钛合金热机械粉末冶金：粉末形貌与氧含量对Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si显微结构与力学性能的影响机制研究

本研究针对传统钛合金制备工艺成本高、效率低的问题，系统比较了PREP与HDH两种钛粉通过热机械粉末冶金制备Ti-6242S合金的显微组织与性能差异。研究发现，HDH粉末制备的合金强度更高（UTS达1232 MPa）但塑性较低，而PREP粉末合金展现出更好的强塑性匹配。该工作为航空航天领域高性能钛合金的低成本、规模化制备提供了新思路。

　　

钛合金因其高比强度、优异耐腐蚀性和高温稳定性，成为航空航天、生物医学及国防等高端领域不可替代的关键材料。然而，传统钛合金制备依赖克劳尔法生产海绵钛、真空熔炼及复杂热机械处理，存在能耗高、材料浪费严重、成本高昂等问题，极大限制了其更广泛应用。近α型钛合金Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si（Ti-6242S）自1960年代以来被广泛用于航空发动机转子、盘片及叶片等高温部件，但其熔炼过程中合金元素控制困难，铸造流动性差易产生缺陷，因此开发低成本的粉末冶金（PM）替代工艺具有重要意义。

为解决上述问题，来自新西兰怀卡托先进材料与制造中心的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》上发表论文，系统研究两种商业钛粉——等离子旋转电极工艺（PREP）制备的球形粉与氢化-脱氢（HDH）法制备的不规则粉，对Ti-6242S合金热机械粉末加工过程中显微组织演变和力学性能的影响。研究首次在空气中进行热挤压，避免使用保护气氛，探索了一条更经济、可规模化应用的钛合金制备路线。

研究人员采用温压、快速感应加热烧结和热挤压组合的 thermomechanical powder metallurgy (TPM) 工艺。使用PREP-Ti（氧含量0.13 wt.%）和HDH-Ti（氧含量0.25 wt.%）粉末与Al、Sn、Zr、Si及Al₁₅-Mo₈₅母合金粉末混合，经温压（200°C，406 MPa）和烧结（1300°C）制成坯料，再在925°C（α+β区）和1080°C（β区）进行热挤压（挤压比9:1）。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱分析（EDS）及力学测试等手段，系统分析了样品的相组成、元素分布、显微结构及力学性能。

3.1. X射线衍射分析

XRD结果显示所有样品主相均为α-Ti，含少量β-Ti。PREP源样品α（002）衍射峰更高更窄，与初始粉末粒度和氧含量有关。1080°C挤压样品β（110）峰向高角度移动，表明高温促进Mo溶入β相，减少偏析。

3.2. 显微结构分析

3.2.1. 热压样品微观特征

PREP-HP样品存在Mo偏析区域，形成成分梯度（Mo从73.39 wt.%降至0.66 wt.%），而HDH-HP样品显微结构均匀但存在微孔。PREP-HP平均晶粒尺寸（85.38 μm）大于HDH-HP（46.45 μm），与粉末形貌和加热速率差异相关。

3.2.2. 挤压坯料的显微结构方面

挤压后，PREP源样品微孔完全消除，但存在元素偏析；HDH源样品仍残留部分孔隙但成分分布均匀。随挤压温度升高，β晶粒长大，α片层厚度减小。PREP-E-925中可见晶界α（αGB）及Mo富集区，PREP-E-1080偏析减轻。HDH样品则形成均匀α/β片层结构。TEM-EDS证实PREP样品中Mo富集于β相，Al富集于α相，并存在α₂-Ti₃Al析出相；HDH样品元素分布均匀。

3.3. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si合金的力学性能

3.3.1. 维氏显微硬度

HDH-HP硬度最高（451 HV），归因于高氧含量固溶强化。挤压后，PREP-E-925硬度（376 HV）高于PREP-E-1080（355 HV），与α相含量正相关（91.69% vs 85.85%）。HDH样品硬度随挤压温度升高而略有下降。

3.3.2. 拉伸性能

HDH-E-925抗拉强度最高（UTS=1232 MPa，YS=1088 MPa），但延伸率最低（4.8%）；PREP-E-1080强度为1057 MPa，延伸率达7.0%，展现更佳强塑性匹配。真应力-应变曲线显示PREP样品应变硬化率更高，塑性更好；HDH样品则表现为脆性断裂趋势。

3.3.3. 断裂行为

PREP样品断口呈现韧窝特征，为韧性断裂；HDH样品则以解理断裂为主，表现为脆性断裂。纵向截面分析表明PREP样品裂纹沿微孔聚集扩展，HDH样品裂纹直接穿β晶粒传播。

4. 讨论

研究表明，粉末形貌、氧含量和挤压温度共同影响合金显微结构与性能。不规则HDH粉末比表面积大、扩散快，成分更均匀；球形PREP粉末扩散慢，易形成元素偏析。氧含量增加提高强度但降低塑性。高温挤压促进元素扩散，减轻偏析，但可能导致晶粒粗化。元素分配行为明显：Al、Ti富集于α相，Mo富集于β相，分别贡献固溶强化。Hall-Petch关系定量描述了晶粒细化对强度的贡献。

塑性变形机制方面，α相因其较低临界分切应力（CRSS）率先发生滑移，铝富集降低CRSS，促进塑性；而高氧含量和β相中Mo富集增加强度但抑制塑性变形。微观结构均匀性、α相含量及元素分布共同决定最终力学性能。

5. 结论

本研究成功通过空气热挤压实现Ti-6242S合金制备，系统阐明粉末类型、氧含量和工艺参数对组织性能的影响规律。HDH粉末合金强度高但塑性差，PREP粉末合金强塑性匹配更优。研究为开发低成本、高性能粉末冶金钛合金提供了重要理论和实验依据，对推动钛合金在航空航天领域应用具有积极意义。