热等静压（Hip）设备在增材制造中扮演什么角色？实现 99.9% 的零件密度

热等静压（HIP）作为增材制造（AM）零件的关键后处理安全网，确保其结构足够坚固，能够满足高性能应用的需求。

它利用同时施加的极端温度和等静气体压力来迫使内部空隙塌陷。该过程导致残余孔隙和未熔合（LOF）缺陷的塑性变形，从而有效地从内部修复材料。

核心现实 虽然可以优化打印参数以减少错误，但 AM 工艺本身会引入诸如气体孔隙和未熔合等微观缺陷。HIP 是消除这些看不见的弱点的行业标准解决方案，可将零件密度推至接近理论水平（>99.9%），并确保疲劳性能通常可与传统锻造零件相媲美。

缺陷消除机制

HIP 设备创造了一个环境，在该环境中，零件在加热的同时从所有方向（等静压）施加高压。

这种组合与仅使用温度的标准热处理不同。压力的增加是驱动材料移动的机械因素。

该工艺专门针对打印过程中由于熔池波动或热应力而产生的内部闭合孔隙和未熔合缺陷。

在这些条件下，材料会发生塑性流动和扩散键合。金属有效地流入空隙空间，将表面粘合在一起，形成固体、连续的质量。

通过消除这些微观间隙，HIP 显著提高了零件的密度。

HIP 后处理可将材料密度提高到 99.97% 以上，达到所谓的“近理论密度”状态。

使用 HIP 的主要工程原因是循环疲劳寿命得到显著改善。

内部孔隙充当应力集中点，在重复加载下裂纹会从这些点开始。通过消除这些起始点，HIP 大大提高了零件的耐用性，使得 AM 零件可用于关键的医疗和航空航天应用。

除了闭合孔洞，HIP 还作为一种改变金属晶粒结构的**热处理**。

对于像Ti-6Al-4V这样的合金，该工艺有助于从脆性马氏体结构转变为更粗糙的层状 α+β 结构。这种变化显著提高了延展性和韧性，尽管可能会改变屈服强度。

增材制造过程中，由于各层冷却速率不同，会产生显著的内部热应力。

HIP 循环期间使用的高温有效地消除了这些残余应力，防止零件在从构建板上取下后发生翘曲或开裂。

虽然 HIP 功能强大，但它并非能解决所有打印错误的“灵丹妙药”。

HIP 的工作原理是通过压缩闭合孔隙内的气体直至其溶解或空隙塌陷。

然而，如果缺陷与表面相连（表面裂纹孔隙），加压气体将直接进入孔隙而不是压缩它。HIP 无法修复表面缺陷；最多只会产生一个“凹痕”，或者使缺陷保持不变。

HIP 所需的热处理会显著改变显微组织。

虽然您获得了延展性和抗疲劳性，但如钛材料中所述的晶粒粗化（生长）有时会导致与“打印状态”相比，静态拉伸强度略有下降。

HIP 不仅仅是“修复”不良打印件的工具；它是对需要最大可靠性的良好打印件的增强。

理想情况下，HIP 使增材制造的零件能够从“原型”过渡到完全致密、高性能的最终用途组件。

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Ryan Harkin, Shaun McFadden. Evaluation of the role of hatch-spacing variation in a lack-of-fusion defect prediction criterion for laser-based powder bed fusion processes. DOI: 10.1007/s00170-023-11163-0

本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .