第一台热壁螺纹式结构的HIP装置是美国巴蒂尔(Battelle)研究所1955年研制成功的。该设备内径仅4.76mm,压力13.78MPa,温度816℃。1956年出现了冷壁HIP装置。60年代初瑞典艾西亚(ASEA)公司研制成功了预应力钢丝(带)缠绕结构框架式HIP装置。之后,该公司批量生产容积为φ1290mm×2500mm,温度为1450℃,压力为320MPa的大型HIP装置。80年代以来,单纯扩大HIP装置尺寸的趋势衰减,向单功能、特殊应用的方向发展。例如,超高温(最高达3000℃)、超高压(最高达980MPa)、快速、浸渍、使用多种气体的HIP装置相继出现。为了满足液相烧结的需要(如烧结硬质合金)又发展了低压热等静压装置(又称为超压烧结炉、烧结-热等静压机等),压力仅为9.8~30MPa。这种装置将硬质合金生产中的排蜡、预烧和烧结在一道工序中完成。我国60年代曾制造过三台热壁HIP装置;1972年开始制造冷壁HIP装置,1975年投入使用,1979年建造了第一台钢丝缠绕HIP装置。[1]
先进的热等静压机为预应力钢丝缠绕的框架式结构,高压容器的端盖与缸体间的连接为无螺纹连接。因筒体和框架均采用钢丝预应力缠绕,所获的负预应力可通过计算确定,即使装置处于工作的最大压力状态时,其强大的应力也是由预应力缠绕钢丝所承受,即应力被集中消除,承载区域独立安全,同时钢丝缠绕还起到防爆和屏障的作用。
热等静压装置主要由水冷压力容器、与压力容器绝热的加热炉以及控制、安全、操纵等附加设施所组成。压力容器有两种密封方式:螺纹式和框架式。螺纹密封只能从顶部开、合和加载。框架式密封可以从顶部和底部同时开、合。压力容器和框架均可用钢丝(带)缠绕,以承受高压。传压介质一般用氩气,其导热率比氦低,容易使温区达到所需温度和使温区温度均匀。同时氩比氦便宜。由于压力容器冷壁和加热炉之间压缩气体的对流,使压坯温度分布不均匀,这是HIP的困难所在。可以在发热体与冷壁之间,以及在发热体与工件之间设置适当的绝热保温层将压制空间间隔起来,从而克服这一困难。[2]
HIP的基本操作步骤是:将粉末或粉末压坯装入包套中;抽去吸附在粉末表面、粉末间空隙和包套内的气体;将包套真空密封后置于有加热炉的压力容器中;密封压力容器后泵入惰性气体(即传压介质)至一定压力;然后升温至所需温度,因气体体积膨胀,容器内的压力也升至所需压力。在高温、高压共同作用下完成成形和烧结。之后,用机械或酸浸方法除去包套,得到制品。金属粉末的包套常用经过严格检漏的钢板焊接而成。任何微小的渗漏都会引起产品中的热诱导孔隙。包套材料也可以用在烧结温度下具有均匀粘性流动的玻璃或陶瓷。例如,石英在高温下就具有必要的粘性,适于压制高温合金。玻璃包套可用粉浆成形和烧结方法制得。