鈦合金深冷處理工藝研究綜述

馮澤群，鄒海馨，劉釔麟，竇奕卓，江鵬

鈦合金深冷處理工藝研究綜述

馮澤群，鄒海馨，劉釔麟，竇奕卓，江鵬*

（常州大學(xué) 機(jī)械與軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213000）

鈦合金以其優(yōu)異的生物相容性、出色的力學(xué)性能和抗腐蝕性而廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。然而，現(xiàn)代工藝制備的鈦合金存在延展性和耐疲勞性較差的問(wèn)題，同時(shí)鈦金屬本身的耐磨性也較差，因此需要通過(guò)合適的后處理工藝來(lái)改善其力學(xué)性能。在這種背景下，深冷處理憑借其便捷、無(wú)污染、低成本及能顯著改善金屬材料組織和綜合性能等優(yōu)勢(shì)，成為機(jī)械加工領(lǐng)域備受矚目的研究方向。首先簡(jiǎn)要介紹了深冷處理的發(fā)展歷程以及2種主要加工方法：液態(tài)法和氣態(tài)法，同時(shí)概括了氣態(tài)法的具體流程。其次重點(diǎn)綜述了國(guó)內(nèi)外深冷處理工藝對(duì)鈦合金組織和織構(gòu)的影響，分別從深冷時(shí)間、深冷溫度與循環(huán)次數(shù)3個(gè)方面，歸納了深冷處理工藝對(duì)鈦合金硬度和拉伸性能的影響以及深冷工藝的作用機(jī)理，并進(jìn)一步探究了深冷處理工藝對(duì)鈦合金制件摩擦磨損性能和耐疲勞性能的影響規(guī)律。最后介紹了深冷處理復(fù)合工藝方法，為基于深冷處理的加工工藝的發(fā)展提供有益參考和啟示。

深冷處理；增材制造；鈦合金；微觀組織；力學(xué)性能

100多年前，瑞士鐘表商發(fā)現(xiàn)將關(guān)鍵零件埋入雪地中可以提高零件的耐磨性和可靠性[1]。美國(guó)自1965年開始使用深冷處理（Deep Cryogenic Treatment，DCT）技術(shù)，從此該技術(shù)在全球范圍內(nèi)受到了廣泛關(guān)注[2]。1980年，深冷處理技術(shù)在國(guó)外已成為常規(guī)材料處理方法，并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。相比于熱處理，深冷處理的主要優(yōu)勢(shì)在于不僅對(duì)環(huán)境友好，而且可以保證材料良好的尺寸穩(wěn)定性[3-4]。

鈦合金作為重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)[5]、航空航天[6-7]等領(lǐng)域。雖然熱處理是傳統(tǒng)調(diào)整鈦合金性能的方法，但它在提升材料某一性能的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致其他性能降低。例如，固溶+時(shí)效處理可以提高鈦合金的強(qiáng)度和硬度，但會(huì)導(dǎo)致鈦合金韌性降低[8]。深冷處理旨在綜合優(yōu)化鈦合金性能[9]，通過(guò)將材料冷卻至極低溫度，改變鈦合金微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其力學(xué)性能和耐磨損性，而不明顯降低韌性。因此，深冷處理在提高鈦合金整體性能方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文綜述了深冷工藝參數(shù)（深冷時(shí)間、深冷溫度、循環(huán)次數(shù)）對(duì)鈦合金組織和力學(xué)性能的影響及其作用機(jī)理，以期為深冷處理在鈦合金工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供更為有力的支持和指導(dǎo)。

1 深冷處理原理與作用機(jī)理

深冷處理通常將材料冷卻至極低溫度，以實(shí)現(xiàn)其微觀結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化。深冷處理常使用液氮作為制冷介質(zhì)，主要采用液態(tài)法和氣態(tài)法進(jìn)行冷卻。液態(tài)法是將樣品直接置于液氮中浸泡，進(jìn)行低溫處理[10]。在此過(guò)程中，需要精確控制冷卻速度，以免過(guò)大的熱沖擊引發(fā)材料開裂。一些研究者[11]提出：在樣品浸入液氮和取出之前，讓樣品在液氮表面上方停留約0.5 h，以平穩(wěn)地進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)變，避免裂開。氣態(tài)法則是通過(guò)液氮的汽化來(lái)達(dá)到所需的冷卻效果[12]。氣態(tài)法的原理如圖1所示。其原理為：將液氮置于液氮罐中，通過(guò)閥門和軟管控制液氮蒸發(fā)的流量，液氮通過(guò)軟管進(jìn)入箱體的分配區(qū)發(fā)生汽化，利用風(fēng)扇使汽化的液氮在分配區(qū)均勻掃滿箱體，以達(dá)到冷卻效果，并由電磁感應(yīng)閥對(duì)箱體內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，以達(dá)到維持箱體溫度的目的。

目前，對(duì)黑色金屬深冷處理的機(jī)理解釋已經(jīng)較為完善[13-14]。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，經(jīng)深冷處理后，黑色金屬材料性能改善的原因包括殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變、馬氏體基體中納米碳化物的析出以及內(nèi)部?jī)?nèi)應(yīng)力催生位錯(cuò)的形成。對(duì)于鈦合金，雖然深冷處理對(duì)其物理性能有顯著影響，但具體的作用機(jī)理尚存在爭(zhēng)議。晶格在低溫下的收縮是影響鈦合金性質(zhì)的關(guān)鍵因素。這種收縮會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，可能引發(fā)位錯(cuò)纏結(jié)和晶格缺陷。此外，深冷處理還可能導(dǎo)致新相的析出和晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而細(xì)化晶粒并增加孿晶數(shù)量。這些變化共同提高了材料的力學(xué)性能、耐疲勞性和耐蝕性，使鈦合金適應(yīng)于更高要求的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖1 氣態(tài)法深冷處理系統(tǒng)原理[12]

2 深冷處理對(duì)鈦合金微觀組織的影響

TC4（Ti-6Al-4V）是應(yīng)用最廣泛的鈦合金，研究它在深冷處理下微觀結(jié)構(gòu)的變化情況具有重要的工程意義和科研價(jià)值。TC4鈦合金在不同加工條件下表現(xiàn)出不同的微觀結(jié)構(gòu)[15-16]。常溫軋制TC4鈦合金的微觀組織呈現(xiàn)為等軸組織（見圖2a），增材制造（Additive Manufacturing，AM）制備的TC4鈦合金主要表現(xiàn)為平行交錯(cuò)的針狀組織[16]（見圖2b），深冷處理對(duì)這些鈦合金微觀組織的影響主要體現(xiàn)在晶粒尺寸細(xì)化、位錯(cuò)增加及缺陷減少方面。譚玉全[17]對(duì)未經(jīng)深冷處理的軋制態(tài)TC4鈦合金進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其等軸α相形態(tài)較長(zhǎng)且尺寸偏大（見圖3a），但經(jīng)深冷處理11 h后，原始橄欖球狀的α相轉(zhuǎn)變?yōu)閳A球狀的α相（見圖3b）。Yu等[18]進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證實(shí)深冷處理可以使TC4鈦合金板材的晶粒尺寸顯著減小，從4.17 μm縮小至2.10 μm（見圖4）。Gu等[19]認(rèn)為深冷處理除了可以細(xì)化晶粒外，還能增強(qiáng)TC4鈦合金的均勻性并減少缺陷。Huang等[20]對(duì)電子束熔融成形（Electron Beam Melting，EBM）的TC4鈦合金進(jìn)行了深冷48 h處理，發(fā)現(xiàn)與未深冷處理的試樣相比，深冷處理后試樣的片層α相厚度有所減小。除了TC4鈦合金外，深冷處理對(duì)其他牌號(hào)的鈦合金的微觀組織也有顯著影響。Yumak等[21]研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理可以將TB5（Ti15V-3Al-3Cr-3Sn）鈦合金中不穩(wěn)定的β相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的β相和α相。鄭會(huì)會(huì)[22]研究了深冷處理對(duì)軋制態(tài)TC18（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe）鈦合金板材室溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)深冷處理后基體上的析出物更加細(xì)小，并呈彌散分布（見圖5）。此外，Zhou等[23]對(duì)TC6（Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si）鈦合金板材進(jìn)行了深冷處理研究，結(jié)果顯示，經(jīng)深冷處理后，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了高密度的錯(cuò)位結(jié)構(gòu)（見圖6）。Luo等[24]揭示了深冷處理對(duì)純鈦合金TA2微觀組織的重要調(diào)控作用，特別是在優(yōu)化晶粒尺寸、增大位錯(cuò)密度等方面。

深冷處理沒(méi)有改變鈦合金α相和β相的晶格結(jié)構(gòu)，但會(huì)導(dǎo)致晶粒發(fā)生擇優(yōu)取向，從而產(chǎn)生織構(gòu)。Yu等[18]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)深冷處理后，TC4鈦合金試樣的部分晶粒向(102)和(002)晶面偏轉(zhuǎn)。陳振華等[25]的研究也得出了相似的結(jié)論：深冷處理不僅會(huì)導(dǎo)致鈦合金產(chǎn)生擇優(yōu)取向，還會(huì)導(dǎo)致晶內(nèi)位錯(cuò)增多，形成眾多亞晶結(jié)構(gòu)。

由于制備工藝和外部條件存在差異，因此經(jīng)深冷處理后晶面的偏轉(zhuǎn)會(huì)存在差異。李澤鏵[26]研究發(fā)現(xiàn)，SLM制備的TC4鈦合金晶粒更多的是向(101)和(100)晶面呈現(xiàn)擇優(yōu)取向。Li等[27]在研究磁場(chǎng)作用下TC4鈦合金深冷處理的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，深冷處理會(huì)導(dǎo)致部分晶粒的(110)晶面偏轉(zhuǎn)至(100)和(101)晶面，同時(shí)，經(jīng)磁場(chǎng)深冷處理的樣品晶粒在(002)晶面擇優(yōu)取向。

圖3 軋制TC4鈦合金在深冷處理前后的顯微組織[17]

圖4 不同溫度下軋制TC4深冷處理后組織和晶粒尺寸分布[18]

綜上所述，深冷處理對(duì)鈦合金微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響，如晶粒細(xì)化、位錯(cuò)增加和織構(gòu)變化等。此外，深冷處理使鈦合金晶粒的部分晶面偏轉(zhuǎn)，形成特定織構(gòu)。然而，對(duì)于鈦合金晶粒在不同晶面上擇優(yōu)取向產(chǎn)生織構(gòu)的具體原因，仍需要基于不同的深冷工藝和材料進(jìn)行深入的分析研究。

3 深冷處理對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響

TC4鈦合金中元素的波動(dòng)范圍較大，通常其抗拉強(qiáng)度為850～1 250 MPa，延伸率為3%～20%，并受加工工藝、熱處理等因素影響表現(xiàn)出不同程度的增大或減小[28]。通過(guò)分析鈦合金的力學(xué)性能和顯微組織，可以更好地對(duì)鈦合金的深冷機(jī)理進(jìn)行研究。Huang等[20]對(duì)深冷處理48 h后的軋制TC4鈦合金進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，深冷過(guò)后的軋制TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別提高了18.64%、18.65%和91.67%。Gu等[19]選用TC4鈦合金板材在77 K下保溫2 h，發(fā)現(xiàn)其延伸率從16.5%提高到24.5%，同時(shí)強(qiáng)度略有提高。Song等[29]對(duì)經(jīng)深冷處理的近β鈦合金（βTi-5Al-3Mo-3V-2Cr-2Zr-1Nb-1Fe）進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)深冷處理后近β鈦合金的抗拉強(qiáng)度提高，塑性保持不變。李曉琛等[30]研究了深冷處理對(duì)退火TC4鈦合金微觀組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)相比于未深冷退火試樣，深冷處理后試樣的抗拉強(qiáng)度從1 428 MPa提高到1 508 MPa，斷后延伸率由6.2%增大到9.0%。深冷處理對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響規(guī)律及其作用機(jī)理如表1所示。一般來(lái)說(shuō)，鈦合金主要通過(guò)晶粒細(xì)化、位錯(cuò)纏結(jié)和相析出產(chǎn)生的彌散強(qiáng)化效應(yīng)來(lái)提高材料力學(xué)性能。

目前通過(guò)深冷處理提高鈦合金力學(xué)性能的途徑主要包括分析深冷工藝參數(shù)（深冷時(shí)間、溫度和循環(huán)次數(shù)）對(duì)性能的影響以及優(yōu)化深冷工藝參數(shù)。

3.1 深冷時(shí)間

深冷時(shí)間是提高鈦合金力學(xué)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。鈦合金的力學(xué)性能會(huì)隨著保溫時(shí)間的改變而發(fā)生變化。Huang等[20]將EBM TC4鈦合金在液氮中保溫6、12、24、48、72、96 h后，發(fā)現(xiàn)在深冷處理48、72、96 h后，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率分別達(dá)到最大值（見圖7）。丁首斌[16]將電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）TC4浸入液氮中保溫不同時(shí)間，發(fā)現(xiàn)試樣拉伸性能在深冷處理保溫48 h時(shí)達(dá)到最優(yōu)。Zhou等[23]將TC4鈦合金浸入液氮中進(jìn)行深冷處理0～24 h，發(fā)現(xiàn)其硬度在18 h時(shí)達(dá)到最大值，但其延伸率從15.79%降低至13.89%。綜上所述，對(duì)于深冷處理，并不是保溫時(shí)間越長(zhǎng)效果越好，并且當(dāng)某一性能具有最佳效果時(shí)，其他性能可能達(dá)不到預(yù)想效果，需要針對(duì)不同的性能調(diào)整相應(yīng)的深冷參數(shù)。

3.2 深冷溫度

深冷溫度是鈦合金深冷處理的核心工藝參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，深冷處理的溫度越低，鈦合金表現(xiàn)出的延展性越好。?akir等[34]研究了深冷處理溫度對(duì)軋制TC4鈦合金拉伸性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，與未深冷處理的試樣相比，深冷處理后的TC4鈦合金表現(xiàn)出更高的延展性，并且隨深冷處理的溫度降低，材料的強(qiáng)度略有下降，延伸率提高，如表2所示。Vijayakumar等[35]將軋制TC4鈦合金在?80 ℃和?196 ℃下分別保溫36 h后，發(fā)現(xiàn)在?80 ℃下保溫的試樣強(qiáng)度下降、延伸率上升。與?80 ℃下保溫的試樣相比，?196 ℃下保溫的試樣強(qiáng)度下降得更多，延伸率有明顯提升。

3.3 深冷循環(huán)次數(shù)

深冷循環(huán)次數(shù)是鈦合金深冷處理過(guò)程中的重要參數(shù)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，鈦合金的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。與傳統(tǒng)深冷處理直接將材料浸入液氮罐中并在維持特定時(shí)間后取出樣本進(jìn)行空冷相比，循環(huán)深冷會(huì)在每個(gè)保溫周期后取出樣本進(jìn)行空冷，隨后再次進(jìn)行深冷，并重復(fù)此過(guò)程。2種主要的循環(huán)深冷方式分別為：1）保持總深冷時(shí)間恒定，調(diào)整循環(huán)次數(shù)；2）單次深冷時(shí)長(zhǎng)固定，調(diào)節(jié)深冷次數(shù)。Li等[27]研究表明，經(jīng)循環(huán)深冷后，TC4鈦合金的強(qiáng)度和延伸率得到提高，循環(huán)3次后可以獲得最高抗拉強(qiáng)度和最優(yōu)延伸率。李澤鏵[26]固定了總的深冷時(shí)長(zhǎng)并調(diào)整了循環(huán)次數(shù)，觀察到SLM TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的增加而升高，但延伸率略有下降。據(jù)此，他認(rèn)為在循環(huán)3次時(shí)，鈦合金展現(xiàn)了最佳的綜合性質(zhì)。SLM TC4鈦合金在不同深冷循環(huán)次數(shù)下的拉伸性能如表3所示。李月明[36]保持每次深冷時(shí)間相同并增加了循環(huán)次數(shù)，發(fā)現(xiàn)單次深冷處理會(huì)導(dǎo)致軋制TC4鈦合金硬度降低，而2次深冷處理會(huì)使硬度上升至一個(gè)較高的水平，但當(dāng)增加到3次深冷處理時(shí)，硬度會(huì)略微降低，但仍高于未處理樣本硬度。綜上所述，當(dāng)深冷循環(huán)次數(shù)在3以內(nèi)時(shí)，對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度有促進(jìn)作用，硬度和延伸率的變化需要根據(jù)不同的循環(huán)工藝進(jìn)行具體分析。

表1 深冷處理對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響及對(duì)應(yīng)機(jī)理

Tab.1 Influence of deep cryogenic treatment on mechanical properties of titanium alloys and corresponding mechanisms

Note: ↑ indicates that the performance is improved, and ↓ indicates that the performance is decreased.

圖7 深冷處理后Ti6Al4V合金的拉伸性能[20]

表2 TC4鈦合金在不同深冷溫度下力學(xué)性能的變化

Tab.2 Changes in mechanical properties of TC4 titanium alloy at different deep cryogenic temperature

4 深冷處理對(duì)鈦合金服役性能的影響

深冷處理對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響最終體現(xiàn)在其服役性能上，而服役性能決定了鈦合金產(chǎn)品的使用壽命。本節(jié)主要介紹深冷處理對(duì)鈦合金服役過(guò)程中耐磨性和疲勞壽命的影響。

4.1 耐磨性

TC4鈦合金的耐磨性較差。Atar[37]在比較316L、TC4和CoCrMo合金的滑動(dòng)磨損性時(shí)發(fā)現(xiàn)，TC4鈦合金的耐磨性僅為316L的1/2和CoCrMo合金的1/24，這無(wú)法支持它在航空、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。因此，亟須找到一種有效方法來(lái)改善鈦合金的耐磨性。

有關(guān)提高TC4鈦合金耐磨性的研究指出，深冷處理能夠細(xì)化材料的晶粒、增加孿晶數(shù)量并導(dǎo)致晶粒方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)[38]。這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，如高位錯(cuò)密度和孿晶的形成，有助于吸收摩擦產(chǎn)生的能量，從而防止材料表面的裂紋形成。Luo等[39]在研究深冷處理和超聲表面軋制工藝對(duì)TC4鈦合金表面組織和性能的協(xié)同作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)深冷處理后，TC4鈦合金表面的硬度增大，TC4鈦合金對(duì)滾動(dòng)刀頭表面的附著降低，使TC4鈦合金表面維持較低的粗糙度，從而提高了其耐磨性。Huang等[40]觀察了TC4鈦合金磨損面的微觀組織，發(fā)現(xiàn)深冷處理2 h的磨損機(jī)制為嚴(yán)重磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損的共同作用，而經(jīng)深冷處理72 h后，磨損機(jī)制為輕微磨粒磨損，如圖8所示。張良等[41]研究表明，隨著深冷處理時(shí)間的延長(zhǎng)，TC4鈦合金的位錯(cuò)密度提高，經(jīng)過(guò)15 h的深冷處理后，TC4鈦合金的磨損質(zhì)量與未處理樣品的相比減少了40.42%。師佑杰等[42]的研究則進(jìn)一步證實(shí)：深冷處理可以導(dǎo)致TC4鈦合金產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，從而提高材料的耐磨性和顯微硬度。

4.2 疲勞壽命

近年來(lái)，有關(guān)深冷處理后鈦合金疲勞壽命的研究受到廣泛關(guān)注，Leuders等[43]指出，鈦合金的微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)其疲勞性能起到了決定性的作用。Sotysiak等[44]研究表明，經(jīng)深冷處理后，TC4鈦合金的位錯(cuò)數(shù)量顯著增加，這有助于進(jìn)一步提高其疲勞性能。在更為深入的研究中，Sun等[45]對(duì)比了退火后的純鈦與TC4鈦合金在293 K和77 K溫度下的疲勞性能。研究表明，當(dāng)溫度降至77 K時(shí)，在鈦合金中會(huì)形成多種形態(tài)的孿晶結(jié)構(gòu)（如圖9所示），這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)顯著提高了材料的疲勞強(qiáng)度。此外，Singla等[46]研究表明，TC4鈦合金中的初生β相可以經(jīng)深冷處理轉(zhuǎn)化為更細(xì)微的次生α相和β相，這一轉(zhuǎn)變有助于增強(qiáng)材料的抗裂性，從而提高其疲勞性能。丁首斌[16]研究表明，經(jīng)過(guò)深冷處理的SLM TC4鈦合金的疲勞循環(huán)次數(shù)顯著優(yōu)于未處理樣本的，尤其是經(jīng)過(guò)96 h的深冷處理后，其疲勞循環(huán)次數(shù)提高了130.20%。Greitemeier等[47]和Huang等[20]則更為具體地探討了EBM TC4鈦合金的疲勞性能。研究發(fā)現(xiàn)，該合金的疲勞性能在很大程度上取決于細(xì)小的片層α相組織，尤其是在深冷處理后，這種片層α相組織的厚度顯著降低，與此同時(shí)，材料的疲勞循環(huán)次數(shù)也明顯提升。Huang等[20]還進(jìn)一步研究了深冷時(shí)間與EBM TC4鈦合金疲勞性能的關(guān)系，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)深冷時(shí)間為6～96 h時(shí)，其疲勞循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)上升的態(tài)勢(shì)，盡管在深冷處理72 h后，疲勞循環(huán)次數(shù)相對(duì)于48 h時(shí)的有所下降，但仍然比未處理樣本的高出85.7%（見圖10）。

表3 TC4鈦合金在不同深冷循環(huán)次數(shù)下的拉伸性能

Tab.3 Mechanical properties of TC4 titanium alloys at different deep cryogenic cycling numbers

圖8 TC4深冷處理的微觀結(jié)構(gòu)[40]

5 深冷處理復(fù)合工藝方法

除了通過(guò)深冷處理工藝改善材料性能外，越來(lái)越多的研究開始探索深冷與其他處理工藝復(fù)合的方法來(lái)優(yōu)化材料性能。Ye等[48]提出了深冷激光噴丸（Cryogenic Laser Peening，CLP）強(qiáng)化工藝，該工藝結(jié)合了深冷處理與激光噴丸技術(shù)，在CLP處理時(shí)，通過(guò)深冷處理對(duì)材料微觀組織的調(diào)整與激光噴丸產(chǎn)生的超高應(yīng)變率塑性變形使材料在微觀層面上形成混合納米孿晶微結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)更高強(qiáng)度和更高延展性的改善效果。費(fèi)愛(ài)庚[49]將磁場(chǎng)工藝和深冷處理相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)12 h磁場(chǎng)深冷處理后，材料的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比深冷處理和磁場(chǎng)深冷處理后材料的拉伸性能發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)處理可以更好地驅(qū)動(dòng)材料中的磁性顆粒重新排列，從而促進(jìn)再結(jié)晶過(guò)程，故磁場(chǎng)深冷處理后的TC4鈦合金拉伸性能要優(yōu)于深冷處理的。Amin等[50]提出將滲碳工藝與深冷處理相結(jié)合，可以更好地促進(jìn)材料相變，從而提高材料的力學(xué)性能。

圖10 EBM TC4鈦合金不同深冷時(shí)間下的疲勞循環(huán)次數(shù)[20]

將深冷處理與其他處理工藝相結(jié)合為材料性能優(yōu)化提供了新的途徑，這樣不僅能夠促進(jìn)深冷處理的廣泛應(yīng)用，還有助于進(jìn)一步提高材料的綜合性能。未來(lái)，結(jié)合深冷處理與特種加工技術(shù)的研究思路有望開辟新的研究方向，并為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)更多創(chuàng)新和突破。

6 結(jié)論

深冷處理對(duì)鈦合金的力學(xué)性能、微觀組織、殘余應(yīng)力等方面具有積極的影響。深冷處理操作簡(jiǎn)單，液氮成本低廉，可以作為傳統(tǒng)熱處理的預(yù)處理或后處理方式，為后續(xù)處理提供了思路。如果使用得當(dāng)，可以顯著提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而在覆蓋了低溫加工額外成本的同時(shí)，依然能夠降低整體加工成本。為促進(jìn)深冷處理技術(shù)的發(fā)展，可以從以下幾個(gè)方面深化深冷處理的研究：

1）工藝。深冷處理作為傳統(tǒng)熱處理的后繼工序，可以與傳統(tǒng)熱處理相結(jié)合。同時(shí)，考慮將新型的后處理手段（如磁場(chǎng)、真空等）與深冷處理配合研究開發(fā)全新的工藝流程。

2）深冷處理工藝手段和方法。經(jīng)深冷處理后，金屬與合金性能在很大程度上受工藝參數(shù)的影響。由于目前深冷工藝控制設(shè)備單一，能夠準(zhǔn)確控制深冷時(shí)間和溫度的設(shè)備成本巨大，實(shí)驗(yàn)參數(shù)難以得到準(zhǔn)確控制，因此，在深冷處理工藝的設(shè)備研發(fā)方面，應(yīng)該加大投入力度與規(guī)模。此外，通過(guò)仿真和深度學(xué)習(xí)的方式探究和預(yù)測(cè)材料在深冷處理過(guò)程中的性能變化，可以極大地降低實(shí)驗(yàn)成本，并提高研究效率。

深冷處理技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用潛力，但還存在許多待探索和挖掘的內(nèi)容。隨著中國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，深冷處理技術(shù)將成為我國(guó)高端和精密制造業(yè)的重要支撐，對(duì)提升我國(guó)工業(yè)技術(shù)水平具有重大而深遠(yuǎn)的影響。

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A Review on Deep Cryogenic Treatment of Titanium Alloys

FENG Zequn, ZOU Haixin, LIU Yilin, DOU Yizhuo, JIANG Peng*

(School of Mechanical Engineering and Rail Transit, Changzhou University, Jiangsu Changzhou 213000, China)

Titanium alloys are widely used in fields such as aerospace due to their excellent biocompatibility, superior mechanical properties, and high corrosion resistance. However, titanium alloys fabricated using modern techniques often exhibit low ductility and fatigue resistance, and the metal itself has poor wear resistance. Therefore, appropriate post-processing techniques are necessary to enhance their mechanical properties. Against this backdrop, deep cryogenic treatment, with its advantages of being convenient, pollution-free, low-cost, and significantly improving the microstructure and overall performance of metal materials, has become a prominent research direction in machining. This paper began by briefly introducing the development history of deep cryogenic treatment and its two main methods: the liquid and the gaseous methods, while also summarizing the specific processes of the gaseous method. It then focused on a review of research on the effects of deep cryogenic treatment processes on the microstructure and texture of titanium alloys both domestically and internationally. The paper summarized the impacts of deep cryogenic treatment on the hardness and tensile properties of titanium alloys, discussed the influence of treatment duration, temperature, and the number of cycles, and elucidated the mechanisms involved. Further investigation was conducted into the patterns of how deep cryogenic treatment affected the friction wear performance and fatigue resistance of titanium alloy parts. Finally, the paper presented composite methods of deep cryogenic treatment, offering valuable references and insights for the development of processing technologies based on deep cryogenic treatment.

deep cryogenic treatment; additive manufacturing; titanium alloys; microstructure; mechanical property

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.002

TG166.5

A

1674-6457(2024)01-0014-10

2023-11-08

2023-11-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（51705038）；常州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（202310292204B）

The National Natural Science Foundation of China (51705038); Student Innovation and Entrepreneurship Training Program of Changzhou University (202310292204B)

馮澤群, 鄒海馨, 劉釔麟, 等. 鈦合金深冷處理工藝研究綜述[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 14-23.

FENG Zequn, ZOU Haixin, LIU Yilin, et al. A Review on Deep Cryogenic Treatment of Titanium Alloys[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 14-23.

（Corresponding author）