熱等靜壓消除金屬增材制造構件孔隙的研究進展

劉文彬，莫仕棟，謝月光，伍玩秋，裴新軍

1.陽江職業技術學院，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)技術在全球范圍內越來越得到廣泛關注與重視，在國產運-20和C919等國產大飛機及殲-15、殲-31等新型戰斗機系列機載設備的重要核心零部件上應用了該項技術[1-2]，人們期望它在不久的將來能承擔起更重要的角色.與傳統減材制造相比，增材制造技術擁有獨特的優勢，如近凈成形復雜構件和難加工的超強合金，減少原材料使用、降低生產成本和縮短制造周期，還能完成其它方法無法勝任的點陣、多孔結構制造和大型昂貴的構件快速修補，這為金屬和其它材料成形提供了一個良好的選擇手段.金屬增材制造技術主要有激光選區熔化(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，復雜的熱循環和快速冷卻結晶使材料產生很大的殘余應力，形成亞穩態組織.受粉末顆粒大小和電子束或激光束的直徑等打印參數限制，造成構件表面粗糙，內部會出現或多或少的氣孔、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、醫療等領域中的應用[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度，提高塑性變形和原子擴散能力，消除孔隙、均勻化成分、穩定性能的有效技術.該技術廣泛應用在粉末冶金產品近凈成形，以及雙合金擴散連接、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，應用于航空航天的承載鑄件都需要經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件.實踐證明，打印參數優化后的增材制造金屬構件也不可避免地存在孔隙，但體積孔隙率一般低于0.5%[11].金屬構件的拉伸性能、疲勞強度等強烈依賴孔隙數量和分布，因此采用熱等靜壓后處理是消除重要結構件孔隙和裂紋、提高力學性能的重要手段.然而與合金結晶機理研究比較深入的傳統鑄造成形相比，金屬增材制造技術具有諸多不同的特點，因此國內外研究學者對增材制造構件熱等靜壓處理前后的各類孔隙及缺陷的類型、結構、分布、表征和消失機制等方面進行了大量實驗和理論研究.本文綜述了近期熱等靜壓消除增材制造構件孔隙的研究成果，對進一步研究和應用提出了展望.

1 孔隙分類

增材制造構件出現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，根據孔隙形貌可以分成三類孔隙.Sridar等人[13]據Kudzal的研究，分析增材制造高強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)).球形孔隙產生的一種原因是在增材制造過程中保護氣進入熔池，在快速冷卻過程中來不及逸出而殘留在構件內部，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，氣體進入到粉末顆粒內，增材制造完成后依舊留在了構件內部.Ⅱ類孔隙形狀不規則，呈扁平狀且帶有尖角，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力產生的裂紋、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象，以及Ⅰ類孔隙經過熱等靜壓后縮小(圖1(c)所示).Ⅲ類孔隙沿著熔池邊界連續分布呈現細長狀，圓度低(圖1(b)).其起因是增材制造參數設置不合理，如輸入能量不足、粉末層之間不完全熔合，產生的孔隙連通形成裂紋，又稱之為隧道缺陷[14].

圖1 高強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制備718合金試樣時也發現了這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，凝固時呈現樹枝晶形式收縮(圖2(b))；Ⅲ類孔隙是未熔化粉末形成缺陷，集中于構件輪廓處，經常含有未熔化的粉末顆粒，低的能量輸入導致低的層間結合力.

圖2 電子束熔融制備的718高溫合金顯微照片呈現的各類缺陷

Lopez-Galilea等人[16]在研究鎳基高溫合金激光選區熔融試樣時發現各類孔隙等缺陷，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；裂紋附近一個不完全熔化的粉末顆粒凝固后，觀察到的顆粒內原始晶界，如圖3(d)所示.

圖3 選擇性激光熔化制備的合金出現的缺陷

2 孔隙的分布

X射線斷層攝影技術提供了一個觀察孔隙尺寸大小和體積分布的有力工具，已經廣泛應用于科研和零部件的常規工業檢查中.Benzing等人[17]研究了電子束熔融技術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兩種粒徑的孔隙數量較多.

圖4 X射線斷層攝影三維重構增材制造孔隙空間分布(a)與對應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，通過人為設置參數變量在TC4試驗件上誘導出現多種孔隙，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的正方體試驗件中間有一直徑為2.0 mm的大孔洞，經過熱等靜壓處理后該孔洞已不復存在，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，那么增材制造參數范圍沒有必要設置得很嚴格，縱使不慎試樣內部出現較大的孔，經熱等靜壓后也能消除.打印參數設置的寬松些，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)

為了檢驗熱等靜壓效果，分別做了四個實驗.實驗一，極低激光功率下粉末顆粒半熔化；實驗二，顆粒輕度缺乏熔化；實驗三，優化工藝獲得高致密度；實驗四，高功率形成匙孔結構，然后對所有試樣進行熱等靜壓處理.實驗一結果顯示，經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.實驗二結果顯示，增材制造后只有0.6%的孔隙，熱等靜壓使內部的孔消失，只有表面的孔殘留(圖6(b))，這種情況下熱等靜壓最有效.實驗三結果顯示，采用優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))，這表明優化的制備參數加上熱等靜壓處理，是獲得全致密的最佳途徑.實驗四結果表明，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被封閉，因為試樣周圍氣體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分別作為推進氣體，在其余參數相同的條件下制備合金試樣，然后進行熱等靜壓處理.圖7為三維重構冷噴涂增材制造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質量輕，具有較高的運動速度，攜帶的粉末顆粒碰撞速率大，變形強度高于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，氣孔呈細長的不規則形狀，經熱等靜壓的高溫高壓作用后制備出高度致密的結構，只有少量不規則氣孔殘存.

圖7 三維重構冷噴涂增材制造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、粉末缺乏熔化產生的缺陷.經過熱等靜壓后，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

進一步觀察C2和T3的截面孔隙率變化(圖10)發現：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，經熱等靜壓后仍無法消除(圖10(b)).實驗進一步證實，除了與表面連通的缺陷外，所有的內部孔隙在熱等靜壓后都縮小到低于檢測設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 點陣結構

Persenot等人[20]利用電子束熔融工藝制備細長的圓棒，模擬復雜的點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的環狀區域內，總孔隙體積百分數為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，未熔化的顆粒粘結在表面且無規則的堆積而形成缺口，加劇了應力集中.

圖11 直徑2 mm細長棒增材制造后(a)內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]也發現，熱等靜壓只消除內部的缺陷，對于表面的粗糙度和復雜的三維復雜結構形貌改變很小.

圖12 熱等靜壓前(a)和其后(b)試樣長度方向三維重構

3.5 熱等靜壓壓強

Liverani等人[22]研究了在相同溫度和保溫時間(1150 ℃，保溫3 h)及不同的熱等靜壓壓力對選區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一步降低孔隙率也無更大作用，即100～150 MPa就能達到預定的效果.

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 熱力學計算

Shao等人[24]對激光增材制造鈦合金試樣中Ar氣孔隙進行了模擬計算，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系，并對熱等靜壓條件下Ar的溶解度進行了計算.結果表明，高溫高壓下材料的塑性和蠕變能力提高，原子擴散能力增強，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個數量級.當孔徑減小到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，當半徑縮小到0.06 μm時壓力增加到1 GPa.圖14(a)為在設置的熱等靜壓條件(100 MPa和1350 K)下原始孔徑和此時孔徑與所受壓強的關系曲線.從圖14(a)可看出：隨著原始孔徑r0減小，孔徑r1單調遞減，而氣孔平均壓力增加，模擬計算結果與S.Tammas-Williams等人[14]的實驗相當吻合；在熱等靜壓下孔徑由初始的25 μm減小到設備掃描分辨率2.5 μm以下，此時的孔徑為2 μm，因此根據原始孔隙和熱等靜壓溫度就可以預測出平衡壓力及此時的孔徑.

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時溶解度約1.0×10-20；而當溫度為1350 K時10 nm的氣孔內的壓力非常高，平衡壓力達到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，此時孔隙中的Ar原子能夠溶解、擴散到到固溶體中.這是由于Ar氣在基體中的內外溶解度不同，形成的化學梯度提供了Ar原子向表面擴散的驅動力，在足夠的時間內將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氣孔初始孔徑與當前孔徑和平衡壓力的關系圖(a)，熱等靜壓溫度、氣孔壓力與氬氣溶解度的關系曲線(b)

5 孔隙的重現

Plessis和Shao等人[18,24]研究發現，在某些情況下，后續的熱處理會導致一些孔重新打開，即近表面氣孔出現“起泡”現象，如圖15所示.

圖15 熱等靜壓及后續熱處理條件下樣品的起泡效應

增材制造完成后除了在近表面有連通的隧道孔外，內部也有少量的孔隙，經過熱等靜壓后內部空洞幾乎完全消失，而經過固溶處理后個別孔隙又顯現出來.熱等靜壓時靠近表面的這類孔隙受到高壓而尺寸收縮到很小，孔徑達到無法探測的尺度，但內部氣體壓力很大；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.當高溫熱處理時，材料塑性增加，內外壓差使得孔隙膨脹，造成表面出現氣泡的現象.

6 結 語

(1)熱等靜壓是減少和去除增材制造構件內部出現的孔隙缺陷的有力方法.高溫高壓下材料出現回復和再結晶，其塑性和蠕變能力提高，原子和空位擴散能力增強，孔洞容易消除.構件內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射線斷層攝影技術分辨率以下.如果適當放寬工藝參數設置范圍，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，組織和性能也能得到保證.

(2)熱等靜壓下氣孔被壓縮，內部氣孔壓力可到達吉帕級別，同時氣體在基體中的溶解度增大，溶解的氣體在化學梯度作用下擴散到表面，以達到完全去除氣孔的目的.構件表面和次表面的連通孔，熱等靜壓氣體可以滲透進去，而無法起到消除孔隙的作用.對于特別復雜形狀和點陣多孔結構的零件，其表面形貌復雜，只有通過機械加工、噴丸、化學腐蝕等改善表面狀態后再熱等靜壓，這樣才能減少和消除表面孔隙.或者在熱等靜壓前在構件外部增加涂層、加裝金屬包套等，起到隔離氣體與構件表面，當受到熱等靜壓時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件，優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部孔隙，構件可獲得近100%的致密度.

(3)X射線斷層攝影技術探測不到的孔隙，可能是掃描分辨率較大，并不意味著氣孔完全消失.構件經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，出現起泡現象.這對于應用條件苛刻的航空航天領域，具有極大的潛在威脅.在條件允許情況下，熱等靜壓處理時，提高壓力、延長保溫時間、加大溫度，能夠更好地增加氣孔的中氣體溶解度和擴散能力，從而完全消除氣孔.由于起泡發生的原因還沒有完全了解，須通過后續研究找出原因采取恰當措施加以防范.