面向深海装备厚壁铸造TC4构件焊接修补的氧含量精准调控策略：从焊丝成分设计到焊缝组织-性能匹配的"强度-韧性"协同优化路径探索

引言

钛合金因比强度高、抗冲击性能优异、耐海水腐蚀、高低温力学性能稳定且无磁性，是深海装备的理想材料，素有"海洋金属"之称。在深海耐压结构领域，采用铸造TC4(Ti-6Al-4V)可有效减轻设备自重、提升容重比、缩减排水量，并大幅降低长期防腐维护成本，显著延长装备服役周期，因此，铸造TC4钛合金在深海耐压构件中应用前景广阔。用于深海耐压结构的铸造TC4壁厚较大、刚性要求高，且铸态组织存在成分偏析、缩松、气孔等固有缺陷倾向;铸件在后续焊接修补过程中，受高强度基体、厚大截面、高拘束度及残余应力叠加作用，极易诱发焊接裂纹[3-4]。铸件内部或表面一旦产生焊接裂纹，不仅造成工时与材料浪费，更可能危及设备安全性与可靠性，严重制约生产效率和焊接修补质量。因此，针对铸造TC4钛合金深海耐压铸件的焊接修补工艺，必须高度重视焊接裂纹的防控问题。

钛合金焊接性能的好坏主要与焊接工艺有关，而焊丝的成分很大程度上决定了焊接后金属的性能。徐颖昶等[5]选用了两种不同β稳定元素的焊丝对新型Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr-Sn合金进行了钨极惰性气体保护焊，结果表明，焊丝中β稳定元素含量较低的焊接接头熔合区的平均硬度约为299.4HV，减小焊丝β稳定元素含量能显著粗化熔合区α片层，降低熔合区平均硬度。邹升光等[6]选用了两种不同材质的焊丝对钛合金进行激光-电弧复合焊接熔覆，结果表明Ti-6Al-4V熔敷金属由针叶状α相和网篮状β相组成，晶粒较小，而Ti-4Al-3V-1.5Zr熔敷金属主要由片层状α相构成，晶粒较大，两者的强度和硬度差别较大，这是因为Ti-6Al-4V中V元素的固溶强化和细晶作用以及高强度β相导致，Ti-4Al-3V-1.5Zr熔敷金属的韧性更高，主要与Zr元素增韧作用相关。宋凯[7]研究了母材成分和TC4钛合金焊丝对Ti5322合金焊接接头组织与力学性能的影响，结果表明TC4焊丝能够有效降低Ti-5322焊缝区β稳定元素的浓度，形成较长的片状α相，α相尺寸分布不均匀，导致试样拉伸时应力分布不均匀，焊接接头硬度塑性均略低于母材焊丝。谷卫华等[8]对比研究了Ti-Al-Mo-V-Zr合金体系焊丝与TC18同材质焊丝的钨极氩弧焊接接头力学性能。结果表明:采用同材质焊丝时，焊接接头显微组织主要为片状α+β组织，晶界处分布有不连续α相，晶内含有等轴α相。该组织虽能使接头强度达到母材的95%以上，但冲击韧性不足母材的50%。而新研制的焊丝同时含有α稳定元素(Al、Zr)和β稳定元素(Mo、V)，优化了焊缝区域的成分，使焊缝区形成细针状α+β组织，实现了良好的强度与韧性匹配。

综上，现有钛合金焊接焊丝研究多聚焦于β相稳定元素，而对α相稳定元素(如氧)的作用机制探讨尚不充分。鉴于此，本文系统研究不同氧含量焊丝对TC4钛合金焊接组织与性能的影响，旨在为铸造TC4钛合金的焊接修补及后续相关研究提供理论与试验基础。

1、实验材料及方法

1.1 实验材料

本研究选用的母材为ZTC4铸造钛合金板材，状态为铸造+热等静压，采用3种不同氧含量(0.05、0.1、0.15)TC4焊丝进行焊接，经检测，三种不同氧含量ZTC4焊丝化学成分如表1所示。

表1 不同氧含量ZTC4焊丝化学成分(wt.%)

1.2 实验方法

实验采用手工钨极氩弧焊接工艺，对厚度为6mm板材进行焊接，焊接工艺参数如表2所示。焊接前对ZTC4试板进行表面机械打磨去除氧化皮、油污等杂质，并选用酒精擦拭备用，焊后对形成焊缝取样，分析焊缝区域合金成分，采用ZEISS Axio Vert.A1型金相显微镜(OM)观察宏观和微观组织及显微组织，采用HVS-1000型显微硬度仪进行测试，测试载荷为1kg，保载时间为15s。

表2 焊接工艺参数

2、试验结果及分析

2.1 焊缝区域氧含量变化

采用三种不同氧含量的焊丝焊接ZTC4母材后，对焊缝区域进行了化学成分检测，结果如表3所示。结合表1可知，在钨极氩弧焊焊接ZTC4钛合金(母材氧含量0.13%)时，采用氧含量分别为0.05%、0.10%、0.15%的三种焊丝，所得焊接接头的氧含量依次为0.06%、0.11%、0.16%。焊接接头的氧含量随焊丝氧含量的升高而单调增加，二者呈正相关关系。这一结果表明，焊丝中的氧含量是控制焊接接头最终氧含量的主导因素。其原理在于:焊接过程中，焊丝与母材局部熔化形成熔池，熔池中的氧主要来源于焊丝和母材，两者在熔池中充分混合。在焊接工艺参数保持不变的条件下，母材的熔化比例(即稀释率)基本固定，因此焊丝带入熔池的氧量越高，接头整体的氧含量就越高。以焊丝氧含量0.05%为例，接头氧含量为0.06%，略高于焊丝，这是由于母材(氧含量0.13%)的稀释作用使焊缝氧含量略有提升，但整体趋势仍由焊丝主导。此外，焊接过程中Al元素因烧损造成其在焊缝中的含量略低于焊丝，而V等其他合金元素的含量变化较小，可忽略不计。该结果说明，通过选择不同氧含量的焊丝，可以有效调控ZTC4焊接接头的氧含量，同时保持其他化学成分基本稳定。

表3 三种不同焊丝焊后区域化学成分

2.2 焊缝区域显微组织

图1为三种不同氧含量焊接接头的宏观组织。当焊丝氧含量为0.05%(接头氧含量0.06%)时，焊缝区晶粒尺寸相对均匀，呈细小等轴状分布。当焊丝氧含量增至0.10%(接头氧含量0.11%)及0.15%(接头氧含量0.16%)时，焊缝区出现显著粗大的晶粒;其中，0.15%氧含量条件下的焊接区域晶粒尺寸明显增大，并形成不规则的长条状粗大晶粒，最大尺寸超过1cm。

图2为不同氧含量下焊缝区域的微观组织。随着焊缝氧含量的升高，焊接区晶粒尺寸呈增大趋势。与此同时，晶粒内部α相的形态发生显著变化:α相的连续性逐渐降低，其长度减小，由连续的长板条状转变为短棒状或碎块状分布;原本取向一致的α集束逐渐瓦解，形成尺寸不一、随机分布于晶内的集束状组织。

进一步观察可见，α集束的长度和宽度均减小，取向趋于混乱，失去明显的方向性。当氧含量达到0.15%(接头氧含量0.16%)时，晶粒内部出现大量的α相组织，其数量较之低氧条件下显著增多。

上述微观组织演变的根本原因在于氧在钛合金中的α稳定化作用。氧作为典型的α相稳定元素，能够提高α+β/β相变转变温度。随着焊缝氧含量的升高，β→α相变点上升，在相同的焊接冷却条件下，高温β相向α相的扩散型相变更易进行，析出的α相数量随之增加。然而，由于氧原子在固液界面及晶界处发生偏聚，一方面抑制了α相沿特定方向的择优生长，另一方面降低了晶界迁移能，导致α相的长大受到限制，形成短小、碎块状且取向混乱的α集束。因此，高氧含量条件下(0.16%)晶内α相数量显著增多，但其形态趋于细碎、无序，而低氧含量时(0.06%)α相则呈现较连续、规则且方向性较强的特征。

采用扫描电子显微镜附带的能谱分析(SEM-EDS)对焊缝区域的氧含量进行了线扫描分析，结果如图3所示。线扫描结果显示，焊缝区域的氧含量明显高于母材区域，而母材区域的氧含量相对较低。以焊丝氧含量为0.15%(对应接头氧含量0.16%)的试样为例，母材与焊缝之间存在显著的氧浓度差异，表现为从母材到焊缝中心氧含量呈明显上升趋势。这一现象直接表明，焊丝中的氧含量对焊接接头的最终氧成分具有决定性作用，即焊丝成分在熔池混合过程中主导了焊缝的氧含量分布。随着焊丝氧含量的升高，焊缝与母材之间的氧浓度梯度亦相应增大，进一步证实了焊丝成分对焊接接头氧含量的直接调控作用。

2.3 焊缝区域显微硬度变化

对焊接接头进行了显微硬度测试，如图4所示，测试路径从一侧母材区经焊缝区至另一侧母材区。结果表明，硬度分布整体呈现先升高后降低的趋势，焊缝区域的硬度值最高，两侧母材区域硬度相对较低。不同氧含量焊丝所得接头的硬度对比显示，随着焊缝氧含量的升高，焊缝硬度与母材硬度之间的差值逐渐增大。当焊丝氧含量为0.15%(接头氧含量0.16%)时，焊缝区域测得的硬度最大值达362HV。

上述硬度变化是因为氧作为钛合金中的间隙固溶元素，在焊缝金属中产生显著的固溶强化效应。随着焊缝氧含量的升高，氧原子点阵畸变加剧，阻碍位错运动的能力增强，从而直接提高焊缝的显微硬度。同时氧含量的增加使焊接接头区域α相含量提高，进一步提高了焊接区域的显微硬度。最后在焊接过程中快速加热与冷却在焊缝区域引入了较大的焊接残余应力，尤其是压缩残余应力，使焊缝金属发生加工硬化效应，进一步提高其硬度。相比之下，母材未经历焊接热循环，应力状态较为均匀，固溶氧含量也较低，因此硬度值明显低于焊缝区。正是上述原因的共同作用导致焊缝硬度显著高于母材，且随氧含量增加而升高。

3、结论

本文研究了采用不同氧含量的焊丝对ZTC4钛合金母材进行钨极氩弧焊时，焊接接头的氧含量分布、宏观与微观组织演变以及显微硬度变化规律。主要结论如下:

(1)ZTC4钛合金焊接区域氧含量主要由焊丝控制，且随着焊丝氧含量的升高，焊接接头氧含量依次增加，分别为0.06%、0.11%、0.16%。低氧含量(0.06%)时焊缝晶粒细小均匀，α相连续且方向性强;高氧含量(0.16%)时焊缝晶粒显著粗化，形成不规则长条状晶粒，最大尺寸超过1cm。

(2)焊接接头硬度从母材至焊缝呈先升高后降低的分布，焊缝区硬度最高，且随焊缝氧含量增加，硬度与母材的差值逐渐增大，当焊丝氧含量为0.15%(接头氧含量0.16%)时硬度最大值达到362HV。该硬度变化主要由于氧的间隙固溶强化、氧促进α相析出以及焊接残余应力共同作用。

参考文献

[1] 高黎明,陈琦,万斌,等.铸造技术,2025,46(04):377.

[2] 张建达.成分与处理工艺对ZTC4钛合金铸件组织性能的影响研究,硕士学位论文,沈阳工业大学,2024

[3] 孙兵兵,郭绍庆,肇恒跃,等.电焊机,2016,46(07):98.

[4] 徐峰,郄喜望.汽轮机技术,2024,66(03):229.

[5] 徐颖昶,王倩,杨杰,等.材料开发与应用,2024,39(04):18.

[6] 邹升光,何明涛,王大锋,等.钢铁钒钛,2025,46(04):59.

[7] 宋凯.Ti-5322和Ti-1300合金焊接接头组织与力学性能研究,硕士学位论文,东北大学,2019.

[8] 谷卫华，郭绍庆.先进材料研讨会暨北京航空材料研究院建院50周年学术年会，2006.

（注，原文标题：不同氧含量焊丝对ZTC4钛合金组织及性能影响_史昆）

相关链接