100 多年前，瑞士钟表商发现将关键零件埋入雪地中能够提高零件的耐磨性和靠得住性 [1] 。美国自 1965年起头使用深冷处置（Deep Cryogenic Treatment，DCT）技术，从此该技术在全球领域内受到了宽泛关注 [2] 。1980 年，深冷处置技术在国表已成为通例资料处置步骤，并被宽泛利用于工业领域。相迸宗热处置，深冷处置的重要优势在于不仅对环境敦睦，并且能够保障资料优良的尺寸不变性 [3-4] 。
钛合金作为沉要的轻质结构资料，拥有密度低、比强度高、耐侵蚀性好等特点，宽泛利用于基础医学 [5] 、航空航天 [6-7] 等领域。固然热处置是传统调整钛合金机能的步骤，但它在提升资料某一机能的同时也会导致其他机能降低。例如，固溶+时效处置能够提高钛合金的强度和硬度，但会导致钛合金韧性降低 [8] 。深冷处置旨在综合优化钛合金机能 [9] ，通过将资料冷却至极低温度，扭转钛合金微观结构，加强其力学机能和耐磨损性，而不显著降低韧性。因而，深冷处置在提高钛合金整体机能方面显示出怪异的优势。本文综述了深冷工艺参数（深冷功夫、深冷温度、循环次数）对钛合金组织和力学机能的影响及其作用机理，以期为深冷处置在钛合金工程领域的利用提供更为有力的支持和领导。
1 、深冷处置道理与作用机理
深冷处置通常将资料冷却至极低温度，以实显熹微观结构和机能的优化。深冷处置常使用液氮作为造冷介质，重要选取液态法和气态法进行冷却。液态法是将样品直接置于液氮中浸泡，进行低温处置 [10] 。在此过程中，必要精确节造冷却速度，以免过大的热冲击引发资料开裂。一些钻研者 [11] 提出：在样品浸入液氮和取出之前，让样品在液氮表表上方停顿约 0.5 h，以安稳地进行温度转变，预防裂开。气态法令是通过液氮的汽化来达到所需的冷却成效 [12] 。气态法的道理如图 1 所示。其道理为：将液氮置于液氮罐中，通过阀门和软管节造液氮蒸发的流量，液氮通过软管进入箱体的分配区产生汽化，利用电扇使汽化的液氮在分配区均匀扫满箱体，以达到冷却成效，并由电磁感应阀对箱体内的温度进行节造，以达到维持箱体温度的主张。
图 1 气态法深冷处置系统道理 [12]
Fig.1 Schematic diagram of gas deep cryogenic treatment system [12]
目前，对玄色金属深冷处置的机理诠释已经较为美满 [13-14] 。主流概想以为，经深冷处置后，玄色金属资料机能改善的原因蕴含残存奥氏体的转变、马氏体基体中纳米碳化物的析出以及内部内应力催生位错的形成。对于钛合金，固然深冷处置对其物理机能有显著影响，但具体的作用机理尚存在争议。晶格在低温下的收缩是影响钛合金性质的关键成分。这种收缩会产生内应力，可能引发位错缠结和晶格缺点。此表，深冷处置还可能导致新相的析出和晶粒的动弹，从而细化晶粒并增长孪晶数量。这些变动共同提高了资料的力学机能、耐委顿性和耐蚀性，使钛合金适应于更高要求的利用场景。
2、 深冷处置对钛合金微观组织的影响
TC4（Ti-6Al-4V）是利用最宽泛迪胙合金，钻研它在深冷处置下微观结构的变动情况拥有沉要的工程意思和科研价值。TC4钛合金在分歧加工前提下阐发出分歧的微观结构 [15-16] 。常温轧造TC4钛合金的微观组织出现为等轴组织（见图 2a），增材造作（Additive Manufacturing，AM）造备的TC4钛合金重要阐发为平行交错的针状组织 [16] （见图 2b），深冷处置对这些钛合金微观组织的影响重要体此刻晶粒尺寸细化、位错增长及缺点削减方面。谭玉全 [17] 对未经深冷处置的轧造态TC4钛合金进行观察，发显熹等轴α相状态较长且尺寸偏大（见图 3a），但经深冷处置 11 h 后，原始橄榄球状的α相转变为圆球状的α相（见图 3b）。Yu 等 [18] 进行了对比尝试，证实深冷处置能够使TC4钛合金板材的晶粒尺寸显著减幼，从 4.17 μm 缩幼至 2.10 μm（见图 4）。Gu 等 [19] 以为深冷处置除了能够细化晶粒表，还能加强TC4钛合金的均匀性并削减缺点。Huang 等 [20] 对电子束熔融成形（Electron Beam Melting，EBM）的TC4钛合金进行了深冷 48 h 处置，发现与未深冷处置的试样相比，深冷处置后试样的片层α相厚杜仔所减幼。除了 TC4钛合金表，深冷处置对其他商标迪胙合金的微观组织也有显著影响。Yumak 等 [21] 钻研发现，深冷处置能够将 TB5（Ti15V-3Al-3Cr-3Sn）钛合金中不不变的β相转变为不变的β相和α相。；峄 [22] 钻研了深冷处置对轧造态 TC18（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe）钛合金板材室温机能的影响，发现经深冷处置后基体上的析出物越发藐幼，并呈弥散散布（见图 5）。此表，Zhou等 [23] 对 TC6（Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si）钛合金板材进行了深冷处置钻研，了局显示，经深冷处置后，晶粒内部产生了高密度的错位结构（见图 6）。
图 2TC4钛合金常温轧造和增材造作的显微组织 [16]
Fig.2 Microstructures ofTC4titanium alloy in normal temperature rolling and additive manufacturing [16] :a) equiaxed structure; b) acicular structure
图 3 轧造TC4钛合金在深冷处置前后的显微组织 [17]
Fig.3 Microstructure of rolledTC4titanium alloy before and after deep cryogenic treatment [17] :a) no deep cryogenic treatment; b) deep cryogenic treatment for 11 h
图 4 分歧温度下轧造TC4深冷处置后组织和晶粒尺寸散布 [18]
Fig.4 Microstructure and grain size distribution of rolledTC4after deep cryogenic treatment [18]
图 5 轧造 TC18 深冷处置前后显微组织对比 [22]
Fig.5 Microstructure Comparison of TC18 before and after deep cryogenic treatment [22] :a) no deep cryogenic treatment; b) deep cryogenic treatment for 6 h
图 6 轧造 TC6 距顶表表 80 μm 深度的近表层中 TEM 显微照片 [23]
Fig.6 TEM micrographs of the near-surface layer of TC6 rolled at a depth of 80 μm from the top surface [23] :a) no deep cryogenic treatment; b) deep cryogenic treatment for 18 h
Luo 等 [24] 揭示了深冷处置对纯钛合金TA2微观组织的沉要调控作用，出格是在优化晶粒尺寸、增大位错密度等方面。
深冷处置没有扭转钛合金α相和β相的晶格结构，但会导致晶粒产生择优取向，从而产生织构。Yu等 [18] 钻研发现，经深冷处置后，TC4钛合金试样的部门晶粒向(102)和(002)晶面偏转。陈振华等 [25] 的钻研也得出了类似的结论：深冷处置不仅会导致钛合金产生择优取向，还会导致晶内位错增多，形成多多亚晶结构。
由于造备工艺和表部前提存在差距，因而经深冷处置后晶面的偏转会存在差距。李泽铧 [26] 钻研发现，SLM 造备的TC4钛合金晶粒更多的是向(101)和(100)晶面出现择优取向。Li 等 [27] 在钻研磁场作用下 TC4钛合金深冷处置的影响时发现，深冷处置睬导致部门晶粒的(110)晶面偏转至(100)和(101)晶面，同时，经磁场深冷处置的样品晶粒在(002)晶面择优取向。
综上所述，深冷处置对钛合金微观结构产生了显著影响，如晶粒细化、位错增长和织构变动等。此表，深冷处置使钛合金晶粒的部门晶面偏转，形成特定织构。然而，对于钛合金晶粒在分歧晶面上择优取向产生织构的具体原因，仍必要基于分歧的深冷工艺和资料进行深刻的分析钻研。
3、 深冷处置对钛合金力学机能的影响
TC4钛合金中元素的颠簸领域较大，通常其抗拉强度为 850~1 250 MPa，延长率为 3%~20%，并受加工工艺、热处置等成分影响阐发出分歧水平的增大或减幼 [28] 。通过度析钛合金的力学机能和显微组织，能够更好地对钛合金的深冷机理进行钻研。Huang 等 [20]对深冷处置 48 h 后的轧造TC4钛合金进行了拉伸试验，钻研发现，深冷过后的轧造TC4钛合金的抗拉强度、屈服强度和延长率别离提高了 18.64%、18.65%和 91.67%。Gu 等 [19] 选用TC4钛合金板材在 77 K 下保温 2 h，发显熹延长率从 16.5%提高到 24.5%，同时强度略有提高。Song 等 [29] 对经深冷处置的近β钛合金（βTi-5Al-3Mo-3V-2Cr-2Zr-1Nb-1Fe）进行了拉伸试验，发现经深冷处置后近β钛合金的抗拉强度提高，塑性维持不变。李晓琛等 [30] 钻研了深冷处置对退火TC4钛合金微观组织和力学机能的影响，发现相迸宗未深冷退火试样，深冷处置后试样的抗拉强度从1 428 MPa 提高到 1 508 MPa，断后延长率由 6.2%增大到 9.0%。深冷处置对钛合金力学机能的影响法规及其作用机理如表 1 所示。通常来说，钛合金重要通过晶粒细化、位错缠结和相析出产生的弥散强化效应来提高资料力学机能。
目前通过深冷处置提高钛合金力学机能的蹊径重要蕴含分析深冷工艺参数（深冷功夫、温度和循环次数）对机能的影响以及优化深冷工艺参数。
3.1 深冷功夫
深冷功夫是提高钛合金力学机能的一个关键成分。钛合金的力学机能会随着保温功夫的扭转而产生变动。Huang 等 [20] 将 EBMTC4钛合金在液氮中保温6、12、24、48、72、96 h 后，发此刻深冷处置 48、72、96 h 后，抗拉强度、屈服强度、延长率别离达到最大值（见图 7）。丁首斌 [16] 将电子束选区溶解（ElectronBeam Selective Melting，EBSM）TC4 浸入液氮中保温分歧功夫，发现试样拉伸机能在深冷处置保温 48 h时达到最优。Zhou 等 [23] 将TC4钛合金浸入液氮中进行深冷处置 0~24 h，发显熹硬度在 18 h 时达到最大值，但其延长率从 15.79%降低至 13.89%。综上所述，对于深冷处置，并不是保温功夫越长成效越好，并且当某一机能拥有最佳成效时，其他机能可能达不到预见成效，必要针对分歧的机能调整相应的深冷参数。
图 7 深冷处置后 Ti6Al4V 合金的拉伸机能 [20]
Fig.7 Tensile properties of Ti6Al4V alloy after deep cryogenic treatment [20]
3.2 深冷温度
深冷温度是钛合金深冷处置的主题工艺参数。通常来说，深冷处置的温度越低，钛合金阐发出的延展性越好。?akir 等 [34] 钻研了深冷处置温度对轧造 TC4钛合金拉伸机能的影响，钻研发现，与未深冷处置的试样相比，深冷处置后的TC4钛合金阐发出更高的延展性，并且随深冷处置的温度降低，资料的强度略有降落，延长率提高，如表 2 所示。Vijayakumar 等 [35]将轧造TC4钛合金在?80 ℃和?196 ℃下别离保温36 h 后，发此刻?80 ℃下保温的试样强度降落、延长率上升。与?80 ℃下保温的试样相比，?196 ℃下保温的试样强度降落得更多，延长率有显著提升。
3.3 深冷循环次数
深冷循环次数是钛合金深冷处置过程中的沉要参数，随着循环次数的增长，钛合金的力学性质会产生相应的调整。与传统深冷处置直接将资料浸入液氮罐中并在维持特按功夫后取出样本进行空冷相比，循环深冷会在每个保温周期后取出样本进行空冷，随后再次进行深冷，并沉复此过程。2 种重要的循环深冷方式别离为：1）维持总深冷功夫恒定，调整循环次数；2）单次深冷时长固定，调节深冷次数。Li 等 [27]钻研批注，经循环深冷后，TC4钛合金的强度和延长率得到提高，循环 3 次后能够获得最高抗拉强度和最优延长率。李泽铧 [26] 固定了总的深冷时长并调整了循环次数，观察到 SLMTC4钛合金的抗拉强度随循环次数的增长而升高，但延长率略有降落。据此，他以为在循环 3 次时，钛合金展示了最佳的综合性质。
SLMTC4钛合金在分歧深冷循环次数下的拉伸机能如表 3 所示。李月明 [36] 维持每次深冷功夫一样并增长了循环次数，发现单次深冷处置睬导致轧造TC4钛合金硬度降低，而 2 次深冷处置睬使硬度上升至一个较高的水平，但当增长到 3 次深冷处置时，硬度会略微降低，但仍高于未处置样本硬度。综上所述，当深冷循环次数在 3 以内时，对资料的抗拉强杜仔推进作用，硬度和延长率的变动必要凭据分歧的循环工艺进行具体分析。
4 、深冷处置对钛合金服役机能的影响
深冷处置对钛合金力学机能的影响最终体此刻其服役机能上，而服役机能决定了钛合金产品的使用寿命。本节重要介绍深冷处置对钛合金服役过程中耐磨性和委顿寿命的影响。
4.1 耐磨性
TC4钛合金的耐磨性较差。Atar [37] 在比力 316L、TC4 和 CoCrMo 合金的滑动磨损性时发现，TC4钛合金的耐磨性仅为 316L 的 1/2 和 CoCrMo 合金的 1/24，这无法支持它在航空、生物医学等领域的发展。因而，亟须找到一种有效步骤来改善钛合金的耐磨性。
有关提高TC4钛合金耐磨性的钻研指出，深冷处置可能细化资料的晶粒、增长孪晶数量并导致晶粒方向产生偏转 [38] 。这些内部结构的变动，如高位错密度和孪晶的形成，有助于吸收摩擦产生的能量，从而预防资料表表的裂纹形成。Luo 等 [39] 在钻研深冷处置和超声表表轧造工艺对TC4钛合金表表组织和机能的协同作用时发现，经深冷处置后，TC4钛合金表表的硬度增大，TC4钛合金对滚动刀头表表的附着降低，使TC4钛合金表表维持较低的粗糙度，从而提高了其耐磨性。Huang 等 [40] 观察了TC4钛合金磨损面的微观组织，发现深冷处置 2 h 的磨损机造为严沉磨粒磨损、黏着磨损和委顿磨损的共同作用，而经深冷处置 72 h 后，磨损机造为轻微磨粒磨损，如图 8所示。张良等 [41] 钻研批注，随着深冷处置功夫的耽搁，TC4钛合金的位错密度提高，经过 15 h 的深冷处置后，TC4钛合金的磨损质量与未处置样品的相比削减了 40.42%。师佑杰等 [42] 的钻研则进一步证实：深冷处置能够导致TC4钛合金产生高密度位错，从而提高资料的耐磨性和显微硬度。
图 8TC4深冷处置的微观结构 [40]
Fig.8 Microstructure ofTC4after deep cryogenic treatment [40] : a) deep cryogenic treatment for 2 h; b) magnified image after deep cryogenic treatment for 2 h; c) deep cryogenic treatment for 72 h; d) magnified image after cryogenic treatment for 72 h
4.2 委顿寿命
近年来，有关深冷处置后钛合金委顿寿命的钻研受到宽泛关注，Leuders 等 [43] 指出，钛合金的微观组织结构对其委顿机能起到了决定性的作用。Sotysiak等 [44] 钻研批注，经深冷处置后，TC4钛合金的位错数量显著增长，这有助于进一步提高其委顿机能。在更为深刻的钻研中，Sun 等 [45] 对比了退火后的纯钛与TC4钛合金在 293 K 和 77 K 温度下的委顿机能。钻研批注，当温度降至 77 K 时，在钛合金中会形成多种状态的孪晶结构（如图 9 所示），这种结构的出现显著提高了资料的委顿强度。此表，Singla 等 [46] 钻研批注，TC4钛合金中的初生β相能够经深冷处置转化为更轻微的次生α相和β相，这一转变有助于加强资料的抗裂性，从而提高其委顿机能。丁首斌 [16] 钻研批注，经过深冷处置的 SLMTC4钛合金的委顿循环次数显著优于未处置样本的，尤其是经过 96 h 的深冷 处 理 后 ， 其 疲 劳 循 环 次 数 提 高 了 130.20%。
图 9 纯钛深冷处置后的孪晶组织 [45]
Fig.9 Twin crystal microstructure of pure titanium after deep cryogenic treatment [45] :a) before deep cryogenic treatment; b) after deep cryogenic treatment
Greitemeier 等 [47] 和 Huang 等 [20] 则更为具体地探求了EBMTC4钛合金的委顿机能。钻研发现，该合金的委顿机能在很大水平上取决于藐幼的片层α相组织，尤其是在深冷处置后，这衷飕层α相组织的厚度显著降低，与此同时，资料的委顿循环次数也显著提升。
Huang 等 [20] 还进一步钻研了深冷功夫与 EBMTC4钛合金委顿机能的关系，他们发现，当深冷功夫为6~96 h 时，其委顿循环次数出现持续上升的态势，只管在深冷处置 72 h 后，委顿循环次数相对于 48 h 时的有所降落，但依然比未处置样本的逾越 85.7%（见图 10）。
图 10 EBMTC4钛合金分歧深冷功夫下的委顿循环次数 [20]
Fig.10 Fatigue cycle numbers of EBMTC4titanium alloy under different deep cryogenic time [20]
5、 深冷处置复合工艺步骤
除了通过深冷处置工艺改善资料机能表，越来越多的钻研起头索求深冷与其他处置工艺复合的步骤来优化资料机能。Ye 等[48] 提出了深冷激光喷丸（Cryogenic Laser Peening，CLP）强化工艺，该工艺结合了深冷处置与激光喷丸技术，在 CLP 处置时，通过深冷处置对资料微观组织的调整与激光喷丸产生的超高应变率塑性变形使资料在微观层面上形成混合纳米孪晶微结构，从而实现更高强度和更高延展性的改善成效。费爱庚 [49] 将磁场工艺和深冷处置相结合，发现经过 12 h 磁场深冷处置后，资料的综合机能达到最优。同时，通过对比深冷处置和磁场深冷处置后资料的拉伸机能发现，磁场处置能够更好地驱动资猜中的磁性颗粒沉新分列，从而推进再结晶过程，故磁场深冷处置后的TC4钛合金拉伸机能要优于深冷处置的。Amin 等 [50] 提出将渗碳工艺与深冷处置相结合，能够更好地推进资料相变，从而提高资料的力学机能。
将深冷处置与其他处置工艺相结合为资料机能优化提供了新的蹊径，这样不仅可能推进深冷处置的宽泛利用，还有助于进一步提高资料的综合机能。未来，结合深冷处置与特种加工技术的钻研思路有望启发新的钻研方向，并为资料科学领域带来更多创新和突破。
6、 结论
深冷处置对钛合金的力学机能、微观组织、残存应力等方面拥有积极的影响。深冷处置操作单一，液氮成本便宜，能够作为传统热处置的预处置或后处置方式，为后续处置提供了思路。若是使用切当，能够显著提逾越产率和产品质量，从而在覆盖了低温加工额表成本的同时，依然可能降低整体加工成本。为推进深冷处置技术的发展，能够从以下几个方面深入深冷处置的钻研：
1）工艺。深冷处置作为传统热处置的后继工序，能够与传统热处置相结合。同时，思考将新型的后处置伎俩（如磁场、真空等）与深冷处置共同钻研开发全新的工艺流程。
2）深冷处置工艺伎俩和步骤。经深冷处置后，金属与合金机能在很大水平上受工艺参数的影响。由于目前深冷工艺节造设备单一，可能正确节造深冷功夫和温度的设备成本巨大，尝试参数难以得到正确节造，因而，在深冷处置工艺的设备研发方面，应该加大投入力杜纂规模。此表，通过仿真和深度进建的方式探索和预测资料在深冷处置过程中的机能变动，能够极大地降低尝试成本，并提高钻研效能。
深冷处置技术拥有辽阔的利用潜力，但还存在很多待索求和挖掘的内容。随着中国工业化过程的加快推动，深冷处置技术将成为我国高端和精密造作业的沉要支持，对提升我国工业技术水平拥有沉大而深远的影响。
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