2022 年 8 月

第 43 卷 第 8 期

推 進(jìn) 技 術(shù)

JOURNA L O F PRO PU L S ION TECHNO LOGY

Aug. 2022

Vol.43 No.8

200967-1

復(fù)雜鈦合金進(jìn)氣道熱等靜壓近凈成形技術(shù)研究 *

張海洋，史金靚，張緒虎，陰中煒，鄧太慶，許秀芝

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

摘 要：沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道是一種復(fù)雜異形薄壁鈦合金構(gòu)件，成形難度非常大。以 TA15 鈦合金

粉末為原材料，利用熱等靜壓近凈成形技術(shù)在國(guó)內(nèi)首次研制成功進(jìn)氣道，實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的一次成

形，并成功通過(guò)飛行考核。從進(jìn)氣道本體取樣，測(cè)試了不同位置的組織。結(jié)果表明：熱等靜壓 TA15

鈦合金不同位置組織均勻性好，主要以板條狀或片層狀 α相為主。在粉末顆粒邊界大應(yīng)變帶周?chē)植?/p>

著等軸α相，相間分布少量的細(xì)小β相。測(cè)試了材料各項(xiàng)性能，其平均室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)

率、斷面收縮率、500℃抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性和沖擊韌性分別為 995MPa，924MPa，18.2%，43%，

673MPa，90.6MPa·m1/2

和51.4J/cm2

，各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)均達(dá)到了GJB2744A-2007中規(guī)定的TA15鈦合金鍛件

的水平，綜合性能良好。

關(guān)鍵詞：沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；進(jìn)氣道；鈦合金；薄壁結(jié)構(gòu)；成形技術(shù)；力學(xué)性能；熱等靜壓

中圖分類(lèi)號(hào)：TG146.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-4055（2022）08-200967-07

DOI：10.13675/j.cnki. tjjs. 200967

Near-Net-Shaping Hot Isostatic Pressing of Complicated

Titanium Alloy Air Inlet

ZHANG Hai-yang，SHI Jin-liang，ZHANG Xu-hu，YIN Zhong-wei，DENG Tai-qing，XU Xiu-zhi

（Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology，Beijing 100076，China）

Abstract：The air inlet of the ramjet is a complex shaped thin-walled titanium alloy component，which is

very difficult to form. Using TA15 titanium alloy powder as the raw material，the air inlet was successfully devel?

oped for the first time in China by using near-net-shaping hot isostatic pressing technology. The overall struc?

ture was formed once，and the flight test was successfully passed. Samples were taken from the inlet body and

microstructure at different locations were observed. The results show that the microstructure of TA15 titanium

alloy is uniform at different positions，mainly lath-like or lamellar α-phase. Equivalent α-phase is distributed

around the large strain zone of powder grain boundary，and a small amount of β is distributed between phases.

The various properties of the material were tested. The average room temperature tensile strength，yield

strength，elongation，reduction of area，500℃ tensile strength，fracture toughness and impact toughness were

995MPa，924MPa，18.2%，43%，673MPa，90.6MPa·m1/2 and 51.4J/cm2

. All performance data have reached

the level of the TA15 titanium alloy forgings standard，which show excellent comprehensive performance.

Key words：Ramjet engine；Air inlet；Titanium alloy；Thin-walled structures；Forming techniques；

Mechanical performance；Hot isostatic pressing

* 收稿日期：2020-12-04；修訂日期：2021-06-03。

通訊作者：張海洋，碩士，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)闊岬褥o壓鈦合金近凈成形技術(shù)。

引用格式：張海洋，史金靚，張緒虎，等 . 復(fù)雜鈦合金進(jìn)氣道熱等靜壓近凈成形技術(shù)研究［J］. 推進(jìn)技術(shù)，2022，43（8）：

200967. （ZHANG Hai-yang，SHI Jin-liang，ZHANG Xu-hu，et al. Near-Net-Shaping Hot Isostatic Pressing of

Complicated Titanium Alloy Air Inlet［J］. Journal of Propulsion Technology，2022，43（8）：200967.）

復(fù)雜鈦合金進(jìn)氣道熱等靜壓近凈成形技術(shù)研究

200967-2

第 43 卷 第 8 期 2022 年

1 引 言

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)利用高速迎面氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后減

速使空氣增壓，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，適合高速飛行，

是目前高超聲速武器動(dòng)力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)［1-2］

。進(jìn)氣

道作為沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣裝置，是該型發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)

鍵核心構(gòu)件，材料一般選用鈦合金［3-4］

，其流道部分是

異形曲面，而且附屬結(jié)構(gòu)非常多，為了控制重量，壁

厚也非常薄，因此進(jìn)氣道是一種復(fù)雜異形薄壁鈦合

金構(gòu)件，成形難度非常大。目前國(guó)內(nèi)進(jìn)氣道的制造

工藝類(lèi)型非常多樣，但都是多種工藝組合疊加的形

式，包括分段鑄造+焊接、超塑成形+鑄造+焊接或者

3D 打印+鑄造+焊接等，所有的組合成形方式最后均

是需要通過(guò)焊接來(lái)實(shí)現(xiàn)整體成形，也都存在生產(chǎn)周

期長(zhǎng)、可靠性低、重量控制難度大、尺寸精度較低等

問(wèn)題。

熱等靜壓（HIP）近凈成形技術(shù)是近幾十年來(lái)發(fā)

展起來(lái)的新型成形技術(shù)，該技術(shù)以熱等靜壓設(shè)備為

基礎(chǔ)，通過(guò)將粉末加熱到一定溫度，在高溫高壓下實(shí)

現(xiàn)粉末材料致密和成形。該技術(shù)和鑄造技術(shù)類(lèi)似，

首先是根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的模具（行業(yè)內(nèi)稱(chēng)之

為包套），包套通過(guò)各種方式裝配后形成類(lèi)似產(chǎn)品形

狀的空腔，將粉末裝入空腔中，氬弧焊接后形成一個(gè)

密閉空間，通過(guò)預(yù)留的除氣管將密閉空間抽真空，達(dá)

到一定真空度后封焊，然后進(jìn)行熱等靜壓處理，粉末

在高溫高壓下經(jīng)歷粒子重排、塑性變形和擴(kuò)散蠕變

后達(dá)到完全致密，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件成形，最后采用機(jī)加和

化學(xué)方式將包套去除，即可得到熱等靜壓構(gòu)件，工序

流程如圖 1 所示。

與傳統(tǒng)的鑄、鍛等技術(shù)相比，高性能鈦合金熱等

靜壓近凈成形技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）材料性能高，可

全面達(dá)到不低于鍛件的水平；（2）具有較強(qiáng)的成形能

力，易于制備形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，可制備出大型、整體、

復(fù)雜形狀構(gòu)件；（3）高性能粉末鈦合金材料可實(shí)現(xiàn)全

致密，無(wú)氣孔、縮孔等內(nèi)部缺陷；（4）組織均勻細(xì)致，

無(wú)織構(gòu)、偏析，殘余應(yīng)力小，尺寸穩(wěn)定性好；（5）易于

實(shí)現(xiàn)多種功能鈦基復(fù)合材料構(gòu)件的制備［5-6］

。

由于技術(shù)自身具備的顯著特點(diǎn)，熱等靜壓技術(shù)

從誕生伊始就受到了廣泛關(guān)注，并且很早就開(kāi)始了

鈦合金材料的工藝研究。早在 20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)

Crucible 公司和 Grumman 公司利用粉末冶金陶瓷模

技術(shù)研制了大量的飛機(jī)、導(dǎo)彈用鈦合金復(fù)雜構(gòu)件，如

F101 壓氣機(jī)短軸、F14A 短艙骨架、F107 巡航導(dǎo)彈發(fā)

動(dòng)機(jī)離心葉輪、隱形轟炸機(jī)復(fù)雜骨架、航空發(fā)動(dòng)機(jī)支

架等［7］

。同期，俄羅斯輕合金研究院（VILS）也開(kāi)展了

利用粉末鈦合金 HIP 近凈成形技術(shù)生產(chǎn)飛機(jī)和火箭

發(fā)動(dòng)機(jī)部件的相關(guān)研究，最先研制出具有復(fù)雜流道

結(jié)構(gòu)的粉末鈦合金氫泵渦輪，并在 RD-0120 等型氫

氧發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了應(yīng)用［8］

。

目前，美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)和英國(guó)等國(guó)家都在該

技術(shù)領(lǐng)域投入了巨大了財(cái)力和人力。美國(guó) Synertech

PM 公司生產(chǎn)大量的鈦合金結(jié)構(gòu)件，包括火箭發(fā)動(dòng)

機(jī)、壓縮機(jī)、飛機(jī)機(jī)架以及油氣開(kāi)發(fā)和電力系統(tǒng)部

件，多數(shù)產(chǎn)品已大批量市場(chǎng)化。法國(guó)的 Vinci 公司利

用該技術(shù)制備了阿里安火箭的上面級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的

氫泵葉輪，在減少了該葉輪的零件個(gè)數(shù)和降低了生

產(chǎn)成本的同時(shí)，又增加了材料的服役性能。英國(guó)的

羅-羅發(fā)動(dòng)機(jī)公司與伯明翰大學(xué)聯(lián)合，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿

真模擬與 HIP 近凈成形技術(shù)相結(jié)合制備了鈦合金航

空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣，材料利用率超過(guò) 90%。借助于計(jì)算機(jī)

模擬技術(shù)系統(tǒng)研究粉末的收縮變形，并結(jié)合長(zhǎng)期的

實(shí)踐積累，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家突破了形變控制和性能優(yōu)

化等關(guān)鍵技術(shù)，使鈦合金熱等靜壓近凈成形技術(shù)在

近幾十年來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在航空航天領(lǐng)域已

經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一定規(guī)模的工程化應(yīng)用，并逐步擴(kuò)大到其

它行業(yè)［9-11］

。

中國(guó)從 20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始了熱等靜壓設(shè)備和

技術(shù)的研究，但鈦合金熱等靜壓近凈成形技術(shù)的研

究起步于 20 世紀(jì) 90 年代，主要研究單位包括航天材

料與工藝研究所、中科院金屬所、華中科技大學(xué)以及

北京航空材料研究院等科研院所。航天材料及工藝

研究所從 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)展該技術(shù)的研究，是中國(guó)

最早的研究單位之一，經(jīng)過(guò)近 30 年的持續(xù)努力，航天

材料及工藝研究所已經(jīng)掌握了生產(chǎn)鈦合金熱等靜壓

Fig. 1 HIP process flow chart 近凈成形復(fù)雜構(gòu)件的能力，研制了空氣舵、導(dǎo)彈殼體

推 進(jìn) 技 術(shù)

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第 43 卷 第 8 期 2022 年

等多個(gè)類(lèi)型典型產(chǎn)品，并在多個(gè)航空航天型號(hào)中得

到了應(yīng)用，占據(jù)了國(guó)內(nèi) 80% 以上的市場(chǎng)［5-6，12］

。

高性能的熱等靜壓近凈成形技術(shù)將鍛造與鑄造

兩種傳統(tǒng)成形方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，在制造復(fù)雜

結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件、重要件及大型鈦合金構(gòu)件方面有突出

的優(yōu)勢(shì)，可以制備高性能、低成本、近凈形、無(wú)缺陷的

產(chǎn)品，提高構(gòu)件可靠性，且工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、制造周期

短、加工量小、節(jié)省材料，產(chǎn)品組織均勻、殘余應(yīng)力

小、尺寸穩(wěn)定性好［12］

。本研究以 TA15 鈦合金粉末為

原材料，以沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道為目標(biāo)件，利用熱等靜

壓近凈成形技術(shù)成形了進(jìn)氣道，并分析了整體成形

進(jìn)氣道構(gòu)件的精度、微觀組織和各項(xiàng)力學(xué)性能，驗(yàn)證

了技術(shù)的可行性和先進(jìn)性，為以進(jìn)氣道為代表的復(fù)

雜薄壁鈦合金成形提供了新的技術(shù)途徑。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 TA15鈦合金粉末

實(shí)驗(yàn)采用西安歐中材料科技有限公司提供的等

離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的 TA15 鈦合金球形粉末，形貌

如圖 2 所示。粉末的球形度非常高，片狀、條狀、啞鈴

形的不規(guī)則顆粒的比例不超過(guò) 3%，粉末粒度分布在

45~250μm，振實(shí)密度接近 64%，粉末化學(xué)成分如表 1

所示。

2.2 熱等靜壓工藝

進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，最突出的特點(diǎn)是大長(zhǎng)徑

比和異形薄壁，構(gòu)件總長(zhǎng)超過(guò) 1m，截面輪廓尺寸約為

100mm×100mm，內(nèi)流道面為異形曲面結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)

減重，除部分安裝座和過(guò)渡位置外，其余主體位置的

厚度均為 2mm。

針對(duì)進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)熱等靜壓近凈成形包

套，材料選用低碳鋼，將加工好的包套組件先進(jìn)行預(yù)

裝配，然后采用手工氬弧焊的方式將包套組件組合

連接，包套焊接完成 后 從 預(yù) 留 的 裝 粉 孔 充 填 TA15

鈦 合 金 粉 末 ，通 過(guò) 機(jī) 械 振 動(dòng) 和 敲 擊 振 實(shí) 粉 末 。 裝

粉 完 成 后 ，通 過(guò) 預(yù) 留 的 除 氣 管 對(duì) 進(jìn) 氣 道 包 套 進(jìn) 行

高 溫 除 氣 ，除 氣 溫 度 為 650℃ ，真 空 度 要 求 小 于 5×

10-3

Pa，除 氣 完 成 后 封 焊 除 氣 管。對(duì)封焊完成后的

進(jìn)氣道包套進(jìn)行熱等靜壓，熱等靜壓工藝參數(shù)為溫

度 920℃，壓力 140MPa，保溫保壓時(shí)間 3h。設(shè)備采用

Quintus 公司的大尺寸熱等靜壓機(jī)，有效爐腔尺寸為

Φ1046mm×2500mm。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

熱等靜壓后采用機(jī)加工和電化學(xué)腐蝕的方法去

除進(jìn)氣道鋼包套，得到進(jìn)氣道構(gòu)件，如圖 4 所示，圖中

左側(cè)為進(jìn)氣道進(jìn)口端，右側(cè)為進(jìn)氣道出口端，以進(jìn)氣

道進(jìn)口端最左側(cè)上平面為基準(zhǔn)面，分別在距基準(zhǔn)面

10mm，500mm 和 1000mm 處取金相試樣，然后進(jìn)行鑲

樣、打磨和拋光處理，最后用 Kroll 試劑（Kroll 試劑為

2%vol HF，10%vol HNO3，其余為水）腐蝕約 20s。利

用 LEICA DM4000M 金相顯微鏡觀察微觀組織，利用

JSM-7900F 熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡配 Hikari xp 探

頭進(jìn)行電子背散射衍射（Electron back-scattered dif?

fraction，EBSD）測(cè)試。

采用相同處理工藝壓制進(jìn)氣道隨爐試樣，加工

成尺寸為 Φ300×500mm 的鈦棒。不規(guī)定取樣位置，從

中取樣加工成拉伸試樣、斷裂韌性試樣和沖擊韌性

試樣，按照 GB/T228 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室溫和高溫拉伸測(cè)試，

試驗(yàn)設(shè)備為 MTS 的 CMT5105 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。按照 GB/

T4161 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行斷裂韌性測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備為 Zwick 的

Fig. 3 Air inlet structure

Fig. 2 Morphology of TA15 titanium alloy powders

Table 1 Chemical composition of alloy powder

Al

6.16

C

0.004

V

2.06

N

0.013

Mo

1.56

H

0.0013

Zr

1.97

O

0.13

Si

0.015

Ti

Bal.

Fe

0.05

復(fù)雜鈦合金進(jìn)氣道熱等靜壓近凈成形技術(shù)研究

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第 43 卷 第 8 期 2022 年

RKP450 數(shù)字式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)。按照 GB/T229 標(biāo)準(zhǔn)

進(jìn)行沖擊韌性測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備為 Zwick 的 HFP5100 高

頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，最后利用 JSM-7900F 熱場(chǎng)發(fā)射掃描

電子顯微鏡觀察拉伸斷口形貌和微觀組織。

3 結(jié)果與討論

3.1 進(jìn)氣道構(gòu)件尺寸精度分析

圖 4 所示的進(jìn)氣道是國(guó)內(nèi)首次采用該工藝成形

出的復(fù)雜異形薄壁進(jìn)氣道，除安裝邊和安裝座留有

部分加工余量外，內(nèi)流道直接成形，后續(xù)不再加工，

最終產(chǎn)品順利通過(guò)飛行考核。

進(jìn)氣道對(duì)流道面的精度要求最高，采用三坐標(biāo)

測(cè)量機(jī)對(duì)剖切件的上、下流道面進(jìn)行尺寸測(cè)量，內(nèi)流

道輪廓實(shí)測(cè)尺寸和設(shè)計(jì)尺寸偏差如圖 5 所示，尺寸精

度達(dá)到了±0.3mm，相比其他組合工藝有明顯提升，組

合工藝由于最終都是通過(guò)焊接實(shí)現(xiàn)最終成形，流道

精度很難控制，該進(jìn)氣道最初方案是采用分段鑄造+

超塑成形+焊接方式成形，其最終流道的尺寸偏差均

在 1.2mm 以上，且數(shù)據(jù)離散型非常大。熱等靜壓鈦合

金構(gòu)件尺寸精度高的原因主要有以下三個(gè)方面：（1）

熱等靜壓成形過(guò)程不存在固液相變，始終是固態(tài)變

化過(guò)程。（2）雖然粉末振實(shí)密度約為 64%，意味著粉末

在熱等靜壓過(guò)程中有 36% 的收縮空間，但由于進(jìn)氣

道流道位置的厚度均為 2mm，成形過(guò)程中的實(shí)際變

形量非常小且可控。（3）包套設(shè)計(jì)過(guò)程中，成形流道

用的包套芯模采用的是實(shí)芯碳鋼，變形量小且維持

形狀能力強(qiáng)，而且設(shè)計(jì)時(shí)考慮了熱等靜壓過(guò)程中不

同線膨脹系數(shù)帶來(lái)的尺寸差異，進(jìn)一步提高了流道

的尺寸精度。

3.2 進(jìn)氣道微觀組織分析

從進(jìn)氣道本體的上、中、下三個(gè)位置分別取樣觀

察微觀組織，如圖 6 所示。三個(gè)位置 TA15 鈦合金微

觀組織狀態(tài)基本一致，都是由大多數(shù)白色相和相間

的灰色相組成，采用 EDS 對(duì)白色相和灰色相進(jìn)行成

分分析，發(fā)現(xiàn)白色相 Al元素含量更高，Mo 和 V 元素含

量更低，而且 TA15 鈦合金是近 α 型鈦合金，因此可以

判定白色相為 α 相，灰色相為 β 相。從整體組織形貌

看，粉末 TA15 鈦合金以板條狀、片層狀 α 相為主，在

粉末顆粒邊界周?chē)植贾倭康容S α 相，細(xì)小 β 相組

織在相間分布，比例很低。熱等靜壓 TA15 鈦合金組

織形貌區(qū)別于傳統(tǒng)的四種鈦合金組織形貌，介于網(wǎng)

籃組織和雙態(tài)組織之間，具有自己獨(dú)特的特點(diǎn)，可以

將其稱(chēng)之為類(lèi)網(wǎng)籃狀組織。組織的形成必然和成形

Fig. 6 Metallographic structure

Fig. 5 Dimensional deviation of the flow area

Fig. 4 Powder air inlet

推 進(jìn) 技 術(shù)

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過(guò)程密切相關(guān)，在熱等靜壓之前，粉末顆粒間緊密堆

積，相互間處于點(diǎn)接觸狀態(tài)，顆粒中不存在應(yīng)力和應(yīng)

變。熱等靜壓過(guò)程中，溫度、壓力逐漸上升，粉末顆

粒間的接觸點(diǎn)在溫度、壓力的作用下相互擠壓變形，

顆粒間接觸面積逐漸變大，接觸區(qū)域附近的形變?cè)?/p>

來(lái)越大，導(dǎo)致在顆粒邊界處發(fā)生晶格畸變，產(chǎn)生較為

集中的、較大的應(yīng)變能，形成邊界大應(yīng)變帶［13-14］

。大

應(yīng)變帶發(fā)生再結(jié)晶，形成一定量的等軸 α。顆粒內(nèi)

部應(yīng)變較小，再結(jié)晶的情況少，組織主要是板條狀、

片層狀 α 相，原始粉末顆粒采用超高速的等離子旋

轉(zhuǎn)電極方法制備，冷卻速度非?？?，內(nèi)部組織為非平

衡的針狀 α′ 馬氏體相，由于熱等靜壓溫度為 920℃，

處于 α+β 區(qū)的中部，比 TA15 鈦合金的相變點(diǎn)溫度低

近 70℃，因此 α′ 馬氏體相直接分解轉(zhuǎn)化為 α 相，細(xì)小

的 β 相則沿晶界析出，在熱等靜壓隨爐冷卻過(guò)程中，

細(xì) 小 的 α 相 逐 漸 粗 化 ，轉(zhuǎn) 變 為 板 條 狀 、片 層 狀

α 相［15-19］

。

通過(guò) EBSD 觀察三個(gè)不同位置的組織狀態(tài)，不同

位置的晶粒取向分布如圖 7 所示。從圖中可以看出，

不同位置的晶粒取向隨機(jī)分布，無(wú)任何方向性，這也

就是熱等靜壓工藝制備的粉末鈦合金材料各向同性

的原因。上、中、下三個(gè)位置的晶粒尺寸分別為 12.5，

12.1 和 11.6μm，由此可見(jiàn)熱等靜壓 TA15 鈦合金晶粒

尺寸細(xì)小，且不同位置的晶粒尺寸偏差很小，組織均

勻性好［20-22］

。組織均勻性好的原因主要是熱等靜壓

提供給包套的是各向同性靜水壓力和均勻溫度場(chǎng)，

不考慮包套厚度對(duì)壓力和溫度的屏蔽作用［23］，每個(gè)

位置的粉末顆粒受到的溫度和壓力是相同的，因此

塑性變形和擴(kuò)散蠕變狀態(tài)也基本相同，最終的組織

形態(tài)也基本一致。

3.3 材料拉伸性能分析

拉伸性能測(cè)試結(jié)果如表 2 所示。

從表中可以看出，熱等靜壓 TA15 鈦合金材料室

溫 下 的 平 均 抗 拉 強(qiáng) 度 Rm 和 屈 服 強(qiáng) 度 Rp0.2 分 別 為

995MPa 和 924MPa，同時(shí) 平 均 伸 長(zhǎng) 率 A 和 平 均 斷 面

收縮率 Z 也分別達(dá)到了 18.2% 和 43%。在 500℃下，

平 均 抗 拉 強(qiáng) 度 也 達(dá) 到 了 673MPa，超 過(guò) 鍛 件 指 標(biāo) 要

求 最 低 值 38MPa。 熱 等 靜 壓 鈦 合 金 材 料 力 學(xué) 性 能

的 數(shù) 據(jù) 全 面 達(dá) 到 了《航 空 用 鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》

（GJB2744A-2007）里規(guī)定的 TA15 鈦合金鍛件指標(biāo)，

而且數(shù)據(jù)的離散性非常小，性能非常穩(wěn)定，再一次印

證了熱等靜壓鈦合金材料的各向同性。

利用 SEM 觀察室溫拉伸試樣的斷口，1#拉伸試

樣的形貌如圖 8（a），（b）所示，斷口總體較灰暗，存

在明顯縮頸，是典型的杯錐狀斷口，在斷口的顯微圖

像上可觀察到大量韌窩，且邊緣處有剪切唇，可以看

出 材 料 的 韌 性 非 常 好 ，這 和 材 料 的 拉 伸 性 能 結(jié) 果

一致［23-24］

。

3.4 材料綜合性能分析

從進(jìn)氣道熱等靜壓隨爐試樣中取樣，加工測(cè)試

其斷裂韌性、沖擊韌性，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖 9，熱等靜壓

TA15 鈦合金平均斷裂韌性為 90.6MPa·m1/2

，平均沖擊

Fig. 7 Electron back-scattered diffraction

Table 2 Tensile property of material

Category

Room

temperture

Forging standard

500℃

Forging standard

Rp0.2/MPa

926

921

925

≥855

548

549

552

-

Rm/MPa

995

994

996

930~1130

674

667

679

≥635

A/%

17.0

19.0

18.5

≥10

19.0

17.0

23.0

-

Z/%

37

46

46

≥25

56

41

65

-

復(fù)雜鈦合金進(jìn)氣道熱等靜壓近凈成形技術(shù)研究

200967-6

第 43 卷 第 8 期 2022 年

韌性為 51.4J/cm2

。斷裂韌性反應(yīng)材料抵抗裂紋擴(kuò)展

斷裂的能力，沖擊韌性反應(yīng)材料對(duì)外來(lái)沖擊載荷的

抵抗能力，對(duì)比 TA15 鈦合金鍛件相應(yīng)的性能，粉末

TA15 鈦合金材料的斷裂韌性和沖擊韌性均和鍛件相

當(dāng)，綜合性能優(yōu)越。粉末 TA15 鈦合金制備的進(jìn)氣道

構(gòu)件之所以有如此良好的綜合性能，主要有兩個(gè)原

因：一是因?yàn)樵摴に嚲哂凶陨硖攸c(diǎn)決定的組織，類(lèi)網(wǎng)

籃狀的組織相當(dāng)于在網(wǎng)籃組織之間添加了等軸 α 相，

網(wǎng)籃狀組織增加了相界面，使材料的變形抗力增大，

有利于提高材料的強(qiáng)度。等軸 α 相又具備較好的抗

裂紋萌生能力，有利于鈦合金塑性和沖擊韌性的提

高；二是因?yàn)?HIP 后的粉末鈦合金材料通過(guò)超聲和 X

射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)無(wú)偏析、氣孔、縮孔、夾雜等內(nèi)部缺陷，

高的材料純凈度也顯著提高了斷裂和沖擊韌性。

4 結(jié) 論

本文對(duì)熱等靜壓近凈成形技術(shù)制造沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

整體進(jìn)氣道進(jìn)行了研究，可以得到以下一些結(jié)論：

（1）利用熱等靜壓近凈成形技術(shù)在國(guó)內(nèi)首次整

體成形了復(fù)雜薄壁進(jìn)氣道，提高了進(jìn)氣道構(gòu)件的流

道尺寸精度和可靠性，同時(shí)為未來(lái)更高性能的進(jìn)氣

道構(gòu)件研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

（2）進(jìn)氣道本體取樣觀察組織，粉末 TA15 鈦合金

組織為類(lèi)網(wǎng)籃狀組織，以板條狀、片層狀 α 相為主，在

粉末顆粒邊界周?chē)植贾容S α 相，微量的細(xì)小 β 相

組織在相間分布，而且不同位置的組織基本一致，組

織均勻性好。

（3）TA15 鈦合金進(jìn)氣道構(gòu)件的平均室溫抗拉強(qiáng)

度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、500℃抗拉強(qiáng)度分

別為 995MPa，924MPa，18.2%，43%，673MPa，各項(xiàng)力

學(xué)性能均達(dá)到同牌號(hào)國(guó)軍標(biāo)鍛件標(biāo)準(zhǔn)，斷口也是典

型的韌性斷裂。平均斷裂韌性和沖擊韌性分別為

90.6MPa·m1/2

和 51.4J/cm2 ，綜合性能良好。

致 謝：感謝裝備發(fā)展部先進(jìn)材料項(xiàng)目以及中國(guó)運(yùn)載火

箭技術(shù)研究院工藝改進(jìn)項(xiàng)目的資助，感謝航天材料及工

藝研究所特種金屬材料及工藝事業(yè)部提供的幫助。

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Fig. 8 Appearance of fracture

Fig. 9 Fracture toughness and impact toughness

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（編輯：史亞紅）