引言

鈦合金因比強度高、抗沖擊性能優異、耐海水腐蝕、高低溫力學性能穩定且無磁性，是深海裝備的理想材料，素有"海洋金屬"之稱。在深海耐壓結構領域，采用鑄造TC4(Ti-6Al-4V)可有效減輕設備自重、提升容重比、縮減排水量，并大幅降低長期防腐維護成本，顯著延長裝備服役周期，因此，鑄造TC4鈦合金在深海耐壓構件中應用前景廣闊。用于深海耐壓結構的鑄造TC4壁厚較大、剛性要求高，且鑄態組織存在成分偏析、縮松、氣孔等固有缺陷傾向;鑄件在后續焊接修補過程中，受高強度基體、厚大截面、高拘束度及殘余應力疊加作用，極易誘發焊接裂紋[3-4]。鑄件內部或表面一旦產生焊接裂紋，不僅造成工時與材料浪費，更可能危及設備安全性與可靠性，嚴重制約生產效率和焊接修補質量。因此，針對鑄造TC4鈦合金深海耐壓鑄件的焊接修補工藝，必須高度重視焊接裂紋的防控問題。

鈦合金焊接性能的好壞主要與焊接工藝有關，而焊絲的成分很大程度上決定了焊接后金屬的性能。徐穎昶等[5]選用了兩種不同β穩定元素的焊絲對新型Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr-Sn合金進行了鎢極惰性氣體保護焊，結果表明，焊絲中β穩定元素含量較低的焊接接頭熔合區的平均硬度約為299.4HV，減小焊絲β穩定元素含量能顯著粗化熔合區α片層，降低熔合區平均硬度。鄒升光等[6]選用了兩種不同材質的焊絲對鈦合金進行激光-電弧復合焊接熔覆，結果表明Ti-6Al-4V熔敷金屬由針葉狀α相和網籃狀β相組成，晶粒較小，而Ti-4Al-3V-1.5Zr熔敷金屬主要由片層狀α相構成，晶粒較大，兩者的強度和硬度差別較大，這是因為Ti-6Al-4V中V元素的固溶強化和細晶作用以及高強度β相導致，Ti-4Al-3V-1.5Zr熔敷金屬的韌性更高，主要與Zr元素增韌作用相關。宋凱[7]研究了母材成分和TC4鈦合金焊絲對Ti5322合金焊接接頭組織與力學性能的影響，結果表明TC4焊絲能夠有效降低Ti-5322焊縫區β穩定元素的濃度，形成較長的片狀α相，α相尺寸分布不均勻，導致試樣拉伸時應力分布不均勻，焊接接頭硬度塑性均略低于母材焊絲。谷衛華等[8]對比研究了Ti-Al-Mo-V-Zr合金體系焊絲與TC18同材質焊絲的鎢極氬弧焊接接頭力學性能。結果表明:采用同材質焊絲時，焊接接頭顯微組織主要為片狀α+β組織，晶界處分布有不連續α相，晶內含有等軸α相。該組織雖能使接頭強度達到母材的95%以上，但沖擊韌性不足母材的50%。而新研制的焊絲同時含有α穩定元素(Al、Zr)和β穩定元素(Mo、V)，優化了焊縫區域的成分，使焊縫區形成細針狀α+β組織，實現了良好的強度與韌性匹配。

綜上，現有鈦合金焊接焊絲研究多聚焦于β相穩定元素，而對α相穩定元素(如氧)的作用機制探討尚不充分。鑒于此，本文系統研究不同氧含量焊絲對TC4鈦合金焊接組織與性能的影響，旨在為鑄造TC4鈦合金的焊接修補及后續相關研究提供理論與試驗基礎。

1、實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本研究選用的母材為ZTC4鑄造鈦合金板材，狀態為鑄造+熱等靜壓，采用3種不同氧含量(0.05、0.1、0.15)TC4焊絲進行焊接，經檢測，三種不同氧含量ZTC4焊絲化學成分如表1所示。

表1 不同氧含量ZTC4焊絲化學成分(wt.%)

1.2 實驗方法

實驗采用手工鎢極氬弧焊接工藝，對厚度為6mm板材進行焊接，焊接工藝參數如表2所示。焊接前對ZTC4試板進行表面機械打磨去除氧化皮、油污等雜質，并選用酒精擦拭備用，焊后對形成焊縫取樣，分析焊縫區域合金成分，采用ZEISS Axio Vert.A1型金相顯微鏡(OM)觀察宏觀和微觀組織及顯微組織，采用HVS-1000型顯微硬度儀進行測試，測試載荷為1kg，保載時間為15s。

表2 焊接工藝參數

2、試驗結果及分析

2.1 焊縫區域氧含量變化

采用三種不同氧含量的焊絲焊接ZTC4母材后，對焊縫區域進行了化學成分檢測，結果如表3所示。結合表1可知，在鎢極氬弧焊焊接ZTC4鈦合金(母材氧含量0.13%)時，采用氧含量分別為0.05%、0.10%、0.15%的三種焊絲，所得焊接接頭的氧含量依次為0.06%、0.11%、0.16%。焊接接頭的氧含量隨焊絲氧含量的升高而單調增加，二者呈正相關關系。這一結果表明，焊絲中的氧含量是控制焊接接頭最終氧含量的主導因素。其原理在于:焊接過程中，焊絲與母材局部熔化形成熔池，熔池中的氧主要來源于焊絲和母材，兩者在熔池中充分混合。在焊接工藝參數保持不變的條件下，母材的熔化比例(即稀釋率)基本固定，因此焊絲帶入熔池的氧量越高，接頭整體的氧含量就越高。以焊絲氧含量0.05%為例，接頭氧含量為0.06%，略高于焊絲，這是由于母材(氧含量0.13%)的稀釋作用使焊縫氧含量略有提升，但整體趨勢仍由焊絲主導。此外，焊接過程中Al元素因燒損造成其在焊縫中的含量略低于焊絲，而V等其他合金元素的含量變化較小，可忽略不計。該結果說明，通過選擇不同氧含量的焊絲，可以有效調控ZTC4焊接接頭的氧含量，同時保持其他化學成分基本穩定。

表3 三種不同焊絲焊后區域化學成分

2.2 焊縫區域顯微組織

圖1為三種不同氧含量焊接接頭的宏觀組織。當焊絲氧含量為0.05%(接頭氧含量0.06%)時，焊縫區晶粒尺寸相對均勻，呈細小等軸狀分布。當焊絲氧含量增至0.10%(接頭氧含量0.11%)及0.15%(接頭氧含量0.16%)時，焊縫區出現顯著粗大的晶粒;其中，0.15%氧含量條件下的焊接區域晶粒尺寸明顯增大，并形成不規則的長條狀粗大晶粒，最大尺寸超過1cm。

圖2為不同氧含量下焊縫區域的微觀組織。隨著焊縫氧含量的升高，焊接區晶粒尺寸呈增大趨勢。與此同時，晶粒內部α相的形態發生顯著變化:α相的連續性逐漸降低，其長度減小，由連續的長板條狀轉變為短棒狀或碎塊狀分布;原本取向一致的α集束逐漸瓦解，形成尺寸不一、隨機分布于晶內的集束狀組織。

進一步觀察可見，α集束的長度和寬度均減小，取向趨于混亂，失去明顯的方向性。當氧含量達到0.15%(接頭氧含量0.16%)時，晶粒內部出現大量的α相組織，其數量較之低氧條件下顯著增多。

上述微觀組織演變的根本原因在于氧在鈦合金中的α穩定化作用。氧作為典型的α相穩定元素，能夠提高α+β/β相變轉變溫度。隨著焊縫氧含量的升高，β→α相變點上升，在相同的焊接冷卻條件下，高溫β相向α相的擴散型相變更易進行，析出的α相數量隨之增加。然而，由于氧原子在固液界面及晶界處發生偏聚，一方面抑制了α相沿特定方向的擇優生長，另一方面降低了晶界遷移能，導致α相的長大受到限制，形成短小、碎塊狀且取向混亂的α集束。因此，高氧含量條件下(0.16%)晶內α相數量顯著增多，但其形態趨于細碎、無序，而低氧含量時(0.06%)α相則呈現較連續、規則且方向性較強的特征。

采用掃描電子顯微鏡附帶的能譜分析(SEM-EDS)對焊縫區域的氧含量進行了線掃描分析，結果如圖3所示。線掃描結果顯示，焊縫區域的氧含量明顯高于母材區域，而母材區域的氧含量相對較低。以焊絲氧含量為0.15%(對應接頭氧含量0.16%)的試樣為例，母材與焊縫之間存在顯著的氧濃度差異，表現為從母材到焊縫中心氧含量呈明顯上升趨勢。這一現象直接表明，焊絲中的氧含量對焊接接頭的最終氧成分具有決定性作用，即焊絲成分在熔池混合過程中主導了焊縫的氧含量分布。隨著焊絲氧含量的升高，焊縫與母材之間的氧濃度梯度亦相應增大，進一步證實了焊絲成分對焊接接頭氧含量的直接調控作用。

2.3 焊縫區域顯微硬度變化

對焊接接頭進行了顯微硬度測試，如圖4所示，測試路徑從一側母材區經焊縫區至另一側母材區。結果表明，硬度分布整體呈現先升高后降低的趨勢，焊縫區域的硬度值最高，兩側母材區域硬度相對較低。不同氧含量焊絲所得接頭的硬度對比顯示，隨著焊縫氧含量的升高，焊縫硬度與母材硬度之間的差值逐漸增大。當焊絲氧含量為0.15%(接頭氧含量0.16%)時，焊縫區域測得的硬度最大值達362HV。

上述硬度變化是因為氧作為鈦合金中的間隙固溶元素，在焊縫金屬中產生顯著的固溶強化效應。隨著焊縫氧含量的升高，氧原子點陣畸變加劇，阻礙位錯運動的能力增強，從而直接提高焊縫的顯微硬度。同時氧含量的增加使焊接接頭區域α相含量提高，進一步提高了焊接區域的顯微硬度。最后在焊接過程中快速加熱與冷卻在焊縫區域引入了較大的焊接殘余應力，尤其是壓縮殘余應力，使焊縫金屬發生加工硬化效應，進一步提高其硬度。相比之下，母材未經歷焊接熱循環，應力狀態較為均勻，固溶氧含量也較低，因此硬度值明顯低于焊縫區。正是上述原因的共同作用導致焊縫硬度顯著高于母材，且隨氧含量增加而升高。

3、結論

本文研究了采用不同氧含量的焊絲對ZTC4鈦合金母材進行鎢極氬弧焊時，焊接接頭的氧含量分布、宏觀與微觀組織演變以及顯微硬度變化規律。主要結論如下:

(1)ZTC4鈦合金焊接區域氧含量主要由焊絲控制，且隨著焊絲氧含量的升高，焊接接頭氧含量依次增加，分別為0.06%、0.11%、0.16%。低氧含量(0.06%)時焊縫晶粒細小均勻，α相連續且方向性強;高氧含量(0.16%)時焊縫晶粒顯著粗化，形成不規則長條狀晶粒，最大尺寸超過1cm。

(2)焊接接頭硬度從母材至焊縫呈先升高后降低的分布，焊縫區硬度最高，且隨焊縫氧含量增加，硬度與母材的差值逐漸增大，當焊絲氧含量為0.15%(接頭氧含量0.16%)時硬度最大值達到362HV。該硬度變化主要由于氧的間隙固溶強化、氧促進α相析出以及焊接殘余應力共同作用。

參考文獻

[1] 高黎明,陳琦,萬斌,等.鑄造技術,2025,46(04):377.

[2] 張建達.成分與處理工藝對ZTC4鈦合金鑄件組織性能的影響研究,碩士學位論文,沈陽工業大學,2024

[3] 孫兵兵,郭紹慶,肇恒躍,等.電焊機,2016,46(07):98.

[4] 徐峰,郄喜望.汽輪機技術,2024,66(03):229.

[5] 徐穎昶,王倩,楊杰,等.材料開發與應用,2024,39(04):18.

[6] 鄒升光,何明濤,王大鋒,等.鋼鐵釩鈦,2025,46(04):59.

[7] 宋凱.Ti-5322和Ti-1300合金焊接接頭組織與力學性能研究,碩士學位論文,東北大學,2019.

[8] 谷衛華，郭紹慶.先進材料研討會暨北京航空材料研究院建院50周年學術年會，2006.

（注，原文標題：不同氧含量焊絲對ZTC4鈦合金組織及性能影響_史昆）

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