基于快速增材制造關(guān)鍵金屬部件組織性能調(diào)控的后處理技術(shù)及設(shè)備探究

航空航天,、模具,、工業(yè),、船舶等現(xiàn)代工業(yè)高端裝備正以大型化,、高參數(shù),、極端惡劣條件下壽命與可靠性增長(zhǎng)的目標(biāo)快速發(fā)展，致使其鈦合金,、模具鋼等關(guān)鍵金屬部件尺寸愈來(lái)愈大、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜,、性能要求日趨提高,，對(duì)制造技術(shù)也提出了更高的要求。采用傳統(tǒng)減材制造技術(shù)生產(chǎn)上述大型,、異形,、整體、高性能金屬部件,，不僅需要萬(wàn)噸級(jí)以上的重型鍛造設(shè)備及大型鍛造模具,，而且材料損耗大、利用率低,、成本高,。國(guó)際趨勢(shì)表明，鈦合金,、模具鋼等難加工金屬大型關(guān)鍵部件制造技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家重大高端裝備制造業(yè)水平高低的基準(zhǔn),。

增材制造技術(shù)（AM）能夠直接成形機(jī)械性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬構(gòu)件,，具有傳統(tǒng)加工方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),，因此該技術(shù)有望為航空航天、國(guó)防工業(yè)重大裝備中大型難加工金屬構(gòu)件的制造提供一條快速,、柔性,、低成本的技術(shù)新途徑[3]。但由于未能有效解決制造過(guò)程中“熱/內(nèi)應(yīng)力”,、“內(nèi)部缺陷”等控制問(wèn)題,，致使增材制造還難以應(yīng)用于航空航天關(guān)鍵及主承力構(gòu)件、大型復(fù)雜模具等高端領(lǐng)域,。

本文就增材制造技術(shù)發(fā)展面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn),，簡(jiǎn)要分析了增材制造后處理控性技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)制訂發(fā)展現(xiàn)狀,，指出高性能關(guān)鍵金屬部件增材技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用,，將不單取決于高性能粉體材料制備及增材制造過(guò)程中內(nèi)部冶金缺陷的機(jī)理研究，更大程度上取決于影響增材制造關(guān)鍵金屬部件組織性能的后處理技術(shù)及設(shè)備的探究深度。

1. 增材制造面臨的問(wèn)題
增材制造具有“高性能粉體制備”,、“復(fù)雜結(jié)構(gòu)直接制造”,、“表面控形”、“后處理控性”一體化的獨(dú)特特征,。以現(xiàn)階段最為火熱的激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)為例[4],，該技術(shù)的材料非平衡物理冶金和熱物理過(guò)程十分復(fù)雜，同時(shí)發(fā)生著激光束與粉體,、熔池與粉床的交互作用,、熔區(qū)超高溫梯度和強(qiáng)約束力下的快速凝固、構(gòu)件內(nèi)部組織演變,、循環(huán)條件下熱應(yīng)力演化等現(xiàn)象,。因此，增材制造面臨的最大問(wèn)題在于打印過(guò)程中,，構(gòu)件鋪粉層與鋪粉層之間,、單一鋪粉層內(nèi)部等局部區(qū)域產(chǎn)生的各種特殊的內(nèi)部缺陷，如粉末團(tuán)聚,、粉末揮發(fā)飛濺,、熱/內(nèi)應(yīng)力、層間局部未融合,、氣隙,、卷入性和析出性氣孔、微細(xì)陶瓷夾雜物,、內(nèi)部特殊裂紋,、晶粒異常形核與長(zhǎng)大等，以至于影響最終成形部件的內(nèi)部質(zhì)量,、力學(xué)性能和部件的服役使用安全[5],。事實(shí)上，內(nèi)部冶金缺陷控制一直是增材制造亟待攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一,。

圖1  增材制造過(guò)程中產(chǎn)生的各類(lèi)缺陷(a) 粉末團(tuán)聚,；(b) 粉末揮發(fā)飛濺；(c)氣孔

國(guó)內(nèi)金屬基3D打印專(zhuān)家普遍將增材制造過(guò)程中出現(xiàn)內(nèi)部冶金缺陷的矛頭指向粉體材料基礎(chǔ)問(wèn)題以及增材制造內(nèi)部特有冶金缺陷的基本特征,、形成機(jī)理及控制方法研究不夠深入,。筆者通過(guò)與世界著名3D打印材料專(zhuān)家，澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士,、蒙納什大學(xué)增材制造中心主任吳鑫華教授,、美國(guó)路易斯安娜州立大學(xué)郭晟旻教授的合作交流中，并結(jié)合自身多年在金屬基粉體制備方面的經(jīng)驗(yàn),，深刻體會(huì)到,，要從根本上解決長(zhǎng)期制約關(guān)鍵金屬部件增材制造技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的內(nèi)部缺陷問(wèn)題,，單單靠材料基礎(chǔ)問(wèn)題與增材制造過(guò)程中的內(nèi)部缺陷機(jī)理研究是不夠的。中國(guó)制造業(yè)從來(lái)都是“重冷輕熱”,，而材料能否從根本上得到改性,，很大程度上取決于后處理工藝與設(shè)備。筆者認(rèn)為,，增材制造的部件必須經(jīng)過(guò)后續(xù)熱等靜壓,、開(kāi)模鍛造等致密化處理以及“四把火”（淬火、退火,、回火,、正火）等熱處理工藝，并制訂配套工藝標(biāo)準(zhǔn),，才能從根本上減少或消除增材制造關(guān)鍵金屬部件存在的“內(nèi)部質(zhì)量”（冶金缺陷,、晶粒及顯微組織等）問(wèn)題。

2. 增材制造后處理控性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
真空熱處理技術(shù)具有無(wú)氧化,、無(wú)污染、表面質(zhì)量高,、變形微小等突出特點(diǎn),，是當(dāng)前國(guó)際熱處理技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)金屬部件的改性熱處理技術(shù),，只要摸索并制訂適用于增材制造領(lǐng)域的工藝及標(biāo)準(zhǔn),，理論上可極大地改善增材制造內(nèi)部缺陷的問(wèn)題[6-7]。筆者認(rèn)為,，所謂增材制造后處理控性技術(shù),，除了在金屬熱處理領(lǐng)域已有千年歷史的“四火”外，還應(yīng)包括熱等靜壓,、開(kāi)模鍛造等致密化處理,、表面熱處理（感應(yīng)熱處理）以及化學(xué)熱處理（滲碳/滲氮）等。

2.1 熱等靜壓致密化處理
熱等靜壓（HIP）是一種集高溫,、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù),。被加工件在高溫高壓的共同作用下，各向均衡受壓,，故加工產(chǎn)品的致密度高,、均勻性好、性能優(yōu)異,。吳鑫華院士新近開(kāi)發(fā)的近凈成形熱等靜壓工藝,，與國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大部分熱等靜壓工藝截然不同。經(jīng)該技術(shù)處理的增材制造部件各方面性能有了實(shí)質(zhì)提高,，特別是在微觀(guān)組織與機(jī)械性能方面保持高度的一致性與重復(fù)性,。吳鑫華院士指出“增材制造過(guò)程中不可避免存在孔洞與缺陷,，需要借助外力作用來(lái)消除，而HIP毫無(wú)疑問(wèn)是最佳選擇之一,。熱等靜壓工藝使材料發(fā)生蠕變及塑性變形,，從而以較小的變形改善部件內(nèi)部的空隙及缺陷”。

圖2  樣件經(jīng)HIP處理前后對(duì)比

(a) HIP處理前,；(b) HIP處理后

2.2 真空淬火/回火處理
按采用的冷卻介質(zhì)不同,，真空淬火處理可分為油淬、氣淬,、水淬等,。真空淬火后的工件表面光亮不增碳不脫碳，使服役中承受摩擦和接觸應(yīng)力的產(chǎn)品,，如工模具H43鋼的使用壽命可提高幾倍甚至更高,。與表面狀態(tài)好具有同等重要意義的是淬火后工件尺寸和形狀變形小，一般可省去修復(fù)變形的機(jī)械加工,，從而提高經(jīng)濟(jì)效益并彌補(bǔ)增材制造成本高的不足,。

真空回火目的是將已通過(guò)淬火后的增材制造金屬部件優(yōu)勢(shì)（產(chǎn)品不氧化、不脫碳,、表面光亮,、無(wú)腐蝕污染等）保持下來(lái)，并消除淬火應(yīng)力,，穩(wěn)定組織,。實(shí)踐證明，如增材制造TC4部件,，經(jīng)真空回火處理后其強(qiáng)度與常規(guī)效果所差無(wú)幾,，但塑性卻明顯提高了。

2.3 真空退火/正火處理
真空退火除了要達(dá)到改變?cè)霾闹圃旖饘俨考�晶體結(jié)構(gòu),、細(xì)化組織,、消除應(yīng)力等改性目的以外，還要發(fā)揮真空加熱可防止氧化脫碳,、除氣脫脂,、使氧化物蒸發(fā)的效果，從而進(jìn)一步提高表面光亮度和力學(xué)性能,。

正火既可以作為增材制造金屬部件的最終熱處理,，也可以作為預(yù)備處理。正火代替退火可提高零件的力學(xué)性能,；一些受力不大的工件,，正火可代替調(diào)制處理作為最終熱處理，簡(jiǎn)化熱處理工藝,；也可作為用感應(yīng)加熱方法進(jìn)行表面淬火前的預(yù)備熱處理,。

2.4 真空滲碳/滲氮處理
滲碳/滲氮是目前應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)熱處理方法,。它是滲碳、滲氮介質(zhì)在工件表面產(chǎn)生的活性原子,，經(jīng)過(guò)表面吸收和擴(kuò)散將碳,、氮滲入工件表層，以便將工件淬火和低溫回火后,，顯著提高其表層的硬度,、強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度和耐磨性,，而芯部仍保持一定的強(qiáng)度和良好的韌性,。

3. 國(guó)內(nèi)外增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析
隨著增材制造技術(shù)的日臻成熟，與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作也日趨活躍[8],。自2002年,，美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)發(fā)布了第一個(gè)增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品》以來(lái)，已經(jīng)陸陸續(xù)續(xù)頒布了19項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),。這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了產(chǎn)品的退火和熱等靜壓工藝制度,、增材制造過(guò)程中制件的消除應(yīng)力退火制度及要求以及退火或熱等靜壓后的時(shí)效制度，反映了國(guó)外已經(jīng)在控制內(nèi)部缺陷,、消除殘余應(yīng)力,，減少變形方向等方面開(kāi)展了大量的研究工作。

反觀(guān)國(guó)內(nèi),，我國(guó)增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展落后于國(guó)外，沒(méi)能充分反映國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展的水平,。由于缺少對(duì)增材制造工藝過(guò)程的表征,、控制和認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)的大范圍推廣使用受到制約,，已有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有能夠迅速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì),，因此迫切需要開(kāi)展增材制造技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，特別是關(guān)乎組織性能調(diào)控的熱處理制度及設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作,。

4. 增材制造后處理技術(shù)及設(shè)備探究

真空熱處理技術(shù)是隨著真空熱處理設(shè)備的發(fā)展而發(fā)展的,。美國(guó)首臺(tái)真空熱處理設(shè)備的成功研制，才開(kāi)啟真空退火/淬火工藝的應(yīng)用,�,！耙淮�裝備，一代技術(shù),，一代材料”,，裝備作支撐，工藝技術(shù)才能實(shí)現(xiàn),，材料制備才有保障,。國(guó)內(nèi)企業(yè)往往注重材料配方與具體工藝的實(shí)施,，而忽略裝備在材料制備過(guò)程中的重要性，這點(diǎn)在增材制造后處理領(lǐng)域顯得尤為突出,。事實(shí)上,，欲減少或消除增材制造關(guān)鍵金屬部件存在的“內(nèi)部質(zhì)量”問(wèn)題，其根本在于后處理技術(shù)及設(shè)備的探究深度,。


4.1 臥式雙室真空氣冷油淬裝備
該設(shè)備主要用于增材制造模具鋼（H43等）,、高強(qiáng)鋼、高速鋼,、合金鋼等關(guān)鍵金屬部件的真空熱處理,，可以完成的工藝內(nèi)容包括：真空油淬、真空氣淬,、真空退火與真空回火等工,。

圖3  臥式雙室真空氣冷油淬裝備結(jié)構(gòu)示意圖

臥式雙室真空氣冷油淬裝備是頂立科技研發(fā)的新一代改進(jìn)型高端設(shè)備，符合“工業(yè)4.0”,、“中國(guó)制造2025”發(fā)展特征趨勢(shì)及基本要素,，是全球最先進(jìn)的熱處理裝備之一。其主要特征如表1所示：

4.2 立式真空雙室淬火裝備
立式真空雙室淬火爐是頂立科技新一代高端熱工裝備,，也是《中國(guó)熱處理與表層改性技術(shù)路線(xiàn)圖》指定的重點(diǎn)攻關(guān)設(shè)備,，具有廣泛的應(yīng)用前景。

立式水淬爐不僅適用于鈦合金水固溶處理,，還可以擴(kuò)展至,、鋁合金、鎳基及鈷基高彈性合金3J21,、核能領(lǐng)域17-4PH,、410不銹鋼、鎢基高比重合金等真空水固溶處理,。

圖4  立式真空雙室水淬裝備結(jié)構(gòu)示意圖

該設(shè)備具有以下顯著技術(shù)特點(diǎn)：工件從立式真空水淬爐中完成固溶處理,，僅需垂直降落，無(wú)∏型運(yùn)行軌跡,，工件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間相對(duì)縮短,，可達(dá)到＜6s，且無(wú)水蒸氣污染真空泵組,，相比臥式真空水淬爐顯示了極大的優(yōu)越性,。除此之外，采用立式結(jié)構(gòu),，十分適用于淬透性不強(qiáng),，長(zhǎng)桿狀結(jié)構(gòu)的α+β鈦合金零部件的固溶熱處理，畸變量十分微小,。

中國(guó)某公司使用VVWQ3030立式真空水淬爐設(shè)備專(zhuān)門(mén)處理增材制造TC4鈦合金制品,，工藝內(nèi)容：固溶+時(shí)效,，取得了良好的效果：

外觀(guān)：工件處理完畢后，表面光亮,，無(wú)氧化色,；淬透性：Φ20mm截面內(nèi)全部淬透；畸變量：較小,，全跳動(dòng)量增加0.02mm,。機(jī)械性能大幅提高，具體如表2所示,。

4.3 臥式雙室真空高壓氣淬裝備
該設(shè)備適用于各類(lèi)航空,、航天領(lǐng)域中增材制造專(zhuān)用高壓氣淬處理，包括鋁基,、銅基,、銀基、鎳基,、金基,、不銹鋼、復(fù)合材料,、高溫合金的高壓氣淬處理,，目前是ACME供給航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造廠(chǎng)的主打設(shè)備。

圖5  臥式雙室真空高壓氣淬裝備結(jié)構(gòu)示意圖

該設(shè)備具有的技術(shù)特點(diǎn)如表3所示：

4.4 臥式雙室真空滲碳裝備
該裝備主要用于20CrMnTi,、12Cr2Ni4A,、12Cr2Ni3A等結(jié)構(gòu)鋼、高合金滲碳鋼的滲碳及滲碳后的淬火,，1Cr13等不銹鋼的滲碳及滲碳后的淬火,，工模具鋼的淬火，以及齒輪類(lèi)零件,、軸套類(lèi)零件,、精密軸承,、油泵油嘴機(jī)械件,、精密機(jī)器零件等的淬火、退火等,。其技術(shù)特征為：

（1）臥式雙室結(jié)構(gòu),，1個(gè)滲碳室和1個(gè)淬火室，淬火介質(zhì)依據(jù)實(shí)際可選擇,；
（2）鼠籠式石墨加熱爐膽上均勻布置著滲碳介質(zhì)注入噴嘴,，確保氣氛均勻；
（3）實(shí)現(xiàn)1050℃下高溫滲碳,，極大的縮短了滲碳周期,；
（4）淬火轉(zhuǎn)移料車(chē)傳遞平穩(wěn),，執(zhí)行“慢-快-慢”運(yùn)行節(jié)拍，轉(zhuǎn)移時(shí)間短,；
（5）采用脈沖氣氛控制,，對(duì)盲孔滲碳更具有優(yōu)勢(shì)。

圖6  臥式雙室真空滲碳裝備結(jié)構(gòu)示意圖

4.5 真空熱壓裝備
該裝備主要用于各類(lèi)金屬材料,、復(fù)合材料,、高導(dǎo)熱材料、SiC陶瓷,、耐磨類(lèi)材料等真空/氣氛下的高溫?zé)釅籂顟B(tài)下的致密化工藝,。其主要特征如下：

（1）單室、內(nèi)熱,、冷壁,、臥式結(jié)構(gòu)，整體布置緊湊合理,；
（2）配裝的液壓專(zhuān)用壓力機(jī)確保系統(tǒng)控制加載壓力準(zhǔn)確,；
（3）加壓方式可選擇單向加壓和雙向?qū)�壓�?br /> （4）熱場(chǎng)可懸著石墨隔熱屏、全金屬隔熱屏,；
（5）加載壓力可懸著30T,、35T、100T,、200T,、400T、500T,、800T,、1000T；
（6）真空熱壓爐溫度可選擇1500℃,、1800℃,、2000℃、2300℃,、2500℃,；
（7）壓頭材料可選擇等靜壓石墨、TZM合金,。

圖7  真空熱壓裝備結(jié)構(gòu)示意圖

除此之外,，還有各類(lèi)特種真空熱處理裝備，可廣泛應(yīng)用于金屬基3D打印構(gòu)件的后處理,，包括臥式高真空退火裝備,、立式底裝料高真空退火裝備、高真空回火裝備等。

5. 結(jié)束語(yǔ)
（1）高性能關(guān)鍵金屬部件增材技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用,，將不單取決于高性能粉體材料制備及增材制造過(guò)程中內(nèi)部冶金缺陷的機(jī)理研究,，更大程度上取決于影響增材制造關(guān)鍵金屬部件組織性能的后處理技術(shù)及設(shè)備的探究深度；

（2）加快我國(guó)增材制造技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制訂,，特別是增材制造后處理技術(shù)及工藝相關(guān)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)十分必要,；

（3）頂立科技現(xiàn)有真空熱處理高端產(chǎn)品基本代表了中國(guó)最先進(jìn)的水平，時(shí)代賦予了頂立科技責(zé)任與使命,，將加大開(kāi)發(fā)符合“工業(yè)4.0”,、“中國(guó)制造2025”趨勢(shì)的高端熱處理裝備力度，滿(mǎn)足快速增材制造關(guān)鍵金屬部件對(duì)組織性能調(diào)控的后處理需求,。


作者：戴 煜  李 禮,，馬衛(wèi)東