热等静压技术和设备的应用与发展（二）

3 热等静压技术的主要应用 　　3．1 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℃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－热等静压工艺，又被称为低压热等静压或过压烧结。在烧结－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，随即通入压力为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。如对于单压源人造金刚石压机用的直径大于lOOmm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D113mm×92mm的硬质合金六面顶锤的平均使用寿命由原来的407次/个提高到次/个。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118kg、尺寸为D外285mm×D内66mm×l45mm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YGl5(WC-15Co)与钢基复合并在1050℃、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作中间过渡层，不但避免了η相的产生，断裂位置也发生了改变，即由界面处移至YGl5合金中，使材料的强度大为提高。 　　3．2 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2×104r/min提高到10×104r/min。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，对于82W-Ni-Cu(Ⅱ)合金，将烧结态制品在1120℃(即略高于合金中低熔点组分Cu的熔点1083℃)、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％o 　　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℃，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Ti6-A1-4V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)。 　　3．3 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问，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℃即获得相对密度高达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•mm1/2。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A1203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℃、压力为200MPa条件下烧结lh，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1750℃、压力为150 MPa条件下烧结lh，则可获得晶粒尺寸50nm左右、结构致密均匀的复相Si3N4／SiC纳米陶瓷。美国Rutgers大学通过烧结－热等静压工艺开展的有关Si3N4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面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问的冶金结合，使得该复合材料具有理想的结合强度和优良的综合性能。 　　4前景展望 　　近年来随着国际问交流合作的不断加强，HIP技术在应用开发和设备改进方面均不断取得新的进展。 　　经过30多年的努力，我国HIP技术从无到有、从小到大得到了迅速发展。在成形烧结、金属致密化及扩散连接等方面做了大量的研究开发工作，应用规模不断扩大。用于研究和生产的HIP设备由1980年的仅8台增至2000年的约80台，且随着对引进设备和技术的消化吸收，现已具备设计和制作“双两千”(即200MPa，2000℃)中型HIP设备的能力。但从总体水平分析，我国HIP技术与发达国家相比仍存在一定差距，主要表现为：HIP致密化过程的基础理论研究、净成形技术研究、计算机软件开发等方面，起步较晚，明显落后；应用水平较为有限，除在硬质合金方面的应用已具规模且较成熟外，高温合金、特种陶瓷及复合材料等领域的应用开发基本还处于试验阶段；HIP设备的设计制造水平，包括设备功能、自控水平、辅助系统的配套等，目前的差距也仍然较大。 　　笔者认为，为赶超国际先进水平，充分发挥HIP技术在我国新材料研究和生产中的作用，应重视以下几方面的工作： 　　(1)在HIP技术的致密化基础理论、净成形技术、计算机软件开发等研究方面，加大人力、物力的投入，密切与国外研究院所、制造公司的联系和协作，尽快缩小差距，力争有所突破，为我国的HIP技术的发展奠定坚实基础。 　　(2)加强国内HIP技术研究和应用单位之间的交流，通过多种形式加强对HIP技术的介绍宣传，使相关生产企业对HIP技术有更多的了解，加快将HIP的实验研究成果转化成工业化规模生产。 　　(3)进一步改进和完善HIP设备，如增加炉内装料容量，开发大尺寸HIP设备，建立组合式结构，以缩短生产周期等，提高设备利用率，降低生产成本，有效促进HIP技术的推广应用。 　　5 结语 　　我国经济正处于稳定增长的有利时期，材料领域的发展也有了一定的基础和规模，提高硬质合金、钨钼制品、稀有难熔金属等产品的技术含量，开发更多、更好的新型产品更显得尤为重要。有理由相信，通过科研技术人员的不懈努力，HIP技术在我国可得到快速发展，其研究和应用将大有可为，前景广阔。