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(pán)、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(jiàn)表1。
航空航天機(jī)械裝備的關(guān)鍵零部件不僅需要滿(mǎn)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(shí)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(xiǎn)，并防止高頻疲勞載荷下的裂紋萌生和擴(kuò)展，同時(shí)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(shí)，伴隨而來(lái)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(wèn)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(wèn)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(lái)越多的關(guān)注。超聲滾壓是一種多場(chǎng)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(dòng)態(tài)沖擊結(jié)合為滾動(dòng)力，在此滾動(dòng)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(dòng)，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(yàn)表明，低溫處理提高了鈦合金的韌性和耐磨性，同時(shí)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(duì)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(cuò)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(duì)外部熱、力條件敏感，通過(guò)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(guò)程中，溫度越高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)也會(huì)有所增加。在深冷環(huán)境下，通過(guò)超高應(yīng)變率實(shí)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(cuò)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(duì)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(guò)程中，其微觀變形機(jī)制主要包括機(jī)械孿生位錯(cuò)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(cuò)誘發(fā)塑性變形是相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，溫度和應(yīng)變率等外部溫度場(chǎng)和力學(xué)條件的變化會(huì)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(cuò)密度顯著增加，低溫變形則有效降低位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)回復(fù)，有利于形成更多的位錯(cuò)界面來(lái)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(jiàn)低溫與高應(yīng)變率并不會(huì)使位錯(cuò)滑移和孿生此消彼長(zhǎng)，而是改變對(duì)位錯(cuò)滑移和孿生的增幅來(lái)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(guò)位錯(cuò)滑移協(xié)調(diào)塑性變形。位錯(cuò)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(cuò)難以沿晶界滑移，位錯(cuò)晶界容納位錯(cuò)的能力有限，晶界強(qiáng)化的同時(shí)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(shí)，引發(fā)機(jī)械孿晶變形中位錯(cuò)和孿晶交互作用，孿晶界不但可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，還可以同時(shí)吸納位錯(cuò)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(cuò)和孿生主導(dǎo)的晶粒細(xì)化過(guò)程見(jiàn)圖1。
應(yīng)變率和溫度對(duì)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(duì)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(yàn)研究了高應(yīng)變率與低溫下工業(yè)純鈦?zhàn)冃螜C(jī)制對(duì)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(cuò)滑移，而是位錯(cuò)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(dòng)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(cuò)為主轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)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(cuò)滑移。193K時(shí)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(cuò)難以驅(qū)動(dòng)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(guò)TWIP和馬氏體相變誘發(fā)塑性雙重作用促進(jìn)塑性變形過(guò)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(shí)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(duì)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(wú)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(cuò)的積累，通過(guò)電子探針顯微分析儀(EP-MA)分析了β沉淀體積分?jǐn)?shù)(見(jiàn)圖2a和圖2b)，驗(yàn)證了平衡的β相從過(guò)飽和的α相中析出(見(jiàn)圖2c和圖2d)。含相比是影響超塑性行為的重要因素，估計(jì)β相體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，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(cuò)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力以及運(yùn)動(dòng)速度，不僅產(chǎn)生高密度位錯(cuò)的聚集與纏結(jié)，同時(shí)還通過(guò)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(duì)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(chēng)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(dòng)與滾壓技術(shù)相結(jié)合，對(duì)被加工材料表面進(jìn)行動(dòng)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(guò)程見(jiàn)圖3a和圖3b，超聲滾壓的工作原理為工頻交流電能通過(guò)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(guò)超聲換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C(jī)械振動(dòng)，通過(guò)變幅桿傳遞給滾壓頭。超聲振動(dòng)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(jiàn)圖3c)。將工件浸泡在液氮內(nèi)一定時(shí)間后，具有超聲波能量的滾壓頭在預(yù)置法向靜壓力下對(duì)材料表面進(jìn)行超高振動(dòng)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(shí)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(shí)，因其可以在表面以下產(chǎn)生更高的位錯(cuò)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(lái)，學(xué)者們對(duì)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(duì)TC4鈦合金進(jìn)行超聲滾壓加工發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)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(duì)表層顯微硬度的影響(見(jiàn)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(gè)因素對(duì)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(duì)于試樣顯微硬度的提升存在一個(gè)飽和值。
此外，對(duì)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(guò)摩擦磨損試驗(yàn)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(shí)間對(duì)TC4鈦合金表面顯微硬度的影響，通過(guò)硬度、摩擦磨損性能測(cè)試觀察磨損形貌發(fā)現(xiàn)，不同深冷時(shí)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(jiàn)圖5)。由此可以看出，超聲滾壓和深冷處理對(duì)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(lái)說(shuō)，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(duì)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(duì)較少[46]，未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步探究深冷處理與超聲滾壓強(qiáng)化鈦合金過(guò)程中，兩者的耦合工藝參數(shù)與機(jī)械性能間的對(duì)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(cuò)
有研究學(xué)者對(duì)于超聲滾壓的強(qiáng)化作用統(tǒng)一認(rèn)定為位錯(cuò)誘導(dǎo)的塑性強(qiáng)化[47]。在超聲滾壓產(chǎn)生位錯(cuò)過(guò)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(dòng)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(cuò)形成位錯(cuò)壁，使材料內(nèi)部晶界增加，而晶體位錯(cuò)不斷移動(dòng)交錯(cuò)和重新排列，位錯(cuò)壁有湮滅現(xiàn)象，材料內(nèi)部晶界向亞晶界轉(zhuǎn)變，整個(gè)過(guò)程在超聲滾壓加工時(shí)不斷重復(fù)，位錯(cuò)壁在材料內(nèi)部不斷重復(fù)形成晶粒細(xì)化，實(shí)現(xiàn)表層納米化結(jié)構(gòu)[48]。滾壓過(guò)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(shí)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(zhǎng)裂紋萌生壽命，同時(shí)殘余壓應(yīng)力場(chǎng)對(duì)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(cuò)大多發(fā)生在β相處。LiuZ．等[50]通過(guò)試驗(yàn)表明，低溫塑性變形有效抑制了滾壓過(guò)程中晶粒的動(dòng)態(tài)回復(fù)，從而促進(jìn)了位錯(cuò)的積累。因此深冷超聲滾壓相比單一超聲滾壓，帶來(lái)更高程度的位錯(cuò)。
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(huì)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(méi)有明顯的界限，如圖6a所示，其種類(lèi)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(wèn)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(guò)測(cè)定試樣滑動(dòng)后的表面形貌，研究了梯度納米結(jié)構(gòu)對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響，梯度納米晶樣品滑動(dòng)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(dòng)周期后沿滑動(dòng)方向的表面高度分布以及滑動(dòng)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(shí)存在粗晶和納米晶，使得材料在提升強(qiáng)度的同時(shí)，避免了過(guò)度影響塑性，表現(xiàn)出良好的強(qiáng)塑匹配性[55](見(jiàn)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(guò)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(dòng)的滑移系的數(shù)量更少，深冷引起的大內(nèi)應(yīng)力無(wú)法通過(guò)位錯(cuò)滑移來(lái)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(jiàn)圖8)。孿生形核是一個(gè)應(yīng)力激活的過(guò)程，尤其在低溫條件下，部分孿晶形態(tài)所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力甚至比鈦合金中非基面滑動(dòng)所對(duì)應(yīng)的臨界應(yīng)力還要低。此時(shí)，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(dòng)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(cuò)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(cuò)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(cuò)程度隨著孿晶厚度的降低而降低，位錯(cuò)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(shí)，位錯(cuò)與孿晶界反應(yīng)在孿晶界上形成大量可動(dòng)或不可動(dòng)的位錯(cuò)，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(shí)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(guò)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(shí)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(shí)，材料的斷裂韌性和屈服強(qiáng)度也隨之提高(見(jiàn)圖9)。
總的來(lái)說(shuō)，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(cuò)，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(guò)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(zhǎng)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(chǔ)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(duì)Ti6Al4V合金進(jìn)行了深冷超聲滾壓試驗(yàn)，試樣與試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖10a～圖10c，并設(shè)立不同工況的對(duì)照組試驗(yàn)進(jìn)行疲勞測(cè)試(見(jiàn)圖10e～圖10h)。
通過(guò)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(duì)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(cuò)不易滑動(dòng)，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(guò)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(guò)晶格收縮提供了更高程度的過(guò)冷和內(nèi)應(yīng)力，可以通過(guò)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(guò)性能測(cè)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(shí)間對(duì)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(shí)間的延長(zhǎng)，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(guò)α相轉(zhuǎn)變后在深冷12h時(shí)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(huì)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(duì)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(guò)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(cuò)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(guò)程中位錯(cuò)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(duì)再結(jié)晶晶粒細(xì)化的影響研究較少。
5、結(jié)語(yǔ)
(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(cuò)滑移、孿生以及相變?nèi)N塑性變形機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)力度發(fā)生變化，給鈦合金帶來(lái)良好的強(qiáng)塑匹配性。
(2)深冷超聲滾壓是一種多場(chǎng)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(guò)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(cuò)滑移三種微觀塑性變形機(jī)制同時(shí)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(guò)程中，分析界面躍遷的阻力與驅(qū)動(dòng)力、抑制動(dòng)態(tài)回復(fù)的低溫脆化效應(yīng)、跨尺度調(diào)節(jié)微納多級(jí)界面與構(gòu)筑梯度納米結(jié)構(gòu)的研究是未來(lái)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(shì)，深冷超聲滾壓引入更多形式的能量場(chǎng)，例如深冷處理和電脈沖處理結(jié)合下進(jìn)行超聲滾壓，實(shí)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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