Ti75合金作为我国自主研发的近α型钛合金，凭借中等强度、优异的耐腐蚀性、高韧性及良好的焊接性能，在船舶制造、海洋工程、石油化工等领域展现出广阔的应用前景。与传统钛合金相比，其综合性能更优，尤其是断裂韧性和疲劳性能显著提升，成为海洋装备轻量化与高可靠性设计的关键材料之一。
近年来，针对Ti75合金的加工工艺与性能调控研究成为热点。激光焊接作为高效连接技术，其接头质量直接影响结构安全性；超塑性变形为复杂构件成形提供了新途径；时效处理则是优化材料力学性能的重要手段。本文系统梳理Ti75合金在激光焊接、超塑性变形及时效处理方面的研究成果，为其工程应用提供理论支撑与技术参考。
利泰金属基于四篇核心研究论文，整合Ti75合金的化学成分、力学性能基础数据，重点分析激光焊接工艺参数对焊缝质量的影响、超塑性变形机制及时效工艺对组织性能的调控规律，最终形成涵盖材料特性、加工工艺与性能优化的完整技术体系。
一、Ti75合金的材料特性基础
1.1 化学成分与相组成
Ti75合金属于近α型钛合金，其名义成分为 Ti-3Al-2Mo-2Zr，具体化学成分如表 1 所示。该合金以α相为基体，含少量β相，β相变点为 920~930℃。α相为密排六方结构（HCP），赋予合金高强度与耐腐蚀性；β相为体心立方结构（BCC），可通过固溶强化与弥散析出改善合金塑性与韧性。
表 1Ti75合金的化学成分（质量分数 /%）
| Al | Mo | Zr | Fe | H | O | Ti |
| 2.86~2.94 | 1.90~2.23 | 1.97~2.10 | 0.04~0.14 | 0.002~0.007 | 0.07~0.10 | 余量 |
1.2 基础力学性能
退火态Ti75合金的力学性能如表 2 所示，其屈服强度约 640~697 MPa，抗拉强度 720~786 MPa，断后延伸率 13%~15.3%，冲击韧性 55 J，表现出中强韧性匹配特征。淬火处理后，由于马氏体α' 相的形成，强度显著提升（屈服强度 842 MPa，抗拉强度 996 MPa），但塑性下降（延伸率 4.6%），需通过时效处理实现强韧性平衡。
表 2Ti75合金的基础力学性能
| 状态 | 屈服强度（MPa） | 抗拉强度（MPa） | 断后延伸率（%） | 冲击韧性（J） |
| 退火态 | 640~697 | 720~786 | 13~15.3 | 55.0 |
| 淬火态 | 842 | 996 | 4.6 | 46.3 |
二、Ti75合金的激光焊接工艺与接头性能
2.1 激光焊接设备与参数设计
实验采用 10 kW 连续光纤激光器（IPG 公司）与 KUKA 机器人焊接系统，聚焦焦距 382 mm，焊接过程中采用 99.9% 氩气保护（流量 20 L/min）。核心工艺参数包括激光功率、焊接速度、离焦量及搭接间隙，具体优化范围如表 3 所示。
表 3Ti75合金激光焊接的关键工艺参数
| 参数 | 优化范围 | 作用 |
| 激光功率 | 3000~3100 W | 影响热输入与熔透性 |
| 焊接速度 | 0.04~0.045 m/s | 控制热输入与焊缝成形 |
| 离焦量 | -1~1 mm | 调节光斑大小与能量密度 |
| 搭接间隙 | 0.10~0.15 mm | 减少飞溅与未焊透缺陷 |
2.2 焊缝成形与宏观形貌
焊缝截面可分为三个区域：焊缝区（WS）、熔合线（FL）及热影响区（HAZ）。随激光功率从 2.7 kW 增至 3.3 kW，热输入量从 67.5 J/mm 增至 82.5 J/mm，焊缝宽度从 1.90 mm 增至 2.85 mm，且出现轻微下塌现象（下塌量 0.05~0.10 mm）。当搭接间隙超过 0.2 mm 时，易产生未焊透与气孔缺陷；间隙过小（<0.1 mm）则导致飞溅严重、氧化加剧（焊缝呈黄色）。
2.3 接头显微组织演变
母材组织：由等轴α相、片状α相及少量β相组成，呈现双态组织特征，存在纵向条纹织构。
焊缝区（WS）：激光焊接的快速加热与冷却使原始β晶粒发生动态再结晶，形成针状马氏体α' 相与残余β相，马氏体含量随热输入增加而增多。
热影响区（HAZ）：受焊接热循环影响，α相发生粗化，β相沿晶界析出，硬度高于母材。
2.4 力学性能分析
拉伸性能：在优化工艺参数下（3000~3100 W，0.04 m/s），接头抗拉强度达 720~740 MPa，与母材相当，断裂位置位于母材；当热输入过高（82.5 J/mm），焊缝缺陷增加，断裂发生在焊缝，强度降至 679 MPa。
显微硬度：焊缝区硬度 340~380 HV，热影响区 315 HV，均高于母材（265 HV），归因于马氏体强化与动态再结晶细化作用。
三、Ti75合金的超塑性变形行为
3.1 超塑性拉伸性能
在 800~900℃范围内，Ti75合金表现出优异的超塑变形能力。当温度为 900℃、拉伸速度 2 mm/min 时，延伸率达到 1073%，应变速率敏感性指数 m>0.3。变形过程中，动态再结晶通过大角度晶界弓出形核，使板条组织转化为等轴细晶（1~2 μm），晶界滑移为主要变形机制，β相通过扩散与位错运动协调α晶粒转动。
3.2 超塑性压缩行为
最佳变形条件：800℃、应变速率 5×10⁻⁴ s⁻¹ 时，m 值最大（>0.3），压缩变形后组织均匀等轴化。
高温软化机制：900℃时，晶粒异常长大（>10 μm），晶界滑移受阻，变形以晶内位错运动与扩散蠕变为主，m 值下降。
3.3 变形机制模型
Ti75合金超塑性变形符合等应变速率模型，α相变形由位错蠕变协调晶界滑移主导，β相则结合扩散蠕变与位错蠕变。动态再结晶消除应力集中，β相抑制α晶粒粗化，共同保障超塑性能。
四、时效工艺对Ti75合金组织与性能的影响
4.1 时效工艺参数与组织演变
采用β相区淬火（980℃/2h/WC）模拟焊接热影响区组织，获得片层α相与马氏体α' 相，再经不同时效处理（表 4），组织演变如下：
低温时效（500~600℃）：马氏体α' 分解为弥散α+β相，形成弥散强化。
高温时效（650~750℃）：片层α相合并长大，边界弯曲，β相粗化，软化作用增强。
表 4Ti75合金的时效工艺与组织特征
| 时效温度（℃） | 时效时间（h） | 组织特征 |
| 500 | 2~8 | 弥散α+β相，片层结构完整 |
| 650 | 2~8 | 片层α相部分合并，β相析出 |
| 750 | 2~8 | 片层α相显著粗化，局部球化 |
4.2 力学性能调控规律
强度：随时效温度升高，屈服强度从 924 MPa（500℃）降至 768 MPa（750℃），归因于弥散强化减弱与晶粒粗化。
塑性与韧性：延伸率从 4.6%（淬火态）增至 13.8%（750℃/8h），冲击韧性先降后升，650℃时达最低，750℃时恢复至 50 J，因片层α相粗化阻碍裂纹扩展。
断口特征：淬火态为典型准解理断裂，高温时效后解理平面出现浅韧窝，塑性改善。
五、总结
Ti75合金作为高性能船用钛合金，其加工工艺与性能调控研究取得显著进展：
激光焊接：优化参数（3000~3100 W，0.04 m/s，0.1 mm 间隙）可获得与母材等强的接头，焊缝组织以马氏体与动态再结晶晶粒为主。
超塑性变形：800~900℃下通过动态再结晶实现细晶化，延伸率超 1000%，适用于复杂构件成形。
时效处理：750℃/2h 工艺可平衡强度与韧性，使冲击韧性恢复至 50 J，满足海洋工程对材料韧性的要求。
未来研究需聚焦焊接 - 时效复合工艺优化，进一步提升接头疲劳性能，推动Ti75合金在深海装备中的规模化应用。
参考文献
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[4] 尹艳超，刘甲，张帅锋，等。时效工艺对Ti75合金显微组织及力学性能的影响 [J]. 钛工业进展，2023, 40 (1):21-26.
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