深冷處理是指以液氮為制冷劑，在低于-130℃的環(huán)境中對(duì)材料進(jìn)行處理的方法,因?yàn)橐旱獊碓摧^廣、價(jià)格便宜、易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸、化學(xué)性能穩(wěn)定、不腐蝕零 件、不會(huì)爆炸、無毒性及對(duì)環(huán)境友好等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，深冷 技術(shù)已作為一種新的熱處理工藝在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣 泛的應(yīng)用。鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)，加人其他元素組成 的合金，具有優(yōu)良的耐蝕性、低密度、高的比強(qiáng)度及好 的韌性和焊接性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化 工、造船、汽車及醫(yī)藥等行業(yè)都得到了成功的應(yīng) 用[12],在實(shí)際加工過程中，TC4鈦合金的化學(xué)性質(zhì)活 潑，高溫下易與刀具發(fā)生反應(yīng)，加工困難[3]。滾磨光 整加工不僅避免了高溫環(huán)境，還能有效提高TC4鈦合金零件的表面質(zhì)量和疲勞壽命[4]。研究表明，深冷處 理可以顯著改善TC4鈦合金的塑性、彈性模量、顯微 硬度、摩擦磨損性能、耐腐蝕性和可加工性能等，目前 已經(jīng)得到了廣泛的研究[5~6]。本文通過對(duì)軋制態(tài)TC4鈦合金進(jìn)行深冷處理，研究深冷處理對(duì)鈦合金試樣滾磨光整加工和表面性能的影響，確定最優(yōu)的深冷處理 時(shí)間，以期達(dá)到改善TC4鈦合金表面質(zhì)量和性能的目的。

1、試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用軋制態(tài)鈦合金板材，牌號(hào)為TC4，其主要成分見表1,利用線切割機(jī)床將板材切割成20mm X 20mm X 10mm試件，再用立式銑床將試件表面粗植 度辦銑削至0.500pm左右。

深冷處理為將試樣直接放人液氮罐保溫桶中，液 氮罐型號(hào)為YDS-10,容積為10 L，使用DMT-280數(shù)顯 溫度計(jì)對(duì)桶內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量，深冷處理溫度為（-196.1 ± 0.1) T，深冷處理時(shí)間為12、24、48h,樣品取出后空 冷至室溫,進(jìn)行乙醇沖洗，然后用超聲波清洗設(shè)備洗 凈，烘干備用。

滾磨光整加工試驗(yàn)采用W-LL05型自由磨具滾磨 光整加工設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行加工，利用Perthometer M2 表面粗糙度儀對(duì)加工前后的試樣表面進(jìn)行表面粗糙度 測(cè)量；砂紙打磨、拋光后用無水乙醇清洗干凈，在 HF:HN03:水=1:3:10(體積比）的腐蝕液中侵蝕10S后洗凈吹干，采用BX4光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織；采 用HMV-G21ST型顯微硬度計(jì)測(cè)試硬度，加載時(shí)間為 15s,每個(gè)樣品上選擇7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,取平均值作為 最終硬度值;殘余應(yīng)力試驗(yàn)采用X Pert Pro X射線衍 射儀，測(cè)出相應(yīng)的衍射角20，求出20對(duì)sin2的斜率M 便可計(jì)算出應(yīng)力(T,利用_Iade5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì) 算;采用TESCAN VEGA3鎢燈絲掃描電鏡對(duì)加工前后 的試樣表面形貌進(jìn)行觀察。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1顯微硬度分析

不同深冷時(shí)間下試樣顯微硬度的變化如圖1所 示，深冷處理時(shí)，試樣的體積會(huì)因低溫而收縮,會(huì)導(dǎo)致 1cm²的面積產(chǎn)生2t左右的壓力[7]，與未深冷的試樣相比，深冷處理過程中巨大的內(nèi)應(yīng)力使得試樣內(nèi)部的 應(yīng)力平衡被打破，組織致密性增加。其次α相和β相之間的轉(zhuǎn)變，也使得試樣的性能發(fā)生改變。深冷處理 12h后試樣的顯微硬度最大，從未處理試樣的 346.0 HV0.05 增加到 358.0 HV0.05,提高了3.47% , 隨深冷時(shí)間增加，顯微硬度緩慢降低，但仍高于未處理 試樣的硬度。

2.2顯微組織分析

由于試樣為軋制板材，未深冷處理的試樣顯微組 織多為長條狀的初生α相、層片狀的次生α相和少量 的β相，深冷處理時(shí)，晶粒軋制變形的儲(chǔ)能被釋放，發(fā) 生再結(jié)晶現(xiàn)象，部分β相發(fā)生轉(zhuǎn)變生成次生的α相和β相，這些轉(zhuǎn)化產(chǎn)物顆粒較小,吸附在原有的α相基體 周邊。同時(shí)溫度降低使得晶粒產(chǎn)生了熱收縮，晶粒尺 寸變小，晶粒得到一定的細(xì)化，不同相組織間產(chǎn)生了大 量的位錯(cuò)，使得顯微組織受到低溫影響纏結(jié)在一 起。其中亮色區(qū)域?yàn)閍相，暗色區(qū)域?yàn)棣孪?，顯微 組織變化如圖2所示。通過IPP（Image-Pro Plus)軟件 對(duì)a相含量（體積分?jǐn)?shù)）的變化進(jìn)行分析1，深冷處理12 h后試樣中α相的比例由未深冷處理的56.45% 上升到85.42%，α相含量是未深冷處理的1.51倍。 TC4鈦合金中α相含量和材料的屬性相關(guān)，α相在鈦 合金中的比例越多，材料在室溫下拉伸性能和抗疲勞 性能就會(huì)越好，所以α相含量的增加，提高了TC4鈦合金的使用性能[13_14]。

2.3表面粗糙度分析

滾磨光整加工參數(shù)為滾筒轉(zhuǎn)速350 r/min、磨塊種 類白陶瓷、磨塊直徑糾mm、加工時(shí)間40 min。對(duì)不同 深冷處理時(shí)間下的TC4鈦合金進(jìn)行滾磨光整加工，表 面粗糙度變化如圖3所示，由圖3可知，深冷處理24h和48h的試樣在加工20 min后表面粗糙度逐漸穩(wěn) 定保持在0.30 pm左右；深冷處理12 h的試樣表面 粗糙度顯著降低，降至約0.250 pm,并在加工30 min 后達(dá)到穩(wěn)定。所以，在滾磨光整加工前對(duì)試樣進(jìn)行 深冷處理12 h,TC4鈦合金的表面粗糙度會(huì)下降更多。

2.4殘余應(yīng)力分析

利用XRD測(cè)量未處理試樣、經(jīng)過離心式滾磨光整 加工的試樣、深冷處理12 h后離心式滾磨光整加工的 試樣表面殘余應(yīng)力。測(cè)得殘余應(yīng)力分別為（-102.8 ± 8.9)、（ -123.0±6.9)、（ -129.8 ±11.4) MPa,發(fā)現(xiàn)離心 式滾磨光整加工和深冷處理都使試樣表面的殘余壓應(yīng) 力增加。加工時(shí),滾拋磨塊與試樣表面間不斷的碰撞 劃擦使試樣表面的殘余壓應(yīng)力增加;深冷處理時(shí)，試樣 內(nèi)部產(chǎn)生極大的冷縮內(nèi)應(yīng)力使得試樣體積發(fā)生收 縮[|3]，同時(shí)內(nèi)部應(yīng)力平衡被打破，顯微組織變化，導(dǎo)致 表面殘余壓應(yīng)力增加。殘余壓應(yīng)力的增加，可使試樣屈服極限、疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性能等物理力學(xué)性能得到提高[15]。

2.S表面形貌分析

滾磨光整加工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，深冷處理后的試樣更 容易被加工，表面粗糙度可以降到更低，利用掃描電 鏡對(duì)試樣表面形貌進(jìn)行分析，如圖4所示，可見未深 冷處理試樣表面有著大量的銑削加工刀痕和加工過 程中造成的表面缺陷。在滾磨光整加工參數(shù)不變的 條件下，可以觀察到深冷處理12h的試樣表面銑削 加工劃痕和表面溝壑缺陷基本消失。深冷處理24h的試樣表面僅存在著細(xì)微的表面溝壑和坑洞缺陷， 統(tǒng)削加工痕跡存在但不易被觀察到。深冷處理48h的試樣與未深冷處理的試樣相比沒有明顯的區(qū)別， 試樣表面仍然存在著銑削加工后產(chǎn)生的刀痕和表面 溝壑缺陷。

從深冷處理后TC4鈦合金的摩擦磨損試驗(yàn)可 知，深冷處理后的試樣可以更快地進(jìn)人穩(wěn)定磨損階 段。未深冷處理的試樣磨損機(jī)理為磨料磨損和輕微 的粘附磨損，深冷處理后試樣磨損機(jī)理變?yōu)檩p微的磨料磨損MM。粘附磨損是摩擦表面的材料遷移而 引起的機(jī)械磨損，在滾磨光整加工時(shí)，粘附磨損使得 磨塊自身磨損的材料掉落粘附到試樣表面，使得試 樣表面覆蓋了一層磨塊脫落的材料，加工時(shí)這些附 著在試樣表面的材料隨著加工時(shí)間的增加越積越 多，覆蓋試樣表面，加工時(shí)表面劃痕越來越難以去 除，難以達(dá)到很好的加工效果。深冷處理后的試樣 因其磨損機(jī)理已經(jīng)改變?yōu)檩p微的磨料磨損，不會(huì)被 滾拋磨塊掉落材料粘附，導(dǎo)致加工區(qū)域被覆蓋，試樣 表面和滾拋磨塊持續(xù)不斷地碰撞、滾壓和劃擦，表面 粗糙度逐漸得到改善。所以，深冷處理可改變滾磨 光整加工TC4鈦合金時(shí)的磨損機(jī)理，表面劃痕和缺 陷可得到明顯改善。

3、結(jié)論

1) TC4鈦合金深冷處理時(shí)試樣內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)大的 冷縮內(nèi)應(yīng)力，使試樣組織變得均勻且致密，在深冷處理12h時(shí)顯微硬度最大，隨著深冷時(shí)間的增加顯微硬度 逐漸降低，但始終高于未深冷處理的試樣。

2) 對(duì)比深冷處理前后試樣的顯微組織可知，深冷 處理后部分β相轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊摩料?，且深冷處?2h后，α相的比例由未深冷處理的56.45%上升到 85.42%。

3) 深冷處理和滾磨光整加工相結(jié)合可以有效提 高鈦合金試樣表面的殘余壓應(yīng)力，滾磨光整加工后試 樣表面殘余壓應(yīng)力較未處理試樣提升19.65%，深冷預(yù)處理12h且經(jīng)滾磨光整加工后試樣表面殘余壓應(yīng) 力較未處理試樣提升26.26%，深冷處理和滾磨光整 加工都能有效提高試樣表面的殘余壓應(yīng)力。

4) TC4鈦合金在經(jīng)過12h的深冷處理和滾磨光 整加工后，表面粗糙度降低，表面粗糙度從約0.500pm下降到0.250pm左右。深冷處理12h后滾磨光整加 工試樣的表面質(zhì)量最好。

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