随着我国航空技术的发展,大尺寸、轻量化、高性能在新的航空设计理念中所占比重越来越大,目前的航空制造领域,钛合金零件制造逐渐向整体化技术发展,比如机体结构中的框、机翼、起落架等。常用的方法有焊接+数控加工、整体锻造+数控加工以及增材制造+数控加工三种,焊接以其操作工艺简单,周期短而被越来越多地应用于航空大型构件制造领域。厚度较大的钛合金板材,在焊接的过程中,温度由上至下呈梯度分布,该现象直接影响了接头的组织及性能,使接头显微组织和力学性能呈现梯度形式不均匀性,进而对接头的断裂破坏具有重要影响,因此系统开展TC18钛合金厚板电子束焊接制造技术研究具有非常重要的应用价值与意义。本文借助光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）及透射电镜（TEM）等测试方法,以试验测试为基础,借助于数值模拟手段,对15 mm TC18钛合金厚板的真空电子束焊接开展系统研究,揭示了焊接工艺对接头的形貌、组织及力学性能的影响规律,探讨了接头沿板厚方向组织及性能的不均匀性特征,揭示了组织及性能不均匀的产生机理,并焊接过程的温度场及应力场采用有限元法进行模拟,探究了焊接应力对TC18钛合金厚板焊接接头失效位置的影响机理。TC18电子束焊接接头形貌观察、微观组织分析及形成机理研究表明:在焊接速度30mm/s、加速电压150k V、聚焦电流2085m A、电子束流23m A条件下,采用电子束焊接15mm的TC18钛合金厚板,焊缝成形良好,均匀平滑,上宽下窄,呈“钉子形”。焊接过程中,沿板厚方向由于产生较大的温度梯度,造成从上到下组织及性能不均匀,上部热输入较多,保温时间长,晶粒得到充分生长,其尺寸相对较大;下部相反,晶粒尺寸相对较小。焊缝区由最初的等轴初生α及次生α先全部转化为β相,之后随着热源离开,温度降低,β相会部分转变为细针状或片状次生α相,同时还有部分残留β相。增大加速电压,接头晶粒尺寸变大,焊缝区熔深及熔宽明显增加,热影响区宽度也随之变大。相反,增大焊接速度,熔合区晶粒尺变小,接头的上、中、下熔宽及熔深均明显减小。TC18电子束焊接接头硬度、拉伸性能和硬化行为研究表明:TC18钛合金厚板电子束焊接接头的显微硬度呈对称分布,由母材经热影响区到焊缝区,显微硬度逐渐降低,相对于母材,焊缝区存在明显软化,且沿板厚方向由上到下软化区宽度逐渐减小。可见相对于母材,接头的强度降低,但硬化能力增强;沿板厚方向从上至下强度及硬化能力均明显增强,下部切片的强度比上部提高约10%。随着应变速率的增加,沿板厚方向由上到下接头强度逐渐增强,硬化能力逐渐降低。提高焊接速度,接头强度及硬化能力均逐渐增强,这一点与改变聚焦电流正好相反。增大电子束流,接头的屈服强度、抗拉强度先上升再下降,延伸率则相反。TC18电子束焊接接头的高周疲劳性能研究表明:沿板厚方向TC18焊接接头上中下三层的条件疲劳极限分别为387±0.95MPa、426±0.9MPa、435±1.67MPa,呈增强趋势。裂纹源均起于试样表面,可以看出典型的疲劳裂纹萌生区、瞬断区、扩展区。在电子束流23m A,聚焦电流2085m A条件下,采用固定加速电压150k V时,提高焊接速度,接头的疲劳性能逐渐增强;采用固定焊接速度30mm/s时,增加加速电压,接头的疲劳性能略有下降。借助于有限元法,通过对焊接接头温度场及应力场演变规律分析,预测了接头可能断裂的部位,研究结果表明:焊缝剖面温度场由上至下逐渐变窄,就像“钉子”,这一点与实际的焊缝形状正好吻合,证明该焊接温度场模型能较准确的再现实际焊接过程。焊缝及其周围产生应力,远离焊缝中心处为压应力,靠近焊缝处为拉应力,其中最大主应力分布在焊缝处及其附近,这说明这些区域是焊件薄弱区域,易产生裂纹和其他方式失效。