热等静压(hot isostatic pressing，，，，，，HIP)工艺是高性能粉末冶金制品致密化的主要手段。。。。。。。热等静压致密化和近净成形工艺历程控制相团结，，，，，，能够为后续机械加工、等温铸造或热处置惩罚历程提供所需形状、尺寸和组织的热制毛坯。。。。。。。热等静压工艺的原理是将制品安排到密闭的容器中，，，，，，向制品施加各向一律的压力，，，，，，同时施以高温，，，，，，在高温高压的作用下，，，，，，制品得以

烧结和致密化。。。。。。。热等静压是高性能质料生产和新质料开发不可或缺的手段：热等静压可以直接由粉末成形，，，，，，粉末装入包套(其作用类似于模具)中，，，，，，包套可以接纳金属或陶瓷制作(低碳钢、Ni、Mo、玻璃等)，，，，，，然后用 N2、Ar 气作为加压介质，，，，，，是一种对粉末直接加热加压从而烧结成形的粉末冶金工艺；；；；；；或者用于成形后的铸件的内部缺陷愈合，，，，，，如对铝合金、钛合金、高温合金等包括缩松、缩孔的铸件举行热致密化处置惩罚，，，，，，从而提高铸件的整体力学性能[1~5]。。。。。。。

粉末热等静压近净成形是使用包套与内部型芯组合模具设计制造手艺，，，，，，将金属粉末密封在与目的件相似的重大型腔内热等静压成形，，，，，，随后去除外包套，，，，，，再使用选择性化学铣手艺去除内部型芯模具获得目的毛坯零件的新型复合成形手艺。。。。。。。该手艺继续了粉末冶金和热等静压手艺的优点，，，，，，同时借鉴了铸造重大零件的？？？？？？？怯胄托咀楹夏＞叱尚问忠，，，，，，因别的洋研究者又将粉末热等静压近净成形手艺称作“粉末铸造手艺”，，，，，，可视为细密铸造手艺的升级版[6~8]。。。。。。。经优化设计包套成形的热等静压零件尺寸精度和外貌粗糙度可以抵达或凌驾细密铸造件水平；；；；；；与细密铸件相比，，，，，，热等静压近净成形零件的致密度高，，，，，，因素匀称，，，，，，组织中没有宏观因素偏析，，，，，，因此综协力学性能优异，，，，，，可抵达相同质料锻件水平。。。。。。。与古板机械加工要领相比，，，，，，热等静压近净成形零件具有2方面优势：(1) 质料使用率高，，，，，，热等静压近净成形手艺可以把质料使用率从铸造加工的 10%~20%提高到50%以上；；；；；；(2) 工艺历程相对简朴，，，，，，工艺周期短，，，，，，除了热等静压装备不需要其它主要装备，，，，，，可以节约大宗的机械加工事情量。。。。。。。

热等静压近净成形已经成为一种主要的粉末冶金工艺要领，，，，，，其制件具有匀称细小的微观组织，，，，，，优异的综合性能，，，，，，可用于制造高性能、形状重大的零部件，，，，，，用以知足核工业、航空航天、舰船深潜等主要领域的生长需求[9~15]。。。。。。。

1 、手艺生长概况

钛合金化学活性强，，，，，，与险些所有陶瓷坩埚、喷嘴质料反应，，，，，，容易被氧等杂质沾污，，，，，，制成粉末后比外貌积增大，，，，，，更易沾污，，，，，，造成性能急剧下降，，，，，，因此粉末冶金手艺难度极大 [16~18]。。。。。。。20 世纪 90 年月中期以后，，，，，，随着钛合金熔炼、清洁制粉手艺的前进和粉末冶金手艺的生长，，，，，，通过预合金粉末热等静压工艺制备钛合金重大构件的研究受到越来越多研究机构的关注。。。。。。。

20世纪90年月，，，，，，钛合金粉末冶金近净成形手艺首先应用于航天领域。。。。。。。美国航天飞机主发念头SSME和Atlas-3、Atlas-5 等发念头、法国火神发念头、俄罗斯RD-180、RD-191、RD-0120等发念头涡轮泵单位、泵壳、阀体等部件均接纳该手艺制备并获应用[19~21]。。。。。。。

西欧等国随后陆续开展了钛合金粉末冶金航空部件的研制，，，，，，如 F-14 飞机的短舱隔框及 F-100 发念头的电扇盘等。。。。。。。英国罗罗公司与伯明翰大学相助开展了钛合金粉末冶金整体机匣的研究，，，，，，形成了完整的制备工艺手艺[6,14]。。。。。。。现在，，，，，，普惠公司、通用公司和罗罗公司均在举行军机发念头粉末冶金机匣的研制。。。。。。。从20世纪70年月起，，，，，，俄罗斯的VILS公司、美国的Cru-cible Research 和法国的 Tecphy 公司就最先接纳金属包套研制了一系列航空和航天发念头用钛合金部件；；；；；；随着钛合金粉末冶金重大零件热等静压缩短模拟展望模子的建设和生长，，，，，，建设于 2000 年的美国Synertech PM公司在已往10多年中生产了多种火箭发念头、航空发念头压气机和飞机机身部件[6]。。。。。。。

粉末冶金近净成形手艺的难点是制备环节较多，，，，，，因此须严酷控制每一要害工艺环节。。。。。。。模具设计制备的乐成履历是由恒久的实践与理论相团结一直积累而获得。。。。。。。美俄等国研发机构已经拥有成熟的模具设计制备手艺，，，，，，他们借助于盘算机仿真模拟，，，，，，系统研究粉末构件的致密化缩短行为，，，，，，为粉末构件的尺寸准确控制、模具优化设计提供了很好的理论指导，，，，，，显著缩短了研制周期，，，，，，降低了本钱。。。。。。。现在制备钛合金预合金粉末的主流要领为气体雾 化 (gas atomization，，，，，，GA) 法 和 等 离 子 旋 转 电 极(plasma rotating electrode process，，，，，，PREP)法 2 种[22,23]。。。。。。。

图 1 给出了 GA 和 PREP 2 种制粉工艺的示意图。。。。。。。

GA 法最早由美国坩埚质料公司(Crucible MaterialsCorporation)发明，，，，，，早期的GA装备接纳陶瓷坩埚，，，，，，对钛合金粉末的清洁度有一定影响；；；；；；PREP法是使用等离子电弧熔化金属电极，，，，，，金属熔滴在离心力的作用下进入雾化塔，，，，，，同时金属熔滴在外貌能的作用下完成球化，，，，，，快速凝固后形成球形粉末[24~26]。。。。。。。

20世纪90年月后期德国ALD公司针对难熔金属发明了无坩埚感应熔炼超声息体雾化制粉 (elec-trode induction melting gas atomization，，，，，，EIGA)法，，，，，，为解决活性金属雾化制粉的沾污问题提供了手艺途径。。。。。。。中国科学院金属研究所一连关注并跟踪了这一手艺希望，，，，，，预见到该手艺在航空、航天钛合金粉末冶金手艺领域的潜在应用，，，，，，于2005年建成海内首台洁 净钛合金雾化制粉装备，，，，，，该装备在为开展钛合金粉末冶金研究提供及格粉末质料方面施展了主要作用。。。。。。。海内其它开展粉末冶金手艺和增材制造相关研究的单位接纳的制粉装备主要是 EIGA 和 PREP，，，，，，例如西北有色金属研究院(集团)下属的西安欧中质料科技有限公司引进了俄罗斯的超高转速(3×105 r/min)等离子旋转电极雾化(SS-PREP)金属球形粉末制备生产线，，，，，，中国武器科学研究院宁波分院、飞而康快速制造科技有限责任公司陆续引进了德国 ALD公司的无坩埚 EIGA 制粉装备，，，，，，北京钢铁研究总院拥有俄罗斯的PREP制粉装备。。。。。。。海内开展钛合金粉末近净成形的单位主要是各质料研究所和大学，，，，，，其中开展事情较量早的是航天质料及工艺研究所和西北有色金属研究院。。。。。。。航天质料及工艺研究所研发的产品包括多种牌号(如 TC4、TC11、TA7、TA15)的航空航天部件，，，，，，如舵面骨架结构件、筒件、水平翼骨架、叶轮等。。。。。。。这些构件的力学性能抵达锻件指标，，，，，，且尺寸精度可抵达±0.2 mm的水平，，，，，，形成了舵翼骨架类、舱体类和异型结构类 3 大产品系统，，，，，，并实现了部分产品的规模生产[9,27]。。。。。。。海内高校则主要开展了以下研究事情：粉末缩短的有限元仿真展望、钛合金粉末致密化历程的组织演化和机理剖析。。。。。。。唬唬唬唬唬华中科技大学史玉升、魏青松团队开展了包套优化设计规则、粉末质料在高温高压耦相助用下的致密化及其组织结构的演变机理、零件致密化历程的变形纪律的数值模拟等事情，，，，，，能够展望重大的闭式叶轮部件的缩短[14,28~31]；；；；；；北京航空航天大学郎利辉研究团队在热等静压整体包套设计和准等静压制备重大部件方面举行了研究[32,33]。。。。。。。海内开展钛合金粉末冶金的研究团队大都受限于平台条件，，，，，，对典范钛合金 Ti-6Al-4V(TC4)粉末合金制备开展的研究事情较多，，，，，，而对高温钛合金(如Ti6242、Ti55和Ti60等)、其它结构钛合金(TC11、TC18、Ti55531 等)、钛铝金属间化合物 (g-TiAl、Ti3Al、Ti2AlNb)和形状影象合金的粉末合金制备研究较少，，，，，，这些质料的致密化模子和组织演化机理尚缺少质料研究的基本数据和理论支持。。。。。。。

中国科学院金属研究所从 2003 年最先开展钛合金粉末近净成形手艺研究，，，，，，肩负了长征五号氢泵叶轮的研制使命，，，，，，在该使命牵引下研发了相关手艺，，，，，，在海内首次形成了粉末冶金叶轮制造的研发与小批量生产能力。。。。。。。2016年11月3日，，，，，，随着“长征五号”的乐成首飞，，，，，，金属研究所研制的叶轮产品成为我国首件通偏激箭发念头航行审核的钛合金粉末冶金转动件，，，，，，标记我国周全突破了粉末冶金氢泵叶轮的要害手艺。。。。。。。本课题组于 2003 年开展清洁 g-TiAl 金属间化合物粉末坯料制备和板材轧制研究事情[34~37]，，，，，，经由十余年的生长，，，，，，掌握了清洁粉末制备和预处置惩罚、热等静压包套模具设计、热等静压匀称化致密化参数优化、粉末致密化历程中的有限元仿真、部件准确尺寸控制和内部型芯模具的选择性化学铣去除等一系 列要害手艺，，，，，，开发了一整套具有自主知识产权的粉末近净成形相关专用装备，，，，，，合金系统实现了从结构钛合金到高温钛合金以及钛铝金属间化合物的周全笼罩，，，，，，使用温度从-253 ℃的低温钛合金拓展到900 ℃的 g-TiAl 金属间化合物，，，，，，形成了多种牌号的钛合金近净成形产品的小批量生产能力。。。。。。。金属研究所从质料研制的角度出发，，，，，，建设了针对快速凝固气体雾化粉末的合金设计规范，，，，，，接纳差别的预处置惩罚手段处置惩罚物理化学活性保存较大差别的种种预合金粉末，，，，，，从相变的层面系统剖析了粉末在致密化历程中的组织演化和性能的关系，，，，，，剖析了孔隙缺陷的分类和成因及其对合金性能的影响[38~47]。。。。。。。本文从典范低温钛合金Ti-5Al-2.5Sn超低间隙(ELI)合金研制、Ti55高温钛合金研制、钛铝金属间化合物研制、粉末致密 化的有限元仿真4个方面临本课题组在钛合金粉末冶金近净成形领域的主要研究希望加以简要先容。。。。。。。

2、 Ti-5Al-2.5Sn ELI低温钛合金研制

2.1 粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI合金的制备

Ti-5Al-2.5Sn ELI 是在 Ti-5Al-2.5Sn 合金基础上，，，，，，通过严酷控制 O、N 和 H 等间隙元素的含量，，，，，，开发出的超低间隙合金。。。。。。。该合金在低温下体现出优异的综协力学性能，，，，，，如比强度高、塑性好、无缺口敏感、膨胀系数小，，，，，，以是该合金在航天领域中的一些低温服役结构件中获得普遍应用，，，，，，如氢泵叶轮、发念头低温转子、航行器低温容器等[48~50]。。。。。。。本课题组自 2008年最先研制粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI合金和部件，，，，，，其制备工艺蹊径为：合金优化设计→气体雾化法制备 Ti-5Al-2.5Sn ELI 清洁预合金粉末→粉末填充到包套中、封装除气→热等静压致密化→包套去除→内部型芯模具化学铣去除→退火处置惩罚→粉末合金或部件毛坯。。。。。。。图2以本课题组为航天用户研制的管件为例示出了近净成形的主要工艺流程。。。。。。。

2.2 粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI合金的性能

航天质料及工艺研究所李圣刚等[27]接纳 PREP工艺，，，，，，将Ti-5Al-2.5Sn ELI钛合金棒材制备成钛合金球形粉末，，，，，，使用自制的除杂装备去除夹杂，，，，，，抵达非金属夹杂含量每千克不凌驾20个，，，，，，制得的粉末冶金低温钛合金质料性能周全抵达同批次锻件性能水平。。。。。。。

本课题组选用的预合金粉末接纳无坩埚感应熔炼的方法制备，，，，，，彻底阻止了引入夹杂的危害，，，，，，特殊是针对使用条件十分苛刻的氢泵叶轮等高速转动部件，，，，，，制备历程中若是引入非金属夹杂将会影响使用性能，，，，，，导致部件疲劳性能降低而迅速失效，，，，，，为此本课题组关于转动部件的粉末制备均接纳EIGA工艺。。。。。。。

接纳EIGA法制备的Ti-5Al-2.5Sn ELI清洁预合金粉末的化学因素如表 1 中所示。。。。。。？？？？？？？杉，，，，，，预合金粉末的化学因素与名义因素相符，，，，，，间隙元素含量处于较低水平，，，，，，杂质元素和间隙元素含量较制粉电极未见显着增添，，，，，，批注制粉历程清洁无污染。。。。。。。粉末的粒度漫衍等工艺性能直接影响粉末的振实密度及后续的热等静压致密化行为，，，，，，前期研究[8,38]批注，，，，，，预合金粉末经 250 mm 过筛后，，，，，，空心粉的保存对粉末合金的致密度无显著影响。。。。。。。气体雾化法制备的预合金粉末的粒度选择面临以下矛盾：粉末袒露于大气的历程中容易吸附空气中的 O2和 H2O；；；；；；粒径大的粉末比外貌积小，，，，，，物理吸附小，，，，，，吸附的气体容易去除，，，，，，可是空心粉的比例升高；；；；；；粒径小的粉末比外貌积大，，，，，，物理吸附能力强，，，，，，吸附的有害气体难以在后续的除气历程彻底去除，，，，，，但空心粉较少。。。。。。。本课题组针对钛合金部件研制开发出一整套钛合金粉末真空加热动态除气装置，，，，，，并通过多年的系统研究加以完善，，，，，，如图3所示。。。。。。。制备的Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末合金和部件的典范性能如表2[51]所示，，，，，，力学性能靠近变形合金的水平。。。。。。。通过对多种粉末的制备和性能验证[52~55]，，，，，，本课题组实现了接纳 0~250 mm 的呈正态漫衍的全    粒度预合金粉末制备粉末合金及部件。。。。。。。

2.3 粉末冶金Ti-5Al-2.5Sn ELI合金部件的研制

全粒度的粉末具有较高的振实密度和较好的流动性[26]，，，，，，而接纳图4[51]所示的叶轮包套/模具成形部件时，，，，，，由于内部型芯模具形成了对粉末填充和流动的干预，，，，，，粉末振动填充较简朴圆柱形包套需要更长的时间。。。。。。。全粒度粉末因粒径差别大在振动填充历程中会爆发粒度偏析[51,56]，，，，，，如图5所示。。。。。。。粉末粒度的偏析会导致空心粉末的群集，，，，，，从而引起质料性能的下 降。。。。。。。前期研究效果[26]批注，，，，，，差别粒度组成的预合金粉末对应差别的振实密度。。。。。。。粉末粒度偏析不但会恶化Ti-5Al-2.5Sn ELI的低温拉伸性能，，，，，，同时由于粒度组成的转变导致差别部位振实密度的差别，，，，，，还将增大后续热等静压近净成形的难度[57]。。。。。。。

因此，，，，，，在粉末填充历程中应通过在粉末填充的差别阶段调解粉末粒度匹配计划，，，，，，如增添模具排气孔、低温烘干模具增进排气等工艺尽可能地消除粉末粒度偏析征象。。。。。。。现在中国科学院金属研究所已经很好地解决了 Ti-5Al-2.5Sn ELI 粉末叶轮制备历程中的手艺难题，，，，，，通过提高质料粉末清洁度和优化差别尺寸粉末匹配，，，，，，获得了优异的力学性能，，，，，，为确保叶轮性能一致性和可靠性涤讪了坚实的质料性能基础。。。。。。。

粉末部件在热等静压致密化历程中的缩短变形经常唬唬唬唬唬会泛起与简朴形状试棒的效果保存差别的情形[13,30]，，，，，，造成这种差别的主要因素有：(1) 粉末原始填充密度的差别；；；；；；(2) 包套、内外模具质料差别以及与粉体质料的强度匹配差别；；；；；；(3) 重大形腔内部结构的差别引起的对热等静压压力的屏障效应。。。。。。。这些缩短行为的差别最终都会影响部件尺寸的控制精度。。。。。。。 尺寸缩短匀称性的控制是钛合金粉末近净成形亟需解决的要害手艺难题之一。。。。。。。

等粒径粉末的填充密度约为 66%，，，，，，粉末在热等静压致密化历程中的缩短很大，，，，，，体积缩短凌驾30%，，，，，，图 6 给出了 Ti-5Al-2.5Sn ELI 简朴圆柱包套热等静压前后包套尺寸的转变。。。。。。。以氢泵叶轮研制为例，，，，，，热等静压前后高度偏向缩短凌驾 20%，，，，，，直径偏向缩短靠近 15%；；；；；；因此接纳热等静压工艺制备类似粉末闭式叶轮这种重大零件的历程中，，，，，，除了需要抵达质料性能要求外，，，，，，也需包管零件非加工部位尺寸精度[51]。。。。。。。通过研究钛合金粉末热等静压致密化机理，，，，，，本课题组[58]生长了近净成形构件尺寸展望与控制手艺，，，，，，使叶形尺寸一致性从误差>20%提高到<5%，，，，，，抵达应用要求的手艺指标，，，，，，研制的叶轮如图7所示。。。。。。。

3、 Ti55高温钛合金研制

3.1 粉末冶金Ti55合金的制备与性能

Ti55 合金，，，，，，中国牌号 TA12 或者 TA12A，，，，，，是中国科学院金属研究所设计，，，，，，宝钛集团和北京航空质料研究院加入研制的一种典范的近α型高温钛合金[59]。。。。。。。Ti55 合金可以在 550 ℃以下长时使用，，，，，，短时使用温度可以抵达600 ℃，，，，，，其力学性能与IMI829合金相当。。。。。。。该合金在海内起步较早，，，，，，质料成熟度较高，，，，，，在航空和航天领域均获得应用[60]。。。。。。。研究该合金的粉末近净成形工艺首先需要优选热等静压工艺参数以获得全致密的粉末合金，，，，，，其次通事后续热处置惩罚调理粉末合金的显微组织获得知足使用要求的性能。。。。。。。前期事情[61]批注，，，，，，热等静压工艺参数(温度 T、压力 P、时间 t)中温度 T 对证料组织与力学性能的影响最为显著，，，，，，因此热等静压温度的优化是 Ti55 粉末合金的研究重点。。。。。。。团结之前制备 Ti-6Al-4V合金的研究履历，，，，，，Ti55预合金粉末的热等静压温度可选择940~970 ℃之间。。。。。。。典范的高温钛合金在现实应用历程中除了强度要求外，，，，，，对冷态加工性能和电子束焊接性能等工艺性能亦有很高要求，，，，，，往往需要质料具有较高的塑性储备。。。。。。。在现实重大构件举行热等静压致密化时，，，，，，高温下粉末包套体的自重不可忽略；；；；；；在热等静压降温卸压阶段，，，，，，由于包套/模具各部位厚度和物理性子保存差别，，，，，，因此缩短应力会导致粉末构件爆发扭曲变形，，，，，，这种征象被称为“致密化波动效应”[57,62]。。。。。。。综上，，，，，，优选相对较低的940 ℃作为 Ti55 预合金粉末及构件的热等静压成形温度[63]，，，，，，这个原则也适用于制备其它牌号的钛合金部件。。。。。。。

在 940 ℃热等静压成形后，，，，，，粉末压坯抵达完全致密化(致密度大于 99.5%)，，，，，，如图 8[47]所示。。。。。。。粉末压坯的显微组织主要由等轴α和板条α相组成，，，，，，险些不含有β相。。。。。。。Ti55 粉末热等静压态显微组织与 Ti-6Al-4V 预合金粉末在α+β两相区热等静压后的组织[8]类似。。。。。。。表3[47]比照了热处置惩罚前后粉末压坯的室温顺 600 ℃拉伸性能。。。。。。？？？？？？？梢钥闯，，，，，，固溶温度从 960 ℃ 提升到 990 ℃，，，，，，获得粉末压坯的拉伸性能无显着差别，，，，，，Ti55粉末合金的热处置惩罚窗口较宽。。。。。。。图9[47]比照了热处置惩罚后铸造、铸造和粉末合金的拉伸性能。。。。。。？？？？？？？梢钥闯，，，，，，Ti55粉末合金的拉伸性能优于铸造合金，，，，，，靠近铸造合金的水平[63]。。。。。。。

3.2 粉末外貌状态对Ti55粉末合金性能的影响

在 EIGA 制粉历程中，，，，，，钛合金熔滴会吸收雾化器中剩余的 O2，，，，，，别的粉末在贮存、转运和填充历程中也会吸附情形中O2和H2O等气体，，，，，，在粉末外貌形成氧化膜。。。。。。。在长时间的存储历程中，，，，，，存储装置频仍开关，，，，，，不可阻止地造成粉末袒露于大气情形。。。。。。。随着粉末贮存时间的增添，，，，，，Ti55 合金粉末的外貌状态会爆发改变，，，，，，粉末外貌氧化膜的厚度随袒露于大气时间的延伸而增厚，，，，，，粉末对应的氧含量也逐渐升高。。。。。。。

长时间贮存的Ti55合金粉末外貌的氧化膜较厚，，，，，，经热等静压成型后，，，，，，没有完全破碎的氧化膜将导致Ti55 合金的显微组织不匀称，，，，，，进而降低 Ti55 合金的室温延伸率，，，，，，如图10所示。。。。。。。

研究批注，，，，，，Ti-6Al-4V合金粉末外貌的氧化膜不会影响粉末合金的拉伸性能和长期性能，，，，，，但会降低Ti-6Al-4V 粉末合金的高周疲劳性能[48]；；；；；；g-TiAl 粉末外貌的氧化膜会导致g-TiAl合金显微组织中保存原始颗粒界线，，，，，，进而影响粉末合金的抗拉强度[18]。。。。。。。因此关于差别的合金系统，，，，，，粉末合金的力学性能对粉末外貌状态的响应不尽相同。。。。。。。现实构件研制历程中，，，，，，除了粉末的外貌状态会影响Ti55预合金粉末的致密化，，，，，，包套模具自己对压力和温度的屏障也可能引起质料性能的波动，，，，，，因此工业生产中往往在热等静压时设立保温台阶[64,65]，，，，，，首先在低α+β两相区短时保温保压，，，，，，然后在目的温度下长时保温保压，，，，，，该工艺可以有用破碎长时存放 Ti55 合金粉末外貌较厚的氧化膜，，，，，，获得显微组织匀称和具有较高室温延伸率 的Ti55合金[47]。。。。。。。

3.3 Ti55薄壁异形筒体结构的成形

关于一些典范的薄壁筒体结构，，，，，，如接纳古板的钣焊制造计划或者细密铸造工艺计划，，，，，，不但难度大，，，，，，并且构件整体性能较差。。。。。。。接纳粉末热等静压工艺制备的粉末合金，，，，，，其组织细小匀称，，，，，，有利于包管重大构件各部位性能的一致性，，，，，，因此特殊适合制备大型薄壁筒体结构。。。。。。。在制备粉末构件的历程中，，，，，，包套结构的设计很是主要。。。。。。。合理的包套结构设计既要包管粉末压坯各部位均完成致密化，，，，，，又要抵达近净成形的目的，，，，，，因此包套/模具结构通常较量重大。。。。。。。刘国承[30]和郎利辉等[33]在使用圆柱形包套举行热等静压实验时，，，，，，获得的粉末压坯在焊缝区域(包套尖角处)变形很是不匀称。。。。。。。其缘故原由在于，，，，，，包套壁厚太薄，，，，，，仅为2 mm。。。。。。。

虽然镌汰包套的壁厚有助于镌汰热等静压致密化历程中包套对压力的屏障作用，，，，，，缩短完全致密化所需时间。。。。。。。然而在现实构件的制备历程中，，，，，，包套必需具有足够的壁厚才华包管刚度，，，，，，使得在热等静压升温加压历程中包套不爆发失稳，，，，，，从而抵达粉末压坯各部位匀称协调变形的目的[50]。。。。。。。别的，，，，，，若是包套设计(如包套壁厚)不对理，，，，，，在热等静压致密化历程中，，，，，，包套焊缝位置和其它位置变形差别较大，，，，，，严重时甚至会引发包套在薄弱位置爆发塑性失稳，，，，，，进而引发包套走漏[39]。。。。。。。前期的研究[45]中，，，，，，通过有限元模拟和实验验证，，，，，，归纳了薄壁筒体结构内腔控形的纪律，，，，，，即包套具有足够的壁厚，，，，，，一样平常为5~6 mm；；；；；；内腔包套的壁厚比外侧包套的厚 1 mm 左右。。。。。。。本课题组接纳有限元剖析辅助成形了一种典范Ti55粉末钛合金薄壁异形筒体结构，，，，，，如图11[63]所示。。。。。。。工件的长度约720 mm，，，，，，要害尺寸误差小于2%。。。。。。。

4、 钛铝金属间化合物研制

4.1 粉末冶金g-TiAl合金的制备与性能

作为高温结构质料的g-TiAl合金，，，，，，因其密度低、比强度高、高温性能优异，，，，，，从而具有优异的应用远景，，，，，，可是低室温延展性和极差的热机械加工特征极大地限制了其应用[7,66~70]。。。。。。。接纳预合金粉末热等静压近净成形工艺能够制备显微组织匀称、晶粒细小、无宏观偏析的 g-TiAl 合金和构件，，，，，，战胜了细密铸造难以阻止的铸造缺陷[71~74]。。。。。。。本课题组从2003年起开展了粉末冶金 g-TiAl 合金的研制，，，，，，先后解决了匀称化g-TiAl 合金清洁熔炼难题，，，，，，掌握了清洁预合金粉末制备和预处置惩罚手艺，，，，，，通过在低碳钢包套上烧结陶瓷涂层来抑制包套质料与 g-TiAl 合金的界面反应，，，，，，提高了热等静压温度，，，，，，进而确保了粉末质料的致密度和优异的组织性能。。。。。。。

g-TiAl合金中g∶a2相比例通常约为85∶15，，，，，，但快速凝固的预合金粉末具有a2相比例很高的非平衡结构。。。。。。。因氧在a2相中的消融度比在g相中的消融度高至少30倍，，，，，，预合金粉末袒露于大气时极易爆发氧沾污并在其外貌形成坚硬的富氧a2层[18]。。。。。。。经由真空除气预处置惩罚，，，，，，粉末压坯中杂质元素O、N与H的含量不会爆发显着转变，，，，，，但粉末合金内部孔隙数目和漫衍 有显着差别，，，，，，预处置惩罚后粉末合金样品孔隙缺陷显着镌汰，，，，，，室温塑性凌驾1.5%的样品比例是未预处置惩罚样品的1.75倍，，，，，，高周疲劳寿命提升1个数目级。。。。。。。因此，，，，，，真空除气预处置惩罚十分须要。。。。。。。

图 12[75]给出了铸造和粉末 g-TiAl 合金中 g 相的晶粒取向图。。。。。。？？？？？？？杉，，，，，，铸造g-TiAl合金晶粒粗大，，，，，，尺寸在3100~600 mm之间且不匀称，，，，，，呈显着的铸造织构，，，，，，经事后续热等静压及热处置惩罚后铸造织构依旧保存，，，，，，因此铸造合金泛起各向异性，，，，，，造成现实构件力学性能的离散。。。。。。。粉末 g-TiAl 合金晶粒细小匀称，，，，，，尺寸在5~10 mm之间，，，，，，无显着的织构，，，，，，接纳粉末冶金工艺制备粉末g-TiAl合金构件时能够包管整体性能的一致性和稳固性。。。。。。。

表 4[77]比照了名义因素相同的铸造与粉末 g-TiAl合金的力学性能。。。。。。？？？？？？？杉勰ゞ-TiAl合金的室温顺650 ℃高温拉伸强度与塑性均优于铸造g-TiAl合金。。。。。。。图 13 为本课题组研制的 g-TiAl 粉末冶金汽车联轴杆和航空发念头叶环结构模拟件[18]。。。。。。。

4.2 粉末冶金Ti2AlNb合金的制备与性能

1988 年，，，，，，Banerjee 等[76]发明的金属间化合物Ti2AlNb在20世纪90年月被生长成具有起源应用价值的高温结构质料，，，，，，又称O相合金，，，，，，其Nb含量(原子分数)介于 15%~27%之间。。。。。。。Ti2AlNb 合金是第二代Ti3Al系金属间化合物合金，，，，，，是现在海内外研究的热门，，，，，，也是最有工程应用远景的金属间化合物结构质料之一[77~89]。。。。。。。经20年的研发，，，，，，许多学者在Ti2AlNb基合金的因素设计、相结构和相关系，，，，，，热加工工艺，，，，，，显微组织与力学性能的研究方面取得了较大希望，，，，，，变形 Ti2AlNb 合金已靠近适用化水平，，，，，，但由于 Ti2AlNb基合金热变形抗力大，，，，，，有用加工窗口窄，，，，，，合金力学性能对化学因素和显微组织很是敏感，，，，，，制约了其大规模的推广应用[90,91]。。。。。。。

接纳预合金粉末热等静压工艺能够解决铸造和变形 Ti2AlNb 合金宏观因素偏析和微观组织不匀称等问题，，，，，，可以成形大尺寸重大构件且质料因素和微观组织匀称，，，，，，性能一致性好。。。。。。。通过 Micro-CT 剖析(图 14[92])发明，，，，，，Ti2AlNb 铸造时易导致 Al 和 Nb 等合金元素沿铸造流线偏向偏析，，，，，，而粉末合金无显着因素偏析[92~95]。。。。。。。

中国科学院金属研究所剖析了热等静压温度对粉末Ti2AlNb合金致密化水平的影响[92]。。。。。。。团结Ti2Al-Nb合金相图和典范热机械变形温度，，，，，，选取的热等静压 温 度 区 间 是 980~1030 ℃ 。。。。。。。 结 果 表 明 ，，，，，，经 过1030 ℃、140 MPa、3 h热等静压的粉末压坯，，，，，，其原始颗粒界线基本消除，，，，，，粉末颗粒完全熔合。。。。。。。

Ti2AlNb 合金在温度转变时会爆发 a2和 O 相向B2 相的转变，，，，，，相变历程可逆，，，，，，这将影响合金的力学性能。。。。。。。由于Ti2AlNb合金中B2/b相含量与温度关系曲线的斜率较古板钛合金以及 Ti3Al 基合金小，，，，，，Ti2AlNb合金的热处置惩罚工艺窗口调解规模越发宽泛，，，，，，客 观 上 造 成 了 优 化 热 处 理 工 艺 窗 口 的 困 难[44]。。。。。。。

Ti2AlNb合金经固溶热处置惩罚获得B2相主导的等轴组织，，，，，，其室温拉伸性能对初生等轴a2相含量敏感。。。。。。。前期研究[92]批注，，，，，，固溶处置惩罚温度对证料的组织与性能影响最为显著(图15 [92])。。。。。。。为了实现粉末冶金Ti2AlNb合金较好的强度与塑性匹配，，，，，，优选 980 ℃作为固溶处置惩罚温度。。。。。。。

工程应用需要合金具有较好的综协力学性能匹配，，，，，，因此需要对粉末合金举行时效处置惩罚。。。。。。。粉末Ti2AlNb 合金响应的拉伸性能及高温长期(650 ℃、360 MPa)寿命列于表5[93]。。。。。。？？？？？？？杉，，，，，，通过粉末热等静压工艺制备出的粉末Ti2AlNb合金晶粒细小匀称、冶金团结优异；；；；；；室温、高温拉伸性能和长期寿命与变形合金具有可比性[93]。。。。。。。

5、 粉末致密化的有限元仿真

在热等静压致密化历程中粉末/包套体的体缩短可达30%。。。。。。。云云大的致密化变形缩短量给粉末构件尺寸控制带来极浩劫度。。。。。。。粉末在高温高压下的致密化历程很是重大，，，，，，同时粉末冶金制品的生长趋势为大型化、重大化和高精度，，，，，，而古板的“试错法”费时艰辛，，，，，，研发周期长，，，，，，已不可知足应用需求。。。。。。。有限元模拟可以提升效率，，，，，，快速优化出最佳的实验计划，，，，，，因此开展粉末热等静压成形历程的有限元模拟具有主要意义。。。。。。。

本课题组自 2003 年起开展了有限元展望粉末致密化历程中的缩短行为的研究，，，，，，现在已具备盘算机仿真和模具设计能力，，，，，，并建设了钛合金模拟展望所必需的质料实验数据库。。。。。。。构件模拟展望的尺寸从直径 50 mm 到 1000 mm，，，，，，模拟的构件结构包括简朴回转体、具有关闭型腔的对称结构、薄壁异形结构、截面尺寸转变大的轴对称结构等，，，，，，要害尺寸的模拟 误差小于2%[51,60]。。。。。。。

5.1 钛合金叶轮成形的有限元模拟与验证

叶轮零件是典范的回转体构件，，，，，，取某一对称截面的 1/2 举行二维模拟剖析。。。。。。。粉末坯料尺寸缩短模拟效果如图 16[51]所示，，，，，，叶轮构件在热等静压成形时轴向缩短约 22%，，，，，，径向缩短约 13%。。。。。。。粉末填充后举行热等静压成形，，，，，，经机加工-酸洗工艺去除包套/模具后获得的叶轮毛坯件如图7所示。。。。。。。对叶轮毛坯件举行剖切，，，，，，现实尺寸和零件设计尺寸的比照效果如 表 6 所示。。。。。。。有限元仿真可以优化包套/模具设计，，，，，，钛合金粉末零件的模拟误差可以控制在2%以内，，，，，，将有限元展望的效果用于模具的设计可以显著提高研制效率，，，，，，缩短研制时间，，，，，，有用镌汰试错次数。。。。。。。接纳有限元模子展望型腔尺寸缩短，，，，，，优化刷新模具设计后制备的毛坯件知足设计要求的±0.3 mm尺寸精度。。。。。。。

5.2 粉末Ti2AlNb合金致密化历程的有限元模拟包套是粉末合金热等静压成形所需的容器，，，，，，将直接影响粉末热等静压制品的冶金质量和外观尺寸。。。。。。。在举行现实重大构件热等静压致密化时，，，，，，热等静压温度、压力、升温速率、降温速率和包套形状及尺寸等工艺参数的转变均会导致致密化历程的差别[96~106]，，，，，，特殊是当构件尺寸较大时，，，，，，从包套外貌到粉末构件内部的热等静压致密化历程差别可能十分显著，，，，，，先焊合的粉末形成一层坚硬的壳层，，，，，，该层壳对随后的粉末致密化起阻碍作用，，，，，，这种征象被称为“不匀称致密化”。。。。。。。图17为热等静压不匀称致密化模子的示意图。。。。。。。

不匀称致密化会导致粉末体各部位致密化水平和缩短变形的不匀称，，，，，，从而造成粉末构件各部位力学性能的散差。。。。。。。对 Ti2AlNb 现实粉末冶金部件的截面特征(图18)举行等效简化，，，，，，设计了2种尺寸的圆柱形包套剖析不匀称致密化对粉末 Ti2AlNb 合金综协力学性能的影响。。。。。。。有限元模拟效果(图 19[65])显示，，，，，，当包套内径为 20 mm 时，，，，，，粉末坯料中心处粉末 Ti2AlNb合金相对密度漫衍于99.2%~99.4%，，，，，，坯料相对密度漫衍匀称；；；；；；当包套内径抵达80 mm时，，，，，，坯料中心处粉末 Ti2AlNb 合金相对密度漫衍于 98.86%~99.35%，，，，，，相对密度漫衍不匀称。。。。。。。且包套内径尺寸较小时，，，，，，Ti2AlNb粉末坯料的致密度较高。。。。。。。

实验研究[67]批注，，，，，，包套尺寸的转变对粉末Ti2Al-Nb合金室温及650 ℃拉伸性能影响不显著，，，，，，但对高温长期寿命影响显著，，，，，，接纳小内径包套制备的粉末Ti2AlNb 合金高温长期寿命比大内径包套约提高22%。。。。。。。通过有限元展望粉末合金的致密度转变，，，，，，展望效果可以用来指导热等静压工艺参数简直定，，，，，，从而使具有重大形状及尺寸的粉末 Ti2AlNb 合金构件各部位的致密化历程匀称举行，，，，，，进而提高质料的综协力学性能，，，，，，尤其是高温长期寿命[65]。。。。。。。

6、 结语与展望

钛合金粉末近净成形工艺本钱较高是限制其生长的一个问题，，，，，，随着工件形状尺寸庞洪水平的提高，，，，，，包套/模具的制备和热等静压成为本钱的主要因素，，，，，，有限元模拟仿真和工件的批量化生产能够显着降低工艺本钱。。。。。。。由于粉末热等静压近净成形的高手艺应用配景，，，，，，粉末缩短专用模拟软件无法获得，，，，，，只能自主开发。。。。。。。高性能粉末钛合金热等静压近净成形手艺要 实现大规模推广应用，，，，，，仍需要开展系统的工程化应用研究。。。。。。。未来生长重点包括对性能和本钱等有主要影响的制粉手艺，，，，，，低本钱高精度近净成形模具质料与加工手艺以及盘算模拟设计手艺。。。。。。。同时致密化、显微组织演变等机理性研究对粉末钛合金手艺特殊是难变形高温钛基质料的应用将起到直接推行动用。。。。。。。别的，，，，，，在模具去除历程中接纳的电化学侵蚀工艺对情形的攻击和影响也是该手艺生长历程中亟待解决的问题。。。。。。。

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