摘要
Ti-Al系高温钛合金作为航空发动机中重要结构件的关键材料得到了广泛的研究，其中合金的高温性能是研究的重点方向之一。已知的高温钛合金的使用温度已经达到600℃，更高使用温度的成熟Ti-Al系合金未见报导。焊接是一种高效的成型手段，焊接性能是提高高温钛合金使用量的重要影响因素。 本文采用电子束焊对新型Ti650合金进行焊接，并进行1000℃/1h/AC+700℃/4h/AC的退火处理，研究了热处理前后接头的显微组织，硬度分布，热处理后接头和母材的拉伸性能、高温持久和蠕变性能，对蠕变过程进行了深入分析。结果表明，热处理前:母材组织由薄片状α和少量β相组成;热影响区中不仅有α和β相，还有马氏体，且其含量从母材至焊缝逐步增加;焊缝组织为马氏体;显微硬度从母材的360HV逐步升高至焊缝的470HV。 热处理后接头形成了均匀的组织，析出了硅化物和α2相;各部分硬度平均为450HV。拉伸试验结果表明，母材和接头室温下的抗拉强度均高于1000MPa，延伸率均介于7-10％之间;650℃时抗拉强度下降，延伸率明显提高。接头与母材的蠕变寿命均随着应力的增加而缩短，接头的寿命比母材短;150MPa时，蠕变寿命高于175h。应力降低至300MPa时，蠕变断裂时间均在20h以内。母材的蠕变应变超过30％，最大为43％，高于接头的15％。接头试样蠕变断于焊缝，研究认为蠕变过程中在焊缝中先发生颈缩的原因是母材处形变硬化提高了强度。 各个应力下，接头的初始蠕变速率高于母材。接头和母材的蠕变速率在初始蠕变阶段和稳态蠕变阶段均与应力成指数关系。母材的持久寿命比接头长，分别得出了预测650℃下接头和母材寿命的方程式。 对试样进行SEM和TEM观察，发现蠕变过程中在合金表面形成氧化层，其厚度随时间的延长而增加，氧化层在力的作用下形成大量开口。母材与接头组织中存在大量弯曲、钉扎在相界上，以及在相界上弓出的位错，这些位错在高温下的滑移或攀移被认为是蠕变的机制。母材和焊缝经时效后，α相内部和相界上有硅化物析出。试样内部观察表明蠕变的裂纹形核主要是α相界上的硅化物与基体的脱离导致的。断口形貌表明接头焊缝中的柱状晶界在高温下的弱化有利于裂纹的生长，而母材断裂过程则是相邻之间的裂纹聚集导致的断裂。裂纹生长的方式不同导致了母材和接头蠕变断裂应变的差异。
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