深低温处理温度对近β钛合金微观结构及性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of deep cryogenic treatment temperature on the microstructure and properties of near-beta titanium alloy

钛合金Ti55531经-78℃和-196℃深冷处理后，显微组织发生显著变化：α相分数增加至38.8–42.1%，位错密度（KAM）升高0.66–0.90°，晶粒细化至2.14–2.32μm，通过位错增殖和晶界迁移实现强化。力学性能提升显著，-78℃时UTS/YS提高1.9%/1.4%，-196℃时达4.0%/3.8%，同时保持塑性稳定。腐蚀电流密度降低至5.749×10??A/cm2，证实深冷处理对钛合金性能的多维度优化作用。

　　本研究聚焦于对近β钛合金Ti55531进行深冷处理，以探讨深冷处理温度对其微观结构和性能的影响。实验在?78°C和?196°C两个温度下进行，以系统分析不同深冷处理条件对材料性能和微观结构演变的调控作用。研究发现，深冷处理能够产生显著的内部应力，进而引发晶格畸变和位错积累。低温环境促进了β相向α相的转变，提高了α相的体积分数，同时通过位错增殖和晶界迁移，提升了晶粒细化程度和位错密度。这些微观结构的变化协同作用，增强了材料的机械性能，使抗拉强度和屈服强度分别提升了1.9%和1.4%（在-78°C条件下）以及4.0%和3.8%（在-196°C条件下），同时保持了良好的塑性表现。此外，深冷处理还显著提升了材料的耐腐蚀性能，其腐蚀电流密度由7.391×10?? A/cm2降低至5.749×10?? A/cm2。

钛合金因其卓越的机械性能、较低的密度和出色的耐腐蚀性，在航空航天、医疗器械、汽车工程和海洋工程等多个领域得到了广泛应用。其中，近β钛合金作为钛合金的一个重要类别，表现出良好的成形性和断裂韧性，尤其适用于需要高强度和优异耐腐蚀性的应用。钛合金的微观结构特征受到多种因素的影响，包括合金成分、热处理参数以及热机械加工路线等。温度作为影响微观结构演变的关键因素，决定了相变动力学、转变相的形核以及相的空间分布，从而调控材料的机械行为。通过精确调控热处理参数，可以实现对晶界结构、相界面拓扑和析出物分布模式的策略性设计。

深冷处理（DCT）的基本机制是将材料置于低于零度的环境中，利用热力学原理诱导相的重新分布和受控相变。由于其工艺简单、成本低廉以及环保特性，深冷处理在近年来受到了越来越多的研究关注。以往的深冷处理研究主要集中在高速钢、热作模具钢和弹簧钢等金属材料上。然而，随着技术的发展，深冷处理的应用逐渐扩展至非铁金属体系、硬质合金复合材料以及块体金属玻璃等新型材料。在钛合金领域，深冷处理能够加速亚稳定β相向稳定α相的转变，促进晶粒细化和位错密度的显著增加，从而提高材料的硬度、强度、耐磨性和抗疲劳性能。此外，一些研究还探索了结合深冷处理与电脉冲处理等先进工艺，以增强钛合金的微观结构和机械性能。例如，通过深冷与电脉冲的协同作用，能够有效优化材料的微观结构，提升其综合性能。

目前，钛合金的深冷处理研究主要集中在Ti-6Al-4V合金在等温条件下的微观结构响应，而关于不同深冷处理温度（如?78°C和?196°C）与材料性能之间相互作用的机理仍不明确。本研究通过系统分析不同深冷处理温度下的材料性能变化，构建了深冷处理热处理曲线与微观结构稳定性参数之间的定量关联框架。研究还表明，通过优化深冷处理工艺，结合精确的温度选择，可以有效提升近β钛合金的微观结构稳定性，并实现对材料性能的精确调控。研究采用系统的方法进行分析，包括对材料行为的理解、分解、翻译、组装和优化，以确保最终的结论既准确又流畅，符合学术表达的要求。

研究中所使用的材料为近β钛合金Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr（Ti55531），其β相变温度（Tβ）为845±5°C。该合金通过三重真空电弧熔炼（VAR）工艺进行制备，随后在3150吨液压机上进行多向锻造，形成圆柱形坯料。圆柱形坯料经过固溶热处理（760°C/1.5小时，强制空气冷却），随后进行时效处理（550°C/6小时）。通过这些工艺，材料的化学成分和微观结构得到了充分的优化。研究还采用了X射线衍射（XRD）分析技术，对未经处理（AS）、?78°C处理（ASC1）和?196°C处理（ASC2）的Ti55531样品的XRD图谱进行了比较。结果显示，冷却过程中α相（六方晶系）和β相（体心立方晶系）之间的热收缩差异导致了界面热应力的产生。这些应力进一步引发晶格膨胀和畸变，增加了晶面间距，并导致XRD图谱中峰位的左移。此外，深冷处理还促进了位错的增殖，这从位错密度参数（KAM）的增加得到了验证，其值由AS状态下的0.67°上升至ASC2状态下的0.90°。

研究的结论表明，深冷处理温度对近β钛合金Ti55531的微观结构、机械性能和耐腐蚀性能具有显著影响。随着深冷处理温度的降低，材料的微观结构表现出一定的演变趋势。例如，更多的短棒状和长条状初生α相在深冷处理过程中转变为颗粒状形态，同时更细的晶粒结构和更高的位错密度也被观察到。这些变化不仅提升了材料的机械性能，还增强了其耐腐蚀能力。研究还发现，深冷处理能够通过优化β相的析出和晶界网络的细化，实现材料的微观结构优化，从而提升其综合性能。此外，深冷处理过程中过大的亚零度热梯度可能导致淬火引起的残余应力，这些应力可能成为微裂纹形核的诱因，并进一步引发裂纹扩展。因此，深冷处理的温度选择和工艺控制在优化材料性能方面至关重要。

在作者贡献方面，Yupeng Yuan负责数据整理和概念设计，Tongsheng Deng负责撰写、审阅和编辑，监督研究工作，提供资源和资金支持，Wei Chen负责形式分析和数据整理，Zhi Liu负责撰写初稿、方法设计、实验分析，Hai Liu负责撰写初稿、项目管理、方法设计，Yucheng Yang和Ziye Yang负责数据整理和概念设计，Ruyi Ai负责形式分析和数据整理。研究团队在完成工作的同时，也对潜在的利益冲突进行了声明。作者声明他们与某些机构或个人之间存在可能的利益关系，包括正在申请的专利。如果还有其他作者，他们则声明自己没有已知的利益冲突或个人关系，这些关系可能会影响本研究中报告的工作。

本研究获得了多个资助机构的支持，包括江西省自然科学基金（项目编号：20224BAB204043）、江西省高性能钢铁合金材料重点实验室（项目编号：2024SSY05041）以及江西省动力电池与储能材料重点实验室（项目编号：2024SSY10011）。这些支持为研究的顺利进行提供了必要的资源和条件。研究团队在实验设计、数据分析和结果解释等方面进行了深入探讨，确保了研究的科学性和严谨性。同时，研究还强调了深冷处理在材料科学中的重要性，特别是在优化材料性能和提升其应用价值方面。通过系统的实验和分析，研究团队为钛合金的深冷处理技术提供了新的视角和理论支持，同时也为相关领域的研究者提供了有价值的参考信息。