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隨鈦合金因其高比強度、優(yōu)異韌性和耐腐蝕性，在航空航天、石油化工及深海裝備等領域應用廣泛。隨著大型飛機、壓力容器和深海探測器等裝備向大厚度、大尺寸方向發(fā)展，厚度超過60毫米的鈦合金超厚板需求日益增長。然而，超厚板的焊接面臨效率、質量和可靠性的多重挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)電弧焊需開坡口并采用多層多道填充焊，效率低下且易產(chǎn)生殘余應力、氣孔和裂紋，導致接頭力學性能下降。電子束焊接（EBW）雖具有高能量密度、深寬比大等優(yōu)勢，但鈦合金導熱性差易導致熱積累，引發(fā)焊接過程不穩(wěn)定；隨著板厚增加，熔池流動、微觀組織演變和殘余應力分布更趨復雜，過高的焊接能量會引發(fā)金屬飛濺和缺陷，難以實現(xiàn)高質量深熔焊。

目前針對鈦合金超厚板EBW的研究多集中于焊縫成形和強度提升，對動態(tài)載荷下接頭韌性（沖擊韌性和斷裂韌性）及斷裂機制的探索仍顯不足，而航空航天等極端環(huán)境既要求高強度，又需優(yōu)異抗沖擊性和裂紋擴展抗力。現(xiàn)有EBW接頭常因FZ區(qū)粗晶或脆性相導致強韌性失衡，且組織性能沿焊透方向的不均勻性可能成為斷裂風險源，需揭示微觀組織演變與韌性耦合機制以指導工程應用。

針對鈦合金超厚板EBW的微觀組織演變、力學性能及斷裂機制問題，由中國科學院金屬研究所組成的研究團隊利用澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡展開了深入研究，該團隊以106毫米厚Ti-6Al-4V ELI合金為對象，通過優(yōu)化EBW工藝成功實現(xiàn)全焊透無缺陷連接，相關研究以“Microstructure Evolution and Fracture Mechanisms in Electron Beam Welded Joint of Ti–6Al–4V ELI Alloy Ultra-thick Plates”為題發(fā)表在《Acta Metallurgica Sinica (English Letters)》期刊上。

這篇論文聚焦于106 mm超厚Ti-6Al-4V ELI合金EBW的工藝優(yōu)化與性能調控，系統(tǒng)研究了焊接接頭的微觀組織演變、力學性能及斷裂機制，旨在解決超厚板焊接中常見的強韌性失衡問題。研究團隊通過優(yōu)化電子束參數(shù)（150 kV電壓、200 mA電流、150 mm/min焊接速度），實現(xiàn)了無缺陷的全焊透焊縫，并揭示了焊接區(qū)微觀組織與力學性能的關聯(lián)機制。

圖 展示了Ti-6Al-4V ELI合金超厚板EBW接頭在不同束流參數(shù)下的典型宏觀形貌

圖 展示了BM及EBW接頭不同區(qū)域的掃描電鏡圖

在微觀組織方面，論文分析了焊接熱影響區(qū)（HAZ）、熔合線（FL）和熔合區(qū)（FZ）的相變行為。研究發(fā)現(xiàn)，HAZ因熱循環(huán)作用形成次生α相，F(xiàn)L區(qū)保留原始β晶界并析出片層α相，而FZ則因快速冷卻生成細密的α'馬氏體。這種組織梯度分布顯著影響了接頭的力學響應，尤其是FZ中α'馬氏體的高密度界面為位錯運動提供了障礙，從而提升了材料的強韌性。

圖 FL與FZ區(qū)域的EBSD分析結果

力學性能測試表明，焊接接頭的沖擊韌性和斷裂韌性均優(yōu)于母材，其中FZ的沖擊功達到51.9 J（母材為49 J），斷裂韌性高達90.2 MPa·m^1/2（母材74.2 MPa·m^1/2）。通過斷口分析和原位觀察，團隊發(fā)現(xiàn)α'/β界面的位錯協(xié)調作用能有效阻礙裂紋擴展，這是韌性提升的關鍵機制。此外，焊接接頭的拉伸強度與母材相當，實現(xiàn)了等強匹配，表明EBW工藝在超厚板焊接中具有顯著優(yōu)勢。

圖 BM與FZ的斷口形貌及裂紋擴展路徑分析

論文進一步探討了焊接參數(shù)對組織性能的影響規(guī)律，指出適中的熱輸入可平衡馬氏體含量與晶粒尺寸，避免過熱導致的脆化。這一發(fā)現(xiàn)為航空航天、深海裝備等極端環(huán)境下的鈦合金焊接提供了理論依據(jù)和工藝指導。研究不僅深化了對超厚板EBW微觀機制的理解，也為高性能焊接結構的設計與制造奠定了技術基礎。

澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強且經(jīng)濟實用的科研設備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號探測器選擇，適用于形貌觀測和成分分析，還能適配多種原位實驗需求。該設備對安裝環(huán)境要求低，不挑樓層，操作簡單，非專業(yè)人士也能快速上手，且購買及維護成本均低于落地式掃描電鏡，現(xiàn)已成為許多高校、研究所和企業(yè)的選擇設備之一。