钛合金由于其高熔点、 高比强度和优良的耐侵蚀性，被宽泛利用于航空航天、船舶造作、海洋工程 等领域[1-3] 。 其中，Ti600 合金可在 600℃以上高温长 功夫服役，而TC18钛合金拥有强度高、断裂韧性好、 淬透性高蹬着点，被宽泛利用于中大型舰船、水下潜 艇及深潜器等大型承力构件[4-6] 。 钛合金结构件在海洋中长功夫服役时，会受到海水侵蚀、静水压力、海 水流速等分歧成分的影响，导致使用寿命降落[7] 。 而 异质合金构件可更大水平地阐扬两种合金的良好性 能，实现分歧部位对机能的分歧要求，所以异质合金 构件在航海领域的使用远景优良。

异质钛合金构件与单合金构件相比，在保障较好 机能的同时能够降低资料成本，增长此类零部件的经 济效益。异质钛合金焊接是将两种或两种以上的金属 进行焊接， 得到综合机能良好结构件的衔接技术，被 宽泛使用到航天航海行业[8-10] 。 目前，异质钛合金的连 接工艺重要有激光焊、电子束焊、惯性摩擦焊等[11] 。 其 中，惯性摩擦焊（inertia friction welding，IFW）可有效 预防由于金属溶解而产生的孔洞、裂纹等缺点，被广 泛用于出产异质钛合金结构件[12] 。

对于异质钛合金焊接构件而言，由于焊接时的冶金相容性及界面反映，形成了脆性化合物[13-15] 。 在焊接 过程中，焊缝区域的高温资料流动不充分，导致焊缝 和扰装响区为裂纹及组织偏析等缺点容易出现的部 位，从而影响焊接接头的力学机能及防腐机能[16-17] 。 乌 彦全等[18] 对比了惯性摩擦焊接 α+β 型钛合金焊态和 热处置态的组织机能， 发现热处置后在组织原有丝 织构基础上形成了取向织构， 从而降低了焊缝区硬 度， 拉伸断裂地位均位于远离焊缝中心的母材区。 高潘等[19] 钻研批注 TC4-DT/TC21 线性摩擦焊接头 双沉退火获得的综合力学机能显著优于一次退火处 理，双沉退火后接头的强度和冲击韧性均显著增长， 同时塑性仍维持着较高的水平。Wang 等[20] 钻研得到 随着焊后热处置温度的升高，TC17/TA15 焊接接头 焊缝区缝隙侵蚀受到抑造， 焊接接头的耐侵蚀性增 强。 赵强等[21] 钻研了 Ti-22Al-25Nb 合金惯性摩擦焊 接接头试样焊态和经热处置后的组织变动。 了局表 明：热处置温度和时长共同决定了焊合区 O 相的数 量和尺寸，且热处置温度的影响更为显著。 综上，热 处置对于钛合金焊接接头的力学机能及耐侵蚀机能 均有着显著的提升。 因而，钻研相宜的热处置造度， 提高惯性摩擦焊接接头综合机能， 以造备高机能的 海洋工程焊接件至关沉要。

本文钻研了固溶（双沉退火）后分歧时效温度对 Ti600/TC18 合金惯性摩擦焊接接头显微组织、力学 机能及侵蚀机能的影响， 钻研了局对海洋设备等领 域异质钛合金焊接件的造备及进一步利用提供了理 论凭据及工艺技术领导。

引言

钛合金由于其高熔点、高比强度和优良的耐侵蚀性,被宽泛利用于航空航天、船舶造作、海洋工程等领域。其中,Ti600合金可在600℃以上高温长功夫服役，而TC18钛合金拥有强度高、断裂韧性好、淬透性高蹬着点,被宽泛利用于中大型舰船、水下潜艇及深潜器等大型承力构件[4-6]。钛合金结构件在海洋中长功夫服役时，会受到海水侵蚀、静水压力、海水流速等分歧成分的影响，导致使用寿命降落。而异质合金构件可更大水平地阐扬两种合金的良好机能,实现分歧部位对机能的分歧要求,所以异质合金构件在航海领域的使用远景优良。

异质钛合金构件与单合金构件相比,在保障较好机能的同时能够降低资料成本,增长此类零部件的经济效益。异质钛合金焊接是将两种或两种以上的金属进行焊接，得到综合机能良好结构件的衔接技术，被宽泛使用到航天航海行业[8-10]。目前，异质钛合金的衔接工艺重要有激光焊、电子束焊、惯性摩擦焊等。其中,惯性摩擦焊(inertiafriction welding,IFW)可有效预防由于金属溶解而产生的孔洞、裂纹等缺点，被宽泛用于出产异质钛合金结构件[12]。

对于异质钛合金焊接构件而言,由于焊接时的冶金相容性及界面反映，形成了脆性化合物[13-15]。在焊接过程中，焊缝区域的高温资料流动不充分，导致焊缝和扰装响区为裂纹及组织偏析等缺点容易出现的部位，从而影响焊接接头的力学机能及防腐机能[16-17]。乌彦全等[18]对比了惯性摩擦焊接α+β型钛合金焊态和热处置态的组织机能，发现热处置后在组织原有丝织构基础上形成了取向织构，从而降低了焊缝区硬度，拉伸断裂地位均位于远离焊缝中心的母材区。高潘等钻研批注TC4-DT/TC21线性摩擦焊接头双沉退火获得的综合力学机能显著优于一次退火处置,双沉退火后接头的强度和冲击韧性均显著增长，同时塑性仍维持着较高的水平。Wang等[20]钻研得到随着焊后热处置温度的升高，TC17/TA15焊接接头焊缝区缝隙侵蚀受到抑造，焊接接头的耐侵蚀性加强。赵强等[2]钻研了Ti-22Al-25Nb合金惯性摩擦焊接接头试样焊态和经热处置后的组织变动。了局批注:热处置温度和时长共同决定了焊合区O相的数量和尺寸，且热处置温度的影响更为显著。综上，热处置对于钛合金焊接接头的力学机能及耐侵蚀机能均有着显著的提升。因而，钻研相宜的热处置造度，提高惯性摩擦焊接接头综合机能，以造备高机能的海洋工程焊接件至关沉要。

本文钻研了固溶(双沉退火)后分歧时效温度对Ti600/TC18合金惯性摩擦焊接接头显微组织、力学机能及侵蚀机能的影响，钻研了局对海洋设备等领域异质钛合金焊接件的造备及进一步利用提供了理论凭据及工艺技术领导。

1、试验资料及步骤

1.1试验资料

试验选取的两种母材别离为高温Ti600合金和高强TC18合金，两种的母材显微组织如图1所示。

其中,Ti600(Ti-4Al-3.8Sn-4.5Zr-0.2Mo-0.3Si)为近  α型合金，重要由等轴的初生  α相和少量片状的  α+β相组成,相界较为清澈;TC18(Ti-3.5Al-4Mo-5.5V-0.4Cr-1Fe)为α+β型高强度高韧性合金,组织重要为由针状  α相与  β相组成的网篮组织。两种母材合金的重要化学成分及力学机能别离见表1和表2。

表1 母材合金的化学成分(质量分数，%)

Tab.1 Chemical composition of base materials(wt%)

表2 母材合金的力学机能[22]

Tab.2 Mechanical properties of base materials[22]

1.2试验步骤

1.2.1惯性摩擦焊接

选取250BX型惯性摩擦焊机(图2)进行惯性摩擦焊试验。具体过程如下:焊前选取丙酮或酒精对待焊件进行整体洗濯处置，去除试样表表的锈、残留氧化物、水分和油污等杂质;之后将锥度为11°的Φ107 mmx60mm的Ti600圆环和?73.5mmx56mm的TC18内轴;其中Ti600装置在焊机的旋转端,TC18装置在焊机的移动端，并使两者维持在统一水平面上,确保其焊接的顺利进行。惯性摩擦焊接参数为:动弹惯量105.35kg·m2、顶锻压力5.52MPa、转速600r/min。

选取电火花数控线切割机在Ti600/TC18焊后试样上取金相试样与拉伸试样，取样地位如图3所示,其中金相试样的切割尺寸为?10mmx10mm,拉伸试样的切割尺寸为Φ10mm45mm。

1.2.2热处置

对焊后试样选取GSL-1700X型管式炉进行热处置。固溶处置阶段选取双沉退火以开释残存应力，之后进行时效处置，具体双沉退火+时效处置参数见表3。

表3 双沉退火+时效处置的工艺参数

Tab.3 Process parameters of double annealing plus ageing treatment

1.2.3组织观察

微观组织选取OLYMPUS GX51光学显微镜、VEGAII扫描电子显微镜观察，侵蚀液配比为HF:HNO3:H2O=2:10:88。选取D8ADVANCEA25型XRD观察焊缝的相组成。

1.2.4力学机能测试

室温拉伸试验依照GB/T228-2010步骤,高温(450℃)拉伸试验凭据GB/T4338-2006划定,别离在Instron5985电子式全能试验机上进行试验,拉伸试样尺寸如图4所示。拉伸试样断口描摹选取VEGA II式扫描电子显微镜观察。选取MICROMET5104型维氏硬度计对热处置后Ti600/TC18合金试样界面进行显微硬度值测试,其中加载力为200g,加载功夫为15s;显微硬度丈量以Ti600合金热机影响区(thermo-mechanicalaffectedzone,TMAZ)和焊缝区交点为起点,别离向双方以500μm为距离丈量一个点,最终左侧达到-2250μm、右侧达到3750μm处。

1.2.5耐腐机能测试

(1)电化学侵蚀试验

电化学侵蚀试验选取P4000电化学工作站,对Ti600/TC18IFW接头焊后热处置试样进行电化学侵蚀试验，侵蚀介质为3.5wt%NaCl溶液。电化学侵蚀试验均在室温下进行，设置开路电位(OCP)测试功夫300s。极化曲线测试设置试验数据为:测试电压领域-1~0.5V，扫描速度1mV/s，工作电极为Ti600/TC18合金焊后热处置试样，测试面积为0.25 cm2,参比电极为鼓和甘汞电极，辅助电极为铂电极。

(2)浸泡试验

用失沉法推算Ti600/TC18合金焊后热处置试样在3.5wt%NaCl溶液中的侵蚀速度。浸泡试验具体操作如下:将Ti600/TC18试样垂直放入装有3.5wt%NaCl溶液的烧杯中。随后,将烧杯放入水浴加热箱中加热至50℃，并维持恒温(温差不超过1°C)。本次浸泡侵蚀试验的一个周期为10d,每2d取出试样;取出试样后,用软毛刷断根Ti600/TC18接头表表的杂物和侵蚀产品，用流动水洗濯5~10 min,而后用去离子水和酒精各进行5~10min的超声波洗濯，洗濯后使用精度为0.0001g的天平进行称沉;称沉后，更换新的侵蚀液，再次将试样放入烧杯中，并沉复上述操作。

2、试验了局及分析

2.1 Ti600/TC18接头焊态描摹

图5为Ti600/TC18异质合金惯性摩擦接头焊态的宏观描摹和晶粒结构图。由图5(a)能够看出，焊接界面能够分为5个区域,从左至右别离为Ti600基体区(substratezone,SZ)、Ti600侧扰装响区(heat affected zone,HAZ)、焊缝(weldzone,WZ)、TC18侧扰装响区、TC18基体区,并形成了结合较为缜密、显著的圆弧状态的焊接界面(约1mm)。其中,SZ和HAZ组成热力影响区TMAZ。在IFW过程中,由于严沉的热机械效应,  α相和  β相沿旋转方向被拉长(图5(b))。

2.2热处置后Ti600/TC18接头的组织

2.2.1 Ti600/TC18合金接头的微观组织

图6为热处置后Ti600/TC18合金IFW接头的显微组织。由图6能够看出，随时效温度的升高，TC18合金侧组织变动较为显著,其中TMAZ组织中初生  α相( α_p相)的状态变动不大,次生  α相(  α_s 相)尺寸增大且含量增长。由于双沉退火的高温温度为880℃,已超过相变点,元素配分实现,因而  α_p相险些齐全转变为β相,且原始β晶界上起头析出晶界  α相(  α CB ),长而直的片状α_s相按肯定方向交叉分列，从而提高接头强度。经590℃时效处置后，β基体上散布着粗壮的板条α相(图6(a2))。进一步提高时效温度至610℃时，次生α_ps相粗壮、平直，且拥有显著的方向性,出现出网篮组织(图6(b2))。随着时效处置温度进一步升高，其时效温度为630℃,Ti600合金侧晶间β相上析出了少量针状α相,α_s相长大形成片层组织(图6(c1));此表, α_s相的形核率降低、片状αs相长大(图6(c2))。

综上，时效处置工艺参数对Ti600合金侧TMAZ组织的影响较幼,而对TC18合金侧TMAZ组织影响较大，时效处置重要影响亚不变相β分化的析出方式。

2.2.2 Ti600/TC18合金接头的相成分

图7为热处置后Ti600/TC18接头焊缝区的XRD图Ｄ芄豢闯，双沉退火处置对Ti600/TC18合金试样焊缝区相组成影响较幼，三组试样均可观察到α相和β相衍射峰，且α相衍射峰强度较大。其中,α相(101)衍射峰最强,β相衍射峰相对较弱,原由于惯性摩擦焊接过程中产生马氏体相变，组织中的β相转变为α'相,同时TC18合金侧部门β相起头析出α_s相,故β相含量相对  α相少。XRD分析了局批注，热处置对Ti600/TC18合金试样焊接接头相成分的影响较幼。

2.3热处置后Ti600/TC18接头的力学机能

2.3.1拉伸机能

图8为热处置后Ti600/TC18接头的室温拉伸机能，图9为其断口描摹，室温拉伸断裂地位呈此刻Ti600侧。合金在室温下变形能力有限，故裂纹仅沿着远离TMAZ的方向扩大。由图8能够看出，随时效处置温度的升高,Ti600/TC18接头的室温强度先升高后降落。其时效处置温度为610℃(2#)时,抗拉强度和屈服强度别离为1007、972MPa,且室温屈服强度最低可达Ti600合金母材的99%，此时接头的强杜纂塑性匹配值达到最佳,这与图6(b2)、(b3)中出现显著的网篮组织有关。TC18合金侧大量短而弯的互订交叉的α相可不休扭转裂纹的传布方向，从而减幼裂纹的扩散速度，提高接头的断裂韧性。而Ti600/TC18接头的伸长率、断面收缩率随时效处置温度的升高无显著变动，其中590、610、630℃的室温伸长率别离为6.5%、6%、6%，室温断面收缩率别离为14%、13%、14%。此表，由图9能够看出，分歧时效温度下试样的宏观断口描摹均较平展(图9(a)~(c));微观断口由微坑和等轴韧窝组成,韧窝数量较多且深(图9(d)~(f)),有显著的放射棱线,为韧性断裂。

图10和图11别离为经双沉退火后分歧温度时效时Ti600/TC18接头的高温拉伸机能及其断口描摹，高温拉伸断裂地位也产生在Ti600合金侧。高温下合金扩大速度和晶界滑移能够显著提高  α相的应变速度，获得更高的拉伸塑性;裂纹先沿着远离TMAZ方向扩大，而后再朝向顶端TMAZ扩大。从图10能够看出，随时效温度的升高，Ti600/TC18合金接头的高温强度逐步降低。而随着时效温度的升高,Ti600/TC18合金接头的伸长率、断面收缩率随时效温度升高均无显著变动:高温断面收缩率别离为23%、17%,23%,3组试样的高温伸长率均为4.5%。其时效温度为590℃(1#)时,接头的强杜纂塑性匹配值达到最佳,这是由于图6(a2)的组织在高温拉伸过程中次生  α S 相进一步粗壮,变平直,提高了接头的强度。不陆续  α GB 相的存在能够削减在原始β晶界处的应变堆集，同时抑造沿晶界的裂纹传布。从图11能够看出，分歧时效温度时接头的宏观断口描摹均较平展(图11(a)~(c)),为韧性断裂;微观断口由肯定数量的微坑和大幼不一的等轴韧窝组成,韧窝数量较多且深，有显著的放射棱线，批注焊件为韧性断裂。

综上,双沉退火高温阶段温度880℃、低温温度700℃、时效温度为610℃时，Ti600/TC18合金接头的强杜纂塑性匹配较好，且高温及室温拉伸机能均较好，批注该热处置造度对接头综合机能的提高成效较好。

2.3.2显微硬度

图12为分歧温度的时效处置后Ti600/TC18合金接头的显微硬度散布Ｄ芄豢闯，随着时效处置温度的升高,接头焊缝区及两侧合金的显微硬度变动均较幼。其时效温度为610℃时，接头的硬度达到峰值，其中焊缝区、Ti600合金侧母材、TC18合金侧母材硬度值别离可达370、348、350HV0.2。结合图6分析得出,随时效处置温度提高,αs相含量增长,次生αs相变得粗壮、平直，且拥有显著方向性的网篮组织,使Ti600/TC18合金接头的显微硬度值较高。

2.4热处置后Ti600/TC18接头的耐侵蚀机能

2.4.1接头的极化曲线

为进一步表征热处置造度对Ti600/TC18接头耐侵蚀机能的影响，选取P4000电化学工作站对接头在3.5wt%NaCl溶液中的电化学侵蚀过程进行表征。选取塔菲尔表推法进行极化曲线分析双沉退火后分歧时效温度对Ti600/TC18合金IFW接头耐侵蚀机能的影响，了局如图13和表4所示。随着时效温度的升高，Ti600/TC18合金焊接接头的  E corr 值先增大后减幼，I值呈增大趋向，Ti600/TC18焊接接头的耐侵蚀机能逐步减弱，且其时效温度为590℃时,接头的耐侵蚀机能最好。

表4 热处置后试样的自侵蚀电位和自侵蚀电流密度

Tab.4 Corrosion potential and corrosion current density of the samples after heat treatment

2.4.2接头的浸泡侵蚀机能

双沉退火后590、610、630℃下时效的Ti600 TC18接头在3.5wt%NaCl溶液中侵蚀10d后的失沉率别离为0.33、0.10、2.83mg/(cm?·d),可见随着时效温度的升高，试样的失沉率出现先减幼后增大的趋向。失沉了局批注，Ti600/TC18合金焊接接头的耐侵蚀机能先加强后减弱，且其时效处置温度为610℃时，其耐侵蚀机能最好。

图14为双沉退火后分歧温度时效处置后Ti600/TC18接头在3.5wt%NaCl溶液中浸泡10d后的侵蚀描摹。对比侵蚀前的微观组织(图6)能够看出,经分歧温度时效处置后，Ti600/TC18合金接头侵蚀描摹变动与原始描摹相比均较幼，表表险些无侵蚀痕迹，这进一步批注Ti600/TC18焊接接头在3.5wt%NaCl溶液(人为海水)中拥有较好的耐侵蚀机能。

3、结论

(1)经固溶(双沉退火)+时效处置后,Ti600/TC18合金焊接接头重要由β相及α'相组成,时效温度的扭转重要影响亚不变相β的分化，组织出现显著的网篮组织。随时效处置温度升高，室温拉伸强度先升高后降落，高温拉伸强度逐步降低，但塑性随温度变动相对较幼;显微硬度随时效温度升高变动较幼,其时效温度为610℃时,接头的硬度值达到峰值。

(2)随时效温度的升高,试样的失沉率呈先减幼后增大的趋向,最幼失沉率为0.10mg/(cm2·d)。分歧温度时效处置后,Ti600/TC18接头在3.5wt%NaCl溶液中浸泡后，表表险些无侵蚀痕迹，耐侵蚀机能较好。

(3)当双沉退火高温为880℃、低温为700℃，时效温度为610℃时，接头强韧性匹配最佳且耐侵蚀机能也较好。

参考文件:

[1]宋庭丰,蒋幼松,莫德锋,等.不锈钢和钛合金异种金属焊接钻研进展[J].资料导报,2015,29(11):81-87.

[2]高山,袁明强.Ti60/TC17异种钛合金惯性摩擦焊接头组织机能钻研[J].电焊机,2023,53(8):115-121.

[3]方乃文，黄瑞生，龙伟民，等.填充金属对TC4钛合金激光填丝焊接头组织机能影响[J].罕见金属资料与工程,2023,52(5):1725-1736.

[4]弭光宝，谭勇，陈航，等.增材造作600℃高温钛合金钻研进展[J].航空资料学报,2024,44(1):15-30.

[5]袁战军.TC18钛合金铸造异常组织分析[J].铸造与冲压，2024(3):48-52.

[6]Zhu Y, Wu X. Heterostructured materials[J]. Progress in Materials Science,2023,131:101019.

[7]
；，董月成，淡振华，等.我国海洋工程用钛合金近况和发展趋向[J].中国资料进展,2020,39(Z1):585-590.

[8]方溱.异种金属资料物理性质对焊接的影响[J].中国金属传递,2022(10):138-140.

[9]郝雪龙，禄璐，张东晖，等.异种金属焊接构件侵蚀委顿机能钻研[J].大型铸锻件,2022(6):79-82.

[10]刘伟,李能,周标,等.复杂结构与高机能资料增材造作技术进展[J].机械工程学报,2019,55(20):128-151.

[11]赵博,李国元,许广兴.钛合金焊接技术在飞机造作中的利用和瞻望[J].航空造作技术,2013(16):122-125.

[12]高福洋,廖志谦,李文亚.钛脊合金焊接步骤与钻研近况[J].航空造作技术,2012(Z2):86-90.

[13]冯吉才.异种资料衔接钻研进展综述[J].航空学报,2022,43(2):6-42.

[14] Hossein G, Aboozar T, Behzad S, et al. Metallurgical characteristics of aluminum-steel joints manufactured by rotary friction welding:a review and statistical analysis[J]. Journal of Materials Research and Technology,2024,30:2520-2550.

[15]Kimura M,Iijima T,Kusaka M,et al. Joining phenomena and tensile strength of friction welded joint between Ti-6Al-4V titanium alloy and low carbon steel[J]. Journal of Manufactur-ing Processes,2016,24:203-211.

[16]张露,张春波,廖仲祥,等.IN718/FGH96惯性摩擦焊接头焊缝区微观组织状态与织构散布特点[J].电焊机,2022,52(4):8-13.

[17] Zhang C Q,Qin Z,Chen R,et al. The preliminary exploration of micro-friction stir welding process and material flow of copper and brass ultra-thin sheets[J]. Materials,2020,13(10):2401.

[18]乌彦全,周军,张春波,等.α+β型钛合金惯性摩擦焊接头焊态/热处置态组织特点及机能[J].罕见金属资料与工程，2022,51(6):2144-2150.

[19]高潘，曾卫东，张传臣，等.热处置对TC4-DT/TC21钛合金线性摩擦焊接头组织和机能的影响[J].航空科学技术,2021,32(9):50-56.

[20]Wang C M, Guo Q L, Zhu X T, et al. Effect of post-weld heat treatment on microstructure and property of linear friction welded TC17/TA15 titanium alloy joint[J]. Materials Charac-terization,2023,199:1044-5803.

[21]赵强,祝文卉,邵天巍,等.Ti-22Al-25Nb合金惯性摩擦焊接头显微组织与力学机能[J].资料工程,2020,48(6):140-147.

[22]Alireza N, Abdol R S, Khosro F, et al. The effect of post-weld heat treatment on the corrosion behavior of different weld zones of titanium Ti-6Al-4V alloy by friction stir welding[J]. Journal of Materials Engineering and Performance,2022,9(29):6784-6789.

（注，原文标题：固溶时效对Ti600_TC18合金惯性摩擦焊接头组织和机能的影响_刘晓飞）