現代技術的不斷發展進步推動材料向著高效能和高性能的方向發展，高溫結構材料領域的發展進步尤為明顯。鈦合金由于其低密度、高比強度、良好的抗蠕變性和耐腐蝕性，越來越受到學者的關注。通過對其不斷的設計和改進，鈦合金在航空航天、武器裝備領域得到了極大的應用[1-3]。鈦合金的原材料成本較高，傳統的加工方式鑄造、鍛造加工工序復雜且材料利用率僅有 30%，鑄件易產生氣孔，夾雜和元素偏析等缺陷，在加工制備過程中易發生氧化。這些缺陷都嚴重制約了鈦合金構件的力學性能和使用條件，限制了鈦合金工業化應用的擴大發展[4]。
熱等靜壓粉末冶金技術將復雜零件的模殼與型芯相結合，與傳統鈦合金鑄造、鍛造制造工藝相比，熱等靜壓粉末冶金具有以下優勢：
（1）產品致密度高，均勻性好，綜合力學性能優異。相比于冷等靜壓，電火花燒結等傳統粉末冶金成形方式。經過粉末冶金熱等靜壓制備的產品致密度接近 100%，綜合力學性能與鍛造構件相當[5]；
（2）構件結構適應性廣，通過包套和型芯的組合可滿足復雜形狀產品的整體成形需求，且尺寸精度達到 0.2mm，表面質量高、機加工量少。
（3）提高材料利用率，相比于傳統鑄造、鍛造工藝。熱等靜壓粉末冶金技術的材料利用率大于 50%，具有工藝方法簡單，生產周期短的特點[6-7]。
鈦合金粉末冶金熱等靜壓技術優勢明顯，受到國內外學者的廣泛關注，相關技術和理論的研究越來越深入。向著形狀復雜、質量要求高的產品、航空航天、艦船深潛等重要領域發展，并不斷在汽車等民用產業上得到應用[8-11]。本文對目前國內外鈦合金粉末冶金熱等靜壓技術的工藝、設備和理論研究進行了介紹，并對未來發展方向進行了簡要分析。
1、鈦合金粉末冶金熱等靜壓技術
粉末冶金成形工藝是將金屬或預合金粉末直接制備成形零件凈尺寸的一種加工方式，制備的零件組織均勻，性能優異，且材料利用率高，主要的制備方法有真空燒結、熱等靜壓、注射成形和增材制造等[12]。
熱等靜壓是高品質材料生產和制備必不可少的手段。將鑄件或填裝金屬粉末的包套放入熱等靜壓機內，采用惰性氣體作為壓力傳遞介質，熱等靜壓機中的包套和鑄件在高溫環境中承受來自全方位均勻的壓力[13]。加熱溫度通常為金屬粉末的0.6~0.7Tm（金屬熔點），壓力控制為 90~2 000 MPa，熱等靜壓時間為 2~5 h，最終得到致密化的組織[14]。
熱等靜壓過程使內部的孔隙和微裂紋等缺陷閉合，起到提高鑄件整體力學性能的目的[15]。粉末冶金包套內的金屬粉末在高溫下發生軟化，在高壓作用下包套受到擠壓使軟化的金屬粉致密并成形。
熱等靜壓粉末冶金技術主要步驟包括：制粉并根據成形零件尺寸設計制作包套和型芯，包套檢漏后將金屬粉末填充進包套并壓實，真空除氣后封焊包套，熱等靜壓處理后，采用機加工或酸蝕的方法去除包套，最后通過局部精加工得到成品零件，如圖1所示[16-17]。
選取高性能的鈦合金粉末，并加以嚴格的生產工藝控制，最終得到的熱等靜壓粉末冶金鈦合金構件的力學性能已經接近或部分優于鍛造鈦合金。優異的力學性能是一方面由于在高溫均質壓力下，零件致密度高、均勻性好。另一方面燒結溫度在 β相相變點以下，可以將鈦合金粉末制備過程中快速凝固形成的細小組織充分保留，使最終得到的材料晶粒細小均勻[18]。
2、鈦合金熱等靜壓設備技術及其發展現狀
熱等靜壓是粉末冶金近凈成形技術的重要的成形方式，1955 年美國 Battle 研究所以核反應堆材料擴散粘結為背景，成功研制出世界上第一臺熱等靜壓機。20世紀60年代，NUCLEAR METALS公司氣體霧化法制粉相關技術的研制成功，進一步促進了金屬粉末冶金技術與熱等靜壓技術相結合。70年代，美國和瑞士相繼使用熱等靜壓設備生產高速工具鋼。80 年代美國空軍實驗室最早將該技術擴展到鎳基高溫合金和鈦合金成形上。經過近 70 年的發展和完善，熱等靜壓技術已經廣泛應用于航空、航天、核材料、高溫合金和陶瓷材料等領域，并向著智能化、自動化、大型化、安裝方便和安全可靠等方向發展[19-20]。
國際上熱等靜壓設備的關鍵技術主要掌握在美國、俄羅斯、日本、中國等少數國家。其中總部位于瑞士的著名熱等靜壓企業 ABB 公司的相關技術儲備處于世界領先地位，并于1990年建立了一套完整的熱等靜壓近凈成形生產線，包括粉末制備、模具軟件模擬與設計加工和熱等靜壓成形[21]。2007年瑞典AVURE公司為日本建造了當時全球最大的熱等靜壓機，高度超過12.6 m，總質量約為550 t，熱等靜壓系統的直接工作區域為1.8 m×3.3 m，極限工作溫度為 1 150 ℃，最高工作壓力為 104 MPa，并采用電腦和PLC全程控制，主要應用于粉末冶金不銹鋼產品的生產。
國內熱等靜壓設備研發起步較晚，主要研發基地為北京鋼鐵研究總院和航空工業川西機器有限責任公司[22]。鋼鐵研究總院從 1972 年開始進行中國第一臺熱等靜壓機的研究，是中國最早從事熱等靜壓設備的研究、開發、設計、生產應用的科研院所，已經開發出3個系列，數10種型號的產品，主要技術指標達到了國際領先水平。航空工業川西機器有限責任公司是我國最早從事生產冷等靜壓裝備的企業，在國家重大科技裝備基金的支持下重點研發熱等靜壓技術。經過 3 年多技術攻關，在 2008年成功交付航空工業貴州安吉精鑄公司1臺國內最大的熱等靜壓機[23]。在2018年1月為核工業西南物理研究所研制成功了具有射流式均勻快冷技術的大型熱等靜壓設備，填補了國內射流式均勻快冷技術的空白。該設備在 ?1 250 mm 的工作區域內，最高工作高度為1 800 mm，最高工作壓力為200 MPa，最高工作溫度為 1 400 ℃，主要用于我國熱核聚變人造太陽異種材料的擴散連接。
3、鈦合金粉末的制備及發展現狀
鈦合金粉末的質量決定粉末冶金熱等靜壓構件的力學性能，不同方式制備的鈦合金粉末的形狀、尺寸、流動性都不相同，極大影響粉末冶金近凈成形產品的質量[24]。
氣體霧化法使熔融的金屬在霧化室內被高速氣流粉碎成小液滴，最終冷卻成金屬粉末。所制備的金屬粉末粒度為 50~300 μm，如圖 2（a）所示[25]。
氣體霧化法最早由美國 Crucible Materials corpora-tion公司發明。但由于氣體霧化時會發生部分金屬液滴包裹惰性氣體，而使鈦粉中留下氣孔形成空心粉[26]，在熱等靜壓過程中空心粉內的惰性氣體氣體很難完全釋放，從而對成品件的致密度和疲勞性能造成影響。根據形成的金屬液滴的方式不同可分為真空感應熔煉氣霧化(VIGA）、電極感應熔煉氣
體霧化法(EIGA）、等離子霧化法(PA)，如圖 2（b）所示。鈦合金的熔點高，并且性質活潑，因此容易與坩堝發生反應引入雜質元素。隨著冷坩堝技術的成熟和懸浮熔煉技術的突破，冷坩堝和無坩堝技術被引入到預合金粉末的制備中[27]。
離心霧化法的原理是借助金屬液高速旋轉產生的離心力在容器內凝結成粉末[28]。可以分為等離子旋轉電極霧化法(PREP)如圖2（c）所示、電子束旋轉盤法(EBRD)、激光旋轉霧化法(LSA)3 種方式。
等離子旋轉電極霧化法(PREP)是離心霧化法中應用最廣的一種方式，原理是將圓棒狀的鈦合金電極在高速旋轉的過程中，利用放電等離子體產生的高溫將電極一端熔化，熔化的合金在離心力的作用下被高速甩出電極端面，合金液滴在霧化室內被高純惰性氣體進一步粉碎，并快速冷卻形成粉末。其制備的粉末粒度為 150~250 μm，制備的粉末球形度高，流動性好，衛星球少，致密度高[29]。
離心霧化法和氣體霧化法相比，避免了高速氣流沖擊金屬液滴導致空心粉的產生，而且粒度分布更窄，粉末品質更高,但是其生產效率低、設備成本和制造成本高等問題，使其制備的鈦粉只能應用于航空航天等高端產品[30]。國內機械科學研究總院鄭州機械研究所研制成功了首臺大型等離子旋轉霧化制粉設備，可應用于高品質鈦合金粉末的制備。氣體霧化法和等離子旋轉電極霧化法是當今最主要的鈦與鈦合金的預合金粉末制備方法，主要面向航空航天等高尖端領域，而普通汽車或民用領域則會選用成本較低的元素混合法或氫化脫氫法制備的鈦粉。目前全球球形鈦粉的需求總量為150~350 t[31]，隨著增材制造和粉末注射成形技術的推廣和近凈成形技術的成熟，球形粉末的需求會急速增長，未來鈦與鈦合金粉末的研究方向依然為降低粉末雜質含量，降低粉末顆粒度和降低成本等[32-33]。
4、HIP近凈成形過程的致密化和模型研究進展
在熱等靜壓過程中，包套受到的溫度和壓力為各向同性，包套實際收縮率大于 30%，且粉末材料受到工藝參數、材料屬性和零件結構的影響，導致零件收縮不均勻，形狀發生較大的變化[34]。在實踐中軸向與徑向的收縮比例差距較大，當設計包套加入型芯時，零件的尺寸變化將更加復雜[35]。過去很長一段時間，粉末冶金研究人員還是采用傳統的“試錯法”，通過反復試驗來不斷修正包套的尺寸數據，并在復雜尺寸處增加加工余量，來最終獲得符合尺寸要求的零件。這種方法不僅需要設計者具有豐富的經驗，并且要消耗大量的人力和物力成本，技術穩定性和可靠性差，最終通過機械加工去除余量也違背了熱等靜壓近凈成形發展方向。因此掌握粉末致密化過程的變化規律，通過計算機技術把 CATIA、UG、3D/CAD、Pro E、等三維造型軟件和 MSC、Marc、ABAQUS 等有限元仿真軟件功能相結合，研究關鍵尺寸收縮規律，對包套的關鍵尺寸進行輔助設計和預測，將包套設計、鈦合金HIP中的致密化過程以及粉末冶金產品的模擬仿真相結合，最終節約了成本，提高了工作效率，為HIP工藝制備各種工程構件提供了有力支持［35］。
熱等靜壓過程的數學模型，一般為建立在有限元方法上的數值模擬，來預測熱等靜壓過程中包套和粉體的變形過程，已成為熱等靜壓領域重要的研究方向。英國伯明翰大學的 YUAN 等以多孔材料的塑性變形理論為基礎，利用 ABAQUS /CAE 來模擬預測鈦合金粉末在熱等靜壓過程中的收縮變形，并研制了復雜的鈦合金外涵道縮比件，零件尺寸和
模擬結果的誤差在 2% 以內，對實際生產有重要的指導意義[36]。Teraoku T 等[37]修正了 Shima 模型，對致密程度差距較大的多個 TC4 試樣進行壓縮比測試，利用有限元模擬的方法對TC4粉末熱等靜壓渦輪葉片進行模擬，實際模擬和零件尺寸非常接近。
我國中科院金屬所徐磊團隊 2003 年開始鈦合金粉末有限元致密化過程的研究，通過建立鈦合金模擬預測計算數據庫，已經做到簡單回轉體、復雜薄壁異形結構件、復雜封閉型腔對稱件的尺寸模擬。構件的尺寸模擬范圍為 50~1 000 mm，關鍵尺寸的誤差范圍小于 2%[38]。華中科技大學李少波等[39]通過致密化數學模型建立 HIP 圖的方式，對陶瓷材料熱等靜壓過程進行計算模擬，將模擬結果和實驗數據進行對比，其誤差范圍在0.35%以下，證明可以通過HIP圖對工藝參數進行優化。東北大學郭瑞鵬等[40]選用Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn兩種材料，采用有限元模擬計算熱等靜壓過程中包套的收縮變形，如圖3所示，實驗結果與構件尺寸誤差在接受范圍內。
5、國內外鈦合金粉末冶金熱等靜壓的應用與發展
粉末冶金熱等靜壓技術由于其較高的材料利用率、接近鍛件的綜合力學性能受到了國外學者的廣泛關注。但受到技術水平的限制，核心技術主要集中在歐美、俄羅斯、日本等發達國家手中。在鈦合金粉末冶金領域，美國主要專注于航空航天等軍事領域的應用。在發動機上的應用最初局限于非承力部件，如通用電器公司制造的GET73渦輪噴氣發動機軸承座的毛坯件，由于尺寸精度高，切削加工量少，相比于鍛材的加工成本降低了25% 以上[41]。隨著技術的進步革新，鈦合金粉末冶金技術已經應用到承力部件上，如戰斧巡航導彈
F107 發動機葉輪和轉子等。在飛機零部件上的應用更加廣泛，從 F-14 戰斗機的鈦合金支撐桿、機身支柱，F-15戰斗機的TC4合金的龍骨機頭到F-18大黃蜂戰斗機的引擎固定支架，都使用了粉末冶金熱等靜壓的工藝。材料的利用率從鑄鍛工藝的10%~35%上升到50%~60%，成本普遍降低25%以上[42-43]。
歐洲國家的鈦合金熱等靜壓近凈成形技術專注于大型的復雜構件，經濟效益相比傳統鑄鍛工藝生產的產品更加顯著，尤其是復雜構件和大尺寸構件。德國 Krupp 公司最初采用陶瓷包套，生產了薄壁變曲面的鈦合金葉輪。法國 Ariane 空間火箭上的Vinci發動機采用粉末冶金制造的液氫葉輪，不僅降低了發動機質量，提高了推進比，而且延長了發動機的服役時間[44]。法國賽峰的飛機發動機配套公司，為了降低鍛造和五軸機床的成本并優化加工效率 ，開發了 ISOPREC?粉末鈦熱等靜壓技術 ，研制了用于液氫渦輪泵的低溫鈦合金葉輪 ，可以在-253 ℃和550 m/s的低溫、高速環境下穩定運行[45]。
我國在鈦合金熱等靜壓粉末冶金領域起步較晚，但隨著航空航天和軍事領域的迫切需求，北京航空材料研究院、航天材料及工藝研究所、中科院金屬所、華中科技大學等科研院校近幾年在粉末冶金熱等靜壓領域取得了大量的成果。
北京航空材料研究院最早致力于發動機零部件粉末冶金近凈成形的研究，使用熱等靜壓設備對高溫合金、鈦合金粉末冶金渦輪進行整體成形，產品力學性能與同質鍛件相當，達到國外先進水平[46]。
為了實現葉盤和葉片材料的最佳組合，采用固態相連技術制備雙合金，使用熱等靜壓工藝制備粉末高溫合金盤件部位，并與鑄造合金的葉片部位連接起來，達到了降低質量、提高推進比，提高渦輪使用的溫度并延長壽命的作用。航天材料及工藝研究院是國內最早開展鈦合金粉末冶金熱等靜壓工藝的研究院所之一，產品覆蓋航空、航天、航海多個領域，并在多個型號上實現批量生產，研制產品的牌號包括 TC4、TC11、TA7、TA15，研究的主要方向有筒形艙體、舵翼骨架件和復雜薄壁異形曲面部件，力學性能達到鍛件要求 ，尺寸精度優于 0.2 mm。
其中粉末冶金構件 TA15 翼骨架的最大尺寸達 2200 mm[30]。中科院金屬材料研究所鈦合金研究部主要從事高強鈦合金和高溫、低溫鈦合金的研究，采用熱等靜壓方法制備 Ti-5Al-2.5SnELI 粉末冶金氫泵葉輪，尺寸精度、綜合力學性能優異，成功完成了長征5號火箭發動機的發射任務。粉末冶金制備的 Ti55 合金薄壁異形筒體和 Ti2AlNb 復雜環形件，
具有成分均勻和尺寸精度高，復雜曲面直接成形，綜合力學性能優異等特點[38]。華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室與歐洲的高校和企業展開廣泛合作，利用其在計算模擬仿真近凈成形上的優勢，不斷優化包套設計，研究粉末材料在高溫高壓耦合作用下的致密化及組織演變規律，多約束條件下零件致密化過程的變化規律，在鈦合金整體葉盤、渦輪和機匣件的模擬和成形上取得的突破，成功制備了航空航天發動機關鍵部件，其力學性能與鍛件相當，且零部件精度較高[23,47]。
6、結語與展望
粉末冶金熱等靜壓技術因材料利用率高、綜合力學性能接近鍛件產品、對形狀復雜的構件近凈成形度高、產品生產周期短等特點，廣泛應用于航空航天領域，但是小批量的鈦合金粉末冶金熱等靜壓工藝成本較高，在復雜構件包套設計制造、熱等靜壓設備的使用和高純制粉上的支出嚴重限制其在民品市場的大范圍應用。計算機有限元模擬與仿真技術的出現已經降低了包套設計的技術門檻，但相關軟件如何與實際生產相結合，進一步降低成本還值得深入研究。粉末冶金致密化機理和模型的研究還不夠深入等問題都是下一部研究的重點，鈦合金粉末冶金熱等靜壓技術的發展仍然任重道遠。
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