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随钛合金因其高比强度、优异韧性和耐腐蚀性，在航空航天、石油化工及深海装备等领域应用广泛。随着大型飞机、压力容器和深海探测器等装备向大厚度、大尺寸方向发展，厚度超过60毫米的钛合金超厚板需求日益增长。然而，超厚板的焊接面临效率、质量和可靠性的多重挑战。传统电弧焊需开坡口并采用多层多道填充焊，效率低下且易产生残余应力、气孔和裂纹，导致接头力学性能下降。电子束焊接（EBW）虽具有高能量密度、深宽比大等优势，但钛合金导热性差易导致热积累，引发焊接过程不稳定；随着板厚增加，熔池流动、微观组织演变和残余应力分布更趋复杂，过高的焊接能量会引发金属飞溅和缺陷，难以实现高质量深熔焊。

目前针对钛合金超厚板EBW的研究多集中于焊缝成形和强度提升，对动态载荷下接头韧性（冲击韧性和断裂韧性）及断裂机制的探索仍显不足，而航空航天等极端环境既要求高强度，又需优异抗冲击性和裂纹扩展抗力。现有EBW接头常因FZ区粗晶或脆性相导致强韧性失衡，且组织性能沿焊透方向的不均匀性可能成为断裂风险源，需揭示微观组织演变与韧性耦合机制以指导工程应用。

针对钛合金超厚板EBW的微观组织演变、力学性能及断裂机制问题，由中国科学院金属研究所组成的研究团队利用泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜展开了深入研究，该团队以106毫米厚Ti-6Al-4V ELI合金为对象，通过优化EBW工艺成功实现全焊透无缺陷连接，相关研究以“Microstructure Evolution and Fracture Mechanisms in Electron Beam Welded Joint of Ti–6Al–4V ELI Alloy Ultra-thick Plates”为题发表在《Acta Metallurgica Sinica (English Letters)》期刊上。

这篇论文聚焦于106 mm超厚Ti-6Al-4V ELI合金EBW的工艺优化与性能调控，系统研究了焊接接头的微观组织演变、力学性能及断裂机制，旨在解决超厚板焊接中常见的强韧性失衡问题。研究团队通过优化电子束参数（150 kV电压、200 mA电流、150 mm/min焊接速度），实现了无缺陷的全焊透焊缝，并揭示了焊接区微观组织与力学性能的关联机制。

图 展示了Ti-6Al-4V ELI合金超厚板EBW接头在不同束流参数下的典型宏观形貌

图 展示了BM及EBW接头不同区域的扫描电镜图

在微观组织方面，论文分析了焊接热影响区（HAZ）、熔合线（FL）和熔合区（FZ）的相变行为。研究发现，HAZ因热循环作用形成次生α相，FL区保留原始β晶界并析出片层α相，而FZ则因快速冷却生成细密的α'马氏体。这种组织梯度分布显著影响了接头的力学响应，尤其是FZ中α'马氏体的高密度界面为位错运动提供了障碍，从而提升了材料的强韧性。

图 FL与FZ区域的EBSD分析结果

力学性能测试表明，焊接接头的冲击韧性和断裂韧性均优于母材，其中FZ的冲击功达到51.9 J（母材为49 J），断裂韧性高达90.2 MPa·m^1/2（母材74.2 MPa·m^1/2）。通过断口分析和原位观察，团队发现α'/β界面的位错协调作用能有效阻碍裂纹扩展，这是韧性提升的关键机制。此外，焊接接头的拉伸强度与母材相当，实现了等强匹配，表明EBW工艺在超厚板焊接中具有显著优势。

图 BM与FZ的断口形貌及裂纹扩展路径分析

论文进一步探讨了焊接参数对组织性能的影响规律，指出适中的热输入可平衡马氏体含量与晶粒尺寸，避免过热导致的脆化。这一发现为航空航天、深海装备等极端环境下的钛合金焊接提供了理论依据和工艺指导。研究不仅深化了对超厚板EBW微观机制的理解，也为高性能焊接结构的设计与制造奠定了技术基础。

泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜是一款集成度高、便携性强且经济实用的科研设备。它具备快速抽真空、高成像速度、多样的信号探测器选择，适用于形貌观测和成分分析，还能适配多种原位实验需求。该设备对安装环境要求低，不挑楼层，操作简单，非专业人士也能快速上手，且购买及维护成本均低于落地式扫描电镜，现已成为许多高校、研究所和企业的选择设备之一。