引言

由于鈦合金具有高強(qiáng)度、高韌性以及高耐磨性等諸多特點(diǎn)，鈦合金材料在諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。因此對(duì)鈦合金材料進(jìn)行優(yōu)化就顯得尤為重要，目前深冷處理作為一項(xiàng)新興的材料性能強(qiáng)化手段，具有極優(yōu)異的實(shí)用性。深冷處理能夠通過(guò)影響難加工材料的微觀組織進(jìn)而提高材料的性能，因此被逐漸應(yīng)用于金屬材料的加工工藝之中[1]。

目前有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)合金深冷處理進(jìn)行研究。LIGR等[2]對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)深冷處理后，樣品的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了2.57%和8.06%，在處理時(shí)間為12h時(shí)均達(dá)到最佳性能，同時(shí)在樣品中，（110）晶平面已向（100）和（101）轉(zhuǎn)變。曹棟等[3]對(duì)TC6鈦合金進(jìn)行深冷處理來(lái)研究其抗壓性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低溫處理能提高TC6鈦合金的耐高溫壓縮性能，與未低溫處理試樣相比，經(jīng)過(guò)低溫處理的試樣壓應(yīng)力提高了19.39%。SONG等[4]以βTi-5Al-3Mo-3V-2Cr-2Zr-1Nb-1Fe鈦合金為研究對(duì)象進(jìn)行低溫處理研究，結(jié)果顯示液氮為介質(zhì)的低溫處理可以促進(jìn)相的析出，同時(shí)，在兩種試樣中都發(fā)現(xiàn)在β相中析出α相。李曉琛等[5]對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行深冷處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)材料的晶粒尺寸隨著深冷處理時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸下降，β相含量逐漸降低，α相的含量逐漸升高。師佑杰等[6]人對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行深冷處理，探究深冷時(shí)間對(duì)試樣材料的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)深冷處理后試樣組織的α相的含量上升了28.97%。

目前對(duì)多種牌號(hào)鈦合金的深冷處理的系統(tǒng)研究較少，故本文選取三種不同牌號(hào)的鈦合金（TA7、TB6、TC4）進(jìn)行深冷處理，探究深冷處理對(duì)該三種鈦合金微觀組織的影響，并探究深冷處理前后金相組織的變化。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1觀察前處理

所用鈦合金材料為由鈦合金棒材（TA7、TB6、TC4）原始材料切割為10mm×10mm×8mm的立方體試樣。將試樣浸入液氮罐（-196℃）中浸泡，保溫48h后，待恢復(fù)至室溫進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

為保證樣品的表面平整度與潔凈度，試驗(yàn)樣品需先用砂紙進(jìn)行打磨和拋光。最終需要對(duì)樣品進(jìn)行腐蝕以便于SEM與XRD表征，其中TA7腐蝕液為3mLHF（40%）、5mLHNO3和100mLH2O的混合溶液，TB6及TC4腐蝕液為5mLHF、10mLHNO3和85mLH2O的混合溶液。

1.2X射線衍射分析（XRD）

XRD分析是利用X射線的衍射，通過(guò)衍射峰參數(shù)的變化，來(lái)觀察主要晶面與晶粒變化的情況，進(jìn)而來(lái)研究試驗(yàn)樣品的晶體結(jié)構(gòu)。由于溫度變化較大，內(nèi)部晶?？赡馨l(fā)生晶格偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，采用XRD分析可以很好的分析這種現(xiàn)象。采用XRD分析儀器型號(hào)為島津LabXXRD-6100，其實(shí)驗(yàn)參數(shù)為Cu標(biāo)靶、電壓40kV；連續(xù)掃描、試樣的掃描速度為5°/min、掃描角度范圍為5°~90°。

1.3掃描電鏡分析（SEM）

采用掃描電子顯微鏡（SEM）在1000倍數(shù)下對(duì)三種牌號(hào)鈦合金試樣的腐蝕進(jìn)行微觀組織的觀察。對(duì)試樣進(jìn)行形貌表征，可以分析其微觀組織變化特點(diǎn)。所用SEM分析儀器的型號(hào)為T(mén)hermoScientificApreo2。

2、XRD分析

圖1為實(shí)驗(yàn)前后TA7鈦合金的XRD圖譜對(duì)比圖。圖1上所反應(yīng)的反射角和譜線強(qiáng)度與由文獻(xiàn)[7]中α和β相標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜所提供的反射角2θ和譜線強(qiáng)度I基本吻合。由該圖譜可知，圖1中所標(biāo)注的7個(gè)峰，均可對(duì)應(yīng)圖中α相的7個(gè)晶面。

表1為經(jīng)Jade軟件分析得到的實(shí)驗(yàn)前后TA7鈦合金XRD分析對(duì)比數(shù)據(jù)。通過(guò)表1中的對(duì)比數(shù)據(jù)可知，深冷處理前后的TA7的反射角幾乎未發(fā)生改變，說(shuō)明各峰峰位均未發(fā)生偏移。實(shí)驗(yàn)后最高峰及各峰的譜線強(qiáng)度順序同樣未發(fā)生改變。深冷處理后的幾個(gè)衍射峰的譜線強(qiáng)度均有不同程度的增強(qiáng)，增幅最小的為第5峰，幅度為8.33%，其中第2、3晶面衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)最為明顯，強(qiáng)度分別增加了58.96%及39.65%，說(shuō)明深冷處理后晶粒沿著其最小阻力的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，向這兩晶面發(fā)生偏轉(zhuǎn)[8]。

圖2是試驗(yàn)前后TB6鈦合金的XRD圖譜對(duì)比圖。圖2上所反應(yīng)的反射角2θ和譜線強(qiáng)度I與α和β相標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜所提供的反射角和譜線強(qiáng)度基本吻合。由該圖譜可知，圖2中所標(biāo)注的8個(gè)峰，均可對(duì)應(yīng)該圖譜中α相與β相的8個(gè)晶面。其中第3峰為（101）α和（110）β的重合晶面。

表2為分析得到的實(shí)驗(yàn)前后TB6鈦合金XRD衍射對(duì)比數(shù)據(jù)表。通過(guò)表2對(duì)比數(shù)據(jù)可知，深冷處理前后的TB6峰衍射角基本未發(fā)生改變，說(shuō)明各峰峰位均未發(fā)生偏移。這與TA7深冷處理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。但深冷處理后的各峰強(qiáng)度均發(fā)生了一定的變化，但幅度相較于TA7，幅度比較小，其中第1、5、7、8晶面的強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)，最大增強(qiáng)幅度為17.3%；

2、3、4、6晶面強(qiáng)度有一定的減弱，最大減弱幅度為11.76%。

圖3是試驗(yàn)前后TC4鈦合金的XRD圖譜對(duì)比圖。圖3上所反應(yīng)的反射角和譜線強(qiáng)度與α和β相標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜所提供的反射角和譜線強(qiáng)度基本吻合。由該圖譜可知，圖3中所標(biāo)注的8個(gè)峰，均可對(duì)應(yīng)該圖中α相與β相的所有晶面。其中第3峰為（211）α和（110）β的重合晶面。

表3為分析得到的實(shí)驗(yàn)前后TC4鈦合金XRD衍射對(duì)比數(shù)據(jù)表。通過(guò)表3的對(duì)比數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)前后TC4鈦合金的晶面衍射角、最高峰及各峰的譜線強(qiáng)度順序均未發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)后的第1、2晶面衍射峰的強(qiáng)度發(fā)生較大的變化，強(qiáng)度分別增加了52.94%及33.33%，說(shuō)明深冷處理后晶粒沿著最小阻力的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，向這兩晶面偏轉(zhuǎn)。

通過(guò)以上三種鈦合金實(shí)驗(yàn)材料的XRD衍射數(shù)據(jù)的分析可以看出：

（1）對(duì)TA7、TB6及TC4鈦合金來(lái)說(shuō)，三種鈦合金在深冷處理后的最高衍射峰較深冷處理前沒(méi)有發(fā)生變化，強(qiáng)度順序也沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明深冷處理并不會(huì)改變材料的主要晶面結(jié)構(gòu)。

（2）相較深冷處理前，TA7與TC4鈦合金的衍射峰強(qiáng)度均有增強(qiáng)。這可能由于材料經(jīng)過(guò)深冷處理后，由于冷縮內(nèi)應(yīng)力，材料出現(xiàn)了體積收縮的現(xiàn)象，導(dǎo)致晶粒發(fā)生偏轉(zhuǎn)。同時(shí)晶面偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，形成了再結(jié)晶織構(gòu)，增強(qiáng)了材料的顯微硬度[9]。而深冷處理前后，TB6的衍射峰強(qiáng)度變化不一，這可能是由于TB6中的β相含量較高，阻礙了TB6鈦合金的擇優(yōu)取向。

（3）上述表中的d值（晶格間距）均發(fā)生了一定的變化。這可能是由于晶粒大小發(fā)生變化引起了晶格畸變。深冷處理的溫度變化或?qū)е戮Я４笮“l(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)造成晶格畸變，晶格畸變會(huì)形成方向性的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，降低晶體發(fā)生偏移的可能性，從而增強(qiáng)金屬材料的綜合力學(xué)性能。

3、顯微組織觀察（SEM）

如圖4-圖6所示，各圖分別為T(mén)A7、TB6、TC4鈦合金材料實(shí)驗(yàn)前后的微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)比圖。其中TA7主要由大片α相組成，TB6由大片β相及少量α相組成，TC4主要由α與β相組成。

分別由圖4（a）與圖4（b）、圖5（a）與圖5（b）、圖6（a）與圖6（b）對(duì)比可知，實(shí)驗(yàn)前的金相組織由大片微觀組織組成，分布并不均勻，晶粒體積較大；深冷處理后，晶粒尺寸均有一定的變化，由于溫度降低，冷壓縮力增大，導(dǎo)致晶粒受到擠壓，故尺寸發(fā)生了變化，微觀組織變得更加密集。與此同時(shí)由于晶粒受到擠壓，在晶體的局部上出現(xiàn)了一定量細(xì)小的亞晶[10]。從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，深冷處理對(duì)三種牌號(hào)鈦合金均可起到細(xì)化晶粒，促進(jìn)產(chǎn)生析出物的作用。

晶粒細(xì)化的現(xiàn)象的原因是，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溫度降低，產(chǎn)生的冷縮內(nèi)應(yīng)力增強(qiáng)，導(dǎo)致材料產(chǎn)生了收縮的趨勢(shì)，部分晶粒受到壓縮后破碎，產(chǎn)生更多的細(xì)小晶粒，因此晶粒得到了一定程度的細(xì)化[11]。

同時(shí)三種材料在深冷處理之后，均有黑色析出物析出的現(xiàn)象，其中TA7與TC4鈦合金析出物數(shù)量增加最為明顯。對(duì)于TA7鈦合金來(lái)說(shuō)，這是由于晶粒存貯的能量被釋放，發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)化物，而這些轉(zhuǎn)化產(chǎn)物顆粒較小并吸附在原基體之上。對(duì)于TC4鈦合金來(lái)說(shuō)，不僅有上述原因，同時(shí)由于低溫促使尚不穩(wěn)定的β相轉(zhuǎn)化為次生α及β相穩(wěn)態(tài)組織并附于α的基體之上[12]。

4、結(jié)論

深冷處理可以有效細(xì)化鈦合金的微觀組織，但不同牌號(hào)合金的處理效果并不完全一致。本文對(duì)三種鈦合金進(jìn)行深冷處理實(shí)驗(yàn)，結(jié)論如下：

（1）深冷處理并未改變鈦合金材料的主要晶面結(jié)構(gòu)，TA7和TC4在深冷處理之后衍射峰強(qiáng)度得到了一定程度的增強(qiáng)，有明顯的晶粒擇優(yōu)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象產(chǎn)生。其中實(shí)驗(yàn)所用的TA7材料第2、3峰晶面衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)最明顯，強(qiáng)度分別增加了58.96%及39.65%；實(shí)驗(yàn)所用的TC4材料的第1、2晶面衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)同樣明顯，強(qiáng)度分別增加了52.94%及33.33%。而TB6鈦合金在深冷前后的衍射峰強(qiáng)度變化不大。

（2）三種鈦合金經(jīng)深冷處理之后，晶格間距均發(fā)生了一定的變化。這是由于深冷處理的溫度變化或?qū)е戮Я４笮“l(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)造成晶格畸變，增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，增加了晶粒發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的難度，從而增強(qiáng)了材料的綜合性能。

（3）深冷處理均可使三種牌號(hào)的鈦合金的顯微組織得到均勻細(xì)化，三種牌號(hào)在深冷處理之后均有析出物析出，其中相較于TB6，TA7和TC4鈦合金的晶粒細(xì)化程度更高，析出物的量也更大。

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