隨著增材制造不斷工業(yè)化，后處理變得越來(lái)越重要。這一關(guān)鍵步驟使用戶(hù)能夠改進(jìn)零件，使其更堅(jiān)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(lèi)型的后處理中，對(duì)于粉末床3D打印（尤其是金屬）來(lái)說(shuō)，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(wèn)題，我們想研究?jī)煞N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(diǎn)，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(guò)程和結(jié)果有所不同。

正在打印的金屬部件（圖片來(lái)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(gè)過(guò)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(guò)程改變了材料的物理性質(zhì)，有時(shí)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(qǐng)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(gè)方向上施加相同的壓力。這會(huì)使得物體周?chē)a(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(dú)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?？梢栽?/span>300°C到1,000°C之間加熱（對(duì)于高端型號(hào)）。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(qǐng)注意，如果滿(mǎn)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(gè)階段，所有階段均由取決于所用材料類(lèi)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(lái)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(dòng)的能量。原子的運(yùn)動(dòng)有助于重新分布和消除位錯(cuò)（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(huì)出現(xiàn)相同的效果，但是程度較輕?？偟膩?lái)說(shuō)，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(diǎn)。此時(shí)，新的無(wú)應(yīng)力晶粒形成并生長(zhǎng)，取代了之前位錯(cuò)留下的空間。

3.晶粒生長(zhǎng)階段

一旦再結(jié)晶完成，物體就會(huì)開(kāi)始冷卻并進(jìn)入晶粒生長(zhǎng)階段。隨著冷卻，新的顆粒開(kāi)始發(fā)育并生長(zhǎng)。然而，這些晶粒的生長(zhǎng)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(lái)控制的。

退火過(guò)程中分子變化的圖形表示（圖片來(lái)源：MechDaily）

根據(jù)材料不同，退火可能需要四個(gè)小時(shí)到一整天的時(shí)間。還應(yīng)注意，退火有幾種類(lèi)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(lèi)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(lái)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(huì)在材料中引起任何化學(xué)反應(yīng)。所用的金屬類(lèi)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(lái)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(shí)間。

圖片來(lái)源：金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會(huì)

氣體溫度和壓力水平以及循環(huán)持續(xù)時(shí)間均取決于所用材料的類(lèi)型和最終產(chǎn)品的所需特性。周期可持續(xù)八至十二個(gè)小時(shí)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?cè)谏厦婧?jiǎn)要提到了這一點(diǎn)，但就材料而言，HIP和退火工藝是重疊的。事實(shí)上，它們可以與不同的金屬一起使用，無(wú)論類(lèi)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(lái)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(guò)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(diǎn)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(lái)越多地被退火，甚至制造商也是如此。但對(duì)于HIP來(lái)說(shuō)，情況不一定如此。

流程的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

雖然退火和HIP涉及的工藝不同，但它們的優(yōu)點(diǎn)是相似的。兩者都能提高延展性并消除材料中的缺陷，無(wú)論是孔隙（HIP）還是晶體結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)（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(gè)過(guò)程也有助于鞏固步驟，因?yàn)樵S多3D打印金屬部件無(wú)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(guò)程中可能引入的任何應(yīng)力。該過(guò)程還有助于防止開(kāi)裂并提高可加工性。此外，由于金屬晶格中的位錯(cuò)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(guò)選擇性地加熱和冷卻材料來(lái)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(lèi)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?yàn)樗ㄟ^(guò)擴(kuò)散在不同材料之間形成冶金鍵。這些改進(jìn)對(duì)于需要高強(qiáng)度和高可靠性的應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(duì)內(nèi)部有孔的金屬部件進(jìn)行HIP工藝處理，使孔中充滿(mǎn)壓縮材料?？偟膩?lái)說(shuō)，熱等靜壓和退火有助于減少材料浪費(fèi)，因?yàn)樗鼈兛梢愿纳片F(xiàn)有材料，確保其使用壽命，并減少購(gòu)買(mǎi)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(lái)源：金屬增材制造中的熱等靜壓X射線(xiàn)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(diǎn)是完成該過(guò)程所需的時(shí)間。它們可能需要超過(guò)24小時(shí)，尤其是HIP可能需要幾天的時(shí)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(lái)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(duì)于這兩種方法，持續(xù)時(shí)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(gè)過(guò)程都會(huì)影響零件的最終尺寸，這不一定是缺點(diǎn)，但需要考慮。退火會(huì)導(dǎo)致尺寸變化，因?yàn)椴牧系奈⒂^結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，這在HIP工藝中也會(huì)發(fā)生，因?yàn)椴牧鲜艿搅藟嚎s。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(shí)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(qián)。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(shí)，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(wú)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(duì)難以實(shí)現(xiàn)，但退火卻可以更容易地實(shí)現(xiàn)，從而向更廣泛的受眾開(kāi)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(lái)說(shuō)，它被用來(lái)生產(chǎn)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片。當(dāng)然，當(dāng)時(shí)這些并不是通過(guò)增材制造制成的零件。

3D打印渦輪葉片（圖片來(lái)源：西門(mén)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(huì)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(chē)領(lǐng)域，因?yàn)樗梢蕴岣呷藗儗?duì)3D打印部件的信心。

退火在類(lèi)似的行業(yè)中很常見(jiàn)，因?yàn)樗梢蕴岣哐诱剐浴⑾龖?yīng)力并降低材料的硬度。在提高磁性能的同時(shí)，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(chē)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(chē)制造業(yè)的車(chē)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?yàn)樗梢孕纬删哂兴鑿?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(yáng)能電池。

制造商和價(jià)格

為了對(duì)零件進(jìn)行退火，并不一定需要退火爐。有時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)烤箱（例如實(shí)驗(yàn)室烤箱）是適用的，特別是對(duì)于不需要極高精度的小規(guī)模或DIY項(xiàng)目（主要用于聚合物）。然而，如果是這樣的話(huà)，專(zhuān)門(mén)的退火爐可能是必不可少的。此類(lèi)設(shè)備的制造商包括Precons、Gasbarre Products,Inc和CM Furnaces,Inc。

退火爐（圖片來(lái)源：Precons）

與退火不同，HIP需要專(zhuān)門(mén)的機(jī)械。您可以聘請(qǐng)服務(wù)或考慮自己購(gòu)買(mǎi)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(duì)于退火，實(shí)驗(yàn)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(jià)格范圍相似：小型解決方案的起價(jià)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(wàn)美元甚至更多。

圖片來(lái)源：3Dnatives

編譯整理：3dnatives