文/言乐文

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钛合金，因其优异的强度重量比、耐腐蚀性和耐高温性，而被广泛用于航空航天领域的关键部件。

传统上，压缩机部分中，包括叶片和圆盘的此类部件，是由特定合金的单个锻造坯料制成的，通常需要在性能上进行折衷，但叶片是由，来自真空电弧重熔铸锭的，相同棒料制成的闭式模锻件。

从设计的角度来看，多钛合金解决方案，将优化此类组件的性能，根部中的抗蠕变性更强的钛合金，在功能上分级或粘合到机翼子部件部分中的，抗疲劳性更强的合金中。

在不降低关键部件结构完整性的情况下，准确粘合或功能分级的能力，将是颠覆性技术，使设计人员能够优化关键部件和系统。

粉末冶金方法已被证明，是制造多材料部件的潜在方法，这是由于能够在模具的每个子区域中，灵活地分配不同的粉末原料。

一些最常见的粉末冶金技术包括：热压(HP)、热等静压(HIP)和场辅助烧结技术(FAST)或火花等离子烧结(SPS)。

已有多项研究采用HP和HIP技术，将Ti-Al与Ti - Al和Ti-?64接合，但这些研究并未使用粉末原料。

使用FAST进行扩散键合(DB)，或连接两种钛合金，对FAST和HP进行了比较，结果表明，FAST材料的粘合强度要高得多。

使用FAST- forge方法，创建由两种不同的钛合金，制成的近净形部件，证明了FAST-DB连接钛合金多重组合的结合强度。

两种不同合金的连接，可能会在两种材料之间产生化学、热或机械应变失配，从而在粘合中引入残余应力。

残余应力是未施加外部应力时，部件内部的残余应力，这些应力会对部件的机械性能，和使用性能产生直接影响。

在疲劳载荷下，与制造过程中，固有残余应力较低的相同部件相比，具有高残余拉应力的部件，在更少的循环次数下会失效。

然而，在存在近表面残余压应力的情况下，部件的疲劳寿命会得到改善，因为此类应力会阻止表面裂纹的产生和张开。

在分析的147个残余应力引起的失效案例中，其中55个涉及某种类型的接头或粘合。因此，在开发新的连接和扩散接合工艺时，了解残余应力的产生至关重要。

航空航天领域最常见的两种连接技术，是电子束焊接(EBW)和线性摩擦焊接(LFW)。然而，当使用EBW和LFW连接钛合金时，焊缝中可能会产生显着水平的残余应力。

然而，大多数对EBW和LFW进行的残余应力研究，都集中在连接相同的钛合金上，只有少数研究，着眼于连接不同种的钛合金。

使用轮廓和X射线衍射(XRD)方法，研究β处理的Ti-17和α+β处理的Ti-17，之间的LFW接头中的残余应力。

结果显示，使用LFW将Ti-64连接到Ti-5553，并使用能量色散XRD方法，来表征粘结中的残余应变。

一、利用粉末实现近净形零件

在Ti-5553中观察到一个峰值，具有较高的应变。然而，在进一步热处理后，该残余应力峰值有所降低。

使用FAST或HIP路径，测量粉末固结过程中，产生的残余应力的研究数量有限，在更成熟的HIP工艺上，进行的残余应力测量，可用作FAST加工材料的参考，因为冷却和卸载阶段非常相似。

HIP中的热源围绕罐装粉末，这可以导致外部粉末层更快致密化，该外层被称为“致密化波”，可以支撑产生这种不均匀致密化的负载。

据观察，样品卸载是残余应力产生的关键阶段，为了降低卸载阶段的残余应力水平，密切监测压力和温度，以实现应力松弛。其中冷却速率，被列为对残余应力分布最有影响的参数。

然而，只有当冷却速率高于1°C/s时，压力的影响才显着。此外，使用XRD测量了，通过HIP与钨连接的Inconel718的残余应力。经测量，轴向和环向的残余应力，与材料的屈服应力相比相对较低。

对钽和钌固结过程中，FAST产生的残余应力，进行了多项研究，两种加工路线的应力分布没有差异，两个样品都显示出，垂直于部件的压应力和平行于部件的拉伸应力。

完全相同的方法也适用于钌，在这种情况下，与HP相比，FAST降低了残余应力，因为FAST材料中的晶粒生长更快。

对于采用FAST处理的钛样品，在250μm深度处显示出，相对较低的残余应力。

除此之外，还有几项研究关注陶瓷中，残余应力的形成，在这些情况下，各相之间的残余应力差异是由于不同的热膨胀系数造成的。

迄今为止，尚未研究过应用FAST，进行两种不同钛合金之间的扩散接合时，残余应力的发展。

一般来说，用于完全致密化粉末的技术，产生较低的残余应力水平，然而，与HIP和HP工艺相比，FAST具有多种优势。

FAST相对于HIP技术的另一个好处是，成型石墨模具可以多次使用，而HIP则将粉末封装在低碳钢或不锈钢罐中。因此，FAST技术为制造商提供了利用粉末实现近净形零件的机会。

二、FDB1中粘结剂的硬度分布

与热影响区，可达到毫米级的标准连接条件相比，所有样品的元素，在结合处的扩散都很小。跨接缝的扩散区的长度，用于确定测量的残余应力，是否是由于跨接缝的化学失配造成的。

对于FDB1，扩散速率较高的元素是钒，扩散量约为220μm，同时，对于FDB2和FDB3，扩散度较高的元素是铝，扩散度约为270μm。

由于各自的加工温度，与FDB2相比，FDB3的元素扩散明显更高，总体而言，可以安全地假设对于三个FAST-DB样品，跨键的扩散区小于300μm。

FDB1中粘结剂的硬度分布，显示硬度从Ti-64增加到Ti-6242，虽然硬度的增加很小，但这种变化遵循y ?=0.028x + 321.28表示的线性回归?。

另一方面，FDB2和FDB3中键的硬度，在CP-Ti和Ti-5553之间呈现出明显的过渡，CP-Ti块状材料的平均硬度为160Hv，而Ti-5553的平均值为300Hv。因此，硬度从硬度较低的合金向硬度较高的合金稳定增加。

残余应力测量的轮廓法，被用来获得切割面外，残余应力分量的完整二维图，以提供对过程引起的残余应力分布的理解。

由于与轮廓法测量的应力，相关的不确定性在靠近边缘处明显较高，因此由于测量方法的性质，在表面上进行了XRD应力测量，以便更精确地评估表面上的残余应力并跨越债券。

所有样品的测量应力分布似乎非常相似，具有相对较低的应力大小，其中样品的核心包含压应力，而样品的外裙部包含拉伸应力。

这可能是由于界面尺寸非常小，因为粘结中的扩散非常小，即FDB1约为200μm，FDB2约为50μm，这导致较小规模的残余应力。

由于XRD技术应力测量的性质，它依赖于以非破坏性方式测量晶格应变，因此具有相当高的分辨率，并且对较低尺度的残余应力敏感。

然而，为了测量结合处的残余应力，使用了XRD。为了捕获界面处的应力，通过键合从界面的一侧到另一侧进行顺序重叠扫描。

结合处的应力分布，似乎通过XRD技术得到了更好的解析，因此，可以观察到邻近结合处的，Ti-6242区域中残余应力的小幅增加。这个小峰值可能是，由于将样品从工艺温度冷却时材料的膨胀率，存在差异所致。

因为每个材料上，分别部署了两个不同的目标，结果表明，对于两个样品，在α-Ti中测得的应力非常低，并且趋向于向粘结方向增加。

两个样品的β-Ti残余应力看起来显着不同，FDB2具有与α-Ti类似的低残余应力，然而，FDB3在粘合中具有中等到高的压应力，达到接近?500MPa的程度。

此外，还测量到同一位置的拉伸剪切应力峰值，其值接近+300MPa，FDB2和FDB3测得的径向残余应力之间的显着差异，可能是由于多种原因造成的，导致CP-Ti和Ti-5553微观结构，发生巨大变化的化学不匹配，可能是主要原因。

这两种合金之间的结合处，可以形成的微观结构之一，是精细的二次α，它可以增加结合处的硬度。

传统Ti-5553中，这些细小二次α的形成，是由于在400℃至650℃范围内，进行时效热处理所致。当时效温度升高时，α相的尺寸和体积分数增加。

对于在570°C淬火和时效的Ti-5553，在达到时效温度后，90至120秒内形成α相，此外，当Ti-5553在600℃下时效时，0秒后可形成α。

FDB2和FDB3没有进行时效热处理，但冷却速率相对较慢，相当于非常短的时效过程。在键合位置仅，观察到细小的二次α，然而，这也可能是由于粘结剂中，产生的局部合金化学物质造成的。

因此，两相之间的界面很可能不完全相干，这导致产生小到细观尺度残余应力，而XRD无法解决。

硬度未显示峰值的一个可能原因是，FDB3具有精细次级α的区域，仅为10 μm，而FDB2的区域甚至更小，未捕获该区域通过微压痕。

用于测量粘结处残余应力的XRD方法，包括重叠样品中分析的不同扫描，以这种方式测量应力的问题之一，是最终值必须在多个重叠测量之间取平均值。

因此，在对值进行平均时，非常小的区域中的某些应力，可能已被消除。FDB2的扩散剖面仅为50μm， 而FDB3的扩散剖面为200μm 。因此，在FDB3中观察到的残余应力的峰值，有可能也在FDB2中出现。

这些结果表明，当单一或多种合金连接在一起时，FAST技术能够生产出低残余应力的部件。

然而，在连接异种合金时，还有其他原因会产生残余应力，例如化学应变或热失配。

FAST样品扩散键残余应力的主要驱动力，将是键中产生的化学成分，连接不同合金时的残余应力大小，必须根据接合区域产生的微观结构进行具体研究。

这项工作展示了两种极端钛合金的连接，当连接不同类型的金属或将金属与陶瓷结合时，热失配会产生重要影响。通过对不同合金进行功能分级，可以最大限度地减少热失配，从而最大限度地减少化学成分的突然变化，但需要进一步的工作来证明这一点。

三、残余应力测量

由于热锻和随后的水淬工艺，FAST- forge部件中的残余应力，预计将高于as-FAST材料中的残余应力。虽然FF1实现了高质量的线切割，但由于样品的几何形状，和切割过程中的夹紧装置，FF2的切割效果并不那么干净。

同时，从数据集中消除了切割伪影和轮廓点，以尽量减少它们对残余应力评估的影响。两种部件的结合区域，产生的残余应力相对较低，并且异种合金之间，似乎存在平滑过渡。总体而言，与材料的屈服点相比，部件中测得的应力，可被认为是低至中等。

FF1样品在Ti-64区域表面，具有残余压应力，而块体区域具有残余拉应力。Ti-5553显示了一个受压缩的区域，这可能是由几何形状的变化引起的。此外，同一区域中较高的拉伸应力，是由在EDM切割过程中，用于自夹紧的部件中形成的孔造成的。

FF2粘结处残余应力的测量，是在最高应变区域进行的，之所以会出现这种应力分布，是因为样品的左下部分由Ti-64制成，而顶部部分由Ti-6242制成。总体而言，外层受压，芯层受拉，残余应力很高。

四、结论

这项工作，首次提出了通过FAST工艺连接不同种钛粉末时，扩散键中残余应力分布的测量结果。

此外，还测量并展示了，通过两步快速锻造加工路线生产的，由异种钛制成的近净成形部件的残余应力分布。

由于样品的冷却相对缓慢，由单一钛制成的部件中，产生的残余应力非常低，所有asFAST样品，在核心处呈现压应力，在靠近外层处呈现拉应力。

组件的扩散结合显示出，朝向界面的应力分布增加，这些应力很可能是，由于FDB2和FDB3中超细次级α的形成，而导致的化学失配产生的。

使用轮廓法进行的测量，缺乏充分表征整个粘结处残余应力分布的分辨率。然而，XRD方法可以充分解决键上的应力，但对于FDB2等非常小的键的测量仍然存在限制。