CN111360260A - 一种制件的热等静压***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制件的热等静压***及方法，***中包括主容器、液态金属容器、增压器、加热***和冷却***；主容器内用于完成制件的热等静压，工作时，主容器内充满液态金属；液态金属容器内储存有液态金属，液态金属容器与主容器之间通过进液管路和出液管路连通；进液管路上设置有增压器和进液阀，出液管路上设置有抽液泵和出液阀；增压器用于将液态金属容器内的液态金属压入主容器内，且用于增加主容器内的压力；加热***和冷却***分别用于加热和冷却主容器。本发明提供的制件的热等静压***及方法，使用液态金属作热压介质，可显著提高生产效率，且有利于降低设备的生产难度，且液态金属具有可视性，相比气体介质，无窒息危险，安全性高。

Description

一种制件的热等静压***及方法
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种制件的热等静压***及方法。
背景技术
热等静压(Hot Isostatic Pressing，HIP)工艺是一种以气体或液体为温度和压力的传递介质，将制件放置于密闭的容器之中，在高温和高压的作用下，向制件施加各向同等的压力。制件经热等静压处理后其致密度、力学性能等都有显著提高，内部孔隙缺陷也会有明显下降。热等静压技术在材料烧结、粉末冶金、材料成形、铸件处理及扩散连接等领域得到了广泛的应用。
目前常用的热等静压设备一般采用惰性气体或者氧气、氮气等气体作为热压介质，但是由于气体的导热性较差，设备中产生的热量无法高效率的传递给工件，且完成制件的高温高压处理后，设备难以在短时间内冷却下来，不仅浪费能源，还延长了生产周期，降低生产效率。同时，由于气体分子较小，难以密封，因此对热等静压设备及制件包套的密封性要求较高，设备生产难度大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种制件的热等静压***，包括主容器、液态金属容器、增压器、加热***和冷却***；
所述主容器内用于完成制件的热等静压，工作时，所述主容器内充满液态金属；
所述液态金属容器内储存有液态金属，所述液态金属容器与所述主容器之间通过进液管路和出液管路连通；
所述进液管路上设置有所述增压器和进液阀，所述出液管路上设置有抽液泵和出液阀；
所述增压器用于将所述液态金属容器内的液态金属压入所述主容器内，且用于增加所述主容器内的压力；
所述加热***和冷却***分别用于加热和冷却所述主容器。
在一些实施例中，还包括真空泵，所述真空泵通过真空管路与所述主容器连通，且所述真空管路上设置有真空隔离阀和压力真空表；
所述真空泵用于在所述主容器内填充液态金属前将主容器内抽至预设的真空度。
在一些实施例中，还包括控制***，主容器内设置有温度传感器和压力传感器，所述控制***与温度传感器、压力传感器及各可控电子设备电连接；
所述控制***用于根据预设的温度、压力曲线，控制所述增压器、加热***和冷却***的工作，使得所述主容器内的温度、压力按照预设的温度、压力曲线变化。
在一些实施例中，所述加热***包括加热管，所述加热管设置于所述主容器的外壳内。
在一些实施例中，所述冷却***包括换热器和冷却塔，所述换热器通过换热管路分别与所述主容器和所述冷却塔连接。
在一些实施例中，所述主容器包括上盖，所述上盖的底端设置有密封件。
在一些实施例中，所述进液管路及出液管路上均设置有过滤器。
本发明另一方面提供了一种制件的热等静压方法，采用上述的制件的热等静压***，且包括如下步骤：
S1，将制件直接或经包套处理后放置于所述主容器内，再密封所述主容器；
S2，打开所述真空泵及所述真空隔离阀，将所述主容器内部抽至预设的真空度，再关闭所述真空隔离阀及所述真空泵；
S3，打开所述进液阀及所述增压器，使所述液态金属容器内的液态金属进入所述主容器内，直至所述主容器内充满液态金属；
S4，所述控制***根据预设的温度、压力曲线，控制所述增压器、加热***和冷却***的工作，使得所述主容器内的温度、压力按照预设的温度、压力曲线变化，完成制件的热等静压；
S5，开启所述出液阀，使所述主容器内的液态金属自行流入液态金属容器内；待液态金属容器压力与主容器压力持平后，开启抽液泵，将液态金属全部回收至所述液态金属容器内后，关闭所述出液阀，再取出所述主容器内的制件。
在一些实施例中，根据预设的温度、压力曲线，步骤S4中具体包括升温升压阶段、保温保压阶段和降温降压阶段。
在一些实施例中，所用的液态金属为镓、镓铟合金或镓铟锡合金。
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明提供的制件的热等静压***及方法，使用液态金属作热压介质，因液态金属具有较高的导热性，设备升温和降温速度均大幅提高，可显著提高生产效率；此外，相比常规的氩气等惰性气体，液态金属更利于密封，对此对高压容器及制件包套的密封性要求较低，有利于降低设备的生产难度，液态金属也不易渗入制件内污染制件；液态金属具有可视性，相比气体介质，无窒息危险，安全性高。该热等静压***可用于使粉末直接加热加压烧结成形的粉末冶金工艺，或者将成形后的铸件进行热致密化处理，或者用于同种或异种材料的扩散连接等。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1为本发明提供的制件的热等静压***的示意图。
附图标记列表：1、液态金属容器；2、过滤器；3、增压器；4、抽液泵；5、出液阀；6、进液阀；7、加热***；8、换热器；9、冷却塔；10、真空泵；11、压力真空表；12、真空隔离阀；13、液态金属；14、密封件；15、上盖；16、主容器；17、制件；18、控制***。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
参照图1，为本发明提供的制件的热等静压***，包括主容器16、液态金属容器1、增压器3、加热***7和冷却***；主容器16内用于完成制件17的热等静压，工作时，主容器16内充满液态金属13；液态金属容器1内储存有液态金属，液态金属容器与1主容器16之间通过进液管路和出液管路连通；进液管路上设置有增压器3和进液阀6，出液管路上设置有抽液泵4和出液阀5；增压器3用于将液态金属容器1内的液态金属压入主容器16内，且用于增加主容器16内的压力；加热***7和冷却***分别用于加热和冷却主容器16。
本发明提供的制件的热等静压***，使用液态金属作热压介质，因液态金属具有较高的导热性，设备升温和降温速度均大幅提高，可显著提高生产效率；此外，相比常规的氩气等惰性气体，液态金属更利于密封，对此对高压容器及制件包套的密封性要求较低，有利于降低设备的生产难度，液态金属也不易渗入制件内污染制件；液态金属具有可视性，相比气体介质，无窒息危险，安全性高。该热等静压***可用于使粉末直接加热加压烧结成形的粉末冶金工艺，或者将成形后的铸件进行热致密化处理，或者用于同种或异种材料的扩散连接等。
本发明中，液态金属指的是熔点较低，在常温或略高于常温的条件下呈液态的金属或金属化合物。其对材料腐蚀较弱，熔点和沸点之间温度差别很大，有固定的体积。液态金属具有极大的导热系数，为传统工质的数十倍，如氩气在常温常压下的热导率为0.01795W/(m·K)，而液态金属镓则为30W/(m·K)左右。流动的规律性与一般液体相似，压力损失小。具体地，所用的液态金属可采用镓、镓铟合金或镓铟锡合金，也可采用其他合适的材料。
另外，主容器16应采用能承受高温高压的材料制成；主容器16可包括上盖15，上盖15的底端设置有密封件14。优选地，主容器16可以承受0.1～200MPa的高压，20～2000℃的温度。
优选地，该热等静压***还包括真空泵10，真空泵10通过真空管路与主容器16连通，且真空管路上设置有真空隔离阀12和压力真空表11；真空泵10用于在主容器16内填充液态金属前将主容器16内抽至预设的真空度。
优选地，该热等静压***还包括控制***18，主容器16内设置有温度传感器和压力传感器(图中未示出)，控制***18与传感器及各可控电力设备电连接；控制***18用于根据预设的温度、压力曲线，控制增压器3、加热***7和冷却***的工作，使得主容器16内的温度、压力按照预设的温度、压力曲线变化。控制***18例如可以为中控台或中控室的计算机等。
进一步地，加热***7包括加热管，如图1所示，加热管设置于主容器16的外壳内。另外，冷却***可包括换热器8和冷却塔9，换热器8通过换热管路分别与主容器16和冷却塔9连接；需要进行冷却时，主容器16的热量传递至换热器8，并在换热器8中与外部的冷却塔9进行热交换。
优选地，如图1所示，进液管路及出液管路上均设置有过滤器2，以避免杂质的进出。
本发明另一方面提供了一种制件的热等静压方法，该方法采用上述的热等静压***，且包括如下步骤：
S1，将制件17直接或经包套处理后放置于主容器16内，再密封主容器16；若制件17为粉末，则需要先经过包套处理，包套为用于盛装粉末并将粉末与介质(本发明为液态金属)隔开的容器。
S2，打开真空泵10及真空隔离阀12，将主容器16内部抽至预设的真空度，再关闭真空隔离阀12及真空泵10；该步骤中，因主容器16内不可能被抽至绝对真空，故抽至预设的真空度即可。
S3，打开进液阀6及增压器3，使液态金属容器1内的液态金属进入主容器16内，直至主容器16内充满液态金属。
S4，控制***18根据预设的温度、压力曲线，控制增压器3、加热***7和冷却***的工作，使得主容器16内的温度、压力按照预设的温度、压力曲线变化，完成制件17的热等静压。
S5，开启所述出液阀5，使所述主容器16内的液态金属自行流入液态金属容器1内；待液态金属容器1压力与主容器16压力持平后，开启抽液泵4，将液态金属全部回收至所述液态金属容器1内后，关闭所述出液阀5，再取出所述主容器16内的制件。
进一步地，根据预设的温度、压力曲线，步骤S4中具体包括升温升压阶段、保温保压阶段和降温降压阶段。
以下描述应用本发明的两个具体实施例：
实施例1
本实施例中，需处理的制件为TC4粉末，需要将TC4粉末经过热等静压成形。
具体地，先根据产品技术要求，设计制造制件包套，将TC4粉末装入包套中，振实，抽真空后密封包套。打开主容器16的上盖15，将包套放置于主容器16内部的载物台上。打开真空泵10将主容器16内抽至所需真空度。打开增压器3和进液阀6，使主容器16内充满液态金属。在控制***18中设定温度压力的历程曲线，历程包括三个阶段：升温升压阶段，增压器3和进液阀6保持开启，并开启加热***7，对设备进行升温升压，在0.1～1h内将温度升高至800～1200℃，压力升高至90～150MPa；保温保压阶段，待设备达设定温度及压力值后，在设定温度及压力条件下，保温保压1～5h，此阶段，控制器可根据温度压力实测值与设定值自动修正参数，控制加热或冷却***的开闭，以实现保温保压；降温降压阶段，开启换热器和冷却塔9，在0.5～6h内降至室温常压，该过程中，待温度降至600℃以下后，便可开启出液阀5以回收液态金属，将液态金属全部回收完后，关闭出液阀5，继续降温一段时间后，便可关闭换热器和冷却塔9，打开上盖15，取出包套，去除包套并进行后续处理得到最终产品。所得产品致密度达99％以上，力学性能与锻件相当。
实施例2
本实施例中，需处理的制件为K445高温合金铸件，需要将K445高温合金铸件经过热等静压处理，以改善其性能。
具体地，打开主容器16的上盖15，将制件放置于主容器16内部的载物台上。打开真空泵10将主容器16内抽至所需真空度。打开增压器3和进液阀6，使主容器16内充满液态金属。在控制***18中设定温度压力的历程曲线，历程包括三个阶段：升温升压阶段，增压器3和进液阀6保持开启，并开启加热***7，对设备进行升温升压，在0.1～1h内将温度升高至800～1500℃，压力升高至100～170MPa；保温保压阶段，待设备达设定温度及压力值后，在设定温度及压力条件下，保温保压1～5h，此阶段，控制器可根据温度压力实测值与设定值自动修正参数，控制加热或冷却***的开闭，以实现保温保压；降温降压阶段，开启换热器和冷却塔9，在0.5～7h内降至室温常压，该过程中，待温度降至600℃以下后，便可开启出液阀5以回收液态金属，将液态金属全部回收完后，关闭出液阀5，继续降温一段时间后，便可关闭换热器和冷却塔9，打开上盖15，取出制件，进行后续处理得最终产品。铸件经热等静压处理后，密度提高0.2％。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制件的热等静压***，其特征在于，包括主容器(13)、液态金属容器(1)、增压器(3)、加热***(7)和冷却***；
所述主容器(13)内用于完成制件(17)的热等静压，工作时，所述主容器(16)内充满液态金属(13)；
所述液态金属容器(1)内储存有液态金属，所述液态金属容器与(1)所述主容器(16)之间通过进液管路和出液管路连通；
所述进液管路上设置有所述增压器(3)和进液阀(6)，所述出液管路上设置有抽液泵(4)和出液阀(5)；
所述增压器(3)用于将所述液态金属容器(1)内的液态金属压入所述主容器(16)内，且用于增加所述主容器(16)内的压力；
所述加热***(7)和冷却***分别用于加热和冷却所述主容器(16)。
2.根据权利要求1所述的制件的热等静压***，其特征在于，还包括真空泵(10)，所述真空泵(10)通过真空管路与所述主容器(16)连通，且所述真空管路上设置有真空隔离阀(12)和压力真空表(11)；
所述真空泵(10)用于在所述主容器(16)内填充液态金属前将主容器(16)内抽至预设的真空度。
3.根据权利要求2所述的制件的热等静压***，其特征在于，还包括控制***(18)，主容器(16)内设置有温度传感器和压力传感器，所述控制***(18)与温度传感器、压力传感器及各可控电子设备电连接；
所述控制***(18)用于根据预设的温度、压力曲线，控制所述增压器(3)、加热***(7)和冷却***的工作，使得所述主容器(16)内的温度、压力按照预设的温度、压力曲线变化。
4.根据权利要求1所述的制件的热等静压***，其特征在于，所述加热***(7)包括加热管，所述加热管设置于所述主容器(16)的外壳内。
5.根据权利要求1所述的制件的热等静压***，其特征在于，所述冷却***包括换热器(8)和冷却塔(9)，所述换热器(8)通过换热管路分别与所述主容器(16)和所述冷却塔(9)连接。
6.根据权利要求1所述的制件的热等静压***，其特征在于，所述主容器(16)包括上盖(15)，所述上盖(15)的底端设置有密封件(14)。
7.根据权利要求1所述的制件的热等静压***，其特征在于，所述进液管路及出液管路上均设置有过滤器(2)。
8.一种制件的热等静压方法，其特征在于，采用如权利要求3所述的制件的热等静压***，且包括如下步骤：
S1，将制件(17)直接或经包套处理后放置于所述主容器(16)内，再密封所述主容器(16)；
S2，打开所述真空泵(10)及所述真空隔离阀(12)，将所述主容器(16)内部抽至预设的真空度，再关闭所述真空隔离阀(12)及所述真空泵(10)；
S3，打开所述进液阀(6)及所述增压器(3)，使所述液态金属容器(1)内的液态金属进入所述主容器(16)内，直至所述主容器(16)内充满液态金属；
S4，所述控制***(18)根据预设的温度、压力曲线，控制所述增压器(3)、加热***(7)和冷却***的工作，使得所述主容器(16)内的温度、压力按照预设的温度、压力曲线变化，完成制件(17)的热等静压；
S5，开启所述出液阀(5)，使所述主容器(16)内的液态金属自行流入液态金属容器(1)内；待液态金属容器(1)压力与主容器(16)压力持平后，开启抽液泵(4)，将液态金属全部回收至所述液态金属容器(1)内后，关闭所述出液阀(5)，再取出所述主容器(16)内的制件。
9.根据权利要求8所述的制件的热等静压方法，其特征在于，根据预设的温度、压力曲线，步骤S4中具体包括升温升压阶段、保温保压阶段和降温降压阶段。
10.根据权利要求8所述的制件的热等静压方法，其特征在于，所用的液态金属为镓、镓铟合金或镓铟锡合金。
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