近（jìn）年來，3D打印行業發展（zhǎn）神速，能夠給製造（zào）業（yè）和社會帶（dài）來的經濟利益。但是，3D打印生產的零（líng）件並不是完美無瑕，裏麵（miàn）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（gòu）消除金屬零件內部的孔洞缺陷，提（tí）高零件的致密度。從（cóng）金屬3D打印技術出現開始，金屬3D打印似乎就（jiù）和熱等靜（jìng）壓（yā）綁定，組成了標配（pèi）工藝套餐，尤其是對鈦合金、鎳基合金的零（líng）件更是如此。但是熱等靜壓（yā）不是（shì）萬能的，使用不（bú）當仍然會造成很嚴重的後果（guǒ）。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（jìng）壓的工作（zuò）原理和發展曆史（shǐ）

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP）技術（shù）工作原理是將製品放置到密閉的（de）容器中，向容器內充（chōng）惰性氣（qì）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（xià）（通常在100～140MPa），使製品得以燒結或致密（mì）化（huà），如圖1所示（shì）。對於金屬材料，熱等靜壓技術能（néng）夠實現致密化（huà）消（xiāo）除缺陷（xiàn）的原因（yīn）是：在高（gāo）溫下金屬材料強度極（jí）低、塑性極（jí）好，有孔洞區域的金屬受到外界（jiè）氣體（tǐ）壓力的作用（yòng）發生塑性變形，孔洞區域金屬相互接（jiē）觸（chù）發生冶金結構使孔洞消失。

熱等靜壓（yā）的工藝主要參（cān）數有加熱溫度、氣體（tǐ）壓力、保溫時間和氣體介（jiè）質。材料不同選用的溫度、壓力、保（bǎo）溫時（shí）間都（dōu）各有很大差異，主要依據材料固態相變和高溫時的強度、塑（sù）性選擇工（gōng）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（yòng）氬氣。

熱等靜（jìng）壓技術的出現要遠遠早於3D打印（yìn）技（jì）術的誕生，可以說（shuō）它已經是一項很老的熱處理技術了。上世紀50年代（dài），美國Battelle研究（jiū）所為研製核反應堆材料（liào）開展HIP 技術研究，首先（xiān）用於原子能反應過程中燃料元素的擴散粘結。1955年美國（guó）Battelle研（yán）究所第一台熱等靜壓（yā）機的問世，標誌著熱等靜（jìng）壓技術設備的誕生。1963年傳入歐洲，瑞典（diǎn）ASEA公司用（yòng）預應力鋼絲纏繞結構製（zhì）造高壓容器，其結構（gòu）緊湊，安（ān）全可靠，奠定（dìng）該技術大（dà）力發展的（de）堅（jiān）實基礎。後經肯納金屬公（gōng）司、北（běi）京鋼鐵研究總院、美國AE公司等多家（jiā）機構的不斷改善，大大地拓展了HIP設備（bèi）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（bú）斷改進完善，目前HIP技術（shù）現已在硬質合（hé）金燒結、鎢鋁鈦等難熔金屬及合金的致密化、產品的缺陷修複（fù）（比如3D打印金屬零件）、大型及異形構件的近（jìn）淨成形、複合材料及（jí）特種材料的生產加工（gōng）等方麵得到了廣泛應用，如（rú）表1所示。

熱等靜壓對3D打印（yìn）金屬零件的作用

熱等靜壓可以消除內部缺陷。正如上麵所講（jiǎng），熱（rè）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（tú）4所示，是熱等（děng）靜壓前（qián）後的對比（bǐ）金（jīn）相照片（piàn），左圖中黑色“塊”和“條”是3D打（dǎ）印過程中形成的氣孔和（hé）未熔合缺陷，經過熱等靜壓後的右圖中沒有發現較大的缺陷。

熱（rè）等靜壓可以改善冷卻速度過快形成的過冷組織（zhī）或者亞穩定組織。熱等靜壓通（tōng）常要在非常高的溫度下加熱，相當於一個高溫退火的過程。熱等靜壓完（wán）全可以消除快速（sù）成形過程由於冷卻（què）速度快形成（chéng）的馬氏體等組織，從而轉（zhuǎn）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（líng）件熱等經驗前後的（de）金相照（zhào）片對（duì）比。左圖是未做HIP的（de），黑色針狀是快速冷（lěng）卻（què）造成的馬氏體組（zǔ）織，右圖中經過HIP後馬氏體組織全部分解為交錯分布的α+β網籃組織。

熱等靜壓可以改善力學性能。熱等靜壓前後材料的力（lì）學性能（néng）也發生明顯的變（biàn）化,如表2所示，無論是（shì）激光SLM成形還是電子束EBM成形，熱等靜壓後材料的強（qiáng）度都有下降（jiàng）的趨勢，塑性會升高，尤其（qí）是對SLM技術的材料更為明顯。造成（chéng）這一現象的原因是（shì）SLM成形過程冷（lěng）卻速度較快，成型零（líng）件形成了更多的馬氏體組織，HIP退火後馬氏體分解，引起材料的強度下（xià）降塑性上升。同時，材料的硬度也會隨著HIP發生變化，HIP後硬度會下降5～10%。整體上，熱等（děng）靜壓可以改善材料的韌性和抗疲勞裂（liè）紋擴展的（de）能力。

熱等靜（jìng）壓處理的局限性

熱等靜（jìng）壓並（bìng）不是對任何材料和任何缺（quē）陷消除都有很好的效果，並且（qiě）熱等靜壓工（gōng）藝設置不當也會造成（chéng）很嚴（yán）重的後（hòu）果，因此使用熱等靜（jìng）壓時需注意以下事項。

（1） 對開放性缺陷（從零件內部延伸至零件（jiàn）表麵與且外界氣體介質相通的缺陷）熱（rè）等靜壓起（qǐ）不到任何消除（chú）缺陷的作用（yòng）；

（2） 當零件內存在較大缺陷時（shí）（超過2mm）會在零件（jiàn）表麵（miàn）形成凹坑，如圖（tú）5所示，需（xū）要焊接修複。當凹坑（kēng）出現在無法進（jìn）行焊接修複的位置時可能會造成（chéng）零件報廢，比（bǐ）如一些薄壁零件（jiàn）、薄壁部（bù）位或葉片。

（3） 對裂紋（wén）和夾雜物缺（quē）陷的消除沒有任何作用；

（4） 熱等靜壓可（kě）能會造（zào）成零件表麵氧化，形成一層較薄氧化膜，最好（hǎo）在精加工之間進（jìn）行（háng）；

（5） 熱等靜（jìng）壓可能會造成零件嚴重變形，做熱定靜壓（yā）前一定要考慮防止變形的措施；

（6） 工藝溫度和壓力設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（líng）件報廢；

（7） 對於合金元素熔點差異較大的（de）合金可能會造成低熔點化學元素燒損；

（8） 對（duì）於共晶合（hé）金不適用，容易形成液化裂紋；

盡管熱等靜壓技術具有獨特的（de）消除金屬3D打（dǎ）印零件（jiàn）內部缺陷的功能（néng），切不可將熱等（děng）靜壓當做解決一（yī）些材料內部缺陷（xiàn）的救命（mìng）稻草，使用不當也會造成嚴重後果。我們仍然（rán）要不斷研究金屬3D打印的技（jì）術，力爭做到3D打印零件零件內無缺陷，這才是出路。