热等静压近净成形(NNS-HIP)技术发展及应用

近净成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术。它是建立在新材料、新能源、机电一体化、精密模具技术、计算机技术、自动化技术、数值分析和模拟技术等多学科高新技术成果基础上，改造了传统的毛坯成形技术，使之由粗糙成形变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本的成形技术。

    从七十年代以来，各工业发达国家对近净成形技术投入了大量资金和人力，使这项技术得到很快发展，被美国、日本政府和企业列为目前影响竞争能力的关键技术。

    热等静压（Hot isostatic pressing）是20世纪50年代发展起来的一种粉末材料加工技术，起初是用于包层核燃料元件的扩散连接。 1970-1980年，美国空军材料试验室将HIP工艺扩展到了制造镍基高温合金和钛合金预成形坯和近终形制件领域。

    热等静压近净成形技术NNS-HIP （ Near net shaping hot isostatic pressing)，是结合了模具和粉末冶金工艺，在高温高压的复合载荷下，通过包套模具腔控形，直接将粉体致密化从而得到复杂结构的高性能目标构件。

    由于HIP技术成型的材料，具有组织成分均匀、力学性能优越的特点，因此被广泛应用于航空航天、核电、半导体、火力发电等高质量和高价值的领域，不仅在制备难熔金属、陶瓷和复合材料方面具有高密度、高均匀性、机械性能优良的特点，而且具有生产效率高，绿色环保的优势，NNS-HIP技术在原材料的利用率超过95%以上，远高于传统加工方式, 因此在现代材料加工工程中也起着越来越重要的角色。例如，航空航天领域开发的具有更高含量强化元素的新型高熵合金，HIP技术的发展为该类材料的使用提供了有效途径。

1）经计算机模拟设计包套，加工包套；

2）在包套中装填金属粉末并振实；

3）抽真空并封焊，实施热等静压；

4）通过机械加工或酸洗去除包套。

利用 NNS-HIP 技术制备镍基粉末整体叶盘的典型工艺流程如下图所示：

    NNS-HIP 成形工艺常用于整体成形许多常规方法难以成形的零件，当前国际上在役的航空发动机使用 NNS-HIP高温合金件已逾20万件。比如70年代首次在 T700 发动机上大规模使用NNS-HIP René 95 合金部件；发动机F100、F110 和 CFM56也在使用 NNS-HIP René 95 合金挡板。80 年代后，俄罗斯采用直接热等静压近净成形工艺为 RD-33、AL-31F 系列、D-30KP、PS-90A等先进航空发动机提供了合金盘、轴、环等部件。

   俄罗斯还用 EI698P镍基高温合金粉末，利用NNS-HIP工艺为涡轮装置生产大尺寸盘型件，其强度和塑性比铸、锻件提高了 10%～15%；在生产直径为 700 mm的盘类零件时，其成本比铸、锻工艺降低 30%。

    NNS-HIP技术的难点在于包套的设计，对于复杂零件，包套制作的不仅成本高、而且周期长。另外温度、压力、加载时间等等工艺参数也非常的重要，后来科学家们通过计算机模拟的方式设计包套和建立合适的 HIP工艺， 成为热等静压近净成形技术发展的重要途径。

    法国  Baccino 以数值模拟为基础，提出了一套粉末 HIP成形的工艺流程，通过该工艺流程，可将制造精度控制在 0.1 mm以内。并且已经成功用镍基高温合金、钛合金、不锈钢等粉末材料，制造出如直升机发动机的涡轮轴、叶轮等非常复杂的零件以及尺寸达1 m的大型不锈钢件 。

    与致密体的成形过程相比，粉体的成形则表现出更为复杂的力学过程。 由于粉末体在高温高压环境下的流变特性造成了粉末颗粒在热等静压压制过程中的力学行为非常复杂，要找到一个统一且精确的数学模型来描述粉末在 HIP过程中的致密化行为非常困难。

    一般认为，在热等静压过程开始前，粉体密度低，粉末颗粒之间存在大量间隙，颗粒表面凹凸不平， 粒子与粒子之间多为点接触。这时向粉末施加压力 ，随机分布的颗粒将通过平移或转动相互靠近；小颗粒填充大颗粒间隙， 这时致密化速率很大；当粉体密度增加到一定程度时，粉末之间的配位数达到饱和 ，颗粒之间的接触也由点接触变为面接触，致密化速率明显降低；之后粉末体将进入塑性变形阶段，当达到颗粒内的临界切应力时，颗粒产生切变，温度升高也使颗粒基体的临界切应力降低，使塑性变形更容易发生，塑性变形使孔隙进一步被填充 。

    当压坯的温度较高时，蠕变、粉末颗粒边界扩散、晶界扩散、晶格扩散机制开始占据主导作用，原子发生缓慢的扩散或蠕变，剩余的孔隙将逐渐被填满并达到100%的理论密度。

    粉末致密化微观模型的意义在于其可以通过数值计算，综合各种机制的致密化速率得到总致密化速率，从而建立致密化速率与 HIP 工艺条件（温度、压力和时间）的联系。

    但是HIP微观模型只能计算HIP工艺参数与致密化速率的关系，而宏观连续体模型不仅可以通过有限元数值模拟得到密度与时间的关系，还可以计算压坯各部位的变形量，通过预测包套的变形从而优化包套的设计。

    下图是镍基高温合金粉末压制到致密状态，所需的工艺参数图以及粉末的致密化状况：

    数值模拟进行包套设计是热等静压近净成形的重要方法，而数值模拟的难点和关键在于粉末热等静压数学模型的建立和选择。 HIP过程为复杂的热-机械耦合过程，温度、压力、相对密度随时间发生变化，不同阶段的致密化机制不尽相同。 粉末致密化微观模型可以为 HIP工艺提供参考，宏观模型则可以预测包套的变形和坯料密度变化。

    热等静压近净成形技术NNS-HIP广泛应用于很多行业，带来了材料的升级和工艺的进步，如果需要得到更多的资讯，可以浏览我们的网站并欢迎垂询！