摘要
研究不同保温时间和制粉方法对热等静压TA15钛合金的微观组织、拉伸性能和拉伸断口形貌的影响。结果表明：粉末TA15钛合金组织由等轴α-Ti、层状α-Ti和少量β-Ti组成。热等静压保温时间为20 min时粉末TA15钛合金已达到致密，随着保温时间延长到120 min组织逐渐均匀长大。采用等离子旋转电极法的粉末TA15钛合金的拉伸性能优于惰性气体雾化粉末TA15钛合金。拉伸断裂模式为韧性断裂，断口微观形貌为韧窝。
钛合金拥有比强度高、热强度高、热膨胀系数低、与复合材料兼容性好、易焊接、抗蚀性好等优点，广泛应用于航空航天、化学、医药、海洋等领
粉末冶金热等静压的工艺参数如温度、压力、保温时间等对材料的微观结构和机械性能有着很大的影响。ZHANG等
TA15预合金粉是采用同一种棒材作为原料分别由气雾化法（Gas Atomization，GA）和等离子旋转电极法（Plasma Rotating Electrode Process，PREP）两种方法制得，粉末形貌使用SEM观察。
热等静压参数的设置为温度为960 ℃，压力100 MPa，保温时间分别为20、40、60、120 min。
按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验方法》在室温下进行的拉伸性能测试，初始应变速率为1
热等静压完成后，对取得的试样进行打磨、抛光和腐蚀处理，其中腐蚀时采用的腐蚀液为Kroll试剂（2%HF+4%HNO3），最后在金相显微镜下观察组织。拉伸试样断口在扫描电镜下观察断口形貌。热等静压制品的密度测量采用阿基米德法。
采用SEM观察两种制粉方法得到的粉末形貌（
（a） GA粉末外观形貌
（b） GA粉末内部形貌
（c） PREP粉末外观形貌
（d） PREP粉末内部形貌
图1 粉末SEM照片
Fig.1 Powder SEM photos
GA粉末的形状包括球形、椭球形等，部分大颗粒粉末周围吸附着一些小颗粒粉末，如
不同保温时间和制粉方法得到的粉末钛合金金相组织如
（a） 保温20 min
（b） 保温40 min
（c） 保温60 min
（d） 保温120 min
图2 GA粉制备构件的金相组织
Fig.2 Metallographic structure of GA powder
（a） 保温20 min
（b） 保温40 min
（c） 保温60 min
（d） 保温120 min
图3 PREP粉制备构件的金相组织
Fig.3 Metallographic structure of PREP powder
从不同制度下金相照片中可以观察到粉末颗粒变形产生的独特微观组织。粉末收缩变形后，原始边界处发生大变形，生成等轴α-Ti组织，内部保持层状α-Ti组织。这是因为粉末颗粒边界相互挤压，发生充足的变形导致再结晶，形成了等轴的α-Ti组织。粉末颗粒内部变形较少组织大部分都为层状α-Ti组织。粉末钛合金组织为等轴α-Ti组织、层状α-Ti组织和少量的β-Ti组织构成。β-Ti组织所占的比例极少，对性能的影响较低。
在不同的热等静压保温时间对构件的微观组织产生影响。当热等静压保温时间达到20 min时，粉末钛合金达到致密，无明显孔隙。不同保温时间下的密度相同，如
随着保温时间延长到120 min，粉末钛合金组织变得更加均匀，组织不断粗化。用PREP法制得的粉末钛合金构件组织较用GA法制得粉末钛合金组织粗大。
测试不同制度下构件的拉伸性能，发现随着保温时间的延长拉伸性能无明显变化。这是因为保温时间为20 min时，粉末钛合金已达到致密，延长保温时间性能无明显变化。在同一制度下，PREP法制得粉末钛合金的屈服强度和抗拉强度均高于GA法，延伸率、断口收缩率和弹性模量相差不大，如
由于两种制粉方法采用的是同一种棒材，拉伸性能差异是因为采用不同的制粉方法导致粉末状态不同而产生的。
用SEM观察拉伸断口形貌，可以发现不同制度下TA15钛合金断裂方式为韧性断裂，断口呈暗灰色，可以区分出断口中的纤维区和剪切唇。微观形貌为韧窝，纤维区为垂直韧窝，剪切唇区为剪切韧窝，SEM拉伸断口形貌如
（a） 保温20 min
（b） 保温40 min
（c） 保温60 min
（d） 保温120 min
图4 低倍下GA粉制备构件拉伸断口形貌
Fig.4 Tensile fracture morphology of GA powder prepared at low magnification
（a） 保温20 min
（b） 保温40 min
（c） 保温1 h
（d） 保温2 h
图5 高倍下GA粉制备构件拉伸断口形貌
Fig.5 Tensile fracture morphology of GA powder prepared at high magnification
（a） 保温20 min
（b） 保温40 min
（c） 保温60 min
（d） 保温120 min
图6 低倍下PREP粉制备构件拉伸断口形貌
Fig.6 Tensile fracture morphology of PREP powder prepared at low magnification
（a） 保温20 min
（b） 保温40 min
（c） 保温1 h
（d） 保温2 h
图7 高倍下PREP粉制备构件件拉伸断口形貌
Fig.7 Tensile fracture morphology of PREP powder prepared at high magnification
采用GA粉制备构件的拉伸断口中的韧窝更加均匀、细小，纤维区和剪切唇的分界更明显，采用PREP粉末制备构件的拉伸断口中的韧窝大小形状不均匀，断口表面粗糙，且纤维区和剪切唇边不容易区分。
在GA粉末制备粉末钛合金的断口SEM图中观察到了一些空洞，如
（a） 保温20 min
（b） 保温40 min
（c） 保温60 min
（d） 保温120 min
图8 GA粉制备构件拉伸断口孔洞形貌
Fig.8 The pore morphology of tensile fracture of GA powder
（1）粉末TA15钛合金构件组织由等轴α-Ti、层状α-Ti和少量β-Ti组成。在原始粉末颗粒边界为等轴组织，颗粒内部为层状组织。
（2）热等静压时温度为960 ℃、压力为100 MPa，保温时间为20 min时可达到致密。随着保温时间延长到2 h，组织长大同时变得更加均匀。
（3）采用PREP粉末制备的钛合金构件的屈服强度和拉伸强度高于GA粉制备构件，延伸率、断口收缩率和弹性模量无明显差别。
（4）粉末TA15钛合金拉伸断裂为韧性断裂，断口可以区分出纤维区和剪切唇，微观形貌为韧窝。采用GA粉末制备粉末钛合金断口中存在孔洞。
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