MIM的热等静压(HIP)

目录

• 9.1 介绍

• 9.2 HIP过程

• 9.3 HIP工艺的优点

• 9.4 HIP工艺的问题

• 9.5 HIP工艺条件示例

• 9.6 结论

9.1 介绍

20世纪50年代，发明了热等静压（HIP），用于核反应堆部件的扩散连接，很快被发现是固结粉末和去除硬质合金中孔隙的一种伟大工具。HIP已发展成为一种工业上公认的金属和合金致密化工艺，以提高其机械性能并提高其抛光和电镀能力。它主要用于清除内部空隙。大多数金属注射成型（MIM）生产商将此操作外包给专门从事HIP的外部供应商。该工艺简单，由高温高压部件组成。为此，HIP设备专门设计用于维持这些条件，并且可能非常昂贵。在热等静压过程中，达到的高温使材料足够柔软而变形，高压提供了压缩内部孔隙的力。孔隙通过蠕变和扩散机制消除。材料的屈服强度（YS）由于温度而降低，并且氩气具有施加压力而不扩散通过金属的原子尺寸。HIP初始阶段活跃的蠕变机制包括蠕变（通过晶粒内部扩散）、蠕变（晶界蠕变）和位错蠕变。最终阶段HIP包括封闭孔壁相互扩散结合。MIM组件非常适合于HIP，因为烧结后的密度足够高，可以将内部空隙与外部隔离（不互连），因此是可压缩的。如果MIM组件具有暴露的互连孔，则氩气压缩气体将简单地填充这些孔而不会压缩这些孔。在粉末的热等静压散装金属制造中，将粉末放入金属罐中，将罐抽真空，然后焊接闭合，以便气体和热量将粉末压实并粘合在一起。罐需要允许粉末的可压缩性。幸运的是，MIM通常烧结到95%以上的密度，在大多数情况下烧结到98%以上，这远远高于无罐致密化所需的最小密度。非扫描材料的热等静压最小密度在92%-94%范围内。表9.1提供了允许多种金属和合金无罐热等静压的最小密度指南。MIM组件可以通过使用永久性标记在表面上书写来实际测试其无罐HIP的能力。如果标记显示清晰，并且没有吸到零件中，则可以对其进行HIP处理以获得更高的密度。如果它渗入零件中，则不能进行HIP处理以获得更高的密度。

表格 9.1 允许使用MIM组件的最小密度

9.2 HIP过程

HIP工艺利用热压缩惰性气体对工件施加压力。对于MIM，HIP温度通常比烧结温度低100-200℃，压力通常在15000-20000 psi（105-140MPa）范围内。优选的气体是氩气，因为它具有大的原子尺寸；然而，可以使用氮气，但可能没有那么有效。图9.1是流程示意图。该过程是一个批处理过程，通常持续4-10小时。它有以下步骤顺序：

1. 在室内进行工作并关闭；

2. 排空空气并填充惰性气体；

3. 同时加压和加热；

4. 同时冷却和减压；

5. 通风口

6. 卸载工作。

该序列代表独立的热等静压工艺，通常用于罐装钢坯熔模铸造和MIM部件。在碳化物工业中，一种称为烧结HIP或压力烧结的工艺用于使碳化物/钴粉末基部件致密化。烧结和HIP在一个步骤中完成，以减少总时间和成本。压力通常为1.5-10MPa，远低于标准HIP压力，但足以去除碳化物的最后一点孔隙。

图 9.1 HIP工艺示意图。

9.3 HIP工艺的优点

采用HIP的主要原因是通过消除孔隙率来提高金属的机械性能。如前所述，MIM是HIP的理想候选者。通过MIM获得的固有烧结密度足够高，以隔离除少量表面孔隙率外的所有孔隙率，因此可以在不使用罐的情况下进行致密化，这是制造HIP钢坯的通常做法。HIP具有增强最终产品的多种属性。它使零件致密化，从而使其具有更大的性能、更均匀的尺寸、更好的表面光洁度，并且在抛光过程中暴露气孔的机会也更小。图9.2显示了热等静压前后316L的微观结构，注意孔的消除和晶粒向右生长。已观察到MIM零件的17-4pH SS和F2886的晶粒生长。

图 9.2 MIM 316L在105MPa和1100℃（右）HIP之前（左）和之后在1350℃下烧结。注意热等静压后的晶粒生长。

HIP将使未连接到外表面的任何孔致密化。为了易于封闭，需要将毛孔从外部封闭。图9.3说明了不会致密化的孔隙和会致密化的孔。

图 9.3 孔隙说明：（B）会致密，（A）不会致密。

MIM后HIP的另一个好处是减少了部件的尺寸变化。由于采用热等静压将部件致密化至可能的最大密度，因此在热等静压后，从一个部件到另一个部件的整体尺寸变化将减小。常见的烧结技术是在间歇炉中烧结多个部件。设想从一个角落到热区中心的温度分布发生变化的分批炉负荷。如果中心部分密度达到98%，角落部分密度达到96%，则这两个部分之间存在尺寸差异。现在设想一下，将这两个部分都纳入HIP循环。热等静压后，两个零件的密度将接近100%；因此，最终尺寸将更紧密地相互匹配。

MIM的HIP将提高MIM的机械性能。金属部件粉末加工的经验法则是，密度增加，性能提高。硬度、YS和极限抗拉强度（UTS）都将有所改善，但最大的改善将是动态性能，如伸长率、疲劳和冲击强度。由于它们易受微结构缺陷的影响，这些性能显著提高。表9.2报告了HIP前后少数MIM材料的一些性能。

表格 9.2 MIM和MIM/HIP机械性能示例

除了提高性能外，HIP工艺还提高了待抛光表面的能力。抛光是一种从表面去除材料的方法。材料可以通过机械或电气方式去除（电抛光）。材料的移除不断地将新材料暴露在表面。如果表面下有一个孔，抛光会使其暴露出来，并导致表面不平整。孔隙暴露区域容易被抛光介质/溶剂或其他污染物截留，并可能导致表面质量差和潜在污染。如果在抛光前对部件进行HIP处理，则不会有任何次表面孔隙可供暴露，表面完整性将大大提高，表面清洁度也将提高。在非HIPed样品中，暴露的孔隙可能含有污染物，这些污染物会在电镀过程中留下缺陷，并在医疗应用中藏匿细菌。

HIP也提高了MIM压块的焊接性。具有气孔的合金焊接不良，因此，通过热等静压去除气孔可以改善焊缝。

9.4 HIP工艺的问题

HIP为材料的最终性能带来了许多重要属性；然而，人们对该过程可能产生的一些实际负面影响表示担忧。这些是变形、潜在的表面污染，以及不同批次的变形和污染的可变性。

如前所述，HIP将MIM零件致密化至接近全密度。在MIM中，由于较早的处理，组件可能具有密度梯度。例如，组件在其形状内可以具有密度梯度，这取决于浇口位置。在浇口附近，部件具有高度堆积的颗粒，而在远离浇口处，成型压力较小，部件具有松散堆积的颗粒。在烧结过程中，如果存在这种类型的梯度，靠近栅极的区域将比距离栅极最远的区域收缩得更小。在热等静压过程中，密度较小的区域比密度较大的区域收缩得更多，这会进一步增强，从而导致部件变形和各向异性收缩。此外，由于HIP单元本身的热梯度，各向异性收缩和变形可能发生。

由于HIP室中的冷却梯度，也可能发生变形。如果零件有薄段和厚段，较薄段的冷却速度会比较厚段快，这可能导致变形。在热处理中也观察到这种现象。减轻这种情况的一种方法是控制工作容器的冷却。虽然对于商用HIP处理器的"共享负载"方法并不总是实用的，但如果在HIP处理器上购买整个运行，这可能是实用的。这种做法可以更好地控制某些组件中的失真，但成本可能很高。

MIM制备的部件对HIP工艺反应良好，因为表面孔隙率很小，并且MIM工艺产生的孔隙通常很小。与熔模铸造不同，HIP后，在正确制造的MIM部件上看不到凹坑或凹陷。然而，有时可以在现有孔隙附近看到轻微变形。如果HIP后出现凹陷，则导致凹陷的孔隙通常不是来自MIM小孔，而是来自更大的缺陷，可能是来自不良的成型条件。人们应该审查成型条件，并可能通过在热等静压之前对零件进行切片来调查该区域，以确定成型工艺条件是否是孔隙缺陷的原因。

HIP的另一个实际问题是在HIP操作过程中部件表面可能受到污染。HIP供应商在其HIP容器中运行多种合金，因此，工作可能会在表面造成污染。作者发现HIP操作后部件表面有绿色和棕色污染。对此的分析表明，它是铬和硅。通过使用工具包装箔围绕零件以防止污染或将其降至最低，可以缓解这种情况。也可以使用真空溶液退火来蒸发表面的污染物。一些人声称，在环境压力或真空下重新加热部件会重新打开气孔。尽管偶尔有文献报道，但作者并未观察到。在HIP工艺过程中，由于空位从孔扩散到部件外部，并且在HIP过程的最后阶段，孔扩散的壁彼此结合，孔在HIP处理过程中闭合；因此，扩散结合的孔壁已成为晶界，不太可能重新开放。

9.5 HIP工艺条件示例

典型的HIP工艺条件受到限制。大多数供应商都有标准运行，变量是温度、压力和时间。他们在相同的压力、不同的时间和温度下运行。表9.3给出了用于MIM组件的几个标准HIP条件。

表格 9.3 可用于不同合金和金属的典型HIP循环

9.6 结论

MIM是HIP的理想候选者，因为其烧结后的封闭孔隙条件。经HIP处理的MIM组件显示出改进的机械性能，将密度增加至全密度，并显著晶粒生长。批量MIM烧结过程中看到的潜在变化的均匀化也降低了尺寸变化。其他好处包括改善抛光和焊接性。大多数HIP不是由MIM制造商执行的，因此，HIP是在不同几何形状和某些情况下的合金的混合工作负载中执行的。