引言

由于钛合金具有高强度、高韧性以及高耐磨性等诸多特点，钛合金材料在诸多领域都有广泛的应用。因此对钛合金材料进行优化就显得尤为重要，目前深冷处理作为一项新兴的材料性能强化手段，具有极优异的实用性。深冷处理能够通过影响难加工材料的微观组织进而提高材料的性能，因此被逐渐应用于金属材料的加工工艺之中[1]。

目前有许多国内外学者对合金深冷处理进行研究。LIGR等[2]对TC4钛合金进行研究，发现经过深冷处理后，样品的拉伸强度和伸长率分别提高了2.57%和8.06%，在处理时间为12h时均达到最佳性能，同时在样品中，（110）晶平面已向（100）和（101）转变。曹栋等[3]对TC6钛合金进行深冷处理来研究其抗压性能，结果发现低温处理能提高TC6钛合金的耐高温压缩性能，与未低温处理试样相比，经过低温处理的试样压应力提高了19.39%。SONG等[4]以βTi-5Al-3Mo-3V-2Cr-2Zr-1Nb-1Fe钛合金为研究对象进行低温处理研究，结果显示液氮为介质的低温处理可以促进相的析出，同时，在两种试样中都发现在β相中析出α相。李晓琛等[5]对TC4钛合金进行深冷处理，结果发现材料的晶粒尺寸随着深冷处理时间的增长而逐渐下降，β相含量逐渐降低，α相的含量逐渐升高。师佑杰等[6]人对TC4钛合金进行深冷处理，探究深冷时间对试样材料的影响，结果发现深冷处理后试样组织的α相的含量上升了28.97%。

目前对多种牌号钛合金的深冷处理的系统研究较少，故本文选取三种不同牌号的钛合金（TA7、TB6、TC4）进行深冷处理，探究深冷处理对该三种钛合金微观组织的影响，并探究深冷处理前后金相组织的变化。

1、实验

1.1观察前处理

所用钛合金材料为由钛合金棒材（TA7、TB6、TC4）原始材料切割为10mm×10mm×8mm的立方体试样。将试样浸入液氮罐（-196℃）中浸泡，保温48h后，待恢复至室温进行后续实验。

为保证样品的表面平整度与洁净度，试验样品需先用砂纸进行打磨和抛光。最终需要对样品进行腐蚀以便于SEM与XRD表征，其中TA7腐蚀液为3mLHF（40%）、5mLHNO3和100mLH2O的混合溶液，TB6及TC4腐蚀液为5mLHF、10mLHNO3和85mLH2O的混合溶液。

1.2X射线衍射分析（XRD）

XRD分析是利用X射线的衍射，通过衍射峰参数的变化，来观察主要晶面与晶粒变化的情况，进而来研究试验样品的晶体结构。由于温度变化较大，内部晶粒可能发生晶格偏转现象，采用XRD分析可以很好的分析这种现象。采用XRD分析仪器型号为岛津LabXXRD-6100，其实验参数为Cu标靶、电压40kV；连续扫描、试样的扫描速度为5°/min、扫描角度范围为5°~90°。

1.3扫描电镜分析（SEM）

采用扫描电子显微镜（SEM）在1000倍数下对三种牌号钛合金试样的腐蚀进行微观组织的观察。对试样进行形貌表征，可以分析其微观组织变化特点。所用SEM分析仪器的型号为ThermoScientificApreo2。

2、XRD分析

图1为实验前后TA7钛合金的XRD图谱对比图。图1上所反应的反射角和谱线强度与由文献[7]中α和β相标准衍射图谱所提供的反射角2θ和谱线强度I基本吻合。由该图谱可知，图1中所标注的7个峰，均可对应图中α相的7个晶面。

表1为经Jade软件分析得到的实验前后TA7钛合金XRD分析对比数据。通过表1中的对比数据可知，深冷处理前后的TA7的反射角几乎未发生改变，说明各峰峰位均未发生偏移。实验后最高峰及各峰的谱线强度顺序同样未发生改变。深冷处理后的几个衍射峰的谱线强度均有不同程度的增强，增幅最小的为第5峰，幅度为8.33%，其中第2、3晶面衍射峰强度增强最为明显，强度分别增加了58.96%及39.65%，说明深冷处理后晶粒沿着其最小阻力的方向转动，向这两晶面发生偏转[8]。

图2是试验前后TB6钛合金的XRD图谱对比图。图2上所反应的反射角2θ和谱线强度I与α和β相标准衍射图谱所提供的反射角和谱线强度基本吻合。由该图谱可知，图2中所标注的8个峰，均可对应该图谱中α相与β相的8个晶面。其中第3峰为（101）α和（110）β的重合晶面。

表2为分析得到的实验前后TB6钛合金XRD衍射对比数据表。通过表2对比数据可知，深冷处理前后的TB6峰衍射角基本未发生改变，说明各峰峰位均未发生偏移。这与TA7深冷处理实验的结果一致。但深冷处理后的各峰强度均发生了一定的变化，但幅度相较于TA7，幅度比较小，其中第1、5、7、8晶面的强度有一定的增强，最大增强幅度为17.3%；

2、3、4、6晶面强度有一定的减弱，最大减弱幅度为11.76%。

图3是试验前后TC4钛合金的XRD图谱对比图。图3上所反应的反射角和谱线强度与α和β相标准衍射图谱所提供的反射角和谱线强度基本吻合。由该图谱可知，图3中所标注的8个峰，均可对应该图中α相与β相的所有晶面。其中第3峰为（211）α和（110）β的重合晶面。

表3为分析得到的实验前后TC4钛合金XRD衍射对比数据表。通过表3的对比数据可知，实验前后TC4钛合金的晶面衍射角、最高峰及各峰的谱线强度顺序均未发生变化。实验后的第1、2晶面衍射峰的强度发生较大的变化，强度分别增加了52.94%及33.33%，说明深冷处理后晶粒沿着最小阻力的方向转动，向这两晶面偏转。

通过以上三种钛合金实验材料的XRD衍射数据的分析可以看出：

（1）对TA7、TB6及TC4钛合金来说，三种钛合金在深冷处理后的最高衍射峰较深冷处理前没有发生变化，强度顺序也没有发生变化，说明深冷处理并不会改变材料的主要晶面结构。

（2）相较深冷处理前，TA7与TC4钛合金的衍射峰强度均有增强。这可能由于材料经过深冷处理后，由于冷缩内应力，材料出现了体积收缩的现象，导致晶粒发生偏转。同时晶面偏转产生大量的位错，形成了再结晶织构，增强了材料的显微硬度[9]。而深冷处理前后，TB6的衍射峰强度变化不一，这可能是由于TB6中的β相含量较高，阻碍了TB6钛合金的择优取向。

（3）上述表中的d值（晶格间距）均发生了一定的变化。这可能是由于晶粒大小发生变化引起了晶格畸变。深冷处理的温度变化或导致晶粒大小发生变化，进而会造成晶格畸变，晶格畸变会形成方向性的位错网络，降低晶体发生偏移的可能性，从而增强金属材料的综合力学性能。

3、显微组织观察（SEM）

如图4-图6所示，各图分别为TA7、TB6、TC4钛合金材料实验前后的微观组织结构对比图。其中TA7主要由大片α相组成，TB6由大片β相及少量α相组成，TC4主要由α与β相组成。

分别由图4（a）与图4（b）、图5（a）与图5（b）、图6（a）与图6（b）对比可知，实验前的金相组织由大片微观组织组成，分布并不均匀，晶粒体积较大；深冷处理后，晶粒尺寸均有一定的变化，由于温度降低，冷压缩力增大，导致晶粒受到挤压，故尺寸发生了变化，微观组织变得更加密集。与此同时由于晶粒受到挤压，在晶体的局部上出现了一定量细小的亚晶[10]。从以上实验结果可以发现，深冷处理对三种牌号钛合金均可起到细化晶粒，促进产生析出物的作用。

晶粒细化的现象的原因是，在实验过程中，温度降低，产生的冷缩内应力增强，导致材料产生了收缩的趋势，部分晶粒受到压缩后破碎，产生更多的细小晶粒，因此晶粒得到了一定程度的细化[11]。

同时三种材料在深冷处理之后，均有黑色析出物析出的现象，其中TA7与TC4钛合金析出物数量增加最为明显。对于TA7钛合金来说，这是由于晶粒存贮的能量被释放，发生再结晶现象，产生新的转化物，而这些转化产物颗粒较小并吸附在原基体之上。对于TC4钛合金来说，不仅有上述原因，同时由于低温促使尚不稳定的β相转化为次生α及β相稳态组织并附于α的基体之上[12]。

4、结论

深冷处理可以有效细化钛合金的微观组织，但不同牌号合金的处理效果并不完全一致。本文对三种钛合金进行深冷处理实验，结论如下：

（1）深冷处理并未改变钛合金材料的主要晶面结构，TA7和TC4在深冷处理之后衍射峰强度得到了一定程度的增强，有明显的晶粒择优偏转现象产生。其中实验所用的TA7材料第2、3峰晶面衍射峰强度增强最明显，强度分别增加了58.96%及39.65%；实验所用的TC4材料的第1、2晶面衍射峰强度增强同样明显，强度分别增加了52.94%及33.33%。而TB6钛合金在深冷前后的衍射峰强度变化不大。

（2）三种钛合金经深冷处理之后，晶格间距均发生了一定的变化。这是由于深冷处理的温度变化或导致晶粒大小发生变化，进而会造成晶格畸变，增大了位错运动的阻力，增加了晶粒发生相对移动的难度，从而增强了材料的综合性能。

（3）深冷处理均可使三种牌号的钛合金的显微组织得到均匀细化，三种牌号在深冷处理之后均有析出物析出，其中相较于TB6，TA7和TC4钛合金的晶粒细化程度更高，析出物的量也更大。

参考文献

[1] 纪志军，李桂荣，叶宇融，等.深冷处理钛合金的研究 进展[J].航空制造技术，2022，65（11）：70-75.

JI Z J， LI G R， YE Y R，et al.Cryogenic processing titanium alloys [J].Aeronautical Manufacturing Technology， 2022，65（ 11） ： 70-75.

[2] 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.

[3] 曹栋，贾昭，谌岩 .深冷处理对 TC6 钛合金高温抗压 能力的影响[J].金属热处理， 2017， 42（2）：160-162

CAO D，JIA Z，CHEN Y.Effect of cryogenic treatment on high temperature compression resistance of TC6 titanium alloy[J].Heat Treatment of Metals， 2017，42（2）：160-162.

[4] SONG B， XIAO W L， WANG J S， et al.Effects of cryogenic treatments on phase transformations， microstructure and mechanical properties of near β Ti alloy[J].Journal of Alloys and Compounds， 2021， 879： 160495

[5] 李晓琛，王世颖，陈智栋 .深冷处理时间对 TC4 钛合 金微观组织结构及力学性能的影响[J].常州大学学报（自然 科学版），2022，34（4）：7-13.

LI X C， WANG S Y， CHEN Z D.Effect of cryogenic treatment time on microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy [J].Journal of Changzhou University （Natural Science Edition），2022，34（4）：7-13.

[6] 师佑杰，李永刚，李文辉，等.深冷处理对TC4钛合金 表面性能的影响[J].金属热处理，2022，47（2）：183-187.

SHI Y J，LI Y G，LI W H，et al.Cryogenic treatment on the properties of TC4 titanium alloy surface effect [J].Metal Heat Treatment， 2022，47（2）： 183-187.

[7]（ 苏）鲍利索娃著，陈石卿译 .钛合金金相学[M].北 京：国防工业出版社，1980.（The Soviet Union） Борисова，Е.А.CHEN S Y Translated.Titanium Alloys Metallography [M].Beijing：National Defense Industry Press， 1980.

[8] 梁敬魁.粉末衍射法测定晶体结构：X射线衍射在材 料科学中的应用（下册）[M].北京：科学出版社，2011.

LIANG J K.Determination of crystal structure by powder diffraction： application of X-ray diffraction to materials science （Part II）[M].Beijing：Science Press， 2011.

[9] 陈鼎，黎文献 .深冷处理下铝和铝合金的晶粒转动 [J].中南工业大学学报：自然科学版，2000（6）：544-547.

CHEN D， LI W X.Grain rotation of aluminum and aluminum alloy under cryogenic treatment [J].Journal of Central South University of Technology： Science and Technology Edition， 2000（6）： 544-547.

[10] 张良，于小健.深冷处理对TC4钛合金摩擦磨损性能 及微观组织的影响[J].材料保护，2021，54（8）：114-117，149.

ZHANG L， YU X J.The influence of cryogenic treatment og TC4 titanium alloy friction and wear properties and the microstructure[J].Materials protection， 2021， 54（8）： 114-117 ，149.

[11] 雷达，李永刚，李文辉，等 .深冷处理对钛合金力学 性能及摩擦磨损性能的影响[J].机械科学与技术，2021，40（4）：566-571.

LEI D，LI Y G， LI W H，et al.Cryogenic treatment on the mechanical properties of titanium alloy and the effect of friction and wear performance [J].Journal of Mechanical Science and Technology， 2021，40（4）： 566-571.

[12] LI G R，QIN T，FEI A G.Performance and microstructure of TC4 titanium alloy subjected to deep cryogenic treatment and magnetic field[J].Journal of Alloys and Compounds， 2019： 50-69.

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