近年來，3D打（dǎ）印行業發（fā）展神速，能夠給製造業和社（shè）會帶來（lái）的經濟利益。但是，3D打印（yìn）生產（chǎn）的零件並不是完美無瑕，裏麵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（de）作用是能夠（gòu）消除金屬零件內部的孔洞缺（quē）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（rè）等靜壓綁定，組成了標配工藝套餐，尤其（qí）是（shì）對鈦合金、鎳基合金的零件更是如此。但是熱等靜壓（yā）不（bú）是萬能的，使用不（bú）當仍然會造成很嚴重的後果。本文為（wéi）您解讀熱等靜壓技術的前（qián）世今生，分析熱等靜壓對3D打印零件的影響，總結了（le）它在應用時的局（jú）限性和注意事項。

熱等靜壓的工作原理和發展曆史

熱等靜（jìng）壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱HIP）技（jì）術工作原理是將製品放（fàng）置到（dào）密閉的容器中，向（xiàng）容器內充惰（duò）性氣體，在很（hěn）高的溫度（通常接近材料的鍛造溫度）和很（hěn）高的壓力下（通常在100～140MPa），使製品得以（yǐ）燒結或致密化，如圖1所示。對（duì）於金屬材料，熱等靜（jìng）壓技術能夠實現致（zhì）密（mì）化消除缺陷的原因是：在高溫下金（jīn）屬（shǔ）材料強（qiáng）度極（jí）低、塑性（xìng）極好，有（yǒu）孔洞區域的金屬（shǔ）受（shòu）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（yā）力、保溫時間和氣體介質。材料不同選用的溫度、壓力（lì）、保溫時間都各有很大差異（yì），主要依（yī）據材料固態相變和高溫時的強度、塑性選擇工藝參（cān）數。例（lì）如，TC4鈦合金熱等靜壓工藝通常是920℃和（hé）110～120MPa條件下（xià）保溫1～2小時，惰性（xìng）氣體采用氬氣。

熱等靜壓技術的出現要遠遠早於3D打印技術的誕生（shēng），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（jiū）所為研製核反應堆材料開展HIP 技術研究，首先用（yòng）於原子能反應過程中燃料元素的擴散粘結。1955年美國Battelle研究所第一台熱等（děng）靜壓機的問世，標誌著熱等靜壓技術（shù）設備的誕生（shēng）。1963年傳入歐洲（zhōu），瑞（ruì）典（diǎn）ASEA公司用預應力（lì）鋼絲纏繞結構製造高壓容器，其結構緊湊，安全可靠，奠（diàn）定該技術大力發展的堅實基礎。後經肯（kěn）納金（jīn）屬公司、北京鋼鐵研（yán）究總院、美國AE公（gōng）司等多家機構的不斷改善，大大地拓展了HIP設備的發展（zhǎn）及應用（yòng）。

經過（guò）近半個世紀（jì）的發展，熱（rè）等（děng）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（tài）等難熔金屬及合金的致密化、產品（pǐn）的（de）缺（quē）陷修複（比如（rú）3D打印金屬零件）、大型及異形（xíng）構件的近淨成形、複合材料及特種材料的生產加工等方麵得到了廣泛應用（yòng），如表1所示。

熱（rè）等靜壓對3D打印金屬零件的作用

熱（rè）等靜壓可以消除內部缺陷。正（zhèng）如（rú）上麵所講，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（de）缺陷。如圖4所示，是熱等靜壓前後（hòu）的對比金相照片，左圖中黑（hēi）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（jìng）壓後（hòu）的右圖中沒有發現（xiàn）較大的缺陷。

熱等靜壓可以改（gǎi）善冷卻速度過快形（xíng）成的過（guò）冷組織或（huò）者亞穩定組織。熱等（děng）靜壓通常（cháng）要在非常高的溫度（dù）下加熱，相當（dāng）於一個高溫退火的過程。熱（rè）等靜壓完全可以消除快速成形過（guò）程由於冷卻速度（dù）快形成的（de）馬氏體等組織，從而轉變（biàn）形成高溫退火形態的組織。如圖5所（suǒ）示，是Ti-6Al-4V鈦合金經（jīng）激光SLM形成的金屬零件熱等經驗前後的金相照片對比。左圖是未（wèi）做HIP的，黑色針狀是快速冷卻（què）造成的馬氏體（tǐ）組織，右圖中經過HIP後馬氏體組織全（quán）部分解（jiě）為交錯（cuò）分布的α+β網籃組織。

熱等靜壓可以改善力學性能。熱等靜（jìng）壓前後材料的力（lì）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，熱等靜壓後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（gèng）為明顯。造成這（zhè）一（yī）現象的原因是SLM成形過程冷卻速度較快，成型零件形（xíng）成了更多的馬氏體組織，HIP退火後馬氏體（tǐ）分解，引起材料的強度下（xià）降塑性上升。同時（shí），材料的硬度也會（huì）隨著HIP發生變化，HIP後硬度會下降（jiàng）5～10%。整體上，熱等靜（jìng）壓可以改善材料的韌性和抗疲勞裂紋擴展的（de）能力。

熱等靜壓（yā）處理的局限性

熱等靜（jìng）壓並不是對任何（hé）材料和任何缺陷消除都有很好的效果，並且熱等靜（jìng）壓工（gōng）藝設置不當也會造（zào）成很嚴重的後果，因此使用熱等靜壓時需注意以下事項。

（1） 對開放（fàng）性缺陷（從零件內（nèi）部延伸至（zhì）零件表麵與且外界氣體介質相通的缺（quē）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（huì）在零件表麵形（xíng）成凹坑，如圖（tú）5所示（shì），需要焊接修複。當凹（āo）坑出現（xiàn）在無法進行焊接修複（fù）的位置時（shí）可（kě）能會造成零件報廢，比如（rú）一些薄壁零件、薄壁（bì）部位或葉片。

（3） 對裂紋和夾雜物缺陷的消除沒有（yǒu）任何作用；

（4） 熱等（děng）靜壓可能會造成零件（jiàn）表麵氧化，形成一（yī）層較薄氧化膜，最好在精加工之間（jiān）進行；

（5） 熱等靜壓可能（néng）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） 對於合金元素熔點差異較大的合金（jīn）可能會造成低熔點化（huà）學元素燒損（sǔn）；

（8） 對於共晶合金不適（shì）用，容易形成液化（huà）裂紋；

盡管熱等靜壓技術具有獨特的消除金屬（shǔ）3D打（dǎ）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部缺陷的救（jiù）命稻草，使用不當也會造成嚴重後（hòu）果。我們仍然要不斷研究金屬3D打印的技術，力爭做到3D打印零件零件內無缺陷，這才是出路。