金屬3D列印模具的熱等靜壓後處理方法

金屬3D列印模具在加工過程中存在因為工藝參數不合理而導致零件內存在少量疏鬆缺陷，同時在部分場合原本緻密度合格的模具並不能滿足使用要求，這些情況均需要在模具3D列印成型後通過後處理措施提高其緻密度。熱等靜壓加熱溫度一般為1000℃~2000℃（具體溫度略高於處理零件中底熔點組分金屬的熔點溫度），密閉容器中的高壓惰性氣體為傳壓介質，工作壓力可達200MPa，模具經過熱等靜壓後處理能夠有效提高其強度及韌性。

圖1熱等靜壓技術用於SLM的工藝流程

1.熱等靜壓高溫循環

熱等靜壓過程分為升溫升壓、保溫保壓、降溫減壓，稱為高溫高壓循環。根據實際操作情況分為四種循環：

（1）冷載入循環：升壓力先於升溫，並且兩者同時達到各自的峰值。

（2）熱載入循環：當溫度達到一定值後再升壓。

（3）後熱循環：這種方式與冷載入循環相似，亦為升壓力先於升溫，不同的是升壓到峰值後才開始升溫並保壓，這種方式通過塑性變形促進零件內小顆粒的再結晶，從而降低成型溫度。

（4）最有效循環：同時升溫升壓，從而縮短熱等靜壓時間，獲得最高的效率。

圖2熱等靜壓法成型過程

2.緻密化過程

根據帕斯卡原理，在一個密封的容器內，作用在靜態液體或氣體的外力所產生的靜壓力，將均勻地在各個方向上傳遞，在其作用的表面積上所受到的壓力與表面積成正比。在高溫高壓作用下，熱等靜壓爐內的零件表面受到均勻擠壓，成型不充分的顆粒將向內運動，填充原油間隙，使得零件緻密化。

緻密化過程大致分為以下三個階段：

（1）粒子靠近及重排階段

在加溫加壓開始之前，激光燒結過後鬆散的粉末顆粒之間存在一定孔隙，同時由於粉末顆粒形狀不規則及表面凹凸不平，表面接觸導致間隙。當向零件表層施加外力時，在壓應力作用下，粉末顆粒可能發生下列各種情況：部分未充分燒結的粉末將發生平移或轉動而相互靠近；某些粉末被擠進臨近空隙之中；一些較大的搭橋孔洞將坍塌等。由於上述變化的結果，粒子的臨近配位數明顯增大，從而使粉末體的空隙大大減少，相對密度得到提高。

（2）塑性變形階段

第一階段的緻密化使零件的密度相對燒結後已有了一定的提高，粒子之間的接觸面積急劇增大，粒子之間相互抵觸或相互楔住。這時要使零件體繼續緻密化，可以提高外加壓力以增加粒子接觸面上的壓應力，同時升高溫度以降低不利於粉末顆粒發生塑性流動的臨界切應力。而如果同時提高壓力和溫度，對繼續緻密化將更加有效。當粉末體承受的壓應力超過其屈服切應力時，粒子將以滑移方式產生塑性變形。

（3）擴散蠕變階段

粉末粒子發生大量塑性流動後，零件的相對密度迅速接近理論密度值。這時，原有未充分燒結顆粒基本上連成一片整體，原本彌散分布在粉末基體之中，好像懸浮在固體介質中的氣孔也在減少。這些氣孔開始是以不規則的狹長形態存在，但在表面張力作用下，將球化而成圓形，殘存氣孔在球化過程中其所佔體積分數也將不斷減小。粒子間的接觸面積增大，使得粉體承受的有效壓應力不再超過其臨界切應力，這時以大量原子團滑移而產生塑性變形的機制將不再起主要作用，緻密化過程主要單個原子或空穴的擴散蠕變來完成，因此整個粉末體的緻密化過程緩慢下來，最後趨近於以最大終端密度值。

上述三個階段並不是截然分開的，在熱等靜壓過程中它們往往同時起作用而促進粉體的緻密化，只是當有孔隙粒體在不同收縮階段，由不同的緻密化過程起主導作用。

圖3緻密化過程

3.設備組成

熱等靜壓設備由高壓容器、加熱爐、壓縮機、真空泵、冷卻系統和計算機控制系統組成，其中高壓容器為整個設備的關鍵裝置。

圖4高溫熱等靜壓工藝設備系統簡圖

4應用領域

（1）硬質合金熱等靜壓

熱等靜壓硬質合金與常規燒結硬質合金相比具有以下優點：

參與空隙幾乎完全消除，密度可有原來的99.8%理論密度提高到99.999%理論密度。

製造大型或高徑比大的製品時，廢品率低，表面缺陷大幅降低，拋光後可得到光潔度極高的表面。

由於製品中的孔隙體積明顯減小，消除了斷裂源，使製品的性能和壽命大幅度提高。

（2）陶瓷材料粉末燒結後處理

陶瓷材料包括金屬氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等，這類材料的特點是熔點高、彈性模量大、硬度高、密度低、熱膨脹小以及耐磨、耐腐蝕等。陶瓷材料的常規製備方法是粉末壓製成型或燒結或熱壓。由於陶瓷粉末的熔點和硬度高，成型和燒結都很困難，因此，陶瓷材料通常都有較大的孔隙度和脆性。

熱等靜壓技術用於陶瓷材料的生產，改善了成型和燒結條件，使材料的空隙度明顯降低，從而提高了材料的性能，並為製造特種陶瓷提供了有效方法。

（3）熱等靜壓鑄件處理

鑄造，特別是精密鑄造，具有合金化程度高、工藝和設備較簡單、成本低和容易得到複雜形狀等優點，因而應用很普遍。但由於鑄件內部存在大量的縮孔、疏鬆、成分偏析，因而在性能方面一般不如變形合金製件。熱等靜壓技術的出現，為消除鑄件內的疏鬆創造了條件。

用熱等降壓處理鑄件的效用和意義可歸納如下：

熱等靜壓處理後，能減少鑄件在X射線檢查和表面投射檢查的報廢率；

與未處理的鑄件相比，經熱等靜壓處理的鑄件在焊接後產生的裂紋較少，因而減少了補焊的成本；

採用熱等靜壓處理，可提高鑄造參數範圍和擴大新的鑄造合金品種；

改善了疲勞強度和延性的熱等靜壓鑄件可取代價格昂貴的鍛件。

熱等靜壓法不僅可以使新的鑄件緻密化，而且還可以用以修復正在使用的鑄件，使鑄件在使用中降低的性能得以恢復。鑄件在指定的溫度和應力條件下，具有一定的計算壽命值，使用一段時間後，將不斷產生微觀缺陷，併產生晶間的相對運動，在晶界出現缺陷，這些類似常見縮孔的內部缺陷就可採用熱等靜壓法進行治癒。用這樣的處理方法，能夠使使用中的發動機零件的機械性能和疲勞性能恢復到新鑄件的水品。

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