燒結與緻密化

熱等靜壓(hot isostatic pressing)

/ HIP = hip /

熱壓用衝頭往一個方向擠壓零件,這把它限制在簡單的平坦形狀。熱等靜壓拿掉了這個限制,改成同時從各個方向擠壓,用的是氣體。零件被封在一個高溫壓力容器中,四周包著惰性氣體——通常是氬——被打到極高的壓力,同時溫度保持在高處。因為氣體對每一個表面施加相等的壓力,無論形狀多複雜,零件都被均勻地壓縮,而那極高的壓力驅逐了其他方法都碰不到的孔隙。這就像把你的陶瓷帶到一個同時還熾熱白亮的海洋底部。

這壓力遠超任何模具所能提供:通常是 100 到 200 MPa 的氣體壓力,在 1000 到 2000 degrees C 的溫度下。有兩種用法。在包封式 HIP 中,鬆散或部分成形的粉末被封進一個氣密的罐(金屬或玻璃)裡,先抽真空;外部氣體把罐往內壓,把粉末固結到全緻密——罐把加壓氣體擋在粉末的氣孔之外。在後 HIP(sinter-HIP)中,一件已經燒結到封閉孔隙(沒有通往外界的開放通道)的零件被直接 HIP、不用罐:氣體進不了那些封死的內部氣孔,於是外部氣體與每一顆封閉氣孔內部近真空之間的壓力差,把那些最後的氣孔壓垮閉合。這就是為什麼 HIP 是追逐最後那零點幾個百分比密度、以及癒合殘餘空洞的標準辦法。

熱等靜壓是當可靠度不容妥協、成本退居其次時你所用的:不得含有限制強度氣孔的氮化矽軸承球與引擎零件、濺鍍靶材、透明陶瓷、以及高性能元件內部缺陷的癒合。等靜、全方位的壓力也避免了單軸熱壓的密度梯度與形狀限制。誠實的缺點是:它是個慢而昂貴的批次製程,需要笨重的壓力容器設備;而且後 HIP 只在孔隙已經封閉時才有效——HIP 無法除去開放、互連的孔隙,因為氣體會直接流進去、從內外均等地壓,所以零件必須先被預燒結過氣孔封閉那一點。

氮化矽軸承球先被燒結到封閉孔隙,再在約 150 MPa 的氬氣下熱等靜壓:氣體把最後的孤立氣孔壓垮閉合,留下一顆完全緻密、沒有限制強度空洞的球——當單一個內部氣孔就可能使軸承失效時,這是必要的。

HIP 用高溫氣體從各方向擠壓,閉合最後的氣孔——但只限已與表面隔絕的氣孔。

後 HIP 無法緻密化仍有開放、互連孔隙的坯體:氣體只會灌滿通道、內外均等地壓。零件必須先被預燒結過氣孔封閉那一點——否則就得把粉末封進罐中(包封式 HIP)。

又称
HIPHIPing熱均壓