论文摘要：钛合金整体叶盘热等静压成形关键技术研究

粉末热等静压（HIP）技术是在高温下对粉末材料施加各向相等的压力，使粉末之间发生颗粒重排、塑性变形及扩散连接并最终形成冶金结合材料的工艺。由于该工艺是由静水压成形，成形的材料具有各向同性、无成份偏析、晶粒细小等诸多优点，而针对钛合金粉末热等静压成形的研究较少。钛合金叶盘的整体加工是当前叶盘设计制造发展的一个方向。采用钛合金粉末热等静压成形整体叶盘，既可以保证材料具有优异性能，同时可以将整体叶盘一次成形，不仅成形还可控性。整体叶盘是航空发动机提高推力和推重比的重要措施，热等静压是整体叶盘成形的有力的新工艺，因此开展钛合金整体叶盘的热等静压成形关键技术研究，对于推动该工艺在航空领域的应用与推广具有重要意义。

钛合金整体叶盘的热等静压成形涉及众多关键技术，本文以此为主线，研究钛合金粉末热等静压的成形机制，对粉末热等静压过程进行数学描述，通过数学模型分析粉末热等静压成形中各因素的贡献；通过数值模拟对钛合金粉末的成形过程进行模拟并通过实验进行验证；通过多孔材料及致密材料的性能实验研究材料的成形规律，并对成形性能进行控制。对整体叶盘的成形工艺控制进行了研究，并以实验件进行了验证，新工艺的研究为钛合金复杂零件热等静压成形打下坚实基础。

本文首先对粉末的热等静压成形机理进行了研究，在成形过程中主要发生颗粒重排、塑性变形，蠕变及扩散连接等。在整个成形过程中材料的致密化速率主要受成形压力及温度的影响，用数学方程可以描述这一致密化过程，该方程可以将致密速率与温度、压力、粘度、临界切应力等参数联系在一起，表明各参数对成形的贡献。

为实现粉末热等静压的数值模拟，测试了粉末材料在不同密度、温度下的材料参数值，修正了shima多孔材料模型，实现了粉末材料的数值模拟并通过环形零件对模拟结果进行了验证，通过实验件验证数值模拟与实际零件误差在4.9%范围内。

对热等静压成形工艺参数进行控制，制备了不同密度的多孔钛合金材料试样，同时绘制了钛合金TC4粉末材料的热等静压图，通过热等静压图可以直观得到不同密度材料的工艺制度。对制备的不同密度材料进行了热模拟实验，实验表明材料的相对密度与流动应力等比例提高，致密行为导致了流动应力的下降。由于材料的不均匀性，在热压缩过程中呈现出比致密材料更大的波动性。通过热压缩实验，获得了不同密度的材料在不同温度及压缩速率下的真实应力-应变曲线，掌握钛合金粉末材料在热等静压过程中的致密化过程规律，便于对钛合金粉末材料的成形工艺制度提供参考。

制备致密化的钛合金粉末热等静压成形材料试样，研究了热等静压成形的钛合金粉末材料的性能，通过不同成形制度参数的对比，选定最优工艺参数，并制备致密化的材料试样。材料无损探伤未发现尺寸大于0.3mm的气孔、疏松等宏观缺陷，拉伸断口有明显的塑性变形，平面与拉伸轴垂直，说明材料具有较强塑性，内部呈现网篮组织，这两种典型组织的均具有较高的机械性能，同时网篮组织还具有高损伤容限。通过拉伸实验发现钛合金粉末热等静压材料具有970MPa的拉伸强度，超过了同种材料的锻棒性能，在具有高拉伸性能的同时材料还具有较高的塑性，断后伸长率达到15%，断面延伸率达到43%，可见材料具有较高的综合力学性能。

通过对典型的轴流式压气机叶盘和闭式叶盘的分析，制定了两种零件的整体成形方案，通过模具约束成形了带有余量的压气机叶盘，叶盘的叶片部分由模具约束近净成形，通过化学腐蚀去除模具，粉末热等静压成形可以取代叶片的粗加工。采用粉-固一步成形工艺成形了内结构净成形的闭式叶盘，通过数值模拟优化了成形模具结构，提高了成形精度，闭式叶盘内部叶片和空腔实现净成形，叶片厚向精度达到±0.05mm。

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