Ti75合金作為我國(guó)自主研發(fā)的近α型鈦合金，憑借中等強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性、高韌性及良好的焊接性能，在船舶制造、海洋工程、石油化工等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)鈦合金相比，其綜合性能更優(yōu)，尤其是斷裂韌性和疲勞性能顯著提升，成為海洋裝備輕量化與高可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵材料之一。
近年來(lái)，針對(duì)Ti75合金的加工工藝與性能調(diào)控研究成為熱點(diǎn)。激光焊接作為高效連接技術(shù)，其接頭質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)安全性；超塑性變形為復(fù)雜構(gòu)件成形提供了新途徑；時(shí)效處理則是優(yōu)化材料力學(xué)性能的重要手段。本文系統(tǒng)梳理Ti75合金在激光焊接、超塑性變形及時(shí)效處理方面的研究成果，為其工程應(yīng)用提供理論支撐與技術(shù)參考。
利泰金屬基于四篇核心研究論文，整合Ti75合金的化學(xué)成分、力學(xué)性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析激光焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響、超塑性變形機(jī)制及時(shí)效工藝對(duì)組織性能的調(diào)控規(guī)律，最終形成涵蓋材料特性、加工工藝與性能優(yōu)化的完整技術(shù)體系。
一、Ti75合金的材料特性基礎(chǔ)
1.1 化學(xué)成分與相組成
Ti75合金屬于近α型鈦合金，其名義成分為 Ti-3Al-2Mo-2Zr，具體化學(xué)成分如表 1 所示。該合金以α相為基體，含少量β相，β相變點(diǎn)為 920~930℃。α相為密排六方結(jié)構(gòu)（HCP），賦予合金高強(qiáng)度與耐腐蝕性；β相為體心立方結(jié)構(gòu)（BCC），可通過(guò)固溶強(qiáng)化與彌散析出改善合金塑性與韌性。
表 1Ti75合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）
| Al | Mo | Zr | Fe | H | O | Ti |
| 2.86~2.94 | 1.90~2.23 | 1.97~2.10 | 0.04~0.14 | 0.002~0.007 | 0.07~0.10 | 余量 |
1.2 基礎(chǔ)力學(xué)性能
退火態(tài)Ti75合金的力學(xué)性能如表 2 所示，其屈服強(qiáng)度約 640~697 MPa，抗拉強(qiáng)度 720~786 MPa，斷后延伸率 13%~15.3%，沖擊韌性 55 J，表現(xiàn)出中強(qiáng)韌性匹配特征。淬火處理后，由于馬氏體α' 相的形成，強(qiáng)度顯著提升（屈服強(qiáng)度 842 MPa，抗拉強(qiáng)度 996 MPa），但塑性下降（延伸率 4.6%），需通過(guò)時(shí)效處理實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性平衡。
表 2Ti75合金的基礎(chǔ)力學(xué)性能
| 狀態(tài) | 屈服強(qiáng)度（MPa） | 抗拉強(qiáng)度（MPa） | 斷后延伸率（%） | 沖擊韌性（J） |
| 退火態(tài) | 640~697 | 720~786 | 13~15.3 | 55.0 |
| 淬火態(tài) | 842 | 996 | 4.6 | 46.3 |
二、Ti75合金的激光焊接工藝與接頭性能
2.1 激光焊接設(shè)備與參數(shù)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)采用 10 kW 連續(xù)光纖激光器（IPG 公司）與 KUKA 機(jī)器人焊接系統(tǒng)，聚焦焦距 382 mm，焊接過(guò)程中采用 99.9% 氬氣保護(hù)（流量 20 L/min）。核心工藝參數(shù)包括激光功率、焊接速度、離焦量及搭接間隙，具體優(yōu)化范圍如表 3 所示。
表 3Ti75合金激光焊接的關(guān)鍵工藝參數(shù)
| 參數(shù) | 優(yōu)化范圍 | 作用 |
| 激光功率 | 3000~3100 W | 影響熱輸入與熔透性 |
| 焊接速度 | 0.04~0.045 m/s | 控制熱輸入與焊縫成形 |
| 離焦量 | -1~1 mm | 調(diào)節(jié)光斑大小與能量密度 |
| 搭接間隙 | 0.10~0.15 mm | 減少飛濺與未焊透缺陷 |
2.2 焊縫成形與宏觀形貌
焊縫截面可分為三個(gè)區(qū)域：焊縫區(qū)（WS）、熔合線（FL）及熱影響區(qū)（HAZ）。隨激光功率從 2.7 kW 增至 3.3 kW，熱輸入量從 67.5 J/mm 增至 82.5 J/mm，焊縫寬度從 1.90 mm 增至 2.85 mm，且出現(xiàn)輕微下塌現(xiàn)象（下塌量 0.05~0.10 mm）。當(dāng)搭接間隙超過(guò) 0.2 mm 時(shí)，易產(chǎn)生未焊透與氣孔缺陷；間隙過(guò)小（<0.1 mm）則導(dǎo)致飛濺嚴(yán)重、氧化加劇（焊縫呈黃色）。
2.3 接頭顯微組織演變
母材組織：由等軸α相、片狀α相及少量β相組成，呈現(xiàn)雙態(tài)組織特征，存在縱向條紋織構(gòu)。
焊縫區(qū)（WS）：激光焊接的快速加熱與冷卻使原始β晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成針狀馬氏體α' 相與殘余β相，馬氏體含量隨熱輸入增加而增多。
熱影響區(qū)（HAZ）：受焊接熱循環(huán)影響，α相發(fā)生粗化，β相沿晶界析出，硬度高于母材。
2.4 力學(xué)性能分析
拉伸性能：在優(yōu)化工藝參數(shù)下（3000~3100 W，0.04 m/s），接頭抗拉強(qiáng)度達(dá) 720~740 MPa，與母材相當(dāng)，斷裂位置位于母材；當(dāng)熱輸入過(guò)高（82.5 J/mm），焊縫缺陷增加，斷裂發(fā)生在焊縫，強(qiáng)度降至 679 MPa。
顯微硬度：焊縫區(qū)硬度 340~380 HV，熱影響區(qū) 315 HV，均高于母材（265 HV），歸因于馬氏體強(qiáng)化與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶細(xì)化作用。
三、Ti75合金的超塑性變形行為
3.1 超塑性拉伸性能
在 800~900℃范圍內(nèi)，Ti75合金表現(xiàn)出優(yōu)異的超塑變形能力。當(dāng)溫度為 900℃、拉伸速度 2 mm/min 時(shí)，延伸率達(dá)到 1073%，應(yīng)變速率敏感性指數(shù) m>0.3。變形過(guò)程中，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶通過(guò)大角度晶界弓出形核，使板條組織轉(zhuǎn)化為等軸細(xì)晶（1~2 μm），晶界滑移為主要變形機(jī)制，β相通過(guò)擴(kuò)散與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)α晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.2 超塑性壓縮行為
最佳變形條件：800℃、應(yīng)變速率 5×10?? s?1 時(shí)，m 值最大（>0.3），壓縮變形后組織均勻等軸化。
高溫軟化機(jī)制：900℃時(shí)，晶粒異常長(zhǎng)大（>10 μm），晶界滑移受阻，變形以晶內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散蠕變?yōu)橹鳎琺 值下降。
3.3 變形機(jī)制模型
Ti75合金超塑性變形符合等應(yīng)變速率模型，α相變形由位錯(cuò)蠕變協(xié)調(diào)晶界滑移主導(dǎo)，β相則結(jié)合擴(kuò)散蠕變與位錯(cuò)蠕變。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶消除應(yīng)力集中，β相抑制α晶粒粗化，共同保障超塑性能。
四、時(shí)效工藝對(duì)Ti75合金組織與性能的影響
4.1 時(shí)效工藝參數(shù)與組織演變
采用β相區(qū)淬火（980℃/2h/WC）模擬焊接熱影響區(qū)組織，獲得片層α相與馬氏體α' 相，再經(jīng)不同時(shí)效處理（表 4），組織演變?nèi)缦拢?/p>
低溫時(shí)效（500~600℃）：馬氏體α' 分解為彌散α+β相，形成彌散強(qiáng)化。
高溫時(shí)效（650~750℃）：片層α相合并長(zhǎng)大，邊界彎曲，β相粗化，軟化作用增強(qiáng)。
表 4Ti75合金的時(shí)效工藝與組織特征
| 時(shí)效溫度（℃） | 時(shí)效時(shí)間（h） | 組織特征 |
| 500 | 2~8 | 彌散α+β相，片層結(jié)構(gòu)完整 |
| 650 | 2~8 | 片層α相部分合并，β相析出 |
| 750 | 2~8 | 片層α相顯著粗化，局部球化 |
4.2 力學(xué)性能調(diào)控規(guī)律
強(qiáng)度：隨時(shí)效溫度升高，屈服強(qiáng)度從 924 MPa（500℃）降至 768 MPa（750℃），歸因于彌散強(qiáng)化減弱與晶粒粗化。
塑性與韌性：延伸率從 4.6%（淬火態(tài)）增至 13.8%（750℃/8h），沖擊韌性先降后升，650℃時(shí)達(dá)最低，750℃時(shí)恢復(fù)至 50 J，因片層α相粗化阻礙裂紋擴(kuò)展。
斷口特征：淬火態(tài)為典型準(zhǔn)解理斷裂，高溫時(shí)效后解理平面出現(xiàn)淺韌窩，塑性改善。
五、總結(jié)
Ti75合金作為高性能船用鈦合金，其加工工藝與性能調(diào)控研究取得顯著進(jìn)展：
激光焊接：優(yōu)化參數(shù)（3000~3100 W，0.04 m/s，0.1 mm 間隙）可獲得與母材等強(qiáng)的接頭，焊縫組織以馬氏體與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒為主。
超塑性變形：800~900℃下通過(guò)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶實(shí)現(xiàn)細(xì)晶化，延伸率超 1000%，適用于復(fù)雜構(gòu)件成形。
時(shí)效處理：750℃/2h 工藝可平衡強(qiáng)度與韌性，使沖擊韌性恢復(fù)至 50 J，滿足海洋工程對(duì)材料韌性的要求。
未來(lái)研究需聚焦焊接 - 時(shí)效復(fù)合工藝優(yōu)化，進(jìn)一步提升接頭疲勞性能，推動(dòng)Ti75合金在深海裝備中的規(guī)模化應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] 曹守啟，何鑫，劉婉榮，等.Ti75合金激光焊接接頭的組織及力學(xué)性能 [J]. 材料科學(xué)與工藝，2021, 29 (1):53-58.
[2] 曹守啟，何鑫，上官春霞，等. Ti75 鈦合金激光焊接性能與工藝 [J]. 應(yīng)用激光，2020, 40 (2):243-248.
[3] 李長(zhǎng)亮.Ti75合金超塑性變形研究 [D]. 東北大學(xué)，2003.
[4] 尹艷超，劉甲，張帥鋒，等。時(shí)效工藝對(duì)Ti75合金顯微組織及力學(xué)性能的影響 [J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2023, 40 (1):21-26.
無(wú)相關(guān)信息