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金属3D打印零件的热处理工艺——热等静压(HIP)

日期: 2016-12-26
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近年来,3D打印行业发展神速,能够给制造业和社会带来的经济利益。但是,3D打印生产的零件并不是完美无瑕,里面经常会伴随着许多气孔、未熔化等缺陷的存在。热等静压技术最突出的作用是能够消除金属零件内部的孔洞缺陷,提高零件的致密度。从金属3D打印技术出现开始,金属3D打印似乎就和热等静压绑定,组成了标配工艺套餐,尤其是对钛合金、镍基合金的零件更是如此。但是热等静压不是万能的,使用不当仍然会造成很严重的后果。本文为您解读热等静压技术的前世今生,分析热等静压对3D打印零件的影响,总结了它在应用时的局限性和注意事项。

热等静压工作原理和发展历史

热等静压(Hot Isostatic Pressing,简称HIP)技术工作原理是将制品放置到密闭的容器中,向容器内充惰性气体,在很高的温度(通常接近材料的锻造温度)和很高的压力下(通常在100~140MPa),使制品得以烧结或致密化,如图1所示。对于金属材料,热等静压技术能够实现致密化消除缺陷的原因是:在高温下金属材料强度极低、塑性极好,有孔洞区域的金属受到外界气体压力的作用发生塑性变形,孔洞区域金属相互接触发生冶金结构使孔洞消失。

热等静压的工艺主要参数有加热温度、气体压力、保温时间和气体介质。材料不同选用的温度、压力、保温时间都各有很大差异,主要依据材料固态相变和高温时的强度、塑性选择工艺参数。例如,TC4钛合金热等静压工艺通常是920℃和110~120MPa条件下保温1~2小时,惰性气体采用氩气。

金属3D打印零件的热处理工艺——热等静压(HIP)

金属3D打印零件的热处理工艺——热等静压(HIP)

热等静压技术的出现要远远早于3D打印技术的诞生,可以说它已经是一项很老的热处理技术了。上世纪50年代,美国Battelle研究所为研制核反应堆材料开展HIP 技术研究,首先用于原子能反应过程中燃料元素的扩散粘结。1955年美国Battelle研究所第一台热等静压机的问世,标志着热等静压技术设备的诞生。1963年传入欧洲,瑞典ASEA公司用预应力钢丝缠绕结构制造高压容器,其结构紧凑,安全可靠,奠定该技术大力发展的坚实基础。后经肯纳金属公司、北京钢铁研究总院、美国AE公司等多家机构的不断改善,大大地拓展了HIP设备的发展及应用。

经过近半个世纪的发展,热等静压设备和技术不断改进完善,目前HIP技术现已在硬质合金烧结、钨铝钛等难熔金属及合金的致密化、产品的缺陷修复(比如3D打印金属零件)、大型及异形构件的近净成形、复合材料及特种材料的生产加工等方面得到了广泛应用,如表1所示。

金属3D打印零件的热处理工艺——热等静压(HIP)

热等静压对3D打印金属零件的作用

热等静压可以消除内部缺陷。正如上面所讲,热等静压在3D打印领域中的应用就是为了消除最终零件内部的缺陷。如图4所示,是热等静压前后的对比金相照片,左图中黑色“块”和“条”是3D打印过程中形成的气孔和未熔合缺陷,经过热等静压后的右图中没有发现较大的缺陷。

金属3D打印零件的热处理工艺——热等静压(HIP)

热等静压可以改善冷却速度过快形成的过冷组织或者亚稳定组织。热等静压通常要在非常高的温度下加热,相当于一个高温退火的过程。热等静压完全可以消除快速成形过程由于冷却速度快形成的马氏体等组织,从而转变形成高温退火形态的组织。如图5所示,是Ti-6Al-4V钛合金经激光SLM形成的金属零件热等经验前后的金相照片对比。左图是未做HIP的,黑色针状是快速冷却造成的马氏体组织,右图中经过HIP后马氏体组织全部分解为交错分布的α+β网篮组织。

金属3D打印零件的热处理工艺——热等静压(HIP)

热等静压可以改善力学性能。热等静压前后材料的力学性能也发生明显的变化,如表2所示,无论是激光SLM成形还是电子束EBM成形,热等静压后材料的强度都有下降的趋势,塑性会升高,尤其是对SLM技术的材料更为明显。造成这一现象的原因是SLM成形过程冷却速度较快,成型零件形成了更多的马氏体组织,HIP退火后马氏体分解,引起材料的强度下降塑性上升。同时,材料的硬度也会随着HIP发生变化,HIP后硬度会下降5~10%。整体上,热等静压可以改善材料的韧性和抗疲劳裂纹扩展的能力。

金属3D打印零件的热处理工艺——热等静压(HIP)

热等静压处理局限性

热等静压并不是对任何材料和任何缺陷消除都有很好的效果,并且热等静压工艺设置不当也会造成很严重的后果,因此使用热等静压时需注意以下事项。

(1) 对开放性缺陷(从零件内部延伸至零件表面与且外界气体介质相通的缺陷)热等静压起不到任何消除缺陷的作用;

(2) 当零件内存在较大缺陷时(超过2mm)会在零件表面形成凹坑,如图5所示,需要焊接修复。当凹坑出现在无法进行焊接修复的位置时可能会造成零件报废,比如一些薄壁零件、薄壁部位或叶片。

(3) 对裂纹和夹杂物缺陷的消除没有任何作用;

(4) 热等静压可能会造成零件表面氧化,形成一层较薄氧化膜,最好在精加工之间进行;

(5) 热等静压可能会造成零件严重变形,做热定静压前一定要考虑防止变形的措施;

(6) 工艺温度和压力设置不当可能会造成零件壁厚减薄,严重时会造成零件晶粒严重粗大,导致材料性能变差,零件报废;

(7) 对于合金元素熔点差异较大的合金可能会造成低熔点化学元素烧损;

(8) 对于共晶合金不适用,容易形成液化裂纹;

尽管热等静压技术具有独特的消除金属3D打印零件内部缺陷的功能,切不可将热等静压当做解决一些材料内部缺陷的救命稻草,使用不当也会造成严重后果。我们仍然要不断研究金属3D打印的技术,力争做到3D打印零件零件内无缺陷,这才是出路。

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