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搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是一种新型的固相焊接技术，由于其优于熔焊的诸多特点，目前已被广泛应用于铝、镁等低熔点金属及其合金的焊接。与低熔点合金相比，高熔点钛合金FSW的研究还较少，阻碍其发展的主要因素是工具的磨损及狭窄的焊接工艺窗口。本文对钛合金在FSW过程中的工具磨损和焊接工艺进行了系统研究，并对接头的微观组织和力学性能做了深入、细致的分析。主要研究目标是确定合适的焊接工具、优化焊接工艺以获得高质量的FSW接头，阐明在FSW过程中晶粒的细化机制，并揭示接头中搅拌区(SZ)的微观结构与超塑性行为之间的关系。主要开展了以下几方面的研究工作: 选择多晶立方氮化硼(pcBN)和W-Re合金两种最有潜力的焊接工具对TC4钛合金在不同工艺参数下进行FSW，系统地研究了FSW过程中的工具磨损行为。利用pcBN工具焊接时，工具磨损主要发生在焊接起始点附近，除机械磨损外，工具还与钛而发生化学反应磨损。接头中出现的“洋葱环”主要是工具磨损产物TiB的分布差异造成的。通过反应后的不同中间产物如BN-Ti2B-TiB-Ti核-壳结构等的分析，提出了BN与Ti的反应机制模型。由于工具磨损形成的TiB粒子及N元素在基体中的溶解造成接头中的微观组织发生很大变化，使得SZ的强度升高而塑性下降。采用W-Re合金工具焊接钛合金时，整体磨损低于pcBN工具，在优化的焊接参数下，接头的拉伸强度系数达到95％以上。 对不同焊接参数下TC4合金FSW接头的微观组织进行了细致研究。所有参数下，接头中均存在具有变形流线特征但宽度小于120μm的热机影响区(TMAZ)，其变形流线趋向于沿SZ边界平行排列。TMAZ的微观组织随焊接参数的不同产生明显的差异。研究表明，钛合金FSW接头中TMAZ宽度极小本质上并不是相变，而是其低导热率和高强度综合所致，这是以往TMAZ是否存在这一争议产生的主要原因。TMAZ的晶粒细化机制是连续动态再结晶(CDRX)与β相渗入形成凹槽相结合的机制。SZ主要由马氏体组织组成，马氏体相变遵循柏氏取向关系。在所有参数下，SZ均具有与母材相当的高强度和塑性。在拉伸过程中，机械孪晶在SZ的马氏体中形成，孪晶的形成与马氏体中的高能缺陷有关。 选取常规空冷条件的优化工艺参数下获得的TC4 FSW接头，首次研究了具有细小针片状组织的SZ的超塑性行为。具有平均针片厚度和长径比分别为～175nm和～8的SZ在高温超塑性温度范围(850～925℃)内拉伸时，得到＞700％的良好超塑性，明显高于熔焊焊缝(＜400％);此外SZ在650～750℃范围内还显示出良好的低温超塑性。从整个接头的超塑性角度考虑，SZ在800℃、1×10-4～1×10-3s-1下得到与母材相当的超塑性（≧～400％），尤其在800℃、3×10-4s-1时，SZ的超塑性和流变应力均与母材相当，这为实现FSW接头整体超塑性成型提供了可能。静态退火和超塑性变形过程中针片状组织的球化是实现良好超塑性的主要原因。FSW接头SZ的超塑性明显高于熔焊焊缝的主要原因是，SZ针片组织的片厚和长径比更小，球化更容易发生。对TC4在流动水冷条件下进行强制冷却FSW，得到无缺陷接头。SZ主要由细小的等轴和拉长α+转变β组织组成，其在800℃、1×10-3s-1下得到615％的良好超塑性。 首次利用流动水冷条件对纯钛进行强制冷却FSW，成功地得到无缺陷的强度系数为100％的高质量接头。SZ由具有强织构，晶粒尺寸略小于1μm且晶内存在较大位错密度的超细晶组织组成，其微观组织随位置的不同有所差异。纯钛在强制冷却FSW过程中的晶粒细化机制主要是位错吸收为主的CDRX。后退侧TMAZ和前进侧TMAZ的主要晶粒细化机制有所差异，主要与两区域变形不对称有关。SZ呈现出强烈的拉伸各向异性，主要是不同方向上不同的主要滑移系开动的结果。SZ的热稳定温度为525℃左右。在600℃等温退火过程中晶粒的生长方式为:1min以内为均匀连续生长，随后开始发生不连续生长，但10min后晶粒又呈现连续生长方式。对退火得到的不同晶粒尺寸的SZ在-100℃和液氮温度进行拉伸发现，随晶粒尺寸增大，拉伸强度降低、塑性增加，而拉伸强度和塑性均随着温度的降低而增大。这种现象主要是低温拉伸过程中机械孪晶引起的。