1、引言
α+β型、β型鈦合金以其低密度、高比強(qiáng)度、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高端裝備關(guān)鍵構(gòu)件高性能制造[1，2]，例如風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片、起落架、渦輪盤、機(jī)翼、機(jī)身以及主軸支撐部件等[3]，其具體應(yīng)用與失效形式見表1。
航空航天機(jī)械裝備的關(guān)鍵零部件不僅需要滿足基本的壽命要求，還必須適應(yīng)各種復(fù)雜的服役環(huán)境，如高溫、高壓、高速、重載、強(qiáng)沖擊等極端條件[17]，因此需要鈦合金材料具備超高的強(qiáng)度和足夠的韌性。但金屬材料的強(qiáng)塑性之間的矛盾一直是限制其性能提升主要原因，即金屬材料強(qiáng)度時提高往往伴隨塑性的降低。
基于劇烈塑性變形原理的機(jī)械表面處理技術(shù)能夠降低金屬材料疲勞失效的風(fēng)險，并防止高頻疲勞載荷下的裂紋萌生和擴(kuò)展，同時提高耐磨性和應(yīng)力腐蝕性，主要強(qiáng)化工藝有激光沖擊強(qiáng)化、噴丸強(qiáng)化、滾壓強(qiáng)化、切削強(qiáng)化、磨削強(qiáng)化和軋制工藝等[18－20]。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械加工強(qiáng)化方式并不能解決金屬材料強(qiáng)度塑性之間的矛盾，在提高金屬材料強(qiáng)度和硬度的同時，伴隨而來的是金屬材料的塑性和韌性大幅降低，解決兩者之間的性能倒置問題成為表面強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)一步突破的關(guān)鍵。
為了解決這一問題，突破材料強(qiáng)化極限，深冷處理技術(shù)和超聲滾壓強(qiáng)化技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。超聲滾壓是一種多場賦能的新型表面強(qiáng)化工藝，能夠改善材料的抗疲勞、抗腐蝕、耐磨損等性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天高端裝備鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件的光整強(qiáng)化。超聲滾壓強(qiáng)化技術(shù)是一種基于高度塑性變形的表面改性技術(shù)，超聲使得較小的靜態(tài)擠壓與較大的動態(tài)沖擊結(jié)合為滾動力，在此滾動力的作用下，加工材料表層受到較大的沖擊從而發(fā)生塑性流動，表層性能發(fā)生變化，使表面組織發(fā)生細(xì)化，改善加工表面粗糙度，增加表面硬度，在其表面上引入高值殘余壓應(yīng)力，顯著改善工件的抗疲勞、抗腐蝕、耐磨損等性能[21，22]。與傳統(tǒng)噴丸工藝相比，超聲滾壓強(qiáng)化技術(shù)能夠產(chǎn)生更深的殘余壓應(yīng)力、加工硬化結(jié)構(gòu)以及Ｒa0.2以下的表面粗糙度[23]。深冷處理能夠提升材料的延展性和力學(xué)性能，是最有前景的應(yīng)用之一[24]。相關(guān)試驗表明，低溫處理提高了鈦合金的韌性和耐磨性，同時控制了組織結(jié)構(gòu)，降低了殘余應(yīng)力[25]。深冷處理不僅能提升材料性能，還能提升材料可加工性?，F(xiàn)有研究表明，深冷處理與超聲滾壓加工的耦合作用對鈦合金疲勞性能提升效果大于單一超聲滾壓的效果。鈦合金(特別是亞穩(wěn)定β鈦合金)屬于高層錯能多晶金屬材料，具有豐富的滑移系，晶體中大量的晶界處于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)，對外部熱、力條件敏感，通過形變強(qiáng)化技術(shù)可以進(jìn)一步強(qiáng)化其力學(xué)性能[26]。
溫度和應(yīng)變率是影響鈦合金微觀塑性變形機(jī)制和宏觀力學(xué)性能的重要因素，在變形過程中，溫度越高，動態(tài)再結(jié)晶過程所需的形變量越小，再結(jié)晶的晶粒尺寸越大，而隨著應(yīng)變率的增加，動態(tài)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)也會有所增加。在深冷環(huán)境下，通過超高應(yīng)變率實現(xiàn)塑性變形能生成低能態(tài)界面，使材料晶粒超越了常規(guī)塑性變形細(xì)化晶粒的最小尺寸，能夠達(dá)到幾十納米。深冷處理和超聲滾壓能夠提供低溫(≤77K)和高應(yīng)變率(≥105/s)的外部熱、力條件，能進(jìn)一步提高商用鈦合金性能和壽命。本文從溫度與應(yīng)變率的角度出發(fā)，分析鈦合金變形強(qiáng)化機(jī)理，介紹了深冷超聲滾壓的原理及其在改善鈦合金表面力學(xué)性能的強(qiáng)化作用，并在此基礎(chǔ)上綜述了深冷超聲滾壓鈦合金的位錯滑移、孿生相變等微觀塑性變形機(jī)制和微觀組織演化機(jī)理，對深冷超聲滾壓機(jī)理研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)與展望。
2、溫度與應(yīng)變率
鈦合金變形過程中，其微觀變形機(jī)制主要包括機(jī)械孿生位錯滑移，其次還有由應(yīng)力誘發(fā)的相變[27]。孿生誘發(fā)塑性變形和位錯誘發(fā)塑性變形是相互競爭的關(guān)系，溫度和應(yīng)變率等外部溫度場和力學(xué)條件的變化會改變占主導(dǎo)作用的微觀變形機(jī)制，從而影響其宏觀力學(xué)性能。
溫度和應(yīng)變率是影響金屬微觀組織及其結(jié)構(gòu)演變的重要變量，高應(yīng)變率變形使引入的位錯密度顯著增加，低溫變形則有效降低位錯的動態(tài)回復(fù)，有利于形成更多的位錯界面來細(xì)分晶粒[28]。降溫或增加應(yīng)變率，金屬內(nèi)部還伴有孿晶的生成，可見低溫與高應(yīng)變率并不會使位錯滑移和孿生此消彼長，而是改變對位錯滑移和孿生的增幅來決定主導(dǎo)塑性變形機(jī)制的角色。升溫或降低應(yīng)變率，材料則通過位錯滑移協(xié)調(diào)塑性變形。位錯滑移能夠顯著提高強(qiáng)度和硬度并表現(xiàn)出高的應(yīng)變率敏感性和抗疲勞裂紋萌生能力，位錯難以沿晶界滑移，位錯晶界容納位錯的能力有限，晶界強(qiáng)化的同時導(dǎo)致其塑性降低[29];而當(dāng)溫度降低或應(yīng)變率提高到一定程度時，引發(fā)機(jī)械孿晶變形中位錯和孿晶交互作用，孿晶界不但可以阻礙位錯運(yùn)動，還可以同時吸納位錯以承受較大的塑性形變，獲得較好的強(qiáng)度塑性匹配[30]。位錯和孿生主導(dǎo)的晶粒細(xì)化過程見圖1。
應(yīng)變率和溫度對鈦合金變形機(jī)制有直接影響。低應(yīng)變率下的鈦合金變形機(jī)制為孿晶誘發(fā)馬氏體相變和滑移變形。提高應(yīng)變率(應(yīng)變率＞10/s)后，組織中的變形孿晶大量增加，變形機(jī)制為形變孿晶。典型的α+β鈦合金Ti-6Al-4V由于Al元素和V元素對孿晶的抑制作用，激活孿晶較為困難，只有在低溫或高應(yīng)變率等極端變形條件下才能生成孿晶[31]。高靈清等[32]采用拉伸試驗研究了高應(yīng)變率與低溫下工業(yè)純鈦變形機(jī)制對力學(xué)性能的影響，認(rèn)為高應(yīng)變速率(400～1200/s)及低溫(77K)下的變形模式不再是常規(guī)的單一位錯滑移，而是位錯滑移與孿生變形相結(jié)合的復(fù)合變形模式，高應(yīng)變速率被確定為啟動孿生變形機(jī)制的重要條件。YanxingL．等[33]證明了低溫下鈦合金變形機(jī)理由位錯為主轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e與孿生協(xié)同調(diào)節(jié):鈦合金在室溫下的壓縮變形機(jī)理主要是位錯滑移。193K時的鈦合金壓縮變形機(jī)理是孿生和滑移相結(jié)合，降溫使位錯難以驅(qū)動塑性變形，而更容易激活孿生變形。
鈦合金孿生誘發(fā)塑性(TWIP)和相變誘發(fā)塑性(TＲIP)的綜合效應(yīng)同樣值得關(guān)注。亞穩(wěn)β鈦合金可通過TWIP和馬氏體相變誘發(fā)塑性雙重作用促進(jìn)塑性變形過程[34]。SunQ．Y．等[35]研究α鈦合金在深冷(77K)和室溫(293K)低周疲勞性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，由于深冷孿晶誘發(fā)塑性效應(yīng)，77K下合金塑性和低周疲勞壽命均有提高。周建忠等[36]探究了深冷預(yù)處理激光噴丸(CLZ)對TC6鈦合金機(jī)械性能及微觀組織演變的影響:深冷處理(達(dá)77K)和激光噴丸(應(yīng)變率達(dá)107/s)復(fù)合誘發(fā)殘余壓應(yīng)力的疊加效應(yīng)。
MatsumotoH．等[37]在低溫高應(yīng)變條件下研究了鈦合金的超塑性，發(fā)現(xiàn)鈦合金經(jīng)低溫與高應(yīng)變變形后形成無缺陷的微觀組織，在微觀組織中觀察到細(xì)晶結(jié)構(gòu)和位錯的積累，通過電子探針顯微分析儀(EP-MA)分析了β沉淀體積分?jǐn)?shù)(見圖2a和圖2b)，驗證了平衡的β相從過飽和的α相中析出(見圖2c和圖2d)。含相比是影響超塑性行為的重要因素，估計β相體積分?jǐn)?shù)為20%時，超塑性變形最佳。綜上，低溫和高應(yīng)變率產(chǎn)生更高的位錯運(yùn)動驅(qū)動力以及運(yùn)動速度，不僅產(chǎn)生高密度位錯的聚集與纏結(jié)，同時還通過機(jī)械孿晶協(xié)調(diào)變形促進(jìn)孿晶誘發(fā)塑性效應(yīng)，生成更多的納米晶粒使材料強(qiáng)韌化。
3、深冷超聲滾壓
3.1工作原理
對工件進(jìn)行液氮浸泡或直接將液氮噴淋在工件上使溫度保持在77K以下的加工方式稱為深冷處理，再加入超聲滾壓就是深冷超聲滾壓。深冷超聲滾壓表面強(qiáng)化技術(shù)是一種新興的表面強(qiáng)化工藝，在深冷條件下將超聲振動與滾壓技術(shù)相結(jié)合，對被加工材料表面進(jìn)行動態(tài)沖擊式壓力光整加工，引起材料表面塑性變形，改善材料表面質(zhì)量。
深冷超聲滾壓過程見圖3a和圖3b，超聲滾壓的工作原理為工頻交流電能通過超聲波發(fā)生器轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，超聲頻電振蕩在經(jīng)過超聲換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C(jī)械振動，通過變幅桿傳遞給滾壓頭。超聲振動能量傳遞到試樣后沿著由表層到內(nèi)部的方向逐漸減弱(見圖3c)。將工件浸泡在液氮內(nèi)一定時間后，具有超聲波能量的滾壓頭在預(yù)置法向靜壓力下對材料表面進(jìn)行超高振動頻率滾壓，并噴淋液氮保持深冷效果。
3.2表層性能
超聲滾壓工藝能夠提高表面硬度與耐磨性，同時降低表面粗糙度，從而抑制了疲勞裂紋的萌生[38]。高頻的沖擊力和擠壓力使材料表面發(fā)生塑性變形，獲得“削峰填谷”的光整效果。同時，因其可以在表面以下產(chǎn)生更高的位錯密度和更深的壓殘余應(yīng)力層[39]，使得疲勞壽命在連續(xù)沖擊的作用下進(jìn)一步增加。此外，深冷處理將殘余拉應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力[40]，高值殘余壓應(yīng)力的引入有效延緩了疲勞裂紋的擴(kuò)展[41]。
近年來，學(xué)者們對于深冷處理和超聲滾壓后材料顯微硬度的研究比較充分。席剛等[42]對TC4鈦合金進(jìn)行超聲滾壓加工發(fā)現(xiàn)，超聲振動滾壓加工工藝能有效降低TC4鈦合金表面粗糙度，顯著提高顯微硬度。在此基礎(chǔ)上，ＲenZ．等[43]研究了不同參數(shù)變化對表層顯微硬度的影響(見圖4)，超聲滾壓處理的試樣與未處理試樣相比，表面粗糙度由未處理試樣的0．18μm減小到0．06μm，表面顯微硬度提高20%左右，超聲滾壓后磨損率降低約70%。綜上，超聲滾壓的各個因素對于顯微硬度的影響作用沿著試樣表面到內(nèi)部的方向逐漸減小，試樣的顯微硬度隨著靜壓力和滾壓次數(shù)的增加而增加，但靜壓力和滾壓次數(shù)對于試樣顯微硬度的提升存在一個飽和值。
此外，對于超聲滾壓或深冷處理強(qiáng)化改性后材料耐磨性的研究也較為廣泛。朱磊等[44]通過摩擦磨損試驗證明，超聲滾壓后航空零件鈦合金的耐磨性能得到了提升。張良等[45]進(jìn)一步探究了不同深冷處理時間對TC4鈦合金表面顯微硬度的影響，通過硬度、摩擦磨損性能測試觀察磨損形貌發(fā)現(xiàn)，不同深冷時間TC4鈦合金的耐磨損性能和表面顯微硬度有不同程度的改善(見圖5)。由此可以看出，超聲滾壓和深冷處理對顯微硬度和耐磨性能等表層性能具有較明顯的改善。
總的來說，深冷處理和超聲滾壓能夠改善鈦合金的服役性能和使用壽命。目前鈦合金強(qiáng)化工藝的研究中，關(guān)于超聲滾壓或深冷處理改善鈦合金宏觀表層力學(xué)性能和表面完整性的研究較為充分，但對深冷和超聲滾壓強(qiáng)化鈦合金的耦合微觀作用機(jī)理的研究相對較少[46]，未來應(yīng)進(jìn)一步探究深冷處理與超聲滾壓強(qiáng)化鈦合金過程中，兩者的耦合工藝參數(shù)與機(jī)械性能間的對應(yīng)關(guān)系，為揭示微觀塑性變形機(jī)制與組織演化機(jī)理提供理論依據(jù)。
4、深冷超聲滾壓微觀作用機(jī)理
4.1位錯
有研究學(xué)者對于超聲滾壓的強(qiáng)化作用統(tǒng)一認(rèn)定為位錯誘導(dǎo)的塑性強(qiáng)化[47]。在超聲滾壓產(chǎn)生位錯過程中，表層晶粒發(fā)生細(xì)化現(xiàn)象，鈦合金在有預(yù)置靜壓力和超聲振動的滾壓頭下受到靜載荷和高頻沖擊，材料內(nèi)部的晶體發(fā)生位錯形成位錯壁，使材料內(nèi)部晶界增加，而晶體位錯不斷移動交錯和重新排列，位錯壁有湮滅現(xiàn)象，材料內(nèi)部晶界向亞晶界轉(zhuǎn)變，整個過程在超聲滾壓加工時不斷重復(fù)，位錯壁在材料內(nèi)部不斷重復(fù)形成晶粒細(xì)化，實現(xiàn)表層納米化結(jié)構(gòu)[48]。滾壓過后的表面形成晶粒加固層，塑性變形層向內(nèi)部擴(kuò)展，消除表層部分殘余拉應(yīng)力，增加了有益材料強(qiáng)度的殘余壓應(yīng)力，達(dá)到同時獲得低粗糙度和高表面壓應(yīng)力的效果。晶粒細(xì)化層的存在可將裂紋萌生源向內(nèi)轉(zhuǎn)移至次表層，延長裂紋萌生壽命，同時殘余壓應(yīng)力場對疲勞裂紋的擴(kuò)展有抑制作用[49]。
在含有β相的鈦合金中，位錯大多發(fā)生在β相處。LiuZ．等[50]通過試驗表明，低溫塑性變形有效抑制了滾壓過程中晶粒的動態(tài)回復(fù)，從而促進(jìn)了位錯的積累。因此深冷超聲滾壓相比單一超聲滾壓，帶來更高程度的位錯。
在引入深冷條件后，超聲滾壓下的鈦合金晶粒細(xì)化程度會呈現(xiàn)出梯度性變化，深冷處理后，晶粒遇冷收縮，顯微硬度變大，抵抗變形能力增加，超聲滾壓所引起的劇烈塑性變形由表層傳遞到內(nèi)部，晶粒細(xì)化的程度隨著表層深度的增加而降低，從而呈現(xiàn)出顯著的梯度型變化，獲得梯度納米結(jié)構(gòu)[51]。梯度納米結(jié)構(gòu)中晶粒沿表層由淺至深的方向分布情況為納米晶、超細(xì)晶、變形晶和粗晶基體，晶體呈現(xiàn)連續(xù)的梯度結(jié)構(gòu)之間，沒有明顯的界限，如圖6a所示，其種類主要有梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)、梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)和梯度納米層片結(jié)構(gòu)。相較于熔覆[52]、噴涂或電鍍等方法所制備的涂層結(jié)構(gòu)，梯度納米結(jié)構(gòu)更不易出現(xiàn)剝離脫落的問題[53]。
在具有梯度結(jié)構(gòu)的材料中，其晶粒從納米尺度不斷向宏觀尺度轉(zhuǎn)變，不僅可以有效抑制變形局部化，還可以提高材料的加工硬化性，從而提高材料的強(qiáng)塑性，提高其疲勞壽命。閆佳鶴等[54]通過測定試樣滑動后的表面形貌，研究了梯度納米結(jié)構(gòu)對金屬材料力學(xué)性能的影響，梯度納米晶樣品滑動后表面形貌情況最優(yōu)。圖7為粗晶、納米晶和梯度納米晶樣品在不同滑動周期后沿滑動方向的表面高度分布以及滑動18000次后的表面形貌的相應(yīng)共聚焦顯微鏡激光圖像。梯度納米結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度—塑性協(xié)同效應(yīng)，梯度納米結(jié)構(gòu)中同時存在粗晶和納米晶，使得材料在提升強(qiáng)度的同時，避免了過度影響塑性，表現(xiàn)出良好的強(qiáng)塑匹配性[55](見圖6b)。晶粒細(xì)化程度的多樣性保證了材料的抗疲勞性能，表層細(xì)化程度高的晶體能夠有效地抑制表層疲勞裂紋的萌生，增強(qiáng)材料的疲勞抗性，材料內(nèi)部細(xì)化程度低的粗晶能夠阻礙裂紋的擴(kuò)展。梯度納米結(jié)構(gòu)金屬具有高應(yīng)變硬化率、高疲勞性能、高摩擦磨損性能和耐蝕性能等優(yōu)異性能[56]。
4.2孿生
降低溫度或增加應(yīng)變率，金屬更容易發(fā)生孿生變形。深冷條件下，超聲滾壓塑性變形有利于孿晶的生成:在低溫變形過程中，隨著溫度的降低，晶格收縮加劇，晶體內(nèi)部產(chǎn)生更大的內(nèi)應(yīng)力。而鈦合金的滑移系少，低溫下鈦合金中可啟動的滑移系的數(shù)量更少，深冷引起的大內(nèi)應(yīng)力無法通過位錯滑移來釋放，導(dǎo)致晶粒內(nèi)部應(yīng)力集中，從而激發(fā)孿晶的生成[57]，深冷處理后，鈦合金出現(xiàn)孿晶組織(見圖8)。孿生形核是一個應(yīng)力激活的過程，尤其在低溫條件下，部分孿晶形態(tài)所對應(yīng)的剪切應(yīng)力甚至比鈦合金中非基面滑動所對應(yīng)的臨界應(yīng)力還要低。此時，隨著溫度的下降以及變形能力的提高，晶界附近存在明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，在較低的溫度下，晶界附近的高度應(yīng)力集中和高應(yīng)變能促使鈦合金在晶界處形成孿晶，啟動孿生協(xié)調(diào)塑性變形(TWIP)機(jī)制。由孿生引起的晶粒細(xì)化能夠?qū)Σ牧系乃苄宰冃纹鸬胶芎玫恼{(diào)節(jié)作用，從而提高材料的塑性變形均勻性。即便孿生變形量比非基面滑移程度更小，但是隨著溫度的降低，滑移系逐漸減小，孿生變形在鈦合金中的作用隨之增大。納米晶層是由高密度納米孿晶的形成以及隨后的納米孿晶與位錯的相互作用形成[58]。
與常規(guī)晶界相比，孿晶界面更難萌生疲勞裂紋[59]。高密度的孿晶界面與位錯滑移間的相互作用決定了納米孿晶材料的高強(qiáng)度、高塑性和高加工硬化等優(yōu)良性能。孿晶內(nèi)部可塞積的位錯程度隨著孿晶厚度的降低而降低，位錯突破孿晶界并繼續(xù)發(fā)展所需要的外力隨著孿晶厚度的降低而增大。同時，位錯與孿晶界反應(yīng)在孿晶界上形成大量可動或不可動的位錯，并在孿晶界上滑移、塞積、增殖，協(xié)調(diào)塑性變形韌化材料實現(xiàn)加工硬化，顯著改善其綜合力學(xué)性能[60]。因此納米孿晶結(jié)構(gòu)能夠在保證不過度犧牲其塑性與韌性下，顯著提高材料的強(qiáng)度。研究表明，孿生能夠同時提高強(qiáng)度和塑性，盧磊等[61]研究發(fā)現(xiàn)，隨著納米孿晶界密度的增加，材料的斷裂韌性也隨之提高，不同孿晶取向?qū)α鸭y擴(kuò)展的阻力不同，當(dāng)納米孿晶體積分?jǐn)?shù)的增加時，材料的斷裂韌性和屈服強(qiáng)度也隨之提高(見圖9)。
總的來說，由深冷處理和超聲滾壓達(dá)成的低溫或高應(yīng)變率促使鈦合金進(jìn)行TWIP機(jī)制能夠產(chǎn)生更均勻的塑性變形和更高密度的位錯，其生成孿晶的不同取向上都具有一定的抗裂紋擴(kuò)展能力，致使孿晶界面具有優(yōu)良的疲勞抗能力。
4.3相變
在深冷超聲滾壓過程中，鈦合金顯微組織發(fā)生了相變。未經(jīng)深冷處理的鈦合金試樣顯微組織多為長條狀的初生α相、初生α相和少量的β相，深冷處理后，晶粒滾壓變形的儲能被釋放，發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，部分β相發(fā)生了轉(zhuǎn)變，形成β相以及次生的α相，這些轉(zhuǎn)化產(chǎn)物顆粒的體積較小，具有吸附在原生的α相基體周邊的能力，β相的減少提高了鈦合金的塑性。LuoX．等[62]對Ti6Al4V合金進(jìn)行了深冷超聲滾壓試驗，試樣與試驗過程見圖10a～圖10c，并設(shè)立不同工況的對照組試驗進(jìn)行疲勞測試(見圖10e～圖10h)。
通過深冷和超聲滾壓在Ti6Al4V合金材料表面形成細(xì)晶改性層，發(fā)現(xiàn)深冷處理+超聲滾壓后試樣表面β相含量比超聲滾壓低3%，深冷處理+超聲滾壓處理后試樣的疲勞壽命較原始試樣提高了61.9%。
由于α相是密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系較少，β相為體心立方結(jié)構(gòu)，因此滑移系較多。相對于體心立方結(jié)構(gòu)，密排六方結(jié)構(gòu)中少量滑移體系形成的位錯不易滑動，使得超聲滾壓處理后殘余壓應(yīng)力具有較高的穩(wěn)定性。因此，深冷和超聲滾壓處理的試樣可使疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展速率低于單一超聲滾壓的試樣。有學(xué)者將此現(xiàn)象歸結(jié)于應(yīng)力誘發(fā)相變[63]。
在亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金的強(qiáng)化研究中，師佑杰等[64]通過研究發(fā)現(xiàn)，深冷處理和超聲滾壓共同作用下產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力促進(jìn)了亞穩(wěn)態(tài)β相向穩(wěn)定的β相和α相的轉(zhuǎn)變。GuK．等[65]研究TB8亞穩(wěn)β鈦合金在深冷處理作用下的組織演變，深冷處理在低溫下通過晶格收縮提供了更高程度的過冷和內(nèi)應(yīng)力，可以通過馬氏體相變促進(jìn)針狀α相的形成，α相的體積分?jǐn)?shù)由23%提高到27%。圖11為EBSD分布分析，可以觀察到經(jīng)深冷處理后α相含量明顯增加，并通過性能測試發(fā)現(xiàn)顯微硬度和拉伸性能都得到明顯提升。李曉琛等[66]進(jìn)一步探究了深冷處理時間對鈦合金微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，隨著深冷處理時間的延長，材料的晶粒尺寸逐漸下降，β相的體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?。材料?jīng)過α相轉(zhuǎn)變后在深冷12h時綜合力學(xué)性能表現(xiàn)最為優(yōu)異;在TC4鈦合金材料在室溫下拉伸性能和抗疲勞性能會隨著α相在鈦合金中比例的增多而提升[67]。
深冷處理和超聲滾壓對鈦合金發(fā)生相變均具有一定的促進(jìn)作用。
深冷超聲滾壓能夠通過調(diào)節(jié)熱、力條件，協(xié)調(diào)多種變形機(jī)制，形成更高密度的位錯與更低能態(tài)的界面，從而突破傳統(tǒng)超聲滾壓加工晶粒細(xì)化的極限。目前鈦合金形變機(jī)制研究中，關(guān)于再結(jié)晶的晶粒細(xì)化鈦合金變形過程中位錯和孿生耦合的作用機(jī)制研究較為充分，但改變孿晶生成溫度(如液氮溫度)生成的形變孿晶對再結(jié)晶晶粒細(xì)化的影響研究較少。
5、結(jié)語
(1)溫度和應(yīng)變率是影響鈦合金微觀塑性變形機(jī)制和宏觀力學(xué)性能的重要因素。低溫與高應(yīng)變式的強(qiáng)化加工能夠使鈦合金的位錯滑移、孿生以及相變?nèi)N塑性變形機(jī)制的競爭力度發(fā)生變化，給鈦合金帶來良好的強(qiáng)塑匹配性。
(2)深冷超聲滾壓是一種多場賦能的強(qiáng)化新工藝，能夠從溫度與應(yīng)變率的角度激發(fā)材料塑性變形機(jī)制，提高鈦合金表面硬度和耐磨性，降低表面粗糙度，在表面引入殘余壓應(yīng)力，有效改善鈦合金的表面性能，確保航空航天鈦合金的使役性能和疲勞壽命，具備進(jìn)一步強(qiáng)化材料力學(xué)性能的潛力。
(3)深冷超聲滾壓促進(jìn)晶粒細(xì)化、相變和梯度納米結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，在加工過程中觀察到有孿晶的出現(xiàn)。深冷的引入使得超聲滾壓加工鈦合金中機(jī)械孿晶、相變和位錯滑移三種微觀塑性變形機(jī)制同時存在并互相制約，但隨著溫度與應(yīng)變率的改變，變形機(jī)制由哪一種主導(dǎo)的研究仍然較少。此外關(guān)于深冷超聲滾壓過程中，分析界面躍遷的阻力與驅(qū)動力、抑制動態(tài)回復(fù)的低溫脆化效應(yīng)、跨尺度調(diào)節(jié)微納多級界面與構(gòu)筑梯度納米結(jié)構(gòu)的研究是未來進(jìn)一步突破的關(guān)鍵。
(4)深冷超聲滾壓加工有凹凸面、拐角和弧面等非平面復(fù)雜輪廓具有一定的局限性，突破這一局限性是深冷超聲滾壓效率提高的關(guān)鍵。深冷超聲滾壓有加工形式進(jìn)一步復(fù)合化的趨勢，深冷超聲滾壓引入更多形式的能量場，例如深冷處理和電脈沖處理結(jié)合下進(jìn)行超聲滾壓，實現(xiàn)更多角度協(xié)同調(diào)控，需進(jìn)一步研究材料性能提升的可能性。
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第一作者:楊延朝，碩士研究生，濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，250002 濟(jì)南市First Author: Yang Yanzhao，Postgraduate，School of Me-chanical Engineering，University of Jinan，Jinan 250002，China
通信作者:潘永智，副教授，濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，250002 濟(jì)南市
Corresponding Author: Pan Yongzhi，Associate Professor，School of Mechanical Engineering，University of Jinan，Jinan 250002，China
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