熱等靜壓技術已廣泛應用多年，是一種廣為人知且值得信賴的工藝，能確保材料適用于苛刻環(huán)境，目前正作為鑄造、金屬注射成型和增材制造等上游生產(chǎn)流程的核心技術加以運用。
近年來，內(nèi)高壓熱處理（高壓熱處理）技術的發(fā)展帶來了一些有趣的進展，在熱處理行業(yè)。
熱等靜壓（HIP）是消除關鍵部件材料缺陷并改善其機械性能的關鍵工藝，此前該工藝完成后需在另一臺設備中進行熱處理；然而，如今在熱等靜壓容器內(nèi)進行熱處理的新可能性，促使許多終端用戶為關鍵應用開發(fā)新的工藝流程。
現(xiàn)代熱等靜壓（HIP）設備與傳統(tǒng)的熱處理市場極為契合，能夠進一步改善材料性能，提供熱處理服務，并有機會控制熱等靜壓工藝流程，最終影響材料的微觀結構。這項技術—許多原始設備制造商（OEM）已經(jīng)采用了這種技術，并將熱等靜壓（HIP）工藝納入了內(nèi)部生產(chǎn)。 為了在生產(chǎn)中獲得靈活性。
服務市場也呈現(xiàn)出顯著的增長態(tài)勢，這主要是由于現(xiàn)有的熱處理公司增加了產(chǎn)能，以滿足終端用戶的需求并擴大其供應范圍。
圖 1：線纏繞鍛造。?昆圖斯技術公司
圖 2：熱等靜壓壓力容器示意圖。?昆特斯技術公司
昆圖斯科技——潮流先驅(qū)
自20世紀 50年代首批專利問世以來，昆特斯技術公司一直是熱等靜壓市場的先驅(qū)。現(xiàn)代熱等靜壓設備通常在高達 2000攝氏度（3632華氏度）的工作溫度和高達207兆帕（30000磅/平方英寸）的壓力下標準運行。
昆圖斯設備的壓力密封采用對鍛件進行繞絲處理的方式，在薄壁鍛件中引入壓應力，從而大幅增強其強度，同時防止鍛件本身出現(xiàn)任何可能的裂紋擴展。在熱等靜壓循環(huán)過程中，使用繞絲框架將端蓋固定到位（見圖1和圖 2）。
該設計符合 ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第VIII卷第 3分冊、歐盟 2014/68/EU壓力容器指令、中國 TSG21-2016（適用于A1級壓力容器）、日本高壓氣體安全協(xié)會（KHK）審查的《高壓氣體安全法》以及韓國氣體安全局（KGS）審查的《高壓氣體安全控制法》的要求。
通常，將載荷處理在熔點的80%至90%，以促使材料產(chǎn)生蠕變、擴散和微觀結構的均勻化。在這種極端環(huán)境下，孔隙和其他內(nèi)部缺陷得以修復，從而顯著提高機械性能并減少性能差異。
不過也有一些例外情況，比如陶瓷和某些金屬（如鈦），出于其他原因會在遠低于熔點的溫度下進行處理。大多數(shù)金屬是在鉬爐中進行處理的，這種爐子的設計溫度可達1400攝氏度（2552華氏度）。
傳統(tǒng)熱等靜壓最大的應用領域一直是航空航天業(yè)和工業(yè)燃氣輪機業(yè)等對疲勞抗力有極高要求的行業(yè)中的鑄件致密化。增材制造技術的出現(xiàn)，使得熱等靜壓在從骨科植入物到賽車和火箭發(fā)動機等各種苛刻應用領域中確保材料性能的需求不斷增加。
熱等靜壓是一種間歇式工藝，零件通過裝料籃或裝料臺裝入爐腔，具體取決于零件尺寸和客戶要求。出于提高生產(chǎn)效率的考慮，操作人員通常會使用兩個裝料臺，以便在進行一個加熱周期的同時裝卸零件。
與其它間歇式爐一樣，每批零件所處的環(huán)境取決于材料、所用氣體、裝料的清潔度、爐具以及操作程序。裝料密封并加壓后，進行排氣和真空循環(huán)用于在加壓前去除水分和雜質(zhì)，以確保環(huán)境正確。通常使用 4.8的氬氣，不過對于某些材料，氮氣也常被使用。
爐體設計
對于爐體的建造，有幾種基本的材料選擇。通常，當爐溫高于1400攝氏度（2552華氏度）時，石墨是首選材料，而低于此溫度時，鉬則是主要選擇。
昆圖斯科技專注于風扇驅(qū)動的對流，以確保在加熱、恒溫及冷卻過程中溫度的均勻性。不僅氣體在載荷周圍和內(nèi)部強制流動，使載荷均勻受熱，而且還能將氣體導向較冷的表面，使載荷均勻冷卻并加快冷卻速度（見圖3）。
實現(xiàn)精益生產(chǎn)的現(xiàn)代特性
昆圖斯熱等靜壓容器采用繞線式設計，便于在靠近壓力容器鍛件處增設冷卻通道。冷卻液用于確保繞線溫度低于設計溫度，從而保持其強度。同樣的冷卻回路可用作熱交換器，從圓柱形容器及其中的負載中移除熱量。通過加快對流和提高熱傳遞效率，增強了熱量移除效果。因此，風扇對于提升熱處理能力至關重要。昆特斯技術公司于20世紀 80年代率先采用這種風扇技術，該技術被稱為均勻快速冷卻或 URC?。
那么，現(xiàn)代髖關節(jié)冷卻有效載荷的速度有多快？
如今，較大的昆圖斯生產(chǎn)型熱等靜壓設備能夠以每分鐘超過200攝氏度（360華氏度）的速度冷卻負載材料，而專注于增材制造和鎳基高溫合金的小型設備則能夠達到每分鐘超過 8000攝氏度（每分鐘14432華氏度）的冷卻速度。
因此，昆特斯技術公司的生產(chǎn)設備在熱等靜壓循環(huán)的冷卻階段與油淬火的速度相當甚至更快。這為在熱等靜壓過程中對材料進行加壓淬火提供了巨大的機會。每個熱等靜壓循環(huán)由若干步驟組成，這些步驟被編入一個程序序列，包括：裝料；真空循環(huán)（以去除氧氣等污染物）；加熱，包括加壓、保溫、冷卻、減壓和卸料。
最初，高速冷卻技術的開發(fā)旨在通過縮短冷卻步驟來提高生產(chǎn)效率，從而縮短熱等靜壓（HIP）周期。與傳統(tǒng)冷卻方式（或關閉加熱器，讓容器自然冷卻）相比，通常能大幅縮短冷卻時間。冷卻時間會因合金種類、起始溫度、容器大小以及負載量的不同而有所差異。圖4展示了均勻快速冷卻（URC?）技術。
高溫高壓熱處理，HPHT
在熱等靜壓致密化循環(huán)中，能夠快速冷卻并在保溫時間結束后控制冷卻速率，這對于熱處理行業(yè)而言是一項重大且關鍵的發(fā)展。這使得將多個熱處理步驟合并為一個步驟成為可能。
在壓力下同時進行的熱等靜壓（HIP）工藝已特別受到增材制造（AM）領域的關注，同時也適用于鎳基高溫合金及其他鑄造材料的微觀結構定制。在熱等靜壓過程中加熱工件時，會消除應力，這使得一些公司能夠在增材制造的構建板上直接處理材料，從而省去一道工序，并避免零件在拆卸過程中出現(xiàn)裂紋或變形。
對于易裂材料而言，在增材制造構建板上直接進行熱等靜壓處理尤其具有吸引力。熱等靜壓的保溫溫度通常等于或略高于固溶熱處理（SHT）溫度，因此，工件可以在開始冷卻前冷卻至所需的固溶熱處理溫度，也可以直接從熱等靜壓保溫溫度冷卻。這取決于合金的種類以及材料所需的性能。
在現(xiàn)代熱等靜壓設備中，通過風扇控制以選定的冷卻速率將材料從SHT溫度冷卻下來是完全可行的，如果需要，還可以在隨后的時效處理前在選定的溫度停止冷卻。在熱等靜壓容器內(nèi)進行的這種組合或集成熱處理方法被稱為高壓熱處理（HPHT）。
圖 8：在 150MPa（左）和 50MPa（右）條件下有限元建模，展示了壓力對熱傳遞系數(shù) HTCα 的影響。[1]
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近期發(fā)展
導向冷卻
在高溫高壓（HPHT）工藝的可控性方面，目前出現(xiàn)了幾個有趣且重要的進展，這些進展已成為許多相關討論的核心內(nèi)容。尤其重要的是，HPHT工藝在調(diào)整和定制微觀結構方面的適用性。通過使用負載熱電偶（LTC），可以控制熱等靜壓（HIP）設備的加熱和冷卻速率，根據(jù)實際材料溫度設定冷卻速率。當考慮熱等靜壓負載中不同厚度的部件時，這一點尤其引人關注。因此，可以對機器進行編程，使其在閉環(huán)控制中根據(jù)最厚的部件，通過LTC來控制材料芯部的冷卻速率（見圖 7）。更高的壓力會帶來更快的冷卻速度。
熱等靜壓（HIP）壓力對熱處理效果的影響
在近期的研究中，已證實了傳熱系數(shù) HTCα 的存在。利用這一知識，可以針對特定機器、特定零件幾何形狀以及熱等靜壓參數(shù)集（壓力、溫度、冷卻速率）對冷卻速率進行建模。然后，可以通過實際循環(huán)中的定向冷卻來驗證該模型。使用壓力可改善熱傳遞，熱等靜壓壓力的提高會增加熱等靜壓過程中的冷卻速率，因此可以模擬各種情況。這一點在文中得到了證明。
圖 8所示的有限元模擬（FEM）中，相同冷卻速率下的情況
渦輪葉片已在 150兆帕的壓力下建模。
因此，簡而言之，使用更高的壓力可以更快地冷卻部件。
定制化髖關節(jié)置換術周期
通過調(diào)整熱等靜壓（HIP）工藝周期來改善材料性能是一個令眾多公司頗感興趣的新領域。由于現(xiàn)代熱等靜壓和高溫高壓（HPHT）工藝具有出色的可控性，因此可以為特定材料性能定制加熱、保溫和冷卻周期。這是一個研究廣泛的領域，尤其對于那些需要高冷卻速率或冷卻范圍極窄的材料而言。瑞典西海岸大學Goel等人近期的研究工作就是一個很好的例子，他們展示了通過定制 HIP工藝周期，可以將電子束熔化（EBM）生產(chǎn)的 IN718標準 24小時熱處理周期縮短11小時，同時還能改善材料性能。
髖關節(jié)置換術適用于哪些情況？
自20世紀 60年代中期熱等靜壓（HIP）作為一種工業(yè)工藝被引入以來，所有現(xiàn)代冶金工藝都已廣泛采用該技術。鑄件材料的熱等靜壓處理主要用于消除氣孔和提高疲勞抗力。
工業(yè)穩(wěn)健性
熱等靜壓技術已廣泛應用多年，是確保材料適用于苛刻環(huán)境的知名且可靠工藝。引入包括熱處理步驟在內(nèi)的下一代技術，是進一步定制生產(chǎn)流程和縮短產(chǎn)品交付周期的一種方式。這正越來越多地被用作一項核心技術，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，并消除諸如鑄造、金屬注射成型和增材制造等上游生產(chǎn)流程中產(chǎn)品質(zhì)量的不確定性。
對于所有生產(chǎn)流程而言，精益生產(chǎn)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和實現(xiàn)最大生產(chǎn)力的關鍵。減少浪費和提高產(chǎn)量始終是重點，但僅僅增加上游產(chǎn)能可能并非良策。將具備熱處理能力的熱等靜壓（HIP）作為生產(chǎn)鏈的一部分，能夠通過降低成品率損失、物流成本和質(zhì)量相關成本來促進穩(wěn)健且精益的生產(chǎn)流程。
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