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(shè)備的設(shè)計和控制費用昂貴，維護和操作也較復(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)還可實現(xiàn)硬質(zhì)合金與鋼基復(fù)合材料的擴散連接。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)粉末冶金國家重點實驗室的研究表明，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組分Cu的熔點1083℃)、150 MPa(傳壓介質(zhì)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(dǎo)電、導(dǎo)熱性。采用HIP對W-Cu進行處理，能消除材料內(nèi)部的孔隙，改善材料性能。 　　鉬是一種高熔點、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、力學(xué)性能優(yōu)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(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(zhì)量方面效果顯著。眾所周知，鈦具有比強度高、溫度適應(yīng)范圍寬、耐蝕性強等特點，是航空、航天工業(yè)中不可缺少的重要材料，如Ti6-A1-4V合金常用作飛機發(fā)動機過渡罩、發(fā)動機風(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_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)生表面強度的退化，甚至與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，失去補強增韌的作用。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)異的纖維或晶須補強陶瓷基復(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(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粒子補強A1203陶瓷進行熱等靜壓燒結(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行熱等靜壓處理,不僅可實現(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散作用將形成一層金屬陶瓷相，從而實現(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，HIP技術(shù)在應(yīng)用開發(fā)和設(shè)備改進方面均不斷取得新的進展。 　　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)展奠定堅實基礎(chǔ)。 　　(2)加強國內(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的實驗研究成果轉(zhuǎn)化成工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。 　　(3)進一步改進和完善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HIP技術(shù)的推廣應(yīng)用。 　　5 結(jié)語 　　我國經(jīng)濟正處于穩(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。