燃气轮机叶片是重型燃气轮机最核心的部件，因为叶轮要长期在1400~1600℃的高温下稳定工作，这是一种对材料质量和性能都要求极高的工作环境，因此重燃机叶片都需采用高温合金材料制作。对于镍基高温合金而言，常规铸造工艺生产制备大尺寸构件时，会产生缩松、缩孔、气孔等内部缺陷，这些缺陷会显著降低构件的综合力学性能和服役可靠性，因此必须通过HIP工艺实现缺陷的闭合与材料致密化处理。
靶材制备
无论是金属靶材还是陶瓷靶材，纯度、致密度、均匀性都是靶材质量的核心指标，直接影响薄膜质量、溅射工艺稳定性及终端产品的可靠性。热等静压法制备靶材时，通过高温高压的协同作用，可将靶材密度提升至99.8%以上，并且可以消除材料内部残余应力，避免溅射过程中靶材开裂。同时粉末冶金+热等静压近净成形法可直接制备复杂形状靶材，减少后续机械加工工作量，减少了昂贵材料的浪费。在难熔金属靶材制备领域采用热等静压技术制备优势更加突出。
核能领域
在核能领域，国际热核聚变实验堆（ITER）项目中，HIP扩散连接技术得到了大量的应用，能够实现低活化马氏体CLF-1、316L、CLAM钢复杂结构冷却通道等同种材料的扩散连接，以及W/CuCrZr、Be/CuCrZr、Be/HR1钢、WNiFe/Cu等异种材料的扩散连接。
增材制造领域
热等静压技术可以说是3D打印（增材制造）行业最好的帮手，来自增材制造的各种零部件，都极大地受益于热等静压技术的支持。在3D打印快速成型的过程中，不可避免地出现内部缺陷，例如微小的孔洞和裂纹，这些缺陷的存在，都限制了3D打印材料的工业应用。热等静压技术作为3D打印后续处理步骤，可以消除3D打印制造中残留的缺陷，极大地提高产品的机械性能与使用寿命。
展望
据公开信息统计，全球大约有1800台以上的热等静压装备在运行。美国和日本占总数约65%，欧洲占约20%，中国占约10%。热等静压技术在中国目前正处于快速应用、普及阶段，且中国重视自主研发制造，已拥有独立设计开发、制造、运营、维修热等静压设备的能力，与国外先进水平差距正逐步缩小。未来，HIP在大型化、多样化、高效率、高性能及智能化等方面将得到快速发展。
参考来源：
[1]赵军，等：大型热等静压装备及技术的发展与应用，中国机械总院集团沈阳铸造研究所有限公司，高端装备铸造技术全国重点实验室
[2]车洪艳，等：热等静压技术在金属材料加工领域的应用及发展趋势，安泰科技股份有限公司
[3]吕周晋，等：热等静压技术在高品质难熔金属靶材制备中的应用，钢研昊普科技有限公司
（中国粉体网编辑整理/平安）
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