劉炳剛++龍亮

摘 要：簡(jiǎn)要介紹了熱等靜壓技術(shù)的原理、擴(kuò)散連接技術(shù)以及熱等靜壓設(shè)備的最新進(jìn)展，并綜述了熱等靜壓在異種金屬擴(kuò)散連接中的應(yīng)用研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：熱等靜壓；擴(kuò)散連接；異種金屬；工藝生產(chǎn)技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.005

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡(jiǎn)稱HIP）是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)，加熱溫度通常為1 000～2 000 ℃，通過(guò)以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮?dú)鉃閭鲏航橘|(zhì)，工作壓力最高可達(dá)200 MPa。在高溫、高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。因此，加工產(chǎn)品的致密度高、均勻性好、性能優(yōu)異。該技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點(diǎn)。

自20世紀(jì)50年代中期以來(lái)，美國(guó)巴蒂爾（Battelle）研究所為研制核反應(yīng)堆材料而開(kāi)發(fā)HIP技術(shù)以來(lái)，由于其在生產(chǎn)加工難度較大、質(zhì)量要求較高的材料及構(gòu)件中展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，受到了人們的廣泛關(guān)注。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，隨著熱等靜壓裝置向著大型化、高溫化、使用氣氛多樣化發(fā)展，熱等靜壓設(shè)備性能的不斷完善。HIP技術(shù)的應(yīng)用方向從最早的粉末冶金壓實(shí)成形、鑄件的致密化處理發(fā)展到了復(fù)雜構(gòu)件的成型以及金屬、陶瓷、復(fù)合材料等各種先進(jìn)材料的合成制備等。特別是在硬質(zhì)合金燒結(jié)、鎢鋁鈦等難熔金屬及合金的致密化、產(chǎn)品的缺陷修復(fù)、大型及異形構(gòu)件的近凈成形、復(fù)合材料及特種材料的生產(chǎn)加工等方面得到了廣泛應(yīng)用。

在核能、航空航天等工程應(yīng)用中，需要將異種材料（金屬、合金、非金屬材料）進(jìn)行擴(kuò)散連接，熱等靜壓技術(shù)成為了非常便捷、可靠的選擇。本文重點(diǎn)介紹了熱等靜壓技術(shù)原理、設(shè)備及其性能的發(fā)展，及其在異種材料Be/Cu、Be/CLAM鋼、Be/HR-1鋼、V-4Cr-4Ti/HR2鋼、W/Cu、Cu/C等擴(kuò)散連接應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)。

1 HIP技術(shù)的研究進(jìn)展

1.1 HIP擴(kuò)散連接技術(shù)

熱等靜壓的基本原理是一種以氮?dú)?、氬氣等惰性氣體為傳壓介質(zhì)，將制品放置到密閉的容器中，在一定溫度（從用于鋁合金的480 ℃到用于鎢粉的1 700 ℃）、壓力（20～300 MPa，常用壓力為100 MPa）的共同作用下，向制品施加各向同等的壓力，對(duì)制品進(jìn)行壓制燒結(jié)致密化、連接處理的技術(shù)。HIP擴(kuò)散連接是在高溫、高壓的作用下，被連接材料的原子快速移動(dòng)、相互擴(kuò)散，最終材料在表面緊密接觸，在固態(tài)下連接在一起的焊接工藝。在HIP擴(kuò)散連接的過(guò)程中，能保證工件不超過(guò)幾個(gè)

百分比的宏觀變形，總過(guò)程分為2步：①工件在高壓作用下變形，導(dǎo)致表面凹凸不平處坍塌，在界面處產(chǎn)生封閉氣孔的網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)晶粒邊界擴(kuò)散或動(dòng)力法則蠕變等擴(kuò)散控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)連接。②表面坍塌后，隨之產(chǎn)生的連接質(zhì)量決定于氣孔的表面成分，比如氧化物膜或污染物以及表面殘余成分等。

相比于傳統(tǒng)的焊接、釬焊等技術(shù)，HIP擴(kuò)散連接技術(shù)具有連接強(qiáng)度高、微觀結(jié)構(gòu)完整、扭曲度小、能實(shí)現(xiàn)不同材料之間的連接等優(yōu)點(diǎn)。由于界面不產(chǎn)生液相，界面結(jié)合強(qiáng)度與母材相同，可實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，可連接具有復(fù)雜形狀的零件，并可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的尺寸控制和常規(guī)焊接無(wú)法連接的脆性金屬或陶瓷之間的連接。正是由于具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，HIP擴(kuò)散連接技術(shù)受到了廣發(fā)科研工作者的關(guān)注。

1.2 熱等靜壓設(shè)備的發(fā)展

熱等靜壓設(shè)備由高壓容器、加熱爐、氣體增壓設(shè)備、真空泵、冷卻系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中，高壓容器為整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵裝置。高壓容器主要包括密封環(huán)、壓力容器、頂蓋和底蓋等，加熱爐主要包括發(fā)熱體、隔熱屏和熱電偶等，氣體增壓設(shè)備主要包括氣體壓縮機(jī)、過(guò)濾器、止回閥、排氣閥和壓力表等，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要包括功率控制、溫度控制和壓力控制等，典型的HIP原理如圖1所示。目前，先進(jìn)的熱等靜壓機(jī)為預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式結(jié)構(gòu)。高壓容器的端蓋與缸體間的連接采用無(wú)螺紋設(shè)計(jì)。由于簡(jiǎn)體和框架均采用鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞，所獲得的負(fù)預(yù)應(yīng)力可通過(guò)計(jì)算確定，即使當(dāng)裝置處于工作的最大壓力狀態(tài)時(shí)，其強(qiáng)大的應(yīng)力也是由預(yù)應(yīng)力纏繞鋼絲所承受，即應(yīng)力被集中消除，承載區(qū)域具有較高的安全性。同時(shí)，鋼絲纏繞還能起到防爆和屏障的作用。

1—壓力容器；2—?dú)怏w；3—壓坯；4—包套；5—加熱爐

圖1 熱等靜壓原理

為了適應(yīng)鑄件致密化、粉末成型成燒結(jié)以及異種金屬（合金）擴(kuò)散連接等工程應(yīng)用的發(fā)展需要，熱等靜壓裝置的發(fā)展趨向于大型化、高溫化和使用氣氛多樣化。面向工程應(yīng)用中較高的壓力與溫度需求，HIP裝置的新設(shè)計(jì)中包括采用緊配鍛鋼環(huán)或鋼絲纏繞的壁較薄的容器、插入式的加熱爐安裝方式等。比如，在鋼絲纏繞的HIP裝置中，徑向力是用數(shù)千米高強(qiáng)度鋼絲使預(yù)受力的鍛鋼缸體繃緊，軸向力是通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)鎖合傳遞給鋼絲預(yù)纏繞的外部框架的，甚至在最高溫度下，預(yù)應(yīng)力都會(huì)使壓力容器壁在殘余壓應(yīng)力作用下消除拉伸負(fù)載和阻止裂紋擴(kuò)展、脆性斷裂。這類(lèi)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的容器的計(jì)算疲勞壽命長(zhǎng)于20 000個(gè)使用周期。目前，加熱爐先進(jìn)的安裝方式為插入式，其有兩個(gè)加熱區(qū)，一個(gè)在底部，另一個(gè)在側(cè)部。在同一臺(tái)HIP裝置中，可實(shí)現(xiàn)3檔最高工作溫度，分別為1 200 ℃（Fe-Cr-Al加熱爐）、1 450 ℃（Mo加熱爐）、2 000 ℃（石墨加熱爐）。由于是插入式，可根據(jù)燒結(jié)溫度、氣溫要求，便捷地更換加熱爐，每種加熱爐爐內(nèi)溫差小于±15 ℃。Arure Technologies公司制造，安裝在日本Metals Technologies Ltd的世界上最大的“giga-HIP”裝置的內(nèi)部工作直徑達(dá)到了2 050 mm，高度為4 200 mm，可在1 350 ℃、117.1 MPa的環(huán)境下加工零件。Avure Technologies 指出下一代HIP裝置的高度不低于5 m，設(shè)計(jì)的加工熱區(qū)直徑為4 000 mm。

2 熱等靜壓在異種金屬擴(kuò)散連接的應(yīng)用

氬弧焊如鎢電極惰性氣體保護(hù)焊（TGA）、激光焊（YAG）、C02激光焊及釬焊（brazing）技術(shù)在實(shí)現(xiàn)異種金屬焊接方面被寄予厚望。但采用這些技術(shù)進(jìn)行焊接時(shí)，一般采用高純氣作為焊接保護(hù)氣氛，這將不可避免地在焊接區(qū)引入Ar，出現(xiàn)氬脆現(xiàn)象，導(dǎo)致接頭韌性變差。在高真空條件下，釬焊雖然能避免因保護(hù)氣氛引入雜質(zhì)而產(chǎn)生問(wèn)題，但接頭處的擴(kuò)散層深度較淺、強(qiáng)度較低。熱等靜壓技術(shù)具有可實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷接頭、接頭處母材間元素?cái)U(kuò)散行為明顯、接頭質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，在異種金屬連接方面被廣泛應(yīng)用。

2.1 Be/Cu

由于Be具有的低原子序數(shù)和高熱傳導(dǎo)性，使其與等離子體具有良好的適應(yīng)性。國(guó)際熱核聚變反應(yīng)堆（ITER）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，屏蔽包層第一壁（First wall，F(xiàn)W）等面對(duì)等離子體元件由Be瓦（S65C）、DS-Cu（Glidcop@Al25）或CuCrZr熱沉材料、316L（N）不銹鋼背板等材料構(gòu)成，熱等靜壓擴(kuò)散連接（Hot isostatic pressing bonding，HIPB）是實(shí)現(xiàn)以上幾種材料連接的主要方法。Be、Cu合金、不銹鋼的連接技術(shù)是制備ITER第一壁的關(guān)鍵，歐、日、美、俄等均很重視這些材料的連接研究。

中國(guó)工程物理研究院材料研究所王錫勝等人開(kāi)展了Be與CuCrZr合金的HIP擴(kuò)散連接技術(shù)研究。王錫勝等人選用國(guó)產(chǎn)Be（純度99%）及CuCrZr（ITER級(jí)）合金開(kāi)展了Be/Cu熱等靜壓擴(kuò)散連接試驗(yàn)。為了減少擴(kuò)散層中的脆性相，獲得較好連接性能，采用磁控濺射方法在Be連接面鍍Ti作為擴(kuò)散壁壘，并在CuCrZr連接面鍍覆塑性較好的純Cu來(lái)緩解熱等靜壓過(guò)程產(chǎn)生的熱應(yīng)力。采用的HIP的溫度和壓力分別為580 ℃和145 MPa，保溫時(shí)間為2 h，工藝條件下獲得的剪切強(qiáng)度達(dá)到了123 MPa。目前，該研究獲得了較理想的Be和CuCrZr的擴(kuò)散連接性能，為我國(guó)開(kāi)展ITER第一壁板等元件的研制提供了有力的技術(shù)支撐。

2.2 Be/HR1鋼（或HR2鋼、CLAM鋼）

張鵬程等人應(yīng)用真空熱壓技術(shù)探討了壓力對(duì)Be/HR1不銹鋼擴(kuò)散焊的影響。其研究表明，Be與HR1不銹鋼的擴(kuò)散焊壓力選擇與原始表面密切相關(guān)。隨著壓力的增加，擴(kuò)散寬度及中間相數(shù)量逐漸增加。而降低Be/HR1不銹鋼接頭質(zhì)量的主要因素是鐵和不銹鋼合金元素在Be晶界和結(jié)合界面上的偏聚，減小壓力或縮短熱壓時(shí)間可避免元素偏聚，減少脆性中間相的形成，從而提高連接質(zhì)量。

冷邦義等人采用熱等靜壓（HIP）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Be與HR2 鋼的擴(kuò)散連接，比較了不同工藝下制備的Be/HR2接頭的性能，觀察了接頭區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，以Ti、Ti/Cu作為過(guò)渡層，采用HIP方法進(jìn)行Be/HR2鋼的平面復(fù)合具有一定可行性，Cu、Ti 鍍層可有效阻止Be、Fe元素間的互擴(kuò)散行為，起到了較好的擴(kuò)散壁壘作用，接頭強(qiáng)度較好，且HIP前、后母材的組織變化不明顯。Be/Ti/Cu接頭連接界面的擴(kuò)散帶征厚度隨HIP溫度的不同在15～29 μm 間變化。接頭斷口呈現(xiàn)臺(tái)階狀特征，為典型的脆性斷裂，斷裂發(fā)生在HR2/Ti擴(kuò)散區(qū)、Ti過(guò)渡層內(nèi)Ti/Be界面上，并在擴(kuò)散層內(nèi)伴有二次裂紋生成。冷邦義等人以AgCu28合金作為過(guò)渡層材料，采用熱等靜壓方法進(jìn)行了Be/CLAM鋼（中國(guó)低活化馬氏體鋼）的擴(kuò)散連接。研究結(jié)果表明，采用AgCu28合金作為過(guò)渡層材料，在900 ℃、160 MPa、保溫時(shí)間為2 h的條件下能實(shí)現(xiàn)Be/CLAM 鋼的擴(kuò)散連接。AgCu28合金過(guò)渡層材料能有效地減少Be與CLAM鋼母材間的元素互擴(kuò)散，防止了Be-Fe等脆性金屬間化合物的大量生成，且接頭質(zhì)量較好，剪切強(qiáng)度達(dá)180 MPa。

2.3 V-4Cr-4Ti/HR2鋼

釩合金具有導(dǎo)熱率高、室溫及高溫條件下力學(xué)性能好、低活化及與液態(tài)金屬Li、Li-Pb合金、Bi-Pb合金、Bi-In-Sn 合金相容性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是聚變堆結(jié)構(gòu)材料的候選材料之一。釩合金作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用時(shí)，必須與不銹鋼等金屬進(jìn)行連接。冷邦義等人以AuNi合金作為過(guò)渡層材料，采用熱等靜壓方法進(jìn)行了V-4Cr-4Ti/HR2鋼（SS）擴(kuò)散連接。研究表明，采用AuNi過(guò)渡層材料能實(shí)現(xiàn)V-4Cr-4Ti/HR2的擴(kuò)散連接；HIP溫度為850 ℃時(shí)，接頭質(zhì)量良好，其剪切強(qiáng)度為39 MPa；V、Fe、Ni等主要元素的平均擴(kuò)散深度為20 tLm；在SS側(cè)，擴(kuò)散層較為均勻，在V-4Cr-4Ti側(cè)，形成了Au的富集層和NixVy的富集層，兩層呈相互交替的層狀分布。

2.4 W-Cu、C-Cu連接

在受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)裝置（ITER）中，面向等離子體元件（PFCs）要求既耐高溫，又具有高的熱導(dǎo)性，現(xiàn)有材料很難完全滿足這些要求。有研究者指出，將耐高溫材料（W、石墨、C/C復(fù)合材料）與高熱導(dǎo)性材料（Cu及Cu合金）連接起來(lái)，能滿足耐高溫、低濺射、低氫滯留以及與結(jié)構(gòu)材料兼容的要求。

陳艷平等人以高純Ti箔作中間過(guò)渡層材料，在QIH16型熱等靜壓機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了W-Fe-Ni合金與紫銅材料的擴(kuò)散連接，在熱等靜壓壓力145 MPa、溫度為1 050 ℃、保溫2 h的條件下得到的連接界面均勻、致密，界面元素?cái)U(kuò)散充分，實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合。李啟壽等人以AgCuTi合金粉末為過(guò)渡層，采用HIP擴(kuò)散連接法對(duì)石墨與銅進(jìn)行了擴(kuò)散連接實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，在工藝參數(shù)為870 ℃、200 kPa、10 min的條件下，可實(shí)現(xiàn)石墨-Cu的連接，其接頭界面組織結(jié)構(gòu)為石墨/TiC/銅基固溶體+富銀區(qū)/銅；接頭剪切強(qiáng)度為17 MPa，斷裂在石墨母材。

石墨/Ag-Cu-Ti/銅真空加壓燒結(jié)接頭的形成機(jī)理為：在燒結(jié)溫度下，過(guò)渡層中的Ti向石墨界面偏聚，在高溫下發(fā)生Ti+C→TiC 反應(yīng)，降低石墨的表面能，使得液態(tài)過(guò)渡層能夠在其表面潤(rùn)濕鋪展以實(shí)現(xiàn)石墨與過(guò)渡層的冶金結(jié)合。通過(guò)Cu母材向液態(tài)過(guò)渡層中的溶解形成典型的共晶連接縫。

2.5 Al2O3/Kovar合金

A12O3陶瓷具有強(qiáng)度高、硬度高、耐高溫、抗腐蝕、耐磨以及絕緣性能好等優(yōu)異的特性，是一種很有前途的結(jié)構(gòu)材料。但其固有的硬性、脆性、難以加工的特點(diǎn)限制了其在航空、航天、軍工、核能、汽車(chē)、刀具制造、電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。如果將其與金屬連接起來(lái)，則可實(shí)現(xiàn)與金屬性能的互補(bǔ)，兼具陶瓷和金屬各自優(yōu)異性能的陶瓷-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件，更好地發(fā)揮A12O3陶瓷在作為結(jié)構(gòu)材料及電絕緣材料方面的優(yōu)越性能。李強(qiáng)等人開(kāi)展了Al2O3 /Kovar合金的熱等靜壓擴(kuò)散技術(shù)研究。筆者采用Ti-Ni及Ag-Cu-Ti為過(guò)渡層材料實(shí)現(xiàn)了Al2O3陶瓷與Kovar合金的熱等靜壓擴(kuò)散連接。結(jié)果表明，Al2O3、Ti-Ni、Kovar接頭連接界面處無(wú)孔洞等有顯微缺陷，其強(qiáng)度及氣密性較低，剪切強(qiáng)度及漏率分別為67 MPa和2.0×10-10 Pa·m3/s。Al2O3、Ti-Ni、Kovar接頭之間的界面連接良好，無(wú)明顯顯微缺陷，接頭強(qiáng)度及氣密性較高，剪切強(qiáng)度為85 MPa，漏率小于0.5×10-10 Pa·m3/s。

2.6 TC4/93W合金

如何改善高密度鎢合金穿透深入程度是當(dāng)前研發(fā)新型鎢合金材料的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。有研究指出，鈦合金在高應(yīng)變速率下具有較高的絕熱剪切敏感性，采用熱等靜壓工藝制備的15%～85%（Ti-6Al-4V）和10%～90%（Ti-6Al-4V）復(fù)合材料的穿透深入程度比常規(guī)的W-Ni-Fe合金高。程亮等人采用kovar合金作為中間過(guò)渡層材料，開(kāi)展了W-Ni-Fe合金與Ti-6Al-4V合金的IP擴(kuò)散連接技術(shù)研究。結(jié)果表明，采用140 MPa、980 ℃、保溫30 min的HIP工藝可實(shí)現(xiàn)W-Ni-Fe合金與Ti-6Al-4V之間的冶金結(jié)合，連接件抗拉強(qiáng)度為190 MPa。

2.7 K497/FGH741合金

K497和FGH741高溫合金是用于制造航天航空用渦輪轉(zhuǎn)子的材料。其中，K497合金用于制造渦輪葉片，F(xiàn)GH741用于制造渦輪盤(pán)，二者在一定條件下經(jīng)熱等靜壓（HIP）處理達(dá)到冶金結(jié)合制成渦輪轉(zhuǎn)子，可實(shí)現(xiàn)整體渦輪轉(zhuǎn)子的綜合性能最佳化，彌補(bǔ)當(dāng)前所用整鑄渦輪的性能不足，滿足航天航空發(fā)展的需要。閻來(lái)成等人采用熱等靜壓（HIP）固-固擴(kuò)散連接工藝，研究了K497與FGH741合金經(jīng)HIP連接及熱處理后母材的組織變化、結(jié)合界面的組織、力學(xué)性能及界面區(qū)元素的擴(kuò)散規(guī)律。結(jié)果表明，在HIP和熱處理階段，F(xiàn)GH741合金未發(fā)生再結(jié)晶，其晶粒度與母材基本相同，均為ASTM 5～6級(jí)；K497合金的粗大枝晶組織和共晶相經(jīng)熱處理后基本消除。結(jié)合界面冶金結(jié)合良好，形成了一個(gè)由亞晶和再結(jié)晶晶粒組成的界面區(qū)且無(wú)有害相析出。結(jié)合試樣的室溫力學(xué)性能達(dá)到了技術(shù)要求，但塑性值偏低。結(jié)合界面兩側(cè)元素相互擴(kuò)散的趨勢(shì)明顯。

3 展望

隨著HIP擴(kuò)散連接技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)由最開(kāi)始的核工業(yè)逐步擴(kuò)展到今天的冶金、化工、航空航天、新能源等領(lǐng)域。HIP擴(kuò)散連接技術(shù)在異種金屬、合金以及非金屬材料之間的連接方面表現(xiàn)出其他方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用的材料體系、涉及的范圍越來(lái)越廣泛。但是，要不斷適應(yīng)、滿足特種材料擴(kuò)散連接方面提出的設(shè)計(jì)與加工，HIP溫度、壓力與氣氛等工藝參數(shù)各個(gè)方面的特殊要求，還需要在HIP擴(kuò)散連接過(guò)程的數(shù)值模擬、擴(kuò)散連接技術(shù)、連接機(jī)理等方面開(kāi)展系統(tǒng)、深入的研究。

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〔編輯：張思楠〕