劉文彬，莫仕棟，謝月光，伍玩秋，裴新軍

1.陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 陽江 529566；2.陽江市天驕家庭用品制造有限公司，廣東 陽江 529500

增材制造(或稱為3D打印)技術(shù)在全球范圍內(nèi)越來越得到廣泛關(guān)注與重視，在國產(chǎn)運(yùn)-20和C919等國產(chǎn)大飛機(jī)及殲-15、殲-31等新型戰(zhàn)斗機(jī)系列機(jī)載設(shè)備的重要核心零部件上應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù)[1-2]，人們期望它在不久的將來能承擔(dān)起更重要的角色.與傳統(tǒng)減材制造相比，增材制造技術(shù)擁有獨(dú)特的優(yōu)勢，如近凈成形復(fù)雜構(gòu)件和難加工的超強(qiáng)合金，減少原材料使用、降低生產(chǎn)成本和縮短制造周期，還能完成其它方法無法勝任的點(diǎn)陣、多孔結(jié)構(gòu)制造和大型昂貴的構(gòu)件快速修補(bǔ)，這為金屬和其它材料成形提供了一個(gè)良好的選擇手段.金屬增材制造技術(shù)主要有激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting, SLM)、電子束熔融(Electron beam melting, EBM)、超聲波增材制造(ultrasonic additive manufacturing, UAM)和冷噴涂(cold spray, CS)等多種工藝[3-6].

然而金屬在增材成形過程中，復(fù)雜的熱循環(huán)和快速冷卻結(jié)晶使材料產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，形成亞穩(wěn)態(tài)組織.受粉末顆粒大小和電子束或激光束的直徑等打印參數(shù)限制，造成構(gòu)件表面粗糙，內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)或多或少的氣孔、未熔化顆粒、隧道裂紋等缺陷，降低了材料的塑性和抗疲勞等性能，限制了它在航空航天、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域中的應(yīng)用[7-8].

熱等靜壓(Hot Isostatic Pressing)是一種通過惰性氣體作為載體，高溫高壓下降低材料屈服強(qiáng)度，提高塑性變形和原子擴(kuò)散能力，消除孔隙、均勻化成分、穩(wěn)定性能的有效技術(shù).該技術(shù)廣泛應(yīng)用在粉末冶金產(chǎn)品近凈成形，以及雙合金擴(kuò)散連接、金屬鑄件和陶瓷制品后處理上[9].熱等靜壓處理金屬鑄件，能減少孔隙率和缺陷.對于體積孔隙率小于1%的鑄件，實(shí)施熱等靜壓可以完全消除孔隙，而不改變形狀和尺寸.因此，應(yīng)用于航空航天的承載鑄件都需要經(jīng)過熱等靜壓處理這一必要工序[10].

熱等靜壓同樣適用于金屬增材制造構(gòu)件.實(shí)踐證明，打印參數(shù)優(yōu)化后的增材制造金屬構(gòu)件也不可避免地存在孔隙，但體積孔隙率一般低于0.5%[11].金屬構(gòu)件的拉伸性能、疲勞強(qiáng)度等強(qiáng)烈依賴孔隙數(shù)量和分布，因此采用熱等靜壓后處理是消除重要結(jié)構(gòu)件孔隙和裂紋、提高力學(xué)性能的重要手段.然而與合金結(jié)晶機(jī)理研究比較深入的傳統(tǒng)鑄造成形相比，金屬增材制造技術(shù)具有諸多不同的特點(diǎn)，因此國內(nèi)外研究學(xué)者對增材制造構(gòu)件熱等靜壓處理前后的各類孔隙及缺陷的類型、結(jié)構(gòu)、分布、表征和消失機(jī)制等方面進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和理論研究.本文綜述了近期熱等靜壓消除增材制造構(gòu)件孔隙的研究成果，對進(jìn)一步研究和應(yīng)用提出了展望.

1 孔隙分類

增材制造構(gòu)件出現(xiàn)的孔隙來自增材制造工藝或者原料本身.按照Kudzal等人[12]的研究，根據(jù)孔隙形貌可以分成三類孔隙.Sridar等人[13]據(jù)Kudzal的研究，分析增材制造高強(qiáng)低合金鋼試樣熱等靜壓前后孔隙變化，孔隙類型如圖1所示.Ⅰ類孔隙是球形氣孔，尺寸約5～100 μm(圖1(a)).球形孔隙產(chǎn)生的一種原因是在增材制造過程中保護(hù)氣進(jìn)入熔池，在快速冷卻過程中來不及逸出而殘留在構(gòu)件內(nèi)部，在各向均等的氣壓作用下孔隙呈球形；另一原因是原料粉末以氣霧化等方式制備過程中，氣體進(jìn)入到粉末顆粒內(nèi)，增材制造完成后依舊留在了構(gòu)件內(nèi)部.Ⅱ類孔隙形狀不規(guī)則，呈扁平狀且?guī)в屑饨?，尺寸范圍從亞微米到宏觀毫米級(圖1(a)和(b)).其主要來源于增材制造過程中熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋、不完全熔化的粉末顆粒、難以克服熔池表面張力而形成的球化現(xiàn)象，以及Ⅰ類孔隙經(jīng)過熱等靜壓后縮小(圖1(c)所示).Ⅲ類孔隙沿著熔池邊界連續(xù)分布呈現(xiàn)細(xì)長狀，圓度低(圖1(b)).其起因是增材制造參數(shù)設(shè)置不合理，如輸入能量不足、粉末層之間不完全熔合，產(chǎn)生的孔隙連通形成裂紋，又稱之為隧道缺陷[14].

圖1 高強(qiáng)低合金鋼增材制造后拋光面的二次電子圖片(a)和(b)及HIP處理后的圖片(c)

Zafer等人[15]在研究電子束熔融技術(shù)制備718合金試樣時(shí)也發(fā)現(xiàn)了這3類孔隙，如圖2所示.從圖2可見：除Ⅰ類氣孔外(圖2(a))，除Ⅰ類氣孔外(圖2(a))，Ⅱ類孔隙被稱為收縮孔，延伸方向與增材制造方向平行，凝固時(shí)呈現(xiàn)樹枝晶形式收縮(圖2(b))；Ⅲ類孔隙是未熔化粉末形成缺陷，集中于構(gòu)件輪廓處，經(jīng)常含有未熔化的粉末顆粒，低的能量輸入導(dǎo)致低的層間結(jié)合力.

圖2 電子束熔融制備的718高溫合金顯微照片呈現(xiàn)的各類缺陷

Lopez-Galilea等人[16]在研究鎳基高溫合金激光選區(qū)熔融試樣時(shí)發(fā)現(xiàn)各類孔隙等缺陷，如圖3所示.從圖3可見：低能量輸入造成的孔隙和裂紋，如圖3(a)所示；晶粒間25 μm長的氧化鋁夾雜，如圖3(b)所示；大的孔隙之中含有未完全熔化的顆粒，如圖3(c)所示；裂紋附近一個(gè)不完全熔化的粉末顆粒凝固后，觀察到的顆粒內(nèi)原始晶界，如圖3(d)所示.

圖3 選擇性激光熔化制備的合金出現(xiàn)的缺陷

2 孔隙的分布

X射線斷層攝影技術(shù)提供了一個(gè)觀察孔隙尺寸大小和體積分布的有力工具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研和零部件的常規(guī)工業(yè)檢查中.Benzing等人[17]研究了電子束熔融技術(shù)制備鈦合金試樣中的孔隙的分布，如圖4所示.從圖4可見，孔隙率為0.21%，孔隙都是球形氣孔，孔徑集中在4～60 μm之間，其中8 μm和28 μm兩種粒徑的孔隙數(shù)量較多.

圖4 X射線斷層攝影三維重構(gòu)增材制造孔隙空間分布(a)與對應(yīng)的孔隙尺寸分布概率(b)

3 孔隙減少與消失

3.1 激光功率

Plessis等人[18]利用激光粉末床熔化技術(shù)，通過人為設(shè)置參數(shù)變量在TC4試驗(yàn)件上誘導(dǎo)出現(xiàn)多種孔隙，如未熔化顆粒形成的孔隙、輪廓表面連通孔及高能量形成的匙孔等，并用掃描分辨率為5 μm的無損探測X射線斷層攝影技術(shù)探究試樣在熱等靜壓前后孔隙封閉的情況.圖5顯示在增材制造后，邊長5.0 mm的正方體試驗(yàn)件中間有一直徑為2.0 mm的大孔洞，經(jīng)過熱等靜壓處理后該孔洞已不復(fù)存在，試樣中部和底部可觀察到局部形變，這是由于孔洞塌陷而形成的.但一些位于表面的小孔還是殘留，表明熱等靜壓能夠閉合試樣內(nèi)部孔隙甚至大孔洞，但卻不能消除外部連通孔.該研究者們推斷，既然熱等靜壓有能力消除很大的孔隙，那么增材制造參數(shù)范圍沒有必要設(shè)置得很嚴(yán)格，縱使不慎試樣內(nèi)部出現(xiàn)較大的孔，經(jīng)熱等靜壓后也能消除.打印參數(shù)設(shè)置的寬松些，就能夠提高打印效率.

圖5 增材制造的立方試樣在中心處人為的2 mm球形孔(左)，HIP后孔消失(右)

為了檢驗(yàn)熱等靜壓效果，分別做了四個(gè)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)一，極低激光功率下粉末顆粒半熔化；實(shí)驗(yàn)二，顆粒輕度缺乏熔化；實(shí)驗(yàn)三，優(yōu)化工藝獲得高致密度；實(shí)驗(yàn)四，高功率形成匙孔結(jié)構(gòu)，然后對所有試樣進(jìn)行熱等靜壓處理.實(shí)驗(yàn)一結(jié)果顯示，經(jīng)增材制造后孔隙度為8%，且形成大量連通孔并延伸至表面，熱等靜壓處理效果不明顯，只有一些小的閉孔消失，連通到表面的孔沒有消失反而有所增加(圖6(a))，這是由于在高壓氣體的作用下使得一些孔被打開.實(shí)驗(yàn)二結(jié)果顯示，增材制造后只有0.6%的孔隙，熱等靜壓使內(nèi)部的孔消失，只有表面的孔殘留(圖6(b))，這種情況下熱等靜壓最有效.實(shí)驗(yàn)三結(jié)果顯示，采用優(yōu)化的制造工藝后靠近表面的孔大幅度減少，總共只有0.01%的孔隙度，熱等靜壓后幾乎沒有孔隙留下(圖6(c))，這表明優(yōu)化的制備參數(shù)加上熱等靜壓處理，是獲得全致密的最佳途徑.實(shí)驗(yàn)四結(jié)果表明，匙孔是由于功率太大造成的，整體試樣孔隙率為0.33%，熱等靜壓后絕大多數(shù)孔消失，只有少許表面孔留下(圖6(d)).研究表明，熱等靜壓對所有類型的內(nèi)部孔洞都具有很好的閉合效果，但任何連接到表面的氣孔都不會(huì)被封閉，因?yàn)樵嚇又車鷼怏w在高溫高壓下很容易滲透到這些開孔中并穿透到次表面.

圖6 不同增材制造參數(shù)所得試樣熱等靜壓前后孔隙分布

3.2 送粉氣體

Chen等人[19]采用冷噴涂增材制造TC4鈦合金，其中N2和He分別作為推進(jìn)氣體，在其余參數(shù)相同的條件下制備合金試樣，然后進(jìn)行熱等靜壓處理.圖7為三維重構(gòu)冷噴涂增材制造TC4合金的孔隙分布.從圖7可見：N2作為推進(jìn)氣體，熱等靜壓處理前后的孔隙分布廣，孔隙率分別是2.443%和1.498%；而He作為推進(jìn)氣體，處理前后孔隙率分別為1.164%和0.037%，熱等靜壓處理效果明顯.原因在于He質(zhì)量輕，具有較高的運(yùn)動(dòng)速度，攜帶的粉末顆粒碰撞速率大，變形強(qiáng)度高于N2，因此增材制造后合金致密度較高.總的來說，沉積過程中顆粒變形不足，氣孔呈細(xì)長的不規(guī)則形狀，經(jīng)熱等靜壓的高溫高壓作用后制備出高度致密的結(jié)構(gòu)，只有少量不規(guī)則氣孔殘存.

圖7 三維重構(gòu)冷噴涂增材制造TC4合金的孔隙分布

3.3 幾何形狀

Tammas-Williams等人[14]采用電子束選區(qū)熔化(SEBM)工藝制備了幾種幾何形狀不同的TC4鈦合金試樣(圖8)，并給出了這些試樣熱等靜壓前后全掃描幾何孔隙分布圖(圖9).其中MC是從S1內(nèi)靠近邊緣取出加工的小圓柱試樣，用于C1和T3的X射線斷層攝影技術(shù)采用分辨率為9.9 μm，而MC采用的分辨率為2.0 μm.

圖8 不同幾何形狀的試樣用來研究孔隙等缺陷的熱等靜壓效果

從圖9可看出：T3棱柱試樣上距離表面1 mm分布著大量隧道缺陷，它們由直徑200～600 μm的分枝隧道構(gòu)成，垂直生長穿過多沉積層，體積孔隙率為0.225%，而C1圓柱試樣孔隙率低到0.001%；較高分辨率掃描MC小圓柱可以觀察到氣孔、粉末缺乏熔化產(chǎn)生的缺陷.經(jīng)過熱等靜壓后，試樣C1和MC上的孔隙消失，孔隙率降到0；而T3表面附近的隧道缺陷依然存在，孔隙率為0.062%.

圖9 試樣C1，T3和MC的缺陷變化

進(jìn)一步觀察C2和T3的截面孔隙率變化(圖10)發(fā)現(xiàn)：C2試樣熱等靜壓前孔隙率為0.195%，而熱等靜壓前孔隙率為0.195%，而熱等靜壓后所有粗大隧道缺陷被移除(圖10(a))；而T3棱柱試樣中大部分連接到外表面的缺陷，經(jīng)熱等靜壓后仍無法消除(圖10(b)).實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，除了與表面連通的缺陷外，所有的內(nèi)部孔隙在熱等靜壓后都縮小到低于檢測設(shè)備的分辨率以下的水平.

圖10 試樣C2(a)和T3(b)熱等靜壓前后垂直于Y軸切面的孔隙分布

3.4 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

Persenot等人[20]利用電子束熔融工藝制備細(xì)長的圓棒，模擬復(fù)雜的點(diǎn)陣類型試樣中的支撐桿，熱等靜壓后觀察孔隙和缺陷的變化.用分辨率為2.5 μm的X射線斷層掃描技術(shù)檢測到的孔隙分布見圖11.從尺寸水平投影圖(圖11(a))可觀察到，孔隙分布不均，大部分孔隙位于試樣外側(cè)的環(huán)狀區(qū)域內(nèi)，總孔隙體積百分?jǐn)?shù)為0.032%.從軸向截面圖(圖11(b))觀測到，外形輪廓高低不平，粗糙度Ra為43.6 μm，未熔化的顆粒粘結(jié)在表面且無規(guī)則的堆積而形成缺口，加劇了應(yīng)力集中.

圖11 直徑2 mm細(xì)長棒增材制造后(a)內(nèi)部缺陷的投影視圖孔隙分布和(b)截面形貌

電子束熔融工藝制備的圓棒經(jīng)熱等靜壓處理前后的孔隙和缺陷的變化見圖12[20].從圖12可見，圓棒表面層的閉孔孔隙低到了分辨率以下，然而表面缺口缺陷未受到影響.Masanori Nakatani等人[21]也發(fā)現(xiàn)，熱等靜壓只消除內(nèi)部的缺陷，對于表面的粗糙度和復(fù)雜的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)形貌改變很小.

圖12 熱等靜壓前(a)和其后(b)試樣長度方向三維重構(gòu)

3.5 熱等靜壓壓強(qiáng)

Liverani等人[22]研究了在相同溫度和保溫時(shí)間(1150 ℃，保溫3 h)及不同的熱等靜壓壓力對選區(qū)激光熔化制備的奧氏體不銹鋼的影響，熱等靜壓后得到的試樣相對密度見表1.由表1可看出，5 MPa的低壓力對消除孔隙沒有效果，而較高的壓力對于進(jìn)一步降低孔隙率也無更大作用，即100～150 MPa就能達(dá)到預(yù)定的效果.

表1 不同的熱等靜壓壓力處理后的試樣相對密度

3.6 孔隙分布

Joseph等人[23]研究了增材制造高熵合金熱等靜壓前后的孔隙分布，熱等靜壓前后的孔隙尺寸分布和金相照片如圖13所示.從圖13可見：激光直接制造(DLF)后孔隙分布較寬，孔隙率為0.6%；熱等靜壓后孔隙率為0.5%，孔隙分布變窄，大于5 μm的氣孔顯著減少，小孔隙數(shù)量增加，表明在熱等靜壓下大氣孔可收縮變小.

圖13 高熵合金直接激光制造試樣熱等靜壓前后孔隙分布(a)和(b)圖及金相照片(c)和(d)圖

4 熱力學(xué)計(jì)算

Shao等人[24]對激光增材制造鈦合金試樣中Ar氣孔隙進(jìn)行了模擬計(jì)算，研究熱等靜壓(100 MPa和1350 K)下氣孔的平衡壓力、半徑與增材制造原始孔徑的關(guān)系，并對熱等靜壓條件下Ar的溶解度進(jìn)行了計(jì)算.結(jié)果表明，高溫高壓下材料的塑性和蠕變能力提高，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，大直徑氣孔可以收縮到微米級，熱等靜壓可以使原始孔徑減低1～2個(gè)數(shù)量級.當(dāng)孔徑減小到1 μm后孔隙中氣體表面張力作用明顯，作用在氣孔上平衡壓力激增，當(dāng)半徑縮小到0.06 μm時(shí)壓力增加到1 GPa.圖14(a)為在設(shè)置的熱等靜壓條件(100 MPa和1350 K)下原始孔徑和此時(shí)孔徑與所受壓強(qiáng)的關(guān)系曲線.從圖14(a)可看出：隨著原始孔徑r0減小，孔徑r1單調(diào)遞減，而氣孔平均壓力增加，模擬計(jì)算結(jié)果與S.Tammas-Williams等人[14]的實(shí)驗(yàn)相當(dāng)吻合；在熱等靜壓下孔徑由初始的25 μm減小到設(shè)備掃描分辨率2.5 μm以下，此時(shí)的孔徑為2 μm，因此根據(jù)原始孔隙和熱等靜壓溫度就可以預(yù)測出平衡壓力及此時(shí)的孔徑.

圖14(b)所示為熱等靜壓溫度、氣孔壓力與Ar溶解度的曲線.從圖14(b)可見：隨著熱等靜壓溫度的提高，Ar在鈦基體中溶解度也在提升，在溫度為1350 K的常壓下Ar氣的固溶度低至1×10-23，而熱等靜壓壓力為100 MPa時(shí)溶解度約1.0×10-20；而當(dāng)溫度為1350 K時(shí)10 nm的氣孔內(nèi)的壓力非常高，平衡壓力達(dá)到10 GPa，Ar氣在鈦基體的溶解度可以增加到1.0×10-18，Ar氣在鈦基體的固溶度提高100倍，此時(shí)孔隙中的Ar原子能夠溶解、擴(kuò)散到到固溶體中.這是由于Ar氣在基體中的內(nèi)外溶解度不同，形成的化學(xué)梯度提供了Ar原子向表面擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力，在足夠的時(shí)間內(nèi)將Ar原子輸送到材料表面，使氣孔完全消失.

圖14 一定熱等靜壓條件下增材制造試樣內(nèi)氣孔初始孔徑與當(dāng)前孔徑和平衡壓力的關(guān)系圖(a)，熱等靜壓溫度、氣孔壓力與氬氣溶解度的關(guān)系曲線(b)

5 孔隙的重現(xiàn)

Plessis和Shao等人[18,24]研究發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，后續(xù)的熱處理會(huì)導(dǎo)致一些孔重新打開，即近表面氣孔出現(xiàn)“起泡”現(xiàn)象，如圖15所示.

圖15 熱等靜壓及后續(xù)熱處理?xiàng)l件下樣品的起泡效應(yīng)

增材制造完成后除了在近表面有連通的隧道孔外，內(nèi)部也有少量的孔隙，經(jīng)過熱等靜壓后內(nèi)部空洞幾乎完全消失，而經(jīng)過固溶處理后個(gè)別孔隙又顯現(xiàn)出來.熱等靜壓時(shí)靠近表面的這類孔隙受到高壓而尺寸收縮到很小，孔徑達(dá)到無法探測的尺度，但內(nèi)部氣體壓力很大；或者表面附近孔隙中Ar氣去除過程不完全，同樣殘存高壓氣泡.當(dāng)高溫?zé)崽幚頃r(shí)，材料塑性增加，內(nèi)外壓差使得孔隙膨脹，造成表面出現(xiàn)氣泡的現(xiàn)象.

6 結(jié) 語

(1)熱等靜壓是減少和去除增材制造構(gòu)件內(nèi)部出現(xiàn)的孔隙缺陷的有力方法.高溫高壓下材料出現(xiàn)回復(fù)和再結(jié)晶，其塑性和蠕變能力提高，原子和空位擴(kuò)散能力增強(qiáng)，孔洞容易消除.構(gòu)件內(nèi)部宏觀的大尺寸閉孔和各種類型的微小不連通孔，熱等靜壓都能使之尺度降低到X射線斷層攝影技術(shù)分辨率以下.如果適當(dāng)放寬工藝參數(shù)設(shè)置范圍，能加快增材制造速度，較多閉孔孔隙可用熱等靜壓消除.效率提高的同時(shí)，組織和性能也能得到保證.

(2)熱等靜壓下氣孔被壓縮，內(nèi)部氣孔壓力可到達(dá)吉帕級別，同時(shí)氣體在基體中的溶解度增大，溶解的氣體在化學(xué)梯度作用下擴(kuò)散到表面，以達(dá)到完全去除氣孔的目的.構(gòu)件表面和次表面的連通孔，熱等靜壓氣體可以滲透進(jìn)去，而無法起到消除孔隙的作用.對于特別復(fù)雜形狀和點(diǎn)陣多孔結(jié)構(gòu)的零件，其表面形貌復(fù)雜，只有通過機(jī)械加工、噴丸、化學(xué)腐蝕等改善表面狀態(tài)后再熱等靜壓，這樣才能減少和消除表面孔隙.或者在熱等靜壓前在構(gòu)件外部增加涂層、加裝金屬包套等，起到隔離氣體與構(gòu)件表面，當(dāng)受到熱等靜壓時(shí)表面和次表面的連通孔就能被封閉.如果要得到高致密的構(gòu)件，優(yōu)化的增材制造工藝減少輪廓表面附近的孔隙，加上熱等靜壓消除內(nèi)部孔隙，構(gòu)件可獲得近100%的致密度.

(3)X射線斷層攝影技術(shù)探測不到的孔隙，可能是掃描分辨率較大，并不意味著氣孔完全消失.構(gòu)件經(jīng)過熱等靜壓之后再升溫做固溶處理或者直接使用，由于某種原因，閉合的氣孔有可能被打開，出現(xiàn)起泡現(xiàn)象.這對于應(yīng)用條件苛刻的航空航天領(lǐng)域，具有極大的潛在威脅.在條件允許情況下，熱等靜壓處理時(shí)，提高壓力、延長保溫時(shí)間、加大溫度，能夠更好地增加氣孔的中氣體溶解度和擴(kuò)散能力，從而完全消除氣孔.由于起泡發(fā)生的原因還沒有完全了解，須通過后續(xù)研究找出原因采取恰當(dāng)措施加以防范.