金屬3D打印零件的熱處理工藝——熱等靜壓（HIP）

日期： 2016-12-26

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近年來，3D打印行業發展神速，能夠給制造業和社會帶來的經濟利益。但是，3D打印生產的零件并不是完美無瑕，里面經常會伴隨著許多氣孔、未熔化等缺陷的存在。熱等靜壓技術最突出的作用是能夠消除金屬零件內部的孔洞缺陷，提高零件的致密度。從金屬3D打印技術出現開始，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的前世今生，分析熱等靜壓對3D打印零件的影響，總結了它在應用時的局限性和注意事項。

熱等靜壓的工作原理和發展歷史

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP）技術工作原理是將制品放置到密閉的容器中，向容器內充惰性氣體，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），使制品得以燒結或致密化，如圖1所示。對于金屬材料，熱等靜壓技術能夠實現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，有孔洞區域的金屬受到外界氣體壓力的作用發生塑性變形，孔洞區域金屬相互接觸發生冶金結構使孔洞消失。

熱等靜壓的工藝主要參數有加熱溫度、氣體壓力、保溫時間和氣體介質。材料不同選用的溫度、壓力、保溫時間都各有很大差異，主要依據材料固態相變和高溫時的強度、塑性選擇工藝參數。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。

金屬3D打印零件的熱處理工藝——熱等靜壓（HIP）

熱等靜壓技術的出現要遠遠早于3D打印技術的誕生，可以說它已經是一項很老的熱處理技術了。上世紀50年代，美國Battelle研究所為研制核反應堆材料開展HIP?技術研究，首先用于原子能反應過程中燃料元素的擴散粘結。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設備的誕生。1963年傳入歐洲，瑞典ASEA公司用預應力鋼絲纏繞結構制造高壓容器，其結構緊湊，安全可靠，奠定該技術大力發展的堅實基礎。后經肯納金屬公司、北京鋼鐵研究總院、美國AE公司等多家機構的不斷改善，大大地拓展了HIP設備的發展及應用。

經過近半個世紀的發展，熱等靜壓設備和技術不斷改進完善，目前HIP技術現已在硬質合金燒結、鎢鋁鈦等難熔金屬及合金的致密化、產品的缺陷修復（比如3D打印金屬零件）、大型及異形構件的近凈成形、復合材料及特種材料的生產加工等方面得到了廣泛應用，如表1所示。

金屬3D打印零件的熱處理工藝——熱等靜壓（HIP）

熱等靜壓對3D打印金屬零件的作用

熱等靜壓可以消除內部缺陷。正如上面所講，熱等靜壓在3D打印領域中的應用就是為了消除最終零件內部的缺陷。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，經過熱等靜壓后的右圖中沒有發現較大的缺陷。

金屬3D打印零件的熱處理工藝——熱等靜壓（HIP）

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，從而轉變形成高溫退火形態的組織。如圖5所示，是Ti-6Al-4V鈦合金經激光SLM形成的金屬零件熱等經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，右圖中經過HIP后馬氏體組織全部分解為交錯分布的α+β網籃組織。

金屬3D打印零件的熱處理工藝——熱等靜壓（HIP）

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技術的材料更為明顯。造成這一現象的原因是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。

金屬3D打印零件的熱處理工藝——熱等靜壓（HIP）