钛合金深冷处理工艺研究综述

冯泽群，邹海馨，刘钇麟，窦奕卓，江鹏

钛合金深冷处理工艺研究综述

冯泽群，邹海馨，刘钇麟，窦奕卓，江鹏*

（常州大学 机械与轨道交通学院，江苏 常州 213000）

钛合金以其优异的生物相容性、出色的力学性能和抗腐蚀性而广泛应用于航空航天等领域。然而，现代工艺制备的钛合金存在延展性和耐疲劳性较差的问题，同时钛金属本身的耐磨性也较差，因此需要通过合适的后处理工艺来改善其力学性能。在这种背景下，深冷处理凭借其便捷、无污染、低成本及能显著改善金属材料组织和综合性能等优势，成为机械加工领域备受瞩目的研究方向。首先简要介绍了深冷处理的发展历程以及2种主要加工方法：液态法和气态法，同时概括了气态法的具体流程。其次重点综述了国内外深冷处理工艺对钛合金组织和织构的影响，分别从深冷时间、深冷温度与循环次数3个方面，归纳了深冷处理工艺对钛合金硬度和拉伸性能的影响以及深冷工艺的作用机理，并进一步探究了深冷处理工艺对钛合金制件摩擦磨损性能和耐疲劳性能的影响规律。最后介绍了深冷处理复合工艺方法，为基于深冷处理的加工工艺的发展提供有益参考和启示。

深冷处理；增材制造；钛合金；微观组织；力学性能

100多年前，瑞士钟表商发现将关键零件埋入雪地中可以提高零件的耐磨性和可靠性[1]。美国自1965年开始使用深冷处理（Deep Cryogenic Treatment，DCT）技术，从此该技术在全球范围内受到了广泛关注[2]。1980年，深冷处理技术在国外已成为常规材料处理方法，并被广泛应用于工业领域。相比于热处理，深冷处理的主要优势在于不仅对环境友好，而且可以保证材料良好的尺寸稳定性[3-4]。

钛合金作为重要的轻质结构材料，具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好等特点，广泛应用于基础医学[5]、航空航天[6-7]等领域。虽然热处理是传统调整钛合金性能的方法，但它在提升材料某一性能的同时也会导致其他性能降低。例如，固溶+时效处理可以提高钛合金的强度和硬度，但会导致钛合金韧性降低[8]。深冷处理旨在综合优化钛合金性能[9]，通过将材料冷却至极低温度，改变钛合金微观结构，增强其力学性能和耐磨损性，而不明显降低韧性。因此，深冷处理在提高钛合金整体性能方面显示出独特的优势。本文综述了深冷工艺参数（深冷时间、深冷温度、循环次数）对钛合金组织和力学性能的影响及其作用机理，以期为深冷处理在钛合金工程领域的应用提供更为有力的支持和指导。

1 深冷处理原理与作用机理

深冷处理通常将材料冷却至极低温度，以实现其微观结构和性能的优化。深冷处理常使用液氮作为制冷介质，主要采用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，进行低温处理[10]。在此过程中，需要精确控制冷却速度，以免过大的热冲击引发材料开裂。一些研究者[11]提出：在样品浸入液氮和取出之前，让样品在液氮表面上方停留约0.5 h，以平稳地进行温度转变，避免裂开。气态法则是通过液氮的汽化来达到所需的冷却效果[12]。气态法的原理如图1所示。其原理为：将液氮置于液氮罐中，通过阀门和软管控制液氮蒸发的流量，液氮通过软管进入箱体的分配区发生汽化，利用风扇使汽化的液氮在分配区均匀扫满箱体，以达到冷却效果，并由电磁感应阀对箱体内的温度进行控制，以达到维持箱体温度的目的。

目前，对黑色金属深冷处理的机理解释已经较为完善[13-14]。主流观点认为，经深冷处理后，黑色金属材料性能改善的原因包括残余奥氏体的转变、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，虽然深冷处理对其物理性能有显著影响，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因素。这种收缩会产生内应力，可能引发位错缠结和晶格缺陷。此外，深冷处理还可能导致新相的析出和晶粒的转动，从而细化晶粒并增加孪晶数量。这些变化共同提高了材料的力学性能、耐疲劳性和耐蚀性，使钛合金适应于更高要求的应用场景。

图1 气态法深冷处理系统原理[12]

2 深冷处理对钛合金微观组织的影响

TC4（Ti-6Al-4V）是应用最广泛的钛合金，研究它在深冷处理下微观结构的变化情况具有重要的工程意义和科研价值。TC4钛合金在不同加工条件下表现出不同的微观结构[15-16]。常温轧制TC4钛合金的微观组织呈现为等轴组织（见图2a），增材制造（Additive Manufacturing，AM）制备的TC4钛合金主要表现为平行交错的针状组织[16]（见图2b），深冷处理对这些钛合金微观组织的影响主要体现在晶粒尺寸细化、位错增加及缺陷减少方面。谭玉全[17]对未经深冷处理的轧制态TC4钛合金进行观察，发现其等轴α相形态较长且尺寸偏大（见图3a），但经深冷处理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]进行了对比实验，证实深冷处理可以使TC4钛合金板材的晶粒尺寸显著减小，从4.17 μm缩小至2.10 μm（见图4）。Gu等[19]认为深冷处理除了可以细化晶粒外，还能增强TC4钛合金的均匀性并减少缺陷。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处理，发现与未深冷处理的试样相比，深冷处理后试样的片层α相厚度有所减小。除了TC4钛合金外，深冷处理对其他牌号的钛合金的微观组织也有显著影响。Yumak等[21]研究发现，深冷处理可以将TB5（Ti15V-3Al-3Cr-3Sn）钛合金中不稳定的β相转变为稳定的β相和α相。郑会会[22]研究了深冷处理对轧制态TC18（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe）钛合金板材室温性能的影响，发现经深冷处理后基体上的析出物更加细小，并呈弥散分布（见图5）。此外，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理研究，结果显示，经深冷处理后，晶粒内部产生了高密度的错位结构（见图6）。Luo等[24]揭示了深冷处理对纯钛合金TA2微观组织的重要调控作用，特别是在优化晶粒尺寸、增大位错密度等方面。

深冷处理没有改变钛合金α相和β相的晶格结构，但会导致晶粒发生择优取向，从而产生织构。Yu等[18]研究发现，经深冷处理后，TC4钛合金试样的部分晶粒向(102)和(002)晶面偏转。陈振华等[25]的研究也得出了相似的结论：深冷处理不仅会导致钛合金产生择优取向，还会导致晶内位错增多，形成众多亚晶结构。

由于制备工艺和外部条件存在差异，因此经深冷处理后晶面的偏转会存在差异。李泽铧[26]研究发现，SLM制备的TC4钛合金晶粒更多的是向(101)和(100)晶面呈现择优取向。Li等[27]在研究磁场作用下TC4钛合金深冷处理的影响时发现，深冷处理会导致部分晶粒的(110)晶面偏转至(100)和(101)晶面，同时，经磁场深冷处理的样品晶粒在(002)晶面择优取向。

图3 轧制TC4钛合金在深冷处理前后的显微组织[17]

图4 不同温度下轧制TC4深冷处理后组织和晶粒尺寸分布[18]

综上所述，深冷处理对钛合金微观结构产生了显著影响，如晶粒细化、位错增加和织构变化等。此外，深冷处理使钛合金晶粒的部分晶面偏转，形成特定织构。然而，对于钛合金晶粒在不同晶面上择优取向产生织构的具体原因，仍需要基于不同的深冷工艺和材料进行深入的分析研究。

3 深冷处理对钛合金力学性能的影响

TC4钛合金中元素的波动范围较大，通常其抗拉强度为850～1 250 MPa，延伸率为3%～20%，并受加工工艺、热处理等因素影响表现出不同程度的增大或减小[28]。通过分析钛合金的力学性能和显微组织，可以更好地对钛合金的深冷机理进行研究。Huang等[20]对深冷处理48 h后的轧制TC4钛合金进行了拉伸试验，研究发现，深冷过后的轧制TC4钛合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别提高了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，发现其延伸率从16.5%提高到24.5%，同时强度略有提高。Song等[29]对经深冷处理的近β钛合金（βTi-5Al-3Mo-3V-2Cr-2Zr-1Nb-1Fe）进行了拉伸试验，发现经深冷处理后近β钛合金的抗拉强度提高，塑性保持不变。李晓琛等[30]研究了深冷处理对退火TC4钛合金微观组织和力学性能的影响，发现相比于未深冷退火试样，深冷处理后试样的抗拉强度从1 428 MPa提高到1 508 MPa，断后延伸率由6.2%增大到9.0%。深冷处理对钛合金力学性能的影响规律及其作用机理如表1所示。一般来说，钛合金主要通过晶粒细化、位错缠结和相析出产生的弥散强化效应来提高材料力学性能。

目前通过深冷处理提高钛合金力学性能的途径主要包括分析深冷工艺参数（深冷时间、温度和循环次数）对性能的影响以及优化深冷工艺参数。

3.1 深冷时间

深冷时间是提高钛合金力学性能的一个关键因素。钛合金的力学性能会随着保温时间的改变而发生变化。Huang等[20]将EBM TC4钛合金在液氮中保温6、12、24、48、72、96 h后，发现在深冷处理48、72、96 h后，抗拉强度、屈服强度、延伸率分别达到最大值（见图7）。丁首斌[16]将电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）TC4浸入液氮中保温不同时间，发现试样拉伸性能在深冷处理保温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理0～24 h，发现其硬度在18 h时达到最大值，但其延伸率从15.79%降低至13.89%。综上所述，对于深冷处理，并不是保温时间越长效果越好，并且当某一性能具有最佳效果时，其他性能可能达不到预想效果，需要针对不同的性能调整相应的深冷参数。

3.2 深冷温度

深冷温度是钛合金深冷处理的核心工艺参数。一般来说，深冷处理的温度越低，钛合金表现出的延展性越好。Çakir等[34]研究了深冷处理温度对轧制TC4钛合金拉伸性能的影响，研究发现，与未深冷处理的试样相比，深冷处理后的TC4钛合金表现出更高的延展性，并且随深冷处理的温度降低，材料的强度略有下降，延伸率提高，如表2所示。Vijayakumar等[35]将轧制TC4钛合金在−80 ℃和−196 ℃下分别保温36 h后，发现在−80 ℃下保温的试样强度下降、延伸率上升。与−80 ℃下保温的试样相比，−196 ℃下保温的试样强度下降得更多，延伸率有明显提升。

3.3 深冷循环次数

深冷循环次数是钛合金深冷处理过程中的重要参数，随着循环次数的增加，钛合金的力学性质会发生相应的调整。与传统深冷处理直接将材料浸入液氮罐中并在维持特定时间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，并重复此过程。2种主要的循环深冷方式分别为：1）保持总深冷时间恒定，调整循环次数；2）单次深冷时长固定，调节深冷次数。Li等[27]研究表明，经循环深冷后，TC4钛合金的强度和延伸率得到提高，循环3次后可以获得最高抗拉强度和最优延伸率。李泽铧[26]固定了总的深冷时长并调整了循环次数，观察到SLM TC4钛合金的抗拉强度随循环次数的增加而升高，但延伸率略有下降。据此，他认为在循环3次时，钛合金展现了最佳的综合性质。SLM TC4钛合金在不同深冷循环次数下的拉伸性能如表3所示。李月明[36]保持每次深冷时间相同并增加了循环次数，发现单次深冷处理会导致轧制TC4钛合金硬度降低，而2次深冷处理会使硬度上升至一个较高的水平，但当增加到3次深冷处理时，硬度会略微降低，但仍高于未处理样本硬度。综上所述，当深冷循环次数在3以内时，对材料的抗拉强度有促进作用，硬度和延伸率的变化需要根据不同的循环工艺进行具体分析。

表1 深冷处理对钛合金力学性能的影响及对应机理

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.

图7 深冷处理后Ti6Al4V合金的拉伸性能[20]

表2 TC4钛合金在不同深冷温度下力学性能的变化

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

4 深冷处理对钛合金服役性能的影响

深冷处理对钛合金力学性能的影响最终体现在其服役性能上，而服役性能决定了钛合金产品的使用寿命。本节主要介绍深冷处理对钛合金服役过程中耐磨性和疲劳寿命的影响。

4.1 耐磨性

TC4钛合金的耐磨性较差。Atar[37]在比较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。因此，亟须找到一种有效方法来改善钛合金的耐磨性。

有关提高TC4钛合金耐磨性的研究指出，深冷处理能够细化材料的晶粒、增加孪晶数量并导致晶粒方向发生偏转[38]。这些内部结构的变化，如高位错密度和孪晶的形成，有助于吸收摩擦产生的能量，从而防止材料表面的裂纹形成。Luo等[39]在研究深冷处理和超声表面轧制工艺对TC4钛合金表面组织和性能的协同作用时发现，经深冷处理后，TC4钛合金表面的硬度增大，TC4钛合金对滚动刀头表面的附着降低，使TC4钛合金表面维持较低的粗糙度，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，发现深冷处理2 h的磨损机制为严重磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损的共同作用，而经深冷处理72 h后，磨损机制为轻微磨粒磨损，如图8所示。张良等[41]研究表明，随着深冷处理时间的延长，TC4钛合金的位错密度提高，经过15 h的深冷处理后，TC4钛合金的磨损质量与未处理样品的相比减少了40.42%。师佑杰等[42]的研究则进一步证实：深冷处理可以导致TC4钛合金产生高密度位错，从而提高材料的耐磨性和显微硬度。

4.2 疲劳寿命

近年来，有关深冷处理后钛合金疲劳寿命的研究受到广泛关注，Leuders等[43]指出，钛合金的微观组织结构对其疲劳性能起到了决定性的作用。Sotysiak等[44]研究表明，经深冷处理后，TC4钛合金的位错数量显著增加，这有助于进一步提高其疲劳性能。在更为深入的研究中，Sun等[45]对比了退火后的纯钛与TC4钛合金在293 K和77 K温度下的疲劳性能。研究表明，当温度降至77 K时，在钛合金中会形成多种形态的孪晶结构（如图9所示），这种结构的出现显著提高了材料的疲劳强度。此外，Singla等[46]研究表明，TC4钛合金中的初生β相可以经深冷处理转化为更细微的次生α相和β相，这一转变有助于增强材料的抗裂性，从而提高其疲劳性能。丁首斌[16]研究表明，经过深冷处理的SLM TC4钛合金的疲劳循环次数显著优于未处理样本的，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%。Greitemeier等[47]和Huang等[20]则更为具体地探讨了EBM TC4钛合金的疲劳性能。研究发现，该合金的疲劳性能在很大程度上取决于细小的片层α相组织，尤其是在深冷处理后，这种片层α相组织的厚度显著降低，与此同时，材料的疲劳循环次数也明显提升。Huang等[20]还进一步研究了深冷时间与EBM TC4钛合金疲劳性能的关系，他们发现，当深冷时间为6～96 h时，其疲劳循环次数呈现持续上升的态势，尽管在深冷处理72 h后，疲劳循环次数相对于48 h时的有所下降，但仍然比未处理样本的高出85.7%（见图10）。

表3 TC4钛合金在不同深冷循环次数下的拉伸性能

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

图8 TC4深冷处理的微观结构[40]

5 深冷处理复合工艺方法

除了通过深冷处理工艺改善材料性能外，越来越多的研究开始探索深冷与其他处理工艺复合的方法来优化材料性能。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理与激光喷丸技术，在CLP处理时，通过深冷处理对材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材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效果。费爱庚[49]将磁场工艺和深冷处理相结合，发现经过12 h磁场深冷处理后，材料的综合性能达到最优。同时，通过对比深冷处理和磁场深冷处理后材料的拉伸性能发现，磁场处理可以更好地驱动材料中的磁性颗粒重新排列，从而促进再结晶过程，故磁场深冷处理后的TC4钛合金拉伸性能要优于深冷处理的。Amin等[50]提出将渗碳工艺与深冷处理相结合，可以更好地促进材料相变，从而提高材料的力学性能。

图10 EBM TC4钛合金不同深冷时间下的疲劳循环次数[20]

将深冷处理与其他处理工艺相结合为材料性能优化提供了新的途径，这样不仅能够促进深冷处理的广泛应用，还有助于进一步提高材料的综合性能。未来，结合深冷处理与特种加工技术的研究思路有望开辟新的研究方向，并为材料科学领域带来更多创新和突破。

6 结论

深冷处理对钛合金的力学性能、微观组织、残余应力等方面具有积极的影响。深冷处理操作简单，液氮成本低廉，可以作为传统热处理的预处理或后处理方式，为后续处理提供了思路。如果使用得当，可以显著提高生产率和产品质量，从而在覆盖了低温加工额外成本的同时，依然能够降低整体加工成本。为促进深冷处理技术的发展，可以从以下几个方面深化深冷处理的研究：

1）工艺。深冷处理作为传统热处理的后继工序，可以与传统热处理相结合。同时，考虑将新型的后处理手段（如磁场、真空等）与深冷处理配合研究开发全新的工艺流程。

2）深冷处理工艺手段和方法。经深冷处理后，金属与合金性能在很大程度上受工艺参数的影响。由于目前深冷工艺控制设备单一，能够准确控制深冷时间和温度的设备成本巨大，实验参数难以得到准确控制，因此，在深冷处理工艺的设备研发方面，应该加大投入力度与规模。此外，通过仿真和深度学习的方式探究和预测材料在深冷处理过程中的性能变化，可以极大地降低实验成本，并提高研究效率。

深冷处理技术具有广阔的应用潜力，但还存在许多待探索和挖掘的内容。随着中国工业化进程的加速推进，深冷处理技术将成为我国高端和精密制造业的重要支撑，对提升我国工业技术水平具有重大而深远的影响。

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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

国家自然科学基金（51705038）；常州大学大学生创新创业训练计划（202310292204B）

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

冯泽群, 邹海馨, 刘钇麟, 等. 钛合金深冷处理工艺研究综述[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）