钛合金作为重要的航空结构材料,其高能束焊接后的接头显微组织、常规力学性能以及疲劳裂纹扩展行为成为越来越多的国内外学者的研究重点。本课题以高能束流作用下钛合金焊接熔凝区、热影响区显微组织和焊接接头不同区域疲劳断裂行为为研究对象,探讨了钛合金高能束焊接接头显微组织的不均匀性、焊接间隙量对焊接接头显微组织和疲劳性能的影响以及焊接接头不同区域疲劳裂纹扩展行为。本文的主要研究内容及成果为:①完善了以局域梯度模拟技术为基础的焊缝组织不均匀性表征方法,用该方法对TC4钛合金电子束焊接四种典型形貌焊缝的柱晶尺寸梯度和纵横向硬度梯度进行了测量分析,并结合低周疲劳试验建立了焊接接头显微组织不均匀性与疲劳性能的关系。四种形貌焊缝的组织和硬度梯度分析表明,沿焊缝纵向柱晶长度尺寸梯度以及三处横向硬度梯度分布具有规律性,而纵向柱晶宽度尺寸梯度以及焊缝中心纵向硬度梯度分布无明显规律性。综合分析四种典型熔凝区形状接头的尺寸梯度分布和横向硬度梯度分布,结果表明,钟罩形焊缝的显微组织不均匀程度最小,楔形焊缝的显微组织不均匀程度最大,并通过低周疲劳试验证明了显微组织的不均匀程度与焊接接头疲劳性能之间存在着密切联系。②通过对疲劳断口的裂纹源区、裂纹扩展区不同部位和阶段的疲劳辉纹等精细断口特征分析、金相组织观察,分析了焊接间隙对焊接接头显微组织和低周疲劳性能的影响及产生的原因。随着焊接间隙量的增加,焊接接头热影响区宽度逐渐减小,柱状晶长度尺寸逐渐增大,同时晶内α′针状马氏体的细密程度也发生变化;低周疲劳试验结果表明焊接间隙量为0.15mm试样的焊接接头低周疲劳寿命最好,0.20mm间隙量焊接接头次之,通过对疲劳断口的分析,显示出寿命较高的0.15和0.20mm间隙量焊接接头试样近疲劳源区辉纹较0.00和0.10mm间隙量焊接接头试样更为细密,且大小不同、高低不等的裂纹扩展平面区不多,显示出比较好的韧性,抗裂纹萌生性能优于间隙量较小的试样。③采用动态监测疲劳裂纹扩展路径的方法,结合疲劳断口分析、断口金相组织观察,研究了TA15钛合金焊缝及热影响区的疲劳裂纹扩展行为。裂纹在焊缝区的扩展路径比较曲折,而在热影响区内比较平滑,并且热影响区中裂纹尖端塑性变形明显;热影响区的疲劳寿命明显的高于焊缝,抗疲劳裂纹扩展的能力较强;焊缝及热影响区内晶粒尺寸大小和区域材料性质对裂纹的扩展路径和断口形貌有相应不同的作用和影响。