热等静压致密化处理服务

热等静压致密化处理服务

Hot Isostatic Pressing Densification Services

    等静压成型技术是将待压试样粉体置于高压容器中，利用液体或气体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压，当液体介质通过压力泵注入压力容器时，根据流体力学原理，其压强大小不变且均匀地传递到各个方向。此时高压容器中的粉体在各个方向上受到的压力是均匀的和大小一致的。通过上述方法使瘠性粉料成型为致密坯体的方法称做等静压法。等静压技术是一种能够为制品提供各向同性、超高成型压力的成型技术。按成型温度的不同，可分为热等静压(HIP)、温等静压(WIP)及冷等静压(CIP)三类。

   热等静压（hot isostatic pressing，HIP）是一种利用高温高压同时作用使金属或陶瓷制品经受各向同等压力从而使制件得以烧结和致密化的工艺技术。它具有化学成分稳定、力学性能各向同性、结构适应性好、成本较低的优点。2021年，在全球热处理行业具有代表性的北美热处理协会将热等静压技术与氢能技术、增材制造技术列为最具发展潜力的三大技术和工艺。

恒鼎材料现有设备：

热等静压设备RD-1250

热等静压设备RD-750B

热等静压设备RD-650

热等静压设备RD-400

设备性能对比：

    材料服役过程中，材料内部残留的孔隙和微小裂纹既是断裂萌生点，也是磨损和腐蚀萌生点。在飞机发动机，核反应堆，重型燃机等复杂工作环境中，一旦材料发生断裂失效，将造成极严重的后果。而经过热等静压处理，材料内部组织结构发生致密化，孔隙和缺陷全部消失，形成了均匀致密的整体，极大的提高材料的耐磨、耐腐蚀性，机械性能及疲劳强度。

   在铸造工艺中，由于材料冷却时温度扩散不均匀会产生内部疏松、偏析、缩孔、微裂纹等工艺固有缺陷，降低材料性能、使用寿命和稳定性。同样，在金属注射成型和3D打印工艺中也存在着材料内部结构疏松，残留部分缺陷的问题。

01.

3D致密化处理/增材制造

3D打印

3D Printing 

   物体成型的方式分为三种:去除成型、添加成型和净尺寸成型。

   3D打印属于第二种，实际上，传统工艺的连接与焊接、安装、涂装、固化等等都是添加成型的方式。去除成型和净尺寸成型（如：浇铸、锻造）都是传统加工成型方式，发展已经很多年，技术很成熟，标准比较统一，目前HIP技术现已在硬质合金烧结、钨铝钛等难熔金属及合金的致密化、产品的缺陷修复（比如3D打印金属零件）、大型及异形构件的近净成形、复合材料及特种材料的生产加工等方面得到了广泛应用

    热等静压可以消除内部缺陷。正如上面所讲，热等静压在3D打印领域中的应用就是为了消除最终零件内部的缺陷。如图所示，是热等静压前后的对比金相照片，左图中黑色“块”和“条”是3D打印过程中形成的气孔和未熔合缺陷，经过热等静压后的右图中没有发现较大的缺陷。

    通过热等静压使铸件或3D打印件内部的孔隙和缺陷消除，极大提高材料致密度和综合性能。

02.

金属注射成型

金属注射成型

Metal Injection Molding，MIM

金属注射成形(Metal Injection Molding，简称MIM)是一种从塑料注射成形行业中引伸出来的新型粉末冶金近净成形技术，众所周知，塑料注射成形技术低廉的价格生产各种复杂形状的制品，但塑料制品强度不高，为了改善其性能，可以在塑料中添加金属或陶瓷粉末以得到强度较高、耐磨性好的制品。近年来，这一想法已发展演变为最大限度地提高固体粒子的含量并且在随后的烧结过程中完全除去粘结剂并使成形坯致密化。这种新的粉末冶金成形方法称为金属注射成形。

    金属注射成形的基本工艺步骤是：首先是选取符合MIM要求的金属粉末和粘结剂，然后在一定温度下采用适当的方法将粉末和粘结剂混合成均匀的喂料，经制粒后在注射成形，获得的成形坯经过脱脂处理后烧结致密化成为最终成品。

   注射成形的目的是获得所需形状的无缺陷、颗粒均匀排由的MIM成形坯体。首先将粒状喂料加热至一定高的温度使之具有流动性，然后将其注入模腔中冷却下来得到所需形状的具有一定刚性的坯体，然后将其从模具中取出得到MIM成形坯。这个过程同传统塑料注射成形过程一致，但由于MIM喂料高的粉末含量，使得其注射成形过程在工艺参数上及其它一些方面存在很大差别，控制不当则易产生各种缺陷。

   烧结是 MIM工艺中的最后一步工序，烧结消除了粉末颗粒之间的孔隙．使得MIM产品达到全致密或接近全致密化。MIM产品由于形状复杂，烧结收缩大，大部分产品烧结完成后仍需进行烧结后处理，包括整形、热处理（渗碳、渗氮、碳一氮共渗等），表面处理（精磨、离子氮化、电镀、喷丸硬化等）等。

  热等静压通过各方向等温度、等压力能够很好满足MIM所需的致密化效果，在高温下金属材料强度极低、塑性极好，有孔洞区域的金属受到外界气体压力的作用发生塑性变形，孔洞区域金属相互接触发生冶金结构使孔洞消失，消除最终成品内部孔隙，增加表面光洁度。

03.

金属喷射成形

金属喷射成形

Metal Spray Deposition Technplogy

   金属喷射沉积技术（Metal spray deposition technplogy）简称喷射成形（Spray-forming）喷射沉积（Spray-deposition），有时也称为喷射凝铸、液体动态固结和可控喷射沉积，在商业上统称奥斯普瑞工艺，金属喷射沉积技术是20世纪60年代产生并经过几十年的发展而逐渐成熟的一种快速凝固技术，在21世纪冶金三大前沿技术-熔融还原、近终形加工和半固态加工技术中，喷射成形技术作为一种半固态近终形加工技术，备受国内外广大研究者的青睐，金属喷射沉积技术包括金属熔化、雾化和沉积3个过程，即将融化后的液态金属，直接雾化为荣地颗粒，沉积在具有一定形状的收集器上，从而获得大块整体致密化达到理论密度的99%的金属实体，整个过程都需要在一个密闭炉中完成。

  喷射成形基本过程是将液态金属在受保护性气体中雾化，形成液滴喷射流，经过飞行冷却，在半固态时沉积在收集器上，形成致密坯。喷射成形的主要特征是化学成分无宏观偏析，微观组织精细，致密度高。喷射成形作为新一代凝固技术，适用于高合金化和大规格坯的制造，可作为新一代高性能合金和大规格构件的生产技术平台。同时喷射成形技术也具备精细化成形的开发潜力。

    喷射成形技术是生产合金材料的先进技术，该技术是利用喷射成形设备将液态金属雾化，并形成微米级颗粒喷射流，在半固态时高速沉积到收集器上凝固成形，凝固速率是传统铸造的一千倍。采用喷射成形技术制造出来的铝合金性能更为优异，稳定性也更好，能够消除宏观偏析、适用于合金含量大规格，因而可以广泛提高合金材料的各种性能和规格。

    由于喷射成形技术不受合金含量限制，可以生产任意配方的合金材料，不仅为合金材料生产提供技术，还能为合金材料开发提供平台。喷射成形技术实现产业化，大幅提升了中国合金材料的性能。

    随着中国喷射成形技术不断完善，高性能合金材料还将满足更多领域的需求。

    采用喷射成形制造的产品经过热等静压后，可有效解决传统技术存在的难以熔铸、无法锻造、偏析严重等问题，可有效消除宏观偏析、使组织均匀细致、晶粒细小，消除内部铸态组织，弥合微小孔隙，提高合金化程度。

04.

铸件致密化

铸件致密化

Densification of Castings

热等静压技术利用高温高压同时作用使物料经受三向等静压制的工艺技术，可以有效消除钛合金、铝合金和高温合金等铸造产品内部的孔洞类冶金缺陷，目前对航空航天用中药精铸件进行热等静压处理已经成为国际上的通用做法，作为必要的工序固定下来。关于热等静压对铸件产品输送等冶金缺陷闭合效果及对合金的综合力学性能的影响已经得到了广泛研究，具体合金的热等静压处理工艺也相当成熟，对各种不同合金才来哦铸件进行热等静压处理，可以闭合逐渐内部的显微疏松和均匀合金组织，使铸件的综合力学性能，尤其是疲劳性能及力学性能的稳定性显著提高，大大提高了铸件使用的安全性和可靠性。

    铸件产品的热等静压致密化机理研究的比较少，其内部气孔和输送缺陷与粉末冶金产品致密化最后阶段的孔隙参与有着本质上类似之处，连着均为封闭、互不连通的小孔；随着致密化过程的进行，这些小孔在三维尺度上减小，达到全致密化。当铸件内部存在一个大的孔洞缺陷时，在较大的应力作用下会发生塑性屈服过程，塑性屈服是一个快速过程，当外压超过孔洞处所能承受的屈服强度时，用壳层模型可以导出孔洞周围的金属发生塑性流动的最低外应力需要满足以下公式：

    直接的塑性流动变形停止后，在应压力作用下，疏松和气孔等缺陷的消除途径包括：通过晶格扩散或晶界扩散在晶界湮灭，沿位错管道扩散到晶界，通过刃型位错而消失。上述作用机制较缓慢，一般在这种应力作用下的晶格和晶界扩散叫做扩散蠕变，这种入编与位错关系不大，变形主要由应力作用下物质的定向流动造成。

    在热等静压的作用下，内部为空不会发生在魔种方向上占优势的变形，而只能经受各项均匀的压缩，这种压缩过程不可能导致原子间距的减小。一种可能得孔隙减小机理是单个原子在热运动的影响下溢出表面，而后沉积在孔隙内表面。在热等静压处理中，铸造件要在增压升温环境中停留指定时长。此举可使得周围的材料流入内孔并扩散，以消除孔隙。利用高纯度的惰性气体施加压力，因此，铸造零部件并不会受到影响。

    热等静压铸件致密化的优势：

    热等静压处理提高了产品的一致性，降低了机械性能的偏差。

   尽管铸造件的性能改善取决于初始铸态品质等诸多因素，但此工艺可将材料的抗拉强度和弹性极限提高约5%，塑性提高约50%。

    与类似的可锻合金相比，经热等静压处理后，材料的疲劳性能大幅提高，疲劳寿命提高了十倍。

    冲击强度、韧性及机械加工面表面光洁度均得到了提高。

    性能提高后，铸造件可应用在新的领域中并/或重新设计零部件，得到更具经济优势的解决方案。

    热等静压处理可通过消除孔隙去除疲劳裂纹萌生区域。