薛鵬舉，吳 言，黃 俊，魏青松，史玉升

（華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢430074）

HIP與SLS/SLM復(fù)合工藝快速高效成形復(fù)雜高性能零件

薛鵬舉，吳 言，黃 俊，魏青松，史玉升

（華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢430074）

SLS/SLM-HIP是選擇性激光燒結(jié)（SLS）或選擇性激光熔化（SLM）和熱等靜壓（HIP）技術(shù)相結(jié)合成形復(fù)雜高性能零件的工藝。SLS快速成形的零件通過精密鑄造、電鑄技術(shù)可間接整體成形HIP用控形包套或控形型芯，SLM可直接快速成形HIP用控形包套。HIP利用SLS/SLM成形的控形包套和模具型芯，可在短時間內(nèi)將粉末致密化為近凈成形或局部凈成形的復(fù)雜高性能零件。該工藝可解決難加工零件熱等靜壓成形控形包套和控形模具加工周期長、復(fù)雜結(jié)構(gòu)甚至無法加工的難題。

熱等靜壓；快速成形；SLS/SLM

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）結(jié)合模具工藝，在控形模具約束下，利用高溫高壓在較短時間內(nèi)將松散的粉末致密化為近凈成形或局部凈成形零件，其潛在的經(jīng)濟(jì)性和便利性特點，被廣泛用于制備航空航天、船舶、武器裝備等領(lǐng)域中的形狀復(fù)雜、難加工的高性能金屬件。在該工藝中，控形包套和控形模具對于最終成形零件的性能和精度起到?jīng)Q定性作用。采用常規(guī)機(jī)加工方法制造復(fù)雜零件的控形包套和控形模具，甚至需要數(shù)月，成本占零件總制造成本的一半以上，復(fù)雜結(jié)構(gòu)甚至無法制造，成為制約該技術(shù)應(yīng)用的主要瓶頸。針對該問題，華中科技大學(xué)快速成形中心采用SLS/SLM-HIP復(fù)合成形方法，即采用基于選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）和選擇性激光熔化（Selective Laser Meltinging，SLM）的快速成形技術(shù)，來實現(xiàn)HIP用復(fù)雜控形包套和模具的快速低成本制造，以克服傳統(tǒng)方法制造復(fù)雜包套和模具的工藝難題。

SLS/SLM技術(shù)是基于粉床的激光燒結(jié)/熔化疊層快速成形技術(shù)。其原理是將計算機(jī)設(shè)計出的復(fù)雜零部件分成若干層平面數(shù)據(jù)，然后用激光將金屬、塑料、陶瓷、砂等粉末材料按照平面數(shù)據(jù)燒結(jié)/熔化形成一個平面形狀，然后再通過層層間互相累積疊

加，像生長般一次性達(dá)到整體成形。使用這項技術(shù)，可將三維制造分解為簡單的由下至上的二維疊加，大大降低了設(shè)計與制造的不兼容性，能制造傳統(tǒng)方式無法加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[1]。

SLS成形熱等靜壓用控形包套和型芯需借助電鑄和熔模鑄造工藝，屬于間接法。SLM工藝可直接成形出金屬包套，屬直接法。本文介紹采用HIP與SLS/SLM復(fù)合工藝快速高效成形復(fù)雜高性能零件的工藝與零件性能等內(nèi)容。

1 SLS-HIP復(fù)合工藝

1.1 SLS成形復(fù)雜控形包套

經(jīng)有限元模擬并增添變形余量后的控形包套較復(fù)雜，一般是用增加粉末余量的方法來保證HIP后的零件尺寸，并輔以后續(xù)機(jī)械加工?；赟LS的復(fù)雜包套快速成形工藝?yán)肧LS快速成形的零件作為電鑄的母模，然后通過電鑄工藝在母模上以離子沉積的形式獲得高復(fù)制精度的金屬沉積層，利用該沉積層作為HIP用的控形包套。該工藝融合了快速成形技術(shù)和電鑄技術(shù)的優(yōu)點，可解決薄壁包套定位困難、加工易變形和材料浪費(fèi)等問題。

由于電鑄本身的工藝特點，電鑄零件組織具有密度不均勻產(chǎn)生的微觀孔洞缺陷和晶粒生長過程中均存在的擇優(yōu)取向的織構(gòu)現(xiàn)象，所以電鑄后的零件需進(jìn)行燒結(jié)、浸滲等后處理，以滿足后續(xù)HIP工藝對包套氣密性及大塑性變形的特殊要求。圖1是SLS-HIP的工藝路線示意圖[2-4]。

圖1 SLS-HIP工藝路線示意圖

1.2 SLS成形復(fù)雜控形型芯

采用SLS結(jié)合電鑄工藝可成形復(fù)雜精密薄壁包套，對于成形復(fù)雜零件，控形模具（型芯）起到約束零件內(nèi)部形狀的重要作用。SLS結(jié)合熔模鑄造技術(shù)快速成形復(fù)雜控形模具，賦予了HIP技術(shù)新的活力?；赟LS的控形型芯成形工藝過程如下：控形型芯設(shè)計、SLS成形熔模用蠟?zāi)?、熔模鑄造、后處理。

華中科技大學(xué)快速成形中心在對SLS專用模料特性及其精密鑄造工藝進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，成形了閉式渦輪盤HIP用控形模具，圖2是以該渦輪盤為例的工藝流程簡圖。采用如圖2b所示的設(shè)計方案及整體控形型芯的HIP試驗結(jié)果顯示，控形型芯試驗結(jié)果的最大變形誤差為3.57%，零件最大密度誤差為2.57%。控形包套和控形型芯的特征尺寸試驗結(jié)果見表1。該方案實現(xiàn)了閉式渦輪盤的近凈成形。

表1 包套、型芯特征尺寸的試驗結(jié)果

2 SLM-HIP復(fù)合工藝

2.1 SLM-HIP復(fù)合成形工藝

圖2 渦輪盤成形工藝流程

SLS結(jié)合電鑄技術(shù)能很好地解決HIP用復(fù)雜控形包套的制造難題，但工藝流程較長，同時，HIP后包套的化學(xué)腐蝕去除過程繁雜且有污染，成為該技術(shù)發(fā)展的瓶頸。為此，研究了用SLM方法直接制造同質(zhì)包套的技術(shù)，提出利用SLM可直接成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)包套、HIP可致密金屬粉末的特點，將二者復(fù)合用于整體成形高性能復(fù)雜難加工零件，即用SLM快速、低成本成形無需去除的HIP復(fù)雜同質(zhì)包套，用

HIP致密包套中的金屬粉末，直接整體成形零件[5]。 圖3是SLM-HIP的工藝路線示意圖。

圖3 SLM-HIP工藝路線示意圖

傳統(tǒng)的HIP工藝一般是用軟鋼作為包套，HIP后，通過酸洗去除包套。而采用SLM技術(shù)直接成形包套，包套HIP后無需去除，有望達(dá)到目標(biāo)零件的最終尺寸。但引入SLM技術(shù)的同時，也帶來了一些技術(shù)難點[6]：

（1）SLM制件內(nèi)部存在較高的殘余應(yīng)力，使其塑性低于軟鋼包套，在HIP變形過程中易產(chǎn)生裂紋。因此，如何在SLM成形過程中引入預(yù)熱系統(tǒng)、大大減少其殘余應(yīng)力、有效提高包套的塑性，是該復(fù)合工藝需研究的重要內(nèi)容之一。

（2）如何優(yōu)化粉末物性參數(shù)，以使SLM成形出高致密度的零件。如：球形氣霧化粉末具有較高的松裝密度，其成形零件的相對密度高于水霧化粉末（圖4）。

圖4 SLM成形316L零件的SEM照片

（3）HIP作用下，同質(zhì)包套與粉末接觸界面的組織、性能及接觸界面在HIP過程中的裂紋演變抑制措施等。如圖5所示，同質(zhì)包套HIP后，包套、界面及內(nèi)部組織均明顯不同。

2.2 SLM-HIP復(fù)合成形零件性能

利用SLM-HIP復(fù)合成形Ti6Al4V試樣的致密度接近100%，常溫拉伸性能已超過同質(zhì)鍛件標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

3 結(jié)論

圖5 SLM同質(zhì)包套HIP后的界面形貌（316L）

表2 SLM-HIP成形Ti6Al4V力學(xué)性能

（1）SLS結(jié)合電鑄技術(shù)，適于制造復(fù)雜薄壁隨形HIP用包套，具有加工成本低、成形質(zhì)量好的特點。

（2）SLS結(jié)合熔模鑄造技術(shù)，可快速制造HIP用整體控形型芯。

（3）SLM直接成形HIP用金屬同質(zhì)包套，具有成形流程短、有望達(dá)到最終零件尺寸、減少環(huán)境污染的優(yōu)點。但仍需對殘余應(yīng)力、粉末制備及界面控制等方面作深入研究。

[1] Kruth J P.Material increase manufacturing by rapid prototyping techniques[J].Annals of the CIRP，1999，40（2）：603-604.

[2] 關(guān)麗雅，鄭秀華，王富恥，等.電鑄銅微觀組織與織構(gòu)的研究[J].電鍍與涂飾，2009（8）：21-24.

[3] 雷衛(wèi)寧，朱荻，張文峰，等.基于高性能沉積層的精密電鑄技術(shù)的研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，2005（6）：60-63.

[4] 周紹民.金屬電沉積原理與研究方法[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1987.

[5] 章文獻(xiàn).選擇性激光熔化快速成形關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[6] 何禹坤，王基維，王黎，等.基于激光熔化成形包套的熱等靜壓近凈成形試驗研究 [J].熱加工工藝，2012，41 （13）：1-3.

Rapidly and Effectively Forming Complex Parts with High Performance by the Compound Process of HIP and SLS/SLM

Xue Pengju，Wu Yan，Huang Jun，Wei Qingsong，Shi Yusheng
（Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

SLS／SLM-HIP is the compound process combining selective laser sintering (SLS)or selective laser melting (SLM)and hot isostatic pressing (HIP)technology to form complex and high performance parts.Parts formed by SLS though casting，electroforming technology，can indirectly form integral control-shaped capsule and mould core，SLM can directly and rapidly form HIP-shaped capsule.HIP uses control-shaped capsule and mould core formed by SLS／SLM，it makes power form whole net shapes or partial net shapes parts with complex and high performance in a short time.The technology can solve problem that the processing cycle of control-shaped capsule and mould core of difficult machining parts is too long and even complex structure can not be processed.

hot isostatic pressing；rapid prototyping；SLS/SLM

TG66

A

1009－279X（2014）01－0051-03

2013-09-30

薛鵬舉，男，1973年生，博士研究生。