● 摘要
钛合金是航空航天工业重要的结构材料之一，因其具有较高的比强度和耐腐蚀性，能满足航空业急剧减重的需求，在最近50年得到了快速的发展。由于钛合金机械加工性能差、材料成本高，常规成形方法的材料利用率低、加工余量大等缺点催生了钛合金近净成形技术的发展。粉末热等静压（hot isostatic pressing，HIP）工艺，是将粉末近净成形特点和热等静压可得优异材料性能特点相结合。热等静压为高温高压工艺，采用有限元分析方法对其进行过程控制。本文基于闭式涡轮盘，针对钛合金TC11粉末直接热等静压而展开的研究内容和结果如下：
（1）通过对shima屈服模型推导过程的研究，得到材料参数的确定方法，实现了钛合金TC11粉末的热等静压数值模拟。针对复杂零件的有限元分析，本文提出先进行整体简化结构的有限元分析，再进行具体特征结构的变形预测，保证预测的准确性。针对闭式涡轮盘结构，进行了粉末直接近净成形、粉末近净成形+锻件扩散连接两种工艺。
（2）针对两种方案，采用有限元方法，分析了整体简化结构的致密度分布、温度变化、模具变形和包套变形。最终得出粉末近净成形+锻件扩散方案的模具变形小，粉末致密度较高且分布均匀，为最优方案。分析具体特征结构中的狭缝成形，得到内壁筋的致密度随筋深度的上升而减小，闭式涡轮盘的内壁筋的相对密度符合工艺要求。对闭式涡轮盘的模拟与实验结果对比发现，模拟结果的变形趋势与实验完全吻合。
（3）通过对TC11粉末HIP态和锻材的力学性能对比发现， HIP态材料的强度和塑性高于锻材。通过微观组织发现：TC11粉末HIP材料的片状α相分布在β相两侧，由于高压作用下，长片状结构受到破坏形成短小片状组织，最终形成类网篮组织；初生α相使粉末边界消融，该等轴α相与粉末表面形状吻合，形成一个较大晶粒。
（4）通过拉伸试样的断口观察，TC11粉末HIP材料和锻件材料均发生韧性断裂。HIP材料的断裂是由于夹杂物或沉积物的断裂产生，锻件是由于第二相与基体的结合力下降产生，所以HIP材料的强度更好。
以上的研究为TC11粉末直接热等静压成形零件提供了工艺基础，为复杂零部件的热等静压的过程控制提供了解决方案。