熱等靜壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用多年，是一種廣為人知且值得信賴的工藝，能確保材料適用于苛刻環(huán)境，目前正作為鑄造、金屬注射成型和增材制造等上游生產(chǎn)流程的核心技術(shù)加以運(yùn)用。
近年來，內(nèi)高壓熱處理（高壓熱處理）技術(shù)的發(fā)展帶來了一些有趣的進(jìn)展，在熱處理行業(yè)。
熱等靜壓（HIP）是消除關(guān)鍵部件材料缺陷并改善其機(jī)械性能的關(guān)鍵工藝，此前該工藝完成后需在另一臺設(shè)備中進(jìn)行熱處理；然而，如今在熱等靜壓容器內(nèi)進(jìn)行熱處理的新可能性，促使許多終端用戶為關(guān)鍵應(yīng)用開發(fā)新的工藝流程。
現(xiàn)代熱等靜壓（HIP）設(shè)備與傳統(tǒng)的熱處理市場極為契合，能夠進(jìn)一步改善材料性能，提供熱處理服務(wù)，并有機(jī)會控制熱等靜壓工藝流程，最終影響材料的微觀結(jié)構(gòu)。這項技術(shù)—許多原始設(shè)備制造商（OEM）已經(jīng)采用了這種技術(shù)，并將熱等靜壓（HIP）工藝納入了內(nèi)部生產(chǎn)。 為了在生產(chǎn)中獲得靈活性。
服務(wù)市場也呈現(xiàn)出顯著的增長態(tài)勢，這主要是由于現(xiàn)有的熱處理公司增加了產(chǎn)能，以滿足終端用戶的需求并擴(kuò)大其供應(yīng)范圍。
圖 1：線纏繞鍛造。?昆圖斯技術(shù)公司
圖 2：熱等靜壓壓力容器示意圖。?昆特斯技術(shù)公司
昆圖斯科技——潮流先驅(qū)
自20世紀(jì) 50年代首批專利問世以來，昆特斯技術(shù)公司一直是熱等靜壓市場的先驅(qū)。現(xiàn)代熱等靜壓設(shè)備通常在高達(dá) 2000攝氏度（3632華氏度）的工作溫度和高達(dá)207兆帕（30000磅/平方英寸）的壓力下標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行。
昆圖斯設(shè)備的壓力密封采用對鍛件進(jìn)行繞絲處理的方式，在薄壁鍛件中引入壓應(yīng)力，從而大幅增強(qiáng)其強(qiáng)度，同時防止鍛件本身出現(xiàn)任何可能的裂紋擴(kuò)展。在熱等靜壓循環(huán)過程中，使用繞絲框架將端蓋固定到位（見圖1和圖 2）。
該設(shè)計符合 ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第VIII卷第 3分冊、歐盟 2014/68/EU壓力容器指令、中國 TSG21-2016（適用于A1級壓力容器）、日本高壓氣體安全協(xié)會（KHK）審查的《高壓氣體安全法》以及韓國氣體安全局（KGS）審查的《高壓氣體安全控制法》的要求。
通常，將載荷處理在熔點(diǎn)的80%至90%，以促使材料產(chǎn)生蠕變、擴(kuò)散和微觀結(jié)構(gòu)的均勻化。在這種極端環(huán)境下，孔隙和其他內(nèi)部缺陷得以修復(fù)，從而顯著提高機(jī)械性能并減少性能差異。
不過也有一些例外情況，比如陶瓷和某些金屬（如鈦），出于其他原因會在遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行處理。大多數(shù)金屬是在鉬爐中進(jìn)行處理的，這種爐子的設(shè)計溫度可達(dá)1400攝氏度（2552華氏度）。
傳統(tǒng)熱等靜壓最大的應(yīng)用領(lǐng)域一直是航空航天業(yè)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)業(yè)等對疲勞抗力有極高要求的行業(yè)中的鑄件致密化。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，使得熱等靜壓在從骨科植入物到賽車和火箭發(fā)動機(jī)等各種苛刻應(yīng)用領(lǐng)域中確保材料性能的需求不斷增加。
熱等靜壓是一種間歇式工藝，零件通過裝料籃或裝料臺裝入爐腔，具體取決于零件尺寸和客戶要求。出于提高生產(chǎn)效率的考慮，操作人員通常會使用兩個裝料臺，以便在進(jìn)行一個加熱周期的同時裝卸零件。
與其它間歇式爐一樣，每批零件所處的環(huán)境取決于材料、所用氣體、裝料的清潔度、爐具以及操作程序。裝料密封并加壓后，進(jìn)行排氣和真空循環(huán)用于在加壓前去除水分和雜質(zhì)，以確保環(huán)境正確。通常使用 4.8的氬氣，不過對于某些材料，氮?dú)庖渤１皇褂谩?/span>
爐體設(shè)計
對于爐體的建造，有幾種基本的材料選擇。通常，當(dāng)爐溫高于1400攝氏度（2552華氏度）時，石墨是首選材料，而低于此溫度時，鉬則是主要選擇。
昆圖斯科技專注于風(fēng)扇驅(qū)動的對流，以確保在加熱、恒溫及冷卻過程中溫度的均勻性。不僅氣體在載荷周圍和內(nèi)部強(qiáng)制流動，使載荷均勻受熱，而且還能將氣體導(dǎo)向較冷的表面，使載荷均勻冷卻并加快冷卻速度（見圖3）。
實現(xiàn)精益生產(chǎn)的現(xiàn)代特性
昆圖斯熱等靜壓容器采用繞線式設(shè)計，便于在靠近壓力容器鍛件處增設(shè)冷卻通道。冷卻液用于確保繞線溫度低于設(shè)計溫度，從而保持其強(qiáng)度。同樣的冷卻回路可用作熱交換器，從圓柱形容器及其中的負(fù)載中移除熱量。通過加快對流和提高熱傳遞效率，增強(qiáng)了熱量移除效果。因此，風(fēng)扇對于提升熱處理能力至關(guān)重要。昆特斯技術(shù)公司于20世紀(jì) 80年代率先采用這種風(fēng)扇技術(shù)，該技術(shù)被稱為均勻快速冷卻或 URC?。
那么，現(xiàn)代髖關(guān)節(jié)冷卻有效載荷的速度有多快？
如今，較大的昆圖斯生產(chǎn)型熱等靜壓設(shè)備能夠以每分鐘超過200攝氏度（360華氏度）的速度冷卻負(fù)載材料，而專注于增材制造和鎳基高溫合金的小型設(shè)備則能夠達(dá)到每分鐘超過 8000攝氏度（每分鐘14432華氏度）的冷卻速度。
因此，昆特斯技術(shù)公司的生產(chǎn)設(shè)備在熱等靜壓循環(huán)的冷卻階段與油淬火的速度相當(dāng)甚至更快。這為在熱等靜壓過程中對材料進(jìn)行加壓淬火提供了巨大的機(jī)會。每個熱等靜壓循環(huán)由若干步驟組成，這些步驟被編入一個程序序列，包括：裝料；真空循環(huán)（以去除氧氣等污染物）；加熱，包括加壓、保溫、冷卻、減壓和卸料。
最初，高速冷卻技術(shù)的開發(fā)旨在通過縮短冷卻步驟來提高生產(chǎn)效率，從而縮短熱等靜壓（HIP）周期。與傳統(tǒng)冷卻方式（或關(guān)閉加熱器，讓容器自然冷卻）相比，通常能大幅縮短冷卻時間。冷卻時間會因合金種類、起始溫度、容器大小以及負(fù)載量的不同而有所差異。圖4展示了均勻快速冷卻（URC?）技術(shù)。
高溫高壓熱處理，HPHT
在熱等靜壓致密化循環(huán)中，能夠快速冷卻并在保溫時間結(jié)束后控制冷卻速率，這對于熱處理行業(yè)而言是一項重大且關(guān)鍵的發(fā)展。這使得將多個熱處理步驟合并為一個步驟成為可能。
在壓力下同時進(jìn)行的熱等靜壓（HIP）工藝已特別受到增材制造（AM）領(lǐng)域的關(guān)注，同時也適用于鎳基高溫合金及其他鑄造材料的微觀結(jié)構(gòu)定制。在熱等靜壓過程中加熱工件時，會消除應(yīng)力，這使得一些公司能夠在增材制造的構(gòu)建板上直接處理材料，從而省去一道工序，并避免零件在拆卸過程中出現(xiàn)裂紋或變形。
對于易裂材料而言，在增材制造構(gòu)建板上直接進(jìn)行熱等靜壓處理尤其具有吸引力。熱等靜壓的保溫溫度通常等于或略高于固溶熱處理（SHT）溫度，因此，工件可以在開始冷卻前冷卻至所需的固溶熱處理溫度，也可以直接從熱等靜壓保溫溫度冷卻。這取決于合金的種類以及材料所需的性能。
在現(xiàn)代熱等靜壓設(shè)備中，通過風(fēng)扇控制以選定的冷卻速率將材料從SHT溫度冷卻下來是完全可行的，如果需要，還可以在隨后的時效處理前在選定的溫度停止冷卻。在熱等靜壓容器內(nèi)進(jìn)行的這種組合或集成熱處理方法被稱為高壓熱處理（HPHT）。
圖 8：在 150MPa（左）和 50MPa（右）條件下有限元建模，展示了壓力對熱傳遞系數(shù) HTCα 的影響。[1]
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近期發(fā)展
導(dǎo)向冷卻
在高溫高壓（HPHT）工藝的可控性方面，目前出現(xiàn)了幾個有趣且重要的進(jìn)展，這些進(jìn)展已成為許多相關(guān)討論的核心內(nèi)容。尤其重要的是，HPHT工藝在調(diào)整和定制微觀結(jié)構(gòu)方面的適用性。通過使用負(fù)載熱電偶（LTC），可以控制熱等靜壓（HIP）設(shè)備的加熱和冷卻速率，根據(jù)實際材料溫度設(shè)定冷卻速率。當(dāng)考慮熱等靜壓負(fù)載中不同厚度的部件時，這一點(diǎn)尤其引人關(guān)注。因此，可以對機(jī)器進(jìn)行編程，使其在閉環(huán)控制中根據(jù)最厚的部件，通過LTC來控制材料芯部的冷卻速率（見圖 7）。更高的壓力會帶來更快的冷卻速度。
熱等靜壓（HIP）壓力對熱處理效果的影響
在近期的研究中，已證實了傳熱系數(shù) HTCα 的存在。利用這一知識，可以針對特定機(jī)器、特定零件幾何形狀以及熱等靜壓參數(shù)集（壓力、溫度、冷卻速率）對冷卻速率進(jìn)行建模。然后，可以通過實際循環(huán)中的定向冷卻來驗證該模型。使用壓力可改善熱傳遞，熱等靜壓壓力的提高會增加熱等靜壓過程中的冷卻速率，因此可以模擬各種情況。這一點(diǎn)在文中得到了證明。
圖 8所示的有限元模擬（FEM）中，相同冷卻速率下的情況
渦輪葉片已在 150兆帕的壓力下建模。
因此，簡而言之，使用更高的壓力可以更快地冷卻部件。
定制化髖關(guān)節(jié)置換術(shù)周期
通過調(diào)整熱等靜壓（HIP）工藝周期來改善材料性能是一個令眾多公司頗感興趣的新領(lǐng)域。由于現(xiàn)代熱等靜壓和高溫高壓（HPHT）工藝具有出色的可控性，因此可以為特定材料性能定制加熱、保溫和冷卻周期。這是一個研究廣泛的領(lǐng)域，尤其對于那些需要高冷卻速率或冷卻范圍極窄的材料而言。瑞典西海岸大學(xué)Goel等人近期的研究工作就是一個很好的例子，他們展示了通過定制 HIP工藝周期，可以將電子束熔化（EBM）生產(chǎn)的 IN718標(biāo)準(zhǔn) 24小時熱處理周期縮短11小時，同時還能改善材料性能。
髖關(guān)節(jié)置換術(shù)適用于哪些情況？
自20世紀(jì) 60年代中期熱等靜壓（HIP）作為一種工業(yè)工藝被引入以來，所有現(xiàn)代冶金工藝都已廣泛采用該技術(shù)。鑄件材料的熱等靜壓處理主要用于消除氣孔和提高疲勞抗力。
工業(yè)穩(wěn)健性
熱等靜壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用多年，是確保材料適用于苛刻環(huán)境的知名且可靠工藝。引入包括熱處理步驟在內(nèi)的下一代技術(shù)，是進(jìn)一步定制生產(chǎn)流程和縮短產(chǎn)品交付周期的一種方式。這正越來越多地被用作一項核心技術(shù)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，并消除諸如鑄造、金屬注射成型和增材制造等上游生產(chǎn)流程中產(chǎn)品質(zhì)量的不確定性。
對于所有生產(chǎn)流程而言，精益生產(chǎn)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和實現(xiàn)最大生產(chǎn)力的關(guān)鍵。減少浪費(fèi)和提高產(chǎn)量始終是重點(diǎn)，但僅僅增加上游產(chǎn)能可能并非良策。將具備熱處理能力的熱等靜壓（HIP）作為生產(chǎn)鏈的一部分，能夠通過降低成品率損失、物流成本和質(zhì)量相關(guān)成本來促進(jìn)穩(wěn)健且精益的生產(chǎn)流程。
[3] 免責(zé)申明：所有信息均源于網(wǎng)絡(luò)，本公眾號致力于打造分享國外高端精密鑄造技術(shù)等相關(guān)資訊及經(jīng)驗交流平臺，相關(guān)內(nèi)容僅供參考學(xué)習(xí)，所有轉(zhuǎn)載及匯編內(nèi)容，均不代表本公眾號贊同其觀點(diǎn)，不能完全保證其真實性。
