摘要：提高技术的安全性和效率并最大程度地减少对环境的影响，这一目标的实现，往往直接取决于材料的开发。热等静压技术（HIP）几十年来一直处于这一领域的前沿。最近的技术进展提高了HIP技术制造零件的生产效率并降低了成本。钼金属部件对热等静压炉的性能至关重要。

       热等静压装置是一个内置于压力容器内的炉子，它最初是在20世纪50年代为了从石墨制造人造钻石而开发的，现在用于一系列关键的高性能应用领域。热等静压装置可以产生高达2000°C的温度和两倍于海洋最深处的压力来加工部件和材料。将工件置于80%-90%的材料熔化温度和压力之下，可将材料任何内部的孔隙和裂纹封闭，并使微观结构均匀化。


传统的HIP应用

       大多数金属部件由标准化的棒材和板材制造，然后经过热成形或冷成形、焊接、机加工等步骤生产出最终的构件。这种部件制造方法适用于绝大多数的应用。但在有些情况下，上述制造方法不经济甚至不可行。比如材料不可焊接或无法机加工、材料昂贵或无法采用传统工艺生产、部件形状复杂等等。对于这些情况，已经开发出专门的生产方法如铸造、粉末冶金（PM）和增材制造（AM，也称为3D打印）。这些工艺跳过大部分或所有的常规步骤，从一开始就生产出所谓的近净成形（NNS）部件。

       传统上采用热等静压工艺来降低铸件、压制烧结部件、金属注射成形粉末冶金部件以及增材制造零件的孔隙率。这是产生致密化NNS部件必不可少的一个加工步骤。它还用于通过扩散粘结的方式将不同的材料进行连接，例如将一层高成本、高性能的材料复合到成本较低的基材上。

铸件被放入HIP装置中©Bodycote

       热等静压技术是提高材料性能如韧性和疲劳寿命的一种经济有效的工艺方法。HIP可提高材料和部件的安全性和可靠性，延长其使用寿命，并降低操作过程中发生故障的危险。它甚至可以'修复'已在使用中但有一些内部损伤的部件。例如，涡轮机叶片在运行中形成气孔，可以通过HIP工艺封闭这些气孔使其恢复正常，重新投入使用。

一个AM零件在HIP加工之前(左)和之后(右)的状况 ©Quintus Technologies公司

       NNS部件由于工艺的原因通常必须处理内部的空隙、气孔和裂纹。这些缺陷会降低材料的强度、延展性和冲击韧性，以及抗疲劳和抗蠕变性能。通过热等静压封孔可显著改善材料性能。如上图所示。

      一般大型HIP装置由一些专门的服务供应商运营，用于航空航天、石油和天然气、汽车、工具、电子、发电和医药等许多行业。HIP制造的零件包括医用植入物、高强度切割工具和燃气轮机的关键部件。

 
HIP/热处理组合

      在过去，热等静压工艺是一个相对缓慢的过程，不仅由于工艺步骤本身，而且因为容器（和其中的热等静压零件）可能需要数小时才能冷却下来。但是，许多材料在退火后需要快速冷却或淬火，接着进行进一步的热处理以达到所需的性能。这些步骤通常是外包的，增加了交货时间和成本。

      一家老牌公司Quintus的工程师，在HIP装置中通过创新的钢丝缠绕设计克服了上述限制，使薄壁压力容器成为可能，该设计最初于1950年代出现。薄壁压力容器十分坚固，足以承受较高的工作压力，并且非常安全。钢丝缠绕容器的重量减轻，可以实现从工作温度的快速冷却甚至淬火，从而大大扩展了其用途。

       现代热等静压装置结合了热等静压和热处理的优势，可在一个容器中进行受控冷却，缩短循环时间，提高制造热等静压零件（也需要热处理）的生产效率。例如，用于涡轮喷气机部件的高强度、耐腐蚀镍基超级合金IN718通过在金属基体中析出第二相而硬化。经热等静压处理后，部件需要在1000℃左右进行固溶退火，随后快速冷却。然后分两步对材料进行时效处理，以受控制的方式沉淀硬颗粒。

       在HIP装置中直接加工材料可以减少外包热处理的运输时间及费用，缩短炉子的等待时间，减少额外的库存成本。

       这些工艺进步可能成为快速发展的增材制造（AM）技术成功的关键，在增材制造中，HIP已成为修复材料内部缺陷的标准工艺。例如，一家AM制造商能够在几小时内（而非几周）在其HIP装置中完成所有的热处理，整个制造过程都在AM制造中心内部完成。


HIP装置为什么采用钼？

       钼的熔点高达2623°C，在高温下具有高强度，成本比其他材料低，是热等静压炉的首选材料。加热元件、隔热罩、炉架和其他内部设备等主要均由钼合金制成。

典型的热等静压炉的内部 ©Quintus Technologies

       新型HIP炉具有热处理和快速冷却功能，它采用了热循环，由于热膨胀应力的存在，不可避免地对加热元件和其他内部构件产生了压力。钼的热膨胀系数低，导热率高，两者相结合可最大程度地降低热循环应力，使这些复杂的HIP炉具有较长的使用寿命。

       用于金属增材制造的中小型HIP装置是增长最快的HIP应用市场。设有内部AM中心的原始设备制造商（OEM）和为第三方生产3D打印零件的独立AM都在采购这些装置。随着增材制造技术的发展，不少公司从原型设计向生产模式转变，他们意识到公司拥有自己HIP装置所带来的经济利益和知识产权利益。如此配置可以优化其特定产品的性能。

现代HIP装置，钼制成的HIP炉在图片中央的压力容器中。压力容器位于黑色拱形框架内
©Quintus Technologies

       随着对HIP加工需求的急剧增长和周转时间的加快，热处理公司也开始涉足这一行业。他们正在通过增加HIP设备成为AM热处理的一站式工厂，来扩展他们的产品，方便客户的物流。较小的装置更加灵活，能够以更快的周转时间和定制的热处理周期来运行。然而，随着AM逐渐发展为同时生产更多零件，预计未来将需要具备高压热处理能力的大型容器。 钼一直在支持HIP技术的发展，并将随着行业的发展而继续发挥其重要作用。