100 多年前，瑞士鐘表商發(fā)現將關鍵零件埋入雪地中可以提高零件的耐磨性和可靠性 [1] 。美國自 1965年開始使用深冷處理（Deep Cryogenic Treatment，DCT）技術，從此該技術在全球范圍內受到了廣泛關注 [2] 。1980 年，深冷處理技術在國外已成為常規(guī)材料處理方法，并被廣泛應用于工業(yè)領域。相比于熱處理，深冷處理的主要優(yōu)勢在于不僅對環(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結構材料，具有密度低、比強度高、耐腐蝕性好等特點，廣泛應用于基礎醫(yī)學 [5] 、航空航天 [6-7] 等領域。雖然熱處理是傳統(tǒng)調整鈦合金性能的方法，但它在提升材料某一性能的同時也會導致其他性能降低。例如，固溶+時效處理可以提高鈦合金的強度和硬度，但會導致鈦合金韌性降低 [8] 。深冷處理旨在綜合優(yōu)化鈦合金性能 [9] ，通過將材料冷卻至極低溫度，改變鈦合金微觀結構，增強其力學性能和耐磨損性，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特的優(yōu)勢。本文綜述了深冷工藝參數（深冷時間、深冷溫度、循環(huán)次數）對鈦合金組織和力學性能的影響及其作用機理，以期為深冷處理在鈦合金工程領域的應用提供更為有力的支持和指導。

1、 深冷處理原理與作用機理

深冷處理通常將材料冷卻至極低溫度，以實現其微觀結構和性能的優(yōu)化。深冷處理常使用液氮作為制冷介質，主要采用液態(tài)法和氣態(tài)法進行冷卻。液態(tài)法是將樣品直接置于液氮中浸泡，進行低溫處理 [10] 。在此過程中，需要精確控制冷卻速度，以免過大的熱沖擊引發(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)地進行溫度轉變，避免裂開。氣態(tài)法則是通過液氮的汽化來達到所需的冷卻效果 [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，通過閥門和軟管控制液氮蒸發(fā)的流量，液氮通過軟管進入箱體的分配區(qū)發(fā)生汽化，利用風扇使汽化的液氮在分配區(qū)均勻掃滿箱體，以達到冷卻效果，并由電磁感應閥對箱體內的溫度進行控制，以達到維持箱體溫度的目的。

目前，對黑色金屬深冷處理的機理解釋已經較為完善 [13-14] 。主流觀點認為，經深冷處理后，黑色金屬材料性能改善的原因包括殘余奧氏體的轉變、馬氏體基體中納米碳化物的析出以及內部內應力催生位錯的形成。對于鈦合金，雖然深冷處理對其物理性能有顯著影響，但具體的作用機理尚存在爭議。晶格在低溫下的收縮是影響鈦合金性質的關鍵因素。這種收縮會產生內應力，可能引發(fā)位錯纏結和晶格缺陷。此外，深冷處理還可能導致新相的析出和晶粒的轉動，從而細化晶粒并增加孿晶數量。這些變化共同提高了材料的力學性能、耐疲勞性和耐蝕性，使鈦合金適應于更高要求的應用場景。

2、 深冷處理對鈦合金微觀組織的影響

TC4（Ti-6Al-4V）是應用最廣泛的鈦合金，研究它在深冷處理下微觀結構的變化情況具有重要的工程意義和科研價值。TC4 鈦合金在不同加工條件下表現出不同的微觀結構 [15-16] 。常溫軋制 TC4 鈦合金的微觀組織呈現為等軸組織（見圖 2a），增材制造（Additive Manufacturing，AM）制備的 TC4 鈦合金主要表現為平行交錯的針狀組織 [16] （見圖 2b），深冷處理對這些鈦合金微觀組織的影響主要體現在晶粒尺寸細化、位錯增加及缺陷減少方面。譚玉全 [17] 對未經深冷處理的軋制態(tài) TC4 鈦合金進行觀察，發(fā)現其等軸 α 相形態(tài)較長且尺寸偏大（見圖 3a），但經深冷處理 11 h 后，原始橄欖球狀的 α 相轉變?yōu)閳A球狀的 α相（見圖 3b）。Yu 等 [18] 進行了對比實驗，證實深冷處理可以使 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] 認為深冷處理除了可以細化晶粒外，還能增強 TC4 鈦合金的均勻性并減少缺陷。Huang 等 [20] 對電子束熔融成形（Electron Beam Melting，EBM）的 TC4 鈦合金進行了深冷 48 h 處理，發(fā)現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，深冷處理對其他牌號的鈦合金的微觀組織也有顯著影響。Yumak 等 [21] 研究發(fā)現，深冷處理可以將 TB5（Ti15V-3Al-3Cr-3Sn）鈦合金中不穩(wěn)定的 β 相轉變?yōu)榉€(wěn)定的 β 相和 α 相。鄭會會 [22] 研究了深冷處理對軋制態(tài) TC18（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe）鈦合金板材室溫性能的影響，發(fā)現經深冷處理后基體上的析出物更加細小，并呈彌散分布（見圖 5）。此外，Zhou等 [23] 對 TC6（Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si）鈦合金板材進行了深冷處理研究，結果顯示，經深冷處理后，晶粒內部產生了高密度的錯位結構（見圖 6）。

Luo 等 [24] 揭示了深冷處理對純鈦合金 TA2 微觀組織的重要調控作用，特別是在優(yōu)化晶粒尺寸、增大位錯密度等方面。

深冷處理沒有改變鈦合金 α 相和 β 相的晶格結構，但會導致晶粒發(fā)生擇優(yōu)取向，從而產生織構。Yu等 [18] 研究發(fā)現，經深冷處理后，TC4 鈦合金試樣的部分晶粒向(102)和(002)晶面偏轉。陳振華等 [25] 的研究也得出了相似的結論：深冷處理不僅會導致鈦合金產生擇優(yōu)取向，還會導致晶內位錯增多，形成眾多亞晶結構。

由于制備工藝和外部條件存在差異，因此經深冷處理后晶面的偏轉會存在差異。李澤鏵 [26] 研究發(fā)現，SLM 制備的 TC4 鈦合金晶粒更多的是向(101)和(100)晶面呈現擇優(yōu)取向。Li 等 [27] 在研究磁場作用下 TC4鈦合金深冷處理的影響時發(fā)現，深冷處理會導致部分晶粒的(110)晶面偏轉至(100)和(101)晶面，同時，經磁場深冷處理的樣品晶粒在(002)晶面擇優(yōu)取向。

綜上所述，深冷處理對鈦合金微觀結構產生了顯著影響，如晶粒細化、位錯增加和織構變化等。此外，深冷處理使鈦合金晶粒的部分晶面偏轉，形成特定織構。然而，對于鈦合金晶粒在不同晶面上擇優(yōu)取向產生織構的具體原因，仍需要基于不同的深冷工藝和材料進行深入的分析研究。

3、 深冷處理對鈦合金力學性能的影響

TC4 鈦合金中元素的波動范圍較大，通常其抗拉強度為 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出不同程度的增大或減小 [28] 。通過分析鈦合金的力學性能和顯微組織，可以更好地對鈦合金的深冷機理進行研究。Huang 等 [20]對深冷處理 48 h 后的軋制 TC4 鈦合金進行了拉伸試驗，研究發(fā)現，深冷過后的軋制 TC4 鈦合金的抗拉強度、屈服強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)現其延伸率從 16.5%提高到 24.5%，同時強度略有提高。Song 等 [29] 對經深冷處理的近 β 鈦合金（βTi-5Al-3Mo-3V-2Cr-2Zr-1Nb-1Fe）進行了拉伸試驗，發(fā)現經深冷處理后近 β 鈦合金的抗拉強度提高，塑性保持不變。李曉琛等 [30] 研究了深冷處理對退火 TC4 鈦合金微觀組織和力學性能的影響，發(fā)現相比于未深冷退火試樣，深冷處理后試樣的抗拉強度從1 428 MPa 提高到 1 508 MPa，斷后延伸率由 6.2%增大到 9.0%。深冷處理對鈦合金力學性能的影響規(guī)律及其作用機理如表 1 所示。一般來說，鈦合金主要通過晶粒細化、位錯纏結和相析出產生的彌散強化效應來提高材料力學性能。

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

3.1 深冷時間

深冷時間是提高鈦合金力學性能的一個關鍵因素。鈦合金的力學性能會隨著保溫時間的改變而發(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)現在深冷處理 48、72、96 h 后，抗拉強度、屈服強度、延伸率分別達到最大值（見圖 7）。丁首斌 [16] 將電子束選區(qū)熔化（ElectronBeam Selective Melting，EBSM）TC4 浸入液氮中保溫不同時間，發(fā)現試樣拉伸性能在深冷處理保溫 48 h時達到最優(yōu)。Zhou 等 [23] 將 TC4 鈦合金浸入液氮中進行深冷處理 0~24 h，發(fā)現其硬度在 18 h 時達到最大值，但其延伸率從 15.79%降低至 13.89%。綜上所述，對于深冷處理，并不是保溫時間越長效果越好，并且當某一性能具有最佳效果時，其他性能可能達不到預想效果，需要針對不同的性能調整相應的深冷參數。

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。一般來說，深冷處理的溫度越低，鈦合金表現出的延展性越好。?akir 等 [34] 研究了深冷處理溫度對軋制 TC4鈦合金拉伸性能的影響，研究發(fā)現，與未深冷處理的試樣相比，深冷處理后的 TC4 鈦合金表現出更高的延展性，并且隨深冷處理的溫度降低，材料的強度略有下降，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)現在?80 ℃下保溫的試樣強度下降、延伸率上升。與?80 ℃下保溫的試樣相比，?196 ℃下保溫的試樣強度下降得更多，延伸率有明顯提升。

3.3 深冷循環(huán)次數

深冷循環(huán)次數是鈦合金深冷處理過程中的重要參數，隨著循環(huán)次數的增加，鈦合金的力學性質會發(fā)生相應的調整。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間后取出樣本進行空冷相比，循環(huán)深冷會在每個保溫周期后取出樣本進行空冷，隨后再次進行深冷，并重復此過程。2 種主要的循環(huán)深冷方式分別為：1）保持總深冷時間恒定，調整循環(huán)次數；2）單次深冷時長固定，調節(jié)深冷次數。Li 等 [27]研究表明，經循環(huán)深冷后，TC4 鈦合金的強度和延伸率得到提高，循環(huán) 3 次后可以獲得最高抗拉強度和最優(yōu)延伸率。李澤鏵 [26] 固定了總的深冷時長并調整了循環(huán)次數，觀察到 SLM TC4 鈦合金的抗拉強度隨循環(huán)次數的增加而升高，但延伸率略有下降。據此，他認為在循環(huán) 3 次時，鈦合金展現了最佳的綜合性質。SLM TC4 鈦合金在不同深冷循環(huán)次數下的拉伸性能如表 3 所示。李月明 [36] 保持每次深冷時間相同并增加了循環(huán)次數，發(fā)現單次深冷處理會導致軋制 TC4 鈦合金硬度降低，而 2 次深冷處理會使硬度上升至一個較高的水平，但當增加到 3 次深冷處理時，硬度會略微降低，但仍高于未處理樣本硬度。綜上所述，當深冷循環(huán)次數在 3 以內時，對材料的抗拉強度有促進作用，硬度和延伸率的變化需要根據不同的循環(huán)工藝進行具體分析。

4、 深冷處理對鈦合金服役性能的影響

深冷處理對鈦合金力學性能的影響最終體現在其服役性能上，而服役性能決定了鈦合金產品的使用壽命。本節(jié)主要介紹深冷處理對鈦合金服役過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 合金的滑動磨損性時發(fā)現，TC4 鈦合金的耐磨性僅為 316L 的 1/2 和 CoCrMo 合金的 1/24，這無法支持它在航空、生物醫(yī)學等領域的發(fā)展。因此，亟須找到一種有效方法來改善鈦合金的耐磨性。

有關提高 TC4 鈦合金耐磨性的研究指出，深冷處理能夠細化材料的晶粒、增加孿晶數量并導致晶粒方向發(fā)生偏轉 [38] 。這些內部結構的變化，如高位錯密度和孿晶的形成，有助于吸收摩擦產生的能量，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 TC4 鈦合金表面組織和性能的協同作用時發(fā)現，經深冷處理后，TC4 鈦合金表面的硬度增大，TC4 鈦合金對滾動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)現深冷處理 2 h 的磨損機制為嚴重磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損的共同作用，而經深冷處理 72 h 后，磨損機制為輕微磨粒磨損，如圖 8所示。張良等 [41] 研究表明，隨著深冷處理時間的延長，TC4 鈦合金的位錯密度提高，經過 15 h 的深冷處理后，TC4 鈦合金的磨損質量與未處理樣品的相比減少了 40.42%。師佑杰等 [42] 的研究則進一步證實：深冷處理可以導致 TC4 鈦合金產生高密度位錯，從而提高材料的耐磨性和顯微硬度。

4.2 疲勞壽命

近年來，有關深冷處理后鈦合金疲勞壽命的研究受到廣泛關注，Leuders 等 [43] 指出，鈦合金的微觀組織結構對其疲勞性能起到了決定性的作用。Sotysiak等 [44] 研究表明，經深冷處理后，TC4 鈦合金的位錯數量顯著增加，這有助于進一步提高其疲勞性能。在更為深入的研究中，Sun 等 [45] 對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，當溫度降至 77 K 時，在鈦合金中會形成多種形態(tài)的孿晶結構（如圖 9 所示），這種結構的出現顯著提高了材料的疲勞強度。此外，Singla 等 [46] 研究表明，TC4 鈦合金中的初生 β 相可以經深冷處理轉化為更細微的次生 α 相和 β 相，這一轉變有助于增強材料的抗裂性，從而提高其疲勞性能。丁首斌 [16] 研究表明，經過深冷處理的 SLM TC4 鈦合金的疲勞循環(huán)次數顯著優(yōu)于未處理樣本的，尤其是經過 96 h 的深冷 處 理 后 ， 其 疲 勞 循 環(huán) 次 數 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，該合金的疲勞性能在很大程度上取決于細小的片層 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，材料的疲勞循環(huán)次數也明顯提升。

Huang 等 [20] 還進一步研究了深冷時間與 EBM TC4 鈦合金疲勞性能的關系，他們發(fā)現，當深冷時間為6~96 h 時，其疲勞循環(huán)次數呈現持續(xù)上升的態(tài)勢，盡管在深冷處理 72 h 后，疲勞循環(huán)次數相對于 48 h 時的有所下降，但仍然比未處理樣本的高出 85.7%（見圖 10）。

5、 深冷處理復合工藝方法

除了通過深冷處理工藝改善材料性能外，越來越多的研究開始探索深冷與其他處理工藝復合的方法來優(yōu)化材料性能。Ye 等[48] 提出了深冷激光噴丸（Cryogenic Laser Peening，CLP）強化工藝，該工藝結合了深冷處理與激光噴丸技術，在 CLP 處理時，通過深冷處理對材料微觀組織的調整與激光噴丸產生的超高應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構，從而實現更高強度和更高延展性的改善效果。費愛庚 [49] 將磁場工藝和深冷處理相結合，發(fā)現經過 12 h 磁場深冷處理后，材料的綜合性能達到最優(yōu)。同時，通過對比深冷處理和磁場深冷處理后材料的拉伸性能發(fā)現，磁場處理可以更好地驅動材料中的磁性顆粒重新排列，從而促進再結晶過程，故磁場深冷處理后的 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合，可以更好地促進材料相變，從而提高材料的力學性能。

將深冷處理與其他處理工藝相結合為材料性能優(yōu)化提供了新的途徑，這樣不僅能夠促進深冷處理的廣泛應用，還有助于進一步提高材料的綜合性能。未來，結合深冷處理與特種加工技術的研究思路有望開辟新的研究方向，并為材料科學領域帶來更多創(chuàng)新和突破。

6 、結論

深冷處理對鈦合金的力學性能、微觀組織、殘余應力等方面具有積極的影響。深冷處理操作簡單，液氮成本低廉，可以作為傳統(tǒng)熱處理的預處理或后處理方式，為后續(xù)處理提供了思路。如果使用得當，可以顯著提高生產率和產品質量，從而在覆蓋了低溫加工額外成本的同時，依然能夠降低整體加工成本。為促進深冷處理技術的發(fā)展，可以從以下幾個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)熱處理相結合。同時，考慮將新型的后處理手段（如磁場、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。經深冷處理后，金屬與合金性能在很大程度上受工藝參數的影響。由于目前深冷工藝控制設備單一，能夠準確控制深冷時間和溫度的設備成本巨大，實驗參數難以得到準確控制，因此，在深冷處理工藝的設備研發(fā)方面，應該加大投入力度與規(guī)模。此外，通過仿真和深度學習的方式探究和預測材料在深冷處理過程中的性能變化，可以極大地降低實驗成本，并提高研究效率。

深冷處理技術具有廣闊的應用潛力，但還存在許多待探索和挖掘的內容。隨著中國工業(yè)化進程的加速推進，深冷處理技術將成為我國高端和精密制造業(yè)的重要支撐，對提升我國工業(yè)技術水平具有重大而深遠的影響。

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