二十世纪初期,TC4钛合金冠以“智慧”金属材料被发明创造出来,其综合性能好,并具有记忆性,在承温、承重和耐腐蚀结构部件等方面展示出非比寻常的实力,在航空航天、能源化工、海洋船舶和生物医疗等领域贡献着强大力量。现今,高端制造业主要采用先进焊接技术作为主流技术,空前地受到重视,特别是电子束焊接技术,其能量转化率高、热影响区小、数字化自动控制以及绿色环保等优点,经常用于焊接或修复大厚度结构部件和大型装备设备。目前,先进战机、舰船、核设施和生物医疗设备等高端武器装备都会大量使用大厚度TC4钛合金电子束焊接头。然而,电子束焊接技术在焊接TC4钛合金时,会形成典型的钉子形焊缝,这是由于电子束焊接过程中电子束匙孔效应形成的热输入梯度造成的,该种接头形貌在大厚度TC4钛合金焊件中尤为突出。针对大厚度TC4钛合金电子束焊接头钉形焊缝的显微组织演变与力学性能相关性进行详细研究,以评估其使用性能,是一项具有极高实际工程应用价值的研究。本课题通过优化电子束焊接工艺参数,获得成形良好的钉形焊缝,且无焊接缺陷。对20 mm厚TC4钛合金电子束焊接头采用逐层切片方式,通过光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、电子背散射仪和XRD射线衍射分析设备,表征焊缝深度方向上晶粒生长形貌、尺寸、相组成和组织织构等显微组织特征,研究和分析显微组织演变规律在20 mm厚TC4钛合金电子束焊接头钉形焊缝的工作机制;通过维氏硬度检查、纳米压痕性能测试、静态拉伸测试和分离式Hopkinson拉杆测试、数字散斑三维全场应变测量和冲击韧性等力学性能测试,研究力学性能分布规律,建立接头显微组织与力学性能之间的相关性;利用原位拉伸试验和力学测试的断口形貌特征,研究显微组织影响裂纹萌生的动态过程,揭示显微组织裂纹的萌生机理,从而构建接头断裂机理。本课题可为大厚度TC4钛合金焊接结构的设计及制造提供相关的试验数据支撑和理论依据。研究结果显示,20 mm厚TC4钛合金真空电子束焊接头焊缝区显微组织主要为针状马氏体组织,伴随大量孪晶组织穿插;在焊缝深度方向上,晶粒尺寸逐渐减少,局部晶粒取向增强,小角度晶界数量增加,大角度晶界数量减少;这种显微组织结构导致接头焊缝区深度方向上显微硬度逐渐增强,抗拉强度增加,抗应变能力下降,冲击韧性降低,特别是钉形焊缝的钉尖部位是整个接头中最脆弱环节;接头断裂机理分为显微孔洞形核长大、显微空洞侨联形成微裂纹与微裂纹长大扩展形成宏观断裂,这三个过程组成。