退火與熱等靜壓(HIP)：3D打印中應(yīng)選擇哪種熱處理？

魔猴君  知識堂   2小時前

隨著增材制造不斷工業(yè)化，后處理變得越來越重要。這一關(guān)鍵步驟使用戶能夠改進(jìn)零件，使其更堅固、更致密，甚至賦予其特定的屬性，以便它們可以用于重要的最終應(yīng)用。在不同類型的后處理中，對于粉末床3D打印（尤其是金屬）來說，最重要的是熱處理。但是什么樣的熱處理適合于零件呢？它是如何工作的？為了回答這些問題，我們想研究兩種常用的熱處理工藝：熱等靜壓（HIP）和退火。

兩者都與金屬工藝兼容，包括LPBF、EBM、粉末粘合、DED甚至納米顆粒噴射。它們也可以與陶瓷和聚合物一起使用，盡管程度不同。這兩種方法都有很多優(yōu)點，包括強(qiáng)化材料、使其更易于加工以及改善其性能?；旧?，兩種技術(shù)都是用于優(yōu)化組件，但具體過程和結(jié)果有所不同。

正在打印的金屬部件（圖片來源：工業(yè)金屬服務(wù)）

熱等靜壓和退火的工作原理

為了了解HIP和退火之間的差異和相似之處，我們將回顧每個過程。首先，退火是一種熱處理，包括加熱金屬、玻璃、陶瓷或聚合物，并讓材料緩慢冷卻以消除內(nèi)部應(yīng)力。這一過程改變了材料的物理性質(zhì)，有時也改變了化學(xué)性質(zhì)，增加了材料的延展性，降低了材料的硬度，使其更易于加工。

另一方面，HIP涉及將零件暴露在高溫和氣壓下，以消除冶金材料中的孔隙率。它還可以增加許多陶瓷的密度，使其變成完全致密的組件。

請記住，HIP中的“I”代表均衡。在這種情況下，氣體是均衡施加的，這意味著它在材料的各個方向上施加相同的壓力。這會使得物體周圍產(chǎn)生均勻的力。與退火一樣，HIP可以改善材料的機(jī)械性能和可加工性。該工藝還可以將不同的材料組裝在一起，創(chuàng)造出獨特的作品。

退火工藝

退火在合適的爐中進(jìn)行。這些根據(jù)材料要求和成本而有所不同，但通常可以在300°C到1,000°C之間加熱（對于高端型號）。必須仔細(xì)控制爐內(nèi)的溫度，這就是為什么經(jīng)常推薦使用這些退火爐的原因——但請注意，如果滿足溫度要求，理論上任何達(dá)到正確溫度的爐子都可以使用。

退火分為三個階段，所有階段均由取決于所用材料類型的溫度參數(shù)決定。要進(jìn)行退火，必須了解材料及其溫度要求。

退火爐（圖片來源：Thermcraft）

1.恢復(fù)階段

在退火的第一階段，即恢復(fù)階段，材料的溫度升高到結(jié)晶溫度以上的水平，使得原子具有移動的能量。原子的運動有助于重新分布和消除位錯（晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的不規(guī)則性），特別是在金屬中。這使得金屬更易變形，因而更具延展性。陶瓷也會出現(xiàn)相同的效果，但是程度較輕。總的來說，這一步有助于減少材料的內(nèi)部應(yīng)力。

2.重結(jié)晶步驟

隨著材料持續(xù)加熱，最終達(dá)到再結(jié)晶階段，該階段的溫度足夠高以允許再結(jié)晶，但仍低于熔點。此時，新的無應(yīng)力晶粒形成并生長，取代了之前位錯留下的空間。

3.晶粒生長階段

一旦再結(jié)晶完成，物體就會開始冷卻并進(jìn)入晶粒生長階段。隨著冷卻，新的顆粒開始發(fā)育并生長。然而，這些晶粒的生長并不是隨機(jī)的。它是根據(jù)冷卻速度和物體冷卻的氣氛來控制的。

退火過程中分子變化的圖形表示（圖片來源：MechDaily）

根據(jù)材料不同，退火可能需要四個小時到一整天的時間。還應(yīng)注意，退火有幾種類型。雖然這并不是所有退火工藝的詳盡列表，但最常用的一些工藝是完全退火、等溫退火、球化退火、擴(kuò)散退火和應(yīng)力消除退火。

增材制造的零件，或者至少是使用合適材料制成的零件，可以從所有這些工藝中受益。如果您必須在不同類型的退火工藝之間進(jìn)行選擇，則材料和應(yīng)用將是決定性因素。

熱等靜壓工藝

HIP涉及將零件裝入高壓安全殼并將其暴露在高溫和高等靜壓氣體中。該溫度可達(dá)2000℃，壓力可達(dá)310MPa，大約相當(dāng)于太平洋馬里亞納海溝11000米深處的壓力。然后材料收縮，保持其原來的形狀，直到內(nèi)部的孔隙消失，從而使零件變得致密。該工藝廣泛用于減少燒結(jié)、鑄造和增材制造部件中的應(yīng)力。

氬氣是該工藝中最常用的加壓氣體。氬氣是一種惰性氣體，不會在材料中引起任何化學(xué)反應(yīng)。所用的金屬類型也可以最大限度地減少化學(xué)反應(yīng)的影響。一些系統(tǒng)還使用伴生氣泵送來達(dá)到必要的壓力水平。這些氣體均勻地施加到物體上并維持一段時間。

圖片來源：金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會

氣體溫度和壓力水平以及循環(huán)持續(xù)時間均取決于所用材料的類型和最終產(chǎn)品的所需特性。周期可持續(xù)八至十二個小時或天。該工藝使零件具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)，從而改善了其性能。

談到3D打印工藝，熱等靜壓領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者Hiperbaric指出，HIP可以輕松地與激光粉末床熔合和EBM結(jié)合，以獲得更高質(zhì)量的零件。粉末粘合、DED、金屬材料擠壓和金屬材料噴射（如納米顆粒噴射）也兼容。

熱等靜壓和退火的材料兼容性

我們在上面簡要提到了這一點，但就材料而言，HIP和退火工藝是重疊的。事實上，它們可以與不同的金屬一起使用，無論類型如何。

我們以退火為例。這種后處理方法適用于非晶態(tài)材料和晶體材料。因此，它可用于難熔金屬、合金和鋼等。不銹鋼被認(rèn)為是退火零件最常用的材料之一，但青銅、鋁、銅和黃銅也被提及。在HIP方面，所有金屬似乎都是兼容的。它甚至可以用于難以加工的材料，例如鎳基高溫合金和鈦合金。

3D打印鎳基高溫合金示例（圖片來源：Alloyed/Aubert&Duval）

然而，金屬并不是唯一兼容的材料。陶瓷部件還可以通過HIP或退火進(jìn)行后處理。再次，只要尊重材料特性，所有陶瓷似乎都與這兩種工藝兼容。

另一方面，退火的特點是與大多數(shù)聚合物兼容。由于它不涉及壓力，而是溫度變化，因此增材制造中使用的許多聚合物都可以進(jìn)行退火。例如，它通常用于提高ABS部件的強(qiáng)度。其他不具備最佳性能的標(biāo)準(zhǔn)材料，如PLA和PETG部件，也越來越多地被退火，甚至制造商也是如此。但對于HIP來說，情況不一定如此。

流程的優(yōu)點和缺點

雖然退火和HIP涉及的工藝不同，但它們的優(yōu)點是相似的。兩者都能提高延展性并消除材料中的缺陷，無論是孔隙（HIP）還是晶體結(jié)構(gòu)中的位錯（退火）。退火和熱等靜壓從本質(zhì)上消除了缺陷和內(nèi)部應(yīng)力，并改善了微觀結(jié)構(gòu)的均勻性和材料性能。這兩個過程也有助于鞏固步驟，因為許多3D打印金屬部件無論如何都需要熱處理以減少殘余熱應(yīng)力。

退火使分子遷移到微觀結(jié)構(gòu)中，從而消除了材料形成過程中可能引入的任何應(yīng)力。該過程還有助于防止開裂并提高可加工性。此外，由于金屬晶格中的位錯得到矯正，電導(dǎo)率得到改善，磁性能也得到改善。退火可通過選擇性地加熱和冷卻材料來精確地操縱材料以獲得所需的特性，從而獲得所需的晶粒類型并影響材料的物理性質(zhì)。

HIP工藝可以增加材料的密度，因為它通過擴(kuò)散在不同材料之間形成冶金鍵。這些改進(jìn)對于需要高強(qiáng)度和高可靠性的應(yīng)用來說至關(guān)重要。該方法還可以修復(fù)材料中的缺陷。例如，可以對內(nèi)部有孔的金屬部件進(jìn)行HIP工藝處理，使孔中充滿壓縮材料?？偟膩碚f，熱等靜壓和退火有助于減少材料浪費，因為它們可以改善現(xiàn)有材料，確保其使用壽命，并減少購買新材料的需要。

材料經(jīng)受HIP處理之前和之后的示意圖（圖片來源：金屬增材制造中的熱等靜壓X射線斷層掃描揭示了孔隙閉合的細(xì)節(jié)，Science Direct、A.du Plessis ab、E.Macdonald）

這兩種方法的缺點是完成該過程所需的時間。它們可能需要超過24小時，尤其是HIP可能需要幾天的時間。當(dāng)然，這兩種技術(shù)也需要額外的成本。它們需要設(shè)備和熟練操作員的初始成本，然后需要大量的能源來加熱。退火還可以涉及強(qiáng)制冷卻，這意味著需要更多的能量。對于這兩種方法，持續(xù)時間和成本在很大程度上取決于所使用的材料和生產(chǎn)規(guī)模。

最后，這兩個過程都會影響零件的最終尺寸，這不一定是缺點，但需要考慮。退火會導(dǎo)致尺寸變化，因為材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，這在HIP工藝中也會發(fā)生，因為材料受到了壓縮。修改的程度取決于所用材料和工藝參數(shù)等因素。

最后，什么時候應(yīng)避免退火或熱等靜壓？如果您的零件不需要改進(jìn)機(jī)械性能，那么這些工藝可能不值得花錢。如果您的零件具有內(nèi)部空腔或復(fù)雜通道（可能在壓力下坍塌），則HIP可能特別不適合。當(dāng)您希望零件致密時，HIP工藝是理想的選擇。如果您擁有已經(jīng)完全致密的3D打印部件（例如使用激光粉末床融合制成的高質(zhì)量部件），則無需使用此工藝。

退火和熱等靜壓的應(yīng)用

從技術(shù)上講，退火和熱等靜壓可用于所有重視材料特性的領(lǐng)域。然而，值得一提的是，雖然熱等靜壓除了在工業(yè)層面外相對難以實現(xiàn)，但退火卻可以更容易地實現(xiàn)，從而向更廣泛的受眾開放。

然而，在特定領(lǐng)域中，這些后處理方法被廣泛使用。例如，HIP最早是在航空航天工業(yè)的商業(yè)環(huán)境中應(yīng)用的。具體來說，它被用來生產(chǎn)噴氣發(fā)動機(jī)渦輪葉片。當(dāng)然，當(dāng)時這些并不是通過增材制造制成的零件。

3D打印渦輪葉片（圖片來源：西門子）

如果我們特別關(guān)注HIP與3D打印的結(jié)合應(yīng)用，我們會想到醫(yī)療領(lǐng)域，這兩種工藝使得用鈦合金制造髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)假體成為可能。在航空航天領(lǐng)域，鎳基高溫合金與LBPF一起用于渦輪葉片，與CoCR一起用于燃油噴射器。HIP也應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，因為它可以提高人們對3D打印部件的信心。

退火在類似的行業(yè)中很常見，因為它可以提高延展性、消除應(yīng)力并降低材料的硬度。在提高磁性能的同時，還可以降低金屬的脆性。因此，最適合利用這些特性的應(yīng)用。

退火的關(guān)鍵行業(yè)是醫(yī)療、航空航天、汽車和半導(dǎo)體設(shè)備。在航空航天領(lǐng)域，它通常用于飛機(jī)部件，并且同樣可以用于汽車制造業(yè)的車身面板。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它可用于骨科植入物等醫(yī)療設(shè)備，因為它可以形成具有所需強(qiáng)度和耐久性的生物相容性合金和金屬。最后，由于退火可以提高電導(dǎo)率，因此它可用于電子工業(yè)中制造半導(dǎo)體或太陽能電池。

制造商和價格

為了對零件進(jìn)行退火，并不一定需要退火爐。有時，標(biāo)準(zhǔn)烤箱（例如實驗室烤箱）是適用的，特別是對于不需要極高精度的小規(guī)?；?/span>DIY項目（主要用于聚合物）。然而，如果是這樣的話，專門的退火爐可能是必不可少的。此類設(shè)備的制造商包括Precons、Gasbarre Products,Inc和CM Furnaces,Inc。

退火爐（圖片來源：Precons）

與退火不同，HIP需要專門的機(jī)械。您可以聘請服務(wù)或考慮自己購買機(jī)器。主要制造商包括Bodycote、Kobe Steel、Aalberts、Quintus和ESPI。

退火和HIP處理的成本取決于多種因素，例如所使用的材料、生產(chǎn)規(guī)模、應(yīng)用要求以及您是否希望外包服務(wù)或內(nèi)部進(jìn)行處理。

對于退火，實驗室爐的成本約為500美元，工業(yè)退火爐的成本從3,000美元到100,000美元不等。熱等靜壓機(jī)的價格范圍相似：小型解決方案的起價約為7,000美元，而大型解決方案的成本則可能高達(dá)數(shù)十萬美元甚至更多。

圖片來源：3Dnatives

編譯整理：3dnatives