李景振 鄧貴德 何 曉

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2.中航工業(yè)四川航空工業(yè)川西機器有限責任公司 雅安 625000）

近些年,隨著中國制造業(yè)由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型,使大批制造企業(yè)日益壯大,生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提升,競爭力與日俱增。截至2021年底,全國特種設(shè)備總量達1 816.23萬臺,其中壓力容器469.49萬臺[1]。但是,我國特種設(shè)備制造業(yè)水平不一,某些領(lǐng)域仍處于國際產(chǎn)業(yè)鏈價值鏈的低端水平,自主核心知識產(chǎn)權(quán)較少,創(chuàng)新能力較低,如高速電梯、微型化起重機械等與部分發(fā)達國家相比存在一定差距[2]。我國等靜壓設(shè)備制造起步較晚,處于跟跑水平。本文回顧了等靜壓技術(shù)發(fā)展歷程、技術(shù)及應(yīng)用,概括了等靜壓設(shè)備在我國市場準入方面的相關(guān)要求,總結(jié)等靜壓技術(shù)的發(fā)展水平并提出相關(guān)建議,為有關(guān)制造和使用單位提供有益參考。

1 概述

等靜壓技術(shù)是一種應(yīng)用帕斯卡原理,利用密閉高壓容器內(nèi)零件受到各向均等的超高壓壓力狀態(tài)進行成形的先進制造技術(shù)[3-4]。根據(jù)靜壓力基本方程(p=p0+ρgh),盛放在密閉容器內(nèi)的液體,其外加壓強p發(fā)生變化時,只要液體仍保持其原來的靜止狀態(tài)不變,液體中任一點的壓強均將發(fā)生同樣大小的變化,在超高壓力作用下,結(jié)構(gòu)發(fā)生永久變形。

目前等靜壓技術(shù)根據(jù)產(chǎn)品成形溫度和壓力的不同分為：常溫、100～ 630 MPa的冷等靜壓技術(shù),80～120 ℃、300 MPa左右的溫等靜壓技術(shù)和1 000～2 200 ℃、100～200 MPa的熱等靜壓技術(shù)等3種。因上述等靜壓設(shè)備結(jié)構(gòu)相似,本文將以熱等靜壓設(shè)備為例展開介紹。

在我國,等靜壓設(shè)備屬于特種設(shè)備范圍,制造單位應(yīng)按照特種設(shè)備相關(guān)法規(guī)取得《中華人民共和國特種設(shè)備生產(chǎn)許可證》方準在我國境內(nèi)銷售、經(jīng)營和使用。

2 發(fā)展歷程

1955年,美國的Battelle實驗室首先研發(fā)熱等靜壓技術(shù),主要應(yīng)用于原子能反應(yīng)過程中燃料元素的擴散粘結(jié),故被稱作“氣壓粘結(jié)”[3-4]。隨著熱等靜壓技術(shù)的快速發(fā)展及其應(yīng)用范圍和使用場合的不斷拓展,熱等靜壓技術(shù)的工作壓力可提高到單向熱壓的10倍以上,所以采用熱等靜壓技術(shù)可生產(chǎn)具有十分復(fù)雜形狀的部件。

熱等靜壓技術(shù)經(jīng)過70余年的發(fā)展歷程,在工業(yè)化生產(chǎn)上的應(yīng)用范圍得到了不斷延伸。熱等靜壓設(shè)備經(jīng)過數(shù)十年的改進,大幅度降低了生產(chǎn)成本,更拓寬了熱等靜壓技術(shù)在工業(yè)化生產(chǎn)各方面的應(yīng)用,但是其應(yīng)用范圍的擴展仍有很大空間。經(jīng)初步統(tǒng)計,應(yīng)用于我國市場的主要境內(nèi)外等靜壓設(shè)備制造企業(yè)有8家,其制造工藝、設(shè)計標準,見表1。

表1 主要應(yīng)用于我國市場的境內(nèi)外等靜壓設(shè)備制造企業(yè)

此外,按照熱等靜壓技術(shù)發(fā)展的時間及主要特點可劃分為探索階段、發(fā)展階段及拓展階段,見表2。

表2 等靜壓技術(shù)發(fā)展階段

至今,熱等靜壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)之中,如金屬和陶瓷的固結(jié)、金剛石刀具的燒結(jié)、鑄件質(zhì)量的修復(fù)和改善、高性能磁性材料、靶材的致密化、硬合金后期致密、擴散粘結(jié)及高壓化學(xué)反應(yīng)等,并在航空、航天、核工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3 等靜壓設(shè)備結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

3.1 結(jié)構(gòu)及部件

熱等靜壓設(shè)備主要由氣源系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、主機系統(tǒng)、氣體系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等7部分組成,如圖1所示。圖1中的料車系統(tǒng)僅限于下裝料方式。熱等靜壓設(shè)備主要部件,見表3。

圖1 熱等靜壓機各大系統(tǒng)

表3 熱等靜壓設(shè)備主要部件

各系統(tǒng)的主要功能如下：氣源系統(tǒng)負責提供設(shè)備壓力、溫度傳遞介質(zhì)（一般為惰性氣體）；加熱系統(tǒng)負責對氣體介質(zhì)加熱；主機系統(tǒng)負責提供高溫高壓容腔,是熱等靜壓設(shè)備的核心部件,一般由容器和機架組成,容器和機架均采用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)設(shè)計時嚴格采用無拉應(yīng)變原則,能有效保證主機安全；氣體系統(tǒng)負責氣體介質(zhì)預(yù)加壓、加壓和回收；電氣系統(tǒng)負責設(shè)備的加壓、加熱、降溫、回收、卸壓全過程電氣控制；冷卻系統(tǒng)負責對設(shè)備工作過程中需冷卻的部位進行強制冷卻；液壓系統(tǒng)負責提供輔助工作（機架移進、移出、端蓋提升等）動力；料車系統(tǒng)（下裝料特有）負責設(shè)備的裝、出料。

3.2 應(yīng)用范圍

●3.2.1 鑄件致密處理

鑄造因材料組分合金化高、技術(shù)工藝簡單、生產(chǎn)設(shè)備要求不高、生產(chǎn)成本低廉、易鑄造復(fù)雜形狀零件等突出優(yōu)點而被廣泛采用,但工件同時存在無法避免的缺陷,如縮孔、疏松、成分偏析等（見圖2）,高溫合金鑄造零件的缺陷更加突出,在性能方面一般不如變形合金制件,在對零件性能要求較高的場合如航天、航空產(chǎn)品上限制使用。

1972年,在美國召開的第二屆國際高溫合金會議,研究人員首次提出應(yīng)用熱等靜壓工藝來優(yōu)化高溫合金工件在鑄造過程中產(chǎn)生的顯微疏松缺陷[5]的技術(shù)。此后,研究人員開展了高溫合金的熱等靜壓工藝研究工作并取得重大突破,使高溫合金的循環(huán)疲勞壽命、持久強度、塑性和性能穩(wěn)定性等技術(shù)參數(shù)得到顯著改善,尤其是循環(huán)疲勞壽命延長了2倍以上。

航空領(lǐng)域廣泛使用的鈦合金鑄件、鎳基高溫合金就采用了典型的熱等靜壓工藝處理。如TC10合金經(jīng)熱等靜壓處理后伸長率比鑄態(tài)提高了157%,收縮率提高了185%,沖擊韌度提高了165%[6],如圖3所示。K4169高溫合金經(jīng)1 165℃、4 h、140 MPa熱等靜壓處理后,顯微疏松和脆性組織得到有效消除,碳化物大量溶解,組織均勻化程度提高[7]；與直接進行標準熱處理的合金相比,K4169高溫合金鑄件經(jīng)熱等靜壓處理后再進行固溶和時效處理,在室溫和650 ℃下抗拉強度和屈服強度明顯提高且波動減小,屈強比、伸長率、斷面收縮率均有改善；在650 ℃、620 MPa條件下合金的持久壽命由27 h延長至93 h,室溫下等幅低周疲勞壽命提高近50%。此外,等軸晶高溫合金、火箭尾噴喉襯、鈾金屬防護層的熱等靜壓工藝處理也都屬于這方面的應(yīng)用。

圖3 TC10鑄件熱等靜壓處理性能變化對比

●3.2.2 高溫合金粉末成型

熱等靜壓粉末成型基本流程為：制備熱等靜壓粉末成型模具—將粉末裝入模具震動填實—抽真空封焊—將模具整體放入熱等靜壓設(shè)備進行處理—熱等靜壓處理完成后,采取酸洗或機械加工的方法逐步去除包套,實現(xiàn)復(fù)雜外型一次成型。

熱等靜壓粉末成型技術(shù)在制備航空發(fā)動機典型盤類零件方面相對傳統(tǒng)技術(shù)具有制品整體性能優(yōu)良、表面質(zhì)量好、制品精度高、成型零件致密度高的優(yōu)勢。如FGH95粉末渦輪盤,性能達到國外同類合金的A級水平[8]；TC4粉末熱等靜壓成型棒材室溫拉伸性能最高值982 MPa,最低值964 MPa,平均值達到971 MPa,超過GB/T 2965—2007《鈦及鈦合金棒材》規(guī)定指標,且強度、斷后伸長率、斷面收縮率明顯提高；TC11熱等靜壓粉末成型材料拉伸性能在500 ℃達到749 MPa,超過GJB 2744A—2019《航空用鈦及鈦合金自由鍛件和模鍛件規(guī)范》所規(guī)定的TC11鍛件的力學(xué)性能要求685 MPa。

目前國內(nèi)外已普遍采用熱等靜壓粉末成型方法加工制造航空發(fā)動機葉片盤、渦輪盤、機匣等零件（見圖4）,國外已實現(xiàn)裝機,國內(nèi)暫處于試驗研究階段。

圖4 熱等靜壓粉末典型零件

●3.2.3 擴散連接

熱等靜壓擴散連接是熱等靜壓技術(shù)的最原始應(yīng)用,與一般連接方法相比,采用熱等靜壓擴散連接技術(shù)實現(xiàn)了如下優(yōu)點：

1）材料與母材特性相同,焊點無熔化區(qū),從而消除焊點性能衰減；

2）熱等靜壓技術(shù)可以連接通常不能連接的異種金屬；

3）熱等靜壓擴散連接通常不受固定模具的限制,能加工和處理任何復(fù)雜形狀的制件,也可利用熱等靜壓擴散連接技術(shù)制備任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。

航空航天發(fā)動機的雙合金整體葉盤是發(fā)動機轉(zhuǎn)子制造技術(shù)的主要發(fā)展方向之一,并在新型航空發(fā)動機上得到廣泛應(yīng)用。整體葉盤的盤體采用粉末高溫合金,具有高屈服強度和良好的低周疲勞性能；葉片主要為鑄造高溫合金,滿足材料高溫持久蠕變性能的技術(shù)要求。雙合金的良好結(jié)合使盤體和葉片都能獲得優(yōu)良組織性能,從而實現(xiàn)盤件與葉片的選擇具有較大空間且實現(xiàn)最佳匹配性能。

中國航發(fā)集團公司北京航空材料研究院采取“固-粉”連接的U72合金和K447A合金試驗件經(jīng)1 195 ℃、175 MPa熱等靜壓后（見圖5）,雙合金界面處經(jīng)熒光、X光和超聲檢查未發(fā)現(xiàn)缺陷,連接強度滿足技術(shù)指標。

圖5 固-粉熱等靜壓擴散連接雙合金整體葉盤

在核工業(yè)領(lǐng)域中,常用鋯合金、不銹鋼、鈮、鈹?shù)冉饘侔埠巳剂现瞥珊巳剂习?要求包覆層與核燃料有良好的粘接性能和壓實密度。過去采用壓制和燒結(jié)方法粘接包覆層和燃料,但粘接性能和燃料的密度不理想,而且工序復(fù)雜。采用熱等靜壓擴散連接工藝可以同時進行致密和粘接,工藝簡單,并且可以制作復(fù)雜零件外形。

●3.2.4 其他方面

除上述3方面應(yīng)用外,目前熱等靜壓技術(shù)在高速鋼粉末固結(jié)、硬質(zhì)合金粉末固結(jié)、陶瓷材料粉末固結(jié)、C/C復(fù)合材料制備等方面都有應(yīng)用。用熱等靜壓工藝處理的高速鋼制件能有效避免碳化物偏析現(xiàn)象,用熱等靜壓工藝處理陶瓷材料（如氮化硅、碳化硅等）力學(xué)性能顯著提高,在特殊場合完全能代替金屬材料。

4 等靜壓設(shè)備的市場準入

等靜壓設(shè)備大部分屬于《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》的監(jiān)管范圍,按照我國特種設(shè)備法規(guī)規(guī)定,應(yīng)取得制造許可且經(jīng)檢驗合格后方準銷售、使用。下文概述等靜壓設(shè)備市場準入應(yīng)辦理的許可及技術(shù)審查等規(guī)定。

4.1 生產(chǎn)單位許可

按照《特種設(shè)備生產(chǎn)單位許可目錄》,等靜壓設(shè)備屬于A6級超高壓容器,應(yīng)滿足TSG 07—2019《特種設(shè)備生產(chǎn)和充裝單位許可規(guī)則》（以下簡稱《許可規(guī)則》）相應(yīng)許可條件并經(jīng)鑒定評審合格后,由市場監(jiān)管總局批準頒發(fā)A6級壓力容器制造許可證。

●4.1.1 資源條件要求

A6級超壓力容器生產(chǎn)單位資源條件要求包括法定資質(zhì)、人員、工作場所及設(shè)施、生產(chǎn)設(shè)備與工藝設(shè)備、檢測儀器與試驗裝置等,見表4。

表4 A6級壓力容器生產(chǎn)單位資源條件要求

●4.1.2 質(zhì)量管理體系要求

等靜壓設(shè)備生產(chǎn)單位應(yīng)按照《許可規(guī)則》中附件M《特種設(shè)備生產(chǎn)單位質(zhì)量保證體系基本要求》的要求,建立與超高壓容器許可范圍相適應(yīng)的質(zhì)量管理體系且保持有效實施。境外申請單位還應(yīng)建立相關(guān)執(zhí)行中國制造許可制度的規(guī)定,如采用國際標準或境外標準設(shè)計應(yīng)向市場監(jiān)管總局提交符合性申明及比照表、出口中國產(chǎn)品告知等。

●4.1.3 技術(shù)能力要求

等靜壓設(shè)備生產(chǎn)單位應(yīng)具備保證產(chǎn)品安全性能的制造能力,能夠按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（以下簡稱《固容規(guī)》）及相關(guān)產(chǎn)品標準（如GB/T 34019—2017）進行制造,并且在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中體現(xiàn)質(zhì)量保證體系的有效實施,提供完整的產(chǎn)品質(zhì)量證明文件。等靜壓設(shè)備生產(chǎn)單位應(yīng)當具有與超高壓容器產(chǎn)品制造相關(guān)的焊接（具有焊接工藝時）、消除應(yīng)力熱處理、無損檢測、耐壓試驗、泄漏試驗等工藝文件。

4.2 監(jiān)督檢驗和定期檢驗

等靜壓設(shè)備生產(chǎn)單位應(yīng)滿足《固容規(guī)》中第6章監(jiān)督檢驗和第8章定期檢驗的要求,進口等靜壓設(shè)備的監(jiān)督檢驗可以采用制造過程監(jiān)檢的方式進行,如未在境外完成制造過程監(jiān)檢,應(yīng)在產(chǎn)品入境到達口岸或者使用地后,由經(jīng)市場監(jiān)管總局核準的檢驗機構(gòu)對產(chǎn)品的安全性能進行監(jiān)督檢驗,簡稱到岸監(jiān)檢。

4.3 使用登記

等靜壓設(shè)備的使用單位應(yīng)落實主體責任,按照TSG 08—2017《特種設(shè)備使用管理規(guī)則》中第3章的要求,在產(chǎn)品投入使用前或者投入使用后30日內(nèi),由使用單位向產(chǎn)品所在地的直轄市或設(shè)區(qū)的市的特種設(shè)備安全監(jiān)管部門申請辦理使用登記。

4.4 其他要求

●4.4.1 壓力容器符合性申明

采用非中國標準制造等靜壓設(shè)備時,應(yīng)滿足《質(zhì)檢總局關(guān)于承壓特種設(shè)備制造許可有關(guān)事項的公告》（2012年第151號）[9]、《質(zhì)檢總局特種設(shè)備局關(guān)于<固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程>(TSG 21—2016)的實施意見》（質(zhì)檢特函〔2016〕46號）[10]等相關(guān)要求,主要申請程序及注意事項如下：

1）申請單位應(yīng)登錄市場監(jiān)管總局特種設(shè)備行政許可辦公室網(wǎng)站（www.selo.org.cn）,在線提交其產(chǎn)品符合中國安全技術(shù)規(guī)范（《固容規(guī)》中3.1.1條）規(guī)定的壓力容器基本安全要求的申明和其產(chǎn)品與符合壓力容器基本安全要求的比照表；

2）同一類型且相同設(shè)計參數(shù)的產(chǎn)品,只需提交一次符合性申明和比照表；

3）市場監(jiān)管總局特種設(shè)備行政許可辦公室將在5個工作日內(nèi)完成審查（補齊、補正或通過）,通過的將進行編號并在網(wǎng)上進行公示；

4）申請單位應(yīng)將取得的公示編號、符合性申明和比照表等資料納入質(zhì)量證明文件及出廠資料。

●4.4.2 風險評估

等靜壓設(shè)備屬于超高壓產(chǎn)品,按照《固容規(guī)》分類為第Ⅲ類壓力容器,并且按照2012年第151號文件的規(guī)定,“對Ⅲ類固定式壓力容器和移動式壓力容器、超高壓容器,制造企業(yè)應(yīng)在產(chǎn)品出廠資料中提供風險評估報告”,2012年第151號文件的附件給出了風險評估報告的基本要求。

●4.4.3 技術(shù)評審

進口等靜壓設(shè)備主要設(shè)計標準有美國ASME VIII DIV.3、德國AD 2000等,當安全系數(shù)、材料、制造工藝等與我國相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范規(guī)定不同時,應(yīng)按照《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》中第十六條、《國務(wù)院辦公廳關(guān)于全面實行行政許可事項清單管理的通知》（國辦發(fā)〔2022〕2號）[11]向市場監(jiān)管總局申請“特種設(shè)備采用新技術(shù)、新材料、新工藝審批”的行政許可,通過后方準生產(chǎn)、使用。

5 結(jié)束語和建議

我國在20世紀70年代初開始設(shè)計制造現(xiàn)代熱等靜壓設(shè)備,從時間上看起步不晚,但時至今日無論是等靜壓設(shè)備制造技術(shù)還是等靜壓技術(shù)應(yīng)用水平我國整體落后國外至少10年,甚至沒有熱等靜壓設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)、制造的國家標準,僅有一部2017年頒布的行業(yè)標準JB/T 13116—2017《鋼絲纏繞式熱等靜壓機》。

目前國內(nèi)大型熱等靜壓設(shè)備幾乎都是國有企業(yè)、單位在使用。一般采用熱等靜壓工藝處理的制件為高附加值產(chǎn)品,工藝方法成熟固定,工藝革新、技術(shù)創(chuàng)新、新產(chǎn)品開發(fā)動力不足,基于熱等靜壓技術(shù)開展基礎(chǔ)研究更是耗時耗資。熱等靜壓設(shè)備昂貴、使用維護成本高,客觀上也造成了其投資力度不夠的事實。

令人欣慰的是等靜壓設(shè)備所有零部件（尤其是核心零部件）現(xiàn)已能實現(xiàn)國產(chǎn)化。國內(nèi)等靜壓設(shè)備制造企業(yè)正在追趕國際先進水平,并取得了突破性進展,除了在某些特殊技術(shù)（如快冷技術(shù)）以及發(fā)熱體材料壽命方面存在一定差距外,在溫度控制、壓力控制、高溫高壓氣體密封技術(shù)等方面已達到國際先進水平。同時多家科研單位、院校已擁有實驗型熱等靜壓設(shè)備,并開展了大量基礎(chǔ)科研工作,正在逐步縮小與國外的差距。

為提高國內(nèi)熱等靜壓設(shè)備設(shè)計制造水平以及加速熱等靜壓技術(shù)的應(yīng)用開發(fā),建議：

1）國內(nèi)等靜壓設(shè)備生產(chǎn)單位一般采用GB/T 34019—2017及企業(yè)標準等,但是GB/T 34019—2017的規(guī)定只適用于非焊接單層超高壓容器,未充分考慮鋼絲纏繞等靜壓裝置的結(jié)構(gòu)形式特點,建議制定熱等靜壓設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)、制造的專項國家標準,或者在修訂《超高壓容器》標準時將鋼絲纏繞等靜壓裝置內(nèi)容納入標準范圍；

2）加大對科研單位、高等院校的支持力度,有重點、有計劃地進行基于等靜壓技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作；

3）通過政府采購、企業(yè)或個人投資、技術(shù)轉(zhuǎn)讓等多種方式促進熱等靜壓技術(shù)研究成果轉(zhuǎn)化。