HIP热等静压工艺处理
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等静压技术是一种利用密闭高压容器内制品在各向均等的超高压压力状态下成型的超高压液压先进设备。
等静压工作原理为帕斯卡定律:“在密闭容器内的介质(液体或气体)压强,可以向各个方向均等地传递。
” 等静压技术已有70多年的历史,初期主要应用于粉末冶金的粉体成型;近20年来,等静压技术已广泛应用于陶瓷铸造、原子能、工具制造、塑料、超高压食品灭菌和石墨、陶瓷、永磁体、高压电磁瓷瓶、生物药物制备、食品保鲜、高性能材料、军工等领域。
等领域。
等静压技术按成型和固结时的温度高低,分为冷等静压、温等静压、热等静压三种不同类型。
冷等静压技术冷等静压技术,(Cold Isostatic Pressing,简称CIP)是在常温下,通常用橡胶或塑料作包套模具材料,以液体为压力介质主要用于粉体材料成型,为进一步烧结,煅造或热等静压工序提供坯体。
一般使用压力为100~ 630MPa。
Avure冷等静压设备温等静压技术温等静压技术,压制温度一般在80~120℃下.也有在250~450℃下,使用特殊的液体或气体传递压力,使用压力为300MPa左右。
主要用于粉体物料在室温条件下不能成型的石墨、聚酰胺橡胶材料等。
以使能在升高的温度下获得坚实的坯体。
热等静压技术(hot isostatic pressing,简称HIP)HIP) ,是一种在高温和高压同时作用下,使物料经受等静压的工艺技术,它不仅用于粉末体的固结.睫传统粉末冶金工艺成型与烧结两步作业一并完成.而且还用于工件的扩散粘结,铸件缺陷的消除,复杂形状零件的制作等。
在热等静压中,一般采用氩、氨等惰性气体作压力传递介质,包套材料通常用金属或玻璃。
工作温度一般为1000~2200℃,工作压力常为100~200MPa。
与常规成型技术相比特点等静压技术作为一种成型工艺,与常规成型技术相比,具有以下特点:a.等静压成型的制品密度高,一般要比单向和双向模压成型高5 l5。
热等静压制品相对密度可达99 8%~99.09%。
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1. 模具设计和制造。
根据制件形状和尺寸,设计模具。
热等静压及恢复热处理工艺对DZ125蠕变损伤的影响王天佑;王小蒙;赵子华;张峥【摘要】Four different processes of hot isostatic pressing (HIP) combined with rejuvenation heat treatments (RHT) were adopted to reveal the microstructural evolution of creep damaged DZ125 spec-imens ,finally the mechanical properties were evaluated .The results show that bothγ′precipitate de-generation and creep cavities for the creep damagedDZ125 superalloy are found after the pre-endur-ance damagetest .However ,the carbided compositions from MC type to M23C6 type or M6C type has not been observed for DZ125 .In addition ,it is found that the HIP temperature play a dominant role in the cavity healing process for the damaged specimens .The concentrically oriented γ′rafting structure and the incipient melting are observed at 1200℃ and 1250℃ respectively .Meanwhile ,it is found that the appropriate HIP schedule adopted can effectively avoid the internal recrystallization for the direc-tionally solidified nickel-based superalloy DZ125 .The appropriate HIP schedule combined with RHT process can successfully restore the microstructure induced by creep damage and recover the degraded micro-hardness to the original one ,in addition improve the creep rupture life .%选用4种不同参数的热等静压及恢复热处理工艺对DZ125蠕变损伤试样进行显微组织演化的研究,并进行力学性能评价.结果表明:DZ125合金经预持久损伤实验后,显微组织出现了γ′相退化、蠕变孔洞形成等,但是碳化物没有出现由MC型向M23C6及M6C型分解.此外,热等静压的温度在孔洞愈合过程中作用显著,1200℃及1250℃温度下分别出现了γ′同心筏排结构及合金的初熔现象.同时,通过选取合适的热等静压参数,可以避免内部再结晶的产生.合理的热等静压及恢复热处理工艺可以改善蠕变损伤的显微组织,并使其显微硬度达到原始态水平,且持久寿命得到提高.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2017(045)002【总页数】8页(P88-95)【关键词】定向凝固高温合金;蠕变损伤;显微组织;热等静压;恢复热处理【作者】王天佑;王小蒙;赵子华;张峥【作者单位】北京航空航天大学材料科学与工程学院 ,北京100191;北京航空航天大学材料科学与工程学院 ,北京100191;北京航空航天大学材料科学与工程学院 ,北京100191;北京航空航天大学材料科学与工程学院 ,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TG132.3+2定向凝固高温合金是通过定向凝固技术制备出的晶粒沿〈001〉取向平行生长的柱状晶高温合金。
热等静压(hip)技术在硬质合金及陶瓷材料中的应用热等静压(HIP)技术一直是开发高性能陶瓷材料及复合材料致密制品的主要手段之一。
陶瓷材料、尤其是非氧化物陶瓷材料多为强共价键化合物。
其自扩散系数很小,采用常规烧结工艺难于得到性能优良、形状复杂的致密制品。
在每届国际HIP会议上,陶瓷材料的研究论文都占有主要的位置,下面是1999年北京HIP国际会议关于HIP技术在硬质合金和陶瓷材料中的应用情况介绍。
1硬质合金HIP技术在硬质合金中的应用始于70年代初。
硬质合金经HIP处理后,其抗弯强度与使用寿命大幅度提高,加工后制品的表面光洁度也大大提高,许多采用常规工艺难以生产的部件,在采用HIP技术后也可以顺利生产。
多年的试验研究表明,要想得到全致密的硬质合金产品,并不需要太高(一般只需要几个MPa)的压力。
80年代初开发了一种低压烧结技术, 即低压烧结HIP技术,此项新工艺把硬质合金生产中的脱蜡-烧结-HIP致密化合为一体在同一设备内完成。
由于所需压力成10倍的下降,使HIP设备的制造成本大幅度降低。
几道工序合为一体不但降低了制品的生产成本,同时由于此工艺更加合理而提高了产品的质量。
目前烧结HI技术已成为世界各硬质合金厂生产高质量硬质合金的主要手段。
近年来我国各主要硬质合金生产厂都引进了多台先进的烧结热等静压设备,本届HIP会议发表了数篇有关报道。
其中,株洲硬质合金厂采用平均粒度为08μm的WC粉、钴粉为原料及加入少量VC、Cr3C2制备了HRA≥90、抗弯强度≥3000MPa的系列产品<1>;株洲硬质合金厂还采用烧结HIP工艺生产了外285mm/内66mm×145mm的大件,其单件质量为118kg;他们对采用此工艺与采用常规真空烧结工艺制品的性能进行了比较(表1)<2>表1烧结HIP工艺及常规真空烧结工艺制品性能的比较①烧结工艺密度/gcm3硬度(HRA)抗弯强度/MPa抗压强度/ /MPa晶粒尺寸/μm烧结HIP14228923710555012真空烧结141188 92730468014①合金成分:WC+13Co(质量分数)。
热等静压技术在金属陶瓷复合材料制备中的应用作者:顾嘉文来源:《佛山陶瓷》2015年第06期摘要:本文阐述了热等静压技术制备金属陶瓷复合材料的两种不同工艺路线及各自的技术特点。
同时,综述了热等静压技术在制备金属陶瓷复合材料中的应用及研究。
关键词:金属陶瓷;复合材料;热等静压(HIP);应用1 前言金属陶瓷复合材料(Metal Matrix Composites,简称MMC)是由一种或多种陶瓷相和金属相或合金组成的多相复合材料,金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性,又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性。
在国防及民用领域有着非常广阔的应用前景。
常用的制备方法有混合烧结法、粘合液浸渍法、直接氧化法、自蔓延高温合成法等。
在烧结过程中其烧结活性低、所需烧结温度高、烧结致密化程度低、残留孔隙度大、脆性大、综合性能不佳。
随着热等静压技术发展,采用热等静压技术制备金属陶瓷复合材料,改善了成型和烧结条件,使材料的孔隙度明显降低,获得了高致密度的材料,综合性能大大提高。
2 热等静压技术热等静压设备主要由高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、冷却系统和计算机控制系统组成,其中,高压容器为整个设备的关键装置,图1是热等静压机的典型示意图。
热等静压工艺(简称HIP)是将制品放置到密闭的容器中,向制品施加各向同等的压力,同时施以高温,在高温高压的作用下,制品得以烧结和致密化,图2为热等静压技术原理图。
3 制备金属陶瓷复合材料的热等静压工艺热等静压技术在金属陶瓷复合材料制备中有两种不同工艺路线,一种为直接热等静压烧结工艺;另一种是热等静压后续致密化工艺。
3.1 直接热等静压烧结工艺及特点直接热等静压烧结制备金属陶瓷复合材料的工艺路线如图3所示。
直接热等静压烧结工艺制备金属陶瓷复合材料的技术关键如下:(1)包套材质选择,要确保在制备过程中不与原材料粉末发生反应,同时也要考虑到去除的难易程度。
(2)包套内粉末的振实密度大小直接影响烧结制品质量,振实密度低将导致包套收缩量大,尺寸控制困难,且包套易发生破裂。
热等静压近净成形
近年来,随着科技的不断进步和发展,热等静压近净成形技术成
为了制造业中备受关注的一项技术。
本文将详细讲解热等静压近净成
形的相关知识与应用。
一、热等静压近净成形的定义和工艺流程
热等静压近净成形技术是一种在高温和高压的条件下利用金属粉
末和模具,将材料形成零部件的过程。
其与传统的制造方式相比,具
有精度高、材料不浪费等优点。
工艺流程一般包含粉末制备、制粒、
造型、热处理、精密加工、清洗等环节。
二、热等静压近净成形的应用领域
热等静压近净成形技术可以广泛应用于航空、航天、汽车、电子
等领域,尤其在高精密度、复杂几何形状等方面具有非常突出的优势,例如用于航空发动机中气缸体和气缸盖等零部件的制造。
三、热等静压近净成形技术的优点和挑战
3.1 优点
热等静压近净成形技术可以在不需要过多加工的情况下制造出高
性能、高精度、低成本的零部件,材料利用率高、不污染环境等优点。
3.2 挑战
热等静压近净成形技术还存在一些挑战,如控制成形质量、避免
模具的沉积、指定任意几何形状等难点问题。
四、热等静压近净成形技术的发展趋势
热等静压近净成形技术在未来的发展趋势中,需要在材料的研究、设计与模具的制作等方面不断推进和创新,才能进一步提高成形质量
和产品精细度。
综上所述,热等静压近净成形技术是一项高效、高精度、高质量
的制造技术,具有广泛的应用前景和发展空间。
未来的发展趋势是向
更高效、更精密、更具成本优势的方向发展,迎合制造业的需求,为
产业发展做出更大的贡献。
热等静压与烧结温度热等静压(Hot Isostatic Pressing,简称HIP)是一种常用的金属材料加工方法,通过将材料置于高温和高等静压下,以使其结构更致密并改善其力学性能。
热等静压的过程可以分为两个重要的参数,即热压力和烧结温度。
热压力是指在热等静压中施加在材料上的等静压力。
烧结温度则是指材料在热等静压中所处的高温环境。
首先,热等静压中的热压力起到了改善材料致密度的作用。
在热压力的作用下,材料内部的空隙和缺陷会被挤压和填补,使材料的密度增加。
这种密度的增加可以改善材料的力学性能,如提高其强度、硬度和耐磨性。
同时,热压力还可以减少材料的孔洞率和气孔率,提高其抗渗透能力和耐腐蚀性能。
另外,热等静压中的烧结温度对于材料的烧结行为和晶粒生长也具有重要的影响。
烧结温度的选择会直接影响材料的烧结速率和晶粒尺寸。
一般来说,随着烧结温度的升高,烧结速率会加快,晶粒尺寸也会增大。
这是因为高温下,材料的形变能力增强,而且在晶界扩散过程中,原子之间的活动性增加,从而促进了晶粒的长大。
此外,烧结温度还会影响材料的相变行为。
许多金属材料在高温下会发生相变,而烧结温度的选择会影响相变的程度和速率。
相变的发生可以改变材料的晶体结构和组织形态,进而影响材料的力学性能。
例如,某些合金材料在高温下会发生固溶体相分离,从而形成含有细小颗粒的弥散硬化相,提高材料的强度和硬度。
总之,热等静压中的热压力和烧结温度是两个重要的参数,对材料的致密度、力学性能、晶粒生长和相变行为具有重要影响。
在实际应用中,需要根据具体材料的特点和要求,合理选择热压力和烧结温度,以获得最佳的加工效果和材料性能。
通过优化热等静压参数的选择,可以实现对材料性能的有效控制和改善。
热等静压(HIP———Hot Isostatic Pressing)工艺:是一种以氮气、氩气等惰性气体为传压介质,将制品放置到密闭的容器中,在900~2000℃温度和100~200 MPa压力的共同作用下,向制品施加各向同等的压力,对制品进行压制烧结处理的技术。
HIP技术研究是1955年由美国Battelle研------------**---------------百科名片热等静压(hot isostatic pressing,简称HIP)是一种集高温、高压于一体的工艺生产技术,加热温度通常为1000 ~2000℃,通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质,工作压力可达200MPa。
在高温高压的共同作用下,被加工件的各向均衡受压。
故加工产品的致密度高、均匀性好、性能优异。
同时该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点。
--------------**--------------发展史自20世纪50年代中期美国巴蒂尔(Battelle)研究所为研制核反应材料而开发HIP技术以来。
由于其在生产加工难度较大且质量要求较高的材料及构件中展现出独特优势,受到了人们的广泛关注。
经过近半个世纪的发展,随着热等静压设备性能的不断改进完善,HIP技术现已在硬质合金烧结、钨铝钛等难熔金属及合金的致密化、产品的缺陷修复、大型及异形构件的近净成形、复合材料及特种材料的生产加工等方面得到了广泛应用。
编辑本段热等静压设备的结构性能热等静压设备主要由高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、冷却系统和计算机控制系统组成,其中高压容器为整个设备的关键装置。
目前。
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采用无螺纹设计,因简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,即使当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。
因此,这种结构的热等静压机在高温高压(2000摄氏度200MPa)的工作条件下,无需外加任何特殊的防护装置,与老式的螺纹连接结构(端盖与缸体间)的热等静压机相比,不但设备的结构紧凑,而且有效地保证了生产的安全性。
加热炉负责提供热等静压所必需的热量,通常为电阻式加热炉,可视不同温度档的要求,采用不同的电阻材料,如最高工作温度为1450℃条件时可用钼丝加热炉,为2000%条件时可用石墨加热炉。
目前在先进的热等静压设备中,加热炉的安装方式为插入式,加热区分布于底部和侧部,可实现快速升温和均匀加热,将温差控制在≤15~E甚至≤10℃的范围。
压缩系统通常采用非注油式电动液压压缩机.并配置有过压保护、防振装置和自动调节部件,可给热等静压提供高达200MPa的高压气体。
真空泵则采用旋转叶轮式,用于设备的抽空排气,同时可去除容器内水气、氧和其它挥发性杂质。
冷却系统采用内外循环回路设计。
内循环通过管道内冷却水的流动与压力容器外壳间进行热交换。
为了保护冷却系统,冷却水的质量很重要,需采用去离子水。
管路也需进行防锈处理。
外循环则通过换热器将内循环的热量带出。
计算机控制系统可预先存储热等静压过程所需的各种程序,实现温度、压力、时间等基本工艺参数的自动控制。
该系统还配有人机对话的PC机监视子系统,用于显示在线的工作状态、故障的监测报警等。
并可在循环过程中进行程序修改。
对热等静压设备多方面的安全保护设计,可确保其在高温、高压条件下的安全运行。
如高压阀和高压管路均能承受最大工作压力两倍的压力;为防止过压情况的发生,在高压介质气体管路中设置了多级减压阀。
并配有报警装置;当压力容器过压及过热、加热炉过热、冷却水的流量过小或水压过低时,均可进行声光报警,同时切断压缩机和加热炉。
电源:采用可靠的电气、机械安全联锁等。
热等静压技术的主要应用1 在硬质合金中的应用20世纪60年代末。
HIP技术在硬质合金生产中开始得到实际应用。
人们在传统真空烧结的基础上,对硬质合金进行HIP处理,形成了真空烧结+HIP工艺。
该工艺将相对密度高于92%的烧结制品。
在热等静压机中于压力为80~150MPa、温度为1320~1400~C条件下处理一定时间,使制品的致密度明显提高,孔隙度降至HIP处理前的1/20~1/100甚至更低,抗弯强度及使用寿命均显著改善。
但HIP设备的设计和控制费用昂贵,维护和操作也较复杂,因此在硬质合金中应用尚不普遍。
随着科学技术的不断进步,于20世纪80年代初开发了一种所需压力低于10MPa的烧结一热等静压工艺,又被称为低压热等静压或过压烧结。
在烧结一热等静压这一新工艺中,将硬质合金生产的成形剂脱除、烧结和HIP致密化合并在同一设备中完成,即先用氢气作载体或通过真空分压脱除成形剂,然后于真空状态升温到烧结温度。
并保温一定时间,随即通人压力为3~6MPa的氩气,再保温一定时间后进行冷却。
由于烧结一热等静压所需压力仅为真空烧结+热等静压的十几分之一甚至几十分之一,且数道工序合为一体。
因此生产成本大为降低。
更为重要的是,烧结一热等静压新工艺比HIP 处理更能有效提高产品质量,故现已成为生产高质量硬质合金的主要手段。
热等静压在大尺寸硬质合金制品的生产中具有明显优势翻。
如对于单压源人造金刚石压机用的直径大于100mm的硬质合金顶锤,用常规粉末冶金方法很难保证质量,而经HIP处理后性能大为提高,其中D1 13mmx92mm的硬质合金六面顶锤的平均使用寿命由原来的407次,个提高到754次/爪。
采用烧结一热等静压工艺,株洲硬质合金厂已成功地生产出单件质量为1 18kg、尺寸为D外285mmxD内66mmx145mm的硬质合金大制品。
此外。
利用HIP技术还可实现硬质合金与钢基复合材料的扩散连接。
如将YG15(wc一15Co)与钢基复合并在1050摄氏度、100 MPa条件下处理2h,两者即可很好地结合在一起,若在界面再加一镍片中间过渡层,不但避免了相的产生,断裂位置也发生了改变。
即由界面处移至YG15合金中,使材料的强度大为提高。
2.在钨、钼、钛等难熔金属中的应用钨合金因具有高密度、高强度、热膨胀系数低等良好的综合性能。
在高科技领域中得到广泛应用。
如w—Ni—cu系钨合金因其非磁性而被广泛用作陀螺仪的外缘转子材料。
随着导航技术的不断提高,陀螺转速从2xl04r/rain提高到10xl04r/rain。
故对用作外缘转子材料的w—Ni—Cu系钨基高密度合金也提出了更高的物理、力学性能要求。
由于钨基高密度合金与硬质合金烧结制品类似,同属典型的液相烧结,因此经HIP处理可有效改善和提高其物理、力学性能。
中南大学粉末冶金国家重点实验室的研究表明阁,对于82W—Ni—Cu(Ⅱ)合金,将烧结态制品在1120~C(即略高于合金中低熔点组分Cu的熔点1083摄氏度、150 MPa(传压介质为氮气)条件下进行30min 的HIP处理,可使其密度提高2.9%,抗拉强度提高8.2%W-Cu常用作高压触头及电极材料,若致密度不高则影响其抗电弧烧蚀、抗熔焊性及导电、导热性。
采用HIP 对w—Cu进行处理,能消除材料内部的孔隙,改善材料性能。
钼是一种高熔点、导热导电性好、力学性能优良、耐蚀性强的金属材料,广泛用作化工、电子、稀土冶金、玻璃等行业的电极及搅拌棒等。
有关研究表明,钼材经过适当的热等静压(1300摄氏度.100~110MPa)处理,在致密度提高的基础上,可获得细小均匀的晶粒组织(晶粒度为7级),其抗拉强度为530 MPa,延伸率达25%,强度和韧性均得到提高。
HIP 在提高钛合金铸件质量方面效果显著。
众所周知,钛具有比强度高、温度适应范围宽、耐蚀性强等特点,是航空、航天工业中不可缺少的重要材料。
如1ri6一Al一4v 合金常用作飞机发动机过渡罩、发动机风扇等大型结构件。
为了提高钛合金铸件性能,波音公司、洛克希德公司及道格拉斯公司等的研究表明,钛合金精密铸件在HIP 后再经适当的热处理可使其性能达到锻件水平(包括塑性和抗疲劳性能)。
3 在特种陶瓷等新材料中的应用特种陶瓷包括结构陶瓷和功能陶瓷。
为增强陶瓷的韧性,通常在陶瓷基体中引入纤维或晶须,然而在传统的烧结过程中因需要很高的烧结温度和较长的烧结时间,往往会使纤维和晶须发生表面强度的退化,甚至与基体发生化学反应,失去补强增韧的作用。
采用热等静压烧结工艺,则大大降低了烧结温度和保温时间,可获得性能优异的纤维或晶须补强陶瓷基复合材料。
如采用热等静压烧结工艺,在1085摄氏度获得相对密度高达91.5%的SiC晶须补强SiC陶瓷,其室温抗弯强度和断裂韧性分别达到595MPa和6.7MPa·m 。
此外,在陶瓷基体中加入第二相粒子也可提高陶瓷的断裂韧性,但烧结时因形成内应力造成烧结困难并引起缺陷,热等静压烧结使这一问题得到解决,如对TiO粒子补强AL2O3,陶瓷进行热等静压烧结,已成功地制备出完全致密的复合陶瓷。
采用热等静压工艺。
上海硅酸盐研究所已制备出单相和复相纳米结构陶瓷。
其研究表明,在温度为1850摄氏度、压力为200MPa条件下烧结1h。
可获得晶粒尺寸<100nm,且结构均匀致密的单相SiC纳米陶瓷;而在温度为1750oC、压力为150 MPa条件下烧结1h,则可获得晶粒尺寸50nm左右、结构致密均匀的复相SirN4/SiC纳米陶瓷。
美国Rutgers大学通过烧结一热等静压工艺开展的有关si3N 纳米陶瓷制备研究,也已取得较好效果。
为提高金属的耐高温性能和抗腐蚀性,利用等离子技术在金属表面涂覆一层陶瓷所形成的金属一陶瓷复合材料,因界面主要为机械结合,且涂层内存在大量气孔,故影响材料的抗冲击性能和抗腐蚀性。
如果将表面喷涂有陶瓷涂层的金属材料加上包套并真空密封后进行热等静压处理。
不仅可实现陶瓷涂层的完全致密,而且在陶瓷涂层与金属基体间由于扩散作用将形成一层金属陶瓷相。
从而实现涂层与金属间的冶金结合,使得该复合材料具有理想的结合强度和优良的综合性能。
前景展望经过30多年的努力,我国HIP技术从无到有、从小到大得到了迅速发展。
在成形烧结、金属致密化及扩散连接等方面做了大量的研究开发工作,应用规模不断扩大。
用于研究和生产的HIP设备由1980年的仅8台增至2000年的约8O台。
且随着对引进设备和技术的消化吸收,现已具备设计和制作“双两千”200MPa,2000℃中型HIP设备的能力。
但从总体水平分析,我国HIP技术与发达国家相比仍存在一定差距,主要表现为:HIP致密化过程的基础理论研究、净成形技术研究、计算机软件开发等方面,起步较晚,明显落后:应用水平较为有限,除在硬质合金方面的应用已具规模且较成熟外。
高温合金、特种陶瓷及复合材料等领域的应用开发基本还处于试验阶段;HIP 设备的设计制造水平,包括设备功能、自控水平、辅助系统的配套等,目前的差距也仍然较大。