100 多年前，瑞士鐘表商發(fā)現(xiàn)將關(guān)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(guó)自 1965年開(kāi)始使用深冷處理（Deep Cryogenic Treatment，DCT）技術(shù)，從此該技術(shù)在全球范圍內(nèi)受到了廣泛關(guān)注 [2] 。1980 年，深冷處理技術(shù)在國(guó)外已成為常規(guī)材料處理方法，并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。相比于熱處理，深冷處理的主要優(yōu)勢(shì)在于不僅對(duì)環(huán)境友好，而且可以保證材料良好的尺寸穩(wěn)定性 [3-4] 。

鈦合金作為重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué) [5] 、航空航天 [6-7] 等領(lǐng)域。雖然熱處理是傳統(tǒng)調(diào)整鈦合金性能的方法，但它在提升材料某一性能的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致其他性能降低。例如，固溶+時(shí)效處理可以提高鈦合金的強(qiáng)度和硬度，但會(huì)導(dǎo)致鈦合金韌性降低 [8] 。深冷處理旨在綜合優(yōu)化鈦合金性能 [9] ，通過(guò)將材料冷卻至極低溫度，改變鈦合金微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其力學(xué)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文綜述了深冷工藝參數(shù)（深冷時(shí)間、深冷溫度、循環(huán)次數(shù)）對(duì)鈦合金組織和力學(xué)性能的影響及其作用機(jī)理，以期為深冷處理在鈦合金工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供更為有力的支持和指導(dǎo)。

1、 深冷處理原理與作用機(jī)理

深冷處理通常將材料冷卻至極低溫度，以實(shí)現(xiàn)其微觀結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化。深冷處理常使用液氮作為制冷介質(zhì)，主要采用液態(tài)法和氣態(tài)法進(jìn)行冷卻。液態(tài)法是將樣品直接置于液氮中浸泡，進(jìn)行低溫處理 [10] 。在此過(guò)程中，需要精確控制冷卻速度，以免過(guò)大的熱沖擊引發(fā)材料開(kāi)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(wěn)地進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)變，避免裂開(kāi)。氣態(tài)法則是通過(guò)液氮的汽化來(lái)達(dá)到所需的冷卻效果 [12] 。氣態(tài)法的原理如圖 1 所示。其原理為：將液氮置于液氮罐中，通過(guò)閥門(mén)和軟管控制液氮蒸發(fā)的流量，液氮通過(guò)軟管進(jìn)入箱體的分配區(qū)發(fā)生汽化，利用風(fēng)扇使汽化的液氮在分配區(qū)均勻掃滿箱體，以達(dá)到冷卻效果，并由電磁感應(yīng)閥對(duì)箱體內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，以達(dá)到維持箱體溫度的目的。

目前，對(duì)黑色金屬深冷處理的機(jī)理解釋已經(jīng)較為完善 [13-14] 。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，經(jīng)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(zhuǎn)變、馬氏體基體中納米碳化物的析出以及內(nèi)部?jī)?nèi)應(yīng)力催生位錯(cuò)的形成。對(duì)于鈦合金，雖然深冷處理對(duì)其物理性能有顯著影響，但具體的作用機(jī)理尚存在爭(zhēng)議。晶格在低溫下的收縮是影響鈦合金性質(zhì)的關(guān)鍵因素。這種收縮會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，可能引發(fā)位錯(cuò)纏結(jié)和晶格缺陷。此外，深冷處理還可能導(dǎo)致新相的析出和晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而細(xì)化晶粒并增加孿晶數(shù)量。這些變化共同提高了材料的力學(xué)性能、耐疲勞性和耐蝕性，使鈦合金適應(yīng)于更高要求的應(yīng)用場(chǎng)景。

2、 深冷處理對(duì)鈦合金微觀組織的影響

TC4（Ti-6Al-4V）是應(yīng)用最廣泛的鈦合金，研究它在深冷處理下微觀結(jié)構(gòu)的變化情況具有重要的工程意義和科研價(jià)值。TC4 鈦合金在不同加工條件下表現(xiàn)出不同的微觀結(jié)構(gòu) [15-16] 。常溫軋制 TC4 鈦合金的微觀組織呈現(xiàn)為等軸組織（見(jiàn)圖 2a），增材制造（Additive Manufacturing，AM）制備的 TC4 鈦合金主要表現(xiàn)為平行交錯(cuò)的針狀組織 [16] （見(jiàn)圖 2b），深冷處理對(duì)這些鈦合金微觀組織的影響主要體現(xiàn)在晶粒尺寸細(xì)化、位錯(cuò)增加及缺陷減少方面。譚玉全 [17] 對(duì)未經(jīng)深冷處理的軋制態(tài) TC4 鈦合金進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其等軸 α 相形態(tài)較長(zhǎng)且尺寸偏大（見(jiàn)圖 3a），但經(jīng)深冷處理 11 h 后，原始橄欖球狀的 α 相轉(zhuǎn)變?yōu)閳A球狀的 α相（見(jiàn)圖 3b）。Yu 等 [18] 進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證實(shí)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(jiàn)圖 4）。Gu 等 [19] 認(rèn)為深冷處理除了可以細(xì)化晶粒外，還能增強(qiáng) TC4 鈦合金的均勻性并減少缺陷。Huang 等 [20] 對(duì)電子束熔融成形（Electron Beam Melting，EBM）的 TC4 鈦合金進(jìn)行了深冷 48 h 處理，發(fā)現(xiàn)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(duì)其他牌號(hào)的鈦合金的微觀組織也有顯著影響。Yumak 等 [21] 研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理可以將 TB5（Ti15V-3Al-3Cr-3Sn）鈦合金中不穩(wěn)定的 β 相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的 β 相和 α 相。鄭會(huì)會(huì) [22] 研究了深冷處理對(duì)軋制態(tài) TC18（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe）鈦合金板材室溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)深冷處理后基體上的析出物更加細(xì)小，并呈彌散分布（見(jiàn)圖 5）。此外，Zhou等 [23] 對(duì) TC6（Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si）鈦合金板材進(jìn)行了深冷處理研究，結(jié)果顯示，經(jīng)深冷處理后，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了高密度的錯(cuò)位結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 6）。

Luo 等 [24] 揭示了深冷處理對(duì)純鈦合金 TA2 微觀組織的重要調(diào)控作用，特別是在優(yōu)化晶粒尺寸、增大位錯(cuò)密度等方面。

深冷處理沒(méi)有改變鈦合金 α 相和 β 相的晶格結(jié)構(gòu)，但會(huì)導(dǎo)致晶粒發(fā)生擇優(yōu)取向，從而產(chǎn)生織構(gòu)。Yu等 [18] 研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)深冷處理后，TC4 鈦合金試樣的部分晶粒向(102)和(002)晶面偏轉(zhuǎn)。陳振華等 [25] 的研究也得出了相似的結(jié)論：深冷處理不僅會(huì)導(dǎo)致鈦合金產(chǎn)生擇優(yōu)取向，還會(huì)導(dǎo)致晶內(nèi)位錯(cuò)增多，形成眾多亞晶結(jié)構(gòu)。

由于制備工藝和外部條件存在差異，因此經(jīng)深冷處理后晶面的偏轉(zhuǎn)會(huì)存在差異。李澤鏵 [26] 研究發(fā)現(xiàn)，SLM 制備的 TC4 鈦合金晶粒更多的是向(101)和(100)晶面呈現(xiàn)擇優(yōu)取向。Li 等 [27] 在研究磁場(chǎng)作用下 TC4鈦合金深冷處理的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，深冷處理會(huì)導(dǎo)致部分晶粒的(110)晶面偏轉(zhuǎn)至(100)和(101)晶面，同時(shí)，經(jīng)磁場(chǎng)深冷處理的樣品晶粒在(002)晶面擇優(yōu)取向。

綜上所述，深冷處理對(duì)鈦合金微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響，如晶粒細(xì)化、位錯(cuò)增加和織構(gòu)變化等。此外，深冷處理使鈦合金晶粒的部分晶面偏轉(zhuǎn)，形成特定織構(gòu)。然而，對(duì)于鈦合金晶粒在不同晶面上擇優(yōu)取向產(chǎn)生織構(gòu)的具體原因，仍需要基于不同的深冷工藝和材料進(jìn)行深入的分析研究。

3、 深冷處理對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響

TC4 鈦合金中元素的波動(dòng)范圍較大，通常其抗拉強(qiáng)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(xiàn)出不同程度的增大或減小 [28] 。通過(guò)分析鈦合金的力學(xué)性能和顯微組織，可以更好地對(duì)鈦合金的深冷機(jī)理進(jìn)行研究。Huang 等 [20]對(duì)深冷處理 48 h 后的軋制 TC4 鈦合金進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，深冷過(guò)后的軋制 TC4 鈦合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(fā)現(xiàn)其延伸率從 16.5%提高到 24.5%，同時(shí)強(qiáng)度略有提高。Song 等 [29] 對(duì)經(jīng)深冷處理的近 β 鈦合金（βTi-5Al-3Mo-3V-2Cr-2Zr-1Nb-1Fe）進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)深冷處理后近 β 鈦合金的抗拉強(qiáng)度提高，塑性保持不變。李曉琛等 [30] 研究了深冷處理對(duì)退火 TC4 鈦合金微觀組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)相比于未深冷退火試樣，深冷處理后試樣的抗拉強(qiáng)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(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響規(guī)律及其作用機(jī)理如表 1 所示。一般來(lái)說(shuō)，鈦合金主要通過(guò)晶粒細(xì)化、位錯(cuò)纏結(jié)和相析出產(chǎn)生的彌散強(qiáng)化效應(yīng)來(lái)提高材料力學(xué)性能。

目前通過(guò)深冷處理提高鈦合金力學(xué)性能的途徑主要包括分析深冷工藝參數(shù)（深冷時(shí)間、溫度和循環(huán)次數(shù)）對(duì)性能的影響以及優(yōu)化深冷工藝參數(shù)。

3.1 深冷時(shí)間

深冷時(shí)間是提高鈦合金力學(xué)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。鈦合金的力學(xué)性能會(huì)隨著保溫時(shí)間的改變而發(fā)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(fā)現(xiàn)在深冷處理 48、72、96 h 后，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率分別達(dá)到最大值（見(jiàn)圖 7）。丁首斌 [16] 將電子束選區(qū)熔化（ElectronBeam Selective Melting，EBSM）TC4 浸入液氮中保溫不同時(shí)間，發(fā)現(xiàn)試樣拉伸性能在深冷處理保溫 48 h時(shí)達(dá)到最優(yōu)。Zhou 等 [23] 將 TC4 鈦合金浸入液氮中進(jìn)行深冷處理 0~24 h，發(fā)現(xiàn)其硬度在 18 h 時(shí)達(dá)到最大值，但其延伸率從 15.79%降低至 13.89%。綜上所述，對(duì)于深冷處理，并不是保溫時(shí)間越長(zhǎng)效果越好，并且當(dāng)某一性能具有最佳效果時(shí)，其他性能可能達(dá)不到預(yù)想效果，需要針對(duì)不同的性能調(diào)整相應(yīng)的深冷參數(shù)。

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(shù)。一般來(lái)說(shuō)，深冷處理的溫度越低，鈦合金表現(xiàn)出的延展性越好。?akir 等 [34] 研究了深冷處理溫度對(duì)軋制 TC4鈦合金拉伸性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，與未深冷處理的試樣相比，深冷處理后的 TC4 鈦合金表現(xiàn)出更高的延展性，并且隨深冷處理的溫度降低，材料的強(qiáng)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(fā)現(xiàn)在?80 ℃下保溫的試樣強(qiáng)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(qiáng)度下降得更多，延伸率有明顯提升。

3.3 深冷循環(huán)次數(shù)

深冷循環(huán)次數(shù)是鈦合金深冷處理過(guò)程中的重要參數(shù)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，鈦合金的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。與傳統(tǒng)深冷處理直接將材料浸入液氮罐中并在維持特定時(shí)間后取出樣本進(jìn)行空冷相比，循環(huán)深冷會(huì)在每個(gè)保溫周期后取出樣本進(jìn)行空冷，隨后再次進(jìn)行深冷，并重復(fù)此過(guò)程。2 種主要的循環(huán)深冷方式分別為：1）保持總深冷時(shí)間恒定，調(diào)整循環(huán)次數(shù)；2）單次深冷時(shí)長(zhǎng)固定，調(diào)節(jié)深冷次數(shù)。Li 等 [27]研究表明，經(jīng)循環(huán)深冷后，TC4 鈦合金的強(qiáng)度和延伸率得到提高，循環(huán) 3 次后可以獲得最高抗拉強(qiáng)度和最優(yōu)延伸率。李澤鏵 [26] 固定了總的深冷時(shí)長(zhǎng)并調(diào)整了循環(huán)次數(shù)，觀察到 SLM TC4 鈦合金的抗拉強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的增加而升高，但延伸率略有下降。據(jù)此，他認(rèn)為在循環(huán) 3 次時(shí)，鈦合金展現(xiàn)了最佳的綜合性質(zhì)。SLM TC4 鈦合金在不同深冷循環(huán)次數(shù)下的拉伸性能如表 3 所示。李月明 [36] 保持每次深冷時(shí)間相同并增加了循環(huán)次數(shù)，發(fā)現(xiàn)單次深冷處理會(huì)導(dǎo)致軋制 TC4 鈦合金硬度降低，而 2 次深冷處理會(huì)使硬度上升至一個(gè)較高的水平，但當(dāng)增加到 3 次深冷處理時(shí)，硬度會(huì)略微降低，但仍高于未處理樣本硬度。綜上所述，當(dāng)深冷循環(huán)次數(shù)在 3 以內(nèi)時(shí)，對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度有促進(jìn)作用，硬度和延伸率的變化需要根據(jù)不同的循環(huán)工藝進(jìn)行具體分析。

4、 深冷處理對(duì)鈦合金服役性能的影響

深冷處理對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響最終體現(xiàn)在其服役性能上，而服役性能決定了鈦合金產(chǎn)品的使用壽命。本節(jié)主要介紹深冷處理對(duì)鈦合金服役過(guò)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(dòng)磨損性時(shí)發(fā)現(xiàn)，TC4 鈦合金的耐磨性僅為 316L 的 1/2 和 CoCrMo 合金的 1/24，這無(wú)法支持它在航空、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。因此，亟須找到一種有效方法來(lái)改善鈦合金的耐磨性。

有關(guān)提高 TC4 鈦合金耐磨性的研究指出，深冷處理能夠細(xì)化材料的晶粒、增加孿晶數(shù)量并導(dǎo)致晶粒方向發(fā)生偏轉(zhuǎn) [38] 。這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，如高位錯(cuò)密度和孿晶的形成，有助于吸收摩擦產(chǎn)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(duì) TC4 鈦合金表面組織和性能的協(xié)同作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)深冷處理后，TC4 鈦合金表面的硬度增大，TC4 鈦合金對(duì)滾動(dòng)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(fā)現(xiàn)深冷處理 2 h 的磨損機(jī)制為嚴(yán)重磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損的共同作用，而經(jīng)深冷處理 72 h 后，磨損機(jī)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(shí)間的延長(zhǎng)，TC4 鈦合金的位錯(cuò)密度提高，經(jīng)過(guò) 15 h 的深冷處理后，TC4 鈦合金的磨損質(zhì)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(jìn)一步證實(shí)：深冷處理可以導(dǎo)致 TC4 鈦合金產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，從而提高材料的耐磨性和顯微硬度。

4.2 疲勞壽命

近年來(lái)，有關(guān)深冷處理后鈦合金疲勞壽命的研究受到廣泛關(guān)注，Leuders 等 [43] 指出，鈦合金的微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)其疲勞性能起到了決定性的作用。Sotysiak等 [44] 研究表明，經(jīng)深冷處理后，TC4 鈦合金的位錯(cuò)數(shù)量顯著增加，這有助于進(jìn)一步提高其疲勞性能。在更為深入的研究中，Sun 等 [45] 對(duì)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(dāng)溫度降至 77 K 時(shí)，在鈦合金中會(huì)形成多種形態(tài)的孿晶結(jié)構(gòu)（如圖 9 所示），這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)顯著提高了材料的疲勞強(qiáng)度。此外，Singla 等 [46] 研究表明，TC4 鈦合金中的初生 β 相可以經(jīng)深冷處理轉(zhuǎn)化為更細(xì)微的次生 α 相和 β 相，這一轉(zhuǎn)變有助于增強(qiáng)材料的抗裂性，從而提高其疲勞性能。丁首斌 [16] 研究表明，經(jīng)過(guò)深冷處理的 SLM TC4 鈦合金的疲勞循環(huán)次數(shù)顯著優(yōu)于未處理樣本的，尤其是經(jīng)過(guò) 96 h 的深冷 處 理 后 ， 其 疲 勞 循 環(huán) 次 數(shù) 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(fā)現(xiàn)，該合金的疲勞性能在很大程度上取決于細(xì)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(shí)，材料的疲勞循環(huán)次數(shù)也明顯提升。

Huang 等 [20] 還進(jìn)一步研究了深冷時(shí)間與 EBM TC4 鈦合金疲勞性能的關(guān)系，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)深冷時(shí)間為6~96 h 時(shí)，其疲勞循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)上升的態(tài)勢(shì)，盡管在深冷處理 72 h 后，疲勞循環(huán)次數(shù)相對(duì)于 48 h 時(shí)的有所下降，但仍然比未處理樣本的高出 85.7%（見(jiàn)圖 10）。

5、 深冷處理復(fù)合工藝方法

除了通過(guò)深冷處理工藝改善材料性能外，越來(lái)越多的研究開(kāi)始探索深冷與其他處理工藝復(fù)合的方法來(lái)優(yōu)化材料性能。Ye 等[48] 提出了深冷激光噴丸（Cryogenic Laser Peening，CLP）強(qiáng)化工藝，該工藝結(jié)合了深冷處理與激光噴丸技術(shù)，在 CLP 處理時(shí)，通過(guò)深冷處理對(duì)材料微觀組織的調(diào)整與激光噴丸產(chǎn)生的超高應(yīng)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(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)更高強(qiáng)度和更高延展性的改善效果。費(fèi)愛(ài)庚 [49] 將磁場(chǎng)工藝和深冷處理相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò) 12 h 磁場(chǎng)深冷處理后，材料的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比深冷處理和磁場(chǎng)深冷處理后材料的拉伸性能發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)處理可以更好地驅(qū)動(dòng)材料中的磁性顆粒重新排列，從而促進(jìn)再結(jié)晶過(guò)程，故磁場(chǎng)深冷處理后的 TC4 鈦合金拉伸性能要優(yōu)于深冷處理的。Amin 等 [50] 提出將滲碳工藝與深冷處理相結(jié)合，可以更好地促進(jìn)材料相變，從而提高材料的力學(xué)性能。

將深冷處理與其他處理工藝相結(jié)合為材料性能優(yōu)化提供了新的途徑，這樣不僅能夠促進(jìn)深冷處理的廣泛應(yīng)用，還有助于進(jìn)一步提高材料的綜合性能。未來(lái)，結(jié)合深冷處理與特種加工技術(shù)的研究思路有望開(kāi)辟新的研究方向，并為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)更多創(chuàng)新和突破。

6 、結(jié)論

深冷處理對(duì)鈦合金的力學(xué)性能、微觀組織、殘余應(yīng)力等方面具有積極的影響。深冷處理操作簡(jiǎn)單，液氮成本低廉，可以作為傳統(tǒng)熱處理的預(yù)處理或后處理方式，為后續(xù)處理提供了思路。如果使用得當(dāng)，可以顯著提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而在覆蓋了低溫加工額外成本的同時(shí)，依然能夠降低整體加工成本。為促進(jìn)深冷處理技術(shù)的發(fā)展，可以從以下幾個(gè)方面深化深冷處理的研究：

1）工藝。深冷處理作為傳統(tǒng)熱處理的后繼工序，可以與傳統(tǒng)熱處理相結(jié)合。同時(shí)，考慮將新型的后處理手段（如磁場(chǎng)、真空等）與深冷處理配合研究開(kāi)發(fā)全新的工藝流程。

2）深冷處理工藝手段和方法。經(jīng)深冷處理后，金屬與合金性能在很大程度上受工藝參數(shù)的影響。由于目前深冷工藝控制設(shè)備單一，能夠準(zhǔn)確控制深冷時(shí)間和溫度的設(shè)備成本巨大，實(shí)驗(yàn)參數(shù)難以得到準(zhǔn)確控制，因此，在深冷處理工藝的設(shè)備研發(fā)方面，應(yīng)該加大投入力度與規(guī)模。此外，通過(guò)仿真和深度學(xué)習(xí)的方式探究和預(yù)測(cè)材料在深冷處理過(guò)程中的性能變化，可以極大地降低實(shí)驗(yàn)成本，并提高研究效率。

深冷處理技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用潛力，但還存在許多待探索和挖掘的內(nèi)容。隨著中國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，深冷處理技術(shù)將成為我國(guó)高端和精密制造業(yè)的重要支撐，對(duì)提升我國(guó)工業(yè)技術(shù)水平具有重大而深遠(yuǎn)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[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(xiàn). 金屬材料深冷處理發(fā)展概況[J]. 熱加工工藝, 2001(4): 57-59.

CHEN D, HUANG P Y, LI W X. Development Over-view 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 Treat-ment on Properties of Materials: A Review[J]. Proceed-ings 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 Treat-ment on Mechanical Behavior and Microstructure of Ti-6Al-4V ELI Biomaterial[J]. Journal of Materials En-gineering 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(shí)效熱處理工藝研究[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2002, 38(z1): 89-92.

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

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

JI Z J, LI G R, YE Y R, et al. A Review on Deep Cryo-genic 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]. Ma-terials Science and Engineering A, 2009, 523(1/2):27-31.

[11] ZHU Y, LI C, ZHANG L. Effects of Cryo-Treatment onCorrosion Behavior and Mechanical Properties of La-ser-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 Al-loy and Their Weldments: A Review[J]. Materials TodayCommunications, 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 Manu-facturing Processes, 2017, 32(16): 1789-1805.

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

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

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

DING S B. Effect of Cryogenic Treatment on Micro-structure 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(duì) TC4 鈦合金組織、性能的影響及殘余應(yīng)力消除方法的研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2016: 46.

TAN Y Q. The Effect of Heat Treatment on Microstruc-ture 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 Cryo-rolling[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 onTi6Al4V 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(huì)會(huì). 深冷處理對(duì) TC4,TC18 鈦合金板材室溫性能的影響[D]. 長(zhǎng)春: 吉林大學(xué), 2019: 28.

ZHENG H H. The Influence of Deep Cold Treatment onthe 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 Prop-erties and Microstructural Characteristics of TC6 Tita-nium 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 Tita-nium Alloy TA2 at Ambient and Cryogenic Tempera-tures[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(huán)處理研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào), 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 Al-loys[J]. Journal of Hunan University, 2014, 41(7): 1-5.

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

LI Z H. Effect of Cryogenic Treatment on Microstruc-ture and Mechanical Properties of Selective LaserMelting TC4 Titanium Alloy[D]. Nanchang: Nanchang Hangkong University, 2022: 27.

[27] LI G R, QIN T, FEI A G, et al. Performance and Micro-structure 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(duì) TC4 鈦合金動(dòng)態(tài)力學(xué)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 Engineer-ing, 2013, 42(7): 5.

[29] SONG B, XIAO W, WANG J, et al. Effects of Cryo-genic Treatments on Phase Transformations, Micro-structure 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(shí)間對(duì) TC4 鈦合金微觀組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響[J]. 常州大學(xué)學(xué)報(bào),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 Me- chanical Properties of TC4 Titanium Alloy[J]. Journal of Changzhou University, 2022, 34(4): 7-13.

[31] 陳勁松. 工業(yè)純鈦及 TC4 鈦合金的深冷處理研究[D].長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué), 2011: 22-38.

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

[32] HU Z Q, ZHENG H H, LIU G J, et al. Effects of Cryo-genic Treatment after Annealing of Ti-6Al-4V Alloy Sheet on Its Formability at Room Temperature[J]. Met-als-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(huán)處理研究[D].長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué), 2014: 29-39.

XIE P R. Study on Cryogenic and Cold-Hot Cycle Treatment of Titanium and Titanium Alloys[D]. Chang-sha: 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: Pro-ceedings, 2022, 66: 883-888.

[36] 李月明. 微塑性變形對(duì) TC4鈦合金微觀組織及力學(xué)性能的影響[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇大學(xué), 2015: 50-57.

LI Y M. Effect of Microplastic Deformation on the Mi-crostructure 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 Applica-tions[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Bio-medical 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]. Mate-rials 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(duì) TC4 鈦合金摩擦磨損性能及微觀組織的影響[J]. 材料保護(hù), 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(duì) 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 Al-loy[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 Re-sistance and Crack Growth Performance[J]. Interna-tional 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 Sci-ence & Engineering A, 2001, 316(1/2): 80-86.

[46] SINGLA, SINGH, SHARMA, et al. Impact of Cryo-genic Treatment on HCF and FCP Performance of β-Solution Treated Ti-6Al-4V ELI Biomaterial[J]. Ma-terials, 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(fèi)愛(ài)庚. 磁場(chǎng)深冷處理 TC4鈦合金的微觀組織和力學(xué)性能的研究[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇大學(xué), 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.

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