本發明涉及一種超高等靜壓靜溫環境生成裝置及方法，屬于材料加工處理技術領域。
背景技術：
自上個世紀50年代以來，一種利用材料原子在高溫高壓下的熱擴散效應實現材料界面連接和粉末材料成型的技術逐漸在材料加工成型領域快速發展起來。它就是熱等靜壓(hotisostaticpressing,hip)技術。由于在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓，因此所加工產品的致密度高、均勻性好、性能優異。同時該技術具有生產周期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點，已廣泛應用于航空、航天、能源、運輸、電工、電子、化工和冶金等行業,用于生產高質量產品和制備新型材料。
目前，工業界常規的等靜壓靜溫產生方法采用惰性氣體作為工質，通過對氣體工質整體加熱加壓的手段提供等靜壓靜溫環境，主要的缺陷有：是受氣體壓縮機能力和加熱元件溫度限制，工業應用壓強一般在100-400mpa量級，溫度一般在1000-2000度范圍，且氣體工質在高溫高壓狀態存在較大的安全性問題(爆炸危險)，設備較復雜且能耗高。另外，受氣密性限制，熱等靜壓技術在材料內部及界面位置很難保證無殘留氣體雜質。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題是：提供一種超高等靜壓靜溫環境生成裝置及方法，具有可產生更高的環境壓強(100-4000mpa)和溫度(300-2000度)；液態金屬密封，無雜質氣體影響；且能耗小、安全性高的優點。
本發明技術解決方案：具體實現步驟如下：一種超高等靜壓靜溫環境生成裝置，包括：壓桿(1)、底座(2)、絕緣套(3)、換熱包層(4)、液態金屬(5)、待加工材料(6)、絕緣隔層(7)、靜壓腔(8)、電源正極(9)、電源負極(10)、液壓加壓裝置(11)和密封塊(12)；底座(2)為圓柱狀在最下方，絕緣隔層(7)在底座(2)上方隔絕底座與靜壓腔(8)；靜壓腔(8)內表層為絕緣套(3)，外表層為換熱包層(4)；靜壓腔(8)內部填充滿液態金屬(5)，待加工材料(6)在液態金屬(5)內部被液態金屬包圍；靜壓腔(8)上表面中心圓孔由密封塊(12)封閉堵塞，同時壓桿(1)可推動密封塊(12)沿靜壓腔(8)開口內部下移；壓桿(1)的移動由液壓加壓裝置(11)控制，絕緣隔層(7)在壓桿(1)和液壓加壓裝置(11)之間隔絕電流；電源正極(9)連接在壓桿(1)上，電源負極(10)連接在靜壓腔(8)上。
一種超高等靜壓靜溫環境生成方法，包括以下步驟：
步驟1:對將要焊接的待加工材料(6)預處理，使待加工材料(6)需要結合的面，即需要連接的異種金屬材料連接面，緊貼接在一起，使結合面在液態金屬(5)中不會分離或被浸入，如果是粉末材料熱壓，則放入預處理成型的粉末金屬材料；
步驟2:將預處理后的待加工材料(6)和熔化的液態金屬(5)注入靜壓腔(8)；
步驟3:安裝好密封塊(12)，壓桿(1)在液壓加壓裝置(11)的作用下加壓向下壓縮密封塊(12)，當密封塊(12)接觸到液態金屬(5)時停止；
步驟4:將電源正極(9)和電源負極(10)接通電源，此時液態金屬(5)會自身發熱，并不通過其他介質導熱；
步驟5:在加熱時，密封塊(12)會膨脹產生自密封，靜壓腔(8)被密封；
步驟6:壓桿(1)上方的液壓加壓裝置(11)再次加載力并保持恒定，壓桿(1)達到恒定壓強并通過密封塊(12)作用于液態金屬(5)，由于被密封的液態金屬(5)中壓強大小不變的傳遞，待加工材料(6)四周將同時受到液態金屬(5)的壓力；換熱包層(4)通冷卻液對靜壓腔(8)外壁進行冷卻，保證靜壓腔(8)外壁溫度不會過高而失去強度，具體大小通過控制加熱和冷卻功率平衡來控制；
步驟7:通過對靜壓腔(8)內部液態金屬(5)的溫度檢測，控制靜壓腔(8)內部液態金屬(5)的溫度維持在待加工材料(6)連接加工需要的溫度范圍；
步驟8:維持超高等靜壓靜溫環境生成裝置靜壓腔內部液態金屬壓強和溫度一定時間，然后冷卻到略高于液態金屬熔點的溫度后，抽走液態金屬，取出加工材料。
所述液態金屬(5)采用高沸點>2000度的液態金屬，在密閉容器內的金屬液體能把它受到的壓強按原來的大小向各個方向傳遞，通過對密閉容器內的液態金屬局部加壓至100-4000mpa范圍和液態金屬內部通電加熱至300-2000攝氏度范圍形成等靜壓靜溫環境，處理待加工材料。
所述液態金屬(5)為高溫下化學性質穩定的金屬錫或鎵。
所述步驟6中，恒定壓強大于等于100mpa，小于等于4000mpa，4000mpa是考慮到工業條件下容器耐壓限制，實驗條件下還可以更高。
所述步驟7中，內部液態金屬(5)的溫度維持在300-2000攝氏度范圍，加熱方式為對液態金屬通直流電使其自發熱。
所述步驟1中，預處理采用焊接處理，金屬粉末可使用普通熱壓處理或3d打印成型。
所述步驟2中，靜壓腔(8)由耐高溫耐高壓材料構成，并采用同步箍緊式預應力技術設計，其中內壁可承受2000度高溫接觸，而整壁結構可承受4000mpa內壓，這樣在超高熱等靜壓過程中保證能形成完整腔體，不發生液態金屬泄漏。
所述步驟5中，密封塊(12)下端采用弧形設計，使其在高溫下膨脹與靜壓腔(8)緊密貼合，對靜壓腔(8)產生有效的密封，保證液態金屬(5)不溢出；壓桿(1)上端所需輸入力可由需要產生的壓強乘以壓桿端面面積確定。
所述步驟8中的一定時間為1-10小時，優選3-4小時。
更進一步的，所述步驟4中接通電極后，由于靜壓腔內部絕緣套(3)將可以使正極與靜壓腔外壁絕緣。保證電流只經過液態金屬，實現單加熱液態金屬的目的。
更進一步的，所述步驟5中，壓桿(1)底部的密封塊(12)采用弧形設計(弧對應圓心角為120至150度)，可以使其在高溫下膨脹，對靜壓腔及作用套筒產生有效的密封。
本發明與現有技術相比的優點在于：
(1)本發明用于提供靜壓強100-4000mpa，靜溫度300-2000攝氏度(根據需求可選擇范圍內任意溫度)的等靜壓靜溫環境。該環境為粉狀材料熱壓、異種金屬材料界面連接提供所需物理條件。目前，常規的熱等靜壓技術是采用惰性氣體作為工質，通過加熱加壓的手段提供等靜壓靜溫環境，主要的缺陷是受氣體壓縮機壓縮能力和加熱元件溫度限制，工業應用中很難超過400mpa量級，且高溫高壓狀態存在較大的安全性問題。本發明提出采用高沸點(>2000度)液態金屬作為工質進行加熱獲得高靜溫，并采用局部直接加壓，利用液態工質傳遞液壓的特點，獲得高靜壓，從而形成高溫高壓的靜環境條件。
(2)本發明可產生更高的環境壓強(>400mpa)。采用液態金屬作為加壓工質，壓力上限只取決于高壓容器的承載能力，這避免了一般熱等靜壓技術中使用惰性氣體作為工質的壓力限制，可以達到更高的壓強；而且利用液態金屬高沸點、高導熱系數特性，可以實現更高的環境溫度。利用金屬液態物相下壓力傳遞特性，可在液態金屬小空間局部加壓而得到大空間等同的環境壓強，因此需要很小的能耗即可獲得大空間的超高靜壓和靜溫環境。
(3)本發明通過利用密封液態金屬局部受熱膨脹產生的較高壓強并將壓強等大小傳遞到靜壓腔各處的特點，經濟性和安全性得到極大的提高。其經濟性在于不需要很大很復雜的加壓裝置即可達到高壓目的；所用液態金屬無毒、化學性質穩定，沸點高于2000攝氏度，低于沸點溫度以內即使出現泄漏，也不會發生爆炸等危險情況。
(4)本發明采用液態金屬密封，無雜質氣體影響，且能耗小、安全性高。
附圖說明
圖1為本發明中采用的超高等靜壓靜溫環境生成裝置結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖給出本發明的具體實施方式，以詳細說明本發明的技術方案。
本發明具體實施方式是采用附圖所示的超高壓熱等靜壓加工待加工材料原理圖。如圖1所示，本發明超高等靜壓靜溫環境生成裝置包括壓桿1、底座2、絕緣套3、換熱包層4、液態金屬5、待加工材料6、絕緣隔層7、靜壓腔8、電源正極9、電源負極10、液壓加載裝置11、密封塊12；底座2為圓柱狀在最下方，絕緣隔層7在底座2上方隔絕底座與靜壓腔8。靜壓腔8內表層為絕緣套3，外表層為換熱包層4。靜壓腔8內部填充滿液態金屬5，待加工材料6在液態金屬5內部被液態金屬包圍。靜壓腔8、上表面中心圓孔由壓桿1和密封塊12封閉堵塞，同時壓桿1可推動密封塊12沿靜壓腔8開口內部下移。壓桿1的移動由液壓加壓裝置11控制，絕緣隔層7在壓桿1和液壓加壓裝置11之間隔絕電流。電源正極9連接在壓桿1上，電源負極10連接在靜壓腔8上。絕緣隔層7為圓片狀，靜壓腔8為圓柱狀。
其中壓桿1、底座2均為圓柱狀，壓桿1和密封塊12由鎢合金加工，底座2由鋼材料加工。換熱包層4為空心圓柱套在圓柱裝的靜壓腔8外側。壓桿1上表面與下表面直徑比為10:1。靜壓腔8由碳纖維纏繞鎢合金殼體構成，大小可以自由設計，只要保證靜壓腔8能夠長時間承受加工時的壓強和溫度即可。絕緣套3為二氧化鋯噴涂。液態金屬采用高沸點>2000度的液態金屬作為工質，在密閉容器內的金屬液體能把它受到的壓強按原來的大小向各個方向傳遞基本原理，通過對密閉容器內的液態金屬局部加壓和整體加溫技術形成等靜壓靜溫環境處理待加工材料，例如可以采用錫、鎵等。
本發明的超高等靜壓靜溫環境生成方法具體如下：
s1:把待加工材料6預處理，放入靜壓腔；
s2:將足夠的達到熔點的液態金屬5充入靜壓腔8；
s3:壓桿1在加壓裝置11的作用下推動密封塊12向下壓縮，當接觸到金屬液態表面時停止，并排空密封塊周圍氣體，維持加壓裝置壓力；
s4:在正負極上接通電源，液態金屬5具有較大電阻會自發熱，并升溫；
s5:在液態金屬加熱時，液態金屬膨脹，內部壓強逐漸升高，壓桿1密封頭會逐漸被壓縮產生自密封，靜壓腔被密封；
s6:壓桿1上液壓加壓裝置11進一步施加載荷，直到靜壓腔8內部壓強滿足預定壓強，并保持加載力恒定。由于被密封的液態金屬將壓強向液體區域大小不變的傳遞，所以液態金屬中待加工材料四周將同時受到相同壓強。
s7:換熱包層4通冷卻液對靜壓腔8外層進行冷卻，只要保持一定的通電功率，傳熱平衡后，靜壓腔內部液態金屬的溫度將受到控制。通過對靜壓腔8內部的溫度監控，并控制輸入功率，可控制靜壓腔內的溫度維持在預定溫度；
s8:維持等靜壓、等靜溫環境到材料處理預定時間，即可進行卸載、降溫、取出加工材料。
具體過程：
假設壓桿1的上下直徑比為10:1，表面積比為100:1，所以，如用液壓泵在上表面加載40mpa的壓強就可以實現下表面輸出4000mpa壓強，這種程度壓強輸入對于現有技術是很容易達到的。然后靜壓腔8和密封塊12之間由于液態金屬5通電放熱，被加熱后熱膨脹率的不同產生靜壓腔內部的密封。當壓桿1下端密封塊12作用于靜壓腔內封閉的液態金屬時，由于被密封的液態金屬中壓強大小不變的傳遞，所以液態金屬中待加工材料四周將同時受到等同的壓強如4000mpa。
通過上述步驟s1至s8中超高壓熱等靜壓加工系統，可以實現對待加工材料在靜溫300-2000℃、靜壓100-4000mpa超高壓熱等靜壓加工。
以上雖然描述了本發明的具體實施方法，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，在不背離本發明原理和實現的前提下，可以對這些實施方案做出多種變更或修改，因此，本發明的保護范圍由所附權利要求書限定。