近年（nián）來，3D打（dǎ）印行業發展神速，能夠給製造業和社會帶來的經（jīng）濟利益。但是，3D打印生產的零件並不是完美無（wú）瑕，裏麵（miàn）經常會（huì）伴隨著許（xǔ）多氣孔、未熔化等缺陷的存在。熱等靜壓技術最突出的作用（yòng）是（shì）能夠消除金屬零件內部的孔洞缺陷，提高零件（jiàn）的致（zhì）密度。從金屬3D打印技術出現開（kāi）始，金屬3D打印似（sì）乎就（jiù）和熱等靜壓綁定，組成了標配工藝（yì）套（tào）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能的，使用不當仍然會（huì）造（zào）成很嚴重的後果。本文為您解讀（dú）熱（rè）等靜壓技術的前（qián）世今生，分析熱等靜壓對3D打印（yìn）零件的影（yǐng）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（yuán）理和發展曆史

熱等靜壓（yā）（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP）技術（shù）工作原（yuán）理是將（jiāng）製品放置到密閉的容器中，向（xiàng）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（dù））和（hé）很高的壓（yā）力下（通常在100～140MPa），使（shǐ）製品得以燒結或致密化，如圖1所示。對於金屬（shǔ）材料，熱等靜壓技術能夠實現致密化消除缺陷的原因是（shì）：在高溫下金屬材料強度極低（dī）、塑性極好，有孔洞區域的金屬受（shòu）到外界氣體壓力的作用發（fā）生塑性變形，孔洞區域金屬相互接（jiē）觸發生冶金結構使孔洞消失。

熱等靜壓的工藝（yì）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，主要依據材料固態相變和高溫時的強度、塑（sù）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（tiáo）件下保溫1～2小時，惰性氣體采用氬氣。

熱等靜壓技（jì）術（shù）的出現要遠遠早於3D打印技術的誕生，可以說它（tā）已經是一項很老的熱處理（lǐ）技術了。上世紀50年代（dài），美國Battelle研究所為研製核反應堆材料開展HIP 技術研究，首先用於（yú）原子能反應過程中燃（rán）料（liào）元素的擴散粘（zhān）結（jié）。1955年美國Battelle研究（jiū）所第一台熱（rè）等靜壓機的問世（shì），標誌著熱等靜壓技術設備的誕生。1963年傳入歐洲，瑞典（diǎn）ASEA公司用預應力鋼絲纏繞結構製造（zào）高壓容器，其結（jié）構緊湊，安全可靠，奠（diàn）定該技術大（dà）力發（fā）展的堅實基礎。後經肯納（nà）金屬公（gōng）司、北京鋼鐵研（yán）究總（zǒng）院、美國AE公司等多家機構的不斷改善，大大（dà）地拓展了（le）HIP設備的（de）發展及應用。

經過近半個世紀的發（fā）展，熱等靜壓設備和技術（shù）不斷改進完善，目前HIP技術現已（yǐ）在硬質合金燒結、鎢鋁鈦等難熔金屬及合金的致密（mì）化、產品的缺陷修複（比如3D打印金屬零件）、大型及異形（xíng）構件的近淨（jìng）成形、複合材（cái）料及特種材料的生產加工等方麵得到了廣泛應用，如表1所（suǒ）示。

熱等靜壓對3D打印金屬零件的作用

熱等靜（jìng）壓可以（yǐ）消除內部缺陷。正如上麵所講，熱（rè）等（děng）靜壓在3D打印領域中的應（yīng）用就是為了消除最終零（líng）件內部的缺陷。如圖4所（suǒ）示（shì），是熱等靜壓前後的對比金（jīn）相照片，左（zuǒ）圖中黑色“塊”和“條”是3D打印過程中形成的氣孔和未熔合（hé）缺陷，經過熱等靜壓後的右圖（tú）中沒有發現較大的缺陷。

熱等靜壓可以（yǐ）改善冷卻速度過快形成的過冷組織或者亞（yà）穩定組（zǔ）織。熱等靜壓通常要在非常（cháng）高（gāo）的溫度下加熱，相當於一個（gè）高溫退火的過程。熱等靜（jìng）壓完全可以消除快速成形過程由於（yú）冷（lěng）卻速度快形成的馬氏體等組織，從而（ér）轉變形成高溫退火形態的組（zǔ）織。如圖5所示，是Ti-6Al-4V鈦合（hé）金經激光（guāng）SLM形成的金屬零件熱等經驗前（qián）後的金相照（zhào）片對比。左圖是未做HIP的，黑色針狀是快速冷卻造成（chéng）的馬（mǎ）氏體組織，右圖中經過HIP後馬氏（shì）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（shù）EBM成形，熱等（děng）靜壓（yā）後材料的強度都（dōu）有下降的趨勢，塑性會升高，尤其是對SLM技術的材料（liào）更為明（míng）顯。造成這一現象的（de）原因是SLM成形過程（chéng）冷卻速度較快，成型（xíng）零件形成了更（gèng）多的馬氏體組織（zhī），HIP退火後馬氏體分解，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（biàn）化，HIP後硬度（dù）會下降5～10%。整體上，熱（rè）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（děng）靜壓並不是對任何材料和任何缺陷消除（chú）都有很好的（de）效果，並（bìng）且熱等靜壓工藝設置不當也會造（zào）成很嚴重的後果，因此使（shǐ）用熱等靜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表麵與且外（wài）界（jiè）氣體介質相通的缺陷）熱等靜壓起不到任何消除缺陷的作用；

（2） 當零件內存在較大缺陷時（超（chāo）過2mm）會在零（líng）件表麵形成凹坑，如圖（tú）5所示，需要焊接修複。當凹坑出現在無法進行焊接修複的位置時可能會造成零件報（bào）廢，比如一些薄（báo）壁零件、薄壁部位或葉（yè）片。

（3） 對裂紋和夾雜物缺陷（xiàn）的消除（chú）沒有任何作用；

（4） 熱等靜壓可能會造成零件表麵氧化（huà），形成一層（céng）較薄氧（yǎng）化膜，最好在精加（jiā）工之間進行；

（5） 熱等靜壓可（kě）能會（huì）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（cuò）施；

（6） 工藝溫（wēn）度和壓力設置不當可能（néng）會造成（chéng）零件壁厚減薄，嚴重時會造成零件（jiàn）晶粒嚴重粗大，導致材料性（xìng）能變（biàn）差，零件報廢；

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

（8） 對於（yú）共晶合金不適用（yòng），容易形成液化裂紋；

盡管熱（rè）等靜壓技術具有獨特的消除金屬（shǔ）3D打印零件內部（bù）缺陷的功能（néng），切不（bú）可將熱等靜壓當做（zuò）解決一些材料內部缺陷（xiàn）的救命稻草，使用不當也會造成（chéng）嚴重後果。我（wǒ）們仍然要不斷研究金屬3D打印（yìn）的技術（shù），力爭做到3D打印零件零件（jiàn）內無缺陷，這才是出路。