图1.电子束粉末床熔融Ti-6Al-4V材料采用热等静压工艺的缺陷消除效果[8]
作者：MagnusAhlfors–Quintus技术有限责任公司；美国俄亥俄州刘易斯森特
热等静压(HIP)是一种用以消除铸件、堆积制造(AM)部件和金属喷射成型(MIM)部件内部孔洞和缺陷(比如疏松)的工艺，目的是使材料达到%致密。缺陷的消除能够带来材料性能的改善，比如疲劳性能、蠕变性能、延展性和断裂韧性。[1-7]
热等静压工艺利用等静压气体的高压(高达30,磅/平方英寸或兆帕)和高温(高达3,°F/2,°C)来达到材料致密化的目的。许多不同行业——比如航空、医用植入体和石油天然气——都在各种应用中采用热等静压工艺。图1展示了采用X射线断层成像技术分析的粉末床熔融Ti-6Al-4V材料采用热等静压工艺的致密化效果。
热等静压与热处理的结合
热等静压以前只被用于材料的致密化和缺陷消除，而材料微观结构的任何改善和优化通常是在热等静压工艺之后采用另外的设备(比如真空炉)在一个单独的热处理步骤中来实现。这些工艺需要分开进行的主要原因是，传统的热等静压系统能够达到的冷却速度相对较低，难以满足许多材料的热处理对冷却速度的要求。
近年来，热等静压设备有了一个重要的进展，出现了采用超高压气体淬火的热等静压炉，使热等静压系统的冷却速度显著加快。热等静压工艺采用高压氩气进行强制对流冷却，能够达到极高的冷却速度。快速冷却和淬火系统使得许多传统的金属热处理能够直接在热等静压炉内进行。这样，就能够在同一套热等静压设备中一次性完成热等静压和热处理组合工艺。
将热处理结合到热等静压工艺中的主要目的在于，通过减少部件后处理的工艺步骤而节省时间和降低成本。图2示意了金属堆积制造部件的传统高温后处理流程，可以看到不同的热处理步骤都是分开进行的。
图2.堆积制造部件的传统高温后处理流程
这些步骤通常采用不同的设备，有时甚至是在不同的生产地点进行。直接在热等静压系统中进行快速冷却和淬火的可能性，使热等静压和固溶处理步骤得以在热等静压炉内同时结合实施。其他的处理，比如应力消除、时效或回火，也可以结合到热等静压工艺中。图3展示了与图2相同的部件可能采用的后处理组合流程。
图3.可能采用的高温后处理组合流程
热等静压与热处理结合的优点
通过将多个步骤直接结合到热等静压工艺中，能够消除部件从一台设备移送到另一台的停产时间。总有效周期时间也得以缩短，因为工艺步骤的结合取消了多次加热、保温和冷却。组合工艺的另一个优点是，部件加热(和冷却)次数的减少节约了能源。
从冶金学角度来说还有一个优点：组合工艺使部件处于高温的时间得以缩短，从而显著减少了晶粒生长。举例来说，如果2小时的热等静压和2小时的固溶退火合并在同一个工艺中，那么，采用组合工艺时材料处于高温的时间只有2个小时，而不像采用传统工艺那样需要4个小时。
热等静压炉的快速冷却和淬火
热等静压炉的极高冷却速度来自于高压容器内部的气体循环和高、低温气体的混合。在热等静压工艺的加热和保温阶段，高温气体保留在部件接受处理的高温区内。作为炉体结构的一部分，高温区周围有一道隔热屏障，用以保护高压容器免于受热。所以，高温区外面的气体温度要低得多。
在强制对流冷却阶段，高压容器内部的气体循环流动，在高温区的高温气体被排出的同时将外面的低温气体送入高温区。高温气体被外部采用水冷的温度很低的高压容器壁冷却，所以，在冷却阶段高压容器实际上起着热交换器的作用。图4给出了强制对流冷却热等静压炉和强制对流冷却阶段气体流动情况的示意图。
图4.快速冷却热等静压炉示意图
通过采用强制对流冷却技术，现代热等静压系统的气体冷却速度能够达到8,°F/分(4,°C/分)。
冷却速度极快并不是现代热等静压系统适合采用热处理的唯一原因。现代热等静压系统的灵活性也非常好，热等静压和热处理组合工艺可以不受限制地设置加热、保温、冷却和淬火步骤。这样，就可以为优化微观结构和材料性能而定制热处理工艺处方。图5展示了一种工具钢的热等静压和硬化处理组合工艺记录的数据。
图5.在热等静压系统中进行的工具钢热等静压和硬化组合工艺
热等静压与热处理结合实例
SX镍基超合金的热等静压和热处理组合工艺及其对蠕变性能的影响
德国的波鸿鲁尔大学针对一种SX镍基超合金ERBO1研究出一种热等静压和热处理组合工艺。[9]该合金属于CMSX-4类型，需要进行特殊的热处理，包括一步固溶退火和两步时效。在本研究中，对采用传统热处理工艺及热等静压和热处理组合工艺的合金微观结构和蠕变性能进行了比较和分析。
表1.热处理的技术数据
热处理的详细数据列于表1，热等静压和热处理组合工艺记录的温度曲线如图6所示。在真空炉内进行的传统工艺从固溶退火温度冷却的速度约为°F/分(°C/分)。同样的冷却步骤在热等静压系统中的冷却速度显著提高，约为2,°F/分(1,°C/分)。热等静压系统中的淬火在第一步时效温度下停止以进行直接时效，而无需首先冷却到室温。
图6.热等静压和热处理组合工艺的温度曲线
采用扫描电镜分析了两种工艺得到的微观结构，结果见图7a和b。组合工艺得到的伽玛/伽玛撇组织比传统工艺得到的微观结构更为细化，因为热等静压系统中的冷却速度要快得多。两种工艺的伽玛/伽玛撇体积分数相差无几。
图7.微观结构a)传统工艺b)热等静压和热处理组合工艺
通过对横截面金相样品进行图像分析，测量了材料的孔隙率。只进行热处理的传统工艺的孔隙率为0.%，而热等静压和热处理组合工艺消除了绝大部分孔隙，孔隙率仅为0.%。
在两个温度/应力条件下——1,°F/千磅/平方英寸(°C/兆帕)和1,°F/23千磅/平方英寸(1,°C/兆帕)——进行了两种工艺的蠕变试验，结果如图8a和b所示。组合工艺使蠕变寿命明显延长，在高应力条件下的蠕变速率也低于采用传统工艺。这是因为，采用组合工艺的材料孔隙率显著降低，加上热等静压系统中极高的冷却速度使伽玛/伽玛撇组织更为细化。
图8.两种工艺在a)1,°F/千磅/平方英寸(°C/兆帕)和b)1,°F/23千磅/平方英寸(1,°C/兆帕)条件下的蠕变数据
结语
现代热等静压技术为热等静压炉带来了快速冷却和淬火的能力，使得热等静压和传统的热处理能够合并在同一个工艺中。
热等静压与热处理的结合具有多项优点。工艺步骤可以减少，从而缩短总交付周期和降低工艺成本；工艺能耗也可以降低，因为减少了部件加热和冷却的次数；部件处于高温的时间得以缩短，这将显著减少晶粒生长和组织粗化。
如今的现代热等静压系统具有极大的灵活性，能够在30,磅/平方英寸(兆帕)的高压下以8,°F/分(4,°C/分)的极快速度冷却。这些特点使其能够对许多不同类型的材料进行热处理。
欲了解更多资料，请联系：MagnusAhlfors，Quintus技术有限责任公司应用和销售工程师，8GreenMeadowsDriveNorth,LewisCenter,Ohio；--；电子邮箱：magnus.ahlfors
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