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近年來，3D打印行業(yè)發(fā)展神速，能夠給制造業(yè)和社會帶來的經(jīng)濟利益。但是，3D打印生產(chǎn)的零件并不是完美無瑕，里面經(jīng)常會伴隨著許多氣孔、未熔化等缺陷的存在。熱等靜壓技術(shù)最突出的作用是能夠消除金屬零件內(nèi)部的孔洞缺陷，提高零件的致密度。從金屬3D打印技術(shù)出現(xiàn)開始，金屬3D打印似乎就和熱等靜壓綁定，組成了標配工藝套餐，尤其是對鈦合金、鎳基合金的零件更是如此。但是熱等靜壓不是萬能的，使用不當仍然會造成很嚴重的后果。本文為您解讀熱等靜壓技術(shù)的前世今生，分析熱等靜壓對3D打印零件的影響，總結(jié)了它在應(yīng)用時的局限性和注意事項。
熱等靜壓的工作原理和發(fā)展歷史
熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP）技術(shù)工作原理是將制品放置到密閉的容器中，向容器內(nèi)充惰性氣體，在很高的溫度（通常接近材料的鍛造溫度）和很高的壓力下（通常在100～140MPa），使制品得以燒結(jié)或致密化，如圖1所示。對于金屬材料，熱等靜壓技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)致密化消除缺陷的原因是：在高溫下金屬材料強度極低、塑性極好，有孔洞區(qū)域的金屬受到外界氣體壓力的作用發(fā)生塑性變形，孔洞區(qū)域金屬相互接觸發(fā)生冶金結(jié)構(gòu)使孔洞消失。
熱等靜壓的工藝主要參數(shù)有加熱溫度、氣體壓力、保溫時間和氣體介質(zhì)。材料不同選用的溫度、壓力、保溫時間都各有很大差異，主要依據(jù)材料固態(tài)相變和高溫時的強度、塑性選擇工藝參數(shù)。例如，TC4鈦合金熱等靜壓工藝通常是920℃和110～120MPa條件下保溫1～2小時，惰性氣體采用氬氣。
熱等靜壓技術(shù)的出現(xiàn)要遠遠早于3D打印技術(shù)的誕生，可以說它已經(jīng)是一項很老的熱處理技術(shù)了。上世紀50年代，美國Battelle研究所為研制核反應(yīng)堆材料開展HIP?技術(shù)研究，首先用于原子能反應(yīng)過程中燃料元素的擴散粘結(jié)。1955年美國Battelle研究所第一臺熱等靜壓機的問世，標志著熱等靜壓技術(shù)設(shè)備的誕生。1963年傳入歐洲，瑞典ASEA公司用預應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)制造高壓容器，其結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠，奠定該技術(shù)大力發(fā)展的堅實基礎(chǔ)。后經(jīng)肯納金屬公司、北京鋼鐵研究總院、美國AE公司等多家機構(gòu)的不斷改善，大大地拓展了HIP設(shè)備的發(fā)展及應(yīng)用。
經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，熱等靜壓設(shè)備和技術(shù)不斷改進完善，目前HIP技術(shù)現(xiàn)已在硬質(zhì)合金燒結(jié)、鎢鋁鈦等難熔金屬及合金的致密化、產(chǎn)品的缺陷修復（比如3D打印金屬零件）、大型及異形構(gòu)件的近凈成形、復合材料及特種材料的生產(chǎn)加工等方面得到了廣泛應(yīng)用，如表1所示。
熱等靜壓對3D打印金屬零件的作用
熱等靜壓可以消除內(nèi)部缺陷。正如上面所講，熱等靜壓在3D打印領(lǐng)域中的應(yīng)用就是為了消除最終零件內(nèi)部的缺陷。如圖4所示，是熱等靜壓前后的對比金相照片，左圖中黑色“塊”和“條”是3D打印過程中形成的氣孔和未熔合缺陷，經(jīng)過熱等靜壓后的右圖中沒有發(fā)現(xiàn)較大的缺陷。
熱等靜壓可以改善冷卻速度過快形成的過冷組織或者亞穩(wěn)定組織。熱等靜壓通常要在非常高的溫度下加熱，相當于一個高溫退火的過程。熱等靜壓完全可以消除快速成形過程由于冷卻速度快形成的馬氏體等組織，從而轉(zhuǎn)變形成高溫退火形態(tài)的組織。如圖5所示，是Ti-6Al-4V鈦合金經(jīng)激光SLM形成的金屬零件熱等經(jīng)驗前后的金相照片對比。左圖是未做HIP的，黑色針狀是快速冷卻造成的馬氏體組織，右圖中經(jīng)過HIP后馬氏體組織全部分解為交錯分布的α+β網(wǎng)籃組織。
熱等靜壓可以改善力學性能。熱等靜壓前后材料的力學性能也發(fā)生明顯的變化,如表2所示，無論是激光SLM成形還是電子束EBM成形，熱等靜壓后材料的強度都有下降的趨勢，塑性會升高，尤其是對SLM技術(shù)的材料更為明顯。造成這一現(xiàn)象的原因是SLM成形過程冷卻速度較快，成型零件形成了更多的馬氏體組織，HIP退火后馬氏體分解，引起材料的強度下降塑性上升。同時，材料的硬度也會隨著HIP發(fā)生變化，HIP后硬度會下降5～10%。整體上，熱等靜壓可以改善材料的韌性和抗疲勞裂紋擴展的能力。
熱等靜壓處理的局限性
熱等靜壓并不是對任何材料和任何缺陷消除都有很好的效果，并且熱等靜壓工藝設(shè)置不當也會造成很嚴重的后果，因此使用熱等靜壓時需注意以下事項。
（1）?對開放性缺陷（從零件內(nèi)部延伸至零件表面與且外界氣體介質(zhì)相通的缺陷）熱等靜壓起不到任何消除缺陷的作用；
（2）?當零件內(nèi)存在較大缺陷時（超過2mm）會在零件表面形成凹坑，如圖5所示，需要焊接修復。當凹坑出現(xiàn)在無法進行焊接修復的位置時可能會造成零件報廢，比如一些薄壁零件、薄壁部位或葉片。
（3）?對裂紋和夾雜物缺陷的消除沒有任何作用；
（4）?熱等靜壓可能會造成零件表面氧化，形成一層較薄氧化膜，最好在精加工之間進行；
（5）?熱等靜壓可能會造成零件嚴重變形，做熱定靜壓前一定要考慮防止變形的措施；
（6）?工藝溫度和壓力設(shè)置不當可能會造成零件壁厚減薄，嚴重時會造成零件晶粒嚴重粗大，導致材料性能變差，零件報廢；
（7）?對于合金元素熔點差異較大的合金可能會造成低熔點化學元素燒損；
（8）?對于共晶合金不適用，容易形成液化裂紋；
盡管熱等靜壓技術(shù)具有獨特的消除金屬3D打印零件內(nèi)部缺陷的功能，切不可將熱等靜壓當做解決一些材料內(nèi)部缺陷的救命稻草，使用不當也會造成嚴重后果。我們?nèi)匀灰粩嘌芯拷饘?D打印的技術(shù)，力爭做到3D打印零件零件內(nèi)無缺陷，這才是出路。