熱等靜壓技術(Hot Isostatic Pressing，HIP)是一種通過惰性氣體介質(如氬氣、氮氣)在高溫(900～2000℃)高壓(50～200MPa)環(huán)境下對材料實施各向同等壓力以達到致密化的工藝[1］。HIP起源于20世紀50年代美國Battelle研究所的核反應堆材料研發(fā)，通過高溫高壓環(huán)境實現(xiàn)材料致密化與缺陷修復。早期熱等靜壓設備高壓容器的端蓋與缸體之間的連接以螺紋連接結構為主，存在安全性差、尺寸受限等問題。1965年瑞典ASEA公司采用預應力鋼絲纏繞框架式結構制造高壓容器，使設備承壓能力和安全性大幅提升，為現(xiàn)代HIP的推廣和應用奠定了基礎[2］。隨著熱等靜壓裝備性能的不斷提高，HIP已日臻成熟，廣泛應用于鑄件致密化處理、粉末冶金燒結和復合材料擴散連接等領域，是生產制備航空、航天、航海等高端裝備用零部件的先進生產工藝與手段，也是提升材料性能、保障裝備可靠性的關鍵技術。

本文旨在從HIP原理、工藝流程、大型裝備發(fā)展現(xiàn)狀等方面進行敘述，并對HIP的主要應用及裝備發(fā)展趨勢做系統(tǒng)分析。

1、熱等靜壓技術概述

HIP的核心技術在于利用高壓惰性氣體(如氮氣或氬氣)在密閉容器中產生等靜壓力(通常達100～200MPa)，結合高溫(0.5～0.8Tm，Tm為材料熔點)誘導的原子擴散與塑性變形機制，消除材料內部孔隙并調控微觀組織，最終獲得高密度、高均勻性及優(yōu)異綜合性能的構件。熱等靜壓工藝的實施依賴于高度集成的設備系統(tǒng)，其關鍵組件包括高壓容器、加熱爐、壓縮機、真空泵、儲氣罐、冷卻系統(tǒng)及計算機控制系統(tǒng)，圖1是典型的熱等靜壓設備系統(tǒng)示意圖[3］。高壓容器作為核心裝置，需同時承受高溫(通?！?500℃)與超高壓(≤200MPa)，其結構設計直接影響工藝安全性與可靠性。瑞典AVUＲE公司首創(chuàng)的預應力鋼絲纏繞技術通過多層高強鋼絲的等剪應力變張力纏繞，將容器壁中的應力分布均勻化，避免了傳統(tǒng)非預應力結構因應力集中引發(fā)的疲勞破裂風險。超高壓容器采用高強度鋼絲預應力纏繞結構未受力時為預緊壓應力狀態(tài)，受內壓作用后仍處于壓應力狀態(tài)，且應力幅度較小，其疲勞抗力、承載能力都非常高，不易損壞，該技術已成為工業(yè)標準并推動熱等靜壓設備的大型化與模塊化發(fā)展。

HIP工藝流程如圖2所示，其操作步驟依次為:首先將檢查清理后的工件置于高壓容器內，隨后進行抽真空處理;接著執(zhí)行預充氣程序(氮氣或氬氣等惰性氣體)并通過壓縮機逐步加壓，在壓力穩(wěn)定后啟動加熱系統(tǒng)提升容器溫度;當溫度與壓力參數(shù)達到預設值時，進入恒溫恒壓保持階段以確保工件充分受熱受壓;當工件完成高溫高壓處理后，先通過溫控系統(tǒng)逐步降低爐內溫度，隨后進行泄壓操作釋放內部壓力;最后取出工件并依次進行質量檢測與必要的機加工。該流程通過溫度場與壓力場的協(xié)同作用，同步實現(xiàn)材料致密化處理與綜合性能提升的雙重目標[4］。

2、熱等靜壓裝備研究現(xiàn)狀

在熱等靜壓裝備制造領域，代表性的企業(yè)有Quintus、川西機器和鋼研昊普等。Quintus已從事HIP研究近80年，憑借著領先的預應力鋼絲纏繞技術，已成為全球高溫高壓技術領域的標桿企業(yè)，其技術具有兩大核心優(yōu)勢:①超大型裝備制造能力，研制出世界上最大的熱等靜壓裝備(有效熱區(qū)直徑為?2050mm);②均勻快速冷卻技術(UＲC?)，能將一臺中型HIP中的所有負載在不到30min的時間內從1250℃冷卻到300℃，進而縮短循環(huán)時間，提高生產率。川西機器和鋼研昊普(隸屬于中國鋼研)是我國等靜壓技術自主創(chuàng)新的中堅力量，前者以軍工品質見長，后者以材料裝備協(xié)同創(chuàng)新著稱。盡管目前國內已研制出有效熱區(qū)1850mm熱等靜壓裝備，但在有效熱區(qū)尺寸、工作溫度、工作壓力等關鍵參數(shù)上較國外仍有一定差距。

2.1國外熱等靜壓裝備研究現(xiàn)狀

目前，國外熱等靜壓設備的制造廠商主要包括瑞典Quintus、比利時EPSI、美國AIP、英國Bodycote和日本神戶制鋼等，其典型裝備參數(shù)如表1所示。其中瑞典Quintus公司由ASEA公司逐步演化而來，2017年4月5日，日本神戶制鋼有限公司從美國的私募股權公司MilestonePartners收購了瑞典的QuintusTechnologies公司，Quintus現(xiàn)在是日本神戶制鋼獨資的等靜壓子公司。Quintus擁有多年的設計生產經(jīng)驗，總部和制造廠位于瑞典韋斯特羅斯市，Quintus公司熱等靜壓設備采用預應力鋼絲纏繞結構，在超高壓領域處于領先地位，自1965年制造第一臺QUINTUS?等靜壓機到目前，全球范圍內已交付近1000套預預應力鋼絲纏繞的缸體和部件，提供了約60%的熱等靜壓裝備，其中有效直徑大于1m的熱等靜壓裝備約占80%，并研制出了全世界最大的熱等靜壓裝備(有效熱區(qū)為?2050mm×4200mm，最高工作溫度及壓力為1350℃/118MPa)，成功交付于日本MTC公司[5］。

2.2國內熱等靜壓裝備研制現(xiàn)狀

目前國內熱等靜壓設備主要制造廠商有四川航空工業(yè)川西機器有限責任公司、鋼研昊普科技有限公司和沈陽真空技術研究所有限公司等，其典型裝備如表2所示。1957年，國內科研人員啟動了等靜壓項目研究工作。預應力鋼絲纏繞結構是制造超高壓容器和巨型壓機的最佳技術選擇，通過鋼絲纏繞對承受巨大載荷的容器和承載機架施加預應力，使其在合成狀態(tài)下應力大大下降，疲勞強度大大提高，完全消除應力集中。預應力鋼絲纏繞結構，其重量僅為相同承載能力的非預應力結構的1/6。但是瑞典ASEA公司壟斷了世界上的全部重型預應力結構的市場。為了打破這種技術壟斷，清華大學顏永年教授聯(lián)合眾多單位開展合作攻關，提出等剪應力纏繞原理和工程計算方法及重型結構被預緊件與預緊件之剛度比值應與模型相等的相似準則，這一理論于20世紀70年代發(fā)表在國內刊物《重型機械》上，截至目前，這理論一直用于重型機械結構設計與工程生產上[6-8］。經(jīng)過葛昌純、顏永年、周仲甫、王品一等學者的不斷攻關，于20世紀70年代建成我國第一臺用預應力鋼絲纏繞的熱等靜壓裝備，隨著技術的不斷發(fā)展，目前我國熱等靜壓裝備有效熱區(qū)最大直徑已達到1850mm。

四川航空工業(yè)川西機器有限責任公司始建于1965年，隸屬于中國航空工業(yè)集團公司，是集科研、制造、服務于一體的國有大型企業(yè)，制定了《鋼絲纏繞式冷等靜壓機》和《鋼絲纏繞式熱等靜壓機》行業(yè)標準，目前已生產制造10余臺有效熱區(qū)直徑≥1250mm、有效熱區(qū)高度2000～4000mm的熱等靜壓裝備。2005年，川西機器采用高溫/高壓快速冷卻、真空與超高壓隔離、超高壓工作缸等關鍵技術，研制出當時國內最大的熱等靜壓裝備———ＲDJ1250/1500-150/1000型熱等靜壓機(圖3)。該設備有效熱區(qū)尺寸達?1250mm×1500mm，設計參數(shù)為最高工作壓力150MPa、最高工作溫度1000℃，設備交付貴州安吉航空精密鑄造有限責任公司后，主要應用于鈦合金材料致密化處理。2021年為航天材料研究院生產制造了一臺ＲDJ1400/2500-100.1000熱等靜壓設備，有效熱區(qū)直徑達到1400mm，有效熱區(qū)高度為2500mm。為浙江寧波江豐電子材料股份有限公司研制出ＲDJ1250/4400-200.1400型熱靜壓裝備，有效熱區(qū)直徑為1250mm，有效熱區(qū)高度達到4400mm，是當時國內工作壓力、溫度、容積組合指標最高的熱等靜壓裝備。

中國鋼研科技集團有限公司是國內最早開展熱等靜壓技術、裝備及材料研發(fā)應用的單位，于1957年啟動了HIP研發(fā)工作，1977年中國鋼研完成了中國第一臺熱等靜壓設備ＲD270，1988年中國鋼研自主研發(fā)中國第一臺“雙2000”熱等靜壓設備ＲD200，2019年中國鋼研充分發(fā)揮集團HIP優(yōu)勢，成立以鋼研昊普為主體的HIPEX1850項目團隊，內部協(xié)同旗下多家單位共同完成HIPEX1850的設計建設。歷經(jīng)4年，于2024年自主研制出了國內最大、世界第二大尺寸的熱等靜壓裝備HIPEX1850[9］(有效熱區(qū)為?1850mm×3500mm，最高工作溫度及壓力為1300℃/140MPa)。該裝備采用預應鋼絲纏繞結構，鋼絲總重350t，總長度約6000km，具備30t/爐的材料承載量，能夠對超大尺寸航空發(fā)動機機匣、發(fā)動機葉片、燃油噴嘴、渦輪盤等核心零部件進行高效、精準的熱等靜壓工藝處理。

沈陽真空技術研究所有限公司是主要從事真空技術及真空成套裝備研制與開發(fā)生產的國有專業(yè)研究所，在真空熱工設備方面研制有VPF系列真空超高溫超高壓爐、VHSF系列真空超高溫超高壓爐和HIP熱等靜壓設備等。2016年，通過高溫高壓裝備技術的自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，成功研制出中型HIP裝備(2000℃/200MPa)，并為國內大型HIP裝備(φ1250mm×2500mm，1500℃/200MPa)提供熱場等核心關鍵部件。

3、技術與應用

3.1致密化處理

鑄造作為傳統(tǒng)金屬成形工藝，是將液態(tài)金屬澆注到與零件形狀、尺寸相適應的鑄型中，待其冷卻凝固后獲得毛坯或零件的方法，具有設計靈活性強、材料適應性廣等核心優(yōu)勢，但由于金屬液凝固時無法獲得充分補縮，往往會在鑄件內部形成縮松、縮孔等缺陷，進而導致廢品率較高、綜合力學性能不足等缺點。這些缺陷的產生與合金凝固特性、鑄型導熱能力及工藝設計直接相關，鈦鑄件因金屬熔液流動性差易形成縮松，而大型鋼鑄件因體積收縮率大，常在最后凝固部位更易產生縮孔。同樣，增材制造技術也存在材料內部結構疏松、存在微小裂紋等問題。HIP通過同時施加高溫和高壓，有效消除了鑄件/增材制造件內部的縮松、縮孔等缺陷，使其材料致密化(圖4)。熱等靜壓處理后的鑄件/增材制造件不僅力學性能得到顯著提升，還改善了其抗疲勞和抗應力腐蝕性能，延長了使用壽命。

金磊等[12］通過對鈦合金鑄件進行合理的熱等靜壓工藝設計，在高溫高壓下使鑄件本體發(fā)生蠕變，使鑄件內部縮松、縮孔、裂紋等缺陷消除(圖5)，從而在形狀和尺寸變化很小的情況下提高鑄件致密度。研究表明，熱等靜壓處理后的鈦合金鑄件抗拉強度有所下降，屈服強度保持穩(wěn)定，而塑性指標(伸長率等)獲得顯著提高。塑性得到改善主要是由于熱等靜壓后鑄件中的宏觀和微觀缺陷等得到修復，并在缺陷修復區(qū)域產生一定程度的再結晶，使該處的部分片狀等軸化，等軸晶區(qū)的各個晶粒之間彼此交叉，枝杈間的搭接牢固，構建出穩(wěn)固的晶界網(wǎng)絡，這種顯微組織結構有效阻礙了裂紋的萌生與擴展，從而實現(xiàn)了材料塑性的本質提升。包春玲等[10］研究了920℃/130MPa/3h、1160℃/130MPa/3h和1270℃/130MPa/3h熱等靜壓工藝對Ti-48Al2Cr-2Nb合金組織性能的影響，研究表明，Ti48Al-2Cr-2Nb合金經(jīng)過1160℃/130MPa/3h熱等靜壓處理后，其組織由層片狀組織轉變?yōu)榈湫偷慕媒M織及少量的雙態(tài)組織，熱等靜壓后合金強度降低，塑性提高。該工藝可完全消除鑄態(tài)組織中存在的縮松、縮孔等缺陷，其致密化效果與更高溫度下熱等靜壓處理相當。

3.2粉末冶金熱等靜壓近凈成形

粉末冶金熱等靜壓近凈成形技術結合了粉末冶金與熱等靜壓的優(yōu)勢，通過高壓和高溫將金屬粉末直接致密化為接近最終形狀的零件，減少了后續(xù)機械加工的需求。該技術不僅提高了材料利用率，還顯著縮短了生產周期。采用粉末冶金熱等靜壓工藝制備零部件具有以下特點:①材料利用率高:近凈成形技術減少了材料浪費，提高了材料利用率。②復雜形狀制造能力:能夠制造出傳統(tǒng)方法難以加工的復雜形狀零件。③材料性能高:通過HIP處理，粉末冶金零件可達到或接近鍛造材料的性能。④后續(xù)加工量少:近凈成形技術減少了后續(xù)機械加工的需求，降低了生產成本。⑤材料多樣性:適用于多種金屬和合金粉末，包括高溫合金、鈦合金等。

中國科學院金屬研究所徐磊等[13］開展了粉末冶金Ti-5Al-2.5SnELI合金熱等靜壓近凈成形工藝研究，制定的工藝路線為:合金優(yōu)化設計→氣體霧化法制備Ti-5Al-2.5SnELI潔凈預合金粉末→粉末填充到包套中、封裝除氣→熱等靜壓致密化→包套去除→內部型芯模具化學銑去除→退火處理→粉末合金或部件毛坯。并研發(fā)出近凈成形構件尺寸預測與控制技術，使粉末冶金構件尺寸一致性從偏差20%提高到5%，達到應用要求的技術指標，研制的葉輪如圖6所示。

3.3擴散連接

熱等靜壓擴散連接技術(圖7)是一種在高溫高壓惰性氣體環(huán)境中，通過材料塑性變形和原子擴散實現(xiàn)兩種或多種金屬/陶瓷材料間的固-固、固-粉及粉-粉冶金結合的先進連接技術。相較于其他連接技術，該技術的核心優(yōu)勢在于:①連接處微觀結構均勻:無傳統(tǒng)焊接的熱影響區(qū)、氣孔、裂紋等缺陷，組織均勻。②連接處強度高:該技術能使材料交界處緊密結合且無缺陷，交界處性能與母材無差異;當連接同種性能材料時，因界面無液相生成，界面結合強度與母材相當;連接不同性能材料時，界面可實現(xiàn)良好冶金結合，且性能不低于兩種材料中的較低者。③適用性廣:可連接陶瓷、金屬化合物、非晶態(tài)材料等傳統(tǒng)方法難以焊接的材料。④幾何適應性強:支持復雜形狀零件連接，并實現(xiàn)嚴格尺寸控制。⑤變形控制精準:材料宏觀變形小，適用于精密裝配。

WUZhanfang等[14］采用熱等靜壓擴散焊接技術將CuCrZr合金和25Cr2Ni4MoV鋼組成的圓形套筒有效地連接起來(圖8)，研究結果表明，銅和鋼套筒組件之間的界面結合牢固，沒有任何微裂紋，熱等靜壓擴散連接將機械結合界面轉化為冶金結合界面，顯著提升了CuCrZr合金與25Cr2Ni4MoV鋼雙金屬界面的結合強度和硬度。CohenShahar等[15］采用放電等離子燒結(SparkPlasmaSintering，SPS)和HIP相結合的方法成功實現(xiàn)了MgAl2O4和Y3Al5O12陶瓷的擴散連接。單獨使用SPS燒結時，較粗糙的MgAl2O4樣品由于表面接觸不充分而表現(xiàn)出不充分的結合。然而，HIP處理可有效地封閉結合界面處的空洞，并促進了整個接頭的晶粒生長，從而形成了牢固的無縫連接。SPS和HIP相結合的工藝辦法，在陶瓷擴散焊接領域展現(xiàn)出巨大潛力，并為焊接部件的表面質量問題提供了一種潛在的解決方案。

4、應用領域

4.1航空航天

在航空航天領域，關鍵部件在服役過程中會承受交變載荷，并時常面臨由疲勞失效引發(fā)的嚴苛考驗。HIP在消除縮松縮孔等缺陷、均勻微觀組織結構及提升關鍵部件疲勞壽命方面發(fā)揮著至關重要的作用。

美國在軍事與航空航天領域長期采用HIP技術，該技術被廣泛應用于航天領域核心部件的制造，例如航天飛機發(fā)動機(SSME)、Atlas-3與Atlas-5火箭的鈦合金渦輪泵、泵殼及閥體等關鍵構件。在軍用航空領域，F(xiàn)-14戰(zhàn)斗機的鈦合金支撐桿與機身承力支柱、F-15戰(zhàn)斗機的Ti-6Al-4V前錐以及F-18戰(zhàn)斗機發(fā)動機的固定支撐框架均通過熱等靜壓工藝實現(xiàn)高致密高性能成型。英國發(fā)動機制造商羅爾斯羅伊斯(Ｒolls-Ｒoyce)與伯明翰大學合作，采用先進計算機數(shù)值模擬+HIP共同研發(fā)出航空發(fā)動機用鈦合金壓縮機外殼，見圖9。這是目前公開報道的通過粉末冶金HIP研制的最大尺寸(直徑約600mm)的鈦合金航空結構件[16］。

近年來我國粉末冶金+熱等靜壓近凈成形技術也有了較大的發(fā)展，相關研究單位主要有航天材料與工藝研究所、西北工業(yè)大學和金屬所等。航天材料及工藝研究所開發(fā)的系列粉末鈦合金舵翼骨架產品(見圖10)，具有高成形精度、表面質量好及內部缺陷控制良好等優(yōu)點，在材料性能上已全面達到鍛件標準。該類產品經(jīng)多輪飛行試驗驗證，現(xiàn)已在多個型號中實現(xiàn)工程化應用，成功實現(xiàn)商業(yè)化推廣[16］。粉末冶金+熱等靜壓近凈成形技術制備的零部件具有高致密性、高性能等特點，但是該技術無法制備大尺寸復雜結構件。

近年來，我國的大型構件制備成形技術取得了顯著進展。中國機械總院集團沈陽鑄造研究所一直致力于大尺寸、薄壁、復雜構件精密鑄造成形技術研究，通過精密鑄造技術為中國科學院研制出了光學系統(tǒng)用大型鈦合金轉臺鑄件(650kg)，為中國航天科技集團研制出了大尺寸鈦合金骨架鑄件(2700mm)，為中國航天六院研制出了火箭發(fā)動機用極端復雜過流部件(最薄壁厚≤5mm)，為國外用戶研制出大尺寸大重量(1271kg)鋯合金閥體(見圖11)，這些關鍵部件應用在高溫、高壓、腐蝕或極低溫等極端復雜工況下，對產品成形精度、成型質量及綜合力學性能要求極高。沈鑄所通過精密鑄造+HIP制備出的高質量、高尺寸精度、高性能鈦/鋯合金鑄件成功應用于航空、航天、航海、石油化工等高端裝備制造領域。

4.2燃氣輪機

重型燃氣輪機是迄今為止效率最高的熱-功轉換類設備，廣泛應用于機械驅動(如艦船、火車)和大型電站，由于其設計和制造的難度極大，集中體現(xiàn)一個國家的工業(yè)水平，也被譽為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”。重型燃氣輪機作為一種旋轉葉輪式發(fā)動機，燃氣輪機葉片是重燃機最核心的部件，因為葉輪要長期在1400～1600℃的高溫下穩(wěn)定工作，這是一種對材料質量和性能都極高要求的工作環(huán)境，因此重燃機葉片都需采用高溫合金材料制作。對于鎳基高溫合金而言，常規(guī)鑄造工藝生產制備大尺寸構件時，會產生縮松、縮孔、氣孔等內部缺陷，這些缺陷會顯著降低構件的綜合力學性能和服役可靠性，因此必須通過HIP工藝實現(xiàn)缺陷的閉合與材料致密化處理。熱等靜壓處理后的高溫合金可以基本消除精密鑄造中所殘留的缺陷以及變形的問題，大大提升材料的性能和抗疲勞能力，從而明顯地提高重型燃氣輪機的使用壽命。

4.3靶材制備

無論是金屬靶材還是陶瓷靶材，純度、致密度、均勻性都是靶材質量的核心指標，直接影響薄膜質量、濺射工藝穩(wěn)定性及終端產品的可靠性?；瘜W氣相沉積、物理氣相沉積等傳統(tǒng)方法制備靶材時易產生孔隙等微觀缺陷，致密度通常低于97%，嚴重影響濺射過程中薄膜的均勻性，并且物理氣相沉積制備大尺寸靶材時，冷卻過程中易產生熱應力，導致靶材開裂或變形。熱等靜壓法制備靶材時，通過高溫高壓的協(xié)同作用，可將靶材密度提升至99.8%以上，并且可以消除材料內部殘余應力，避免濺射過程中靶材開裂。同時粉末冶金+熱等靜壓近凈成形法可直接制備復雜形狀靶材，減少后續(xù)機械加工工作量，減少了昂貴材料的浪費。

4.4陶瓷材料制備

傳統(tǒng)陶瓷燒結存在孔隙率偏高等缺陷，HIP可通過高溫(400～2000℃)與高壓(50～200MPa)的協(xié)同作用，利用惰性氣體(如氬氣)作為傳壓介質，對陶瓷材料進行全方位施壓，從而實現(xiàn)材料的高致密化。Belyaev等[17］研究了等離子噴涂Al2O3陶瓷在HIP處理前后相組成和孔隙率的變化。研究發(fā)現(xiàn)，在等離子噴涂結束時，陶瓷的總孔隙率為18.9%，陶瓷材料中存在α、γ和δ三種Al2O3相，經(jīng)過1600℃/200MPa熱等靜壓處理3h后，不穩(wěn)定的γ型和δ型Al2O3相消失，穩(wěn)定的α型Al2O3相占據(jù)了整個陶瓷材料，同時陶瓷的總孔隙率降至9.7%。

4.5增材制造后處理

增材制造通過逐層堆積材料實現(xiàn)復雜結構成型，但受限于粉末顆粒間的結合強度及快速冷卻導致的殘余應力，打印件常存在孔隙、裂紋等微觀缺陷，影響力學性能(如疲勞壽命、抗腐蝕性)。例如，鈦合金增材制造的孔隙率可達0.5%～2%，導致疲勞強度降低30%以上。經(jīng)熱等靜壓處理后，材料致密度可提升至99.9%以上，疲勞壽命提高10～100倍。

5、發(fā)展趨勢

隨著HIP不斷成熟，裝備建設數(shù)量不斷增加，中小型市場不斷萎縮，大型和超大型熱等靜壓裝備需求大幅增加。據(jù)公開信息統(tǒng)計，全球大約有1800臺以上的熱等靜壓裝備在運行。美國和日本占總數(shù)約65%，歐洲占約20%，中國占約10%。我國已研制出世界第二大熱等靜壓裝備，但高壓容器核心制備技術與發(fā)達國家仍存在明顯差距。未來，HIP在大型化、多樣化、高效率、高性能及智能化等方面將得到快速發(fā)展。

(1)大型化

大型熱等靜壓裝備最大的研制困難就是高壓容器的直徑問題，尺寸變大后使得設計壓力和溫度技術指標的實現(xiàn)和控制難度大幅增加，必須采用預應力鋼絲纏繞式結構容器，通過對壓力容器有效內徑、有效高度和工作壓力關系，設計制造纏繞機架和纏繞缸體分別承受工作時的軸向力和徑向力;尺寸變大后，超高壓密封也面臨著巨大的技術難題，要實現(xiàn)200MPa的超高壓密封，上下端蓋需要設計制造特殊結構，確保主密封跟隨壓力容器內徑擴大而移動，適時彌補因壓力容器內徑擴大產生的密封間隙，防止密封在超高壓壓力下擠

入間隙導致密封失效或損壞;同時因鋼絲纏繞結構特性決定其無法采用感應加熱方式，只能通過電阻式加熱實現(xiàn)溫度環(huán)境。超高壓環(huán)境一般絕緣結構承壓能力不足，必須將加熱電壓降低，以提高絕緣結構電阻安全性，以便保證絕緣件正常工作，延長其工作壽命，降低絕緣結構被電壓擊穿的風險。電壓降低就意味著電流增大，所以還需考慮大電流(一般2000～6000A)連接件的可靠性。

雖然大型熱等靜壓設備的高壓容器的直徑每增加1mm，制備困難都成倍的增加，但是由于高端裝備制造領域大型化發(fā)展的需要，熱等靜壓設備逐步向大型化、超大型化發(fā)展，目前世界最大熱等靜壓裝備有效熱區(qū)直徑為2050mm(Quintus公司)，國內最大熱等靜壓裝備有效熱區(qū)直徑為1850mm(鋼研昊普)，無法對直徑≥1850mm以上的構件進行熱等靜壓處理，所以研發(fā)出大型熱等靜壓裝備勢在必行。

(2)快速冷卻、高效率化

熱等靜壓設備由于內部需要集聚大量熱量，在設備熱處理完成后冷卻速度較常壓熱處理設備減緩很多，一般大型熱等靜壓設備一個完整運行周期在30～50h，極大制約了設備生產利用率。目前，常見的熱等靜壓裝備快冷技術有風扇冷卻和射流冷卻兩種形式:大型裝備多采用風扇冷卻形式，小型裝備多采用射流冷卻形式。EPSI制造的大中型熱等靜壓裝備，多采用射流冷卻形式。

2016年，日本神戶制鋼所開發(fā)了新型快冷技術，采用風扇+閥控冷卻形式，實現(xiàn)氣體的有效冷卻，是傳統(tǒng)風扇冷卻形式效率的1.5倍，并成功應用在中型熱等靜壓裝備(有效熱區(qū)?850mm×2500mm，1400℃/147MPa，最大處理物料重量4500kg)上。裝備采用了新型的加熱爐和隔熱罩形式，實現(xiàn)1150℃降至400℃條件下40～60℃/min 的空載冷卻速率和15～25℃/min的2000kg裝料冷卻速率。國內川西機器經(jīng)過10余年的技術研發(fā)，2017年攻克了快速冷卻技術，在2019年交付天工集團的ＲDJ1250/2000-200.1400熱等靜壓設備上，實現(xiàn)快速冷卻技術的生產型使用，將設備完整運行周期由44h縮短至24h左右。

(3)智能化

在自動化控制方面，發(fā)展上位機聯(lián)機模式，將熱等靜壓設備各項數(shù)據(jù)及運行參數(shù)連接至用戶上位機進行統(tǒng)一管理。發(fā)展網(wǎng)絡連接功能，可實現(xiàn)在線遠程診斷，通過網(wǎng)絡由設備生產商對用戶現(xiàn)場運行設備情況作出判斷，針對故障進行網(wǎng)絡檢查處理，縮短設備故障排除時間，提升設備利用率。

在裝備設計方面，設備附屬系統(tǒng)進行模塊化、集成化設計，通過功能區(qū)模塊化設計，做到多型設備模塊通用，減少備品備件型號，大大縮短用戶備品備件訂貨周期，使設備故障得以快速處理，備品備件供應有保障。集成化設計使設備占地面積顯著縮小，各功能集成化減少電氣系統(tǒng)響應時間，有效提升設備運行效率。

6、結語

HIP作為一種先進的制造工藝，具有一系列顯著的優(yōu)勢，特別是在鑄件/增材制造件內部缺陷消除、綜合力學性能優(yōu)化及高性能粉末冶金構件制備等方面。本文對比了國內外不同熱等靜壓裝備制造廠商的核心參數(shù)及技術應用情況，提出了未來熱等靜壓裝備朝向大型化、均勻快速冷卻、高效率化、高度智能化自動化等方向發(fā)展思路。隨著國內熱等靜壓裝備尺寸、功能等不斷提升，進而可滿足更大尺寸和更多樣化產品生產制備的需求，通過“裝備-工藝-材料”協(xié)同創(chuàng)新，可進一步提高我國大型構件研制能力，為航空、航天、航海等 高端裝備制造領域提供強有力的支撐，推動相關產業(yè)向更高水平邁進。

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（注，原文標題：大型熱等靜壓裝備及技術的發(fā)展與應用）

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