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 機械與軌道交通學院，江蘇 常州 213000）

鈦合金以其優異的生物相容性、出色的力學性能和抗腐蝕性而廣泛應用于航空航天等領域。然而，現代工藝制備的鈦合金存在延展性和耐疲勞性較差的問題，同時鈦金屬本身的耐磨性也較差，因此需要通過合適的后處理工藝來改善其力學性能。在這種背景下，深冷處理憑借其便捷、無污染、低成本及能顯著改善金屬材料組織和綜合性能等優勢，成為機械加工領域備受矚目的研究方向。首先簡要介紹了深冷處理的發展歷程以及2種主要加工方法：液態法和氣態法，同時概括了氣態法的具體流程。其次重點綜述了國內外深冷處理工藝對鈦合金組織和織構的影響，分別從深冷時間、深冷溫度與循環次數3個方面，歸納了深冷處理工藝對鈦合金硬度和拉伸性能的影響以及深冷工藝的作用機理，并進一步探究了深冷處理工藝對鈦合金制件摩擦磨損性能和耐疲勞性能的影響規律。最后介紹了深冷處理復合工藝方法，為基于深冷處理的加工工藝的發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；力學性能

100多年前，瑞士鐘表商發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材料處理方法，并被廣泛應用于工業領域。相比于熱處理，深冷處理的主要優勢在于不僅對環境友好，而且可以保證材料良好的尺寸穩定性[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，廣泛應用于基礎醫學[5]、航空航天[6-7]等領域。雖然熱處理是傳統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勢。本文綜述了深冷工藝參數（深冷時間、深冷溫度、循環次數）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化。深冷處理常使用液氮作為制冷介質，主要采用液態法和氣態法進行冷卻。液態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，以平穩地進行溫度轉變，避免裂開。氣態法則是通過液氮的汽化來達到所需的冷卻效果[12]。氣態法的原理如圖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的流量，液氮通過軟管進入箱體的分配區發生汽化，利用風扇使汽化的液氮在分配區均勻掃滿箱體，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。

圖1 氣態法深冷處理系統原理[12]

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TC4鈦合金進行觀察，發現其等軸α相形態較長且尺寸偏大（見圖3a），但經深冷處理11 h后，原始橄欖球狀的α相轉變為圓球狀的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]研究發現，深冷處理可以將TB5（Ti15V-3Al-3Cr-3Sn）鈦合金中不穩定的β相轉變為穩定的β相和α相。鄭會會[22]研究了深冷處理對軋制態TC18（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe）鈦合金板材室溫性能的影響，發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，但會導致晶粒發生擇優取向，從而產生織構。Yu等[18]研究發現，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、溫度和循環次數）對性能的影響以及優化深冷工藝參數。

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]將電子束選區熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）TC4浸入液氮中保溫不同時間，發現試樣拉伸性能在深冷處理保溫48 h時達到最優。Zhou等[23]將TC4鈦合金浸入液氮中進行深冷處理0～24 h，發現其硬度在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 深冷循環次數

深冷循環次數是鈦合金深冷處理過程中的重要參數，隨著循環次數的增加，鈦合金的力學性質會發生相應的調整。與傳統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種主要的循環深冷方式分別為：1）保持總深冷時間恒定，調整循環次數；2）單次深冷時長固定，調節深冷次數。Li等[27]研究表明，經循環深冷后，TC4鈦合金的強度和延伸率得到提高，循環3次后可以獲得最高抗拉強度和最優延伸率。李澤鏵[26]固定了總的深冷時長并調整了循環次數，觀察到SLM TC4鈦合金的抗拉強度隨循環次數的增加而升高，但延伸率略有下降。據此，他認為在循環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次數，發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工藝進行具體分析。

表1 深冷處理對鈦合金力學性能的影響及對應機理

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、生物醫學等領域的發展。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鈦合金的疲勞循環次數顯著優于未處理樣本的，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，他們發現，當深冷時間為6～96 h時，其疲勞循環次數呈現持續上升的態勢，盡管在深冷處理72 h后，疲勞循環次數相對于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）。

表3 TC4鈦合金在不同深冷循環次數下的拉伸性能

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

圖8 TC4深冷處理的微觀結構[40]

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，發現經過12 h磁場深冷處理后，材料的綜合性能達到最優。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。

圖10 EBM TC4鈦合金不同深冷時間下的疲勞循環次數[20]

將深冷處理與其他處理工藝相結合為材料性能優化提供了新的途徑，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，可以作為傳統熱處理的預處理或后處理方式，為后續處理提供了思路。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。深冷處理作為傳統熱處理的后繼工序，可以與傳統熱處理相結合。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方面，應該加大投入力度與規模。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的重要支撐，對提升我國工業技術水平具有重大而深遠的影響。

[1] CLARK A D, NORTHWOOD D O, BOWERS R J, et al. Comparison of Austempering and Quench-and-Tem-pering Processes for Carburized Automotive Steels[J]. Sae International Journal of Materials & Manufacturing, 2013, 6(2): 146-53.

[2] 陳鼎, 黃培云, 黎文獻. 金屬材料深冷處理發展概況[J]. 熱加工工藝, 2001(4): 57-59.

CHEN D, HUANG P Y, LI W X. Development Overview of Deep Cold Treatment for Metallic Materials[J]. Hot Working Technology, 2001(4): 57-59.

[3] SONAR T, LOMTE S, GOGTE C. Cryogenic Treatment of Metal-A Review[J]. Materials Today: Proceedings, 2018(5): 25219-252128.

[4] SINGH G, PANDEY K N. Effect of Cryogenic Treatment on Properties of Materials: A Review[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, 2022, 236(4): 1758-1773.

[5] SINGLA J S, VISHAL S. Impact of Cryogenic Treatment on Mechanical Behavior and Microstructure of Ti-6Al-4V ELI Biomaterial[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2019, 28(10): 5931-5945.

[6] LUO Q S, LI S F, PEI H P. Progress in Titanium Fire Resistant Technology for Aero-engine[J]. Journal of Aerospace Power, 2012, 27(12): 2763-2768.

[7] SONG P, WEN-BINZHENG, YUGUAN, et al. The Constitutive Behavior of Ti-5Al-3V-2Cr-2Fe under High-Velocity Impact: Experimental, Modeling, and Validation[J]. Journal of Alloys and Compounds: An Interdisciplinary Journal of Materials Science and Solid- state Chemistry and Physics, 2019, 811: 151946.

[8] 王新英, 謝成木. ZTC4鈦合金固溶時效熱處理工藝研究[J]. 金屬學報, 2002, 38(z1): 89-92.

WANG X Y, XIE C M. Study on Solution-Aging Heat Treatment of ZTC4 Titanium Alloys[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2002, 38(z1): 89-92.

[9] 紀志軍, 李桂榮, 葉宇融, 等. 深冷處理鈦合金的研究進展[J]. 航空制造技術, 2022, 65(11): 70-75.

JI Z J, LI G R, YE Y R, et al. A Review on Deep Cryogenic Treatment of Titanium Alloy[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2022, 65(11): 70-75.

[10] ASL K M, TARI A, KHOMAMIZADEH F. Effect of Deep Cryogenic Treatment on Microstructure, Creep and Wear Behaviors of AZ91 Magnesium Alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2009, 523(1/2): 27-31.

[11] ZHU Y, LI C, ZHANG L. Effects of Cryo-Treatment on Corrosion Behavior and Mechanical Properties of Laser-Welded Commercial Pure Titanium[J]. Materials Transactions, 2014, 55(3): 511-516.

[12] GAO Q, JIANG X, SUN H, et al. Effect Mechanism of Cryogenic Treatment on Ferroalloy and Nonferrous Alloy and Their Weldments: A Review[J]. Materials Today Communications, 2022, 33: 104830.

[13] KUMAR T, THIRUMURUGAN R, VISWANATH B, et al. Influence of Cryogenic Treatment on the Metallurgy of Ferrous Alloys: A Review[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2017, 32(16): 1789-1805.

[14] RAZAVYKIA A, DELPRETE C, BALDISSERA P. Correlation between Microstructural Alteration, Mechanical Properties and Manufacturability after Cryogenic Treatment: A Review[J]. Materials, 2019, 12(20): 3302.

[15] FERNANDEZ-ZELAIA P, MELKOTE S, MARUSICH T, et al. A Microstructure Sensitive Grain Boundary Sliding and Slip Based Constitutive Model for Machining of Ti-6Al-4V[J]. Mechanics of Materials, 2017, 109: 67-81.

[16] 丁首斌. 深冷處理對增材制造Ti6Al4V微觀組織及力學性能影響研究[D]. 北京: 中國地質大學(北京), 2022: 4.

DING S B. Effect of Cryogenic Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Ti6Al4V Alloy Fabricated by Additive Manufacturing[D]. Beijing: China University of Geosciences (Beijing), 2022: 4.

[17] 譚玉全. 熱處理對TC4鈦合金組織、性能的影響及殘余應力消除方法的研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2016: 46.

TAN Y Q. The Effect of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of TC4 Titanium and the Research on Stress Relief after Heat Treatment[D]. Chongqing: Chongqing University, 2016: 46.

[18] YU H, YAN M, LI J, et al. Mechanical Properties and Microstructure of a Ti-6Al-4V Alloy Subjected to Cold Rolling, Asymmetric Rolling and Asymmetric Cryorolling[J]. Materials Science and Engineering A, 2018, 710(5): 10-16.

[19] GU K, LI Z, WANG J, et al. The Effect of Cryogenic Treatment on the Microstructure and Properties of Ti-6Al-4V Titanium Alloy[J]. Materials Science Forum, 2013, 748: 899-903.

[20] HUANG X, DING S, YUE W. Cryogenic Treatment on Ti6Al4V Alloy Fabricated by Electron Beam Melting: Microstructure and Mechanical Properties[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2022, 20: 3323- 3332.

[21] YUMAK N, ASLANTAS K, ETKIN A. Cryogenic and Ageing Treatment Effects on the Mechanical Properties of Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn Titanium Alloy[J]. Journal of Testing and Evaluation, 2020, 49(5): 20200078.

[22] 鄭會會. 深冷處理對TC4,TC18鈦合金板材室溫性能的影響[D]. 長春: 吉林大學, 2019: 28.

ZHENG H H. The Influence of Deep Cold Treatment on the Room Temperature Performance of TC4 and TC18 Titanium Alloy Sheets[D]. Changchun: Jilin University, 2019: 28.

[23] ZHOU J, LI J, HUANG S, et al. Influence of Cryogenic Treatment Prior to Laser Peening on Mechanical Properties and Microstructural Characteristics of TC6 Titanium Alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2018, 718: 207-215.

[24] LUO J R, SONG X, ZHUANG L Z, et al. Twinning Behavior of a Basal Textured Commercially Pure Titanium Alloy TA2 at Ambient and Cryogenic Temperatures[J]. Journal of Iron and Steel Research International, 2016, 23(1): 74-77.

[25] 陳振華, 謝配孺, 姜勇, 等. 鈦合金深冷及冷-熱循環處理研究[J]. 湖南大學學報, 2014, 41(7): 1-5.

CHEN Z H, XIE P R, JIANG Y, et al. Research on Deep Cold and Cold-Hot Cycling Treatment of Titanium Alloys[J]. Journal of Hunan University, 2014, 41(7): 1-5.

[26] 李澤鏵. 深冷處理工藝對選區激光熔化成形TC4鈦合金顯微組織及力學性能的影響[D]. 南昌: 南昌航空大學, 2022: 27.

LI Z H. Effect of Cryogenic Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Selective Laser Melting TC4 Titanium Alloy[D]. Nanchang: Nanchang Hangkong University, 2022: 27.

[27] LI G R, QIN T, FEI A G, et al. Performance and Microstructure of TC4 Titanium Alloy Subjected to Deep Cryogenic Treatment and Magnetic Field[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 802: 50-69.

[28] 劉清華, 惠松驍, 葉文君, 等. 合金元素對TC4鈦合金動態力學性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2013, 42(7): 5.

LIU Q H, HUI S X, YE W J, et al. Influence of Alloying Elements on the Dynamic Mechanical Properties of TC4 Titanium Alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2013, 42(7): 5.

[29] SONG B, XIAO W, WANG J, et al. Effects of Cryogenic Treatments on Phase Transformations, Microstructure and Mechanical Properties of Near βTi Alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 879: 160495.

[30] 李曉琛, 王世穎, 陳智棟. 深冷處理時間對TC4鈦合金微觀組織結構及力學性能的影響[J]. 常州大學學報, 2022, 34(4): 7-13.

LI X C, WANG S Y, CHEN Z D. The Influence of Deep Cold Treatment Time on the Microstructure and Mechanical Properties of TC4 Titanium Alloy[J]. Journal of Changzhou University, 2022, 34(4): 7-13.

[31] 陳勁松. 工業純鈦及TC4鈦合金的深冷處理研究[D]. 長沙: 湖南大學, 2011: 22-38.

CHEN J S. Effect of Cryogenic Treatment on Industrial Titanium and TC4 Alloy[D]. Changsha: Hunan University, 2011: 22-38.

[32] HU Z Q, ZHENG H H, LIU G J, et al. Effects of Cryogenic Treatment after Annealing of Ti-6Al-4V Alloy Sheet on Its Formability at Room Temperature[J]. Metals-Open Access Metallurgy Journal, 2018, 8(5): 295.

[33] 謝配孺. 鈦及鈦合金的深冷與冷熱循環處理研究[D]. 長沙: 湖南大學, 2014: 29-39.

XIE P R. Study on Cryogenic and Cold-Hot Cycle Treatment of Titanium and Titanium Alloys[D]. Changsha: Hunan University, 2014: 29-39.

[34] ?AKIR F H, ?ELIK O N. Influence of Cryogenic Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Ti6Al4V Alloy[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2020, 29(10): 6974-6984.

[35] VIJAYAKUMAR M, SHANAWAZ A M, PRABHU N, et al. The Influence of Cryogenic Treatment on Titanium Alloys Mechanical Properties[J]. Materials Today: Proceedings, 2022, 66: 883-888.

[36] 李月明. 微塑性變形對TC4鈦合金微觀組織及力學性能的影響[D]. 鎮江: 江蘇大學, 2015: 50-57.

LI Y M. Effect of Microplastic Deformation on the Microstructure and Mechanical Properties of TC4 Titanium Alloy[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2015: 50-57.

[37] ATAR E. Sliding Wear Performances of 316L, Ti6Al4V, and CoCrMo Alloys[J]. Metallic Materials, 2013, 51(3): 183-188.

[38] GU J Z, YUAN. Effect of Cryogenic Treatment on Wear Resistance of Ti-6Al-4V Alloy for Biomedical Applications[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2014, 30:131-139.

[39] LUO X, REN X, QU H, et al. Research on Influence of Deep Cryogenic Treatment and Ultrasonic Rolling on Improving Surface Integrity of Ti6Al4V Alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2022, 843: 143142.

[40] HUANG X, DING S, YUE W. Effect of Cryogenic Treatment on Tribological Behavior of Ti6Al4V Alloy Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2021, 12: 1979-1987.

[41] 張良, 于小健. 深冷處理對TC4鈦合金摩擦磨損性能及微觀組織的影響[J]. 材料保護, 2021, 54(8): 114- 117.

ZHANG L, YU X J. Effects of Cryogenic Treatment on the Friction and Wear Properties and Microstructure of TC4 Titanium Alloy[J]. Material Protection, 2021, 54(8): 114-117.

[42] 師佑杰, 李永剛, 李文輝, 等. 深冷處理對TC4鈦合金表面性能的影響[J]. 金屬熱處理, 2022, 47(2): 183-187.

SHI Y J, LI Y G, LI W H, et al. Effect of Cryogenic Treatment on Surface Properties of TC4 Titanium Alloy[J]. Heat Treatment of Metals, 2022, 47(2): 183-187.

[43] LEUDERS S, TH?NE M, RIEMER A, et al. On the Mechanical Behaviour of Titanium Alloy TiAl6V4 Manufactured by Selective Laser Melting: Fatigue Resistance and Crack Growth Performance[J]. International Journal of Fatigue, 2013, 48: 300-307.

[44] SOTYSIAK R, MAECKA J. The Analysis of Cyclic Properties of Ti-6Al-4V Titanium Alloy at Room and Liquid Nitrogen Temperature[J]. Materials Science and Engineering: A, 2018, 734: 476-484.

[45] SUN Q Y, GU H C. Tensile and Low-Cycle Fatigue Behavior of Commercially Pure Titanium and Ti-5AI-2.5Sn Alloy at 293 and 77 K[J]. Materials Science & Engineering A, 2001, 316(1/2): 80-86.

[46] SINGLA, SINGH, SHARMA, et al. Impact of Cryogenic Treatment on HCF and FCP Performance of β-Solution Treated Ti-6Al-4V ELI Biomaterial[J]. Materials, 2020, 13(3): 500.

[47] GREITEMEIER D, PALM F, SYASSEN F, et al. Fatigue Performance of Additive Manufactured TiAl6V4 Using Electron and Laser Beam Melting[J]. International Journal of Fatigue, 2017, 94(2): 211-217.

[48] YE C, SUSLOV S, LIN D, et al. Cryogenic Ultrahigh Strain Rate Deformation Induced Hybrid Nanotwinned Microstructure for High Strength and High Ductility[J]. Journal of Applied Physics, 2014, 115(21): 213519.

[49] 費愛庚. 磁場深冷處理TC4鈦合金的微觀組織和力學性能的研究[D]. 鎮江: 江蘇大學, 2019: 57-58.

FEI A G. Research on Microstructure and Mechanical Properties of TC4 Titanium Alloy Subjected to the Magnetic Field and Deep Cryogenic Treatment[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2019: 57-58.

[50] AMIN A, KAMRAN A, SIRUS J. Effects of Applying an External Magnetic Field during the Deep Cryogenic Heat Treatment on the Corrosion Resistance and Wear Behavior of 1.2080 Tool Steel[J]. Materials & Design, 2012, 41(OCT.): 114-123.

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

國家自然科學基金（51705038）；常州大學大學生創新創業訓練計劃（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）