深冷處理是指以液氮為制冷劑，在低于-130℃的環境中對材料進行處理的方法,因為液氮來源較廣、價格便宜、易于儲存和運輸、化學性能穩定、不腐蝕零 件、不會爆炸、無毒性及對環境友好等多個優點，深冷 技術已作為一種新的熱處理工藝在工業領域得到了廣 泛的應用。鈦合金是以鈦為基礎，加人其他元素組成 的合金，具有優良的耐蝕性、低密度、高的比強度及好 的韌性和焊接性等一系列優點，在航空航天、石油化 工、造船、汽車及醫藥等行業都得到了成功的應 用[12],在實際加工過程中，TC4鈦合金的化學性質活 潑，高溫下易與刀具發生反應，加工困難[3]。滾磨光 整加工不僅避免了高溫環境，還能有效提高TC4鈦合金零件的表面質量和疲勞壽命[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 已經得到了廣泛的研究[5~6]。本文通過對軋制態TC4鈦合金進行深冷處理，研究深冷處理對鈦合金試樣滾磨光整加工和表面性能的影響，確定最優的深冷處理 時間，以期達到改善TC4鈦合金表面質量和性能的目的。

1、試驗材料及方法

試驗采用軋制態鈦合金板材，牌號為TC4，其主要成分見表1,利用線切割機床將板材切割成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 氮罐型號為YDS-10,容積為10 L，使用DMT-280數顯 溫度計對桶內溫度進行測量，深冷處理溫度為（-196.1 ± 0.1) T，深冷處理時間為12、24、48h,樣品取出后空 冷至室溫,進行乙醇沖洗，然后用超聲波清洗設備洗 凈，烘干備用。

滾磨光整加工試驗采用W-LL05型自由磨具滾磨 光整加工設備對試樣進行加工，利用Perthometer M2 表面粗糙度儀對加工前后的試樣表面進行表面粗糙度 測量；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光學顯微鏡觀察顯微組織；采 用HMV-G21ST型顯微硬度計測試硬度，加載時間為 15s,每個樣品上選擇7個點進行測量,取平均值作為 最終硬度值;殘余應力試驗采用X Pert Pro X射線衍 射儀，測出相應的衍射角20，求出20對sin2的斜率M 便可計算出應力(T,利用_Iade5軟件對數據進行分析計 算;采用TESCAN VEGA3鎢燈絲掃描電鏡對加工前后 的試樣表面形貌進行觀察。

2、試驗結果與分析

2.1顯微硬度分析

不同深冷時間下試樣顯微硬度的變化如圖1所 示，深冷處理時，試樣的體積會因低溫而收縮,會導致 1cm²的面積產生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應力使得試樣內部的 應力平衡被打破，組織致密性增加。其次α相和β相之間的轉變，也使得試樣的性能發生改變。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，晶粒軋制變形的儲能被釋放，發 生再結晶現象，部分β相發生轉變生成次生的α相和β相，這些轉化產物顆粒較小,吸附在原有的α相基體 周邊。同時溫度降低使得晶粒產生了熱收縮，晶粒尺 寸變小，晶粒得到一定的細化，不同相組織間產生了大 量的位錯，使得顯微組織受到低溫影響纏結在一 起。其中亮色區域為a相，暗色區域為β相，顯微 組織變化如圖2所示。通過IPP（Image-Pro Plus)軟件 對a相含量（體積分數）的變化進行分析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，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

滾磨光整加工參數為滾筒轉速350 r/min、磨塊種 類白陶瓷、磨塊直徑糾mm、加工時間40 min。對不同 深冷處理時間下的TC4鈦合金進行滾磨光整加工，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 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 后達到穩定。所以，在滾磨光整加工前對試樣進行 深冷處理12 h,TC4鈦合金的表面粗糙度會下降更多。

2.4殘余應力分析

利用XRD測量未處理試樣、經過離心式滾磨光整 加工的試樣、深冷處理12 h后離心式滾磨光整加工的 試樣表面殘余應力。測得殘余應力分別為（-102.8 ± 8.9)、（ -123.0±6.9)、（ -129.8 ±11.4) MPa,發現離心 式滾磨光整加工和深冷處理都使試樣表面的殘余壓應 力增加。加工時,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力增加;深冷處理時，試樣 內部產生極大的冷縮內應力使得試樣體積發生收 縮[|3]，同時內部應力平衡被打破，顯微組織變化，導致 表面殘余壓應力增加。殘余壓應力的增加，可使試樣屈服極限、疲勞強度、抗腐蝕性能等物理力學性能得到提高[15]。

2.S表面形貌分析

滾磨光整加工試驗發現，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 鏡對試樣表面形貌進行分析，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微的表面溝壑和坑洞缺陷， 統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別， 試樣表面仍然存在著銑削加工后產生的刀痕和表面 溝壑缺陷。

從深冷處理后TC4鈦合金的摩擦磨損試驗可 知，深冷處理后的試樣可以更快地進人穩定磨損階 段。未深冷處理的試樣磨損機理為磨料磨損和輕微 的粘附磨損，深冷處理后試樣磨損機理變為輕微的磨料磨損MM。粘附磨損是摩擦表面的材料遷移而 引起的機械磨損，在滾磨光整加工時，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，加工時這些附 著在試樣表面的材料隨著加工時間的增加越積越 多，覆蓋試樣表面，加工時表面劃痕越來越難以去 除，難以達到很好的加工效果。深冷處理后的試樣 因其磨損機理已經改變為輕微的磨料磨損，不會被 滾拋磨塊掉落材料粘附，導致加工區域被覆蓋，試樣 表面和滾拋磨塊持續不斷地碰撞、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鈦合金時的磨損機理，表面劃痕和缺 陷可得到明顯改善。

3、結論

1) TC4鈦合金深冷處理時試樣內部產生強大的 冷縮內應力，使試樣組織變得均勻且致密，在深冷處理12h時顯微硬度最大，隨著深冷時間的增加顯微硬度 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相轉變為次生的α相，且深冷處理12h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合可以有效提 高鈦合金試樣表面的殘余壓應力，滾磨光整加工后試 樣表面殘余壓應力較未處理試樣提升19.65%，深冷預處理12h且經滾磨光整加工后試樣表面殘余壓應 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力。

4) TC4鈦合金在經過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 工試樣的表面質量最好。

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