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近年來(lái)，3D打印行業(yè)發(fā)展神速，能夠給制造業(yè)和社會(huì)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)利益。但是，3D打印生產(chǎn)的零件并不是完美無(wú)瑕，里面經(jīng)常會(huì)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(kāi)始，金屬3D打印似乎就和熱等靜壓綁定，組成了標(biāo)配工藝套餐，尤其是對(duì)鈦合金、鎳基合金的零件更是如此。但是熱等靜壓不是萬(wàn)能的，使用不當(dāng)仍然會(huì)造成很嚴(yán)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(duì)3D打印零件的影響，總結(jié)了它在應(yīng)用時(shí)的局限性和注意事項(xiàng)。

熱等靜壓的工作原理和發(fā)展歷史

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡(jiǎn)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(duì)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(qiáng)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(shí)間和氣體介質(zhì)。材料不同選用的溫度、壓力、保溫時(shí)間都各有很大差異，主要依據(jù)材料固態(tài)相變和高溫時(shí)的強(qiáng)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(shí)，惰性氣體采用氬氣。

熱等靜壓技術(shù)的出現(xiàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于3D打印技術(shù)的誕生，可以說(shuō)它已經(jīng)是一項(xiàng)很老的熱處理技術(shù)了。上世紀(jì)50年代，美國(guó)Battelle研究所為研制核反應(yīng)堆材料開(kāi)展HIP?技術(shù)研究，首先用于原子能反應(yīng)過(guò)程中燃料元素的擴(kuò)散粘結(jié)。1955年美國(guó)Battelle研究所第一臺(tái)熱等靜壓機(jī)的問(wèn)世，標(biāo)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(yù)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。后經(jīng)肯納金屬公司、北京鋼鐵研究總院、美國(guó)AE公司等多家機(jī)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(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，熱等靜壓設(shè)備和技術(shù)不斷改進(jìn)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(fù)（比如3D打印金屬零件）、大型及異形構(gòu)件的近凈成形、復(fù)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(duì)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(duì)比金相照片，左圖中黑色“塊”和“條”是3D打印過(guò)程中形成的氣孔和未熔合缺陷，經(jīng)過(guò)熱等靜壓后的右圖中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)較大的缺陷。

熱等靜壓可以改善冷卻速度過(guò)快形成的過(guò)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(dāng)于一個(gè)高溫退火的過(guò)程。熱等靜壓完全可以消除快速成形過(guò)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(yàn)前后的金相照片對(duì)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(guò)HIP后馬氏體組織全部分解為交錯(cuò)分布的α+β網(wǎng)籃組織。

熱等靜壓可以改善力學(xué)性能。熱等靜壓前后材料的力學(xué)性能也發(fā)生明顯的變化,如表2所示，無(wú)論是激光SLM成形還是電子束EBM成形，熱等靜壓后材料的強(qiáng)度都有下降的趨勢(shì)，塑性會(huì)升高，尤其是對(duì)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(guò)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(qiáng)度下降塑性上升。同時(shí)，材料的硬度也會(huì)隨著HIP發(fā)生變化，HIP后硬度會(huì)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(kuò)展的能力。

熱等靜壓處理的局限性

熱等靜壓并不是對(duì)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(dāng)也會(huì)造成很嚴(yán)重的后果，因此使用熱等靜壓時(shí)需注意以下事項(xiàng)。

（1）?對(duì)開(kāi)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(dāng)零件內(nèi)存在較大缺陷時(shí)（超過(guò)2mm）會(huì)在零件表面形成凹坑，如圖5所示，需要焊接修復(fù)。當(dāng)凹坑出現(xiàn)在無(wú)法進(jìn)行焊接修復(fù)的位置時(shí)可能會(huì)造成零件報(bào)廢，比如一些薄壁零件、薄壁部位或葉片。

（3）?對(duì)裂紋和夾雜物缺陷的消除沒(méi)有任何作用；

（4）?熱等靜壓可能會(huì)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(jìn)行；

（5）?熱等靜壓可能會(huì)造成零件嚴(yán)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(dāng)可能會(huì)造成零件壁厚減薄，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成零件晶粒嚴(yán)重粗大，導(dǎo)致材料性能變差，零件報(bào)廢；

（7）?對(duì)于合金元素熔點(diǎn)差異較大的合金可能會(huì)造成低熔點(diǎn)化學(xué)元素?zé)龘p；

（8）?對(duì)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(dú)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(dāng)做解決一些材料內(nèi)部缺陷的救命稻草，使用不當(dāng)也會(huì)造成嚴(yán)重后果。我們?nèi)匀灰粩嘌芯拷饘?D打印的技術(shù)，力爭(zhēng)做到3D打印零件零件內(nèi)無(wú)缺陷，這才是出路。