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热等静压在异种金属扩散连接中的应用研究进展
 
 
刘炳刚++龙亮
摘 要：简要介绍了热等静压技术的原理、扩散连接技术以及热等静压设备的最新进展，并综述了热等静压在异种金属扩散连接中的应用研究进展。
关键词：热等静压；扩散连接；异种金属；工艺生产技术
：TG457 ：A DOI：.
热等静压（Hot Isostatic Pressing，简称HIP）是一种集高温、高压于一体的工艺生产技术，加热温度通常为1 000～2 000 ℃，通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质，工作压力最高可达200 MPa。在高温、高压的共同作用下，被加工件的各向均衡受压。因此，加工产品的致密度高、均匀性好、性能优异。该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点。
自20世纪50年代中期以来，美国巴蒂尔（Battelle）研究所为研制核反应堆材料而开发HIP技术以来，由于其在生产加工难度较大、质量要求较高的材料及构件中展现出了独特的优势，受到了人们的广泛关注。经过近半个世纪的发展，随着热等静压装置向着大型化、高温化、使用气氛多样化发展，热等静压设备性能的不断完善。HIP技术的应用方向从最早的粉末冶金压实成形、铸件的致密化处理发展到了复杂构件的成型以及金属、陶瓷、复合材料等各种先进材料的合成制备等。特别是在硬质合金烧结、钨铝钛等难熔金属及合金的致密化、产品的缺陷修复、大型及异形构件的近净成形、复合材料及特种材料的生产加工等方面得到了广泛应用。
在核能、航空航天等工程应用中，需要将异种材料（金属、合金、非金属材料）进行扩散连接，热等静压技术成为了非常便捷、可靠的选择。本文重点介绍了热等静压技术原理、设备及其性能的发展，及其在异种材料Be/Cu、Be/CLAM钢、Be/HR-1钢、V-4Cr-4Ti/HR2钢、W/Cu、Cu/C等扩散连接应用中的发展趋势。
1 HIP技术的研究进展
HIP扩散连接技术
热等静压的基本原理是一种以氮气、氩气等惰性气体为传压介质，将制品放置到密闭的容器中，在一定温度（从用于铝合金的480 ℃到用于钨粉的1 700 ℃）、压力（20～300 MPa，常用压力为100 MPa）的共同作用下，向制品施加各向同等的压力，对制品进行压制烧结致密化、连接处理的技术。HIP扩散连接是在高温、高压的作用下，被连接材料的原子快速移动、相互扩散，最终材料在表面紧密接触，在固态下连接在一起的焊接工艺。在
HIP扩散连接的过程中，能保证工件不超过几个
百分比的宏观变形，总过程分为2步：①工件在高压作用下变形，导致表面凹凸不平处坍塌，在界面处产生封闭气孔的网络；通过晶粒边界扩散或动力法则蠕变等扩散控制机制实现连接。②表面坍塌后，随之产生的连接质量决定于气孔的表面成分，比如氧化物膜或污染物以及表面残余成分等。
相比于传统的焊接、钎焊等技术，HIP扩散连接技术具有连接强度高、微观结构完整、扭曲度小、能实现不同材料之间的连接等优点。由于界面不产生液相，界面结合强度与母材相同，可实现良好的冶金结合，可连接具有复杂形状的零件，并可以实现严格的尺寸控制和常规焊接无法连接的脆性金属或陶瓷之间的连接。正是由于具有以上诸多优点，HIP扩散连接技术受到了广发科研工作者的关注。
热等静压设备的发展
热等静压设备由高压容器、加热炉、气体增压设备、真空泵、冷却系统和计算机控制系统组成，其中，高压容器为整个设备的关键装置。高压容器主要包括密封环、压力容器、顶盖和底盖等，加热炉主要包括发热体、隔热屏和热电偶等，气体增压设备主要包括气体压缩机、过滤器、止回阀、排气阀和压力表等，计算机控制系统主要包括功率控制、温度控制和压力控制等，典型的HIP原理如图1所示。目前，先进的热等静压机为预应力钢丝缠绕的框架式结构。高压容器的端盖与缸体间的连接采用无螺纹设计。由于简体和框架均采用钢丝预应力缠绕，所获得的负预应力可通过计算确定，即使当装置处于工作的最大压力状态时，其强大的应力也是由预应力缠绕钢丝所承受，即应力被集中消除
，承载区域具有较高的安全性。同时，钢丝缠绕还能起到防爆和屏障的作用。
1—压力容器；2—气体；3—压坯；4—包套；5—加热炉
图1 热等静压原理
为了适应铸件致密化、粉末成型成烧结以及异种金属（合金）扩散连接等工程应用的发展需要，热等静压装置的发展趋向于大型化、高温化和使用气氛多样化。面向工程应用中较高的压力与温度需求，HIP装置的新设计中包括采用紧配锻钢环或钢丝缠绕的壁较薄的容器、插入式的加热炉安装方式等。比如，在钢丝缠绕的HIP装置中，径向力是用数千米高强度钢丝使预受力的锻钢缸体绷紧，轴向力是通过两个移动锁合