什麼是熱均壓

在高溫下以惰性氣體從所有方向施加相等的高壓,使粉末緻密化,或消除鑄件與燒結體內部封閉氣孔的方法。簡稱HIP。

日文名稱: 熱間静水圧プレス

「熱均壓」出現在1領域的1道練習題中(材料的加工與接合等)。

這個名詞所屬的領域: 材料的加工與接合

處理的條件與機制

HIP是把零件或填裝粉末的封罐放入高壓容器,以氬等惰性氣體為壓力介質,在高溫下從所有方向施加相等壓力的處理。壓力約為100~200 MPa,溫度依材料選在低於熔點、但擴散與潛變能充分進行的範圍,保持數小時。例如鈦合金為900℃上下,Ni基超合金為1100~1200℃上下。內部封閉的氣孔,藉周圍材料的塑性變形、潛變與擴散而壓合,相對的面以擴散接合而消失。壓力從所有方向相等,因此零件的形狀幾乎不變。

開放氣孔與封罐

HIP能壓合的只有不與表面相連的封閉氣孔。因為壓力介質的氣體會進入開放氣孔,使內外壓力平衡。燒結體要在相對密度超過約92~95%、氣孔封閉後才處理,也有在1個爐中接續進行燒結與HIP的方法(燒結HIP)。直接由粉末製作時,把粉末填入金屬封罐,抽真空後密封,連同封罐一起壓實。把填充率65%的粉末緻密化到真密度,長度約收縮13%,因此封罐的形狀須預估此收縮來設計。

與類似方法的差異

靜壓加壓也有在常溫下以液體為壓力介質、壓實裝在橡膠模中之粉末的冷均壓(CIP)。CIP是使成形體密度均勻的成形製程,緻密化在之後的燒結中進行;HIP在高溫下處理,因此當場就緻密化到接近真密度。放入石墨等模具而從單一方向加壓的熱壓,裝置雖簡單,形狀卻限於圓板、方板等簡單形狀,密度也容易因方向而有差異。HIP的強項是對形狀複雜的零件也能施加相等壓力。

使用的場合與限制

HIP廣泛用於消除航空引擎鑄造零件內部的縮孔與氣孔、減少疲勞強度的分散,也已成為金屬積層製造零件不可或缺的後處理。也用於由粉末製作接近最終形狀之大型零件的PM-HIP,以及以擴散接合異種材料的HIP接合。不過氧化物等夾雜物或內面已氧化的氣孔,即使壓合也不易接合,可能殘留為缺陷。由於保持在高溫,也會發生晶粒成長與析出物變化,因此要與處理後的熱處理一併決定條件。

練習熱均壓的題目

為了消除粉末冶金零件或鑄件內部殘留的封閉氣孔,會進行熱均壓(HIP)。其方法何者正確?

  1. A在常溫下,對裝入橡膠模的粉末透過液體等向施加壓力而成形
  2. B在高溫下,以上下衝頭沿單一方向加壓並通電進行燒結
  3. C在高溫下,以氬等惰性氣體為壓力介質,從所有方向施加相等的高壓
查看答案與解析

正確答案:C. 在高溫下,以氬等惰性氣體為壓力介質,從所有方向施加相等的高壓

HIP是將零件放入壓力容器,一邊加熱到高溫,一邊以氬等惰性氣體從所有方向施加相等、約100 MPa以上的壓力。內部的封閉氣孔因潛變與擴散而被壓扁消失,能在幾乎不改變形狀的情況下提高密度與疲勞強度。也用於消除渦輪葉片鑄件,以及以積層製造製作之金屬零件中的氣孔。與表面相通的開放氣孔因氣體會進入而不會被壓扁,因此要先燒結到氣孔封閉,或將粉末封入金屬容器(封罐)再處理。在常溫下使用橡膠模的是冷均壓(CIP),一邊通電一邊沿單一方向加壓的是放電電漿燒結等方法。

常見問題

HIP與CIP有何不同?

兩者都從所有方向施加相等壓力,但HIP在高溫下以惰性氣體為壓力介質,進行到緻密化;CIP在常溫下以水或油為壓力介質,把橡膠模中的粉末均勻成形。CIP的成形體之後再以燒結緻密化。

HIP能完全消除氣孔嗎?

若是封閉氣孔,多半能壓合到接近真密度。不過與表面相連的開放氣孔不會壓合,內面已氧化的氣孔也可能不易接合。若氣孔中封入了氬等氣體,之後再加熱時氣孔也可能再度膨脹。

HIP的壓力大約多少?

常用約100~200 MPa,相當於大氣壓的約1000~2000倍。壓力太低時氣孔壓合需要較長時間,溫度太低時材料不易變形,因此依材料組合溫度、壓力與時間來決定。

解析中的「熱均壓」

出現「熱均壓」的題目(1題)

  1. 為了消除粉末冶金零件或鑄件內部殘留的封閉氣孔,會進行熱均壓(HIP)。其方法何者正確?

相關名詞

潛變 燒結 包模鑄造 回彈 敏化 焊接熱影響區 碳當量 擠製 縮孔

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