《Journal of Materials Research and Technology》：Densification Behavior of TA15 Alloy Powders during Hot Isostatic Pressing
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针对Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V (TA15) 合金粉末的热等静压 (Hot Isostatic Pressing, HIP) 致密化行为开展了数值模拟研究。将Shima致密化模型植入有限元软件MSC.Marc中，并通过实验结果验证了该模型的准确性。
针对Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V (TA15) 合金粉末的热等静压 (Hot Isostatic Pressing, HIP) 致密化行为开展了数值模拟研究。将Shima致密化模型植入有限元软件MSC.Marc中，并通过实验结果验证了该模型的准确性。模拟得到的密度分布与实验测量值具有良好的吻合度。基于已验证的模型，利用响应面方法 (Response Surface Methodology, RSM) 系统分析了HIP温度和压力对致密化的影响，从而确定了实现完全致密化的最佳工艺参数。此外，还研究了胶囊厚度对粉末相对密度和变形行为的影响。结果表明，当胶囊厚度超过11 mm时，粉末的相对密度降至99%以下，凸显了胶囊显著的屏蔽效应。
钛合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性和卓越的机械性能，广泛应用于航空航天领域 [1], [2]。TA15 (Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V) 作为典型的近α钛合金，在室温至500°C范围内表现出优异的比强度和抗蠕变性能，满足航空航天结构部件轻量化和承载的双重需求 [3]。然而，传统铸造工艺常导致晶粒粗大、成分偏析和孔隙缺陷，严重恶化力学性能 [4]；而机械加工则存在材料利用率低、生产效率差和成本高等问题 [5]。为克服这些局限，粉末冶金 (Powder Metallurgy, PM) 结合热等静压 (Hot Isostatic Pressing, HIP) 成为一种极具前景的近净成形技术。PM-HIP利用快速凝固制备的预合金粉末，确保成分均匀，消除偏析，并通过HIP实现100%理论密度，有效消除孔隙，显著降低成本和周期 [6], [7], [8]。尽管HIP密度直接决定部件质量，但其致密化行为受工艺参数、材料特性和粉末特性等多因素影响 [9]-[16]。传统工艺优化依赖试错法，成本高且周期长。相比之下，数值模拟能高效预测变形和密度分布，降低实验成本。因此，开发准确的粉末本构模型对可靠模拟至关重要 [17]-[20]。Shima模型因其高精度和计算效率被广泛认可，但其精度高度依赖合金特定的材料参数。现有研究常使用通用钛合金参数，导致对TA15致密化过程的预测存在偏差。为此，本研究旨在通过实验和数值模拟相结合的方法，系统研究TA15钛合金粉末在HIP过程中的致密化和变形行为，建立参数校正的Shima模型，优化工艺窗口，并阐明容器引起的应力屏蔽效应。
研究人员为开展研究主要采用的关键技术与方法包括：首先，利用Gleeble-3500热机械模拟机对预冷等静压并真空烧结的TA15粉末圆柱试样进行不同初始相对密度下的热单轴压缩试验，以确定Shima模型中的密度相关系数β和γ，并通过Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法拟合获得显式函数。其次，通过实验系统测量TA15合金粉末在20-900°C范围内的温度相关热物理和力学性能参数。再次，基于参数校正的Shima模型，利用MSC.Marc有限元软件建立三维热-力耦合模型，采用更新拉格朗日增量方案求解，并设置不同的HIP温度（850-950°C）、压力（100-160 MPa）及胶囊厚度（3-17 mm）进行数值模拟分析。最后，采用等离子旋转电极法（Plasma Rotating Electrode Process, PREP）制备的预合金粉末作为实验样本，在QIH-32 HIP设备上按模拟工艺曲线进行HIP实验，并通过阿基米德排水法测量相对密度以验证模拟结果的准确性。
**1. 致密化过程分析**
研究发现，随着HIP过程的进行，粉末的相对密度和整体变形逐渐增加。由于靠近胶囊的粉末更早直接承受温度和压力，其局部致密化程度高于中心区域；而角落区域因结构约束强、变形阻力大，相对密度较低。定量分析表明，致密化过程可分为五个阶段：阶段I（加载初期）由颗粒重排和滑动主导；阶段II（温度和压力升高）粘塑性变形占主导，致密化迅速；阶段III（致密化后期）变形阻力增加，致密化速率减缓；阶段IV（高温高压保持）由蠕变和扩散机制控制，相对密度接近全致密；阶段V（冷却阶段）热梯度引起热应变，导致相对密度轻微增加。
**2. 实验验证**
在920°C和140 MPa条件下进行HIP实验，通过阿基米德法测量不同位置的相对密度并与模拟结果对比。结果显示，实验与模拟结果高度吻合，位置1、2、3的相对误差分别为0.0%、0.2%和0.2%，平均相对误差仅为0.13%。相较于未校正参数的Shima模型，参数校正后的模型将相对密度的最大相对误差从8.1%降至0.2%，平均误差从5.4%降至0.13%，证实了模型在捕捉致密化和变形行为方面的高准确性。
**3. HIP温度和压力对致密化的影响**
基于响应面方法构建的等高线图显示，在低温低压下相对密度较低（约90%），随着温度和压力增加，致密化显著增强。分析表明，较高的温度或压力能加快致密化速率，但过高温度可能导致晶粒粗化，过高压力则增加设备风险。综合考虑材料性能和工艺安全，建议TA15合金粉末的最佳HIP条件为920-950°C和120-150 MPa。
**4. 胶囊厚度对致密化的影响**
模拟不同胶囊厚度（3-17 mm）下的变形和致密化曲线发现，胶囊厚度的增加增强了约束效应，导致粉末位移减小。当厚度小于7 mm时，对致密化影响可忽略；但当厚度增至11 mm和15 mm时，残余孔隙率分别升至0.5%和2.9%。这归因于“应力屏蔽效应”：随着胶囊变厚，其从薄壁膜变为厚壁壳，消耗了大量外部气压以克服自身的弯曲阻力和塑性坍塌强度，导致传递到粉末芯部的有效静水压力显著衰减（15 mm厚胶囊外侧径向应力比施加气压低约18%）。此外，角落区域的多轴刚性约束限制了粉末的协同向内流动和体积收缩。为确保相对密度超过99%（航空航天结构件工业要求），胶囊厚度应控制在11 mm以下。
**讨论与结论**
本研究通过参数校正的Shima模型成功预测了TA15粉末的宏观致密化行为，揭示了致密化的五个动力学阶段及温度、压力和胶囊厚度的影响机制。虽然模型在宏观致密化预测上表现优异，但作为连续介质力学框架，它简化了颗粒形态差异和局部非均质性的离散效应，且未显式建模合金元素的原子级再分布或相变等微观机制。此外，由于物理截面限制，实验验证仅针对有限的特征块体密度采样点。未来研究将结合离散元模型（Discrete Element Modeling, DEM）解析介观尺度颗粒相互作用，并利用先进全场无损检测（如X射线计算机断层扫描）进一步增强模型的多尺度鲁棒性。
论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》的研究结论如下：
(1) 建立了TA15合金粉末的参数校正Shima本构模型，通过实验确定了材料参数，能够准确描述粉末致密化行为。
(2) HIP致密化过程可分为五个阶段，依次由颗粒重排、粘塑性变形、变形阻力增加、蠕变-扩散机制和热应变效应主导。
(3) 模拟结果与实验数据吻合良好，密度最大相对误差降至0.2%，证实了所提模型的可靠性。
(4) 增加HIP温度和压力显著加速致密化。
(5) 胶囊厚度对致密化有显著约束效应，当厚度超过11 mm时，相对密度低于99%，表明HIP加工过程中应严格控制胶囊厚度。
(6) 实现TA15合金热等静压高致密化的最佳工艺窗口为：胶囊壁厚低于11 mm，保温温度920-950°C，施加压力120-150 MPa。
