钛合金在工业上的应用越来越广泛，焊接钛合金的方法不断更新迭代。本文探讨了一种焊接钛合金的新趋势与新进展。

摘要

如今，钛合金因其高强度重量比、耐腐蚀性和高温强度的特性在各种复杂工业中得到了广泛应用。这使得异种钛合金在单个单元中实现对比特性变得流行。结构制造过程中，焊接等连接方法是实现所需特性的关键。本研究旨在综述用于不同钛合金焊接的各种先进工艺。

特别研究了钨极惰性气体保护焊（GTAW）、激光和电子束焊接等不同焊接方法对α、α+β和β钛合金异种焊缝组织、力学性能及其它特性的影响。探讨了影响焊接工艺参数对合金机械强度、显微组织和焊接接头质量的基本现象。此外，还对熔合区孔隙率和界面区金属间化合物概念的演变进行了详细研究。另深入研究了提高接头质量的各种补救方法，如光束偏移、工艺杂交、时效和焊后热处理等。结合钛合金异种焊接的工业上应用最新趋势，介绍了该领域进一步研究的最新进展。

Ti6A1-4V/Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn熔焊件的结构特征。（a）显示Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn熔合边界区域的光宏图。大箭头表示明显的熔合边界。（b） 显示rn'人工转化带的光显微照片。（c） 扫描电子显微照片，显示转化带结构和相邻的β区。

1．介绍

随着技术的发展，在工程产品方面实现卓越的需求也在增加。通过将不同的材料组合在一个产品中，就可以实现多种功能。铆接、热缩配合和焊接是工业中用于连接不同材料的一些工艺。其中，焊接是首选，尤其是在高温和高压应用中，如压力容器和飞机结构，因为具有高强度要求的增强密封。

然而，就长期服务提供而言，结构完整性可能会受到影响。特别是，异种合金的焊接可能会导致焊接接头界面处的不相容问题，因为材料特性不同，如导热系数、热膨胀和弹性模量。对于Ti-6-4/Ti-22Al-27Nb焊接接头，不同材料的上述性能差异导致元素分布发生显著变化，如图1所示。观察到元素向基底金属（BM）区域的扩散很小；但是，熔化区域受到显著影响。

图1 采用3kw CO2激光焊接机获得的Ti-6-4(TC4)/ Ti-22Al-27Nb异种焊缝截面b元素分布

2．钛合金的性能和应用

钛以两种同素异形体形式存在，一种是封闭六角形结构(HCP)的α相(α相)，而β相(β-phase)是体心立方结构(BCC)。加热时，hcp结构的α相在β过渡温度(t β transsus)转变为bcc结构的β相。钛的Tβtransus约为885°C，是合金元素及其比例的函数。用于钛合金的合金元素可分为三类。第一组元素为α-稳定剂，在室温下保持HCP晶体结构并提高β-过渡温度，所得合金被视为α-钛合金。铝（Al）和间隙元素，如氧（O）、氮（N）和碳（C）是强α-稳定剂。第二组元素是β-稳定剂，可以稳定BCC晶体结构，降低β-过渡温度，因此称为β钛合金。钒（V）、钼（Mo）、亚铁（Fe）、锰（Mn）、铬（Cr）、氢（H）、钴（Co）、铜（Cu）和钽（Ta）是β-稳定剂的示例。第三组元素为固溶体增强剂，不影响β-transus温度。如锡（Sn）和锆（Zr），它们表现为中性，对相变温度影响很小。

凝固速度增加导致富溶质带形成的示意图。Co为标称合金成分，k为平衡分配比。（a） 在R~处的稳态凝固，（b）生长速率从R~增加到R 2，（c）在R 2处的稳态凝固（经过Flemings之后）

因此，添加它们是为了通过限制滑移变形和位错移动来改变合金的性能。α-合金在室温下具有非常有限的BCCβ相。同样，α- β合金在室温下同时保留了α相和β相。α - β钛合金中的合金元素在室温下起到稳定剂的作用，使β相保持不变。Β-alloys在冷却到室温时，由于β稳定元素的作用，易于保持β相。。图2显示了β稳定剂数量的增加对β相室温稳定性的影响，这也与马氏体起始温度（Ms）有关。在此温度下，BCC（β相）开始转变为针状HCP（α相）微观结构，称为马氏体，并依赖于合金元素。如图2所示，β-稳定剂用量的增加降低了Ms值。

图2 钛合金的α β相图

2.1α-钛合金

一般而言，钛合金因具有许多吸引人的特性而广泛应用于各种工业。例如，在航空航天工业中，常使用α-钛合金，如Ti–3Al–2.5V、Ti–5Al–2.5Sn、Ti–8Al–1Mo–1V和Ti–6Al–2Sn–4Zr–2Mo等，主要是因为它们具有很强的抗腐蚀性和在高温下的显著机械强度。其他α-合金，如商用纯钛（C.P.Ti）、Ti-12、Ti-3Al-2.5V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6-2-4-2和Ti-8Al-1Mo-1V具有优异的焊接能力和耐腐蚀性。

但由于它们是单相合金，热处理过程不会改变相，且机械性能也不会发生显著变化，因此无法通过热处理进行强化。对于单相α-钛合金的强化机制很少。这些包括固溶体、晶粒尺寸、织构和沉淀硬化/强化机制，但范围有限。

其中一些合金被称为近α，含有少量β稳定元素，使热处理和机械性能改善成为可能。即使在极低温度下，α和近α合金也比β钛合金具有更好的蠕变性能。α-合金的强度与300系列退火不锈钢相当，重量减少约40%。该组的高铝含量导致了优异的强度特性和在高温（即316–593°C）下的抗氧化性。与同时具有HCP和BCC相的β-和α+β-钛合金相比，α-钛合金具有完整的HCP晶体结构，在于其相对较低的强度和延展性。HCPα-结构有三个滑移面，而BCCβ-结构有48个滑移面，因此，α-合金中滑移变形的减少使其在室温下的韧性降低。

此外，由于滑移面密集堆积，HCP结构的滑移临界剪切应力(CRSS)小于BCC结构，从而导致前者的抗变形强度低于后者。然而，在高温下，HCP组织中会产生额外的滑移体系，从而提高了α-合金的延展性，因此α-合金在高温下的性能优于β-合金。α-合金的其他局限性包括热处理窗口非常窄，因此可以用于强化的选项较少。

2.2 α+β-钛合金

常见的α+β钛包括Ti–6Al–4V、Ti–6Al–7Nb、Ti–6Al–6V–2Sn、Ti-17和Ti-550，它们具有良好的强度和成形性能。此外，这些合金具有较宽的热处理窗口，因此可以改善机械性能和微观结构，从而达到预期的应用。通过进行机械加工和/或热处理操作来改变这些合金的机械性能具有广泛的灵活性。根据合金成分和加工路线，合金的最终微观结构可以是完全等轴、层状或双峰。这些合金的β-transus温度低于α-合金，因为热加工和再结晶处理是在相对较低的温度下进行的，因此产生了经济的生产顺序。

α+β-钛合金

2.3 β-钛合金

Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-Mo和Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo-0.05Pd是具有良好成形性和热处理响应性的β钛合金。由于BCC结构中存在大量的滑移面，因此BCCβ相比HCPα相具有更大的韧性。此外，与α和α+β钛合金相比，这些合金在热处理条件下具有最高的强度。然而，更高的密度、更高的成本和微观结构的不稳定性是其中的一些缺点。一些β-钛合金（包括Ti–10V–2Fe–3Al、Β-21S等）中出现微观结构不稳定性，这是因为含有大量合金元素，会析出瞬态和脆性相。

此外，β-钛合金的焊接性能一般较差，因为存在β-稳定剂，从而抑制了强化沉淀的形成，降低了焊接接头的强度，因此焊接接头的强度低于母材。与α-合金相比，β-钛合金可以达到显著的高强度水平。例如，在cpTi中，β相非常有限，因此，较少的α/β晶界阻碍了位错的移动。然而，富β合金中较高比例的α/β晶界充当位错屏障和应变不相容性的场所（两相之间材料性质的差异导致相同外加载荷下的不同应变率），从而使其成为高强度合金。表1概述了钛合金的性能和代表性应用。

表1 钛合金性能比较综述

3．钛及其合金的焊接

钛合金的连接可以通过几乎所有的焊接工艺进行，如激光束焊接（LBW）、钨极惰性气体焊接（TIG）、电子束焊接（EBW）和搅拌摩擦焊接（FSW）。钛合金焊接过程中需要考虑的主要因素是钛对大气氧的高亲和力。钛表面在室温下形成的氧化层是其高耐蚀性的主要原因；然而，随着温度的升高，该氧化层的电阻迅速降低，因为在高温过程中，大气污染成为一个问题。一般而言，钛及其合金对熔焊操作表现出良好的响应，这是由于以下一些固有特性：

•导热系数低。

•低密度。

•熔池的高表面张力。

LBW、EBW和FSW均用于生产钛合金的高质量焊缝；然而，它们的运营涉及到较高的资本成本。相反，TIG焊接工艺有利于钛合金，因为它具有一些显著的特点，如操作成本低、易于自动化和灵活性。此外，这些特性使TIG焊接成为应用最广泛的金属连接技术。TIG焊接有可能以更低的成本生产出与LBW和EBW质量相当的焊缝。此外，对于Ti–6Al–4V等钛合金，TIG焊接接头的冲击韧性高于EBW和LBW接头。这可能归因于晶界α-和先前β-晶粒的粗糙微观结构，促进了冲击断裂期间裂纹的分支，并增加了断裂所需的能量。此外，粗糙的微观结构更加均匀，并具有三轴应力状态，可抵抗应力空化。

每个焊接过程中热源的性质不同，因此功率密度（平均功率与表面积之比）存在显著差异，如图3所示。

图3 不同焊接工艺的功率密度，“GTAW”为TIG焊接，“PAW”为等离子弧焊

LBW因其快速加工能力而广泛应用于钛合金。LBW（Nd:YAG和光纤激光器）的脉冲形式是一种先进的工艺，在这种工艺中，热源更密集，使得每次脉冲后焊接区发生熔化和凝固。理想的焊接模式可以通过脉冲能量、形状、持续时间、速度和重复率等参数的最佳组合来选择，因此它比TIG焊接更有效和可控。在电子束焊接过程中，熔合热源是一束指向工件的高速电子束。电子束焊接设备包括阴极和提供强电场和磁场以加速电子的装置。焊接操作期间使用真空为钛合金提供了一个明显的优势，因为熔化的焊接池受到保护，免受大气氧气的污染。

电子束焊接的功率密度约为1012W/m2，而传统TIG焊接工艺的功率密度约为109W/m2，因此在单道次焊接中可获得较高的功率密度，同时可降低总热输入。Schultz得出结论，与LBW和TIG焊接操作相比，由于电子束焊接具有显著的工作距离，因此可以焊接各种尺寸和几何形状的工件。Saxena将GMAW(金属极惰性气体保护电弧焊)与EBW进行了比较，并得出结论，后一种技术焊接150mm厚不锈钢所需的时间和焊道数显著减少（与GMAW的4小时、35分钟和35次焊道相比，EBW只需27分钟和单次焊道）。

EBW还可用于生产高性能镍基合金、Ti2AlNb和NiTi基形状记忆合金的高质量焊缝。Weglowski等人从技术、现代趋势和应用方面对EBW进行了详细的综述。与LBW相比，EBW更适合反射激光束的有光泽表面的金属。Bing报告说，EBW因为其深而窄的焊接区（WZ）、显著减少的热影响区（HAZ）和可靠性，仍然是大多数金属的首选连接方法。此外，小于1–300 kW范围内的光束功率使焊接厚度在0.5到300 mm范围内的薄板成为可能。

来源：Infuence of welding processon the properties of dissimilar titanium alloy weldments:a review，JMST Advances (2020) 2:61–76，10.1007/s42791-020-00034-4

参考文献：Z.L.Lei,Z.J.Dong,Y.B. Chen,L.Huang,R.C.Zhu,Microstruc-ture and mechanical properties of laser welded Ti–22Al–27Nb/ TC4 dissimilar alloys. Mater. Sci. Eng. A 559, 909–916(2013)；D. Banerjee, J.C. Williams,Perspectives on titanium science and technology. ActaMater. 61(3), 844–879(2013)；G. Lütjering, J.C. Williams, Titanium(Springer, Berlin,2007)；Rti, “Titanium alloy guide,” pp. 43–74(2013).