姜卓钰, 1990年出生, 硕士研究生, 主要从事树脂基复合材料成型相关研究。E-mail:
主要阐述了等静压技术在金属、金属基复合材料、无机非金属材料以及聚合物材料等领域的应用现状,分析了等静压技术与3D打印复合成型技术的发展趋势,介绍了国内外等静压仿真模拟技术的研究进展,并对等静压技术的发展趋势提出展望。
The status of applications such as HIP technology in the fields of metals, metal matrix composites, inorganic non-metallic materials and polymer materials is discussed, and the simulation technology of the isostatic pressing is reviewed. At the same time, the development trend of composite molding process of the isostatic pressing technology and 3D printing technology is analyzed, and the future of isostatic pressing techniques is prospected.
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[
HIP用于金属及金属基复合材料的成型或后处理时,能够有效地去除铸件内部的缺陷,减少制件内部的裂纹,提高产品性能,因此该技术在金属材料成型方面的研究及应用较为广泛,同时等静压成型的仿真技术、复合成型技术的出现等使得HIP成型工艺更趋于完善。
金属材料的HIP成型过程中,HIP工艺参数及顺序的变化会对产品的性能和微观结构产生较大的影响,现阶段对于这部分内容已有较多的研究,研究对象涉及ZTC4钛合金、镍基合金、ZLSi7Cu2Mg合金、DD3单晶高温合金等多种金属材料,关于不同工艺条件对材料力学性能、微观结构等的影响机理的探究也较为深入。
杨伟光[
除了金属材料外,HIP在金属陶瓷复合材料的成型中也具有广泛的应用。顾嘉文[
J. Echeberria[
等静压烧结后复合材料相对于无压烧结复合材料硬度/断裂韧度的变化
Relative change of hardness/fracture toughness of HIP-ed specimens with respect to hardness/fracture toughness of PS composites
近年来,在金属及非金属材料的连接、复合以及多孔材料的氮化处理、悬浮熔炼、消除气孔等方面,HIP技术也取得了重大突破[
有无HIP处理时K4169薄壁铸件的性能对比[
Performance comparison of thin walled K4169 castings with or without HIP-ed
国内外关于金属HIP成型时,工艺参数、工艺顺序及其复合材料组分的变化等对材料微观组织结构和宏观性质影响规律的研究较为深入,掌握了系统的研究方法,获得了较为丰硕的研究成果。在生产过程中,将HIP成熟地应用于金属及金属基复合材料的成型及其后处理中,制造出了能够满足高端领域使用要求的产品,
HIP成型或处理制件
HIP-ed molding and processing samples
HIP技术在金属成型及后处理中的应用现状[
Applications of HIP technology in metal forming and post-processing
应用领域 | 目的 | 涉及到的材料 |
铸件致密化 | 消除内部宏观 |
镍基、钴基高温合金,钛合金, |
HIP处理粉 |
获得全致密材料并 |
WC-Co硬质合金,铍合金 |
HIP制备粉 |
获得全致密材料并避免 |
高速钢,陶瓷, |
扩散连接 | 同种或异种材料 |
铜和钢扩散连接,镍基合金和钢 |
金属材料的等静压成型技术日益成熟,产品的近净成型成为等静压成型的趋势,有限元模拟理论的建立对于实验过程中包套及制品的设计具有重要的意义,为等静压近净成型技术提供了理论基础。目前常用于模拟分析的软件包括ABAQUS、MSC. MARC及ANSYS等。由
MSC. MARC,ABAQUS及ANSYS软件对比[
Comparison of ABAQUS, MSC. MARC and ANSYS software
对比项 | MARC | ABAQUS | ANSYS |
非线性度 | 高 | 高 | 低 |
处理接触问题 | 较强 | 强 | 低 |
网格划分便利度 | 较强 | 强 | 较强 |
结构优化设计 | 较强 | 较强 | 强 |
耦合性 | 较强 | 较强 | 强 |
二次开发 | 较强 | 较强 | 强 |
压制分析能力 | 强 | 较强 | 弱 |
接触问题 | 较强 | 强 | 强 |
界面菜单 | 弱 | 强 | 强 |
近几年来,对于金属等静压成型模拟仿真的研究也逐渐增多,华中科技大学史玉升团队在金属CIP/HIP成型的仿真模拟及近净成型方面进行了大量的研究[
目前国内外关于等静压成型模拟技术的研究较为完善,通过ABAQUS和MSC. MARC软件能够对CIP/HIP成型过程中制件的体积收缩情况及密度、应力分布情况等问题进行有效的分析,为近净成型技术提供了理论基础。
选择性激光烧结技术(SLS) 是一种常用的3D打印成型技术,其较多地应用于金属粉末的快速成型,但仅通过SLS技术制备的金属零件的致密性及力学性能较差,严重地限制了该技术的广泛应用。近些年逐渐地出现了将SLS技术与HIP结合的复合成型技术,何禹坤[
选择性激光烧结工艺过程示意图[
Schematic diagram of selective laser sintering process
采用SLS/CIP/HIP技术成型的齿轮[
Gear parts molded by SLS/CIP/HIP technology
综上所述,国内外对金属及金属基复合材料HIP成型的研究较为完善,相关的模拟仿真技术比较成熟,其研究成果有效地指导了产品成型工艺的制定及模具的设计,制备出了理想的产品。同时,激光烧结技术与HIP工艺的结合拓展了两者的应用范围,使得HIP能够广泛地应用于金属及其复合材料的成型中。
金属HIP成型是通过高温高压的作用使金属熔融并形成致密产品的过程,而无机非金属材料的等静压成型机理有所不同,如石墨、陶瓷等。石墨等无机非金属材料的等静压成型较多的是采用CIP成型,烧结后处理的成型工艺。如
金属和石墨等静压工艺流程对比[
Comparisons of HIP processes of metal and graphite
在陶瓷的等静压成型中,也有部分研究中采用CIP成型后烧结的方法制备陶瓷制品,其工艺流程和石墨成型基本相似。而在陶瓷复合材料制备时多采用的是HIP技术,这是由于陶瓷复合材料不但具有较高的硬度和强度,而且还具有一定的耐磨性,一般情况下,制品内部会有气孔的存在,因而对产品性能产生了影响[
在石墨、陶瓷CIP成型中,对于工艺的研究主要集中于成型压力的确定,坯料的致密化程度在一定范围内随着成型压力的增大而增加,但成型压力过大时,成型制件的弹性效应比较明显,因此CIP成型压力对于无机非金属材料的成型具有重要的影响。王金波[
通过CIP成型后高温烧结的方法制备石墨、陶瓷、耐火材料等制品时,可以获得性能良好的产品,例如等静压石墨,其具有高强度、高密度、各向同性以及优异的抗震抗热性能等,可用于核反应堆堆芯材料,也是核电能源的核心材料,因而在核电、国防等领域具有重要的地位。最近的研究中也出现了将橡胶等静压成型技术(RIP) 用于炸药的成型和生产,梁华琼等[
冷等静压成型制品
CIP molding products
热压成型是聚合物材料成型中较为常用的方法之一。相比于热压成型技术,等静压成型时物料和模具没有相对运动从而使制品各部分密度变化极小,密实度较高且力学性能优异,故该技术可以取代热压成型技术用于成型具有特殊性能要求的聚合物制品[
采用传统的模压、挤出等工艺成型聚合物材料时,材料内部有粒子边界的存在,不能成型出各向同性的均质制品;同时,成型时的剪切应力也会减小材料的平均分子量,严重地影响材料的性能。HIP成型时,温度和压力的交互作用使材料内部出现微小的流动,消除材料内部的孔隙和裂纹,避免了取向性熔融流动,消除了残余应力因而得到了性能良好的产品。
Rizwanm.Gul[
CIP技术在PTFE制品的成型中具有较为成功的应用,能制造出泵阀衬里、薄壁中空制品等形状复杂的产品,相应的成型工艺的研究也较为深入。Otavio C. Gamboni[
不同工艺成型PTFE制品的物性参数
Performance of PTFE products with different cold isostatic pressing routes
工艺编码 | 加压工艺 |
体积密度 |
熔融焓 |
拉伸强度 |
最大纵向 |
0SCIP | 0→35 | 2.14±0.01 | 28.3±1.1 | 17±1 | 0.04±0.01 |
MSCIP-2-steps | 0→2→35 | 2.14±0.01 | 76±8 | 0.77±0.05 | |
MSCIP-3-steps | 0→2→10→35 | 2.14±0.01 | 82±3 | 0.81±0.06 | |
MSCIP-5-steps | 0→2→5→10→20→35 | 2.16±0.01 | 28.0±2.7 | 72±7 | 0.77±0.03 |
同时由于OSCIP成型材料中粒子间孔隙的存在,泄压过程中空气压力超过了粒子间的凝聚力,故其表现为晶间断裂,而MSCIP成型的材料则以晶内断裂为主(
Brazilian试验后试样中部区域SEM断口
SEM fractographs of central regions of specimens after Brazilian test
线性聚酰亚胺和UHMWPE、PTFE一样,也需要在热压结合的作用下成型。目前生产过程中,聚酰亚胺的成型多采用模压工艺,严重的影响了其生产效率,同时模压成型时,模具会对制品收缩过程产生摩擦作用,单向作用力也会使材料不同方向的力学性能有所差异,从而影响了产品的应用价值。而采用等静压成型时,不但可以实现聚酰亚胺产品的批量化生产,同时各向同性的成型压力对于提高产品的致密性及力学性能具有较大的帮助,因此将等静压技术引用到聚酰亚胺的成型中具有重大的意义,关于这方面的研究亟待深入。
(1) 等静压技术在金属材料成型及后处理的研究及应用中已经得到了充分的发展,相关研究方法较为成熟,其产品也在诸多领域具有重要的应用。同时复合成型工艺为成型结构复杂的产品提供了实践方案,仿真模拟技术为产品的近净成型提供了理论基础,使得该技术在金属材料的成型中的应用更加广泛。
(2) 等静压技术在无机非金属材料方面的研究及应用已经相对成熟,理论研究较为深入,应用范围比较广泛。目前国内外的研究中也有将复合成型工艺用于陶瓷等无机非金属材料的成型,可以更加便捷的成型出结构较为复杂的产品。
(3) 现阶段,等静压技术在聚合成型中也具有一定范围的应用,如HIP成型UHMWPE、采用CIP成型PTFE等,但应用范围较小,相关的研究报道较少。
(4) 通过上述分析表明,等静压技术在金属、无机非金属的成型及后处理等领域具有较为成熟地应用,随着聚合物材料在航空航天领域应用的逐渐增加,等静压技术在聚合物材料(如线性聚酰亚胺等) 的成型及后处理中的广泛应用将成为该技术发展的必然趋势。
朱志斌, 田雪冬.等静压技术的应用与发展[J].现代技术陶瓷, 2010(1):17-24.
刘文彬, 熊宁, 王铁军, 等.氮化硅陶瓷的热等静压处理与抗热震性能研究[J].硅酸盐通报, 2015, 34(1):213-216.
DU Yanying, SHI Yusheng, WEI Qingsong. Plastic forming simulations of cold isostatic pressing of selective laser sintered components[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011, 21(5):1118-1122.
HE Wenting, WEI Qingsong, LIU Kai, et al. Numerical simulation of cold isostatic pressed alumina parts produced by selective laser sintering and part shape optimization[J]. Ceramics International, 2013, 39(8):9683-9690.
WANG Zijian, SHI Yusheng, HE Wenting, et al, Compound process of selective laser processed alumina parts densified by cold isostatic pressing and solid state sintering:experiments, full process simulation and parameter optimization[J]. Ceramics International, 2015, 41(2, Part B):3245-3253.
蔺广科.钛合金热等静压近净成型过程数值模拟及制件性能研究[D].华中科技大学, 2012.
任丽花.选择性激光烧结/等静压复合工艺数值模拟与试验研究[D].华中科技大学, 2007.
杨伟光, 赵嘉琪, 南海, 等.热等静压工艺参量对ZTC4钛合金组织的影响规律[J].材料工程, 2011(9):25-28.
赵嘉琪, 杨伟光, 南海, 等.热等静压工艺参数对ZTC4钛合金力学性能的影响[J].材料工程, 2011(10):42-46.
KIM M T, Oh O Y.Effect of high pressure on the solid-liquid phase change of a nickel base superalloy during hot isostatic pressing[J].Journal of Alloys and Compounds, 2009, 477(1/2):224-232.
陈浩泽. ZLSi7Cu2Mg合金热等静压工艺研究[D].中北大学, 2015.
韩梅, 骆宇时.热等静压对DD3单晶高温合金组织与性能的影响[J].材料工程, 2008(8):40-43.
顾嘉文, 刘慧渊, 范帮勇, 等.热等静压技术在金属陶瓷复合材料制备中的应用[J].佛山陶瓷, 2015, 6(227):1-3, 8.
ECHEBERRIA J, OLLO J, BOCANEGRA-BERNAL M H, et al.Sinter and hot isostatic pressing (HIP) of multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs) reinforced ZTA nanocomposite:microstructure and fracture toughness[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2010, 28(3):399-406.
TAM C H, LEE S C, CHANG S H, et al. Effects of the temperature of hot isostatic pressing treatment on Cr-Si targets[J]. Ceramics International, 2009, 35(2):565-570.
DUšAN Galusek, JAROSLAV Sedláĉek, PETER Švanĉárek, et al. The influence of post-sintering HIP on the microstructure, hardness, and indentation fracture toughness of polymer-derived Al2O3-SiC nanocomposites[J].Journal of the European Ceramic Society, 2007, 27(2/3):1237-1245.
尚文静.热等静压(HIP) 技术和设备的发展及应用[J].有色冶金设计与研究, 2010, 31(1):18-21.
张义文.热等静压技术新进展[J].粉末冶金工业, 2009(4):32-40.
何树先, 王俊, 孙宝德.热等静压对高温合金薄壁铸件疏松缺陷及性能的影响[J].热加工工艺, 2014, 43(21):88-90.
王基维.难加工材料热等静压近净成型工艺基础及零件性能研究[D].华中科技大学, 2012.
刘慧渊, 何如松, 周武平, 等.热等静压技术的发展与应用[J].新材料产业, 2010(11):12-17.
杜艳迎.粉末激光快速成型与等静压复合过程工艺与数值模拟研究[D].华中科技大学, 2011.
史玉升, 薛鹏举, 王基维, 等.难加工材料复杂金属零件热等静压近净成型技术研究[C].中国机械工程学会特种加工分会, 第14届全国特种加工学术会议论文集, 中国机械工程学会特种加工分会, 2011:7.
杜艳迎, 史玉升, 魏青松, 等.不锈钢粉末冷等静压数值模拟与实验验证[J].材料工程, 2010(3):89-92.
刘国承.金属粉末热等静压致密化数值模拟与试验研究[D].华中科技大学, 2011.
曲兵兵.不锈钢粉末热等静压成型模拟与包套制造工艺研究[D].华中科技大学, 2009.
郭瑞鹏.粉末冶金钛合金力学性能与热等静压致密化研究[D].东北大学, 2014.
LEE S C, KIM K T.A densification model for powder materials under cold isostatic pressing-Effect of adhesion and friction of rubber molds[J]. Materials Science and Engineering:A, 2008, 498(1/2):359-368.
YANG H C, LEE J W, KIM K T.Rubber isostatic pressing of metal powder under warm temperatures[J]. Powder Technology, 2004, 139(3):240-251.
何禹坤.基于激光熔化成型同质包套的热等静压近净成型试验研究[D].华中科技大学, 2012.
鲁中良.不锈钢粉末选择性激光烧结/等静压复合成型技术研究[D].华中科技大学, 2008.
刘凯.陶瓷粉末激光烧结/冷等静压复合成型技术研究[D].华中科技大学, 2014.
陈英.铁基金属粉末激光烧结与等静压复合成型技术研究[D].华中科技大学, 2008.
谢文蛟.原料及制备工艺对等静压石墨材料结构与性能的影响[D].湖南大学, 2013.
王勇兵, 刘慧渊, 范帮勇.热等静压技术在材料致密化中的应用[J].装备机械, 2015(3):17-20.
刘文彬, 熊宁, 王铁军, 等.氮化硅陶瓷的热等静压处理与抗热震性能研究[J].硅酸盐通报, 2015, 34(1):213-216.
王金波.熔融石英陶瓷的等静压成型及烧结工艺研究[D].华中科技大学, 2009.
施辉献.等静压石墨的成型工艺研究[D].昆明理工大学, 2013.
范尚武.反应烧结氮化硅冷等静压成型工艺优化[D].西北工业大学, 2005.
李双.冷等静压法制备大孔径多孔陶瓷管研究[D].山东理工大学, 2009.
梁华琼, 韩超, 雍炼, 等.高聚物黏结炸药的压制成型性[J].火炸药学报, 2010, 33(4):44-48.
何云伟, 陈军.聚合物的高压成型加工[J].塑料工业, 2007, 35(12):65-66.
GUL R M, MCGARRY F J. Processing of ultra-high molecular weight polyethylene by hot isostatic pressing, and the effect of processing parameters on its microstructure.[J]. Polymer Engineering & Science, 2004, 44(10):1848-1857.
GAMBONI O C, RIUL C, BILLARDON R, et al. On the formation of defects induced by air trapping during cold pressing of PTFE powder[J]. Polymer, 2016, 82:75-86.